DE102024104157A1 - Technology for configuring a clinical system - Google Patents
Technology for configuring a clinical systemInfo
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Abstract
Eine Technik zur Konfiguration eines nichtlinearen Entscheidungssystems (102) einer klinischen Vorrichtung (100) zur Unterstützung einer klinischen Entscheidung (118) wird beschrieben. Gemäß einem Verfahrensaspekt wird ein Datensatz (110) mit einer Vielzahl von Datenpunkten erfasst (202), wobei zumindest ein Teil der Datenpunkte jeweils ein Wertepaar (111) mit einem Patientendaten (114; 115) eines Patienten angebenden Eingabewert (113) eines Eingangs (112) des Entscheidungssystems (102) und einem die klinische Entscheidung (118) für den Patienten angebenden oder davon abhängigen Ausgabewert (117) eines Ausgangs (116) des Entscheidungssystems (102) umfasst. Parameterwerte (120) einer Konfiguration des von einem ersten Server (104) ausgeführten Entscheidungssystems (102) werden erzeugt (204) durch maschinelles Lernen, ML, auf Grundlage eines Trainingsdatensatzes (110-1), der eine Teilmenge des erfassten (202) Datensatzes (110) ist. Ein Leistungswert (130) einer Leistungsmetrik des mit den erzeugten (204) Parameterwerten (120) konfigurierten Entscheidungssystems (102) wird bestimmt (206), wobei Ausgabewerte (117-K) des mit den Parameterwerten (120) konfigurierten Entscheidungssystems (102) in Reaktion auf die Eingabewerte (113) eines Validierungsdatensatzes (110-2) verglichen werden mit den Ausgabewerten (117) des Validierungsdatensatzes (110-2), der eine zum Trainingsdatensatz (110-1) disjunkte Teilmenge des erfassten (202) Datensatzes (110) ist. Die erzeugten (204) Parameterwerte (120) zur Konfiguration des von einem zweiten Server (106) im klinischen Einsatz ausgeführten Entscheidungssystems (102) werden gesendet (208), falls der bestimmte (206) Leistungswert (130) ein vorgegebenes Kriterium erfüllt. A technique for configuring a non-linear decision system (102) of a clinical device (100) to support a clinical decision (118) is described. According to one method aspect, a data set (110) with a plurality of data points is acquired (202), wherein at least some of the data points each comprise a value pair (111) with an input value (113) of an input (112) of the decision system (102) indicating patient data (114; 115) of a patient and an output value (117) of an output (116) of the decision system (102) indicating the clinical decision (118) for the patient or dependent thereon. Parameter values (120) of a configuration of the decision system (102) executed by a first server (104) are generated (204) by machine learning, ML, on the basis of a training data set (110-1) which is a subset of the acquired (202) data set (110). A performance value (130) of a performance metric of the decision system (102) configured with the generated (204) parameter values (120) is determined (206), wherein output values (117-K) of the decision system (102) configured with the parameter values (120) are compared in response to the input values (113) of a validation data set (110-2) with the output values (117) of the validation data set (110-2), which is a subset of the acquired (202) data set (110) that is disjoint from the training data set (110-1). The generated (204) parameter values (120) for configuring the decision system (102) executed by a second server (106) in clinical use are sent (208) if the determined (206) performance value (130) meets a predetermined criterion.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Technik zur Konfiguration eines klinischen Entscheidungssystems. Insbesondere bezieht sich die Offenbarung auf ein Verfahren zur Konfiguration eines nichtlinearen Entscheidungssystems einer klinischen Vorrichtung zur Unterstützung einer klinischen Entscheidung sowie auf ein entsprechendes System und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.The present disclosure relates to a technique for configuring a clinical decision system. In particular, the disclosure relates to a method for configuring a nonlinear decision system of a clinical decision support device, as well as to a corresponding system and a corresponding computer program product.
Technischer HintergrundTechnical background
Künstliche Intelligenz (KI bzw. fachsprachlich: „artificial intelligence“, Al) ist eine sich schnell entwickelnde Familie von Techniken, die eine breite Palette von wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Vorteilen für das gesamte Spektrum von Industrie, Wissenschaft und sozialen Aktivitäten bringen kann. Durch die Verbesserung von Vorhersagen, die Optimierung von Abläufen und der Ressourcenzuweisung sowie die Personalisierung von Dienstleistungen kann der Einsatz von KI zu sozial und ökonomisch vorteilhaften Ergebnissen führen. Hierzu gehören Systeme des maschinellen Lernens (ML), bei denen Vorhersagemodelle (fachsprachlich: „prediction models“) zum Einsatz kommen, die sich zu leistungsfähigen Werkzeugen entwickelt haben.Artificial intelligence (AI) is a rapidly evolving family of technologies that can bring a wide range of economic and societal benefits across the spectrum of industry, science, and social activities. By improving predictions, optimizing processes and resource allocation, and personalizing services, the use of AI can lead to socially and economically beneficial outcomes. These include machine learning (ML) systems that use prediction models, which have evolved into powerful tools.
Just jene Techniken, die den sozioökonomischen Nutzen der KI ermöglichen, können jedoch auch neue Risiken für den Einzelnen oder die Gesellschaft mit sich bringen. In Vorbereitung auf eine KI-Gesetzgebung der Europäische Kommission beschreibt das Dokument
Im medizinischen Kontext haben auf maschinellem Lernen basierende Systeme einen stetig wachsenden Einfluss. Ein Arzt oder Assistent kann diese Werkzeuge inzwischen weitgehend mühelos einsetzen, um gute Vorhersagen und Empfehlungen für eine bevorstehende medizinische Aufgabe zu erhalten. Dies gilt insbesondere für die Ophthalmologie, bei der beispielsweise eine Entscheidung über die einzusetzende Intraokularlinse (IOL) zu treffen ist. Die Einbindung von Kl-basierten Methoden in klinische Systeme zeigt großes Potential, birgt aber auch spezifische Risiken unter anderem aufgrund des zugrundeliegenden Charakters einer „Black Box“. Von jedem in einer klinischen Vorrichtung verwendeten ML-System ist daher eine Zulassung nach den Grundsätzen eines Medizinprodukts über regulatorische Behörden notwendig.In the medical context, machine learning-based systems are enjoying ever-increasing influence. A physician or assistant can now use these tools largely effortlessly to obtain accurate predictions and recommendations for an upcoming medical task. This is particularly true in ophthalmology, where, for example, a decision regarding the intraocular lens (IOL) to be used must be made. The integration of machine learning-based methods into clinical systems shows great potential, but also entails specific risks, due, among other things, to their underlying "black box" nature. Therefore, any machine learning system used in a clinical device requires approval from regulatory authorities according to medical device principles.
Zu diesem Zweck ist üblicherweise ein Datenaustausch mit den Behörden für die Zulassung notwendig.
Das Dokument
Dieser Datenaustauschprozess ist jedoch fehleranfällig, benötigt signifikante Ressourcen und insbesondere eine funktionierende Datenverbindung zu den Behörden. Des Weiteren ist die Interaktion unter Umständen sehr zeitintensiv, was die Bereitstellung des aktualisierten ML-System stark verzögern kann. Als Folge dessen werden Patienten unter Umständen nicht mit dem besten verfügbaren System behandelt, da dieses erst den aufwändigen Austauschprozess mit den Behörden durchlaufen muss.However, this data exchange process is error-prone, requires significant resources, and, in particular, a functioning data connection to the authorities. Furthermore, the interaction can be very time-consuming, which can significantly delay the deployment of the updated ML system. As a result, patients may not be treated with the best available system, as it must first go through the complex exchange process with the authorities.
Es besteht also ein Bedarf für eine Technik, die ohne Kompromisse bei der Patientensicherheit eine effizientere Konfiguration klinischer Systeme ermöglicht, welche maschinelles Lernen für eine Vorhersage im medizinischen Bereich, insbesondere der Ophthalmologie, nutzen.There is therefore a need for a technology that enables more efficient configuration of clinical systems that use machine learning for prediction in the medical field, especially ophthalmology, without compromising patient safety.
Übersicht über die ErfindungOverview of the invention
Diese Aufgabe wird durch das hier beschriebene Verfahren, das entsprechende System und das zugehörige Computerprogrammprodukt entsprechend den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen werden durch die jeweils abhängigen Ansprüche beschrieben.This task is achieved by the method described here, the corresponding system and the associated computer program product. The invention is solved according to the independent claims. Further embodiments are described by the respective dependent claims.
Ein erster Verfahrensaspekt betrifft ein Verfahren zur Konfiguration eines nichtlinearen Entscheidungssystems einer klinischen Vorrichtung zur Unterstützung einer klinischen Entscheidung. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Erfassens eines Datensatzes mit einer Vielzahl von Datenpunkten. Zumindest ein Teil der Datenpunkte umfasst jeweils ein Wertepaar. Jedes Wertepaar umfasst einen Patientendaten eines Patienten angebenden Eingabewert eines Eingangs des Entscheidungssystems und einen die klinische Entscheidung für den Patienten angebenden oder davon abhängigen Ausgabewert eines Ausgangs des Entscheidungssystems. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Erzeugens von Parameterwerten einer Konfiguration des von einem ersten Server ausgeführten Entscheidungssystems durch maschinelles Lernen (ML) auf Grundlage eines Trainingsdatensatzes, der eine Teilmenge des erfassten Datensatzes ist. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Bestimmens eines Leistungswertes einer Leistungsmetrik des mit den erzeugten Parameterwerten konfigurierten Entscheidungssystems. Ausgabewerte des mit den Parameterwerten konfigurierten Entscheidungssystems in Reaktion auf die Eingabewerte eines Validierungsdatensatzes werden verglichen mit den Ausgabewerten des Validierungsdatensatzes, der eine zum Trainingsdatensatz disjunkte Teilmenge des erfassten Datensatzes ist. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Sendens (z.B. des Übertragens oder Bereitstellens) der erzeugten Parameterwerte zur Konfiguration des von einem zweiten Server im klinischen Einsatz ausgeführten Entscheidungssystems, falls (beispielsweise nur falls) der bestimmte Leistungswert ein vorgegebenes Kriterium erfüllt.A first method aspect relates to a method for configuring a nonlinear decision system of a clinical device to support a clinical decision. The method comprises a step of acquiring a data set with a plurality of data points. At least some of the data points each comprise a pair of values. Each pair of values comprises an input value of an input of the decision system indicating patient data of a patient and an output value of an output of the decision system indicating the clinical decision for the patient or dependent thereon. The method further comprises a step of generating parameter values of a configuration of the decision system executed by a first server through machine learning (ML) based on a training data set that is a subset of the acquired data set. The method further comprises a step of determining a performance value of a performance metric of the decision system configured with the generated parameter values. Output values of the decision system configured with the parameter values in response to the input values of a validation data set are compared with the output values of the validation data set, which is a subset of the acquired data set that is disjoint from the training data set. The method comprises a step of sending (e.g., transmitting or providing) the generated parameter values for configuring the decision system executed by a second server in clinical use if (e.g., only if) the determined performance value meets a predetermined criterion.
Die Erfüllung des vorgegebenen Kriteriums kann (beispielsweise als notwendige oder hinreichende Bedingung) kausal für das Senden der Parameterwerte sein. Ferner kann das Senden in zeitlichem Zusammenhang mit der Erfüllung des vorgegebenen Kriteriums stehen, beispielsweise indem ein Zeitgeber (fachsprachlich: Timer) ausgelöst wird durch die Erfüllung des vorgegebenen Kriteriums. In einer ersten Variante können die erzeugten Parameterwerte zur Konfiguration des vom zweiten Server im klinischen Einsatz ausgeführten Entscheidungssystems unmittelbar und/oder automatisch mit der Erfüllung des vorgegebenen Kriteriums gesendet werden (beispielsweise in Echtzeit). In einer zweiten Variante können die Parameterwerte automatisch und/oder innerhalb eines definierten Zeitraums gesendet werden (z. B. innerhalb eines Tages oder einer Woche, und/oder außerhalb einer Betriebszeit der klinischen Vorrichtung). In einer dritten Variante kann das Senden der Parameterwerte einer zusätzlichen Bedingung (z. B. einem Trigger) unterliegen, beispielsweise einer manuellen Bestätigung durch einen Bediener (z. B. am ersten Server oder am zweiten Server oder an der auf den zweiten Server zugreifenden klinische Vorrichtung) oder im Zuge eines (beispielsweise regulär nächsten) Updates (beispielsweise einer Firmware oder anderen Software- oder Hardware-Komponente) der klinischen Vorrichtung.Fulfillment of the specified criterion can be causal (e.g., as a necessary or sufficient condition) for the transmission of the parameter values. Furthermore, the transmission can be temporally related to the fulfillment of the specified criterion, for example, by triggering a timer upon fulfillment of the specified criterion. In a first variant, the generated parameter values for configuring the decision-making system executed by the second server in clinical use can be sent immediately and/or automatically upon fulfillment of the specified criterion (e.g., in real time). In a second variant, the parameter values can be sent automatically and/or within a defined period of time (e.g., within one day or one week, and/or outside of the operating hours of the clinical device). In a third variant, the sending of the parameter values may be subject to an additional condition (e.g. a trigger), for example a manual confirmation by an operator (e.g. at the first server or at the second server or at the clinical device accessing the second server) or in the course of a (e.g. regularly scheduled) update (e.g. of a firmware or other software or hardware component) of the clinical device.
Die erzeugten Parameterwerte können vom ersten Server und/oder an den zweiten Server gesendet werden (beispielsweise direkt vom ersten Server an den zweiten Server). Beispielsweise können die erzeugten Parameterwerte im Push-Verfahren dem zweiten Server bereitgestellt werden. Alternativ oder ergänzend kann der erste Server die Parameterwerte im Pull-Verfahren (beispielsweise auf einem gemeinsamen Speicherbereich des ersten und zweiten Servers) und/oder auf Anforderung (fachsprachlich: „Request“) bereitstellen.The generated parameter values can be sent from the first server and/or to the second server (e.g., directly from the first server to the second server). For example, the generated parameter values can be provided to the second server using the push method. Alternatively or additionally, the first server can provide the parameter values using the pull method (e.g., to a shared memory area of the first and second servers) and/or upon request (technical term: "request").
Ausführungsbeispiele des Verfahrens lösen das technische Problem, indem zunächst Patientendaten in Form von Wertepaaren erfasst werden, die jeweils aus einem Eingabewert (fachsprachlich: Input) für das Entscheidungssystem und einem dazugehörigen Ausgabewert (fachsprachlich: Output) für eine klinische Entscheidung bestehen. Auf Grundlage eines Teils dieser Daten, dem sogenannten Trainingsdatensatz, lernt das auf einem ersten Server ausgeführte Entscheidungssystem mit Hilfe maschinellen Lernens (ML) und erzeugt dadurch Parameterwerte für seine Konfiguration. Die Leistung dieses konfigurierten Systems wird dann evaluiert, indem generierte Ausgabewerte des Systems für einen weiteren, vom Training getrennten Datenblock - den Validierungsdatensatz - mit den tatsächlichen klinischen Entscheidungen verglichen werden. Erreicht das System dabei einen durch den Leistungswert und das Kriterium bestimmten Leistungsstandard, werden die Parameterwerte an einen zweiten Server gesendet (z. B. auf einen zweiten Server übertragen), um das Entscheidungssystem für einen klinischen Alltag zu konfigurieren. Das konfigurierte Entscheidungssystem, welches auf dem zweiten Server ausgeführt wird, kann dann im klinischen Alltag eingesetzt werden. Dies ermöglicht die zeitnahe Implementierung eines neulich angepassten Entscheidungssystems und reduziert den Ressourcenbedarf und Fehlermöglichkeiten, die durch aufwendige und wiederholte externe Kommunikationen entstehen könnten.Embodiments of the method solve the technical problem by first collecting patient data in the form of value pairs, each consisting of an input value (technical term: input) for the decision system and a corresponding output value (technical term: output) for a clinical decision. Based on a portion of this data, the so-called training data set, the decision system executed on a first server learns using machine learning (ML) and thereby generates parameter values for its configuration. The performance of this configured system is then evaluated by comparing generated output values of the system for a further data block separate from the training data set – the validation data set – with the actual clinical decisions. If the system achieves a performance standard determined by the performance value and the criterion, the parameter values are sent to a second server (e.g., transferred to a second server) to configure the decision system for everyday clinical use. The configured decision system, which is executed on the second server, can then be used in everyday clinical use. This enables the timely implementation of a newly adapted decision-making system and reduces the resource requirements and potential errors that could arise from complex and repeated external communications.
Eine bevorzugte Implementierung des Verfahrens ist eine automatisierte regulatorische Performance-Analyse zur Zulassung von der klinischen Vorrichtung bzw. des Entscheidungssystems als ML-System in medizinischem Kontext.A preferred implementation of the method is an automated regulatory performance analysis for the approval of the clinical device or decision system as an ML system in a medical context.
Das Erzeugen von Parameterwerten durch das ML kann ein überwachtes maschinelles Lernen (ML) mittels der Wertepaare umfassen.The generation of parameter values by the ML may involve supervised machine learning (ML) using the value pairs.
In einer ersten Variante jedes Ausführungsbeispiels kann jeder Datenpunkt des Datensatzes ein Wertepaar mit Eingabewert und Ausgabewert umfassen. In einer zweiten Variante jedes Ausführungsbeispiels kann der Teil der Datenpunkte, die jeweils Eingabewert und Ausgabewert umfassen (also ein Wertepaar umfassen), eine echte Teilmenge des Datensatzes sein. In der zweiten Variante kann der Validierungsdatensatz eine echte Teilmenge der Datenpunkte mit Wertepaaren sein. Alternativ oder ergänzend kann der Trainingsdatensatz sowohl Datenpunkte mit Wertepaaren (also jeweils mit Eingabewert und Ausgabewert) als auch Datenpunkte ohne Ausgabewert umfassen. Beispielsweise kann das ML ein überwachtes Lernen der Parameterwerte umfassen mittels der Datenpunkte mit Wertepaaren. Alternativ oder ergänzend kann das ML ein unüberwachtes Lernen umfassen mittels der Datenpunkte ohne Ausgabewert.In a first variant of each embodiment, each data point of the data set can comprise a value pair with an input value and an output value. In a second variant of each embodiment, the portion of the data points that each comprise an input value and an output value (i.e., comprise a value pair) can be a true subset of the data set. In the second variant, the validation data set can be a true subset of the data points with value pairs. Alternatively or additionally, the training data set can comprise both data points with value pairs (i.e., each with an input value and an output value) and data points without an output value. For example, the ML can comprise supervised learning of the parameter values using the data points with value pairs. Alternatively or additionally, the ML can comprise unsupervised learning using the data points without an output value.
Das ML kann beispielsweise Cluster der Eingabewerte bestimmen (vorzugsweise im Rahmen des überwachten und des unüberwachten Lernens oder auf Grundlage der Eingabewerte aller Datenpunkte). Zur Bestimmung der Cluster können auch die Eingabewerte der Datenpunkte ohne Ausgabewert beitragen. Alternativ oder ergänzend kann das ML die bestimmten Cluster jeweils einem Ausgabewert (beispielsweise einer Angabe der klinischen Entscheidung für den Patienten) zuordnen. Beispielsweise können beim unüberwachten ML die Cluster bestimmt werden. Alternativ oder ergänzend können beim überwachten ML die bestimmten Cluster den Ausgabewerten (beispielsweise den klinischen Entscheidungen) zugeordnet werden, vorzugsweise wobei die Cluster auch Eingabewerte einschließen, deren Datenpunkt keinen Ausgabewert (beispielsweise kein Wertepaar mit Ausgabewert) umfasst. Letzteres kann ein Beispiel für semi-überwachtes ML (semi-supervised learning) sein. Beispielsweise können in der zweiten Variante zu wenige Ausgabewerte als Annotierungen im Datensatz vorhanden sein gemessen an der Anzahl der Eingabewerte. Der erste Server kann beim ML aus der Teilmenge der annotierten Datenpunkte (d. h. der Datenpunkte mit Wertepaaren) die Ausgangswerte der nicht-annotierten Datenpunkte (d. h. der Datenpunkte ohne Ausgabewerte) einem bestehenden Ausgabewert zuordnen.For example, ML can determine clusters of input values (preferably using supervised and unsupervised learning or based on the input values of all data points). The input values of data points without an output value can also contribute to determining the clusters. Alternatively or additionally, ML can assign each determined cluster to an output value (e.g., an indication of the clinical decision for the patient). For example, clusters can be determined using unsupervised ML. Alternatively or additionally, supervised ML can assign the determined clusters to output values (e.g., clinical decisions), preferably with the clusters also including input values whose data point does not contain an output value (e.g., no value pair with an output value). The latter can be an example of semi-supervised ML (semi-supervised learning). For example, in the second variant, there may be too few output values available as annotations in the data set compared to the number of input values. In ML, the first server can assign the output values of the non-annotated data points (i.e., the data points without output values) from the subset of annotated data points (i.e., the data points with value pairs) to an existing output value.
Die klinische Vorrichtung (beispielsweise ein Medizinprodukt) kann zulassungspflichtig sein. Das vorgegebene Kriterium kann technische (beispielsweise alle technischen) Anforderungen einer Zulassung der klinischen Vorrichtung umfassen. Das Verfahren kann ein Herstellungsverfahren zur Herstellung der medizinischen Vorrichtung oder ein Aktualisierungsverfahren zur Aktualisierung der medizinischen Vorrichtung sein. Beispielsweise können gemäß dem Verfahren die Parameterwerte zur Funktion der medizinischen Vorrichtung erstellt und/oder aktualisiert werden.The clinical device (e.g., a medical device) may be subject to approval. The specified criteria may include technical (e.g., all technical) requirements for approval of the clinical device. The method may be a manufacturing method for manufacturing the medical device or an updating method for updating the medical device. For example, the parameter values for the function of the medical device may be created and/or updated according to the method.
Ausführungsbeispiele des Verfahrens vermeiden eine wiederholte und aufwändige Datenkommunikation mit Zulassungsbehörden, da die Bewertung der Leistung durch das Verfahren automatisiert, integriert und überprüfbar wird. So kann ein Bereitstellungsprozess für ein aktualisiertes Entscheidungssystem im klinischen Einsatz zuverlässiger und beschleunigt werden, dadurch dass eine Sicherheitsprüfung nach dem vorbestimmten Kriterium ohne Intervention durchgeführt wird. Fehler und Verzögerungen, die bei einem (teilweisen manuellen) Datenaustausch auftreten könnten, werden vermieden. Ein zuverlässiger und regelkonformer Betrieb kann durch die überprüfbare Einhaltung vorgegebener Leistungskriterien, die beispielsweise die Patientensicherheit und Wirksamkeit betreffen, sichergestellt sein.Embodiments of the method avoid repeated and time-consuming data communication with regulatory authorities, as the performance assessment is automated, integrated, and verifiable. Thus, a deployment process for an updated decision-making system in clinical use can be made more reliable and accelerated by performing a safety check according to the predetermined criterion without intervention. Errors and delays that could occur during (partially manual) data exchange are avoided. Reliable and compliant operation can be ensured through verifiable compliance with specified performance criteria, for example, relating to patient safety and efficacy.
Der erste Server und der zweite Server sind vorzugsweise verschieden, beispielsweise unterschiedlich konfiguriert. Der Unterschied zwischen dem ersten Server und dem zweiten Server kann eine Einrichtung des jeweiligen Servers für unterschiedliche Nutzerprofile, eine Verknüpfung mit unterschiedlichen Ein- und Ausgabemasken, eine unterschiedliche Ausprägung von Zugriffsbeschränkungen bzw. Nutzungsbeschränkungen in Bezug auf das System.The first server and the second server are preferably different, for example, differently configured. The difference between the first server and the second server can include the configuration of the respective server for different user profiles, a link to different input and output masks, and a different level of access or usage restrictions with respect to the system.
Der erste Server kann ein Trainingsserver sein. Das Erzeugen der Parameterwerte der Konfiguration kann Teil einer Trainingsphase sein. Das Erzeugen der Parameterwerte der Konfiguration kann außerhalb des klinischen Einsatzes erfolgen. Der erste Server kann außerhalb der klinischen Vorrichtung angeordnet und/oder (beispielsweise aufgrund eines isolierten Datennetzwerks) unzugänglich für den klinischen Einsatz sein. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Server ein Inferenzserver sein. Das Ausführen des durch die Parameterwerte konfigurierten Entscheidungssystems im klinischen Einsatz kann Teil einer Inferenzphase sein. Der zweite Server kann in der klinischen Vorrichtung angeordnet und/oder (beispielsweise über eine Datennetzwerkverbindung) zugänglich für den klinischen Einsatz sein. Das konfigurierte Entscheidungssystem kann zur Planung eines chirurgischen Eingriffs ausgebildet sein.The first server can be a training server. The generation of the parameter values of the configuration can be part of a training phase. The generation of the parameter values of the configuration can take place outside of clinical use. The first server can be located outside the clinical device and/or inaccessible for clinical use (for example, due to an isolated data network). Alternatively or additionally, the second server can be an inference server. The execution of the decision system configured by the parameter values in clinical use can be part of an inference phase. The second server can be located in the clinical device and/or accessible for clinical use (for example, via a data network connection). The configured decision system can be designed to plan a surgical procedure.
Das vom zweiten Server ausgeführte und mittels der Parameterwerte konfigurierte neuronale Netzwerk kann ein für den klinischen Einsatz trainiertes neuronales Netz sein. Das Senden (z. B. die Übertragung oder Bereitstellung) der erzeugten Parameterwerte kann eine Veränderung (beispielsweise Aktualisierung) der Konfiguration des Entscheidungssystems im klinischen Einsatz bewirken, beispielsweise indem der zweite Server die erhaltenen Parameterwerte in einen dedizierten Speicher des neuronalen Netzes des Entscheidungssystems lädt, z.B. ein Videoschieberegister oder VRAM.The neural network executed by the second server and configured using the parameter values can be a neural network trained for clinical use. Sending (e.g., the Transmission or provision) of the generated parameter values may cause a change (e.g. updating) of the configuration of the decision system in clinical use, for example by the second server loading the received parameter values into a dedicated memory of the neural network of the decision system, e.g. a video shift register or VRAM.
Das nichtlineare Entscheidungssystem kann dazu ausgebildet sein, aufgrund eines Eingabewertes des Eingangs und abhängig von den erzeugten Parameterwerten einen Ausgabewert des Ausgangs auszugeben. Dabei kann ein (beispielsweise numerischer) Zusammenhang zwischen dem Ausgabewert und dem Eingabewert nichtlinear sein, beispielsweise aufgrund von Aktivierungsfunktionen in einem neuronalen Netzwerk des Entscheidungssystems oder aufgrund von Verzweigungen in einem Entscheidungsbaum des Entscheidungssystems.The nonlinear decision system can be configured to output an output value based on an input value and depending on the generated parameter values. A (for example, numerical) relationship between the output value and the input value can be nonlinear, for example, due to activation functions in a neural network of the decision system or due to branches in a decision tree of the decision system.
Das Entscheidungssystem kann ein Kl-Modell für künstliche Intelligenz (KI) umfassen. Das KI-Modell kann auch als ML-Modell bezeichnet werden. Die Parameterwerte können Modellparameter des Kl-Modells umfassen. Alternativ oder ergänzend kann das nichtlineare Entscheidungssystem ein neuronales Netzwerk umfassen. Die Parameterwerte können Gewichte des neuronalen Netzwerks umfassen.The decision system may include an AI model for artificial intelligence (AI). The AI model may also be referred to as an ML model. The parameter values may include model parameters of the AI model. Alternatively or additionally, the nonlinear decision system may include a neural network. The parameter values may include weights of the neural network.
Der Trainingsdatensatz kann vielfach mächtiger sein als der Validierungsdatensatz, d. h. eine Anzahl von Wertepaaren im Trainingsdatensatz kann vielfach größer sein als eine Anzahl von Wertepaaren im Validierungsdatensatz. Der Begriff der Teilmenge (bzw. der disjunkten Teilmenge) kann sich auf die Wertepaare als Elemente des Datensatzes beziehen.The training dataset can be many times more powerful than the validation dataset, i.e., the number of value pairs in the training dataset can be many times larger than the number of value pairs in the validation dataset. The term subset (or disjoint subset) can refer to the value pairs as elements of the dataset.
Das Erzeugen der Parameterwerte mittels ML kann auch als Trainieren bezeichnet werden. Das ML kann ein überwachtes Lernen (fachsprachlich: „supervised learning“ umfassen). Der Eingabewert mit Patientendaten kann ein Merkmal (fachsprachlich: „Feature“) und der Ausgabewert kann ein Ziel (fachsprachlich: „Target“) oder eine Kennzeichnung (fachsprachlich: „Label“) sein. Die Ausgabewerte des Datensatzes können Ground-Truth-Daten sein. Beispielsweise können zumindest die Ausgabewerte des Validierungsdatensatzes Ground-Truth-Daten sein.Generating the parameter values using machine learning can also be referred to as training. Machine learning can involve supervised learning. The input value containing patient data can be a feature, and the output value can be a target or label. The output values of the dataset can be ground-truth data. For example, at least the output values of the validation dataset can be ground-truth data.
