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Aims
Human-computer interactions (HCI) may have a relevant impact on the performance of Artificial Intelligence (AI). Studies show that although endoscopists assessing Barrett’s esophagus (BE) with AI improve their performance significantly, they do not achieve the level of the stand-alone performance of AI. One aspect of HCI is the impact of AI on the degree of certainty and confidence displayed by the endoscopist. Indirectly, diagnostic confidence when using AI may be linked to trust and acceptance of AI. In a BE video study, we aimed to understand the impact of AI on the diagnostic confidence of endoscopists and the possible correlation with diagnostic performance.
Methods
22 endoscopists from 12 centers with varying levels of BE experience reviewed ninety-six standardized endoscopy videos. Endoscopists were categorized into experts and non-experts and randomly assigned to assess the videos with and without AI. Participants were randomized in two arms: Arm A assessed videos first without AI and then with AI, while Arm B assessed videos in the opposite order. Evaluators were tasked with identifying BE-related neoplasia and rating their confidence with and without AI on a scale from 0 to 9.
Results
The utilization of AI in Arm A (without AI first, with AI second) significantly elevated confidence levels for experts and non-experts (7.1 to 8.0 and 6.1 to 6.6, respectively). Only non-experts benefitted from AI with a significant increase in accuracy (68.6% to 75.5%). Interestingly, while the confidence levels of experts without AI were higher than those of non-experts with AI, there was no significant difference in accuracy between these two groups (71.3% vs. 75.5%). In Arm B (with AI first, without AI second), experts and non-experts experienced a significant reduction in confidence (7.6 to 7.1 and 6.4 to 6.2, respectively), while maintaining consistent accuracy levels (71.8% to 71.8% and 67.5% to 67.1%, respectively).
Conclusions
AI significantly enhanced confidence levels for both expert and non-expert endoscopists. Endoscopists felt significantly more uncertain in their assessments without AI. Furthermore, experts with or without AI consistently displayed higher confidence levels than non-experts with AI, irrespective of comparable outcomes. These findings underscore the possible role of AI in improving diagnostic confidence during endoscopic assessment.
Ziele:
Das Ziel der Studie war es, den Einfluss von KI auf die diagnostische Sicherheit (Konfidenzniveau) von Endoskopikern anhand von BÖ-Videos zu untersuchen und mögliche Korrelationen mit der Untersuchungsqualität zu erforschen.
Methodik:
22 Endoskopiker aus zwölf Zentren mit unterschiedlicher Barrett-Erfahrung untersuchten 96 standardisierte Endoskopievideos. Die Untersucher wurden in Experten und Nicht-Experten eingeteilt und nach dem Zufallsprinzip für die Bewertung der Videos mit oder ohne KI eingeteilt. Die Teilnehmer wurden in zwei Gruppen aufgeteilt: Arm A bewertete zunächst Videos ohne KI und dann mit KI, während Arm B die umgekehrte Reihenfolge einhielt. Die Untersucher hatten die Aufgabe, BÖ-assoziierte Neoplasien zu erkennen und ihr Konfidenzniveau sowohl mit als auch ohne KI auf einer Skala von 0 bis 9 anzugeben.
Ergebnis:
In Arm A erhöhte der Einsatz von KI das Konfidenzniveau bei beiden signifikant (p<0.001). Bemerkenswert ist, dass jedoch nur Nicht-Experten durch die KI eine signifikante Verbesserung der Sensitivität und Spezifität (p<0.001 bzw. p<0.05) erfuhren. Während Experten ohne KI im Vergleich zu Nicht-Experten mit KI ein höheres Konfidenzniveau aufwiesen, gab es keinen signifikanten Unterschied in der Genauigkeit. In Arm B zeigten beide Gruppen eine signifikante Abnahme des Konfidenzniveaus (p<0.001) bei gleichbleibender Genauigkeit. Darüber hinaus wurden in 9% der Entscheidungen trotz korrekter KI eine falsche Wahl getroffen.
Schlussfolgerung:
Der Einsatz künstlicher Intelligenz steigerte das Konfidenzniveau sowohl bei Experten als auch bei Nicht-Experten signifikant – ein Effekt, der im Studienmodell reversibel war. Darüber hinaus wiesen Experten mit oder ohne KI durchweg höhere Konfidenzniveaus auf als Nicht-Experten mit KI, trotz vergleichbarer Ergebnisse. Zudem konnte beobachtet werden, dass die Untersucher in 9% der Fälle die KI zuungunsten des Patienten ignorierten.
