人工智能技術(shù)（AI）在眼底檢查中的應(yīng)用

文 馬玉瑩 張家驊

眼底檢查是眼鏡店和眼科醫(yī)院視光門診中一項(xiàng)重要的檢查環(huán)節(jié)。通過(guò)眼底檢查，不僅可以診斷青光眼、黃斑病變等眼疾病，還可以發(fā)現(xiàn)糖尿病、高血壓等全身性疾病。傳統(tǒng)的眼底檢查（如圖1）存在眼底圖像難以發(fā)現(xiàn)、難以診斷等問(wèn)題，對(duì)檢查者的檢查水平有較高的要求。近年來(lái)，人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)快速發(fā)展，通過(guò)將傳統(tǒng)的眼底檢查技術(shù)與AI技術(shù)深度融合，企業(yè)界和學(xué)術(shù)界已經(jīng)開發(fā)出了具有AI功能的眼底檢測(cè)設(shè)備和系統(tǒng)，輔助視光師和醫(yī)生對(duì)檢查結(jié)果進(jìn)行分析和診斷。本文首先簡(jiǎn)要介紹傳統(tǒng)眼底檢查技術(shù)和AI技術(shù)，然后詳細(xì)討論了AI技術(shù)在眼底檢查中的應(yīng)用。

圖1 傳統(tǒng)眼底鏡檢查

1 眼底檢查概述

由于很多眼疾病與視力相關(guān)，因此通過(guò)眼底檢查診斷被檢查者是否有青光眼、糖尿病視網(wǎng)膜病變、黃斑變性、視網(wǎng)膜脫離等眼部疾病，可以對(duì)癥開展視力矯正。常規(guī)眼底檢查的儀器是手持檢眼鏡，但該方法由于檢查者的主觀因素，會(huì)造成視盤和眼底血管難以判斷、眼底疾病難以診斷、檢查時(shí)間久、被檢者感到不舒適等一系列問(wèn)題。采用眼底照相機(jī)進(jìn)行檢查，雖可以快速獲得不同視野的眼底圖像，并詳細(xì)全面地記錄和保存不同檢查時(shí)間點(diǎn)眼底的形態(tài)，但診斷結(jié)果仍然需要依靠檢查者的專業(yè)水平。

2 AI技術(shù)發(fā)展

2016年，Google公司的AI程序“阿爾法狗”（狗是圍棋英文名“go”的音譯），戰(zhàn)勝了世界圍棋冠軍李世石，讓全世界開始關(guān)注AI技術(shù)。2017年12月，AI入選“2017年度中國(guó)媒體十大流行語(yǔ)”。目前，AI技術(shù)幾乎滲透到各個(gè)領(lǐng)域，并在多個(gè)領(lǐng)域取得了成功。其實(shí)，AI技術(shù)的發(fā)展并不是一帆風(fēng)順。歷史上，該技術(shù)經(jīng)歷了多次的繁榮與低谷。以“阿爾法狗”程序所采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為例：該算法是機(jī)器學(xué)習(xí)算法之一，是AI技術(shù)中的一種代表性技術(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概念在1943年被提出，1958年開發(fā)出第一個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但1969年，AI領(lǐng)域奠基人之一明斯基指出該技術(shù)的重大缺陷，造成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和AI進(jìn)入十年寒冬期。1982年后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)才慢慢復(fù)蘇，到2016年，通過(guò)技術(shù)上不斷創(chuàng)新，采用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的“阿爾法狗”再次讓AI技術(shù)得到全世界的關(guān)注。實(shí)際上，AI技術(shù)的快速發(fā)展，離不開互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、芯片和軟件等技術(shù)的發(fā)展。

3 AI技術(shù)在眼底檢查中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，AI技術(shù)在眼底檢查領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，這得益于基于AI的圖像處理算法，特別是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像處理算法的快速發(fā)展。

