TY - CHAP A1 - Gutbrod, Max A1 - Geisler, Benedikt A1 - Rauber, David A1 - Palm, Christoph ED - Maier, Andreas ED - Deserno, Thomas M. ED - Handels, Heinz ED - Maier-Hein, Klaus ED - Palm, Christoph ED - Tolxdorff, Thomas T1 - Data Augmentation for Images of Chronic Foot Wounds T2 - Bildverarbeitung für die Medizin 2024: Proceedings, German Workshop on Medical Image Computing, March 10-12, 2024, Erlangen N2 - Training data for Neural Networks is often scarce in the medical domain, which often results in models that struggle to generalize and consequently showpoor performance on unseen datasets. Generally, adding augmentation methods to the training pipeline considerably enhances a model’s performance. Using the dataset of the Foot Ulcer Segmentation Challenge, we analyze two additional augmentation methods in the domain of chronic foot wounds - local warping of wound edges along with projection and blurring of shapes inside wounds. Our experiments show that improvements in the Dice similarity coefficient and Normalized Surface Distance metrics depend on a sensible selection of those augmentation methods. Y1 - 2024 U6 - https://doi.org/10.1007/978-3-658-44037-4_71 SP - 261 EP - 266 PB - Springer CY - Wiesbaden ER - TY - CHAP A1 - Rauber, David A1 - Mendel, Robert A1 - Scheppach, Markus W. A1 - Ebigbo, Alanna A1 - Messmann, Helmut A1 - Palm, Christoph T1 - Analysis of Celiac Disease with Multimodal Deep Learning T2 - Bildverarbeitung für die Medizin 2022: Proceedings, German Workshop on Medical Image Computing, Heidelberg, June 26-28, 2022 N2 - Celiac disease is an autoimmune disorder caused by gluten that results in an inflammatory response of the small intestine.We investigated whether celiac disease can be detected using endoscopic images through a deep learning approach. The results show that additional clinical parameters can improve the classification accuracy. In this work, we distinguished between healthy tissue and Marsh III, according to the Marsh score system. We first trained a baseline network to classify endoscopic images of the small bowel into these two classes and then augmented the approach with a multimodality component that took the antibody status into account. KW - Deep Learning KW - Endoscopy Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1007/978-3-658-36932-3_25 SP - 115 EP - 120 PB - Springer Vieweg CY - Wiesbaden ER - TY - GEN A1 - Meinikheim, Michael A1 - Mendel, Robert A1 - Scheppach, Markus W. A1 - Probst, Andreas A1 - Prinz, Friederike A1 - Schwamberger, Tanja A1 - Schlottmann, Jakob A1 - Gölder, Stefan Karl A1 - Walter, Benjamin A1 - Steinbrück, Ingo A1 - Palm, Christoph A1 - Messmann, Helmut A1 - Ebigbo, Alanna T1 - Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) als Entscheidungsunterstützungssystem für nicht-Experten bei der Beurteilung von Barrett-Ösophagus assoziierten Neoplasien (BERN) T2 - Zeitschrift für Gastroenterologie N2 - Einleitung Die sichere Detektion und Charakterisierung von Barrett-Ösophagus assoziierten Neoplasien (BERN) stellt selbst für erfahrene Endoskopiker eine Herausforderung dar. Ziel Ziel dieser Studie ist es, den Add-on Effekt eines künstlichen Intelligenz (KI) Systems (Barrett-Ampel) als Entscheidungsunterstüzungssystem für Endoskopiker ohne Expertise bei der Untersuchung von BERN zu evaluieren. Material und Methodik Zwölf Videos in „Weißlicht“ (WL), „narrow-band imaging“ (NBI) und „texture and color enhanced imaging“ (TXI) von histologisch bestätigten 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 zusätzlicher KI-Unterstützung gezeigt. Basierend auf dieser neuen Information, wurden die Probanden zu einer Reevaluation ihrer initialen Beurteilung aufgefordert. Ergebnisse Die „Barrett-Ampel“ identifizierte unabhängig von den verwendeten Darstellungsmodi (WL, NBI, TXI) alle BERN. Zwei entzündlich veränderte Läsionen wurden fehlinterpretiert (Genauigkeit=75%). Während 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 unterstützt, erreichten diese eine Genauigkeit von 75%. Zusammenfassung Unser KI-System hat das Potential als Entscheidungsunterstützungssystem 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 bestätigen, müssen randomisierte kontrollierte klinische Studien durchgeführt werden. KW - Barrett-Ösophagus KW - Künstliche Intelligenz Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0042-1745653 VL - 60 IS - 4 SP - 251 PB - Thieme CY - Stuttgart ER - TY - GEN A1 - Scheppach, Markus W. A1 - Mendel, Robert A1 - Probst, Andreas A1 - Meinikheim, Michael A1 - Palm, Christoph A1 - Messmann, Helmut A1 - Ebigbo, Alanna T1 - Intraprozedurale Strukturerkennung bei Third-Space Endoskopie mithilfe eines Deep-Learning Algorithmus T2 - Zeitschrift für Gastroenterologie N2 - Einleitung Third-Space Interventionen wie die endoskopische Submukosadissektion (ESD) und die perorale endoskopische Myotomie (POEM) sind technisch anspruchsvoll und mit einem erhöhten Risiko für intraprozedurale Komplikationen wie Blutung oder Perforation assoziiert. Moderne Computerprogramme zur Unterstützung bei diagnostischen Entscheidungen werden unter Einsatz von künstlicher 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 erhöhen. Methoden Zwölf Videoaufnahmen in voller Länge von Third-Space Endoskopien wurden aus der Datenbank des Universitätsklinikums Augsburg extrahiert. 