Detección automática de pólipos colorrectales con técnicas de inteligencia artificial / Artificial intelligence techniques for the automatic detection of colorectal polyps

RESUMEN

Resumen El cáncer colorrectal (CCR) es uno de los tumores malignos con mayor prevalencia en Colombia y el mundo. Estas neoplasias se originan en lesiones adenomatosas o pólipos que deben resecarse para prevenir la enfermedad, lo cual se puede realizar con una colonoscopia. Se ha reportado que durante una colonoscopia se detectan pólipos en el 40 % de los hombres y en el 30 % de las mujeres (hiperplásicos, adenomatosos, serrados, entre otros), y, en promedio, un 25 % de pólipos adenomatosos (principal indicador de calidad en colonoscopia). Sin embargo, estas lesiones no son fáciles de observar por la multiplicidad de puntos ciegos en el colon y por el error humano asociado con el examen. Diferentes investigaciones han reportado que alrededor del 25 % de pólipos colorrectales no son detectados o se pasan por alto durante la colonoscopia y, como consecuencia, el paciente puede tener un cáncer de intervalo. Estas cifras muestran la necesidad de contar con un segundo observador (sistema de inteligencia artificial) que reduzca al mínimo la posibilidad de no detectar estos pólipos y, de este modo, sea posible prevenir al máximo el cáncer de colon. Objetivo: crear un método computacional para la detección automática de pólipos colorrectales usando inteligencia artificial en videos grabados de procedimientos reales de colonoscopia. Metodología: se usaron bases de datos públicas con pólipos colorrectales y una colección de datos construida en un Hospital Universitario. Inicialmente, se normalizan todos los cuadros de los videos para disminuir la alta variabilidad entre bases de datos. Posteriormente, la tarea de detección de pólipos se hace con un método de aprendizaje profundo usando una red neuronal convolucional. Esta red se inicia con pesos aprendidos en millones de imágenes naturales de la base de datos ImageNet. Los pesos de la red se actualizan usando imágenes de colonoscopia, siguiendo la técnica de ajuste fino. Finalmente, la detección de pólipos se realiza asignando a cada cuadro una probabilidad de contener un pólipo y determinando el umbral que define cuando el pólipo se encuentra presente en un cuadro. Resultados: este enfoque fue entrenado y evaluado con 1875 casos recopilados de 5 bases de datos públicas y de la construida en el hospital universitario, que suman aproximadamente 123 046 cuadros. Los resultados obtenidos se compararon con las marcaciones de diferentes expertos en colonoscopia y se obtuvo 0,77 de exactitud, 0,89 de sensibilidad, 0,71 de especificidad y una curva ROC (receiver operating characteristic) de 0,87. Conclusión: este método logra detectar pólipos de manera sobresaliente, superando la alta variabilidad dada por los distintos tipos de lesiones, condiciones diferentes de la luz del colon (asas, pliegues o retracciones) con una sensibilidad muy alta, comparada con un gastroenterólogo experimentado, lo que podría hacer que se disminuya el error humano, el cual es uno de los principales factores que hacen que no se detecte o se escapen los pólipos durante un examen de colonoscopia.

ABSTRACT

Abstract Colorectal cancer (CRC) is one of the most prevalent malignant tumors worldwide. These neoplasms originate from adenomatous lesions or polyps that must be resected to prevent the development of the disease, and that can be done through a colonoscopy. Polyps are reported during colonoscopy in 40% of men and 30% of women (hyperplastic, adenomatous, serrated, among others), and, on average 25% are adenomatous polyps (the main indicator of quality in colonoscopy). However, these lesions are not easy to visualize because of the multiplicity of blind spots in the colon and human errors associated with the performance of the procedure. Several research works have reported that about 25% of colorectal polyps are overlooked or undetected during colonoscopy, and as a result, the patient may have interval cancer. These figures show the need for a second observer (artificial intelligence system) to reduce the possibility of not detecting polyps and prevent colon cancer as much as possible. Objective: To create a computational method for the automatic detection of colorectal polyps using artificial intelligence using recorded videos of colonoscopy procedures. Methodology: Public databases of colorectal polyps and a data collection constructed in a university hospital were used. Initially, all the frames in the videos were normalized to reduce the high variability between databases. Subsequently, polyps were detected using a deep learning method with a convolutional neural network. This network starts with weights learned from millions of natural images taken from the ImageNET database. Network weights are updated using colonoscopy images, following the fine-tuning technique. Finally, polyps are detected by assigning each box a probability of polyp presence and determining the threshold that defines when the polyp is present in a box. Results: This approach was trained and evaluated with 1 875 cases collected from 5 public databases and the one built in the university hospital, which total approximately 123 046 frames. The results obtained were compared with the markings of different experts in colonoscopy, obtaining 0.77 accuracy, 0.89 sensitivity, 0.71 specificity, and a receiver operating characteristic curve of 0.87. Conclusion: This method detected polyps in an outstanding way, overcoming the high variability caused by the types of lesions and bowel lumen condition (loops, folds or retractions) and obtaining a very high sensitivity compared with an experienced gastroenterologist. This may help reduce the incidence of human error, as it is one of the main factors that cause polyps to not be detected or overlooked during a colonoscopy.