2018年4月，由美國(guó)IDx公司Michael Abramoff花費(fèi)二十多年時(shí)間開發(fā)的AI產(chǎn)品IDx-DR問(wèn)世，應(yīng)用于現(xiàn)代一線醫(yī)療AI診斷設(shè)備，IDx-DR主要運(yùn)用AI算法分析視網(wǎng)膜圖像。操作人員通過(guò)使用Topcon TRC-NW400眼底照相機(jī)拍攝被檢者的眼睛，將被檢者視網(wǎng)膜圖像傳到IDx-DR服務(wù)器上，能快速提供診斷報(bào)告，準(zhǔn)確率達(dá)到90%，代替了眼科醫(yī)生對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析和解讀（圖2）。IDx-DR目前已經(jīng)獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）認(rèn)證，受到大眾矚目。

圖2 美國(guó)IDx-DR儀器

同年，印度Remidio公司研發(fā)出視網(wǎng)膜成像手機(jī)（Fundus on Phone，F(xiàn)OP），該設(shè)備利用智能手機(jī)和AI算法EyeArt就可以進(jìn)行眼底檢查（圖3），便于攜帶，使用方便。

圖3 印度視網(wǎng)膜成像手機(jī)

國(guó)內(nèi)的業(yè)界也在快速發(fā)展AI技術(shù)在眼底檢查中的應(yīng)用。2017年，中山大學(xué)中山眼科中心公布了眼科AI診斷和治療系統(tǒng)，建立了先天性白內(nèi)障AI平臺(tái)。同年，杭州市在全國(guó)率先啟用基于AI技術(shù)的糖尿病視網(wǎng)膜病變篩查項(xiàng)目，引入了基于AI診斷的手持式眼底照相機(jī)，解決了眼科醫(yī)生資源匱乏問(wèn)題，提高了醫(yī)生工作效率。

2018年，廣州市婦女兒童醫(yī)療中心和加州大學(xué)圣地亞哥分校的張康團(tuán)隊(duì)將新的深度學(xué)習(xí)算法與眼視光領(lǐng)域結(jié)合，研發(fā)出一款新的AI診斷工具。該工具不僅可以閱讀視網(wǎng)膜OCT（光學(xué)相干斷層掃描）影像，短時(shí)間診斷出視網(wǎng)膜黃斑病變、糖尿病視網(wǎng)膜病變、白內(nèi)障等疾病，而且其診斷準(zhǔn)確率達(dá)到了92%以上。

同年，河南省人民醫(yī)院與北京協(xié)和醫(yī)院、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京同仁醫(yī)院眼科研發(fā)出眼科AI機(jī)器人——“嵩岳”醫(yī)生（圖4）。該眼科機(jī)器人主要包括AI軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)眼底視網(wǎng)膜病變智能診斷，硬件系統(tǒng)具有人機(jī)對(duì)話、數(shù)據(jù)信息收集、遠(yuǎn)程控制診斷、分析報(bào)告的打印等智能化功能。AI機(jī)器人正式進(jìn)入河南省人民醫(yī)院之前，與眼科醫(yī)生進(jìn)行了一場(chǎng)比賽，選出16名眼科領(lǐng)域?qū)＜遗cAI機(jī)器人同時(shí)讀片，AI機(jī)器人在深度學(xué)習(xí)100萬(wàn)張已標(biāo)注的病灶和8萬(wàn)張左右的眼底疾病圖像基礎(chǔ)上競(jìng)賽診斷。最終AI機(jī)器人與眼科專家打了平手，準(zhǔn)確率高達(dá)90%以上。