1686 Einzelbilder wurden für die Kategorien Submukosa, Blutgefäß, 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 Fähigkeit des Algorithmus zur Gefäßdetektion wurde anhand von 24 Videoclips mit einer Spieldauer von 7 bis 46 Sekunden mit 33 vordefinierten Gefäßen evaluiert. Anhand dieses Tests wurde auch die Gefäßdetektionsrate eines Experten in der Third-Space Endoskopie ermittelt. Ergebnisse Der Algorithmus zeigte eine Gefäßdetektionsrate von 93,94% mit einer mittleren Rate an falsch positiven Signalen von 1,87 pro Minute. Die Gefäßdetektionsrate 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 für den Einsatz in der therapeutischen Endoskopie entwickelt wurde. Präliminäre Ergebnisse deuten auf eine mit Experten vergleichbare Detektion von Gefäßen während der Untersuchung hin. Weitere Untersuchungen sind nötig, um die Leistung des Algorithmus im Vergleich zum Experten genauer zu eruieren sowie einen möglichen klinischen Nutzen zu ermitteln. KW - Deep Learning KW - Third-Space Endoscopy Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0042-1745652 VL - 60 IS - 04 PB - Thieme CY - Stuttgart ER - TY - GEN A1 - Ebigbo, Alanna A1 - Mendel, Robert A1 - Tziatzios, Georgios A1 - Probst, Andreas A1 - Palm, Christoph A1 - Messmann, Helmut T1 - Real-Time Diagnosis of an Early Barrett's Carcinoma using Artificial Intelligence (AI) - Video Case Demonstration T2 - Endoscopy N2 - Introduction We present a clinical case showing the real-time detection, characterization and delineation of an early Barrett’s cancer using AI. Patients and methods A 70-year old patient with a long-segment Barrett’s esophagus (C5M7) was assessed with an AI algorithm. Results The AI system detected a 10 mm focal lesion and AI characterization predicted cancer with a probability of >90%. After ESD resection, histopathology showed mucosal adenocarcinoma (T1a (m), R0) confirming AI diagnosis. Conclusion We demonstrate the real-time AI detection, characterization and delineation of a small and early mucosal Barrett’s cancer. KW - Artificial Intelligence KW - Barrett's Carcinoma KW - Speiseröhrenkrebs KW - Künstliche Intelligenz KW - Diagnose Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0040-1704075 VL - 52 IS - S 01 PB - Thieme ER - TY - GEN A1 - Meinikheim, Michael A1 - Mendel, Robert A1 - Probst, Andreas A1 - Scheppach, Markus W. A1 - Nagl, Sandra A1 - Schnoy, Elisabeth A1 - Römmele, Christoph A1 - Prinz, Friederike A1 - Schlottmann, Jakob A1 - Messmann, Helmut A1 - Palm, Christoph A1 - Ebigbo, Alanna T1 - Einfluss von Künstlicher Intelligenz auf die Performance von niedergelassenen Gastroenterolog:innen bei der Beurteilung von Barrett-Ösophagus T2 - Zeitschrift für Gastroenterologie N2 - Einleitung  Die Differenzierung zwischen nicht dysplastischem Barrett-Ösophagus (NDBE) und mit Barrett-Ösophagus assoziierten Neoplasien (BERN) während der endoskopischen Inspektion erfordert viel Expertise. Die frühe Diagnosestellung ist wichtig für die weitere Prognose des Barrett-Karzinoms. In Deutschland werden Patient:innen mit einem Barrett-Ösophagus (BE) in der Regel im niedergelassenen Sektor überwacht. Ziele  Ziel ist es, den Einfluss von einem auf Künstlicher Intelligenz (KI) basierenden klinischen Entscheidungsunterstützungssystems (CDSS) auf die Performance von niedergelassenen Gastroenterolog:innen (NG) bei der Evaluation von Barrett-Ösophagus (BE) zu untersuchen. Methodik  Es erfolgte die prospektive Sammlung von 96 unveränderten hochauflösenden Videos mit Fällen von Patient:innen mit histologisch bestätigtem NDBE und BERN. Alle eingeschlossenen Fälle enthielten mindestens zwei der folgenden Darstellungsmethoden: HD-Weißlichtendoskopie, Narrow Band Imaging oder Texture and Color Enhancement Imaging. Sechs NG von sechs unterschiedlichen Praxen wurden als Proband:innen eingeschlossen. Es erfolgte eine permutierte Block-Randomisierung der Videofälle in entweder Gruppe A oder Gruppe B. Gruppe A implizierte eine Evaluation des Falls durch Proband:innen zunächst ohne KI und anschließend mit KI als CDSS. In Gruppe B erfolgte die Evaluation in umgekehrter Reihenfolge. Anschließend erfolgte eine zufällige Wiedergabe der so entstandenen Subgruppen im Rahmen des Tests. Ergebnis  In diesem Test konnte ein von uns entwickeltes KI-System (Barrett-Ampel) eine Sensitivität von 92,2%, eine Spezifität von 68,9% und