基于k-means 聚類方法的分類肺康復(fù)對慢性阻塞性肺疾病穩(wěn)定期患者的干預(yù)效果

李彩平，李海榮，夏仲年，常冰梅，曹錫梅

本研究創(chuàng)新點：

基于k-means 聚類方法的分類肺康復(fù)類似于“量身定做”，可避免既往實施的肺康復(fù)處方的盲目性。本研究首次依據(jù)COPD 穩(wěn)定期患者14 項聚類分析指標(biāo)聚類并有針對性地實施分類肺康復(fù)，以期達到事半功倍的效果。

近年來隨著人口老齡化及環(huán)境污染加重，慢性阻塞性肺疾?。–OPD）發(fā)病率呈逐年上升趨勢［1-2］。COPD 病情進展可使患者呼吸功能逐漸下降，進而出現(xiàn)活動后氣促、胸悶、喘息等癥狀，嚴(yán)重影響患者的生存質(zhì)量。目前，COPD 尚無法治愈，臨床主要采用藥物治療以減輕患者呼吸困難癥狀，降低急性發(fā)作風(fēng)險，但并不能改善患者肺功能及阻止肺功能進行性減退［3］。既往研究表明，肺康復(fù)能有效提高COPD 穩(wěn)定期患者肺功能及運動功能，減少呼吸困難發(fā)生次數(shù)及患者就診次數(shù)［4-7］。但臨床實踐中針對不同嚴(yán)重程度COPD 穩(wěn)定期患者基本使用相同的肺康復(fù)運動標(biāo)準(zhǔn)，為此筆者所在醫(yī)院采用k-means 聚類方法將COPD 穩(wěn)定期患者進行分類并采用針對性肺康復(fù)，旨在為COPD 穩(wěn)定期患者制定精準(zhǔn)治療方案提供參考。

1 對象與方法

1.1 研究對象 選取2018 年1—6 月在大同市第五人民醫(yī)院呼吸科就診并完成肺功能檢測的242 例COPD 穩(wěn)定期患者，均符合《慢性阻塞性肺疾病診斷、處理和預(yù)防全球策略（2017 GOLD 報告）》中的COPD 診斷標(biāo)準(zhǔn)［8］并處于穩(wěn)定期。排除標(biāo)準(zhǔn):合并不穩(wěn)定型心絞痛、心肌梗死、心力衰竭、骨關(guān)節(jié)病變、肢體殘疾、心腦血管疾病、惡性腫瘤或有惡病質(zhì)表現(xiàn)者；有認知障礙或溝通障礙者；COPD 急性加重不能耐受肺康復(fù)訓(xùn)練者；合并嚴(yán)重心、腦、腎等重要臟器功能損傷者。本研究經(jīng)大同市第五人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審核批準(zhǔn)，所有患者對本研究知情并簽署知情同意書。

1.2 聚類分析指標(biāo) 所有患者于入院48 h 內(nèi)由醫(yī)生、護士、康復(fù)科醫(yī)生、營養(yǎng)師及心理咨詢師完成入院評估。收集所有患者一般資料〔包括年齡、病程、基礎(chǔ)疾病種類、體質(zhì)指數(shù)（BMI）、急性加重次數(shù)〕、肺功能指標(biāo)〔包括第1 秒用力呼氣容積與用力肺活量比值（FEV1/FVC）、第1 秒用力呼氣容積占預(yù)計值的百分比（FEV1%pred）〕、6分鐘步行距離（6MWD）、呼吸困難情況〔包括改良英國醫(yī)學(xué)研究學(xué)會呼吸困難指數(shù)（mMRC）評分、呼吸困難次數(shù)〕、營養(yǎng)受損評分、慢性阻塞性肺疾病評估測試量表（CAT）評分、焦慮自評量表（SAS）評分及日常生活能力量表（ADL）評分。其中6MWD 測量方法:在室內(nèi)找一條長50 m 的平直走廊，折返處設(shè)置錐形標(biāo)記，起始處設(shè)置紅色線條標(biāo)記，記錄受試者6 min 內(nèi)在自己體能允許范圍內(nèi)盡快走的距離。mMRC 主要用于評估患者呼吸困難嚴(yán)重程度，0～1 級計為0 分，2 級計為1 分，3 級計為2 分，4 級計為3 分［9］。采用歐洲腸外腸內(nèi)營養(yǎng)學(xué)會2002 年推出的營養(yǎng)風(fēng)險篩查簡表中的營養(yǎng)受損評分評估患者營養(yǎng)受損情況，其中0 分為營養(yǎng)狀況正常，1 分為輕度營養(yǎng)不良，2 分為中度營養(yǎng)不良，3 分為重度營養(yǎng)不良。采用CAT 評估COPD 穩(wěn)定期患者健康和生活質(zhì)量，該量表由8 個條目組成，每個條目根據(jù)癥狀嚴(yán)重程度計0～5 分，評分越高提示患者健康和生活質(zhì)量越差［9］。SAS 共包括20 個條目，每個條目采用Likert 4級評分法，20 個條目評分相加并乘于1.25 為標(biāo)準(zhǔn)分，評分越高提示患者焦慮程度越重［10］。ADL 包括進食、洗澡、修飾、穿衣、控制大便、控制小便、如廁、床椅轉(zhuǎn)移、平地行走、上下樓梯共10 個條目，總分100 分，評分越高提示患者日常生活能力越好［11］。

