Archiv "Lehrbuch/Expertensystem - Kombination für die medizinische Ausbildung" (03.04.1992)

Lehrbuch/Expertensystem- Kombination für die

medizinische Ausbildung

Frank Puppe, Bernhard Puppe, Rudolf Gross

DEUTSCHES

ÄRZTEBLATT

KURZBERICHT

M

edizinische Expertensysteme sind Programme, mit denen das Spezialwissen und die Schlußfol- gerungsfähigkeit von erfahrenen Me- dizinern nachgebildet werden soll.

Trotz inzwischen fünfzehn Jahren in- tensiver Forschung kann den Syste- men bisher keine klinische Praxisrei- fe bescheinigt werden [4, 2]. Wir se- hen jedoch in medizinischen Exper- tensystemen weniger automatische Problemlöser, sondern mehr ein neuartiges Wissensmedium, dessen Potential in der medizinischen Aus- bildung genutzt werden kann, und wollen unsere Meinung in diesem Artikel begründen. Zunächst verglei- chen wir die Wissensmedien Exper- tensystem und Buch, dann skizzieren wir adäquate Wissensdarstellungen für die Ausbildung und gehen schließlich auf das praktische Pro- blem des Wissenserwerbs ein.

Im Vergleich zu Büchern haben Expertensysteme den grundsätzli- chen Vorteil, daß ihr Wissen leicht kritisierbar ist, indem man dem Ex- pertensystem Fälle präsentiert und seine Lösungen und dessen Begrün- dungen überprüft. Für die Ausbil- dung ist hervorzuheben, daß eine Wissensbasis im Gegensatz zum Buch zum aktiven Lernen anregt und in verschiedenen, attraktiven Modi genutzt werden kann.

• Im Kritikmodus löst der Student reale oder in einer Falldatenbank vorgegebene Fälle selbst und wird vom Expertensystem auf Fehler auf- merksam gemacht. Dabei kann nicht nur das Endergebnis kommentiert

werden, sondern auch der Diagno- stikprozeß, das heißt die zwischen- zeitlichen Verdachtsdiagnosen und die zusätzlichen Tests, die der Stu- dent zur Abklärung der Diagnose in- diziert.

• Im Beratungsmodus kann der Stu- dent sich zu vorgegebenen Sympto- men eine gewichtete Liste von Diffe- rentialdiagnosen anzeigen und be- gründen lassen.

• Im Experimentiermodus kann der Student einen Fall variieren, um die Auswirkungen einzelner Symptome auf die Liste der Differentialdiagno- sen zu betrachten. Umgekehrt kann er auch die Konsequenzen verschie- dener Diagnosen in einem patho- physiologischen Modell auf die Sym- ptome studieren.

• Im Handbuchmodus dient das Ex- pertensystem als Nachschlagewerk.

Das Wissen kann übersichtlich in Tabellen (Abbildungen 1 und 2) und Diagrammen dargestellt werden.

Natürlich kann ein Expertensy- stem ein Lehrbuch nur ergänzen und nicht ersetzen. Die Vorzüge des Lehrbuches liegen in dem Unter- schied der natürlichen Sprache ge- genüber einem Formalismus: sie ist angenehmer zu lesen und vor allem ausdrucksstärker, denn sie umfaßt wesentlich mehr sprachliche Nuan- cen, als in einem Expertensystem dargestellt werden können. Die Viel- fältigkeit des medizinischen Wissens, das sich teilweise auch einer sprach- lichen Formulierung ganz entzieht, ist sicher ein wichtiger Grund, war- um größere Expertensysteme in der

Praxis bisher so wenig Erfolg hatten.

Für den Studenten kann jedoch ein strenger Formalismus zum Anfang sehr hilfreich bei der Konzentration auf das Wesentliche sein, obwohl er ihn irgendwann tranzendieren muß.

