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AI駆動モデルによる糖尿病性黄斑浮腫の早期発見

新しい方法でAIと手軽な画像技術を使ってDMEの診断が改善されてるよ。

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目次

糖尿病は全世界で約8.8%の人に影響を与えていて、2045年までに約7億8300万人がこの病気になると予測されてる。糖尿病の大きな合併症のひとつに、糖尿病性黄斑浮腫(DME)がある。この状態は目の黄斑に液体がたまって、視力を悪くすることがあるんだ。DMEは、20歳から74歳の糖尿病患者の視力喪失の主要な原因なんだって。メキシコでは、約6.6%の人がDMEにかかっていて、糖尿病の初期段階がこの状態のリスクを高めるんだ。だから、効果的でアクセスしやすくて手頃なDMEの診断方法が必要なんだよ。

病気検出における人工知能の役割

人工知能(AI)は、特に病気の診断において医療分野で貴重なツールになってきてる。畳み込みニューラルネットワーク(CNN)っていう一種のAIが医療画像を分析するのに有望なんだ。CNNは胸部X線から肺結核、写真から皮膚がん、光干渉断層撮影(OCT)や眼底画像からDMEを検出するのに成功してる。ただ、従来のDMEの診断方法、たとえば眼底写真を見るのは信頼性に欠けてることが多いし、OCT装置は高価で主に裕福な国にしかないんだ。

CNNには可能性があるけど、コストが高くて最適なトレーニングには大量の医療データが必要なんだ。これを解決するために、研究者たちはトランスファーラーニングを使ってて、これは大きなデータセットで訓練されたCNNを小さい特定のデータセットに適応させる方法なんだ。このアプローチで新しいデータを大量に必要とせずにモデルのパフォーマンスが向上するんだ。

DMEを診断するための複数のデータソースの組み合わせ

この研究は、最も一般的に使われているDMEの診断テストである眼底画像を使って、DMEを予測する精度を高めることを目的にしてた。研究者たちは、最近糖尿病のリスク要因である肥満を予測するのに役立つことが分かった非誘発電気網膜反応(ERG)信号に注目してた。このERG信号を使って、糖尿病に関連する早期の変化を予測しようとしたんだ。

異なる種類のデータを利用したハイブリッドCNNアルゴリズムが開発されて、OCT画像、眼底画像、ERG信号を組み合わせて使ってた。初期の結果では、非誘発ERGスペクトル画像だけではDMEと非DME患者を区別できなかったけど、OCTや眼底画像と組み合わせることで予測性能が向上したんだ。特に、眼底画像とERGデータを使ったハイブリッドモデルは、OCT画像だけのモデルと同じくらいのパフォーマンスがあったんだよ。

予測モデルの理解

研究はまず、非誘発ERG信号がDMEを予測するのに役立つかどうかを調べた。異なるERG信号データを使って2つのCNNモデルをテストした結果は、モデルは高い特異性を示したけど、全体的なパフォーマンスは最適なレベルには達してなかった。

その後、研究者たちは眼底画像、OCT画像、ERG信号に基づく最良の個々のモデルからの予測を組み合わせたハイブリッドモデルを作成した。このハイブリッドアプローチは、DMEを予測する最も効果的な方法を見つけるために、これらのモデルのさまざまな組み合わせを分析することに関わってた。

モデルのパフォーマンス

OCT画像に基づいたモデルは、テストしたときに最も良い結果を出したんだ。これらのモデルは高い感度を示したけど、眼底やERG画像に基づく他のモデルはパフォーマンス指標が低かった。研究者たちは、これらのモデルからの予測を組み合わせて、全体的な精度を向上させるハイブリッドモデルを作ろうとしたんだ。

組み合わせたモデルの最適なパフォーマンスは、入力データに特定の重み付けを適用したときに達成された。たとえば、特定の比率で眼底画像とOCT画像を組み合わせることで、精度指標が改善された。眼底画像と擬似ERG由来の画像を組み合わせたハイブリッドモデルは、最良のOCTモデルと同じくらいのパフォーマンスを達成したんだ。

