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Automated Detection of Glaucoma With Interpretable Machine Learning Using Clinical Data and Multimodal Retinal Images - 19/11/21

Doi : 10.1016/j.ajo.2021.04.021 
Parmita Mehta a, Christine A. Petersen c, Joanne C. Wen c, Michael R. Banitt c, Philip P. Chen c, Karine D. Bojikian c, Catherine Egan e, Su-In Lee a, Magdalena Balazinska a, b, Aaron Y. Lee c, , Ariel Rokem b, d, ,
on behalf of the

UK Biobank Eye and Vision Consortium

a From the Paul G. Allen School of Computer Science and Engineering, Seattle, Washington, USA (PM, S-IL, MB) 
b eScience Institute, Seattle, Washington, USA (MB, AR) 
c Department of Ophthalmology, Seattle, Washington, USA (CAP, JCW, MRB, PPC, KDB, AYL) 
d Department of Psychology, Seattle, Washington, USA (AR) 
e Moorfields Eye Hospital, NHS Trust, UK (C.E.) 

1Inquiries to: Ariel Rokem, Department of Psychology, 119A Guthrie Hall, University of Washington, Seattle, WA 98105.Department of PsychologyUniversity of Washington119A Guthrie HallSeattleWA98105

Résumé

Purpose

To develop a multimodal model to automate glaucoma detection

Design

Development of a machine-learning glaucoma detection model

Methods

We selected a study cohort from the UK Biobank data set with 1193 eyes of 863 healthy subjects and 1283 eyes of 771 subjects with glaucoma. We trained a multimodal model that combines multiple deep neural nets, trained on macular optical coherence tomography volumes and color fundus photographs, with demographic and clinical data. We performed an interpretability analysis to identify features the model relied on to detect glaucoma. We determined the importance of different features in detecting glaucoma using interpretable machine learning methods. We also evaluated the model on subjects who did not have a diagnosis of glaucoma on the day of imaging but were later diagnosed (progress-to-glaucoma [PTG]).

Results

Results show that a multimodal model that combines imaging with demographic and clinical features is highly accurate (area under the curve 0.97). Interpretation of this model highlights biological features known to be related to the disease, such as age, intraocular pressure, and optic disc morphology. Our model also points to previously unknown or disputed features, such as pulmonary function and retinal outer layers. Accurate prediction in PTG highlights variables that change with progression to glaucoma—age and pulmonary function.

Conclusions

The accuracy of our model suggests distinct sources of information in each imaging modality and in the different clinical and demographic variables. Interpretable machine learning methods elucidate subject-level prediction and help uncover the factors that lead to accurate predictions, pointing to potential disease mechanisms or variables related to the disease.

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Vol 231

P. 154-169 - novembre 2021 Retour au numéro
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