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Colombia Médica : CM logoLink to Colombia Médica : CM
. 2024 Jun 30;55(2):e2005944. doi: 10.25100/cm.v55i2.5944
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Morphometric analysis and tortuosity typing of the large intestine segments on computed tomography colonography with artificial intelligence

Análisis morfométrico y tipificación de tortuosidad de los segmentos del intestino grueso en imágenes de colonografía por tomografía computarizada en combinación con inteligencia artificial

Hadi Sasani 1, Mazhar Ozkan 2, Mehmet Ali Simsek 3, Mahmut Sasani 4,
PMCID: PMC11573345  PMID: 39564004

Abstract

Background:

Morphological properties such as length and tortuosity of the large intestine segments play important roles, especially in interventional procedures like colonoscopy.

Objective:

Using computed tomography (CT) colonoscopy images, this study aimed to examine the morphological features of the colon's anatomical sections and investigate the relationship of these sections with each other or with age groups. The shapes of the transverse colon were analyzed using artificial intelligence.

Methods:

The study was conducted as a two- and three-dimensional examination of CT colonography images of people between 40 and 80 years old, which were obtained retrospectively. An artificial intelligence algorithm (YOLOv8) was used for shape detection on 3D colon images.

Results:

160 people with a mean age of 89 men and 71 women included in the study were 57.79±8.55 and 56.55±6.60, respectively, and there was no statistically significant difference (p= 0.24). The total colon length was 166.11±25.07 cm for men and 158.73±21.92 cm for women, with no significant difference between groups (p=0.12). As a result of the training of the model Precision, Recall, and Mean Average Precision (mAP) were found to be 0.8578, 0.7940, and 0.9142, respectively.

Conclusion:

The study highlights the importance of understanding the type and morphology of the large intestine for accurate interpretation of CT colonography results and effective clinical management of patients with suspected large intestine abnormalities. Furthermore, this study showed that 88.57% of the images in the test data set were detected correctly and that AI can play an important role in colon typing.

Keywords: computed tomography, large intestine, colonography, morphometry, tortuosity, artificial intelligence, Deep Learning


graphic file with name 1657-9534-cm-55-02-e2005944-i004.jpg

Remark

1) Why was this study conducted?
This study aimed to define the morphometric and variational characteristics of the large intestine anatomy subject to colorectal cancer surgery, generate data that can be helpful for surgical planning, and automatic preoperative identification of variations using artificial intelligence.
2) What were the most relevant results of the study?
1) Total colon and transverse colon lengths were longer at 60-69 years of age. 2) V-shaped was found to be the main type of tortuosity in the transverse colon. 3) Artificial intelligence can play an important role in colon typing and 88.57% of the images in the test data set were detected correctly.
3) What do these results contribute?
Our findings demonstrate morphometric and variational information (such as tortuosity characteristics) about the anatomy of the large intestine and the success rates in automatic recognition of these with artificial intelligence tools.

Introduction

The large intestine is a crucial part of the digestive system that is responsible for the absorption of water and electrolytes and the elimination of waste products. The anatomy of the large intestine includes the caecum, the ascending colon, the transverse colon, the descending colon, the sigmoid colon, and the rectum 1.

Although colonoscopy is the most commonly used method in colorectal examination in current clinical practice 2, the development of alternative methods is important due to preoperative preparation, the need for sedation during the operation, the discomforts experienced by patients before, during, and after the operation, the knowledge and skill of the specialist physician influencing the success of the operation, and the possibility of operational complications 3.

Radiological examination is an important tool in evaluating the large intestine anatomy, as it allows for the visualization of the structure and function of the intestines without invasive procedures. Several radiological techniques are used to examine the large intestine anatomy, including X-ray, computed tomography (CT), magnetic resonance imaging, and barium enema. These techniques provide valuable information about the structure and function of the intestines and allow for detecting abnormalities and diseases. Radiological examination is a safe, non-invasive, and efficient way to examine the large intestine anatomy and plays an important role in managing digestive disorders. CT is a more advanced radiological examination that provides a three-dimensional image of the large intestine. CT is beneficial for evaluating large intestine anatomy in many disorders (such as inflammatory bowel disease, diverticulitis, and tumors) and in cases of incomplete colonoscopy, which requires further investigation 4.

In recent years, artificial intelligence studies have been used in many fields, including medicine, to provide helpful information. Machine learning and deep learning methods help clinicians with artificial intelligence diagnostic support systems 5,6. Artificial intelligence also makes morphological associations with morphometric features of typical anatomical structures 7.

This study aimed to assess the morphological properties (such as length and tortuosity) of the anatomical segments of the large intestine in adults using CT colonography and to investigate the relation between these parts and each other or age groups. In addition, morphological detection of the transverse colon was performed using artificial intelligence.

Material and Methods

The methods and a general flowchart are summarised in Figure 1.

Figure 1. The methodological flowchart of the study.

Figure 1

Data source

Computed tomography images were obtained from the Cancer Imaging Archive, funded by the Cancer Imaging Program (CIP), a part of the United States National Cancer Institute (https://www.cancerimagingarchive.net/) 8.

Patient selection

The current study was designed as a retrospective study. Between January 2000 and October 2005, CT images of patients aged between 40 and 80 years with optimum quality and colonic distention were enrolled in the study. However, those with any past colon surgery that altered colon anatomy or length (e.g., right or left hemicolectomy; partial colon resection) and examinations with insufficient colon distension were excluded from the study.

There were 825 cases in the database we used in this study. One hundred sixty-two cases were randomly selected from the cases with no intraluminal pathology and no obstruction (such as polyp, ca) in the supine position.

Image processing and morphometric analysis

Computed tomography images of patients were transferred to the Vitrea2 workstation (Vital Images, Canon, Minnetonka, MN, USA), and evaluations were made on two- and three-dimensional images (Figure 2). A radiologist (11 years experience) and an anatomist (6 years experience) made an image assessment. The ptosis of the transverse colon and elevation distance measurements of the splenic flexure in 2D images with coronal section, the width of the transverse colon (wide U type), cecal shift, midline shift, elevation status, and distance were measured (Figure 3 A-C).

