Deep Learning Predicts Glaucoma Risk via Retinal Nerve Fiber Layer Thickness from Ocular Hypertension Photographs

Deep Learning Predicts Glaucoma Risk via Retinal Nerve Fiber Layer Thickness from Ocular Hypertension Photographs

Highlight

  • Deep learning-derived predicted retinal nerve fiber layer (RNFL) thickness from optic disc photographs correlates with risk of developing primary open-angle glaucoma (POAG) in ocular hypertension.
  • Machine-to-machine (M2M) models trained on OCT data accurately estimate RNFL thickness from fundus images, circumventing need for OCT equipment.
  • Baseline predicted RNFL thickness and longitudinal thinning rates identified by M2M model independently predict conversion to POAG in OHTS cohort.
  • M2M-predicted RNFL thickness offers a noninvasive, accessible biomarker for glaucoma risk stratification and progression monitoring.

Study Background and Disease Burden

Primary open-angle glaucoma (POAG) is a leading cause of irreversible blindness worldwide, characterized by progressive loss of retinal ganglion cells and their axons, manifesting clinically as thinning of the retinal nerve fiber layer (RNFL) and optic nerve damage. Early detection and monitoring are critical to prevent vision loss. Ocular hypertension, defined as elevated intraocular pressure (IOP) without manifest glaucomatous damage, significantly increases the risk for developing POAG. The Ocular Hypertension Treatment Study (OHTS) established clinical risk factors for conversion but current glaucoma diagnosis and progression monitoring often depend on optical coherence tomography (OCT), which is less accessible globally and costly.

Recent advances in deep learning allow imaging biomarkers such as RNFL thickness to be predicted from conventional optic disc photographs. Such approaches could democratize glaucoma risk assessment by leveraging existing photographic data without reliance on OCT. This study by Liu et al. investigates the ability of an OCT-trained deep learning model (machine-to-machine, M2M) to predict RNFL thickness from ocular hypertensive patients’ optic disc photos and assesses the prognostic value for POAG development.

Study Design

This diagnostic study analyzed data from the OHTS 1 and 2 multicenter trials, involving 3272 eyes from 1636 participants with ocular hypertension but without glaucoma at enrollment. The study period extended from February 1994 to December 2008. Baseline optic disc photographs, demographics, and clinical parameters were included. The M2M deep learning model, trained on OCT-derived RNFL thickness to interpret optic disc photos, generated predicted RNFL thickness values from a large dataset of 66,714 optic disc images.

Primary outcomes focused on the correlation between predicted RNFL thickness and conversion to POAG, assessed using Cox proportional hazards models in univariable and multivariable analyses. Other established POAG risk factors—age, IOP, central corneal thickness, visual field parameters, and cup-to-disc ratio—were also evaluated.

Key Findings

Among 1444 participants analyzed, the mean age was 56.0 years, 57.7% were female. Eyes that developed POAG had significantly lower mean baseline predicted RNFL thickness (94.1 μm) compared to eyes that did not convert (97.1 μm), with a mean difference of 3.0 μm (95% CI, 2.2–3.8; P < .001).

Univariable Cox analysis revealed each 10-μm decrease in predicted RNFL thickness nearly doubled the hazard for conversion to POAG (HR 1.97; 95% CI 1.60–2.42; P < .001). This association remained significant after adjustment for other risk factors (HR 1.83; 95% CI 1.49–2.25; P < .001). Established risk factors such as older age, higher IOP, thinner central corneal thickness, worse visual field pattern standard deviation, mean deviation, and larger cup-to-disc ratio were independent predictors in both analyses.

Importantly, the rate of longitudinal RNFL thinning predicted by the model was a strong risk factor: each 1-μm/year faster predicted loss increased POAG risk sixfold (HR 6.01; 95% CI 3.33–10.64; P < .001).

These findings confirm that baseline and dynamic changes in M2M-predicted RNFL thickness provide prognostic information beyond traditional clinical parameters for glaucoma development in ocular hypertension.

Expert Commentary

This study exemplifies a powerful translational application of artificial intelligence in ophthalmology, utilizing a machine-to-machine approach where deep learning models trained on OCT-measured RNFL thickness generate surrogate quantitative biomarkers from widely available optic disc photographs.

