临床研究
机器学习对青少年近视眼轴增长与近视度数增加关联性的预测作用
中华实验眼科杂志, 2020,38(02) : 134-139. DOI: 10.3760/cma.j.issn.2095-0160.2020.02.010
摘要
目的

运用机器学习的方法预测青少年近视眼轴增长与近视度数增加的关系及其影响因素。

方法

采用横断面研究设计,收集2017年1月至2018年12月在北京大学人民医院眼视光中心就诊的近视患者1 011例1 011眼,均取右眼的数据资料进行分析。收集的所有患者相关参数用于训练机器学习算法模型,构建模型时输入的参数包括年龄、性别、中央角膜厚度(CCT)、平均角膜曲率(K-mean)、可见虹膜直径(HIVD)、晶状体屈光度和眼轴长度(AL),输出的参数为等效球镜度(SER)。采用5折交叉验证的方法把所有收集的数据随机分为5个组,其中4个组用于训练模型,1个组用于验证预测结果的准确性,整个过程重复5次。根据不同模型训练后的R值和R2值的大小评估各模型的预测准确性。采用预测准确性最好的模型讨论眼轴增长与SER增加之间的相关性及其影响因素。

结果

基于5折交叉验证的6种机器学习运算方法的预测准确性R值和R2值比较表明,模型以立方支持向量机(Quadratic SVM)回归模型预测准确性最好,R值为0.99,R2值为0.98。Pearson线性相关分析结果显示,晶状体屈光度与年龄呈负相关(r=-0.301,P<0.01)。经Bennett-Rabbetts公式计算表明,6岁近视群体较18岁近视群体的平均晶状体屈光力大。该机器学习的模型表明,AL增加1 mm所对应的SER变化并非恒定值,为0~-3.00 D,这主要取决于AL增加1 mm所需要的时间跨度,AL增加1 mm所需要的时间越长,其所对应的近视增长度数越小。当AL增加1 mm时间跨度为1年时,如6~7岁或12~13岁,AL增加1 mm所对应的SER分别增加-2.50 D和-2.33 D;当时间跨度为3年时,如6~9岁,所对应SER约增加-1.77 D。

结论

对于学龄期近视者而言,AL增加1 mm所需时间越长或年龄跨度越大,AL增加1 mm所对应的SER增加量越小。机器学习方法可以在临床上较为准确地预测AL增加与近视度数增加之间的关系。

引用本文: 唐涛, 范玉琢, 徐琼, 等.  机器学习对青少年近视眼轴增长与近视度数增加关联性的预测作用 [J] . 中华实验眼科杂志,2020,38 (02): 134-139. DOI: 10.3760/cma.j.issn.2095-0160.2020.02.010
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近视已成为一个全球性公共健康问题。统计资料表明,近视的全球患病率约为28.3%,推测2050年全世界将有一半的人口罹患近视,近年来东南亚城市地区近视人群的患病率呈明显上升趋势[1]。随着近视度数的不断加深,眼轴长度(axial length,AL)也不断增加,视网膜进行性变薄,最终导致一系列近视相关并发症,包括视网膜脱离、脉络膜萎缩、视网膜变性及视网膜裂孔等[2,3,4]。此外,近视也会增加开角型青光眼、白内障等的发病风险。已有研究表明,轴性近视是青少年主要的近视类型,近视的发生和发展主要是由于AL增长速度过快,超过了与眼球总体屈光力所相适应的AL所致[5]。眼轴的非生理性增长在近视的发展中起着主要作用,AL与近视屈光度数呈正相关,而学龄期青少年儿童中轴性近视占绝大多数,因此我们可以通过定期测量眼轴来间接判断近视度数的增长情况,指导近视防控。与传统的研究数据变量之间相关性的方法,如线性回归相比,机器学习在研究不同变量之间相关性方面具有独特优势,因为机器学习更强调不同变量之间的相关性分析,不仅能够分析和总结复杂的数据,而且能通过探索预测因子之间复杂的相互关系来提高预测的准确性。此外,机器学习还能够提供一些数据预测模型,很好地解决线性回归等传统方法所面临的研究方法学的局限性,例如预测因子的线性和同质性问题。除了能够对数据进行分析外,机器学习还能对数据进行预测,并分析一些潜在的变量[6]。本研究中运用机器学习模型预测1 mm AL增加量与等效球镜度(spherical equivalent refraction,SER)增加的对应关系,从而方便眼科或眼视光临床工作者通过AL增加间接判断青少年近视患者屈光度的变化情况。

 
 
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