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Colorectal cancer (CRC) is a leading cause of cancer-related deaths worldwide. The best method to prevent CRC is with a colonoscopy. During this procedure, the gastroenterologist searches for polyps. However, there is a potential risk of polyps being missed by the gastroenterologist. Automated detection of polyps helps to assist the gastroenterologist during a colonoscopy. There are already publications examining the problem of polyp detection in the literature. Nevertheless, most of these systems are only used in the research context and are not implemented for clinical application. Therefore, we introduce the first fully open-source automated polyp-detection system scoring best on current benchmark data and implementing it ready for clinical application. To create the polyp-detection system (ENDOMIND-Advanced), we combined our own collected data from different hospitals and practices in Germany with open-source datasets to create a dataset with over 500,000 annotated images. ENDOMIND-Advanced leverages a post-processing technique based on video detection to work in real-time with a stream of images. It is integrated into a prototype ready for application in clinical interventions. We achieve better performance compared to the best system in the literature and score a F1-score of 90.24% on the open-source CVC-VideoClinicDB benchmark.
Einleitung: Medizinische Trainingsfälle sind in der studentischen Ausbildung inzwischen weit verbreitet. In den meisten Publikationen wird über die Entwicklung und die Erfahrungen in einem Kurs mit Trainingsfällen berichtet. In diesem Beitrag vergleichen wir die Akzeptanz von verschiedenen Trainingsfallkursen, die als Ergänzung zu zahlreichen Vorlesungen der Medizinischen Fakultät der Universität Würzburg mit sehr unterschiedlichen Nutzungsraten eingesetzt wurden, über einen Zeitraum von drei Semestern.
Methoden: Die Trainingsfälle wurden mit dem Autoren- und Ablaufsystem CaseTrain erstellt und über die Moodle-basierte Würzburger Lernplattform WueCampus den Studierenden verfügbar gemacht. Dabei wurden umfangreiche Daten über die Nutzung und Akzeptanz erhoben.
Ergebnisse: Im Zeitraum vom WS 08/09 bis zum WS 09/10 waren 19 Kurse mit insgesamt ca. 200 Fällen für die Studierenden verfügbar, die pro Semester von ca. 550 verschiedenen Medizinstudenten der Universität Würzburg und weiteren 50 Studierenden anderer bayerischer Universitäten genutzt wurden. Insgesamt wurden pro Semester ca. 12000 Mal Trainingsfälle vollständig durchgespielt zu denen ca. 2000 Evaluationen von den Studierenden ausgefüllt wurden. In den verschiedenen Kursen variiert die Nutzung zwischen unter 50 Bearbeitungen in wenig frequentierten Fallsammlungen und über 5000 Bearbeitungen in stark frequentierten Fallsammlungen.
Diskussion: Auch wenn Studierende wünschen, dass zu allen Vorlesungen Trainingsfälle angeboten werden, zeigen die Daten, dass der Umfang der Nutzung nicht primär von der Qualität der verfügbaren Trainingsfälle abhängt. Dagegen werden die Trainingsfälle in fast allen Fallsammlungen kurz vor den Klausuren extrem häufig bearbeitet. Dies zeigt, dass die Nutzung von Trainingsfällen im Wesentlichen von der wahrgenommenen Klausurrelevanz der Fälle abhängt.
Einleitung:
Multiple-Choice-Klausuren spielen immer noch eine herausragende Rolle für fakultätsinterne medizinische Prüfungen. Neben inhaltlichen Arbeiten stellt sich die Frage, wie die technische Abwicklung optimiert werden kann. Für Dozenten in der Medizin gibt es zunehmend drei Optionen zur Durchführung von MC-Klausuren: Papierklausuren mit oder ohne Computerunterstützung oder vollständig elektronische Klausuren. Kritische Faktoren sind der Aufwand für die Formatierung der Klausur, der logistische Aufwand bei der Klausurdurchführung, die Qualität, Schnelligkeit und der Aufwand der Klausurkorrektur, die Bereitstellung der Dokumente für die Einsichtnahme, und die statistische Analyse der Klausurergebnisse.
Methoden:
An der Universität Würzburg wird seit drei Semestern ein Computerprogramm zur Eingabe und Formatierung der MC-Fragen in medizinischen und anderen Papierklausuren verwendet und optimiert, mit dem im Wintersemester (WS) 2009/2010 elf, im Sommersemester (SS) 2010 zwölf und im WS 2010/11 dreizehn medizinische Klausuren erstellt und anschließend die eingescannten Antwortblätter automatisch ausgewertet wurden. In den letzten beiden Semestern wurden die Aufwände protokolliert.