Figure 2. Three-dimensional (A-C) and two- dimensional virtual dissection images demonstrate the large intestine segments: (I) rectum (anal canal to rectum), (II) sigmoid colon, (III) descending colon, (IV) transverse colon, (V) ascending colon.

Figure 2

Figure 3. Types of the transverse colon depending on the morphology. (A) Boomerang-shaped, (B) M-shaped, (C) Omega-shaped, (D) U-shaped, (E) V-shaped, (F) W-shaped, (G) wide-U-shaped, (H) wavy-shaped, (I-L) Gamma-shaped.

Figure 3

The number and type of colonic tortuosity in three-dimensional images, ptosis of the transverse colon, and colonic elevation and shift status were determined and evaluated. Column tortuosity typing was analyzed in nine groups: Boomerang-shaped, Gamma-shaped, M-shaped, Omega-shaped, U-shaped, V-shaped, W-shaped, wavy-shaped, and wide-U-shaped (Figure 4).

Figure 4. Distribution of different shapes and case numbers observed in the transverse colon.

Figure 4

In the Virtual Dissection CT Colonography option on the workstation, 2D and 3D CT images are combined, using a combination of total colon length, cecum-hepatic flexure length, transverse colon length (distance between hepatic and splenic flexure), splenic flexure-distance between descending colon distal, sigmoid colon length (Distance from distal descending colon to rectosigmoid junction) and rectosigmoid length (distance from anal canal level to rectosigmoid junction) were measured (Figure 2).

Patients were divided into age groups over decades. The regions were divided into the proximal colon (the part from the cecum to the splenic flexure, including the transverse colon) and the distal colon (the segment from the splenic flexure to the level of the anal canal). The average of these two main segments was taken, and statistical evaluation was made according to gender, age groups, number of colonic tortuosity, and the types.

Artificial intelligence (AI) application

This study used the YOLO (You Only Look Once) version 8 algorithm for object recognition for shape detection on 3D colon images. This algorithm divides an input image into S x S grid cells and estimates B bounding boxes and their corresponding class probabilities for each cell. YOLO aims at fast and accurate object detection by transforming the object detection problem into a regression problem 9,10. YOLOv8 supports multiple vision tasks such as object detection, segmentation, pose estimation, tracking, and classification and has a fast performance 11.

A computer engineer (7 years experience) evaluated the images. For 160 patients, a dataset was created and labeled using the acquired images. The model was trained on the labeled images, and the model's performance was evaluated in terms of accuracy and other metrics.

The dataset required to train the model was obtained from 3D colon images of patients. There were 41 images from different angles for each patient. Of these images, 343 were obtained by taking at least two images from each patient. The data set consists of 343 images. Colon shapes close to each other are divided into four groups: (i) U, wide-U, and V shapes are group I, (ii) M and W shapes are group II, (iii) omega and boomerang shapes are group III, and (iv) typical images are group IV. Each image was converted to 640x640 pixels and was labeled by the radiologist and the anatomist. The RoboFlow application was used to annotate each image in YOLO format. The dataset was randomly divided into 70:20:10 partitions for training, validation, and testing. The dataset groups and sample numbers used in the training and testing of artificial intelligence are as follows: Train group 240 samples (Group 1, n= 145; Group 2, n= 52; Group 3, n= 12; Group 4, n= 31), Valid group 68 samples (Group 1, n= 49; Group 2, n= 11; Group 3, n= 1; Group 4, n= 6) and Test group (Group 1, n= 19; Group 2, n= 9; Group 3, n= 1; Group 4, n= 6).

Deep learning methods like YOLOv8 are very computationally demanding. This means that they require high-performance hardware. Google Colab was used in this study to overcome this problem. Google Colab is a notebook where Google servers perform high computations. Google Colab also provided the libraries needed for this study. The analysis of the dataset was performed on a Tesla Graphics Processing Unit (GPU-T4, 15102 MiB) using the Ultralytics YOLOv8.0.203 library and the Python-3.10.12 programming language running on the Google Colab platform using torch-2.0.1+cu118.

The parameters and values used in object recognition are as follows: 640x640 image size, Volov8x model, epochs of 100, 2 batches, SGD as an optimizer, Ir0 and Irf values of 0.01, momentum 0.937 and weight decay was 0.0005.

Statistical analysis

All data were analyzed using a statistical package program (SPSS version 18.0; SPSS, Inc., Chicago, IL, USA). The variables were investigated using visual (histograms, probability plots) and analytical methods to determine whether they were normally or not normally distributed (using Kolmogorov-Smirnov and Shapiro-Wilk tests). Due to the nonparametric distribution of the data, the Mann-Whitney U test was used to compare the colonic annular lengths and the intergroup (such as gender, tortuosity, etc.) in the comparison of paired groups, and the Kruskal-Wallis test in the presence of more than two groups. Spearman correlation test was used in correlation analysis, and the chi-square test was used to evaluate categorical data. A 5% type-1 error level was used to infer statistical significance (p <0.05).

Ethics approval

The study protocol was approved by the medical faculty's non-interventional clinical research ethics committee (approval number: 2023.79.04.15, date: 25/04/2023).

Results

Statistical analysis results

The mean age of 89 men and 71 women included in the study was 57.8 ±8.55 and 56.6 ±6.61, respectively, and there was no statistically significant difference (p= 0.24).

In our study, the total length of the large intestine of all cases (n= 160) was 163.05 ±24.05, caecum and ascending colon 27.76 ±6.84, transverse colon 46.63 ±10.21, descending colon 39.96 ±8.01, sigmoid colon 38.32 ±13.65 and rectum 10.38 ±4.39. The total large intestine length was 166.51 ±25.2 cm for men and 158.73 ±21.92 cm for women; no statistically significant difference was observed between groups (p= 0.12).

The large intestine was divided into the proximal part (from the caecum to the splenic flexure) and the distal part (from the splenic flexure to the rectum). While there was no statistical difference in the proximal colon in the comparison between the sexes (72.43 ±12.80 cm and 76.86 ±13.50 cm, respectively, p= 0.069), the distal colon length was found to be higher in men than in women (94.09 ±17.64 cm, 81.87 ±13.36 cm, respectively, p <0.001).

