ArticlePDF Available

Application of artificial intelligence in diagnostics and surgery of keratoconus: a systematic overview

Authors:

Abstract and Figures

Introduction. Artificial Intelligence is new theoretical approaches, methods, technologies and applied systems for modeling and extending human intelligence. In ophthalmology, artificial intelligence is one of the tools that help improve the efficiency of the treatment process through more accurate diagnostics, search for new biomarkers of diseases, automation of decision-making processes and assistance in other aspects of the physician‘s daily activities. The purpose of this review is to describe the currently available developments for the diagnosis and surgery of keratoconus in the field of artificial intelligence. Material and methods. Databases that were used for literature search included: Google and Google Scholar, PubMed, Embase, MEDLINE and Web of Science. Results. As a result of a search across all selected databases, as well as a selection of relevant studies, 75 articles were analyzed. Most of the studies that were selected for full-text analysis were the development of diagnostic algorithms. The most common classical machine learning methods were support vector machines method and random forest method. The most commonly used type of neural network is the convolutional neural network. 4 studies out of 75 reported the creation of a graphical interface for using the developed algorithm in a clinical environment. Conclusion. The accuracy of the algorithms that were obtained in the analyzed researches was basically more than 90%. It indicates the ability of machine learning models to solve complex clinical problems. Key words: artificial intelligence, machine learning, keratoconus, diagnostics
Content may be subject to copyright.
Главная
Поиск Синдром красного глаза Видео Каталог Организации Издания Сборники статей Вход
Репозиторий Российская Офтальмология
Онлайн по протоколу OAI-PMH
Офтальмологические конференции и
симпозиумы
Видео докладов
Все видео...
Рис. 1. Развитие
искусственного интеллекта
Fig. 1. Development of Artificial
Intelligence
Рис. 2. Процесс отбора
исследований в соответствии
с требованиями PRISMA
Fig. 2. Process for selecting
studies in accordance with
PRISMA requirements
Рис. 3. График количества
публикаций, в зависимости от
года публикации
Fig. 3. Graph of the number of
publications depending on the
publication year
Рис. 4. Методы машинного
обучения, которые были
использованы при разработке
алгоритмов диагностики и
хирургии кератоконуса
Fig. 4. Machine learning methods
that were used in the development
of algorithms for the diagnosis and
surgery of keratoconus
Рис. 5. Схемы строения
алгоритмов в зависимости от
типа машинного обучения
Fig. 5. Diagrams of the structure
of algorithms depending on the
type of machine learning
Таблица Сводная таблица
включенных в обзор
исследований по применению
искусственного интеллекта в
диагностике и хирургии
кератоконуса
Table Summary table of studies
included in the review of the use
of artificial intelligence in the
diagnosis and surgery of
keratoconus
Реферат RUS Реферат ENG Литература Полный текст
Источник
Офтальмохирургия 1 2022
Обзор
УДК:617.713-007.64
DOI: https://doi.org/10.25276/0235-4160-2022-1-77-96
Малюгин Б.Э., Сахнов С.Н., Аксенова Л.Е., Мясникова В.В.
Применение искусственного интеллекта в диагностике и хирургии
кератоконуса: систематический обзор
НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава РФ
Московский государственный медико-стоматологический университет им. А.И. Евдокимова
Краснодарский филиал «НМИЦ МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава РФ
Кубанский государственный медицинский университет
Актуальность
Вероятно, еще 70 назад никто не мог бы и подумать, что такое
сложнейшее свойство живого, как обучение, может быть доступно неживой
структуре, состоящей из металла. Но 1956 г., ознаменовавший появление
концепции «Искусственного интеллекта», предложенной Джоном
Маккартни, безусловно, поставил под вопрос нашу уверенность и
одновременно явился точкой отсчета развития новой эрыИндустрии 4.0.
Искусственный интеллект это новые теоретические подходы, методы,
технологии и прикладные системы для моделирования и расширения
человеческого интеллекта. Машинное обучение, появившееся в 1980-х гг.,
является подмножеством искусственного интеллекта и через имитацию
процесса обучения обеспечивает передачу машине новых знаний или
навыков. Новой областью машинного обучения, появившейся в 2000-х гг.,
является глубокое обучение, концепция которого берет свое начало из
исследований в области разработки искусственных нейронных сетей.
Глубокое обучение направлено на моделирование человеческого мозга и
способно интерпретировать такие сложные данные, как изображения, звуки
и тексты (рис. 1).
Если говорить об эволюции искусственного интеллекта, то процесс
усложнения алгоритмов происходил от наименее сложных систем,
работающих согласно простейшим правилам «И/ИЛИ», к наиболее
сложным системам, которые сами определяют правила и закономерности в
обучающих наборах данных и далее позволяют использовать эти правила
для вывода результата задачи.
В настоящее время медицинская диагностика в основном сосредоточена
на применении инструментальных методов исследований. Различные
приборы собирают большое количество данных, что вместе с развитием
математических методов, позволяющих оптимизировать алгоритмы
обучения, приводит к появлению автоматизированных систем скрининга
пациентов [1–3]. Новая эра клинической диагностики и терапии срочно
требует интеллектуальных инструментов для безопасного и эффективного
управления медицинскими данными. В офтальмологии искусственный
интеллект является одним из инструментов, способствующих повышению
эффективности процесса лечения за счет более точной диагностики [4],
оценки новых биомаркеров заболеваний [5], автоматизации процессов принятия решений и помощи в других
аспектах повседневной деятельности врача. Кроме того, одним из наиболее важных факторов внедрения в нашу
повседневную жизнь искусственного интеллекта является децентрализация опыта специалиста на более
широкие географически распределенные области.
Целью настоящего обзора является описание имеющихся на сегодняшний день разработок в области
искусственного интеллекта применительно к процессу диагностики и хирургии кератоконуса.