Jedes Wertepaar kann einen Eingabewert mit Patientendaten eines einzelnen Patienten umfassen. Der Ausgabewert kann einen oder mehrere Werte oder Signale umfassen zur Unterstützung der klinischen Entscheidung im Fall dieses einzelnen Patienten.Each value pair can comprise an input value with patient data from a single patient. The output value can comprise one or more values or signals to support clinical decision-making for that individual patient.
Das Entscheidungssystem kann ein neuronales Netzwerksystem, ein logistisches Regressionssystem, ein Entscheidungsbaumsystem und/oder eine Support-Vektor-Maschine (SVM) umfassen. Das Trainieren des Entscheidungssystems mittels ML kann den Wert einer vorbestimmten Verlustfunktion Schritt für Schritt (d. h. iterativ) minimieren. Die Verlustfunktion (auch: Kostenfunktion oder Fehlerfunktion) kann angeben, wie gut das neuronale Netzwerksystem trainiert ist. Beispielsweise misst die Verlustfunktion den Unterschied zwischen den („tatsächlichen“) Ausgabewerten (Targets) des Trainingsdatensatzes und den vom Entscheidungssystem ausgegebenen („vorhergesagten“) Ausgabewerten (Outputs). Um die Verlustfunktion zu minimieren, kann das Trainieren ein Gradientenverfahren (fachsprachlich: „Gradient Descent“) umfassen. Beim Gradientenverfahren können in jedem Schritt Gewichte des neuronalen Netzwerksystems aktualisiert werden, beispielsweise in der entgegengesetzten Richtung des Gradienten der Verlustfunktion in Bezug auf die Gewichte.The decision system may comprise a neural network system, a logistic regression system, a decision tree system, and/or a support vector machine (SVM). Training the decision system using ML may minimize the value of a predetermined loss function step by step (i.e., iteratively). The loss function (also called a cost function or error function) may indicate how well the neural network system is trained. For example, the loss function measures the difference between the ("actual") output values (targets) of the training dataset and the ("predicted") output values (outputs) provided by the decision system. To minimize the loss function, training may involve a gradient descent process. In the gradient descent process, weights of the neural network system can be updated at each step, for example, in the opposite direction of the gradient of the loss function with respect to the weights.
Das Senden der erzeugten Parameterwerte kann ein Ablegen (beispielsweise in einem Speicher des ersten und/oder zweiten Servers) der erzeugten Parameterwerte umfassen in einem Speicherbereich, in dem sich das zur Verwendung (d. h., für den klinischen Einsatz) freigegebene Entscheidungssystem befindet. Hierdurch kann sich ein Prozess der Freigabe des Entscheidungssystems physikalisch manifestieren.Sending the generated parameter values may include storing the generated parameter values (e.g., in a memory of the first and/or second server) in a memory area containing the decision system released for use (i.e., for clinical use). This may physically manifest a process of releasing the decision system.
Das Verfahren kann das Erfassen eines Datensatzes, das Erzeugen von Parameterwerten und/oder das Bestimmen eines Leistungswertes iterieren. Das Iterieren (beispielsweise zum Erfüllen des Kriteriums) kann ausgelöst werden durch ein internes Ereignis (intern bezogen auf den ersten Server) und/oder falls der bestimmte Leistungswert das vorgegebene Kriterium nicht erfüllt.The method can iterate the acquisition of a data set, the generation of parameter values, and/or the determination of a performance value. The iteration (e.g., to meet the criterion) can be triggered by an internal event (internal to the first server) and/or if the determined performance value does not meet the specified criterion.
Ferner kann das Verfahren einschließlich der Iteration im Wege einer Anpassungsschleife wiederholt werden, beispielsweise ausgelöst durch ein externes Ereignis (extern bezogen auf den ersten Server) und/oder falls ein (vorzugsweise hinreichend) veränderter Datensatz vorliegt.Furthermore, the method, including the iteration, can be repeated by means of an adaptation loop, for example triggered by an external event (external to the first server) and/or if a (preferably sufficiently) changed data set is available.
Der erste Server kann das Verfahren ausführen. Beispielsweise kann der erste Server das Iterieren dokumentieren.The first server can execute the method. For example, the first server can document the iteration.
Unmittelbar zum Zeitpunkt des Beendens des Iterierens und/oder mit dem Senden der erzeugten Parameterwerte kann den erzeugten Parameterwerten eine klinische Verwendungseigenschaft zugeordnet werden, welche angibt, dass der Leistungswert für die erzeugten Parameterwerte bestimmt wurde und dass der bestimmte Leistungswert das vorgegebene Kriterium erfüllt. Damit kann die Verwendung der Parameterwerte für den klinischen Einsatz (d. h. für das Entscheidungssystem der klinischen Vorrichtung) technisch freigegeben sein. Diese Freigabe kann durch ein Label im Speicher der Parameterwerte, das die Freigabe angibt, oder durch einen für den zweiten Server freigegebenen Speicher realisiert sein.Immediately at the time of terminating the iteration and/or upon sending the generated parameter values, a clinical usage property can be assigned to the generated parameter values, which indicates that the performance value for the generated parameter values has been determined and that the determined performance value meets the specified criterion. This means that the use of the parameter values for clinical use (i.e., for the decision-making system of the clinical device) is technically enabled. This enablement can be implemented by a label in the parameter value memory indicating the enablement or by a memory shared with the second server.
Das Senden und/oder die Freigabe der Parameterwerte kann vollständig, unmittelbar und hinreichend für die Verwendung durch den zweiten Server sein. Optional können die gesendeten Parameterwerte (beispielsweise die Verwendungseigenschaft) eine Prüfsumme und/oder eine Verschlüsselung umfassen zur modifikationsfreien Übertragung der Parameter und/oder zur Authentifizierung des ersten Servers als Absender der Parameterwerte.The sending and/or release of the parameter values can be complete, immediate, and sufficient for use by the second server. Optionally, the sent parameter values (e.g., the usage property) can include a checksum and/or encryption for modification-free transmission of the parameters and/or for authentication of the first server as the sender of the parameter values.
Die Freigabe zur Verwendung (d. h. für den klinischen Einsatz) des mit den erzeugten Parameterwerten konfigurierte Entscheidungssystems kann bedeuten, dass der zweite Server (beispielsweise als Back-End der klinischen Vorrichtung) eine Abfrageroutine in Bezug auf den Speicherort des bzw. der zur Verwendung freigegebenen Entscheidungssysteme aufweist und dass, sobald bei einer regelmäßigen Abfrage eine geänderte Konfiguration des Entscheidungssystems im Speicher erkannt wird, die Abfrage positiv beantwortet wird und die geänderte Konfiguration in den zweiten Server hineingeladen wird. Eine solche Abfrage- und Upload-Routine wäre für einen anderen Speicherort, der einem Warten auf eine Zulassung der klinischen Vorrichtung mit der geänderten Konfiguration entspricht, unzulässig.The release for use (i.e., for clinical use) of the decision system configured with the generated parameter values may mean that the second server (e.g., as the backend of the clinical device) has a query routine regarding the storage location of the decision system(s) released for use. As soon as a changed configuration of the decision system is detected in memory during a regular query, the query is answered positively and the changed configuration is uploaded to the second server. Such a query and upload routine would be inadmissible for a different storage location, which would correspond to waiting for approval of the clinical device with the changed configuration.
Das Bestimmen des Leistungswertes und das selektive Senden, falls der Leistungswert das vorgegebene Kriterium erfüllt, kann eine Überprüfung der Einhaltung von Vorschriften umfassen, die inhaltlich äquivalent zu einem herkömmlichen externen Audit zur Überprüfung der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und Richtlinien ist. Dies kann unabhängige Überprüfungen der Datenhandhabung, des Modelltrainings und/oder der Ergebnisqualität beinhalten.Determining the performance value and selectively sending the results if the performance value meets the specified criteria may involve a compliance review, which is equivalent in content to a traditional external audit for verifying compliance with legal regulations and guidelines. This may include independent reviews of data handling, model training, and/or result quality.
Das Bestimmen des Leistungswertes und/oder das selektive Senden kann ein Freigabeverfahren sein. Nach erfolgreicher Überprüfung und Bestätigung, dass die Parameterwerte (d.h. das Modell) gemäß dem bestimmten Leistungswert das vorgegebene Kriterium erfüllen, kann das Verfahren eine Erstellung detaillierter Berichte und Dokumentationen für eine Aufsichtsbehörde umfassen. Letzteres kann unabhängig oder zeitlich nach dem Senden der Parameterwerte ausgeführt werden.Determining the performance value and/or selectively sending it can be a release procedure. After successful verification and confirmation that the parameter values (i.e., the model) meet the specified criteria according to the determined performance value, the process can include the preparation of detailed reports and documentation for a regulatory authority. The latter can be performed independently or sequentially after the parameter values have been sent.
Das selektive Senden kann einen automatisierten oder halbautomatisierten Freigabemechanismus umfassen, um die Parameterwerte für den klinischen Einsatz freizugeben. In Reaktion auf die gesendeten Parameterwerte kann der zweite Server deren Implementierung in die klinische Umgebung ausführen, beispielsweise eine Integration der Parameterwerte (d.h. des genehmigten Modells) in die klinischen Systeme unter Verwendung sicherer und datenschutzkonformer Schnittstellen. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Server Benachrichtigungen oder Dashboard-Anzeigen für die klinischen Anwender konfigurieren, um auf das mit den Parameterwerten konfigurierte Entscheidungssystem zugreifen zu können.Selective sending may include an automated or semi-automated release mechanism to release the parameter values for clinical use. In response to the sent parameter values, the second server may implement them in the clinical environment, for example, integrating the parameter values (i.e., the approved model) into clinical systems using secure and privacy-compliant interfaces. Alternatively or additionally, the second server may configure notifications or dashboard displays for clinical users to access the decision-making system configured with the parameter values.
In einer Variante jedes Ausführungsbeispiels umfasst das Verfahren (beispielsweise das Bestimmen des Leistungswertes der Leistungsmetrik) keine Kommunikation mit einem Datenserver oder keine Kommunikation mit einem Server außer dem zweiten Server.In a variant of each embodiment, the method (e.g., determining the performance value of the performance metric) does not include communication with a data server or communication with a server other than the second server.
Das Verfahren kann eine Dokumentationsnachricht bezüglich der Konfiguration des Entscheidungssystems senden. Die Dokumentationsnachricht kann an einen dritten Server gesendet werden. Der dritte Server kann vom ersten Server verschieden sein. Alternativ oder ergänzend kann der dritte Server auch vom zweiten Server verschieden sein. Ferner können der erste Server und/oder der zweite Server (und sofern vorhanden der dritte Server) Server einer Serverfarm sein. Die Serverfarm kann eine Gruppe von vernetzten Computern umfassen, die gemeinsam die Funktionalität eines der hier genannten Server bereitstellt. Die mehreren Computer einer Serverfarm können zu einem logischen System verbunden sein und die Auslastung und die Rechenleistung untereinander verteilen. Alternativ oder ergänzend kann die Serverfarm physisch in einem Rechenzentrum, optional mit Virtualisierungstechnologie, laufen. Alternativ oder ergänzend kann die Serverfarm eine Gruppe von vernetzten Computern umfassen, die jeweils die Funktionalität eines der hier genannten Server bereitstellt. Beispielsweise können der erste Server und/oder der zweite Server (und sofern vorhanden der dritte Server) verschiedene Bereiche, optional auf Basis von Virtualisierungstechnologie, einer Serverfarm oder eines Großservers sein. Zweckmäßigerweise sind dabei der erste Server und/oder der zweite Server (und sofern vorhanden der dritte Server) voneinander unterscheidbar.The method can send a documentation message regarding the configuration of the decision system. The documentation message can be sent to a third server. The third server can be different from the first server. Alternatively or additionally, the third server can also be different from the second server. Furthermore, the first server and/or the second server (and, if present, the third server) can be servers of a server farm. The server farm can comprise a group of networked computers that jointly provide the functionality of one of the servers mentioned here. The multiple computers of a server farm can be connected to form a logical system and distribute the load and computing power among themselves. Alternatively or additionally, the server farm can physically run in a data center, optionally with virtualization technology. Alternatively or additionally, the server farm can comprise a group of networked computers, each providing the functionality of one of the servers mentioned here. For example, the first server and/or the second server (and, if present, the third server) can be different areas, optionally based on virtualization technology, of a server farm or a large server. It is expedient for the first server and/or the second server (and, if present, the third server) to be distinguishable from one another.
Das Verfahren (beispielsweise das Erzeugen der Parameterwerte der Konfiguration des Entscheidungssystems) kann in Reaktion auf eine (beispielsweise quantitative und/oder qualitative) Veränderung des Datensatzes im Vergleich zu einem vorhergehenden Erzeugen der Parameterwerte oder im Vergleich zu einem vorhergehenden Senden der erzeugten Parameterwerte ausgeführt und/oder im Wege einer Anpassungsschleife wiederholt werden. Die Anpassungsschleife kann der Iteration, d. h. der Regelschleife zur Erfüllung des Kriteriums übergeordnet sein und als äußere Schleife die Regelschleife als innere Schleife umfassen.The method (for example, generating the parameter values of the configuration of the decision system) can be carried out in response to a (for example quantitative and/or qualitative) change in the data set compared to a previous generation of the parameter values or compared to a previous transmission of the generated parameter values and/or in Paths of an adaptation loop are repeated. The adaptation loop can be superordinate to the iteration, ie, the control loop for fulfilling the criterion, and can include the control loop as an outer loop and the inner loop as the control loop.
Die Dokumentationsnachricht kann wenigstens einen der folgenden Inhalte angeben. Einen Anlass für das Erzeugen der Parameterwerte der Konfiguration des Entscheidungssystems kann die Dokumentationsnachricht angeben. Alternativ oder ergänzend kann die Dokumentationsnachricht eine quantitative oder qualitative Veränderung des Datensatzes im Vergleich zu einem vorhergehenden Erzeugen der Parameterwerte der Konfiguration des Entscheidungssystems angeben. Alternativ oder ergänzend kann die Dokumentationsnachricht eine quantitative oder qualitative Veränderung des Datensatzes im Vergleich zu einem vorhergehenden Senden der erzeugten Parameterwerte der Konfiguration des Entscheidungssystems angeben. Alternativ oder ergänzend kann die Dokumentationsnachricht den bestimmten Leistungswert der Leistungsmetrik angeben. Alternativ oder ergänzend kann die Dokumentationsnachricht eine Dokumentation der Iteration angeben.The documentation message can specify at least one of the following contents. The documentation message can specify a reason for generating the parameter values of the decision system configuration. Alternatively or additionally, the documentation message can specify a quantitative or qualitative change in the data set compared to a previous generation of the parameter values of the decision system configuration. Alternatively or additionally, the documentation message can specify a quantitative or qualitative change in the data set compared to a previous transmission of the generated parameter values of the decision system configuration. Alternatively or additionally, the documentation message can specify the specific performance value of the performance metric. Alternatively or additionally, the documentation message can specify documentation of the iteration.
Der erste Server kann ein Trainingsserver zum ML (d. h. Maschinenlernen oder maschinellen Lernen) des Entscheidungssystems sein. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Server ein Inferenzserver des klinischen Einsatzes des Entscheidungssystems sein. Alternativ oder ergänzend kann der dritte Server ein Datenserver zur revisionssicheren Dokumentation der Konfiguration des Entscheidungssystems sein.The first server can be a training server for the ML (i.e., machine learning) of the decision system. Alternatively or additionally, the second server can be an inference server for the clinical use of the decision system. Alternatively or additionally, the third server can be a data server for audit-proof documentation of the decision system's configuration.
Der erste Server und/oder der zweite Server können Grafikprozessoren (fachsprachlich: „Graphics Processing Units“, GPUs) umfassen oder einsetzen. Der erste Server kann GPUs zum Erzeugen der Parameterwerte mittels ML einsetzen. Der zweite Server kann GPUs zur Auswertung des gemäß der Parameterwerte konfigurierten Entscheidungssystems einsetzen, d. h. zur Bestimmung des Ausgabewerts des Entscheidungssystems in Reaktion auf einen Eingabewert eines Patienten im klinischen Einsatz. Der dritte Server kann keine GPUs umfassen oder einsetzen oder der dritte Server kann ausschließlich Anwendungsprozessoren (fachsprachlich: „Central Processor Units“, CPUs) oder Allzweckprozessoren (fachsprachlich: General Purpose Processors, GPPs) umfassen oder einsetzen.The first server and/or the second server may include or employ graphics processing units (GPUs). The first server may use GPUs to generate the parameter values using ML. The second server may use GPUs to evaluate the decision system configured according to the parameter values, i.e., to determine the output value of the decision system in response to an input value from a patient in clinical use. The third server may not include or employ GPUs, or the third server may exclusively include or employ application processors (Central Processor Units, CPUs) or general-purpose processors (GPPs).
Eine Prozessorarchitektur des ersten Servers und/oder des zweiten Servers kann eine hochgradig parallelisierte Hardware umfassen, die darauf ausgelegt ist, große Datenmengen simultan zu bearbeiten. Der erste Server und/oder der zweite Server können über hunderte oder sogar tausende von Kernen (im Vergleich zu den wenigen, aber komplexeren Kernen einer CPU) umfassen, die darauf spezialisiert sind, eine hohe Anzahl von gleichartigen Operationen sehr effizient auszuführen. Alternativ oder ergänzend kann jeder Kern der GPU dazu ausgebildet sein, dieselbe Operation auf unterschiedlichen Daten durchführen (fachsprachlich: „Single Instruction, Multiple Data“, SIMD). Alternativ oder ergänzend können die GPUs des ersten Servers und/oder des zweiten Servers auf einen lokalen Speicher (fachsprachlich: „Shared Memory“) zugreifen, der es ermöglicht, Daten effizient zwischen verschiedenen Kernen zu teilen.A processor architecture of the first server and/or the second server can comprise highly parallelized hardware designed to process large amounts of data simultaneously. The first server and/or the second server can comprise hundreds or even thousands of cores (compared to the few, but more complex cores of a CPU) that are specialized to perform a large number of similar operations very efficiently. Alternatively or additionally, each core of the GPU can be configured to perform the same operation on different data (technically known as "single instruction, multiple data", SIMD). Alternatively or additionally, the GPUs of the first server and/or the second server can access a local memory (technically known as "shared memory"), which enables data to be shared efficiently between different cores.
Der dritte Server kann darauf optimiert sein, große Mengen an Dokumentationsnachrichten zu speichern (beispielsweise mit Mechanismen zu Redundanz und Datenintegrität oder revisionssicherer Archivierung) und diese für gesicherte Anfragen effizient verfügbar zu machen. Der dritte Server kann Teil eines Datenbankmanagementsystems (DBMS) sein und Funktionen wie Indizierung, Transaktionen, Caching und Replikation auf die an ihn gesendeten Dokumentationsnachrichten anwenden.The third server can be optimized to store large volumes of documentation messages (for example, with mechanisms for redundancy and data integrity or audit-proof archiving) and make them efficiently available for secure queries. The third server can be part of a database management system (DBMS) and apply functions such as indexing, transactions, caching, and replication to the documentation messages sent to it.
Der zweite Server kann speziell für die Ausführung des Entscheidungssystems als ML-Modell ausgebildet sein, insbesondere für den Inferenzprozess. Der Inferenzprozess kann die Anwendung des mittels der Parameterwerte konfigurierten (d. h. „trainierten“) Entscheidungssystems auf nicht im Datensatz enthaltene (d. h. „neue“) Eingabewerte umfassen, um mittels des resultierenden Ausgabewerts die klinischen Entscheidungen zu unterstützen. Die Inferenz kann in Echtzeit oder nahe Echtzeit durchgeführt werden, beispielsweise durch eine Optimierung für rechenintensive Operationen.The second server can be specifically configured to run the decision system as an ML model, particularly for the inference process. The inference process can involve applying the decision system configured using the parameter values (i.e., "trained") to input values not contained in the dataset (i.e., "new") in order to support clinical decisions using the resulting output value. The inference can be performed in real-time or near-real-time, for example, through optimization for computationally intensive operations.
Die klinische Vorrichtung kann ein Front-End umfassen, das dazu ausgebildet ist, auf den zweiten Server als Back-End zuzugreifen. Mit anderen Worten kann der zweite Server dazu ausgebildet sein, als Back-End einen Eingabewert des Eingangs von der klinischen Vorrichtung als Front-End zu empfangen und den korrespondierenden Ausgabewert des Ausgangs des vom zweiten Server ausgeführten Entscheidungssystems an die klinische Vorrichtung zu senden.The clinical device may include a front-end configured to access the second server as a back-end. In other words, the second server may be configured to receive an input value from the clinical device as a back-end and send the corresponding output value from the decision system executed by the second server to the clinical device.
Ein zweiter Verfahrensaspekt betrifft ein seitens des zweiten Servers ausgeführtes Verfahren zum Ausführen eines Entscheidungssystems im klinischen Einsatz einer klinischen Vorrichtung zur Unterstützung einer klinischen Entscheidung auf Grundlage eines Datensatzes mit einer Vielzahl von Datenpunkten. Zumindest ein Teil der Datenpunkte umfasst jeweils ein Wertepaar mit einem Patientendaten eines Patienten angebenden Eingabewert eines Eingangs des Entscheidungssystems und einem die klinische Entscheidung für den Patienten angebenden oder davon abhängigen Ausgabewert eines Ausgangs des Entscheidungssystems. Das Verfahren umfasst den Schritt des selektiven Empfangens von Parameterwerten von einem ersten Server am zweiten Server. Die Parameterwerte vom ersten Server sind durch maschinelles Lernen (ML) auf Grundlage eines Trainingsdatensatzes erzeugt, der eine Teilmenge des Datensatzes ist. Die Selektion des Empfangs hängt davon ab, dass ein Leistungswert einer Leistungsmetrik des mit den erzeugten Parameterwerten konfigurierten Entscheidungssystems ein vorgegebenes Kriterium erfüllt, wobei die Leistungsmetrik einen Vergleich von Ausgabewerten des mit den Parameterwerten konfigurierten Entscheidungssystems in Reaktion auf die Eingabewerte eines Validierungsdatensatzes mit den Ausgabewerten des Validierungsdatensatzes umfasst, der eine zum Trainingsdatensatz disjunkte Teilmenge des Datensatzes ist.A second method aspect relates to a method executed by the second server for executing a decision system in clinical use of a clinical device to support a clinical decision based on a data set with a plurality of data points. At least some of the data points each comprise a value pair with an input value of an input of the decision system indicating patient data of a patient and a clinical decision for the patient. specifying or dependent on an output value of an output of the decision system. The method comprises the step of selectively receiving parameter values from a first server at the second server. The parameter values from the first server are generated by machine learning (ML) on the basis of a training data set that is a subset of the data set. The selection of the receipt depends on a performance value of a performance metric of the decision system configured with the generated parameter values meeting a predetermined criterion, wherein the performance metric comprises a comparison of output values of the decision system configured with the parameter values in response to the input values of a validation data set with the output values of the validation data set, which is a subset of the data set that is disjoint from the training data set.
Dass die Parameterwerte das vorgegebene Kriterium erfüllen, kann (beispielsweise teilweise oder vollständig) vom ersten Server festgestellt sein, beispielsweise indem beim ML das vom ersten Server ausgeführte Entscheidungssystem (beispielsweise eine Entwicklungsversion des Entscheidungssystems) mit den (beispielsweise durch das ML geänderten) Parameterwerten konfiguriert wird. So kann vorzugsweise der zweite Server nur Parameterwerte empfangen, die das vorgegebene Kriterium bereits erfüllen. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Server den Leistungswert der Leistungsmetrik mit den empfangenen Parameterwerten bestimmen, wobei die Parameterwerte verworfen und/oder nicht im klinischen Einsatz konfiguriert werden, wenn das vorgegebenes Kriterium nicht erfüllt ist.The fact that the parameter values meet the specified criterion can be determined (e.g., partially or completely) by the first server, for example, by configuring the decision system executed by the first server (e.g., a development version of the decision system) with the parameter values (e.g., modified by the ML). Thus, preferably, the second server can only receive parameter values that already meet the specified criterion. Alternatively or additionally, the second server can determine the performance value of the performance metric using the received parameter values, whereby the parameter values are discarded and/or not configured for clinical use if the specified criterion is not met.
Alternativ oder ergänzend kann der zweite Server (beispielsweise im klinischen Einsatz des Entscheidungssystems) mindestens einen der folgenden Schritte ausführen:
- • Erfassen (beispielsweise Empfangen von der klinischen Vorrichtung) des Eingabewertes (beispielsweise eines präoperativen Eingabewertes für den Patienten, beispielsweise für einen ersten Patienten);
- • Erzeugen (beispielsweise mittels des konfigurierten Entscheidungssystems) des Ausgabewertes (beispielsweise für eine Entscheidung oder einen Vorschlag für die Entscheidung) für den Patienten (beispielsweise für den ersten Patienten), vorzugsweise unter Zugriff auf das Entscheidungssystem in einem trainierten Zustand unter Verwendung der Eingabewerte für den ersten Patienten;
- • Ermitteln (beispielsweise Empfangen von der klinischen Vorrichtung) von postoperativen Messdaten eines klinisch real erzielten Ergebnisses (d.h. eines Resultats) des Patienten, vorzugsweise als Teil eines neuen Wertepaares auf Basis des ersten Patienten für weitere Patienten und/oder für einen augmentierten Datensatz;
- • Exportieren (beispielsweise Senden an den ersten Server) des erfassten präoperativen Eingabewertes für den ersten Patienten und/oder des erzeugten Ausgabewertes für den ersten Patienten und/oder der ermittelten postoperativen Messdaten für den ersten Patienten als Teil eines neuen oder augmentierten Datensatzes zum (beispielsweise erstmaligen oder erneuten) Trainieren des Entscheidungssystems gemäß einer Anpassungsschleife (die vorzugsweise der Regelschleife der Iteration übergeordnet ist); und
- • Empfangen der (beispielsweise aktualisierten) Parameterwerte für das Entscheidungssystem, deren bestimmter Leistungswert das vorgegebene Kriterium erfüllt und/oder wobei der zweite Server den Leistungswert der Leistungsmetrik aufgrund der empfangenen Parameterwerte bestimmt bei Erfüllung des Kriteriums abgleicht.
- • Capturing (e.g., receiving from the clinical device) the input value (e.g., a preoperative input value for the patient, e.g., for a first patient);
- • Generating (for example by means of the configured decision system) the output value (for example for a decision or a proposal for the decision) for the patient (for example for the first patient), preferably by accessing the decision system in a trained state using the input values for the first patient;
- • Determining (e.g., receiving from the clinical device) postoperative measurement data of a clinically real achieved outcome (i.e., a result) of the patient, preferably as part of a new pair of values based on the first patient for further patients and/or for an augmented data set;
- • Exporting (e.g., sending to the first server) the acquired preoperative input value for the first patient and/or the generated output value for the first patient and/or the determined postoperative measurement data for the first patient as part of a new or augmented dataset for training (e.g., for the first time or again) the decision system according to an adaptation loop (preferably overriding the iteration control loop); and
- • Receiving the (e.g. updated) parameter values for the decision system, the determined performance value of which satisfies the specified criterion and/or wherein the second server adjusts the performance value of the performance metric based on the received parameter values when the criterion is met.
Das Verfahren gemäß dem ersten und/oder zweiten Verfahrensaspekt kann ferner ausgelöst und/oder in einer Anpassungsschleife wiederholt werden, vorzugsweise in Reaktion auf ein vordefiniertes externes Ereignis außerhalb des Erzeugens der Parameterwerte und/oder außerhalb des ersten Servers. Beispielsweise kann das externe Ereignis eine vordefinierte quantitative oder qualitative Veränderung des Datensatzes im Vergleich zu bestehenden Parameterwerten oder einem vorhergehenden Erzeugen der Parameterwerte der Konfiguration des Entscheidungssystems oder im Vergleich zu einem vorhergehenden Senden der erzeugten Parameterwerte der Konfiguration des Entscheidungssystems umfassen.The method according to the first and/or second method aspect can further be triggered and/or repeated in an adaptation loop, preferably in response to a predefined external event outside the generation of the parameter values and/or outside the first server. For example, the external event can comprise a predefined quantitative or qualitative change in the data set compared to existing parameter values or a previous generation of the parameter values of the decision system configuration, or compared to a previous transmission of the generated parameter values of the decision system configuration.
Das Auslösen des Verfahrens oder das Wiederholen des Verfahrens gemäß der Anpassungsschleife kann in einem zusätzlichen Schritt des Verfahrens entschieden werden. Das externe Ereignis kann das Erreichen einer kritischen Anzahl neuer Datenpunkte (beispielsweise neuer Wertepaare) für den Start der Anpassungsschleife umfassen.The triggering of the procedure or the repetition of the procedure according to the adaptation loop can be decided in an additional step of the procedure. The external event can include reaching a critical number of new data points (e.g., new value pairs) for starting the adaptation loop.
