楊 帥，邵 杰，張 君

0引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，醫(yī)療水平也得到顯著提升，其中計算機領(lǐng)域內(nèi)的人工智能(artificial intelligence，AI)技術(shù)作為20世紀和21世紀世界尖端技術(shù)的代表之一，已在很多學(xué)科領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，并逐步滲透進人類社會的各個層面。AI是研究賦予計算機模擬人的某些思維過程和智能行為(如學(xué)習(xí)、推理、思考、規(guī)劃等)的學(xué)科，計算機借助系統(tǒng)深度學(xué)習(xí)等算法，可擁有智能處理信息的能力。目前AI技術(shù)已應(yīng)用在更高層次的場景中，如在醫(yī)學(xué)臨床診斷領(lǐng)域，AI能夠快速處理龐大的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)信息，準確地為臨床決策提供科學(xué)參考[1]。AI能夠輔助快速完成急診治療[2]；AI能夠輔助醫(yī)學(xué)影像，快速篩查CT圖像中的異常顯影[3]；AI也可以輔助病理檢查，更加快速、準確地得出病理結(jié)果[4-5]。此外，AI在眼科的應(yīng)用也已日益廣泛，極大地提高了眼科學(xué)疾病的診療效率。由于AI具有很強的自組織、自適應(yīng)和容錯能力，特別是在處理非線性問題上的巨大優(yōu)勢，可顯著優(yōu)化以往通過線性回歸算法發(fā)現(xiàn)的多數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)問題，實現(xiàn)對臨床數(shù)據(jù)庫的深度分析和自主決策[6]。計算白內(nèi)障手術(shù)植入的人工晶狀體(intraocular lens，IOL)屈光度就是AI技術(shù)在眼科應(yīng)用中的典型代表。

1白內(nèi)障治療與人工晶狀體屈光度計算誤差

伴隨我國老齡化社會進程加快，年齡相關(guān)性眼病發(fā)病率也日益增高[7]，其中，晶狀體透明性降低引起的白內(nèi)障逐漸成為老齡化社會常見的可致盲性眼科疾病[8]。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，目前全球白內(nèi)障患病人數(shù)逾3500萬，而部分發(fā)展中國家因白內(nèi)障致盲人數(shù)占總致盲人數(shù)超過50%[9]，可見白內(nèi)障患病率和致盲率均達到較高水平。由于目前尚無可逆轉(zhuǎn)晶狀體老化、改善其透明度的藥物，晶狀體置換成為現(xiàn)階段解決晶狀體老化引起白內(nèi)障的唯一有效手段[10-11]。隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們生活水平的不斷提升，患者對晶狀體置換手術(shù)的要求從過去的看得見，發(fā)展到如今的看得清、看得舒適，因此精準計算人工晶狀體屈光度就顯得尤為重要。目前的人工晶狀體屈光度計算公式經(jīng)過數(shù)代發(fā)展已經(jīng)將屈光誤差控制在較低水平，約71%～81%的常規(guī)角膜患者術(shù)后出現(xiàn)小于0.50D的屈光誤差，約95%～98%的患者術(shù)后出現(xiàn)小于1.00D的屈光誤差[12-14]，但仍有約5%～20%的患者會出現(xiàn)較大的屈光誤差，而導(dǎo)致其術(shù)后滿意度不高[14]，需再次進行屈光調(diào)整。