Материал и методы.
Поиск литературы проводился согласно рекомендациям PRISMA (Preferred Reporting Items for Systematic
Reviews and Meta-Analysis) [6]. Поиск включал все доступные исследования, опубликованные до 9 ноября 2021 г.
включительно. Базы данных, которые использовали для поиска литературы, включали: Google и Google Scholar,
PubMed, Embase, MEDLINE и Web of Science.
Критериями включения для данного обзора являлись статьи, которые представляли результаты применения
алгоритмов искусственного интеллекта в ведении пациентов с кератоконусом, информацию о любой из метрик
оценки, таких как точность, чувствительность или специфичность модели, информацию о базе данных
пациентов и тип используемого алгоритма машинного обучения. Исследования исключались, если они
дублировались, были опубликованы в форме обзора, редакционной статьи, исследовательского письма, письма
редактору или короткого сообщения, не имели полного текста, были написаны не на английском языке,
использовали тренировочный набор данных для оценки точности алгоритма.
Поиск по базам данных всех оригинальных статей проводился с помощью такого поискового запроса, как:
(((artificial intelligence) OR (machine learning)) AND (keratoconus) AND ((diagnosis) OR (surgery) OR (keratoplasty)
OR (crosslinking) OR (CXL) OR (ICRS) OR (rings)).
Первый этап отбора состоял в анализе заголовков и аннотаций, после чего оставшиеся статьи были включены
в список для полнотекстового анализа. Данные, извлеченные из каждой такой статьи, включали: первого автора,
год публикации, группы пациентов, размер выборки, прибор, тип данных, алгоритм выделения наиболее
значимых параметров, алгоритм обучения модели, наибольшую точность, способ валидации.
Результаты.
В результате поиска по всем базам данных (Google scholar, Pubmed
(MEDLINE), Embase, Scopus) было получено 1428 статей. С помощью
ресурса Endnot было идентифицировано 149 дубликатов, после чего
осталось 1279 записей; 1152 исследования были исключены после
проверки заголовков и аннотаций, а 52 после полнотекстовой проверки.
Наиболее частыми причинами исключения были исследования, в которых
не применялись методы машинного обучения, отсутствовали полный текст
или которые были написаны не на английском языке. Процесс отбора
исследований, а также причины исключения показаны нарисунке 2в виде
диаграммы, составленной в соответствии с рекомендациями PRISMA. В
обзор были включены 75 исследований.
Разработка алгоритмов искусственного интеллекта в диагностике и
хирургии кератоконуса имеет общую схему, которая включает следующие
этапы:
1. Получение и обработка данных.
2. Маркирование данных.
3. Выделение наиболее значимых параметров.
4. Тренировка и тестирование модели с использованием алгоритмов
искусственного интеллекта.
5. Оценка полученной модели.
6. Разворачивание модели для ее использования в клинической среде.
В связи с этим настоящий обзор разделен на соответствующие части,
которые содержат информацию о каждом из этапов в соответствии с
анализируемыми работами.
Общая информация
График количества статей в зависимости от года публикации приведен на
рисунке 3.
Среди исследований, которые были выбраны для полнотекстового
анализа, 68 представляли собой разработку алгоритмов диагностики
кератоконуса, 3 включали создание алгоритмов сегментации и
моделирования изображений роговицы для диагностики кератоконуса и 5
исследований были сосредоточены на разработке алгоритмов для хирургии
кератоконуса.
Получение данных
Первым этапом разработки алгоритмов машинного обучения является получение набора данных, который
используется для тренировки и тестирования моделей. Данные выгружают из источника, далее проводят их
очистку и обработку, а также маркируют согласно поставленной задаче.
На сегодняшний день существует множество устройств диагностики кератоконуса. В большинстве
исследовании [7–21] данные были получены с прибора Pentacam (Oculus) в виде файлов CSV, которые
содержали численные значения измерений роговицы и индексов. Кроме численных данных, некоторые модели
были обучены с помощью карт толщины, сагиттальной (аксиальной) и тангенциальной кривизны, преломляющей
силы и элевации передней и задней поверхностей [1, 13, 22–25]. Численные измерения топографии роговицы и
изображения в анализируемых работах были также получены с помощью кератотопографов Oculyzer [26], Galilei
[27, 28], Precisio [29], Sirius [30–34], кератотомографа Orbscan [2, 35–38], TMS [39–43], а также видеокератоскопа
EyeSys (EyeSys Laboratory, Houston, TX) [44].
Картирование толщины эпителия роговицы с помощью оптической когерентной томографии (ОКТ) также
может быть полезно для ранней диагностики кератоконуса. Сканы ОКТ, полученные с помощью различных
томографов (Bioptigen) [45] и топографов (EyeSys) [46], были использованы для разработки алгоритмов
диагностики кератоконуса, сегментации и моделирования строения роговицы [47–49], а также алгоритмов
прогнозирования исхода хирургии [50]. Обучение моделей проводили на изображениях (картах передней
элевации, передней кривизны, задней элевации, задней кривизны, преломляющей силы и толщины) [51, 52],
численные данные в виде параметров [53, 54], полученных с прибора ОКТ (CASIA SS-1000, Tomey) или же на
изображениях и на численных данных [55].
При кератоконусе нарушение регулярности поверхности роговицы приводит к значительному увеличению
оптических аберраций, в том числе и высших порядков, в основном за счет вертикальной комы, следствием чего
является снижение остроты и качества зрения [53]. В анализируемых исследованиях использовали
полиномиальные коэффициенты Zernike полученные на топографах, использующих технологию Placido [54, 56,
57], а также на аберрометрах OPD-Scan (NIDEK) [58] и Eyesys [59, 60].
