Prediction of Subjective Refraction From Anterior Corneal Surface, Eye Lengths, and Age Using Machine Learning Algorithms

To develop a machine learning regression model of subjective refractive prescription from minimum ocular biometry and corneal topography features. Anterior corneal surface parameters (Zernike coefficients and keratometry), axial length, anterior chamber depth, and age were posed as features to predi...

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Vydané v:Translational vision science & technology Ročník 11; číslo 4; s. 8
Hlavní autori: Espinosa, Julián, Pérez, Jorge, Villanueva, Asier
Médium: Journal Article
Jazyk:English
Vydavateľské údaje: United States The Association for Research in Vision and Ophthalmology 01.04.2022
Predmet:
ISSN:2164-2591, 2164-2591
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Abstract To develop a machine learning regression model of subjective refractive prescription from minimum ocular biometry and corneal topography features. Anterior corneal surface parameters (Zernike coefficients and keratometry), axial length, anterior chamber depth, and age were posed as features to predict subjective refractions. Measurements from 355 eyes were split into training (75%) and test (25%) sets. Different machine learning regression algorithms were trained by 10-fold cross-validation, optimized, and tested. A neighborhood component analysis provided features' normalized weights in predictions. Gaussian process regression algorithms provided the best models with mean absolute errors of around 1.00 diopters (D) in the spherical component and 0.15 D in the astigmatic components. The normalized weights showed that subjective refraction can be predicted by only keratometry, age, and axial length. Increasing the topographic description detail of the anterior corneal surface implied by a high-order Zernike decomposition versus adjustment to a spherocylindrical surface is not reflected as improved subjective refraction prediction, which is poor, mainly in the spherical component. However, the highest achievable accuracy differs by only 0.75 D from that of other works with a more exhaustive eye refractive elements description. Although the chosen parameters may have not been the most efficient, applying machine learning and big data to predict subjective refraction can be risky and impractical when evaluating a particular subject at statistical extremes. This work evaluates subjective refraction prediction by machine learning from the anterior corneal surface and ocular biometry. It shows the minimum biometric information required and the highest achievable accuracy. El desarrollo de un modelo de regresión de aprendizaje automático prescripción refractiva subjetiva a partir de las características mínimas de la biometría ocular y la superficie corneal. Los parámetros de la superficie corneal anterior (coeficientes de Zernike y queratometría), además de longitudes axiales y de cámara anterior, edades y las refracciones subjetivas no ciclopléjicas de 355 ojos se dividieron en un conjunto de entrenamiento (75%) y otro de test (25%) y se entrenaron diferentes algoritmos de regresión de aprendizaje automático mediante validación cruzada 10 veces, se optimizaron y se probaron sobre el conjunto test. Los algoritmos de regresión del proceso gaussiano proporcionaron los mejores modelos con un error absoluto medio fue de alrededor de 1.00 D en el componente esférico y de 0.25 D en los componentes astigmáticos. Los pesos normalizados mostraron que la refracción subjetiva puede predecirse utilizando únicamente la queratometría, la edad y la longitud axial como características. El aumento del detalle de la descripción topográfica de la superficie corneal anterior que supone una descomposición de Zernike de alto orden frente al ajuste a una superficie esferocilíndrica realizado por queratometría no se refleja en una mejora de la predicción de la refracción subjetiva, que es pobre, en cualquier caso, principalmente en el componente esférico. Sin embargo, la máxima precisión alcanzada difiere en sólo 0,75 D de la de otros trabajos con una descripción más exhaustiva de los elementos refractivos del ojo. De todos modos, el aprendizaje automático y los datos masivos aplicados a la predicción de la refracción subjetiva pueden ser arriesgados y poco prácticos cuando se evalúa a un sujeto concreto en los extremos estadísticos, aunque los parámetros elegidos puedan no haber sido los más ineficaces. El trabajo evalúa la predicción de la refracción subjetiva mediante aprendizaje automático a partir de la superficie corneal anterior y la biometría ocular, mostrando la mínima información biométrica requerida y la máxima precisión alcanzable.
