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Biomechanics-Function in Glaucoma: Improved Visual Field Predictions from IOP-Induced Neural Strains - 13/02/25

Doi : 10.1016/j.ajo.2024.11.019 
Thanadet Chuangsuwanich 1, 2, 4, 9, Monisha E. Nongpiur 3, 4, Fabian A. Braeu 2, 3, 4, 5, Tin A. Tun 3, 4, Alexandre Thiery 5, Shamira Perera 3, Ching Lin Ho 3, Martin Buist 6, George Barbastathis 7, 8, Tin Aung 1, 3, 4, Michaël J.A. Girard 2, 3, 4, 9, 10, 11,
1 From the Yong Loo Lin School of Medicine (T.C., T.A.), National University of Singapore, Singapore, Singapore 
2 Ophthalmic Engineering & Innovation Laboratory (T.C., F.A.B., M.J.A.G.), Singapore Eye Research Institute, Singapore National Eye Centre, Singapore, Singapore 
3 Duke-NUS Medical School (M.E.N., F.A.B., T.A.T., S.P.,. C.L.H., T.A., M.J.A.G.), Singapore, Singapore 
4 Singapore Eye Research Institute (T.C., M.E.N., F.A.B., T.A.T., T.A., M.J.A.G.), Singapore National Eye Centre, Singapore, Singapore 
5 Department of Statistics and Data Science (A.T.), National University of Singapore, Singapore, Singapore 
6 Department of Biomedical Engineering (M.B.), National University of Singapore, Singapore, Singapore 
7 Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (G.B.), Singapore, Singapore 
8 Department of Mechanical Engineering (G.B.), Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, USA 
9 Department of Ophthalmology (T.C., M.J.A.G.), Emory University School of Medicine, Atlanta, Georgia USA 
10 Department of Biomedical Engineering (M.J.A.G), Georgia Institute of Technology/Emory University, Atlanta, Georgia, USA 
11 Emory Empathetic AI for Health Institute (M.J.A.G), Emory University, Atlanta, Georgia, USA 

Inquiries to Michaël J.A. Girard, Ophthalmic Engineering & Innovation Laboratory, Emory Eye Center, Emory School of Medicine, Emory Clinic Building B, 1365B Clifton Road, NE, Atlanta, Georgia 30322, USA Ophthalmic Engineering & Innovation Laboratory Emory Eye Center Emory School of Medicine Emory Clinic Building B, 1365B Clifton Road, NE Atlanta Georgia 30322 USA

Résumé

Purpose

(1) To assess whether neural tissue structure and biomechanics could predict functional loss in glaucoma; (2) To evaluate the importance of biomechanics in making such predictions.

Design

Clinic-based cross-sectional study.

Methods

We recruited 238 glaucoma subjects (Chinese ethnicity, more than 50 years old). For one eye of each subject, we imaged the optic nerve head (ONH) using spectral-domain OCT under the following conditions: (1) primary gaze and (2) primary gaze with acute IOP elevation (to approximately 35 mmHg) achieved through ophthalmo-dynamometry. We utilized automatic segmentation of optic nerve head (ONH) tissues and digital volume correlation (DVC) analysis to compute intraocular pressure (IOP)-induced neural tissue strains. A robust geometric deep learning approach, known as Point-Net, was employed to predict the full Humphrey 24-2 pattern standard deviation (PSD) maps from ONH structural and biomechanical information. For each point in each PSD map, we predicted whether it exhibited no defect or a PSD value of less than 5%. Predictive performance was evaluated using 5-fold cross-validation and the F1-score. We compared the model's performance with and without the inclusion of IOP-induced strains to assess the impact of biomechanics on prediction accuracy.

Results

Integrating biomechanical (IOP-induced neural tissue strains) and structural (tissue morphology and neural tissues thickness) information yielded a significantly better predictive model (F1-score: 0.76 ± 0.02) across validation subjects, as opposed to relying only on structural information, which resulted in a significantly lower F1-score of 0.71 ± 0.02 (p < 0.05). Our subjects had a mean age of 69±5 years. Among them, 88 were female. The cohort included a wide range of glaucoma severity, with Mean Deviation (MD) values ranging from −1.8 (mild) to −25.2 (severe), and an average MD value of −7.25 ± 5.05.

Conclusion

Our study has shown that the integration of biomechanical data can significantly improve the accuracy of visual field loss predictions and highlights the importance of the biomechanics-function relationship in glaucoma.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

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