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Navigating the Unknowns of Medical Imaging

Fuchs, Moritz (2024)
Navigating the Unknowns of Medical Imaging.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027579
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Navigating the Unknowns of Medical Imaging
Language: English
Referees: Mukhopadhyay, Ph.D Anirban ; Fellner, Prof. Dr. Dieter W. ; Konukoglu, Prof. Ph.D Ender
Date: 26 July 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiii, 162 Seiten
Date of oral examination: 6 June 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027579
Abstract:

The integration of Artificial Intelligence (AI) in medical imaging has the potential of revolutionizing healthcare, allowing professionals to analyze the details of the human body with unprecedented accuracy and speed. Despite the potential of AI to transform medical diagnostics, it faces significant challenges, primarily due to limited data sets and the difficulty in generalizing across diverse medical scenarios. Large datasets like the UK Biobank and TCGA provide a foundation, but generalization and reliability in diverse situations remain hurdles. Particularly challenging are Out-of-Distribution (OOD) shifts caused by demographic changes, advancements in imaging technologies, and evolution in clinical practices, which pose risks to the reliability and trustworthiness of AI systems. One of the critical issues is the variability in cancer subtypes, which, despite similar visual presentations, vary widely in prognosis. Training models to accurately differentiate these subtypes is hindered by data privacy laws and the scarcity of samples for rare subtypes. The COVID-19 pandemic further exemplified the shortcomings of current state-of-art in medical imaging AI. These scenarios underscore the need for AI systems that can adapt swiftly to new challenges, maintaining reliable support in critical diagnostic processes. This dissertation addresses these challenges by proposing methodologies to enhance the reliability of Deep Learning (DL)-based systems in medical imaging. Key approaches include Multi-headed Varational Inference (VIMH) for uncerainty estimation, Sliding-Window Optimal Transport for OOD Detection (SWOT), and Histopathology Artifact Restoration Pipeline (HARP). While VIMH offers improved robustness against OOD shifts, it demands specialized training. In contrast, SWOT and HARP offer post-hoc solutions applicable to existing AI models, enhancing diagnostic precision and ensuring reliability in the deployed AI systems. The dissertation also explores dynamic learning settings such as Continual Learning (CL) and Federated Learning (FL). In the federated histopathology settings, Federated Stain Normalization with BottleGAN (BottleGAN) presents an ideal solution for overcoming limited data annotation and data heterogeneity in Computational Pathology (CP). Furthermore, Closing-the-Loop with Radiologists (CtLwR) integrates transparency into the AI decision-making process and leverages structured report to enable CL. These approaches are vital in adapting to varying populations and institutional changes, maintaining the reliability of DL-based models. In conclusion, the medical imaging sector’s increasing use of AI requires a balanced approach that prioritizes patient privacy, reliability, and ethical standards. The shift from AI vs. clinicians to AI collaborating with clinicians signals a significant change, combining efficiency with patient-focused care. To successfully navigate the unknowns of the medical field, AI must address the challenges and ensure its integration into healthcare is beneficial and safe.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Integration Künstlicher Intelligenz (KI) in die medizinische Bildgebung kann das Gesundheitswesen revolutionieren und es Fachleuten ermöglichen, die Details des menschlichen Körpers mit beispielloser Genauigkeit und Geschwindigkeit zu analysieren. Trotz des Potenzials der KI, die medizinische Diagnostik zu verändern, stehen ihr erhebliche Herausforderungen gegenüber, vor allem aufgrund begrenzter Datensätze und der Schwierigkeit, sich an verschiedene medizinische Szenarien anzupassen. Große Datensätze wie die UK Biobank und TCGA bieten zwar eine Grundlage dafür, doch bleiben die Generalisierung und Zuverlässigkeit in verschiedenen Situationen eine Herausforderung. Besonders herausfordernd sind Out-of-Distribution (OOD) Veränderungen, die durch demografische Veränderungen, Fortschritte in der Bildgebungstechnologie und die Entwicklung klinischer Praktiken verursacht werden und die Zuverlässigkeit und Vertrauenswürdigkeit von KI-Systemen gefährden. Ein Beispiel für die Herausforderungen ist das seltene Vorkommen von Krebsunterarten, die trotz ähnlicher visueller Darstellungen eine breite Palette an Prognosen aufweisen. Das Training von Modellen zur genauen Unterscheidung dieser Unterarten wird durch Datenschutzgesetze als auch die Knappheit von Daten für seltene Unterarten behindert. Die COVID-19-Pandemie hat die Schwächen des aktuellen Standes der KI in der medizinischen Bildgebung weiter hervorgehoben. Diese beispielhaften Szenarien unterstreichen die Notwendigkeit von KI-Systemen sich schnell an neue Herausforderungen anpassen können und zuverlässige Unterstützung bei kritischen diagnostischen Prozessen bieten. Diese Dissertation befasst sich mit diesen Herausforderungen und schlägt Methoden vor, um die Zuverlässigkeit von Deep Learning (DL) basierenden Systemen in der medizinischen Bildgebung zu verbessern. Zu den Schlüsselansätzen gehören Multi-Headed Variational Inference (VIMH) zur Unsicherheitsschätzung, Sliding Window Optimal Transport zur OOD-Detektion (SWOT) und die Histopathology Artifact Restoration Pipeline (HARP). Während VIMH eine verbesserte Robustheit gegenüber OOD-Veränderungen bietet, erfordert es spezialisiertes Training. SWOT und HARP bieten dagegen post-hoc-Lösungen, die für bestehende KI-Modelle anwendbar sind, die diagnostische Präzision erhöhen und die Zuverlässigkeit sicherstellen. Die Dissertation erforscht auch dynamische Lernsettings wie kontinuierliches Lernen (CL) und föderiertes Lernen (FL). In der föderierten histopathologischen Umgebung bietet die föderierte Färbungsnormierung mittels BottleGAN eine ideale Lösung, um die begrenzte Datenannotation und -heterogenität in der computergestützten Pathologie zu überwinden. Darüber hinaus integriert Closing-the-Loop with Radiologists (CtLwR) Transparenz in den Entscheidungsprozess der KI und nutzt strukturierte Berichte, um CL zu ermöglichen. Diese Ansätze sind entscheidend, um sich an unterschiedliche Populationen und institutionelle Veränderungen anzupassen und die Zuverlässigkeit von DL-basierten Modellen zu erhalten. Abschließend erfordert der zunehmende Einsatz von KI im medizinischen Bildgebungsbereich einen ausgewogenen Ansatz, der die Privatsphäre der Patienten, Zuverlässigkeit und ethische Standards priorisiert. Der Wandel von KI vs. Klinikern zu einer Zusammenarbeit von KI und Klinikern signalisiert eine bedeutende Veränderung, indem Effizienz mit patientenorientierter Verfahren kombiniert wird. Um die Unbekannten des medizinischen Feldes erfolgreich zu navigieren, muss die KI die Herausforderungen bewältigen und sicherstellen, dass ihre Integration in das Gesundheitswesen vorteilhaft und sicher ist.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-275794
Additional Information:

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Classification DDC: 000 Generalities, computers, information > 004 Computer science
Divisions: 20 Department of Computer Science > Interactive Graphics Systems
Date Deposited: 26 Jul 2024 12:06
Last Modified: 26 Jul 2024 12:06
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/27579
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