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Considering the ongoing growth of Wireless Sensor Networks (WSNs) and the challenges they pose due to their hardware limitations as well as the intrinsic complexity of their interactions, specialized algorithms
have the potential to help solving these challenges. We present a survey on recent developments regarding algorithmic problems which have applications in wireless systems and WSNs in particular. Focusing on the intersection between WSNs and algorithms, we give an overview of recent results inside this intersection, concerning topics such as routing, interference minimization, latency reduction, localization among others. Progress on solving these problems could be potentially beneficial for the industry as a whole by increasing network throughput, reducing latency or making systems more energy-efficient. We summarize and structure these recent developments and list interesting open problems to be investigated in future works.
A Wireless Low-power System for Digital Identification of Examinees (Including Covid-19 Checks)
(2022)
Indoor localization has been, for the past decade, a subject under intense development. There is, however, no currently available solution that covers all possible scenarios. Received Signal Strength Indicator (RSSI) based methods, although the most widely researched, still suffer from problems due to environment noise. In this paper, we present a system using Bluetooth Low Energy (BLE) beacons attached to the desks to localize students in exam rooms and, at the same time, automatically register them for the given exam. By using Kalman Filters (KFs) and discretizing the location task, the presented solution is capable of achieving 100% accuracy within a distance of 45cm from the center of the desk. As the pandemic gets more controlled, with our lives slowly transitioning back to normal, there are still sanitary measures being applied. An example being the necessity to show a certification of vaccination or previous disease. Those certifications need to be manually checked for everyone entering the university’s building, which requires time and staff. With that in mind, the automatic check for Covid certificates feature is also built into our system.
In the engineering domain, representing real-world objects using a body of data, called a digital twin, which is frequently updated by “live” measurements, has shown various advantages over tradi- tional modelling and simulation techniques. Consequently, urban planners have a strong interest in digital twin technology, since it provides them with a laboratory for experimenting with data before making far-reaching decisions. Realizing these decisions involves the work of professionals in the architecture, engineering and construction (AEC) domain who nowadays collaborate via the methodology of building information modeling (BIM). At the same time, the citizen plays an integral role both in the data acquisition phase, while also being a beneficiary of the improved resource management strategies. In this paper, we present a prototype for a “digital energy twin” platform we designed in cooperation with the city of Regensburg. We show how our extensible platform de- sign can satisfy the various requirements of multiple user groups through a series of data processing solutions and visualizations, in- dicating valuable design and implementation guidelines for future projects. In particular, we focus on two example use cases concern- ing building electricity monitoring and BIM. By implementing a flexible data processing architecture we can involve citizens in the data acquisition process, meeting the demands of modern users regarding maximum transparency in the handling of their data.
Einleitung:
Künstliche Intelligenz (KI) wird in der Endoskopie des Gastrointestinaltraktes zur Erkennung und Charakterisierung von Kolonpolypen eingesetzt. Die Rolle von KI bei therapeutischen Maßnahmen wurde noch nicht eingehend untersucht. Eine intraprozedurale Phasenerkennung bei endoskopischer Submukoasdissektion (ESD) könnte die Erhebung von Qualitätsindikatoren ermöglichen. Weiterhin könnte diese Technologie zu einem tieferen Verständnis über die Eigenschaften der Prozedur führen und weiterführende Applikationen zur automatischen Dokumentation oder standardisiertem Training vorbereiten.
Ziele: Ziel dieser Studie war die Entwicklung eines KI Algorithmus zur intraprozeduralen Phasenerkennung bei endoskopischer Submukosadissektion.
Methodik:
2071546 Einzelbilder aus 27 ESD Videos in voller Länge wurden für die übergeordneten Klassen Diagnostik, Markierung, Nadelinjektion, Dissektion und Blutung, sowie die untergeordneten Klassen Endoskop-Manipulation, Injektion und Applikation von elektrischem Strom annotiert. Mit einem Trainingsdatensatz (898440 Einzelbilder, 17 ESDs) wurde ein Video Swin Transformer mit uniformer Stichprobenentnahme trainiert und intern validiert (769523 Einzelbilder, 6 ESDs). Neben der internen Validierung wurde der Algorithmus anhand von einem separaten Testdatensatz (403583 Einzelbilder, 4 ESDs) evaluiert.
