顶刊速读：Lancet Digital Health IF=24.1 通过应用于视网膜图像的深度学习对糖尿病肾病进行无创活检诊断

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前言

一种基于视网膜图像的AI深度学习系统（DeepDKD），用于无创筛查糖尿病肾病（DKD）及区分糖尿病性肾病和非糖尿病性肾病（NDKD）。该系统可为初级医疗和资源有限地区提供更简便、准确的DKD筛查手段，弥补现有诊断方式的不足。

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01
论文信息

02
研究背景

糖尿病肾病筛查与鉴别面临挑战
糖尿病肾病（DKD）的筛查普及率不高，且难以区分单纯的糖尿病性肾病与非糖尿病性肾病（NDKD），这是糖尿病管理中的两大挑战。
DeepDKD实现高效精准的糖肾检测
DeepDKD在检测DKD和区分NDKD方面表现出较高的准确率和灵敏度，并在真实临床环境中展示了良好的应用潜力。

03
研究介绍

一、目的
本研究旨在开发并验证一种基于视网膜图像的人工智能深度学习系统（DeepDKD），以实现对糖尿病肾病（DKD）的非侵入性活检诊断，以及区分糖尿病肾病与非糖尿病肾病（NDKD）的能力。

二、方法
1、研究设计与数据集
研究设计：研究分为三个部分：开发DeepDKD系统、对系统进行内部和外部验证、以及在临床环境中进行概念验证研究。
数据集：由经验丰富的骨肌放射科医生（10年以上资历）结合临床病史、PET-CT/MRI及随访结果进行3轮共识标注。
（1）预训练数据集：使用来自上海糖尿病预防计划队列的734,084张视网膜图像进行预训练。
（2）开发和内部验证数据集：使用来自上海综合糖尿病预防和护理系统的486,312张视网膜图像和临床元数据进行DKD检测的开发和内部验证。
（3）外部验证数据集：包括来自中国、新加坡、马来西亚、澳大利亚和英国的十个数据集，共65,406名参与者，用于DKD检测的外部验证。
（4）区分糖尿病肾病和非糖尿病肾病的数据集：使用来自糖尿病视网膜病变进展研究队列的267名患者的视网膜图像进行开发和内部验证，以及来自中国、马来西亚和英国的三个外部验证数据集，共244名参与者。

2、模型开发
DeepDKD系统：使用大规模弱监督动量对比学习方法从视网膜图像中提取可转移的视觉表示，进行监督训练以完成两项任务：检测DKD和区分糖尿病肾病与非糖尿病肾病。
（1）DKD检测：使用ResNet-50作为骨干网络，从预训练模型中初始化权重，训练100个周期。
（2）区分糖尿病肾病和非糖尿病肾病：由于训练数据不足，直接冻结DKD检测器的编码器，并训练一个新的线性分类器。
元数据模型和联合模型：使用XGBoost分类器，将DeepDKD的预测概率分数和临床元数据输入联合模型。
3、解释性分析
Grad-CAM方法：使用Grad-CAM方法可视化DeepDKD系统输出预测的可解释性，了解模型预测所依据的图像区域。
4、临床概念验证研究
前瞻性真实世界研究：在上海的一个初级保健中心进行，评估将DeepDKD系统整合到常规临床实践中用于DKD筛查的有效性。
纵向研究：分析社区基础队列中的视网膜图像和临床元数据，评估DeepDKD系统在区分糖尿病肾病和非糖尿病肾病方面的有效性。
5、统计分析
模型性能评估：使用接收者操作特征曲线下面积（AUC）评估三个模型（DeepDKD系统、元数据模型和联合模型）的性能。
敏感性和特异性：在内部验证数据集上选择高敏感性操作点（预设为95%），并计算外部验证数据集上的敏感性和特异性。
统计软件：使用SPSS（版本25.0）和Python（版本3.8.16）进行分析。

04
研究结果

1、检测糖尿病肾病（DKD）的效果
在内部验证数据集上，DeepDKD 模型的 AUC 为 0.842（95% 置信区间：0.838–0.846）。
在外部验证数据集上，AUC 范围为 0.791–0.826。
2、区分单纯糖尿病性肾病与非糖尿病性肾病（NDKD）
在内部验证数据集上，AUC 为 0.906（95% 置信区间：0.825–0.966）。
在外部验证数据集上，AUC 范围为 0.733–0.844。
3、前瞻性研究
与传统的元数据模型相比，DeepDKD 检测 DKD 的灵敏度更高（89.8% vs 66.3%，p < 0.0001）。
4、纵向研究
DeepDKD 识别出的单纯糖尿病性肾病患者与 NDKD 患者在肾功能结局方面存在显著差异。
肾小球滤过率（eGFR）下降的比例为：
单纯糖尿病性肾病：27.45%
NDKD：52.56%（p = 0.0010）

05
学习心得

深度学习在糖尿病肾病诊断中的应用：DeepDKD系统通过视网膜眼底图像分析，显著提升了糖尿病肾病的早期检测准确性，在内外部验证数据集中表现出色。
跨学科合作的重要性及技术实现细节：DeepDKD结合了多种人工智能技术与医学专业知识进行开发，该系统利用电子健康记录中的元数据辅助诊断，提示未来可以通过整合更多类型的数据进一步优化模型性能。

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编辑：小黄 审稿：大壮
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