Topigs Norsvin verfügt über ein äußerst detailliertes und effizientes System zur Erfassung von Daten aus dem CT-Scan. Diese Daten sind nicht nur für die Schweinezucht äußerst wertvoll, sie können auch für die Entwicklung bildgebender Diagnostik in der Humanmedizin nützlich sein.
Verfasst von: Øyvind Nordbø, PhD, Forscher bei Topigs Norsvin
Schweine und Menschen haben eine relativ ähnliche Physiologie. Deshalb werden Schweine häufig als Tiermodelle für die chirurgische Ausbildung und biomedizinische Forschung eingesetzt. Im Gegensatz zum Menschen haben Schweine eine relative kurze biologische Lebenszeit, sodass sie bei häufigen Untersuchungen durch den CT-Scanner nicht denselben möglichen Risiken für Langzeit-Strahlenschäden ausgesetzt sind wie Menschen.
In diesem Artikel berichten wir, wie Topigs Norsvin durch Wissenstransfer und Entwicklung von innovativen Lösungen zur Weiterentwicklung der Humanmedizin beiträgt.
CT-Scan im großen Maßstab
Auf den Eberprüfstationen von Topigs Norsvin, Delta Norwegen und Delta Kanada, werden jedes Jahr mehrere tausend Schweine mittels CT gescannt. In den Zuchtprogrammen wird die CT-Technologie eingesetzt, um präzise Messungen verschiedener Schlachtkörper- und Gesundheitsmerkmale zu erhalten. Vor der Untersuchung wird jedes Tier sediert. Der Scan selbst hat keine erkennbaren Nebenwirkungen.
Im CT-Scanner wird das Tier aus unterschiedlichen Winkeln mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Gewebearten mit unterschiedlicher spezifischer Dichte, wie Knochen, Muskel und Fett, absorbieren die Strahlung auch in unterschiedlichem Maße. Die Graustufen im CT-Bild spiegeln daher die Dichte des gescannten Gewebes wider. Der Scanner erzeugt hochauflösende 3D-Bilder, und Topigs Norsvin nutzt fortschrittliche Computermodelle, um daraus präzise Messwerte aus den Aufnahmen der gescannten Eber zu gewinnen.
Herausforderungen in der Humanmedizin
Der Aufbau hochwertiger medizinischer Datensätze für Menschen steht vor zwei zentralen Herausforderungen. Erstens müssen Datenquellen vollständig anonymisiert werden, um die Privatsphäre der Patienten zu schützen. Diese Anonymisierung verhindert jedoch, dass Forschende mehrere Messungen derselben Person über einen längeren Zeitraum miteinander verknüpfen können. Dadurch wird es schwierig zu analysieren, wie genetische Faktoren, Umweltbedingungen und Lebensstil gemeinsam gesundheitliche Merkmale beeinflussen. Diese Einschränkung besteht in der Schweinezucht nicht: Hier können vollständige individuelle Datensätze über das gesamte Leben eines Tieres hinweg geführt werden. Dadurch können Forschende Umweltfaktoren berücksichtigen, wenn sie das genetische Potenzial eines Tieres berechnen.
Zweitens spielt die Strahlenbelastung eine wichtige Rolle. Bei CT-Scans wird Röntgenstrahlung eingesetzt. Bei Zuchtebern, die in der Regel maximal zwei bis drei Jahre leben, stellt die Strahlendosis eines Scans kein Gesundheitsrisiko dar, da sich über diesen Zeitraum keine kumulativen Schäden entwickeln können. In der Humanmedizin hingegen werden Patienten häufig über viele Jahre oder sogar Jahrzehnte hinweg wiederholt untersucht. Dadurch wird die Strahlenbelastung zu einem relevanten Thema. Eine hohe kumulative Dosis von Röntgenstrahlung erhöht das Krebsrisiko, weshalb es im Gesundheitswesen eine hohe Priorität hat, die Strahlenexposition möglichst gering zu halten.
Hochwertige Bildgebung bei reduzierter Strahlendosis
Um langfristige Risiken durch CT-Untersuchungen zu reduzieren, kann die Strahlendosis gesenkt werden. Allerdings geht dies in der Regel mit einer geringeren Bildqualität einher. Eine mögliche Lösung besteht darin, künstliche Intelligenz (KI) so zu trainieren, dass sie CT-Bilder verbessert, sodass Aufnahmen mit niedriger Strahlendosis die gleiche Qualität erreichen wie Bilder mit normaler Strahlendosis. Für das Training solcher KI-Modelle werden große Datenmengen benötigt, die nur schwer zu erreichen sind, da menschliche Probanden dafür unnötiger Strahlung ausgesetzt würden.
