Laparoscopic Image-Based Critical Action Recognition and Anticipation With Explainable Features

可解释性 计算机科学 工作流程 人工智能 稳健性(进化) 机器学习 生物化学 数据库 基因 化学
作者
Jie Zhang,Song Zhou,Yiwei Wang,Shenchao Shi,Chidan Wan,Huan Zhao,Xiong Cai,Han Ding
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:27 (11): 5393-5404 被引量:13
标识
DOI:10.1109/jbhi.2023.3306818
摘要

Surgical workflow analysis integrates perception, comprehension, and prediction of the surgical workflow, which helps real-time surgical support systems provide proper guidance and assistance for surgeons. This article promotes the idea of critical actions, which refer to the essential surgical actions that progress towards the fulfillment of the operation. Fine-grained workflow analysis involves recognizing current critical actions and previewing the moving tendency of instruments in the early stage of critical actions. Aiming at this, we propose a framework that incorporates operational experience to improve the robustness and interpretability of action recognition in in-vivo situations. High-dimensional images are mapped into an experience-based explainable feature space with low dimensions to achieve critical action recognition through a hierarchical classification structure. To forecast the instrument's motion tendency, we model the motion primitives in the polar coordinate system (PCS) to represent patterns of complex trajectories. Given the laparoscopy variance, the adaptive pattern recognition (APR) method, which adapts to uncertain trajectories by modifying model parameters, is designed to improve prediction accuracy. The in-vivo dataset validations show that our framework fulfilled the surgical awareness tasks with exceptional accuracy and real-time performance.
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