临床研究
基于深度学习的角膜活体共聚焦显微镜图像辅助识别系统的构建及应用
中华实验眼科杂志, 2024,42(2) : 129-135. DOI: 10.3760/cma.j.cn115989-20230101-00001
摘要
目的

构建基于深度学习的角膜活体共聚焦显微镜(IVCM)图像人工智能(AI)辅助识别系统,并评估其在临床上的应用价值。

方法

采用诊断试验研究方法,收集2021年5月至2022年9月于武汉大学人民医院及武汉大学中南医院行IVCM检查的331例受试者18 860张角膜IVCM图像,经资深角膜专家对图像进行筛选分类后用于模型的训练及测试。模型包括低质量图像过滤模型、角膜图像诊断模型及角膜上皮层、前弹力层、基质层和内皮层4个层次识别模型,判断正常及异常角膜图像与对应角膜层次。选取360张独立于数据库的IVCM图像进行人机大赛,比较3位角膜专业高年资医师与人工智能对图片识别的准确度及用时。另选取8位未经过IVCM培训且临床经验少于3年的低年资医师对360张图像进行无模型辅助及模型辅助下识图,对2次评估结果进行差异分析以评估模型辅助效果。

结果

本诊断模型筛选高质量图像的准确度为0.954,在内部及外部测试集中,识别角膜正常/异常图像的总体准确度分别为0.916和0.896;在识别正常及异常图像的角膜层次中,内部测试集的准确度分别达到了0.983及0.925,外部测试集分别达到了0.988及0.929。人机大赛中,模型总体的识别准确度为0.878,与3名高年资医师的平均准确度相近,且评估速度远高于高年资医师,约为其300倍。低年资医师经机器辅助后对图像正/异常及层次诊断的总体平均准确度为0.816±0.043,明显高于模型辅助前的0.669±0.061,差异有统计学意义(t=6.304,P<0.001)。

结论

成功构建了一种基于深度学习的IVCM角膜图像辅助识别系统,可以较准确地分辨正常/异常图像并诊断图像对应角膜层次,能够提高临床诊断效率并辅助医师训练学习。

引用本文: 颜瑜琳, 蒋维艳, 程思敏, 等.  基于深度学习的角膜活体共聚焦显微镜图像辅助识别系统的构建及应用 [J] . 中华实验眼科杂志, 2024, 42(2) : 129-135. DOI: 10.3760/cma.j.cn115989-20230101-00001.
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角膜作为视觉形成的第一步,其透明度及屈光率可使光线折射进入眼内并聚焦于视网膜上,故角膜各层次的结构及功能损伤可导致视力下降,甚至致盲。角膜疾病,如颗粒状角膜营养不良、Fuchs角膜内皮营养不良等可主要损害角膜单一层次,而感染性角膜炎、角膜机械性损伤及眼化学伤等则可造成多层次,甚至全层角膜损伤。同时,糖尿病及类风湿性关节炎等全身疾病亦可对角膜造成影响。活体共聚焦显微镜(in vivo confocal microscopy,IVCM)作为一种非入侵性的成像工具,可从细胞层面观测角膜及其在病理状态下的结构变化,拥有实时、无创、可反复检查及高分辨率等优点,对多种角膜疾病的临床诊断具有重要参考价值,临床应用已日渐广泛。对角膜微观结构变化进行监测也有助于优化角膜病的针对性管理及评估患者全身疾病预后。但在实际工作中,由于IVCM镜头单次可拍摄面积较小(400 μm×400 μm),详细评估角膜时需采集大量图像,人工分析非常费时费力并不可避免具有主观性,且IVCM阅片也对医师的经验及相关专业知识具有一定要求,医师常常需要一定的培训周期才能区分角膜各层次形态及判断其是否正常。早期诊断对于角膜疾病的精准治疗及预防角膜盲均有重要意义,据世界卫生组织统计,约80%的角膜盲可避免,而目前全球发达国家及发展中国家的眼科医师均存在短缺情况,提高角膜图像阅片时的准确度以及诊断效率,可为临床及科研工作减负、提高医师工作效率并有望给予更多角膜病患者快速准确的诊疗。人工智能(artificial intelligence,AI)的不断进步正在改变各个医学领域的筛查、诊断及治疗方式,AI在眼科疾病中的应用也在过去10年中有着显著发展。目前,AI在辅助IVCM图像中对角膜上皮细胞、角膜神经、角膜内皮细胞、真菌菌丝、树突状细胞及炎性细胞等多种结构的分割、量化及鉴别方面都取得了重大突破,其阅片速度及准确度均表现出优秀的性能,然而目前尚无对于角膜层次判断及识别角膜图像正/异常的相关研究。本研究拟构建AI辅助下IVCM图像的自动诊断模型,探讨其在临床应用中的效能及用于角膜疾病智能筛查的可行性。

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