@article{PassosSouzaJrMendeletal., author = {Passos, Leandro A. and Souza Jr., Luis Antonio de and Mendel, Robert and Ebigbo, Alanna and Probst, Andreas and Messmann, Helmut and Palm, Christoph and Papa, Jo{\~a}o Paulo}, title = {Barrett's esophagus analysis using infinity Restricted Boltzmann Machines}, series = {Journal of Visual Communication and Image Representation}, volume = {59}, journal = {Journal of Visual Communication and Image Representation}, publisher = {Elsevier}, doi = {10.1016/j.jvcir.2019.01.043}, pages = {475 -- 485}, abstract = {The number of patients with Barret's esophagus (BE) has increased in the last decades. Considering the dangerousness of the disease and its evolution to adenocarcinoma, an early diagnosis of BE may provide a high probability of cancer remission. However, limitations regarding traditional methods of detection and management of BE demand alternative solutions. As such, computer-aided tools have been recently used to assist in this problem, but the challenge still persists. To manage the problem, we introduce the infinity Restricted Boltzmann Machines (iRBMs) to the task of automatic identification of Barrett's esophagus from endoscopic images of the lower esophagus. Moreover, since iRBM requires a proper selection of its meta-parameters, we also present a discriminative iRBM fine-tuning using six meta-heuristic optimization techniques. We showed that iRBMs are suitable for the context since it provides competitive results, as well as the meta-heuristic techniques showed to be appropriate for such task.}, subject = {Speiser{\"o}hrenkrankheit}, language = {en} } @misc{ScheppachWeberNunesRauberetal., author = {Scheppach, Markus W. and Weber Nunes, Danilo and Rauber, David and Arizi, X. and Probst, Andreas and Nagl, Sandra and R{\"o}mmele, Christoph and Ebigbo, Alanna and Palm, Christoph and Messmann, Helmut}, title = {K{\"u}nstliche Intelligenz-basierte Erkennung von interventionellen Phasen bei der endoskopischen Submukosadissektion}, series = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, volume = {63}, journal = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, number = {08}, publisher = {Thieme}, address = {Stuttgart}, doi = {10.1055/s-0045-1811093}, pages = {e612 -- e613}, abstract = {Einleitung: Die endoskopische Submukosadissektion (ESD) ist ein komplexes endoskopisches Verfahren, das technische Expertise erfordert. Objektive Methoden zur Analyse von interventionellen Abl{\"a}ufen bei ESD k{\"o}nnten f{\"u}r Qualit{\"a}tssicherung und Ausbildung, wie auch eine automatische Befunderstellung von Nutzen sein. Ziele: In dieser Studie wurde ein KI-Algorithmus f{\"u}r die Erkennung und Klassifizierung der interventionellen Phasen der ESD entwickelt, um die technische Basis f{\"u}r eine standardisierte Leistungsbewertung und automatische Befunderstellung zu schaffen. Methodik: Vollst{\"a}ndige ESD-Videoaufnahmen von 49 Patienten wurden retrospektiv zusammengestellt. Der Datensatz umfasste 6.390.151 Einzelbilder, die alle f{\"u}r die folgenden interventionellen Phasen annotiert wurden: Diagnostik, Markierung, Injektion, Dissektion und H{\"a}mostase. 3.973.712 Bilder (28 Patienten) wurden f{\"u}r das Training eines Video-Swin-Transformers genutzt. Dabei wurde temporale Information durch standardisierte BIldextraktion in festgelegten zeitlichen Abst{\"a}nden zum analysierten Bild inkorporiert. 2.416.439 separate Bilder (21 Patienten) wurden f{\"u}r eine interne Validierung genutzt. Ergebnis: Bei der internen Evaluation erreichte das System insgesamt einen F1-Wert von 0,88. Es wurden F1-Werte von 0,99, 0,89, 0,89, 0,91 und 0,52 f{\"u}r Diagnostik, Markierung, Injektion, Dissektion bzw. Blutungsmanagement gemessen. Die Sensitivit{\"a}ten f{\"u}r dieselben Parameter betrugen 1,00, 0,80, 0,94, 0,89 und 0,67, die Spezifit{\"a}ten lagen bei 1,00, 1,00, 0,98, 0,88 und 0,93. Positive pr{\"a}diktive Werte wurden mit 0,98, 1,00, 0,85, 0,94 und 0,43 gemessen. Schlussfolgerung: In dieser vorl{\"a}ufigen Studie zeigte ein KI-Algorithmus eine hohe Leistungsf{\"a}higkeit f{\"u}r die Einzelbild-Erkennung von Verfahrensphasen w{\"a}hrend der ESD. Die vergleichsweise niedrige Leistung f{\"u}r die Blutungsphase wurde auf das seltene Auftreten von Blutungsepisoden im Trainingsdatensatz zur{\"u}ckgef{\"u}hrt, der zu diesem Zeitpunkt nur Videos in voller L{\"a}nge umfasste. Die zuk{\"u}nftige Entwicklung des Algorithmus wird sich auf die Reduzierung von Klassenungleichgewichten durch selektive Annotationsprotokolle konzentrieren.