基于机器深度学习算法的圆锥角膜智能化诊断模型研究_敖弟华.pdf

1、 智 能 眼 科 基 于 机 器 深 度 学 习 算 法 的 圆 锥 角 膜 智 能 化 诊 断 模 型 研 究敖 弟 华，田 熙 睿，马 明 勋，张 波，陈 敏，彭 艳 丽，引 用：敖弟 华，田 熙 睿，马 明 勋，等 基 于 机 器 深 度 学 习 算 法 的 圆锥角膜 智能化 诊断 模型研 究 国际 眼 科杂志；（）：基 金 项 目：重 庆 市 科 学 技 术 局 技 术 创 新 与 应 用 发 展 专 项 项 目（）作 者 单 位：（）中 国 湖 南 省 长 沙 市，中 南 大 学 爱 尔 眼 科 学院；（）中 国 重 庆 市，重 庆 爱 尔 眼 科 医 院 屈 光 手 术 科；（）中

2、 国 重 庆 市，中 冶 赛 迪 技 术 研 究 中 心 有 限 公 司；（）中 国 重 庆 市，重 庆 南 坪 爱 尔 眼 科 医 院 屈 光 手 术 科作 者 简 介：敖 弟 华，女，在 读 硕 士 研 究 生，研 究 方 向：屈 光。通 讯 作 者：彭 艳 丽，博 士，主 任 医 师，副 院 长，硕 士 研 究 生 导 师，研究 方 向：屈 光 收 稿 日 期：修 回 日 期：摘 要目 的：通 过 对 患 者 临 床 数 据 进 行 数 据 挖 掘 分 析 建 立 针 对 小直 径 角 膜 的 圆 锥 角 膜 智 能 化 诊 断 模 型。方 法：诊 断 性 研 究。共 收 集 患 者 例

3、 眼，其 中 男 例 眼，女 例 眼，年 龄（平 均）岁，其 中 在 重 庆 南 坪 爱 尔 眼 科 医院 已 行 角 膜 屈 光 手 术 患 者 例 眼，确 诊 圆 锥 角 膜 患 者 例 眼。所 有 患 者 行 角 膜 地 形 图 显 示 角 膜 直 径。由 位 角 膜 科 专 家通 过 地 形 图 中 增 强 扩 张 显 示（）系 统 将 患 者 数 据 分 类 为 正 常 角 膜、可 疑 圆 锥 角 膜、圆 锥 角 膜。采 用 计 算 机 随 机 采 样 方 法 随 机 筛 选 其 中 例 患 者 的 数 据 作 为 训 练 集，另 例 患 者 的 数 据 作 验 证集。利 用 卷 积

4、 神 经 网 络（）提 取 个 角 膜 参 数 特 征，分别 采 用 残 差 网 络（，）、（）及 建 立 模 型，通 过 交叉 熵 损 失 函 数 进 行 训 练 并 采 用 样 本 交 叉 法 验 证 模 型 的 准确 性，并 采 用 受 试 者 工 作 特 征 曲 线 评 价 模 型 的 敏 感 度 与 特异 度。结 果：、和 模 型 诊 断 正 常 角 膜和 可 疑 圆 锥 角 膜 的 准 确 率 分 别 为、和，受 试 者 工 作 特 征 曲 线 下 面 积（）为、和。诊 断 可 疑 圆 锥 角 膜 和 圆 锥 角 膜 的 准 确 率分 别 为、和，分 别 为、和。结 论：对 于 直

5、 径 的 角 膜，借 助 算 法 建 立 的 数 据 模 型 对 圆 锥 角 膜 有 较 高 的 准 确 率，可 为 早期 筛 查 提 供 真 实 有 效 的 指 导 作 用。关 键 词：圆 锥 角 膜；角 膜 地 形 图；深 度 学 习；计 算 机 辅 助 诊断；卷 积 神 经 网 络：，：（），；，；，；，：，；，：（），（）（），（），（），（）（），（），（），：，（），：，：；：，（）；（）：引 言圆 锥 角 膜 是 最 常 见 的 原 发 性 角 膜 扩 张 疾 病，其 特 征 是角 膜 局 部 变 薄 并 向 前 的 锥 形 突 出。据 统 计 圆 锥 角 膜发 病 率 约 主