Структурные изменения у пациентов c кератоконусом также влияют на измерение внутриглазного давления
(ВГД) при тонометрии. В исследовании Leao и соавт. использовали данные тонометра Corvis ST [61] для
разработки автоматизированного алгоритма диагностики кератоконуса.
В целом на практике диагностика кератоконуса сложна и представляет собой комбинацию измерений,
полученных с различных приборов. Поэтому использование данных нескольких приборов для обучения модели
машинного обучения может привести к появлению более объективного алгоритма [58, 62–65]. В некоторых
работах обучение проводили на топографических и биомеханических параметрах [56, 66, 67], топографических и
ОКТ параметрах [21, 64], топографии и пахиметрии [65].
Изображения латерального отрезка глаза (LSPI), снятые на камеру смартфона [68], использовали в работе
Rachana Chandapura и соавт. Согласно авторам, полученный алгоритм позволит проводить диагностику без
дорогостоящего и труднодоступного оборудования.
Маркировка данных
После получения данных с приборов и их обработки следует этап
маркировки данных относительно различных клинических состояний
пациента. В рассматриваемых работах в качестве бинарной разметки
данных применяли классификацию глаз с кератоконусом и нормальных
(контрольных) глаз [15, 23, 33, 35, 57, 69, 70], а также глаз с субклиническим
(from fruste) кератоконусом и нормальных (контрольных) глаз [2, 7, 8, 56,
58]. Более усложненной задачей являлась классификация глаз с
кератоконусом, субклиническим (from fruste) кератоконусом и нормальных
глаз [1, 21, 22, 24, 27, 28, 40, 55].
При оценке стадии кератоконуса наиболее часто использовали
классификацию Amsler-Krumeich [11, 19, 39, 51, 66]. В работах JoseM.
Bolarin и Jose S. VelazquezBlazquez применяли классификацию RETICS [32,
34]. Еще одним вариантом классификации данных являлась оценка с
помощью приборов. Так, данные маркировали на легкую, среднюю и
продвинутую стадии относительно индекса TKC (Pentacam) [17, 67] и с
помощью программного обеспечения для автоматической классификации
роговицы Corneal Navigator на приборе OPD-Scan (NIDEK) [58]. В других
исследованиях данные классифицировали на 3 стадии с помощью
томографии и биомикроскопических признаков [12, 13, 25, 71].
В трех анализируемых работах была поставлена задача определения
прогрессии кератоконуса [14, 20, 52].
Маркировка данных в исследованиях по разработке моделей машинного
обучения для хирургии кератоконуса в основном представляла собой исход
операции [50] или назначение на оперативное вмешательство [63]. В
исследовании M.A. Valdes-Mas были использованы значения Astigmatism и
К1, измеренные после имплантации интрастромальных колец [65].
Нужно также отметить, что разработка модели неконтролируемого
машинного обучения не требует проведения процедуры маркировки
данных, что значительно упрощает процесс разработки алгоритма. В
исследовании S. Yousefi и соавт. [72, 73] параметры, полученные из ОКТ-
изображений роговицы, использовали для оценки стадий кератоконуса, а
также прогнозирования вероятности необходимости будущей
кератопластики с помощью метода кластеризации, без предварительного
разделения данных на группы.
Выделение наиболее значимых параметров
На производительность системы машинного обучения влияет несколько
факторов, включая представление и актуальность данных, используемых
этой системой. Во многих случаях разработка такой системы затруднена
из-за большого количества шума, который содержат данные. Решением
подобного рода проблемы является выбор наиболее значимых параметров.
Данная процедура позволяет ускорить обучение, снизить сложность и
улучшить точность модели [74]. В сравнительном исследовании выявления
прогрессии кератоконуса были использованы методы классификации без
предварительного выбора наиболее значимых параметров и с выбором
параметров, а также оценены различные типы алгоритмов выбора
параметров [75]. Кроме того, в работе T.K. Yoo и соавт. было показано, что
выделение наиболее значимых параметров и использование данной
комбинации при разработке модели обеспечивает большую точность
конечного алгоритма [62].
Среди таких алгоритмов при разработке диагностических алгоритмов
использовали T-тест Стьюдента [44], логистический регрессионный анализ
[30, 34], программное обеспечение WEKA [16, 29], ранжирование функций и
выбор подмножества функций [55], алгоритм рекурсивного выделения
функций [19, 75, 76], дискриминантный коэффициент Фишера [21].
Значимые параметры, выбранные с помощью данных алгоритмов,
использовались далее для разработки моделей.
Методы машинного обучения
В исследованиях, направленных на разработку алгоритмов
искусственного интеллекта для диагностики и хирургии кератоконуса, был
использован широкий набор методов. Так, 38 работ включали алгоритмы
контролируемого обучения, 10 работ алгоритмы неконтролируемого
обучения, 40 работ нейросети, а в 2 работах сообщалось о создании
системы принятия решений [71] и экспертной системы [41] (рис. 4).
В большинстве анализируемых исследований для классификации
нормальных глаз, субклинического кератоконуса, стадий кератоконуса, а
также других заболеваний использовали методы контролируемого
машинного обучения(рис. 5 А), такие как метод опорных векторов (SVM) [3,
7, 9, 12, 17, 26, 31, 66, 76], метод случайного леса (RF) [7, 8, 18, 20, 56, 62,
64, 67, 71] и дискриминантный анализ (DA) [2, 7, 19, 41, 58, 60, 67].
Алгоритмами неконтролируемого машинного обучения (рис. 5 Б)в
анализируемых работах являлись модель Гауссовых смесей (GMM) [11],
анализ главных компонент (PCA) [8, 72, 73], метод tSNE и кластеризация на
основе плотности (HDBSCAN) [38, 72, 73]. Глубокое обучение, включающее
нейронные сети, является самым передовым и перспективным
направлением в разработке алгоритмов машинного обучения. Наиболее
часто использующимся типом нейронной сети в анализируемых
исследованиях является сверточная нейронная сеть. Сверточная
нейронная сеть (CNN) это сеть прямого распространения, которая часто
используется в обработке изображений. Она включает сверточный
(convolution), объединяющий (pooling) и полностью связанный (fully
connected) слои(рис. 5 В).