Wenn Expertensysteme zur Aus- bildung genutzt werden, geht es nicht nur darum, daß sie richtige Diagnosen finden, sondern auch daß ihre Vorgehensweise der von Men- schen ähnelt. Deswegen scheiden statistische Verfahren wie das Theo- rem von Bayes aus. Klinischen Fluß- diagrammen fehlt die für Menschen typische Flexibilität, und sie werden für größere und komplexere Berei- che schnell unübersichtlich. Die Ex- pertensystemforschung hat jedoch unser Verständnis in den Diagno- stik-Prozeß erheblich verbessert und verständlichere und flexiblere Wis- sensdarstellungen mit zugehörigen Problemlösungsstrategein bereitge- stellt [3]:

• Heuristische (assoziative) Diagno- stik mit unsicheren Regeln der Art,

„wenn Symptom A und Symptom B zutreffen, dann wird das Pathokon- zept X wahrscheinlicher". Dabei wird nicht direkt von Symptomen auf Diagnosen geschlossen, sondern über einen ausgeprägten diagnosti- schen Mittelbau. Beispiele für heuri- stische Regeln finden sich in den Ab- bildungen 1 und 2.

• Diagnostik mit pathophysiologi- schen Modellen, bei denen eine Ur- sache-Wirkungskette aufgebaut wird, wie Diagnosen Symptome her- vorrufen. Im Gegensatz zum heuri- stischen Wissen können dabei auch Schweregrade und Rückkopplungs- schleifen berücksichtigt werden.

• Diagnostik mit physiologischen Mo- dellen, bei denen im Gegensatz zu pathophysiologischen Modellen von der gesunden Funktionsweise des menschlichen Körpers ausgegangen wird und Diagnosen als geändertes Verhalten einzelner Funktionsein- heiten dargestellt werden.

• Fallvergleichende Diagnostik, die ganz ohne Regeln auskommt Das Wissen besteht aus einer großen Menge von Fallbeispielen und Anga- ben

über die diagnoseunabhängige

Bedeutung und Ähnlichkeit von Symptomen. Zu einem neuen Fall wird der ähnlichste Fall aus der Fall- Dt. Ärztebl. 89, Heft 14, 3. April 1992 (71) A1-1247

-El Diagnosen-Übersichtstabelle für "flkute Hepatitis", ...

Bedingungen Diagnosen 'Akute Hepatitis Leberzirrhose Fettleber Extrahepatische....

häufig häufig

häufig Apriori-Häufigkeit

Akuter Ikterus

häufig

P4 N3

Chronischer Ikterus N6 + P3 N4

P4 Hyperbilirubinaemie Konjugiert

Hepatomegalie I N4 P3 N2

Hyperbilirubinaemie Unkonjugiert Hepatozellulaerer Ikterus Chronische Lebererkrankung

