TY - CHAP A1 - Maier, Johannes A1 - Haug, Sonja A1 - Huber, Michaela A1 - Katzky, Uwe A1 - Neumann, Sabine A1 - Perret, Jérôme A1 - Prinzen, Martin A1 - Weber, Karsten A1 - Wittenberg, Thomas A1 - Wöhl, Rebecca A1 - Scorna, Ulrike A1 - Palm, Christoph T1 - Development of a haptic and visual assisted training simulation concept for complex bone drilling in minimally invasive hand surgery T2 - CARS Conference, 5.10.-7.10.2017 Y1 - 2017 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 VL - 62 SP - 3355 EP - 3372 PB - Springer Nature CY - Heidelberg ER - TY - JOUR A1 - Ebigbo, Alanna A1 - Mendel, Robert A1 - Probst, Andreas A1 - Meinikheim, Michael A1 - Byrne, Michael F. A1 - Messmann, Helmut A1 - Palm, Christoph T1 - Multimodal imaging for detection and segmentation of Barrett’s esophagus-related neoplasia using artificial intelligence JF - Endoscopy N2 - 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. KW - Video KW - Artificial Intelligence KW - Multimodal Imaging Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1055/a-1704-7885 VL - 54 IS - 10 PB - Georg Thieme Verlag CY - Stuttgart ET - E-Video ER - TY - JOUR A1 - Kolev, Kalin A1 - Kirchgeßner, Norbert A1 - Houben, Sebastian A1 - Csiszár, Agnes A1 - Rubner, Wolfgang A1 - Palm, Christoph A1 - Eiben, Björn A1 - Merkel, Rudolf A1 - Cremers, Daniel T1 - A variational approach to vesicle membrane reconstruction from fluorescence imaging JF - Pattern Recognition N2 - Biological applications like vesicle membrane analysis involve the precise segmentation of 3D structures in noisy volumetric data, obtained by techniques like magnetic resonance imaging (MRI) or laser scanning microscopy (LSM). Dealing with such data is a challenging task and requires robust and accurate segmentation methods. In this article, we propose a novel energy model for 3D segmentation fusing various cues like regional intensity subdivision, edge alignment and orientation information. The uniqueness of the approach consists in the definition of a new anisotropic regularizer, which accounts for the unbalanced slicing of the measured volume data, and the generalization of an efficient numerical scheme for solving the arising minimization problem, based on linearization and fixed-point iteration. We show how the proposed energy model can be optimized globally by making use of recent continuous convex relaxation techniques. The accuracy and robustness of the presented approach are demonstrated by evaluating it on multiple real data sets and comparing it to alternative segmentation methods based on level sets. Although the proposed model is designed with focus on the particular application at hand, it is general enough to be applied to a variety of different segmentation tasks. KW - 3D segmentation KW - Convex optimization KW - Vesicle membrane analysis KW - Fluorescence imaging KW - Dreidimensionale Bildverarbeitung KW - Bildsegmentierung KW - Konvexe Optimierung Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1016/j.patcog.2011.04.019 VL - 44 IS - 12 SP - 2944 EP - 2958 PB - Elsevier ER - TY - CHAP A1 - Metzler, V. A1 - Aach, T. A1 - Palm, Christoph A1 - Lehmann, Thomas M. T1 - Texture Classification of Graylevel Images by Multiscale Cross-Co-Occurrence Matrices T2 - Proceedings 15th International Conference on Pattern Recognition (ICPR-2000) N2 - Local gray level dependencies of natural images can be modelled by means of co-occurrence matrices containing joint probabilities of gray-level pairs. Texture, however, is a resolution-dependent phenomenon and hence, classification depends on the chosen scale. Since there is no optimal scale for all textures we employ a multiscale approach that acquires textural features at several scales. Thus linear and nonlinear scale-spaces are analyzed by multiscale co-occurrence matrices that describe the statistical behavior of a texture in scale-space. Classification is then performed on the basis of texture features taken from the individual scale with