Inteligencia artificial en urología. Presente y futuro

Contenido

Lista de colaboradores ........................................................................................................................ xv

CAPÍTULO 1

Introducción........................................................................................................... 1

Andrew J. Hung

CAPÍTULO 2  Qué es la inteligencia artificial, el aprendizaje automático y el aprendizaje profundo: terminologías explicadas................................................................... 3

Zijun Cui y Andrew J. Hung

2.1. Diferencias entre inteligencia artificial/aprendizaje automático/aprendizaje

profundo.................................................................................................................. 3

2.2. Categorías del aprendizaje automático ................................................................... 5

2.2.1. Aprendizaje automático supervisado: clasificación y regresión ..................5

2.2.2. Aprendizaje automático no supervisado.......................................................6

2.2.3. Aprendizaje por refuerzo................................................................................7

2.3. Aprendizaje profundo y redes neuronales............................................................... 7

2.3.1. Red neuronal directa ......................................................................................8

2.3.2. Redes neuronales convolucionales ..........................................................9

2.3.3. Redes neuronales recurrentes.........................................................................10

2.3.4. Avances recientes en el aprendizaje profundo: IA generativa y los modelos lingüísticos de gran tamaño..............................................11

Divulgación de la inteligencia artificial ...................................................................13

Referencias..................................................................................................................13

CAPÍTULO 3  Diagnóstico del cáncer de próstata mediante métodos de inteligencia artificial-radiómica ................................................................................................ 19

Shady Saikali y Vipul Patel

3.1.

Introducción.............................................................................................................. 19

3.2. Radiómica: fundamentos y conceptos.............................................................. 20

3.3. Modalidades de diagnóstico por imagen de la próstata......................................... 22

3.3.1. Ecografía................................................................................................22

3.3.2. Tomografía computarizada .....................................................................23

3.3.3. mpMRI............................................................................................................24

3.3.4. Tomografía por emisión de positrones .........................................................28

3.4. Consideraciones reglamentarias............................................................................... 31

3.5. Integración en el flujo de trabajo clínico ................................................................ 31

3.6. Conclusión................................................................................................................ 33

Referencias..................................................................................................................33

CAPÍTULO 4 Avances en el diagnóstico y tratamiento del cáncer de próstata mediante la patómica y la inteligencia artificial...................................................................... 41

Derek J. Van Booven, Cheng-Bang Chen, Aditya Jain Gupta, Fakiha Firdaus y Himanshu Arora

4.1.Introducción.............................................................................................................. 41

4.1.1. La carga mundial del cáncer de próstata: una visión detallada...................41

4.1.2. Patómica: ampliando el horizonte del diagnóstico y la investigación

del cáncer de próstata ................................................................................42

4.1.3. Fisiopatología del cáncer de próstata ............................................................42

4.1.4. Estadificación de la enfermedad....................................................................43

4.1.5. Limitaciones de la estadificación actual del cáncer de próstata ..................44

4.1.6. Perfiles moleculares: desvelando el paisaje genético del cáncer

de próstata .........................................................................................44

4.1.7. La convergencia de los perfiles moleculares y la patómica .......................45

4.2. Imágenes avanzadas en el cáncer de próstata.......................................................... 46

4.3. Implicaciones futuras de la imagen avanzada......................................................... 46

4.4. La convergencia de la imagen avanzada en el cáncer de próstata y la patómica ........ 47

4.4.1. Inteligencia artificial y cáncer de próstata ....................................................48

4.5. La convergencia de la inteligencia artificial y la patómica .................................... 48

4.6. Navegar por las limitaciones y avanzar en la IA para el cáncer de próstata ......... 50

4.6.1. Variabilidad en el entrenamiento de la IA....................................................50

4.6.2. Superar la heterogeneidad tumoral ...............................................................50

4.6.3. Retos técnicos en la integración de la IA.................................................50

4.6.4. Papel de la IA en el pronóstico y la medicina personalizada ......................50

4.6.5. El camino hacia el futuro...............................................................................50

4.7. Consideraciones éticas y orientaciones futuras ...................................................... 51

4.7.1. Implicaciones éticas en el uso de la IA y la patología digital ......................51

4.7.2. El futuro de la IA en la investigación y la práctica clínica del

cáncer de próstata ......................................................................................53

4.8. Tecnologías y metodologías emergentes en patómica ........................................... 54

4.9. Divulgación de la IA................................................................................................. 55

Referencias..................................................................................................................55

CAPÍTULO 5 Diagnóstico del cáncer de próstata mediante métodos de inteligencia

artificial-genómica .................................................................................................. 67

