智慧视物:解锁人工智能在隐形眼镜中的潜力
2025-09-25


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人工智能Artificial Intelligence,AI)与医疗领域的融合,开启了一个兼具洞察力、高效性与个性化的新时代。从放射科、皮肤科到心脏科、眼科,AI 驱动的工具正重新定义临床医生诊断、治疗和监测疾病的方式[1,2]。


在眼科领域,AI 已通过自动化图像分析技术,在糖尿病视网膜病变、年龄相关性黄斑变性及青光眼的检测中展现出应用价值[3-7]。然而,其在隐形眼镜领域的应用才刚刚起步


例如,未来有望出现一系列内置生物传感器的智能隐形眼镜。此类创新目前仍处于早期研发阶段,但现有产品已因具备收集生理数据(如葡萄糖浓度或眼压)的潜力而引发关注[8-11]。尽管这些器械尚未直接应用 AI 技术,但人工智能方法可用于分析它们生成的连续数据流,帮助临床医生解读数据模式、预测疾病进展或制定个性化治疗方案[12-14]。更近期的应用中,AI 正被用于隐形眼镜适配,尤其针对角膜塑形镜(ortho-k)、巩膜镜等复杂镜片设计。通过分析大量角膜地形图数据及既往适配结果,AI 算法可协助从业者选择初始镜片参数,缩短诊疗时间,并提高首次适配成功率[15-23]。本社论将探讨 AI 如何塑造隐形眼镜的未来,涵盖从先进设计、制造流程到临床应用(如个性化适配、实时眼部健康监测)的各个方面。


眼科领域中的AI认知
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AI 广义上指能够执行传统上需人类认知参与的任务(如模式识别、决策制定、问题解决)的计算系统。在医疗领域,大多数 AI 应用依赖于机器学习,一种通过从数据中学习而非通过明确编程来提升算法性能的方法。机器学习的一个分支“深度学习”,利用分层人工神经网络对复杂的非线性关系进行建模,尤其适用于图像、音频和时间序列数据的处理[24]。这些算法从数据中学习模式,能够执行临床诊断和器械研发中常见的分类、回归、分割等任务[25]。例如,在隐形眼镜适配中,模型可通过训练实现角膜形状分类、镜片参数估算,或基于生物特征输入预测适配成功率[15,16,18]。在该领域的研究中,AI 技术正越来越多地被用于解读连续传感器数据、识别异常情况,或预测生理指标随时间的变化[12,14]。这些能力不仅取决于数据的数量和质量,还依赖于为任务选择合适的模型。例如,用于图像分析的卷积神经网络(CNN),或用于时间序列信号处理的循环结构[25]


AI在隐形眼镜适配与临床决策中的应用
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角膜塑形镜适配


AI 辅助适配系统在角膜塑形镜领域的探索最为活跃[15,17-23,26]此类镜片的选择高度依赖角膜几何形态和个体眼部反应。传统的角膜塑形镜适配依赖经验表或基于地形图指导的试戴镜片组,但双眼间的显著差异及镜片设计的多样性,使得适配过程耗时且对临床医生的经验依赖性强


Fan 等人开启了角膜塑形镜适配领域的 AI 相关研究,他们开发模型用于预测关键镜片设计参数,尤其是回归区深度(Reverse Zone Depth, RZD)和着陆区角度。研究团队基于1037只中国近视人群眼睛的角膜地形图和屈光数据(这些眼睛均适配了角膜屈光治疗镜片系统),训练了线性回归和支持向量回归模型。结果显示,这些模型在预测 RZD 方面的表现优于滑动卡片法(一种基于制造商提供的适配图表估算镜片参数的传统规则化方法),尤其在东亚人群中适配估算效果更优,该人群中标准适配指南的代表性往往不足[26]。在后续的 COVID-19 疫情期间,该团队将其机器学习方法应用于视力塑形治疗设计的回顾性地形图数据,实现了安全性高、接触少的远程适配,同时保持了适配准确性[23]。


除镜片参数选择外,Xu 等人进一步拓展了 AI 的应用范围,他们利用超过2600只眼的数据开发机器学习模型,同时预测适配曲线半径和1年眼轴长度变化。在测试的多种算法中,随机森林算法在两项任务中均表现最佳,性能优于传统基于公式的方法[22]。在一项相关研究中,这些研究者结合深度学习与图像处理技术,对瞳孔、治疗区等地形图特征进行分割。生成的定量指标(包括偏心度和有效离焦范围)用于角膜地形图类型分类,与专家评估结果的一致性超过98%,为镜片评估的临床应用提供了支持[21]。其他研究团队也探索了辅助镜片适配、改善临床结局的补充 AI 策略[17-20]。Xiao 等人开发了一个预测模型,用于评估佩戴1个月后镜片的偏心情况,发现年龄、8mm矢状高度差、5mm Kx1(平坦曲率差)和 7mm Kx2(倾斜曲率差)是关键预测因素[17]。Yang 等人应用深度神经网络,通过角膜和屈光数据预测曲率、度数和镜片直径。该模型整体准确性较高,但在角膜形态较为特殊的情况下性能有所下降,这也凸显了扩大训练数据集的必要性[18]。Koo 等人采用监督学习方法,为韩国青少年预测全套镜片参数(包括复曲面度和矢状深度),开发的网页应用性能优于制造商计算器[20]。最后,Lan 等人基于超过11000条多品牌适配记录,训练了一个 AI 辅助处方系统,结果显示该系统提高了镜片选择效率,减少了从业者(尤其是初级临床医生)之间的适配差异[19]

