網膜イメージング:病気予測の新しいツール
研究によると、網膜の画像がさまざまな健康リスクを効果的に予測できることが分かった。
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多くの国で複数の健康問題を抱える人が増えてきてるよ。この変化は、リソースが限られている場所では特に医療システムに大きなプレッシャーをかけてるんだ。深刻な病気のリスクが高い人を早く見つける方法を見つけることが、これらの問題を防ぐ手助けになるかもしれない。でも、さまざまな病気に対してこれをうまく、そして手頃な価格でどうするかはまだはっきりしてないんだ。
一つの有望な方法は網膜検査で、これはシンプルで速い手続きで、目の奥の網膜のクリアな画像を作り出すことができるんだ。研究によると、これらの画像の中に特定のパターンがあって、症状が出る前から血管や神経の病状を示しているかもしれないとわかってる。科学者たちは高度なコンピュータビジョン技術を使って網膜画像を分析し、年齢、性別、さまざまな健康指標に基づいて人の健康を予測してるんだ。
網膜画像と病気予測
このアプローチは、網膜の写真を調べることでさまざまな病気を予測したり診断したりするために使われてきたよ。網膜の特徴と関連付けられている病気には、加齢黄斑変性症、糖尿病性網膜症、慢性腎疾患、さらにはアルツハイマー病や心臓発作のリスクも含まれているんだ。でも、これらの画像がどのくらい多くの健康状態についての情報を提供できるかの詳細な調査は、これまで行われてこなかったんだ。
研究の概要
この研究では、研究者たちが広範囲の病気に対する網膜の写真の予測能力を評価したよ。彼らはUKバイオバンクの大規模なデータセットを使用したんだ。これはイギリスの多くの個人の健康データを集めたものだよ。研究者たちは網膜画像を分析するために特別に設計された高度なモデルと、さまざまな病気のリスクを予測するためのマルチタスクニューラルネットワークを組み合わせたんだ。このモデルは、網膜画像と特定の患者の特性に基づいて752種類の異なる病気のリスクを評価できるんだ。
目的は、このアプローチが特に網膜の問題とは通常関連付けられていない病気の予測を改善できるかを確認することだったよ。この分析には、EPIC-ノーフォーク眼科研究の別のグループのデータに対してこれらの予測を検証することも含まれてたんだ。
研究対象の特性
この研究には、UKバイオバンクに参加中に網膜の写真が撮られた61,000人以上の個人が含まれてたよ。このデータにより、研究者たちはこれらの個人を平均して11年以上追跡できたんだ。予測モデルの正確性を確保するために、研究者たちは網膜画像を注意深く処理し、質が悪いものは取り除いたんだ。
彼らが開発したモデルは、すべての参加者に対して新しい病気のリスクを評価できるようになってる。網膜画像の情報と基本的な人口統計データ(年齢や性別など)を組み合わせることで、多くの状態の健康リスクの予測が改善されたんだ。
結果:病気の発症を予測
研究者たちは、網膜画像に見られる特徴とさまざまな健康状態を発症する可能性との強い関連を発見したよ。分析した752種類の病気のほとんどにおいて、網膜の特徴に基づくリスクが最も高いと推定された人たちは、リスクが低い人たちと比べて病気の発生率がかなり高かったんだ。たとえば、全死因死亡のリスクが上位10%の人たちは、最低リスクのグループの人たちよりはるかに高い死亡率を示してた。
この発見は、網膜検査が多くの病気のリスクが高い人を特定するのに効果的であることを示唆してるよ。慢性閉塞性肺疾患や心不全など、網膜に明確な兆候が通常見られない状態も含めてね。
予測パフォーマンスの向上
この研究は、網膜の写真からの情報を含めることで多くの病気の予測能力が大幅に向上することを示したよ。特に眼に関連する病気に対しては、より良いリスク予測方法の必要性が強調されているんだ。71%の眼病(38種類中27種類)がモデルに網膜情報を含めることで予測パフォーマンスが改善されたことが示されたよ。
さらに、網膜の特徴と確立された関連がない病気でも予測の改善が見られたんだ。たとえば、慢性肝疾患や2型糖尿病などの状態もこのアプローチの恩恵を受けていて、網膜画像が健康リスクを特定する上での広範な有用性を示しているよ。
網膜の特徴の理解
予測に寄与した網膜画像の特定の領域を明らかにするために、研究者たちは高度な技術を使用して帰属マップを作成したよ。これらのマップは、病気リスクを予測するのに重要な血管パターンなど、網膜の領域を強調したんだ。興味深いことに、これらの領域は異なる健康状態の人々の間で一貫していることが多く、特定の一般的な特徴が複数の健康リスクを評価するのに重要であることを示唆しているよ。
遺伝的洞察
網膜の特徴と病気リスクを結びつけるだけでなく、研究者たちは遺伝データを調べることで基礎的な生物学的メカニズムを探ったんだ。彼らは、網膜の特徴とさまざまな健康状態に関連する多くの遺伝的変異を特定したよ。この遺伝子分析は、特定の網膜の特徴が特定の病気の発症リスクに関連している理由を説明できる共有の遺伝的要因を明らかにしたんだ。
84の病気にわたる1385の遺伝子変異-リスク状態の関連を特定することで、この研究は網膜画像が即時の健康リスク評価だけでなく、病気の基礎的な生物学的経路についての洞察を提供する貴重なツールであることを示しているよ。
課題と今後の方向性
期待できる結果にもかかわらず、この研究は幾つかの課題を認識しているんだ。調査対象の人口は一般的なイギリスの人口よりも健康であったため、モデルはより広範囲に適用するために調整が必要かもしれない。また、いくつかの病気で見られた予測の改善が他のコホートでは再現されなかったことから、モデルの調整が必要かもしれないよ。
網膜画像が臨床設定で完全に活用されるためには、多様な集団でのさらなる検証が重要なんだ。これには、実際の医療環境でのモデルのパフォーマンスを評価し、その費用対効果を探ることが含まれるよ。
結論
網膜検査は、多くの病気、特に従来の眼の健康に関連していない病気の高リスク個人を特定するための低コストで効率的な方法として強い可能性を示しているんだ。高度な画像技術と機械学習を統合することで、医療システムは早期介入や予防を通じて病気の負担を軽減できるかもしれないよ。
この研究は、網膜画像がさまざまな健康分野でどのように活用できるかを引き続き研究する必要性を強調しているんだ。また、網膜の健康と全体的な病気リスクとの間の生物学的な関連を理解することの重要性を再確認していて、将来的には革新的な健康スクリーニング方法の道を開くかもしれないよ。
タイトル: A predictive atlas of disease onset from retinal fundus photographs
概要: Early detection of high-risk individuals is crucial for healthcare systems to cope with changing demographics and an ever-increasing patient population. Images of the retinal fundus are a non-invasive, low-cost examination routinely collected and potentially scalable beyond ophthalmology. Prior work demonstrated the potential of retinal images for risk assessment for common cardiometabolic diseases, but it remains unclear whether this potential extends to a broader range of human diseases. Here, we extended a retinal foundation model (RETFound) to systematically explore the predictive potential of retinal images as a low-cost screening strategy for disease onset across >750 incident diseases in >60,000 individuals. For more than a third (n=308) of the diseases, we demonstrated improved discriminative performance compared to readily available patient characteristics. This included 281 diseases outside of ophthalmology, such as type 2 diabetes (Delta C-Index: UK Biobank +0.073 (0.068, 0.079)) or chronic obstructive pulmonary disease (Delta C-Index: UK Biobank +0.047 (0.039, 0.054)), showcasing the potential of retinal images to complement screening strategies more widely. Moreover, we externally validated these findings in 7,248 individuals from the EPIC-Norfolk Eye Study. Notably, retinal information did not improve the prediction for the onset of cardiovascular diseases compared to established primary prevention scores, demonstrating the need