Другие типы нейронных сетей включали многослойную нейронную сеть
персептронов [7, 10, 11, 13, 15, 25, 60, 65, 77], GAN сеть [22], Ensemble of
Deep Transfer Learning (EDTL), который объединяет несколько сетей в один
алгоритм [69], а также Variational autoencoder (VAE) [11].
Измерение точности и проверка работоспособности (валидация)
модели
После тренировки и тестирования полученной модели следует этап ее
валидации и измерения точности. Обязательным этапом валидации модели
является разделение набора данных на тренировочный и тестовый наборы.
В некоторых случаях данные делят на 3 наборатренировочный, тестовый
и валидационный, причем последний может включать как данные из
общего набора, так и данные из других источников (других клиник,
приборов и т.д.) [25].
Метриками точности для задач регрессии являются средняя абсолютная
ошибка (MAE), cреднеквадратическая ошибка (MSE) и
среднеквадратическое отклонение (RMSE) [65].
Метриками оценки производительности машинного обучения в задачах
классификации являются матрица путаницы (confusion matrix), метрика
AUC, а также показатели accuracy, error rate, sensitivity, specificity, precision,
recall и F1.
При использовании нейронных сетей проблема интерпретации
полученной модели стоит наравне с оценкой ее точности. Карты
значимости самый старый и наиболее часто используемый метод
интерпретации прогнозов сверточных нейронных сетей [23, 66]. Еще одной
категорией методов интерпретации является «Карта активации класса»
(class activation map, CAM) [1, 23, 40, 66].
Несмотря на то что в большинстве исследований используют одни и те же способы проверки точности и
оценки модели, сравнение моделей, полученных на разных наборах данных, вызывает сомнение, так как на
значения точности влияют такие параметры, как количество и качество данных, способы их маркировки, а также
используемые алгоритмы. В связи с этим обычно сравнивают точность определения отдельных классов данных
(групп), различных алгоритмов, комбинаций отдельных параметров, приборов, классификаций и т.д. (таблица).
Наибольшая точность при сравнении классов в отдельных исследованиях обычно была показана для
определения нормы, относительно всех глаз с кертоконусом [12, 13, 21, 23, 25, 58, 76]. При сравнении точности
алгоритмов, включающих разные параметры, наилучший результат был показан для карт пахиметрии [1],
сагитальной карты [69], задней элевации [52], аксиальной карты совместно с картой пахиметрии [78],
использования данных топографии вместе с измерениями ОКТ [64] и использования данных элевации с
индексами поверхности и кератометрией [27]. Также в ряде работ было приведено сравнение различных
алгоритмов. Так, наибольшую точность относительно остальных алгоритмов имели алгоритмы: RF [7, 18], NB
[10, 16, 33, 77], MLP [11], SVM [55], kNN [54], DT [57], NN [79], DA [60], и архитектуры нейронных сетей KerNet [24]
и ResNet152 [40].
Применение разработок в практике
Заключительным этапом разработки моделей искусственного интеллекта является их применение в практике.
Тем не менее из 75 исследований только в 4 сообщалось о создании графического интерфейса, который
позволяет врачу использовать данное решение на новых данных [2, 19, 32, 34], и только в одном исследовании
приводилось сравнение решений, полученных с помощью разработанного алгоритма с решениями врача
[63].Также только один алгоритм находится в открытом доступе и может быть использован с любого устройства
[19].
Заключение
Методы машинного обучения представляют собой перспективный подход, который может стать
дополнительным инструментом диагностики и принятия решения для офтальмолога, позволяя
классифицировать пациентов с кератоконусом, субклиническим кератоконусом, а также определить стадию или
прогрессирование заболевания.
Точность алгоритмов, которые были получены в анализируемых работах, составила в основном более 90%.
Тем не менее сравнивать точность между исследованиями не представляется возможным ввиду различий в типе
и количестве данных, их маркировке, алгоритмах обучения моделей и оценке точности.
Все рассмотренные исследования рассчитывали точность относительно тестового или валидационного
набора данных. Оценка согласованности результата применения алгоритма к новым данным с решением врача
приводилась только в одном исследовании и составляла 92,7% [63].
Методы классического машинного обучения были использованы в половине исследований, включенных в
обзор, в то время как авторы другой части применяли нейронные сети для разработки алгоритмов. Наиболее
часто встречающимися методами классического машинного обучения являлись SVM и RF. Наиболее часто
используемым типом нейронных сетей являлась конволюционная нейронная сеть.
Не менее важной частью разработки систем, основанных на алгоритмах машинного обучения, является
обеспечение возможности их применения в клинической среде, тем не менее только 4 исследования из 75
сообщили о создании графического интерфейса.
Таким образом, применение алгоритмов искусственного интеллекта может стать полезным инструментом
автоматической классификации пациентов с таким заболеванием как кератоконус, обеспечив тем самым
своевременную и качественную диагностику. Кроме того, даже такие сложные процессы, как предсказание
результата хирургического вмешательства, становятся возможным благодаря техническим решениям на основе
искусственного интеллекта.