eine Accuracy von 81,3% erreichen. Mit der Hilfe von KI verbesserte sich die Sensitivität der NG von 64,1% auf 71,2% (p<0,001) und die Accuracy von 66,3% auf 70,8% (p=0,006) signifikant. Eine signifikante Verbesserung dieser Parameter zeigte sich ebenfalls, wenn die Proband:innen die Fälle zunächst ohne KI evaluierten (Gruppe A). Wurde der Fall jedoch als Erstes mit der Hilfe von KI evaluiert (Gruppe B), blieb die Performance nahezu konstant. Schlussfolgerung  Es konnte ein performantes KI-System zur Evaluation von BE entwickelt werden. NG verbessern sich bei der Evaluation von BE durch den Einsatz von KI. KW - Barrett-Ösophagus KW - Künstliche Intelligenz Y1 - 2023 UR - https://www.thieme-connect.de/products/ejournals/abstract/10.1055/s-0043-1771711 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0043-1771711 VL - 61 IS - 8 PB - Thieme CY - Stuttgart ER - TY - GEN A1 - Scheppach, Markus W. A1 - Mendel, Robert A1 - Probst, Andreas A1 - Nagl, Sandra A1 - Meinikheim, Michael A1 - Yip, Hon Chi A1 - Lau, Louis Ho Shing A1 - Chiu, Philip Wai Yan A1 - Palm, Christoph A1 - Messmann, Helmut A1 - Ebigbo, Alanna T1 - Effekt eines Künstliche Intelligenz (KI) – Algorithmus auf die Gefäßdetektion bei third space Endoskopien T2 - Zeitschrift für Gastroenterologie N2 - Einleitung  Third space Endoskopieprozeduren wie die endoskopische Submukosadissektion (ESD) und die perorale endoskopische Myotomie (POEM) sind technisch anspruchsvoll und gehen mit untersucherabhängigen Komplikationen wie Blutungen und Perforationen einher. Grund hierfür ist die unabsichtliche Durchschneidung von submukosalen Blutgefäßen ohne präemptive Koagulation. Ziele Die Forschungsfrage, ob ein KI-Algorithmus die intraprozedurale Gefäßerkennung bei ESD und POEM unterstützen und damit Komplikationen wie Blutungen verhindern könnte, erscheint in Anbetracht des erfolgreichen Einsatzes von KI bei der Erkennung von Kolonpolypen interessant. Methoden  Auf 5470 Einzelbildern von 59 third space Endoscopievideos wurden submukosale Blutgefäße annotiert. Zusammen mit weiteren 179.681 nicht-annotierten Bildern wurde ein DeepLabv3+neuronales Netzwerk mit dem ECMT-Verfahren für semi-supervised learning trainiert, um Blutgefäße in Echtzeit erkennen zu können. Für die Evaluation wurde ein Videotest mit 101 Videoclips aus 15 vom Trainingsdatensatz separaten Prozeduren mit 200 vordefinierten Gefäßen erstellt. Die Gefäßdetektionsrate, -zeit und -dauer, definiert als der Prozentsatz an Einzelbildern eines Videos bezogen auf den Goldstandard, auf denen ein definiertes Gefäß erkannt wurde, wurden erhoben. Acht erfahrene Endoskopiker wurden mithilfe dieses Videotests im Hinblick auf Gefäßdetektion getestet, wobei eine Hälfte der Videos nativ, die andere Hälfte nach Markierung durch den KI-Algorithmus angesehen wurde. Ergebnisse  Der mittlere Dice Score des Algorithmus für Blutgefäße war 68%. Die mittlere Gefäßdetektionsrate im Videotest lag bei 94% (96% für ESD; 74% für POEM). Die mediane Gefäßdetektionszeit des Algorithmus lag bei 0,32 Sekunden (0,3 Sekunden für ESD; 0,62 Sekunden für POEM). Die mittlere Gefäßdetektionsdauer lag bei 59,1% (60,6% für ESD; 44,8% für POEM) des Goldstandards. Alle Endoskopiker hatten mit KI-Unterstützung eine höhere Gefäßdetektionsrate als ohne KI. Die mittlere Gefäßdetektionsrate ohne KI lag bei 56,4%, mit KI bei 71,2% (p<0.001). Schlussfolgerung  KI-Unterstützung war mit einer statistisch signifikant höheren Gefäßdetektionsrate vergesellschaftet. Die mediane Gefäßdetektionszeit von deutlich unter einer Sekunde sowie eine Gefäßdetektionsdauer von größer 50% des Goldstandards wurden für den klinischen Einsatz als ausreichend erachtet. In prospektiven Anwendungsstudien sollte der KI-Algorithmus auf klinische Relevanz getestet werden. KW - Künstliche Intelligenz Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0043-1771980 VL - 61 IS - 08 PB - Thieme CY - Stuttgart ER - TY - GEN A1 - Meinikheim, Michael A1 - Mendel, Robert A1 - Probst, Andreas A1 - Scheppach, Markus W. A1 - Messmann, Helmut A1 - Palm, Christoph A1 - Ebigbo, Alanna T1 - Barrett-Ampel T2 - Zeitschrift für Gastroenterologie N2 - Hintergrund  Adenokarzinome des Ösophagus sind bis heute mit einer infausten Prognose vergesellschaftet (1). Obwohl Endoskopiker mit Barrett-Ösophagus als Präkanzerose konfrontiert werden, ist vor allem für nicht-Experten die Differenzierung zwischen Barrett-Ösophagus ohne Dysplasie und assoziierten Neoplasien mitunter schwierig. Existierende Biopsieprotokolle (z.B. Seattle Protokoll) sind oftmals unzuverlässig (2). Eine frühzeitige Diagnose des Adenokarzinoms ist allerdings von fundamentaler Bedeutung für 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 künstlicher Intelligenz (KI) basiertes Entscheidungsunterstützungssystem (CDSS). Das auf einer DeepLabv3+ neuronalen Netzwerkarchitektur