Automatic Cataract Detection Using the Convolutional Neural Network and Digital Camera Images

Background: The cataract is the most prevalent cause of blindness worldwide and is responsible for more than 51 % of blindness cases. As the treatment process is becoming smart and the burden of ophthalmologists is reducing, many existing systems have adopted machine-learning-based cataract classification methods with manual extraction of data features. However, the manual extraction of retinal features is generally time-consuming and exhausting and requires skilled ophthalmologists. Material and Methods: Convolutional neural network (CNN) is a highly common automatic feature extraction model which, compared to machine learning approaches, requires much larger datasets to avoid overfitting issues. This article designs a deep convolutional network for automatic cataract recognition in healthy eyes. The algorithm consists of four convolution layers and a fully connected layer for hierarchical feature learning and training. Results: The proposed approach was tested on collected images and indicated an 90.88 % accuracy on testing data. The keras model provides a function that evaluates the model, which is equal to the value of 84.14 %, the model can be further developed and improved to be applied for the automatic recognition and treatment of ocular diseases. Conclusion: This study presented a deep learning algorithm for the automatic recognition of healthy eyes from cataractous ones. The results suggest that the proposed scheme outperforms other conventional methods and can be regarded as a reference for other retinal disorders

Artificial intelligence applications and cataract management: A systematic review

Artificial intelligence (AI)-based applications exhibit the potential to improve the quality and efficiency of patient care in different fields, including cataract management. A systematic review of the different applications of AI-based software on all aspects of a cataract patient's management, from diagnosis to follow-up, was carried out in accordance with the Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses guidelines. All selected articles were analyzed to assess the level of evidence according to the Oxford Centre for Evidence-Based Medicine 2011 guidelines, and the quality of evidence according to the Grading of Recommendations Assessment, Development and Evaluation system. Of the articles analyzed, 49 met the inclusion criteria. No data synthesis was possible for the heterogeneity of available data and the design of the available studies. The AI-driven diagnosis seemed to be comparable and, in selected cases, to even exceed the accuracy of experienced clinicians in classifying disease, supporting the operating room scheduling, and intraoperative and postoperative management of complications. Considering the heterogeneity of data analyzed, however, further randomized controlled trials to assess the efficacy and safety of AI application in the management of cataract should be highly warranted

Generation of Artificial Image and Video Data for Medical Deep Learning Applications

