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Forschung 2019
(2019)
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.
Einleitung Die Endoskopische Retrograde Cholangiopankreatikographie (ERCP) ist der Goldstandard in der Diagnostik und Therapie von Erkrankungen des pankreatobiliären Trakts. Jedoch ist sie technisch sehr anspruchsvoll und weist eine vergleichsweise hohe Komplikationsrate auf.
Ziele
In der vorliegenden Machbarkeitsstudie soll geprüft werden, ob mithilfe eines Deep-learning-Algorithmus die Papille und das Ostium zuverlässig detektiert werden können und somit für Endoskopiker mit geringer Erfahrung ein geeignetes Hilfsmittel, insbesondere für die Ausbildungssituation, darstellen könnten.
Methodik
Wir betrachteten insgesamt 606 Bilddatensätze von 65 Patienten. In diesen wurde sowohl die Papilla duodeni major als auch das Ostium segmentiert. Anschließend wurde eine neuronales Netz mittels eines Deep-learning-Algorithmus trainiert. Außerdem erfolgte eine 5-fache Kreuzvaldierung.
Ergebnisse
Bei einer 5-fachen Kreuzvaldierung auf den 606 gelabelten Daten konnte für die Klasse Papille eine F1-Wert von 0,7908, eine Sensitivität von 0,7943 und eine Spezifität von 0,9785 erreicht werden, für die Klasse Ostium eine F1-Wert von 0,5538, eine Sensitivität von 0,5094 und eine Spezifität von 0,9970 (vgl. [Tab. 1]). Unabhängig von der Klasse zeigte sich gemittelt (Klasse Papille und Klasse Ostium) ein F1-Wert von 0,6673, eine Sensitivität von 0,6519 und eine Spezifität von 0,9877 (vgl. [Tab. 2]).
Schlussfolgerung
In vorliegende Machbarkeitsstudie konnte das neuronale Netz die Papilla duodeni major mit einer hohen Sensitivität und sehr hohen Spezifität identifizieren. Bei der Detektion des Ostiums war die Sensitivität deutlich geringer. Zukünftig soll das das neuronale Netz mit mehr Daten trainiert werden. Außerdem ist geplant, den Algorithmus auch auf Videos anzuwenden. Somit könnte langfristig ein geeignetes Hilfsmittel für die ERCP etabliert werden.
Even though artificial intelligence and machine learning have demonstrated remarkable performances in medical image computing, their level of accountability and transparency must be provided in such evaluations. The reliability related to machine learning predictions must be explained and interpreted, especially if diagnosis support is addressed. For this task, the black-box nature of deep learning techniques must be lightened up to transfer its promising results into clinical practice. Hence, we aim to investigate the use of explainable artificial intelligence techniques to quantitatively highlight discriminative regions during the classification of earlycancerous tissues in Barrett’s esophagus-diagnosed patients. Four Convolutional Neural Network models (AlexNet, SqueezeNet, ResNet50, and VGG16) were analyzed using five different interpretation techniques (saliency, guided backpropagation, integrated gradients, input × gradients, and DeepLIFT) to compare their agreement with experts’ previous annotations of cancerous tissue. We could show that saliency attributes match best with the manual experts’ delineations. Moreover, there is moderate to high correlation between the sensitivity of a model and the human-and-computer agreement. The results also lightened that the higher the model’s sensitivity, the stronger the correlation of human and computational segmentation agreement. We observed a relevant relation between computational learning and experts’ insights, demonstrating how human knowledge may influence the correct computational learning.
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.
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.
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.
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.
Barrett-Ampel
(2022)
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.
The evaluation and assessment of Barrett’s esophagus is challenging for both expert and nonexpert endoscopists. However, the early diagnosis of cancer in Barrett’s esophagus is crucial for its prognosis, and could save costs. Pre-clinical and clinical studies on the application of Artificial Intelligence (AI) in Barrett’s esophagus have shown promising results. In this review, we focus on the current challenges and future perspectives of implementing AI systems in the management of patients with Barrett’s esophagus.