basierende CDSS differenziert mittels Mustererkennung Barrett- Ösophagus ohne Dysplasie von Barrett-Ösophagus mit Dysplasie bzw. Neoplasie („Klassifizierung“). Hierbei werden gemittelte Ausgabewahrscheinlichkeiten mit einem vom Benutzer definierten Schwellenwert verglichen. Für Vorhersagen, die den Schwellenwert überschreiten, berechnen wir die Kontur der Region und die Fläche. Sobald die vorhergesagte Läsion eine bestimmte Größe in der Eingabe überschreitet, heben wir sie und ihren Umriss hervor. So ermöglicht 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 Sensitivität von mehr als 90% und eine Spezifität von mehr als 80% (3). In einem nächsten Schritt, differenzierte unser KI-Algorithmus Barrett- Metaplasien von assoziierten Neoplasien anhand von zufällig 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 führen wir eine Studie in einem randomisiert-kontrollierten Ansatz an unveränderten Untersuchungsvideos in WL, NBI und TXI durch. Ausblick  Um Patienten mit aus Barrett-Metaplasien resultierenden Neoplasien frühestmöglich an „High-Volume“-Zentren überweisen zu können, soll unser KI-Algorithmus zukünftig vor allem Endoskopiker ohne extensive Erfahrung bei der Beurteilung von Barrett- Ösophagus in der Krebsfrüherkennung unterstützen. KW - Barrett-Ösophagus KW - Adenokarzinom KW - Künstliche Intelligenz KW - Speiseröhrenkrebs KW - Diagnose KW - Künstliche Intelligenz Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0042-1755109 VL - 60 IS - 08 PB - Georg Thieme Verlag CY - Stuttgart ER - TY - GEN A1 - Meinikheim, Michael A1 - Mendel, Robert A1 - Probst, Andreas A1 - Scheppach, Markus W. A1 - Messmann, Helmut A1 - Palm, Christoph A1 - Ebigbo, Alanna T1 - Optical Flow als Methode zur Qualitätssicherung KI-unterstützter Untersuchungen von Barrett-Ösophagus und Barrett-Ösophagus assoziierten Neoplasien T2 - Zeitschrift für Gastroenterologie N2 - Einleitung  Übermäßige Bewegung im Bild kann die Performance von auf künstlicher Intelligenz (KI) basierenden klinischen Entscheidungsunterstützungssystemen (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 Unterstützung bei der Beurteilung von Barrett-Ösophagus (BE) verwenden, ein Echtzeit-Feedback zur aktuellen Datenqualität anzubieten. Methodik  Dazu wurden unveränderte 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-Ösophagus assoziierten Neoplasien (BERN) durch unseren KI-Algorithmus analysiert. Der zur Bewertung der Bildqualität verwendete OF beinhaltete die mittlere Magnitude und die Entropie des Histogramms der Winkel. Frames wurden automatisch extrahiert, wenn die vordefinierten Schwellenwerte von 3,0 für die mittlere Magnitude und 9,0 für die Entropie des Histogramms der Winkel überschritten wurden. Experten sahen sich zunächst die Videos ohne KI-Unterstützung an und bewerteten, ob Störfaktoren die Sicherheit mit der eine Diagnose im vorliegenden Fall gestellt werden kann negativ beeinflussen. Anschließend überprüften sie die extrahierten Frames. Ergebnis  Gleichmäßige Bewegung in eine Richtung, wie etwa beim Vorschieben des Endoskops, spiegelte sich, bei insignifikant veränderter Entropie, in einer Erhöhung der Magnitude wider. Chaotische Bewegung, zum Beispiel während dem Spülen, war mit erhöhter Entropie assoziiert. Insgesamt war eine unruhige endoskopische Darstellung, Flüssigkeit sowie übermäßige Ösophagusmotilität mit erhöhtem OF assoziiert und korrelierte mit der Meinung der Experten über die Qualität der Videos. Der OF und die subjektive Wahrnehmung der Experten über die Verwertbarkeit der vorliegenden Bildsequenzen korrelierten direkt proportional. Wenn die vordefinierten Schwellenwerte des OF überschritten wurden, war die damit verbundene Bildqualität in 94% der Fälle für eine definitive Interpretation auch für Experten unzureichend. Schlussfolgerung  OF hat das Potenzial Endoskopiker ein Echtzeit-Feedback über die Qualität des Dateninputs zu bieten und so nicht nur die HCI zu verbessern, sondern auch die optimale Performance von KI-Algorithmen zu ermöglichen. KW - Optical Flow Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0042-1754997 VL - 60 IS - 08 PB - Georg Thieme Verlag CY - Stuttgart ER - TY - GEN A1 - Meinikheim, Michael A1 - Mendel, Robert A1 - Probst, Andreas A1 - Scheppach, Markus W. A1 - Schnoy, Elisabeth A1 - Nagl, Sandra A1 - Römmele, Christoph A1 - Prinz, Friederike A1 - Schlottmann, Jakob A1 - Golger, Daniela A1 - Palm, Christoph A1 - Messmann, Helmut A1 - Ebigbo, Alanna T1 - AI-assisted detection and characterization of early Barrett's neoplasia: Results of an Interim analysis T2 - Endoscopy N2 - Aims  Evaluation of the add-on effect an artificial intelligence (AI) based clinical decision support system has on the performance of endoscopists with different degrees of expertise in the field of Barrett's esophagus (BE) and Barrett's esophagus-related neoplasia (BERN). Methods  The support system is based on a multi-task deep learning model trained to solve a segmentation and several classification tasks. The training approach represents an extension of the ECMT semi-supervised learning algorithm. The complete system evaluates a decision tree between estimated motion, classification, segmentation, and temporal constraints, to decide when and how the prediction is highlighted to the observer. In our current study, ninety-six video cases of patients with BE and BERN were prospectively collected and assessed by Barrett's specialists and non-specialists. All video cases were evaluated twice – with and without AI assistance. The order of appearance, either with or without AI support, was assigned randomly. Participants were asked to detect and characterize regions of dysplasia or early neoplasia within the video sequences. Results  Standalone sensitivity, specificity, and accuracy of the AI system were 92.16%, 68.89%, and 81.25%, respectively. Mean sensitivity, specificity, and accuracy of expert endoscopists without AI support were 83,33%, 58,20%, and 71,48 %, respectively. Gastroenterologists without Barrett's expertise but with AI support had a comparable performance with a mean sensitivity, specificity, and accuracy of 76,63%, 65,35%, and 71,36%, respectively. Conclusions  Non-Barrett's experts with AI support had a similar performance as experts in a video-based study. Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0043-1765437 VL - 55 IS - S02 PB - Thieme ER - TY - GEN A1 - Scheppach, Markus W. A1 - Mendel, Robert A1 - Probst, Andreas A1 - Rauber, David A1 - Rueckert, Tobias A1 - Meinikheim, Michael A1 - Palm, Christoph A1 - Messmann, Helmut A1 - Ebigbo, Alanna T1 - Real-time detection and delineation of tissue during third-space endoscopy using artificial intelligence (AI) T2 - Endoscopy N2 - 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. KW - Speiseröhrenkrankheit KW - Künstliche Intelligenz KW - Artificial Intelligence Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0043-1765128 VL - 55 IS - S02 SP - S53 EP - S54 PB - Thieme ER - TY - GEN A1 - Scheppach, Markus W. A1 - Weber Nunes, Danilo A1 - Arizi, X. A1 - Rauber, David A1 - Probst, Andreas A1 - Nagl, Sandra A1 - Römmele, Christoph A1 - Meinikheim, Michael A1 - Palm, Christoph A1 - Messmann, Helmut A1 - Ebigbo, Alanna T1 - Procedural phase recognition in endoscopic submucosal dissection (ESD) using artificial intelligence (AI) T2 - Endoscopy N2 - Aims Recent evidence suggests the possibility of intraprocedural phase recognition in surgical operations as well as endoscopic interventions such as peroral endoscopic myotomy and endoscopic submucosal dissection (ESD) by AI-algorithms. The intricate measurement of intraprocedural phase distribution may deepen the understanding of the procedure. Furthermore, real-time quality assessment as well as automation of reporting may become possible. Therefore, we aimed to develop an AI-algorithm for intraprocedural phase recognition during ESD. Methods A training dataset of 364385 single images from 9 full-length ESD videos was compiled. Each frame was classified into one procedural phase. Phases included scope manipulation, marking, injection, application of electrical current and bleeding. Allocation of each frame was only possible to one category. This training dataset was used to train a Video Swin transformer to recognize the phases. Temporal information was included via logarithmic frame sampling. Validation was performed using two separate ESD videos with 29801 single frames. Results The validation yielded sensitivities of 97.81%, 97.83%, 95.53%, 85.01% and 87.55% for scope manipulation, marking, injection, electric application and bleeding, respectively. Specificities of 77.78%, 90.91%, 95.91%, 93.65% and 84.76% were measured for the same parameters. Conclusions The developed algorithm was able to classify full-length ESD videos on a frame-by-frame basis into the predefined classes with high sensitivities and specificities. Future research will aim at the development of quality metrics based on single-operator phase distribution. Y1 - 2024 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0044-1783804 VL - 56 IS - S 02 SP - S439 PB - Thieme CY - Stuttgart ER - TY - JOUR A1 - Souza Jr., Luis Antonio de A1 - Passos, Leandro A. A1 - Santana, Marcos Cleison S. A1 - Mendel, Robert A1 - Rauber, David A1 - Ebigbo, Alanna A1 - Probst, Andreas A1 - Messmann, Helmut A1 - Papa, João Paulo A1 - Palm, Christoph T1 - Layer-selective deep representation to improve esophageal cancer classification JF - Medical & Biological Engineering & Computing N2 - 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. KW - Multistep training KW - Barrett’s esophagus detection KW - Convolutional neural networks KW - Deep