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圆锥角膜的硬性隐形眼镜适配


尽管隐形眼镜领域的 AI 进展大多集中在用于近视管理的角膜塑形镜上,但类似方法目前也正被应用于更复杂的圆锥角膜硬性镜片适配任务[16,27,28]由于圆锥角膜患者角膜形态不规则且个体差异大,选择合适的镜片参数仍具挑战性,通常需要多次试戴


Hashemi 等人开发了一种多视图深度学习模型,该模型结合 Pentacam 设备生成的4幅地形图,预测硬性角膜接触镜的最佳基弧。该系统利用自定义构建的 CNN 和预训练 CNN 提取特征,与专家选择的参数一致性较高[28]


在一项相关研究中,Risser 等人基于 Scheimpflug 成像获取的曲率图训练神经网络,用于推荐 Rose K2 镜片的基弧。该模型的表现优于基于平均角膜曲率的标准选择方法,即使在病情较严重的病例中也能保持准确性,仅在角膜圆锥偏心时性能略有下降[27]


Abadou 等人利用 MS39 设备获取的原始地形图,探索了更广泛的 AI 方法。在真实临床环境中,他们使用 Rose K2 镜片,将这些模型与传统角膜曲率测量法在预测最合适镜片的后表面曲率方面进行了直接比较。研究结果表明,基于完整成像数据训练的模型在预测最佳镜片后表面曲率方面表现明显更优,这也支持了利用详细地形图指导隐形眼镜选择的可行性[16]


这些研究共同表明,AI 在特殊类型镜片适配中的作用正不断扩大,在传统方法可靠性最低的领域,AI 提供了基于数据的支持。


AI在带传感器隐形眼镜中的应用
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曾几何时,真正智能的隐形眼镜的前景引发了公众的广泛想象,这在一定程度上得益于 Mojo Vision 等公司的推动。该公司的概念镜片将微型显示器、传感器和无线通信集成到巩膜镜片平台中,旨在直接向眼睛提供实时信息叠加。尽管该项目因融合先进光学与数字功能而备受关注,但由于财务限制和公司战略重心转移,其研发于2023年暂停,这也凸显了这一新兴领域面临的商业和技术挑战

尽管遭遇这一挫折,智能镜片领域的发展势头并未减弱。XPANCEO、InWith Corporation、Innovega 等深度科技初创公司仍在继续开发具备增强现实和传感功能的隐形眼镜,不断突破微型电子设备、生物相容性材料和嵌入式光学技术的极限。随着这些平台的发展,AI 有望发挥核心作用:解读复杂生物信号、管理实时数据采集,并实现自适应视觉界面。这些进展预示着未来的隐形眼镜将不仅能“视物”,还能“理解”并“响应”环境与人体状态。


除了概念性的增强现实隐形眼镜,一些器械在临床场景中已具备真正的智能镜片功能,即便它们目前尚未直接依赖 AI。例如,Sensimed 公司的 Triggerfish® 镜片,一种内置应变传感器的软性隐形眼镜,可在24小时内监测眼部尺寸的细微变化[29-31]。该镜片最初开发用于间接监测眼压,但其生成的复杂时间序列数据在过去缺乏先进的临床解读工具

为填补这一空白,Martin 等人率先探索了从 Triggerfish 记录中提取的参数是否可支持青光眼诊断[12]。他们的研究将机器学习应用于反映眼部容积动态变化的信号,结果表明,即使没有传统的眼压读数,某些由镜片获取的特征也能区分健康人群与原发性开角型青光眼患者。这一结果提示,这些连续信号捕捉到了除眼压外,与疾病进程相关的生物力学波动信息。

近期,Świerczyński 等人在此概念基础上进一步发展,设计了一个完全基于 Triggerfish 输出的分类模型,以辅助青光眼诊断。他们注意到,眼科领域的大多数 AI 研究聚焦于眼底图像或结构扫描[32],而他们的研究标志着分析方向开始转向眼部表面采集的纵向生物信号。研究结果证实,信号的变异模式和夜间信号特征包含具有临床价值的信息,尤其是在结合机器学习解读时[13,14]

这些研究共同凸显了智能镜片的潜力,它们不仅是数据收集工具,更是临床有用信息的来源。随着时间序列分析方法的进步,以及更多针对此类数据训练的 AI 模型出现,基于隐形眼镜的监测有望成为青光眼诊断及其他医疗领域的重要组成部分


机遇、挑战与伦理考量
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AI 与隐形眼镜技术的融合,为眼科医疗的未来描绘了极具吸引力的前景。除了实现适配流程自动化,AI 系统还能支持一致性的镜片选择、缩短诊疗时间,并协助临床医生处理复杂病例[15,16,20]。展望未来,配备传感器的镜片可能实现对眼部或全身变化的实时监测,从而推动疾病的早期诊断和个性化干预。


然而,全面推广这一技术仍面临实际、科学和伦理层面的挑战,包括训练数据的可用性与质量、算法的透明度与可解释性、临床验证、数据隐私,以及新技术的公平分配[33]。大多数 AI 模型基于特定人群的回顾性数据训练,泛化性有限[34,35]。因此,在不同场景下进行前瞻性验证至关重要。此外,连续数据采集还引发了数据所有权、知情同意和隐私保护方面的挑战,尤其是当生物特征信号需在外部处理时[33,36]。与此同时,向智能传感平台的转型也带来了独特的工程限制:将电子设备和传感器嵌入软性镜片需要纳米级的精密制造工艺,同时需使用稳定的生物相容性材料,以确保长期佩戴的舒适性和安全性[37-39]。同样重要的是临床医生的角色定位:AI 应作为临床判断的辅助工具,而非替代品;其应用必须遵循明确的规范,明确当自动化建议影响决策时的责任划分[40-42]


参考文献

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