Die Anpassungsschleife kann eine Überwachung und/oder Wartung des Entscheidungssystems im klinischen Einsatz umfassen. Beispielsweise kann gemäß der Leistungsmetrik die Modellleistung im klinischen Einsatz kontinuierlich überwacht werden (was beim konventionellen Zulassungsverfahren nicht umfasst ist) und bei Bedarf mittels des Verfahrens angepasst werden, beispielsweise um Genauigkeit und Relevanz der Entscheidung auf einen erweiterten Patientenkreis auszudehnen. Alternativ oder ergänzend können regelmäßige Updates der Konfiguration und/oder Wiederholung des Validierungs- und Freigabeprozesses gemäß dem Verfahren für neue Versionen der Konfiguration das Entscheidungssystem fortlaufend verbessern.The adaptation loop may include monitoring and/or maintenance of the decision system in clinical use. For example, according to the performance metric, the model's performance in clinical use can be continuously monitored (which is not included in the conventional approval process) and adjusted as needed using the process, for example, to extend the accuracy and relevance of the decision to a wider patient population. Alternatively, or In addition, regular updates of the configuration and/or repetition of the validation and release process according to the procedure for new versions of the configuration can continuously improve the decision system.
Diese Anpassungsschleife kann, in Abgrenzung zur Regelschleife zur Erfüllung des Kriteriums, als äußere Schleife der Anpassung des Entscheidungssystems an neue Datenpunkte oder Gegebenheiten (beispielsweise einem erweiterten Satz von Implantaten) dienen.This adaptation loop can, in contrast to the control loop for fulfilling the criterion, serve as an outer loop for adapting the decision system to new data points or conditions (e.g., an expanded set of implants).
Der zusätzliche Schritt zum Auslösen des Verfahrens und/oder zum Wiederholen des Verfahrens gemäß der Anpassungsschleife kann mindestens einen der nachfolgend beschriebenen Teilschritte umfassen: einen Teilschritt zur Evaluation, beispielsweise der Leistung der aktuellen Konfiguration mit einem neuen Datensatz mit neuen Wertepaaren; einen Teilschritt zur Entscheidung, beispielsweise der Feststellung, ob die Änderung im Datensatz signifikant genug ist, um eine Anpassung der Konfiguration zu rechtfertigen; einen Teilschritt zur Adaption, beispielsweise wobei unter Verwendung neuer Datenpunkte das Entscheidungssystem erneut trainiert oder feinjustiert wird, um besser auf die neuen Muster oder Veränderungen im veränderten Datensatz zu reagieren; und einen Teilschritt zur Integration, beispielsweise wobei die angepasste Konfiguration in die Produktionsumgebung des zweiten Servers gemäß dem Schritt des Sendens übernommen wird, um aktuelle Prädiktionen zu ermöglichen.The additional step of triggering the method and/or repeating the method according to the adaptation loop may comprise at least one of the sub-steps described below: a sub-step for evaluation, for example of the performance of the current configuration with a new data set with new value pairs; a sub-step for decision, for example of determining whether the change in the data set is significant enough to justify an adaptation of the configuration; an adaptation sub-step, for example wherein the decision system is retrained or fine-tuned using new data points in order to better respond to the new patterns or changes in the changed data set; and an integration sub-step, for example wherein the adapted configuration is adopted into the production environment of the second server according to the sending step in order to enable current predictions.
Die Regelschleife gemäß dem Schritt des Iterierens und die übergeordnete Anpassungsschleife können den synergetischen Effekt haben, dass zum Wohle der Patientenversorgung die Zeitspanne zwischen Veränderung des Datensatzes und der Anpassung der Konfiguration des Entscheidungssystems im klinischen Einsatz verkürzt ist. Alternativ oder ergänzend kann die Anpassungsschleife Überwachungsmechanismen umfassen, um sicherzustellen, dass die Konfiguration nicht überangepasst wird und/oder die neuen Datenpunkte im veränderten Datensatz das Entscheidungssystem nicht in eine falsche Richtung lenken.The control loop according to the iteration step and the higher-level adaptation loop can have the synergistic effect of shortening the time between a change in the data set and the adjustment of the decision system's configuration in clinical use, for the benefit of patient care. Alternatively or additionally, the adaptation loop can include monitoring mechanisms to ensure that the configuration is not over-adapted and/or that the new data points in the modified data set do not steer the decision system in the wrong direction.
Gemäß einem Systemaspekt ist ein System zur Konfiguration eines nichtlinearen Entscheidungssystems einer klinischen Vorrichtung zur Unterstützung einer klinischen Entscheidung bereitgestellt. Das System umfasst einen ersten Server, der dazu ausgebildet ist, das Verfahren gemäß dem ersten Verfahrensaspekt auszuführen und den zweiten Server, der dazu ausgebildet ist, auf Grundlage der vom ersten Server übertragenen Parameterwerte das Entscheidungssystem und/oder den zweiten Verfahrensaspekt auszuführen.According to one system aspect, a system for configuring a nonlinear decision system of a clinical device for supporting a clinical decision is provided. The system comprises a first server configured to execute the method according to the first method aspect, and a second server configured to execute the decision system and/or the second method aspect based on the parameter values transmitted by the first server.
Gemäß einem Systemverfahrensaspekt sind die Schritte des ersten und zweiten Verfahrensaspekts kombiniert.According to a system method aspect, the steps of the first and second method aspects are combined.
Der Eingabewert jedes Wertepaares des Datensatzes kann Patientendaten des Patienten vor einer Anwendung der klinischen Entscheidung umfassen. Beispielsweise kann der Eingabewert jedes Wertepaares des Datensatzes nur Patientendaten des Patienten vor einer Anwendung der klinischen Entscheidung umfassen.The input value of each value pair in the dataset may include patient data from the patient before the clinical decision was applied. For example, the input value of each value pair in the dataset may only include patient data from the patient before the clinical decision was applied.
Alternativ oder ergänzend kann das Verfahren umfassen, dass der Ausgabewert jedes Wertepaares des Datensatzes Patientendaten des Patienten nach einer Anwendung der klinischen Entscheidung umfasst. Alternativ oder ergänzend kann der Ausgabewert jedes Wertepaares des Datensatzes die klinische Entscheidung für den Patienten umfassen.Alternatively or additionally, the method may comprise the output value of each value pair of the data set comprising patient data of the patient after applying the clinical decision. Alternatively or additionally, the output value of each value pair of the data set may comprise the clinical decision for the patient.
Alternativ oder ergänzend kann das Verfahren umfassen, dass der Eingabewert jedes Wertepaares des Datensatzes Patientendaten des Patienten vor einer Anwendung der klinischen Entscheidung und die klinische Entscheidung für den Patienten umfasst. In diesem Fall kann der Ausgabewert jedes Wertepaares des Datensatzes Patientendaten des Patienten nach einer Anwendung der klinischen Entscheidung umfassen.Alternatively or additionally, the method may include the input value of each value pair of the data set comprising patient data of the patient before application of the clinical decision and the clinical decision for the patient. In this case, the output value of each value pair of the data set may comprise patient data of the patient after application of the clinical decision.
Das Entscheidungssystem kann ein Entscheidungssystem zur Einschränkung oder Bestimmung (beispielsweise zur Vorauswahl oder Auswahl) eines Implantats sein. Beispielsweise kann gemäß dem Oberbegriff „ein Entscheidungssystem einer klinischen Vorrichtung zur Unterstützung einer klinischen Entscheidung“ ein Entscheidungssystem einer klinischen Vorrichtung zur Bestimmung (beispielsweise zur Auswahl) eines Implantats sein.The decision system may be a decision system for restricting or determining (e.g., for pre-selecting or selecting) an implant. For example, according to the generic term "a decision system of a clinical device for supporting a clinical decision," a decision system of a clinical device may be for determining (e.g., for selecting) an implant.
Das heißt, das Entscheidungssystem kann verwendet werden, um beispielsweise ein Implantat auszuwählen oder vorzuschlagen oder eine andere klinische Entscheidung zu treffen oder vorzubereiten. Die Entscheidung des Entscheidungssystems kann dabei ein Vorschlag sein, dem gefolgt werden kann, aber nicht muss. Beispielsweise kann die klinische Vorrichtung eine Benutzerschnittstelle umfassen, die dazu ausgebildet ist, vor der Übernahme der Parameterwerte vom ersten Server und/oder vor der Übernahme eines Ausgabewertes (beispielsweise der Entscheidung) des Entscheidungssystems eine Bestätigung oder Änderung (beispielsweise der Entscheidung) durch einen Nutzer (z.B. Arzt, Operateur, Anwender) einzuholen.This means that the decision system can be used, for example, to select or suggest an implant or to make or prepare another clinical decision. The decision of the decision system can be a suggestion that can be followed, but does not have to be. For example, the clinical device can comprise a user interface configured to obtain confirmation or a change (e.g., the decision) from a user (e.g., physician, surgeon, operator) before accepting the parameter values from the first server and/or before accepting an output value (e.g., the decision) from the decision system.
In einer Variante kann, indem der Eingabewert die klinische Entscheidung für den Patienten umfasst (beispielsweise angibt), ein von der klinischen Entscheidung abhängiger Ausgabewert vorliegen, z. B. im Sinne der zweiten Alternative im Schritt des Erfassens des Anspruchs 1. Dadurch kann das Entscheidungssystem die angedachte klinische Entscheidung entweder bekräftigen (beispielsweise verifizieren) oder die klinische Entscheidung zur Revision markieren (beispielsweise falsifizieren).In one variant, if the input value includes the clinical decision for the patient (for example, indicates), a clinically An output value dependent on the clinical decision must be present, e.g. in the sense of the second alternative in the step of capturing claim 1. This allows the decision system to either reinforce the intended clinical decision (e.g., verify) or mark the clinical decision for revision (e.g., falsify).
Die klinische Entscheidung kann eine Auswahl eines Implantats für den Patienten (beispielsweise aus einem diskreten Satz von Implantaten) oder eine Vorauswahl einer Teilmenge von Implantaten für den Patienten aus einem diskreten Satz von Implantaten umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die klinische Entscheidung einen Kennwertsatz für ein Implantat des Patienten umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die klinische Entscheidung einen Steuerdatensatz einer additiven und/oder subtraktiven Fertigung eines Implantats für den Patienten umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die klinische Entscheidung einen Steuerdatensatz eines Lasersystems zur refraktiven Chirurgie umfassen, beispielsweise für eine Laser-Assisted in Situ Keratomileusis (LASIK) des Patienten. Alternativ oder ergänzend kann die klinische Entscheidung einen Steuerdatensatz eines roboterassistierten Chirurgie-Systems für den Patienten umfassen.The clinical decision can comprise a selection of an implant for the patient (for example, from a discrete set of implants) or a pre-selection of a subset of implants for the patient from a discrete set of implants. Alternatively or additionally, the clinical decision can comprise a set of parameters for a patient's implant. Alternatively or additionally, the clinical decision can comprise a control data set for additive and/or subtractive manufacturing of an implant for the patient. Alternatively or additionally, the clinical decision can comprise a control data set for a laser system for refractive surgery, for example for laser-assisted in situ keratomileusis (LASIK) for the patient. Alternatively or additionally, the clinical decision can comprise a control data set for a robot-assisted surgery system for the patient.
Das Entscheidungssystem kann ein Entscheidungssystem zur Unterstützung der klinischen Entscheidung sein, beispielsweise zur Bestimmung eines Implantats.The decision system may be a decision system to support clinical decision-making, for example to determine an implant.
Der Kennwertsatz kann stoffliche, mechanische und/oder optische Eigenschaften des Implantats angeben, beispielsweise eine Brechkraft einer Intraokularlinse (IOL) als zu wählendes Implantat.The set of parameters can specify material, mechanical and/or optical properties of the implant, for example a refractive power of an intraocular lens (IOL) as the implant to be selected.
In einer ersten Variante jedes Ausführungsbeispiels kann das Implantat eine Hüftendoprothese mit Hüftkopf und/oder Hüftpfanne umfassen. Die Patientendaten können biometrische Daten des Patienten umfassen. Das Entscheidungssystem kann aufgrund der Konfiguration mit den erzeugten Parameterwerten dazu ausgebildet sein, eine Operation und die Prothese optimal anzupassen, beispielsweise um das Risiko von Komplikationen zu minimieren. Die Patientendaten können mindestens eines der folgenden Körpermaße umfassen: Körpergröße, Gewicht, hüftspezifische Maße, Beinlänge, Femurkopfgröße (zur Bestimmung der Größe des benötigten Prothesenkopfes), Schaftdurchmesser und Acetabulumgröße (Größe der Hüftpfanne). Der Eingabewert des Eingangs des Entscheidungssystems kann Ergebnisse bildgebender Verfahren umfassen, beispielsweise Röntgenaufnahmen (beispielsweise zur Bestimmung einer Knochenstruktur, bestehender Abnutzungen und Ausrichtung der Hüftgelenke durch das Entscheidungssystem) oder Ergebnisse einer Magnetresonanztomographie (MRT) oder einer Computertomographie (CT) (beispielsweise zur Bestimmung einer Weichteilstruktur, Knochenqualität und räumlichen Darstellung des Hüftgelenks durch das Entscheidungssystem).In a first variant of each embodiment, the implant can comprise a hip endoprosthesis with a femoral head and/or acetabulum. The patient data can include the patient's biometric data. Based on the configuration with the generated parameter values, the decision system can be configured to optimally adapt a surgery and the prosthesis, for example, to minimize the risk of complications. The patient data can include at least one of the following body measurements: height, weight, hip-specific measurements, leg length, femoral head size (to determine the size of the required prosthetic head), stem diameter, and acetabulum size (size of the acetabulum). The input value of the decision system's input can include results from imaging procedures, for example, X-rays (for example, to determine bone structure, existing wear, and alignment of the hip joints by the decision system) or results from magnetic resonance imaging (MRI) or computed tomography (CT) (for example, to determine soft tissue structure, bone quality, and spatial representation of the hip joint by the decision system).
In einer zweiten Variante jedes Ausführungsbeispiels kann das Implantat eine Intraokularlinse umfassen.In a second variant of each embodiment, the implant may comprise an intraocular lens.
Die Patientendaten können biometrische Daten des Auges des Patienten umfassen. Die klinische Entscheidung kann eine Auswahl einer zu implantierenden Intraokularlinse (IOL) umfassen.The patient data may include biometric data of the patient's eye. The clinical decision may include the selection of an intraocular lens (IOL) to be implanted.
Die Patientendaten umfassen biometrische Daten des Auges des Patienten. Die klinische Entscheidung umfasst eine Auswahl einer zu implantierenden Intraokularlinse.The patient data includes biometric data of the patient's eye. The clinical decision involves selecting an intraocular lens to be implanted.
Die biometrischen Daten des Auges vor der Anwendung der Entscheidung können axiale Länge, Keratometrie und/oder Vorderkammertiefe des Auges umfassen. Alternativ oder ergänzend können die biometrischen Daten des Auges vor der Anwendung der Entscheidung eine Endothelzelldichte und/oder einen Augeninnendruck des Auges umfassen. Alternativ oder ergänzend können die biometrischen Daten des Auges vor der Anwendung der Entscheidung eine Abweichung der Brechkraft des Auges von der Norm umfassen.The biometric data of the eye before the application of the decision may include axial length, keratometry, and/or anterior chamber depth. Alternatively or additionally, the biometric data of the eye before the application of the decision may include endothelial cell density and/or intraocular pressure. Alternatively or additionally, the biometric data of the eye before the application of the decision may include a deviation of the eye's refractive power from the norm.
Ein Zeitpunkt vor der Anwendung der Entscheidung kann einer Voruntersuchung entsprechen. Ein Zeitpunkt der Anwendung der Entscheidung kann einer Implantation der Intraokularlinse entsprechen. Nach der Anwendung der Entscheidung kann ein Zeitpunkt sein, sobald eine Heilung der Implantation abgeschlossen ist.A point in time before the decision is applied may correspond to a preliminary examination. A point in time when the decision is applied may correspond to the implantation of the intraocular lens. A point in time after the decision is applied may correspond to the time when the implantation has healed.
Die biometrischen Daten des Auges nach der Anwendung der Entscheidung können eine Abweichung der Brechkraft des Auges von der Norm oder eine Abweichung der Brechkraft des Auges von einem Zielwert der Implantation umfassen.The biometric data of the eye after application of the decision may include a deviation of the refractive power of the eye from the norm or a deviation of the refractive power of the eye from a target value of the implantation.
Das Erfassen des Datensatzes kann eine Datenbereinigung (fachsprachlich: „data cleansing“) umfassen.Capturing the data set may include data cleansing.
Das Erfassen des Datensatzes kann Wertepaare ausschließen. Die ausgeschlossenen Wertepaare können Patientendaten betreffen, die angeben, dass nach der Anwendung der Entscheidung eine Abweichung von einem Norm- oder Zielwert auftrat. Die Abweichung kann größer als ein vorbestimmter Schwellwert sein. Beispielsweise kann eine Abweichung der Brechkraft des Auges von einem Norm- oder Zielwert der Implantation vorliegen.Acquiring the dataset may exclude value pairs. The excluded value pairs may concern patient data indicating that a deviation from a norm or target value occurred after the decision was applied. The deviation may be greater than a predetermined threshold. For example, there may be a deviation in the refractive power of the eye from a norm or target value of the implantation.
Der Schwellwert kann 1 Dioptrien (dpt) sein.The threshold can be 1 diopter (D).
Alternativ oder ergänzend kann jedem Wertepaar eine klinische Person oder ein klinischer Ort zugeordnet sein. Wertepaare einer klinischen Person oder eines klinischen Orts, deren Standardabweichung zwischen den Patientendaten nach der Anwendung der Entscheidung und dem Norm- oder Zielwert einen vorbestimmten Schwellwert überschreiten, können beim Erfassen des Datensatzes ausgeschlossen werden.Alternatively or additionally, each value pair can be assigned to a clinical person or clinical location. Value pairs of a clinical person or clinical location whose standard deviation between the patient data after applying the decision and the norm or target value exceeds a predetermined threshold can be excluded when capturing the data set.
Alternativ oder ergänzend kann das vorgegebene Kriterium (zum Senden der erzeugten Parameterwerte) erfüllt sein, falls Wertepaare, deren Patientendaten nach der Anwendung der Entscheidung eine Abweichung von einem Norm- oder Zielwert aufweisen, von dem mit den erzeugten Parameterwerten konfigurierten Entscheidungssystem zutreffender ausgegeben (d. h., prädiziert) werden als von einem vorhergehenden Entscheidungssystem (bzw. dem Entscheidungssystem in einem früheren Zustand).Alternatively or additionally, the specified criterion (for sending the generated parameter values) can be met if value pairs whose patient data show a deviation from a norm or target value after the application of the decision are output (i.e., predicted) more accurately by the decision system configured with the generated parameter values than by a previous decision system (or the decision system in a previous state).
In einer dritten Variante jedes Ausführungsbeispiels kann die klinische Entscheidung eine Operationsplanung betreffen, beispielsweise die Planung einer neurochirurgischen Operation. Die am Eingang des Entscheidungssystems anliegenden Patientendaten können Ergebnisse einer bildgebenden Diagnostik umfassen, beispielsweise einer MRT (beispielsweise für die Darstellung von Hirnstrukturen, Weichteilen, und der Identifizierung pathologischer Veränderungen, wie Tumoren oder Gefäßanomalien) oder einer CT (beispielsweise zur Bestimmung von Knochenstrukturen, Blutungen oder gegebenenfalls einer Notfalldiagnostik durch das Entscheidungssystem). Alternativ oder ergänzend können die am Eingang des Entscheidungssystems anliegenden Patientendaten physiologische Parameterwerte umfassen, beispielsweise ein Intrakranieller Druck (ICP) oder ein Zerebraler Perfusionsdruck (CPP) oder ein Liquordruck (Zerebrospinalflüssigkeitsdruck). Alternativ oder ergänzend können die am Eingang des Entscheidungssystems anliegenden Patientendaten Ergebnisse eines Tests neurologischer Funktionen umfassen, beispielsweise eine Bewertung der Bewusstseinslage (z. B. nach der Glasgow-Koma-Skala), motorische und sensorische Funktionen, Reflexe, Sprach- und Koordinationsfähigkeiten.In a third variant of each embodiment, the clinical decision can relate to surgical planning, for example, the planning of a neurosurgical operation. The patient data available at the input of the decision system can include results from diagnostic imaging, for example, an MRI (for example, for visualizing brain structures, soft tissue, and identifying pathological changes such as tumors or vascular anomalies) or a CT scan (for example, for determining bone structures, bleeding, or, if necessary, emergency diagnostics by the decision system). Alternatively or additionally, the patient data available at the input of the decision system can include physiological parameter values, for example, an intracranial pressure (ICP), a cerebral perfusion pressure (CPP), or a cerebrospinal fluid pressure (CSF). Alternatively or additionally, the patient data available at the input of the decision system can include results from a test of neurological functions, for example, an assessment of the level of consciousness (e.g., according to the Glasgow Coma Scale), motor and sensory functions, reflexes, speech, and coordination skills.
In einer vierten Variante jedes Ausführungsbeispiels kann die klinische Entscheidung eine Therapieplanung betreffen. Beispielsweise kann der Ausgabewert am Ausgang des Entscheidungssystems eine Medikamentenwahl, eine Dosierung und/oder eine Frequenz der Gabe angeben.In a fourth variant of each embodiment, the clinical decision may relate to therapy planning. For example, the output value at the output of the decision system may indicate a drug selection, a dosage, and/or a frequency of administration.
Ein erster Vorrichtungsaspekt betrifft einen ersten Server, der dazu ausgebildet ist, den ersten Verfahrensaspekt auszuführen. Beispielsweise umfasst der erste Server Einheiten, die jeweils dazu ausgebildet sind, entsprechende Schritte des ersten Verfahrensaspekts auszuführen. Alternativ oder ergänzend kann der erste Server einen Speicher und eine mit dem Speicher in Signalverbindung stehende Verarbeitungseinheit umfassen, die dazu ausgebildet ist, im Speicher kodierte Anweisungen auszuführen, wobei der Speicher Anweisungen gemäß den Schritten des ersten Verfahrensaspekts umfasst.A first device aspect relates to a first server configured to execute the first method aspect. For example, the first server comprises units each configured to execute corresponding steps of the first method aspect. Alternatively or additionally, the first server may comprise a memory and a processing unit signal-connected to the memory, which is configured to execute instructions encoded in the memory, wherein the memory comprises instructions according to the steps of the first method aspect.
Ein zweiter Vorrichtungsaspekt betrifft einen zweiten Server, der dazu ausgebildet ist, den zweiten Verfahrensaspekt auszuführen. Beispielsweise umfasst der zweite Server Einheiten, die jeweils dazu ausgebildet sind, entsprechende Schritte des zweiten Verfahrensaspekts auszuführen. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Server einen Speicher und eine mit dem Speicher in Signalverbindung stehende Verarbeitungseinheit umfassen, die dazu ausgebildet ist, im Speicher kodierte Anweisungen auszuführen, wobei der Speicher Anweisungen gemäß den Schritten des zweiten Verfahrensaspekts umfasst.A second device aspect relates to a second server configured to execute the second method aspect. For example, the second server comprises units each configured to execute corresponding steps of the second method aspect. Alternatively or additionally, the second server may comprise a memory and a processing unit signal-connected to the memory, which processing unit is configured to execute instructions encoded in the memory, wherein the memory comprises instructions according to the steps of the second method aspect.
Ein dritter Vorrichtungsaspekt betrifft ein System zur Konfiguration eines nichtlinearen Entscheidungssystems einer klinischen Vorrichtung zur Unterstützung einer klinischen Entscheidung, welches als dem Verfahren des ersten Aspekts zugeordnet betrachtet werden kann. Dieses System weist einen Prozessor, einen mit dem Prozessor operativ zusammenwirkenden Speicher zum Speichern von Instruktionen, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor zum Ausführen des Verfahrensaspekts veranlassen.A third device aspect relates to a system for configuring a nonlinear decision system of a clinical device for supporting a clinical decision, which can be considered associated with the method of the first aspect. This system comprises a processor, a memory operatively cooperating with the processor for storing instructions that, when executed by the processor, cause the processor to execute the method aspect.
Darüber hinaus können sich Ausführungsformen auf Computerprogrammprodukte beziehen, auf welche von einem Computer-verwendbaren oder Computer-lesbaren Medium zugegriffen werden kann, das Programm-Code zur Nutzung durch, oder in Verbindung mit, einem Computer oder anderen Instruktionsverarbeitungssystemen aufweist. Diese Computerprogrammprodukte veranlassen den Computer zur Ausführung des Verfahrensaspekts. Im Kontext dieser Beschreibung kann ein Computer-verwendbares oder Computer-lesbares Medium jede Vorrichtung sein, die zur Speicherung, zum Kommunizieren, zur Weiterleitung oder zum Transport des Programm-Codes geeignet ist.Furthermore, embodiments may relate to computer program products accessible from a computer-usable or computer-readable medium comprising program code for use by, or in connection with, a computer or other instruction processing system. These computer program products cause the computer to perform the method aspect. In the context of this description, a computer-usable or computer-readable medium may be any device suitable for storing, communicating, forwarding, or transporting the program code.
Übersicht über die FigurenOverview of the characters
Es sei darauf hingewiesen, dass Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Implementierungskategorien beschrieben sein können. Insbesondere sind einige Ausführungsbeispiele in Bezug auf ein Verfahren beschrieben, während andere Ausführungsbeispiele im Kontext von entsprechenden Vorrichtungen oder Systemen beschrieben sein können. Unabhängig davon ist es einem Fachkundigen möglich, aus der hier vorstehenden und nachfolgenden Beschreibung - wenn nicht anderweitig darauf hingewiesen - mögliche Kombinationen der Merkmale des Verfahrens sowie mögliche Merkmalskombinationen mit dem entsprechenden System zu erkennen und zu kombinieren, auch wenn sie zu unterschiedlichen Anspruchskategorien gehören.It should be noted that embodiments of the invention may be described with reference to different implementation categories. In particular, some Embodiments are described with reference to a method, while other embodiments may be described in the context of corresponding devices or systems. Irrespective of this, it is possible for a person skilled in the art to recognize and combine possible combinations of the features of the method, as well as possible combinations of features with the corresponding system, from the above and following descriptions, unless otherwise indicated, even if they belong to different claim categories.
Bereits oben beschriebene Aspekte sowie zusätzliche Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich unter anderem aus den beschriebenen Ausführungsbeispielen und aus den zusätzlichen weiteren, durch Bezug auf die Figuren beschriebenen, konkreten Ausgestaltungen.Aspects already described above as well as additional aspects of the present invention result, inter alia, from the described embodiments and from the additional further concrete embodiments described with reference to the figures.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden beispielhaft und mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben. Darin zeigen:
-
1 herkömmliche Entwicklungsketten, die jeweils eine technische Interaktion mit regulatorischen Behörden erfordern, bevor das jeweils resultierende System klinisch einsetzbar ist; -
2 eine flussdiagrammartige Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Konfiguration eines nichtlinearen Entscheidungssystems einer klinischen Vorrichtung zur Unterstützung einer klinischen Entscheidung; -
3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Systems zur Konfiguration eines nichtlinearen Entscheidungssystems einer klinischen Vorrichtung zur Unterstützung einer klinischen Entscheidung; -
4 ein zweites Ausführungsbeispiel des Systems zur Konfiguration eines nichtlinearen Entscheidungssystems einer klinischen Vorrichtung zur Unterstützung einer klinischen Entscheidung mit einer detaillierteren Datenstruktur; -
5 eine Ausgestaltung des Verfahrens mit einer ersten Zuordnung von Wertepaaren zu Ein- und Ausgängen des Entscheidungssystems; -
6 eine Ausgestaltung des Verfahrens mit einer zweiten Zuordnung von Wertepaaren zu Ein- und Ausgängen des Entscheidungssystems; -
7 eine Ausgestaltung des Verfahrens mit einer dritten Zuordnung von Wertepaaren zu Ein- und Ausgängen des Entscheidungssystems; -
8 eine Ausgestaltung des Verfahrens mit einer vierten Zuordnung von Wertepaaren zu Ein- und Ausgängen des Entscheidungssystems; -
9 eine schematische Schnittansicht eines menschlichen Auges mit exemplarischen biometrischen Patientendaten; -
10 ein drittes Ausführungsbeispiel des Systems zur Konfiguration eines nichtlinearen Entscheidungssystems einer klinischen Vorrichtung zur Unterstützung einer klinischen Entscheidung mit verketteten funktionalen Modulen, die dazu ausgebildet sind, das Verfahren der2 auszuführen; -
11 ein viertes Ausführungsbeispiel des Systems zur Konfiguration eines nichtlinearen Entscheidungssystems einer klinischen Vorrichtung zur Unterstützung einer klinischen Entscheidung mit Busmodulen, die dazu ausgebildet sind, das Verfahren der2 auszuführen; und -
12 ein Ausführungsbeispiel eines Computersystems, welches das System entsprechend3 aufweist.
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1 traditional development chains, each of which requires technical interaction with regulatory authorities before the resulting system can be used clinically; -
2 a flowchart representation of an embodiment of a method for configuring a nonlinear decision system of a clinical device for supporting a clinical decision; -
3 a first embodiment of a system for configuring a non-linear decision system of a clinical device for supporting a clinical decision; -
4 a second embodiment of the system for configuring a non-linear decision system of a clinical decision support device with a more detailed data structure; -
5 a design of the procedure with a first assignment of value pairs to inputs and outputs of the decision system; -
6 a design of the procedure with a second assignment of value pairs to inputs and outputs of the decision system; -
7 a design of the procedure with a third assignment of value pairs to inputs and outputs of the decision system; -
8 a design of the procedure with a fourth assignment of value pairs to inputs and outputs of the decision system; -
9 a schematic cross-sectional view of a human eye with exemplary biometric patient data; -
10 a third embodiment of the system for configuring a non-linear decision system of a clinical device for supporting a clinical decision with linked functional modules which are designed to implement the method of2 to carry out; -
11 a fourth embodiment of the system for configuring a non-linear decision system of a clinical device for supporting a clinical decision with bus modules which are designed to implement the method of2 to carry out; and -
12 an embodiment of a computer system which implements the system according to3 has.
