通过卷积神经网络分析ECT成像和临床检验数据评估糖尿病视网膜病变和糖尿病肾病之间的相关性.pdf

欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁氉氉氉氉引文格式：唐娟，李庆华，邓秀英，鲁婷，唐国强，林志武，等 通过卷积神经网络分析 成像和临床检验数据评估糖尿病视网膜病变和糖尿病肾病之间的相关性 眼科新进展，（）：【应用研究】通过卷积神经网络分析 成像和临床检验数据评估糖尿病视网膜病变和糖尿病肾病之间的相关性唐娟李庆华邓秀英鲁婷唐国强林志武刘兴德吴小利方其林李盈王潇周燕李彪戴传强李涛欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁氉氉氉氉作者简介：唐娟（：），女，年 月出生，四川广安人，硕士研究生，重庆医科大学老年医学专业在读博士。研究方向：糖尿病及其并发症。：通信作者：李涛（：），男，年 月出生，四川资阳人，硕士研究生，重庆医科大学眼科学专业在读博士。研究方向：眼 底 病 和 白 内 障。：收稿日期：修回日期：本文编辑：盛丽娜基金项目：四川省资阳市科技计划项目（编号：，）；成都医学院 附属（教学）医院联合科研基金（编号：）作者单位：四川省资阳市，资阳市第一人民医院内分泌科（唐娟，李庆华，鲁婷）；四川省资阳市，资阳市精神病院（邓秀英）；四川省眉山市，眉山市彭山区人民医院（唐国强）；四川省资阳市，资阳市第一人民医院胸心外科（林志武）；四川省资阳市，资阳市第一人民医院眼科，资阳市眼科重点实验室（刘兴德，吴小利，方其林，李盈，周燕，李彪，李涛）；四川省资阳市，资阳市第一人民医院耳鼻咽喉头颈外科（王潇）；四川省资阳市，资阳市第一人民医院骨科（戴传强）【摘要】目的从影像学和临床检验数据综合评估 型糖尿病患者（）中糖尿病肾病（）和糖尿病视网膜病变（）的相关性。方法选取 年 月至 年 月就诊于资阳市第一人民医院的 患者 例，所有患者均行眼底照相和荧光素眼底血管造影检查，收集患者年龄、性别、持续时间、心血管疾病、脑血管疾病、高血压、吸烟史、饮酒史、体重指数、收缩压和舒张压等临床数据。测量空腹血糖、甘油三酯、总胆固醇、高密度脂蛋白胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、糖化血红蛋白、尿白蛋白、尿白蛋白 肌酐、血肌酐和血尿素氮水平。采用 回归分析与 相关的危险因素。根据眼底图片进行 分期，采用卷积神经网络（）算法作为图像分析方法，通过 成像技术和临床检验数据评估 和 之间的相关性。结果采用 算法进行分析，无明显 、轻度非增生型 （）、中度 、重度 和增生型 （）组患者的 和 病变面积率均高于采用传统算法（）的结果。随着 的加重，患者血肌酐、血尿素氮、尿白蛋白和尿白蛋白 肌酐均逐渐升高，无明显 、轻度 、中度 、重度 和 组患者的 发生率分别为 、和 。回归分析结果显示，持续时间、吸烟史、糖化血红蛋白、总胆固醇、甘油三酯、高密度脂蛋白胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、尿白蛋白、血肌酐、血尿素氮、尿白蛋白 肌酐、肾小球滤过率是 的独立危险因素。肾动态 成像分析结果表明，随着 的加重，肾血流灌注逐渐减少，从而导致肾过滤功能下降。结论在 患者中，算法早期应用于 和 图像的分析，将有助于提高 和 病变面积诊断准确性，随着 病变的加重，的严重程度逐渐增加。【关键词】卷积神经网络；型糖尿病；糖尿病视网膜病变；糖尿病肾病；成像技术【中图分类号】糖尿病是一种以血糖水平异常为特征的公共健康问题 。据世界卫生组织报道，全球约有 亿糖尿病患者，并预测到 年，全球将有 亿糖尿病患者 。随着胰岛素的出现和抗生素的合理使用，糖尿病酮症酸中毒、糖尿病足和严重全身感染等并发症已大大减少 。然而，糖尿病视网膜病变（）、糖尿病肾病（）和其他由糖尿病引起的疾病已成为严重影响患者生活质量的主要并发症 。