人工智能輔助糖尿病視網(wǎng)膜病變篩查

人工智能輔助糖尿病視網(wǎng)膜病變篩查圖像數(shù)據(jù)采集與標(biāo)注規(guī)范糖尿病性視網(wǎng)膜病變(diabeticretinopathy，DR)是糖尿病性微血管病變中最重要的表現(xiàn)，是一種具有特異性改變的眼底病變，是糖尿病的嚴(yán)重并發(fā)癥之據(jù)是否出現(xiàn)視網(wǎng)膜新生血管為標(biāo)志，將沒有視網(wǎng)膜新生血管形成的糖尿病性視網(wǎng)膜病變稱為非增殖性糖尿病性視網(wǎng)膜病變(nonproliferativediabetic稱單純型或背景型)，而將有視網(wǎng)膜新生血管形成的糖尿病性視網(wǎng)膜病變稱為增殖性圖像標(biāo)注是指對(duì)圖像進(jìn)行分類或?qū)D像中的感興趣區(qū)域進(jìn)行識(shí)別并提取制作成對(duì)應(yīng)于原始圖像的標(biāo)簽過程，經(jīng)過標(biāo)注后的數(shù)據(jù)可以作為訓(xùn)練模型的數(shù)據(jù)集。方法主要有人工數(shù)據(jù)標(biāo)注、自動(dòng)數(shù)據(jù)標(biāo)注和外包數(shù)據(jù)標(biāo)注，人工數(shù)據(jù)標(biāo)注的好處是標(biāo)注結(jié)果比較可靠，自動(dòng)數(shù)據(jù)標(biāo)注一般都需要二次復(fù)核，避免程序錯(cuò)誤，外包數(shù)據(jù)標(biāo)注很多時(shí)進(jìn)行眼底標(biāo)注的眼底圖像數(shù)據(jù)應(yīng)為脫敏（匿名化）數(shù)據(jù)，標(biāo)注者無法通過標(biāo)注DR：糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabeticretinopathDICOM：醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(DigitalImagingandCommunicationsinMedicine，NPDR：?jiǎn)渭冃突虮尘靶吞悄虿∫暰W(wǎng)膜病變(nonproliferativediabeticretinopathy，NPDR)PDR：增殖性糖尿病性視網(wǎng)膜病變(prolifeDR篩查所使用的眼底照相機(jī)要求在成像時(shí)可以同時(shí)顯示彩色和無赤光或黑白眼底圖像，或具有黑白眼底圖像轉(zhuǎn)換功能。彩色眼底圖像對(duì)于某些細(xì)微病變分辨不清時(shí)，建議轉(zhuǎn)換為黑白2）免散大瞳孔拍攝應(yīng)滿足瞳孔直徑3.0m3）具有內(nèi)固視標(biāo)，至少滿足同時(shí)拍攝以黃斑為中心和以視盤為了滿足DR篩查和每次隨訪的準(zhǔn)確性及便捷性，要求每只眼拍攝2張數(shù)碼眼底圖像。與單1）含有損傷威脅視力的最重要2個(gè)區(qū)域，即黃斑和視盤，且2個(gè)區(qū)域分別位于眼底圖像的2）雙視野要比單視野覆蓋的視網(wǎng)膜區(qū)域大，約覆蓋60°3）能夠幫助區(qū)分偽影及照相機(jī)自身或拍攝過程中的缺陷，如照像視野1(F1):以視盤為中心，展示視盤及以視盤為中心的30°~55°視網(wǎng)膜。照像視野2(F2):以黃斑為中心，展示黃斑，區(qū)及以黃斑為中心的30°~55°視網(wǎng)膜。散大瞳孔模式(要求瞳孔直徑≥5.5mm)和免散大瞳孔模式(要求瞳孔直徑≥3.3～4.0mm)均可。在無禁忌證的情況下，應(yīng)充分散大瞳孔后檢查。若患者瞳孔無法充分散大，瞳孔直徑>3.3~4.0mm且<5.5mm時(shí)，可按下“SmallPupilSwitch”并切換視野角度進(jìn)行拍攝。若瞳孔直徑<3.3~要求眼底照相對(duì)焦準(zhǔn)確，正常人的眼底像上視網(wǎng)膜主干血管及1）眼底圖像曝光適度即眼底圖像亮度適中。眼底圖像曝光過強(qiáng)表現(xiàn)為視盤蒼白，視盤表面血管甚至視盤、視杯的邊界不易分辨，后極部視網(wǎng)膜反光增強(qiáng)等。過度曝光時(shí)圖像周邊的亮區(qū)可使周邊部視野模糊。若出現(xiàn)此情況，應(yīng)減小曝光或增益后拍攝額外的圖像，同時(shí)保存2張2）老年人及屈光間質(zhì)混濁者為避免圖像過暗可適當(dāng)增加曝光強(qiáng)度，但青少年應(yīng)避免曝光過強(qiáng)。眼底像曝光情況在正常人以視盤表面小血管及后極部視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層可分辨作為參照。對(duì)于屈光不正患者，常常需借助屈光補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)節(jié)。