1.3 分組 采用k-means 聚類方法確定COPD 穩(wěn)定期患者最佳分類為3 類，之后在第1 類COPD 穩(wěn)定期患者中隨機選取30 例作為A1 組、30 例作為B1 組，在第2 類COPD 穩(wěn)定期患者中隨機選取30 例作為A2 組、30 例作為B2 組，在第3 類COPD穩(wěn)定期患者中隨機選取30例作為A3組、30例作為B3組。

1.4 干預(yù)方法 A1 組、A2 組及A3 組患者給予常規(guī)康復(fù)方案，B1 組、B2 組及B3 組患者給予基于k-means 聚類方法的分類肺康復(fù)，具體如下:B1 組患者主要干預(yù)目的是增強心肺功能，主要采取肺康復(fù)訓(xùn)練處方（包括運動訓(xùn)練和呼吸訓(xùn)練），運動訓(xùn)練包括上肢運動訓(xùn)練和下肢運動訓(xùn)練，其中上肢運動訓(xùn)練主要包括上舉、繞圈訓(xùn)練，下肢運動訓(xùn)練主要包括散步、慢跑、游泳、爬樓梯［12］，30 min/次，3～5 次/周；呼吸訓(xùn)練主要包括縮唇呼吸和腹式呼吸［13］。B2 組患者主要干預(yù)目的是減少急性發(fā)作、改善呼吸功能，所有患者在積極治療基礎(chǔ)疾病和家庭氧療［14］基礎(chǔ)上長期吸入布地奈德福莫特羅粉吸入劑，主要采取肺康復(fù)訓(xùn)練處方（包括運動訓(xùn)練和呼吸訓(xùn)練），運動訓(xùn)練方式參考B1 組，上、下肢運動訓(xùn)練均從5 min 開始，逐漸延長至20 min/次，3～4 次/周；呼吸訓(xùn)練初始為2 次/d，適應(yīng)后增加到3～4 次/d，3～5 min/次，注意觀察患者耐受情況。B3 組患者主要干預(yù)目的是改善患者營養(yǎng)狀況、減輕不良情緒，因此肺康復(fù)處方以心理支持、營養(yǎng)支持及家庭支持為主，同時根據(jù)患者具體情況采取適度肺康復(fù)運動訓(xùn)練，如散步，5～10 min/次，2 次/d，注意觀察患者耐受情況。六組患者均連續(xù)干預(yù)6 個月。

1.5 觀察指標(biāo) 比較A1 組與B1 組患者干預(yù)前后肺功能指標(biāo)與6MWD，A2 組與B2 組患者干預(yù)前后急性加重次數(shù)、肺功能指標(biāo)、6MWD 及mMRC 評分，A3 組與B3 組患者干預(yù)前后肺功能指標(biāo)、6MWD、mMRC 評分、營養(yǎng)受損評分、CAT 評分及SAS 評分。

1.6 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 13.0 統(tǒng)計學(xué)軟件進行數(shù)據(jù)處理，符合正態(tài)分布的計量資料以表示，兩組間比較采用成組t 檢驗，多組間比較采用單因素方差分析；以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。采用k-means 聚類方法對COPD 穩(wěn)定期患者進行分類，綜合考慮偽F 值、近似期望R2和立方聚類準(zhǔn)則（CCC）以確定最佳分類。

2 結(jié)果

2.1 聚類結(jié)果

2.1.1 確定最佳分類 根據(jù)聚類分析指標(biāo)并采用k-means 聚類方法將所有患者聚為3～5 類，綜合考慮偽F 值、近似期望R2和CCC 最終確定最佳分類為3 類，見表1。COPD 穩(wěn)定期患者k-means 聚類方法各類重心（標(biāo)化值）見表2。