AbstractList To develop a machine learning regression model of subjective refractive prescription from minimum ocular biometry and corneal topography features.PurposeTo develop a machine learning regression model of subjective refractive prescription from minimum ocular biometry and corneal topography features.Anterior corneal surface parameters (Zernike coefficients and keratometry), axial length, anterior chamber depth, and age were posed as features to predict subjective refractions. Measurements from 355 eyes were split into training (75%) and test (25%) sets. Different machine learning regression algorithms were trained by 10-fold cross-validation, optimized, and tested. A neighborhood component analysis provided features' normalized weights in predictions.MethodsAnterior corneal surface parameters (Zernike coefficients and keratometry), axial length, anterior chamber depth, and age were posed as features to predict subjective refractions. Measurements from 355 eyes were split into training (75%) and test (25%) sets. Different machine learning regression algorithms were trained by 10-fold cross-validation, optimized, and tested. A neighborhood component analysis provided features' normalized weights in predictions.Gaussian process regression algorithms provided the best models with mean absolute errors of around 1.00 diopters (D) in the spherical component and 0.15 D in the astigmatic components.ResultsGaussian process regression algorithms provided the best models with mean absolute errors of around 1.00 diopters (D) in the spherical component and 0.15 D in the astigmatic components.The normalized weights showed that subjective refraction can be predicted by only keratometry, age, and axial length. Increasing the topographic description detail of the anterior corneal surface implied by a high-order Zernike decomposition versus adjustment to a spherocylindrical surface is not reflected as improved subjective refraction prediction, which is poor, mainly in the spherical component. However, the highest achievable accuracy differs by only 0.75 D from that of other works with a more exhaustive eye refractive elements description. Although the chosen parameters may have not been the most efficient, applying machine learning and big data to predict subjective refraction can be risky and impractical when evaluating a particular subject at statistical extremes.ConclusionsThe normalized weights showed that subjective refraction can be predicted by only keratometry, age, and axial length. Increasing the topographic description detail of the anterior corneal surface implied by a high-order Zernike decomposition versus adjustment to a spherocylindrical surface is not reflected as improved subjective refraction prediction, which is poor, mainly in the spherical component. However, the highest achievable accuracy differs by only 0.75 D from that of other works with a more exhaustive eye refractive elements description. Although the chosen parameters may have not been the most efficient, applying machine learning and big data to predict subjective refraction can be risky and impractical when evaluating a particular subject at statistical extremes.This work evaluates subjective refraction prediction by machine learning from the anterior corneal surface and ocular biometry. It shows the minimum biometric information required and the highest achievable accuracy.Translational RelevanceThis work evaluates subjective refraction prediction by machine learning from the anterior corneal surface and ocular biometry. It shows the minimum biometric information required and the highest achievable accuracy.El desarrollo de un modelo de regresión de aprendizaje automático prescripción refractiva subjetiva a partir de las características mínimas de la biometría ocular y la superficie corneal.ObjetivoEl desarrollo de un modelo de regresión de aprendizaje automático prescripción refractiva subjetiva a partir de las características mínimas de la biometría ocular y la superficie corneal.Los parámetros de la superficie corneal anterior (coeficientes de Zernike y queratometría), además de longitudes axiales y de cámara anterior, edades y las refracciones subjetivas no ciclopléjicas de 355 ojos se dividieron en un conjunto de entrenamiento (75%) y otro de test (25%) y se entrenaron diferentes algoritmos de regresión de aprendizaje automático mediante validación cruzada 10 veces, se optimizaron y se probaron sobre el conjunto test.MétodosLos parámetros de la superficie corneal anterior (coeficientes de Zernike y queratometría), además de longitudes axiales y de cámara anterior, edades y las refracciones subjetivas no ciclopléjicas de 355 ojos se dividieron en un conjunto de entrenamiento (75%) y otro de test (25%) y se entrenaron diferentes algoritmos de regresión de aprendizaje automático mediante validación cruzada 10 veces, se optimizaron y se probaron sobre el conjunto test.Los algoritmos de regresión del proceso gaussiano proporcionaron los mejores modelos con un error absoluto medio fue de alrededor de 1.00 D en el componente esférico y de 0.25 D en los componentes astigmáticos.ResultadosLos algoritmos de regresión del proceso gaussiano proporcionaron los mejores modelos con un error absoluto medio fue de alrededor de 1.00 D en el componente esférico y de 0.25 D en los componentes astigmáticos.Los pesos normalizados mostraron que la refracción subjetiva puede predecirse utilizando únicamente la queratometría, la edad y la longitud axial como características. El aumento del detalle de la descripción topográfica de la superficie corneal anterior que supone una descomposición de Zernike de alto orden frente al ajuste a una superficie esferocilíndrica realizado por queratometría no se refleja en una mejora de la predicción de la refracción subjetiva, que es pobre, en cualquier caso, principalmente en