Информация об авторах:
Борис Эдуардович Малюгин, д.м.н., профессор, boris.malyugin@gmail.com, https://orcid.org/0000-0001-5666-
3493
Сергей Николаевич Сахнов, кандидат медицинских наук, кандидат экономи-ческих наук, доцент,
s_sakhnov@inbox.ru, https://orcid.org/0000-0003-2100-2972
Любовь Евгеньевна Аксенова, магистр биологии, axenovalubov@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-0885-
1355
Виктория Владимировна Мясникова, д.м.н., доцент, vivlad7@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-1748-7962
Information about the authors:
Boris E. Malyugin, PhD, MD, Professor, boris.malyugin@gmail.com, https://orcid.org/0000-0001-5666-3493
Sergey N. Sakhnov, Candidate of Medical Sciences, Candidate of Economic Sciences, Associate Professor,
s_sakhnov@inbox.ru, https://orcid.org/0000-0003-2100-2972
Lyubov‘ E. Axenova, Master of Biology, axenovalubov@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-0885-1355
Viktoriya V. Myasnikova, MD, Associate Professor, vivlad7@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-1748-7962
Вклад авторов в работу:
Б.Э. Малюгин: существенный вклад в концепцию и дизайн работы, редактирование, окончательное
утверждение версии, подлежащей публикации.
С.Н. Сахнов: существенный вклад в концепцию и дизайн работы, окончательное утверждение версии,
подлежащей публикации.
Л.Е. Аксенова: существенный вклад в концепцию и дизайн работы, сбор, анализ и обработка информации,
статистическая обработка данных, написание текста.
В.В. Мясникова: существенный вклад в концепцию и дизайн работы, редактирование.
Authors‘ contribution:
B.E. Malyugin: significant contribution to the concept and design of the work, editing, final approval of the version to
be published.
S.N. Sakhnov: significant contribution to the concept and design of the work, final approval of the version to be
published.
L.E. Axenova: significant contribution to the concept and design of the work, collection, analysis and processing of
material, statistical data processing, writing the text.
V.V. Myasnikova: significant contribution to the concept and design of the work, editing.
Финансирование: Авторы не получали конкретный грант на это исследование от какого-либо
финансирующего агентства в государственном, коммерческом и некоммерческом секторах.
Согласие пациента на публикацию: Письменного согласия на публикацию этого материала получено не
было. Он не содержит никакой личной идентифицирующей информации.
Конфликт интересов: Отсутствует.
Funding: The authors have not declared a specific grant for this research from any funding agency in the public,
commercial or not-for-profit sectors.
Patient consent for publication: No written consent was obtained for the publication of this material. It does not
contain any personally identifying information.
Conflict of interest: Тhere is no conflict of interest.
Поступила: 20.06.2021
Переработана: 11.09.2021
Принята к печати: 24.12.2021
Originally received: 20.06.2021
Final revision: 11.09.2021
Accepted: 24.12.2021
Страница источника: 77-96
OAI-PMH ID: oai:eyepress.ru:article47048
Материал относится к следующим темам: Практикующему врачу
Просмотров: 8162
Продукции
Продукция
Производители
Поставщики
Офтальмологические клиники,
производители и поставщики
оборудования
Периодические издания
Проекта Российская Офтальмология
Онлайн
Copyright © 2009—2022 Российская Офтальмология Онлайн Все права защищены.
Обратная связь: eyepress@press.su
ГЛАВНАЯ
ПОИСК
РЕПОЗИТОРИЙ OAI—
PMH
КОНФЕРЕНЦИИ
ВИДЕО
Онлайн доклады
Юбилейная X научно-
практическая конференция,
посвященная 35-летию
Чебоксарского филиала ФГАУ
«НМИЦ «МНТК
«Микрохирургия глаза» имени
академика С.Н. Федорова»
Сателлитные симпозиумы в
рамках I Дальневосточного
офтальмологического саммита
Рефракционная хирургия
хрусталика. Точно в цель.
Научно-практический семинар
Восток - Запад 2022
Международная конференция
по офтальмологии
Вебинар
Целевые уровни ВГД в терапии
глаукомы
Сателлитные симпозиумы в
рамках научной конференции
«Невские горизонты - 2022»
Новые технологии в
офтальмологии 2022
Сателлитный симпозиум
ОКТ: новые горизонты
Вебинар
Превентивная
интрасклеральная фланцевая
фиксация ИОЛ при подвывихе
хрусталика
Конференция
Лечение глаукомы:
инновационный вектор - 2022.
III Всероссийская научно-
практическая конференция с
международным участием
Вебинар компании «Rayner»
Цикл онлайн дискуссий
компании «Акрихин» «О
глаукоме и ВМД в прямом
эфире»
Вебинар
Алгоритм ведения пациентов с
астенопией после
кераторефракционных
операций
СИНДРОМ
КРАСНОГО
ГЛАЗА
КАТАЛОГ
ОРГАНИЗАЦИИ
ИЗДАНИЯ
Офтальмохирургия
2 2022
1 2022
4 2021
3 2021
1 2004
2 2003
4 2002
3 2002
...
Новое в офтальмологии
2 2022
1 2022
4 2021
3 2021
2 2021
1 2021
4 2020
3 2020
...
Мир офтальмологии
2 (59) Июнь 2022
1 (58) Март 2022
5 (57) Декабрь
2021
4 (56) Ноябрь 2021
3 (55) Сентябрь
2021
2 (54) Июнь 2021
1 (53) Март 2021
5 (52) Декабрь
2020
...
Российская офтальмология
онлайн
47
46
45
44
43
42
41
40
...
Российская детская
офтальмология
2 2022
1 2022
4 2021
3 2021
2 2021
1 2021
4 2020
3 2020
...
Современные технологии в
офтальмологии
4 2022
3 2022
2 2022
1 2022
5 2021
4 2021
3 2021
1 2021
...
Точка зрения. Восток - Запад
. 2 2022
. 1 2022
. 4 2021
. 3 2021
. 2 2021
. 1 2021
. 4 2020
. 3 2020
...
Новости глаукомы
1 (61) 2022
1 (57) 2021
1 (53) 2020
1 (49) 2019
1 (45) 2018
1 (41) 2017
1 (37) 2016
1 (33) 2015
...