}, language = {de} } @misc{ScheppachRauberZingleretal., author = {Scheppach, Markus W. and Rauber, David and Zingler, C. and Weber Nunes, Danilo and Probst, Andreas and R{\"o}mmele, Christoph and Nagl, Sandra and Ebigbo, Alanna and Palm, Christoph and Messmann, Helmut}, title = {Instrumentenerkennung w{\"a}hrend der endoskopischen Submukosadissektion mittels k{\"u}nstlicher Intelligenz}, series = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, volume = {63}, journal = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, number = {8}, publisher = {Thieme}, doi = {10.1055/s-0045-1811092}, abstract = {Einleitung: Die endoskopische Submukosadissektion (ESD) ist eine komplexe Technik zur Resektion gastrointestinaler Fr{\"u}hneoplasien. Dabei werden f{\"u}r die verschiedenen Schritte der Intervention spezifische endoskopische Instrumente verwendet. Die pr{\"a}zise und automatische Erkennung und Abgrenzung der verwendeten Instrumente (Injektionsnadeln, elektrochirurgische Messer mit unterschiedlichen Konfigurationen, h{\"a}mostatische Zangen) k{\"o}nnte wertvolle Informationen {\"u}ber den Fortschritt und die Verfahrensmerkmale der ESD liefern und eine automatische standardisierte Berichterstattung erm{\"o}glichen. Ziele: Ziel dieser Studie war die Entwicklung eines KI-Algorithmus zur Erkennung und Delineation von endoskopischen Instrumenten bei der ESD. Methodik: 17 ESD-Videos (9×rektal, 5×{\"o}sophageal, 3×gastrisch) wurden retrospektiv zusammengestellt. Auf 8530 Einzelbilder dieser Videos wurden durch 2 Studienmitarbeiter die folgenden Klassen eingezeichnet: Hakenmesser - Spitze, Hakenmesser - Katheter, Nadelmesser - Spitze und - Katheter, Injektionsnadel -Spitze und - Katheter sowie h{\"a}mostatische Zange - Spitze und - Katheter. Der annotierte Datensatz wurde zum Training eines DeepLabV3+-Deep-Learning-Algorithmus mit ConvNeXt-Backbone zur Erkennung und Abgrenzung der genannten Klassen verwendet. Die Evaluation erfolgte durch 5-fache interne Kreuzvalidierung. Ergebnis: Die Validierung auf Einzelpixelbasis ergab insgesamt einen F1-Score von 0,80, eine Sensitivit{\"a}t von 0,81 und eine Spezifit{\"a}t von 1,00. Es wurden F1-Scores von 1,00, 0,97, 0,80, 0,98, 0,85, 0,97, 0,80, 0,51 bzw. 0,85 f{\"u}r die Klassen Hakenmesser - Katheter und - Spitze, Nadelmesser - Katheter und - Spitze, Injektionsnadel - Katheter und - Spitze, h{\"a}mostatische Zange - Katheter und - Spitze gemessen. Schlussfolgerung: In dieser Studie wurden die wichtigsten endoskopischen Instrumente, die w{\"a}hrend der ESD verwendet werden, mit hoher Genauigkeit erkannt. Die geringere Leistung bei der h{\"a}mostatische Zange - Katheter kann auf die Unterrepr{\"a}sentation dieser Klassen in den Trainingsdaten zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Zuk{\"u}nftige Studien werden sich auf die Erweiterung der Instrumentenklassen sowie auf die Ausbalancierung der Trainingsdaten konzentrieren.}, language = {de} } @article{EbigboMendelProbstetal., author = {Ebigbo, Alanna and Mendel, Robert and Probst, Andreas and Manzeneder, Johannes and Souza Jr., Luis Antonio de and Papa, Jo{\~a}o Paulo and Palm, Christoph and Messmann, Helmut}, title = {Computer-aided diagnosis using deep learning in the evaluation of early oesophageal adenocarcinoma}, series = {GuT}, volume = {68}, journal = {GuT}, number = {7}, publisher = {British Society of Gastroenterology}, doi = {10.1136/gutjnl-2018-317573}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:898-opus4-68}, pages = {1143 -- 1145}, abstract = {Computer-aided diagnosis using deep learning (CAD-DL) may be an instrument to improve endoscopic assessment of Barrett's oesophagus (BE) and early oesophageal adenocarcinoma (EAC). Based on still images from two databases, the diagnosis of EAC by CAD-DL reached sensitivities/specificities of 97\%/88\% (Augsburg data) and 92\%/100\% (Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention [MICCAI] data) for white light (WL) images and 94\%/80\% for narrow band images (NBI) (Augsburg data), respectively. Tumour margins delineated by experts into images were detected satisfactorily with a Dice coefficient (D) of 0.72. This could be a first step towards CAD-DL for BE assessment. If developed further, it could become a useful adjunctive tool for patient management.}, subject = {Speiser{\"o}hrenkrebs}, language = {en} } @misc{ScheppachMendelProbstetal., author = {Scheppach, Markus W. and Mendel, Robert and Probst, Andreas and Rauber, David and R{\"u}ckert, Tobias and Meinikheim, Michael and Palm, Christoph and Messmann, Helmut and Ebigbo, Alanna}, title = {Real-time detection and delineation of tissue during third-space endoscopy using artificial intelligence (AI)}, series = {Endoscopy}, volume = {55}, journal = {Endoscopy}, number = {S02}, publisher = {Thieme}, doi = {10.1055/s-0043-1765128}, pages = {S53 -- S54}, abstract = {Aims AI has proven great potential in assisting endoscopists in diagnostics, however its role in therapeutic endoscopy remains unclear. Endoscopic submucosal dissection (ESD) is a technically demanding intervention with a slow learning curve and relevant risks like bleeding and perforation. Therefore, we aimed to develop an algorithm for the real-time detection and delineation of relevant structures during third-space endoscopy. Methods 5470 still images from 59 full length videos (47 ESD, 12 POEM) were annotated. 