Detaillierte FigurenbeschreibungDetailed character description
Im Kontext dieser Beschreibung sollen Konventionen, Begriffe und/oder Ausdrücke folgendermaßen verstanden werden:In the context of this description, conventions, terms and/or expressions should be understood as follows:
Der Begriff „Intraokularlinse“ (IOL) beschreibt hier eine künstliche Linse, die beispielsweise im Rahmen einer Kataraktoperation in ein Auge eingesetzt wird, wodurch die natürliche Linse des Auges ersetzt wird.The term “intraocular lens” (IOL) describes an artificial lens that is inserted into an eye, for example during cataract surgery, thereby replacing the eye’s natural lens.
Der Begriff „Patientendaten“, insbesondere „ophthalmologische Patientendaten“ und „biometrische Patientendaten“ kann hier patientenspezifische Messdaten, insbesondere eines Patientenauges, beschreiben, die vorzugsweise direkt oder in zwischengespeicherter Form - z. B. in einem Patienten-Messdatenspeicher - vorliegen.The term “patient data,” in particular “ophthalmological patient data” and “biometric patient data,” can here describe patient-specific measurement data, in particular of a patient’s eye, which is preferably available directly or in temporarily stored form—e.g., in a patient measurement data storage device.
Der Begriff „klinische Entscheidung“ kann die Bestimmung einer technischen Vorgehensweise im klinischen Einsatz oder eine Eingrenzung von alternativen technischen Vorgehensweisen im klinischen Einsatz betreffen.The term “clinical decision” can refer to the determination of a technical approach in clinical use or the limitation of alternative technical approaches in clinical use.
Der Begriff „Anwendung“ oder „Umsetzung“ einer klinischen Entscheidung kann eine außerhalb des Verfahrens durchgeführte (beispielsweise zeitlich nachgelagerte) therapeutische oder chirurgische Maßnahme sein, die eine technische Ressource nutzt gemäß der klinischen Entscheidung, beispielsweise ein Implantat oder einen Steuerdatensatz zur Steuerung eines Chirurgie-Roboters. Ferner kann die klinische Entscheidung eine Handlungsanweisung oder einen Handlungsvorschlag (z.B. in Form eines Workflows) umfassen.The term “application” or “implementation” of a clinical decision may refer to a therapeutic or surgical measure performed outside the procedure (e.g., deferred) that uses a technical resource in accordance with the clinical decision, for example, an implant or a control data set for Control of a surgical robot. Furthermore, the clinical decision can include an instruction or a suggested course of action (e.g., in the form of a workflow).
Der Begriff „Datensatz“ beschreibt hier insbesondere eine Menge von Wertepaaren jeweils mit Eingabewerten und Ausgabewerten. Eine Datenstruktur der Eingabewerte passt jeweils zu dem Eingang des Entscheidungssystems, kann also dort angelegt werden. Eine Datenstruktur der Ausgabewerte passt jeweils zu dem Ausgang des Entscheidungssystems, kann also dort ausgelesen werden oder mittels Rückpropagation zur Konfiguration des Entscheidungssystems angewendet werden.The term "data set" here specifically describes a set of value pairs, each with input values and output values. A data structure of the input values corresponds to the input of the decision system and can therefore be created there. A data structure of the output values corresponds to the output of the decision system and can therefore be read from there or used to configure the decision system using backpropagation.
Der Begriff „Patientendaten nach der Entscheidung“ oder „Resultat“ oder „Outcome“ kann als Teil des Datensatzes ein gemessenes Resultat früherer klinischer Entscheidungen beschreiben, beispielsweise im Kontext des ersten Servers und/oder in einer Trainingsphase, insbesondere einen Zielrefraktionswert, welcher den postoperativ gemessenen Refraktionswert beschreibt.The term “post-decision patient data” or “result” or “outcome” may describe, as part of the data set, a measured result of previous clinical decisions, for example in the context of the first server and/or in a training phase, in particular a target refraction value which describes the postoperatively measured refraction value.
Alternativ oder ergänzend kann der Begriff „Patientendaten nach der Entscheidung“ oder „Ausgang“ oder „Outcome“ ein vorgegebenes oder angestrebtes Resultat einer zu treffenden klinischen Entscheidung benennen, beispielsweise im Kontext des zweiten Servers und/oder in einer Inferenzphase im klinischen Einsatz, insbesondere einen Zielrefraktionswert, welcher den postoperativ erwünschten Refraktionswert beschreibt.Alternatively or additionally, the term “patient data after the decision” or “outcome” or “outcome” can refer to a predetermined or desired result of a clinical decision to be made, for example in the context of the second server and/or in an inference phase in clinical use, in particular a target refraction value which describes the postoperatively desired refraction value.
Der Begriff „physikalisches Modell“ bzw. „physikalisch-optisches Modell“ kann mittels einer Formel oder Relation bekannte Abhängigkeiten einer zu erwartenden Brechkraft einer einzusetzenden IOL beschreiben in Abhängigkeit von der Entscheidung für eine bestimmte IOL (oder einen bestimmten IOL-Typ) und von ophthalmologischen Patientendaten (als Beispiel für Patientendaten vor der Anwendung der Entscheidung). Es sind verschiedene Modelle bekannt. Ein Wertepaar mit Patientendaten und einer Entscheidung über die eingesetzte IOL, bei der eine signifikante Abweichung zwischen Patientendaten (z. B. Brechkraft) nach Anwendung der Entscheidung und Patientendaten (z. B. Brechkraft) gemäß dem physikalischen Modell vorliegt (z. B. > 1 dpt) kann als „überraschend“ bezeichnet werden und/oder ein Kriterium für einen Ausschluss bei einer Datenbereinigung beim Erfassen des Datensatzes sein.The term "physical model" or "physical-optical model" can be used to describe, using a formula or relationship, known dependencies of the expected refractive power of an IOL to be inserted, depending on the decision for a specific IOL (or a specific IOL type) and on ophthalmic patient data (as an example: patient data before the decision is applied). Various models are known. A pair of values with patient data and a decision regarding the IOL to be inserted, for which there is a significant deviation between patient data (e.g., refractive power) after the decision is applied and patient data (e.g., refractive power) according to the physical model (e.g., > 1 D), can be described as "surprising" and/or be a criterion for exclusion during data cleansing when capturing the data set.
Das Entscheidungssystem kann im Wege des maschinellen Lernens (ML) konfigurierbar, d. h. ein „maschinelles Lernsystem“ (ML-System), sein. Der Begriff ML-System kann ein nichtlineares und nichtprozedurales System beschreiben, dessen Verhalten in Bezug auf Eingabewerte und auf daraus erzeugte Ausgabewerte (beispielsweise an den jeweiligen Ein- und Ausgängen des Entscheidungssystems) durch einen Lernprozess konditioniert wird, bei dem Wertepaare als Beispieldaten - d. h. sowohl Eingabewerte als auch Ausgabewerte - verwendet werden. Während des Lernprozesses werden Parameterwerte des Entscheidungssystems optimiert (in der Regel durch Minimierung einer Verlust-Funktion), sodass nach dem Abschluss des Lernens (d. h., „Trainings“) die Konfiguration des Entscheidungssystems zum Vorhersagen von Ausgabewerten auf der Basis von neuen (d.h. unbekannten im Sinne von nicht erlernten) Eingabewerten (z. B. Einzelfall-Patientendaten) zur Verfügung steht. Der Optimierungsprozess kann beispielsweise über eine Rückpropagation von Gradienten einer Verlustfunktion für Differenzen zwischen erzeugten Ausgabewerten 117-T beim Training und gewünschten Ausgabewerten 117 gemäß dem Trainingsdatensatz erfolgen. Es sind verschiedene Architekturen für maschinelle Lernsysteme bekannt. Ein Beispiel ist ein neuronales Netzwerk (fachsprachlich: „neural network“), insbesondere ein tiefes neuronales Netzwerk (fachsprachlich: „deep neural network“).The decision system can be configurable through machine learning (ML), i.e., a "machine learning system" (ML system). The term ML system can describe a nonlinear and nonprocedural system whose behavior with respect to input values and the resulting output values (e.g., at the respective inputs and outputs of the decision system) is conditioned by a learning process in which pairs of values—i.e., both input values and output values—are used as example data. During the learning process, the parameter values of the decision system are optimized (usually by minimizing a loss function) so that after the completion of the learning (i.e., "training"), the configuration of the decision system is available to predict output values based on new (i.e., unknown in the sense of unlearned) input values (e.g., individual patient data). The optimization process can, for example, be performed via backpropagation of gradients of a loss function for differences between the output values 117-T generated during training and the desired output values 117 according to the training dataset. Various architectures for machine learning systems are known. One example is a neural network, in particular a deep neural network.
Der Begriff „Ground-Truth-Daten“ beschreibt im Allgemeinen Zieldaten bzw. erwünschte Vorhersageergebnisse einer Vorhersage des maschinellen Lernsystems, die während des Trainings des maschinellen Lernsystems genutzt werden, um das maschinelle Lernsystem zu konditionieren, d. h. die Parameterwerte zu bestimmen.The term “ground truth data” generally describes target data or desired prediction results of a machine learning system’s prediction that are used during the training of the machine learning system to condition the machine learning system, i.e., to determine the parameter values.
Der Begriff „maschinellen Lernmodells“ (ML-Model) beschreibt üblicherweise einen Satz von Parametern (beispielsweise die Konfiguration), die das maschinelle Lernmodell ausmachen. Dieses ML-Model, d. h. die Konfiguration, wird im Entscheidungssystem als maschinelles Lernsystem genutzt. Optional können auch zusätzlich Konfigurationsparameter des maschinellen Lernens selbst (d. h. Hyperparameter) in dem ML-Modell enthalten sein.The term "machine learning model" (ML model) typically describes a set of parameters (e.g., the configuration) that make up the machine learning model. This ML model, i.e., the configuration, is used in the decision-making system as a machine learning system. Optionally, additional configuration parameters of the machine learning itself (i.e., hyperparameters) can also be included in the ML model.
Die Begriffe „Trainingsdatensatz“ und „Validierungsdatensatz“ beschreiben hier insbesondere disjunkte Teilmengen des Datensatzes. Dank der Datenbereinigung sollten „Ausreißer“ unter den Wertepaaren nicht im Trainingsdatensatz und im Validierungsdatensatz enthalten sein.The terms "training dataset" and "validation dataset" here specifically describe disjoint subsets of the dataset. Thanks to data cleaning, "outliers" among the value pairs should not be present in the training dataset or the validation dataset.
Der bestimmte „Leistungswert“ ist eine konkrete Bewertung des konfigurierten Entscheidungssystems (d. h. des mit den erzeugten Parameterwerten konfigurierten Entscheidungssystems) nach Maßgabe einer „Leistungsmetrik“. Diese Bewertung stellt fest, ob das vorgegebene Kriterium vom konfigurierten Entscheidungssystem erfüllt wird oder nicht. Die Leistungsmetrik und/oder vorgegebene Kriterium kann jede oder alle technischen Bedingungen umfassen, die herkömmlicherweise bei einer Einzelzulassung einer klinischen Vorrichtung mit ML-System Teil einer Zulassung sind, beispielsweise Sicherheit und Wirksamkeit (fachsprachlich: „Safety and Effectiveness“).The determined "performance value" is a concrete evaluation of the configured decision system (i.e., the decision system configured with the generated parameter values) according to a "performance metric." This evaluation determines whether the specified criterion is met by the configured decision system or not. The performance metric and/or specified criterion can be any or all technical conditions. include conditions that are traditionally part of an approval for an individual clinical device with an ML system, such as safety and effectiveness.
Beispielsweise kann im Fall einer klinischen Entscheidung zu einer IOL die Leistungsmetrik und/oder das vorgegebene Kriterium eine oder jede der folgenden Bedingungen umfassen:
- - Die Standardabweichung ist kleiner (vorzugsweise signifikant kleiner) im Vergleich zu einer IOL-Berechnung nach HAIGIS (d. h. der Haigis-IOL-Kalkulationsformel oder kurz: Haigis-Formel), beispielsweise als Teil eines Heteroskedastizitätstests, fachsprachlich: „Heteroscedastic Test“).
- - Der mittlere absolute Fehler (fachsprachlich: „Mean Absolute Error“) ist kleiner (vorzugsweise signifikant kleiner) als bei der Haigis-Formel.
- - Ein Anteil der Vorhersagen, die in einen Fehlerbereich von +/-0.5 dpt fallen, ist beim konfigurierten Entscheidungssystem 102 größer als bei der Haigis-Formel.
- - Ein Anteil der Vorhersagen, die außerhalb eines Fehlerbereichs von +/-1.0 dpt fallen, ist beim konfigurierten Entscheidungssystem 102 kleiner als bei der Haigis-Formel. Mit anderen Worten, es werden weniger refraktive Überraschungen (definiert als Fehler > 1.0 dpt) erzeugt als bei der Haigis-Formel.
- - The standard deviation is smaller (preferably significantly smaller) compared to an IOL calculation according to HAIGIS (i.e. the Haigis IOL calculation formula or Haigis formula for short), for example as part of a heteroscedasticity test, technically known as a “heteroscedastic test”).
- - The mean absolute error (technically known as “Mean Absolute Error”) is smaller (preferably significantly smaller) than in the Haigis formula.
- - A proportion of predictions that fall within an error range of +/-0.5 dpt is larger for the configured decision system 102 than for the Haigis formula.
- - The proportion of predictions that fall outside an error range of +/-1.0 D is smaller for the configured decision system 102 than for the Haigis formula. In other words, fewer refractive surprises (defined as errors > 1.0 D) are generated than with the Haigis formula.
Alternativ oder ergänzend kann die Leistungsmetrik und/oder das vorgegebene Kriterium die klinische Sicherheit und Wirksamkeit belegen gemäß einem Leistungsvergleich (fachsprachlich: „Benchmarking“) mit anderen geschlossenen Formeln und/oder prozeduralen Prädiktionen, die insgesamt verwendet werden, um im Schritt 206, 208 und/oder 210 zu entscheiden, ob die im Schritt 204 erzeugte Konfiguration (d. h., der Parameter-Satz) tatsächlich freigegeben werden soll gemäß dem Schritt 208.Alternatively or additionally, the performance metric and/or the specified criterion may demonstrate clinical safety and efficacy according to a performance comparison (technically known as “benchmarking”) with other closed-form formulas and/or procedural predictions, which are used in aggregate to decide in step 206, 208 and/or 210 whether the configuration generated in step 204 (i.e., the parameter set) should actually be released according to step 208.
Die Sicherheit (fachsprachlich: „Safety“) kann über das Risiko des Verfahrens 200 definiert sein, beispielsweise die Standardabweichung, die Anzahl der Ausreißer (fachsprachlich: „Outlier“), und/oder die Anzahl von Daten in einem bestimmten Fehlerbereich.Safety can be defined by the risk of the procedure 200, for example the standard deviation, the number of outliers, and/or the number of data in a certain error range.
Die Wirksamkeit (fachsprachlich: „Effectiveness“) kann über einen Nutzen (fachsprachlich: „Benefit“) des Verfahrens 200 gegenüber einer herkömmlichen Prädiktion (beispielsweise basierend auf einer geschlossenen Formel oder einer prozeduralen Prädiktion) definiert sein. Dies können ähnliche oder gleiche Bedingungen und Größen wie beim Aspekt der Sicherheit sein. Der Fokus der Wirksamkeit kann auf der Herausstellung von Merkmalen oder Fällen liegen, in welchen das aus dem Verfahren 200 resultierende Entscheidungssystem 102 genauer ist als die herkömmliche Prädiktion. Ein Beispiel wäre eine größere Genauigkeit (beispielsweise ein signifikant kleinerer Fehler) in einem Sub-Bereich des Datensatzes 110 (beispielsweise einem Sub-Bereich des Validierungsdatensatzes 110-2), zum Beispiel bei „kurzen“ Augen 900.The effectiveness (technical term: "effectiveness") can be defined by a benefit of the method 200 compared to a conventional prediction (for example, based on a closed formula or a procedural prediction). These can be similar or identical conditions and variables as in the aspect of safety. The focus of the effectiveness can be on highlighting features or cases in which the decision system 102 resulting from the method 200 is more accurate than the conventional prediction. An example would be greater accuracy (for example, a significantly smaller error) in a sub-area of the data set 110 (for example, a sub-area of the validation data set 110-2), for example, with "short" eyes 900.
Im Folgenden wird eine detaillierte Beschreibung der Figuren angegeben. Dabei versteht es sich, dass alle Details und Anweisungen in den Figuren schematisch dargestellt sind. Nach einem Stand der Technik wird zunächst eine flussdiagrammartige Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Computer-implementierten Verfahrensaspekts dargestellt. Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele für das entsprechende System beschrieben.A detailed description of the figures is provided below. It is understood that all details and instructions in the figures are shown schematically. According to a prior art, a flowchart-like representation of an embodiment of the computer-implemented method aspect of the invention is first presented. Further embodiments of the corresponding system are described below.
Das Verfahren 200 kann mit dem Schritt des Erfassens 202 eines Datensatzes mit Patientendaten beginnen. Dieser Datensatz beinhaltet eine Vielzahl von Datenpunkten, insbesondere Wertepaaren, bei denen jedes Paar einen Eingabewert (beispielsweise bezogen auf einen Patienten) und einem korrespondierenden Ausgabewert (der beispielsweise die klinische Entscheidung für diesen Patienten angibt) umfasst. Das Erfassen des Datensatzes kann optional eine Datenbereinigung umfassen, beispielsweise können auffällige Datenpunkte (vorzugsweise auffällige Wertepaare) ausgeschlossen werden.The method 200 may begin with the step of acquiring 202 a data set containing patient data. This data set contains a plurality of data points, in particular value pairs, where each pair comprises an input value (e.g., relating to a patient) and a corresponding output value (e.g., indicating the clinical decision for that patient). Acquiring the data set may optionally include data cleansing; for example, conspicuous data points (preferably conspicuous value pairs) may be excluded.
Ein Wertepaar kann ein Datenpunkt sein oder ein Datenpunkt kann ein Wertepaar umfassen. Der Datensatz kann als Datenpunkte bezeichnet werden. Jeder Eingabewert kann einen oder mehrere Zahlenwerte umfassen, d. h. der Eingabewert kann ein Eingangsskalar (beispielsweise als einzelner Zahlenwert oder als geometrische Invariante), ein Eingangsvektor (beispielsweise als Liste von Zahlenwerten oder als geometrisches Objekt) oder ein Tensor (beispielsweise der Stufe zwei oder größer) sein. Der Eingabewert kann (beispielsweise bezüglich seines Formats) zu einem Eingang des Entscheidungssystems gehören. Das Nämliche gilt für den ein- oder mehrwertigen Ausgabewert eines Ausgangs des Entscheidungssystems.A pair of values can be a data point, or a data point can comprise a pair of values. The data set can be referred to as data points. Each input value can comprise one or more numerical values, i.e., the input value can be a It can be an input scalar (e.g., a single numerical value or a geometric invariant), an input vector (e.g., a list of numerical values or a geometric object), or a tensor (e.g., of level two or higher). The input value can belong (e.g., in terms of its format) to an input of the decision system. The same applies to the single- or multi-valued output value of an output of the decision system.
Für jedes Wertepaar kann der (beispielsweise vektorwertige) Eingabewert Patientendaten (beispielsweise biometrische Daten) vor einer Umsetzung der klinischen Entscheidung (beispielsweise in Form der Biometrie eines Auges) und optional die Entscheidung selbst (beispielsweise eine Brechkraft einer zu implementierenden IOL) angeben. Der Ausgabewert kann Patientendaten nach der Umsetzung der klinischen Entscheidung umfassen, die beispielsweise den Ausgang der Umsetzung der klinischen Entscheidung (fachsprachlich: Outcome, beispielsweise in Form eines refraktiven Ergebnisses) angeben.For each pair of values, the input value (e.g., vector-valued) can specify patient data (e.g., biometric data) before implementation of the clinical decision (e.g., in the form of the biometrics of an eye) and, optionally, the decision itself (e.g., the refractive power of an IOL to be implemented). The output value can include patient data after implementation of the clinical decision, which, for example, indicate the outcome of the implementation of the clinical decision (in technical terms, the outcome, e.g., in the form of a refractive result).
In einem Wertepaar allein liegt noch keine Bewertung des refraktiven Ergebnisses vor. Beispielsweise liegt eine sogenannte „refraktive Überraschung“ im Datensatz vor, wenn ein (beispielsweise nicht ML-basiertes) Prädiktionsverfahren eine Prädiktion des refraktiven Ergebnisses erzeugt, die um mehr als 1 dpt vom tatsächlichen refraktiven Ergebnis abweicht. Das Prädiktionsverfahren kann durch eine geschlossene Formel gegeben sein. Somit kann für eine Formel das Wertepaar eine refraktive Überraschung sein, für eine andere Formel ist das Wertepaar es nicht. Allgemein gesprochen benötigt es also ein zugrundeliegendes Modell, anhand dessen man die Berechnung der erwarteten Patientendaten nach der Umsetzung der klinischen Entscheidung (beispielsweise des refraktiven Outcomes) durchführt, um ein Wertepaar als „überraschend“ zu bewerten. Optional werden bei der Datenbereinigung „überraschende“ Wertepaare ausgeschlossen.A pair of values alone does not constitute an assessment of the refractive outcome. For example, a so-called "refractive surprise" exists in the data set if a prediction method (e.g., one not based on ML) produces a prediction of the refractive outcome that deviates from the actual refractive outcome by more than 1 D. The prediction method can be defined by a closed formula. Thus, for one formula, a pair of values can be a refractive surprise, but for another, it is not. Generally speaking, an underlying model is required that can be used to calculate the expected patient data after the clinical decision (e.g., the refractive outcome) has been implemented in order to assess a pair of values as "surprising." Optionally, "surprising" pairs of values can be excluded during data cleansing.
Im nächsten Schritt, dem Erzeugen 204, werden durch maschinelles Lernen (ML) Parameterwerte einer Konfiguration des Entscheidungssystems generiert. Dies basiert auf einem Teil des zuerst erfassten Datensatzes, dem sogenannten Trainingsdatensatz.In the next step, generation 204, parameter values for a configuration of the decision system are generated using machine learning (ML). This is based on a portion of the initially acquired data set, the so-called training data set.
Anschließend und unabhängig vom ML wird im Schritt 206 nach Maßgabe einer Leistungsmetrik ein Leistungswert bestimmt. Dabei wird überprüft, wie gut das konfigurierte Entscheidungssystem mit den zuvor generierten Parameterwerten funktioniert, indem die Ausgabewerte des Entscheidungssystems, die es in Reaktion auf die Eingabewerte eines Validierungsdatensatzes liefert, mit den tatsächlichen Ausgabewerten des Validierungsdatensatzes verglichen werden.Subsequently, and independently of the ML, a performance value is determined in step 206 based on a performance metric. This checks how well the configured decision system functions with the previously generated parameter values by comparing the output values of the decision system, which it provides in response to the input values of a validation dataset, with the actual output values of the validation dataset.
Ein erster Server führt zumindest das Erzeugen 204 der Parameterwerte der Konfiguration des Entscheidungssystems aus. Vorzugsweise bestimmt derselbe erste Server auch den Leistungswert für die entsprechende Konfiguration.A first server carries out at least the generation 204 of the parameter values of the configuration of the decision system. Preferably, the same first server also determines the performance value for the corresponding configuration.
Sofern der in Schritt 206 bestimmte Leistungswert ein vorgegebenes Kriterium erfüllt (beispielsweise einen Schwellwert übertrifft), folgt unmittelbar, d. h. ohne eine bedingte Kommunikation mit einer Zulassungsbehörde oder deren Freigabe, das Senden 208 dieser generierten Parameterwerte, um das Entscheidungssystem auf einem zweiten Server für den klinischen Einsatz zu konfigurieren. Die unmittelbare Freigabe kann also eine automatisierte Freigabe auf Seiten des ersten Servers ohne zusätzliche Freigabe-Kommunikation sein, beispielsweise ohne jede Kommunikation oder ohne eine bidirektionale Kommunikation oder ohne eine Freigabe-Antwort (beispielsweise mit dem dritten Server oder einem behördlichen Server). Beispielsweise kann eine unidirektionale Kommunikation zu Dokumentationszwecken akzeptabel sein, da diese kein Pausieren im Ablauf verursacht. Alternativ oder ergänzend kann eine bidirektionale Kommunikation mit der klinischen Vorrichtung 100 zur Bestätigung der gemäß der Parameterwerte geänderten Konfiguration des Entscheidungssystems (beispielsweise durch einen Arzt) akzeptabel sein, da dann der Zeitpunkt der Aktualisierung im Ermessen der Klinik liegt.If the performance value determined in step 206 meets a predefined criterion (e.g., exceeds a threshold), these generated parameter values are sent 208 immediately, i.e., without conditional communication with a regulatory authority or its approval, to configure the decision system on a second server for clinical use. Immediate approval can therefore be an automated approval on the part of the first server without additional approval communication, for example, without any communication at all, or without bidirectional communication, or without an approval response (e.g., with the third server or an regulatory server). For example, unidirectional communication may be acceptable for documentation purposes, as it does not cause a pause in the process. Alternatively or additionally, bidirectional communication with the clinical device 100 may be acceptable to confirm the configuration of the decision system changed according to the parameter values (e.g., by a physician), since the time of the update is then at the discretion of the clinic.
Das Verfahren 200 kann zur physikalischen Manifestation der Freigabe des Entscheidungssystems ein Label im Speicher der Parameterwerte einsetzen, das die Freigabe angibt. Alternativ oder ergänzend kann das Verfahren 200 (beispielsweise dedizierte oder exklusive) für den zweiten Server freigegebene Speicherbereiche nutzen. So kann das Verfahren 200 zur physikalischen Manifestation der Freigabe des Entscheidungssystems eine Übertragung der Parameterwerte in den freigegebenen Speicherbereich umfassen.To physically manifest the release of the decision system, the method 200 may use a label in the memory of the parameter values indicating the release. Alternatively or additionally, the method 200 may utilize memory areas released (e.g., dedicated or exclusive) for the second server. Thus, the method 200 may include transferring the parameter values to the released memory area for physically manifesting the release of the decision system.
Optional, beispielsweise alternativ zum Senden 208, kann das Verfahren 200 auch das Iterieren 210 von Schritten umfassen, um das Erfassen 202 von Datensätzen, das Erzeugen 204 von Parameterwerten und/oder das Bestimmen 206 von Leistungswerten zu wiederholen, falls das genannte vorgegebene Kriterium nicht erfüllt wird oder falls ein anderes vorgegebenes Kriterium erfüllt ist. In diesem Fall kann der erste Server, welcher als Trainingsserver fungiert, das Iterieren dokumentieren.Optionally, for example, as an alternative to sending 208, the method 200 may also include iterating 210 steps to repeat the collection 202 of data sets, the generation 204 of parameter values, and/or the determination 206 of performance values if the specified predefined criterion is not met or if another predefined criterion is met. In this case, the first server, which acts as a training server, may document the iteration.
Es besteht zudem die Möglichkeit, dass das Verfahren 200 zur Konfiguration des Entscheidungssystems in Reaktion auf qualitative und/oder quantitative Veränderungen des Datensatzes ausgeführt wird.It is also possible that the method 200 for configuring the decision system in response to qualitative and/or quantitative tative changes to the data set are carried out.
Zusätzlich zeigt das Flussdiagramm zwei optionale Iterationsschleifen (dargestellt als gestrichelte Linien), die alternativ oder gemeinsam implementiert sein können. Bei der Iteration 210 oder dem ereignisgetriebenen Ausführen des Verfahrens 200 können Hyperparameter des maschinellen Lernens (ML) im Schritt 204 geändert werden. Alternativ oder ergänzend können andere Datenwerte, beispielsweise ein ergänzter oder aktualisierter Datensatz, dem Erzeugen 204 der Konfiguration zugrunde gelegt werden. Optional können sowohl der Datensatz als auch die Hyperparameter des Lernprozesses angepasst werden, beispielsweise indem eine Lernrate des ML im Schritt 204 von einer Homogenität des Datensatzes abhängt. So kann beispielsweise ein inhomogenerer Datensatz eine kleinere Lernrate erfordert.Additionally, the flowchart shows two optional iteration loops (shown as dashed lines), which can be implemented alternatively or together. During iteration 210 or the event-driven execution of the method 200, hyperparameters of the machine learning (ML) can be changed in step 204. Alternatively or additionally, other data values, for example, an amended or updated data set, can be used as the basis for generating 204 the configuration. Optionally, both the data set and the hyperparameters of the learning process can be adjusted, for example, by making a learning rate of the ML in step 204 dependent on the homogeneity of the data set. For example, a more inhomogeneous data set may require a smaller learning rate.
