Skip to main content
Erschienen in: Die Pathologie 2/2024

05.02.2024 | Künstliche Intelligenz | Schwerpunkt: Digitale Pathologie

Erklärbare Künstliche Intelligenz in der Pathologie

verfasst von: Prof. Frederick Klauschen, Jonas Dippel, Dr. Philipp Keyl, Prof. Philipp Jurmeister, Prof. Michael Bockmayr, Dr. Dr. Andreas Mock, Dr. Oliver Buchstab, Dr. Maximilian Alber, Dr. Lukas Ruff, Prof. Grégoire Montavon, Prof. Klaus-Robert Müller

Erschienen in: Die Pathologie | Ausgabe 2/2024

Einloggen, um Zugang zu erhalten

Zusammenfassung

Mit den Entwicklungen der Präzisionsmedizin steigen die Anforderungen an die pathologische Diagnostik, histomorphologische und molekularpathologische Daten standardisiert, quantitativ und integriert zu beurteilen. Große Hoffnungen werden in Verfahren der Künstlichen Intelligenz (KI) gesetzt, die gezeigt haben, komplexe klinische, histologische und molekulare Daten zur Krankheitsklassifikation, Biomarkerquantifizierung und Prognoseabschätzung auswerten zu können. Diese Arbeit gibt einen Überblick über neueste Entwicklungen der KI in der Pathologie, diskutiert die Grenzen insbesondere hinsichtlich der Intransparenz der KI und beschreibt Lösungen, die Entscheidungsprozesse mit Verfahren der sog. erklärbaren KI („explainable AI“, XAI) transparenter zu gestalten.
Literatur
1.
Zurück zum Zitat Klauschen F, Dippel J, Keyl P et al (2024) Toward explainable artificial intelligence for precision pathology. Annu Rev Pathol Mech Dis 19:541–570CrossRef Klauschen F, Dippel J, Keyl P et al (2024) Toward explainable artificial intelligence for precision pathology. Annu Rev Pathol Mech Dis 19:541–570CrossRef
2.
Zurück zum Zitat Krizhevsky A, Sutskever I, Hinton GE (2012) Imagenet classification with deep convolutional neural networks. In: Bartlett PL, Pereira FCN, Burges CJC, Bottou L, Weinberger KQ (Hrsg) Advances in Neural Information Processing Systems 25, S 1106–1114 Krizhevsky A, Sutskever I, Hinton GE (2012) Imagenet classification with deep convolutional neural networks. In: Bartlett PL, Pereira FCN, Burges CJC, Bottou L, Weinberger KQ (Hrsg) Advances in Neural Information Processing Systems 25, S 1106–1114
3.
Zurück zum Zitat Ronneberger O, Fischer P, Brox T (2015) U‑net: Convolutional networks for biomedical image segmentation. In: Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention–MICCAI 2015: 18th International Conference, Munich, Germany, October 5–9, 2015, Proceedings, Part III 18. Springer, S 234–241 Ronneberger O, Fischer P, Brox T (2015) U‑net: Convolutional networks for biomedical image segmentation. In: Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention–MICCAI 2015: 18th International Conference, Munich, Germany, October 5–9, 2015, Proceedings, Part III 18. Springer, S 234–241
4.
Zurück zum Zitat Ren S, Kaiming H, Ross B et al (2017) Faster R‑CNN: towards real-time object detection with region proposal networks. IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell 39(6):1137–1149PubMedCrossRef Ren S, Kaiming H, Ross B et al (2017) Faster R‑CNN: towards real-time object detection with region proposal networks. IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell 39(6):1137–1149PubMedCrossRef
5.
Zurück zum Zitat Brown TB, Mann B, Ryder N et al (2020) Language models are few-shot learners. In: NeurIPS Brown TB, Mann B, Ryder N et al (2020) Language models are few-shot learners. In: NeurIPS
8.
Zurück zum Zitat Litjens G, Kooi T, Ehteshami Bejnordi B et al (2017) A survey on deep learning in medical image analysis. Med Image Anal 42:60–88PubMedCrossRef Litjens G, Kooi T, Ehteshami Bejnordi B et al (2017) A survey on deep learning in medical image analysis. Med Image Anal 42:60–88PubMedCrossRef
9.
