Deep Learning-based Solutions to Improve Diagnosis in Wireless Capsule Endoscopy

Abstract

[eng] Deep Learning (DL) models have gained extensive attention due to their remarkable performance in a wide range of real-world applications, particularly in computer vision. This achievement, combined with the increase in available medical records, has made it possible to open up new opportunities for analyzing and interpreting healthcare data. This symbiotic relationship can enhance the diagnostic process by identifying abnormalities, patterns, and trends, resulting in more precise, personalized, and effective healthcare for patients. Wireless Capsule Endoscopy (WCE) is a non-invasive medical imaging technique used to visualize the entire Gastrointestinal (GI) tract. Up to this moment, physicians meticulously review the captured frames to identify pathologies and diagnose patients. This manual process is time- consuming and prone to errors due to the challenges of interpreting the complex nature of WCE procedures. Thus, it demands a high level of attention, expertise, and experience. To overcome these drawbacks, shorten the screening process, and improve the diagnosis, efficient and accurate DL methods are required. This thesis proposes DL solutions to the following problems encountered in the analysis of WCE studies: pathology detection, anatomical landmark identification, and Out-of-Distribution (OOD) sample handling. These solutions aim to achieve robust systems that minimize the duration of the video analysis and reduce the number of undetected lesions. Throughout their development, several DL drawbacks have appeared, including small and imbalanced datasets. These limitations have also been addressed, ensuring that they do not hinder the generalization of neural networks, leading to suboptimal performance and overfitting. To address the previous WCE problems and overcome the DL challenges, the proposed systems adopt various strategies that utilize the power advantage of Triplet Loss (TL) and Self-Supervised Learning (SSL) techniques. Mainly, TL has been used to improve the generalization of the models, while SSL methods have been employed to leverage the unlabeled data to obtain useful representations. The presented methods achieve State-of-the-art results in the aforementioned medical problems and contribute to the ongoing research to improve the diagnostic of WCE studies.[cat] Els models d’aprenentatge profund (AP) han acaparat molta atenció a causa del seu rendiment en una àmplia gamma d'aplicacions del món real, especialment en visió per ordinador. Aquest fet, combinat amb l'increment de registres mèdics disponibles, ha permès obrir noves oportunitats per analitzar i interpretar les dades sanitàries. Aquesta relació simbiòtica pot millorar el procés de diagnòstic identificant anomalies, patrons i tendències, amb la conseqüent obtenció de diagnòstics sanitaris més precisos, personalitzats i eficients per als pacients. La Capsula endoscòpica (WCE) és una tècnica d'imatge mèdica no invasiva utilitzada per visualitzar tot el tracte gastrointestinal (GI). Fins ara, els metges revisen minuciosament els fotogrames capturats per identificar patologies i diagnosticar pacients. Aquest procés manual requereix temps i és propens a errors. Per tant, exigeix un alt nivell d'atenció, experiència i especialització. Per superar aquests inconvenients, reduir la durada del procés de detecció i millorar el diagnòstic, es requereixen mètodes eficients i precisos d’AP. Aquesta tesi proposa solucions que utilitzen AP per als següents problemes trobats en l'anàlisi dels estudis de WCE: detecció de patologies, identificació de punts de referència anatòmics i gestió de mostres que pertanyen fora del domini. Aquestes solucions tenen com a objectiu aconseguir sistemes robustos que minimitzin la durada de l'anàlisi del vídeo i redueixin el nombre de lesions no detectades. Durant el seu desenvolupament, han sorgit diversos inconvenients relacionats amb l’AP, com ara conjunts de dades petits i desequilibrats. Aquestes limitacions també s'han abordat per assegurar que no obstaculitzin la generalització de les xarxes neuronals, evitant un rendiment subòptim. Per abordar els problemes anteriors de WCE i superar els reptes d’AP, els sistemes proposats adopten diverses estratègies que aprofiten l'avantatge de la Triplet Loss (TL) i les tècniques d’auto-aprenentatge. Principalment, s'ha utilitzat TL per millorar la generalització dels models, mentre que els mètodes d’autoaprenentatge s'han emprat per aprofitar les dades sense etiquetar i obtenir representacions útils. Els mètodes presentats aconsegueixen bons resultats en els problemes mèdics esmentats i contribueixen a la investigació en curs per millorar el diagnòstic dels estudis de WCE