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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.
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.
Aims
Celiac disease (CD) is a complex condition caused by an autoimmune reaction to ingested gluten. Due to its polymorphic manifestation and subtle endoscopic presentation, the diagnosis is difficult and thus the disorder is underreported. We aimed to use deep learning to identify celiac disease on endoscopic images of the small bowel.
Methods
Patients with small intestinal histology compatible with CD (MARSH classification I-III) were extracted retrospectively from the database of Augsburg University hospital. They were compared to patients with no clinical signs of CD and histologically normal small intestinal mucosa. In a first step MARSH III and normal small intestinal mucosa were differentiated with the help of a deep learning algorithm. For this, the endoscopic white light images were divided into five equal-sized subsets. We avoided splitting the images of one patient into several subsets. A ResNet-50 model was trained with the images from four subsets and then validated with the remaining subset. This process was repeated for each subset, such that each subset was validated once. Sensitivity, specificity, and harmonic mean (F1) of the algorithm were determined.
Results
The algorithm showed values of 0.83, 0.88, and 0.84 for sensitivity, specificity, and F1, respectively. Further data showing a comparison between the detection rate of the AI model and that of experienced endoscopists will be available at the time of the upcoming conference.
Conclusions
We present the first clinical report on the use of a deep learning algorithm for the detection of celiac disease using endoscopic images. Further evaluation on an external data set, as well as in the detection of CD in real-time, will follow. However, this work at least suggests that AI can assist endoscopists in the endoscopic diagnosis of CD, and ultimately may be able to do a true optical biopsy in live-time.