最大限度地減少屈光誤差，需要準確計算人工晶狀體屈光度。對于人工晶狀體屈光度計算主要有3種方法，即標(biāo)準屈光度法、臨床判斷法和公式計算法。前兩種計算方法因個體差異引起的屈光誤差較為明顯，已趨于淘汰，因而目前主流的計算方法是公式計算法，該方法基于物理光學(xué)理論，通過角膜屈光力、眼軸長度、術(shù)后有效晶狀體位置(effective lens position，ELP)這3個主要參數(shù)，計算所需植入的人工晶狀體屈光度。ELP是指在視軸上，角膜后頂點到人工晶狀體光學(xué)平面的垂直距離，它代表著人工晶狀體在眼球內(nèi)的縱向位置[15]。隨著眼前節(jié)檢查設(shè)備和眼科光學(xué)生物測量設(shè)備精度的逐步提高，角膜屈光力和眼軸長度測量誤差問題已得到顯著改善[16-18]。但ELP因無法通過術(shù)前測量得出[19]，僅能通過臨床主觀經(jīng)驗進行預(yù)測，因此提高ELP的準確性仍是人工晶狀體屈光誤差待以解決的關(guān)鍵。在公式計算法中，從初期公式到目前主流的三、四代公式，如SRK/T、Hoffer Q、Holladay Ⅱ、Haigis、Barrett Universal Ⅱ，均基于統(tǒng)計學(xué)中的回歸性研究理論對ELP進行預(yù)估。如果ELP預(yù)測偏低，會低估人工晶狀體的屈光力作用，反之亦然，且誤差量與ELP偏差距離和人工晶狀體屈光力強度呈正相關(guān)[20]。因此精準預(yù)測ELP，對于人工晶狀體植入術(shù)來說顯得尤為重要[21]。伴隨著AI技術(shù)逐漸應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域，依托AI技術(shù)有望優(yōu)化ELP預(yù)測精度，進一步降低人工晶狀體屈光度誤差[22]，提高患者滿意度。

2基于AI技術(shù)的人工晶狀體屈光度計算公式

AI人工晶狀體計算公式目前基于兩大原理：(1)將多組正確匹配的眼基礎(chǔ)參數(shù)及人工晶狀體屈光度預(yù)先輸入數(shù)據(jù)庫中，將患者的眼球參數(shù)與數(shù)據(jù)庫進行對比，得出患者所需的人工晶狀體屈光度，該原理最具代表性的AI公式是Hill-RBF和Kane公式；(2)基于目前廣泛使用的多個傳統(tǒng)人工晶狀體計算公式，將患者的眼參數(shù)通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)對比，在傳統(tǒng)公式中選擇最適合的一個進行運算，該方法可有效降低選擇偏倚，提高計算精度，此類AI公式最具代表性的是Ladas Super公式。

2.1Hill-RBF公式該公式由Warren Hill教授開發(fā)，是一種基于AI的徑向基函數(shù)模型公式，該公式應(yīng)用模式識別和數(shù)據(jù)內(nèi)插技術(shù)[23]，將擬定的多組自變量數(shù)據(jù)，如角膜屈光力、前房深度、眼軸長度等與相應(yīng)因變量，即人工晶狀體屈光度建立非線性聯(lián)系。在臨床應(yīng)用中，如果輸入的自變量在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫范圍內(nèi)，理論上可獲得準確結(jié)果。與目前臨床使用的人工晶狀體屈光度計算公式相比，Hill-RBF公式具有如下特點：(1)不存在“可視化”公式[24]，即外界無法獲知系統(tǒng)內(nèi)部的眼基礎(chǔ)參數(shù)與人工晶狀體屈光度之間的聯(lián)系；(2)需要對系統(tǒng)進行訓(xùn)練，即構(gòu)建數(shù)據(jù)間聯(lián)系的數(shù)據(jù)庫，一定程度上數(shù)據(jù)量與輸出結(jié)果準確性相關(guān)；(3)數(shù)據(jù)庫內(nèi)已存在的數(shù)據(jù)準確性直接影響系統(tǒng)輸出結(jié)果的準確性。隨著數(shù)據(jù)庫內(nèi)已有數(shù)據(jù)量的擴展以及更多眼參數(shù)的納入，目前該公式已經(jīng)發(fā)展到V3.0版本。