6、要 由 于 各 研 究 之 间 采 用 了不 同 定 义 和 诊 断 标 准。圆 锥 角 膜 晚 期 可 出 现 急 性 角膜 水 肿 甚 至 角 膜 穿 孔，常 常 需 要 进 行 角 膜 移 植，因 此 其 诊治 强 调 早 期、及 时，以 避 免 视 力 进 一 步 下 降。但 早 期 圆 锥角 膜 临 床 表 现 并 不 明 显，仅 表 现 为 高 度 不 规 则 近 视 散 光，为 鉴 别 诊 断 带 来 了 不 小 的 困 难。目 前 基 于 断层 扫 描 技 术 的 眼 前 节 分 析 仪 因 其 能 提 供 角 膜 前后 表 面 的 准 确 情 况，通 过 三 维 重 建 角

7、膜 前 后 表 面 并 与 最 佳拟 合 球 面（，）进 行 比 较 获 得 角 膜 高 度 数据，同 时 配 备 增 强 扩 张 显 示 系 统（，）来 评 估 角 膜 扩 张风 险。因 此 在 圆 锥 角 膜 筛 查 中 应 用 广 泛。然 而 在 评 估 角 膜 数 据 时 所 参 考 对 比 的 样 本数 据 库 数 据 来 源 于 欧 洲 人 种，而 亚 洲 人 种 的 眼 前 节 结 构尺 寸（角 膜 直 径）相 对 白 色 人 种 明 显 较 小，有 研 究 发 现角 膜 直 径 与 测 量 参 数 显 著 相 关，尤 其 是 系统 中 的 标 准 化 指 标 在 小 直 径 角

8、 膜 患 者 中 明 显 增 大，可 导 致超 过 的 患 者 被 误 判 为 可 疑 圆 锥 角 膜。因 此 如 何进 一 步 提 升 对 可 疑 圆 锥 角 膜 的 鉴 别 能 力 成 为 临 床 工 作 的难 点。随 着 计 算 机 算 力 的 不 断 增 强，人 工 智 能 算 法 的 不 断 发展，基 于 深 度 学 习 的 图 像 分 类 技 术 开 始 被 运 用 在 各 个 领域，不 仅 如 此，图 像 分 类 技 术 本 身 也 有 了 长 足 的 发展。除 卷 积 神 经 网 络（，）及 注 意 力 机 制 之 外，近 年 来，谷 歌 团 队 提 出 的（）模 型，在 几

9、乎 没 有 修 改 原 始 的 结 构 基 础 上，直 接 将 图 片 切 分 为 序 列 输入，从 而 完 成 基 础 的 视 觉 分 类 工 作。在 以 往 的 研 究 中，已有 团 队 利 用 机 器 学 习 算 法 对 角 膜 特 征 建 立 数 据 模型，以 提 高 圆 锥 角 膜 诊 断 准 确 率，但 针 对 小 直 径 角 膜群 体 的 样 本 数 据 建 立 及 圆 锥 角 膜 诊 断 辅 助 模 型 尚 无 报 道。本 研 究 首 次 尝 试 结 合 深 度 学 习 中 的 模 型 和 模 型，搭 建 基 于 小 直 径 角 膜 的 角 膜 地 形 图 数 据集，构 造 数

10、 据 模 型 对 角 膜 形 态 进 行 诊 断 分 类，辅 助 圆 锥 角膜 的 早 期 诊 断，为 早 期 筛 查 及 治 疗 提 供 真 实 有 效 的 指 导作 用。对 象 和 方 法 对 象 诊 断 性 研 究。收 集 重 庆 南 坪 爱 尔 眼 科 医 院 就诊 的 小 直 径 角 膜（地 形 图 所 测 直 径）患者 共 例 眼，其 中 男 例，女 例，年 龄（平 均）岁，其 中 在 重 庆 南坪 爱 尔 眼 科 医 院 已 行 角 膜 屈 光 手 术 患 者 例 眼，确 诊 圆 锥 角 膜 患 者 例 眼。屈 光手 术 患 者 纳 入 标 准：（）术 前 检 查 时 内 近 视

