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近日，加拿大滑鐵盧大學(xué)（University of Waterloo，簡(jiǎn)稱滑大）表示，校內(nèi)初創(chuàng)公司 ThermOcular AI 正在研發(fā)一種眼表熱成像系統(tǒng)并推向市場(chǎng)，這種設(shè)備可用于篩查干眼癥和潛在的其他眼部疾病。

研發(fā)背景

干眼癥又稱干眼（dry eye），又稱角膜干燥癥，是淚液分泌不足、蒸發(fā)過(guò)多或淚液中的成分異常導(dǎo)致眼部不適以及視功能障礙，是一種常見的眼科疾病。

目前世界范圍內(nèi)干眼發(fā)病率在5%-35%，在我國(guó)干眼發(fā)病率為21%-30%；女性高于男性，老年人高于青年人，亞洲人高于其他人種。

干眼患者其病因十分復(fù)雜，臨床表現(xiàn)也多種多樣：早期可能僅有眼部輕微不適，如干澀、畏光、癢、燒灼感等，早晨尤為明顯。

患者在低濕度環(huán)境中更易產(chǎn)生癥狀，可能感到很不舒服，以致妨礙了正常生活，甚至可能并發(fā)難以治愈的角膜潰瘍而失明。

溫度是組織代謝的基本參數(shù)之一，體內(nèi)所有的代謝活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生熱量。而熱量通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流傳到體表，并輻射到周圍環(huán)境。準(zhǔn)確測(cè)量眼表溫度，將增加我們對(duì)眼球生理/病理狀態(tài)的了解。

眼表溫度受到多因素的影響，包括外界環(huán)境溫度、濕度、全身溫度、淚膜狀態(tài)、眼部疾病等。相關(guān)研究顯示，中央角膜溫度約為 34-35℃，角膜緣比角膜中央溫度高 0.45-1.0℃；正常眼瞬目后，眼表溫度下降速率約為 0.01℃/s。

眼表溫度的影響因素：

與周圍環(huán)境溫度有關(guān)：周圍環(huán)境每降低 1℃，眼表溫度降低約 0.16℃；

與體溫有關(guān)：體溫每升高 1℃，眼表溫度升高約 0.98℃；

與淚膜破裂時(shí)問(wèn)、Schirmer's評(píng)分，淚河高度負(fù)相關(guān)；

與脂質(zhì)層厚度正相關(guān)；

ThermOcular AI 希望能通過(guò)眼部成像技術(shù)，告訴臨床醫(yī)生患者的眼溫模式是否與干眼癥一致。

驗(yàn)光與視覺(jué)科學(xué)學(xué)院教授兼 ThermOcular AI 首席科學(xué)官 Paul Murphy 博士表示，研發(fā)這種設(shè)備主要是受到了體溫計(jì)的啟發(fā)：“如果你發(fā)燒，很可能是感染引起炎癥的跡象，如果你的眼睛發(fā)炎，血流量會(huì)增加，所以我們認(rèn)為溫度也可以作為判斷眼睛有疾病的標(biāo)準(zhǔn)之一 ，臨床醫(yī)生將會(huì)參與到我們的下一步行動(dòng)當(dāng)中。”

工作原理

眼表溫度 （OST） 受正常穩(wěn)態(tài)、環(huán)境變化或全身和局部疾病引起的眼部生理變化的影響。準(zhǔn)確測(cè)量 OST 可以幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地診斷眼部疾病，并為眼科研究提供有用的信息。

ThermOcular AI 研發(fā)的眼表熱成像設(shè)備可以詳細(xì)測(cè)量角膜的溫度，角膜是眼睛的透明部分，位于虹膜和瞳孔上方，用于篩查干眼癥和潛在的其他眼部疾病。

該設(shè)備在任何時(shí)間段內(nèi)都可以自動(dòng)測(cè)量和跟蹤角膜的 OST，使用紅外 （IR） 攝像頭和可見光 （VIS） 攝像頭分別從眼睛表面捕獲同步熱視頻和可見光視頻。

然后，使用兩組控制點(diǎn)將每個(gè)攝像機(jī)視頻序列的幀配準(zhǔn)在一起（視頻配準(zhǔn)）。

在第一對(duì)帶時(shí)間戳的紅外/可見光幀上手動(dòng)選擇點(diǎn)，并使用 Lucas-Kanade （LK） 光流算法（點(diǎn)跟蹤）在所有后續(xù)幀上進(jìn)行跟蹤。