Ergebnisse:
Der Aufwand der Formatierung und der Auswertung einschl. nachträglicher Anpassung der Auswertung einer Durchschnittsklausur mit ca. 140 Teilnehmern und ca. 35 Fragen ist von 5-7 Stunden für Klausuren ohne Komplikation im WS 2009/2010 über ca. 2 Stunden im SS 2010 auf ca. 1,5 Stunden im WS 2010/11 gefallen. Einschließlich der Klausuren mit Komplikationen bei der Auswertung betrug die durchschnittliche Zeit im SS 2010 ca. 3 Stunden und im WS 10/11 ca. 2,67 Stunden pro Klausur.
Diskussion:
Für konventionelle Multiple-Choice-Klausuren bietet die computergestützte Formatierung und Auswertung von Papierklausuren einen beträchtlichen Zeitvorteil für die Dozenten im Vergleich zur manuellen Korrektur von Papierklausuren und benötigt im Vergleich zu rein elektronischen Klausuren eine deutlich einfachere technische Infrastruktur und weniger Personal bei der Klausurdurchführung.
Background
Colorectal cancer is a leading cause of cancer-related deaths worldwide. The best method to prevent CRC is a colonoscopy. However, not all colon polyps have the risk of becoming cancerous. Therefore, polyps are classified using different classification systems. After the classification, further treatment and procedures are based on the classification of the polyp. Nevertheless, classification is not easy. Therefore, we suggest two novel automated classifications system assisting gastroenterologists in classifying polyps based on the NICE and Paris classification.
Methods
We build two classification systems. One is classifying polyps based on their shape (Paris). The other classifies polyps based on their texture and surface patterns (NICE). A two-step process for the Paris classification is introduced: First, detecting and cropping the polyp on the image, and secondly, classifying the polyp based on the cropped area with a transformer network. For the NICE classification, we design a few-shot learning algorithm based on the Deep Metric Learning approach. The algorithm creates an embedding space for polyps, which allows classification from a few examples to account for the data scarcity of NICE annotated images in our database.
Results
For the Paris classification, we achieve an accuracy of 89.35 %, surpassing all papers in the literature and establishing a new state-of-the-art and baseline accuracy for other publications on a public data set. For the NICE classification, we achieve a competitive accuracy of 81.13 % and demonstrate thereby the viability of the few-shot learning paradigm in polyp classification in data-scarce environments. Additionally, we show different ablations of the algorithms. Finally, we further elaborate on the explainability of the system by showing heat maps of the neural network explaining neural activations.
Conclusion
Overall we introduce two polyp classification systems to assist gastroenterologists. We achieve state-of-the-art performance in the Paris classification and demonstrate the viability of the few-shot learning paradigm in the NICE classification, addressing the prevalent data scarcity issues faced in medical machine learning.
A deep integration of routine care and research remains challenging in many respects. We aimed to show the feasibility of an automated transformation and transfer process feeding deeply structured data with a high level of granularity collected for a clinical prospective cohort study from our hospital information system to the study's electronic data capture system, while accounting for study-specific data and visits. We developed a system integrating all necessary software and organizational processes then used in the study. The process and key system components are described together with descriptive statistics to show its feasibility in general and to identify individual challenges in particular. Data of 2051 patients enrolled between 2014 and 2020 was transferred. We were able to automate the transfer of approximately 11 million individual data values, representing 95% of all entered study data. These were recorded in n = 314 variables (28% of all variables), with some variables being used multiple times for follow-up visits. Our validation approach allowed for constant good data quality over the course of the study. In conclusion, the automated transfer of multi-dimensional routine medical data from HIS to study databases using specific study data and visit structures is complex, yet viable.
Eine wichtige Grundlage für die quantitative Analyse von Erzähltexten, etwa eine Netzwerkanalyse der Figurenkonstellation, ist die automatische Erkennung von Referenzen auf Figuren in Erzähltexten, ein Sonderfall des generischen NLP-Problems der Named Entity Recognition. Bestehende, auf Zeitungstexten trainierte Modelle sind für literarische Texte nur eingeschränkt brauchbar, da die Einbeziehung von Appellativen in die Named Entity-Definition und deren häufige Verwendung in Romantexten zu einem schlechten Ergebnis führt. Dieses Paper stellt eine anhand eines manuell annotierten Korpus auf deutschsprachige Romane des 19. Jahrhunderts angepasste NER-Komponente vor.
Die Erkennung handschriftlicher Artefakte wie Unterstreichungen in Buchdrucken ermöglicht Rückschlüsse auf das Rezeptionsverhalten und die Provenienzgeschichte und wird auch für eine OCR benötigt. Dabei soll zwischen handschriftlichen Unterstreichungen und waagerechten Linien im Druck (z. B. Trennlinien usw.) unterschieden werden, da letztere nicht ausgezeichnet werden sollen. Im Beitrag wird ein Ansatz basierend auf einem auf Unterstreichungen trainierten Neuronalen Netz gemäß der U-Net Architektur vorgestellt, dessen Ergebnisse in einem zweiten Schritt mit heuristischen Regeln nachbearbeitet werden. Die Evaluationen zeigen, dass Unterstreichungen sehr gut erkannt werden, wenn bei der Binarisierung der Scans nicht zu viele Pixel der Unterstreichung wegen geringem Kontrast verloren gehen. Zukünftig sollen die Worte oberhalb der Unterstreichung mit OCR transkribiert werden und auch andere Artefakte wie handschriftliche Notizen in alten Drucken erkannt werden.