Отражение
1 (13) 2022
2 (12) 2021
1 (11) 2021
1-2 (10) 2020
2 (9) 2019
1 (8) 2019
2 (7) 2018
1 (6) 2018
...
Клинические случаи в
офтальмологии
1
...
ПАРТНЕРЫ
Article
Full-text available
Backgraund: A thorough analysis of both the optical and anatomical properties of the cornea in patients after anterior radial keratotomy is of particular importance in choosing the optical strength of an intraocular lens in the surgical treatment of cataracts and other types of optical correction. The variability of the clinical picture of postkeratotomic deformity (PCRD) determines the need to develop its classification and is an important task of modern ophthalmology. Aims: to develop an automated system of classification of corneal PCRD using machine learning and an artificial neural network based on the analysis of topographic maps of the cornea. Materials and methods: depersonalized results of the analysis of medical records of 250 patients aged 59.63±5.95 (from 46 to 76) years were used as the material. The analysis of 500 maps of the relief-topography of the anterior and posterior surfaces of the cornea and 3 stages of machine learning of the PCRD classification were carried out. Results: Stage 1- analysis of the relief topography of the anterior and posterior surfaces of the cornea allowed us to fix the numerical values of the elevation of the anterior and posterior surfaces of the cornea in three ring-shaped zones. At stage 2, in the course of deep machine learning, a direct distribution neural network was selected and created. 8 auxiliary parameters describing the shape of the anterior and posterior surfaces of the cornea were established. Stage 3 was accompanied by obtaining algorithms for the classification of PCRD depending on the ratio of test and training samples, which ranged from 75 to 91%.. Conclusion: The use of artificial neural network algorithms can become a useful tool for automatic classification of postkeratotomic corneal deformity in patients who have previously undergone radial keratotomy.
Article
Full-text available
Keratoconus is a noninflammatory disease characterized by thinning and bulging of the cornea, generally appearing during adolescence and slowly progressing, causing vision impairment. However, the detection of keratoconus remains difficult in the early stages of the disease because the patient does not feel any pain. Therefore, the development of a method for detecting this disease based on machine and deep learning methods is necessary for early detection in order to provide the appropriate treatment as early as possible to patients. Thus, the objective of this work is to determine the most relevant parameters with respect to the different classifiers used for keratoconus classification based on the keratoconus dataset of Harvard Dataverse. A total of 446 parameters are analyzed out of 3162 observations by 11 different feature selection algorithms. Obtained results showed that sequential forward selection (SFS) method provided a subset of 10 most relevant variables, thus, generating the highest classification performance by the application of random forest (RF) classifier, with an accuracy of 98% and 95% considering 2 and 4 keratoconus classes, respectively. Found classification accuracy applying RF classifier on the selected variables using SFS method achieves the accuracy obtained using all features of the original dataset.
Article
Full-text available
Purpose: Placido disk-based corneal topography is still most commonly used in daily practice. This study was aimed to evaluate the diagnosability of keratoconus using deep learning of a color-coded map with Placido disk-based corneal topography. Methods: We retrospectively examined 179 keratoconic eyes [Grade 1 (54 eyes), 2 (52 eyes), 3 (23 eyes), and 4 (50 eyes), according to the Amsler-Krumeich classification], and 170 age-matched healthy eyes, with good quality images of corneal topography measured with a Placido disk corneal topographer (TMS-4 TM , Tomey). Using deep learning of a color-coded map, we evaluated the diagnostic accuracy, sensitivity, and specificity, for keratoconus screening and staging tests, in these eyes. Results: Deep learning of color-coded maps exhibited an accuracy of 0.966 (sensitivity 0.988, specificity 0.944) in discriminating keratoconus from normal eyes. It also exhibited an accuracy of 0.785 (0.911 for Grade 1, 0.868 for Grade 2, 0.920 for Grade 3, and 0.905 for Grade 4) in classifying the stage. The area under the curve value was 0.997, 0.955, 0.899, 0.888, and 0.943 as Grade 0 (normal) to 4 grading tests, respectively. Conclusions: Deep learning using color-coded maps with conventional corneal topography effectively distinguishes between keratoconus and normal eyes and classifies the grade of the disease, indicating that this will become an aid for enhancing the diagnosis and staging ability of keratoconus in a clinical setting.
Article
Full-text available
(1) Background: Keratoconus is a non-inflammatory corneal disease characterized by gradual thinning of the stroma, resulting in irreversible visual quality and quantity decline. Early detection of keratoconus and subsequent prevention of possible risks are crucial factors in its progression. Random forest is a machine learning technique for classification based on the construction of thousands of decision trees. The aim of this study was to use the random forest technique in the classification and prediction of subclinical keratoconus, considering the metrics proposed by Pentacam and Corvis. (2) Methods: The design was a retrospective cross-sectional study. A total of 81 eyes of 81 patients were enrolled: sixty-one eyes with healthy corneas and twenty patients with subclinical keratoconus (SCKC): This initial stage includes patients with the following conditions: (1) minor topographic signs of keratoconus and suspicious topographic findings (mild asymmetric bow tie, with or without deviation; (2) average K (mean corneal curvature) <46, 5 D; (3) minimum corneal thickness (ECM) > 490 μm; (4) no slit lamp found; and (5) contralateral clinical keratoconus of the eye. Pentacam topographic and Corvis biomechanical variables were collected. Decision tree and random forest were used as machine learning techniques for classifications. Random forest performed a ranking of the most critical variables in classification. (3) Results: The essential variable was SP A1 (stiffness parameter A1), followed by A2 time, posterior coma 0º, A2 velocity and peak distance. The model efficiently predicted all patients with subclinical keratoconus (Sp = 93%) and was also a good model for classifying healthy cases (Sen = 86%). The overall accuracy rate of the model was 89%. (4) Conclusions: The random forest model was a good model for classifying subclinical keratoconus. The SP A1 variable was the most critical determinant in classifying and identifying subclinical keratoconus, followed by A2 time.