2.1.2 聚類區(qū)分效果 3 類COPD 穩(wěn)定期患者年齡比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；3 類COPD 穩(wěn)定期患者病程、基礎(chǔ)疾病種類、BMI、急性加重次數(shù)、FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD、mMRC 評分、呼吸困難次數(shù)、營養(yǎng)受損評分、CAT 評分、SAS 評分及ADL 評分比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05，見表3）。

2.2 不同分類COPD 穩(wěn)定期患者干預(yù)效果

2.2.1 A1 組與B1 組患者干預(yù)前后肺功能指標(biāo)和6MWD 比較 A1 組與B1 組患者干預(yù)前FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD及干預(yù)后FEV1/FVC、FEV1%pred 比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；B1 組患者干預(yù)后6MWD 長于A1 組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05，見表4）。

2.2.2 A2組與B2組患者干預(yù)前后急性加重次數(shù)、肺功能指標(biāo)、6MWD 及mMRC 評分比較 A2 組與B2 組患者干預(yù)前急性加重次數(shù)、FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD、mMRC 評分及干預(yù)后FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD 比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；B2 組患者干預(yù)后急性加重次數(shù)少于A2 組，mMRC 評分低于A2 組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05，見表5）。2.2.3 A3 組與B3 組患者干預(yù)前后肺功能指標(biāo)、6MWD、mMRC 評分、營養(yǎng)受損評分、CAT 評分及SAS 評分比較 A3 組與B3 組患者干預(yù)前FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD、mMRC 評分、營養(yǎng)受損評分、CAT 評分、SAS 評分及干預(yù)后FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD 比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；B3 組患者干預(yù)后mMRC 評分、營養(yǎng)受損評分、CAT 評分、SAS 評分均低于A3 組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05，見表6）。

表1 COPD 穩(wěn)定期患者k-means 聚類結(jié)果Table 1 k-means clustering results for stable COPD patients

3 討論

肺康復(fù)是COPD 穩(wěn)定期患者的重要的非藥物治療方案之一，其應(yīng)用效果已得到臨床證實［3-4］。在臨床實踐中發(fā)現(xiàn)，病情嚴(yán)重程度會影響COPD 穩(wěn)定期患者肺康復(fù)效果，但目前有關(guān)COPD 穩(wěn)定期患者采取基于k-means 聚類方法的分類肺康復(fù)的研究鮮少報道。

表4 A1 組與B1 組患者干預(yù)前后肺功能指標(biāo)和6MWD 比較Table 4 Comparison of indexes of pulmonary function and 6MWD between A1 group and B1 group before and after intervention

表4 A1 組與B1 組患者干預(yù)前后肺功能指標(biāo)和6MWD 比較Table 4 Comparison of indexes of pulmonary function and 6MWD between A1 group and B1 group before and after intervention

注:A1 組為第1 類采取常規(guī)康復(fù)方案患者，B1 組為第1 類采取基于k-means 聚類方法的分類肺康復(fù)患者

組別 例數(shù)FEV1/FVC（%） FEV1%pred（%） 6MWD（m）干預(yù)前 干預(yù)后 干預(yù)前 干預(yù)后 干預(yù)前 干預(yù)后A1 組 30 62.99±4.72 63.93±3.73 61.11±5.17 61.21±4.88 330±46 327±52 B1 組 30 61.82±5.39 64.54±3.71 59.66±6.18 62.93±5.32 321±44 359±50 t 值 0.897 -0.640 0.986 -1.306 0.746 -2.372 P 值 0.373 0.525 0.328 0.197 0.459 0.021

表2 COPD 穩(wěn)定期患者k-means 聚類方法各類重心（標(biāo)化值）Table 2 Core of k-means clustering method for stable COPD patients（normalized value）

表3 3 類COPD 穩(wěn)定期患者一般資料、肺功能指標(biāo)、6MWD、呼吸困難情況、營養(yǎng)受損評分、CAT 評分、SAS 評分及ADL 評分比較Table 3 Comparison of general information，indexes of pulmonary function，6MWD，dyspnea status，nutritional impairment score，CAT score，SAS score and ADL score in stable COPD patients with different classifications

表3 3 類COPD 穩(wěn)定期患者一般資料、肺功能指標(biāo)、6MWD、呼吸困難情況、營養(yǎng)受損評分、CAT 評分、SAS 評分及ADL 評分比較Table 3 Comparison of general information，indexes of pulmonary function，6MWD，dyspnea status，nutritional impairment score，CAT score，SAS score and ADL score in stable COPD patients with different classifications

