基于隨機森林算法的角膜塑形鏡近視控制效果預(yù)測研究

程健，陸勤康

近視是最為常見的屈光不正類型，同時也是全球疾病中導(dǎo)致視覺損害和致盲的重要一類病因。而其中高度近視人群面臨著潛在的一系列視功能損傷性并發(fā)癥，例如近視相關(guān)性黃斑變性、視網(wǎng)膜脫離及開角型青光眼等[1]。但幸運的是臨床上已經(jīng)有較多有效控制近視進(jìn)展的技術(shù)，包括特殊設(shè)計的框架眼鏡、藥物治療以及角膜塑形鏡（OK 鏡）[2-4]。但上述治療方式在效果、費用及并發(fā)癥方面皆存在個體差異，精準(zhǔn)的預(yù)估近視發(fā)展情況可以幫助對近視高風(fēng)險人群做出更加及時有效的診療，本研究目的是通過隨機森林算法，以臨床診療數(shù)據(jù)為特征來搭建一個預(yù)測配戴角膜塑形鏡后近視控制效果的模型，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性收集2015 年6 月至2020 年12 月在寧波大學(xué)附屬人民醫(yī)院眼科中心首次驗配角膜塑形鏡并隨訪1 年以上的患者，選用的角膜塑形鏡類型為視覺重塑（VST）設(shè)計。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）未規(guī)律配戴角膜塑形鏡（每周配戴時間少于6 晚或連續(xù)停戴時間超過1 個月）；（2）聯(lián)合治療者（角膜塑形鏡聯(lián)合低濃度阿托品滴眼液或角膜塑形鏡聯(lián)合框架眼鏡）；（3）有基礎(chǔ)性疾病及長期用藥者。本研究經(jīng)寧波大學(xué)附屬人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審批通過。

1.2 方法 根據(jù)Santodomingo-Rubido 等[5]的研究，選取驗配角膜塑形鏡時的年齡、球鏡度數(shù)、柱鏡度數(shù)、眼軸長度、角膜平坦曲率、眼別及性別作為自變量來構(gòu)建角膜塑形鏡控制效果的預(yù)測模型。其中球鏡、柱鏡度數(shù)通過主覺驗光獲得，驗光終點為單眼最佳矯正視力。眼軸長度測量采用德國蔡司公司的IOL-Master 500，角膜平坦曲率測量采用日本TOMEY 公司的TMS-4 角膜地形圖儀?；颊叱醮悟炁浣悄に苄午R時的眼軸長度作為基線，若配戴角膜塑形鏡1 年后眼軸長度增長低于0.3 mm，則認(rèn)為該患者配戴角膜塑形鏡控制近視效果明顯，反之則認(rèn)為該患者配戴角膜塑形鏡控制近視效果欠佳。以角膜塑形鏡控制近視效果是否明顯作為該模型的應(yīng)變量。

1.3 統(tǒng)計方法 本研究中分析軟件選用R Studio（2022.12.0.0），使用R 包為十折交叉驗證的隨機森林分類，每個變量對分類器的準(zhǔn)確度貢獻(xiàn)通過變量重要性分?jǐn)?shù)評估，在R包中使用ROC曲線檢驗評估模型的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果

本研究共納入患者115 例（115 眼），其中男38例，女77 例；右眼60 眼，左眼55 眼；平均年齡（10.4±2.1）歲；平均球鏡度數(shù)（-1.87±0.77）D；平均柱鏡度數(shù)（-0.16±0.44）D；平均眼軸（24.22±0.72）mm；平均角膜平坦曲率（42.61±1.15）D。將所有特征放入后進(jìn)行初始隨機森林模型構(gòu)建，并對各特征的貢獻(xiàn)度進(jìn)行分析，見圖1。