11、 进 展 小 于，双 眼 无 圆 锥 角 膜 相 关 体 征；（）术 后 随 访 时 间 以 上，期 间 未 发 现 术 后 角 膜 扩 张；（）术 前 角 膜地 形 图：项 为“”，检 查 范 围 直 径。排 除 标 准：有 其 他 角 膜 疾 病。圆 锥 角 膜 患 者 纳 入 标 准：由 位 角 膜 科专 家 联 合 诊 断（）具 有 圆 锥 角 膜 典 型 体 征：环、线、征、角 膜 中 央 或 偏 颞 下 部 呈 明 显 锥 状 突起、角 膜 中 央 变 薄 明 显 等；（）角 膜 地 形 图：典 型圆 锥 角 膜 分 级（，）阳 性，综 合 地 形 图：表 面 变 异 指 数（，）

12、、垂 直 非 对 称 指 数（，）、圆 锥 角 膜 指 数（，）、中心 圆 锥 角 膜 指 数（，）、高 度 非 对称 指 数（，）、高 度 轴 偏 心 指 数（，）提 示 异 常，角 膜 前、后 表面 高 度 图 岛 状 改 变。本 研 究 经 重 庆 南 坪 爱 尔 眼 科 医 院 伦理 审 查 委 员 会 批 准（），所 有 患 者 都 充 分 了解 手 术 及 研 究 的 风 险 和 益 处，并 签 署 知 情 同 意 书，所 有 流程 均 符 合 赫 尔 辛 基 宣 言 的 要 求。方 法 诊 断 及 分 组 由 位 角 膜 科 专 家 利 用 地形 图 中 增 强 扩 张 显 示（

13、，）系 统 将 已 行 屈 光 手 术 患 者数 据 标 注 为 正 常 角 膜、可 疑 圆 锥 角 膜，同 时 联 合 诊 断 并 标注 圆 锥 角 膜。分 类 指 标：（）角 膜 高 度 数 据：角 膜 后 表 面高 度 差 异 图、角 膜 后 表 面 高 度 差 异 图、角 膜 前 表 面 高 度 偏差 值（）和 后 表 面 高 度 偏 差 值（）；（）角 膜 厚 度 数 据：平 均 厚 度 进 展 偏 差 值（）、最 薄 点 厚 度 偏 差 值（）、厚 度 最 大 变 化 率 偏 差 值（）和 总 偏 差 值（）。角 膜 前 表 面 高 度 差 正 常 值 为，可 疑 值 为，病理 值

14、 为，角 膜 后 表 面 高 度 差 正 常 值 为，可 疑 值为，病 理 值 为；、正 常 值为，可 疑 值 为，病 理 值 为；正 常 值 同上，可 疑 值 为，病 理 值 为。正 常 角 膜 组：角 膜高 度 数 据 及 厚 度 数 据 均 在 正 常 范 围；可 疑 圆 锥 角 膜 组：角膜 高 度 数 据 及 厚 度 数 据 为 可 疑 或 病 理；圆 锥 角 膜 组：位角 膜 科 专 家 根 据 临 床 表 现 和 角 膜 地 形 图 数 据 联合 诊 断（图）。采 集 数 据 通 过 三 维 眼 前 节 分 析 仪 导 出七 类 原 始 三 维 角 膜 地 形 图 数 据，共 个

15、 逗 号 分 隔 值（，）文 件，包 含 角 膜 前 表 面 高度、角 膜 后 表 面 高 度、角 膜 前 表 面 曲 率、角 膜 后 表 面 曲 率、前 房 深 度、全 角 膜 的 屈 光 度 和 角 膜 厚 度，数 据 描 述 了 在 眼球 的 任 意 位 置 对 应 的 数 值 大 小。将 类 角 膜 数 据 拼 接 在 国 际 眼 科 杂 志 年 月 第 卷 第 期：电 话：电 子 信 箱：图 数 据 处 理 及 分 类 示 意。一 起，对 数 据 进 行 预 处 理 后 进 行 保 存，以 形 成 完 整 的 角 膜地 形 图 数 据 集。建 立 模 型 本 研 究 模 型 基 于

