2022_V1_RoboterundKI.pdf

Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner Was ist ein Roboter? Was ist ein Roboter? Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Was ist ein Roboter? § Natürlich eine Maschine! Ø Be...

Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner Was ist ein Roboter? Was ist ein Roboter? Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Was ist ein Roboter? § Natürlich eine Maschine! Ø Begriff Roboter leitet sich von „Robota“ aus dem Tschechischen ab und bedeutet „Frondienst“ Ø Roboter dienen dem Menschen und führen dessen Arbeit aus. § Nur wenn eine Maschine physische Arbeit ausrichtet, kann sie als Roboter bezeichnet werden. Ø Computerprogramme, die automatisch sich wiederholende Aufgaben abarbeiten, sogenannte Bots, sind im strengen Sinne keine Roboter! § Roboter sind laut dem „Robotics Institute of America“ Mehrzweckhandhabungsgeräte. Ø Sie können also nicht nur eine Aufgabe erfüllen, sondern lassen sich anpassen. Ø Anpassbar an die Aufgabe: Programmierbar; ausrüstbar mit versch. Werkzeugen § Für ihre Einstufung als Roboter ist es nicht so relevant, ob sie ortsfest arbeiten oder mobil sind. Quelle: Wikipedia: R.U.R.-Inszenierung (um 1935) von Karel Čapek https://de.wikipedia.org/wiki/Karel_%C4%8Capek Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 3 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Welche Roboter gibt es? § Unterteilung in versch. Kategorien je nach Definition! § „Japanese Industrial Robot Association“ unterscheidet nach Fertigkeiten und Einfachheit der Anpassung an Aufgaben: Ø Manuelle Manipulatoren sind KEINE Roboter! 1. Roboter mit festem Ablauf: Nur mit sehr hohem Aufwand anpassbar, wie z.B. auf klassischen Autoproduktionsstraßen 2. Roboter, die eine Anzahl bestimmter Arbeiten in variabler Folge verrichten können. 3. Playback Roboter: Bewegungsabläufe werden durch einen Bediener vorgeführt und abgespeichert. 4. Numerisch gesteuerte Roboter: Bediener entwirft ein Computerprogramm, um den Bewegungsablauf zu definieren. 5. Intelligente Roboter: Geräte, die ihre Umgebung über Sensoren wahrnehmen und über verschiedene Algorithmen und Modelle auswerten und interpretieren. Sie können eine Aufgabe auch bei veränderter Umwelt lösen, indem sie ihr Verhalten eigenständig Quelle: https://www.elektrotechnik.vogel.de/vier-robotertypen-gegen- anpassen und erlangen damit mehr Fertigkeiten. corona-a-977874/ Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 4 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Was ist ein intelligenter Roboter? § Die Intelligenz eines Roboter bestimmt seine Fertigkeiten und sein Einsatzgebiet. § Aber was heißt hier Intelligenz? Was ist künstliche Intelligenz (KI)? „Sophia, the most intelligent robot in the world“? Quelle: https://tekdeeps.com/sophia-the-most-intelligent-robot-in-the-world- Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner admires-the-beauty-of-nature-film-neews/ 5 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege KI: Definition? § KI ist nicht allgemeingültig und klar definiert, Quelle Rover: allgemein anerkannt ist aber die Gruppierung in https://www.youtube.com/watch?v=nl73idcPRcs starke und schwache KI § schwache KI ist einem eng umgrenzten Anwendungsgebiet zugeordnet und löst einzelne Probleme Erkennung von Text, Bild, Sprache intelligente Werbung Navigationssysteme … § starke KI ist bisher nicht realisiert und umfasst eine eigene flexible Intelligenz, die in der Lage ist, selbstständig neue Probleme zu lösen Quelle: https://www.plattform-lernende-systeme.de/mythen.html Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 6 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege KI: Definition? § Subsymbolische KI: datengetrieben - ist in