アクセシビリティの重要性

DMEは世界中で視力喪失の主要な原因になってるから、早期発見が重要なんだ。OCTのような高度な画像技術は素晴らしい結果を提供するけど、特に発展途上国では誰もがアクセスできるわけじゃない。この研究は、眼底画像と擬似ERGデータを組み合わせたモデルがDMEを予測する手頃な代替策を提供できることを示したんだ。

この研究では、異なるアルゴリズムやデータタイプを組み合わせた混合予測方法が診断性能を向上させる可能性を強調してた。このアプローチはDMEの検出を強化するだけでなく、眼科分野での広範な応用の可能性も示してる。

結論

要するに、眼底画像と擬似ERG信号を組み合わせたハイブリッドモデルはDMEの診断に有望だってことがわかった。このアプローチは予測の精度を大幅に向上させ、特に高価な画像技術にアクセスが限られている地域の医療者にとって実行可能な選択肢を提供するんだ。研究結果は、AIとハイブリッドモデルが医療を改善し、重要な診断ツールをより広い人々に提供する可能性を強調してるんだよ。

オリジナルソース

タイトル: Improved predictive diagnosis of diabetic macular edema based on hybrid models: an observational study.

概要: Diabetic Macular Edema (DME) is the most common sight-threatening complication of type 2 diabetes. Our goal was to develop an alternative method to optical coherence tomography (OCT) for DME diagnosis by introducing spectral information derived from spontaneous electroretinogram (ERG) signals as a single input or combined with eye fundus. To this end, an observational study was completed (n = 233 participants). Basal ERGs were used to generate scalograms and spectrograms via Wavelet and Fourier transforms, respectively. Using transfer learning, distinct Convolutional Neural Networks (CNN) were trained as classifiers for DME using OCT, scalogram, spectrogram, and fundus images. Input data were randomly split into training and test sets with a proportion of 80 % to 20 %, respectively. The top performers for each input type were selected, OpticNet-71 for OCT and DenseNet-201 for fundus and non-evoked ERG-derived scalograms, to generate a combined model by assigning different weights for each of the selected models. Model validation was performed using a dataset alien to the training phase of the models. None of the models powered by non-evoked ERG-derived input performed well. Metrics of the best hybrid models were all above 0.81 for fundus combined with non-evoked ERG-derived information; and above 0.85 for OCT combined with non-evoked ERG-derived scalogram images. These data show that the spontaneous ERG-based model improves all the performance metrics of the fundus and OCT-based models, with the exception of sensitivity for the OCT model, to predict DME. Combining non-evoked ERG with OCT represents an improvement to the existing OCT-based models, and combining non-evoked ERG with fundus is a reliable and economical alternative for the diagnosis of DME in underserved areas where OCT is unavailable. Author summaryProviding an alternative diagnostic method to those that already exist for diabetic macular edema (DME) that is reliable and physically and economically accessible is needed in places where optical coherence tomography (OCT) is unavailable. In this work, we combined artificial intelligence (AI) classifying techniques with information from a newly introduced signal that can be captured in a non-invasive manner, the spontaneous oscillations of the electroretinogram (ERG). We found that if these signals alone are ineffective in diagnosing DME cases, they improve the performance of AI models based on either eye fundus or OCT in the prediction of DME. We therefore conclude that combining spontaneous ERG with fundus, which is a basic optometric test even in underserved areas, represents a reliable alternative to OCT for the diagnosis of DME. Also, combining OCT with spontaneous ERG signals will help ameliorate the diagnosis of DME.

著者: Stéphanie C. Thébault, J. Hughes-Cano, H. Quiroz-Mercado, L. Hernandez-Zimbron, R. Garcia-Franco, J. Rubio Mijangos, E. Lopez-Star, M. Garcia-Roa, V. Lansingh, U. Olivares-Pinto, S. C. Thebault

最終更新: 2023-04-06 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2023.04.05.23288182

ソースPDF: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2023.04.05.23288182.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。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた medrxiv に感謝します。

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