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Multimodal convolutional neural network–based algorithm for real-time detection and differentiation of malignant and inflammatory biliary strictures in cholangioscopy: a proof-of-concept study (with video) - 04/04/25

Doi : 10.1016/j.gie.2024.09.001 
Joceline Ziegler, MSc 1, , Philipp Dobsch, MD 2, , Marten Rozema, MSc 1, Ina Zuber-Jerger, MD 2, Kilian Weigand, MD 2, 3, Stefan Reuther, MSc 1, Martina Müller, MD 2, Arne Kandulski, MD 2,
1 Unetiq GmbH, München, Germany 
2 Department of Internal Medicine I, Gastroenterology, Hepatology, Endocrinology, Rheumatology and Infectious Diseases, University Hospital Regensburg, Regensburg, Germany 
3 Department of Internal Medicine, Gastroenterology, Gastrointestinal Oncology and Diabetology, Gemeinschaftsklinikum Mittelrhein, Koblenz, Germany 

Reprint requests to: Arne Kandulski, MD, Department of Internal Medicine I, Gastroenterology, Hepatology, Endocrinology, Rheumatology and Infectious Diseases, University Hospital Regensburg, Franz-Josef-Strauß-Allee 11, 93053 Regensburg.Department of Internal Medicine IGastroenterologyHepatologyEndocrinologyRheumatology and Infectious DiseasesUniversity Hospital RegensburgFranz-Josef-Strauß-Allee 11Regensburg93053

Abstract

Background and Aims

Deep learning algorithms gained attention for detection (computer-aided detection [CADe]) of biliary tract cancer in digital single-operator cholangioscopy (dSOC). We developed a multimodal convolutional neural network (CNN) for detection (CADe), characterization and discriminating (computer-aided diagnosis [CADx]) between malignant, inflammatory, and normal biliary tissue in raw dSOC videos. In addition, clinical metadata were included in the CNN algorithm to overcome limitations of image-only models.

Methods

Based on dSOC videos and images of 111 patients (total of 15,158 still frames), a real-time CNN-based algorithm for CADe and CADx was developed and validated. We established an image-only model and metadata injection approach. In addition, frame-wise and case-based predictions on complete dSOC video sequences were validated. Model embeddings were visualized, and class activation maps highlighted relevant image regions.

Results

The concatenation-based CADx approach achieved a per-frame area under the receiver-operating characteristic curve of .871, sensitivity of .809 (95% CI, .784-.832), specificity of .773 (95% CI, .761-.785), positive predictive value of .450 (95% CI, .423-.467), and negative predictive value of .946 (95% CI, .940-.954) with respect to malignancy on 5715 test frames from complete videos of 20 patients. For case-based diagnosis using average prediction scores, 6 of 8 malignant cases and all 12 benign cases were identified correctly.

Conclusions

Our algorithm distinguishes malignant and inflammatory bile duct lesions in dSOC videos, indicating the potential of CNN-based diagnostic support systems for both CADe and CADx. The integration of non-image data can improve CNN-based support systems, targeting current challenges in the assessment of biliary strictures.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Graphical abstract




Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Abbreviations : AUC, BTC, CADe, CADx, CNN, dSOC, DL, NPV, PPV, PSC, UMAP


Plan


 DIVERSITY, EQUITY, AND INCLUSION: We worked to ensure gender balance in the recruitment of human subjects. We worked to ensure ethnic or other types of diversity in the recruitment of human subjects. We worked to ensure that the language of the study questionnaires reflected inclusion. The author list of this paper includes contributors from the location where the research was conducted who participated in the data collection, design, analysis, and/or interpretation of the work.
 De-identified data may be viewed and code can be made available upon request directed at the corresponding author.


© 2025  American Society for Gastrointestinal Endoscopy. Publié par Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.
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Vol 101 - N° 4

P. 830 - avril 2025 Retour au numéro
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