The advantage lies in accessibility—optic disc photographs are a routine, low-cost, and portable imaging modality, especially valuable in settings lacking OCT infrastructure. Predicting RNFL thickness from these can aid both risk stratification and monitoring progression without the need for specialized equipment.

However, some limitations must be considered. The study cohort includes patients from a well-characterized clinical trial with rigorous follow-up; generalizability to diverse populations and real-world clinical settings requires further validation. Additionally, image quality and variability across devices and operators may affect deep learning model performance. The study focused on eyes with ocular hypertension, thus utility in other glaucoma subtypes remains to be established.

Despite these issues, this approach aligns with current trends toward integrating AI algorithms into routine clinical workflows, enhancing early glaucoma diagnosis and personalized management.

Conclusion

The Liu et al. study robustly demonstrates that an OCT-trained deep learning model can accurately predict RNFL thickness from optic disc photographs in ocular hypertensive eyes and that these predictions independently forecast the risk of conversion to primary open-angle glaucoma.

Baseline predicted RNFL thickness and its rate of decline are meaningful biomarkers that complement existing clinical risk factors, offering a noninvasive, widely accessible method to inform glaucoma risk assessment and progression monitoring. These findings expand the potential of AI-powered imaging analytics to improve clinical decision-making and patient outcomes in glaucoma care.

Future research should focus on prospective validation across broader populations and integration into clinical practice platforms for real-time decision support. This innovation represents a paradigm shift toward more accessible, efficient, and quantitative ophthalmic risk stratification using artificial intelligence.

Học sâu dự đoán nguy cơ glaucoma thông qua độ dày lớp sợi thần kinh võng mạc từ ảnh chụp tăng nhãn áp

Học sâu dự đoán nguy cơ glaucoma thông qua độ dày lớp sợi thần kinh võng mạc từ ảnh chụp tăng nhãn áp

Nhấn mạnh

  • Độ dày lớp sợi thần kinh võng mạc (RNFL) được dự đoán từ ảnh đĩa thị giác bằng học sâu có liên quan đến nguy cơ phát triển glaucoma góc mở nguyên phát (POAG) trong tăng nhãn áp.
  • Các mô hình máy-máy (M2M) được huấn luyện trên dữ liệu OCT ước lượng chính xác độ dày RNFL từ ảnh đáy mắt, tránh nhu cầu sử dụng thiết bị OCT.
  • Độ dày dự đoán RNFL ở thời điểm cơ bản và tốc độ mỏng đi theo thời gian được xác định bởi mô hình M2M dự đoán độc lập sự chuyển đổi sang POAG trong nhóm OHTS.
  • Độ dày RNFL được dự đoán bằng M2M cung cấp một dấu ấn sinh học không xâm lấn, dễ tiếp cận để phân loại nguy cơ glaucoma và theo dõi tiến triển bệnh.

Nền tảng nghiên cứu và gánh nặng bệnh tật

Glaucoma góc mở nguyên phát (POAG) là nguyên nhân hàng đầu gây mù không thể phục hồi trên toàn thế giới, đặc trưng bởi mất dần tế bào thần kinh võng mạc và các trục của chúng, thể hiện lâm sàng bằng mỏng đi của lớp sợi thần kinh võng mạc (RNFL) và tổn thương dây thần kinh thị giác. Phát hiện sớm và theo dõi là quan trọng để ngăn ngừa mất thị lực. Tăng nhãn áp, được định nghĩa là áp suất nhãn cầu (IOP) cao mà không có tổn thương glaucoma rõ ràng, làm tăng đáng kể nguy cơ phát triển POAG. Nghiên cứu Điều trị Tăng Nhãn Áp (OHTS) đã xác định các yếu tố nguy cơ lâm sàng cho sự chuyển đổi nhưng chẩn đoán và theo dõi tiến triển glaucoma hiện nay thường phụ thuộc vào tomography quang học (OCT), vốn ít phổ biến toàn cầu và tốn kém.

