基于红外眼图像的RETeval?皮肤传感器电极位置自动量化及虹膜颜色比（ICratio）初步技术报告

《Documenta Ophthalmologica》：Automated quantification of RETeval? sensor electrode position from infrared eye images: a preliminary technical report

　　

目的：提出一种自动化方法，用于从RETeval记录文件中提取的红外眼图像计算RETeval皮肤传感器电极的位置和虹膜颜色比（iris color ratio，ICratio）。方法：从19名健康年轻参与者（平均年龄10.6岁，范围5.0–15.8；男性7名，女性12名）采用RETeval 6步Light First Troland ISCEV方案记录的.RFF二进制文件中提取红外眼图像。训练一个多标签深度学习分割模型（multilabel deep learning segmentation model，SegFormer），以勾画六种眼部结构：瞳孔（pupil）、虹膜/角膜缘（iris/limbus）、角膜反射（corneal reflex）、可见白色球结膜区（visible white bulbar area）、电极（electrode）和内镜环（inner lens ring）。电极位置量化为从角膜反射质心（corneal reflex centroid）到电极弧形接触点（electrode arc-contact point，P_e）的有符号位移矢量（signed displacement vector），并分解为水平（dx）和垂直（dy）分量（mm）。虹膜颜色比（ICratio）由分割掩膜（segmentation masks）导出，即虹膜环形环（iris annular ring）的平均灰度水平除以暗瞳孔的中位灰度水平，排除角膜反射像素。结果：分割模型在留出记录会话（held-out recording session）的六类上达到平均验证Dice系数（Dice coefficient）0.971。从19名参与者（38只眼）提取红外图像（n=271）；67幅（24.7%）满足全部三项质量控制标准（quality-control criteria），全部38只眼均获得电极测量。垂直电极位移（dy）为8.57±1.81 mm（右眼）和9.14±1.89 mm（左眼；双眼间p=0.13）；水平位移（dx）分别为?3.11±2.42 mm和?3.70±4.74 mm（p=0.67）。欧几里得位移（Euclidean displacement，|d|）在双眼间存在显著差异（9.45±1.63 vs 10.74±2.59 mm；p=0.004），而角位移（angular displacement）无显著差异（p=0.81）。基于掩膜的ICratio为1.128±0.036（右眼）和1.121±0.039（左眼），眼间相关（interocular correlation）显著（r=0.811，p=0.008）；设备衍生比值（device-derived ratio）为1.134±0.024和1.149±0.038（眼间r=0.561，p=0.12）。两种方法平均相差?0.016（95%一致性限（95% limits of agreement）?0.108至+0.077；p=0.14）。结论：该初步研究提供了一种自动化方法，用于从设备记录的红外图像确定RETeval传感器电极的位置。由同一分割得到的虹膜暗度测量作为次要技术输出报告。

