膿毒癥患者預(yù)后的分類決策樹(shù)分析

彭田英，黃華勇，鄒文潔，于紫英，彭正良

(1.南華大學(xué)附屬第二醫(yī)院急診科，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院急診科，湖南 衡陽(yáng) 421001)

膿毒癥是時(shí)效性強(qiáng)的醫(yī)學(xué)緊急情況[1]，急診科是抗擊膿毒癥的第一道防線。有效的抗感染治療延遲將會(huì)導(dǎo)致膿毒癥患者院內(nèi)死亡增加[2]。2016年2月膿毒癥及膿毒性休克新的定義及診斷標(biāo)準(zhǔn)在美國(guó)醫(yī)學(xué)會(huì)雜志(JAMA)上發(fā)表[3]。在新定義和新指南的背景下，臨床實(shí)踐中如何早期快速評(píng)估膿毒癥患者的危重程度是急診科護(hù)士面臨的重大挑戰(zhàn)。在急診環(huán)境下，預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)必須簡(jiǎn)便易得、敏感性高[4-5]。大數(shù)據(jù)時(shí)代，利用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的分析，以便更高效地利用信息是當(dāng)前研究的重要方向。決策樹(shù)是機(jī)器學(xué)習(xí)中一種最基本的分類與回歸方法，決策樹(shù)的算法原理淺顯易懂，計(jì)算復(fù)雜程度較小，輸出結(jié)果易于理解，因此被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘[6-8]。本文研究在急診室運(yùn)用分類決策樹(shù)分析，建立膿毒癥患者預(yù)后評(píng)估的簡(jiǎn)易分類模型?，F(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本研究經(jīng)本院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)后實(shí)施。收集2018年1月1日至2018年12月31日從急診科收治急診重癥病房(EICU)的所有膿毒癥患者的臨床資料。根據(jù)納入標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)167名患者的資料進(jìn)行分析，167名患者包括，56.9%(95/167)是男性，平均年齡(64.2±13.6)歲。其中有41(24.6%)名患者合并高血壓病，27(16.2%)例合并糖尿病(DM)。入急診科時(shí)的平均心率(111.6±23.7)次/分，平均收縮壓(111.4±29.9)mmHg。感染部位前三位的是肺部(34.7%)、腹腔(28.1%)、泌尿系(24.0%)。膿毒癥相關(guān)器官衰竭評(píng)分(SOFA)評(píng)分中位數(shù)為7.0(IQR：5.0～9.0)分，血乳酸的中位數(shù)是2.8(IQR：1.6～4.5)mmol/L。其中隨訪30天有53名患者死亡，死亡率為31.7%(53/167)。

1.2 病例的納入和排除標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 納入標(biāo)準(zhǔn) 依據(jù)膿毒癥和膿毒性休克的第三版國(guó)際共識(shí)定義[3]，患者有感染或可疑感染并有SOFA評(píng)分增加≥2分或SOFA評(píng)分≥2分可確疹為膿毒癥?；颊吖芾戆ㄒ后w復(fù)蘇，抗生素和糖皮質(zhì)激素的使用，鎮(zhèn)靜鎮(zhèn)痛，輸血和機(jī)械通氣等遵照2016年膿毒癥治療指南[9]。

1.2.2 排除標(biāo)準(zhǔn) (1)年齡小于18歲或大于90歲；(2)入院前病程大于10天；(3)有白血病、肝硬化、中毒或艾滋病；(4)在急診室(ER)發(fā)生心臟驟停；(5)臨床資料缺失者。

1.3 方法

首先通過(guò)電子病歷系統(tǒng)篩查感染，膿毒癥或膿毒性休克的入院診斷。然后，兩名主治醫(yī)生獨(dú)立檢查醫(yī)療記錄，根據(jù)納入排除標(biāo)準(zhǔn)篩選合格病例。有不一致的病例則提交高級(jí)職稱醫(yī)師討論解決。然后，兩名護(hù)士使用EpiData3.1從急診數(shù)據(jù)系統(tǒng)和電子病歷中收集患者的臨床數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)分別輸入Epidata3.1，為確保質(zhì)量，輸入不一致時(shí)，將檢查原始醫(yī)療記錄。主要結(jié)局為30天死亡率(從EICU入院之日開(kāi)始)。如果患者已出院，則由隨訪護(hù)士通過(guò)電話隨訪獲得信息。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用R統(tǒng)計(jì)包(http://www.R-project.org)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。連續(xù)性變量(計(jì)量資料)表示為均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差或中位數(shù)(IQR，四分位間距)，分類變量(計(jì)數(shù)資料)表示為絕對(duì)頻數(shù)和百分比。兩組間比較正態(tài)分布數(shù)據(jù)采用獨(dú)立t檢驗(yàn)，非正態(tài)分布數(shù)據(jù)和分類變量采用Mann-Whitney秩和檢驗(yàn)或卡方檢驗(yàn)。分類決策樹(shù)選擇卡方自動(dòng)交互檢驗(yàn)(CHAID)分類算法，采用后修枝(post-pruning)對(duì)決策樹(shù)進(jìn)行剪枝。分類的目標(biāo)變量為膿毒癥30天死亡率，分類的解釋變量選擇急診室容易獲得的年齡、性別、心率和收縮壓。通過(guò)分類決策樹(shù)自動(dòng)檢測(cè)各候選自變量的分類價(jià)值，并從中挑選出最有意義的分類變量和分類數(shù)，最后產(chǎn)生高效簡(jiǎn)易的分類模型。