ThermOcular AI 旨在提供快速、非侵入性的眼部成像，通過(guò)拍攝患者眼睛的短視頻并記錄眼表溫度隨時(shí)間變化的模式，告訴臨床醫(yī)生患者的眼溫模式是否與干眼癥一致。

現(xiàn)階段，也許其他的眼表溫度檢測(cè)方式需要1個(gè)小時(shí)甚至更久，而這種設(shè)備卻可以實(shí)現(xiàn)快速篩查。

未解的難題

目前，在臨床情況下，沒(méi)有商業(yè)設(shè)備來(lái)測(cè)量和跟蹤眼表的溫度分布。OST的預(yù)估方法可以分為兩類：?jiǎn)?、雙攝像頭系統(tǒng)，使用三種方法：手動(dòng)，半自動(dòng)和自動(dòng)。

單個(gè)攝像頭系統(tǒng)：僅使用紅外攝像頭，但由于整個(gè)眼表缺乏熱區(qū)分，角膜作為感興趣區(qū)域 （ROI） 的定位受到限制。

雙攝像頭系統(tǒng)：將可見光 （VIS） 攝像頭與紅外攝像頭結(jié)合使用，以幫助定位眼表上的特定 ROI。

然而，目前的系統(tǒng)無(wú)法同步這兩個(gè)視頻流，并且無(wú)法在測(cè)量序列中準(zhǔn)確定位和跟蹤紅外幀中的角膜區(qū)域。

手動(dòng)方法：用戶在 ROI 中選擇單個(gè)點(diǎn)、多個(gè)點(diǎn)或一個(gè)區(qū)域，從中測(cè)量平均 OST。

手動(dòng)方法雖然性能簡(jiǎn)單，但由于相機(jī)技術(shù)（例如，熱分辨率和時(shí)間精度低，侵入程度不同）或數(shù)據(jù)分析的局限性（例如，它們是非自動(dòng)的，需要大量的圖像后處理）而存在缺陷。

另一種是基于雙攝像頭系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用可見光圖像來(lái)識(shí)別紅外圖像中的 ROI，從而提高分割的精度。

然而，將兩個(gè)相機(jī)調(diào)整為具有相同的視野 （FOV） 是很困難的，而且來(lái)自兩個(gè)不同來(lái)源的結(jié)果圖像在大小上并不相同。

此外，來(lái)自不同傳感器的圖像會(huì)受到許多因素的影響，例如像素大小、圖像分辨率、鏡頭畸變、環(huán)境光、距離、攝影角度和傳感器類型。

因此，需要一個(gè)改進(jìn)的系統(tǒng)來(lái)測(cè)量和跟蹤隨時(shí)間變化的溫度曲線。

開發(fā)這樣的系統(tǒng)存在挑戰(zhàn)，包括：

1. 選擇合適的紅外和可見光相機(jī)，能夠捕捉眼睛表面的適當(dāng)細(xì)節(jié);

2. 設(shè)計(jì)相機(jī)支架以滿足系統(tǒng)要求;

3. 同步兩個(gè)攝像頭，捕捉眼表的同步視頻文件;

4. 疊加眼睛表面的兩個(gè)視頻文件，使它們?cè)谙鄳?yīng)幀上具有相同的角膜區(qū)域坐標(biāo);

5. 在紅外和可見光視頻文件上自動(dòng)定位角膜;

6. 檢測(cè)并刪除視頻文件中的偽影;

7. 從紅外視頻中提取并分析溫度曲線。

關(guān)于ThermOcular AI

ThermOcular AI 于 2024 年 1 月注冊(cè)成立。自 2022 年以來(lái)，創(chuàng)始人一直與滑鐵盧大學(xué)的創(chuàng)業(yè)孵化器 Velocity 合作，通過(guò) Up Start 計(jì)劃獲得資金，并在他們將重點(diǎn)從研究轉(zhuǎn)向創(chuàng)業(yè)時(shí)獲得產(chǎn)品市場(chǎng)契合度、銷售牽引力和創(chuàng)始人網(wǎng)絡(luò)支持方面的幫助。