learning Y1 - 2024 U6 - https://doi.org/10.1007/s11517-024-03142-8 PB - Springer Nature CY - Heidelberg ER - TY - GEN A1 - Ebigbo, Alanna A1 - Rauber, David A1 - Ayoub, Mousa A1 - Birzle, Lisa A1 - Matsumura, Tomoaki A1 - Probst, Andreas A1 - Steinbrück, Ingo A1 - Nagl, Sandra A1 - Römmele, Christoph A1 - Meinikheim, Michael A1 - Scheppach, Markus W. A1 - Palm, Christoph A1 - Messmann, Helmut T1 - Early Esophageal Cancer and the Generalizability of Artificial Intelligence T2 - Endoscopy N2 - Aims Artificial Intelligence (AI) systems in gastrointestinal endoscopy are narrow because they are trained to solve only one specific task. Unlike Narrow-AI, general AI systems may be able to solve multiple and unrelated tasks. We aimed to understand whether an AI system trained to detect, characterize, and segment early Barrett’s neoplasia (Barrett’s AI) is only capable of detecting this pathology or can also detect and segment other diseases like early squamous cell cancer (SCC). Methods 120 white light (WL) and narrow-band endoscopic images (NBI) from 60 patients (1 WL and 1 NBI image per patient) were extracted from the endoscopic database of the University Hospital Augsburg. Images were annotated by three expert endoscopists with extensive experience in the diagnosis and endoscopic resection of early esophageal neoplasias. An AI system based on DeepLabV3+architecture dedicated to early Barrett’s neoplasia was tested on these images. The AI system was neither trained with SCC images nor had it seen the test images prior to evaluation. The overlap between the three expert annotations („expert-agreement“) was the ground truth for evaluating AI performance. Results Barrett’s AI detected early SCC with a mean intersection over reference (IoR) of 92% when at least 1 pixel of the AI prediction overlapped with the expert-agreement. When the threshold was increased to 5%, 10%, and 20% overlap with the expert-agreement, the IoR was 88%, 85% and 82%, respectively. The mean Intersection Over Union (IoU) – a metric according to segmentation quality between the AI prediction and the expert-agreement – was 0.45. The mean expert IoU as a measure of agreement between the three experts was 0.60. Conclusions In the context of this pilot study, the predictions of SCC by a Barrett’s dedicated AI showed some overlap to the expert-agreement. Therefore, features learned from Barrett’s cancer-related training might be helpful also for SCC prediction. Our results allow different possible explanations. On the one hand, some Barrett’s cancer features generalize toward the related task of assessing early SCC. On the other hand, the Barrett’s AI is less specific to Barrett’s cancer than a general predictor of pathological tissue. However, we expect to enhance the detection quality significantly by extending the training to SCC-specific data. The insight of this study opens the way towards a transfer learning approach for more efficient training of AI to solve tasks in other domains. Y1 - 2024 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0044-1783775 VL - 56 IS - S 02 SP - S428 PB - Thieme CY - Stuttgart ER - TY - GEN A1 - Scheppach, Markus W. A1 - Mendel, Robert A1 - Rauber, David A1 - Probst, Andreas A1 - Nagl, Sandra A1 - Römmele, Christoph A1 - Meinikheim, Michael A1 - Palm, Christoph A1 - Messmann, Helmut A1 - Ebigbo, Alanna T1 - Artificial Intelligence (AI) improves endoscopists’ vessel detection during endoscopic submucosal dissection (ESD) T2 - Endoscopy N2 - Aims While AI has been successfully implemented in detecting and characterizing colonic polyps, its role in therapeutic endoscopy remains to be elucidated. Especially third space endoscopy procedures like ESD and peroral endoscopic myotomy (POEM) pose a technical challenge and the risk of operator-dependent complications like intraprocedural bleeding and perforation. Therefore, we aimed at developing an AI-algorithm for intraprocedural real time vessel detection during ESD and POEM. Methods A training dataset consisting of 5470 annotated still images from 59 full-length videos (47 ESD, 12 POEM) and 179681 unlabeled images was used to train a DeepLabV3+neural network with the ECMT semi-supervised learning method. Evaluation for vessel detection rate (VDR) and time (VDT) of 19 endoscopists with and without AI-support was performed using a testing dataset of 101 standardized video clips with 200 predefined blood vessels. Endoscopists were stratified into trainees and experts in third space endoscopy. Results The AI algorithm had a mean VDR of 93.5% and a median VDT of 0.32 seconds. AI support was associated with a statistically significant increase in VDR from 54.9% to 73.0% and from 59.0% to 74.1% for trainees and experts, respectively. VDT significantly decreased from 7.21 sec to 5.09 sec for trainees and from 6.10 sec