Autonomer Ultraschall: Avatar schafft Vertrauen

Mehr Vertrauen, weniger Stress: Sehen Patienten während einer autonomen Ultraschalluntersuchung einen Avatar durch eine Virtual-Reality(VR)-Brille sinkt ihr Stresslevel. Der Avatar führt durch die Untersuchung und antwortet auf Fragen.

Patienten fassen mehr Vertrauen in autonome robotische Ultraschallsysteme, wenn sie von einem Avatar angeleitet werden. Das hat Prof. Nassir Navab von der Technischen Universität München (TUM) herausgefunden. Der virtuelle Agent erläutert, was er tut, beantwortet Fragen und kann in beliebigen Sprachen sprechen. Zum Einsatz kommen sollen derartige Systeme besonders in Regionen, in denen es an Ärzten mangelt.

Prozess „menschlicher und freundlicher“ machen

Ein großer Bildschirm, eine Virtual-Reality-Brille, ein Roboterarm mit Ultraschallkopf und ein leistungsfähiger Rechner: Das ist die Ausstattung, die TUM-Forscher Tianyu Song aus dem Lehrstuhl für Informatikanwendungen in der Medizin für die autonome Untersuchung der Aorta, der Halsschlagader oder der Arterie im Unterarm benötigt.

Damit Patienten Vertrauen in das autonome technische System fassen, haben Forschende nun eine virtuelle Umgebung geschaffen. Darin übernimmt ein Avatar die Aufgabe, durch die Untersuchung zu führen. Nachdem die Patienten eine VR-Brille aufsetzen, erscheint er vor ihren Augen, übernimmt die Gesprächsführung und beantwortet Fragen. „Das macht den ganzen Prozess menschlicher und freundlicher“, sagt der Leiter des Lehrstuhls Navab, „und es reduziert nachweislich den Stress bei Nutzerinnen und Nutzern von autonomen Systemen.“

Virtuelle Umgebung senkt den Stresslevel der Behandelten

Um das herauszukriegen, verglichen die Forschenden den Stresspegel von 14 jungen wie älteren, weiblichen wie männlichen Personen miteinander. Drei der vier Szenarien sind mehr oder weniger virtuell unterstützt. Einmal kommt ein Avatar in realem Umfeld zum Einsatz, einmal in einem virtuellen Umfeld, in dem reale Elemente eingeblendet werden und einmal in einer durchweg virtuellen Umgebung. Verglichen wurden sie mit einer Avatar-freien, rein realen Variante.

Die Forschenden verkabelten die Probandinnen und Probanden mit Sensoren für ein Elektrokardiogramm (EKG) und leiteten daraus die Herzfrequenzvariabilität ab. „Je mehr dieser Wert während der Behandlung absinkt, umso höher ist der Stresslevel des jeweiligen Behandelten“, erläutert Song. Das Ergebnis: Alle drei virtuell unterstützen Szenarien erwiesen sich als eindeutig stressärmer als die nicht-virtuelle Behandlung.

Auf die Frage, welchem der drei virtuell unterstützten Szenarien sie am meisten vertrauten und welches sich am besten anfühlte, setzte sich der Avatar in realem Umfeld durch. „Deshalb setzen wir ihn nun auch für Vorführungen ein“, so Navab, dessen Forschungen die Bayerische Forschungsstiftung im Rahmen des Forschungsprojektes ForNeRo (kurz für Forschungsverbund – Nahtlose und ergonomische Integration der Robotik in den klinischen Arbeitsablauf) unterstützt.

Large Language Model spricht Akzente

Der Hauptgrund für den verringerten Stress der Behandelten ist der Avatar, der in den Demonstrationen des Lehrstuhls meist eine weibliche Stimme hat und durch die Untersuchung führt. Er hält den Ultraschallkopf in der Hand und führt ihn zum Arm. Zudem spricht er mit dem Patienten. Damit dies möglich wird, wandelt eine Software die Fragen des Behandelten in Text um, ehe ein Large Language Model auf Basis von vorformulierten Anweisungen geeignete Antworten findet, die dann wiederum in gesprochene Worte umgewandelt werden.

„Ein wichtiger Vertrauensbeweis ist nicht zuletzt, dass der Avatar nicht nur verschiedene Sprachen spricht, sondern auch regionale Akzente“, sagt Forscher Song. So kann das Sprachmodell zum Beispiel mit österreichischem Akzent sprechen oder aber Deutsch mit amerikanischem Akzent. Der Avatar kann zusätzlich nonverbal kommunizieren. Er gestikuliert, legt kurzen Pausen in den Sätzen ein und wendet sich Patientinnen und Patienten zu, wenn sie sprechen.