圖1 初始隨機森林模型ROC 曲線及變量重要性分?jǐn)?shù)評估

初始隨機森林模型ROC 曲線下面積（AUC）為0.639，通過變量重要性分?jǐn)?shù)評估發(fā)現(xiàn)對于角膜塑形鏡控制效果預(yù)測準(zhǔn)確性貢獻(xiàn)度較大的前三位因素為驗配角膜塑形鏡時的年齡、眼軸及角膜平坦曲率。經(jīng)多次模型特征調(diào)整后，最終使用配戴角膜塑形鏡時的年齡、眼軸、角膜平坦曲率、球鏡度數(shù)及柱鏡度數(shù)5 個特征，利用十折交叉驗證的隨機森林模型的總體預(yù)測準(zhǔn)確率為82.61%，特異性為88.9%，敏感性為71.4%，模型Kappa 值為58.93%，AUC 為0.802，見圖2。通過上述5 個特征所建的模型能夠較好預(yù)測患者在配戴角膜塑形鏡1 年后的近視控制效果。

圖2 最終隨機森林模型ROC 曲線圖

3 討論

在21 世紀(jì)初，全球近視率呈現(xiàn)快速增長趨勢，尤其在東亞地區(qū)，18 歲人群的近視率達(dá)到80%～90%，同時他們的高度近視率達(dá)到10%～20%[6]。Holden 等[7]通過1995 年以來發(fā)表的近視相關(guān)文獻(xiàn)推測，到2050 年全球?qū)⒂?7 億的近視人群以及9.3億的高度近視人群。目前臨床近視防控方法主要有三種：低濃度阿托品滴眼液、周邊離焦鏡及角膜塑形鏡。其中角膜塑形鏡是一種過夜佩戴的隱形眼鏡，是目前臨床上應(yīng)用較多、效果較好的控制近視進(jìn)展的物理方法，其可以使角膜中央產(chǎn)生可逆性地平坦化，從而使配戴者白天有良好的裸眼視力。關(guān)于角膜塑形鏡控制近視進(jìn)展的機制仍未研究透徹，目前主流學(xué)說為“周邊離焦”理論，即移行的角膜上皮導(dǎo)致周邊視網(wǎng)膜的近視性離焦，從而抑制眼軸的增長以及近視度數(shù)的上升[8]。除此之外還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)高階像差會影響角膜塑形鏡的控制效果[9]。本研究發(fā)現(xiàn)對角膜塑形鏡預(yù)測準(zhǔn)確性貢獻(xiàn)較大的前三個因素為驗配角膜塑形鏡時的年齡、眼軸及角膜平坦曲率，這與Santodomingo-Rubido 等[5]的前瞻性研究結(jié)果相似，他們發(fā)現(xiàn)角膜塑形鏡的控制效果受到多種因素的影響，包括年齡、近視發(fā)病年齡及研究開始時的近視度數(shù)等。

本研究采用的隨機森林算法屬于機器集成學(xué)習(xí)中的一種，具有很好的分類性能和較高的分類準(zhǔn)確性，即使缺乏特征篩選也能得到較高的準(zhǔn)確率，具有較好的數(shù)據(jù)推廣能力。黃峻嘉等[10]在對比了5 種集成學(xué)習(xí)方法對未來視力情況進(jìn)行預(yù)測，綜合考慮魯棒性和精確度，隨機森林模型預(yù)測效果最好。同時劉奕志教授團隊也運用該算法建立了人工智能預(yù)測系統(tǒng)，可以對近視趨勢急性個體化預(yù)測，3 年內(nèi)準(zhǔn)確率達(dá)90%[11]。 隨機森立算法建立的模型可以通過ROC 曲線下面積來評估該模型的準(zhǔn)確性。本研究通過特征篩選后的隨機森林算法對配戴角膜塑形鏡后的近視控制效果進(jìn)行預(yù)測，通過驗配角膜塑形鏡時的年齡、眼軸、角膜平坦曲率、球鏡度數(shù)以及柱鏡度數(shù)5 個特征所建的模型能夠較好預(yù)測患者在配戴角膜塑形鏡1 年后的近視控制效果。

本研究也存在一定局限性，本研究數(shù)據(jù)里缺少瞳孔直徑及生長發(fā)育數(shù)據(jù)，有研究報道角膜塑形鏡控制效果與瞳孔大小相關(guān)[5，12]，同時身高發(fā)育與眼軸的增長呈正相關(guān)關(guān)系[13]，這些特征是否會提高或降低模型的準(zhǔn)確性仍待進(jìn)一步研究。