是糖尿病患者最常见的微血管疾病之一，其发病主要取决于糖尿病持续时间、血糖、血压、血脂和糖尿病类型 。此外，病程超过 年的糖尿病患者中，几乎 被诊断为 ，他们的视觉质量随着时间的推移逐渐下降 。与糖尿病引起的 发病机制相似，也被认为是糖尿病引起的微血管疾病，其特征是糖尿病肾小球硬化的形成 。此外，约 的糖尿病患者有肾脏并发症，这已成为发达国家终末期肾病（）的主要原因 。近年来，有研究表明，肥胖、高血压、血脂异常、动脉硬化和其他疾病可能是 和 患者的常见危险因素 。此外，尿白蛋白排泄率低、肾小球滤过率异常和尿白蛋白肌酐比值异常在 的发病机制和进展中起着重要作用 。同时，糖尿病患者 的发病时间早于 ，且随着 的加重，的发生率会显著增加。然而，仍缺乏证实 和 之间关系的影像学数据 。众所周知，的诊断主要取决于眼底检查观察微血管的病理变化 。作为确定 程度的最重要方法之一，眼底造影已成为糖尿病患者快速、无创、耐受性好且可广泛使用的成像技术 。此外，与其他侵入性手术（如肾穿刺）相比，发射计算机断层扫描（）采用 作为对比剂，可以显示肾脏的形状、位置和血液灌注，具有无创性和高安全性的优点 。卷积神经网络（）与自动特征提取器可对眼底照相和 成像图片进行 智能扫眼 科新进展 年 月第 卷第 期 ：描和数据分析，构建具有深度学习架构的多层神经网络。因此，本研究采用 及其各种算法和架构作为深度学习方法来检测和分类视网膜和肾脏图像，并使用 成像技术和临床测试标准从多个角度评估 和 之间的相关性。资料与方法 一般资料选取 年月至 年 月就诊于资阳市第一人民医院的 型糖尿病（）患者 例，其中男 例，女 例；年龄 （）岁。所有患者均排除 型糖尿病、急性肾损伤、糖尿病酮症酸中毒、急性高血糖症状（伴有重度酮尿）、急性感染、白内障。本研究遵守 赫尔辛基宣言 原则，通过资阳市第一人民医院伦理委员会审批 批号：审（号），所有患者均签署知情同意书，患者在整个试验过程中充分知晓风险并随时享有退出的权利。临床检查数据记录患者年龄、性别、持续时间、心血管疾病、脑血管疾病、高血压、吸烟史、饮酒史、体重指数（）、收缩压（）和舒张压（）等临床数据。测量空腹血糖（）、甘油三酯（）、总胆固醇（）、高密度脂蛋白胆固醇（）、低密度脂蛋白胆固醇（）、糖化血红蛋白（），使用自动生化分析仪（，博科）评估血肌酐（）和血尿素氮（）水平。通过尿潴留测定 尿白蛋白（）和尿白蛋白 肌酐（）。使用 检测试剂盒（公司，北京）检测微量白蛋白水平。的诊断及分组眼科常规检查后行荧光素眼底血管造影检查并确立 诊断，同时由经验丰富的眼科临床医师根据世界卫生组织制定的 分期标准进行分级 ；其中无明显 组、轻度非增生型 （）组、中度 组、重度 组和增生型 （）组患者各 例。的诊断根据 成像数据，通过肾小球滤过率（）确定本研究中 的诊断和病变程度 。使用计算机 成像技术和专用软件获得肾脏区域、肾病深度、肾血流灌注、肾药物摄取率、和峰值时间等数据。眼底病变面积传统计算方法本研究眼底病变面积传统计算方法（）为采用卡尺测量并计算所得，病变面积率 计算的眼底病变面积 眼底图片采集面积 。眼底病变面积 算法 算法作为深度学习的重要组成部分之一，可以实现从下到上（输入 输出）和从左到右（时间 到时间 ）的信息传输，具体过程见图 。通过 对 和 的影像图片中病变面积率进行准确计算和对比分析。图 通过 算法评估 和 之间相关性的过程 卷积层的计算方法将搜索数据放入网络，并进行卷积滤波器滤过。然后，提取数据的局部特征。具体公式为 ：（）其中，为卷积层的第一信号的输出；为卷积层的第一信号的权重向量；为卷积层的偏置矢量；为输入数据上卷积核的感受野；“”表示卷积运算，（）表示激活函数。下采样层的计算方法下采样通常使用 窗口，最大池层取 个数字的最大值，而平均池层取平均值 。具体为：（）其中，为 层第 通道的特征；为权重；为偏倚；（）表示下采样。统计学方法通过 和 算法对不同 分期患者眼底照相（）和荧光素眼底血管造影（）上 的病变面积率以及 图像上 的病变面积率进行统计分析。