179681 additional unlabeled images were added to the training dataset. Consequently, a DeepLabv3+ neural network architecture was trained with the ECMT semi-supervised algorithm (under review elsewhere). Evaluation of vessel detection was performed on a dataset of 101 standardized video clips from 15 separate third-space endoscopy videos with 200 predefined blood vessels. Results Internal validation yielded an overall mean Dice score of 85\% (68\% for blood vessels, 86\% for submucosal layer, 88\% for muscle layer). On the video test data, the overall vessel detection rate (VDR) was 94\% (96\% for ESD, 74\% for POEM). The median overall vessel detection time (VDT) was 0.32 sec (0.3 sec for ESD, 0.62 sec for POEM). Conclusions Evaluation of the developed algorithm on a video test dataset showed high VDR and quick VDT, especially for ESD. Further research will focus on a possible clinical benefit of the AI application for VDR and VDT during third-space endoscopy.}, subject = {Speiser{\"o}hrenkrankheit}, language = {en} } @inproceedings{MendelEbigboProbstetal., author = {Mendel, Robert and Ebigbo, Alanna and Probst, Andreas and Messmann, Helmut and Palm, Christoph}, title = {Barrett's Esophagus Analysis Using Convolutional Neural Networks}, series = {Bildverarbeitung f{\"u}r die Medizin 2017; Algorithmen - Systeme - Anwendungen. Proceedings des Workshops vom 12. bis 14. M{\"a}rz 2017 in Heidelberg}, booktitle = {Bildverarbeitung f{\"u}r die Medizin 2017; Algorithmen - Systeme - Anwendungen. Proceedings des Workshops vom 12. bis 14. M{\"a}rz 2017 in Heidelberg}, publisher = {Springer}, address = {Berlin}, doi = {10.1007/978-3-662-54345-0_23}, pages = {80 -- 85}, abstract = {We propose an automatic approach for early detection of adenocarcinoma in the esophagus. High-definition endoscopic images (50 cancer, 50 Barrett) are partitioned into a dataset containing approximately equal amounts of patches showing cancerous and non-cancerous regions. A deep convolutional neural network is adapted to the data using a transfer learning approach. The final classification of an image is determined by at least one patch, for which the probability being a cancer patch exceeds a given threshold. The model was evaluated with leave one patient out cross-validation. With sensitivity and specificity of 0.94 and 0.88, respectively, our findings improve recently published results on the same image data base considerably. Furthermore, the visualization of the class probabilities of each individual patch indicates, that our approach might be extensible to the segmentation domain.}, subject = {Speiser{\"o}hrenkrebs}, language = {en} } @article{SouzaJrPassosSantanaetal., author = {Souza Jr., Luis Antonio de and Passos, Leandro A. and Santana, Marcos Cleison S. and Mendel, Robert and Rauber, David and Ebigbo, Alanna and Probst, Andreas and Messmann, Helmut and Papa, Jo{\~a}o Paulo and Palm, Christoph}, title = {Layer-selective deep representation to improve esophageal cancer classification}, series = {Medical \& Biological Engineering \& Computing}, volume = {62}, journal = {Medical \& Biological Engineering \& Computing}, publisher = {Springer Nature}, address = {Heidelberg}, doi = {10.1007/s11517-024-03142-8}, pages = {3355 -- 3372}, abstract = {Even though artificial intelligence and machine learning have demonstrated remarkable performances in medical image computing, their accountability and transparency level must be improved to transfer this success into clinical practice. The reliability of machine learning decisions must be explained and interpreted, especially for supporting the medical diagnosis.For this task, the deep learning techniques' black-box nature must somehow be lightened up to clarify its promising results. Hence, we aim to investigate the impact of the ResNet-50 deep convolutional design for Barrett's esophagus and adenocarcinoma classification. For such a task, and aiming at proposing a two-step learning technique, the output of each convolutional layer that composes the ResNet-50 architecture was trained and classified for further definition of layers that would provide more impact in the architecture. We showed that local information and high-dimensional features are essential to improve the classification for our task. Besides, we observed a significant improvement when the most discriminative layers expressed more impact in the training and classification of ResNet-50 for Barrett's esophagus and adenocarcinoma classification, demonstrating that both human knowledge and computational processing may influence the correct learning of such a problem.