Parsa Iranmahboub, Ashwin Ramaswamy, Mary O. Strasser y Jim C. Hu

5.1. Introducción.............................................................................................................. 67

5.2. Integración de la inteligencia artificial con las alteraciones genómicas................ 69

5.3. Integración de la inteligencia artificial con los biomarcadores............................. 70

5.4. Integración de la inteligencia artificial con la histopatología................................ 72

5.5. Integración de la inteligencia artificial con la radiogenómica............................... 72

5.6. Conclusión ................................................................................................................ 73

Referencias..................................................................................................................74

CAPÍTULO 6 Diagnóstico del cáncer de riñón mediante la IA y la radiómica..................... 79

Rebecc A. Campbell, Nour Abdallah, Nicholas E. Heller y Christopher J. Weight

Abreviaturas.....................................................................................................79

6.1. Diagnóstico actual .................................................................................................... 79

6.1.1. Inteligencia artificial para la puntuación automática de la nefrometría....82

6.2. Conclusión................................................................................................................. 93

Referencias..................................................................................................................94

CAPÍTULO 7   Terapéutica del carcinoma de células renales guiada ........................................ 103

Zine-Eddine Khene, Yair Lotan, Vitaly Margulis y Karim Bensalah

7.1. Introducción.............................................................................................................. 103

7.2. Aprovechamiento de la inteligencia artificial en todo el proceso continuo

de atención del carcinoma de células renales ....................................................... 104

7.3. Optimización de la atención perioperatoria mediante aplicaciones de la

inteligencia artificial ............................................................................................... 105

7.3.1. Utilización de técnicas de la inteligencia artificial para analizar los

flujos de trabajo quirúrgicos.....................................................................105

7.3.2. Potenciar la asistencia de realidad aumentada con la inteligencia artificial .....106

7.4. Optimización de la selección de pacientes para la terapia adyuvante.................. 107

7.5. Integración de la patología digital y la patómica en la terapéutica renal basada

en inteligencia artificial .......................................................................................... 108

7.5.1 Técnicas de la inteligencia artificial en la patología digital del carcinoma

de células renales........................................................................................108

7.5.2 Predicción de resultados oncológicos.............................................................109

7.6. Conclusión ................................................................................................................ 110

Referencias.................................................................................................................111

CAPÍTULO 8 Diagnóstico del cáncer de vejiga mediante la IA, cistoscopia y patómica .... 115

Mark A. Laurie, T. Jessie Ge, Eugene Shkolyar y Joseph C. Liao

8.1. Introducción.............................................................................................................. 115

8.2. Cistoscopia ................................................................................................................ 116

8.3. La IA en la cistoscopia..................................................................................... 117

8.4. Citología .................................................................................................................... 118

8.5. La IA en la citología.................................................................................................. 119

8.6. Histopatología........................................................................................................... 119

8.7. La IA en la histopatología................................................................................ 121

8.8. Conclusión................................................................................................................ 123

Referencias..................................................................................................................123

CAPÍTULO 9 Tratamiento del cáncer de vejiga con inteligencia artificial.............................. 133

Tianxin Lin

9.1. Terapia neoadyuvante con inteligencia artificial .................................................... 133

9.1.1. Predicción de la respuesta a la terapia neoadyuvante con características

clínicas...............................................................................................134

9.1.2. Predicción de la respuesta a la terapia neoadyuvante con la radiología............134

9.1.3. Predicción de la respuesta a la terapia neoadyuvante con la patología.............135

9.1.4. Predicción de la respuesta a la terapia neoadyuvante con la transcriptoma .....136

9.1.5. Predicción de la respuesta a la terapia neoadyuvante con la multiómica .........138

9.1.6. Predicción de la terapia neoadyuvante para orientar la cistectomía radical

posterior......................................................................................................139

9.2. Cirugía robótica del cáncer de vejiga con inteligencia artificial......................... 140

9.3. Predicción de la supervivencia en cáncer de vejiga mediante

la inteligencia artificial ........................................................................................... 141

9.4. Predicción de la recurrencia en cáncer de vejiga mediante la inteligencia artificial ....... 143

9.5. Perspectivas de la aplicación de la inteligencia artificial en el cáncer de vejiga........... 146

9.5.1. Construcción del marco multimodal............................................................146

9.5.2. Algoritmos avanzados de inteligencia artificial ............................................147

9.5.3. Aplicación futura de la inteligencia artificial en el cáncer de vejiga...........149

Referencias..................................................................................................................151

