Keratoconus detection and classification from parameters of the Corvis®ST : Astudy based on algorithms of machine learning

Abstract

Hintergrund und ZielsetzungIn den vergangenen Jahren wurden zunehmend Systeme der künstlichen Intelligenz in der Medizin etabliert, die Pathologien oder Erkrankungen erkennen oder von komplementären Erkrankungen abgrenzen. Bisher liefert das Corvis®ST (Corneal Visualization Scheimpflug Technology, Oculus, Wetzlar, Deutschland) einen Index-CBI, der quasi binär Keratokonus klassifiziert, aber kein Staging zulässt. Ziel der Studie ist es, anhand von Messgrößen des Corvis®ST ein Vorhersagemodell zu entwerfen, das den Topographic Keratoconus Classification Index (TKC) der Pentacam high resolution (HR, Oculus) nachbildet.Patienten und MethodenEs wurden 60 Messungen an Normalprobanden (TKC 0) und 379 Augen mit Keratokonus (TKC 1 bis 4) in die Studie mit einbezogen. Nach der Messung mit der Pentacam HR (Zielgröße TKC) wurde eine Untersuchung mit dem Corvis®ST durchgeführt, aus der 6 Messparameter extrahiert wurden, die in den Corvis Biomechanical Index CBI eingehen (ARTh, SP-A1, DA-Ratio 1 mm, DA-Ratio 2 mm, A1 velocity, max. Deformation Amplitude). Neben dem TKC als Zielgröße wurde der binarisierte TKC (1: TKC 1 bis 4, 0: TKC 0) modelliert. Als Gütemaß wurde die Genauigkeit des Modells als Anteil der korrekten Klassifizierungen herangezogen. Fehlklassifizierungen wurden in der Modellierung so bestraft, dass die Abweichung des modellierten TKC-Wertes vom gemessenen Wert bewertet wurde.ErgebnisseEs wurden 24 verschiedene Modelle des überwachten maschinellen Lernens aus 6 Familien getestet. Für die Modellierung des TKC in Stufen von 0–4 zeigte das Modell, basierend auf einer Support Vector Machine (SVM) mit linearem Kernel, die beste Performance mit einem Anteil an richtigen Klassifizierungen von 65,1 %. Für den binarisierten Wert des TKC zeigte ein Decision Tree mit grober Auflösung die beste Performance mit einem Anteil an richtigen Klassifizierungen von 95,2 %, direkt gefolgt von der SVM mit linearem oder quadratischem Kernel und dem Nearest Neighborhood Classifier mit kubischem Kernel (jeweils 94,5 %).SchlussfolgerungenIn der Arbeit soll das Prinzip des überwachten Maschinenlernens in der Anwendung auf die modellierte Klassifizierung von Messbefunden gezeigt werden. So wurden Messdaten des Corvis®ST dazu verwendet, die Einteilung in den Schweregrad eines Keratokonus mittels Pentacam (TKC) mit einer ganzen Reihe von Algorithmen des maschinellen Lernens nachzubilden.