Những tiến bộ gần đây trong học sâu cho phép dự đoán các dấu ấn sinh học hình ảnh như độ dày RNFL từ ảnh đĩa thị giác thông thường. Các phương pháp này có thể dân chủ hóa việc đánh giá rủi ro glaucoma bằng cách tận dụng dữ liệu ảnh hiện có mà không cần phụ thuộc vào OCT. Nghiên cứu này của Liu et al. điều tra khả năng của mô hình học sâu được huấn luyện bằng OCT (máy-máy, M2M) để dự đoán độ dày RNFL từ ảnh đĩa thị giác của bệnh nhân tăng nhãn áp và đánh giá giá trị tiên lượng cho sự phát triển POAG.

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu chẩn đoán này phân tích dữ liệu từ các thử nghiệm đa trung tâm OHTS 1 và 2, bao gồm 3272 mắt từ 1636 người tham gia có tăng nhãn áp nhưng không có glaucoma tại thời điểm đăng ký. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 năm 1994 đến tháng 12 năm 2008. Dữ liệu ảnh đĩa thị giác cơ bản, thông tin nhân khẩu học và các tham số lâm sàng được bao gồm. Mô hình học sâu M2M, được huấn luyện trên độ dày RNFL từ OCT để diễn giải ảnh đĩa thị giác, đã tạo ra các giá trị độ dày RNFL dự đoán từ bộ dữ liệu lớn gồm 66.714 ảnh đĩa thị giác.

Kết quả chính tập trung vào mối tương quan giữa độ dày RNFL dự đoán và sự chuyển đổi sang POAG, được đánh giá bằng các mô hình Cox tỷ lệ nguy cơ trong phân tích đơn biến và đa biến. Các yếu tố nguy cơ POAG đã được thiết lập khác—tuổi, IOP, độ dày giác mạc trung tâm, các tham số trường nhìn, và tỷ lệ lõm đĩa—cũng được đánh giá.

Kết quả chính

Trong số 1444 người tham gia được phân tích, độ tuổi trung bình là 56,0 tuổi, 57,7% là nữ. Những mắt phát triển POAG có độ dày RNFL dự đoán trung bình ở thời điểm cơ bản thấp hơn đáng kể (94,1 μm) so với những mắt không chuyển đổi (97,1 μm), với sự chênh lệch trung bình 3,0 μm (95% CI, 2,2–3,8; P < .001).

Phân tích Cox đơn biến cho thấy mỗi giảm 10 μm trong độ dày RNFL dự đoán gần gấp đôi nguy cơ chuyển đổi sang POAG (HR 1,97; 95% CI 1,60–2,42; P < .001). Liên kết này vẫn có ý nghĩa sau khi điều chỉnh cho các yếu tố nguy cơ khác (HR 1,83; 95% CI 1,49–2,25; P < .001). Các yếu tố nguy cơ đã được thiết lập như tuổi cao, IOP cao, độ dày giác mạc trung tâm mỏng, trường nhìn chuẩn độ lệch tiêu chuẩn xấu, độ lệch trung bình và tỷ lệ lõm đĩa lớn hơn là các yếu tố dự đoán độc lập trong cả hai phân tích.

Quan trọng hơn, tốc độ mỏng đi theo thời gian của độ dày RNFL được dự đoán bởi mô hình là một yếu tố nguy cơ mạnh mẽ: mỗi giảm 1 μm/năm nhanh hơn tăng nguy cơ POAG sáu lần (HR 6,01; 95% CI 3,33–10,64; P < .001).

Các kết quả này xác nhận rằng độ dày và sự thay đổi động của độ dày RNFL dự đoán bằng M2M cung cấp thông tin tiên lượng vượt xa các tham số lâm sàng truyền thống cho sự phát triển glaucoma trong tăng nhãn áp.

Bình luận chuyên gia

Nghiên cứu này là một ứng dụng dịch thuật mạnh mẽ của trí tuệ nhân tạo trong nhãn khoa, sử dụng cách tiếp cận máy-máy nơi các mô hình học sâu được huấn luyện trên độ dày RNFL đo bằng OCT tạo ra các dấu ấn sinh học định lượng thay thế từ ảnh đĩa thị giác phổ biến rộng rãi.