to 5.38 sec for experts in the AI-support group. False positive (FP) readings occurred in 4.5% of frames. FP structures were detected significantly shorter than true positives (0.71 sec vs. 5.99 sec). Conclusions AI improved VDR and VDT of trainees and experts in third space endoscopy and may reduce performance variability during training. Further research is needed to evaluate the clinical impact of this new technology. Y1 - 2024 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0044-1782891 VL - 56 IS - S 02 SP - S93 PB - Thieme CY - Stuttgart ER - TY - GEN A1 - Zellmer, Stephan A1 - Rauber, David A1 - Probst, Andreas A1 - Weber, Tobias A1 - Braun, Georg A1 - Römmele, Christoph A1 - Nagl, Sandra A1 - Schnoy, Elisabeth A1 - Messmann, Helmut A1 - Ebigbo, Alanna A1 - Palm, Christoph T1 - Artificial intelligence as a tool in the detection of the papillary ostium during ERCP T2 - Endoscopy N2 - Aims Endoscopic retrograde cholangiopancreaticography (ERCP) is the gold standard in the diagnosis as well as treatment of diseases of the pancreatobiliary tract. However, it is technically complex and has a relatively high complication rate. In particular, cannulation of the papillary ostium remains challenging. The aim of this study is to examine whether a deep-learning algorithm can be used to detect the major duodenal papilla and in particular the papillary ostium reliably and could therefore be a valuable tool for inexperienced endoscopists, particularly in training situation. Methods We analyzed a total of 654 retrospectively collected images of 85 patients. Both the major duodenal papilla and the ostium were then segmented. Afterwards, a neural network was trained using a deep-learning algorithm. A 5-fold cross-validation was performed. Subsequently, we ran the algorithm on 5 prospectively collected videos of ERCPs. Results 5-fold cross-validation on the 654 labeled data resulted in an F1 value of 0.8007, a sensitivity of 0.8409 and a specificity of 0.9757 for the class papilla, and an F1 value of 0.5724, a sensitivity of 0.5456 and a specificity of 0.9966 for the class ostium. Regardless of the class, the average F1 value (class papilla and class ostium) was 0.6866, the sensitivity 0.6933 and the specificity 0.9861. In 100% of cases the AI-detected localization of the papillary ostium in the prospectively collected videos corresponded to the localization of the cannulation performed by the endoscopist. Conclusions In the present study, the neural network was able to identify the major duodenal papilla with a high sensitivity and high specificity. In detecting the papillary ostium, the sensitivity was notably lower. However, when used on videos, the AI was able to identify the location of the subsequent cannulation with 100% accuracy. In the future, the neural network will be trained with more data. Thus, a suitable tool for ERCP could be established, especially in the training situation. Y1 - 2024 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0044-1783138 VL - 56 IS - S 02 SP - S198 PB - Thieme CY - Stuttgart ER - TY - CHAP A1 - Souza Jr., Luis Antonio de A1 - Passos, Leandro A. A1 - Mendel, Robert A1 - Ebigbo, Alanna A1 - Probst, Andreas A1 - Messmann, Helmut A1 - Palm, Christoph A1 - Papa, João Paulo T1 - Fine-tuning Generative Adversarial Networks using Metaheuristics BT - A Case Study on Barrett's Esophagus Identification T2 - Bildverarbeitung für die Medizin 2021. Proceedings, German Workshop on Medical Image Computing, Regensburg, March 7-9, 2021 N2 - Barrett's esophagus denotes a disorder in the digestive system that affects the esophagus' mucosal cells, causing reflux, and showing potential convergence to esophageal adenocarcinoma if not treated in initial stages. Thus, fast and reliable computer-aided diagnosis becomes considerably welcome. Nevertheless, such approaches usually suffer from imbalanced datasets, which can be addressed through Generative Adversarial Networks (GANs). Such techniques generate realistic images based on observed samples, even though at the cost of a proper selection of its hyperparameters. Many works employed a class of nature-inspired algorithms called metaheuristics to tackle the problem considering distinct deep learning approaches. Therefore, this paper's main contribution is to introduce metaheuristic techniques to fine-tune GANs in the context of Barrett's esophagus identification, as well as to investigate the feasibility of generating high-quality synthetic images for early-cancer assisted identification. KW - Endoskopie KW - Computerunterstützte Medizin KW - Deep Learning Y1 - 2021 SN - 978-3-658-33197-9 U6 - https://doi.org/10.1007/978-3-658-33198-6_50 SP - 205 EP - 210 PB - Springer Vieweg CY - Wiesbaden ER - TY - GEN A1 - Ebigbo, Alanna A1 - Mendel, Robert A1 - Probst, Andreas A1 - Manzeneder, Johannes