Die Bedeutung medizinischer Algorithmen für die Notfallmedizin
K.-G. Kanz, U. Lewan, L. Schweiberer
Chirurgische Klinik und Poliklinik, Klinikum Innenstadt,
Ludwig-Maximilans-Universität München
und Arbeitskreis für Notfallmedizin und Rettungswesen der LMU
Index:
Zusammenfassung
Einleitung
Charakteristika medizinischer Algorithmen
Darstellung von Algorithmen
Literatur
Zusammenfassung:
Geregelte Prozeßabläufe führen mit höherer Wahrscheinlichkeit
zu besserer Qualität im Behandlungsverlauf und -ergebnis als Improvisation
und kreatives Chaos. Algorithmen in der Notfallmedizin ermöglichen
eine systematische und praktikable, schnelle und sichere Umsetzung festgelegter
Behandlungsrichtlinien- und empfehlungen.
Algorithmen folgen formalen Regeln und bilden Entscheidungs- und Behandlungsabläufe
sowie Problemlösungen durch festdefinierte Anweisungen ab. Die Darstellung
des Entscheidungsablaufes erfolgt hierbei durch Flußdiagramme, die
mittels eindeutig definierter Ja/Nein-Kriterien der binären Logik folgen.
Die systematische Anordnung der Entscheidungsknoten geschieht prioritätenorientiert
und legt dadurch den Zeitpunkt und Ablauf der jeweiligen Einzelprozesse
in einer logischen Abfolge fest (17). Somit gelingt es, komplexe Behandlungskonzepte
in einen koordinierten, logischen und nachvollziehbaren Gesamtprozeß
mit systematischem Ablauf umzusetzen (23).
Die Anwendung von Algorithmen ermöglicht eine systematische Fehlersuche
im Rahmen des Qualitätsmanagements (26). Systemimmanente, immer wieder
auftretende Fehler und Probleme können bei einheitlichem Vorgehen eindeutig
identifiziert und korrigiert werden (Abb. 1). Bei verschiedenen unterschiedlichen
Vorgehensweisen ist dies auch wegen der größeren Anzahl von Variablen
oft nicht eindeutig möglich.
Abbildung 1: Fehlersuche
Einleitung:
Der Begriff Algorithmus geht auf den arabischen Mathematiker al Chwarismi
zurück, dessen um 820 entstandenes Algebralehrbuch in der spätmittelalterlichen
lateinischen Übersetzung mit den Worten »Dixit Algorizmi«
betitelt wurde (31). In Verbindung mit dem griechischen Wort »arithmos«
für Zahl wurde der Begriff zunächst für die Rechenregeln
des in der Renaissance in Europa eingeführten arabischen Dezimalrechnens
gebraucht. In der Mathematik werden mit Algorithmen Rechenverfahren bezeichnet,
die bestimmte umfangreiche Rechenaufgaben in einer Kette von einzelnen einfachen
Rechenschritten lösen, so zum Beispiel beim Euklidischen Algorithmus
zur Bestimmung des größten gemeinsamen Teilers oder beim Gaußschen
Algorithmus zur Lösung von linearen Gleichungen.
Die schrittweise Umsetzung und formale Erfassung eines mathematischen Problems
durch Algorithmen ermöglichte die Implementierung von Rechenvorgängen
in Computern und führte in der Informatik und Datenverarbeitung zur
Entwicklung der Programmiersprachen ALGOL als Abkürzung für Algorithmic
Language und FORTRAN als Abkürzung für Formula Translator (32).
Mit dem Begriff Algorithmus wird allgemein eine formatierte Folge von festgelegten
Anweisungen zur Lösung eines komplexen Problems in endlich vielen Verarbeitungsschritten
beschrieben.
Charakteristika medizinischer Algorithmen
- Algorithmen repräsentieren anerkannte Richtlinien.
- Algorithmen bilden einheitliche Behandlungsleitlinien.
- Algorithmen gestatten begründete Abweichungen.
- Algorithmen zerlegen komplexe Probleme in Einzelschritte.
- Algorithmen zeigen einen strukturierten Lösungsweg auf.
- Algorithmen vermitteln trotz Zeitdruck Sicherheit.
- Algorithmen machen Behandlungsabläufe transparent.
- Algorithmen ermöglichen eine systematische Fehlersuche.
