眼と糖尿病EyesandDiabetes三田村瑞穂*齋藤理幸*はじめに糖尿病網膜症(diabeticretinopathy:DR)は日本における視覚障害の原因疾患の第3位であり1),とくに労働年齢層における失明原因としてもっとも多い疾患である.網膜は全身の窓であるといわれ,人体で唯一微小血管系を直接観察できる部位として積極的に研究されている器官であり,網膜の状態と全身の状態を結びつける研究は兼ねてより行われてきた.近年,画像解析技術手法や人工知能(arti.cialintelligence:AI)の発展に伴って,この事実が再度クローズアップされており,眼から得られる情報と全身状態の関連を探求する学問はオキュロミクス(oculomics)と名づけられている2).IDRの自動診断DRについても例外ではなく,2018年には米国で,AIによるDRに対する自動診断システムであるIDx-DR(DigitalDiagnostics社)が承認され3)(図1),カナダでも同様のスクリーニング機器であるEyeArtを承認,2022年には農村部に同機器を提供する民間サービスが発表された.これらの自動診断システムは,眼科医が眼底検査や眼底写真の読影をしなくても自動でDRのスクリーニングを行ってくれるため,眼科医の労力を減らしてくれるスクリーニングツールとして非常に重要であると考えられる.IDx-DRは,図2のように眼底写真から出血や軟性・硬性白斑を検出して,DRの有無を自動的に判定してくれる.しかし,眼底における糖尿病性変化とは出血と白斑だけではない.糖尿病網膜症の発症に先行する眼底所見としてよく知られているものに,網膜血管の変化がある.眼底写真を用いて網膜血管径を測定した先行研究では,網膜血管の拡大は網膜症の予測因子であり,網膜細動脈拡張は1型糖尿病の若い患者の網膜症の発症を予測すること4,5),また,糖尿病黄斑浮腫(diabeticmacularedema:DME)では発症前に網膜細動脈細静脈およびそれらの黄斑枝が有意に拡張伸長している6)といった報告がある.このように,DRにおける眼底変化は人間の眼で容易にわかる所見からわかりづらい所見まで多岐にわたるが,AIを用いてDRの「有無」を学習し判定するときには,AIがこの血管変化を検出することは困難であると考えられる.その理由の一つは,出血や軟性・硬性白斑の有無という指標はわかりやすいからである.AIは判定精度の向上を至上命題として画像を解析するため,網膜血管の変化よりもわかりやすい出血や白斑の有無を検出したほうが判定精度が向上するので,微細な網膜血管の変化はAIには無視されてしまう.理由の二つめは,そもそも血管変化をAIに学習させていないからである.糖尿病があり網膜血管に変化があっても,DRがない,つまり出血や白斑がない眼は「網膜症なし」として学習させているので,当然基準に該当しない網膜血管の変化は学習対象とならず無視されてしまうわけである.それでは,DR発症の予測という観点に立ってみるとどうであろうか.*MizuhoMitamura&MichiyukiSaito:北海道大学大学院医学研究院眼科学教室〔別刷請求先〕三田村瑞穂:〒060-8648北海道札幌市北区北14条西5北海道大学大学院医学研究院眼科学教室(1)(47)2750910-1810/26/\100/頁/JCOPY図1眼科用AI医療機器・IDx-DR糖尿病網膜症(DR)を1分で自動診断できる.(https://www.healthvisors.com/en/idx-dr/より転載)Lesion-BasedDiseaseDetectionLeslonDetectionQualityDiseaseAssessmentPassAssessment:AnatomyDR+/DR-Localization図2IDx-DRによる画像解析と判定網膜のデジタル画像を独自のAIアルゴリズムで解析し,DRが陽性か陰性かの判断を行う.(https://www.healthvisors.com/en/idx-dr/より転載)AI:arti.cialintelligence,DL:deeplearning.図3ニューラルネットワークの概念図(https://medium.com/@UdacityINDIA/di.erence-between-machine-learning-deep-learning-and-arti.cial-intelligence-e9073d43a4c3より改変引用)図4ニューラルネットワークを用いた画像認識の1例(https://wiki.tum.de/display/lfdv/Image+Semantic+Segmentationより転載)ニューラルネットワーク生成図5HokkaidoUniversityretinalvesselsegmentation(HURVS)model筆者らが開発したCHURVSmodelは,眼底写真から網膜動静脈を自動識別するニューラルネットワークである.(文献C7改変より改変引用)(pixels)(pixels)動脈面積5,00010,00015,000静脈面積10,00020,00030,0002,5002,5002,500(cm/秒)2,5001,0001,5002,000(cm/秒)2,500脈波伝播速度脈波伝播速度動脈面積R=-0.40,静脈面積R=-0.36,各p<0.001図6脈波伝播速度と動脈面積,静脈面積との負の相関(文献C9より改変引用)図730歳代の糖尿病患者の眼底DR発症前に比較的血管密度が高い領域,とくに動脈で血管密度が変化する.Ca:網膜動脈.b:網膜静脈.赤領域:増加.青領域:減少.(筆者らが作成)図8HokkaidoUniversitymacular.uidsegmentation(HUMFS)modelHUMFSmodelはCOCT画像から網膜液の予測画像を作成するニューラルネットワークである.(文献C15より引用)図9網膜液(MF)画像生成の代表的画像a,d:糖尿病黄斑浮腫(DME)の網膜液(MF)のみを抽出した網膜内液(IRF)画像.Cb,e:面積測定用の二値化画像.c,f:平均輝度および輝度分散を測定するための重み付け画像.(文献C16より引用)図10Gradient-weightedClassActivationMapping(Grad-CAM)画像AIが視力の判定に重要であると認識した部位を可視化したCGrad-CAMのC1例.(筆者らが作成)=メンテーションモデルを用いて,定量的・定性的なCMFのパラメータを分析できたことは意義があると考える.この定性的CMFパラメータは,MF内部の高反射性物質の濃度の変化と不均一性を反映している可能性があり,DR進行に伴うCDME病態の理解を深めるうえで有用であると考えられる.また,同研究ではCMFのみを抽出したマスク処理COCT画像から視力を推量することが可能であった.MFの形態や性状が最終的に視力に影響を与えることが証明されるとともに,今後どのようなCMFが視力に影響を及ぼすのか解析対象として有用であることが示された.図10はCAIが視力の判定に重要であると認識した部位を可視化したCGradient-weightedCClassCActivationMapping(Grad-CAM)画像18)であるが,MF部位やCMFが存在しない部位がさまざまに強調されており,MFの性状(形態,輝度,部位など)やそれ以外の複数の微細構造の変化を,AIが視力の判定に重要であると認識している可能性がある.