Hierbei kann die Lernrate ein Hyperparameter sein, der sich auf das Erzeugen 204 der Parameterwerte durch ML (d. h. Training) von Modellen (beispielsweise neuronalen Netzen) bezieht. Sie definiert eine Schrittweite von einer Epoche zur nächsten, also wie schnell das Training voranschreitet. Mit einem höheren Wert kann die Konvergenz innerhalb des Schritts 204 eventuell beschleunigt werden. Jedoch je höher die Lernrate, desto größer das Risiko, dass Details im Datensatz übersehen werden.Here, the learning rate can be a hyperparameter that refers to the generation of parameter values by ML (i.e., training) of models (e.g., neural networks). It defines a step size from one epoch to the next, i.e., how quickly training progresses. A higher value can potentially accelerate convergence within the step. However, the higher the learning rate, the greater the risk of missing details in the dataset.
Es ist bemerkenswert, dass sich die Iteration 210 bzw. das vorgegebene Kriterium nicht auf das ML beziehen. Eine innere Iteration nach Maßgabe der Hyperparameter (beispielsweise nach Maßgabe der Lernrate) findet innerhalb des Schritts 204 beim ML statt. Der Schritt 206 zur Entscheidung, ob das Kriterium für die Freigabe erfüllt ist oder nicht ist ein dem ML innerhalb des Schritts 204 übergeordneter Schritt. Entsprechend ist die selektive Iteration 210 eine äußere Iterationsschleife relativ zur inneren Iteration innerhalb des Schritts 204, welche unabdingbar ist zur Erzeugung 204 der Parameterwerte der Konfiguration.It is noteworthy that iteration 210 and the specified criterion do not relate to the ML. An inner iteration based on the hyperparameters (e.g., based on the learning rate) takes place within step 204 in the ML. Step 206 for deciding whether the approval criterion is met or not is a step superior to the ML within step 204. Accordingly, the selective iteration 210 is an outer iteration loop relative to the inner iteration within step 204, which is essential for generating 204 the parameter values of the configuration.
Optional beinhaltet das Verfahren ein Senden 212 einer Dokumentationsnachricht, die Informationen zur Konfiguration des Entscheidungssystems beinhaltet. Die Dokumentationsnachricht wird an einen dritten Server gesendet, der vom ersten Server und vom zweiten Server verschieden ist. Die Dokumentationsnachricht kann einen Anlass für das Erzeugen der Parameterwerte angeben, die Veränderung des Datensatzes beschreiben, die Veränderung der Hyperparameter beschreiben, den bestimmten Leistungswert enthalten (beispielsweise den zuletzt bestimmten Leistungswert, welcher zur Freigabe, d. h. Dem Senden 208, führte) und/oder die Dokumentation der Iteration (beispielsweise den oder die bestimmten Leistungswerte, welche nicht hinreichend waren zur Freigabe im Schritt 208).Optionally, the method includes sending 212 a documentation message containing information about the configuration of the decision system. The documentation message is sent to a third server that is different from the first server and the second server. The documentation message may specify a reason for generating the parameter values, describe the change in the data set, describe the change in the hyperparameters, contain the determined performance value (e.g., the last determined performance value that led to the release, i.e., the sending 208), and/or the documentation of the iteration (e.g., the determined performance value(s) that were insufficient for release in step 208).
Das Entscheidungssystem selbst kann aus verschiedenen Systemen wie einem neuronalen Netzwerk, einem logistischen Regressionssystem, einem Entscheidungsbaumsystem oder einer Support-Vektor-Maschine bestehen. Es kann aufgrund des Verfahrens 200 für spezielle medizinische Aufgaben, wie die (Vor-)Auswahl von Implantaten oder die Unterstützung bei chirurgischen Eingriffen, konfiguriert sein.The decision system itself can consist of various systems such as a neural network, a logistic regression system, a decision tree system, or a support vector machine. Based on the method 200, it can be configured for specific medical tasks, such as the (pre-)selection of implants or support during surgical procedures.
Sämtliche Schritte des Verfahrens können zeitlich (insbesondere kausal) vor der Umsetzung einer klinischen Entscheidung, unterstützt durch das konfigurierte Entscheidungssystem, ausgeführt werden.All steps of the procedure can be carried out temporally (especially causally) before the implementation of a clinical decision, supported by the configured decision system.
Zur beispielhaften Illustration, und ohne darauf beschränkt zu sein, werden im Folgenden vereinzelt Bezugszeichen 1XY referenziert, die in den Figuren ab
In Bezug auf biometrische Patientendaten kann das Verfahren 200 zum Beispiel den Einsatz des Entscheidungssystems 102 in der Ophthalmologie vorbereiten, wo die einschränkende Vorauswahl oder Auswahl einer zu implantierenden Intraokularlinse (IOL) als Beispiel der klinischen Entscheidung auf der Grundlage der biometrischen Daten des Auges des Patienten als Eingabewert 113 getroffen wird. In diesem Fall können die Patientendaten 114 und/oder 115 unter anderem die axiale Länge, die Keratometrie (d. h. die Vermessung der Hornhaut) und die Vorderkammertiefe des Auges umfassen. Weitere Beispiele der biometrischen Patientendaten 114 und/oder 115 sind vorstehend für neurochirurgische Eingriffe und Hüftprothesen und nachstehend für die Ophthalmologie beschrieben.With respect to biometric patient data, the method 200 may, for example, prepare for the use of the decision system 102 in ophthalmology, where the restrictive preselection or selection of an intraocular lens (IOL) to be implanted, as an example of the clinical decision, is made based on the biometric data of the patient's eye as input value 113. In this case, the patient data 114 and/or 115 may include, among other things, the axial length, keratometry (i.e., the measurement of the cornea), and the anterior chamber depth of the eye. Further examples of the biometric patient data 114 and/or 115 are described above for neurosurgical procedures and hip prostheses and below for ophthalmology.
Ausführungsbeispiele dieses Verfahrens 200 lösen das eingangs genannte Problem der verzögerten Aktualisierung des Entscheidungssystems 102, indem im Schritt 206 - und der damit verbundenen Selektivität des Schrittes 208 (und optional des komplementären Schrittes 210) - die Prüfung der Sicherheit des Entscheidungssystems 102 als ein ML-System in den Erstellungsprozess 204 des Entscheidungssystems 102 integriert ist, sodass nach erfolgtem Training 204 die Konfiguration 120 ohne weiteren Datenaustausch mit (insbesondere ohne Rückmeldung von) einem dritten Server 108 und zeitunabhängig als sicher und zuverlässig eingestuft werden kann, d. h. das Senden 208 erfolgt und das Entscheidungssystem 102 unmittelbar ohne einen separaten Zulassungsprozess einsatzbereit ist.Embodiments of this method 200 solve the problem of delayed updating of the decision system 102 mentioned at the outset by integrating the security check of the decision system 102 as an ML system into the creation process 204 of the decision system 102 in step 206 - and the associated selectivity of step 208 (and optionally the complementary step 210) - so that after training 204 has taken place, the configuration 120 can be classified as secure and reliable without further data exchange with (in particular without feedback from) a third server 108 and independent of time, i.e., the sending 208 takes place and the decision system 102 is immediately ready for use without a separate approval process.
Hierbei kann durch die selektive Iteration 210 eine Regelschleife im Verfahren 200 (beispielsweise als übergeordnete Verifikation 206 des Trainingsprozess 204) implementiert sein. Die Iteration 210 kann eine Regelung umfassen, beispielsweise in Bezug auf:
- • den Datensatz 110, insbesondere dessen Filterung (beispielsweise Datenbereinigung), beim Erfassen 202; und/oder
- • die Wertepaare 111 aus Eingabewert 113 und Ausgabewert 117 beim Erzeugen 204 der Parameterwerte 120 der Konfiguration; und/oder
- • Hyperparameter des Erzeugens 204
als eine oder mehrere Stellgrößen der Regelung. Die Stellgrößen können von einem zum nächsten Schritt der Iteration 210 angepasst werden, beispielsweise so lange bis ein dem Kriterium (z.B. regulatorischen Kriterien) entsprechend ausreichender Leistungswert als Regelgröße im Schritt 206 bestimmt worden ist.Here, a control loop can be implemented in the method 200 (for example, as a higher-level verification 206 of the training process 204) through the selective iteration 210. The iteration 210 can include a control, for example, with respect to:
- • the data set 110, in particular its filtering (e.g. data cleansing), during recording 202; and/or
- • the value pairs 111 from input value 113 and output value 117 when generating 204 the parameter values 120 of the configuration; and/or
- • Hyperparameters of generation 204
as one or more control variables. The control variables can be adjusted from one step to the next in iteration 210, for example, until a sufficient power value according to the criterion (e.g., regulatory criteria) has been determined as the controlled variable in step 206.
Das Verfahren 200 oder die Regelschleife kann automatisch durch das Verfehlen des vorgegebenen Kriteriums im Schritt 210. Anstatt einer sich ständig wiederholenden Überprüfung der Leistungsmetrik konkreter AI-Modelle (wie im Fall der
Das Verfahren 200 kann (in einer der Regelschleife der Iteration 210) übergeordneten Anpassungsschleife ausgelöst und/oder wiederholt werden. Die Bedingung für das Ausführen und/oder Wiederholen des Verfahrens 200 kann ein Ereignis (fachsprachlich: „Trigger“) sein, vorzugsweise ein externes Ereignis, das außerhalb des ML bei Erzeugen 204 der Parameterwerte liegt. Ein Beispiel des auslösenden Ereignisses ist eine kritische neue Datenmenge im Datensatz 110 oder das Verstreichen einer vorbestimmten Zeitperiode seit dem letztem Erzeugen 204 von Parameterwerten. Alternativ oder ergänzend kann das Verfahren 200 ausgeführt und/oder wiederholt werden, um das Entscheidungssystem 102 zu aktualisieren, beispielsweise erneut zu trainieren. Das Wiederholen kann ein (beispielsweise ereignisgetriebenes) Re-Training oder periodisches (beispielsweise kontinuierliches) Training sein. Dadurch kann eine stetige Verbesserung und/oder eine fortschreitende Generalisierung aufgrund einer Vergrößerung der Datengrundlage (beispielsweise einer größeren Anzahl von Datenpunkten und/oder heterogeneren Zusammensetzung im Datensatz für die folgende Ausführung des Verfahrens 200) erreicht werden.The method 200 can be triggered and/or repeated (in an adaptation loop higher than the control loop of iteration 210). The condition for executing and/or repeating the method 200 can be an event (technically termed a "trigger"), preferably an external event that lies outside the ML when the parameter values are generated 204. An example of the triggering event is a critical new data set in the data set 110 or the elapse of a predetermined time period since the last generation 204 of parameter values. Alternatively or additionally, the method 200 can be executed and/or repeated to update the decision system 102, for example, to retrain it. The repetition can be (for example, event-driven) retraining or periodic (for example, continuous) training. This allows for continuous improvement and/or progressive generalization to be achieved due to an increase in the data basis (e.g., a larger number of data points and/or more heterogeneous composition in the data set for the subsequent execution of the method 200).
Das Verfahren 200 wird aufgrund der Abfolge der Schritte 202 bis 208 auch als Pipeline bezeichnet. Die regulatorische Prozessierung, d. h. die Bestimmung 206 und die damit verbundene Selektivität des Sendens 208 der Konfiguration 120 zum zweiten Server 106, innerhalb der Pipeline 200 ist insbesondere auch dann von Vorteil, wenn überraschend neue Datensätze 110 ankommen, deren Analyse ergibt, dass ein neues ML-Modell (d. h. eine neue Konfiguration 120) benötigt wird, eine konventionelle externe Zertifizierung (zeitlich) aber nicht möglich ist. Für den Patienten wird die verbesserte Konfiguration 120 durch dieses Verfahren 200 deutlich schneller verfügbar, da die lange Verzögerung, die durch die konventionelle Interaktion mit den Behörden entsteht, vermieden wird. Gerade die Iteration 210 als Regelschleife sowie die Einbindung automatisierter bzw. vordefinierter Trigger (wie beispielsweise einer kritischen Masse von zusätzlichen oder geänderten oder ausgetauschten Wertepaaren 111 im Datensatz 110) hebt Ausführungsbeispiele des Verfahrens 200 vom Stand der Technik ab.The method 200 is also referred to as a pipeline due to the sequence of steps 202 to 208. The regulatory processing, i.e., the determination 206 and the associated selectivity of sending 208 the configuration 120 to the second server 106, within the pipeline 200 is particularly advantageous when unexpectedly new data sets 110 arrive, the analysis of which reveals that a new ML model (i.e., a new configuration 120) is required, but conventional external certification is not possible (in terms of time). For the patient, the improved configuration 120 becomes available significantly faster through this method 200, since the long delay resulting from conventional interaction with the authorities is avoided. It is precisely the iteration 210 as a control loop as well as the integration of automated or predefined triggers (such as a critical mass of additional or changed or exchanged value pairs 111 in the data set 110) that distinguishes embodiments of the method 200 from the prior art.
Das Verfahren 200 kann als eine Ende-zu-Ende-Prozessierungspipeline für Al-basierte Prädiktionen realisiert sein, d. h. eine Pipeline 200 zur Erstellung 204 der Konfiguration 120 und deren Auswertung im Schritt 206 im medizinischen Kontext. Ausführungsbeispiele des Verfahrens 200 vereinen die Erfassung 202 (beispielsweise Erstellung) des Datensatzes 110, die Evaluierung durch die Leistungsmetrik im Schritt 206 und die Prüfung des (beispielsweise zu einem Zulassungskriterium äquivalenten) Freigabekriteriums vor dem Senden 208 für das konfigurierte Entscheidungssystem 102 (d. h. das trainierte ML-Modell). Diese Pipeline 200 umfasst eine Prüfung in den Schritten 206 und 208 des konfigurierten Entscheidungssystems 102 und vermeidet so den konventionellen Austausch mit den Behörden und die beschriebenen technischen Anforderungen und Probleme. Die Pipeline 200 selbst kann aus mehreren Modulen bestehen, die eine sukzessive Prozessierung erlauben und einen Prüfdatensatz als Beispiel einer Dokumentation der Prüfung 206-208 erstellen. Der Prüfdatensatz kann optional in der Dokumentationsnachricht gesendet werden im Schritt 212. Die Pipeline 200 kann in einer Regelschleife integriert sein, die eine automatisierte oder manuelle Anpassung des Trainingsprozess 202-204 (beispielsweise hinsichtlich Datensatz 110 und/oder Hyperparameter) vornimmt, bis ein regulatorisch ausreichender Leistungswert erzielt wurde.The method 200 can be implemented as an end-to-end processing pipeline for AI-based predictions, i.e., a pipeline 200 for creating 204 the configuration 120 and evaluating it in step 206 in a medical context. Embodiments of the method 200 combine the acquisition 202 (e.g., creation) of the data set 110, the evaluation by the performance metric in step 206, and the verification of the release criterion (e.g., equivalent to an approval criterion) before sending 208 to the configured decision system 102 (i.e., the trained ML model). This pipeline 200 includes a verification in steps 206 and 208 of the configured decision system 102, thus avoiding the conventional exchange with the authorities and the described technical requirements and problems. The pipeline 200 itself can consist of several modules that allow successive processing and create a test dataset as an example of documentation of the test 206-208. The test dataset can optionally be sent in the documentation message in step 212. The pipeline 200 can be integrated into a control loop that performs automated or manual adjustments of the training process 202-204 (for example, with regard to dataset 110 and/or hyperparameters) until a regulatory-sufficient performance value is achieved.
Aus der Perspektive des zweiten Servers 106 ist die vorliegende Technik zur Konfiguration einer klinischen Vorrichtung 100 durch ein Verfahren 400 geprägt, welches den Schritt 408 des selektiven Empfangens von Parameterwerten umfasst. Der Empfang löst in einer ersten Variante des Verfahrens 400 eine benutzerseitige Abfrage (beispielsweise über die klinische Vorrichtung 100) aus. Wird diese positiv erwidert, werden die empfangenen Parameterwerte 120 in den Inferenz-Speicher des zweiten Servers 106 zur Ausführung des Entscheidungssystem 102 übernommen. In einer zweiten Variante führt der Empfang der Parameterwerte unmittelbar (beispielsweise ohne weitere Kommunikation oder Interaktion) zur Übernahme der Parameterwerte 120 zur Ausführung des Entscheidungssystem 102 im klinischen Einsatz. In einer dritten Variante führt der zweite Server 106 alternativ oder ergänzend zum Schritt 206 des ersten Servers 104 die Bestimmung des Leistungswertes der Leistungsmetrik mit den empfangenen Parameterwerten aus und übernimmt die empfangenen Parameterwerte 120 für die Inferenz im klinischen Einsatz (d.h. zur Konfiguration des Entscheidungssystems 102 für den klinischen Einsatz), falls der bestimmte Leistungswert ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt (beispielsweise ein jedes hierin im Kontext des Schrittes 206 genannte Kriterium).From the perspective of the second server 106, the present technique for configuring a clinical device 100 by a method 400, which includes the step 408 of selectively receiving parameter values. In a first variant of the method 400, the reception triggers a user-side query (for example, via the clinical device 100). If this query is answered positively, the received parameter values 120 are transferred to the inference memory of the second server 106 for execution of the decision system 102. In a second variant, the receipt of the parameter values leads directly (for example, without further communication or interaction) to the transfer of the parameter values 120 for execution of the decision system 102 in clinical use. In a third variant, the second server 106, alternatively or additionally to step 206 of the first server 104, carries out the determination of the performance value of the performance metric using the received parameter values and adopts the received parameter values 120 for inference in clinical use (ie, for configuring the decision system 102 for clinical use) if the determined performance value meets a predetermined criterion (for example, any criterion mentioned herein in the context of step 206).
Der hierin genannte klinische Einsatz 414 kann in jedem Ausführungsbeispiel des vom ersten Server 104 ausgeführten Verfahrens 200 und/oder des vom zweiten Server 106 ausgeführten Verfahrens 400 dadurch gekennzeichnet sein, dass ein Eingabewert 113 von der klinischen Vorrichtung 100 empfangen wird, dass der Eingabewert 113 optional vorbearbeitet wird, dass mittels des mit den empfangenen Parameterwerten 120 konfigurierten Entscheidungssystems 102 in Reaktion auf den am Eingang 112 anliegenden Eingabewert 113 ein Ausgabewert 117-K bestimmt wird, und dass der Ausgabewert 117-K (optional nach einer Nachbearbeitung) an die klinische Vorrichtung 100 gesendet wird.The clinical use 414 mentioned herein can be characterized in any embodiment of the method 200 executed by the first server 104 and/or the method 400 executed by the second server 106 in that an input value 113 is received from the clinical device 100, that the input value 113 is optionally preprocessed, that an output value 117-K is determined by means of the decision system 102 configured with the received parameter values 120 in response to the input value 113 present at the input 112, and that the output value 117-K is sent to the clinical device 100 (optionally after post-processing).
Entsprechend der Wahl der Bezugszeichen können die Schritte 208 und 408 zueinander korrespondieren, beispielsweise im Wesentlichen zeitgleich (vorzugsweise bis auf eine Laufzeit der Datenübertragung vom ersten Server 104 zum zweiten Server 106) ausgeführt werden. Der klinische Einsatz 414 kann dem Verfahren 200 zeitlich nachgelagert sein. Alternativ oder ergänzend kann die Dokumentation 212 parallel zum bereits laufenden klinischen Einsatz 414 erfolgen, wodurch die Zeitverzögerung zwischen Datenerfassung 202 und klinischem Einsatz 414 weiter verkürzt werden kann.Depending on the choice of reference symbols, steps 208 and 408 can correspond to one another, for example, they can be executed essentially simultaneously (preferably except for a runtime for the data transfer from the first server 104 to the second server 106). Clinical use 414 can follow method 200. Alternatively or additionally, documentation 212 can be performed in parallel with the ongoing clinical use 414, which can further shorten the time delay between data acquisition 202 and clinical use 414.
Die Ausgabewerte im Datensatz 110 als Teil der Wertepaare 111, beispielsweise gemessene und/oder aufgezeichnete Ausgabewerte, werden hierin mit dem Bezugszeichen 117 bezeichnet. Zur Unterscheidung werden die vom Entscheidungssystem 102 ausgegebenen Ausgabewerte mit einem Zusatz „117-...“ bezeichnet. Dabei ist zu unterscheiden zwischen den von dem noch zu konfigurierenden Entscheidungssystem 102 (beim ersten Server 104) ausgegebenen Ausgabewerten 117-T und den von dem einsatzfähig konfigurierten Entscheidungssystem 102 (beim zweiten Server 106) ausgegebenen Ausgabewerten 117-K.The output values in data set 110 as part of value pairs 111, for example, measured and/or recorded output values, are designated herein by reference numeral 117. For differentiation, the output values output by decision system 102 are designated with a suffix "117-...". A distinction must be made between the output values 117-T output by the decision system 102, which is yet to be configured (at the first server 104), and the output values 117-K output by the decision system 102, which is configured for use (at the second server 106).
So können die Ausgabewerte 117-T die noch unfertigen Zustände am Ausgang 116 des Entscheidungssystems 102 sein, wenn das Entscheidungssystem 102 trainiert wird. Der Ausgabewert 117-T kann im Rahmen des ML (d. h. vom ersten Server 104 bzw. vom noch zu konfigurierenden Entscheidungssystem 102, beispielsweise links bei der „Produktentwicklung“ in
Davon zu unterscheiden ist der im Rahmen des klinischen Einsatzes (d. h. vom zweiten Server 106 bzw. vom konfigurierten Entscheidungssystem 102, beispielsweise rechts bei der „Produktentwicklung“ in
In
Der erste Server 104 ist als Teil der Produktentwicklung des Entscheidungssystems 102 und insbesondere für das Training, d. h. den Schritt 204, verantwortlich. Dabei nutzt der erste Server 104 einen Datensatz 110, der Wertepaare 111 aus historischen Patientendaten 114 vor einer klinischen Entscheidung 118 (und optional auch dem Resultat, also Patientendaten 115 nach der Umsetzung der klinischen Entscheidung 118) und die zugehörige historische Entscheidung 118 als Ausgabewerte 117 enthält, um durch maschinelles Lernen (ML) eine geeignete Konfiguration des Entscheidungssystems 102 in Form von trainierten Parameterwerten 120 zu entwickeln.The first server 104 is responsible for the product development of the decision system 102 and, in particular, for training, i.e., step 204. The first server 104 uses a data set 110 containing value pairs 111 from historical patient data 114 before a clinical decision 118 (and optionally also the result, i.e., patient data 115 after the implementation of the clinical decision 118) and the associated historical decision 118 as output values 117 to develop a suitable configuration of the decision system 102 in the form of trained parameter values 120 through machine learning (ML).
Um die Qualität und Zuverlässigkeit der trainierten Parameterwerte 120 zu bewerten, findet ein Vergleich im Schritt 206 statt, bei dem die Vorhersagen des Entscheidungssystems 102 (dargestellt durch die trainierten Parameterwerte 120) anhand von weiteren historischen klinischen Ergebnissen - dem Validierungsdatensatzes 110-2 - abgeglichen werden. Dies dient der Bestimmung eines Leistungswertes 130 gemäß einer Leistungsmetrik, der aufzeigt, wie genau das Entscheidungssystem 102 bei der Unterstützung klinischer Entscheidungen ist.To evaluate the quality and reliability of the trained parameter values 120, a comparison takes place in step 206, in which the predictions of the decision system 102 (represented by the trained parameter values 120) are compared against further historical clinical results—the validation dataset 110-2. This serves to determine a performance value 130 according to a performance metric that indicates how accurate the decision system 102 is in supporting clinical decisions.
Sobald der erste Server 104 eine Konfiguration erzeugt hat, die das vorgegebene Kriterium für Genauigkeit und Zuverlässigkeit gemäß der Leistungsmetrik erfüllt, werden diese Parameterwerte 120 an den zweiten Server 106 übertragen. Der zweite Server 106 dient dann im klinischen Einsatz dazu, das Entscheidungssystem 102 mit der neuen Konfiguration zu betreiben.Once the first server 104 has generated a configuration that meets the specified criteria for accuracy and reliability according to the performance metric, these parameter values 120 are transmitted to the second server 106. The second server 106 is then used in clinical use to operate the decision system 102 with the new configuration.
Das System 300 umfasst optional einen dritten Server 108 (beispielsweise ein Datenserver ohne Kl-Unterstützung), der als Speicher für Zulassungsdokumentation fungiert. Hierbei werden alle relevanten Informationen über die durchgeführten Konfigurations- und Freigabeprozesse sowie die resultierenden Leistungswerte 130 gespeichert. Dieser dritte Server 108 ist getrennt von den anderen beiden Servern und dient als sichere und zuverlässige Dokumentationsquelle für Zulassungs- und Überprüfungszwecke.The system 300 optionally includes a third server 108 (e.g., a data server without AI support) that acts as a repository for approval documentation. All relevant information about the configuration and release processes performed, as well as the resulting performance values 130, are stored there. This third server 108 is separate from the other two servers and serves as a secure and reliable documentation source for approval and verification purposes.
Für einen praxisnahen Einsatz des Systems 300 in einer klinischen Umgebung zeigt die
Zusammengefasst stellt
Die
Das zweite Ausführungsbeispiel der
Die Funktion der einzelnen Wertepaare 111 besteht darin, dem maschinellen Lernmodell im ersten Server 104 Kontextinformationen zu liefern, anhand derer es lernt, Eingabewerte 113 mittels trainierter Parameter 120 korrekten Ausgabewerten 117-K zuzuordnen. Dies ermöglicht es dem System 300, klinische Entscheidungen zu unterstützen.The function of the individual value pairs 111 is to provide the machine learning model in the first server 104 with context information, which it uses to learn to map input values 113 to correct output values 117-K using trained parameters 120. This enables the system 300 to support clinical decisions.
Für die Patientendaten 114 vor der Anwendung der klinischen Entscheidung können verschiedene biometrische oder diagnostische Attribute eines Patienten gemessen und dokumentiert werden, was dann als Eingabewert 113 beim Training 204 des Entscheidungssystems 102 fungiert. Nach der Anwendung der klinischen Entscheidung 118 resultieren neue Patientendaten 115 (das sogenannte „Resultat“), die den Zustand nach der Anwendung der Entscheidung beschreiben. Zum Zwecke des Erzeugens 204 der Konfiguration 120 (d. h. beim Training) kann das Resultat 115 und/oder die Entscheidung 118 selbst, je nach Ausgestaltung des Entscheidungssystems 102, entweder Teil des Eingabewertes 113 oder Teil des Ausgabewerts 117 sein.For the patient data 114 prior to the application of the clinical decision, various biometric or diagnostic attributes of a patient can be measured and documented, which then serves as input value 113 during training 204 of the decision system 102. After the application of the clinical decision 118, new patient data 115 (the so-called "result") results, which describe the state after the application of the decision. For the purpose of generating 204 the configuration 120 (i.e., during training), the result 115 and/or the decision 118 itself can be either part of the input value 113 or part of the output value 117, depending on the design of the decision system 102.
Vier beispielhafte Ausgestaltungen des Entscheidungssystems 102 sind nachstehend unter Bezugnahme auf die
Wie in den
Der Eingang 112 des Entscheidungssystems 102 kann einer ersten Schicht eines neuronalen Netzwerks entsprechen. Alternativ kann der Eingang 112 der Eingang eines Encoders sein, welcher dem neuronalen Netzwerk vorgeschaltet ist. Der Ausgang 116 des Entscheidungssystems 102 kann einer letzten Schicht des neuronalen Netzwerks entsprechen. Alternativ kann der Ausgang 116 der Ausgang eines Decoders sein, welcher dem neuronalen Netzwerk nachgeschaltet ist.Input 112 of decision system 102 may correspond to a first layer of a neural network. Alternatively, input 112 may be the input of an encoder located upstream of the neural network. Output 116 of decision system 102 may correspond to a final layer of the neural network. Alternatively, output 116 may be the output of a decoder located downstream of the neural network.
In einer Variante jeder Ausgestaltung kann das neuronale Netzwerk mehreren Schichten neuronaler Verbindungen umfassen. Um die abstrakten Zusammenhänge zwischen dem Status des Patienten vor der Behandlung, den Zielsetzungen nach der Behandlung und den darauf basierenden klinischen Entscheidungen zu erfassen kann in jeder Ausgestaltung die Rückpropagation unter Verwendung der Verlustfunktion zwischen Vorgabe 117 und Ausgabe 117-T eingesetzt werden, um die Netzgewichte 120 so anzupassen, dass das Netzwerk 102 die Vorgabe (beispielsweise die Entscheidungen 118) zuverlässiger angibt.In a variant of each embodiment, the neural network may comprise multiple layers of neural connections. To capture the abstract relationships between the patient's pre-treatment status, post-treatment goals, and the resulting clinical decisions, backpropagation using the loss function between input 117 and output 117-T may be used in each embodiment to adjust the network weights 120 so that the network 102 more reliably represents the input (e.g., decisions 118).
In
Bei der ersten Ausgestaltung gemäß
Somit ist im klinischen Einsatz nach dem Schritt 208 das Behandlungsziel (d. h. das Resultat 115) eine Vorgabe für die vorgeschlagene Entscheidung 118 im Ausgabewert 117-K. Mit anderen Worten sind „Was ist der Status des Patienten?“ (d. h. die Patientendaten 114) und die Zielsetzung (d. h. die Patientendaten 115) im Eingabewert 113. Das Entscheidungssystem 102 unterstützt mit der vorgeschlagenen Entscheidung 118 im Ausgabewert 117-K, wie das Ziel zu erreichen ist.Thus, in clinical use, after step 208, the treatment goal (i.e., outcome 115) is a specification for the proposed decision 118 in the output value 117-K. In other words, "What is the patient's status?" (i.e., patient data 114) and the objective (i.e., patient data 115) are in the input value 113. The decision system 102 supports how the goal is to be achieved with the proposed decision 118 in the output value 117-K.