Darstellung von Algorithmen
Für den Bereich der Informatik und Datenverarbeitung ist die Darstellung
von Flußdiagrammen mittels Symbolen durch die ISO-Norm 5807 (12)
beziehungsweise DIN-Norm 66001 (5) durch technische Regeln festgelegt
und normiert (Abb. 2).
Abbildung 2: Bedeutung der Algorithmus-Symbole nach ISO / DIN
/ CCITT
Der Anfangspunkt oder die Endpunkte eines Flußdiagramms werden durch
das Terminatorsymbol gekennzeichnet. Rechtecke stellen die Verarbeitung,
Rauten die Verzweigungen oder Entscheidungsknoten dar. In der CCITT-Norm
für den Datentransfer in der Telekommunikation finden sich zusätzlich
spezielle Symbole für die Meldungen von und zum Netzwerk. Die einzelnen
Bestandteile werden systematisch angeordnet und durch Richtungspfeile
logisch miteinander verknüpft.
Um eine hinreichende Übersichtlichkeit bei der Formatierung von komplexen
Vorgaben zu erreichen, kann die Bedeutung der in der ISO- und DIN-Norm
angegeben Symbole (Abbildung 3) geringgradig modifiziert werden. Das relativ
großflächige rautenförmige Symbol »Verzweigung«
wird durch das graphisch besser verwendbare Symbol »Programmmodifikation«
ersetzt.
Abbildung 3: Medizinischer Algorithmus – Symbole
Die Verzweigungen oder Entscheidungsknoten selbst werden, den Regeln der
Booleschen Logik entsprechend, durch eindeutig festgelegte Ja/Nein-Kriterien
definiert und die Symbole untereinander mit Richtungspfeilen verknüpft.
Durch fakultativ in den Algorithmus eingeschaltete Checklisten läßt
sich die Zahl der Verzweigungen wie auch der Gesamtumfang im Sinne einer
besseren Übersichtlichkeit begrenzen.
Das unspezifische Symbol »Terminator« für die Ein- und
Ausgangspunkte wird durch die gerichteten Symbole »Meldung von Anwender«
und »Meldung zum Netzwerk« ersetzt. Durch eindeutige Definition
von Ein- und Ausgangspunkten können komplexe Algorithmen zusammenhängende
Teilalgorithmen als Komponenten des Gesamtprozesses aufgeteilt werden.
Die systematische Anordnung der Entscheidungsknoten und der damit verbundenen
diagnostischen und therapeutischen Schleifen erfolgt prioritätenorientiert
und legt dadurch den Zeitpunkt und den Ablauf der jeweilgen Maßnahmen
systematisch in einer logischen Abfolge fest (2, 16, 23, 30).
In der Grundstruktur der Algorithmen werden aus Gründen der Übersichtlichkeit
und Praktikabilität die entscheidenden Verzweigungen als lineare
Grundstruktur linksseitig im Ablauf entsprechend ihrer Priorität
von oben nach unten angeordnet, um bei unauffälligen Befunden einen
schnellen, geradlinigen Durchlauf und die dementsprechende Basistherapie
zu ermöglichen. Bei auffälligen Befunden oder Problemen wird
an den einzelnen Entscheidungsknoten von der linearen Grundstruktur nach
rechts in die betreffenden diagnostischen und therapeutischen Schleifen
abgewichen, die jedoch nach Abarbeitung meist wieder zu der Grundstruktur
zurückkehren oder in einem Ausgangskriterium als Verbindungsstelle
zu einem anderen Teilalgorithmus enden.
Algorithmen dienen als zentrale Schnittstellen für das Qualitätsmanagement.
Die Analyse der drei miteinander verknüpften Einzelqualitäten
Struktur, Prozeß und Ergebnis bildet die Grundlage qualitätsichernder
Maßnahmen (6, 7, 8). Durch Algorithmen werden Richtlinien systematisch
als Verfahrensregeln normiert, verknüpft und formatiert. Dadurch
wird sowohl die Struktur mit apparativen und personellen Voraussetzungen
vorgegeben, als auch der Prozeß des gesamten Behandlungsablaufs
definiert. Während der Standard den angestrebten Soll-Wert repräsentiert,
wird der Ist-Wert durch den Prozeß bestimmt. Die interne Compliance
erfaßt durch den Vergleich von Sollwert und Istwert Abweichungen
des Prozesses vom geforderten Standard, die externe Compliance bewertet
an Hand von Referenzdatenbanken das erreichte Ergebnis im Vergleich zu
anderen Systemen (Abbildung 4).