CAPÍTULO 10 Otros cánceres genitourinarios y la IA (pene, uretra y testículos) ................ 157

Alireza Ghoreifi, Farshad Sheybaee Moghaddam y Hooman Djaladat

10.1. Introducción ............................................................................................................. 157

10.2. Cáncer de testículo................................................................................................... 157

10.2.1. Inteligencia artificial basada en imágenes...................................................158

10.2.2. Inteligencia artificial basada en la patología...............................................161

10.2.3. Inteligencia artificial y resultados clínicos..................................................162

10.3. Cánceres de pene y uretra ........................................................................................ 162

10.3.1. Inteligencia artificial en el diagnóstico .......................................................164

10.3.2. Inteligencia artificial en la patología .....................................................164

10.3.3. Inteligencia artificial y resultados clínicos..................................................164

10.4. Conclusiones y orientaciones futuras ..................................................................... 165

Referencias..................................................................................................................165

CAPÍTULO 11 Aplicaciones de la inteligencia artificial en la litiasis renal ............................. 169

Ekamjit S. Deol y Nicholas L. Kavoussi

11.1. Introducción ............................................................................................................. 169

11.2. Diagnóstico y evaluación metabólica...................................................................... 170

11.2.1. Datos derivados de la historia clínica electrónica y litiasis renal..............171

11.2.2. Diagnóstico por imagen...............................................................................174

11.3. Manejo....................................................................................................................... 177

11.3.1. Predicción de la expulsión espontánea de los cálculos con tratamiento

médico ........................................................................................................178

11.3.2. Tratamiento quirúrgico................................................................................178

11.3.3. Evaluación y desarrollo de las habilidades quirúrgicas..............................182

11.4. Prevención de la aparición y la recurrencia de los cálculos................................... 184

11.4.1. Modelos lingüísticos de gran tamaño para la educación del paciente...........184

11.4.2. Identificación de los factores de riesgo de la litiasis renal .........................185

11.4.3. Detección de la litiasis renal ........................................................................186

11.4.4. Aspectos clave para el uso de la inteligencia artificial en la prevención

de la litiasis renal................................................................................187

11.5. Consideraciones futuras y conclusión .................................................................... 187

Referencias..................................................................................................................188

CAPÍTULO 12 Urología pediátrica e IA......................................................................................... 193

David D. Kim, Kristina Gam y Mohan Gundeti

12.1. Introducción ............................................................................................................. 193

12.2. Diagnóstico de afecciones urológicas pediátricas................................................... 193

12.2.1. Hidronefrosis................................................................................................194

12.2.2. Obstrucción de la unión ureteropélvica .....................................................195

12.2.3. Reflujo vesicoureteral ...........................................................................195

12.2.4. Uretra y pene: hipospadias ..........................................................................199

12.2.5. Estudios urodinámicos.........................................................................201

12.3. Resultados del paciente............................................................................................ 202

12.3.1. Recurrencia tras una pieloplastia.................................................................202

12.4. Predicción de los factores de riesgo......................................................................... 202

12.4.1. Válvulas uretrales posteriores.......................................................................202

12.5. Consideraciones éticas y orientaciones futuras.............................................204

Referencias..................................................................................................................205

CAPÍTULO 13 La multiómica en cánceres urológicos................................................................ 211

Matthew Ebia, Arsen Osipov y Dan Theodorescu

13.1. Introducción ............................................................................................................. 211

13.2. Monoómicas y biomarcadores en cánceres urológicos...................................... 212

13.2.1. Cáncer de vejiga............................................................................................213

13.2.2. Cáncer de próstata........................................................................................217

13.2.3. Cáncer de riñón............................................................................................219

13.2.4. Cáncer de testículo...............................................................................219

13.3. ¿Qué es la multiómica? ............................................................................................ 220

13.4. Enfoques multiómicos actuales en cánceres urológicos ........................................ 221

13.4.1. Cáncer de vejiga............................................................................................221

13.4.2. Cáncer de próstata........................................................................................222

13.4.3. Cáncer de riñón ...................................................................................223

13.4.4. Cáncer de testículo...............................................................................224

13.5. Integración de la multiómica y el aprendizaje automático ................................... 224

13.5.1. Cáncer de vejiga............................................................................................224

13.5.2. Cáncer de próstata........................................................................................225

13.5.3. Cáncer de riñón ...................................................................................225

13.6. Limitaciones.............................................................................................................. 226

13.7. El futuro de la multiómica en los cánceres urológicos.......................................... 226

13.8. Previsión.................................................................................................................... 228

13.9. Conclusión................................................................................................................. 228