Ergebnis:
Der F1 Score des Algorithmus für alle Klassen lag in der internen Validierung bei 83%, in dem separaten Test bei 90%. Anhand des separaten Tests wurden true positive (TP)-Raten für Diagnostik, Markierung, Nadelinjektion, Dissektion und Blutung von 100%, 100%, 96%, 97% und 93% ermittelt. Für Endoskopmanipulation, Injektion und Applikation von Elektrizität lagen die TP-Raten bei 92%, 98% und 91%.
Schlussfolgerung:
Der entwickelte Algorithmus klassifizierte ESD Videos in voller Länge und anhand jedes einzelnen Bildes mit hoher Genauigkeit. Zukünftige Forschungsvorhaben könnten intraoperative Qualitätsindikatioren auf Basis dieser Informationen entwickeln und eine automatisierte Dokumentation ermöglichen.
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.
Aims
Precise surgical phase recognition and evaluation may improve our understanding of complex endoscopic procedures. Furthermore, quality control measurements and endoscopy training could benefit from objective descriptions of surgical phase distributions. Therefore, we aimed to develop an artificial intelligence algorithm for frame-by-frame operational phase recognition during endoscopic submucosal dissection (ESD).
Methods
Full length ESD-videos from 31 patients comprising 6.297.782 single images were collected retrospectively. Videos were annotated on a frame-by-frame basis for the operational macro-phases diagnostics, marking, injection, dissection and bleeding. Further subphases were the application of electrical current, visible injection of fluid into the submucosal space and scope manipulation, leading to 11 phases in total. 4.975.699 frames (21 patients) were used for training of a video swin transformer using uniform frame sampling for temporal information. Hyperparameter tuning was performed with 897.325 further frames (6 patients), while 424.758 frames (4 patients) were used for validation.
Results
The overall F1 scores on the test dataset for the macro-phases and all 11 phases were 0.96 and 0.90, respectively. The recall values for diagnostics, marking, injection, dissection and bleeding were 1.00, 1.00, 0.95, 0.96 and 0.93, respectively.
Conclusions
The algorithm classified operational phases during ESD with high accuracy. A precise evaluation of phase distribution may allow for the development of objective quality metrics for quality control and training.
Vascular malformations (VMs) are a rare condition. They can be categorized into high-flow and low-flow VMs, which is a challenging task for radiologists. In this work, a very heterogeneous set of MRI images with only rough annotations are used for classification with a convolutional neural network. The main focus is to describe the challenging data set and strategies to deal with such data in terms of preprocessing, annotation usage and choice of the network architecture. We achieved a classification result of 89.47 % F1-score with a 3D ResNet 18.
Purpose
Recognizing previously unseen classes with neural networks is a significant challenge due to their limited generalization capabilities. This issue is particularly critical in safety-critical domains such as medical applications, where accurate classification is essential for reliability and patient safety. Zero-shot learning methods address this challenge by utilizing additional semantic data, with their performance relying heavily on the quality of the generated embeddings.
Methods
This work investigates the use of full descriptive sentences, generated by a Sentence-BERT model, as class representations, compared to simpler category-based word embeddings derived from a BERT model. Additionally, the impact of z-score normalization as a post-processing step on these embeddings is explored. The proposed approach is evaluated on a multi-label generalized zero-shot learning task, focusing on the recognition of surgical instruments in endoscopic images from minimally invasive cholecystectomies.
Results
The results demonstrate that combining sentence embeddings and z-score normalization significantly improves model performance. For unseen classes, the AUROC improves from 43.9% to 64.9%, and the multi-label accuracy from 26.1% to 79.5%. Overall performance measured across both seen and unseen classes improves from 49.3% to 64.9% in AUROC and from 37.3% to 65.1% in multi-label accuracy, highlighting the effectiveness of our approach.