}, language = {en} } @article{EbigboMendelProbstetal., author = {Ebigbo, Alanna and Mendel, Robert and Probst, Andreas and Meinikheim, Michael and Byrne, Michael F. and Messmann, Helmut and Palm, Christoph}, title = {Multimodal imaging for detection and segmentation of Barrett's esophagus-related neoplasia using artificial intelligence}, series = {Endoscopy}, volume = {54}, journal = {Endoscopy}, number = {10}, edition = {E-Video}, publisher = {Georg Thieme Verlag}, address = {Stuttgart}, doi = {10.1055/a-1704-7885}, pages = {1}, abstract = {The early diagnosis of cancer in Barrett's esophagus is crucial for improving the prognosis. However, identifying Barrett's esophagus-related neoplasia (BERN) is challenging, even for experts [1]. Four-quadrant biopsies may improve the detection of neoplasia, but they can be associated with sampling errors. The application of artificial intelligence (AI) to the assessment of Barrett's esophagus could improve the diagnosis of BERN, and this has been demonstrated in both preclinical and clinical studies [2] [3]. In this video demonstration, we show the accurate detection and delineation of BERN in two patients ([Video 1]). In part 1, the AI system detects a mucosal cancer about 20 mm in size and accurately delineates the lesion in both white-light and narrow-band imaging. In part 2, a small island of BERN with high-grade dysplasia is detected and delineated in white-light, narrow-band, and texture and color enhancement imaging. The video shows the results using a transparent overlay of the mucosal cancer in real time as well as a full segmentation preview. Additionally, the optical flow allows for the assessment of endoscope movement, something which is inversely related to the reliability of the AI prediction. We demonstrate that multimodal imaging can be applied to the AI-assisted detection and segmentation of even small focal lesions in real time.}, language = {en} } @misc{MeinikheimMendelProbstetal., author = {Meinikheim, Michael and Mendel, Robert and Probst, Andreas and Scheppach, Markus W. and Messmann, Helmut and Palm, Christoph and Ebigbo, Alanna}, title = {Optical Flow als Methode zur Qualit{\"a}tssicherung KI-unterst{\"u}tzter Untersuchungen von Barrett-{\"O}sophagus und Barrett-{\"O}sophagus assoziierten Neoplasien}, series = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, volume = {60}, journal = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, number = {08}, publisher = {Georg Thieme Verlag}, address = {Stuttgart}, doi = {10.1055/s-0042-1754997}, abstract = {Einleitung {\"U}berm{\"a}ßige Bewegung im Bild kann die Performance von auf k{\"u}nstlicher Intelligenz (KI) basierenden klinischen Entscheidungsunterst{\"u}tzungssystemen (CDSS) reduzieren. Optical Flow (OF) ist eine Methode zur Lokalisierung und Quantifizierung von Bewegungen zwischen aufeinanderfolgenden Bildern. Ziel Ziel ist es, die Mensch-Computer-Interaktion (HCI) zu verbessern und Endoskopiker die unser KI-System „Barrett-Ampel" zur Unterst{\"u}tzung bei der Beurteilung von Barrett-{\"O}sophagus (BE) verwenden, ein Echtzeit-Feedback zur aktuellen Datenqualit{\"a}t anzubieten. Methodik Dazu wurden unver{\"a}nderte Videos in „Weißlicht" (WL), „Narrow Band Imaging" (NBI) und „Texture and Color Enhancement Imaging" (TXI) von acht endoskopischen Untersuchungen von histologisch gesichertem BE und mit Barrett-{\"O}sophagus assoziierten Neoplasien (BERN) durch unseren KI-Algorithmus analysiert. Der zur Bewertung der Bildqualit{\"a}t verwendete OF beinhaltete die mittlere Magnitude und die Entropie des Histogramms der Winkel. Frames wurden automatisch extrahiert, wenn die vordefinierten Schwellenwerte von 3,0 f{\"u}r die mittlere Magnitude und 9,0 f{\"u}r die Entropie des Histogramms der Winkel {\"u}berschritten wurden. Experten sahen sich zun{\"a}chst die Videos ohne KI-Unterst{\"u}tzung an und bewerteten, ob St{\"o}rfaktoren die Sicherheit mit der eine Diagnose im vorliegenden Fall gestellt werden kann negativ beeinflussen. Anschließend {\"u}berpr{\"u}ften sie die extrahierten Frames. Ergebnis Gleichm{\"a}ßige Bewegung in eine Richtung, wie etwa beim Vorschieben des Endoskops, spiegelte sich, bei insignifikant ver{\"a}nderter Entropie, in einer Erh{\"o}hung der Magnitude wider. Chaotische Bewegung, zum Beispiel w{\"a}hrend dem Sp{\"u}len, war mit erh{\"o}hter Entropie assoziiert. Insgesamt war eine unruhige endoskopische Darstellung, Fl{\"u}ssigkeit sowie {\"u}berm{\"a}ßige {\"O}sophagusmotilit{\"a}t mit erh{\"o}htem OF assoziiert und korrelierte mit der Meinung der Experten {\"u}ber die Qualit{\"a}t der Videos. Der OF und die subjektive Wahrnehmung der Experten {\"u}ber die Verwertbarkeit der vorliegenden Bildsequenzen korrelierten direkt proportional. Wenn die vordefinierten Schwellenwerte des OF {\"u}berschritten wurden, war die damit verbundene Bildqualit{\"a}t in 94\% der F{\"a}lle f{\"u}r eine definitive Interpretation auch f{\"u}r Experten unzureichend. Schlussfolgerung OF hat das Potenzial Endoskopiker ein Echtzeit-Feedback {\"u}ber die Qualit{\"a}t des Dateninputs zu bieten und so nicht nur die HCI zu verbessern, sondern auch die optimale Performance von KI-Algorithmen zu erm{\"o}glichen.