Diagnosis and classification of pediatric acute appendicitis by artificial intelligence methods: An investigator-independent approach

Acute appendicitis is one of the major causes for emergency surgery in childhood and adolescence. Appendectomy is still the therapy of choice, but conservative strategies are increasingly being studied for uncomplicated inflammation. Diagnosis of acute appendicitis remains challenging, especially due to the frequently unspecific clinical picture. Inflammatory blood markers and imaging methods like ultrasound are limited as they have to be interpreted by experts and still do not offer sufficient diagnostic certainty. This study presents a method for automatic diagnosis of appendicitis as well as the differentiation between complicated and uncomplicated inflammation using values/parameters which are routinely and unbiasedly obtained for each patient with suspected appendicitis. We analyzed full blood counts, c-reactive protein (CRP) and appendiceal diameters in ultrasound investigations corresponding to children and adolescents aged 0–17 years from a hospital based population in Berlin, Germany. A total of 590 patients (473 patients with appendicitis in histopathology and 117 with negative histopathological findings) were analyzed retrospectively with modern algorithms from machine learning (ML) and artificial intelligence (AI). The discovery of informative parameters (biomarker signatures) and training of the classification model were done with a maximum of 35% of the patients. The remaining minimum 65% of patients were used for validation. At clinical relevant cut-off points the accuracy of the biomarker signature for diagnosis of appendicitis was 90% (93% sensitivity, 67% specificity), while the accuracy to correctly identify complicated inflammation was 51% (95% sensitivity, 33% specificity) on validation data. Such a test would be capable to prevent two out of three patients without appendicitis from useless surgery as well as one out of three patients with uncomplicated appendicitis. The presented method has the potential to change today’s therapeutic approach for appendicitis and demonstrates the capability of algorithms from AI and ML to significantly improve diagnostics even based on routine diagnostic parameters

Marc Reismann's Quick Files

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Fast-track concepts in pediatric surgery

