Zwei Männer die wie Zwillinge aussehen

Digitaler Zwilling in der Medizin: Revolution im Gesundheitswesen?

Veröffentlicht am 10.08.2023

In der modernen Fabrik sind sie nicht mehr wegzudenken: Digitale Zwillinge simulieren Maschinen genauso wie fertige Produkte und bilden dadurch Produktionsprozesse virtuell ab. Grundlage: eine Vielzahl unterschiedlicher Daten. Diese gibt es ebenfalls in der Medizin. Kann daraus der digitale Zwilling eines Patienten oder einer Patientin entstehen – und im Ernstfall sogar dessen Leben retten? 

Die Definition des digitalen Zwillings

Eine exakte virtuelle Kopie menschlicher Organe oder ganzer Körper? Wer da an einen schlechten Science-Fiction-Film denkt, liegt gleich doppelt daneben. Jedenfalls ist das Grundkonzept schon seit geraumer Zeit Realität. Bereits in den 1960er Jahren nutzte die NASA Kopien ihrer Raumfahrzeuge. Bevor ein Befehl ans Original im All gesendet wurde, überprüften die Ingenieure und Ingenieurinnen die Wirkung am Duplikat. Ein Prozess, der längst am (Hochleistungs-)Computer stattfindet. In der Industrie wiederum entstehen auf Basis produktionsrelevanter Echtzeitdaten schon lange digitale Zwillinge von Produktionsanlagen, die in Prozesssimulationen zum Beispiel Fehlerquellen präzise vorhersagen. Deswegen ist der Gedanke an ein virtuelles Patienten-Pendant gar nicht so verstörend, wie es im ersten Moment scheinen mag.  

Forscher und Forscherinnen setzen in der Medizin sogar große Hoffnungen in den digitalen Zwilling oder Digital Twin. Die Idee: Virtualisierte Gesundheitsdaten einer Person – ihr sogenannter „digitaler Schatten“ – werden so verknüpft, dass sie ein exaktes digitales Patientenabbild formen. Mit allen gesundheitlichen Besonderheiten und Einschränkungen. Und immer auf dem aktuellen Diagnose- und Behandlungsstand. 

Forscher und Forscherinnen setzen in der Medizin sogar große Hoffnungen in den digitalen Zwilling oder Digital Twin. Die Idee: Virtualisierte Gesundheitsdaten einer Person – ihr sogenannter „digitaler Schatten“ – werden so verknüpft, dass sie ein exaktes digitales Patientenabbild formen. Mit allen gesundheitlichen Besonderheiten und Einschränkungen. Und immer auf dem aktuellen Diagnose- und Behandlungsstand. 

Beispiele für den digitalen Zwilling in der Therapie

Für einzelne Organe greift das Konzept schon heute. Bei ihnen macht der digitale Zwilling komplizierte chirurgische Eingriffe effizienter, sicherer und schonender. Eben weil zunächst am virtuellen Organ eine Test-Operation stattfindet und genaue Schnittvorgaben existieren. Ähnlich verhält es sich bei Strahlentherapien. Bei ihnen besteht stets die Gefahr, nicht nur Tumore, sondern ebenfalls eigentlich gesundes Gewebe anzugreifen. Ein digitales Abbild der betroffenen Körperregion verspricht dagegen extreme Präzision. „Erst dann, wenn wir am Computer anhand dieser digitalen Version des Patienten den optimalen Bestrahlungsplan gefunden haben, […] wird der Patient wirklich behandelt“, erklärt etwa Dr. Florian Putz von der Strahlenklinik des Universitätsklinikums Erlangen gegenüber dem TV-Sender n-tv. Bei derlei Präzisionsvorteilen versteht es sich von selbst, dass der digitale Zwilling immenses Potenzial für die Ausbildung der nächsten Radioonkologen- und Chirurgen-Generationen hat.   

