Maschinelles Lernen wirft neues Licht auf die Gesundheit des Fötus mit einem Durchbruch bei der 3D-Modellierung

Ultraschalluntersuchungen sind zu einem festen Bestandteil der Schwangerenvorsorge geworden und bieten einen faszinierenden Einblick in die Welt des Ungeborenen. Für die werdenden Eltern ist es das erste "Treffen" mit ihrem Kind, das sie sehr schätzen. Für Ärzte sind diese einfarbigen, zweidimensionalen Bilder von unschätzbarem Wert, da sie Aufschluss über die Entwicklung des Fötus geben, z. B. über das Geschlecht des Babys oder mögliche Anomalien wie Herzfehler oder eine Lippenspalte.

Wenn die Ärzte einen genaueren Blick benötigen, greifen sie manchmal auf die Magnetresonanztomographie (MRT) zurück. MRTs verwenden Magnetfelder, um detaillierte, geschichtete Bilder zu erzeugen, die zu einer 3D-Ansicht des Fötus zusammengefügt werden können. Obwohl die Interpretation dieser detaillierten 3D-MRT-Scans kompliziert sein kann, da unser natürliches visuelles System nicht in der Lage ist, komplexe volumetrische Daten zu verarbeiten, kann das maschinelle Lernen jetzt helfen.

Helfende Hände: Maschinelles Lernen und fetale SMPL

Wir stellen "Fetal SMPL" vor, ein neues maschinelles Lernmodell, das von einem kooperativen Team des Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory am MIT, dem Boston Children's Hospital und der Harvard Medical School entwickelt wurde. Dieses innovative Modell bringt ein neues Maß an Präzision in den Prozess, indem es durch die Modellierung der Form und der Bewegungen des Fötus genauere dreidimensionale Darstellungen seiner Gesundheit erzeugt.

Fetal SMPL ist eine Ableitung von SMPL, auch bekannt als Skinned Multi-Person Linear Model - ein 3D-Modellierungssystem, das ursprünglich für Körperformen und -haltungen von Erwachsenen entwickelt wurde. Die Forscher trainierten ihre fötale Ausgabe an über 20.000 MRT-Volumina; sie lernte, die Größe und Position von Föten zu antizipieren und fast skulpturartige 3D-Darstellungen zu erstellen. Jedes Modell umfasst ein ausgeklügeltes System von 23 miteinander verbundenen Gelenken, die die Bewegung des Fötus genau widerspiegeln.

Scharfe Genauigkeit und Tests unter realen Bedingungen

Reden wir über Präzision. Die Vorhersagen des Fetal SMPL lagen im Durchschnitt um fast unglaubliche 3,1 Millimeter daneben, eine Größe kleiner als ein Reiskorn. Dieses außergewöhnliche Maß an Detailgenauigkeit ermöglicht es Klinikern, wichtige anatomische Merkmale wie die Größe des Kopfes oder des Bauches zu messen und diese Ergebnisse anschließend mit den Standardisierungen für eine gesunde Entwicklung in bestimmten Schwangerschaftsaltern zu vergleichen.

Um das System zu testen, verglich das Forschungsteam Fetal SMPL mit SMIL, einem anderen Modell, das zur Dokumentation des Wachstums von Säuglingen entwickelt wurde. Selbst nach den für einen fairen Vergleich notwendigen Anpassungen - das SMIL-Modell wurde um 75% verkleinert, um der Größe eines Fötus zu entsprechen - setzte sich Fetal SMPL gegen SMIL durch.

Die Genauigkeit von Fetal SMPL ist nicht seine einzige Stärke - es erwies sich auch als effizient. Das Modell erreichte einen zuverlässigen Abgleich mit den MRT-Daten in nur drei Iterationen, was seine starke Leistung unter Beweis stellt.

Auf dem Weg in eine Zukunft voller Möglichkeiten

Im Moment konzentriert sich Fetal SMPL auf die äußere Form und die Skelettstruktur des Fötus, was an sich schon ein großer Fortschritt ist. Dies ist jedoch erst der Anfang. Das Team möchte das Modell weiter verbessern, indem es die innere Struktur des Fötus - Organe und Muskeln - einbezieht, die zur Überwachung kritischer Einheiten wie der Lungen- und Leberentwicklung beitragen können. Sollten diese Pläne verwirklicht werden, würde dies das Modell zu einer umfassenden volumetrischen Darstellung revolutionieren und einen noch tieferen Einblick in die Gesundheit des Fötus ermöglichen.

Die fetale SMPL verspricht nicht nur eine Verbesserung der pränatalen Diagnostik, sondern könnte auch unser Verständnis der fetalen Entwicklung vertiefen. Es ist mit bestehenden Modellen für Erwachsene und Kleinkinder kompatibel und bildet eine solide Grundlage für umfassende Studien zur menschlichen Entwicklung. Die Auswirkungen dieser Fortschritte sind natürlich bedeutend und weisen den Weg zu potenziell lebensverändernden Entdeckungen und Innovationen.

Die fetale SMPL befindet sich zwar noch im Anfangsstadium, könnte aber bei weiterer Erprobung und Verfeinerung zu einem integralen Bestandteil der Schwangerenvorsorge werden und sowohl Klinikern als auch werdenden Eltern ein klareres und umfassenderes Bild des Lebens vermitteln, das im wahrsten Sinne des Wortes im Entstehen ist.

Weitere Informationen über das Projekt und seine möglichen Auswirkungen finden Sie auf der Website Originalartikel von MIT News hier.