Zurück zum Zitat Lengauer T, Sander O, Saleta S et al (2007) Bioinformatics prediction of hiv coreceptor usage. Nat Biotechnol 25(12):1407–1410PubMedCrossRef Lengauer T, Sander O, Saleta S et al (2007) Bioinformatics prediction of hiv coreceptor usage. Nat Biotechnol 25(12):1407–1410PubMedCrossRef
10.
11.
Zurück zum Zitat Lapuschkin S, Waldchen S, Binder A et al (2019) Unmasking clever hans predictors and assessing what machines really learn. Nat Commun 10:1096 Lapuschkin S, Waldchen S, Binder A et al (2019) Unmasking clever hans predictors and assessing what machines really learn. Nat Commun 10:1096
12.
Zurück zum Zitat Anders CJ, Weber L, Neumann D et al (2021) Finding and removing clever hans using explanation methods to debug and improve deep models. Inf Fusion 77:261–295CrossRef Anders CJ, Weber L, Neumann D et al (2021) Finding and removing clever hans using explanation methods to debug and improve deep models. Inf Fusion 77:261–295CrossRef
13.
Zurück zum Zitat Keyl P, Bockmayr M, Heim D et al (2022) Patient-level proteomic network prediction by explainable artificial intelligence. NPJ Precis Oncol 6(1):35PubMedPubMedCentralCrossRef Keyl P, Bockmayr M, Heim D et al (2022) Patient-level proteomic network prediction by explainable artificial intelligence. NPJ Precis Oncol 6(1):35PubMedPubMedCentralCrossRef
14.
Zurück zum Zitat Binder A, Bockmayr M, Hagele M et al (2021) Morphological and molecular breast cancer profiling through explainable machine learning. Nat Mach Intell 3(4):355–366CrossRef Binder A, Bockmayr M, Hagele M et al (2021) Morphological and molecular breast cancer profiling through explainable machine learning. Nat Mach Intell 3(4):355–366CrossRef
15.
Zurück zum Zitat Hagele M, Seegerer P, Lapuschkin S et al (2020) Resolving challenges in deep learning-based analyses of histopathological images using explanation methods. Sci Rep 10:6423 Hagele M, Seegerer P, Lapuschkin S et al (2020) Resolving challenges in deep learning-based analyses of histopathological images using explanation methods. Sci Rep 10:6423
16.
Zurück zum Zitat Bach S, Binder A, Montavon G et al (2015) On pixel-wise explanations for non-linear classifier decisions by layer-wise relevance propagation. Plos One 10(7):e130140PubMedPubMedCentralCrossRef Bach S, Binder A, Montavon G et al (2015) On pixel-wise explanations for non-linear classifier decisions by layer-wise relevance propagation. Plos One 10(7):e130140PubMedPubMedCentralCrossRef
17.
Zurück zum Zitat Kather JN, Pearson AT, Halama N et al (2019) Deep learning can predict microsatellite instability directly from histology in gastrointestinal cancer. Nat Med 25(7):1054–1056PubMedPubMedCentralCrossRef Kather JN, Pearson AT, Halama N et al (2019) Deep learning can predict microsatellite instability directly from histology in gastrointestinal cancer. Nat Med 25(7):1054–1056PubMedPubMedCentralCrossRef
18.
Zurück zum Zitat Moore LD, Le T, Fan G (2013) DNA methylation and its basic function. Neuropsychopharmacology 38(1):23–38PubMedCrossRef Moore LD, Le T, Fan G (2013) DNA methylation and its basic function. Neuropsychopharmacology 38(1):23–38PubMedCrossRef
20.
Zurück zum Zitat Pidsley R, Zotenko E, Peters TJ et al (2016) Critical evaluation of the Illumina MethylationEPIC BeadChip microarray for whole-genome DNA methylation profiling. Genome Biol 17(1):208PubMedPubMedCentralCrossRef Pidsley R, Zotenko E, Peters TJ et al (2016) Critical evaluation of the Illumina MethylationEPIC BeadChip microarray for whole-genome DNA methylation profiling. Genome Biol 17(1):208PubMedPubMedCentralCrossRef
21.
Zurück zum Zitat Hovestadt V, Remke M, Kool M et al (2013) Robust molecular subgrouping and copy-number profiling of medulloblastoma from small amounts of archival tumour material using highdensity DNA methylation arrays. Acta Neuropathol 125(6):913–916PubMedPubMedCentralCrossRef Hovestadt V, Remke M, Kool M et al (2013) Robust molecular subgrouping and copy-number profiling of medulloblastoma from small amounts of archival tumour material using highdensity DNA methylation arrays. Acta Neuropathol 125(6):913–916PubMedPubMedCentralCrossRef
