Mustern auf der Spur, Hochschule für Life Sciences FHNW

Die bildgebenden Verfahren der Computer- und Magnetresonanztomografie lassen sich aus der modernen Medizin nicht mehr wegdenken. Allein im Jahr 2014 haben Schweizer Radiologen über 800 000 Computertomografien und mehr als eine halbe Million Magnetresonanztomografien gemacht, Tendenz steigend. Die entsprechenden Geräte tragen somit erheblich zum Stromverbrauch der Spitäler bei. Forschende der Hochschule für Life Sciences (HLS) entwickeln ein Auswerteprogramm, das diese Untersuchungen wirtschaftlich und ökologisch effizienter machen soll.

Dominique Brodbeck und Markus Degen haben bereits Erfahrung mit Forschungsprojekten jenseits der Naturwissenschaften: So haben die Wissenschaftler vom Institut für Medizintechnik und Medizininformatik bereits eine Software für Krankenhausbetreiber entwickelt, mit der sie verfolgen können, welche Wege Patienten zwischen den einzelnen Untersuchungen zurücklegen. Die Daten dienen der Planung der zukünftigen Infrastruktur und sollen zur Verbesserung der täglichen Abläufe in der Klinik und Administration beitragen.

Auch im aktuellen Projekt geht es um Betriebsoptimierung in Spitälern: Die beiden Forscher haben zusammen mit einer Software-Entwicklerin ein Computerprogramm geschaffen, das den Energieverbrauch von bildgebenden Untersuchungsverfahren in Krankenhäusern visuell darstellt. Im Fokus stehen dabei radiologische Abteilungen, deren Geräte für Magnetresonanz- und Computertomografie einen Energieverbrauch von einer Million Kilowattstunden pro Jahr haben – das entspricht etwa 250 Haushalten.

Brodbeck spricht von zwei Beweggründen für das Projekt, das unter dem Namen «GreenRad» in Zusammenarbeit mit dem Basler Unispital läuft: «Der eine ist betriebswirtschaftlicher Natur: Die Stromrechnungen in der Radiologie werden immer höher, weil es immer mehr Geräte gibt und Energie in absehbarer Zeit teurer wird. Der andere ist  die ethische Motivation, dass man den CO2-Fussabdruck reduzieren will, um seinen Beitrag zur Erhaltung dieses Planeten zu leisten.»

Um bei der Stromrechnung zu sparen, ist aber nicht nur die Menge an verbrauchtem Strom ausschlaggebend. Auch die Anschlussleistung muss bezahlt werden. Und die richtet sich danach, wie viel Strom das Krankenhaus zur gleichen Zeit maximal bezieht. «Wenn man den Energieverbrauch senken will, muss man die Frage beantworten können, wie viel Energie so ein Gerät pro Zeiteinheit, pro Untersuchung und in den Ruhephasen braucht», erklärt Brodbeck. «Dafür reicht es eben nicht, nur die Stromkurve anzuschauen. Deshalb nehmen wir verschiedene Datenquellen.»

Neben dem Stromverbrauch sammeln die Wissenschaftler auch Leistungsdaten des Kühlsystems, Logdateien, welche die Aktivitäten der Geräte aufzeichnen, sowie klinische Daten über die Art der Untersuchungen. GreenRad kann diese Daten sehr schnell und interaktiv miteinander korrelieren und darstellen. Dies erlaubt dem Benutzer, Muster im Energieverbrauch aufzuspüren und deren Häufigkeiten und Ausprägung zu bestimmen.

Diesen Ansatz sieht der Informatik-Ingenieur Degen als den wesentlichen Unterschied gegenüber dem herkömmlichen Umgang mit grossen Datenmengen: «Üblicherweise verwendet man Data-Mining und versucht dabei, mit sogenannten Korrelationsalgorithmen bestimmte Muster automatisch zu finden. Wir verwenden den Menschen als Erkennungsalgorithmus, das heisst, nicht der Computer, sondern der Mensch erkennt bestimmte wiederkehrende Abläufe und Muster. Unsere These ist, dass es viele Fragestellungen gibt, in denen der Mensch die einzige Instanz ist, die vernünftige Entscheide fällen kann. Wir präsentieren die Daten auf dem Silbertablett und stellen Software-Werkzeuge zur Verfügung. Mit denen können Fachleute Fragen erarbeiten und Zusammen- hänge entdecken, auf die man mit Data-Mining gar nicht gekommen wäre.»

Damit die Daten auf diesem Silbertablett landen, ist ein beträchtlicher Aufwand nötig, so Degen: «Die Daten passen vorerst gar nicht zusammen. Sie sind weder zeitlich aufeinander abgestimmt, noch sind sie vom Informationsgehalt gleich. Daher muss man sie erst miteinander abgleichen.» Wenn das erledigt ist, gilt es, sie bildlich so darzustellen, dass man aus ihnen die gewünschten Informationen herauslesen kann. Brodbeck beschreibt die Anforderungen an das Programm so: «Es muss interaktiv und visuell stark sein, damit man schnell nachschauen kann, wenn man eine Idee hat.»

Der Testlauf in Basel zeigte bereits Tendenzen des Energieverbrauchs auf: Im Bereitschaftsmodus verbraucht ein Gerät permanent Strom und gleicht dem Standby-Modus beim Fernseher. Bei einer Messung schnellt die Leistung für Sekunden bis Minuten bis in den Spitzenbereich hinauf. Hier sieht Degen Optimierungspotenzial: «Ein übergeordnetes Leitsystem könnte die einzelnen Geräte im Bereich von weniger als einer Sekunde so synchronisieren, dass der hohe Stromverbrauch seriell und nicht parallel geschieht.» Damit liesse sich die Anschlussleistung signifikant verringern.

Seine grosse Stärke, Muster sichtbar zu machen, spielt GreenRad aus, wenn der gesamte Stromverbrauch und damit der CO2-Fussabdruck reduziert werden soll. Degen nennt ein Beispiel: «Wir haben bei den Computertomografen zum Teil bis zu zwanzig Kalibrierungssequenzen gezählt. Dies könnte vermutlich verringert werden.» Für den Ingenieur birgt das Programm noch mehr Potenzial: So haben die Forscher ihre Software testweise für die Darstellung der Logdateien von Computerprogrammen verwendet. Weil sie das Programm selbst geschrieben haben, können sie alle Variablen und Dateitypen selbst bestimmen. Dadurch sind den möglichen Anwendungsgebieten kaum Grenzen gesetzt.