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Erstellung, klinische Prüfung und Optimierung kinderchirurgischer Fast-track-(FT-)Konzepte. Des Weiteren sollte die Übertragbarkeit der Konzepte auf andere Kliniken überprüft werden. Im Rahmen einer ersten prospektiven klinischen Studie über ein Jahr wurden FT- Behandlungspfade für sechs typische kinderchirurgische Eingriffe geprüft: Appendektomie, Fundoplikatio, Hypospadie-Korrektur, (Hemi-)Nephrektomie, Darmanastomose und Nierenbeckenplastik. Wesentliche Bestandteile der Pfade waren ein spezifisches perioperatives Schmerzbehandlungsschema, eine rasche Mobilisation, ein früher postoperativer Nahrungsaufbau, die Vermeidung von Kathetern und Drainagen und eine intensive psychosoziale Betreuung. Zudem wurden minimal invasive Verfahren bevorzugt angewendet. 71% der im Rahmen der genannten Eingriffe behandelten Patienten konnten in die Studie eingeschlossen werden und wurden ohne FT-relevante Komplikationen dem Konzept entsprechend behandelt. Die mittleren Verweildauern der FT-Patienten waren gegenüber vergleichbaren Daten aus dem G-DRG-System signifikant reduziert. Die Akzeptanz bei den Patienten bzw. deren Eltern war exzellent. Lediglich die initiale postoperative Schmerzbehandlung war unzureichend. In einer prospektiven Folgestudie über ein Jahr wurden FT-Konzepte für alle im Rahmen der kinderchirurgischen Routine behandelten Patienten geprüft. Ca. ein Drittel der Patienten (36%) konnte das Verfahren durchlaufen. Auch hier zeigten sich keine Komplikationen, die auf das Konzept zurückzuführen waren. Bei erneuter deutlicher Unterschreitung der mittleren Verweildauern im DRG-System war die Akzeptanz bei Patienten und Eltern erneut gut. Die perioperative Schmerztherapie konnte im Vergleich zur Pilotstudie durch eine Modifikation des Analgesie-Konzeptes optimiert werden. Dies wurde insbesondere durch eine vergleichende Auswertung der Schmerzdaten im Rahmen der kinderurologischen Eingriffe Nephrektomie und Nierenbeckenplastik aufgezeigt. In einer weiteren prospektiven Studie über ein Jahr wurde die Eignung von acht verschiedenen FT- Elementen für die Verbesserung der Versorgungsqualität kinderchirurgischer Patienten anhand von definierten Qualitätskriterien unabhängig von der Anwendung des gesamten Konzeptes untersucht. Hierbei zeigte sich eine sehr gute Eignung der meisten FT-Elemente im Rahmen zahlreicher Eingriffstypen. Lediglich vereinzelt entsprach die Quote der erfolgreichen Anwendung der Elemente bei bestimmten Eingriffen nicht den entsprechenden Kriterien. Somit wurde gezeigt, dass auch Patienten von FT profitieren können, die nicht in der Lage sind, das gesamte Konzept zu durchlaufen. Schließlich wurde in einer prospektiven Studie die Übertragbarkeit von FT-Konzepten aus einer kinderchirurgischen Klinik der Maximalversorgung auf ein peripheres Kinderkrankenhaus der Regelversorgung untersucht. Dazu wurden FT- Behandlungspfade für vier kinderchirurgische Eingriffe erstellt (Appendektomie, Hypospadiekorrektur, Pyloromyotomie und Fundoplikatio) und in beiden Kliniken vergleichend über ein Jahr untersucht. Die mittlere Verweildauer der FT-Patienten in der peripheren Klinik konnte im Vergleich zu den korrespondierenden G-DRG-Daten nicht reduziert werden. Ansonsten wurden alle FT-Bestandteile erfolgreich umgesetzt. Somit konnte gezeigt werden, dass sich die Grundsätze der Fast-track-Chirurgie erfolgreich auf den kinderchirurgischen Bereich übertragen lassen.The aim of the present work was the production, clinical testing, and optimization of pediatric surgery fast-track (FT) concepts. Over and above that, the transferability of plans was to be checked for use in other clinics. Within the scope of the first prospective clinical study taking place for one year, FT treatment paths were checked for six typical pediatric surgical interventions: appendectomy, fundoplication, hypospadias repair, (hemi-) nephrectomy, bowel anastomosis and pyeloplasty. Essential components of the paths consisted of a specific perioperative pain treatment pattern, a quick mobilization, an early postsurgical nutrition build-up, the avoidance of catheters and drainages, and an intensive psychosocial care. Furthermore, the use of minimum invasive procedures was preferred. 71% of the patients treated in the context of those interventions mentioned above could be recruited into the study and were treated without any FT-relevant complications in regard to the plan. The average stays of the FT patients – in comparison with data taken from data from the G-DRG system – could be reduced significantly. The patients' and/or their parents' acceptance was judged to be excellent. Merely the initial postal-surgical pain treatment appeared to be insufficient. In a prospective subsequent study, again over one year, FT plans were checked for all patients treated pursuant to pediatric surgical routine. Approximately one-third of the patients (36%) were able to go through the procedure easily. Here too, no complications in respect to the plan were observed. Due to a renewed, definite decrease of the average stay of patients in the DRG system, the acceptance of patients and parents was again very positive. The perioperative pain therapy could be optimized in comparison to the pilot study by carrying out a modification of the analgesia plan. This was made clear in particular by a comparative evaluation of the pain data in conjunction with childhood urological interventions like nephrectomy and pyeloplasty. In another prospective 1-year study, the suitability of eight different FT elements for the improvement of the care quality of pediatric surgery patients was examined. This was done on the basis of defined quality criteria but not in regard to utilization of the entire plan itself. To this end, a very good suitability of most FT constituents was seen among the various types of interventions involved. It was only occasionally noted that the rate of a successful use of the elements for certain interventions did not correspond to the criteria chosen. Therefore it could be shown that also those patients which cannot go through the whole plan can in fact still profit from FT. Finally, the transferability was also examined in a prospective study investigating FT plans presented by a children's surgical specialty center; these involved maximum amounts of care which were then offered to a general children's hospital in the vicinity. In addition, FT-treatment paths were provided for four pediatric surgical interventions (appendectomy, hypospadias repair, pyloromyotomy and fundoplication) and then in all of those clinic pairs compared for one year. In relation to the corresponding G-DRG data, the average length of stay of the FT patients in the peripheral clinic could not be reduced. Otherwise, all FT elements involving their customary care were investigated with success. Thus, it could be shown that the basic principles of FT surgery can be utilized successfully in children's surgery areas