Abbildung 4: Algorithmen im Qualitätsmanagement Algorithmen
unterliegen durch die Verfahren der Qualitätssicherung einer kontinuierlichen
Überprüfung und Korrektur. Ergebnisse der Forschung und Fortschritte
der Medizin führen zur Revision und Neudefiniton von Behandlungsrichtlinien
und damit von Algorithmen. Da Algorithmen als formatierte Verfahrensregeln
demzufolge Richtlinien repräsentieren und damit als Referenzsystem
(10, 30) dienen können, werden nur diagnostische und therapeutische
Interventionen der Klasse I und Klasse IIa entsprechend dem System der
Klassifikation der American Heart Association (9) implementiert.
| Klasse I:
| Indiziert, sicher wirksam.
|
| Klasse IIa:
| Wahrscheinlich wirksam.
|
| Klasse IIb:
| Eventuell wirksam.
|
| Klasse III:
| Unwirksam oder schädlich.
|
Der Begriff »Algorithmus« wird in der Literatur nicht immer entsprechend
der Vorgaben aus der Informatik und Mathematik verwendet und oft als Synonym
für völlig unterschiedliche Begriffe gebraucht. Allgemein ist
festzustellen, daß insbesondere in der angloamerikanischen Literatur
jede Art von schematischer graphischer Darstellung mit dem Begriff »Algorithmus«
verbunden wird.
Der Begriff wird auch in Deutschland sowohl auf Stufenschemata (9, 13),
auf Entscheidungsbäume (11, 25), als auch auf Flußdiagramme (3,
14, 21, 24) und tatsächliche Algorithmen (2, 21) angewandt.
In medizinischen Algorithmen sind die Merkmale von Stufenschemata und von
Entscheidungsbäumen kombiniert. Stufenschemata werden aufgrund von
bereits vorhandenen Diagnosen angewendet und durchlaufen, Entscheidungsbäume
und Algorithmen hingegen werden problemorientiert eröffnet und führen
im weiteren Ablauf zur Diagnosestellung und Therapieentscheidungen (Tab.
2, Abb. 4).
Abbildung 4: Entscheidungsbaum / Algorithmus / Stufenschema
Tabelle 2: Merkmale von Stufenschemata, Entscheidungsbäumen
und Algorithmen
|
Stufenschema
|
Entscheidungsbaum
|
Algorithmus
|
| Problemorientiert |
Nein
|
Ja
|
Ja
|
| Prioritätenorientiert |
Ja
|
Nein
|
Ja
|
| Lineare Grundstruktur |
Ja
|
Nein
|
Ja
|
| Verzweigungen |
Nein
|
Ja
|
Ja
|
| Schleifen |
Nein
|
Nein
|
Ja
|
| Mehrere Endpunkte |
Nein
|
Ja
|
Ja
|
Die Anordnung der Entscheidungsknoten mit den entspechenden Schleifen an
der linearen Grundstruktur und damit die prioritätenorientierte systematische
Diagnostik und Therapie bis zur endgültigen Diagnosestellung kennzeichnet
ein wesentliches Merkmal von Algorithmen.
Aufgrund der von der Informatik übernommenen Strukturierung können
medizinische Algorithmen in Computerprogramme implementiert werden und damit
die Grundlage für medizinische Expertensysteme zur Entscheidungsfindung
bilden (4).
In Trainingsprogrammen in der Notfallmedizin werden Algorithmen als formatierte,
umfassende Diagnose- und Behandlungskonzepte bereits eingesetzt (16). Algorithmen
dienen aufgrund ihrer Formatierung und Strukturierung als wertvolle Instrumente
für die Patientenversorgung, für die Aus-, Weiter- und Fortbildung
und für Maßnahmen des Qualitätsmanagements.
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Bibliografisches Institut, München.
Dr. med. Karl-Georg Kanz
Chirurgische Klinik und Poliklinik, Klinikum Innenstadt
Ludwig-Maximilians-Universität München
Nußbaumstraße 20
80336 München
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