Neuronale Netze haben in den letzten Jahren erstaunliche Ergebnisse bei der Erkennung von Ereignissen im Bereich der medizinischen Bild- und Videoanalyse erzielt. Dabei stellte sich jedoch immer wieder heraus, dass ein genereller Mangel an Daten besteht. Dieser Mangel bezieht sich nicht nur auf die Anzahl an verfügbaren Datensätzen, sondern auch auf die Anzahl an individuellen Stichproben, das heißt an unabhängigen Bildern und Videos, in bestehenden Datensätzen. Das führt wiederum zu einer schlechteren Erkennungsgenauigkeit von Ereignissen durch das neuronale Netz. Gerade im medizinischen Bereich ist es nicht einfach möglich die Datensätze zu erweitern oder neue Datensätze zu erfassen. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Einerseits können rechtliche Belange die Datenveröffentlichung verhindern. Andererseits kann es sein, dass eine Krankheit nur sehr selten Auftritt und sich so keine Gelegenheit bietet die Daten zu erfassen. Ein zusätzliches Problem ist, dass es sich bei den Daten meist um eine sehr spezifische Domäne handelt, wodurch die Daten meist nur von Experten annotiert werden können. Die Annotation ist aber zeitaufwendig und somit teuer. Existierende Datenaugmentierungsmethoden können oft nur sinnvoll auf Bilddaten angewendet werden und erzeugen z.B. bei Videos nicht ausreichend zeitlich unabhängige Daten. Deswegen ist es notwendig, dass neue Methoden entwickelt werden, mit denen im Nachhinein auch Videodatensätze erweitert oder auch synthetische Daten generiert werden können. Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei neu entwickelte Methoden vorgestellt und beispielhaft auf drei medizinische Beispiele aus dem Bereich der Chirurgie angewendet. Die erste Methode ist die sogenannte Workflow-Augmentierungsmethode, mit deren Hilfe semantischen Information, z.B. Ereignissen eines chirurgischen Arbeitsablaufs, in einem Video augmentiert werden können. Die Methode ermöglicht zusätzlich auch eine Balancierung zum Beispiel von chirurgischen Phasen oder chirurgischen Instrumenten, die im Videodatensatz vorkommen. Bei der Anwendung der Methode auf die zwei verschiedenen Datensätzen, von Kataraktoperationen und laparoskopischen Cholezystektomieoperationen, konnte die Leistungsfähigkeit der Methode gezeigt werden. Dabei wurde Genauigkeit der Instrumentenerkennung bei der Kataraktoperation durch ein Neuronales Netz während Kataraktoperation um 2,8% auf 93,5% im Vergleich zu etablierten Methoden gesteigert. Bei der chirurgischen Phasenerkennung im Fall bei der Cholezystektomie konnte sogar eine Steigerung der Genauigkeit um 8,7% auf 96,96% im Verglich zu einer früheren Studie erreicht werden. Beide Studien zeigen eindrucksvoll das Potential der Workflow-Augmentierungsmethode. Die zweite vorgestellte Methode basiert auf einem erzeugenden gegnerischen Netzwerk (engl. generative adversarial network (GAN)). Dieser Ansatz ist sehr vielversprechend, wenn nur sehr wenige Daten oder Datensätze vorhanden sind. Dabei werden mit Hilfe eines neuronalen Netzes neue fotorealistische Bilder generiert. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein sogenanntes zyklisches erzeugendes gegnerisches Netzwerk (engl. cycle generative adversarial network (CycleGAN)) verwendet. CycleGANs führen meiste eine Bild zu Bild Transformation durch. Zusätzlich ist es möglich weitere Bedingungen an die Transformation zu knüpfen. Das CycleGAN wurde im dritten Beispiel dazu verwendet, ein Passbild von einem Patienten nach einem Kranio-Maxillofazialen chirurgischen Korrektur, mit Hilfe eines präoperativen Porträtfotos und der operativen 3D Planungsmaske, zu schätzen. Dabei konnten realistisch, lebendig aussehende Bilder generiert werden, ohne dass für das Training des GANs medizinische Daten verwendeten wurden. Stattdessen wurden für das Training synthetisch erzeugte Daten verwendet. Abschließend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit entwickelten Methoden in der Lage sind, den Mangel an Stichproben und Datensätzen teilweise zu überwinden und dadurch eine bessere Erkennungsleistung von neuronalen Netzen erreicht werden konnte. Die entwickelten Methoden können in Zukunft dazu verwendet werden, bessere medizinische Unterstützungssysteme basierende auf künstlicher Intelligenz zu entwerfen, die den Arzt in der klinischen Routine weiter unterstützen, z.B. bei der Diagnose, der Therapie oder bei bildgesteuerten Eingriffen, was zu einer Verringerung der klinischen Arbeitsbelastung und damit zu einer Verbesserung der Patientensicherheit führt

Visionary Ophthalmics: Confluence of Computer Vision and Deep Learning for Ophthalmology

Ophthalmology is a medical field ripe with opportunities for meaningful application of computer vision algorithms. The field utilizes data from multiple disparate imaging techniques, ranging from conventional cameras to tomography, comprising a diverse set of computer vision challenges. Computer vision has a rich history of techniques that can adequately meet many of these challenges. However, the field has undergone something of a revolution in recent times as deep learning techniques have sprung into the forefront following advances in GPU hardware. This development raises important questions regarding how to best leverage insights from both modern deep learning approaches and more classical computer vision approaches for a given problem. In this dissertation, we tackle challenging computer vision problems in ophthalmology using methods all across this spectrum. Perhaps our most significant work is a highly successful iris registration algorithm for use in laser eye surgery. This algorithm relies on matching features extracted from the structure tensor and a Gabor wavelet – a classically driven approach that does not utilize modern machine learning. However, drawing on insight from the deep learning revolution, we demonstrate successful application of backpropagation to optimize the registration significantly faster than the alternative of relying on finite differences. Towards the other end of the spectrum, we also present a novel framework for improving RANSAC segmentation algorithms by utilizing a convolutional neural network (CNN) trained on a RANSAC-based loss function. Finally, we apply state-of-the-art deep learning methods to solve the problem of pathological fluid detection in optical coherence tomography images of the human retina, using a novel retina-specific data augmentation technique to greatly expand the data set. Altogether, our work demonstrates benefits of applying a holistic view of computer vision, which leverages deep learning and associated insights without neglecting techniques and insights from the previous era