}, language = {de} } @misc{MeinikheimMendelScheppachetal., author = {Meinikheim, Michael and Mendel, Robert and Scheppach, Markus W. and Probst, Andreas and Prinz, Friederike and Schwamberger, Tanja and Schlottmann, Jakob and G{\"o}lder, Stefan Karl and Walter, Benjamin and Steinbr{\"u}ck, Ingo and Palm, Christoph and Messmann, Helmut and Ebigbo, Alanna}, title = {Einsatz von k{\"u}nstlicher Intelligenz (KI) als Entscheidungsunterst{\"u}tzungssystem f{\"u}r nicht-Experten bei der Beurteilung von Barrett-{\"O}sophagus assoziierten Neoplasien (BERN)}, series = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, volume = {60}, journal = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, number = {4}, publisher = {Thieme}, address = {Stuttgart}, doi = {10.1055/s-0042-1745653}, pages = {251}, abstract = {Einleitung Die sichere Detektion und Charakterisierung von Barrett-{\"O}sophagus assoziierten Neoplasien (BERN) stellt selbst f{\"u}r erfahrene Endoskopiker eine Herausforderung dar. Ziel Ziel dieser Studie ist es, den Add-on Effekt eines k{\"u}nstlichen Intelligenz (KI) Systems (Barrett-Ampel) als Entscheidungsunterst{\"u}zungssystem f{\"u}r Endoskopiker ohne Expertise bei der Untersuchung von BERN zu evaluieren. Material und Methodik Zw{\"o}lf Videos in „Weißlicht" (WL), „narrow-band imaging" (NBI) und „texture and color enhanced imaging" (TXI) von histologisch best{\"a}tigten Barrett-Metaplasien oder BERN wurden von Experten und Untersuchern ohne Barrett-Expertise evaluiert. Die Probanden wurden dazu aufgefordert in den Videos auftauchende BERN zu identifizieren und gegebenenfalls die optimale Biopsiestelle zu markieren. Unser KI-System wurde demselben Test unterzogen, wobei dieses BERN in Echtzeit segmentierte und farblich von umliegendem Epithel differenzierte. Anschließend wurden den Probanden die Videos mit zus{\"a}tzlicher KI-Unterst{\"u}tzung gezeigt. Basierend auf dieser neuen Information, wurden die Probanden zu einer Reevaluation ihrer initialen Beurteilung aufgefordert. Ergebnisse Die „Barrett-Ampel" identifizierte unabh{\"a}ngig von den verwendeten Darstellungsmodi (WL, NBI, TXI) alle BERN. Zwei entz{\"u}ndlich ver{\"a}nderte L{\"a}sionen wurden fehlinterpretiert (Genauigkeit=75\%). W{\"a}hrend Experten vergleichbare Ergebnisse erzielten (Genauigkeit=70,8\%), hatten Endoskopiker ohne Expertise bei der Beurteilung von Barrett-Metaplasien eine Genauigkeit von lediglich 58,3\%. Wurden die nicht-Experten allerdings von unserem KI-System unterst{\"u}tzt, erreichten diese eine Genauigkeit von 75\%. Zusammenfassung Unser KI-System hat das Potential als Entscheidungsunterst{\"u}tzungssystem bei der Differenzierung zwischen Barrett-Metaplasie und BERN zu fungieren und so Endoskopiker ohne entsprechende Expertise zu assistieren. Eine Limitation dieser Studie ist die niedrige Anzahl an eingeschlossenen Videos. Um die Ergebnisse dieser Studie zu best{\"a}tigen, m{\"u}ssen randomisierte kontrollierte klinische Studien durchgef{\"u}hrt werden.}, language = {de} } @misc{MeinikheimMendelScheppachetal., author = {Meinikheim, Michael and Mendel, Robert and Scheppach, Markus W. and Probst, Andreas and Prinz, Friederike and Schwamberger, Tanja and Schlottmann, Jakob and G{\"o}lder, Stefan Karl and Walter, Benjamin and Steinbr{\"u}ck, Ingo and Palm, Christoph and Messmann, Helmut and Ebigbo, Alanna}, title = {INFLUENCE OF AN ARTIFICIAL INTELLIGENCE (AI) BASED DECISION SUPPORT SYSTEM (DSS) ON THE DIAGNOSTIC PERFORMANCE OF NON-EXPERTS IN BARRETT´S ESOPHAGUS RELATED NEOPLASIA (BERN)}, series = {Endoscopy}, volume = {54}, journal = {Endoscopy}, number = {S 01}, publisher = {Thieme}, doi = {10.1055/s-00000012}, pages = {S39}, abstract = {Aims Barrett´s esophagus related neoplasia (BERN) is difficult to detect and characterize during endoscopy, even for expert endoscopists. We aimed to assess the add-on effect of an Artificial Intelligence (AI) algorithm (Barrett-Ampel) as a decision support system (DSS) for non-expert endoscopists in the evaluation of Barrett's esophagus (BE) and BERN. Methods Twelve videos with multimodal imaging white light (WL), narrow-band imaging (NBI), texture and color enhanced imaging (TXI) of histologically confirmed BE and BERN were assessed by expert and non-expert endoscopists. For each video, endoscopists were asked to identify the area of BERN and decide on the biopsy spot. Videos were assessed by the AI algorithm and regions of BERN were highlighted in real-time by a transparent overlay. Finally, endoscopists were shown the AI videos and asked to either confirm or change their initial decision based on the AI support. Results Barrett-Ampel correctly identified all areas of BERN, irrespective of the imaging modality (WL, NBI, TXI), but misinterpreted two inflammatory lesions (Accuracy=75\%). Expert endoscopists had a similar performance (Accuracy=70,8\%), while non-experts had an accuracy of 58.3\%. When AI was implemented as a DSS, non-expert endoscopists improved their diagnostic accuracy to 75\%. Conclusions AI may have the potential to support non-expert endoscopists in the assessment of videos of BE and BERN. Limitations of this study include the low number of videos used. Randomized clinical trials in a real-life setting should be performed to confirm these results.