The morphometric features of the large intestine segments and colonic types are provided in Supplementary Figure 1S and Tables 1, 2 and 3.

Table 1. The summary of morphological differences seen in some cases (given as mm).

  n Min Max Mean SD
Transvers Colon Ptosis 103 21.30 191.00 105.34 34.16
Transverse Colon Elevation 25 19.80 108.50 67.16 26.84
Wide U-Shaped Transverse Colon Width 26 21.50 109.50 62.80 25.70
Transverse Colon Upward Convexity 17 31.20 97.60 60.83 21.09
Cecal Shift 20 19.20 159.70 77.45 33.34
Caecum Midline Lateral Shift 15 10.00 105.20 37.93 29.68
Caecal Elevation 6 12.00 148.40 74.08 48.47
Flexural Eventration 123 14.50 132.60 55.18 25.10

(n: sample size, min: minmum, max: maximum, SD: standart deviation)

Table 2. The lengths of the total large intestine and its segments according to the gender (given as cm).

Male (n= 89) Female (n= 71)
Min Max Mean SD Min Max Mean SD
Total Large Intestine 122 254 166.51 25.21 108 223 158.73 21.92
Rectum 5 27 10.23 4.81 6 26 10.57 3.83
Sigmoid Colon 14 97 41.36 14.43 9 63 34.52 11.64
Descending Colon 26 65 42.51 7.94 20 50 36.77 6.91
Transverse Colon 24 77 44.96 10.42 25 88 48.73 9.62
Caecum + Ascending Colon 7 42 27.47 5.65 17 64 28.12 8.13

Table 3. The lengths of the total large intestine and its segments according to the age groups (given as cm).

40-49 (n= 10) 50-59 (n= 97) 60-69 (n= 37) 70-79 (n= 16)
Total Large Intestine 166.1 ±14.58 160.41 ±23.55 168.43 ±25.3 164.75 ±28.13
Rectum 9.1 ±2.88 10.09 ±4.37 10.91 ±4.57 11.68 ±4.78
Sigmoid Colon 39.80 ± 9.72 36.98±12.0 40.9 ±14.45 39.62 ±21.57
Descending Colon 45.0 ±11.25 39.30 ±7.12 41.21 ±7.78 37.93 ±10.3
Transverse Colon 42.8 ±9.26 46.58 ±10.56 47.78 ±10.16 46.68 ±8.96
Caecum + Ascending Colon 29.4 ±5.4 27.47 ±6.83 27.62 ±5.52 28.81 ±10.22

Transverse colonic ptosis was found in 49 male patients (31.0% on the right, 51.0% in the middle, and 18.0% on the left) and 54 female cases (14.8% on the right, 64.8% in the middle, and 20.4% on the left). When transverse colon ptosis was compared according to gender, no significant difference was found in right-sided (male, 91.78 ±21.72, n=15; female, 109.76 ±36.81, n= 8; p= 0.107), midline (male, 100.56 ±29.43, n= 25; female, 117.55 ±34.60, n= 35; p= 0.107) and left-sided ptosis (male, 88.84 ±40.85, n= 9; female, 106.17 ±41.12, n= 11; p= 0.184), but a significant difference was observed in total ptosis heights between the two genders (male, 95.70 ±29.57, n= 49; female, 114.08 ±35.90, n= 54; p= 0.013).

Transverse colon elevation was observed in 25 cases (19 cases in the middle, one on the mid-left, and five on the left). The elevation of the cases in the middle part was calculated as 72.55 ±26.68 mm, those in the middle left were 46.2 mm, and the cases on the left were 50.88 ±27.89 mm.

AI results

In the artificial intelligence part of this study, the YOLOv8 object detection system was used to estimate the shape of 3D colon images. In this study, IoU ≥ 0.5 was used to measure the intersection between the predicted and real masks. In addition, the metrics used to measure the accuracy of the models were recall, precision and Mean Average Precision mAP50 (Figure 5).

Figure 5. (A) PR Curve, (B) Evaluation of the YOLOv8 model using key metrics such as Precision, Recall and mAP50.

Figure 5

The YOLOv8x model was trained on the generated data series, and the training results are shown in Supplementary Figure 2S. The model took 51 minutes to train. Precision and recall started to converge after about 80 epochs, and precision was above 80% after 100 epochs. The PR curve for the validation dataset is shown in Figure 5(A), with an average precision of 91.4% for all categories and a peak precision of 99.5% for a single category.

The evaluation of the YOLOv8 model using key metrics such as Precision, Recall, and mAP50 is given in Figure 5(B). After 100 Epochs, Precision is 0.8578, Recall is 0.7940 and Mean Average Precision (mAP) is 0.9142. Figure 5(B) shows that the model is slowly improving. However, from time to time, it is seen that the model suddenly drops to the worst training scores of the metrics.

The performance of the model was also evaluated with a test dataset. The test dataset corresponds to 10% of the entire dataset and consists of 35 images, which is different from the images the model failed to match during training and validation. Of the predictions made by the model on the 35 images, 31 were correct (88.6%). When the incorrect prediction images are analyzed, they are seen as similar to the predicted group. Supplementary Figure 2S shows some of the predictions made on the test dataset.

Discussion

Computed tomography colonography is the radiological procedure of choice when endoscopic evaluation of the colon is problematic or impossible. This approach is safer than endoscopic inspection because it is performed without anesthesia and avoids potential problems. Furthermore, information on the complicated morphology of the colon is provided, providing the necessary knowledge for both acute interventions and later interventional processes 12,13.

Information on colon morphology has been studied in detail with cadaver studies 14and colonoscopy studies 15. However, variations and morphological differences that may interfere with colonoscopy may vary between individuals. Acute angulations observed in the colon are called tortuosity, and their frequency according to age and sex has not yet been studied to the best of our knowledge. Our study studied the tortuosity of the colon in male and female patients of different ages, which was examined by CT colonography, and its relationship with segmental morphology was revealed. In addition, transverse column tortuosity typing was performed, and the incidence rates were given in the study.