Roberts等[25]對比了400例眼軸長度19～30mm的患者，發(fā)現(xiàn)Hill-RBF公式的人工晶狀體屈光誤差為0.32±0.24D，而Holladay Ⅱ、SRK/T、Hoffer、Barrett Universal Ⅱ公式的屈光誤差分別為0.32±0.27、0.31±0.25、0.34±0.28、0.30±0.24D，表明Hill-RBF公式已經(jīng)與傳統(tǒng)公式計算誤差相差不大。單獨分析不同計算公式在較長、中等、較短眼軸的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)眼軸長度>24.51mm時，Hill-RBF、Holladay Ⅱ、SRK/T、Hoffer、Barrett UniversalⅡ公式的屈光誤差分別為0.32±0.26、0.32±0.29、0.33±0.29、0.39±0.34、0.30±0.24D；當(dāng)眼軸軸長度為21.01～24.5mm時，Hill-RBF、Holladay Ⅱ、SRK/T、Hoffer、Barrett Universal Ⅱ公式的屈光誤差分別為0.37±0.33、0.31±0.24、0.29±0.22、0.32±0.24、0.30±0.23D。由此可見，在單獨計算中等長度眼軸和較長眼軸時，基于AI技術(shù)的Hill-RBF公式與傳統(tǒng)計算公式的屈光誤差相差并不大，而這能夠保持一致的計算精度。但是，當(dāng)眼軸長度<22mm時，Hill-RBF公式的人工晶狀體屈光誤差為0.37±0.33D，而經(jīng)Holladay Ⅱ、SRK/T、Hoffer、Barrett Universal Ⅱ公式的屈光誤差分別為0.52±0.52、0.44±0.41、0.45±0.41、0.43±0.36D，因此可見，在計算較短眼軸人工晶狀體屈光度時，傳統(tǒng)計算公式的計算誤差顯著提高，計算精度明顯下降，而基于AI技術(shù)的Hill-RBF公式計算誤差并不明顯，計算精度保持穩(wěn)定，因此當(dāng)計算短眼軸人工晶狀體屈光度時，使用Hill-RBF公式可以獲得較為準確的計算結(jié)果。

Khatib等[26]將Hill-RBF公式與Barrett Universal Ⅱ公式進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于全眼軸范圍，Hill-RBF公式平均絕對誤差為0.304D，Barrett Universal Ⅱ平均絕對誤差為0.322D，Hill-RBF公式的計算誤差略高。Hill等[23]研究也發(fā)現(xiàn)Hill-RBF公式計算準確性劣于其他傳統(tǒng)公式；而G?kce等[24]研究認為，Hill-RBF公式計算準確性優(yōu)于其他傳統(tǒng)公式。上述研究結(jié)果表明Hill-RBF公式與傳統(tǒng)公式的比較尚無定論，該差異的原因可能與樣本量或納入的眼參數(shù)分布不同有關(guān)。隨著數(shù)據(jù)庫樣本量的豐富，最新版本Hill-RBF公式數(shù)據(jù)庫中的眼軸長度范圍顯著擴增，提升了其適用性和準確性[27-28]，多項研究表明其準確性已優(yōu)于傳統(tǒng)計算公式[29-31]。此外，Hill-RBF公式可在線上免費使用，無需支付額外使用費，節(jié)省開支。雖然基于AI技術(shù)的Hill-RBF公式在評估人工晶狀體屈光度時通過大數(shù)據(jù)分析和智能算法所得結(jié)果整體上不亞于傳統(tǒng)計算公式[32]，但是其應(yīng)用范圍仍存在局限性，其輸出人工晶狀體屈光度范圍還必須處于-5.00～+30.00D，目標(biāo)屈光力范圍處于-2.50～+1.00D，若超出上述范圍，計算時還需配合其他程序進行預(yù)先調(diào)整，因此目前Hill-RBF公式仍處于初級應(yīng)用階段，但未來隨著該系統(tǒng)功能逐漸完善，Hill-RBF公式有望成為可靠性更高、使用更方便的人工晶狀體屈光度計算工具[33]。