16、机 器 学 习 库 构建，在 其 基 础 上 进 行 开 发 改 进 及 试 验。在 数 据 特 征 提 取 部分 采 用 由 卷 积 神 经 网 络 及 跳 跃 连 接 构 成 的 结构，在 提 取 角 膜 地 形 图 关 键 信 息 的 同 时，保 证 梯 度 的 反 向传 播，以 解 决 网 络 较 深 时 梯 度 消 失 的 问 题，加 快 训 练 过 程；此 外，引 入 基 于 自 注 意 力 机 制 的 模 型，它 能 以并 行 的 方 式 进 行 矩 阵 计 算，可 以 更 好 地 捕 捉 数 据 内 部 相 关性 以 及 学 习 远 距 离 依 赖 关 系。具 体 步 骤 如

17、图 所 示：（）从 三 维 眼 前 节 分析 仪 中 收 集 角 膜 直 径 以 下 的 所 有 角 膜 地 形 图 数据，并 按 照 正 常 角 膜、可 疑 圆 锥 角 膜 和 圆 锥 角 膜 三 类 进 行标 注，以 此 作 为 原 始 数 据。（）根 据 不 同 类 别 的 三 维 角 膜地 形 图 数 据，使 用 通 道 拼 接 的 方 式 将 其 直 接 合 并，并 对 数据 进 行 裁 剪、归 一 化、数 据 转 换 等 预 处 理，构 建 模 型 训 练 数据 集。（）先 利 用 残 差 神 经 网 络（，）对 数 据 进 行 初 步 特 征 提 取，再 将 得 到 的特 征 图

18、 输 入 到 模 块 中，利 用 其 内 部 的 编 码 解码 及 自 注 意 力 机 制，添 加 位 置 信 息 并 完 成 特 征 融 合。（）使 用 全 连 接 层 输 出 圆 锥 角 膜 的 诊 断 分 类 结 果，通 过 交 叉 熵损 失 函 数 进 行 模 型 的 反 向 传 播 训 练，再 通 过 样 本 交 叉 验 证结 果，获 得 最 终 的 分 类 模 型。（）使 用 诊 断 模 型 对 验 证 集进 行 正 常 角 膜、可 疑 圆 锥 角 膜 和 圆 锥 角 膜 的 诊 断，计 算 诊断 准 确 率、敏 感 度、特 异 度 等 指 标。（）采 用 受 试 者 工 作特 征

19、 曲 线 对 比 三 种 数 据 模 型 诊 断 的 效 能。训 练 设 置 数 据 集 中 包 括 了 正 常 角 膜、可 疑 圆 锥 角膜、圆 锥 角 膜 三 类 数 据，通 过 模 型、模 型 及 本 文 使 用 的 模 型 进 行两 两 对 比 实 验。在 模 型 的 训 练 中，设 置 为，根据 训 练 次 数，每 训 练 次 后 将 学 习 率 变 为 前 一 轮 的，以 便 损 失 函 数 最 终 能 达 到 收 敛 的 效 果。优 化 器 选 用，损 失 函 数 为 交 叉 熵 损 失 函 数，训 练 集 与 验 证 集 比 例为，共 训 练 次。统 计 学 分 析：采 用 进

20、 行 统 计 学 分 析，计 量 资料 采 取 平 均 数 标 准 差 表 示，采 用 受 试 者 工 作 特 征 曲 线 评估 三 种 数 据 模 型 的 诊 断 效 能，表 示 差 异 具 有 统 计学 意 义。图 算 法 建 模 流 程 示 意 图。结 果 纳 入 患 者 的 一 般 资 料 本 研 究 共 纳 入 患 者 例 眼，通 过 计 算 机 随 机 采 样 方 法 随 机 筛 选 训 练 集 患 者 例，验 证 集 患 者 例。纳 入 患 者 的 一 般 资 料 见 表。三 种 不 同 模 型 对 正 常 角 膜 和 可 疑 圆 锥 角 膜 的 诊 断情 况 三 种 深 度 学

21、 习 算 法 模 型 在 对 包 含 正 常 角 膜 与 可 疑圆 锥 角 膜 的 数 据 集 进 行 训 练 与 诊 断 时，验 证 集 准 确 率 分 别为、和，受 试 者 工 作 特 征 曲 线 下 面积 分 别 为、和（表，图）。三 种 不 同 模 型 对 可 疑 圆 锥 角 膜 和 圆 锥 角 膜 的 诊 断情 况 三 种 不 同 模 型 对 包 含 可 疑 圆 锥 角 膜 和 圆 锥 角 膜 数据 的 验 证 集 进 行 训 练 和 诊 断，验 证 集 准 确 率 分 别 为、和，受 试 者 工 作 特 征 曲 线 下 面 积分 别 为、和（表，图）。讨 论圆 锥 角 膜 是 以

22、角 膜 扩 张、中 央 变 薄 向 前 突 出 呈 圆 锥 形为 特 征 的 一 种 眼 病，圆 锥 角 膜 患 者 的 治 疗 需 要 做 到 早 期 筛查 早 期 干 预，但 圆 锥 角 膜 的 早 期 临 床 表 现 并 不 明 显，难 以及 时 诊 断，目 前 临 床 多 根 据 角 膜 地 形 图 及 角 膜 层 析 成 像 进行 诊 断。其 中 断 层 扫 描 技 术 可 通 过 数 据 分 析，输 出 大 量 标 准 化 角 膜 地 形 参 数 和 角 膜 地 形 图 像 供 临 床 医生 参 考。随 着 近 年 来 角 膜 激 光 手 术 的 需 求 量 逐 渐 增加，如 何

23、快 速、准 确 地 筛 查 圆 锥 角 膜 是 目 前 临 床 急 需 解 决的 问 题。人 工 智 能 可 联 合 分 析 多 个 参 数，加 速 传 统 的 医 疗筛 查 程 序，能 够 在 很 短 的 时 间 内 提 供 诊 断 信 息。可 输 出 多 个 相 关 参 数，对 于 机 器 学 习 纳 入 的 参 数 过 多 会 增加 计 算 的 冗 余 量，而 参 数 过 少 则 会 降 低 计 算 的 精 确 度，等 纳 入 不 同 的 参 数 进 行 分 析，结 果 显 示 纳 入 个 参 数 的 数 据 模 型 其 准 确 率 反 而 高 于 纳 入 个 参 数 的 模型，由 此

24、可 见 筛 选 合 适 的 参 数 对 保 障 模 型 计 算 精 度 的 重 要性；等 选 择 对 个 分 析 出 角 膜 数 据 进 行分 析 学 习，最 终 筛 选 出 个 敏 感 度 最 高 的 参 数 分 别 为 球 镜度 数、前 房 深 度、角 膜 后 表 面 曲 率、角 膜 中 央 厚 度 和 角 膜 最薄 点 厚 度。因 此 本 研 究 选 取 角 膜 前 表 面 高 度、角 膜 后 表 面高 度、角 膜 前 表 面 曲 率、角 膜 后 表 面 曲 率、前 房 深 度、全 角膜 的 屈 光 度 和 角 膜 厚 度 数 据 纳 入 模 型 学 习。对 于 数 据 的 处 理，等

25、直 接 利 用 获 取 角 膜 轴 向 曲 率 图、角 膜 高 度 图、角 膜 厚 度 图，：表 纳 入 患 者 的 一 般 资 料数 据 集 眼 数年 龄（，岁）角 膜 分 类 情 况（眼）正 常 角 膜 可 疑 圆 锥 角 膜 圆 锥 角 膜训 练 集 验 证 集 表 三 种 不 同 模 型 对 正 常 角 膜 和 可 疑 圆 锥 角 膜 的 诊 断 情 况 模 型 眼 数 训 练 集 准 确 率 验 证 集 准 确 率验 证 数 据 对 不 同 角 膜 的 敏 感 度正 常 角 膜 可 疑 圆 锥 角 膜验 证 数 据 对 不 同 角 膜 的 特 异 度正 常 角 膜 可 疑 圆 锥 角

26、 膜 表 三 种 不 同 模 型 对 可 疑 圆 锥 角 膜 和 圆 锥 角 膜 的 诊 断 情 况 模 型 眼 数 训 练 集 准 确 率 验 证 集 准 确 率验 证 数 据 对 不 同 角 膜 的 敏 感 度可 疑 圆 锥 角 膜 圆 锥 角 膜验 证 数 据 对 不 同 角 膜 的 特 异 度可 疑 圆 锥 角 膜 圆 锥 角 膜 图 三 种 数 据 模 型 对 正 常 角 膜 和 可 疑 圆 锥 角 膜 数 据 的 验 证 集进 行 诊 断 的 受 试 者 工 作 特 征 曲 线。捕 捉 不 同 角 膜 的 图 像 特 征 建 立 算 法 模 型，在 测 试 集 上 检 测圆 锥 角

27、 膜 和 健 康 角 膜 的 准 确 率 为；等 则 选用 个 输 出 的 角 膜 地 形 参 数 进 行 分 析 和 学 习。以 往 的 研 究 其 纳 入 的 数 据 无 论 是 角 膜 图 像 还 是 角 膜 地 形参 数，均 是 由 检 查 设 备 软 件 分 析 建 立 的，即 在 模 型 学 习 前 对 原 始 数 据 已 经 进 行 了 预 先 处 理 分 析，因 此 数 据处 理 过 程 中 对 某 些 信 息 的 误 判 常 常 被 一 并 带 入 模 型 建 立过 程。例 如 的 分 析 诊 断 系 统 内 用 作 对 比 的 数 据库 中 数 据 多 来 源 于 欧 洲

28、人 种，对 于 角 膜 直 径 较 小 的 亚 洲人，其 角 膜 地 形 图 与 圆 锥 角 膜 具 有 高 度 相 似 性，在 临 床 使用 时 其 诊 断 出 的 阳 性 率 较 高，曹 开 伟 等 研 究 发 现 角 膜 直径 会 干 扰 的 角 膜 高 度 数 据 和 角 膜 厚 度 进 展 参数，小 直 径 角 膜 患 者 出 现 假 阳 性 比 例 更 高；等 研 究发 现 值 在 小 直 径 角 膜 患 者 组 中 明 显 增 大，可 导 致 的 患 者 被 警 示 可 疑 圆 锥 角 膜，提 示 系 统 初 步 筛选 出 的 可 疑 圆 锥 角 膜 需 要 参 考 角 膜 直

29、径 进 行 进 一 步 判 断。图 三 种 数 据 模 型 对 可 疑 圆 锥 角 膜 和 圆 锥 角 膜 数 据 的 验 证 集进 行 诊 断 的 受 试 者 工 作 特 征 曲 线。因 此 本 研 究 尝 试 使 用 更 完 整、更 原 始 的 文 件 数 据 建立 小 直 径 角 膜 样 本 数 据 库，参 考 既 往 对 角 膜 直 径 的 研 究，选 取 角 膜 直 径 作 为 研 究 对 象，构 建 深 度 学 习模 型，对 小 直 径 角 膜 患 者 进 行 筛 查 诊 断。以 往 研 究 曾 借 助 多 种 深 度 学 习 方 法 开 发 诊 断 模 型，神经 网 络 能 够

30、提 取 到 不 同 水 平 的 特 征，网 络 的 层 数 越 多，意味 着 能 够 提 取 到 不 同 水 平 的 特 征 越 丰 富。并 且，越 深 的 网络 提 取 的 特 征 越 抽 象 则 越 具 有 语 义 信 息，然 而 简 单 的 提 高网 络 深 度 会 导 致 梯 度 弥 散 或 梯 度 爆 炸。同 时 随 着 层 数 增加，训 练 集 上 的 准 确 率 常 出 现 饱 和 甚 至 下 降，出 现 网 络 退化 的 问 题。为 了 解 决 上 述 问 题，便 出 现 了 残 差 神 经 网 络（）。残 差 神 经 网 络 将 训 练 设 计 为 两 部 分，一部 分 是

31、残 差 映 射（），另 一 部 分 是 恒 等 映 射。由 于 残 差值 一 般 较 小，相 比 原 始 网 络 特 征，残 差 学 习 更 加 容 易，并 且当 残 差 为 时，增 加 网 络 层 数 仅 仅 做 了 恒 等 映 射，不 会 导致 网 络 性 能 的 下 降。当 网 络 过 深 时，为 了 防 止 模 型 参 数 过 国 际 眼 科 杂 志 年 月 第 卷 第 期：电 话：电 子 信 箱：多 导 致 的 训 练 过 慢，还 采 用 卷 积 的 方 式，将 维 的 特 征 图 先 降 维 至 维，经 过 卷 积 后 再 通 过 卷 积 恢 复 至 维，以 此 来 减 少 计 算

32、 和 参 数 量。等 构 建 了 种 传 统 模 型 对 数 据 进 行 学习 和 训 练，模 型 展 现 了 最 高 的 分 类 效 能，诊 断 正 常角 膜 和 圆 锥 角 膜 的 准 确 率 为，然 而 卷 积 操作 的 感 受 野 有 限，仅 能 聚 焦 于 角 膜 适 合 诊 断 的 区 域，在 信息 获 取 方 面 存 在 局 限 性。近 年 最 新 提 出 的 模 型（）的 核 心 为 多 头 自 注 意 力 机 制，能 以并 行 的 方 式 进 行 矩 阵 计 算，可 以 更 好 地 捕 捉 数 据 内 部 相 关性 以 及 学 习 远 距 离 依 赖 关 系，实 现 任 一

33、通 道 与 所 有 通 道 之间 的 跨 通 道 特 征 融 合，经 过 多 次 的 注 意 力 操 作 后，对 所有 特 征 图 进 行 均 值 池 化，并 与 全 连 接 网 络 相 连。最 终 利 用 层 将 模 型 的 预 测 结 果 以 概 率 的 形 式 展 现 出 来，输出 概 率 最 大 值 所 对 应 的 类 别 即 是 模 型 判 断 的 输 入 样 本 类别。等 建 立 的 模 型 对 眼 前 段 图 像 展 现 了较 高 的 年 龄 分 类 能 力，展 现 了 模 型 在 分 析 年 龄 相 关 的眼 前 段 疾 病 的 极 大 潜 能，但 其 训 练 难 度 较 大，

34、对 样 本 集 的数 据 量 要 求 更 大。针 对 以 上 存 在 的 问 题，因 此 本 研 究 尝 试 结 合 两 类 模型，将 模 型 最 后 一 个 模 块 中 的 卷 积 替 换 为 中 的 多 头 自 注 意 力 操 作，以 尝 试 获 得 更 好 的 圆锥 角 膜 诊 断 结 果。通 过 原 始 角 膜 地 形 图 数 据 的 导 出、特 征拼 接、数 据 预 处 理 及 数 据 标 注，获 取 不 同 类 型 的 角 膜 数 据，并 生 成 相 应 的 角 膜 数 据 样 本 库。利 用 卷 积 学 习 大 尺 度 图像 中 抽 象 和 低 分 辨 率 的 特 征 图，同 时

35、 利 用 跳 跃 连 接 避 免 出现 梯 度 消 失 的 问 题；通 过 自 注 意 力 机 制 融 合 特 征 图 中 包 含的 信 息，然 后 通 过 模 块 进 行 远 距 离 的 特 征 融合，生 成 特 征 向 量，最 后 通 过 全 连 接 神 经 网 络 对 特 征 向 量进 行 分 类 识 别。在 诊 断 正 常 角 膜 与 可 疑 圆 锥 角 膜 时，验 证集 准 确 率 为，在 诊 断 可 疑 圆 锥 角 膜 与 圆 锥 角 膜 时 在 验 证 集 上 获 得 的 准 确 率。与本 研 究 结 果 相 似，等 基 于 数 据 的 模 型 对于 圆 锥 角 膜 和 正 常

36、角 膜 诊 断 的 准 确 率 为，而 亚 临 床期 圆 锥 角 膜 与 正 常 角 膜 的 诊 断 率 为，而 在 顿 挫 型 圆锥 角 膜 和 正 常 角 膜 的 鉴 别 上 敏 感 性 为，特 异 性 为。针 对 圆 锥 角 膜 较 容 易 被 模 型 诊 断，而 早 期 圆 锥角 膜 的 诊 断 准 确 率 较 差 的 问 题，可 能 有 以 下 几 种 原 因。首先，圆 锥 角 膜 的 临 床 进 展 是 一 个 长 期 过 程，据 估 计 有 的 亚 临 床 圆 锥 角 膜 在 内 发 展 为 圆 锥 角 膜 而 最 大 的 风险 时 间 是 在 发 病 的 前，因 此 仅 根 据

37、 一 张 地 形 图 像 进行 预 测 是 不 准 确 的。其 次 本 研 究 数 据 库 中 的 可 疑 圆 锥 角膜 本 质 上 属 于 正 常 角 膜，其 角 膜 地 形 图 特 征 与 正 常 角 膜 重合 范 围 较 大，因 此 所 以 三 种 模 型 准 确 率 均 不 高。由 于 圆 锥角 膜 通 常 累 及 双 眼，对 于 早 期 圆 锥 角 膜 的 诊 断，双 眼 角 膜的 不 对 称 性 是 一 个 关 键 特 征。等 研 究 发 现 双 侧 地形 图 差 异 算 法 可 以 提 高 圆 锥 角 膜 的 敏 感 性 和 特 异 性，以 此补 充 传 统 诊 断 模 型，然

38、而 各 类 角 膜 地 形 图 特 征 参 数 对 诊 断的 影 响 仍 然 需 要 更 大 的 样 本 量 来 支 持 分 析。本 研 究 存 在 一 定 局 限 性：（）为 对 角 膜 地 形 图 数 据 提示 异 常 的 患 者 排 除 圆 锥 角 膜，对 所 有 已 行 角 膜 屈 光 手 术 的患 者 均 随 访 以 上，但 仍 不 能 完 全 排 除 圆 锥 角 膜 的 可能 性。（）圆 锥 角 膜 发 病 率 较 低，角 膜 直 径 的患 者 占 比 较 少，因 此 本 研 究 中 圆 锥 角 膜 的 数 据 样 本 时 间 跨度 较 长，数 量 较 为 有 限。同 时 机 器

39、算 法 的 运 行 需 要 标 准 化的 数 据 库 和 一 致 性 的 诊 断 标 准 才 能 保 证 其 精 度，对 于 一 种罕 见 的 进 展 性 疾 病 的 早 期 检 测，明 确 分 类 和 预 测 严 重 程 度的 变 化 是 非 常 有 难 度 的。例 如 可 疑 圆 锥 角 膜、亚 临 床 期 圆锥 角 膜、顿 挫 型 圆 锥 角 膜，其 筛 查 标 准 并 未 完 全 统 一，这 致使 样 本 数 据 库 不 能 准 确 分 类，因 此 很 难 直 接 比 较 各 类 人 工智 能 算 法 对 于 圆 锥 角 膜 的 诊 断 效 能。总 之，模 型 结 合 了 卷 积 的

40、平 移 不 变性 以 及 全 局 特 征 获 取 的 特 点，在 圆 锥 角 膜 的诊 断 中 效 果 优 于 和 模 型，可 以帮 助 提 升 临 床 医 疗 中 可 疑 圆 锥 角 膜 的 高 精 度 筛 查。对 于本 研 究 的 分 类 结 果，仍 然 需 要 临 床 医 生 联 合 患 者 个 体 特 征进 行 综 合 考 虑。在 未 来 研 究 工 作 中，可 将 解 决 数 据 不 平 衡问 题 作 为 重 点 研 究 方 向，并 尝 试 在 临 床 使 用 中 实 现 对 诊 断数 据 智 能 采 集、数 据 集 构 建 等 功 能，以 便 扩 大 数 据 样 本，进行 模 型

41、的 自 学 习，进 一 步 提 高 模 型 的 准 确 率 和 泛 化 性。参 考 文 献，；（）：，；（）：，；（）：，；（）：，；（）：，；（）：，（）；（）：曹 开 伟，刘 李 娜，孙 煜 林，等 不 同 角 膜 直 径 对 角 膜 地 形图 中 系 统 关 于 角 膜 扩 张 分 析 结 果 的 影 响 中 华 眼 科 杂 志；（）：，；（）：，：；（）：，；：；（）：，（），：，：，：，；（）：，；：，（）；（）：王 慧 宇，赵 少 贞，贺 美 男，等 眼 前 节 分 析 仪 检 查 参 数对 早 期 圆 锥 角 膜 的 诊 断 价 值 国 际 眼 科 杂 志；（）：，；（）：，；（）：，；：，；：，：，（）；（）：，；（）：，（），：，：；（）：国 际 眼 科 杂 志 年 月 第 卷 第 期：电 话：电 子 信 箱：