While previous studies have found total colon length to be greater in women 16-18, the men included in this study had higher colon length. However, the observed difference did not show any statistical significance. In women, tortuosity was more common distal to the colon. It has been reported that adult women complain of constipation more than men, and it has been reported to be associated with gynecologic surgery 19. Utano et al. 18 have associated constipation in women with proximal colon length. However, unlike their study, it can be suggested that it may be related to the fact that tortuosity is higher in distal colonic segments compared to men. Worldwide, colorectal cancer incidence and mortality rates are higher in men 20.

The large intestine's main functions involve accumulating digestion residue and absorbing water and electrolytes. The ascending and transverse colon sections contribute significantly to this process. With gravity, feces positioned in the lumen of these regions exert a downward effect. While this is accommodated by expansion in the caecum, positioned at the base of the ascending colon, it might cause the transverse colon to curve downwards because it is in the horizontal plane. Furthermore, because the greater omentum is attached to the transverse colon, it is thought that the fat deposition that happens here due to weight increase may result in downward pulling in the transverse colon. As a result, ptosis in the transverse column can be seen in varying degrees and numbers 21.

During the embryological development of the intestine, significant changes occur in its morphology due to its rotations and contact with the posterior abdominal wall (ascending and descending colon parts). Secondarily, retroperitoneal parts and intraperitoneal transitions (flexures) and parts of the mesostructures that allow movement significantly affect the morphology of the colon. Secondarily, retroperitoneal parts that are less mobile are structurally less tortuous, while intraperitoneal parts that are more mobile are expected to be more 22.

The transverse colon is the section of the large intestine that is approximately 50 cm long and transverse in the abdomen, which is connected between the ascending and the patterned colon and connected to them by colic flexures. The transverse column has greater mobility than other segments of the colon. The length of the peritoneal structure called the transverse mesocolon, which attaches to the posterior abdominal wall, may be variable. The length of the transverse mesocolon and the position of the colic flexures and their angulation can cause variations in the shape and position of the transverse column 23. Causes of transverse colon variations include clinical conditions such as congenital abnormalities, genetic predisposition, gender, fiber-deprived diet, prolonged straining, and irritable bowel syndrome. Transverse colon length can cause bowel problems, nausea or skin problems that manifest with symptoms such as constipation and abdominal pain (excessively long bowel, redundant colon) 24.

The use of artificial intelligence models for morphometric detection and clinical diagnosis support has been increasing recently. In our study, object detection of the shape of the transverse colon of the large intestine was performed with YOLOv8. It is predicted that the data obtained in this way will make an important contribution to morphological definitions related to the transverse colon.

The limitations of the study are that the study is retrospective, and there was no detailed clinical and laboratory information on the patients due to the use of an online dataset. In addition, improving the limited data set will improve the results of AI and machine learning.

Conclusion

This article highlights the importance of understanding the morphology of the large intestine for accurate interpretation of CT colonography results and effective clinical management of patients with suspected large intestine abnormalities.

In addition, this study suggests that the tortuosity and length of the colonic segments in each patient may be variable. It has been revealed that the length of the distal colon is longer for male gender compared to females. This information is important for performing interventional procedures such as conventional colonoscopy in the elderly. It has been shown that CT colonography is important in the typing of tortuosity, and it should be kept in mind that the transverse and sigmoid colonic segments have more tortuosity. Furthermore, this study showed that 88.57% of the images in the test data set were detected correctly and that AI can play an important role in colon typing.

Supplementary.

Figure 1S. Training results of the YOLOv8x model.

Figure 1S

Figure 2S. Some predictions of the trained model on the test data set.

Figure 2S

Notes:

Data Availability: United States National Cancer Institute (https://www.cancerimagingarchive.net/)

Statement: While preparing this work, the author(s) used a paraphrasing tool (QuillBot AI) to paraphrase the text. After using this tool/service, the author(s) reviewed and edited the content as needed and take(s) full responsibility for the publication's content.

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Colomb Med (Cali). 2024 Jun 30;55(2):e2005944. [Article in Spanish]

Análisis morfométrico y tipificación de la tortuosidad de los segmentos del intestino grueso en colonografía por tomografía computarizada con inteligencia artificial


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Contribución del estudio

1) Por qué se realizó este estudio?
Para definir las características morfométricas y las variaciones de la anatomía del intestino grueso sometido a cirugía de cáncer colorrectal y generar datos que puedan ser útiles para la planificación quirúrgica y la identificación preoperatoria automática de variaciones anatómicas utilizando inteligencia artificial. .
2) Cuales fueron los resultados mas relevantes del estudio?
Las longitudes totales del colon y del colon transverso fueron más largas entre 60-69 años de edad. Se encontró que la forma de V es el principal tipo de tortuosidad en el colon transverso. La inteligencia artificial puede desempeñar un papel importante en la tipificación de dos puntos y el 88.6% de las imágenes del conjunto de datos de prueba se detectaron correctamente.
3) Que aportan estos resultados?
Nuestros hallazgos demuestran la información morfométrica y variacional (como las características de tortuosidad) sobre la anatomía del intestino grueso y las tasas de éxito en el reconocimiento automático de estas con herramientas de inteligencia artificial.

Introducción

El intestino grueso es una parte crucial del sistema digestivo, es responsable de la absorción de agua, de electrolitos y de la eliminación de productos de desecho. La anatomía del intestino grueso incluye el ciego, el colon ascendente, el colon transverso, el colon descendente, el colon sigmoide y el recto 1.

En la práctica clínica actual, la colonoscopia es el método más utilizado en la exploración colorrectal 2, el desarrollo de algunos métodos alternativos son importantes para el éxito de la cirugia y la posibilidad de complicaciones operatorias, debido a la preparación preoperatoria, la necesidad de sedación durante la operación, las molestias experimentadas por los pacientes antes, durante y después de la cirugía, el conocimiento y la habilidad del médico especialista 3.