In this study, we aimed to develop an artificial intelligence clinical decision support solution to mitigate operator-dependent limitations during complex endoscopic procedures such as endoscopic submucosal dissection and peroral endoscopic myotomy, for example, bleeding and perforation. A DeepLabv3-based model was trained to delineate vessels, tissue structures and instruments on endoscopic still images from such procedures. The mean cross-validated Intersection over Union and Dice Score were 63% and 76%, respectively. Applied to standardised video clips from third-space endoscopic procedures, the algorithm showed a mean vessel detection rate of 85% with a false-positive rate of 0.75/min. These performance statistics suggest a potential clinical benefit for procedure safety, time and also training.
Background
This study evaluated the effect of an artificial intelligence (AI)-based clinical decision support system on the performance and diagnostic confidence of endoscopists in their assessment of Barrett’s esophagus (BE).
Methods
96 standardized endoscopy videos were assessed by 22 endoscopists with varying degrees of BE experience from 12 centers. Assessment was randomized into two video sets: group A (review first without AI and second with AI) and group B (review first with AI and second without AI). Endoscopists were required to evaluate each video for the presence of Barrett’s esophagus-related neoplasia (BERN) and then decide on a spot for a targeted biopsy. After the second assessment, they were allowed to change their clinical decision and confidence level.
Results
AI had a stand-alone sensitivity, specificity, and accuracy of 92.2%, 68.9%, and 81.3%, respectively. Without AI, BE experts had an overall sensitivity, specificity, and accuracy of 83.3%, 58.1%, and 71.5%, respectively. With AI, BE nonexperts showed a significant improvement in sensitivity and specificity when videos were assessed a second time with AI (sensitivity 69.8% [95%CI 65.2%–74.2%] to 78.0% [95%CI 74.0%–82.0%]; specificity 67.3% [95%CI 62.5%–72.2%] to 72.7% [95%CI 68.2%–77.3%]). In addition, the diagnostic confidence of BE nonexperts improved significantly with AI.
Conclusion
BE nonexperts benefitted significantly from additional AI. BE experts and nonexperts remained significantly below the stand-alone performance of AI, suggesting that there may be other factors influencing endoscopists’ decisions to follow or discard AI advice.
Künstliche Intelligenz erhöht die Gefäßerkennung von Endoskopikern bei third space Endoskopie
(2024)
Einleitung: Künstliche Intelligenz (KI)-Algorithmen unterstützen Endoskopiker bei der Erkennung und Charakterisierung von Kolonpolypen in der klinischen Praxis und führen zu einer Erhöhung der Adenomdetektionsrate. Auch bei therapeutischen Maßnahmen wie der endoskopischen Submukosadissektion (ESD) könne relevante anatomische Strukturen durch KI mit hoher Genauigkeit erkannt und im endoskopischen Bild in Echtzeit markiert werden. Der Effekt einer solchen Applikation auf die Gefäßdetektion von Endoskopikern ist bislang nicht erforscht.
Ziele:
In dieser Studie wurde der Effekt eines KI-Algorithmus zur Echtzeit-Gefäßmarkierung bei ESD auf die Gefäßdetektionsrate von Endoskopikern untersucht.
Methodik:
59 third space Endoskopievideos wurde aus der Datenbank des Universitätsklinikums Augsburg extrahiert. Auf 5470 Einzelbildern dieser Untersuchungen wurde submukosale Blutgefäße annotiert. Zusammen mit weiteren 179681 unmarkierten Bildern wurde ein DeepLabV3+ neuronales Netzwerk mit einer semi-supervised learning Methode darin trainiert, submukosale Blutgefäße auf dem endoskopischen Bild zu erkennen und in Echtzeit einzuzeichnen. Anhand eines Videotests mit 101 Videoclips und 200 vordefinierten Blutgefäßen wurden 19 Endoskopiker mit und ohne KI Unterstützung getestet.
Ergebnis:
Der Algorithmus erkannte in dem Videotest 93.5% der Gefäße in einer Detektionszeit von im Median 0,3 Sekunden. Die Gefäßdetektionsrate von Endoskopikern erhöhte sich durch KI Unterstützung von 56,4% auf 72,4% (p<0.001). Die Gefäßdetektionszeit reduzierte sich durch KI-Unterstützung von 6,7 auf 5.2 Sekunden (p<0.001). Der Algorithmus zeigte eine Rate an falsch positiven Detektionen in 4.5% der Einzelbilder. Falsch positiv erkannte Strukturen wurde kürzer detektiert, als richtig positive (0.7 und 6.0 Sekunden, p<0.001).
Schlussfolgerung:
KI Unterstützung führte zu einer erhöhten Gefäßdetektionsrate und schnelleren Gefäßdetektionszeit von Endoskopikern. Ein möglicher klinischer Effekt auf die intraprozedurale Komplikationsrate oder Operationszeit könnte in prospektiven Studien ermittelt werden.
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.
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.
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.
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.
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.