该初步技术报告围绕RETeval?手持式非散瞳视网膜电图（electroretinogram，ERG）设备记录中皮肤传感器电极（skin sensor electrode）放置可变以及虹膜色素可能影响记录信号的问题展开。RETeval?使临床医生更易开展ISCEV标准全视野视网膜电图（full field electroretinogram，ffERG）记录，但皮肤电极的准确、重复定位会影响记录信号振幅，不同临床医生和重复访视之间的电极位置变化可能影响结果解释；既往基于受试者.RFF文件提取图像和标尺的调整缺乏对电极精确位置的定量测量。此外，虹膜色素沉着会贡献于ERG信号振幅，较暗虹膜可显著降低明适应和暗适应ffERG的b波振幅；RETeval Extractor应用基于瞳孔缘3点与9点方向3 mm线段采样计算虹膜颜色指数，但该线段采样对瞳孔扩张敏感。研究人员因此提出从设备已存储的红外眼图像中自动量化电极位置和虹膜颜色比（iris color ratio，IC_ratio），并将IC_ratio作为次要技术输出；作者明确指出电极位置变异性的临床后果及虹膜颜色测量的价值尚需专门设计的研究，本文不涉及这些临床结局。研究人员开展了基于19名健康年轻参与者（平均年龄10.6岁，范围5.0–15.8；男性7名，女性12名）的初步研究，记录采用RETeval 6步Light First Troland ISCEV方案；研究报告了全自动流程可无需人工标志点即获得以角膜反射质心为参考的毫米级电极位移测量，并给出基于同一分割的虹膜暗度指标，认为这些指标可支持后续研究电极位置和虹膜色素对ERG波形振幅影响的工作。关键技术方法概括（不超过250字）：样本来源于19名健康年轻参与者的RETeval记录，采用6步Light First Troland ISCEV协议，从.RFF文件提取红外眼图像；训练标注来自7个记录会话共104幅图像，留出c1110会话14幅图像验证。使用SegFormer（基于Transformer的语义分割网络）多标签分割六类结构：瞳孔、虹膜/角膜缘、角膜反射、可见白色球结膜区、电极和内镜环；输出独立概率图并以0.6阈值生成二值掩膜，后处理采用形状先验和包含约束；以接触镜环内缘标定像素/毫米；由角膜反射质心P₀至电极弧形接触点P_e计算dx、dy、|d|和θ；IC_ratio为虹膜环平均灰度/暗瞳孔中位灰度并排除角膜反射像素；统计采用配对t检验。研究结果如下。Segmentation Accuracy（分割准确性）：在留出c1110会话14幅图像上评估分割模型，六类平均验证Dice系数为0.971、交并比（Intersection over Union，IoU）为0.944；虹膜/角膜缘、暴露眼表、电极和内镜环等大而清晰结构Dice≥0.979、IoU≥0.956，角膜反射作为最小且低对比结构Dice为0.916、IoU为0.845。通过将手工标注与模型预测在14幅留出图像上比较，P₀定位误差为0.03±0.04 mm，P_e为0.55±0.56 mm；dy误差0.13±0.21 mm、dx误差0.54±0.52 mm、|d|误差0.37±0.47 mm、θ误差2.2±1.7°；由镜环导出的像素-毫米比例因子与标注值相差0.15%。结论是模型对六类结构分割准确，角膜反射分割相对较难。Electrode position（电极位置）：在19名参与者38只眼中获得电极位移测量；271幅提取图像中67幅（24.7%）满足全部三项质量控制标准，光适应图像通过率为51.8%（57/110），LA3步骤图像为68.1%（47/69），暗适应图像为6.2%（10/161）；电极位置不依赖瞳孔直径，271幅中265幅（97.8%）获得电极矢量，38只眼均获得。右眼dy为8.57±1.81 mm、dx为?3.11±2.42 mm、|d|为9.45±1.63 mm；左眼dy为9.14±1.89 mm、dx为?3.70±4.74 mm、|d|为10.74±2.59 mm；dy（p=0.13）与dx（p=0.67）双眼间无显著差异，|d|双眼间差异显著（p=0.004），角位移θ无显著差异（p=0.81；右眼?20.4±16.4°，左眼?22.0±22.1°）。结论是电极位移存在明显个体间变异，双眼垂直放置接近一致，但欧几里得位移存在眼间差异。Iris color ratio（虹膜颜色比）：基于掩膜的IC_ratio右眼为1.128±0.036、左眼为1.121±0.039，眼间相关显著（r=0.811，p=0.008）；设备衍生比值右眼为1.134±0.024、左眼为1.149±0.038，眼间相关不显著（r=0.561，p=0.12）；两种方法平均差为?0.016（95%一致性限?0.108至+0.077；配对t检验p=0.14）。结论是两种方法在群体水平给出可比估计，但一致性限相对观测范围较宽，不能将两者视为单个眼的可互换测量。讨论部分总结：研究人员已展示从RETeval .RFF文件提取的红外眼图像全自动计算电极位置和IC_ratio的流程，无需人工标志点，并可产生以角膜顶点为参考的毫米级位移测量。电极位移数据揭示垂直和水平放置均存在明显个体间变异；垂直位移dy约9 mm（从角膜反射质心到传感器电极上缘），若假设角膜顶点至下睑缘距离为4–6 mm（本研究未测量），则电极可能略低于推荐的下睑缘下2 mm位置，但该推断仅为指示性，因为下睑缘未被直接测量或作为参考标志。双眼垂直放置接近一致（p=0.13）。为量化电极位置（dx和dy）与ERG振幅关系，需要单观察者改变电极位置的研究；Hobby et al.报告下睑缘下2 mm与15–20 mm垂直位移之间振幅中位差异为40–50%，采用本协议重复类似实验可支持建立数学模型以近似电极位置对ERG振幅的影响。尽管dx双眼间无显著差异（p=0.67），两个离群值c1130a和c1560a的电极放置过偏颞侧；客观电极位置测量有助于识别放置不良或超出研究95%置信区间的情况，也可能有助于确保双眼及不同临床医生之间的电极位置一致性，并支持RETeval研究中ERG选择与解释的质量改进。dy作为该方法拟量化的电极高度，平均重复误差为0.13 mm，约比个体间标准差1.8–1.9 mm小一个数量级；水平分量误差较大（0.54 mm）反映P_e为近水平边缘与弧线交界角点，单幅图像水平误差可达2.0 mm，提示单个测量不应孤立解释。关于虹膜颜色，基于掩膜的IC_ratio被报告为分割的技术输出而非已验证临床参数；其相对设备线段指数的预期优势在于采样几何，即使用整个可见虹膜环而非固定偏心度3 mm线段，使采样虹膜灰度更少依赖瞳孔大小（r=0.02，p=0.84，而线法在同一图像上r=0.32，p=0.001；两估计每毫米瞳孔扩张差异1.62%），但这不消除瞳孔直径标准的需要，因为比值也依赖瞳孔灰度；两种方法在群体水平估计可比，但一致性限较宽，单个眼不可互换；任一测量是否预测眼色素对ERG振幅的影响尚未解决，需专门设计研究。SegFormer在留出c1110记录集达到验证Dice 0.971，表明六类结构勾画准确；选择SegFormer因其效率及结合ImageNet预训练权重在小数据集上的良好表现，基于Transformer的MiT-B2编码器可捕获长程空间依赖，有利于弯曲电极边界和大面积可见白色球结膜区多边形。作者指出若干局限和未来工作：训练数据集较小（7名参与者104幅标注图像），模型预计可泛化至同一设备和固件版本的记录，但异常光照、不同固件版本或非标准电极位置可能需要额外标注；样本量有限且仅为正常参与者，需进一步验证分割模型；计划利用公开LEOPs数据集（包含明适应ERG记录条件下对照和自闭症个体的大量图像）开展研究；本研究未比较振幅与电极位置指标，LEOPs数据集将允许综合分析振幅随电极位置变化；未获得DTL记录ERG以比较皮肤电极与角膜电极的影响；测量在健康志愿者中完成，需在视网膜疾病个体中验证；研究人群为儿童和青少年，IC_ratio和电极位置需在成人队列验证以确定面部特征影响；未来可扩展为在同一受试者不同电极位置记录ERG以确定电极位置与ERG振幅关系；电极位置是相对于角膜反射质心而非制造商推荐放置所参考的下睑缘量化，因此报告的dx、dy和|d|描述电极相对角膜顶点的位置，并非相对制造商推荐放置的位移。研究结论翻译：该初步研究提供了一种自动化方法，用于从设备记录的红外图像确定RETeval传感器电极的位置。由同一分割得到的虹膜暗度测量作为次要技术输出报告。