Referencias..................................................................................................................229

CAPÍTULO 14 La IA en la cirugía................................................................................................... 237

Prokar Dasgupta y Nicholas Raison

14.1. Introducción ............................................................................................................. 237

14.2. Visión por computadora.......................................................................................... 238

14.3. Orientación, formación y evaluación quirúrgicas ................................................. 240

14.4. Toma de decisiones ......................................................................................... 241

14.5. Retos y limitaciones.................................................................................................. 243

14.6. Conclusión................................................................................................................ 244

Agradecimientos ........................................................................................................245

Divulgación de la inteligencia artificial ...................................................................245

Referencias..................................................................................................................246

CAPÍTULO 15 Lo último en tecnología y el futuro de la cirugía autónoma........................... 249

Justin David Opfermann, Samuel Schmidgall y Axel Krieger

15.1. Introducción ............................................................................................................. 249

15.2. Los paradigmas de la cirugía moderna............................................................. 249

15.2.1. Anestesia........................................................................................................250

15.2.2. Asepsia...........................................................................................................250

15.2.3. Técnica laparoscópica ...................................................................................250

15.3. Evolución de la cirugía mínimamente invasiva ..................................................... 251

15.3.1. Cirugía abierta ..............................................................................................251

15.3.2. Cirugía laparoscópica...................................................................................251

15.3.3. Puerto único .................................................................................................252

15.3.4. Cirugía endoscópica transluminal por orificios naturales.........................252

15.3.5. No invasivo ...................................................................................................253

15.4. La necesidad de la cirugía robótica autónoma: un nuevo paradigma quirúrgico...... 254

15.4.1. Limitaciones de la actual cirugía mínimamente invasiva

y asistida por robot....................................................................................254

15.4.2. Potencial de los robots quirúrgicos autónomos.........................................254

15.4.3. Retos de la cirugía autónoma ......................................................................255

15.5. Niveles de autonomía de los robots quirúrgicos.................................................... 255

15.5.1. Sin autonomía......................................................................................255

15.5.2. Asistencia robótica........................................................................................256

15.5.3. Autonomía de las tareas...............................................................................256

15.5.4. Autonomía supervisada (condicional)........................................................256

15.5.5. Autonomía de alto nivel ..............................................................................257

15.5.6. Plena autonomía...........................................................................................258

15.6. Introducción a los métodos de la IA para lograr la autonomía total ................... 258

15.7. Autonomía basada en la simulación y el aprendizaje por refuerzo ...................... 258

15.7.1. Introducción al aprendizaje por refuerzo ...................................................258

15.7.2. Función de valor...........................................................................................259

15.7.3. Función Q.....................................................................................................259

15.7.4. Aprendizaje Q...............................................................................................260

15.7.5. Aprendizaje Q profundo..............................................................................260

15.7.6. El aprendizaje en simulaciones....................................................................261

15.7.7. La brecha entre simulación y realidad ........................................................261

15.7.8. Aprendizaje por transferencia y datos sintéticos........................................262

15.7.9. Simuladores quirúrgicos ..............................................................................262

15.8. Autonomía por imitación ...................................................................................... 263

15.8.1. Introducción al aprendizaje por imitación.................................................263

15.8.2. Clonación de comportamientos..................................................................264

15.8.3. Aprendizaje por refuerzo inverso ................................................................266

15.9. El futuro de los robots autónomos....................................................................... 267

Referencias..................................................................................................................269

CAPÍTULO 16 La medicina reproductiva y la IA......................................................................... 275

Ali Dergham, Kiera Liblik, Luke Witherspoon y Ryan Flannigan

16.1. Introducción ............................................................................................................. 275

16.2. Inteligencia artificial, infertilidad masculina y medicina reproductiva:

una visión general ................................................................................................... 275

16.3. Inteligencia artificial y análisis de semen................................................................ 276

16.3.1. Morfología espermática ...............................................................................276

16.3.2. Motilidad espermática .................................................................................277

16.3.3. Integridad del ADN.....................................................................................278

16.3.4. Seguimiento e identificación del esperma..................................................279

16.4. La inteligencia artificial en las tecnologías de reproducción asistida ................... 280

16.5. La inteligencia artificial y los modelos predictivos ................................................ 282

16.6. Consideraciones éticas.............................................................................................. 284

Conflictos de intereses...............................................................................................285

Referencias..................................................................................................................285

CAPÍTULO 17 El futuro de la IA en la urología........................................................................... 295

Andrew J. Hung

Índice alfabético................................................................................................................................... 297