屈光補(bǔ)償分為+、-、0、A共4個(gè)擋位。2）-擋(-9.00～-23.00D):針對(duì)高度近視4）無屈光不正患者調(diào)整到0位。若屈光補(bǔ)償擋位在+、-或A，當(dāng)切換到眼底時(shí)監(jiān)視器中的裂隙線將不顯示在屏幕上，圖像的清晰度可通過聚焦按鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖像清晰度以視網(wǎng)膜血管為了進(jìn)一步統(tǒng)一DR篩查中眼底圖像的采集和存儲(chǔ)操作，提高DR眼底篩查的規(guī)范化，以下規(guī)定了DR篩查眼底圖像采集、質(zhì)量判讀及存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范。同時(shí)，眼底圖像可信度的評(píng)免散瞳孔眼底照相機(jī)在拍照過程中，由于瞳孔較小或拍攝時(shí)曝光瞬間瞳孔收縮，導(dǎo)致眼底圖像周邊區(qū)域不可讀或黃斑區(qū)暗影，影響眼底圖像的閱讀。對(duì)眼底圖像的可讀范圍進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)每只眼眼底圖像的整體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，采取單獨(dú)評(píng)定原則，即以“可信度評(píng)估”為最終評(píng)對(duì)于同一只眼2張圖像的拍攝位置、清晰程度、可讀范圍均要進(jìn)行獨(dú)立評(píng)估。圖像的3項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到“達(dá)標(biāo)”，評(píng)定為整體“可信度良好”；3項(xiàng)指標(biāo)中任何一項(xiàng)為“未達(dá)標(biāo)”，評(píng)定為“可信度拍攝時(shí)應(yīng)即刻檢查所有眼底圖像的質(zhì)量，對(duì)于圖像質(zhì)量不符合要求者，應(yīng)予以刪除并重新拍攝時(shí)應(yīng)先拍攝患眼圖像，再拍攝對(duì)側(cè)眼圖像。拍攝時(shí)應(yīng)即刻審查所有數(shù)碼圖像的質(zhì)量，選擇最完整清晰的圖像保存，刪除多余圖像。對(duì)于眼底像因屈光間質(zhì)混濁而照不清楚者，應(yīng)同時(shí)提供眼底照相機(jī)照的外眼及眼前節(jié)像。眼底圖像異常表現(xiàn)通常與瞳孔較小有關(guān)?？赏ㄟ^一眼照相后另一眼間隔數(shù)分鐘待瞳孔復(fù)原后再照相以及散瞳縮短患者眼睛暴露在明亮燈光下的時(shí)間，降低檢視燈和檢查室房間的亮度，以提高患者拍攝時(shí)的依從性。適時(shí)要求患者眨眼，以確保角膜清晰。如需散瞳后進(jìn)行眼底照相，應(yīng)在眼科醫(yī)高度近視眼患者由于后鞏膜葡萄腫或其他原因，很可能出現(xiàn)整個(gè)拍攝視野無法清晰聚焦的眼底照相機(jī)鏡頭污跡特點(diǎn)是同一人的雙眼眼底圖像的同一部位以及不同人眼底圖像的同一部位均出現(xiàn)一致性的斑點(diǎn)狀或團(tuán)霧狀斑塊，輕者不干擾對(duì)眼底圖像的判斷，重者可影響閱片結(jié)果，甚至可能造成誤診，如誤認(rèn)為是微血管囊樣病變、出血斑、棉絨斑等。照相機(jī)鏡頭表面污拍攝眼底圖像時(shí)，若瞼裂睜開有限或眨眼，可導(dǎo)致出現(xiàn)睫毛或毛發(fā)虛影。尤其應(yīng)注意下眼眼底圖像可以本地存儲(chǔ)或傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，眼底圖像在進(jìn)行標(biāo)注前可以將多余的黑邊裁拍攝完成所需的眼底圖像后，導(dǎo)出正確格式的相關(guān)圖像，即應(yīng)以全分辨率保存數(shù)字圖像。圖像存儲(chǔ)應(yīng)至少滿足以下一種格式要求:DICOM、無損壓縮的TIFF、無損壓縮的PNG和JEPG等拍攝完畢的眼底圖像須能夠上傳到電腦或網(wǎng)站進(jìn)行自動(dòng)分析、人工分析，并打印報(bào)告結(jié)果。使用人工智能在進(jìn)行圖像分類或者對(duì)象檢測(cè)時(shí)候，首先需要對(duì)圖像做數(shù)據(jù)預(yù)處理，對(duì)眼底圖像進(jìn)行擴(kuò)充、裁剪和歸一化處理。因?yàn)椴煌O(shè)備采集的眼底圖像的亮度與清晰度不同，所以是圖像中像素的總和，K是當(dāng)前灰度級(jí)的像素個(gè)數(shù)，L是圖像中可能的灰度級(jí)總數(shù)。