分類 例數(shù) 年齡（歲） 病程（年） 基礎(chǔ)疾病種類（種） BMI（kg/m2） 急性加重次數(shù)（次）FEV1/FVC（%） FEV1%pred（%）第1 類 98 69.7±8.5 6.8±1.8 0.3±0.1 21.9±3.8 1.2±1.0 62.31±4.88 60.20±5.39第2 類 77 71.4±8.8 9.8±2.0 0.9±0.1 19.3±3.0 1.8±1.3 58.88±4.64 56.79±4.72第3 類 67 72.7±10.8 7.2±1.9 0.7±0.2 20.9±3.6 1.7±1.4 46.98±3.75 45.13±4.30 F 值 2.108 3.560 13.281 13.187 16.178 239.160 196.301 P 值 0.124 0.030 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01分類 6MWD（m） mMRC 評分（分）呼吸困難次數(shù)（次） 營養(yǎng)受損評分（分）CAT 評分（分） SAS 評分（分） ADL 評分（分）第1 類 324±48 1.7±1.0 0.7±0.5 0.3±0.1 18.2±5.3 50.0±7.9 90.3±9.9第2 類 309±44 3.2±0.8 1.0±0.1 0.6±0.1 23.5±4.7 52.4±6.5 76.4±17.5第3 類 239±41 2.6±1.3 0.8±0.4 0.9±0.2 25.8±5.2 61.0±3.6 65.2±19.5 F 值 75.196 42.095 19.007 16.944 49.262 59.625 53.492 P 值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01

表5 A2 組與B2 組患者干預(yù)前后急性加重次數(shù)、肺功能指標(biāo)、6MWD 及mMRC 評分比較Table 5 Comparison of number of acute exacerbation，indexes of pulmonary function，6MWD and mMRC score between A2 group and B2 group before and after intervention

表5 A2 組與B2 組患者干預(yù)前后急性加重次數(shù)、肺功能指標(biāo)、6MWD 及mMRC 評分比較Table 5 Comparison of number of acute exacerbation，indexes of pulmonary function，6MWD and mMRC score between A2 group and B2 group before and after intervention

注:A2 組為第2 類采取常規(guī)康復(fù)方案患者，B2 組為第2 類采取基于k-means 聚類方法的分類肺康復(fù)患者

組別 例數(shù) 急性加重次數(shù)（次） FEV1/FVC（%） FEV1%pred（%） 6MWD（m） mMRC 評分（分）干預(yù)前 干預(yù)后 干預(yù)前 干預(yù)后 干預(yù)前 干預(yù)后 干預(yù)前 干預(yù)后 干預(yù)前 干預(yù)后A2 組 30 2.5±1.8 1.8±1.3 58.22±4.86 58.95±4.42 56.33±4.53 57.31±4.49 310±51 316±59 3.3±0.8 2.4±0.6 B2 組 30 2.2±1.3 1.1±0.8 57.95±4.43 58.23±3.84 57.16±4.71 58.14±5.46 307±33 339±48 3.1±0.8 1.5±0.5 t 值 0.744 2.377 0.255 0.681 -0.693 -0.638 0.295 -1.623 -0.960 6.312 P 值 0.460 0.021 0.822 0.499 0.491 0.526 0.769 0.110 0.331 ＜0.01

表6 A3 組與B3 組患者干預(yù)前后肺功能指標(biāo)、6MWD、mMRC 評分、營養(yǎng)受損評分、CAT 評分及SAS 評分比較Table 6 Comparison of indexes of pulmonary function，6MWD，mMRC score，nutritional impairment score，CAT score and SAS score between A3 group and B3 group before and after intervention

表6 A3 組與B3 組患者干預(yù)前后肺功能指標(biāo)、6MWD、mMRC 評分、營養(yǎng)受損評分、CAT 評分及SAS 評分比較Table 6 Comparison of indexes of pulmonary function，6MWD，mMRC score，nutritional impairment score，CAT score and SAS score between A3 group and B3 group before and after intervention

