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Hintergrund: Die Entwicklung assistiver Technologien wird in den kommenden Jahren nicht nur in der Chirurgie von zunehmender Bedeutung sein. Die Wahrnehmung der Istsituation stellt hierbei die Grundlage jeder autonomen Handlung dar. Hierfür können unterschiedliche Sensorsysteme genutzt werden, wobei videobasierte Systeme ein besonderes Potenzial aufweisen.
Methode: Anhand von Literaturangaben und auf Basis eigener Forschungsarbeiten werden zentrale Aspekte bildbasierter Unterstützungssysteme für die Chirurgie dargestellt. Hierbei wird deren Potenzial, aber auch die Limitationen der Methoden erläutert.
Ergebnisse: Eine etablierte Anwendung stellt die Phasendetektion chirurgischer Eingriffe dar, für die Operationsvideos mittels neuronaler Netzwerke analysiert werden. Durch eine zeitlich gestützte und transformative Analyse konnten die Ergebnisse der Prädiktion jüngst deutlich verbessert werden. Aber auch robotische Kameraführungssysteme nutzen Bilddaten, um das Laparoskop zukünftig autonom zu navigieren. Um die Zuverlässigkeit an die hohen Anforderungen in der Chirurgie anzugleichen, müssen diese jedoch durch zusätzliche Informationen ergänzt werden. Ein vergleichbarer multimodaler Ansatz wurde bereits für die Navigation und Lokalisation bei laparoskopischen Eingriffen umgesetzt. Hierzu werden Videodaten mittels verschiedener Methoden analysiert und diese Ergebnisse mit anderen Sensormodalitäten fusioniert.
Diskussion: Bildbasierte Unterstützungsmethoden sind bereits für diverse Aufgaben verfügbar und stellen einen wichtigen Aspekt für die Chirurgie der Zukunft dar. Um hier jedoch zuverlässig und für autonome Funktionen eingesetzt werden zu können, müssen sie zukünftig in multimodale Ansätze eingebettet werden, um die erforderliche Sicherheit bieten zu können.
The endoscopic features associated with eosinophilic esophagitis (EoE) may be missed during routine endoscopy. We aimed to develop and evaluate an Artificial Intelligence (AI) algorithm for detecting and quantifying the endoscopic features of EoE in white light images, supplemented by the EoE Endoscopic Reference Score (EREFS). An AI algorithm (AI-EoE) was constructed and trained to differentiate between EoE and normal esophagus using endoscopic white light images extracted from the database of the University Hospital Augsburg. In addition to binary classification, a second algorithm was trained with specific auxiliary branches for each EREFS feature (AI-EoE-EREFS). The AI algorithms were evaluated on an external data set from the University of North Carolina, Chapel Hill (UNC), and compared with the performance of human endoscopists with varying levels of experience. The overall sensitivity, specificity, and accuracy of AI-EoE were 0.93 for all measures, while the AUC was 0.986. With additional auxiliary branches for the EREFS categories, the AI algorithm (AI-EoEEREFS) performance improved to 0.96, 0.94, 0.95, and 0.992 for sensitivity, specificity, accuracy, and AUC, respectively. AI-EoE and AI-EoE-EREFS performed significantly better than endoscopy beginners and senior fellows on the same set of images. An AI algorithm can be trained to detect and quantify endoscopic features of EoE with excellent performance scores. The addition of the EREFS criteria improved the performance of the AI algorithm, which performed significantly better than endoscopists with a lower or medium experience level.
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.