}, subject = {Speiser{\"o}hrenkrankheit}, language = {en} } @article{ScheppachMendelProbstetal., author = {Scheppach, Markus W. and Mendel, Robert and Probst, Andreas and Meinikheim, Michael and Palm, Christoph and Messmann, Helmut and Ebigbo, Alanna}, title = {ARTIFICIAL INTELLIGENCE (AI) - ASSISTED VESSEL AND TISSUE RECOGNITION IN THIRD-SPACE ENDOSCOPY}, series = {Endoscopy}, volume = {54}, journal = {Endoscopy}, number = {S01}, publisher = {Thieme}, doi = {10.1055/s-0042-1745037}, pages = {S175}, abstract = {Aims Third-space endoscopy procedures such as endoscopic submucosal dissection (ESD) and peroral endoscopic myotomy (POEM) are complex interventions with elevated risk of operator-dependent adverse events, such as intra-procedural bleeding and perforation. We aimed to design an artificial intelligence clinical decision support solution (AI-CDSS, "Smart ESD") for the detection and delineation of vessels, tissue structures, and instruments during third-space endoscopy procedures. Methods Twelve full-length third-space endoscopy videos were extracted from the Augsburg University Hospital database. 1686 frames were annotated for the following categories: Submucosal layer, blood vessels, electrosurgical knife and endoscopic instrument. A DeepLabv3+neural network with a 101-layer ResNet backbone was trained and validated internally. Finally, the ability of the AI system to detect visible vessels during ESD and POEM was determined on 24 separate video clips of 7 to 46 seconds duration and showing 33 predefined vessels. These video clips were also assessed by an expert in third-space endoscopy. Results Smart ESD showed a vessel detection rate (VDR) of 93.94\%, while an average of 1.87 false positive signals were recorded per minute. VDR of the expert endoscopist was 90.1\% with no false positive findings. On the internal validation data set using still images, the AI system demonstrated an Intersection over Union (IoU), mean Dice score and pixel accuracy of 63.47\%, 76.18\% and 86.61\%, respectively. Conclusions This is the first AI-CDSS aiming to mitigate operator-dependent limitations during third-space endoscopy. Further clinical trials are underway to better understand the role of AI in such procedures.}, language = {en} } @misc{ScheppachMendelProbstetal., author = {Scheppach, Markus W. and Mendel, Robert and Probst, Andreas and Meinikheim, Michael and Palm, Christoph and Messmann, Helmut and Ebigbo, Alanna}, title = {Artificial Intelligence (AI) - assisted vessel and tissue recognition during third space endoscopy (Smart ESD)}, series = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, volume = {60}, journal = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, number = {08}, publisher = {Georg Thieme Verlag}, address = {Stuttgart}, doi = {10.1055/s-0042-1755110}, abstract = {Clinical setting Third space procedures such as endoscopic submucosal dissection (ESD) and peroral endoscopic myotomy (POEM) are complex minimally invasive techniques with an elevated risk for operator-dependent adverse events such as bleeding and perforation. This risk arises from accidental dissection into the muscle layer or through submucosal blood vessels as the submucosal cutting plane within the expanding resection site is not always apparent. Deep learning algorithms have shown considerable potential for the detection and characterization of gastrointestinal lesions. So-called AI - clinical decision support solutions (AI-CDSS) are commercially available for polyp detection during colonoscopy. Until now, these computer programs have concentrated on diagnostics whereas an AI-CDSS for interventional endoscopy has not yet been introduced. We aimed to develop an AI-CDSS („Smart ESD") for real-time intra-procedural detection and delineation of blood vessels, tissue structures and endoscopic instruments during third-space endoscopic procedures. Characteristics of Smart ESD An AI-CDSS was invented that delineates blood vessels, tissue structures and endoscopic instruments during third-space endoscopy in real-time. The output can be displayed by an overlay over the endoscopic image with different modes of visualization, such as a color-coded semitransparent area overlay, or border tracing (demonstration video). Hereby the optimal layer for dissection can be visualized, which is close above or directly at the muscle layer, depending on the applied technique (ESD or POEM). Furthermore, relevant blood vessels (thickness> 1mm) are delineated. Spatial proximity between the electrosurgical knife and a blood vessel triggers a warning signal. By this guidance system, inadvertent dissection through blood vessels could be averted. Technical