In Zusammenarbeit mit der Norwegian University of Science and Technology (NTNU) und der Sorbonne University in Paris hat Topigs Norsvin daher wiederholte CT-Scans mit normaler, niedriger (25 %) und ultra-niedriger (5 %) Strahlendosis an 50 Schweinen durchgeführt (siehe Abbildung 1). Diese zusätzlichen Messungen verlängern die Zeit jedes Tieres auf dem CT-Tisch lediglich um wenige Minuten, sodass die zusätzlichen Kosten relativ gering bleiben. Im Gegenzug erhält Topigs Norsvin von seinen Forschungspartnern detailliert ausgewertete Daten zu inneren Organen. Diese Daten können wiederum genutzt werden, um Topigs Norsvins KI-Modelle weiter zu verbessern, zu erweitern und so eine noch genauere Darstellung der Anatomie des Schweins zu ermöglichen.
Entwicklung des Herz-CT ohne Kontrastmittel
CT-Bilder eignen sich gut, um Gewebe mit unterschiedlicher Dichte voneinander zu unterscheiden. Blut und Muskelgewebe haben jedoch eine sehr ähnliche Dichte, weshalb für die Darstellung des Herzens häufig Kontrastmittel in den Blutkreislauf gegeben werden. Kontrastmittel enthalten in der Regel Jod, wodurch das Blut auf den CT-Aufnahmen heller erscheint als der Herzmuskel. Der Einsatz von Kontrastmitteln ist jedoch nicht immer wünschenswert. Herzinsuffizienz steht häufig im Zusammenhang mit Nierenproblemen, und Kontrastmittel können für Menschen mit eingeschränkter Nierenfunktion schädlich sein. Für solche Patienten wird daher häufig die Magnetresonanztomographie (MRT) eingesetzt. Allerdings ist die MRT deutlich teurer und zeitaufwendiger als eine CT-Untersuchung, was in Krankenhäusern zu Engpässen führen kann.
Eine Alternative zur MRT und zu kontrastmittelgestützten Herz-CTs besteht darin, KI-Systeme zu entwickeln, die Blut und Herzgewebe auch in CT-Aufnahmen ohne Kontrastmittel voneinander unterscheiden können. Bei Topigs Norsvin arbeiten Forschende im Rahmen des Projekts „with heart for the pig“ an dieser Herausforderung. Obwohl Kontrastmittel für Schweine kein Gesundheitsrisiko darstellen, sind sie für den Einsatz in der Lebensmittelproduktion nicht zugelassen.
Gemeinsam mit Partnern der Norwegian University of Life Sciences (NMBU) wurden umfangreiche CT-Daten von Schweineherzen gesammelt, um neue Erkenntnisse über die Herzfunktion zu herauszufinden. Jedes Schwein wurde zweimal gescannt: zunächst ohne Kontrastmittel, wenige Sekunden später mit Kontrastmittel. Dieser doppelte Scanansatz erzeugt einen Referenzdatensatz, der Muskelgewebe eindeutig vom Blut unterscheidet und es ermöglicht, KI-Modelle auf die CT-Bilder ohne verwendetes Kontrastmittel zu trainieren.
Abbildung 2: CT-Aufnahme des Herzens mit (links) und ohne (rechts) Kontrastmittel.
Datenfreigabe für weltweite Forschung
Diese Referenzdatensätze sind einzigartig und besitzen ein erhebliches Potenzial für die Entwicklung KI-basierter Bilddiagnostik in der Humanmedizin. In Anerkennung dieser übergreifenden Bedeutung hat Topigs Norsvin beschlossen, sie verschiedenen KI-Forschungsgemeinschaften zugänglich zu machen. Bisher hat das Unternehmen Forschenden der Norwegian University of Science and Technology (NTNU) sowie der Sorbonne University in Paris Zugriff auf diese Daten gewährt. Nun bereitet Topigs Norsvin den Zugriff auf Teile des Datensatzes für Forschende weltweit vor. Durch die Überbrückung der Lücke zwischen landwirtschaftlicher Forschung und medizinischer Innovation zeigt diese Initiative, wie Daten aus der Zucht von Nutztieren dazu beitragen können, zentrale Herausforderungen im menschlichen Gesundheitswesen zu lösen.