基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的社區(qū)老年衰弱前期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

李彩福，趙偉，葉秀春，趙東麗，鄒繼華，董海娜，周英，許麗娟

截至2020年底，我國(guó)60歲以上老年人口已達(dá)2.64億，占總?cè)丝诘?8.7%[1]。研究顯示，老年衰弱發(fā)生率為5.6%～11.1%，衰弱前期為37.7%～69.1%[2-4]。衰弱前期是指老年人機(jī)體生理功能進(jìn)行性下降，為健康與衰弱之間的過渡階段[5]，衰弱前期老年人尚存在自理能力，對(duì)損傷、疾病或外界壓力能作出適當(dāng)反應(yīng)，向健康逆轉(zhuǎn)率為23.3%[6]。衰弱前期篩查和識(shí)別是衰弱防治干預(yù)的關(guān)鍵，可有效阻止老年衰弱發(fā)生發(fā)展，減輕社會(huì)和家庭醫(yī)療經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。據(jù)報(bào)道，年齡、性別、BMI、獨(dú)居、文化程度、并存多病、跌倒史、抑郁、認(rèn)知功能下降等是老年衰弱前期危險(xiǎn)因素[7-9]，但尚無(wú)衰弱前期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建相關(guān)研究。機(jī)器學(xué)習(xí)算法是利用計(jì)算機(jī)自身性能改善系統(tǒng)的行為，從數(shù)據(jù)中分析挖掘獲得規(guī)律，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中反向傳播(Back Propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在疾病危險(xiǎn)因素、預(yù)測(cè)研究領(lǐng)域中較常用，其分析對(duì)變量分布、類型無(wú)要求，善于處理非線性數(shù)據(jù)[10]，對(duì)數(shù)據(jù)擬合情況優(yōu)于logistic回歸模型[11-12]。鑒此，本研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建衰弱前期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型，同時(shí)對(duì)其預(yù)測(cè)效能進(jìn)行時(shí)間跨度驗(yàn)證，旨在為社區(qū)老年衰弱前期高危人群早期篩查提供參考。

1 對(duì)象與方法

1.1對(duì)象 應(yīng)用病例對(duì)照研究設(shè)計(jì)，通過便利抽樣選取2019年6～9月在麗水市蓮都區(qū)4個(gè)社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心進(jìn)行健康體檢的665名老年人，采用Morley等[13]改良的FRAIL量表從中篩選無(wú)衰弱(283名)和衰弱前期(259名)老年人共542名作為建模組；2021年6～7月在麗水市2個(gè)社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心使用改良FRAIL量表[13]篩選無(wú)衰弱(106名)和衰弱前期(99名)老年人205名作為驗(yàn)證組。建模組和驗(yàn)證組納入標(biāo)準(zhǔn)：①FRAIL量表評(píng)分0～2分；②年齡≥60歲；③在社區(qū)居住≥2年；④意識(shí)清醒，溝通無(wú)障礙；⑤自愿參與，并簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：畫鐘試驗(yàn)[14]篩查嚴(yán)重認(rèn)知功能障礙者或存在嚴(yán)重軀體疾病者。本研究經(jīng)麗水學(xué)院醫(yī)學(xué)院倫理審查委員會(huì)同意批準(zhǔn)。基于預(yù)測(cè)模型構(gòu)建要求，研究對(duì)象中發(fā)生事件(衰弱前期老年人)人數(shù)應(yīng)為預(yù)測(cè)指標(biāo)的10倍以上[15]，本研究18個(gè)候選危險(xiǎn)因素，至少應(yīng)納入180名衰弱前期老年人；根據(jù)社區(qū)老年衰弱前期發(fā)生率的低限估計(jì)值37.7%[3]，即180÷37.7%=478，按照10%的失訪率計(jì)算，至少需要調(diào)查社區(qū)老年人526名。