The application of artificial intelligence methods to gene expression data for differentiation of uncomplicated and complicated appendicitis in children and adolescents - a proof of concept study –

Abstract Background Genome wide gene expression analysis has revealed hints for independent immunological pathways underlying the pathophysiologies of phlegmonous (PA) and gangrenous appendicitis (GA). Methods of artificial intelligence (AI) have successfully been applied to routine laboratory and sonographic parameters for differentiation of the inflammatory manifestations. In this study we aimed to apply AI methods to gene expression data to provide evidence for feasibility. Methods Modern algorithms from AI were applied to 56.666 gene expression data sets from 13 patients with PA and 16 with GA aged 7–17 years by using resampling methods (bootstrap). Performance with respect to sensitivities and specificities where investigated with receiver operating characteristic (ROC) analysis. Results Within the experimental setting a best performing discriminatory biomarker signature consisting of a set of 4 genes could be defined: ERGIC and golgi 3, regulator of G-protein signaling 2, Rho GTPase activating protein 33, and Golgi Reassembly Stacking Protein 2. ROC analysis showed a mean area under the curve of 84%. Conclusions Gene expression based application of AI methods is feasible and represents a promising approach for future discriminatory diagnostics in children with acute appendicitis

Fast-track concepts in pediatric surgery

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Erstellung, klinische Prüfung und Optimierung kinderchirurgischer Fast-track-(FT-)Konzepte. Des Weiteren sollte die Übertragbarkeit der Konzepte auf andere Kliniken überprüft werden. Im Rahmen einer ersten prospektiven klinischen Studie über ein Jahr wurden FT- Behandlungspfade für sechs typische kinderchirurgische Eingriffe geprüft: Appendektomie, Fundoplikatio, Hypospadie-Korrektur, (Hemi-)Nephrektomie, Darmanastomose und Nierenbeckenplastik. Wesentliche Bestandteile der Pfade waren ein spezifisches perioperatives Schmerzbehandlungsschema, eine rasche Mobilisation, ein früher postoperativer Nahrungsaufbau, die Vermeidung von Kathetern und Drainagen und eine intensive psychosoziale Betreuung. Zudem wurden minimal invasive Verfahren bevorzugt angewendet. 71% der im Rahmen der genannten Eingriffe behandelten Patienten konnten in die Studie eingeschlossen werden und wurden ohne FT-relevante Komplikationen dem Konzept entsprechend behandelt. Die mittleren Verweildauern der FT-Patienten waren gegenüber vergleichbaren Daten aus dem G-DRG-System signifikant reduziert. Die Akzeptanz bei den Patienten bzw. deren Eltern war exzellent. Lediglich die initiale postoperative Schmerzbehandlung war unzureichend. In einer prospektiven Folgestudie über ein Jahr wurden FT-Konzepte für alle im Rahmen der kinderchirurgischen Routine behandelten Patienten geprüft. Ca. ein Drittel der Patienten (36%) konnte das Verfahren durchlaufen. Auch hier zeigten sich keine Komplikationen, die auf das Konzept zurückzuführen waren. Bei erneuter deutlicher Unterschreitung der mittleren Verweildauern im DRG-System war die Akzeptanz bei Patienten und Eltern erneut gut. Die perioperative Schmerztherapie konnte im Vergleich zur Pilotstudie durch eine Modifikation des Analgesie-Konzeptes optimiert werden. Dies wurde insbesondere durch eine vergleichende Auswertung der Schmerzdaten im Rahmen der kinderurologischen Eingriffe Nephrektomie und Nierenbeckenplastik aufgezeigt. In einer weiteren prospektiven Studie über ein Jahr wurde die Eignung von acht verschiedenen FT- Elementen für die Verbesserung der Versorgungsqualität kinderchirurgischer Patienten anhand von definierten Qualitätskriterien unabhängig von der Anwendung des gesamten Konzeptes untersucht. Hierbei zeigte sich eine sehr gute Eignung der meisten FT-Elemente im Rahmen zahlreicher Eingriffstypen. Lediglich vereinzelt entsprach die Quote der erfolgreichen Anwendung der Elemente bei bestimmten Eingriffen nicht den entsprechenden Kriterien. Somit wurde gezeigt, dass auch Patienten von FT profitieren können, die nicht in der Lage sind, das gesamte Konzept zu durchlaufen. Schließlich wurde in einer prospektiven Studie