22.
Zurück zum Zitat Pajtler KW, Witt H, Sill M et al (2015) Molecular classification of ependymal tumors across All CNS compartments, histopathological grades, and age groups. Cancer Cell 27(5):728–743PubMedPubMedCentralCrossRef Pajtler KW, Witt H, Sill M et al (2015) Molecular classification of ependymal tumors across All CNS compartments, histopathological grades, and age groups. Cancer Cell 27(5):728–743PubMedPubMedCentralCrossRef
23.
Zurück zum Zitat Sturm D, Orr BA, Toprak UH et al (2016) New brain tumor entities emerge from molecular classification of CNS-PNETs. Cell 164(5):1060–1072PubMedPubMedCentralCrossRef Sturm D, Orr BA, Toprak UH et al (2016) New brain tumor entities emerge from molecular classification of CNS-PNETs. Cell 164(5):1060–1072PubMedPubMedCentralCrossRef
24.
Zurück zum Zitat Bockmayr M, Harnisch K, Pohl LC et al (2022) Comprehensive profiling of myxopapillary ependymomas identifies a distinct molecular subtype with relapsing disease. Neuro Oncol 24(10):1689–1699PubMedPubMedCentralCrossRef Bockmayr M, Harnisch K, Pohl LC et al (2022) Comprehensive profiling of myxopapillary ependymomas identifies a distinct molecular subtype with relapsing disease. Neuro Oncol 24(10):1689–1699PubMedPubMedCentralCrossRef
25.
26.
Zurück zum Zitat Louis DN, Wesseling P, Aldape K et al (2020) cIMPACT-NOW update 6: new entity and diagnostic principle recommendations of the cIMPACT-Utrecht meeting on future CNS tumor classification and grading. Brain Pathol 30(4):844–856PubMedPubMedCentralCrossRef Louis DN, Wesseling P, Aldape K et al (2020) cIMPACT-NOW update 6: new entity and diagnostic principle recommendations of the cIMPACT-Utrecht meeting on future CNS tumor classification and grading. Brain Pathol 30(4):844–856PubMedPubMedCentralCrossRef
27.
Zurück zum Zitat Leitheiser M, Capper D, Seegerer P et al (2022) Machine learning models predict the primary sites of head and neck squamous cell carcinoma metastases based on DNA methylation. J Pathol 256:378–387PubMedCrossRef Leitheiser M, Capper D, Seegerer P et al (2022) Machine learning models predict the primary sites of head and neck squamous cell carcinoma metastases based on DNA methylation. J Pathol 256:378–387PubMedCrossRef
28.
Zurück zum Zitat Jurmeister P, Bockmayr M, Seegerer P et al (2019) Machine learning analysis of DNA methylation profiles distinguishes primary lung squamous cell carcinomas from head and neck metastases. Sci Transl Med 11(509):eaaw8513PubMedCrossRef Jurmeister P, Bockmayr M, Seegerer P et al (2019) Machine learning analysis of DNA methylation profiles distinguishes primary lung squamous cell carcinomas from head and neck metastases. Sci Transl Med 11(509):eaaw8513PubMedCrossRef
30.
Zurück zum Zitat Chereda H, Bleckmann A, Menck K, Perera-Bel J et al (2021) Explaining decisions of graph convolutional neural networks: patient-specific molecular subnetworks responsible for metastasis prediction in breast cancer. Genome Med 13(1):42PubMedPubMedCentralCrossRef Chereda H, Bleckmann A, Menck K, Perera-Bel J et al (2021) Explaining decisions of graph convolutional neural networks: patient-specific molecular subnetworks responsible for metastasis prediction in breast cancer. Genome Med 13(1):42PubMedPubMedCentralCrossRef
31.
Zurück zum Zitat Pfeifer B, Baniecki H, Saranti A et al (2022) Multi-omics disease module detection with an explainable greedy decision forest. Sci Rep 12(1):16857ADSPubMedPubMedCentralCrossRef Pfeifer B, Baniecki H, Saranti A et al (2022) Multi-omics disease module detection with an explainable greedy decision forest. Sci Rep 12(1):16857ADSPubMedPubMedCentralCrossRef