den letzten Jahren immer erfolgreicher geworden u.a. steigende Rechenleistung führte zu „Deep Learning (DL)“ Ansätzen es handelt sich bei DL um „statistische“ Verfahren, die aus Daten Regeln/Muster ableiten Oft sind Entscheidungsgrundlagen nicht immer transparent § Symbolische KI: Regel- und Expertensysteme hier folgt die KI einem Regelwerk… …welches beim Expertensystem von einem menschlichen Experten erstellt wurde der Nutzer ist nicht unbedingt Experte waren in den 80er Jahren sehr erfolgreich Entscheidungen sind durch explizite Regel transparent § Moderne Ansätze wollen symbolische und subsymbolische KI zusammenbringen Quelle: dzbank.de Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 7  CHAPTER 1. INTRODUCTION Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Machine Learning and Was hat Maschinelles Lernen mit KI zu tun? § Erst einmal „eine“ Sammlung von Methoden der KI! § Alan Turing, der Begründer der theoretischen Grundlagen der modernen Computertechnologie, schrieb 1948 bis 1950 in seinem Aufsatz zur Theorie der KI: Deep learning Example: Shallow Example: Example: § Es gibt keine systematisch-mathematische Example: MLPs autoencoders Logistic Knowledge Beschreibung von Intelligenz: regression bases Ø künstliche oder maschinelle Intelligenz kann nur durch Representation learning einen sich permanent wiederholenden Prozess erreicht werden, der die Abbildung kognitiver Phänomene auf Machine learning Maschinen Schritt für Schritt verbessert. Ø Maschinelles Lernen (ML) ist demnach ein „iterativer“ Prozess und stellt seit etwa den 60er Jahren des 20sten AI Jahrhunderts ein eigenes Forschungsfeld dar! Ø ABER: ML ist nur ein Teilgebiet der KI! Figure 1.4: A Venn diagram Quelle: Goodfellow Figure 1.4 showing how deep et. al, learning is a kind of representation learning 2016 which is in turn a kind of machine learning, which is used for many but not all approaches Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 8 to AI. Each section of the Venn diagram includes an example of an AI technology. Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege ML in der Medizin - Ansätze und Herausforderungen Aus der Studie „Sherlock in Health“: Technologien und wirtschaftlicher Nutzen: Bildgebende Verfahren = viele Daten = ML affine Selbstüberwachung der Patienten Auswertung von Röntgenbilder, MR-Bildern, Aufnahmen von Wearables: Einsatz nicht nur zur Fitness Optimierung, Hauttumor oder Gewebeproben sondern auch zur Überwachung von Werten bei chronischen Erkrankungen Früherkennung und Früherkennung von passgenaue Therapie Fettleibigkeit bei Kindern bei Brustkrebs – – Ersparnis 90 Mrd. Euro* Ersparnis 74 Mrd. Euro* Das Ergebnis ist nur so gut wie die Daten! Wem gehören die Daten? * In den kommenden 10 Jahren. Quelle Abbildungen: picabay Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 9 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege ML in der Medizin - Ansätze und Herausforderungen „Was braucht ML?“ local Daten, Daten, Daten… data learnt in großer Menge r! model a local strukturiert sb update standardisiert Lö learnt model local local update data Herausforderung: Datensilos Verfügbarkeit Verwertbarkeit Verknüpfbarkeit Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 10 Quelle Abbildungen: picabay Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege ML in der Medizin - Ansätze und Herausforderungen Reha & Pflege – ein Spezialfall? Involvierte Personen und Noch heterogenere Daten! n g! Institutionen Reine medizinische Daten sind r u nicht ausreichend! e rd e r e fo Hausarzt ß Arbeit rö a us Fach- ärzte Datenebenen: G er Mikroebene H Herr Hobby Ange- Becker (Verein) Individualisierter KI-generierter hörige (datenbasierter) Heilplan Makroebene Mesoebene