Article
Full-text available
The efficacy of deep learning in predicting successful big-bubble (SBB) formation during deep anterior lamellar keratoplasty (DALK) was evaluated. Medical records of patients undergoing DALK at the University of Cologne, Germany between March 2013 and July 2019 were retrospectively analyzed. Patients were divided into two groups: (1) SBB or (2) failed big-bubble (FBB). Preoperative images of anterior segment optical coherence tomography and corneal biometric values (corneal thickness, corneal curvature, and densitometry) were evaluated. A deep neural network model, Visual Geometry Group-16, was selected to test the validation data, evaluate the model, create a heat map image, and calculate the area under the curve (AUC). This pilot study included 46 patients overall (11 women, 35 men). SBBs were more common in keratoconus eyes (KC eyes) than in corneal opacifications of other etiologies (non KC eyes) (p = 0.006). The AUC was 0.746 (95% confidence interval [CI] 0.603–0.889). The determination success rate was 78.3% (18/23 eyes) (95% CI 56.3–92.5%) for SBB and 69.6% (16/23 eyes) (95% CI 47.1–86.8%) for FBB. This automated system demonstrates the potential of SBB prediction in DALK. Although KC eyes had a higher SBB rate, no other specific findings were found in the corneal biometric data.
Article
Full-text available
Background: To predict keratoconus progression using deep learning of the color-coded maps measured with a swept-source anterior segment optical coherence tomography (As-OCT) device. Methods: We enrolled 218 keratoconic eyes with and without disease progression. Using deep learning of the 6 color-coded maps (anterior elevation, anterior curvature, posterior elevation, posterior curvature, total refractive power, and pachymetry map) obtained by the As-OCT (CASIA, Tomey), we assessed the accuracy, sensitivity, and specificity of prediction of keratoconus progression in such eyes. Results: Deep learning of the 6 color-coded maps exhibited an accuracy of 0.794 in discriminating keratoconus with and without progression. For a single map analysis, posterior elevation map (0.798) showed the highest accuracy, followed by anterior curvature map (0.775), posterior corneal curvature map (0.757), anterior elevation map (0.752), total refractive power map (0.729), and pachymetry map (0.720), in distinguishing between progressive and non-progressive keratoconus. The use of the adjusted algorithm by age subgroups improved to an accuracy of 0.849. Conclusions: Deep learning of the As-OCT color-coded maps effectively discriminates progressive keratoconus from non-progressive keratoconus with an accuracy of approximately 85% using the adjusted age algorithm, indicating that it will become an aid for predicting the progression of the disease, which is clinically beneficial for decision-making of the surgical indication of corneal cross-linking (CXL).
Article
Full-text available
PurposeThe present study was done to evaluate efficiency of an ensemble learning structure for automatic keratoconus diagnosis and to categorize eyes into four different groups based on a combination of 19 parameters obtained from Pentacam measurements.Methods Pentacam data from 450 eyes were enrolled in the study. Eyes were separated into training, validation, and testing sets. An ensemble system was used to analyze corneal measurements and categorize the eyes into four groups. The ensemble system was trained to consider indices from both anterior and posterior corneal surfaces. Efficiency of the ensemble system was evaluated and compared in each group.ResultsThe best accuracy was achieved by the ensemble system with both multilayer perceptron and neuro-fuzzy system classifiers alongside the Naïve Bayes combination method. The accuracy achieved in KC versus N distinction task was equal to 98.2% with 99.1% of sensitivity and 96.2% of specificity for KC detection. The global accuracy was equal to 98.2% for classification of 4 groups, with an average sensitivity of 98.5% and specificity of 99.4%.Conclusion In this study, authority of an ensemble learning system to work out intricate problems was presented. Despite using fewer parameters, herein, comparable or, in some cases, better results were obtained than methods reported in the literature. The proposed method demonstrated very good accuracy in discriminating between normal eyes and different stages of keratoconus eyes. In some cases, it was not possible to directly compare our results with the literature, due to differences in definitions of KC group as well as differences in selection of items and parameters.Graphic abstract
Article
Full-text available
Abstract: Early and accurate detection of keratoconus progression is particularly important for the prudent, cost-effective use of corneal cross-linking and judicious timing of clinical follow-up visits. The aim of this study was to verify whether a progression could be predicted based on two prior tomography measurements and to verify the accuracy of the system when labelling the eye as stable or suspect progressive. Data from 743 patients measured by Pentacam (Oculus, Wetzlar, Germany) were available, and they were filtered and preprocessed to data quality needs. The time delay neural network received six features as input, measured in two consecutive examinations, predicted the future values, and determined the classification (stable or suspect progressive) based on the significance of the change from the baseline. The system showed a sensitivity of 70.8% and a specificity of 80.6%. On average, the positive and negative predictive values were 71.4% and 80.2%. Including data of less quality (as defined by the software) did not significantly worsen the results. This predictive system constitutes another step towards a personalized management of keratoconus. While the results obtained were modest and perhaps insufficient to decide on a surgical procedure, such as cross-linking, they may be useful to customize the timing for the patient’s next follow-up.