N6 ^{• • •} • •

P4

N6 * P4 nie

* P5 Portale Hypertension

Porto Sy stemische Enzephalopathie Hepato-Parenchymale Insuffizienz

* P4

+ P3 N2 nie

Biochemischer Hepatozellulaerer Defekt P4 1 N6 Intrahepatische Cholestase + P4

Gallengangsstenose P6 ! N4

Zirrhotische Hepatomegalie Palpatorisch

N3 P4

= nachgewiesen

Tumoroese Hepatomegalie Palpatorisch

N3

= nachgewiesen

Gutartige Hepatomegalie Palpatorisch

P2

= nachgewiesen

Abdomenbeschwerden Typ

- Schmerz P3 N3

Fieber

= hoch P2

N4

= niedrig

Bioptische Leberentzuendung

= nicht vorhanden nie

= gering

Bioptische Leberzirrhose

+ immer

= nicht vorhanden nie

+ immer

= gering

Dermato-Endokrmologische Zirrhose Zeichen

= keine N2

• gering P3

= ausgeprägt P4

Zirrhotischer Habitus

= nicht vorhanden N2

Ikterus Begleitsymptome

- Anorexie P2

- Übelkeit/Erbrechen P2

Tranaminasen Auswertung

= im_Normbereich P3

= ausgeprägte-Erhöhung P4 N3

Leukozyten Bewertung

N2 + P3

= gering_erhöht

= stark_erhöht

121

el

^{+ N4}

1E>

Abbildung 1: Übersichtstabelle mit „Akuter Hepatitis", „Leberzirrhose", „Fettleber" und „Extrahepatischer Cholestase". Der erste Eintrag links oben bedeutet zum Beispiel die Regel: Wenn „Akuter Ikterus" vorliegt, dann bewerte die „Akute Hepatitis" mit der Evidenzklasse „p4".

Der Eintrag daneben bedeutet: „Wenn kein ,akuter Ikterus' vorliegt, dann bewerte die ,Akute Hepatitis' mit der Evidenzklasse „n3". Es gibt sechs positive und sechs negative Evidenzklassen (p1 = geringe Evidenz; p6 = hohe Evidenz; n1 = geringe negative Evidenz; n6 = hohe negative Evidenz) und Ausschluß-Kriterien (aus) sowie hinreichende, pathognomonische Evidenz (hinr).

sammlung herausgesucht und gege- benenfalls dessen Ergebnis über- nommen. In einem zukünftigen Aus- bildungssystem sollten alle Wissens-

darstellungen angeboten werden, so daß der Student die ihm adäquate Darstellung wählen und in fortge- schrittenem Stadium auch wechseln

kann. Als Basis-Problemlösungsstra- tegie für alle Wissensarten scheint die hypothetisch-deduktive Vorge- hensweise, bei der zyklisch mit rela- A.1-1248 (72) Dt. Ärztebl. 89, Heft 14, 3. April 1992

❑ - Objekttabelle für "Leberzirrhose" Chronischer Ikterus + - ✓ Hepatomegalie + - ✓ Chronische Lebererkrankung + ✓ + Portale Hypertension + + Porto Sy stemische Enzephalopathie + ✓ + ✓ Hepato-Parenchy male Insuffizienz + ✓ - ✓ Zirrhotische Hepatomegalie Palpatorisch = nachgewiesen+ ✓ Allgemeinzustand = schwer_krank Ernaehrungszustand = kachektisch Bioptische Leberzirrhose = nicht vorhanden + ✓ = gering 717 ,r7 ausgeprägt Dermato-Endokrinologische Zirrhose Zeichen = keine + ✓ = gering + ✓ = ausgeprägt + ✓ Zirrhotischer Habitus = nicht vorhanden + ✓ = vorhanden + Praesinusoidale Portale Hypertension = stark erhoeht U Leberzirrhose immer P5 P4 P4 P4 P4 P3 P3 P3 N2 N2 N2 N2 N3 N4 N4 N5 nie Q.

Abbildung 2: Detail- lierte Her- leitungs- Tabelle für

„Leberzir- rhose". Die erste Spal- te bedeutet zum Bei- spiel die Regel:

Wenn „Bi- optische Leberzir- rhose" —

„gering"

oder „aus- geprägt", dann ist das ein

„hinrei- chendes"

Kriterium für „Leber- zirrhose".

Die zweite Spalte be- deutet:

Wenn eine

„Portale Hypertensi- on" vorhan- den ist, dann spricht das mit der Evidenz- klasse „p5"

für „Leber- zirrhose", außer die

Prae- sinusoidale portale Hy- pertension"

ist „stark erhöht".

Der Zu- sammen- hang zur Übersichts- tabelle in Abbildung

1 besteht darin, daß dort jede Regel ver- einfacht ist, indem nur jeweils die erste Vor- bedingung angezeigt wird.

tiv einfachem Wissen Verdachts- diagnosen generiert und die besten genauer überprüft werden, allen anderen Verfahren überlegen zu sein.