2.2Kane公式該公式由Jack X Kane教授創(chuàng)建，其利用AI技術(shù)，將物理光學(xué)理論與回歸方程結(jié)合，在云計算模式下，借助虛擬超級計算機的大數(shù)據(jù)處理能力，對人工晶狀體的屈光度進行計算，是一種準確性較高的人工晶狀體屈光度計算公式[34-35]。Kane公式數(shù)據(jù)庫內(nèi)包含約30 000個典型的臨床案例，雖然公式細節(jié)未公開，但其原理類似于Hill-RBF公式。Kane公式并非通過眼參數(shù)直接獲得人工晶狀體屈光度，而是通過眼軸長度、角膜曲率、前房深度、性別、晶狀體厚度、角膜厚度等數(shù)據(jù)，首先預(yù)估ELP，再基于物理光學(xué)理論，輸出人工晶狀體屈光度計算結(jié)果。由于年齡增加，晶狀體懸韌帶功能減退甚至松弛或玻璃體液化，可導(dǎo)致晶狀體囊袋后移，因此患者年齡越大，越容易出現(xiàn)術(shù)后實際ELP大于預(yù)測值的情況，進而出現(xiàn)遠視漂移，因此Kane公式引入年齡等更多的自變量，可進一步提高計算準確性。自2020-02-16起，Kane公式已在www.iolformula.com網(wǎng)站公開免費使用，幫助降低經(jīng)濟成本，有助于該公式的廣泛推廣應(yīng)用。

Kane等[36]對比182例眼軸長度18.86～22.45mm患者術(shù)后情況，發(fā)現(xiàn)Kane公式的平均絕對誤差為0.533D，Haigis、Holladay Ⅱ、SRK/T、Barrett Universal Ⅱ公式的平均絕對誤差分別為0.602、0.619、0.698、0.818D；Kane公式的標(biāo)準差為0.707D，Haigis、Holladay Ⅱ、SRK/T、Barrett Universal Ⅱ公式的標(biāo)準差分別為0.775、0.773、0.824、0.867D，說明Kane公式具有一定臨床優(yōu)勢。對于特殊的較長眼軸或較短眼軸，Kane公式具有更顯著的優(yōu)勢。其中，在眼軸長度<22mm的較短眼軸患者中，Kane公式的平均絕對誤差為0.441D，而Haigis、Holladay Ⅱ、SRK/T、Barrett Universal Ⅱ公式的平均絕對誤差分別為0.486、0.458、0.492、0.493D；在眼軸長度>26mm的較長眼軸患者中，Kane公式的平均絕對誤差為0.329D，而Haigis、Holladay Ⅱ、SRK/T、Barrett Universal Ⅱ公式的平均絕對誤差分別為0.359、0.352、0.363、0.338D，由此可見，對于較短或較長眼軸，AI公式計算的平均絕對誤差較低，計算精度更高。

Darcy等[37]研究納入10930眼進行多公式對比，Kane公式不僅表現(xiàn)出優(yōu)于Barrett Universal Ⅱ、Olsen、Haigis、Holladay Ⅰ、Holladay Ⅱ、Hoffer Q、SRK/T公式，還優(yōu)于上述Hill-RBF 2.0公式。其他研究中，Kane公式也顯示出更高準確度[38]。但Priji等[39]在對短眼軸人工晶狀體屈光度研究時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)眼軸長度<22mm，Kane、Barrett Universal Ⅱ、Hoffer、Holladay Ⅰ、SRK/T公式的平均絕對誤差分別為0.47、0.39、0.33、0.33、0.35D，Kane公式并無優(yōu)勢；Connell等[35]通過對比Holladay Ⅰ、Barrett Universal Ⅱ、SRK/T、Hoffer Q、Kane公式也未見差異?？梢?，Kane公式是否與其他傳統(tǒng)公式之間存在差異也暫無定論，究其原因，可能是由于樣本量差別和眼參數(shù)因素的影響所致。

2.3LadasSuper公式該公式由John G Ladas教授創(chuàng)建，與Hill-RBF公式和Kane公式原理不同，Ladas Super公式是根據(jù)輸入的眼軸長度，從目前廣泛使用的人工晶狀體屈光度計算公式中自動選擇合適的公式進行計算。由于現(xiàn)在使用的人工晶狀體屈光度計算公式各自擁有最適的使用范圍，眼軸長度<21mm時使用Hoffer Q公式計算精度較高；眼軸長度為23.5～26mm時，使用HolladayⅠ公式可獲得較準確的計算結(jié)果；眼軸更長時，使用SRK/T公式的計算結(jié)果更為準確。因此可見，將所測得的眼球參數(shù)導(dǎo)入適宜的公式，有望獲得更為準確的結(jié)果。以往上述公式選擇工作依靠人工主觀篩選，不僅顯著增加工作負擔(dān)，還會產(chǎn)生人為誤差。但借助Ladas Super公式，系統(tǒng)可在Hoffer Q、HolladayⅠ、Holladay Ⅱ(輔助Wang-Koch調(diào)整)和SRK/T[37]公式中自動篩選最適宜的公式，取長補短，進一步提高計算效率和準確性。

