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Artificial intelligence utilising corneal confocal microscopy for the diagnosis of peripheral neuropathy in diabetes mellitus and prediabetes

糖尿病前期 医学 糖尿病 人工智能 周围神经病变 分割 内科学 2型糖尿病 计算机科学 内分泌学
作者
Frank Preston,Yanda Meng,Jamie Burgess,Maryam Ferdousi,Shazli Azmi,Ioannis N. Petropoulos,Stephen B. Kaye,Rayaz A. Malik,Yalin Zheng,Uazman Alam
出处
期刊:Diabetologia [Springer Science+Business Media]
卷期号:65 (3): 457-466 被引量:48
标识
DOI:10.1007/s00125-021-05617-x
摘要

Abstract Aims/hypothesis We aimed to develop an artificial intelligence (AI)-based deep learning algorithm (DLA) applying attribution methods without image segmentation to corneal confocal microscopy images and to accurately classify peripheral neuropathy (or lack of). Methods The AI-based DLA utilised convolutional neural networks with data augmentation to increase the algorithm’s generalisability. The algorithm was trained using a high-end graphics processor for 300 epochs on 329 corneal nerve images and tested on 40 images (1 image/participant). Participants consisted of healthy volunteer (HV) participants ( n = 90) and participants with type 1 diabetes ( n = 88), type 2 diabetes ( n = 141) and prediabetes ( n = 50) (defined as impaired fasting glucose, impaired glucose tolerance or a combination of both), and were classified into HV, those without neuropathy (PN−) ( n = 149) and those with neuropathy (PN+) ( n = 130). For the AI-based DLA, a modified residual neural network called ResNet-50 was developed and used to extract features from images and perform classification. The algorithm was tested on 40 participants (15 HV, 13 PN−, 12 PN+). Attribution methods gradient-weighted class activation mapping (Grad-CAM), Guided Grad-CAM and occlusion sensitivity displayed the areas within the image that had the greatest impact on the decision of the algorithm. Results The results were as follows: HV: recall of 1.0 (95% CI 1.0, 1.0), precision of 0.83 (95% CI 0.65, 1.0), F 1 -score of 0.91 (95% CI 0.79, 1.0); PN−: recall of 0.85 (95% CI 0.62, 1.0), precision of 0.92 (95% CI 0.73, 1.0), F 1 -score of 0.88 (95% CI 0.71, 1.0); PN+: recall of 0.83 (95% CI 0.58, 1.0), precision of 1.0 (95% CI 1.0, 1.0), F 1 -score of 0.91 (95% CI 0.74, 1.0). The features displayed by the attribution methods demonstrated more corneal nerves in HV, a reduction in corneal nerves for PN− and an absence of corneal nerves for PN+ images. Conclusions/interpretation We demonstrate promising results in the rapid classification of peripheral neuropathy using a single corneal image. A large-scale multicentre validation study is required to assess the utility of AI-based DLA in screening and diagnostic programmes for diabetic neuropathy. Graphical abstract
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