Da sich das medizinische Wissen rasch ändert, haben Ausbildungs-Ex- pertensysteme nur eine Chance, wenn die Wissenspflege langfristig gesichert sind. Der Weg über „Wis- sensingenieure", die Experten befra- gen und deren Wissen im Computer formalisieren, ist nicht nur teuer, sondern auch sehr fehleranfällig, da.

Verständnisschwierigkeiten unver- meidbar sind. Weil eine automati- sche Wissensübertragung aus medi- zinischen Lehrbüchern sowohl vom heutigen Stand des Textverstehens als auch wegen der vielen Vagheiten ebenfalls ausscheidet, kommt eigent- lich nur die Formulierung des Wis- sens durch die Experten selbst in Be- tracht. Wegen der eingangs darge- stellten Ergänzung von Expertensy- stem und Buch liegt es nahe, daß die Autoren eines Lehrbuches ihr Wis- sen auch formal aufarbeiten und das Expertensystem als Ergänzung ihres Lehrbuches herausgeben. Die Fort- schritte in der Computer-Graphik und in der Expertensystem-Technik lassen dabei die Möglichkeit reali- stisch erscheinen, daß die Experten mit problemspezifischen Werkzeu- gen (Schalen) ihr Wissen in graphi- scher Form selbst eingeben und te- sten, ohne sich mit Programmierung im herkömmlichen Sinne auskennen zu müssen.

Ein Beispiel für eine solche Schale mit graphischem Wissenser- werb ist MED 2/CLASSIKA für die heuristische Diagnostik [1]. Der Wis- senserwerb erfolgt in drei Stufen:

Zunächst legt der Experte die Ter- minologie fest und ordnet die Na- men der Manifestationen und Patho- konzepte in graphischen Hierarchien an. Danach füllt er für jeden Begriff ein Formular mit allgemeinen Anga- ben aus. In der dritten Stufe gibt er heuristische Regeln in Tabellen ein.

Die Tabellen sind im Computer ge- nauso leicht auszufüllen wie auf dem Papier. Sie sind auch eine übersicht- liche Ausgabeform des Wissens für das eingangs erwähnte Handbuch.

Zur Illustration zeigen wir zwei Ta- bellen: eine Übersichtstabelle für die A1 -1250 (74) Dt. Ärztebl. 89, Heft 14, 3. April 1992

DEUTSCHES ÄRZTEBLATT

Früherkennung von Darmkrebs

Zu dem Kurzbericht von Dr. med. Reinhard Gnauck in Heft 40/1991

Herleitung der Pathokonzepte Aku- te Hepatitis, Leberzirrhose, Fettle- ber und Extrahepatischer Cholestase (Abbildung 1) sowie eine detaillierte Bewertungstabelle für das Pathokon- zept Leberzirrhose (Abbildung 2). In den Tabellenzeilen kommen teilwei- se Pathokonzepte vor, die in anderen Tabellen hergeleitet werden.

Wir erwarten, daß in den näch- sten fünf bis zehn Jahren das Wissen eines Standardlehrbuches der Medi- zin in ein Expertensystem überführt ist, als Handbuch mit Tabellen- sammlungen das Lehrbuch ergänzt und vor allem den Studenten auf Personal Computern zur Verfügung steht, damit sie sich beraten oder kri- tisieren lassen oder mit dem Wissen und Beispielfällen experimentieren können.

Dt. Arztebl. 89 (1992) A 1 -1247-1253 [Heft 14]

Literatur

1. Gappa, U.: CLASSIKA: A Knowledge Ac- quisition Tool for Use by Experts, in: Procee- dings of the AAAI-Workshop an Knowledge Acquisition, Banff, Canada, 1989.

2. Gross, R.: Perspektiven einer computerisier- ten Medizin, Deutsches Ärzteblatt 85, Heft 6, 305-306, 1988.

3. Puppe, F.: Einführung in Expertensysteme, Springer-Verlag, 2. Auflage, 1991.

4. Schwartz, W., R. Patil, und P. Szolovits: Arti- ficial Intelligence in Medicine: Where do we stand?, New England Journal of Medicine 283, 1257-1264, 1987.