Ưu điểm nằm ở tính dễ tiếp cận—ảnh đĩa thị giác là một phương thức chụp hình thường xuyên, chi phí thấp và di động, đặc biệt có giá trị trong các môi trường thiếu cơ sở hạ tầng OCT. Dự đoán độ dày RNFL từ những ảnh này có thể hỗ trợ cả phân loại rủi ro và theo dõi tiến triển mà không cần thiết bị chuyên dụng.

Tuy nhiên, phải xem xét một số hạn chế. Đội ngũ nghiên cứu bao gồm bệnh nhân từ một thử nghiệm lâm sàng có đặc điểm rõ ràng với theo dõi chặt chẽ; khả năng tổng quát hóa cho các quần thể đa dạng và các môi trường lâm sàng thực tế cần được kiểm chứng thêm. Ngoài ra, chất lượng hình ảnh và sự biến đổi giữa các thiết bị và người vận hành có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của mô hình học sâu. Nghiên cứu tập trung vào các mắt có tăng nhãn áp, do đó tính hữu ích trong các loại glaucoma khác vẫn cần được xác định.

Dù có những vấn đề này, cách tiếp cận này phù hợp với xu hướng hiện tại nhằm tích hợp các thuật toán AI vào quy trình làm việc lâm sàng thường xuyên, nâng cao việc chẩn đoán sớm glaucoma và quản lý cá nhân hóa.

Kết luận

Nghiên cứu của Liu et al. minh họa mạnh mẽ rằng một mô hình học sâu được huấn luyện bằng OCT có thể dự đoán chính xác độ dày RNFL từ ảnh đĩa thị giác trong các mắt tăng nhãn áp và những dự đoán này dự báo độc lập nguy cơ chuyển đổi sang glaucoma góc mở nguyên phát.

Độ dày RNFL dự đoán ở thời điểm cơ bản và tốc độ giảm của nó là các dấu ấn sinh học có ý nghĩa bổ sung các yếu tố nguy cơ lâm sàng hiện có, cung cấp một phương pháp không xâm lấn, dễ tiếp cận để thông tin về đánh giá rủi ro glaucoma và theo dõi tiến triển bệnh. Các kết quả này mở rộng tiềm năng của phân tích hình ảnh được hỗ trợ bởi AI để cải thiện quyết định lâm sàng và kết quả của bệnh nhân trong chăm sóc glaucoma.

Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào kiểm chứng triển vọng trên các quần thể rộng hơn và tích hợp vào các nền tảng thực hành lâm sàng cho hỗ trợ quyết định theo thời gian thực. Sáng kiến này đại diện cho một cuộc cách mạng hướng tới việc phân loại rủi ro nhãn khoa dễ tiếp cận, hiệu quả và định lượng hơn bằng trí tuệ nhân tạo.

深度学习通过眼压增高的视盘照片预测视网膜神经纤维层厚度以评估青光眼风险

深度学习通过眼压增高的视盘照片预测视网膜神经纤维层厚度以评估青光眼风险

亮点

  • 从视盘照片中通过深度学习预测的视网膜神经纤维层(RNFL)厚度与眼压增高患者发展为原发性开角型青光眼(POAG)的风险相关。
  • 基于OCT数据训练的机器对机器(M2M)模型能够准确地从眼底图像中估计RNFL厚度,避免了对OCT设备的依赖。
  • M2M模型识别的基线预测RNFL厚度和纵向变薄率在OHTS队列中独立预测转化为POAG。
  • M2M预测的RNFL厚度提供了一种非侵入性的、易于获取的生物标志物,用于青光眼风险分层和进展监测。

研究背景和疾病负担

原发性开角型青光眼(POAG)是全球导致不可逆失明的主要原因之一,其特征是视网膜神经节细胞及其轴突的进行性丧失,临床上表现为视网膜神经纤维层(RNFL)变薄和视神经损伤。早期检测和监测对于预防视力丧失至关重要。眼压增高定义为眼内压(IOP)升高但无明显的青光眼损害,显著增加了发展为POAG的风险。眼压增高治疗研究(OHTS)建立了临床风险因素,但目前青光眼诊断和进展监测通常依赖于光学相干断层扫描(OCT),这在全球范围内不易获得且成本较高。