このCDME研究の展望としては,AIの判断根拠部位の解析により黄斑浮腫と視力の関係をより明らかにできると考え,治療薬剤の種類による黄斑浮腫の治療効果の違いなど臨床に即した研究を計画しており,今後治療効果予測や視力予後予測など臨床応用できる可能性がある.おわりに眼底画像やCOCTなどの医療画像を用いたCAI研究は,眼と全身疾患を結びつける新たな視点を与え,スクリーニングや診断から治療判定・予後予測まで筆者らの日常診療に欠かせないものとなっている.そして,眼科学の知見とCAIの計算力の融合によって,糖尿病を含めた全身疾患におけるさまざまな眼底変化を定量化,可視化することは,病態解明につながると考える.文献1)MatobaCR,CMorimotoCN,CKawasakiCRCetal:ACnationwideCsurveyCofCnewlyCcerti.edCvisuallyCimpairedCindividualsCinCJapanCforCtheC.scalCyear2019:impactCofCtheCrevisionCofCcriteriaCforCvisualCimpairmentCcerti.cation.CJpnCJCOphthal-molC67:346-352,C20232)WagnerCSK,CFuCDJ,CFaesCLCetal:InsightsCintoCsystemicCdiseaseCthroughCretinalCimaging-basedCoculomics.CTranslCVisSciTechnolC9:6,C20203)KhanZ,GaidhaneAM,SinghMetal:DiagnosticAccura-cyofIDX-DRforDetectingDiabeticRetinopathy:ASys-tematicCReviewCandCMeta-Analysis.CAmCJCOphthalmolC273:192-204,C20254)CheungN,RogersSL,DonaghueKCetal:Retinalarteri-olardilationpredictsretinopathyinadolescentswithtype1diabetes.DiabetesCareC31:1842-1846,C20085)VelayuthamCV,CCraigCME,CLiewCGCetal:Extended-zoneCretinalvascularcaliberandriskofdiabeticretinopathyinadolescentsCwithCtypeC1Cdiabetes.COphthalmolCRetinaC4:C1151-1157,C20206)KristinssonCJK,CGottfredsdottirCMS,CStefanssonE:RetinalCvesseldilatationandelongationprecedesdiabeticmacularoedema.BrJOphthalmolC81:274-278,C19977)FukutsuK,SaitoM,NodaKetal:Adeeplearningarchi-tectureCforCvascularCareaCmeasurementCinCfundusCimages.COphthalmolSciC1:100004,C20218)MitamuraM,SaitoM,FukutsuKetal:Sexdi.erencesinage-relatedCchangesCinCretinalCarteriovenousCareaCbasedCondeeplearningsegmentationmodel.OphthalmolSciC5:C100719,C20259)FukutsuCK,CSaitoCM,CNodaCKCetal:RelationshipCbetweenCbrachial-ankleCpulseCwaveCvelocityCandCfundusCarteriolarCareacalculatedusingadeep-learningalgorithm.CurrEyeResC47:1534-1537,C202210)SaitoM,MitamuraM,FukutsuKetal:Retinalarteriove-nousCinformationCimprovesCtheCpredictionCaccuracyCofCdeepClearning-basedCpulseCwaveCvelocityCfromCcolorCfun-dusphotographs.InvestOphthalmolVisSci66:63,C202511)WongTY,KnudtsonMD,KleinRetal:Computer-assist-edmeasurementofretinalvesseldiametersintheBeaverDamEyeCStudy:methodology,CcorrelationCbetweenCeyes,Cande.ectofrefractiveerrors.OphthalmologyC111:1183-1190,C200412)SchleglCT,CWaldsteinCSM,CBogunovicCHCetal:FullyCauto-matedCdetectionCandCquanti.cationCofCmacularC.uidCinCOCTCusingCdeepClearning.COphthalmologyC125:549-558,C201813)HsuHY,ChouYB,JhengYCetal:Automaticsegmenta-tionCofCretinalC.uidCandCphotoreceptorClayerCfromCopticalCcoherenceCtomographyCimagesCofCdiabeticCmacularCedemaCpatientsCusingCdeepClearningCandCassociationsCwithCvisualCacuity.BiomedicinesC10:1269,C202214)AlryalatCSA,CAl-AntaryCM,CArafaCYCetal:DeepClearningCpredictionofresponsetoanti-VEGFamongdiabeticmac-ularCedemapatients:TreatmentCResponseCAnalyzerSystem(TRAS)C.Diagnostics(Basel)C12:312,C202215)MitamuraCM,CSaitoCM,CNishiyama-HirookaCKCetal:AI-basedCanalysisCofCsurgicalCoutcomesCinCvitrectomyCwithCandCwithoutCcystotomyCforCrefractoryCcystoidCdiabeticCmacularedema.SciRepC15:14629,C2025(53)あたらしい眼科Vol.43,No.3,2026C281