計(jì)算原始圖像的累積直方圖，對(duì)圖像進(jìn)行非線性拉伸，重新分配圖像的灰度值，使一定范圍內(nèi)圖像的灰度值大致相等。這樣，原來直方圖中間的峰值部分對(duì)比度得到增強(qiáng)，而兩側(cè)的谷底部分對(duì)比度采用公式對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。其中μ是圖像灰度的均值，X表示圖像矩陣，其中，adjusted_stddev=max，其中n表示圖像X的像素?cái)?shù)量，σ表示的是所有像素采用公式對(duì)圖像像素灰度的最大最小值歸一化處理。其中xi表示圖像像素眼底圖像的拍攝角度不同，為克服這一差異，可隨機(jī)旋轉(zhuǎn)眼底圖像。隨機(jī)旋轉(zhuǎn)后的眼底圖像保持了其原比例。隨機(jī)旋轉(zhuǎn)眼底圖像在一定程度上也可以降低外在的樣本差異，眼底圖像通過灰度直方圖均衡化處理與旋轉(zhuǎn)處理后有利于提高后期每張眼底圖像依據(jù)我國(guó)DR病變分期標(biāo)準(zhǔn)的各種病灶點(diǎn)標(biāo)簽數(shù)據(jù)生成直觀的文字描述，形）：）：）：）：V級(jí)DR（增殖型）：眼底有新生血管和纖維増殖）：DR的病灶有微動(dòng)脈瘤（microaneurysm，MAs）、出血斑（hemorrhages，HM）、硬性滲出（hardexudates）和軟性滲出(softexudates)。DR可以大致分為非增殖型DR（nonproliferativeDR，NPDR）和增殖型DR（proliferativeDR，PDR）。完全覆蓋上述病灶目標(biāo)的最小矩形框，標(biāo)注信息包括標(biāo)注病灶名稱、標(biāo)注框?qū)挾取⒏叨?、?biāo)注眼底圖像上最早可見的糖尿病視網(wǎng)膜病變，表現(xiàn)為邊界清楚的紅可暗紅斑點(diǎn)，有的位于末梢小動(dòng)脈或靜脈上，有的位于出血斑中心，大小不等，小如針尖，大至視網(wǎng)膜小血管直徑，邊視網(wǎng)膜硬性滲出（hardexudates）邊界清晰，常有蠟樣或閃光感。位于外層視網(wǎng)膜，可呈孤立點(diǎn)狀，有時(shí)圍繞多個(gè)微血管瘤呈環(huán)狀排列，還可互相融合呈大斑塊狀。滲出物是視網(wǎng)膜中脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的積累，在視網(wǎng)膜上通常表現(xiàn)為明亮、反射、白色或奶油色的損傷。標(biāo)注硬性滲視網(wǎng)膜軟性滲出（softexudates），又稱棉絮狀斑，為形狀不規(guī)則、邊界模糊、大小不等的棉絮或絨毛樣網(wǎng)膜滲出斑，位于視網(wǎng)膜淺層的神經(jīng)纖維層。軟性滲出的出現(xiàn)是發(fā)生增殖型病出血斑一般多為小點(diǎn)狀或圓形出血，多位于視網(wǎng)膜深層。出血可逐漸吸收，但附近可再出現(xiàn)，可以侵犯玻璃體。如果不及時(shí)治療，則新生血管變得粗大，且不易消退，破裂后可導(dǎo)致玻增生的纖維組織呈條索狀或膜狀，常和玻璃體后界膜聯(lián)系在一起。纖維增殖的表面可有新視網(wǎng)膜及玻璃體可位于內(nèi)界膜下或視網(wǎng)膜與玻璃體后界膜之間，可有液平，也可沒有液平呈圓形、橢圓形或片狀。當(dāng)出血進(jìn)入玻璃體內(nèi)可在玻璃體內(nèi)增殖的新生血管破裂出血時(shí)，即形視網(wǎng)膜脫離是視網(wǎng)膜的神經(jīng)上皮層與色素上皮層的兩層潛在間隙的分離，分離后間隙內(nèi)所[1]許迅.規(guī)范眼底影像檢查數(shù)據(jù)采集、評(píng)估行為，提升眼底影像檢查診斷技術(shù)應(yīng)用水平[J].中華[2]李建軍，徐亮，彭曉燕，等.遠(yuǎn)程眼科單張眼底像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)[J].眼科，[4]中華醫(yī)學(xué)會(huì)眼科學(xué)分會(huì)眼底病學(xué)組，中國(guó)醫(yī)師協(xié)會(huì)眼科醫(yī)師分會(huì)眼底病專業(yè)委員會(huì).我國(guó)糖尿病視網(wǎng)膜病變篩查的圖像采集及閱片指南(2[5]張蕾，許維強(qiáng)，譚榮強(qiáng)，等.糖尿病視網(wǎng)膜病變篩查方式探討[J].國(guó)際眼科雜志，2010，[6]中華醫(yī)學(xué)會(huì)眼科學(xué)會(huì)眼底病學(xué)組.糖尿病視網(wǎng)膜病變分期標(biāo)準(zhǔn)[J].中華眼科雜志，1985，21(2):113.[7]EarlyTreatmentDistereoscopiccolorfundusphotograph