die Übertragbarkeit von FT-Konzepten aus einer kinderchirurgischen Klinik der Maximalversorgung auf ein peripheres Kinderkrankenhaus der Regelversorgung untersucht. Dazu wurden FT- Behandlungspfade für vier kinderchirurgische Eingriffe erstellt (Appendektomie, Hypospadiekorrektur, Pyloromyotomie und Fundoplikatio) und in beiden Kliniken vergleichend über ein Jahr untersucht. Die mittlere Verweildauer der FT-Patienten in der peripheren Klinik konnte im Vergleich zu den korrespondierenden G-DRG-Daten nicht reduziert werden. Ansonsten wurden alle FT-Bestandteile erfolgreich umgesetzt. Somit konnte gezeigt werden, dass sich die Grundsätze der Fast-track-Chirurgie erfolgreich auf den kinderchirurgischen Bereich übertragen lassen.The aim of the present work was the production, clinical testing, and optimization of pediatric surgery fast-track (FT) concepts. Over and above that, the transferability of plans was to be checked for use in other clinics. Within the scope of the first prospective clinical study taking place for one year, FT treatment paths were checked for six typical pediatric surgical interventions: appendectomy, fundoplication, hypospadias repair, (hemi-) nephrectomy, bowel anastomosis and pyeloplasty. Essential components of the paths consisted of a specific perioperative pain treatment pattern, a quick mobilization, an early postsurgical nutrition build-up, the avoidance of catheters and drainages, and an intensive psychosocial care. Furthermore, the use of minimum invasive procedures was preferred. 71% of the patients treated in the context of those interventions mentioned above could be recruited into the study and were treated without any FT-relevant complications in regard to the plan. The average stays of the FT patients – in comparison with data taken from data from the G-DRG system – could be reduced significantly. The patients' and/or their parents' acceptance was judged to be excellent. Merely the initial postal-surgical pain treatment appeared to be insufficient. In a prospective subsequent study, again over one year, FT plans were checked for all patients treated pursuant to pediatric surgical routine. Approximately one-third of the patients (36%) were able to go through the procedure easily. Here too, no complications in respect to the plan were observed. Due to a renewed, definite decrease of the average stay of patients in the DRG system, the acceptance of patients and parents was again very positive. The perioperative pain therapy could be optimized in comparison to the pilot study by carrying out a modification of the analgesia plan. This was made clear in particular by a comparative evaluation of the pain data in conjunction with childhood urological interventions like nephrectomy and pyeloplasty. In another prospective 1-year study, the suitability of eight different FT elements for the improvement of the care quality of pediatric surgery patients was examined. This was done on the basis of defined quality criteria but not in regard to utilization of the entire plan itself. To this end, a very good suitability of most FT constituents was seen among the various types of interventions involved. It was only occasionally noted that the rate of a successful use of the elements for certain interventions did not correspond to the criteria chosen. Therefore it could be shown that also those patients which cannot go through the whole plan can in fact still profit from FT. Finally, the transferability was also examined in a prospective study investigating FT plans presented by a children's surgical specialty center; these involved maximum amounts of care which were then offered to a general children's hospital in the vicinity. In addition, FT-treatment paths were provided for four pediatric surgical interventions (appendectomy, hypospadias repair, pyloromyotomy and fundoplication) and then in all of those clinic pairs compared for one year. In relation to the corresponding G-DRG data, the average length of stay of the FT patients in the peripheral clinic could not be reduced. Otherwise, all FT elements involving their customary care were investigated with success. Thus, it could be shown that the basic principles of FT surgery can be utilized successfully in children's surgery areas