In
Bei dieser Konfiguration ist das Entscheidungssystem 102 ein lernfähiges Modell, das während der Trainingsphase Eingabedaten 113 verarbeitet, ohne dass dazu Informationen über die Ergebnisse 115 der klinischen Entscheidungen 118 (d. h. ohne Patientendaten 115 nach der Entscheidung 118) erforderlich sind. Stattdessen lernt das System 102 basierend auf historischen Daten dazu, welche klinischen Entscheidungen zu welchen Ergebnissen geführt haben, und nutzt diese Informationen, um Voraussagen für zukünftige Fälle zu treffen.In this configuration, the decision system 102 is a learning model that processes input data 113 during the training phase without requiring information about the results 115 of the clinical decisions 118 (i.e., without patient data 115 after the decision 118). Instead, the system 102 learns based on historical data which clinical decisions led to which results and uses this information to make predictions for future cases.
Um die Leistung des trainierten Entscheidungssystems 102 zu evaluieren, also um den Leistungswert 130 zu bestimmen 206, wird dieses mit einem Validierungsdatensatz 110-2 getestet. Dieser Validierungsdatensatz ist separat vom Trainingsdatensatz und enthält die tatsächlichen Ergebnisse, auch bekannt als Ground-Truth-Daten, die zur Beurteilung der Präzision und Genauigkeit des Entscheidungssystems 102 im Hinblick auf die Vorhersage von klinischen Entscheidungen 118 verwendet werden.To evaluate the performance of the trained decision system 102, i.e., to determine the performance value 130 206, it is tested with a validation dataset 110-2. This validation dataset is separate from the training dataset and contains the actual results, also known as ground truth data, which are used to assess the precision and accuracy of the decision system 102 with regard to predicting clinical decisions 118.
Übersteigt der bestimmte Leistungswert 130 die vordefinierten Kriterien, was auf eine erfolgreiche Trainings- und Validierungsphase hindeutet, so erfolgt das Senden 208 der entwickelten Parameterwerte 120. Diese Parameterwerte 120 dienen dann dazu, das auf einem zweiten Server 106 operierende Entscheidungssystem 102 für den klinischen Einsatz unmittelbar zu konfigurieren und verfügbar zu machen. Der zweite Server 106 kann somit im medizinischen Alltag genutzt werden, um auf der Basis von Patientendaten 114, die unmittelbar vor der klinischen Entscheidung erhoben werden, entsprechende Entscheidungen 118 zu treffen und dadurch die Behandlungsqualität zu verbessern.If the determined performance value 130 exceeds the predefined criteria, indicating a successful training and validation phase, the developed parameter values 120 are transmitted 208. These parameter values 120 are then used to immediately configure the decision system 102 operating on a second server 106 for clinical use and make it available. The second server 106 can thus be used in everyday medical practice to make appropriate decisions 118 based on patient data 114 collected immediately before the clinical decision, thereby improving the quality of treatment.
In der dritten Ausgestaltung des Verfahrens und des Entscheidungssystems 102, die schematisch in
Das Entscheidungssystem 102 gibt im klinischen Einsatz also eine Grundlage für die Entscheidung 118 und das damit verfolgte Ziel 115 an.In clinical use, the decision system 102 therefore provides a basis for the decision 118 and the goal 115 pursued thereby.
Es sei bemerkt, dass der anfängliche Zustand des Patienten bei den zweiten und dritten Ausgestaltungen der alleinige Eingabewert 113 ist. Das Behandlungsziel 115 ist bei diesen Ausgestaltungen implizit trainiert und wird in der dritten Ausgestaltung zusätzlich ausgegeben im Ausgabewert 117-K.It should be noted that in the second and third embodiments, the patient's initial state is the sole input value 113. The treatment goal 115 is implicitly trained in these embodiments and is additionally output in the third embodiment as output value 117-K.
Die vierte Ausgestaltung, dargestellt in
Die Verwendung der Patientendaten 114 vor der Anwendung der Entscheidung 118 einschließlich der getroffenen klinischen Entscheidung 118 im Eingabewert 113 ermöglicht, Vorhersagen und Unterstützungen zu den klinischen Entscheidungen 118 zu liefern, die auf breitem historischem Wissen und Ergebnissen basieren.The use of the patient data 114 before applying the decision 118, including the made clinical decision 118 in the input value 113, makes it possible to provide predictions and support for the clinical decisions 118 based on broad historical knowledge and results.
Die vierte Ausgestaltung erlaubt einen konservativeren Arbeitsmodus, bei dem beispielsweise Ärzte und nicht das Entscheidungssystem 102 den expliziten Handlungsvorschlag 118 zuerst vorbringen. Vielmehr kann der Arzt seine angedachte Entscheidung 118 (z. B. eine Implantatswahl) hinsichtlich des zu erwartenden Behandlungsziels überprüfen. Auch dies ist eine Entscheidungsunterstützung, weil durch eine mehrfache Eingabe (als Eingabewerte 113) alternativer Handlungsoptionen (d. h. Kandidaten der Entscheidung 118) die letztliche Entscheidung 118 (beispielsweise welches Implantat einzusetzen ist) an dem passendsten Resultat 115 (z. B. einer Ziel-Brechkraft) ausgerichtet werden kann.The fourth embodiment allows for a more conservative working mode, in which, for example, physicians, rather than the decision system 102, first present the explicit suggested action 118. Instead, the physician can review his or her proposed decision 118 (e.g., an implant selection) with respect to the expected treatment goal. This also provides decision support because, by entering multiple alternative options (as input values 113) (i.e., candidates for the decision 118), the final decision 118 (e.g., which implant to use) can be aligned with the most appropriate result 115 (e.g., a target refractive power).
Ein weiterer Vorteil der vierten Ausgestaltung ist, dass bei äquivalentem Resultat 115 verschiedener Handlungsoptionen 118 der Arzt einen zusätzlichen Freiheitsgrad für sekundäre Entscheidungskriterien hat. Z. B. kann primär nach Behandlungserfolg 115 entschieden werden, während sekundär eine Nutzungsdauer des Implantats mit dem Alter des Patienten (beispielsweise bei der Materialwahl für eine Hüftgelenksprothese) abgeglichen wird.A further advantage of the fourth embodiment is that, if the outcome 115 of different treatment options 118 is equivalent, the physician has an additional degree of freedom for secondary decision criteria. For example, the primary decision can be based on treatment success 115, while the secondary decision can be based on the implant's service life and the patient's age (for example, when selecting the material for a hip joint prosthesis).
Optional können regulatorische und/oder klinische Berichte des ML im Schritt 204 und die bestimmten Leistungswerte 130 für medizinische Anwendungen im Schritt 212 dokumentiert werden. Dadurch ist die automatisierte Sicherheitsprüfung im Schritt 206 des im Schritt 208 verfügbar gemachten Entscheidungssystems 102 revisionssicher nachweisbar, die Notwendigkeit der herkömmlichen bidirektionalen Kommunikation mit Zulassungsstellen entfällt, Dokumentationsfehler und Nichtstandardisierung werden vermieden, und die Zeiteffizienz der Verfügbarkeitsmachung ist verbessert. Anstatt den Al-Trainingsprozess im Schritt 204 in einem separaten Server durchzuführen, der feste Gewichte des neuronalen Netzes ausgibt, die dann weiter auf ihre Sicherheit analysiert werden müssen, ist der Trainingsprozess 204 und der Prüfungsprozess 206 in eine Verarbeitungspipeline 200 im System 300 integriert.Optionally, regulatory and/or clinical reports from the ML can be documented in step 204, and the determined performance values 130 for medical applications can be documented in step 212. This allows the automated safety check in step 206 of the decision system 102 made available in step 208 to be verifiably audited, eliminates the need for conventional bidirectional communication with regulatory authorities, avoids documentation errors and non-standardization, and improves the time efficiency of making available. Instead of performing the AI training process in step 204 on a separate server that outputs fixed weights of the neural network, which then must be further analyzed for their safety, the training process 204 and the testing process 206 are integrated into a processing pipeline 200 in the system 300.
Das dritte Ausführungsbeispiel des Systems 300 umfasst die folgenden Module: ein Modul zur Datenfilterung, beispielsweise gemäß dem Schritt 202; ein Modul zur Datenvorbereitung (auch: Datenaufbereitung), beispielsweise zur Bildung der Wertepaare 111 im Schritt 202 oder 204; ein Trainingsmodul zum Erzeugen (beispielsweise Bestimmung oder Anpassung) der Parameterwerte 120 des Entscheidungssystems 102 (d. h. eines ML-Systems für die klinische Entscheidung), z. B. zum Bestimmen der Gewichte des neuronalen Netzwerks gemäß dem Schritt 204; ein Modul zur Auswertung der erzeugten Parameterwerte 120 des Entscheidungssystems 102, d. h. zur verifizierenden Inferenz (und nicht der klinischen Inferenz) bezogen auf den Validierungsdatensatz (auch: Testdatensatz) im Schritt 206; ein Modul zur Auswertung einer Leistungsmetrik zur Bestimmung von Leistungswerten 130 im Schritt 206; und ein optionales Modul zur Erstellung von Dokumenten (beispielsweise Berichten) gemäß dem Schritt 212, beispielsweise über die bestimmten Leistungswerte 130 und eine Ursache der Iteration 210.The third embodiment of the system 300 comprises the following modules: a module for data filtering, for example, according to step 202; a module for data preparation (also: data processing), for example, for forming the value pairs 111 in step 202 or 204; a training module for generating (for example, determining or adapting) the parameter values 120 of the decision system 102 (i.e., an ML system for clinical decision-making), e.g., for determining the weights of the neural network according to step 204; a module for evaluating the generated parameter values 120 of the decision system 102, i.e., for verifying inference (and not clinical inference) with respect to the validation data set (also: test data set) in step 206; a module for evaluating a performance metric for determining performance values 130 in step 206. and an optional module for creating documents (e.g., reports) according to step 212, for example, about the determined performance values 130 and a cause of the iteration 210.
Alternativ oder ergänzend können die Module folgende Funktionen ausführen.Alternatively or additionally, the modules can perform the following functions.
DatenfilterungData filtering
In einem ersten Teilschritt 202-1 des Schritts 202 werden die für den Trainingsprozess 204 verwendeten Datenpunkte (z. B. Wertepaare 111) im Datenfilterungsmodul gefiltert. Hier werden alle Datenpunkte aus dem Datensatz 110 entfernt, die als falsch, nicht repräsentativ für die Aufgabe eine Entscheidung 118 anzugeben oder außerhalb der Bereiche der betrachteten Vorhersageaufgabe angesehen werden. Zusätzlich kann geprüft werden, ob die Datenpunkte insgesamt statistisch repräsentativ für die Vorhersageaufgabe sind. Die im Datensatz 110 verbleibenden Datenpunkte sind messfehlerfrei und aussagekräftig im Hinblick auf die Trainingsanforderungen des Schrittes 204.In a first sub-step 202-1 of step 202, the data points used for the training process 204 (e.g., value pairs 111) are filtered in the data filtering module. Here, all data points are removed from the data set 110 that are considered incorrect, unrepresentative of the task of specifying a decision 118, or outside the scope of the prediction task under consideration. Additionally, it can be checked whether the data points as a whole are statistically representative of the prediction task. The data points remaining in the data set 110 are free of measurement errors and meaningful with regard to the training requirements of step 204.
DatenvorbereitungData preparation
Im nächsten Teilschritt 202-2 des Schritts 202 bereitet ein Datenvorbereitungsmodul den Datensatz 110 für den Trainingsprozess 204 vor. Diese Vorverarbeitung kann die (vorzugsweise disjunkte) Aufteilung des Datensatzes 110 in den Trainingsdatensatz 110-1, einen trainings-internen Evaluierungsdatensatz 110-1', sowie den eigenständigen Validierungsdatensatz 110-2 (auch: Testdatensatz) umfassen.In the next substep 202-2 of step 202, a data preparation module prepares the data set 110 for the training process 204. This preprocessing may include the (preferably disjoint) division of the data set 110 into the training data set 110-1, a training-internal evaluation data set 110-1', and the independent validation data set 110-2 (also: test data set).
Alternativ oder ergänzend kann der Teilschritt 202-2 die Vorbereitung einer Kreuzvalidierung (fachsprachlich: „Cross Validation“) oder eines Bootstrapping-Verfahrens im Schritt 206 umfassen. Cross-Validierung und Bootstrapping sind statistische Methoden, die zum Erstellen 204 und zur Validierung 206 des Entscheidungssystems 102 als ML-Modell verwendet werden können. Kreuzvalidierung und Bootstrapping sind herkömmlicherweise bekannt als Techniken zur Messung des Trainingsaufbaus und werden hier abweichend zur Messung der Modellleistung als Beispiele für die Leistungswerte 130 in Bezug auf Sicherheit und Wirksamkeit verwendet. Dabei ist die Kreuzvalidierung ein Verfahren, bei dem der Datensatz 110 in kleinere Gruppen (fachsprachlich: „Folds“) unterteilt wird. Das konfigurierte aber noch nicht freigegebene Entscheidungssystem 102 wird dann mehrmals trainiert im Schritt 204, wobei bei jedem Durchgang eine andere Kombination von ‚Folds‘ für das Training 204 als der Trainingsdatensatz 110-1 verwendet wird und der ungenutzt verbleibende ‚Fold‘ für die Validierung als Validierungsdatensatz 110-2 im Schritt 206 genutzt wird. Dieses Ausführungsbeispiel des Verfahrens 200 vermag im Schritt 206 zu bestimmen, wie gut das Entscheidungssystem 102 auf unbekannte Daten (d. h. unbekannte Eingabewerte 113) generalisiert.Alternatively or additionally, sub-step 202-2 may include the preparation of a cross-validation (technical term: "cross validation") or a bootstrapping procedure in step 206. Cross-validation and bootstrapping are statistical methods that can be used to create 204 and validate 206 the decision system 102 as an ML model. Cross-validation and bootstrapping are conventionally known as techniques for measuring the training setup and, in contrast to measuring model performance, are used here as examples for the performance values 130 related to safety and efficacy. Cross-validation is a procedure in which the data set 110 is divided into smaller groups (technical term: "folds"). The configured but not yet released decision system 102 is then trained several times in step 204, wherein in each run a different combination of 'folds' is used for training 204 as the training data set 110-1 and the remaining unused 'fold' is used for validation as the validation data set 110-2 in step 206. This embodiment of the method 200 is able to determine in step 206 how well the Ent decision system 102 is generalized to unknown data (ie unknown input values 113).
Das Bootstrapping-Verfahren andererseits erstellt sogenannte Resamples des Datensatzes 110, d. h. mehrere Stichproben mit Zurücklegen, die aus einer einzigen Zufallsstichprobe gezogen sind. Im Anschluss an das ML im Schritt 204 kann aufgrund des Bootstrapping-Verfahrens die Leistung im Sinne von Sicherheit und Wirksamkeit des Entscheidungssystems 102 im Schritt 206 geschätzt werden, beispielsweise um eine für die Sicherheit relevante Überanpassung zu erkennen.The bootstrapping procedure, on the other hand, creates so-called resamples of the data set 110, i.e., multiple samples with replacement drawn from a single random sample. Following the ML in step 204, the bootstrapping procedure can be used to estimate the performance in terms of safety and effectiveness of the decision system 102 in step 206, for example, to detect overfitting relevant to safety.
Die Wahl zwischen Kreuzvalidierung und Bootstrapping-Verfahren bei der Implementierung der integralen Schritte 204 und 206 kann von der Größe und/oder Verteilung des Datensatzes 110 abhängen.The choice between cross-validation and bootstrapping procedures when implementing the integral steps 204 and 206 may depend on the size and/or distribution of the data set 110.
Trainingtraining
Das Trainingsmodul führt das konkrete Training, d. h. den Erzeugungsschritt 204, des Entscheidungssystems 102 als ML-System anhand des vorbereiteten Trainingsdatensatzes 110-1 und des optionalen Evaluierungsdatensatzes 110-1' (auch: Evaluationsdaten) durch. Für z. B. ein neuronales Netzwerk wird eine Verlust-Funktion (fachsprachlich: „Loss Function“) definiert, welche die Optimierungsaufgabe im medizinischen Kontext mathematisch beschreibt. Diese Aufgabe kann eine medizinische Diagnose, die Erkennung von krankheitsbezogenen Informationen oder die Vorhersage einer behandlungsrelevanten Größe wie der Brechkraft einer Intraokularlinse (IOL) für die Kataraktchirurgie sein. Der Trainingsprozess 204 wird durchgeführt, indem das Entscheidungssystem 102 als ML-System auf eine starke Performance auf den gegebenen Wertepaaren 111 optimiert wird. Bei einem neuronalen Netzwerk als Beispiel des Entscheidungssystems 102 werden die Ausgabewerte 117-T (fachsprachlich: die Vorhersagen oder Prädiktionen) des neuronalen Netzes während des Trainings 204 mit der Verlust-Funktion verarbeitet, und der mathematische Gradient auf die Abweichung der vorgegebenen Ausgabewerte 117 des Trainingsdatensatzes 110-1 wird mittels Gradient-Descent durch das neuronale Netz propagiert, um die entsprechenden Gewichte 120 im Hinblick auf eine bessere Leistung bei den Wertepaaren 113 und 117 des Trainingsdatensatzes 110-1 zu optimieren.The training module performs the actual training, i.e., the generation step 204, of the decision system 102 as an ML system using the prepared training data set 110-1 and the optional evaluation data set 110-1' (also: evaluation data). For example, a neural network is defined for a loss function (technically known as a "loss function") that mathematically describes the optimization task in a medical context. This task can be a medical diagnosis, the detection of disease-related information, or the prediction of a treatment-relevant variable such as the refractive power of an intraocular lens (IOL) for cataract surgery. The training process 204 is performed by optimizing the decision system 102 as an ML system for strong performance on the given value pairs 111. In a neural network as an example of the decision system 102, the output values 117-T (technically: the predictions) of the neural network are processed with the loss function during training 204, and the mathematical gradient on the deviation of the predetermined output values 117 of the training data set 110-1 is propagated through the neural network by means of gradient descent in order to optimize the corresponding weights 120 with a view to better performance for the value pairs 113 and 117 of the training data set 110-1.
Hierbei werden die Bezugszeichenvarianten 110-1, 110-1' und 110-2 verwendet, um die Ausdifferenzierung des Datensatzes 110 in Trainingsdaten, Evaluationsdaten bzw. Validierungsdaten (auch: Testdaten) zu unterstreichen und nicht um Merkmale der Zeichnungen zu kennzeichnen.Here, the reference symbol variants 110-1, 110-1' and 110-2 are used to emphasize the differentiation of the data set 110 into training data, evaluation data and validation data (also: test data) and not to identify features of the drawings.
Optional wird während des Erstellens 204 der Konfiguration 120 die Leistungsentwicklung des Entscheidungssystems 102 durch Evaluationsdaten 102-1' verfolgt. Das Training 204 kann abgeschlossen werden, wenn die gemessene Leistungsentwicklung einen vorbestimmten absoluten ersten Trainingsschwellwert erreicht hat und/oder eine Rate der Leistungsentwicklung pro Epoche kleiner als ein vorbestimmter zweiter Trainingsschwellwert ist (was beispielsweise auf eine erfolgte Konvergenz des Trainings 204 hindeutet). Nach Abschluss des Trainings 204 wird das so fertig trainierte Al-Modell an das Auswertungsmodul weitergeleitet.Optionally, during the creation 204 of the configuration 120, the performance development of the decision system 102 is tracked using evaluation data 102-1'. Training 204 can be completed when the measured performance development has reached a predetermined absolute first training threshold and/or a rate of performance development per epoch is less than a predetermined second training threshold (which, for example, indicates that the training 204 has converged). After completion of training 204, the fully trained AI model is forwarded to the evaluation module.
Inferenz-Auswertung und Leistungsmetrik-AuswertungInference evaluation and performance metric evaluation
Das erste Auswertungsmodul zur Auswertung der erzeugten Parameterwerte 120 verwendet das bereitgestellte trainierte Al-Modell (vorzugsweise auf demselben ersten Server 104 ohne Kopieren der Trainingsparameter) als konfiguriertes und noch nicht freigegebenes Entscheidungssystem 102, um mittels des zweiten Auswertungsmoduls dessen Leistung hinsichtlich Wirksamkeit und Sicherheit gemäß der Leistungsmetrik im Schritt 206 zu bewerten unter Verwendung des Validierungsdatensatzes (d. h. der Testdaten), der im Datenvorbereitungsmodul bereitgestellt worden war. Das erste Auswertungsmodul und das zweite Auswertungsmodul sind in
Das unabhängige Testen des konfigurierten und noch nicht freigegebenen Entscheidungssystems 102 als Al-Modell stellt sicher, dass die Auswertung nicht durch die Trainingsdaten 110-1 beeinflusst wird. Gleichzeitig kann das Auswertungsmodul auf Basis derselben Auswertungsdaten Vorhersagen mit anderen, für die Vorhersageaufgabe geeigneten Methoden durchführen, wenn z. B. ein Vergleich mit dem Stand der Technik erforderlich ist. Für den Bereich der IOL-Brechkraftberechnung können z. B. das trainierte Al-Modell sowie andere IOL-Berechnungsformeln (wie die hierin genannte IOL-Berechnung nach HAIGIS) verwendet werden, um für jeden Datenpunkt eine Vorhersage der benötigten IOL-Brechkraft durchzuführen. Die Auswertungsergebnisse werden dann an das Modul für Leistungsmetrik (z. B. beim Bezugszeichen 130 für die Leistungswerte in
Innerhalb des zweiten Auswertungsmoduls, d. h. des Moduls für die Leistungsmetrik, werden alle Auswertungen der mehrdimensionalen oder multivariaten Leistungsmetrik, die für die Bewertung der Sicherheit und Effektivität (d. h. Wirksamkeit) des trainierten Al-Modells als Entscheidungssystem 102 relevant sind, auf der Grundlage der vom ersten Auswertungsmodul bereitgestellten Auswertungsergebnisse berechnet. Das zweite Auswertungsmodul kann deshalb auch als Bewertungsmodul bezeichnet werden.Within the second evaluation module, i.e., the performance metric module, all evaluations of the multidimensional or multivariate performance metrics relevant for assessing the safety and effectiveness (i.e., efficacy) of the trained AI model as a decision system 102 are calculated based on the evaluation results provided by the first evaluation module. The second evaluation module can therefore also be referred to as the assessment module.
Die Leistungsmetrik kann, beispielsweise für ein Entscheidungssystem 102 zur Vorhersage der IOL-Brechkraft für eine Kataraktoperation, mindestens eine der folgenden Metriken umfassen: Mittlerer Fehler (fachsprachlich: „Mean Error“, ME); Mittlerer absoluter Fehler (fachsprachlich: „Mean Absolute Error“, MAE); Standardabweichung (fachsprachlich: „Standard Deviation“, SD); Anteil der Vorhersagen mit einem Vorhersagefehler innerhalb von +/-0,5 dpt; und Anteil der Vorhersagen mit einem Vorhersagefehler außerhalb von +/-1,0 dpt. Darüber hinaus kann das zweite Auswertungsmodul für die Leistungsmetrik einen Vergleich mit den Metriken anderer Methoden vornehmen, wenn diese im Bewertungsmodul berechnet wurden. Dieser Vergleich kann die Berechnung eines statistisch signifikanten Unterschieds zwischen den Bewertungsergebnissen der verschiedenen Ansätze beinhalten. Zusätzlich kann die Abhängigkeit des trainierten Al-Modells, z. B. der Parameterwerte 120, von den gegebenen Eingabewerten 113 ausgewertet werden. Eine weitere Analyse, die im Auswertungsmodul durchgeführt wird, kann der allgemeine Vergleich des Vorhersageverhaltens der verschiedenen Ansätze auf dem gegebenen Datensatz 110 sein.The performance metric may include, for example, for a decision system 102 for predicting IOL power for cataract surgery, at least one of the following metrics: mean error (ME); mean absolute error (MAE); standard deviation (SD); proportion of predictions with a prediction error within +/-0.5 D; and proportion of predictions with a prediction error outside +/-1.0 D. Furthermore, the second evaluation module for the performance metric may perform a comparison with the metrics of other methods if these were calculated in the evaluation module. This comparison may include calculating a statistically significant difference between the evaluation results of the different approaches. In addition, the dependence of the trained AI model, e.g., the parameter values 120, on the given input values 113 may be evaluated. A further analysis performed in the evaluation module can be the general comparison of the predictive behavior of the different approaches on the given data set 110.
Dokumentationdocumentation
Schließlich werden gemäß der (z. B. mehrdimensionalen) Leistungsmetrik alle Leistungswerte, Statistiken und weitere Analysen an das Modul zur Erstellung von Dokumenten (beispielsweise Berichten) weitergeleitet. Hierin kann das Modul zur Erstellung von Dokumenten funktional dem Schritt 212 entsprechen.Finally, according to the (e.g., multidimensional) performance metric, all performance values, statistics, and further analyses are forwarded to the document generation module (e.g., reports). In this respect, the document generation module can functionally correspond to step 212.
Im Modul zur Erstellung von Dokumenten werden auf der Grundlage der bereitgestellten Leistungswerte, Statistiken und Analysen ein oder mehrere Berichte erstellt, welche die gesamte Leistungsanalyse des konfigurierten Entscheidungssystems 102 als ein Al-Modell im Hinblick auf seine Sicherheit und Wirksamkeit zusammenfassen. Der Bericht ist so konzipiert, dass er alle erforderlichen Informationen zur Bewertung dieser Anforderungen enthält. Der Bericht kann (beispielsweise zur späteren manuellen Überprüfung) im Schritt 212 an den dritten Server 108 weitergeleitet werden.In the document creation module, one or more reports are created based on the provided performance values, statistics, and analyses. These reports summarize the overall performance analysis of the configured decision system 102 as an AI model with regard to its safety and effectiveness. The report is designed to contain all the information necessary to evaluate these requirements. The report can be forwarded to the third server 108 (for example, for later manual review) in step 212.
Die beschriebene Pipeline, d. h. das Verfahren 200, stellt einen reproduzierbaren, schnellen und vollständig dokumentierten Prozess sicher, der zu einem hinsichtlich Sicherheit und Wirksamkeit validierten Entscheidungssystem 102 führt und aus diesem Grunde eine bidirektionale Kommunikation mit Zulassungsbehörden vermeidet. Die vorgeschlagene Pipeline 200 ist daher vorzugsweise bzw. vorteilhaft:
- - unabhängig von dem Vorhandensein einer Datenverbindung zu den Behörden bzw. zu einer „benannten Stelle“,
- - vollständig standardisiert und reproduzierbar,
- - wesentlich weniger fehleranfällig als ein manueller Prozess, und
- - wesentlich schneller im Vergleich zu einem manuellen Prozess.
- - regardless of the existence of a data connection to the authorities or to a “notified body”,
- - fully standardized and reproducible,
- - significantly less error-prone than a manual process, and
- - much faster compared to a manual process.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele des Verfahrens 200 (beispielsweise als Pipeline) und des Systems 300 können um ein jedes der folgenden Merkmale (bzw. Schritte) ergänzt werden.The above-described embodiments of the method 200 (for example, as a pipeline) and the system 300 can be supplemented by any of the following features (or steps).
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren 200 als eine Pipeline zur impliziten Zulassung von Al-basierten Modellen im medizinischen Kontext realisiert sein. Das Verfahren 200 zeichnet sich dadurch aus, dass die erreichte Zulassung des Entscheidungssystems 102 als einzelnes trainiertes ML-Modell unabhängig von regulatorischen Behörden erreichbar ist.According to one embodiment, method 200 can be implemented as a pipeline for the implicit approval of AI-based models in a medical context. Method 200 is characterized in that the achieved approval of decision system 102 as a single trained ML model can be achieved independently of regulatory authorities.
In das Verfahren 200 ist ein Analyse-Modul, d. h. der Schritt 206, integriert, das einen Validierungsdatensatz (auch: Test- oder Prüfdatensatz) erzeugt (sofern dies nicht bereits beim Erfassen 202 geschieht) und zumindest alle technischen Bedingungen einer herkömmlicherweise von den Zulassungsbehörden geprüften Aspekte anhand des Validierungsdatensatzes verifiziert.An analysis module, i.e., step 206, is integrated into the method 200, which generates a validation data set (also: test or inspection data set) (if this does not already occur during the acquisition 202) and verifies at least all technical conditions of an aspect conventionally checked by the approval authorities using the validation data set.
Innerhalb des Verfahrens 200 kann ein Validierungsdatensatz erstellt und/oder verwendet werden, der eine qualitative und quantitative Analyse der Konfiguration 120 hinsichtlich Sicherheit und Wirksamkeit ermöglicht.Within the method 200, a validation data set may be created and/or used that enables qualitative and quantitative analysis of the configuration 120 with regard to safety and effectiveness.