Therapie- politische Steuerung, Kranken- Vernetzung der Einrichtungen, haus berufe Weiterbildung etc. Pflegende KI-unterstütztes Case Management Digitaler Nachlass Quelle: Plattform Lernende Systeme AG 6 Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 11 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Warum braucht es KI in Robotern? § Fast alle heutigen Industrieroboter sind Automaten, die eine bestimmte Bewegung mit immer gleicher Präzision fast beliebig oft ausführen können. Ø Bewegung ist in der Regel fest programmiert und nur zum Teil beeinflussbar durch die Umgebung. Quelle: https://roboterschweissen.weebly.com/blog/roboter-in-der-auto- industrie Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 12 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Warum braucht es KI in Robotern? § Ohne Künstliche Intelligenz (KI) geht es in anderen Gebieten nicht: Ø Der Einsatz in den Menschen unzugänglich Gebieten verlangt mehr KI, als in wohldefinierten Industrieanwendungen. Ø Einsatz von KI ist oft nötig für Roboter mit komplexer Konstruktion, wie humanoide Roboter, oder Laufroboter. Quelle: https://www.it-daily.net/it-sicherheit/cloud- security/23851-ki-einsatz-in-der-it-security-ja-aber 13 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Autonome (KI-) Roboter – Treiber von KI? Wenn Roboter autonom (eigenständig) agieren sollen, müssen sie… …ihre Fähigkeiten kennen …die Aufgabe verstehen …ggf. den Kontext kennen und verstehen …Einschränkungen ihrer Handlungen kennen …evaluieren, ob sie der Aufgabe bzw. der aktuellen Situation gewachsen sind (Kompetenzanalyse) …lernfähig sein (mit Einschränkung). Es benötigt außerdem die Möglichkeit aus Fehlern zu lernen und geeignete Modi zu finden, um mit anderen Robotern und dem Menschen zu interagieren. llig e nt? nte s td o ch i D as i Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 14 Quelle: Whitepaper „Autonomiegrade“, Plattform Lernende System, 2021 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Was ist KI? Was ist ein intelligenter Roboter? – Fazit? § Achtung bei der Definition! § Intelligente Roboter werden oft als lernende intelligente Roboter gleichgesetzt! Auch wenn das nur ein Teil von KI ausmacht! Øfortgeschrittene Robotern sollen ihr Verhalten eigenständig erlernen und anpassen Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Personal_Robot Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 15  Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Was ist KI? Was ist ein intelligenter Roboter? – Fazit? t zei en e e t m w ar ch r x ith ple ch n ard in E n lgo kom dur egie H nn ere -A t ka agi KI sen ben tra re lö fga e S Au gen ei Quelle: AlphaGo: Besiegt amtierenden https://www.youtube.com/watch Weltmeister ?v=WXHFqTvfFSw AlphaGo Zero: Trainiert sich selbst! Basis: Daten (subsymbolisch) Was ist KI? Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=fRj34o4hN4I KI braucht Beides! Basis: Regeln (symbolisch) Schnelle Hardware und hohe Funktionalität von KI-Algorithmen führen zum aktuellen Robotik-Boom Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 16 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Robotergestütze Rehabilitation: Ist das KI? Exoskeleton-basierte Rehabilitation: 14 Tage nach Schlaganfall: § Unterstützung durch: § Master-slave für Spiegeltherapie (symbolisch / Regelung) § „Teach-in“ für genaue Wiederholung (symbolisch / Regelung) § EMG-kontrollierte Bewegungsauslösung (symbolisch / Regelung & subsymbolisch / ML) § Modus zur Gewichtskompensation (dynamical arm model) (subsymbolisch / Regelung) Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 17 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Kann KI mehr als der Mensch? Kirchner, E. A., Seeland, A., Tabie, M. (2014), PLoS ONE; 18 Wöhrle, H., Tabie, M., Kim, S.