32.
Zurück zum Zitat Schulte-Sasse R, Budach S, Hnisz D, Marsico A (2021) Integration of multiomics data with graph convolutional networks to identify new cancer genes and their associated molecular mechanisms. Nat Mach Intell 3(6):513–526CrossRef Schulte-Sasse R, Budach S, Hnisz D, Marsico A (2021) Integration of multiomics data with graph convolutional networks to identify new cancer genes and their associated molecular mechanisms. Nat Mach Intell 3(6):513–526CrossRef
33.
Zurück zum Zitat Bourgeais V, Zehraoui F, Hamdoune MB, Hanczar B (2021) Deep gonet: self-explainable deep neural network based on gene ontology for phenotype prediction from gene expression data. BMC Bioinform 22-S(455):10 Bourgeais V, Zehraoui F, Hamdoune MB, Hanczar B (2021) Deep gonet: self-explainable deep neural network based on gene ontology for phenotype prediction from gene expression data. BMC Bioinform 22-S(455):10
34.
Zurück zum Zitat Delgado FM, G’omez-Vela F (2019) Computational methods for gene regulatory networks reconstruction and analysis: a review. Artif Intell Med 95:133–145PubMedCrossRef Delgado FM, G’omez-Vela F (2019) Computational methods for gene regulatory networks reconstruction and analysis: a review. Artif Intell Med 95:133–145PubMedCrossRef
35.
Zurück zum Zitat Fiers MWEJ, Minnoye L, Aibar S et al (2018) Mapping gene regulatory networks from single-cell omics data. Brief Funct Genomics 17(4):246–254PubMedPubMedCentralCrossRef Fiers MWEJ, Minnoye L, Aibar S et al (2018) Mapping gene regulatory networks from single-cell omics data. Brief Funct Genomics 17(4):246–254PubMedPubMedCentralCrossRef
36.
Zurück zum Zitat Pratapa A, Jalihal AP, Law JN, Bharadwaj A, Murali TM (2020) Benchmarking algorithms for gene regulatory network inference from single-cell transcriptomic data. Nat Methods 17(2):147–154PubMedPubMedCentralCrossRef Pratapa A, Jalihal AP, Law JN, Bharadwaj A, Murali TM (2020) Benchmarking algorithms for gene regulatory network inference from single-cell transcriptomic data. Nat Methods 17(2):147–154PubMedPubMedCentralCrossRef
37.
Zurück zum Zitat Rao VS, Srinivas K, Sujini GN, Kumar GN (2014) Protein-protein interaction detection: methods and analysis. Int J Proteomics 2014:147648 Rao VS, Srinivas K, Sujini GN, Kumar GN (2014) Protein-protein interaction detection: methods and analysis. Int J Proteomics 2014:147648
38.
Zurück zum Zitat Raatz M, Shah S, Chitadze G (2021) M. ggemann, A. Traulsen. The impact of phenotypic heterogeneity of tumour cells on treatment and relapse dynamics. PLoS Comput Biol 17(2):e1008702PubMedPubMedCentralCrossRef Raatz M, Shah S, Chitadze G (2021) M. ggemann, A. Traulsen. The impact of phenotypic heterogeneity of tumour cells on treatment and relapse dynamics. PLoS Comput Biol 17(2):e1008702PubMedPubMedCentralCrossRef
39.
Zurück zum Zitat Marusyk A, Janiszewska M, Polyak K (2020) Intratumor heterogeneity: the rosetta stone of therapy resistance. Cancer Cell 37(4):471–484PubMedPubMedCentralCrossRef Marusyk A, Janiszewska M, Polyak K (2020) Intratumor heterogeneity: the rosetta stone of therapy resistance. Cancer Cell 37(4):471–484PubMedPubMedCentralCrossRef
40.
Zurück zum Zitat Huynh-Thu VA, Irrthum A, Wehenkel L, Geurts P (2010) Inferring regulatory networks from expression data using tree-based methods. Plos One 5(9) Huynh-Thu VA, Irrthum A, Wehenkel L, Geurts P (2010) Inferring regulatory networks from expression data using tree-based methods. Plos One 5(9)
41.
Zurück zum Zitat Keyl P, Bischoff P, Dernbach G et al (2023) Single-cell gene regulatory network prediction by explainable AI. Nucleic Acids Res Keyl P, Bischoff P, Dernbach G et al (2023) Single-cell gene regulatory network prediction by explainable AI. Nucleic Acids Res
42.