for rigorous benchmarking and disease-agnostic efforts to design cost-efficient screening strategies to improve population health. We demonstrated that predictive improvements were attributable to retinal vascularisation patterns and less obvious features, such as eye colour or lens morphology, by extracting image attributions from risk models and performing genome-wide association studies, respectively. Genetic findings further highlighted commonalities between eye-derived risk estimates and complex disorders, including novel loci, such as IMAP1, for iron homeostasis. In conclusion, we present the first comprehensive evaluation of predictive information derived from retinal fundus photographs, illustrating the potential and limitations of easily accessible and low-cost retinal images for risk assessment across common and rare diseases. Research in contextO_ST_ABSEvidence before this studyC_ST_ABSBefore undertaking this study, we reviewed the literature on the predictive utility of medical imaging for disease onset, focusing particularly on retinal fundus photographs. We conducted searches in databases including PubMed and Google Scholar, spanning from the inception of these databases to January 1, 2023. Our search terms included "retinal fundus photography", "disease prediction", "machine learning", "deep learning", and "healthcare AI", without language restrictions. Prior research has shown the promise of retinal images in diagnosing and predicting a range of conditions, notably within ophthalmology and specific systemic diseases such as diabetes and cardiovascular diseases. However, a comprehensive evaluation of retinal images predictive potential across a broad spectrum of diseases, particularly those without known associations to retinal changes, was lacking. Studies identified varied in quality, with many focusing on single diseases or small datasets, indicating a potential risk of bias and overfitting. Added value of this studyOur study extends the application of retinal fundus photographs from ophthalmological and systemic diseases to more than 750 incident diseases, leveraging a foundation model combined with a deep multi-task neural network. This represents the first systematic exploration of the predictive potential of retinal images across the human phenome, significantly expanding the scope of diseases for which these images could serve as a low-cost screening strategy. Moreover, we rigorously compare the predictive value of retinal images against established primary prevention scores for cardiovascular diseases, showing both the strengths and limitations of this approach. This dual focus provides a nuanced understanding of where retinal imaging can complement existing screening strategies and where it may not offer additional predictive value. Implications of all the available evidenceThe evidence from our study, combined with existing research, suggests that retinal fundus photographs hold promise for predicting disease onset across a wide range of conditions, far beyond their current use. However, our work also emphasizes the importance of contextualizing these findings within the broader landscape of available prediction tools and established primary prevention. The implications for practice include the potential integration of retinal imaging into broader screening programs, particularly for diseases where predictive gains over existing methods are demonstrated. For policy, our findings advocate for further investment in AI and machine learning research in healthcare, particularly in methods that improve upon or complement existing prediction models. Future research should focus on refining these predictive models, exploring the integration of retinal imaging with other biomarkers, and conducting prospective studies to validate the clinical utility of these approaches in diverse populations.
著者: Roland Eils, T. Buergel, L. Loock, J. Steinfeldt, L. Hoffmann, S. E. Kuenzel, J. Upmeier zu Belzen, A. P. Khawaja, R. Luben, P. J. Foster, C. Langenberg, U. Landmesser, J. Deanfield, O. Zeitz, A. Joussen, M. Pietzner, B. Wild
最終更新: 2024-03-16 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2024.03.15.24304339
ソースPDF: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2024.03.15.24304339.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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