-K., Kirchner, F., Kirchner, E. A (2017), In Sensors - Open Access Journal, MDPI Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Verkörperte KI – Ist (nur) DAS wahre KI? Kann KI ohne Körper existieren? Viele sogenannte KI-Verfahren Care-O-Bot 4, Fraunhofer IPA sind „nur“ Robot statistische for Interactive Body Assistance (RIBA), Riken PARO Therapeutic Robot, PARO Robots U.S., Inc Verfahren zur Datenanalyse. Research Ist natürliche Intelligenz mehr als Statistik? Muss künstliche Intelligenz mehr als Statistik sein? Pepper Softbank, Boris Roessler / dpa HAL für Care Support, Cyberdyne Care Robotics Lio, F&P Robo9cs 01(Soziale) January 2021 Interaktion Kraftunterstützung 19 Service/Assistenz Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege KI birgt Risiken! § Fehlerhafte Entscheidung Ø Risiko im Einsatz von ML Methoden Ø Biased AI - Datenauswahl Ø Black Box AI - Algorithmus Quelle: Klemens Budde et al. (Hrsg.): KI in der Medizin und Pflege aus der Perspektive Betroffener. Tagungsbericht zum Runden Tisch mit Patientenvertretungen aus der Plattform Lernende Systeme, § Risiken für die Versorgungsqualität München 2020. Ø Sind Anwender kompetent mit KI umzugehen? Ø Reduzierung des sozialen Kontaktes zu Menschen Ø Angehörige Ø Pfleger § Ethische Fragen Ø Kann der Arzt sich über die KI hinweg setzen? Ø Wer trifft die Entscheidung? Ø Wer ist verantwortlich? Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 20 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Risiken - DIGITALES Abbild (DIGITAL SELF) Wir messen im Prinzip Biometrische Daten… à Biometrischer Daten sind messbare, individuelle Merkmale (Charakteristika) - physiologische (Fingerabdruck, Gesichtsbild, Muster der Iris) oder verhaltensbedingte (Schreibverhalten, Lippenbewegung, Stimme) - zum Zweck der Identifikation/Verifikation einer Person 1 Welche Fragen müssen wir uns stellen? Was ist der Bedarf? Was ist das Ziel? Welche Daten nutzt KI / stehen zur Verfügung? à Psychophysiologische (Biometrische) Daten & à Individuelle Informationen zum Patienten Kann Anonymisierung von Daten in Zukunft die Zuordnung von Daten zu Personen unterbinden? Ist das „digitale Abbild“ nicht genauso einzigartig wie die reale Person? Wenn wir die Möglichkeiten der KI umfänglich nutzen wollen, müssen wir uns mit den Rahmenbedingungen auseinander setzen. 1Quelle: https://www.bfdi.bund.de/DE/Datenschutz/Themen/Technische_Anwendungen/TechnischeAnwendungenArtikel/BiometrieUndDatenschutz.html) 21 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Risiken – Ein Roboter kann stärker sein als ein Mensch! § Sicherheitsmechanismen auf verschiedene Ebenen sind nötig! Quelle: DFKI RIC, CAPIO Projekt Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 22 Roboter und KI in Medizin, Reha und Pflege Risiken – Akzeptanz § Der Einsatz technischer Hebehilfen ist eine wichtige und vom Gesetzgeber ausdrücklich vorgeschriebene Maßnahme zur Prävention von Wirbelsäulenerkrankungen in der Pflege. § ABER: Viele Systeme werden nicht genutzt wegen fehlender Akzeptanz Vassilli Patientenlifter Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 23 Quelle: DFKI RIC, Projekt AdaMeKoR Medizinrobotik Roboter in der Medizin Pflege Chirurgie Prothetik Rehabilita$on Roboter finden in vielen Bereichen der Medizin, wie Sta$onäre Verwendung Roboter Autonomic Sta$onär und Verwendung zu Hause Rehabilitation und Pflege gestützt ambulant zu Hause Pflege Einsatz. Funktionelle Funktionale Kombination Verbesserung Kompensation Quelle: DFKI; Niels Will Tragbare Intelligente Roboter, Prof. Dr. Elsa A. Kirchner 24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr. Elsa A. Kirchner I [email protected] I www.uni-due.de/smt