1.2方法

1.2.1研究工具 ①一般情況問卷。包括年齡、BMI、性別、文化程度、婚姻狀況、居住方式、人均月收入、吸煙和飲酒狀況、運(yùn)動(dòng)量、住院史、跌倒史、多病共存、多重用藥及睡眠狀況。②日常生活活動(dòng)量表(Activity of Daily Living scale，ADL)[16]。用于測(cè)量老年人的日常生活活動(dòng)能力狀況，共14個(gè)條目，采用4級(jí)評(píng)分法，“1”表示完全可以完成，“4”表示根本無(wú)法完成，總分14～56分，分值越高提示日常生活活動(dòng)能力越差，總分>22分提示日常生活活動(dòng)能力下降。③簡(jiǎn)版老年抑郁量表(Geriatric Depression Scale，GDS-15)[17]。用于評(píng)估老年抑郁癥狀，共15個(gè)條目，采用二分類計(jì)分，“0”代表否，“1”代表是，總分5分以上表示有抑郁傾向，得分越高表示抑郁癥狀越嚴(yán)重[18]。④畫鐘試驗(yàn)。認(rèn)知功能通過畫鐘試驗(yàn)測(cè)量，試驗(yàn)中圖形、數(shù)字、指針均正確，提示認(rèn)知功能正常；1～2項(xiàng)錯(cuò)誤，提示認(rèn)知功能下降；若3項(xiàng)都錯(cuò)誤，提示嚴(yán)重認(rèn)知功能障礙[14]，則被排除。⑤FRAIL量表。采用Morley等[14]改良的FRAIL量表，用于衰弱前期和無(wú)衰弱老年人群的篩查，包括5個(gè)條目。采用二分類計(jì)分，“0”代表否，“1”代表是，總分為0提示無(wú)衰弱，1～2分為衰弱前期，≥3分為衰弱期，則被排除。FRAIL量表能較好地預(yù)測(cè)老年人群的病死率和失能狀態(tài)[19]。

1.2.2資料收集方法 資料收集前，統(tǒng)一對(duì)4名調(diào)查員進(jìn)行老年衰弱前期診斷標(biāo)準(zhǔn)及危險(xiǎn)因素培訓(xùn)，當(dāng)面完成問卷調(diào)查及身高、體質(zhì)量測(cè)量。

1.2.3統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)中的缺失值，通過多重插補(bǔ)法(重復(fù)模擬5次)處理?；赑ython平臺(tái)進(jìn)行預(yù)測(cè)模型構(gòu)建(訓(xùn)練)和驗(yàn)證。①對(duì)建模組通過單因素回歸分析篩選社區(qū)老年衰弱前期危險(xiǎn)因素，按照8∶2將數(shù)據(jù)集隨機(jī)劃分為訓(xùn)練集和測(cè)試集，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的選擇梯度下降法優(yōu)化模型，選出7層隱藏層，輸入變量進(jìn)行重要性分析，列出模型中衰弱前期各危險(xiǎn)因素排序；多因素logistics回歸分析采用Backward方法進(jìn)行危險(xiǎn)因素篩選，構(gòu)建logistic回歸預(yù)測(cè)模型。計(jì)算ROC曲線下面積AUC、靈敏度和特異度[20]。②以驗(yàn)證組為研究對(duì)象，進(jìn)行預(yù)測(cè)模型效能外部驗(yàn)證。

2 結(jié)果

2.1建模組和驗(yàn)證組一般資料比較 見表1。

表1 建模組和驗(yàn)證組一般資料比較

2.2衰弱前期危險(xiǎn)因素篩選 在建模組中，將18個(gè)候選危險(xiǎn)因素作為自變量，以是否衰弱前期(無(wú)衰弱=0，衰弱前期=1)為因變量進(jìn)行單因素logistic回歸分析，分析結(jié)果見表2。

2.3衰弱前期預(yù)測(cè)模型構(gòu)建 以表2中有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的10個(gè)變量為自變量，是否衰弱前期為因變量，進(jìn)行多因素logistic回歸分析，并構(gòu)建logistic回歸預(yù)測(cè)模型為：logistic(P)=-5.101+0.042X1+0.646X2+0.847X3+0.879X4+1.362X5+1.302X6+0.573X7+0.750X8+0.862X9+0.687X10，計(jì)算社區(qū)老年人發(fā)生衰弱前期的風(fēng)險(xiǎn)為：P×100=1/{1+exp[-(-5.101+0.042X1+0.646X2+0.847X3+0.879X4+1.362X5+1.302X6+0.573X7+0.750X8+0.862X9+0.687X10)]}。與此同時(shí)，單因素logistic回歸分析中有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的10個(gè)變量作為輸入層，“是否衰弱前期”作為輸出層，中間設(shè)置n個(gè)隱藏層，采用反向傳播算法的多層感知器構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的隱藏層激活函數(shù)采用雙曲正切函數(shù)，輸出層激活函數(shù)采用Softmax函數(shù)，選擇梯度下降法優(yōu)化模型，選出7個(gè)隱藏層，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示衰弱前期影響較大的危險(xiǎn)因素排序如下：年齡(100%)、跌倒史(82.1%)、運(yùn)動(dòng)量低(65.1%)、多病共存(64.9%)、住院史(62.7%)、抑郁傾向(58.2%)、認(rèn)知功能下降(53.1%)、文化程度(48.6%)、日常生活功能下降(40.2%)、多重用藥(31.4%) 。

