中山大學中山眼科中心張秀蘭教授團隊成功研發用AI智能預測青光眼發病與進展

2022年6月1日，中山眼科中心張秀蘭教授團隊基于眼底彩照預測青光眼發病及進展的長文論著在《Journal of Clinical Investigation》（JCI，即時影響因子19.3）在線刊登。這是該團隊繼在NPJ Digital Medicine、Ophthalmology、Medical Image Analysis等發表10篇高質量青光眼人工智能論著后的又一豐碩成果。

中山眼科中心為第一單位、第一作者和最后通訊作者

發表在JCI上的青光眼人工智能長文論著

該研究主要分為兩個部分：青光眼發病預測和進展預測。

發病預測（incidence prediction）指基于基線眼底彩照評估3-5年后受試者轉為青光眼性視神經病變的風險。首先進行眼底彩照閱片，同一張圖片的標簽由三位醫生投票決定，分為青光眼和非青光眼。閱片時圖片時間順序隨機打亂。然后綜合分析同一只眼的隨訪數據，分為兩類：第一類為基線非青光眼而后續隨訪變為青光眼（陽性樣本）；第二類為基線非青光眼且后續隨訪一直保持非青光眼（陰性樣本）?；谏鲜鰯祿?，研究團隊開發發病預測模型，基于基線眼底彩照預測未來發生青光眼的概率。發病預測模型由分割模塊（Unet）與預測模塊（ResNet）兩部分組成（圖1），基于10357只眼（112個陽性樣本、10246個陰性樣本）的數據進行訓練。在包含1674只眼的兩個外部隊列中進行驗證，取得了0.89和0.88的AUC值。

進展預測（progression prediction）指基于基線眼底彩照評估青光眼患者在未來3-5年發生視野進展的風險。該部分研究受試者均接受眼底彩照和視野配對檢查。首先進行視野閱片，同一只眼的縱向視野報告由三位醫生分別閱片，分為有視野進展（陽性樣本）和無視野進展兩組（陰性樣本）。基于上述數據，研究團隊開發進展預測模型，基于基線眼底彩照預測未來發生青光眼進展的概率。進展預測模型同樣由分割模塊（Unet）與預測模塊（ResNet）兩部分組成（圖1），基于3003只眼（327個陽性樣本、2676個陰性樣本）的數據進行訓練。在包含850只眼的兩個外部隊列中進行驗證，取得了0.87和0.88的AUC值。

在進一步的可解釋性分析中，熱圖表明人工智能模型預測風險時主要依據視盤邊緣和盤沿上、下血管弓區域，與臨床醫生評估青光眼損傷時的關注點極為相似（圖2）。

該研究首次在大樣本縱向眼底彩照數據上實現了基于基線數據的青光眼病情預測。將基線眼底圖像輸入AI模型，即可得出健康受試者在未來3-5內發展為青光眼或青光眼患者視野進展的風險。該成果有三大亮點：1）首次實現基于AI的青光眼發病及進展預測，且算法在外部測試集依舊保持出色的預測性能；2）青光眼發病預測數據來自社區篩查隊列，更好地反映青光眼在人群中的分布特征，加強了AI模型的泛華性和可靠性；3）AI模型成功地從基線眼底彩照中識別出視野惡化的高風險患者，實現了基于結構的功能預測；且AI模型對不同的青光眼亞型，包括POAG和PACG都表現了較高的預測準確性。

圖1.用于青光眼發病和進展預測的深度學習系統設計、驗證流程示意圖。

圖2. 深度學習模型熱圖提示人工智能模型預測發?。ˋ、B）及進展（C、D）主要關注視盤邊緣和盤沿上、下血管弓區域，與臨床上的關注點極為相似。

青光眼是全球首位不可逆性致盲眼病。據《中國青光眼指南》報道，2020年我國青光眼患者約2100萬，其中致盲人數達567萬，每1000個人就有4個因青光眼失明；且青光眼發病隱匿，確診時大部分患者已經進入中晚期，已成為重大的公共衛生問題。若能提前預測受試者青光眼發病與進展的風險，則可以提前干預、密切隨訪，降低青光眼造成的視功能損傷。近年來AI技術在青光眼診斷領域取得了長足進展，張教授團隊成功研發基于眼底彩照的青光眼發病與進展預測系統，是青光眼領域第一個完善且經過外部驗證的青光眼發病及進展預測算法。

近年來，在中山眼科中心臨床研究中心平臺支持下，張秀蘭教授團隊從青光眼數據庫構建到算法開發進行了深入探索，創建了目前國際上最完備的集青光眼預防、篩查、診斷一體化智能系統（iGlaucoma），發表了16篇相關高質量論著，10篇發表于中科院醫學類1區期刊，包括NPJ Digital Medicine、Ophthalmology、Medical Image Analysis、IEEE Transactions on Medical Imaging等，申請中發明專利9項（含2項PCT專利）、獲批1項，獲批軟件著作權1項。建立了全球最大的眼科多病種精標數據共享平臺iChallenge（https：//ichallenge.grand-challenge.com）支撐292篇科研論文發表（截至2022年4月26日），團隊牽頭制定我國首個關于眼底彩照數據質量控制規范的團體標準《眼底彩照標注與質量控制規范（T/CAQI 166-2020）》并在WHO-ITU立項（編號SG16-TD227/WP2），為規范新興的眼科AI發展做出了重要貢獻。未來團隊將繼續探索應用AI技術簡化、統一青光眼診療流程，實現青光眼診療標準化、數字化、智能化。

該論著第一作者為李飛（中山眼科中心，排名第一）、蘇遠東（四川大學）、林鳳彬（中山眼科中心）、李志煥（澳門科技大學）；張秀蘭（中山眼科中心，最后通訊作者）、張康（澳門科技大學）為并列通訊作者。中山大學中山眼科中心、眼科學國家重點實驗室及廣東省眼部疾病臨床醫學研究中心為第一單位。國內23家單位共28個研究者共同參與了此項研究。