el componente esférico. Sin embargo, la máxima precisión alcanzada difiere en sólo 0,75 D de la de otros trabajos con una descripción más exhaustiva de los elementos refractivos del ojo. De todos modos, el aprendizaje automático y los datos masivos aplicados a la predicción de la refracción subjetiva pueden ser arriesgados y poco prácticos cuando se evalúa a un sujeto concreto en los extremos estadísticos, aunque los parámetros elegidos puedan no haber sido los más ineficaces.ConclusionesLos pesos normalizados mostraron que la refracción subjetiva puede predecirse utilizando únicamente la queratometría, la edad y la longitud axial como características. El aumento del detalle de la descripción topográfica de la superficie corneal anterior que supone una descomposición de Zernike de alto orden frente al ajuste a una superficie esferocilíndrica realizado por queratometría no se refleja en una mejora de la predicción de la refracción subjetiva, que es pobre, en cualquier caso, principalmente en el componente esférico. Sin embargo, la máxima precisión alcanzada difiere en sólo 0,75 D de la de otros trabajos con una descripción más exhaustiva de los elementos refractivos del ojo. De todos modos, el aprendizaje automático y los datos masivos aplicados a la predicción de la refracción subjetiva pueden ser arriesgados y poco prácticos cuando se evalúa a un sujeto concreto en los extremos estadísticos, aunque los parámetros elegidos puedan no haber sido los más ineficaces.El trabajo evalúa la predicción de la refracción subjetiva mediante aprendizaje automático a partir de la superficie corneal anterior y la biometría ocular, mostrando la mínima información biométrica requerida y la máxima precisión alcanzable.Relevancia TraslativaEl trabajo evalúa la predicción de la refracción subjetiva mediante aprendizaje automático a partir de la superficie corneal anterior y la biometría ocular, mostrando la mínima información biométrica requerida y la máxima precisión alcanzable.
To develop a machine learning regression model of subjective refractive prescription from minimum ocular biometry and corneal topography features. Anterior corneal surface parameters (Zernike coefficients and keratometry), axial length, anterior chamber depth, and age were posed as features to predict subjective refractions. Measurements from 355 eyes were split into training (75%) and test (25%) sets. Different machine learning regression algorithms were trained by 10-fold cross-validation, optimized, and tested. A neighborhood component analysis provided features' normalized weights in predictions. Gaussian process regression algorithms provided the best models with mean absolute errors of around 1.00 diopters (D) in the spherical component and 0.15 D in the astigmatic components. The normalized weights showed that subjective refraction can be predicted by only keratometry, age, and axial length. Increasing the topographic description detail of the anterior corneal surface implied by a high-order Zernike decomposition versus adjustment to a spherocylindrical surface is not reflected as improved subjective refraction prediction, which is poor, mainly in the spherical component. However, the highest achievable accuracy differs by only 0.75 D from that of other works with a more exhaustive eye refractive elements description. Although the chosen parameters may have not been the most efficient, applying machine learning and big data to predict subjective refraction can be risky and impractical when evaluating a particular subject at statistical extremes. This work evaluates subjective refraction prediction by machine learning from the anterior corneal surface and ocular biometry. It shows the minimum biometric information required and the highest achievable accuracy. El desarrollo de un modelo de regresión de aprendizaje automático prescripción refractiva subjetiva a partir de las características mínimas de la biometría ocular y la superficie corneal. Los parámetros de la superficie corneal anterior (coeficientes de Zernike y queratometría), además de longitudes axiales y de cámara anterior, edades y las refracciones subjetivas no ciclopléjicas de 355 ojos se dividieron en un conjunto de entrenamiento (75%) y otro de test (25%) y se entrenaron diferentes algoritmos de regresión de aprendizaje automático mediante validación cruzada 10 veces, se optimizaron y se probaron sobre el conjunto test. Los algoritmos de regresión del proceso gaussiano proporcionaron los mejores modelos con un error absoluto medio fue de alrededor de 1.00 D en el componente esférico y de 0.25 D en los componentes astigmáticos. Los pesos normalizados mostraron que la refracción subjetiva puede predecirse utilizando únicamente la queratometría, la edad y la longitud axial como características. El aumento del detalle de la descripción topográfica de la superficie corneal anterior que supone una descomposición de Zernike de alto orden frente al ajuste a una superficie esferocilíndrica realizado por queratometría no se refleja en una mejora de la predicción de la refracción subjetiva, que es pobre, en cualquier caso, principalmente en el componente esférico. Sin embargo, la máxima precisión alcanzada difiere en sólo 0,75 D de la de otros trabajos con una descripción más exhaustiva de los elementos refractivos del ojo. De todos modos, el aprendizaje automático y los datos masivos aplicados a la predicción de la refracción subjetiva pueden ser arriesgados y poco prácticos cuando se evalúa a un sujeto concreto en los extremos estadísticos, aunque los parámetros elegidos puedan no haber sido los más ineficaces. El trabajo evalúa la predicción de la refracción subjetiva mediante aprendizaje automático a partir de la superficie corneal anterior y la biometría ocular, mostrando la mínima información biométrica requerida y la máxima precisión alcanzable.