Kontextsensitivität für den Operationssaal der Zukunft

The operating room of the future is a topic of high interest. In this thesis, which is among the first in the recently defined field of Surgical Data Science, three major topics for automated context awareness in the OR of the future will be examined: improved surgical workflow analysis, the newly developed event impact factors, and as application combining these and other concepts the unified surgical display.Der Operationssaal der Zukunft ist ein Forschungsfeld von großer Bedeutung. In dieser Dissertation, die eine der ersten im kürzlich definierten Bereich „Surgical Data Science“ ist, werden drei Themen für die automatisierte Kontextsensitivität im OP der Zukunft untersucht: verbesserte chirurgische Worflowanalyse, die neuentwickelten „Event Impact Factors“ und als Anwendungsfall, der diese Konzepte mit anderen kombiniert, das vereinheitlichte chirurgische Display

Kontextsensitivität für den Operationssaal der Zukunft

The operating room of the future is a topic of high interest. In this thesis, which is among the first in the recently defined field of Surgical Data Science, three major topics for automated context awareness in the OR of the future will be examined: improved surgical workflow analysis, the newly developed event impact factors, and as application combining these and other concepts the unified surgical display.Der Operationssaal der Zukunft ist ein Forschungsfeld von großer Bedeutung. In dieser Dissertation, die eine der ersten im kürzlich definierten Bereich „Surgical Data Science“ ist, werden drei Themen für die automatisierte Kontextsensitivität im OP der Zukunft untersucht: verbesserte chirurgische Worflowanalyse, die neuentwickelten „Event Impact Factors“ und als Anwendungsfall, der diese Konzepte mit anderen kombiniert, das vereinheitlichte chirurgische Display

AI-Enabled Deep Learning Model for COVID-19 Identification Leveraging Internet of Things

Addressing the COVID-19 epidemic since December 2019 has emphasized the criticality of timely and error-free identification of infected COVID-19 individuals in medical settings. To effectively combat the epidemic, the utilization of deep TL-enabled automated COVID-19 identification on CXRs is paramount. This study recommended a real-time IoT system employing ensemble deep TL to enable early identification of infected COVID-19 individuals. The system allows for real-time transmission and identification of COVID-19 suspicious individuals. The suggested IoT model incorporates several DL models, including InceptionResNetV2, VGG16, ResNet152V2, and DenseNet201. These models, stored on a cloud server, are utilized in conjunction with medical sensors to gather chest X-ray data and detect infections. A chest X-ray dataset is used to compare the deep ensemble model against six transfer learning algorithms. The comparative investigation demonstrates that the suggested approach facilitates swift and effective diagnosis of COVID-19 suspicious patients, providing valuable support to radiologists. This work highlights the significance of leveraging deep transfer learning and IoT in achieving early identification of suspected COVID-19 patients. The proposed system, incorporating a deep ensemble model, offers a practical solution for assisting radiologists in efficiently diagnosing COVID-19 case

A Review on Skin Disease Classification and Detection Using Deep Learning Techniques

Skin cancer ranks among the most dangerous cancers. Skin cancers are commonly referred to as Melanoma. Melanoma is brought on by genetic faults or mutations on the skin, which are caused by Unrepaired Deoxyribonucleic Acid (DNA) in skin cells. It is essential to detect skin cancer in its infancy phase since it is more curable in its initial phases. Skin cancer typically progresses to other regions of the body. Owing to the disease's increased frequency, high mortality rate, and prohibitively high cost of medical treatments, early diagnosis of skin cancer signs is crucial. Due to the fact that how hazardous these disorders are, scholars have developed a number of early-detection techniques for melanoma. Lesion characteristics such as symmetry, colour, size, shape, and others are often utilised to detect skin cancer and distinguish benign skin cancer from melanoma. An in-depth investigation of deep learning techniques for melanoma's early detection is provided in this study. This study discusses the traditional feature extraction-based machine learning approaches for the segmentation and classification of skin lesions. Comparison-oriented research has been conducted to demonstrate the significance of various deep learning-based segmentation and classification approaches

Effectiveness of Machine Learning Classifiers for Cataract Screening

Cataract is the leading cause of blindness and vision loss globally. The implementation of artificial intelligence (AI) in the healthcare industry has been on the rise in the past few decades and machine learning (ML) classifiers have shown to be able to diagnose patients with cataracts. A systematic review and meta-analysis were conducted to assess the diagnostic accuracy of these ML classifiers for cataracts currently published in the literature. Retrieved from nine articles, the pooled sensitivity was 94.8% and the specificity was 96.0% for adult cataracts. Additionally, an economic analysis was conducted to explore the cost-effectiveness of implementing ML to diagnostic eye camps in rural Nepal compared to traditional diagnostic eye camps. There was a total of 22,805 patients included in the decision tree, and the ML-based eye camp was able to identify 31 additional cases of cataracts, and 2546 additional cases of non-cataract