近年来,深度学习的发展使得可以从常规视盘照片中预测成像生物标志物如RNFL厚度。这种方法可以通过利用现有的照片数据而无需依赖OCT来实现青光眼风险评估的民主化。刘等人的这项研究调查了经过OCT训练的深度学习模型(机器对机器,M2M)从眼压增高患者的视盘照片中预测RNFL厚度的能力,并评估了其对POAG发展的预后价值。

研究设计

这项诊断研究分析了来自OHTS 1和2多中心试验的数据,涉及1636名参与者中的3272只眼睛,这些参与者在入组时有眼压增高但无青光眼。研究期间从1994年2月持续到2008年12月。包括基线视盘照片、人口统计学和临床参数。经过OCT衍生的RNFL厚度训练的M2M深度学习模型从66,714张视盘图像的大数据集中生成预测的RNFL厚度值。

主要结果集中在预测的RNFL厚度与转化为POAG的相关性上,使用Cox比例风险模型进行单变量和多变量分析。其他已知的POAG风险因素——年龄、IOP、中央角膜厚度、视野参数和杯盘比——也进行了评估。

关键发现

在分析的1444名参与者中,平均年龄为56.0岁,57.7%为女性。发展为POAG的眼睛基线预测RNFL厚度(94.1 μm)显著低于未转化的眼睛(97.1 μm),平均差异为3.0 μm(95% CI,2.2–3.8;P < .001)。

单变量Cox分析显示,每减少10 μm的预测RNFL厚度,转化为POAG的风险几乎增加一倍(HR 1.97;95% CI 1.60–2.42;P < .001)。在调整其他风险因素后,这种关联仍然显著(HR 1.83;95% CI 1.49–2.25;P < .001)。已知的风险因素如年龄较大、IOP较高、中央角膜厚度较薄、视野模式标准差较差、平均偏差较大和杯盘比较大在两种分析中都是独立的预测因子。

重要的是,模型预测的纵向RNFL变薄率是一个强有力的危险因素:每年预测损失增加1 μm的速度使POAG风险增加六倍(HR 6.01;95% CI 3.33–10.64;P < .001)。

这些发现证实,基线和动态变化的M2M预测RNFL厚度提供了超出传统临床参数的青光眼发展预后信息。

专家评论

这项研究展示了人工智能在眼科的强大转化应用,采用了一种机器对机器的方法,即通过OCT测量的RNFL厚度训练的深度学习模型从广泛可用的视盘照片中生成替代定量生物标志物。

其优势在于可访问性——视盘照片是一种常规、低成本且便携的成像方式,特别是在缺乏OCT基础设施的环境中尤为有价值。从这些照片中预测RNFL厚度可以在不依赖专业设备的情况下辅助风险分层和监测进展。

然而,必须考虑一些局限性。研究队列包括来自一个经过良好表征的临床试验的患者,具有严格的随访;将其推广到不同的人群和现实世界的临床环境需要进一步验证。此外,不同设备和操作员之间的图像质量和变异可能会影响深度学习模型的性能。该研究重点关注眼压增高的眼睛,因此其在其他青光眼亚型中的效用仍有待确定。

尽管存在这些问题,这种方法符合当前将AI算法整合到常规临床工作流程的趋势,有助于早期青光眼诊断和个性化管理。

结论

刘等人的研究有力地证明了经过OCT训练的深度学习模型可以准确地从眼压增高眼睛的视盘照片中预测RNFL厚度,并且这些预测独立预测转化为原发性开角型青光眼的风险。

基线预测RNFL厚度及其下降率是有意义的生物标志物,补充了现有的临床风险因素,提供了一种非侵入性的、广泛可用的方法,用于青光眼风险评估和进展监测。这些发现扩展了AI驱动的成像分析在改善青光眼护理中的临床决策和患者结局的潜力。

未来的研究应集中在更广泛人群的前瞻性验证和集成到临床实践平台中,以实现实时决策支持。这一创新代表了使用人工智能进行更易访问、高效和定量的眼科风险分层的范式转变。

Comments

No comments yet. Why don’t you start the discussion?

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *