Application of artificial intelligence algorithms for diagnosing the pathology of ear diseases

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: Timely and accurate diagnosis of the disease is the foundation for effective treatment strategies for the patient. The authors demonstrate in their study that otolaryngologists are incorrect in approximately one-quarter of their diagnoses, while general practitioners (internists, pediatricians, and paramedics) are incorrect in approximately one-half of their diagnoses. Consequently, this results in the emergence of complications, the chronicization of processes, an increase in treatment and rehabilitation time, a deterioration of the population’s ability to work, and a decline in patient confidence [1].

In the field of foreign medicine, artificial intelligence tools have been actively introduced in otorhinolaryngology. The most prevalent application of artificial intelligence in otorhinolaryngology is the use of computer vision as a tool for training and subsequently for the diagnosis and treatment of diseases of the ear, throat, and nose. According to the Ministry of Health of the Russian Federation, on average, more than 6% of the population of the country consults an otorhinolaryngologist annually with pathology of the external and middle ear. This aligns with the observation that approximately 9 million individuals require consultation with an otorhinolaryngologist on an annual basis. In otorhinolaryngology, images obtained from endoscopic examinations of patients (e.g., videolaryngoscopy) are used to train neural networks [2–4].

The development and introduction of technologies based on the application of artificial intelligence algorithms into clinical practice is one of the priorities of medical technology development and requires a careful and balanced approach to the development and training of such systems.

AIM: The study aimed to develop and train a neural network (artificial intelligence algorithms) to detect ear pathology from digital endoscopic images.

MATERIALS AND METHODS: The initial phase of our research involved the creation of a digital database comprising endoscopic photographs. For this purpose, endovideos of normal and pathologically altered tympanic membranes in an anonymized format were collected during a standard otosurgical appointment. The subsequent step was to establish a system of criteria for evaluating the images for subsequent annotation. A diagnostic tree of ear diseases based on visual features was constructed to develop a reasoning algorithm for identifying the condition (normal/pathological) of the external auditory canal and tympanic membrane. The subjective nature of image evaluation was mitigated by implementing a collegial approach in a consilium format.

In order to train the neural network, the research team performed, uploaded, and labeled 5,750 digital endoscopic images in JPEG format. A total of 750 images of the external auditory canal with an unaltered tympanic membrane were identified, while 5,000 images exhibited pathological alterations. The images were subsequently labeled in accordance with the established criteria for evaluating visual features, which were then used to assign the nosological status of the disease or norm.

RESULTS: The study yielded insights into the main metrics, namely specificity, accuracy, and sensitivity. The results of the values for 11 classes (normal and 10 different nosologies) revealed a considerable degree of variation in the metrics. The specificity metric exhibited a range of values from 0.846 to 0.982, while the accuracy metric demonstrated a similar range from 0.422 to 0.950. The sensitivity metric exhibited a narrower range of values, from 0.433 to 0.900.

CONCLUSIONS: This study demonstrates the potential for developing and training a neural network based on the application of artificial intelligence algorithms to assess the condition of the external auditory canal and tympanic membrane. In this case, the collection of high-quality images is not the sole crucial component; equally important is the competent annotation of data and the creation of a “tree of diagnoses” based on visual features. Further improvement of the accuracy of recognizing the main ear diseases can serve as the basis for the creation of a system of assistance in medical decision-making and provide direct assistance in practical medicine.

About the authors

Alvina G. Khublaryan

The Sverzhevskiy Otorhinolaryngology Healthcare Research Institute

Email: alvinka95@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8934-5977
SPIN-code: 4195-1692
Russian Federation, Moscow

Andrey I. Kryukov

The Sverzhevskiy Otorhinolaryngology Healthcare Research Institute; The Russian National Research Medical University named after N.I. Pirogov

Email: nikio@zdrav.mos.ru
ORCID iD: 0000-0002-0149-0676
SPIN-code: 9393-8753
Russian Federation, Moscow; Moscow

Natalya L. Kunelskaya

The Sverzhevskiy Otorhinolaryngology Healthcare Research Institute; The Russian National Research Medical University named after N.I. Pirogov

Email: nlkun@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1001-2609
SPIN-code: 9282-6970
Russian Federation, Moscow; Moscow

Evgeny V. Garov

The Sverzhevskiy Otorhinolaryngology Healthcare Research Institute; The Russian National Research Medical University named after N.I. Pirogov

Email: egarov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2473-3113
SPIN-code: 1566-9994
Russian Federation, Moscow; Moscow

Pavel A. Sudarev

The Sverzhevskiy Otorhinolaryngology Healthcare Research Institute

Email: mnpco@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9085-9879
SPIN-code: 4113-3569
Russian Federation, Moscow

Vitautas E. Kiselyus

The Sverzhevskiy Otorhinolaryngology Healthcare Research Institute

Author for correspondence.
Email: moomer@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4853-9112
SPIN-code: 1991-0749
Scopus Author ID: 877741

Senior Researcher

Russian Federation, Moscow

Victoria N. Zelenkova

The Sverzhevskiy Otorhinolaryngology Healthcare Research Institute

Email: Zelenkova.07.78@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5103-1080
SPIN-code: 4389-3337
Russian Federation, Moscow

Anastasiya A. Ivanova

Rubedo LLC

Email: AnastasiaIwanova@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-4684-5864
Russian Federation, Moscow

Anton P. Osadchiy

Rubedo LLC

Email: uhogorlonosiki@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-3270-4390
Russian Federation, Moscow

Natalya G. Shevyrina

Rubedo LLC

Email: shevyrina.nata22@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-9446-5457
Russian Federation, Moscow

References

  1. Pichichero ME, Poole MD. Assessing diagnostic accuracy and tympanocentesis skills in the management of otitis media. Arch Pediatr Adolesc Med. 2001;155(10):1137–1142. doi: 10.1001/archpedi.155.10.1137
  2. Paderno A, Gennarini F, Sordi A, et al. Artificial intelligence in clinical endoscopy: Insights in the field of videomics. Frontiers in Surgery. 2022;9:933297. doi: 10.3389/fsurg.2022.933297
  3. Cao C, Liu F, Tan H, et al. Deep Learning and Its Applications in Biomedicine. Genomics Proteomics Bioinformatics. 2018;16(1):17–32. doi: 10.1016/j.gpb.2017.07.003
  4. Suganyadevi S, Seethalakshmi V, Balasamy K. A review on deep learning in medical image analysis. International Journal of Multimedia Information Retrieval. 2022;11(1):19–38. doi: 10.1007/s13735-021-00218-1

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».