2 結(jié) 果

2.1 分類決策樹(shù)的結(jié)果

模型樣本量167例，選擇急診室最易獲得的4個(gè)自變量：性別、年齡、心率、收縮壓，最終模型中包含3個(gè)自變量，分別為心率、收縮壓和年齡。模型對(duì)76.0%(127/167)的個(gè)案進(jìn)行了正確分類，包括102例生存和25例死亡患者。具體分類過(guò)程見(jiàn)圖1，入急診室時(shí)的心率是對(duì)膿毒癥30天是否死亡進(jìn)行分類最重要的自變量。

圖1 分類決策樹(shù)結(jié)果

2.2 精簡(jiǎn)模型的結(jié)果

進(jìn)一步把分類的自變量精簡(jiǎn)為心率和收縮壓，兩個(gè)自變量均在最終的模型中。模型對(duì)72.5%(121/167)的病例進(jìn)行了正確分類，包括105例生存和16例死亡患者，具體分類過(guò)程見(jiàn)圖2。精簡(jiǎn)模型少分類出9例死亡患者。在精簡(jiǎn)模型中，心率≥118次/分是膿毒癥患者30天死亡重要的分類指標(biāo)。

圖2 精簡(jiǎn)模型的分類決策樹(shù)結(jié)果

3 討 論

本研究采用機(jī)器學(xué)習(xí)的分類決策樹(shù)方法對(duì)膿毒癥隊(duì)列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)僅用患者收治急診室時(shí)的心率和收縮壓可以對(duì)72.5%的個(gè)案進(jìn)行正確分類，心率是對(duì)膿毒癥30天是否死亡進(jìn)行分類重要的自變量。

目前，有多個(gè)生物標(biāo)志物用于膿毒癥的早期診斷和預(yù)后評(píng)估[10-12]。由于對(duì)設(shè)備、試劑、檢驗(yàn)人員有嚴(yán)格要求，生物標(biāo)志物在急診科的推廣應(yīng)用受到限制。目前，急診科常用的量化評(píng)估疾病嚴(yán)重程度的方法有英國(guó)國(guó)家早期預(yù)警評(píng)分(national early warning score,NEWS)[13]和快速膿毒癥相關(guān)器官功能障礙評(píng)分(qSOFA)[14-15]，因其數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單易得，評(píng)分快捷方便，在急診科得到廣泛應(yīng)用。NEWS評(píng)分共有7個(gè)變量，qSOFA有3個(gè)變量。有研究報(bào)道，應(yīng)用NEWS評(píng)分可以更早地發(fā)現(xiàn)急診室里的膿毒癥或膿毒性休克患者,急診就診時(shí)NEWS評(píng)分越高則預(yù)后越差[13-16]。qSOFA評(píng)分是由大數(shù)據(jù)分析篩選出預(yù)測(cè)膿毒癥最有效的3個(gè)指標(biāo)組成，研究發(fā)現(xiàn)qSOFA評(píng)分預(yù)測(cè)非ICU患者預(yù)后的能力與SOFA評(píng)分無(wú)顯著差異[17]。但在實(shí)踐工作中，意識(shí)狀態(tài)的評(píng)估主觀性較大，qSOFA采用格拉斯哥評(píng)分量化評(píng)估意識(shí)狀態(tài)則又使本來(lái)簡(jiǎn)單的工具復(fù)雜化。在急診科的環(huán)境里，對(duì)患者生命體征數(shù)據(jù)主要依靠監(jiān)護(hù)儀自動(dòng)抓取，呼吸頻率干擾因素多，很難獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)。因此，本研究模型中沒(méi)有納入這兩個(gè)自變量，而是選取在急診科最易獲得的四個(gè)客觀指標(biāo)，最后精簡(jiǎn)為兩個(gè)指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，心率是對(duì)膿毒癥30天是否死亡進(jìn)行分類最重要的變量。

心率是重要的生命體征指標(biāo)，也與膿毒癥的病情嚴(yán)重程度和預(yù)后密切相關(guān)。在膿毒癥時(shí)，交感過(guò)度興奮、血漿兒茶酚胺水平高和自主神經(jīng)功能障礙，同時(shí)心肌收縮力下降，外周血管阻力降低[18-19]，這些病理生理變化均可引起代償性心動(dòng)過(guò)速和心率變異度降低。一項(xiàng)前瞻性觀察性研究顯示，膿毒癥患者入院時(shí)通過(guò)心電圖檢查心率和心率變異度可以預(yù)測(cè)患者的死亡[20]。因?yàn)橛绊懩摱景Y患者心率的因素多，心率的波動(dòng)也大，目前關(guān)于心率預(yù)測(cè)膿毒癥不良預(yù)后的閾值很難有一致結(jié)果，一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用艾司洛爾將膿毒性休克患者心率控制在80-95次/分，可以降低28天死亡率61%，且不增加不良事件[19]。而另一項(xiàng)研究報(bào)道心率降至95次/分并不影響膿毒性休克患者14天生存率[21]。本研究發(fā)現(xiàn)心率大于118次/分是膿毒癥患者30天死亡重要的分類變量，需要在以后的臨床研究中進(jìn)一步驗(yàn)證。本研究最大的貢獻(xiàn)是通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的分類決策樹(shù)方法，在急診室特殊的醫(yī)療環(huán)境里，量化評(píng)估最簡(jiǎn)單的心率和收縮壓兩個(gè)指標(biāo)對(duì)膿毒癥預(yù)后分類的價(jià)值，有極強(qiáng)的臨床應(yīng)用價(jià)值。

本研究的局限性：首先這是一個(gè)單中心的回顧性研究，所以研究結(jié)果的外推性受到限制。再則，心率是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的指標(biāo)，因此有必要進(jìn)一步研究其動(dòng)態(tài)變化和變異度的臨床意義。最后，該膿毒癥隊(duì)列的30天死亡率超過(guò)30%，可能影響最后的分類結(jié)果。