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

Die akute Appendizitis im Kindes- und Jugendalter: neue diagnostische Verfahren für die prätherapeutische Differenzierung histopathologischer Entitäten zur Unterstützung konservativer Therapiestrategien

Hintergrund der hier zusammengefassten Studien war die aktuelle Datenlage, die dafür spricht, dass es sich bei der klinisch unkomplizierten, histopathologisch phlegmonösen und der klinisch komplizierten, histopathologisch gangränösen Appendizitis um unabhängige Entitäten handelt. Diese können unterschiedlichen Therapieoptionen (konservativ vs. operativ) zugeführt werden. Vor diesem Hintergrund war es ein Ziel der Arbeiten zu untersuchen, wie die Formen der akuten Appendizitis im Kindes- und Jugendalter bereits prätherapeutisch unterschieden werden können. Sowohl in der Labordiagnostik (P1 und P2) als auch im Ultraschall (P3) lassen sich Unterschiede zwischen Patient*innen mit unkomplizierter, phlegmonöser und komplizierter (gangränöser und perforierender) Appendizitis aufzeigen. Hierdurch allein kann allerdings aufgrund unzureichender Trennschärfe noch keine ausreichende Entscheidungssicherheit erreicht werden. Mit Verfahren der künstlichen Intelligenz auf Untersucher-unabhängige diagnostische Parameter (P4) konnte die Vorhersagegenauigkeit der akuten Appendizitis weiter gesteigert werden. Interessante Ergebnisse bezüglich der unterschiedlichen Pathomechanismen der beiden inflammatorischen Entitäten ergaben sich durch eine differenzielle Genexpressionsanalyse (P5). In einer Proof-of-Concept-Studie wurden zuvor beschriebene Methoden der künstlichen Intelligenz auf die Genexpressionsdaten angewandt (P6). Hierdurch konnte im Modell eine grundsätzliche Differenzierbarkeit der Entitäten durch die Anwendung der neuen Methode aufgezeigt werden. Ein mittelfristiges Ziel ist es, eine Biomarkersignatur zu definieren, die ihre Aussagekraft durch einen Computeralgorithmus hat. Hierdurch soll eine schnelle Therapieentscheidung ermöglicht werden. Im Idealfall sollte diese Biomarkersignatur sicher, objektiv und einfach zu bestimmen sein sowie eine höhere diagnostische Sicherheit als die bisherige Diagnostik mittels Anamnese, Untersuchung, Laboranalyse und Ultraschall bieten. Langfristiges Ziel von Folgestudien ist die Identifizierung einer Biomarkersignatur mit der bestmöglichen Vorhersagekraft. Hinsichtlich der routinemäßigen klinischen Diagnostik ist die Anwendung von Point-of-Care Devices auf PCR-Basis denkbar. Hier könnte eine limitierte Anzahl von Primern für eine Biomarkersignatur mit hoher Vorhersagekraft zum Einsatz kommen. Der dadurch ermittelte Biomarker würde seine Aussagekraft durch einen einfach anzuwendenden Computeralgorithmus erhalten. Die Kombination aus Genexpressionsanalyse mit Methoden der künstlichen Intelligenz kann somit die Grundlage für ein neues diagnostisches Instrument zur sicheren Unterscheidung unterschiedlicher Appendizitisentitäten darstellen

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