the highest discriminatory power. By considering cross-scale occurrences of gray level pairs, the impact of filters on the feature is described and used for classification of natural textures. This novel method was found to improve classification rates of the common co-occurrence matrix approach on standard textures significantly. Y1 - 2000 U6 - https://doi.org/10.1109/ICPR.2000.906133 SP - 549 EP - 552 ER - TY - GEN ED - Handels, Heinz ED - Deserno, Thomas M. ED - Maier, Andreas ED - Maier-Hein, Klaus H. ED - Palm, Christoph ED - Tolxdorff, Thomas T1 - Bildverarbeitung für die Medizin 2019 BT - Algorithmen – Systeme – Anwendungen. Proceedings des Workshops vom 17. bis 19. März 2019 in Lübeck N2 - In den letzten Jahren hat sich der Workshop "Bildverarbeitung für die Medizin" durch erfolgreiche Veranstaltungen etabliert. Ziel ist auch 2019 wieder die Darstellung aktueller Forschungsergebnisse und die Vertiefung der Gespräche zwischen Wissenschaftlern, Industrie und Anwendern. Die Beiträge dieses Bandes - einige davon in englischer Sprache - umfassen alle Bereiche der medizinischen Bildverarbeitung, insbesondere Bildgebung und -akquisition, Maschinelles Lernen, Bildsegmentierung und Bildanalyse, Visualisierung und Animation, Zeitreihenanalyse, Computerunterstützte Diagnose, Biomechanische Modellierung, Validierung und Qualitätssicherung, Bildverarbeitung in der Telemedizin u.v.m. KW - Bildgebendes Verfahren KW - Computerunterstützte Medizin KW - Bildanalyse KW - Bilderkennung KW - Computerunterstützte Medizin KW - Computerunterstützte Diagnose KW - Medizininformatik Y1 - 2019 SN - 978-3-658-25325-7 U6 - https://doi.org/10.1007/978-3-658-25326-4 SN - 1431-472X PB - Springer CY - Berlin ER - TY - GEN ED - Tolxdorff, Thomas ED - Deserno, Thomas M. ED - Handels, Heinz ED - Maier, Andreas ED - Maier-Hein, Klaus H. ED - Palm, Christoph T1 - Bildverarbeitung für die Medizin 2020 BT - Algorithmen – Systeme – Anwendungen. Proceedings des Workshops vom 15. bis 17. März 2020 in Berlin N2 - In den letzten Jahren hat sich der Workshop "Bildverarbeitung für die Medizin" durch erfolgreiche Veranstaltungen etabliert. Ziel ist auch 2020 wieder die Darstellung aktueller Forschungsergebnisse und die Vertiefung der Gespräche zwischen Wissenschaftlern, Industrie und Anwendern. Die Beiträge dieses Bandes - einige davon in englischer Sprache - umfassen alle Bereiche der medizinischen Bildverarbeitung, insbesondere Bildgebung und -akquisition, Maschinelles Lernen, Bildsegmentierung und Bildanalyse, Visualisierung und Animation, Zeitreihenanalyse, Computerunterstützte Diagnose, Biomechanische Modellierung, Validierung und Qualitätssicherung, Bildverarbeitung in der Telemedizin u.v.m. KW - Bildanalyse KW - Bildverarbeitung KW - Computerunterstützte Medizin KW - Deep Learning KW - Visualisierung Y1 - 2020 SN - 978-3-658-29266-9 U6 - https://doi.org/10.1007/978-3-658-29267-6 PB - Springer Vieweg CY - Wiesbaden 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 - 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 - 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 - 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) T2 - Endoscopy N2 - 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. KW - Artificial Intelligence KW - Barrett's Esophagus KW - Speiseröhrenkrankheit KW - Künstliche Intelligenz KW - Diagnose Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1055/s-00000012 VL - 54 IS - S 01 SP - S39 PB - Thieme ER - TY - JOUR A1 - Scheppach, Markus W. A1 - Mendel, Robert A1 - Probst, Andreas A1 - Meinikheim, Michael A1 - Palm, Christoph A1 - Messmann, Helmut A1 - Ebigbo, Alanna T1 - ARTIFICIAL INTELLIGENCE (AI) – ASSISTED VESSEL AND TISSUE RECOGNITION IN THIRD-SPACE ENDOSCOPY JF - Endoscopy N2 - 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. KW - Artificial Intelligence KW - Third-Space Endoscopy KW - Smart ESD Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1055/s-0042-1745037 VL - 54 IS - S01 SP - S175 PB - Thieme ER -