Inteligența artificială și lumina polarizată îmbunătățesc detectarea precoce a keratoconusului

Un studiu realizat la Narayana Nethralaya Eye Hospital și publicat în jurnalul Biophotonics Discovery a analizat utilizarea tomografiei cu coerență optică sensibilă la polarizare în diferențierea între corneea sănătoasă, keratoconusul subclinic și keratoconusul manifest, cercetarea arată că această tehnologie oferă informații suplimentare relevante despre structura colagenului corneean și poate îmbunătăți detectarea precoce a bolii.
Tehnologia PS-OCT permite evaluarea birefringenței tisulare, un parametru care reflectă organizarea fibrelor de colagen din stroma corneană, oferind astfel o perspectivă funcțională asupra microstructurii corneei, dincolo de simpla analiză morfologică.

Context

Structura corneei este determinată în mare parte de organizarea lamelară a fibrelor de colagen, care prezintă proprietăți optice anisotrope. În mod normal, aceste fibre sunt organizate ortogonal în zona centrală și circumferențial la periferie, ceea ce determină variații ale birefringenței în funcție de regiunea corneei.

În keratoconus, această arhitectură este perturbată precoce, chiar înainte de apariția modificărilor topografice evidente. Remodelarea colagenului și subțierea straturilor corneene, inclusiv epiteliul și stratul Bowman, sunt procese esențiale în evoluția bolii. Aceste modificări influențează proprietățile biomecanice ale corneei și pot fi detectate indirect prin parametri precum retardarea de fază și distribuția grosimii stratificate.

Metodele convenționale, precum topografia și tomografia corneană, oferă informații despre geometria globală, dar nu surprind modificările microstructurale subtile, ceea ce limitează capacitatea de diagnostic precoce.

Despre studiu

Studiul retrospectiv a inclus 359 de ochi provenind de la 197 de pacienți evaluați între ianuarie 2022 și septembrie 2024. Participanții au fost împărțiți în trei grupuri: 120 ochi sănătoși, 109 ochi cu keratoconus subclinic și 130 ochi cu keratoconus manifest.

Toți pacienții au fost evaluați prin trei tehnologii imagistice:

• PS-OCT de rezoluție ultrahigh, cu lungime de undă de 840 nm și rezoluție axială de 2.96 μm
• Pentacam HR, bazat pe cameră Scheimpflug
• MS-39, sistem hibrid cu disc Placido și OCT spectral

Parametrii principali analizați au inclus:

• Distribuția spațială a retardării de fază (PR) în stroma corneană
• Grosimea epiteliului și a stratului Bowman
• Indici tomografici și aberometrici

Pentru analiză, au fost dezvoltate trei modele de inteligență artificială de tip random forest:

• PS-RF (bazat pe PS-OCT, 84 caracteristici)
• PC-RF (bazat pe Pentacam)
• MS-RF (bazat pe MS-39)

Modelele au fost antrenate folosind metoda leave-one-out, iar performanța a fost evaluată prin aria de sub curbă, acuratețe, precizie, recall și F1-score. Analizele statistice au inclus ANOVA, teste t și teste chi-pătrat, cu prag de semnificație p<0.05.

 

Rezultate

Performanța globală a modelelor a fost comparabilă, însă cu diferențe importante în detecția keratoconusului subclinic:

• PS-OCT: aria de sub curbă 0.91, acuratețe 82%, precizie 83%, recall 82%
• Pentacam: aria de sub curbă 0.95, acuratețe 86%
• MS-39: aria de sub curbă 0.94, acuratețe 86%

Pentru ochii sănătoși și cei cu keratoconus manifest, performanța modelelor a fost similară:

• Acuratețe ~85% pentru ochii sănătoși
• Acuratețe ~100% pentru keratoconus

În schimb, diferențele au fost semnificative pentru keratoconusul subclinic:

• PS-OCT: 56.9% acuratețe
• Pentacam: 72.5% acuratețe (p=0.029)
• MS-39: 69.7% acuratețe

Analiza concordanței a arătat că:

• 77.7% dintre cazuri au fost clasificate identic de toate modelele
• Doar 60.6% concordanță pentru cazurile subclinice
• 45.5% concordanță pentru ochii parteneri în keratoconus unilateral

PS-OCT a demonstrat capacitatea de reclasificare bidirecțională:

• A identificat 64% dintre ochii parteneri ca fiind sănătoși (vs. 36–48% pentru celelalte metode)
• A detectat cazuri subtile de keratoconus ratate de metodele convenționale

Din punct de vedere structural:

 

• Ochii sănătoși prezentau distribuții uniforme ale PR și grosimi regulate ale epiteliului și stratului Bowman (15–17 μm)
• Ochii subclinici aveau creșteri ale PR și subțiere uniformă a stratului Bowman (~14 μm)
• Ochii cu keratoconus prezentau distribuții distorsionate ale PR și heterogenitate marcată a grosimii

Interpretare

Rezultatele sugerează că analiza birefringenței corneene oferă informații unice despre organizarea colagenului, completând datele morfologice furnizate de tomografie. PS-OCT permite detectarea modificărilor microstructurale înainte de apariția deformărilor geometrice evidente.

Un aspect esențial este faptul că grosimea corneei, deși importantă, nu reflectă întotdeauna riscul de ectazie. Corneele subțiri pot avea o organizare normală a colagenului, evidențiată prin valori normale ale PR, ceea ce limitează utilizarea exclusivă a grosimii ca marker de risc.

Comparativ cu alte tehnologii emergente, precum imagistica Brillouin, PS-OCT prezintă avantajul independenței față de hidratarea corneei, reducând riscul de variabilitate a măsurătorilor.

Integrarea datelor privind stratul Bowman și epiteliul în modele de inteligență artificială îmbunătățește caracterizarea corneei și poate rafina criteriile de selecție pentru chirurgia refractivă.

Concluzie

Tomografia cu coerență optică sensibilă la polarizare oferă o abordare complementară și inovatoare în evaluarea keratoconusului, prin analiza organizării colagenului și a structurii stratificate a corneei.

Această tehnologie are potențialul de a îmbunătăți detectarea precoce, de a reduce clasificările eronate și de a optimiza managementul pacienților, însă validarea acestor rezultate necesită studii prospective pe termen lung și pe cohorte mai extinse.