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Aims
AI has proven great potential in assisting endoscopists in diagnostics, however its role in therapeutic endoscopy remains unclear. Endoscopic submucosal dissection (ESD) is a technically demanding intervention with a slow learning curve and relevant risks like bleeding and perforation. Therefore, we aimed to develop an algorithm for the real-time detection and delineation of relevant structures during third-space endoscopy.
Methods
5470 still images from 59 full length videos (47 ESD, 12 POEM) were annotated. 179681 additional unlabeled images were added to the training dataset. Consequently, a DeepLabv3+ neural network architecture was trained with the ECMT semi-supervised algorithm (under review elsewhere). Evaluation of vessel detection was performed on a dataset of 101 standardized video clips from 15 separate third-space endoscopy videos with 200 predefined blood vessels.
Results
Internal validation yielded an overall mean Dice score of 85% (68% for blood vessels, 86% for submucosal layer, 88% for muscle layer). On the video test data, the overall vessel detection rate (VDR) was 94% (96% for ESD, 74% for POEM). The median overall vessel detection time (VDT) was 0.32 sec (0.3 sec for ESD, 0.62 sec for POEM).
Conclusions
Evaluation of the developed algorithm on a video test dataset showed high VDR and quick VDT, especially for ESD. Further research will focus on a possible clinical benefit of the AI application for VDR and VDT during third-space endoscopy.
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
VA is an endoscopic finding of celiac disease (CD), which can easily be missed if pretest probability is low. In this study, we aimed to develop an artificial intelligence (AI) algorithm for the detection of villous atrophy on endoscopic images.
Methods
858 images from 182 patients with VA and 846 images from 323 patients with normal duodenal mucosa were used for training and internal validation of an AI algorithm (ResNet18). A separate dataset was used for external validation, as well as determination of detection performance of experts, trainees and trainees with AI support. According to the AI consultation distribution, images were stratified into “easy” and “difficult”.
Results
Internal validation showed 82%, 85% and 84% for sensitivity, specificity and accuracy. External validation showed 90%, 76% and 84%. The algorithm was significantly more sensitive and accurate than trainees, trainees with AI support and experts in endoscopy. AI support in trainees was associated with significantly improved performance. While all endoscopists showed significantly lower detection for “difficult” images, AI performance remained stable.
Conclusions
The algorithm outperformed trainees and experts in sensitivity and accuracy for VA detection. The significant improvement with AI support suggests a potential clinical benefit. Stable performance of the algorithm in “easy” and “difficult” test images may indicate an advantage in macroscopically challenging cases.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.