specifications A DeepLabv3+ neural network architecture with KSAC and a 101-layer ResNeSt backbone was used for the development of Smart ESD. It was trained and validated with 2565 annotated still images from 27 full length third-space endoscopic videos. The annotation classes were blood vessel, submucosal layer, muscle layer, electrosurgical knife and endoscopic instrument shaft. A test on a separate data set yielded an intersection over union (IoU) of 68\%, a Dice Score of 80\% and a pixel accuracy of 87\%, demonstrating a high overlap between expert and AI segmentation. Further experiments on standardized video clips showed a mean vessel detection rate (VDR) of 85\% with values of 92\%, 70\% and 95\% for POEM, rectal ESD and esophageal ESD respectively. False positive measurements occurred 0.75 times per minute. 7 out of 9 vessels which caused intraprocedural bleeding were caught by the algorithm, as well as both vessels which required hemostasis via hemostatic forceps. Future perspectives Smart ESD performed well for vessel and tissue detection and delineation on still images, as well as on video clips. During a live demonstration in the endoscopy suite, clinical applicability of the innovation was examined. The lag time for processing of the live endoscopic image was too short to be visually detectable for the interventionist. Even though the algorithm could not be applied during actual dissection by the interventionist, Smart ESD appeared readily deployable during visual assessment by ESD experts. Therefore, we plan to conduct a clinical trial in order to obtain CE-certification of the algorithm. This new technology may improve procedural safety and speed, as well as training of modern minimally invasive endoscopic resection techniques.}, subject = {Bildgebendes Verfahren}, language = {en} } @misc{MeinikheimMendelProbstetal., author = {Meinikheim, Michael and Mendel, Robert and Probst, Andreas and Scheppach, Markus W. and Messmann, Helmut and Palm, Christoph and Ebigbo, Alanna}, title = {Barrett-Ampel}, series = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, volume = {60}, journal = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, number = {08}, publisher = {Georg Thieme Verlag}, address = {Stuttgart}, doi = {10.1055/s-0042-1755109}, abstract = {Hintergrund Adenokarzinome des {\"O}sophagus sind bis heute mit einer infausten Prognose vergesellschaftet (1). Obwohl Endoskopiker mit Barrett-{\"O}sophagus als Pr{\"a}kanzerose konfrontiert werden, ist vor allem f{\"u}r nicht-Experten die Differenzierung zwischen Barrett-{\"O}sophagus ohne Dysplasie und assoziierten Neoplasien mitunter schwierig. Existierende Biopsieprotokolle (z.B. Seattle Protokoll) sind oftmals unzuverl{\"a}ssig (2). Eine fr{\"u}hzeitige Diagnose des Adenokarzinoms ist allerdings von fundamentaler Bedeutung f{\"u}r die Prognose des Patienten. Forschungsansatz Auf der Grundlage dieser Problematik, entwickelten wir in Kooperation mit dem Forschungslabor „Regensburg Medical Image Computing (ReMIC)" der OTH Regensburg ein auf k{\"u}nstlicher Intelligenz (KI) basiertes Entscheidungsunterst{\"u}tzungssystem (CDSS). Das auf einer DeepLabv3+ neuronalen Netzwerkarchitektur basierende CDSS differenziert mittels Mustererkennung Barrett- {\"O}sophagus ohne Dysplasie von Barrett-{\"O}sophagus mit Dysplasie bzw. Neoplasie („Klassifizierung"). Hierbei werden gemittelte Ausgabewahrscheinlichkeiten mit einem vom Benutzer definierten Schwellenwert verglichen. F{\"u}r Vorhersagen, die den Schwellenwert {\"u}berschreiten, berechnen wir die Kontur der Region und die Fl{\"a}che. Sobald die vorhergesagte L{\"a}sion eine bestimmte Gr{\"o}ße in der Eingabe {\"u}berschreitet, heben wir sie und ihren Umriss hervor. So erm{\"o}glicht eine farbkodierte Visualisierung eine Abgrenzung zwischen Dysplasie bzw. Neoplasie und normalem Barrett-Epithel („Segmentierung"). In einer Studie an Bildern in „Weißlicht" (WL) und „Narrow Band Imaging" (NBI) demonstrierten wir eine Sensitivit{\"a}t von mehr als 90\% und eine Spezifit{\"a}t von mehr als 80\% (3). In einem n{\"a}chsten Schritt, differenzierte unser KI-Algorithmus Barrett- Metaplasien von assoziierten Neoplasien anhand von zuf{\"a}llig abgegriffenen Bildern in Echtzeit mit einer Accuracy von 89.9\% (4). Darauf folgend, entwickelten wir unser System dahingehend weiter, dass unser Algorithmus nun auch dazu in der Lage ist, Untersuchungsvideos in WL, NBI und „Texture and Color Enhancement Imaging" (TXI) in Echtzeit zu analysieren (5). Aktuell f{\"u}hren wir eine Studie in einem randomisiert-kontrollierten Ansatz an unver{\"a}nderten Untersuchungsvideos in WL, NBI und TXI durch. Ausblick Um Patienten mit aus Barrett-Metaplasien resultierenden Neoplasien fr{\"u}hestm{\"o}glich an „High-Volume"-Zentren {\"u}berweisen zu k{\"o}nnen, soll unser KI-Algorithmus zuk{\"u}nftig vor allem Endoskopiker ohne extensive Erfahrung bei der Beurteilung von Barrett- {\"O}sophagus in der Krebsfr{\"u}herkennung unterst{\"u}tzen.