El examen radiológico es una herramienta importante en la evaluación de la anatomía del intestino grueso, ya que permite visualizar la estructura y la función de los intestinos sin procedimientos invasivos. Se utilizan varias técnicas radiológicas para examinar la anatomía del intestino grueso, como las radiografías, la tomografía computarizada (TC), la resonancia magnética y el enema de bario. Estas técnicas proporcionan información valiosa sobre la estructura y función de los intestinos y permiten detectar anomalías y enfermedades. El examen radiológico es una forma segura, no invasiva y eficiente de examinar la anatomía del intestino grueso y desempeña un papel importante en el manejo de los trastornos digestivos. La tomografía computarizada (TC) es un examen radiológico más avanzado que proporciona una imagen tridimensional del intestino grueso. La TC es beneficiosa para evaluar la anatomía del intestino grueso en muchas entidades clínicas (como la enfermedad inflamatoria intestinal, la diverticulitis y los tumores), y en casos de colonoscopia incompleta, que requiere más investigación 4.

En los últimos años, los estudios usando la inteligencia artificial se han implementado en muchos campos, incluida la medicina, para proporcionar información útil. Los métodos de aprendizaje automático y aprendizaje profundo ayudan a los médicos con sistemas de apoyo al diagnóstico con la inteligencia artificial 5,6. La inteligencia artificial también hace asociaciones morfológicas con las características morfométricas de las estructuras anatómicas típicas 7.

Este estudio tuvo como objetivo evaluar las propiedades morfológicas (como la longitud y la tortuosidad) de los segmentos anatómicos del intestino grueso en adultos mediante colonografía por TC e investigar la relación entre estas partes y entre ellas, o por grupos de edad. Además, se realizó la detección morfológica del colon transverso mediante inteligencia artificial.

Materiales y Métodos

La metodología y un diagrama de flujo general se resumen en la Figura 1.

Figura 1. Diagrama de flujo para el procedimiento en al analisis y uso de la inteligencia artificial .

Figura 1

Fuente de datos

Las imágenes de TC se obtuvieron del Archivo de Imágenes del Cáncer, financiado por el Programa de Imágenes del Cáncer (CIP), parte del Instituto Nacional del Cáncer (https://www.cancerimagingarchive.net) de los Estados Unidos 8.

Selección de pacientes

Se realizó un estudio retrospectivo. Entre enero de 2000 y octubre de 2005, se incluyeron imágenes de TC de pacientes con edades entre 40 y 80 años, con calidad óptima y distensión colónica. Sin embargo, se excluyeron del estudio aquellos con alguna cirugía de colon previa que alteró la anatomía o la longitud del colon (p. ej., hemicolectomía derecha o izquierda; resección parcial del colon) y exámenes con distensión de colon insuficiente.

En la base de datos que utilizamos en este estudio se incluyeron 825 casos. Se seleccionaron aleatoriamente 162 casos de los casos sin patología intraluminal y sin obstrucción (como pólipo, ca) en posición supina.

Procesamiento de imágenes y análisis morfométrico

Las imágenes de TC de los pacientes se transfirieron a la estación de trabajo Vitrea2 (Vital Images, Canon, Minnetonka, MN, USA) y las evaluaciones se realizaron en imágenes bidimensionales y tridimensionales (Figura 2). Un radiólogo (11 años de experiencia) y un anatomista (6 años de experiencia) realizaron una evaluación por imágenes. Se midieron la ptosis del colon transverso y las mediciones de la distancia de elevación de la flexión esplénica en imágenes 2D con sección coronal, el ancho del colon transverso (tipo U ancho), el desplazamiento cecal, el desplazamiento de la línea media, el estado de elevación y la distancia (Figura 3A-C).

Figura 2. Las imágenes de disección virtual tridimensional (A-C) y bidimensional muestran los segmentos del intestino grueso: (I) recto (canal anal a recto), (II) colon sigmoide, (III) colon descendente, (IV) colon transverso, (V) colon ascendente.

Figura 2

Figura 3. Tipos del colon transverso en función de la morfología. (A) en forma de boomerang, (B) en forma de M, (C) en forma de omega, (D) en forma de U, (E) en forma de V, (F) en forma de W, (G) en forma de U ancha, (H) en forma de onda, (I-L) en forma de gamma.

Figura 3

Se determinó y evaluó el número y tipo de tortuosidad colónica en las imágenes tridimensionales, la ptosis del colon transverso y la elevación colónica y el estado de desplazamiento. La tipificación de la tortuosidad de la columna se analizó en nueve grupos: en forma de boomerang, en forma de gamma, en forma de M, en forma de Omega, en forma de U, en forma de V, en forma de W, en forma de ondulado y en forma de U ancha (Figura 4).

Figura 4. Distribución de diferentes formas y números de casos observados en el colon transverso.

Figura 4

En la opción de colonografía por TC de disección virtual en la estación de trabajo, se combinaron imágenes de TC 2D y 3D, utilizando una combinación de la longitud total del colon, la longitud de la flexión ciego-hepática, la longitud del colon transverso (distancia entre la flexión hepática y la esplénica), la distancia de flexión esplénica entre el colon descendente distal, la longitud del colon sigmoide (distancia desde el colon descendente distal hasta la unión rectosigmoidea) y la longitud rectosigmoidea (distancia desde el nivel del canal anal hasta la unión rectosigmoidea) (Figura 2).

Los pacientes se dividieron en grupos de edad a lo largo de décadas. Las regiones se dividieron en el colon proximal (la parte que va desde el ciego hasta la flexión esplénica, incluido el colon transverso) y el colon distal (el segmento desde la flexión esplénica hasta el nivel del canal anal). Se tomó el promedio de estos dos segmentos principales y se evaluó estadísticamente según sexo, grupos de edad, número de tortuosidades colónicas y tipos.

Aplicación de inteligencia artificial (IA)

Este estudio utilizó el algoritmo YOLO (You Only Look Once) versión 8 para el reconocimiento de objetos para la detección de formas en imágenes de dos puntos en 3D. Este algoritmo divide una imagen de entrada en celdas de cuadrícula S x S y estima los cuadros delimitadores B y sus probabilidades de clase correspondientes para cada celda. YOLO tiene como objetivo la detección rápida y precisa de objetos mediante la transformación del problema de detección de objetos en un problema de regresión 9,10. YOLOv8 admite múltiples tareas de visión, como detección de objetos, segmentación, estimación de pose, seguimiento y clasificación, y tiene un rendimiento rápido 11.

Un ingeniero informático (7 años de experiencia) evaluó las imágenes. Para 160 pacientes, se creó un conjunto de datos y se etiquetó utilizando las imágenes adquiridas. El modelo se entrenó con las imágenes etiquetadas y el rendimiento del modelo se evaluó en términos de precisión y otras métricas.

El conjunto de datos necesarios para entrenar el modelo se obtuvo a partir de imágenes de colon en 3D de los pacientes. Fueron 41 imágenes desde diferentes ángulos para cada paciente. De estas imágenes, 343 se obtuvieron tomando al menos dos imágenes de cada paciente. El conjunto de datos consta de 343 imágenes. Las formas de colon cercanas entre sí se dividen en cuatro grupos: (i) las formas U, U ancha y V son del grupo I, (ii) las formas M y W son del grupo II, (iii) las formas omega y boomerang son del grupo III, y (iv) las imágenes típicas son del grupo IV. Cada imagen se convirtió a 640x640 píxeles y fue etiquetada por el radiólogo y el anatomista. Se utilizó la aplicación RoboFlow para anotar cada imagen en formato YOLO. El conjunto de datos se dividió aleatoriamente en particiones 70:20:10 para entrenamiento, validación y pruebas. Los grupos de conjuntos de datos y los números de muestra utilizados en el entrenamiento y las pruebas de inteligencia artificial son los siguientes: Grupo de entrenamiento 240 muestras (Grupo 1, n= 145; Grupo 2, n= 52; Grupo 3, n= 12; Grupo 4, n= 31), Grupo válido 68 muestras (Grupo 1, n= 49; Grupo 2, n= 11; Grupo 3, n= 1; Grupo 4, n= 6) y grupo de prueba (Grupo 1, n= 19; Grupo 2, n= 9; Grupo 3, n= 1; Grupo 4, n= 6).

Los métodos de aprendizaje profundo como YOLOv8 son muy exigentes desde el punto de vista computacional. Esto significa que requieren hardware de alto rendimiento. En este estudio se utilizó Google Colab para superar este problema. Google Colab es un portátil en el que los servidores de Google realizan cálculos elevados. Google Colab también proporcionó las bibliotecas necesarias para este estudio. El análisis del conjunto de datos se realizó en una unidad de procesamiento gráfico Tesla (GPU-T4, 15102 MiB) utilizando la biblioteca Ultralytics YOLOv8.0.203 y el lenguaje de programación Python-3.10.12 que se ejecuta en la plataforma Google Colab utilizando torch-2.0.1+cu118.

Los parámetros y valores utilizados en el reconocimiento de objetos son los siguientes: tamaño de imagen de 640x640, modelo Volov8x, épocas de 100, 2 lotes, SGD como optimizador, valores de Ir0 e Irf de 0.01, momento de 0.937 y decaimiento de peso de 0.0005.

Análisis estadístico

Todos los datos se analizaron mediante un paquete estadístico (SPSS versión 18.0; SPSS, Inc., Chicago, IL, EE.UU.). Las variables se investigaron utilizando métodos visuales (histogramas, gráficos de probabilidades) y analíticos para determinar si tenían una distribución normal o no normal (utilizando las pruebas de Kolmogorov-Smirnov y Shapiro-Wilk). Debido a la distribución no paramétrica de los datos, se utilizó la prueba U de Mann-Whitney para comparar las longitudes anulares colónicas y el intergrupo (como sexo, tortuosidad, etc.) en la comparación de grupos pareados, y la prueba de Kruskal-Wallis en presencia de más de dos grupos. En el análisis de correlación se utilizó la prueba de correlación de Spearman y para evaluar los datos categóricos. Se utilizó un nivel de error tipo 1 del 5% para inferir significación estadística (p <0.05).

Aprobación ética

El protocolo del estudio fue aprobado por el comité de ética de investigación clínica no intervencionista de la facultad de medicina (número de aprobación: 2023.79.04.15, fecha: 25/04/2023).

Resultados

Resultados del análisis estadístico

La edad media de 89 hombres y 71 mujeres incluidos en el estudio fue de 57.8 ± 8.55 y 56.6 ± 61, respectivamente, y no hubo diferencia estadísticamente significativa (p= 0.24).

En nuestro estudio, la longitud total del intestino grueso de todos los casos (n= 160) fue de 163.05 ± 24.05, ciego y colon ascendente 27.76 ± 6.84, colon transverso 46.63 ± 10.21, colon descendente 39.96 ± 8.01, colon sigmoide 38.32 ± 13.65 y recto 10.38 ± 4.39. La longitud total del intestino grueso fue de 166.51 ± 25.2 cm para los hombres y de 158.73 ± 21.92 cm para las mujeres; No se observaron diferencias estadísticamente significativas entre los grupos (p= 0.12).

El intestino grueso se dividió en la parte proximal (desde el ciego hasta la flexión esplénica) y la parte distal (desde la flexión esplénica hasta el recto). Si bien no hubo diferencia estadística en el colon proximal en la comparación entre sexos (72.43 ± 12.80 cm y 76.86 ± 13.50 cm, respectivamente, p= 0.069), se encontró que la longitud distal del colon fue mayor en los hombres que en las mujeres (94.09 ± 17.64 cm, 81.87 ± 13.36 cm, respectivamente, p <0.001).

Las características morfométricas de los segmentos del intestino grueso y los tipos de colon se proporcionan en la Figura 1S suplementaria y las Tablas 1, 2 y 3.

Tabla 1. El resumen de las diferencias morfológicas observadas en algunos casos (expresado en mm).

  n Min Máximo Significar SD
Ptosis de colon transverso 103 21.30 191.00 105.34 34.16
Elevación transversal del colon 25 19.80 108.50 67.16 26.84
Ancho ancho del colon transversal en forma de U 26 21.50 109.50 62.80 25.70
Convexidad ascendente del colon transverso 17 31.20 97.60 60.83 21.09
Desplazamiento cecal 20 19.20 159.70 77.45 33.34
Desplazamiento lateral de la línea media de Caecum 15 10.00 105.20 37.93 29.68
Elevación cecal 6 12.00 148.40 74.08 48.47
Eventración de flexión 123 14.50 132.60 55.18 25.10

(n: tamaño de la muestra, mín.: mínimo, máx.: máximo, SD: desviación estándar)

Tabla 2. Las longitudes del intestino grueso total y sus segmentos según el sexo (expresados en cm).

Hombre (n= 89) Mujer (n= 71)
Min Máximo Significar SD Min Máximo Significar SD
Intestino grueso total 122 254 166.51 25.21 108 223 158.73 21.92
Recto 5 27 10.23 4.81 6 26 10.57 3.83
Colon sigmoide 14 97 41.36 14.43 9 63 34.52 11.64
Colón descendente 26 65 42.51 7.94 20 50 36.77 6.91
Colon transverso 24 77 44.96 10.42 25 88 48.73 9.62
Ciego + Colon Ascendente 7 42 27.47 5.65 17 64 28.12 8.13

Tabla 3. Las longitudes del intestino grueso total y sus segmentos según los grupos de edad (expresados en cm).

40-49 (n=10) 50-59 (n=97) 60-69 (n=37) 70-79 (n=16)
Intestino grueso total 166.1 ±14.58 160.41 ±23.55 168.43 ±25.3 164.75 ±28.13
Recto 9.1 ±2.88 10.09 ±4.37 10.91 ±4.57 11.68 ±4.78
Colon sigmoide 39.80 ± 9.72 36.98±12.0 40.9 ±14.45 39.62 ±21.57
Colón descendente 45.0 ±11.25 39.30 ±7.12 41.21 ±7.78 37.93 ±10.3
Colon transverso 42.8 ±9.26 46.58 ±10.56 47.78 ±10.16 46.68 ±8.96
Ciego + Colon Ascendente 29.4 ±5.4 27.47 ±6.83 27.62 ±5.52 28.81 ±10.22

Se encontró ptosis colónica transversa en 49 pacientes masculinos (31% a la derecha, 51% en el medio y 18% a la izquierda) y 54 casos femeninos (14.8% en el derecho, 64.8% en el medio y 20.4% en el izquierdo). Cuando se comparó la ptosis transversa del colon según el sexo, no se encontraron diferencias significativas en la ptosis derecha (hombres: 91.78 ± 21.72, n= 15; mujeres: 109.76 ± 36.81, n= 8; p= 0.107), línea media (hombres: 100.56 ± 29.43, n= 25; mujeres: 117.55 ± 34.60, n= 35; p= 0.107) e izquierda (hombres: 88.84 ± 40.85, n= 9; mujeres: 106.17 ± 41.12, n= 11; p= 0.184), Pero se observó una diferencia significativa en la talla total de ptosis entre los dos sexos (hombres: 95.70 ± 29.57, n= 49; mujeres: 114.08 ± 35.90, n= 54; p= 0.013).

Se observó elevación transversal del colon en 25 casos (19 casos en el centro, uno en el centro izquierdo y cinco en el izquierdo). La elevación de las cajas de la parte central se calculó como 72.55 ± 26.68 mm, las del centro izquierdo 46.2 mm y las de la izquierda 50.88 ± 27.89 mm.

Resultados de la IA

En la parte de inteligencia artificial de este estudio, se utilizó el sistema de detección de objetos YOLOv8 para estimar la forma de imágenes de colon en 3D. En este estudio, se utilizó IoU ≥0.5 para medir la intersección entre las mascarillas predichas y las reales. Además, las métricas utilizadas para medir la exactitud de los modelos fueron el recuerdo, la precisión y Mean Average Precision: mAP50 (Figura 5).

Figura 5. (A) Curva PR, (B) Evaluación del modelo YOLOv8 utilizando métricas clave como Precisión, Recuerdo y mAP50.

Figura 5

El modelo YOLOv8x se entrenó con la serie de datos generada, y los resultados del entrenamiento se muestran en la Figura 2S suplementaria. El modelo tardó 51 minutos en entrenarse. La precisión y la recuperación comenzaron a converger después de unas 80 épocas, y la precisión estaba por encima del 80% después de 100 épocas. La curva PR para el conjunto de datos de validación se muestra en la Figura 5(A), con una precisión promedio del 91.4% para todas las categorías y una precisión máxima del 99.5% para una sola categoría.

La evaluación del modelo YOLOv8 utilizando métricas clave como Precisión, Recuerdo y mAP50 se muestra en la Figura 5(B). Después de 100 épocas, la precisión es 0.8578, la recuperación es 0.7940 y Precisión media es 0.9142. La Figura 5(B) muestra que el modelo está mejorando lentamente. Sin embargo, de vez en cuando, se ve que el modelo cae repentinamente a las peores puntuaciones de entrenamiento de las métricas.

El rendimiento del modelo también se evaluó con un conjunto de datos de prueba. El conjunto de datos de prueba corresponde al 10% de todo el conjunto de datos y consta de 35 imágenes, que es diferente de las imágenes que el modelo no pudo hacer coincidir durante el entrenamiento y la validación. De las predicciones realizadas por el modelo sobre las 35 imágenes, 31 fueron correctas (88,57%). Cuando se analizan las imágenes de predicción incorrectas, se consideran similares al grupo predicho. La Figura 2S complementaria muestra algunas de las predicciones realizadas en el conjunto de datos de prueba.

Discusión

La colonografía por TC es el procedimiento radiológico de elección cuando la evaluación endoscópica del colon es problemática o imposible. Este enfoque es más seguro que la inspección endoscópica porque se realiza sin anestesia y evita posibles problemas. Además, se proporciona información sobre la complicada morfología del colon, proporcionando el conocimiento necesario tanto para las intervenciones agudas como para los procesos intervencionistas posteriores 12,13.

La información sobre la morfología del colon se ha estudiado en detalle con estudios de cadáveres 14 y estudios de colonoscopia 15. Sin embargo, las variaciones y diferencias morfológicas que pueden interferir con la colonoscopia pueden variar entre individuos. Las angulaciones agudas observadas en el colon se denominan tortuosidad, y su frecuencia según la edad y el sexo aún no se ha estudiado hasta donde sabemos. Nuestro estudio estudió la tortuosidad del colon en pacientes masculinos y femeninos de diferentes edades, la cual fue examinada mediante colonografía computarizada, y se reveló su relación con la morfología segmentaria. Además, se realizó la tipificación por tortuosidad de columna transversal y se dieron las tasas de incidencia en el estudio.

Si bien estudios anteriores han encontrado que la longitud total del colon es mayor en las mujeres 16-18, los hombres incluidos en este estudio tenían una mayor longitud del colon. Sin embargo, la diferencia observada no mostró significación estadística. En las mujeres, la tortuosidad fue más común distal al colon. Se ha reportado que las mujeres adultas se quejan de estreñimiento más que los hombres, y se ha reportado que está asociado con la cirugía ginecológica 19. Utano et al. (18, asociaron el estreñimiento en mujeres con la longitud proximal del colon. Sin embargo, a diferencia de su estudio, se puede sugerir que puede estar relacionado con el hecho de que la tortuosidad es mayor en los segmentos colónicos distales en comparación con los hombres. A nivel mundial, las tasas de incidencia y mortalidad por cáncer colorrectal son más altas en los hombres 20.

Las principales funciones del intestino grueso consisten en acumular residuos de digestión y absorber agua y electrolitos. Las secciones ascendente y transversal del colon contribuyen significativamente a este proceso. Con la gravedad, las heces colocadas en el lumen de estas regiones ejercen un efecto descendente. Si bien esto se acomoda mediante la expansión en el ciego, ubicado en la base del colon ascendente, puede hacer que el colon transverso se curve hacia abajo porque está en el plano horizontal. Además, debido a que el epiplón mayor está unido al colon transverso, se cree que la deposición de grasa que ocurre aquí debido al aumento de peso puede resultar en un tirón hacia abajo en el colon transverso. Como resultado, la ptosis en la columna transversal se puede ver en diversos grados y números 21.

Durante el desarrollo embriológico del intestino se producen cambios significativos en su morfología debido a sus rotaciones y contacto con la pared abdominal posterior (partes del colon ascendente y descendente). Secundariamente, las partes retroperitoneales y las transiciones intraperitoneales (flexuras) y partes de las mesoestructuras que permiten el movimiento afectan significativamente la morfología del colon. Las partes retroperitoneales que son menos móviles son estructuralmente menos tortuosas, mientras que las partes intraperitoneales que son más móviles se espera que sean más 22.

El colon transverso es la sección del intestino grueso que mide aproximadamente 50 cm de largo y es transversal en el abdomen, que está conectada entre el colon ascendente y el colon patrón y conectada a ellos por flexuras cólicas. La columna transversal tiene mayor movilidad que otros segmentos del colon. La longitud de la estructura peritoneal llamada mesocolon transverso, que se une a la pared abdominal posterior, puede ser variable. La longitud del mesocolon transverso y la posición de las flexuras cólicas y su angulación pueden causar variaciones en la forma y posición de la columna transversal 23. Las causas de las variaciones del colon transverso incluyen condiciones clínicas como anomalías congénitas, predisposición genética, sexo, dieta privada de fibra, esfuerzo prolongado y síndrome del intestino irritable. La longitud del colon transverso puede causar problemas intestinales, náuseas o problemas de la piel que se manifiestan con síntomas como estreñimiento y dolor abdominal (intestino excesivamente largo, colon redundante) 24.

El uso de modelos de inteligencia artificial para la detección morfométrica y el apoyo al diagnóstico clínico ha ido en aumento recientemente. En nuestro estudio, la detección de objetos de la forma del colon transverso del intestino grueso se realizó con YOLOv8. Se prevé que los datos obtenidos de esta manera harán una contribución importante a las definiciones morfológicas relacionadas con el colon transverso.

Las limitaciones del estudio son que el estudio es retrospectivo y no había información clínica y de laboratorio detallada sobre los pacientes debido al uso de un conjunto de datos en línea. Además, mejorar el limitado conjunto de datos mejorará los resultados de la IA y el aprendizaje automático.

Conclusión

Este artículo destaca la importancia de comprender la morfología del intestino grueso para una interpretación precisa de los resultados de la colonografía por TC y un tratamiento clínico eficaz de los pacientes con sospecha de anomalías del intestino grueso.

Además, este estudio sugiere que la tortuosidad y la longitud de los segmentos colónicos en cada paciente pueden ser variables. Se ha revelado que la longitud del colon distal es más larga para el sexo masculino en comparación con el femenino. Esta información es importante para realizar procedimientos intervencionistas como la colonoscopia convencional en los ancianos. Se ha demostrado que la colonografía por TC es importante en la tipificación de la tortuosidad, y se debe tener en cuenta que los segmentos colónico transverso y sigmoide tienen más tortuosidad. Además, este estudio demostró que el 88.6% de las imágenes del conjunto de datos de prueba se detectaron correctamente y que la IA puede desempeñar un papel importante en la tipificación de dos puntos.

Material Suplementario.

Figura 1S. Resultados del entrenamiento del modelo YOLOv8x.

Figura 1S

Figura 2S. Algunas predicciones del modelo entrenado en el conjunto de datos de prueba.

Figura 2S

Notas:

Disponibilidad de datos: United States National Cancer Institute (https://www.cancerimagingarchive.net/)

Declaración: Durante la preparación de este trabajo, el autor o autores utilizaron una herramienta de paráfrasis (QuillBot AI) para parafrasear el texto. Después de utilizar esta herramienta/servicio, el autor o autores revisaron y editaron el contenido según fuera necesario y asumen toda la responsabilidad del contenido de la publicación


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