注:A3 組為第3 類采取常規(guī)康復(fù)方案患者，B3 組為第3 類采取基于k-means 聚類方法的分類肺康復(fù)患者

組別 例數(shù) FEV1/FVC（%） FEV1%pred（%） 6MWD（m）干預(yù)前 干預(yù)后 干預(yù)前 干預(yù)后 干預(yù)前 干預(yù)后A3 組 30 46.15±3.75 47.30±4.69 44.92±4.69 46.14±3.77 231±40 251±43 B3 組 30 47.23±3.72 48.43±4.37 45.52±4.15 46.67±4.40 240±35 250±46 t 值 -1.120 -0.967 -0.533 -0.499 -0.969 0.088 P 值 0.267 0.338 0.596 0.619 0.336 0.930組別 mMRC 評分（分） 營養(yǎng)受損評分（分） CAT 評分（分） SAS 評分（分）干預(yù)前 干預(yù)后 干預(yù)前 干預(yù)后 干預(yù)前 干預(yù)后 干預(yù)前 干預(yù)后A3 組 2.5±1.4 2.4±1.2 0.9±0.8 0.8±0.6 25.9±4.3 25.7±3.3 60.2±3.6 58.9±4.8 B3 組 2.5±1.3 1.4±1.1 0.9±0.7 0.3±0.2 25.1±5.6 22.3±3.8 61.4±3.4 48.1±4.5 t 值 0.000 3.341 -0.173 2.536 0.569 3.654 -1.256 8.894 P 值 1.000 0.001 0.863 0.015 0.572 0.001 0.214 ＜0.01

本研究綜合一般資料、肺功能指標(biāo)、6MWD、呼吸困難情況、營養(yǎng)受損評分、CAT 評分、SAS 評分及ADL 評分，采用k-means 聚類方法將COPD 穩(wěn)定期患者分為3 類，其中第1類患者身體基礎(chǔ)條件好，相對年輕、患病時間短、營養(yǎng)狀況好、呼吸困難程度輕、心理狀態(tài)佳，肺功能較好；第2 類患者病程長、基礎(chǔ)疾病多、呼吸困難程度嚴(yán)重，BMI 低，但肺功能和運動功能尚可；第3 類患者年齡偏大，營養(yǎng)狀況、肺功能、運動功能及生活自理能力均不佳，同時存在焦慮情緒。本研究基于k-means 聚類方法針對不同聚類COPD 穩(wěn)定期患者實施分類肺康復(fù)，避免了既往肺康復(fù)的盲目性，以期達到事半功倍的效果。

本研究結(jié)果顯示，B1 組患者干預(yù)后6MWD 長于A1 組，提示基于k-means 聚類方法的分類肺康復(fù)能針對性地提高第1類COPD 穩(wěn)定期患者運動耐力，與既往研究結(jié)果相一致［15］；但A1 組與B1 組患者干預(yù)后FEV1/FVC、FEV1%pred 間無統(tǒng)計學(xué)差異，分析原因可能與干預(yù)時間較短有關(guān)［16］。本研究結(jié)果顯示，B2 組患者干預(yù)后急性加重次數(shù)少于A2 組，mMRC 評分低于A2 組，提示基于k-means 聚類方法的分類肺康復(fù)能針對性地減少第2 類COPD 穩(wěn)定期患者急性加重次數(shù)，減輕呼吸困難程度。本研究結(jié)果還顯示，B3組患者干預(yù)后mMRC評分、營養(yǎng)受損評分、CAT 評分、SAS 評分均低于A3 組，提示基于k-means 聚類方法的分類肺康復(fù)能針對性地減輕第3 類COPD穩(wěn)定期患者呼吸困難程度、緩解焦慮情緒，改善其營養(yǎng)狀況，進而提高其生存質(zhì)量；但A2 組與B2 組、A3 組與B3 組患者干預(yù)后FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD 間均無統(tǒng)計學(xué)差異，提示基于k-means 聚類方法的分類肺康復(fù)訓(xùn)練短期內(nèi)無法有效改善第2、3 類COPD 穩(wěn)定期患者肺功能及運動耐力，但通過營養(yǎng)支持及心理支持有利于患者身心健康，使患者樹立疾病康復(fù)信心及提高治療依從性，進而提高生存質(zhì)量［17］。

綜上所述，基于k-means 聚類方法的分類肺康復(fù)能針對性地提高第1 類COPD 穩(wěn)定期患者運動耐力，減少第2 類COPD 穩(wěn)定期患者急性加重次數(shù)及減輕其呼吸困難程度，減輕第3 類COPD 穩(wěn)定期患者呼吸困難程度及焦慮情緒、改善其營養(yǎng)狀況及生存質(zhì)量，對規(guī)范COPD 穩(wěn)定期患者肺康復(fù)具有一定參考價值。但本研究樣本量較小、隨訪時間較短，基于k-means 聚類方法的分類肺康復(fù)干預(yù)COPD 穩(wěn)定期患者的有效性及可行性仍有待進一步研究證實。

利益沖突：本研究病例來源于第一作者現(xiàn)單位大同市第五人民醫(yī)院，無利益沖突。