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Issue 4
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– volume: 46
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  article-title: Optical models for human myopic eyes
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– volume: 86
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  article-title: Validation of OCT-based Crystalline lens thickness measurements in children
  publication-title: Optom Vis Sci
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– volume: 74
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  year: 1997
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  article-title: Power vectors: an application of Fourier analysis to the description and statistical analysis of refractive error
  publication-title: Optom Vis Sci
  doi: 10.1097/00006324-199706000-00019
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  article-title: An introduction to variable and feature selection
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– volume: 59
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  article-title: Deep learning for predicting refractive error from retinal fundus images
  publication-title: Invest Ophthalmol Vis Sci
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– volume-title: The Nature of Statistical Learning Theory
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  article-title: Refractive index gradient of human lenses
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  article-title: Random forests
  publication-title: Mach Learn
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  article-title: Measurement of crystalline lens volume during accommodation in a lens stretcher
  publication-title: Invest Ophthalmol Vis Sci
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  article-title: Aspheric curvatures for the human lens
  publication-title: Vis Res
  doi: 10.1016/0042-6989(77)90157-2
– volume: 45
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  year: 2005
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  article-title: Refractive index distribution and optical properties of the isolated human lens measured using magnetic resonance imaging (MRI)
  publication-title: Vis Res
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  article-title: Optical models of the human eye
  publication-title: Clin Exp Optom
  doi: 10.1111/cxo.12352
– volume-title: Gaussian Processes for Machine Learning
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  article-title: Use of a machine learning method in predicting refraction after cataract surgery
  publication-title: J Clin Med
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– volume: 29
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  year: 2009
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  article-title: Correlation between the dioptric power, astigmatism and surface shape of the anterior and posterior corneal surfaces
  publication-title: Ophthalmic Physiol Opt
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  article-title: Reproducibility of sphero-cylindrical prescriptions
  publication-title: Ophthalmic Physiol Opt
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  article-title: Bagging predictors
  publication-title: Mach Learn
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  article-title: Using artificial intelligence and novel polynomials to predict subjective refraction
  publication-title: Sci Rep
  doi: 10.1038/s41598-020-65417-y
– volume: 7
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  article-title: Comparison between aberrometry-based binocular refraction and subjective refraction
  publication-title: Transl Vis Sci Technol
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  article-title: Spherical aberration of the crystalline lens
  publication-title: Vis Res
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  article-title: Neighborhood component feature selection for high-dimensional data
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  article-title: The repeatability of measurement of the ocular components
  publication-title: Invest Ophthalmol Vis Sci
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  article-title: Age-related changes in astigmatism and potential causes
  publication-title: Cornea
  doi: 10.1097/ICO.0000000000002507
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  article-title: Machine learning based predictions of subjective refractive errors of the human eye
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  article-title: Vision science and its applications: standards for reporting the optical aberrations of eyes
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  article-title: Age-related changes in corneal astigmatism
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  volume-title: International Encyclopedia of Statistical Science
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  article-title: Robust statistics
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  article-title: Lens thickness with age and accommodation by optical coherence tomography
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– volume-title: The Elements of Statistical Learning: Data Mining, Inference, and Prediction
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  article-title: The shape of the aging human lens: curvature, equivalent refractive index and the lens paradox
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To develop a machine learning regression model of subjective refractive prescription from minimum ocular biometry and corneal topography features.PurposeTo...
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URI https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/35404439
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