Background: Natural language processing (NLP) is a powerful tool supporting the generation of Real-World Evidence (RWE). There is no NLP system that enables the extensive querying of parameters specific to multiple myeloma (MM) out of unstructured medical reports. We therefore created a MM-specific ontology to accelerate the information extraction (IE) out of unstructured text. Methods: Our MM ontology consists of extensive MM-specific and hierarchically structured attributes and values. We implemented “A Rule-based Information Extraction System” (ARIES) that uses this ontology. We evaluated ARIES on 200 randomly selected medical reports of patients diagnosed with MM. Results: Our system achieved a high F1-Score of 0.92 on the evaluation dataset with a precision of 0.87 and recall of 0.98. Conclusions: Our rule-based IE system enables the comprehensive querying of medical reports. The IE accelerates the extraction of data and enables clinicians to faster generate RWE on hematological issues. RWE helps clinicians to make decisions in an evidence-based manner. Our tool easily accelerates the integration of research evidence into everyday clinical practice.
Background
Machine learning, especially deep learning, is becoming more and more relevant in research and development in the medical domain. For all the supervised deep learning applications, data is the most critical factor in securing successful implementation and sustaining the progress of the machine learning model. Especially gastroenterological data, which often involves endoscopic videos, are cumbersome to annotate. Domain experts are needed to interpret and annotate the videos. To support those domain experts, we generated a framework. With this framework, instead of annotating every frame in the video sequence, experts are just performing key annotations at the beginning and the end of sequences with pathologies, e.g., visible polyps. Subsequently, non-expert annotators supported by machine learning add the missing annotations for the frames in-between.
Methods
In our framework, an expert reviews the video and annotates a few video frames to verify the object’s annotations for the non-expert. In a second step, a non-expert has visual confirmation of the given object and can annotate all following and preceding frames with AI assistance. After the expert has finished, relevant frames will be selected and passed on to an AI model. This information allows the AI model to detect and mark the desired object on all following and preceding frames with an annotation. Therefore, the non-expert can adjust and modify the AI predictions and export the results, which can then be used to train the AI model.
Results
Using this framework, we were able to reduce workload of domain experts on average by a factor of 20 on our data. This is primarily due to the structure of the framework, which is designed to minimize the workload of the domain expert. Pairing this framework with a state-of-the-art semi-automated AI model enhances the annotation speed further. Through a prospective study with 10 participants, we show that semi-automated annotation using our tool doubles the annotation speed of non-expert annotators compared to a well-known state-of-the-art annotation tool.
Conclusion
In summary, we introduce a framework for fast expert annotation for gastroenterologists, which reduces the workload of the domain expert considerably while maintaining a very high annotation quality. The framework incorporates a semi-automated annotation system utilizing trained object detection models. The software and framework are open-source.
Background
Information extraction techniques that get structured representations out of unstructured data make a large amount of clinically relevant information about patients accessible for semantic applications. These methods typically rely on standardized terminologies that guide this process. Many languages and clinical domains, however, lack appropriate resources and tools, as well as evaluations of their applications, especially if detailed conceptualizations of the domain are required. For instance, German transthoracic echocardiography reports have not been targeted sufficiently before, despite of their importance for clinical trials. This work therefore aimed at development and evaluation of an information extraction component with a fine-grained terminology that enables to recognize almost all relevant information stated in German transthoracic echocardiography reports at the University Hospital of Würzburg.
Methods
A domain expert validated and iteratively refined an automatically inferred base terminology. The terminology was used by an ontology-driven information extraction system that outputs attribute value pairs. The final component has been mapped to the central elements of a standardized terminology, and it has been evaluated according to documents with different layouts.
Results
The final system achieved state-of-the-art precision (micro average.996) and recall (micro average.961) on 100 test documents that represent more than 90 % of all reports. In particular, principal aspects as defined in a standardized external terminology were recognized with f 1=.989 (micro average) and f 1=.963 (macro average). As a result of keyword matching and restraint concept extraction, the system obtained high precision also on unstructured or exceptionally short documents, and documents with uncommon layout.
Conclusions
The developed terminology and the proposed information extraction system allow to extract fine-grained information from German semi-structured transthoracic echocardiography reports with very high precision and high recall on the majority of documents at the University Hospital of Würzburg. Extracted results populate a clinical data warehouse which supports clinical research.