应用 统计软件处理数据，计数资料采用均数 标准差表示，组间比较采用 进行分析。使用 回归分析 相关危险因素。检验水准：。结果 通过 和 计算的 和 图像上病变区域的差异分析使用 和 两种方法评估不同阶段 患者的 和 的病变情况，根据眼底造影分析，无明显 、轻度 、中度 、重度 和 组患者 计算的 病变面积率均低于 和 （和 分别表示 根据眼底照相和荧光素眼底血管造影计算的 病变面积率）（表、图）。的 ：眼 科新进展 年 月第 卷第 期 病变面积率高于 。此外，算法（）根据 图像计算的无明显 、轻度 、中度 、重度 和 组患者的 病变面积率均高于依据 计算（）的结果（表）。上述结果表明，与 算法相比，算法在 和 图像分析方面准确性更高。表 通过 和 计算的 病变面积率以及 图像上 的病变面积率检测方法病变面积率 无明显 组轻度 组中度 组重度 组 组 注：代表 、各组比较的 值；代表 与 比较的 值。图 计算机辅助 算法在 病变面积率统计分析中的应用模拟图 不同 分期患者的病史和实验室数据分析与无明显 组相比，轻度 、中度 、重度 和 组患者的平均 、和 水平均逐渐升高，组患者最高，水平逐渐降低，组患者最低，两两相比差异均有统计学意义（均为 ）。组患者年龄、性别、合并高血压、有饮酒史、和 方面差异均无统计学意义（均为 ）（表 ）。不同 分期患者肾功能指标分析与无明显 组相比，轻度 、中度 、重度 和 组患者的 、和 的平均水平均逐渐增加，组患者最高，两两比较差异均有统计学意义（均为 ）。根据相关指标进一步计算 后，与无明显 组相比，轻度 、中度 、重度 和 组患者的平均 逐渐降低，组最低，两两比较差异均有统计学意义（均为 ）（表 ）。采用 回归分析与 相关的危险因素（表 ）。结 果 表 明，持 续 时 间、吸 烟 史、均是 的独立危险因素（均为 ）。的总体发病率为 ，无明显 、轻度 、中度 、重度 和 组患者 发病率分别为 、和 ，随 的加重 发病率逐渐增加，差异有统计学意义（）（表 ）。表 不同 病变程度患者相关临床数据分析项目无明显 组轻度 组中度 组重度 组 组年龄 年 男性占比 糖尿病病程 年 合并高血压占比 有饮酒史占比 有吸烟史占比 （）（，）（，）（，）（，）（，）（）（）（）（，）（，）（，）（，）（，）（）注：。眼 科新进展 年 月第 卷第 期 ：表 不同 病变程度患者间 、的数据统计分析因素无明显 组轻度 组中度 组重度 组 组 （）（）（）（）表 病变相关危险因素的 回归分析因素 （）性别 例 （，）年龄 年 （，）持续时间 年 （，）吸烟史 （，）饮酒史 （，）（，）（，）（）（，）（）（，）（）（，）（）（，）（）（，）（）（，）（，）（，）（）（，）表 不同 病变程度患者 分期情况组别 期 期 期 期 期 患病率无明显 组 轻度 组 中度 组 重度 组 组 总计 成像技术分析不同 分期患者的肾功能指标肾动态 成像技术分析结果表明，无明显 、轻度 、中度 、重度 和 组患者随着 的加重，显影的肾脏区域和肾病深度均增加，肾血流灌注、肾药物摄取率及 均降低，差异均有统计学意义（均为 ）（表 ）。表 不同 病变程度 图像数据相关参数分析因素无明显 组轻度 组中度 组重度 组 组肾脏区域 肾病深度 肾血流灌注 肾药物摄取率 （）峰值时间 讨论目前，大多数眼科医生根据自己的临床经验对眼底照相或者荧光素眼底造影图片进行病变范围的评估，缺少对于图片等影像资料的系统性分析，特别是缺乏对 病变面积的准确性分析。等 研究认为，算法可以有效提高 患者的诊断，准确率超过 ；等 研究认为，算法应用于糖尿病患者眼底筛查影像技术中，将有助于提高 的诊断准确性。本研究利用 算法分析 和 患者影像图片，并通过临床数据对不同 和 分期患者之间的相关性进行对比分级，结果发现：（）与 算法相比，提供了一种更准确和方便的自动图像分析方法，这对区分 患者的眼底视网膜血管病变范围具有重要意义；（）持续时间、吸烟史、高胆固醇血症、肾功能不全和高 水平与 和 的发生密切相关；（）随着 的逐渐加重，的发病率逐渐增加。