Zurück zum Zitat Moerman T, Aibar SS, Bravo Gonzalez-Blas C et al (2019) GRNBoost2 and Arboreto: efficient and scalable inference of gene regulatory networks. Bioinformatics 35(12):2159–2161PubMedCrossRef Moerman T, Aibar SS, Bravo Gonzalez-Blas C et al (2019) GRNBoost2 and Arboreto: efficient and scalable inference of gene regulatory networks. Bioinformatics 35(12):2159–2161PubMedCrossRef
43.
Zurück zum Zitat Chen RJ, Lu MY, Williamson DFK et al (2022) Pan-cancer integrative histology-genomic analysis via multimodal deep learning. Cancer Cell 40(8):865–878PubMedPubMedCentralCrossRef Chen RJ, Lu MY, Williamson DFK et al (2022) Pan-cancer integrative histology-genomic analysis via multimodal deep learning. Cancer Cell 40(8):865–878PubMedPubMedCentralCrossRef
44.
Zurück zum Zitat Chen RJ, Lu MY, Weng W‑H et al (2021) Multimodal CoAttention transformer for survival prediction in gigapixel whole slide images Chen RJ, Lu MY, Weng W‑H et al (2021) Multimodal CoAttention transformer for survival prediction in gigapixel whole slide images
45.
Zurück zum Zitat Chen RJ, Lu MY, W J et al (2019) Pathomic fusion: An integrated framework for fusing histopathology and genomic features for cancer diagnosis and prognosis Chen RJ, Lu MY, W J et al (2019) Pathomic fusion: An integrated framework for fusing histopathology and genomic features for cancer diagnosis and prognosis
46.
Zurück zum Zitat Subramanian A, Tamayo P, Mootha VK et al (2005) Gene set enrichment analysis: a knowledge-based approach for interpreting genome-wide expression profiles. Proc Natl Acad Sci USA 102(43):15545–15550ADSPubMedPubMedCentralCrossRef Subramanian A, Tamayo P, Mootha VK et al (2005) Gene set enrichment analysis: a knowledge-based approach for interpreting genome-wide expression profiles. Proc Natl Acad Sci USA 102(43):15545–15550ADSPubMedPubMedCentralCrossRef
47.
Zurück zum Zitat Tan K, Huang W, Liu X et al (2022) A multi-modal fusion framework based on multi-task correlation learning for cancer prognosis prediction. Artif Intell Med 126:102260PubMedCrossRef Tan K, Huang W, Liu X et al (2022) A multi-modal fusion framework based on multi-task correlation learning for cancer prognosis prediction. Artif Intell Med 126:102260PubMedCrossRef
48.
Zurück zum Zitat Boehm KM, Khosravi P, Vanguri R et al (2022) Harnessing multimodal data integration to advance precision oncology. Nat Rev Cancer 22(2):114–126PubMedCrossRef Boehm KM, Khosravi P, Vanguri R et al (2022) Harnessing multimodal data integration to advance precision oncology. Nat Rev Cancer 22(2):114–126PubMedCrossRef
49.
Zurück zum Zitat Lipkova J, Chen RJ, Chen B, Lu MY et al (2022) Artificial intelligence for multimodal data integration in oncology. Cancer Cell 40(10):1095–1110PubMedPubMedCentralCrossRef Lipkova J, Chen RJ, Chen B, Lu MY et al (2022) Artificial intelligence for multimodal data integration in oncology. Cancer Cell 40(10):1095–1110PubMedPubMedCentralCrossRef
50.
Zurück zum Zitat Chen Y, Wright EC, Lovett LN et al (2023) Human-centered design to address biases in artificial intelligence. J Med Internet Res 25:e43251PubMedPubMedCentralCrossRef Chen Y, Wright EC, Lovett LN et al (2023) Human-centered design to address biases in artificial intelligence. J Med Internet Res 25:e43251PubMedPubMedCentralCrossRef
Metadaten
Titel
Erklärbare Künstliche Intelligenz in der Pathologie
verfasst von
Prof. Frederick Klauschen
Jonas Dippel
Dr. Philipp Keyl
Prof. Philipp Jurmeister
Prof. Michael Bockmayr
Dr. Dr. Andreas Mock
Dr. Oliver Buchstab
Dr. Maximilian Alber
Dr. Lukas Ruff
Prof. Grégoire Montavon
Prof. Klaus-Robert Müller
Publikationsdatum
05.02.2024
Verlag
Springer Medizin
Erschienen in
Die Pathologie / Ausgabe 2/2024
Print ISSN: 2731-7188
Elektronische ISSN: 2731-7196
DOI
https://doi.org/10.1007/s00292-024-01308-7