Personalisierte Medizin dank digitaler Abbilder

Doch es geht noch viel mehr. So dürfte der datengetriebene digitale Zwilling zum Beispiel die personalisierte Medizin auf eine neue Stufe heben. Deren Kern ist das Bekenntnis zum Unterschied. So mögen bestimmte Patienten und Patientinnen zwar augenscheinlich an derselben Krankheit leiden. Sie unterscheiden sich allerdings in ihrer Lebensführung, ihren sonstigen gesundheitlichen Problemen und in ihren genetischen Eigenschaften oft stark voneinander. Folglich können sie unterschiedlich auf bestimmte Therapien reagieren. Bei der einen schlägt ein Medikament an, beim anderen zeigt es kaum Wirkung. Die personalisierte Medizin berücksichtigt jene individuellen Merkmale und will jedem Menschen dadurch exakt die Therapie ermöglichen, die er wirklich braucht. An einem mit allen relevanten Daten gefütterten digitalen Zwilling eines Patienten oder einer Patientin könnten Ärzte und Ärztinnen mehrere Behandlungsoptionen durchspielen. Die effektivste von ihnen könnten sie dann am lebenden Objekt anwenden. 

Im Grunde würde ein digitaler Zwilling jedoch schon viel früher in der medizinischen „Wertschöpfungskette“ wirken. Sogar bereits dann, wenn es darum geht, Krankheiten besser zu verstehen. So ist „Brustkrebs nicht gleich Brustkrebs“, sondern hat viele Unterformen, die von Besonderheiten im Erbgut abhängen – und von denen viele mutmaßlich noch nicht entdeckt sind. Würde die Wissenschaft unter einer Vielzahl von digitalen Zwillingen nach Überschneidungen im Zellgut suchen, könnte sie möglicherweise ein tieferes Verständnis von einer Erkrankung entwickeln. Je mehr man über sie weiß, desto zielgerichteter lässt sie sich behandeln. Und zwar nicht zuletzt dank effektiverer, weil individualisierter Medikamente. Der digitale Zwilling hat das Potenzial, die Arzneimittelentwicklung zielgenauer zu machen und sie zu beschleunigen. Schließlich könnten Forschende in kürzester Zeit passende Digital Twins identifizieren und sie zu immer spitzeren Testkohorten zusammenfügen – weitaus kostensparender als bislang, versteht sich. 

Eine weitere Erkrankung, bei der sowohl die Forschung als auch die Behandlung von der personalisierten Medizin – und damit vom digitalen Zwilling – profitieren könnte, ist das Nervenleiden Multiple Sklerose (MS). Der Behandlung dieser „Krankheit der 1.000 Gesichter“ hat man sich unter anderem an der Technischen Universität Dresden verschrieben. Dort leitet Prof. Dr. Tjalf Ziemssen das Zentrum für klinische Neurowissenschaften, wo Innovationen rund um die Multiple Sklerose entwickelt und erprobt. Am Universitätsklinikum der sächsischen Landeshauptstadt entwickelt er mit seinem Team den digitalen Zwilling als Therapiebegleiter. 

„Wir müssen in der modernen Medizin endlich unstrukturierte Arztbriefe in Papier und PDFs hinter uns lassen."

Prof. Dr. Tjalf Ziemssen, TU Dresden

Multiple Sklerose gilt in ihren vielen Ausprägungen als herausfordend, da die Symptome sehr vielgestaltig und schwierig zu quantifizieren sind. Durch Digital Twins soll es Ziemssen und seinem Team möglich sein, Prognosen zu treffen und Medikationen vorab festzulegen: „Unser Ansatz ist ein sehr patientenzentrierter. Wir möchten zunächst mit dem digitalen Zwilling für Patienten und Behandler einen Ort schaffen, an dem hochqualitative Daten unterschiedlicher Quellen agil verfügbar sind – Daten aus der Bildgebung, aus Laboruntersuchungen, digitalen Funktionstests oder der Patientenselbsterfassung.“ Die Therapie wird so schonender und effizienter planbar.

Darüber hinaus verändert der digitale Zwilling in Ziemssens Arbeit die Transparenz von Behandlungsmethoden sowie das Verhältnis zwischen Patienten und Patientinnen sowie dem Ärzteteam. „Ein Dashboard, das die Ergebnisse der Rohdaten verständlich darstellt, ist ebenso integraler Teil wie der digitale klinische Managementpfad“, erklärt der Experte. Letzterer zeige dem Patienten auf, „wie das konkrete MS-Management in der nächsten Zeit ablaufen soll.“ Und so haben die Betroffenen jederzeit Zugriff auf ihren digitalen Zwilling und die hierfür verwendeten Daten – inklusive Informationen zum prognostizierten Krankheitsverlauf und den nächsten anstehenden Therapieschritten.

