清華新聞網(wǎng)2月5日電 斜視影響全球約4%左右的兒童，會(huì)導(dǎo)致雙眼視軸不能協(xié)調(diào)對(duì)焦，進(jìn)而損害雙眼視功能，嚴(yán)重影響患者的視覺(jué)健康與日常生活。常規(guī)的斜視診斷依賴(lài)于多種精密儀器和繁瑣的分步檢查（如三棱鏡遮蓋試驗(yàn)、Hess屏檢查等）。這不僅高度依賴(lài)醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，還需要患者保持高度配合——這對(duì)于低齡患兒來(lái)說(shuō)幾乎是“不可能完成的任務(wù)”。此外，準(zhǔn)確測(cè)量斜視角度并客觀(guān)評(píng)估眼外肌功能與手術(shù)治療方案確定息息相關(guān)，由于斜視角度測(cè)量不準(zhǔn)確導(dǎo)致的非計(jì)劃再次手術(shù)率高達(dá)20-50%。
針對(duì)這一臨床痛點(diǎn)，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馮雪教授，陳毅豪副研究員課題組與首都醫(yī)科大學(xué)北京同仁醫(yī)院斜視與小兒眼科主任醫(yī)師焦永紅團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種基于柔性電子傳感與輕量化端側(cè)人工智能模型結(jié)合的斜視數(shù)字化診斷新范式。該研究利用眼球轉(zhuǎn)動(dòng)引起上眼瞼協(xié)同形變這一客觀(guān)物理過(guò)程，借鑒實(shí)驗(yàn)力學(xué)中經(jīng)典的變形傳感應(yīng)變花構(gòu)型，利用其高精度、高可靠的傳感特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)眼瞼各向變形的精準(zhǔn)測(cè)量，并將它與可運(yùn)行在可穿戴設(shè)備端側(cè)的輕量級(jí)人工智能算法相結(jié)合，對(duì)本地多通道傳感信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼與特征提取，實(shí)現(xiàn)從物理信號(hào)到臨床指標(biāo)的直接映射，完成斜視狀態(tài)與斜視角度的直接測(cè)量。所構(gòu)建的柔性眼瞼可穿戴斜視數(shù)字化診斷系統(tǒng)（Eyelectronics）厚度約60微米、重量?jī)H2.48克，具有透氣防水特性，可共形貼附于敏感眼瞼皮膚，在不影響自然眼動(dòng)的情況下完成快速、無(wú)感的醫(yī)學(xué)檢測(cè)。
圖1.集成人工智能算法的柔性可穿戴斜視數(shù)字化診斷系統(tǒng)“Eyelectronics”
眼球運(yùn)動(dòng)與眼瞼形變之間的關(guān)系極為復(fù)雜，不同人的眼球大小、眼瞼形態(tài)、皮膚彈性都有差異，難以用簡(jiǎn)單的物理公式描述，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地建立了“物理模型-計(jì)算仿真-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”（Model2Sim2Real）的閉合研究回路，基于核磁共振成像建立精確眼部三維模型，通過(guò)有限元仿真模擬眼球運(yùn)動(dòng)引起的眼瞼變形，再以數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)揭示了眼球-眼瞼協(xié)同運(yùn)動(dòng)的力學(xué)規(guī)律，獲得數(shù)據(jù)并以此訓(xùn)練出高魯棒性端側(cè)AI模型。該算法的輕量化設(shè)計(jì)適合部署在內(nèi)存有限的邊緣可穿戴設(shè)備?；诳膳恐苽涞牡统杀救嵝詰?yīng)變傳感陣列及其信號(hào)特征，實(shí)現(xiàn)斜視角度測(cè)量和眼外肌功能評(píng)估等完整診斷步驟。在臨床眼動(dòng)檢查中實(shí)現(xiàn)了96.6%的方向分類(lèi)準(zhǔn)確率和1.2°的測(cè)量精度。
圖2.集成人工智能算法的Eyelectronics實(shí)現(xiàn)眼動(dòng)方向分類(lèi)與角度回歸
研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)展了臨床實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證該系統(tǒng)作為斜視數(shù)字化診斷設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景。利用Eyelectronics對(duì)斜視患者的斜視角度及麻痹性眼外肌定位進(jìn)行同步測(cè)量，與臨床標(biāo)準(zhǔn)（Hess屏測(cè)試）相比，其組內(nèi)相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.978，證實(shí)了診斷的一致性。集成人工智能算法的Eyelectronics系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和魯棒性，在不同年齡、性別和眼瞼表型方面的性能保持一致。該無(wú)線(xiàn)、舒適的一站式斜視診斷數(shù)字解決方案，有望解決臨床斜視角度測(cè)量與眼外肌功能評(píng)估中因使用多種儀器、復(fù)雜步驟、依賴(lài)主觀(guān)反饋而產(chǎn)生的局限性問(wèn)題。本研究體現(xiàn)了以傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)和剛性精密硬件為主導(dǎo)的復(fù)雜檢測(cè)模式，轉(zhuǎn)向以簡(jiǎn)單的柔性電子器件為核心，結(jié)合人工智能算法的數(shù)字化智能診斷范式。
圖3.斜視患者的臨床實(shí)驗(yàn)對(duì)比
相關(guān)成果以“集成AI的類(lèi)皮膚可穿戴‘Eyelectronics’實(shí)現(xiàn)一站式斜視數(shù)字化診斷”（One-stop Strabismus Digital Diagnosis via AI-integrated Skin-like and Wearable “Eyelectronics”）為題，于1月28日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊。
這項(xiàng)工作不僅為兒童斜視的客觀(guān)化、舒適化診斷提供了切實(shí)解決方案，更是具身智能在醫(yī)療領(lǐng)域的實(shí)踐，從方法學(xué)層面展示了如何通過(guò)賦予智能系統(tǒng)以精細(xì)的物理感知能力（即“柔性傳感+端側(cè)智能”），使其更自然、更精準(zhǔn)地理解并與人相交互這一具身智能架構(gòu)在未來(lái)醫(yī)療診斷中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為具身智能賦能醫(yī)學(xué)補(bǔ)齊感知物理世界的“皮膚”及低延遲端側(cè)決策的“周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)”。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后楊永（已出站），2017級(jí)博士生劉鑫（已畢業(yè)）為該論文的共同第一作者，馮雪、陳毅豪及焦永紅為共同通訊作者，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系博士生唐建凱與王運(yùn)濤副研究員做出重要貢獻(xiàn)。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。
相關(guān)論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb7242
供稿：航院
編輯：贠爾茹
審核：黃思南