Conclusion
These findings demonstrate that sentence embeddings and z-score normalization can substantially enhance the generalization performance of zero-shot learning models. However, as the study is based on a single dataset, future work should validate the method across diverse datasets and application domains to establish its robustness and broader applicability.
Einleitung: Die endoskopische Submukosadissektion (ESD) ist ein komplexes endoskopisches Verfahren, das technische Expertise erfordert. Objektive Methoden zur Analyse von interventionellen Abläufen bei ESD könnten für Qualitätssicherung und Ausbildung, wie auch eine automatische Befunderstellung von Nutzen sein.
Ziele: In dieser Studie wurde ein KI-Algorithmus für die Erkennung und Klassifizierung der interventionellen Phasen der ESD entwickelt, um die technische Basis für eine standardisierte Leistungsbewertung und automatische Befunderstellung zu schaffen.
Methodik: Vollständige ESD-Videoaufnahmen von 49 Patienten wurden retrospektiv zusammengestellt. Der Datensatz umfasste 6.390.151 Einzelbilder, die alle für die folgenden interventionellen Phasen annotiert wurden: Diagnostik, Markierung, Injektion, Dissektion und Hämostase. 3.973.712 Bilder (28 Patienten) wurden für das Training eines Video-Swin-Transformers genutzt. Dabei wurde temporale Information durch standardisierte BIldextraktion in festgelegten zeitlichen Abständen zum analysierten Bild inkorporiert. 2.416.439 separate Bilder (21 Patienten) wurden für 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 für Diagnostik, Markierung, Injektion, Dissektion bzw. Blutungsmanagement gemessen. Die Sensitivitäten für dieselben Parameter betrugen 1,00, 0,80, 0,94, 0,89 und 0,67, die Spezifitäten lagen bei 1,00, 1,00, 0,98, 0,88 und 0,93. Positive prädiktive Werte wurden mit 0,98, 1,00, 0,85, 0,94 und 0,43 gemessen.
Schlussfolgerung: In dieser vorläufigen Studie zeigte ein KI-Algorithmus eine hohe Leistungsfähigkeit für die Einzelbild-Erkennung von Verfahrensphasen während der ESD. Die vergleichsweise niedrige Leistung für die Blutungsphase wurde auf das seltene Auftreten von Blutungsepisoden im Trainingsdatensatz zurückgeführt, der zu diesem Zeitpunkt nur Videos in voller Länge umfasste. Die zukünftige Entwicklung des Algorithmus wird sich auf die Reduzierung von Klassenungleichgewichten durch selektive Annotationsprotokolle konzentrieren.
Instrumentenerkennung während der endoskopischen Submukosadissektion mittels künstlicher Intelligenz
(2025)
Einleitung: Die endoskopische Submukosadissektion (ESD) ist eine komplexe Technik zur Resektion gastrointestinaler Frühneoplasien. Dabei werden für die verschiedenen Schritte der Intervention spezifische endoskopische Instrumente verwendet. Die präzise und automatische Erkennung und Abgrenzung der verwendeten Instrumente (Injektionsnadeln, elektrochirurgische Messer mit unterschiedlichen Konfigurationen, hämostatische Zangen) könnte wertvolle Informationen über den Fortschritt und die Verfahrensmerkmale der ESD liefern und eine automatische standardisierte Berichterstattung ermöglichen.
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×ösophageal, 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 hämostatische 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 Sensitivität von 0,81 und eine Spezifität 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 für die Klassen Hakenmesser – Katheter und – Spitze, Nadelmesser – Katheter und – Spitze, Injektionsnadel – Katheter und – Spitze, hämostatische Zange – Katheter und – Spitze gemessen.
Schlussfolgerung: In dieser Studie wurden die wichtigsten endoskopischen Instrumente, die während der ESD verwendet werden, mit hoher Genauigkeit erkannt. Die geringere Leistung bei der hämostatische Zange – Katheter kann auf die Unterrepräsentation dieser Klassen in den Trainingsdaten zurückgeführt werden. Zukünftige Studien werden sich auf die Erweiterung der Instrumentenklassen sowie auf die Ausbalancierung der Trainingsdaten konzentrieren.