Das Verfahren 200 kann im Schritt 206 die regulatorischen Anforderungen (d. h. die technischen Bedingungen) mehrerer Zulassungsbehörden beinhalten oder zusammenführen, um das Entscheidungssystem 102 für alle Zulassungsbehörden parallel oder zeitlich überlappend zu prüfen (und optional zu zertifizieren).The method 200 may include or combine the regulatory requirements (ie, the technical conditions) of several regulatory authorities in step 206 in order to test (and optionally certify) the decision system 102 for all regulatory authorities in parallel or with overlapping time.
Das Verfahren 200 kann herkömmliche Prüfmethoden, beispielsweise prozedurale Vorhersagen als Wettbewerbermethoden (fachsprachlich: „Competitor Methods“) integrieren und beinhalten, gegen die das konfigurierte Entscheidungssystem 102 verglichen wird. Dieser Prozess im Schritt 206 unterstützt die integrierte Freigabe im Schritt 208.The method 200 may integrate and include conventional testing methods, such as procedural predictions, as competitor methods against which the configured decision system 102 is compared. This process in step 206 supports the integrated approval in step 208.
Hierbei können die Wettbewerbermethoden dynamisch angepasst werden, sobald sich der Kenntnistand zu prozeduralen Vorhersagen (beispielsweise empirischen Formeln) ändert.The competitor methods can be dynamically adapted as soon as the state of knowledge regarding procedural predictions (e.g. empirical formulas) changes.
Das Verfahren 200 kann ein kontinuierliches oder intervallweises Heranführen, Sammeln, Prüfen von Eingabewerten 113 oder Wertepaaren 111, die für ein Ausführen oder wiederholen des Verfahrens 200 oder 400 (beispielsweise ein „Re-Training“ des Al-Modells, d. h. eine Wiederholung zumindest des Schritts 204) im Wege der Anpassungsschleife geeignet sind. Dazu kann ein zusätzlicher Schritt des Verfahrens 200 oder 400 ein Bewerten des veränderten und/oder erweiterten (augmentierten) Datensatzes 110 (beispielsweise an Daten zu Eingabewerten) umfassen. Beispielsweise kann das externe Ereignis zum Ausführen oder Wiederholen des Verfahrens 200 oder 400 vorliegen, wenn die Daten zu Eingabewerten außerhalb einer konvexen Hülle der Eingabewerte im Datensatz des letzten Ausführens des Verfahrens liegen.The method 200 can continuously or intermittently introduce, collect, and check input values 113 or value pairs 111 that are suitable for executing or repeating the method 200 or 400 (e.g., retraining the AI model, i.e., repeating at least step 204) by way of the adaptation loop. For this purpose, an additional step of the method 200 or 400 can include evaluating the modified and/or augmented data set 110 (e.g., data on input values). For example, the external event for executing or repeating the method 200 or 400 can occur if the data on input values lie outside a convex hull of the input values in the data set from the last execution of the method.
Bei Erreichen einer vorbestimmten absoluten oder relativen Menge (z. B. einer „kritischen Masse“) an Änderungen oder Ergänzungen im Datensatz 110, beispielsweise hinsichtlich Quantität und/oder Qualität, kann in einem zusätzlichen Schritt (der beispielsweise verschieden von, insbesondere zeitlich nach, dem Schritt 210 oder 212 ist) eine Ausgabe eines Signals an einen Nutzer oder ein automatisches „Re-Training“ des Entscheidungsmodells 102 gemäß der Anpassungsschleife erfolgen.Upon reaching a predetermined absolute or relative amount (e.g., a "critical mass") of changes or additions in the data set 110, for example, with regard to quantity and/or quality, an output of a signal to a user or an automatic "re-training" of the decision model 102 according to the adaptation loop can take place in an additional step (which, for example, is different from, in particular chronologically after, step 210 or 212).
Die Iteration 210 kann als Regelschleife ausgebildet sein, beispielsweise mit der Konfiguration 120 als Stellgröße und dem Leistungswert 130 als Regelgröße. Hierbei kann das Verfahren 200 (d. h. der Prozess) die Nutzung einer Regelschleife beinhalten, die bei negativer Bewertung des erstellten Al-Modells eine Wiederholung des Prozesses 200 bewirkt, bis ein dem vorbestimmten Kriterium entsprechend ausreichendes Ergebnis erzielt wurde.The iteration 210 can be implemented as a control loop, for example, with the configuration 120 as the manipulated variable and the power value 130 as the controlled variable. In this case, the method 200 (i.e., the process) can include the use of a control loop that, if the created AI model fails, causes the process 200 to be repeated until a satisfactory result according to the predetermined criterion is achieved.
Die Regelschleife, d. h. die Iteration 210, kann Teil des automatisierten Prozesses 200 sein oder über eine Benutzerschnittstelle angefragt und manuell initiiert werden.The control loop, i.e., iteration 210, can be part of the automated process 200 or can be requested via a user interface and initiated manually.
Die Regelschleife 210 kann unter anderem eine der folgenden Komponente erhalten. Eine erste Komponente ist die Erweiterung der Datengrundlage im Datensatz 110. Eine zweite Komponente ist die Änderung des Analyseverfahrens, d. h. eine Änderung der Datenbereinigung beim Erfassen 202, z. B. durch eine nach Quellen der einzelnen Wertepaare 111 aufgeschlüsselte Analyse. Hierzu kann der Datensatz nach Quellen sortiert sein oder jedes Wertepaar kann ferner eine Kennzeichnung (fachsprachlich: „Identifier“ oder ID) der Quelle umfassen. Ein Beispiel für die Quellenausschlüsselung kann die Person des Chirurgen sein (fachsprachlich: „Surgeon-ID“). Beispielsweise können beim Erfassen 202 abweichende Wertepaare 111 als Ausreißer (fachsprachlich: „Outliers“) erkannt und einer der Quellen zugeordnet werden. Eine Quelle mit einem überproportionalen Anteil an Ausreißern kann vollständig aus dem Datensatz 110 ausgeschlossen werden. Eine dritte Komponente umfasst eine Änderung der Hyperparameter, d. h. jener Parameter, die das Training 204 steuern.The control loop 210 can contain, among other things, one of the following components. A first component is the expansion of the data basis in the data set 110. A second component is the change in the analysis method, i.e., a change in the data cleansing during acquisition 202, e.g., through an analysis broken down by source of the individual value pairs 111. For this purpose, the data set can be sorted by source, or each value pair can further include an identifier (technical term: "identifier" or ID) of the source. An example of source decoding can be the person of the surgeon (technical term: "surgeon ID"). For example, during acquisition 202, deviating value pairs 111 can be recognized as outliers (technical term: "outliers") and assigned to one of the sources. A source with a disproportionate share of outliers can be completely excluded from the data set 110. A third component comprises a change in the hyperparameters, i.e., those parameters that control the training 204.
Bei der Entscheidung, ob entweder die Iteration 210 oder das Senden 208 durchgeführt wird, kann die Art, Anzahl und Reihenfolge der herangezogenen Kriterien variierbar sein. Beispielsweise kann die Regelschleife eine qualitative oder quantitative Prüfung der Ergebnisse (beispielsweise des Leistungswerts 130) des letzten Berechnungs-Prozesses (beispielsweise des letzten Verfahrens) durchführen und die Wahl der zu verwendenden Art, Anzahl und Reihenfolge der Kriterien der Regelschleife entsprechend anpassen.When deciding whether to perform iteration 210 or transmission 208, the type, number, and order of the criteria used can be varied. For example, the control loop can perform a qualitative or quantitative check of the results (e.g., the performance value 130) of the last calculation process (e.g., the last procedure) and adjust the type, number, and order of the control loop criteria to be used accordingly.
In einer Variante jedes Ausführungsbeispiels kann die Regelschleife (d. h. das Iterieren 210) ohne die Erstellung einer Dokumentation (beispielsweise ohne den Schritt 212) ausgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann das Verfahren 200 eine Änderung im Datensatz 110 und/oder der Hyperparameter und/oder eine der vorgenannten Komponenten ausführen für das Erzeugen 204 der aktualisierten Konfiguration 120, vorzugsweise:
- - ohne eine externe Kommunikation,
- - ohne eine bidirektionale Kommunikation mit dem dritten Server 108,
- - ausschließlich auf dem ersten Server 104; und/oder
- - vollständig automatisiert.
- - without external communication,
- - without bidirectional communication with the third server 108,
- - exclusively on the first server 104; and/or
- - fully automated.
Das Verfahren 200 und das System 300 grenzen sich somit vom Stand der Technik ab, bei dem eine bidirektionale Datenübertragung (d. h. mit Rückmeldung) der Evaluierung jedes trainierten Al-Modells an einen dritten Server zum Zwecke der technischen Zulassung durchgeführt wird. Diese Rückmeldung verifiziert, dass die Evaluierung des Al-Modells den Einsatz im medizinischen Kontext zulässig macht und gibt das Al-Modell frei. Der Prozess verlangt wiederholt eine Datenverbindung für den Datenaustausch, ist zeitaufwendig und fehleranfällig.The method 200 and the system 300 are thus distinguished from the prior art, in which In which a bidirectional data transfer (i.e., with feedback) of the evaluation of each trained AI model is performed to a third-party server for the purpose of technical approval. This feedback verifies that the evaluation of the AI model allows for use in a medical context and releases the AI model. This process repeatedly requires a data connection for data exchange, is time-consuming, and error-prone.
Dagegen unterbleibt bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens 200 und des Systems 300 die bidirektionale Datenübertragung (d. h. ist abgeschafft). Das Verfahren 200 umfasst mit den Schritten 206 und 208 (und optional den Schritten 210 und 212) einen automatisierten, schnellen und standardisierten Prozess, indem die Erstellung eines Validierungsdatensatzes 110-2 (d. h. eines Test- oder Prüfdatensatzes) und eine Integrierung eines Analysemodells mit regulatorischen Kriterien in den Prozess 200 vorgenommen wird. Des Weiteren kann eine Regelschleife 210 in das Verfahren 200 für eine sukzessive Verbesserung des Leistungswerts 130 des Entscheidungssystems 102 bis zur Erfüllung dieser Kriterien integriert sein, um die Erfüllung der nötigen technischen Anforderungen sicherzustellen.In contrast, in embodiments of the method 200 and the system 300, bidirectional data transmission is omitted (i.e., eliminated). The method 200, with steps 206 and 208 (and optionally steps 210 and 212), comprises an automated, fast, and standardized process by creating a validation dataset 110-2 (i.e., a test or verification dataset) and integrating an analysis model with regulatory criteria into the process 200. Furthermore, a control loop 210 can be integrated into the method 200 for successively improving the performance value 130 of the decision system 102 until these criteria are met, in order to ensure compliance with the necessary technical requirements.
Die Ansteuerung des gesamten Prozesses 200 (d. h. das Ausführen des Verfahrens 200 oder dessen Iteration 210) kann zum Beispiel über eine kritische Datenmenge erfolgen.The control of the entire process 200 (i.e., the execution of the method 200 or its iteration 210) can, for example, be carried out via a critical data set.
Dadurch lösen Ausführungsbeispiele des Verfahrens 200 und des Systems 300 das beschriebene technische Problem des frequentierten Datenaustausches im Kontext einer Zulassung. Dieses technische Problem im Stand der Technik betrifft die hohen technischen Anforderungen und die Fehleranfälligkeiten des frequentierten Datenaustausches. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lösen dieses technische Problem durch eine technische Umsetzung der Leistungswertbestimmung innerhalb des Verfahrens 200 bzw. innerhalb des Systems 300.Thus, embodiments of method 200 and system 300 solve the described technical problem of frequent data exchange in the context of an approval. This technical problem in the prior art relates to the high technical requirements and the error-prone nature of frequent data exchange. The described embodiments solve this technical problem by technically implementing the performance value determination within method 200 and system 300, respectively.
Das System 300 ist vorzugsweise ausschließlich durch den ersten Server 104 realisiert. Der erste Server 104 verfügt über Rechenressourcen (fachsprachlich: „Computing Ressourcen“), die ein effektives Training 204 des ML-Systems 102 erlauben (beispielsweise GPUs, etc.). Des Weiteren ist der erste Server 104 sicherheitstechnisch dazu ausgebildet, die Patientendaten 114 und/oder 115 zu verarbeiten (beispielsweise mit Verschlüsselungen, etc.). Da die Regelschleife 210 direkten Einfluss auf das nachfolgende Training 204 innerhalb des ersten Servers 104 ausübt, ist es technisch von Vorteil, wenn die Regelschleife 210 vom selben ersten Server 104 durchgeführt wird. Dies ist aber technisch nicht zwingend notwendig.The system 300 is preferably implemented exclusively by the first server 104. The first server 104 has computing resources (technically known as "computing resources") that allow effective training 204 of the ML system 102 (e.g., GPUs, etc.). Furthermore, the first server 104 is configured to process the patient data 114 and/or 115 in a security-related manner (e.g., with encryption, etc.). Since the control loop 210 exerts a direct influence on the subsequent training 204 within the first server 104, it is technically advantageous if the control loop 210 is executed by the same first server 104. However, this is not technically necessary.
Der dritte Server 108 kann dazu ausgebildet sein, über eine öffentliche und passwortgesicherte Schnittstelle (beispielsweise ein Upload-Portal) eine Funktion zum Hochladen der Dokumentationsnachricht bereitzustellen. Der entfallende Schritt kann die Übertragung des Entscheidungssystems 102 (beziehungsweise dessen Konfiguration 120) und/oder der bestimmten Leistungswerte 130 in das Upload-Portal betreffen. Das Upload-Portal ist nicht zur Ausführung bzw. zum Trainieren des Entscheidungssystems 102 ausgebildet. Das im Schritt 204 konfigurierte Entscheidungssystem 102 ist also ab dem Zeitpunkt des Erreichens des vorbestimmten Kriteriums im Schritt 208 freigegeben, ohne den Umweg oder eine Verzögerung über das externe Upload-Portal und/oder kann unmittelbar in eine (vorzugsweise nichtöffentliche) Cloud-Plattform-basierte Computerapplikation eingespeist werden, die ein durch die klinische Vorrichtung 100 (beispielsweise für einen Arzt) bedienbares Frontend umfasst.The third server 108 can be configured to provide a function for uploading the documentation message via a public and password-protected interface (e.g., an upload portal). The omitted step can relate to the transfer of the decision system 102 (or its configuration 120) and/or the determined performance values 130 to the upload portal. The upload portal is not configured to execute or train the decision system 102. The decision system 102 configured in step 204 is thus enabled from the time the predetermined criterion is reached in step 208, without the detour or delay via the external upload portal, and/or can be fed directly into a (preferably non-public) cloud platform-based computer application that includes a front end operable by the clinical device 100 (e.g., by a physician).
Ausführungsbeispiele des Verfahrens 200, des Verfahrens 400 und des Systems 300 können das negative Merkmal keiner Kommunikation (oder zumindest keiner bidirektionalen Kommunikation) mit einer Zulassungsbehörde umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Kommunikation mit einem Zulassungsbehörden-Server 108 auf das Hochladen der Dokumentationsnachricht beschränkt sein.Embodiments of method 200, method 400, and system 300 may include the negative feature of no communication (or at least no bidirectional communication) with a regulatory authority. Alternatively or additionally, communication with a regulatory authority server 108 may be limited to uploading the documentation message.
Alternativ oder ergänzend können Ausführungsbeispiele des Verfahrens 200 und des Systems 300 im Schritt 208 durch die Unmittelbarkeit der Freigabe des konfigurierten Entscheidungssystems 102 gekennzeichnet sein. Beispielsweise kann das Erfüllen des vorbestimmten Kriteriums im Schritt 208 ein Senden an einen Speicherort auslösen, der die Nutzung im klinischen Einsatz (beispielsweise durch einen direkten Zugriff von der klinischen Vorrichtung 100 aus) ermöglicht.Alternatively or additionally, embodiments of the method 200 and the system 300 may be characterized in step 208 by the immediacy of the release of the configured decision system 102. For example, fulfilling the predetermined criterion in step 208 may trigger sending to a storage location that enables use in clinical applications (e.g., through direct access from the clinical device 100).
Optional können die Schritte 202 bis 212 des Verfahrens 200 von demselben Server 104 und/oder in demselben Netzwerk (insbesondere für das Training 204 und die Bestimmung 206 des Leistungswerts 130 als die Regelschleifenabbruchbedingung der Schritte 208 oder 210) ausgeführt werden. Dabei können derselbe Server 104 und/oder dasselbe Netzwerk durch die Verwendung identischer GPUs bestimmt sein.Optionally, steps 202 to 212 of method 200 can be performed by the same server 104 and/or in the same network (particularly for training 204 and determination 206 of performance value 130 as the control loop termination condition of steps 208 or 210). The same server 104 and/or the same network can be determined by using identical GPUs.
Wie vorstehend ausgeführt kann das Entscheidungssystem 102 jeden Anwendungsfall umfassen, bei dem die klinische Vorrichtung 100, welche funktional vom Entscheidungssystem 102 abhängig ist und in Datenaustausch damit steht, ein zulassungspflichtiges Medizinprodukt ist. Alternativ oder ergänzend kann die Entscheidung 118 des Entscheidungssystems 102 eine Operationsplanung (OP-Planung) betreffen, eine Wahl eines Implantats betreffen (beispielsweise durch Bereichsangaben einschränken oder vorauswählen), oder eine Planung einer neurochirurgischen Operation betreffen (beispielsweise durch die Erzeugung von Steuerdaten für einen Operationsroboter). Alternativ oder ergänzend kann die Entscheidung 118 des Entscheidungssystems 102 eine Therapieplanung betreffen (beispielsweise hinsichtlich Medikamentenwahl, Dosierung eines Medikaments, oder Frequenz einer Medikamentengabe).As stated above, the decision system 102 may encompass any application in which the clinical device 100, which is functionally dependent on the decision system 102 and in data exchange with it, is a medical device subject to approval. Alternatively or additionally, the decision 118 of the decision system 102 may relate to surgical planning (surgical planning), a choice of an implant (for example, by restricting or preselecting specific areas), or concern the planning of a neurosurgical operation (for example, by generating control data for a surgical robot). Alternatively or additionally, the decision 118 of the decision system 102 can concern therapy planning (for example, with regard to the choice of medication, dosage of a medication, or frequency of medication administration).
In jedem Ausführungsbeispiel kann ein Arzt die klinische Vorrichtung 100 als ein Frontendsystem (beispielsweise als medizinische Applikation, kurz: „App“) nutzen, das über eine Anwendungsschnittstelle (fachsprachlich: „Application Programming Interface“, API) auf das vom zweiten Server 106 ausgeführte Entscheidungssystem 102 im Backend zugreift. Beispielsweise kann der erste Server 104 ein dezentraler Cloud-Server sein. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Server in räumlicher Zuordnung zu einer Mehrzahl klinischer Vorrichtungen 100 stehen, beispielsweise als Edge-Computing-Server.In each embodiment, a physician can use the clinical device 100 as a front-end system (e.g., a medical application, or "app" for short) that accesses the decision-making system 102 executed by the second server 106 in the backend via an application programming interface (API). For example, the first server 104 can be a decentralized cloud server. Alternatively or additionally, the second server can be spatially associated with a plurality of clinical devices 100, for example, as an edge computing server.
In jedem Ausführungsbeispiel kann der Ausgabewert 117-K des konfigurierten Entscheidungssystems 102 (fachsprachlich: Vorhersage oder Prädiktion) eine Empfehlung für einen Arzt sein.In each embodiment, the output value 117-K of the configured decision system 102 (technically known as prediction) may be a recommendation for a physician.
Während das Verfahren 200 allgemein als Konfigurationsverfahren für das Entscheidungssystem 102 offenbart ist, kann das Verfahren 200 ein Herstellungsverfahren für die Herstellung des Entscheidungssystems 102 als ML-Modell sein. Beispielsweise kann das Erzeugen 204 ein Initialisieren des ML-Modells oder eine initiale Konfiguration 120 umfassen. Alternativ oder ergänzend kann das Erzeugen 204 ausgehend von einer Vorgängerversion der Konfiguration alle oder einzelne Parameterwerte anpassen zur Erstellung der Konfiguration.While method 200 is generally disclosed as a configuration method for decision system 102, method 200 may be a manufacturing method for manufacturing decision system 102 as an ML model. For example, generation 204 may include initializing the ML model or an initial configuration 120. Alternatively or additionally, generation 204 may adjust all or individual parameter values based on a previous version of the configuration to create the configuration.
Die Herstellung der Konfiguration 120 für das Entscheidungssystem 102 kann eine Initialisierung des ML-Modells umfassen. Das Herstellungsverfahren 200 kann eine erstmalige Erstellung oder Neuerstellung des ML-Modells umfassen. Beispielsweise kann das Trainieren 204 eine Neubestimmung aller Parameterwerte 120 des ML-Modells umfassen. Alternativ kann das Herstellungsverfahren 200 ein Anpassungsverfahren zur Anpassung des Entscheidungssystems 102 sein. Beispielsweise kann das Trainieren 204 eine Anpassung von Parameterwerten 120 des ML-Modells umfassen ausgehend von einer Vorgängerversion des ML-Modells oder einer Basisversion des ML-Modells.Creating the configuration 120 for the decision system 102 may include initializing the ML model. The creation method 200 may include creating the ML model for the first time or creating it anew. For example, the training 204 may include redetermining all parameter values 120 of the ML model. Alternatively, the creation method 200 may be an adaptation method for adapting the decision system 102. For example, the training 204 may include adapting parameter values 120 of the ML model based on a previous version of the ML model or a base version of the ML model.
Vorzugsweise ist die Iteration 210 (d.h. die Regelschleife) weder Teil des ML im Schritt 204 noch Teil der Anpassungsschleife (d.h. eines Re-Trainings) zur Anpassung an einen aktualisierten Datensatz. Wenn eine Trainingsiteration im Kontext von ML bis zum Erreichen bestimmter Bedingungen im Schritt 204 durchgeführt wird, können dies Lernzyklen oder Epochen innerhalb der Trainingsphase 204 sein. Das Erzeugen 204 der Parameterwerte 120 kann (beispielsweise durch Epochen) eine innere Schleife (erste Schleife) umfassen. Die Iteration 210 kann eine dem Erzeugen übergeordnete Regelschleife (zweite Schleife) bilden. Die Anpassungsschleife kann eine der Iteration 210 (vorzugsweise aperiodisch) übergeordnete äußere Schleife (dritte Schleife) bilden.Preferably, iteration 210 (i.e., the control loop) is neither part of the ML in step 204 nor part of the adaptation loop (i.e., retraining) for adapting to an updated data set. If a training iteration is performed in the context of ML until certain conditions are reached in step 204, these can be learning cycles or epochs within the training phase 204. The generation 204 of the parameter values 120 can comprise an inner loop (first loop) (e.g., through epochs). The iteration 210 can form a control loop (second loop) superior to the generation. The adaptation loop can form an outer loop (third loop) superior to the iteration 210 (preferably aperiodic).
Das Erfassen 202 oder das Iterieren 210 für die Regelschleife kann im Datensatz 110 zum Beispiel die Präsenz von Datenpunkten detektieren, die in bestimmten Bereichen der Prädiktion 117-K zu systematischen Abweichungen führen und diese für das Training 204 entfernen. Diese Abweichung kann sich auf einzelne Datenpunkte oder eine Datengruppe wie die Datenpunkte eines bestimmten Arztes beziehen. Vorzugsweise betrifft diese Filterung oder Datenbereinigung den Trainingsdatensatz 110-1 und nicht den Validierungsdatensatz 110-2, so dass das Testen gemäß dem Schritt 206 und 208 nicht beeinflusst wird. D. h. die auffälligen Datenpunkte bleiben weiterhin in der Validierung des Entscheidungssystems 102 genutzt. Dadurch kann eine künstliche Verbesserung oder Schein-Verbesserung des Leistungswertes 130 durch einen Ausschluss schwieriger Fälle verhindert werden.The acquisition 202 or iteration 210 for the control loop can, for example, detect the presence of data points in the data set 110 that lead to systematic deviations in certain areas of the prediction 117-K and remove them for training 204. This deviation can relate to individual data points or a data group, such as the data points of a specific physician. Preferably, this filtering or data cleansing affects the training data set 110-1 and not the validation data set 110-2, so that the testing according to steps 206 and 208 is not affected. This means that the conspicuous data points continue to be used in the validation of the decision system 102. This can prevent an artificial improvement or apparent improvement of the performance value 130 by excluding difficult cases.
Alternativ oder ergänzend können beim Erfassen 202 und/oder Iterieren 210 Bereiche der Datenpunkte (beispielsweise Bereiche der Eingabewerte 113) detektiert werden, in denen aktuell wenige Daten vorliegen und die deshalb eine Schwäche in der Prädiktion 117-K aufweisen. In den detektierten Bereichen können durch gezieltes Augmentieren neue Datenpunkte erzeugt oder in den Datensatz 110 aufgenommen werden. Auch hier werden die augmentierten Datenpunkte vorzugsweise nur im Trainingsdatensatz 110-1 und nicht im Validierungsdatensatz 110-2 ergänzt, sodass die augmentierten Datenpunkte nur für das Training verwendet werden.Alternatively or additionally, during acquisition 202 and/or iteration 210, areas of the data points (for example, areas of the input values 113) can be detected in which there is currently little data and which therefore exhibit a weakness in the prediction 117-K. In the detected areas, new data points can be generated by targeted augmentation or included in the data set 110. Here, too, the augmented data points are preferably added only to the training data set 110-1 and not to the validation data set 110-2, so that the augmented data points are used only for training.
In jedem Ausführungsbeispiel kann die Datenbereinigung (beispielsweise eine Datenfilterung) den Datensatz 110 statistisch bewerten und darauf basierend verzerrend wirkende Ausreißer unter den Datenpunkten (z.B. Wertepaare 111) herausfiltern und/oder in einem Bereich relativ geringer Dichte Datenpunkte (z.B. Wertepaare 111) ergänzen, zumindest im Trainingsdatensatz 110-1. Mit dem Herausfiltern ist eine Einsparung von Rechenressourcen für das Training 204 sowie von Zeit verbunden. Die Datenfilterung kann eine Bereinigung von Daten (fachsprachlich: „data cleansing“) umfassen.In each embodiment, data cleansing (e.g., data filtering) can statistically evaluate the data set 110 and, based on this, filter out distorting outliers among the data points (e.g., value pairs 111) and/or add data points (e.g., value pairs 111) in a relatively low-density area, at least in the training data set 110-1. Filtering out results in a saving of computing resources for training 204 as well as time. Data filtering can include data cleansing (technical term: "data cleansing").
Das Erfassen 202 des Datensatzes 110 kann ein Eliminieren eines Wertepaares 111 aus dem Datensatz 110, optional aus dem Trainingsdatensatz 110-1 oder dem Validierungsdatensatz 110-2, umfassen, beispielsweise falls eine Verlust-Funktion oder Abweichung zwischen dem Ausgabewert 117-K des ML-Modells in Reaktion auf einen der Eingabewerte 113 des Validierungsdatensatzes 110-2 und den entsprechenden Ausgabewert 117 des Validierungsdatensatzes 110-2 einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Beispielsweise können die Wertepaare 111 des Datensatzes 110 jeweils eine Kennung eines Chirurgen oder eines Arztes oder einer Klinik aufweisen, wobei ferner alle Wertepaare 111 mit derselben Kennung eliminiert werden.Acquiring 202 the data set 110 may include eliminating a value pair 111 from the data set 110, optionally from the training data set 110-1 or the validation data set 110-2, for example, if a loss function or deviation between the output value 117-K of the ML model in response to one of the input values 113 of the validation data set 110-2 and the corresponding output value 117 of the validation data set 110-2 exceeds a predetermined threshold. For example, the value pairs 111 of the data set 110 may each include an identifier of a surgeon, a physician, or a clinic, wherein furthermore, all value pairs 111 with the same identifier are eliminated.
In Reaktion auf ein Nichterfüllen des vorbestimmten Kriteriums durch den Leistungswert 130 der Leistungsmetrik kann ein Wertepaar 111 aus dem Validierungsdatensatz 110-2 eliminiert werden oder in den Trainingsdatensatz überführt werden, falls eine Verlustfunktion oder Abweichung zwischen dem Ausgabewert 117-K des ML-Modells in Reaktion auf den Eingabewert 113 des Wertepaares 111 und dem Ausgabewert 117 des Wertepaares 111 einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.In response to the performance value 130 of the performance metric failing to meet the predetermined criterion, a value pair 111 may be eliminated from the validation data set 110-2 or transferred to the training data set if a loss function or deviation between the output value 117-K of the ML model in response to the input value 113 of the value pair 111 and the output value 117 of the value pair 111 exceeds a predetermined threshold.