Auf die Datenqualität kommt es an

Das MS-Management am Dresdner Universitätsklinikum und die neuen Optionen in Sachen Bestrahlung und Chirurgie zeigen: Der digitale Zwilling ist punktuell längst in der Realität angekommen. Für ein verlässliches Eins-zu-Eins-Abbild kompletter Menschen braucht es allerdings noch die nötige Dateninfrastruktur. 

Bislang liegen – wenn überhaupt – Patientendaten aus Arztbriefen, Wearables, Gesundheitsapps und bildgebenden Verfahren wie MRT-Scans verstreut vor. Die Infrastruktur würde sie ordnen und statt Befundbriefen die Rohdaten maschinenlesbar und analysierbar machen. Der Patient oder die Patientin kommt ins Krankenhaus, der digitale Zwilling ist schon dort, könnte die zugespitzte Maxime lauten. Multiple-Sklerose-Experte Ziemssen plädiert dabei für einen Bruch mit dem bisherigen System der Patientendatenpflege und fordert: „Wir müssen in der modernen Medizin endlich unstrukturierte Arztbriefe in Papier und PDFs hinter uns lassen. Wesentliche Daten sind als Originaldaten viel wertvoller als in Textform und als transformierte Daten.“

„Voraussetzung für Digitale Zwillinge in der Medizin ist eine komplette Dateninfrastruktur. Daten, die nur in einem Krankenhaus oder einer Arztpraxis verwendet werden können, reichen nicht aus.“

Dr. Yvonne Haas, Trusted Data Solutions, Bundesdruckerei GmbH

Datentreuhandfunktion unabdingbar

Diese Rufe nach einer umfassenden Dateninfrastruktur stehen dabei im Widerstreit zum Recht des Individuums auf Integrität seiner höchstpersönlichen Patienteninformationen. Damit das Potenzial der verfügbaren Patientendaten umfassend genutzt werden kann, bedarf es also eines vertrauensvollen Zugangs und Umgangs mit den sensiblen Informationen. Hier kommt der Datentreuhänder – eine unabhängigen Vermittlungs- und Koordinierungsinstanz zwischen Arzt und Patient – ins Spiel. In der medizinischen Forschung gerne als Vertrauensstelle bezeichnet, bietet das Konzept eine Lösung, die auch die Bundesdruckerei GmbH, zum Beispiel mit ihrer Datentreuhänderplattform CenTrust bereithält.

Sowohl Datengeber, die Patienten und Patientinnen, als auch die Medizin als Datennutzende profitieren, weil Integrität und Rechtssicherheit durch Kontrolle von Zugängen und durch Pseudonymisierung neutral sichergestellt werden. Neben Fragen des rechtskonformen Umgangs mit sensiblen Patientendaten wirft der digitale Zwilling jedoch weitere ethische Fragen auf, die mit dem stetigen Fortschritt maschinellen Lernens in Wirtschaft und Alltag zusammenhängen. Das jedenfalls betont Dr. Yvonne Haas, die sich in der Bundesdruckerei GmbH im Bereich Trusted Data Solutions mit Zukunftstechnologien beschäftigt. Hier geht es nicht zuletzt um die Kontrollierbarkeit Künstlicher Intelligenz, die aus den digitalen Zwillingen Abteilungen für die Zukunft generiert. „Wer hat wann Zugriff auf welche Daten?“ Die Klärung dieser Frage steht für Dr. Yvonne Haas am Beginn der Etablierung digitaler Zwillinge im deutschen und europäischen Gesundheitswesen.

Was ist beim Thema digitaler Zwilling Zukunftsmusik, was realistisch? Klar scheint mit Blick auf die Frage nach dem revolutionären Potenzial des Konzepts, dass Entscheidungen über Behandlungen und Medikationen weiterhin das medizinische Fachpersonal, also Menschen, treffen. Allerdings assistiert von einer bislang nicht gekannten Tiefe an digital verfügbaren Informationen – exakt und in Sekundenbruchteilen aufbereitet und verfügbar. Die Nachbildung hochkomplexer neuronaler Netze steckt nicht zuletzt wegen der enormen Komplexität des menschlichen Gehirns zum aktuellen Zeitpunkt zudem noch in den Kinderschuhen. Selbst, wenn ein virtuelles Modell des kompletten Menschen derzeit noch nicht realisierbar ist, zeugen die Fortschritte bei der Behandlung bestimmter Krankheitsbilder vom revolutionären Potenzial des digitalen Zwillings. Und davon, dass schon heute mehr Science als Fiction im Konzept steckt.

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