Anschrift für die Verfasser:

Dr. habil. Frank Puppe Lehrstuhl für Informatik VI Am Hubland

W-8700 Würzburg

Effektivität nicht belegt

In dem Kurzbericht gibt der Au- tor zum wiederholten Male seine Sicht des Darmkrebs-Screenings wieder. Er liefert dabei erneut eine beeindruckend einseitige Darstel- lung, wenn man die vielen, in seinem Literaturverzeichnis vergeblich zu suchenden skeptischen Arbeiten be- rücksichtigt. Auch durch die dauern- de Wiederholung wird jedoch die Ansicht des Autors nicht richtiger.

Tatsache ist:

CD Die Sensitivität der Okkult- Blut-Tests beträgt für Frühstadien (Screening) keineswegs 70 bis 80 Prozent, wie der Autor seit Jahren verbreitet. Diese Ansicht beruht auf wenigen, methodisch anfechtbaren Erhebungen. Eine Berücksichtigung aller Quellen läßt eine Sensitivität von unter 50 Prozent erkennen.

Mehr als jeder zweite Tumor wird nicht entdeckt.

C Den positiven Vorhersage- wert für Adenome und Krebs zusam- men anzugeben, ist sicher nicht sinn- voll, da hier benigne und maligne Er- krankungen vermischt werden. Der Wert beträgt für Karzinome (das pri- märe Ziel des Screenings) etwa fünf Prozent. 95 Prozent der positiven Tests sind in dieser Hinsicht falsch positiv!

C) Die Behauptung, daß Ok- kult-Blut-Tests etwas Wesentliches zur Entdeckung von Adenomen bei- tragen, ist unbelegt und zweifelhaft.

Die Kenngrößen der Tests für diesen Zweck sind noch schlechter als für Karzinome. Daß also das Entdecken von Adenomen durch Okkult-Blut-

Tests zu einer Mortalitätssenkung ei- nen nennenswerten Teil beiträgt, ist reine Spekulation.

® Die Effektivität des Okkult- Blut-Screenings ist nicht belegt. Die dargestellten Zwischenergebnisse der kontrollierten Studien sind zu diesem Zweck ebensowenig geeignet wie alle anderen Daten, die bisher verfügbar sind. Es kommt allein auf den Mortalitätsvergleich in diesen Studien an, der für die meisten auf- grund der kurzen Laufzeit noch nicht vorliegen kann. Gnauck um- geht jedoch vorsichtig die aufschluß- reiche Tatsache, daß die Zehn-Jah- resergebnisse der Minnesota-Studie, die 1986/87 vorliegen sollten, bisher nicht publiziert wurden und die Stu- die bis 1995 verlängert worden ist.

Man darf sicher davon ausgehen, daß eindrücklich positive Ergebnisse inzwischen um die ganze Welt ge- gangen wären.

® Im Gegensatz zu dem Hin- weis des Autors auf Empfehlungen aus Amerika liegen aus mehreren Staaten (Amerika, Kanada, Austra- lien) ablehnende Stellungnahmen zu der breiten Anwendung von Okkult- Blut-Tests vor (siehe auch 2).

Diese Interpretation ist durch zahlreiche Untersuchungen belegt, die sich im Literaturverzeichnis des Beitrags nicht finden. Die Strategie, kritische Stimmen nicht zur Kenntnis zu nehmen, haben wir an anderer Stelle bereits beschrieben (1). In dem letzten Absatz des Beitrags ver- spricht Gnauck erneut für die nähere Zukunft, daß mit den von ihm vorge- schlagenen Maßnahmen „die Letali- tätszahlen drastisch gesenkt" werden könnten. Wie schon seit zwanzig Jah- Dt. Ärztebl. 89, Heft 14, 3. April 1992 (77) A1^-1253