Weitere Artikel der Ausgabe 2/2024

Die Pathologie 2/2024 Zur Ausgabe

Mitteilungen der Deutschen Gesellschaft für Pathologie

Mitteilungen der Deutschen Gesellschaft für Pathologie

Leitlinien kompakt für die Innere Medizin

Mit medbee Pocketcards sicher entscheiden.

Seit 2022 gehört die medbee GmbH zum Springer Medizin Verlag

Erhebliches Risiko für Kehlkopfkrebs bei mäßiger Dysplasie

29.05.2024 Larynxkarzinom Nachrichten

Fast ein Viertel der Personen mit mäßig dysplastischen Stimmlippenläsionen entwickelt einen Kehlkopftumor. Solche Personen benötigen daher eine besonders enge ärztliche Überwachung.

Nach Herzinfarkt mit Typ-1-Diabetes schlechtere Karten als mit Typ 2?

29.05.2024 Herzinfarkt Nachrichten

Bei Menschen mit Typ-2-Diabetes sind die Chancen, einen Myokardinfarkt zu überleben, in den letzten 15 Jahren deutlich gestiegen – nicht jedoch bei Betroffenen mit Typ 1.

15% bedauern gewählte Blasenkrebs-Therapie

29.05.2024 Urothelkarzinom Nachrichten

Ob Patienten und Patientinnen mit neu diagnostiziertem Blasenkrebs ein Jahr später Bedauern über die Therapieentscheidung empfinden, wird einer Studie aus England zufolge von der Radikalität und dem Erfolg des Eingriffs beeinflusst.

Costims – das nächste heiße Ding in der Krebstherapie?

28.05.2024 Onkologische Immuntherapie Nachrichten

„Kalte“ Tumoren werden heiß – CD28-kostimulatorische Antikörper sollen dies ermöglichen. Am besten könnten diese in Kombination mit BiTEs und Checkpointhemmern wirken. Erste klinische Studien laufen bereits.

Update Innere Medizin

Bestellen Sie unseren Fach-Newsletter und bleiben Sie gut informiert.