Ladas Super公式的程序運行步驟是：當(dāng)眼軸長度為20～21.49mm時，系統(tǒng)自動選擇Hoffer Q公式；當(dāng)眼軸長度為21.49～25mm時，使用Holladay Ⅰ公式；當(dāng)眼軸長度>25mm時，使用Holladay Ⅱ公式；對于極長眼軸、人工晶狀體度數(shù)為負數(shù)者，則選用負度數(shù)人工晶狀體專用的晶狀體常數(shù)進行計算。這樣不僅避免了依賴單一公式引起的計算結(jié)果不準確的問題，還節(jié)省了人工篩選時間，降低人為誤差，診療效率得到提高。自2020-07-11起，Ladas Super公式已在www.iolcalc.com網(wǎng)站公開使用。但是，由于Ladas Super公式仍基于傳統(tǒng)計算公式，依然無法避免傳統(tǒng)公式本身存在的缺點，即眼軸過長或過短時，Ladas Super公式的計算誤差也隨之增大。根據(jù)Cooke等[40]研究，當(dāng)眼軸長度為20.84～29.51mm時，Ladas Super公式的平均絕對誤差為0.321D；當(dāng)眼軸長度為25.97～29.44mm的較長眼軸時，平均絕對誤差為0.348D；當(dāng)眼軸長度為20.87～22.01mm的較短眼軸時，平均絕對誤差為0.401D。因此，相較于不存在數(shù)學(xué)運算過程的Hill-RBF公式和Kane公式，Ladas Super公式所計算的眼軸長度范圍較小，其實用性較為局限。

2.4其他公式除上述提到的公式外，近期也公布了幾種其他類別AI計算公式，如Pearl-DGS公式和FullMonte公式。Pearl-DGS公式是由三位法國眼科教授(Guillaume Debellemanière、Damien Gatinel、Alain Saad)研發(fā)，取姓首字母而命名。其原理類似于Hill-RBF公式，即先利用AI機器學(xué)習(xí)模型，使用4000多例患者參數(shù)搭建數(shù)據(jù)庫，通過非線性關(guān)系的多元回歸方程預(yù)測理論人工晶狀體位置(類似ELP)[41]。隨后Pearl-DGS公式通過選擇厚透鏡方程精細計算人工晶狀體屈光度。自2020-02-16起，Pearl-DGS公式已在www.iolsolver.com網(wǎng)站公開免費使用。FullMonte公式則是使用Monte Carlo Markov Chain模擬器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測術(shù)后人工晶狀體度數(shù)，該系統(tǒng)的特點是不斷獲取系統(tǒng)內(nèi)更新的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自主更新學(xué)習(xí)不斷完善計算準確性。由于上述兩款公式尚未推廣應(yīng)用，仍處于使用初期，目前的臨床研究較少，還需進一步對比上述兩種計算公式的準確性。

3總結(jié)與展望

老齡化進程加快已成為中國乃至全世界面臨的社會問題，而伴隨老齡化社會的形成，以白內(nèi)障為代表的年齡相關(guān)性疾病也成為全球共同關(guān)注的公共衛(wèi)生問題。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，通過手術(shù)方式實現(xiàn)人工晶狀體置換成為當(dāng)今世界解決白內(nèi)障的唯一有效手段。但是，仍有部分患者由于人工晶狀體屈光度計算不準確導(dǎo)致出現(xiàn)術(shù)后屈光誤差，不能獲得滿意的術(shù)后效果。因此提高人工晶狀體屈光度的計算準確性成為提高患者術(shù)后滿意度的關(guān)鍵。雖然傳統(tǒng)人工晶狀體計算公式歷史久遠且應(yīng)用廣泛，但其運算過程固定，無法針對不同患者進行個性化調(diào)整，在面臨特殊眼參數(shù)時可導(dǎo)致誤差增大，影響術(shù)后滿意度。