糖尿病患者长期高血糖可导致多器官功能障碍，其中微血管病变是主要的病理表现 。和 是最常见的糖尿病微血管病变类型，它们具有共同的发病机制，涉及遗传因素、晚期糖基化终末产物、多元醇途径、细胞因子和免疫炎性因子等 。患者往往发病隐匿，早期无明显临床症状。大多数患者在 年糖尿病期内运动后出现微量白蛋白尿，年后出现持续性微量蛋白尿，年后出现大量蛋白尿，年后进入肾衰竭阶段。现在，它已成为终末期肾病的主要原因 。因此，如何早期在糖尿病患者中筛查出 ，对有效控制糖尿病的发展具有重要意义。的主要病理变化是基底膜增厚、微血管瘤形成、内皮细胞增殖、血 视网膜屏障破坏、毛细血管阻塞和新生血管形成 。主要临床表现为黄斑水肿、视力受损甚至失明。研究表明，在 患者中，的发病率将随着 持续时间的延长而逐年增加 。在 持续 年内，发病年龄越大，的发病率越高。如果 持续时间超过 年，无论患者的年龄如何，的严重程度都会显著升高。等 研究认为，对 患者早期使用散 ：眼 科新进展 年 月第 卷第 期 瞳检查进行眼底筛查，可有效预防与治疗 病变，同时结合患者的全身血液学指标进行 和糖尿病周围神经病变筛查及治疗，将有效改善患者生存质量，但目前针对 患者与 患者的相关性研究尚需进一步讨论。本研究采用 算法，对 和 患者的检查图片进行分析，结果表明，与 算法相比，算法在 和 图像分析方面准确性更高。分析肾功能相关指标结果表明，随着 病变程度的加重，患者 、和 水平逐渐升高，而 逐渐降低，与 相关的检测指标呈现逐渐恶化的趋势。回归分析结果显示，持续时间、吸烟史、和 是 的独立危险因素。等 研究表明，吸烟会产生许多有害的化学物质，如一氧化碳和焦油，这些物质会增加血液黏度，缩小血管通道，从而导致更多的胆固醇留在血管壁，进一步导致血管壁受损，降低血管弹性，并诱发全身性血管病。此外，的增加进一步加速了 和 中微血管疾病的发展，并通过血流动力学、多元醇途径和其他效应在视网膜病变和肾病的发生中发挥重要作用，这表明长期高 是 和 发病机制中的一个重要因素 。本研究进一步从不同 病变程度患者 异常率角度分析，结果提示，的发病率随 的加重而逐渐增加，说明在 患者中早期进行 相关指标筛查，特别是对 期患者进行肾脏功能指标检测，将有助于早期在 患者中筛查出肾脏病变的患者。肾血流动力学的变化也是 发生和发展的主要原因之一，是反映这种变化的敏感指标之一 。本研究采用无创安全的 成像技术对不同病变程度的 患者进行肾血流灌注成像，结果发现，随着 病变的加重，肾血流灌注和肾实质图像减少，肾实质的出现和消退延迟。可见使用 成像技术对 患者的相关肾脏指标进行早期筛查将有助于降低 的发生率。结论 算法为分析 和 图像提供了一种更准确、高效和更简单的方法。在 患者中，随着 的加重，的严重程度以线性关系逐渐增加。同时，持续时间、高血压、血脂异常和肾功能障碍是 患者患 的重要危险因素。与肾穿刺等侵入性手术相比，成像技术在 患者肾功能检测中的应用具有无创性、安全性和高通用性的优点，该技术可以早期有效筛查 患者，及时采取干预措施，延缓 的发展，提高糖尿病患者的长期生活质量。参考文献 ，（）：，：，：，（）：，（），（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，?，?，?，（）：，?，：，（）：，：，（）：，?，：，（）：，：，（）：，（）：，（），：，：，：，：，（）：，：，眼 科新进展 年 月第 卷第 期 ：，（）：，：，：，（）：，：，（）：，（）：（），：，：，：，（）：，：？，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，?，：，：，（）：，：，：【】（）（）（），（），（），（），（），（），（），（），（），（）（），（）（），（），（）（），（），【】；：眼 科新进展 年 月第 卷第 期