圖4 河南省眼科研究所——嵩岳AI機(jī)器人

2018年12月，上海市第十人民醫(yī)院?jiǎn)?dòng)AI-Force優(yōu)智項(xiàng)目。該項(xiàng)目主要是通過(guò)AI技術(shù)對(duì)眼底圖像進(jìn)行識(shí)別、篩查、診斷。通過(guò)實(shí)踐表明，AI眼底疾病診斷的準(zhǔn)確率達(dá)95%以上，通過(guò)與眼科醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，為診斷疾病提供了更準(zhǔn)確、更安全、更有效的保障。該項(xiàng)目實(shí)施3個(gè)月，就幫助了八千多戶居民進(jìn)行糖尿病、高血壓、黃斑變性等視網(wǎng)膜病變的篩查與管理，AI-Force產(chǎn)品輔助眼科醫(yī)生提高工作效率。

2019年，山東省青島眼科醫(yī)院采用Eye Wisdom眼底影像AI分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)眼科領(lǐng)域?qū)＜乙呀?jīng)標(biāo)注好的10萬(wàn)張眼底圖片、三十多種眼底疾病進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，通過(guò)深度卷積網(wǎng)絡(luò)作為模型來(lái)提高自己的性能。此次AI圖像識(shí)別系統(tǒng)以靈敏度、特異度、準(zhǔn)確度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)可以診斷視網(wǎng)膜血管疾病、視神經(jīng)病變、黃斑病變、脈絡(luò)膜病變，診斷特異度和靈敏度超過(guò)90%。為了驗(yàn)證AI的準(zhǔn)確度，青島眼科醫(yī)院特地邀請(qǐng)了眼科專家和眼視光專家進(jìn)行了一次眼底檢查試驗(yàn)，從開始AI智能讀片體驗(yàn)、錄入信息、眼底圖像識(shí)別，到上傳系統(tǒng)、開始診斷，整個(gè)流程花費(fèi)時(shí)間不超過(guò)3分鐘，眼底圖片識(shí)別之后，只需10秒左右就會(huì)自動(dòng)生成患者報(bào)告。為了幫助醫(yī)生或者驗(yàn)光師更好地掌握患者病情，AI系統(tǒng)還給出了診斷建議，在眼底圖片上標(biāo)注微血管瘤、視網(wǎng)膜出血、黃斑病變等病灶，不同的眼底疾病標(biāo)記出的顏色有所不同，一目了然。

2019年，在河南省鄭州舉辦的第13屆中國(guó)醫(yī)師協(xié)會(huì)上，北大人民醫(yī)院趙明威教授和Airdoc集團(tuán)舉辦了一場(chǎng)AI演示，通過(guò)視網(wǎng)膜檢查診斷得出人體年齡。在這場(chǎng)演示中，AI通過(guò)圖像識(shí)別、圖像理解、圖像診斷等功能，發(fā)現(xiàn)了幾處眼科醫(yī)生未發(fā)現(xiàn)的細(xì)小問(wèn)題。在青光眼風(fēng)險(xiǎn)診斷競(jìng)賽中，展示了AI對(duì)視網(wǎng)膜圖像的識(shí)別能力，最終AI比賽成績(jī)和現(xiàn)場(chǎng)專家水平旗鼓相當(dāng)，AI的準(zhǔn)確性和全面性得到在場(chǎng)眼科專家們的認(rèn)可。

4 總結(jié)

從國(guó)內(nèi)外的人工智能技術(shù)在眼底檢查中的應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，AI技術(shù)與眼底檢查技術(shù)在不斷深入融合，并變得越來(lái)越成熟，性能也逐漸達(dá)到專業(yè)水平。相信在不久的將來(lái)，AI技術(shù)在眼底檢查和診斷方面能夠?yàn)檠劭漆t(yī)生和眼視光從業(yè)者提供更專業(yè)化、更準(zhǔn)確的技術(shù)輔助。通過(guò)AI技術(shù)，可以緩解本領(lǐng)域有經(jīng)驗(yàn)的檢查者資源不足問(wèn)題，提高工作效率。有了AI技術(shù)的輔助，與一線城市醫(yī)生技術(shù)和診療設(shè)備上有著很大差距的二線及以下城市，可以一定程度彌補(bǔ)人才和技術(shù)資源的差距。