}, subject = {Speiser{\"o}hrenkrebs}, language = {de} } @misc{ScheppachMendelProbstetal., author = {Scheppach, Markus W. and Mendel, Robert and Probst, Andreas and Meinikheim, Michael and Palm, Christoph and Messmann, Helmut and Ebigbo, Alanna}, title = {Intraprozedurale Strukturerkennung bei Third-Space Endoskopie mithilfe eines Deep-Learning Algorithmus}, series = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, volume = {60}, journal = {Zeitschrift f{\"u}r Gastroenterologie}, number = {04}, publisher = {Thieme}, address = {Stuttgart}, doi = {10.1055/s-0042-1745652}, pages = {e250-e251}, abstract = {Einleitung Third-Space Interventionen wie die endoskopische Submukosadissektion (ESD) und die perorale endoskopische Myotomie (POEM) sind technisch anspruchsvoll und mit einem erh{\"o}hten Risiko f{\"u}r intraprozedurale Komplikationen wie Blutung oder Perforation assoziiert. Moderne Computerprogramme zur Unterst{\"u}tzung bei diagnostischen Entscheidungen werden unter Einsatz von k{\"u}nstlicher Intelligenz (KI) in der Endoskopie bereits erfolgreich eingesetzt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, relevante anatomische Strukturen mithilfe eines Deep-Learning Algorithmus zu detektieren und segmentieren, um die Sicherheit und Anwendbarkeit von ESD und POEM zu erh{\"o}hen. Methoden Zw{\"o}lf Videoaufnahmen in voller L{\"a}nge von Third-Space Endoskopien wurden aus der Datenbank des Universit{\"a}tsklinikums Augsburg extrahiert. 1686 Einzelbilder wurden f{\"u}r die Kategorien Submukosa, Blutgef{\"a}ß, Dissektionsmesser und endoskopisches Instrument annotiert und segmentiert. Mit diesem Datensatz wurde ein DeepLabv3+neuronales Netzwerk auf der Basis eines ResNet mit 101 Schichten trainiert und intern anhand der Parameter Intersection over Union (IoU), Dice Score und Pixel Accuracy validiert. Die F{\"a}higkeit des Algorithmus zur Gef{\"a}ßdetektion wurde anhand von 24 Videoclips mit einer Spieldauer von 7 bis 46 Sekunden mit 33 vordefinierten Gef{\"a}ßen evaluiert. Anhand dieses Tests wurde auch die Gef{\"a}ßdetektionsrate eines Experten in der Third-Space Endoskopie ermittelt. Ergebnisse Der Algorithmus zeigte eine Gef{\"a}ßdetektionsrate von 93,94\% mit einer mittleren Rate an falsch positiven Signalen von 1,87 pro Minute. Die Gef{\"a}ßdetektionsrate des Experten lag bei 90,1\% ohne falsch positive Ergebnisse. In der internen Validierung an Einzelbildern wurde eine IoU von 63,47\%, ein mittlerer Dice Score von 76,18\% und eine Pixel Accuracy von 86,61\% ermittelt. Zusammenfassung Dies ist der erste KI-Algorithmus, der f{\"u}r den Einsatz in der therapeutischen Endoskopie entwickelt wurde. Pr{\"a}limin{\"a}re Ergebnisse deuten auf eine mit Experten vergleichbare Detektion von Gef{\"a}ßen w{\"a}hrend der Untersuchung hin. Weitere Untersuchungen sind n{\"o}tig, um die Leistung des Algorithmus im Vergleich zum Experten genauer zu eruieren sowie einen m{\"o}glichen klinischen Nutzen zu ermitteln.}, language = {de} } @article{SouzaJrPachecoPassosetal., author = {Souza Jr., Luis Antonio de and Pacheco, Andr{\´e} G.C. and Passos, Leandro A. and Santana, Marcos Cleison S. and Mendel, Robert and Ebigbo, Alanna and Probst, Andreas and Messmann, Helmut and Palm, Christoph and Papa, Jo{\~a}o Paulo}, title = {DeepCraftFuse: visual and deeply-learnable features work better together for esophageal cancer detection in patients with Barrett's esophagus}, series = {Neural Computing and Applications}, volume = {36}, journal = {Neural Computing and Applications}, publisher = {Springer}, address = {London}, doi = {10.1007/s00521-024-09615-z}, pages = {10445 -- 10459}, abstract = {Limitations in computer-assisted diagnosis include lack of labeled data and inability to model the relation between what experts see and what computers learn. Even though artificial intelligence and machine learning have demonstrated remarkable performances in medical image computing, their accountability and transparency level must be improved to transfer this success into clinical practice. The reliability of machine learning decisions must be explained and interpreted, especially for supporting the medical diagnosis. While deep learning techniques are broad so that unseen information might help learn patterns of interest, human insights to describe objects of interest help in decision-making. This paper proposes a novel approach, DeepCraftFuse, to address the challenge of combining information provided by deep networks with visual-based features to significantly enhance the correct identification of cancerous tissues in patients affected with Barrett's esophagus (BE). We demonstrate that DeepCraftFuse outperforms state-of-the-art techniques on private and public datasets, reaching results of around 95\% when distinguishing patients affected by BE that is either positive or negative to esophageal cancer.}, subject = {Deep Learning}, language = {en} }