表2 社區(qū)老年衰弱前期危險(xiǎn)因素單因素logistic回歸分析(n=542)

2.4衰弱前期預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證 采用驗(yàn)證組數(shù)據(jù)對(duì)模型的預(yù)測(cè)效能進(jìn)行評(píng)價(jià)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及l(fā)ogistic回歸模型預(yù)測(cè)效能評(píng)價(jià)指標(biāo)見表3。

表3 衰弱前期預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)效能評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 討論

3.1社區(qū)老年衰弱前期危險(xiǎn)因素預(yù)測(cè)模型 本研究采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行衰弱前期危險(xiǎn)因素模型構(gòu)建與驗(yàn)證，結(jié)果顯示，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型AUC、靈敏度和特異度均高于logistic回歸模型，對(duì)數(shù)據(jù)的擬合情況更好。老年衰弱前期危險(xiǎn)因素眾多，作用方式復(fù)雜，利用傳統(tǒng)回歸分析函數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，無(wú)法處理多種因素間的非線性問題，存在一定局限性，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)沒有要求，在非線性擬合方面體現(xiàn)較大自由性和靈活性，適用于多種危險(xiǎn)因素預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建[10]。與logistic回歸模型相比，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性上存在優(yōu)勢(shì)，可自動(dòng)處理非線性問題，可作為疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)建模的首選方法。本研究顯示，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型，可對(duì)社區(qū)老年衰弱前期高危因素進(jìn)行識(shí)別，按照危險(xiǎn)因素重要性排序分別為年齡、跌倒史、運(yùn)動(dòng)量低、多病共存、住院史、抑郁傾向、認(rèn)知功能下降、文化程度低、日常生活能力下降及多重用藥。同時(shí)，建模組與驗(yàn)證組性別、年齡BMI、文化程度、日常生活能力有差異，說(shuō)明該預(yù)測(cè)模型應(yīng)用性更廣。

3.2社區(qū)老年衰弱前期危險(xiǎn)因素

3.2.1年齡 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果顯示，年齡是社區(qū)老年衰弱前期的最大危險(xiǎn)因素，年齡越大發(fā)生衰弱前期風(fēng)險(xiǎn)越高，與以往研究一致[2-3，21]。隨著年齡增長(zhǎng)，身體器官不斷發(fā)生退行性變化，機(jī)體生理功能進(jìn)行性下降，即出現(xiàn)衰弱前期癥狀。研究顯示，年齡70～80歲是社區(qū)老年人衰弱前期發(fā)生率最高人群，發(fā)生率高達(dá)62.5%[4，7]。衰弱前期是健康與衰弱之間過渡階段，衰弱前期向衰弱轉(zhuǎn)化率高達(dá)37.1%[22]，因此，社區(qū)工作人員應(yīng)定期對(duì)居家高齡老年人進(jìn)行衰弱評(píng)估，及時(shí)篩查衰弱前期老年人，并進(jìn)行干預(yù)，防治老年衰弱發(fā)生。

3.2.2多病共存 本研究結(jié)果顯示，合并兩種及以上疾病是社區(qū)老年衰弱前期的主要危險(xiǎn)因素之一。Wu等[7]對(duì)5 301名社區(qū)老年人進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與無(wú)慢性疾病或只有一種慢性疾病相比，合并兩種及以上疾病老年人衰弱前期發(fā)生率較高，與本研究結(jié)果一致。當(dāng)老年人患有多種疾病時(shí)，多器官功能衰退，機(jī)體平衡發(fā)生紊亂，對(duì)抗外界壓力的能力會(huì)變?nèi)??？梢姡鐓^(qū)衛(wèi)生工作人員應(yīng)密切關(guān)注患有多種慢性疾病的老年人，積極治療并控制老年人慢性疾病，預(yù)防社區(qū)老年人衰弱前期發(fā)生發(fā)展。