In eine Variante jedes Ausführungsbeispiels kann das Iterieren 210 des Verfahrens 200 ein Iterieren des Erzeugens 204 umfassen, beispielsweise mit einer Änderung von einem oder mehreren Hyperparameterwerten des Erzeugens 204 der Parameterwerte 120 des Entscheidungssystems 102. Die Hyperparameter können externe Konfigurationsvariablen umfassen, die für das Trainieren 204 des Entscheidungssystems 102 verwendet werden, d. h. für die Herstellung des ML-Modells mittels ML. Beispielsweise können die Hyperparameter eine Lernrate und/oder Anzahl der Epochen (beispielsweise, wie oft der Trainingsdatensatz angewendet wird) umfassen. Alternativ oder ergänzend können die Hyperparameter (beispielsweise bei einem neuronalen Netzwerksystem als Entscheidungssystem) eine Anzahl von Schichten eines neuronalen Netzwerksystems, eine Anzahl von Knoten pro Schicht, und/oder eine Aktivierungsfunktion (beispielsweise eine Form und/oder einen Schwellwert der Aktivierungsfunktion) umfassen. Alternativ oder ergänzend können die Hyperparameter (beispielsweise bei einem Entscheidungsbaum als Entscheidungssystem) eine Anzahl von Zweigen im Entscheidungsbaum umfassen. Alternativ oder ergänzend kann einer oder mehrere der folgenden Hyperparameter geändert werden: eine Lernrate (fachsprachlich: „Learning Rate“), eine Aktivierungsfunktion des neuronalen Netzwerks, eine Änderung der Epochen und Patience, eine Anzahl der Schichten (fachsprachlich: „Layer“) und/oder eine Größe des neuronalen Netzwerks, und die Verlust-Funktion oder eine Gewichtung der Verlust-Funktion.In a variant of each embodiment, iterating 210 of method 200 may comprise iterating the generation 204, for example, with a change in one or more hyperparameter values of the generation 204 of the parameter values 120 of the decision system 102. The hyperparameters may comprise external configuration variables used for training 204 of the decision system 102, i.e., for producing the ML model using ML. For example, the hyperparameters may comprise a learning rate and/or number of epochs (e.g., how often the training dataset is applied). Alternatively or additionally, the hyperparameters (e.g., in a neural network system as the decision system) may comprise a number of layers of a neural network system, a number of nodes per layer, and/or an activation function (e.g., a shape and/or a threshold of the activation function). Alternatively or additionally, the hyperparameters (e.g., in a decision tree as the decision system) may comprise a number of branches in the decision tree. Alternatively or additionally, one or more of the following hyperparameters can be changed: a learning rate, an activation function of the neural network, a change in the epochs and patience, a number of layers and/or a size of the neural network, and the loss function or a weighting of the loss function.
Alternativ oder ergänzend kann die Änderung bei einem durch ein externes Ereignis oder eine interne Iteration ausgelösten Erzeugen 204 umfassen: eine Änderung der augmentierten Wertepaare 111 oder eine Änderung der detektierten Bereiche zum Augmentieren (zum Beispiel einer axialen Länge 902 des Auges 900, die oft für „lange“ Augen 900 unterrepräsentiert ist); eine Änderung konfigurierbarer Konstanten zur optischen Verlustbeschränkung (fachsprachlich: im optischen „Loss Constraint“), zum Beispiel um das Erzeugen 204 besser an einen IOL-Typ anzupassen; oder eine Änderung der Parameter der IOL-Positions-Prädiktion.Alternatively or additionally, the change in a generation 204 triggered by an external event or an internal iteration may include: a change in the augmented value pairs 111 or a change in the detected areas for augmentation (for example, an axial length 902 of the eye 900, which is often underrepresented for "long" eyes 900); a change in configurable constants for optical loss constraint (technically: in the optical "loss constraint"), for example, to better adapt the generation 204 to an IOL type; or a change in the parameters of the IOL position prediction.
Das Bestimmen 206 des Leistungswerts 130 der Leistungsmetrik und das Kriterium hierfür können äquivalent zu einer Leistungsanalyse im Sinne einer „Medical Device Regulation“ (MDR) sein ohne eine regulatorische Interaktion. Alternativ oder ergänzend können die Leistungsmetrik und das Kriterium einer regulatorischen Vorgabe zur Zulassung des Systems entsprechen.Determining 206 the performance value 130 of the performance metric and the criterion for this can be equivalent to a performance analysis within the meaning of a Medical Device Regulation (MDR) without any regulatory interaction. Alternatively or additionally, the performance metric and the criterion can correspond to a regulatory requirement for the approval of the system.
Jedes Ausführungsbeispiel kann vor der Iteration 210 oder vor dem Senden 208 einen Signifikanzwert für den Unterschied zwischen der vorherigen Version der Konfiguration und der im Schritt 204 erzeugten oder zu erzeugenden Konfiguration 120 (d.h. den Parameterwerten 120) umfassen. Unterschreitet der Signifikanzwert einen Mindestwert, kann die Iteration 210 oder das Senden 208 unterbleiben. Alternativ oder ergänzend kann im Fall einer Entscheidung 118 über die Wahl einer IOL eine Entscheidung 118 für Kurzsichtigkeit gegenüber einer Entscheidung für Weitsichtigkeit bevorzugt sein.Each embodiment may include, before iteration 210 or before transmission 208, a significance value for the difference between the previous version of the configuration and the configuration 120 generated or to be generated in step 204 (i.e., the parameter values 120). If the significance value falls below a minimum value, iteration 210 or transmission 208 may be omitted. Alternatively or additionally, in the case of a decision 118 regarding the selection of an IOL, a decision 118 for nearsightedness may be preferred over a decision for farsightedness.
Die Ausgabewerte 117 des Validierungsdatensatzes 110-2 können Ausgabewerte 117 eines Referenzsystems auf die Eingabewerte 113 des Validierungsdatensatzes 110-2 umfassen, optional wobei das Referenzsystem eine Vorgängerversion des Entscheidungssystems 102 ist, ein algorithmisches oder prozedurales System zur Prädiktion der Entscheidung, eine tabellarische Interpolation zur Prädiktion der Entscheidung, oder eine Berechnungsformel zur Prädiktion der Entscheidung.The output values 117 of the validation data set 110-2 may comprise output values 117 of a reference system to the input values 113 of the validation data set 110-2, optionally wherein the reference system is a previous version of the decision system 102, an algorithmic or procedural system for predicting the decision, a tabular interpolation for predicting the decision, or a calculation formula for predicting the decision.
Während der Trainingsdatensatz 110-1 auf neuen Messungen beruhen kann, kann der Validierungsdatensatz 110-2 keine Ergebnisse der neuen Messungen umfassen. Beispielsweise kann der Trainingsdatensatz 110-1 mit einer Periodizität (oder Häufigkeit) aktualisiert werden, die kürzer (bzw. größer) ist als die Periodizität (bzw. Häufigkeit) mit welcher der Validierungsdatensatz 110-2 aktualisiert wird. Alternativ oder ergänzend kann der Validierungsdatensatz 110-2 einen ersten Zeitrang aufweisen und der Trainingsdatensatz 110-1 einen zweiten Zeitrang aufweisen, der jünger als der erste Zeitrang ist.While the training data set 110-1 may be based on new measurements, the validation data set 110-2 may not include any results of the new measurements. For example, the training data set 110-1 may be updated with a periodicity (or frequency) that is shorter (or greater) than the periodicity (or frequency) with which the validation data set 110-2 is updated. Alternatively or additionally, the validation data set 110-2 may have a first time rank and the training data set 110-1 a second have a seniority that is younger than the first seniority.
In jedem Ausführungsbeispiel kann das im Schritt 204 konfigurierte Entscheidungssystem 102 zur Bestimmung oder Vorauswahl eines Implantats auf Grundlage der Patientendaten 114 und/oder 115 ausgebildet sein. Eine Verlust-Funktion des Trainierens 204 kann zur Bestimmung einer Klasse von Implantaten eine kategoriale Kreuzentropie umfassen. Alternativ oder ergänzend kann eine Verlust-Funktion des Trainierens 204 zur Bestimmung von Implantatsparameterwerten eines Implantats einen mittleren quadratischen Fehler umfassen zwischen einem Ausgabewert 117-K des Entscheidungssystems 102 in Reaktion auf einen der Eingabewerte 113 des Trainingsdatensatzes 110-2 und dem entsprechenden Ausgabewert 117 des Trainingsdatensatzes 110-1.In any embodiment, the decision system 102 configured in step 204 can be configured to determine or preselect an implant based on the patient data 114 and/or 115. A loss function of the training 204 can include a categorical cross-entropy for determining a class of implants. Alternatively or additionally, a loss function of the training 204 for determining implant parameter values of an implant can include a mean square error between an output value 117-K of the decision system 102 in response to one of the input values 113 of the training data set 110-2 and the corresponding output value 117 of the training data set 110-1.
Der Typ oder die Klasse des Implantats kann ein Implantat aus einem Satz alternativer Implantate bestimmen. Alternativ oder ergänzend kann der (beispielsweise vektorwertige) Ausgabewert 117 Parameterwerte eines Implantats umfassen. Die Parameterwerte können die Geometrie des Implantats bestimmen, beispielsweise Größe und/oder Oberflächenkrümmungen. Im Fall einer IOL als Implantat können die Implantatsparameter eine Brechkraft und/oder einen Durchmesser der IOL umfassen.The type or class of the implant can determine one implant from a set of alternative implants. Alternatively or additionally, the (e.g., vector-valued) output value 117 can comprise parameter values of an implant. The parameter values can determine the geometry of the implant, for example, size and/or surface curvatures. In the case of an IOL as an implant, the implant parameters can include a refractive power and/or a diameter of the IOL.
Das Verfahren 200 oder eine Wiederholung des Verfahrens 200 im Wege der Anpassungsschleife kann durch ein externes Ereignis auslöst sein. Das Verfahren 200 kann ausgeführt oder wiederholt werden, falls der Datensatz 110 eine vorbestimmte Anzahl neu gemessener Wertepaare 111 umfasst (beispielsweise gegenüber dem Datensatz, welcher der aktuellen Konfiguration 120 zugrunde liegt) und/oder falls eine vorbestimmte Zeit seit dem letzten Erzeugen 204 der Konfiguration 120 vergangen ist.The method 200 or a repetition of the method 200 via the adaptation loop can be triggered by an external event. The method 200 can be executed or repeated if the data set 110 includes a predetermined number of newly measured value pairs 111 (for example, compared to the data set underlying the current configuration 120) and/or if a predetermined time has passed since the last generation 204 of the configuration 120.
Das Verfahren 200 kann ferner umfassen: Senden (beispielsweise im Schritt 212) einer Initial-Dokumentation bezüglich der Umsetzung des Verfahrens 200, der verwendeten Prozesse der Validierung 206 und der Ergebnisse (beispielsweise der Leistungswerte 130) dieser Validierung 206 auf Beispieldaten an einen dritten Server, beispielsweise den vorgenannten dritten Server 108. Diese Initial-Dokumentation kann einmalig gesendet werden an benannte Stellen (Zulassungsstellen). Vorzugsweise werden keine Sätze (Konfigurationen) mit Parameterwerten 120 zur Freigabe an die Behörden geschickt. Optional umfasst das Verfahren 200 (beispielsweise vor einer Iteration 210) das Empfangen einer Freigabe in Reaktion auf die Initial-Dokumentation.The method 200 may further comprise: sending (for example, in step 212) initial documentation regarding the implementation of the method 200, the processes used for validation 206, and the results (for example, the performance values 130) of this validation 206 on sample data to a third server, for example, the aforementioned third server 108. This initial documentation may be sent once to designated bodies (approval authorities). Preferably, no sets (configurations) with parameter values 120 are sent to the authorities for approval. Optionally, the method 200 (for example, before an iteration 210) includes receiving an approval in response to the initial documentation.
Dazu umfasst das System 300 ferner einen Prozessor 1126 und einen mit dem Prozessor 1126 operativ zusammenwirkenden Speicher 1124 zum Speichern von Instruktionen, die, wenn sie von dem Prozessor 1126 ausgeführt werden, den Prozessor 1126 zu Folgendem veranlassen: Messen - insbesondere mittels der Datenerfassungseinheit 1102 - von biometrischen Patientendaten 114 und/oder 115 (beispielsweise ophthalmologische Patientendaten) und zum Empfangen - beispielsweise mittels einer Erfassungseinheit 1102 - eines Eingabewerts 113 (beispielsweise eines Ziel-Refraktionswertes). Hier kann wahlweise der Zielrefraktionswert oder der Ziel-Brechkraftwert eingegeben werden.To this end, the system 300 further comprises a processor 1126 and a memory 1124 operatively interacting with the processor 1126 for storing instructions that, when executed by the processor 1126, cause the processor 1126 to: measure—in particular by means of the data acquisition unit 1102—biometric patient data 114 and/or 115 (e.g., ophthalmic patient data) and to receive—for example, by means of an acquisition unit 1102—an input value 113 (e.g., a target refraction value). Either the target refraction value or the target refractive power value can be entered here.
Außerdem wird der Prozessor 1126 veranlasst zum Erzeugen 204 der Parameterwerte 120 mittels der Einheit 1104 und zur Bestimmung 206 eines Leistungswerts mittels der Einheit 1106.In addition, the processor 1126 is caused to generate 204 the parameter values 120 by means of the unit 1104 and to determine 206 a power value by means of the unit 1106.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Einheiten (z. B. Module) 1102 bis 1112, der Prozessor 1126 und der Speicher 1124 mit elektrischen Signalleitungen oder über ein systeminternes Bussystem 1122 zum Zwecke des Signal- oder Datenaustausches verbunden sein können.It should be expressly pointed out that the units (e.g., modules) 1102 to 1112, the processor 1126, and the memory 1124 may be connected by electrical signal lines or via a system-internal bus system 1122 for the purpose of signal or data exchange.
Das Computersystem 1200 kann ein Ausführungsbeispiel des ersten Servers 104 sein.The computer system 1200 may be an embodiment of the first server 104.
Die Komponenten des Computersystems können Folgendes aufweisen: einen oder mehrere Prozessoren oder Verarbeitungseinheiten 1202, ein Speichersystem 1204 und ein Bussystem 1206, welches verschiedene Systemkomponenten, inklusive des Speichersystems 1204, mit dem Prozessor 1202 verbindet. Typischerweise weist das Computersystem 1200 eine Mehrzahl von durch das Computersystem 1200, zugreifbaren flüchtigen oder nichtflüchtigen Speichermedien auf. Im Speichersystem 1204 können die Daten und/oder Instruktionen (Befehle) der Speichermedien in flüchtiger Form - wie beispielsweise in einem RAM (fachsprachlich: „random access memory“) 1208 - gespeichert sein, um von dem Prozessor 1202 ausgeführt zu werden. Diese Daten und Instruktionen realisieren einzelne oder mehrere Funktionen bzw. Schritte des hier vorgestellten Konzeptes. Weitere Komponenten des Speichersystems 1204 können ein Permanentspeicher (ROM) 1210 und ein Langzeitspeicher 1212 sein, in dem die Programmmodule und Daten (Bezugszeichen 1216), wie auch Workflows, gespeichert sein können, beispielsweise die Einheiten 1102 bis 1112 der
Das Computersystem weist zur Kommunikation eine Reihe von dedizierten Vorrichtungen (Tastatur 1218, Maus oder andere Zeigevorrichtung, Bildschirm 1220, usw.) auf. Diese dedizierten Vorrichtungen können auch in einem berührungsempfindlichen Display vereint sein. Ein separat vorgesehener I/O-Controller 1214 sorgt für einen reibungslosen Datenaustausch zu externen Geräten. Zur Kommunikation über ein lokales oder globales Netzwerk (LAN, WAN, beispielsweise über das Internet) steht ein Netzwerkadapter 1222 zur Verfügung. Auf dem Netzwerkadapter kann durch andere Komponenten des Computersystems 1200 über das Bussystem 1206 zugegriffen werden. Dabei versteht es sich, dass - obwohl nicht dargestellt - auch andere Vorrichtungen an das Computersystem 1200 angeschlossen sein können.The computer system has a number of dedicated devices for communication (keyboard 1218, mouse or other pointing device, screen 1220, etc.). These dedicated devices can also be combined in a touch-sensitive display. A separately provided I/O controller 1214 ensures smooth data exchange with external devices. A network adapter 1222 is available for communication via a local or global network (LAN, WAN, e.g., via the Internet). The network adapter can be accessed by other components of the computer system 1200 via the bus system 1206. It is understood that—although not shown—other devices can also be connected to the computer system 1200.
Die Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurde zum besseren Verständnis dargestellt, dient aber nicht einer unmittelbaren Einschränkung der erfinderischen Idee auf diese Ausführungsbeispiele. Weitere Modifikationen und Variationen erschließt sich der Fachmann selbst. Die hier genutzte Terminologie wurde so gewählt, um die grundsätzlichen Prinzipien der Ausführungsbeispiele am besten zu beschreiben und sie dem Fachmann leicht zugänglich zu machen.The description of the various embodiments of the present invention has been presented for clarity, but does not serve to directly limit the inventive concept to these embodiments. Further modifications and variations will become apparent to those skilled in the art. The terminology used herein has been chosen to best describe the basic principles of the embodiments and to make them readily accessible to those skilled in the art.
Das hier vorgestellte Prinzip kann sowohl als System, als Verfahren, Kombinationen davon und / oder auch als Computerprogrammprodukt verkörpert sein. Dabei kann das Computerprogrammprodukt ein (oder mehrere) Computer-lesbare/s Speichermedium/-medien aufweisen, welches Computer-lesbare Programminstruktionen aufweist, um einen Prozessor oder ein Steuerungssystem dazu zu veranlassen, verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung auszuführen.The principle presented here can be embodied as a system, a method, combinations thereof, and/or as a computer program product. The computer program product can comprise one or more computer-readable storage media containing computer-readable program instructions for causing a processor or control system to execute various aspects of the present invention.
Als Medien kommen elektronische, magnetische, optische, elektromagnetische, Infrarot-Medien oder Halbleitersysteme als Weiterleitungsmedium zum Einsatz; beispielsweise SSDs (solid state device/drive als Festkörperspeicher), RAM (Random Access Memory) und/oder ROM (Read-Only Memory), EEPROM (Electrically Eraseable ROM) oder eine beliebige Kombination davon. Als Weiterleitungsmedien kommen auch sich ausbreitende elektromagnetische Wellen, elektromagnetische Wellen in Wellenleitern oder anderen Übertragungsmedien (z. B. Lichtimpulse in optischen Kabeln) oder elektrische Signale, die in Drähten übertragen werden, in Frage.Electronic, magnetic, optical, electromagnetic, infrared media, or semiconductor systems can be used as the transmission medium; for example, SSDs (solid-state devices/drives), RAM (random access memory) and/or ROM (read-only memory), EEPROM (electrically erasable ROM), or any combination thereof. Other transmission media can include propagating electromagnetic waves, electromagnetic waves in waveguides or other transmission media (e.g., light pulses in optical cables), or electrical signals transmitted in wires.
Das Computer-lesbare Speichermedium kann eine verkörpernde Vorrichtung sein, welche Instruktionen für eine Nutzung durch ein Instruktionsausführungsgerät vorhält bzw. speichert. Die Computer-lesbaren Programminstruktionen, die hier beschrieben sind, können auch auf ein entsprechendes Computersystem heruntergeladen werden, beispielsweise als Applikation (beispielsweise eine mobile „App“) von einem Service-Provider über eine kabelbasierte Verbindung oder ein Mobilfunknetzwerk.The computer-readable storage medium may be an embodied device that holds or stores instructions for use by an instruction execution device. The computer-readable program instructions described herein may also be downloaded to a corresponding computer system, for example, as an application (e.g., a mobile "app") from a service provider via a wired connection or a cellular network.
Die Computer-lesbaren Programminstruktionen zur Ausführung von Operationen der hier beschriebenen Erfindung können maschinenabhängig sein oder maschinenunabhängige Instruktionen, Micro-Code, Firmware, Status-definierende Daten oder jeglicher Source-Code oder Objektcode sein, der beispielsweise in C++, Java oder ähnlichen bzw.in konventionellen prozeduralen Programmiersprachen, wie beispielsweise der Programmiersprache „C“ oder ähnlichen Programmiersprachen geschrieben sein. Die Computer-lesbaren Programminstruktionen können komplett durch ein Computersystem ausgeführt werden. In einigen Ausführungsbeispielen können es auch elektronische Schaltkreise, wie beispielsweise programmierbare Logikschaltkreise, Feld-programmierbare Gate Arrays (FPGA) oder programmierbare Logik-Arrays (PLA), sein, die die Computer-lesbaren Programminstruktionen durch Nutzung von Statusinformationen der Computer-lesbaren Programminstruktionen ausführen, um die elektronischen Schaltkreise entsprechend Aspekten der vorliegenden Erfindung zu konfigurieren bzw. zu individualisieren.The computer-readable program instructions for performing operations of the invention described herein may be machine-dependent or machine-independent instructions, microcode, firmware, state-defining data, or any source code or object code written, for example, in C++, Java, or similar, or in conventional procedural programming languages, such as the "C" programming language or similar programming languages. The computer-readable program instructions may be executed entirely by a computer system. In some embodiments, electronic circuits, such as programmable logic circuits, field-programmable gate arrays (FPGAs), or programmable logic arrays (PLAs), may also execute the computer-readable program instructions by utilizing status information from the computer-readable program instructions to configure or customize the electronic circuits according to aspects of the present invention.
Darüber hinaus ist die hier vorgestellte Erfindung mit Bezug auf Flussdiagramme und/oder Blockdiagramme von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten entsprechend Ausführungsbeispielen der Erfindung dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass praktisch jeder Block der Flussdiagramme und/oder Blockdiagramme als Computer-lesbare Programminstruktionen ausgestaltet sein kann.Furthermore, the invention presented herein is illustrated with reference to flowcharts and/or block diagrams of methods, devices (systems), and computer program products according to embodiments of the invention. It should be noted that virtually every block of the flowcharts and/or block diagrams may be embodied as computer-readable program instructions.
Die Computer-lesbaren Programminstruktionen können einem General-Purpose-Computer, einem Spezialcomputer oder einem anderweitig programmierbaren Datenverarbeitungssystem zur Verfügung gestellt werden, um eine Maschine herzustellen, sodass die Instruktionen, welche durch den Prozessor oder den Computer oder andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, Mittel erzeugen, um die Funktionen oder Vorgänge, die in dem Flussdiagramm und/oder Blockdiagrammen dargestellt sind, zu implementieren. Diese Computerlesbaren Programminstruktionen können entsprechend auch auf einem Computer-lesbaren Speichermedium gespeichert werden.The computer-readable program instructions may be provided to a general-purpose computer, a special-purpose computer, or another programmable data processing system to produce a machine, such that the instructions, executed by the processor or computer or other programmable data processing device, generate means for implementing the functions or operations depicted in the flowchart and/or block diagrams. These computer-readable program instructions may also be stored on a computer-readable storage medium.
In diesem Sinne kann jeder Block in dem dargestellten Flussdiagramm oder den Blockdiagrammen ein Modul, ein Segment oder Anteile an Instruktionen darstellen, welche mehrere ausführbare Instruktionen zur Implementierung der spezifischen Logikfunktion darstellt. In einigen Ausführungsbeispielen können die Funktionen, die in den einzelnen Blöcken dargestellt sind, in einer anderen Reihenfolge - gegebenenfalls auch parallel - ausgeführt werden.In this sense, each block in the illustrated flowchart or block diagrams may represent a module, segment, or portion of instructions that represent multiple executable instructions for implementing the specific logic function. In some embodiments, the functions represented in the individual blocks may be executed in a different order—possibly even in parallel.
Die dargestellten Strukturen, Materialien, Abläufe und Äquivalente aller Mittel und/oder Schritte mit zugehörigen Funktionen in den untenstehenden Ansprüchen sind dazu gedacht, alle Strukturen, Materialien oder Abläufe anzuwenden, wie es durch die Ansprüche ausgedrückt ist.The illustrated structures, materials, processes, and equivalents of all means and/or steps with associated functions in the claims below are intended to employ all structures, materials, or processes as expressed by the claims.
Soweit nicht anderweitig im Kontext der Figurenbeschreibung bestimmt können die Bezugszeichen folgende Bedeutung haben:
- 10
- Bidirektionaler Datenaustausch im Stand der Technik
- 100
- Klinische Vorrichtung
- 102
- Entscheidungssystem, von erstem Server trainiert oder zweiten Server ausgeführt, beispielsweise neuronales Netzwerk, logistisches Regressionssystem, Entscheidungsbaumsystem, Support-Vektor-Maschine
- 104
- Erster Server, beispielsweise zum Erzeugen der Parameterwerte der Konfiguration und/oder Bestimmung des Leistungswertes
- 106
- Zweiter Server, beispielsweise zum Ausführen des konfigurierten Entscheidungssystems im klinischen Einsatz
- 108
- Dritter Server, beispielsweise zur revisionssicheren Dokumentation
- 110
- Datensatz mit einer Vielzahl von Datenpunkten
- 110-1
- Trainingsdatensatz
- 110-2
- Validierungsdatensatz
- 111
- Wertepaar als Beispiel eines Datenpunkts
- 112
- Eingang des Entscheidungssystems
- 113
- Eingabewert für Eingang des Entscheidungssystems, beispielsweise Skalar, Vektor oder Tensor
- 114
- Patientendaten eines Patienten vor einer Anwendung, beispielsweise vor Umsetzung der Entscheidung
- 115
- Patientendaten des Patienten nach der Anwendung, beispielsweise nach Umsetzung der Entscheidung
- 116
- Ausgang des Entscheidungssystems
- 117
- Ausgabewert für Ausgang des Entscheidungssystems, beispielsweise Skalar, Vektor oder Tensor
- 117-T
- Ausgabewerte beim Training
- 117-K
- Ausgabewerte im klinischen Einsatz
- 118
- Klinische Entscheidung
- 120
- Parameterwerte einer Konfiguration des Entscheidungssystems
- 130
- Leistungswert einer Leistungsmetrik
- 200
- Verfahren zur Konfiguration eines nichtlinearen Entscheidungssystems, beispielsweise seitens des trainierenden Servers
- 202
- Schritt des Erfassens eines Datensatzes
- 204
- Schritt des Erzeugens von Parameterwerten einer Konfiguration des Entscheidungssystems
- 206
- Schritt des Bestimmens eines Leistungswertes
- 208
- Schritt des Sendens (beispielsweise des Übertragens oder Bereitstellens)
- 210
- Schritt des Iterierens, beispielsweise Iteration des Erfassens von Datensätzen, Erzeugens von Parameterwerten und des Bestimmens von Leistungswerten
- 212
- Schritt des Sendens einer Dokumentationsnachricht
- 300
- System zur Konfiguration eines nichtlinearen Entscheidungssystems
- 400
- Verfahren zur Konfiguration eines nichtlinearen Entscheidungssystems, beispielsweise seitens des ausführenden Servers
- 408
- Schritt des Selektives Empfangen
- 900
- (beispielsweise „kurzes“ oder „langes“) Auge des Patienten
- 902
- Axiale Länge
- 904
- Vordere Kammerdicke
- 906
- Keratometriewert
- 908
- Linsendicke
- 910
- Zentrale Korneadicke
- 912
- Weiß-zu-Weiß-Abstand
- 914
- Pupillengröße
- 916
- Hintere Kammertiefe
- 918
- Retinadicke
- 1102
- Datensatz-Erfassungseinheit
- 1104
- Parameterwert-Erzeugungseinheit
- 1106
- Leistungswert-Bestimmungseinheit
- 1108
- Parameterwert-Sendeeinheit
- 1200
- Computersystem
- 10
- Bidirectional data exchange in the state of the art
- 100
- Clinical device
- 102
- Decision system, trained by a first server or executed by a second server, e.g. neural network, logistic regression system, decision tree system, support vector machine
- 104
- First server, for example to generate the parameter values of the configuration and/or determine the performance value
- 106
- Second server, for example, to run the configured decision system in clinical use
- 108
- Third-party server, for example for audit-proof documentation
- 110
- Data set with a large number of data points
- 110-1
- Training dataset
- 110-2
- Validation dataset
- 111
- Pair of values as an example of a data point
- 112
- Entrance of the decision system
- 113
- Input value for the input of the decision system, for example scalar, vector or tensor
- 114
- Patient data of a patient before an application, for example before implementation of the decision
- 115
- Patient data of the patient after the application, for example after implementation of the decision
- 116
- Output of the decision system
- 117
- Output value for the output of the decision system, for example scalar, vector or tensor
- 117-T
- Output values during training
- 117-K
- Output values in clinical use
- 118
- Clinical decision
- 120
- Parameter values of a decision system configuration
- 130
- Performance value of a performance metric
- 200
- Method for configuring a nonlinear decision system, for example by the training server
- 202
- Step of capturing a data record
- 204
- Step of generating parameter values of a configuration of the decision system
- 206
- Step of determining a performance value
- 208
- Sending step (e.g., transmitting or providing)
- 210
- Step of iterating, for example, iteration of collecting data sets, generating parameter values and determining performance values
- 212
- Step of sending a documentation message
- 300
- System for configuring a nonlinear decision system
- 400
- Method for configuring a non-linear decision system, for example by the executing server
- 408
- Selective receiving step
- 900
- (e.g. “short” or “long”) eye of the patient
- 902
- Axial length
- 904
- Anterior chamber thickness
- 906
- Keratometry value
- 908
- Lens thickness
- 910
- Central corneal thickness
- 912
- White-to-white distance
- 914
- Pupil size
- 916
- Posterior chamber depth
- 918
- Retinal thickness
- 1102
- Data record acquisition unit
- 1104
- Parameter value generation unit
- 1106
- Performance value determination unit
- 1108
- Parameter value sending unit
- 1200
- computer system
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2023/014985 A1 [0003]WO 2023/014985 A1 [0003]
- US 2023/0081085 A1 [0006]US 2023/0081085 A1 [0006]
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