伴隨AI技術(shù)引入眼科領(lǐng)域，依托其大數(shù)據(jù)分析和機器自學(xué)習(xí)功能，上述問題有望得到改善。臨床中利用基于模式識別和數(shù)據(jù)內(nèi)插技術(shù)的Hill-RBF公式將患者眼參數(shù)與數(shù)據(jù)庫進行對比，可得出目標(biāo)人工晶狀體屈光度，并且Hill-RBF公式與傳統(tǒng)計算公式具有較一致的計算準確性。此外，與Hill-RBF公式原理類似的Kane公式同樣具有與傳統(tǒng)公式接近的計算精度，且Hill-RBF公式和Kane公式都能夠在特殊情況，如計算較短眼軸時得出較為準確的計算結(jié)果，甚至準確性高于傳統(tǒng)計算公式。而Ladas Super公式的運行原理與上述兩種AI公式運行原理不同，其根據(jù)不同的眼軸長度，自動選擇最適合的傳統(tǒng)計算公式，進而得出結(jié)果，這樣避免了依賴單一公式引起的計算結(jié)果不準確的問題，還節(jié)省了人工篩選時間，降低人為誤差，診療效率得到提高。但是，目前關(guān)于AI公式臨床應(yīng)用的相關(guān)研究尚不夠充分，AI系統(tǒng)也尚不完善。目前關(guān)于AI公式的臨床研究，對于各公式計算不同眼軸長度的研究較多，關(guān)于各公式計算不同角膜曲率的準確性分析較少，且目前的研究并沒有將年齡、性別等其他因素納入數(shù)據(jù)庫并進行分組對比，無法分析AI計算公式是否具有獨特的個性化計算優(yōu)勢，因此，未來還可比較各公式計算正常角膜曲率、較大及較小角膜曲率的計算結(jié)果；比較各公式計算不同年齡、不同性別的計算結(jié)果，進一步探討AI在人工晶狀體屈光度計算方面的優(yōu)勢。

AI技術(shù)用于醫(yī)療領(lǐng)域仍處于初級階段，尚有其弊端：(1)對于依賴大數(shù)據(jù)的AI系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)庫中病例信息仍不夠充足；(2)對數(shù)據(jù)庫中樣本信息的準確性要求較高，即便計算機擁有快速計算能力和完善的程序算法，當(dāng)預(yù)先植入的數(shù)據(jù)庫信息不準確時，輸出結(jié)果也會存在誤差；(3)系統(tǒng)內(nèi)算法并未成熟，運行的系統(tǒng)程序可能存在缺陷，導(dǎo)致無法順利輸出計算結(jié)果；(4)尚不能用于特殊角膜，如屈光術(shù)后角膜、存在嚴重影響曲率的斑翳角膜、圓錐角膜等。未來隨著特殊角膜的樣本量日益增多，憑借AI技術(shù)的自學(xué)習(xí)功能和智能算法，有望解決上述問題，進一步發(fā)揮AI的優(yōu)勢。但目前AI只能輔助人工晶狀體屈光度計算，尚不能完全依賴其結(jié)果，這也成為包括Hill-RBF公式和Kane等公式在內(nèi)的AI計算公式共同存在的缺陷和不足。

未來隨著各醫(yī)療機構(gòu)信息共享平臺的互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)庫信息實時共享更新日益便捷，數(shù)據(jù)庫中樣本信息的準確性將大大提高，而計算機軟件行業(yè)的高速發(fā)展也為程序算法提供保障。相信隨著時間的推移、AI系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中各相關(guān)變量數(shù)據(jù)的日益完善，AI技術(shù)有望突破其瓶頸，在精準計算的同時，實現(xiàn)更多臨床輔助功能，提高患者術(shù)后滿意度。