3.2.3既往跌倒史和住院史 本研究發(fā)現(xiàn)，跌倒史和住院史是老年衰弱前期的危險(xiǎn)因素。陳曉飛等[23]通過對(duì)1 400名老年人橫斷面調(diào)查，進(jìn)行單因素分析顯示，過去一年有跌倒史和住院史的老年人衰弱前期發(fā)生率較高。社區(qū)工作人員應(yīng)加強(qiáng)老年人跌倒及住院狀況的評(píng)估，高度重視有跌倒史和住院史的老年人。

3.2.4運(yùn)動(dòng)量低 研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)量<30 min/d的老年人群發(fā)生衰弱前期的風(fēng)險(xiǎn)較高。Rogers等[24]采用縱向隊(duì)列研究設(shè)計(jì)，對(duì)8 649名無(wú)衰弱中老年人進(jìn)行5年隨訪，發(fā)現(xiàn)與久坐或低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組相比，中等強(qiáng)度及以上運(yùn)動(dòng)組衰弱前期發(fā)生率偏低。較低的運(yùn)動(dòng)量或久坐的生活方式能增加老年衰弱的風(fēng)險(xiǎn)，每天增加30 min的中、高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)能降低社區(qū)老年人發(fā)生衰弱的風(fēng)險(xiǎn)[25]。運(yùn)動(dòng)能有效預(yù)防老年衰弱前期的發(fā)生，為今后運(yùn)動(dòng)干預(yù)預(yù)防老年衰弱發(fā)生和發(fā)展提供了證據(jù)支持。

3.2.5抑郁和認(rèn)知功能下降 研究表明，抑郁傾向和認(rèn)知功能下降是社區(qū)老年衰弱前期發(fā)生的危險(xiǎn)因素。楊帆等[26]采用多分類logistic回歸分析，發(fā)現(xiàn)抑郁是社區(qū)老年衰弱前期獨(dú)立危險(xiǎn)因素，有抑郁傾向老年人缺少對(duì)社交活動(dòng)和體育運(yùn)動(dòng)的興趣，體力活動(dòng)減少，增加老年衰弱前期發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)衰弱老年人長(zhǎng)期患病而喪失勞動(dòng)能力、擔(dān)心疾病狀況造成經(jīng)濟(jì)壓力等，成為精神壓力來(lái)源，進(jìn)而加重抑郁狀況。既往研究顯示，認(rèn)知功能低下的老年人衰弱前期發(fā)生率較高[2]，與本研究結(jié)果一致。衰弱與認(rèn)知功能下降存在交互作用，兩者相互影響，一方的變化可加重另一方的進(jìn)展。社區(qū)醫(yī)護(hù)人員應(yīng)為社區(qū)老年人提供心理健康咨詢，改善老年人心理健康及認(rèn)知功能，防治社區(qū)老年人心理和認(rèn)知衰弱發(fā)生，減少不必要的醫(yī)療資源消耗。

4 小結(jié)

本研究結(jié)果顯示，社區(qū)老年衰弱前期的主要危險(xiǎn)因素包括年齡、跌倒史、住院史、運(yùn)動(dòng)量低、多病共存、抑郁傾向及認(rèn)知功能下降，考慮危險(xiǎn)因素的可干預(yù)性，建議社區(qū)護(hù)理人員通過預(yù)防跌倒、運(yùn)動(dòng)干預(yù)、慢病健康教育、抑郁及認(rèn)知干預(yù)等預(yù)防社區(qū)老年衰弱前期發(fā)生?；赑ython平臺(tái)，通過對(duì)衰弱前期預(yù)測(cè)模型時(shí)間跨度(建模組與驗(yàn)證組數(shù)據(jù)收集時(shí)間間隔2年)外部驗(yàn)證結(jié)果顯示，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)效能優(yōu)于logistic回歸模型。本研究采用便利抽樣方法，由于資料地區(qū)局限性限制，樣本代表性差，模型還需要進(jìn)一步驗(yàn)證和修訂。關(guān)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法，如輸入層變量選擇、結(jié)果解釋等方面還需探討。