A1 - Souza Jr., Luis Antonio de A1 - Papa, João Paulo A1 - Palm, Christoph A1 - Messmann, Helmut T1 - Artificial Intelligence in Early Barrett's Cancer: The Segmentation Task T2 - Endoscopy N2 - Aims: The delineation of outer margins of early Barrett's cancer can be challenging even for experienced endoscopists. Artificial intelligence (AI) could assist endoscopists faced with this task. As of date, there is very limited experience in this domain. In this study, we demonstrate the measure of overlap (Dice coefficient = D) between highly experienced Barrett endoscopists and an AI system in the delineation of cancer margins (segmentation task). Methods: An AI system with a deep convolutional neural network (CNN) was trained and tested on high-definition endoscopic images of early Barrett's cancer (n = 33) and normal Barrett's mucosa (n = 41). The reference standard for the segmentation task were the manual delineations of tumor margins by three highly experienced Barrett endoscopists. Training of the AI system included patch generation, patch augmentation and adjustment of the CNN weights. Then, the segmentation results from patch classification and thresholding of the class probabilities. Segmentation results were evaluated using the Dice coefficient (D). Results: The Dice coefficient (D) which can range between 0 (no overlap) and 1 (complete overlap) was computed only for images correctly classified by the AI-system as cancerous. At a threshold of t = 0.5, a mean value of D = 0.72 was computed. Conclusions: AI with CNN performed reasonably well in the segmentation of the tumor region in Barrett's cancer, at least when compared with expert Barrett's endoscopists. AI holds a lot of promise as a tool for better visualization of tumor margins but may need further improvement and enhancement especially in real-time settings. KW - Speiseröhrenkrankheit KW - Maschinelles Lernen KW - Barrett's esphagus KW - Deep Learning KW - Segmentation Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0039-1681187 VL - 51 IS - 04 SP - 6 PB - Georg Thieme Verlag CY - Stuttgart ER - TY - JOUR A1 - Ebigbo, Alanna A1 - Palm, Christoph A1 - Probst, Andreas A1 - Mendel, Robert A1 - Manzeneder, Johannes A1 - Prinz, Friederike A1 - Souza Jr., Luis Antonio de A1 - Papa, João Paulo A1 - Siersema, Peter A1 - Messmann, Helmut T1 - A technical review of artificial intelligence as applied to gastrointestinal endoscopy: clarifying the terminology JF - Endoscopy International Open N2 - The growing number of publications on the application of artificial intelligence (AI) in medicine underlines the enormous importance and potential of this emerging field of research. In gastrointestinal endoscopy, AI has been applied to all segments of the gastrointestinal tract most importantly in the detection and characterization of colorectal polyps. However, AI research has been published also in the stomach and esophagus for both neoplastic and non-neoplastic disorders. The various technical as well as medical aspects of AI, however, remain confusing especially for non-expert physicians. This physician-engineer co-authored review explains the basic technical aspects of AI and provides a comprehensive overview of recent publications on AI in gastrointestinal endoscopy. Finally, a basic insight is offered into understanding publications on AI in gastrointestinal endoscopy. KW - Diagnose KW - Maschinelles Lernen KW - Gastroenterologie KW - Künstliche Intelligenz KW - Barrett's esophagus KW - Deep learning Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1055/a-1010-5705 VL - 07 IS - 12 SP - 1616 EP - 1623 PB - Georg Thieme Verlag CY - Stuttgart ER - TY - JOUR A1 - Ebigbo, Alanna A1 - Mendel, Robert A1 - Probst, Andreas A1 - Manzeneder, Johannes A1 - Prinz, Friederike A1 - Souza Jr., Luis Antonio de A1 - Papa, João Paulo A1 - Palm, Christoph A1 - Messmann, Helmut T1 - Real-time use of artificial intelligence in the evaluation of cancer in Barrett’s oesophagus JF - Gut N2 - Based on previous work by our group with manual annotation of visible Barrett oesophagus (BE) cancer images, a real-time deep learning artificial intelligence (AI) system was developed. While an expert endoscopist conducts the endoscopic assessment of BE, our AI system captures random images from the real-time camera livestream and provides a global prediction (classification), as well as a dense prediction (segmentation) differentiating accurately between normal BE and early oesophageal adenocarcinoma (EAC). The AI system showed an accuracy of 89.9% on 14 cases with neoplastic BE. KW - Speiseröhrenkrankheit KW - Diagnose KW - Maschinelles Lernen KW - Barrett's esophagus KW - Deep learning KW - real-time Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1136/gutjnl-2019-319460 VL - 69 IS - 4 SP - 615 EP - 616 PB - BMJ CY - London ER -