Article
Full-text available
Objective To evaluate the accuracy of convolutional neural networks technique (CNN) in detecting keratoconus using colour-coded corneal maps obtained by a Scheimpflug camera. Design Multicentre retrospective study. Methods and analysis We included the images of keratoconic and healthy volunteers’ eyes provided by three centres: Royal Liverpool University Hospital (Liverpool, UK), Sedaghat Eye Clinic (Mashhad, Iran) and The New Zealand National Eye Center (New Zealand). Corneal tomography scans were used to train and test CNN models, which included healthy controls. Keratoconic scans were classified according to the Amsler-Krumeich classification. Keratoconic scans from Iran were used as an independent testing set. Four maps were considered for each scan: axial map, anterior and posterior elevation map, and pachymetry map. Results A CNN model detected keratoconus versus health eyes with an accuracy of 0.9785 on the testing set, considering all four maps concatenated. Considering each map independently, the accuracy was 0.9283 for axial map, 0.9642 for thickness map, 0.9642 for the front elevation map and 0.9749 for the back elevation map. The accuracy of models in recognising between healthy controls and stage 1 was 0.90, between stages 1 and 2 was 0.9032, and between stages 2 and 3 was 0.8537 using the concatenated map. Conclusion CNN provides excellent detection performance for keratoconus and accurately grades different severities of disease using the colour-coded maps obtained by the Scheimpflug camera. CNN has the potential to be further developed, validated and adopted for screening and management of keratoconus.
Article
Purpose To investigate the performance of a machine learning model based on a reduced dimensionality parameter space derived from complete Pentacam parameters to identify subclinical keratoconus (KC). Methods All 1692 available parameters were obtained from the Pentacam imaging machine on 145 subclinical KC and 122 control eyes. We applied a principal component analysis (PCA) to the complete Pentacam dataset to reduce its parameter dimensionality. Subsequently, we investigated machine learning performance of the random forest algorithm with increasing numbers of components to identify their optimal number for detecting subclinical KC from control eyes. Results The dimensionality of the complete set of 1692 Pentacam parameters was reduced to 267 principal components using PCA. Subsequent selection of 15 of these principal components explained over 85% of the variance of the original Pentacam-derived parameters and input to train a random forest machine learning model to achieve the best accuracy of 98% in detecting subclinical KC eyes. The model established also reached a high sensitivity of 97% in identification of subclinical KC and a specificity of 98% in recognizing control eyes. Conclusions A random forest-based model trained using a modest number of components derived from a reduced dimensionality representation of complete Pentacam system parameters allowed for high accuracy of subclinical KC identification.
Article
Background Keratoconus (KC) is a multifactorial progressive corneal disease, pathogenically characterized by genetic, biochemical, and environmental key factors. Nevertheless, current tools used for its diagnosis, such as Pentacam, examine the posterior and anterior surfaces of the cornea based on a rotating Scheimpflug camera and provide, as output, a set of features for which the clinical interpretation has been error-prone. Objective Consequently, the objective of this study is to describe a novel Artificial Intelligence (AI) strategy that receives subsets of the 52 original Pentacam tomographic descriptors as input and produces, as output, the scalar value called Corneal Tomography Multivariate Index (CTMVI). Specifically based on Paraconsistent Feature Engineering (PFE) and Support Vector Machine (SVM), it intends to help clinicians in the pre-diagnosis of cornea ectasia risk assessment. Methods We collected data from patients’ eyes in three different classes: 411 with healthy corneas to compose the control group (CG), 302 with KC to represent the KC group (KCG) and, additionally, 64 in a group with very asymmetric ectasia but with normal corneal topography (VAE-NTG) in one eye, totaling 777 samples. A set of features from the patients’ corneal tomographic assessments was extracted to serve as input to the paraconsistent feature selector algorithm. Once it provides the best subsets of features representing the classes, a one-against-all SVM-based algorithm was successfully used to classify those groups. Notably, normal topography criteria (NTPC) were considered based on the steepest front curvature (Kmax) <47.2 diopters, a paracentral inferior–superior (I–S value) <1.45, and a keratoconus percentage index (KISA%) score <60. Normal corneal tomography (NTMC) consists of an anterior chamber depth <3.8μm, a front corneal apical elevation <4μm, a front corneal elevation (FCE) at the thinnest point <3.8μm, and an FCE <12μm in the corneal 4.0 mm center. Respective back corneal elevation values were 7μm, 13μm, and 25μm. To assess the clinical validity of the models and their abilities to correctly classify new data, two procedures were used: the first was a holdout cross validation, and the second was the external validation consisting of an independent test with samples that were not part of the training data. Results Notably, PFE-based analysis effectively found dominant representative features which allowed for relevant classification accuracies based on SVM. Among numerous results, a parallel test combining CTMVI and existing Pentacam Random Forest Index (PRFI) produced a value of sensitivity of 0.99 and a value of specificity of 0.84, using 50% of the dataset for system modeling and the remaining 50% for assessment, improving current reports found in the literature. CTMVI, BAD-D, and PRFI showed an accuracy (acc) of 0.89, 0.86, and 0.89, respectively, in the external validation population to distinguish the healthy eyes from subclinical cases. The three indexes resulted in 0.99 acc when used to distinguish healthy eyes from corneal ectasia ones. CTMVI showed 100% sensitivity and 100% specificity between CG and KCG (cutoff ⩽−1.36). Regarding VAE-NTG patients, CTMVI had an area under the curve (AUC) of 0.935 (87.5% sensitivity; 84.95% specificity; cutoff ⩽0.639), which was higher than those of Belin/Ambrósio Enhanced Ectasia Total Deviation Value (BAD D) with AUC 0.765; 78.12% sensitivity; 65.05% specificity; p = .0001, and PRFI with AUC 0.805; 59.38% sensitivity; 90.78% specificity; p = .0004. During the external validation, it was shown to be as effective as BAD and PRFI. Conclusions Based on the innovative joint application of PFE and SVM to distinguish healthy corneas from those pathologically-affected, we provided an original contribution to the state-of-the-art in terms of AI-aided diagnosis. Therefore, CTMVI improves the detection of corneal ectasia susceptibility using tomographic-derived descriptors. This reassures the efficacy of the proposed approach.