基于隨機(jī)森林算法構(gòu)建模型預(yù)測(cè)小兒腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗的應(yīng)用價(jià)值

趙蓮芳（通信作者），何豪杰，鄭宗杰

清流縣總醫(yī)院 （福建清流 365300）

小兒腸套疊是臨床兒科常見(jiàn)的急腹癥之一，起病急，進(jìn)展快，好發(fā)于2 歲以內(nèi)的幼兒[1]。腸套疊是指某一近段腸管套入相鄰連接的遠(yuǎn)段腸腔內(nèi)，造成腸內(nèi)容物通過(guò)障礙。該病患兒的主要臨床表現(xiàn)為哭鬧不止、腹痛、嘔吐、進(jìn)食困難等。臨床腹部觸診可觸及類(lèi)圓型包塊，部分患兒常常伴有果醬樣便[2]。目前，超聲探查可明確診斷腸套疊，但腸套疊超聲表現(xiàn)與空氣灌腸復(fù)位失敗率關(guān)系的研究較少，預(yù)測(cè)腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗的研究也鮮有報(bào)道。本研究通過(guò)回顧性收集臨床資料和小兒腸套疊超聲表現(xiàn)，基于隨機(jī)森林算法構(gòu)建預(yù)測(cè)腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗模型，并運(yùn)用模型評(píng)分進(jìn)一步分析影響空氣灌腸復(fù)位失敗的危險(xiǎn)因素，以期為臨床診斷和個(gè)體化治療提供更多有效信息。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2021 年9 月至2022 年8 月于我院小兒外科就診的86 例腸套疊患兒作為研究對(duì)象。空氣灌腸復(fù)位成功58 例，其中男27 例，女31 例；年齡（2.32±0.21）歲?？諝夤嗄c復(fù)位失敗28 例，其中男13 例，女15 例；年齡（2.43±0.27）歲。兩組一般資料比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審查通過(guò)。

納入標(biāo)準(zhǔn)：患兒空氣灌腸復(fù)位前均接受超聲掃查，圖像清晰可查；已明確空氣灌腸結(jié)果。排除標(biāo)準(zhǔn)：合并其他嚴(yán)重并發(fā)癥；不能配合研究。

1.2 超聲掃描與圖像分析

所有患兒空氣灌腸術(shù)前接受超聲檢查，超聲儀器為PHILIPS Q7 彩色多普勒超聲顯像儀。在患兒安靜狀態(tài)下，暴露其腹部，先使用C5-1 凸陣探頭（工作頻率為3～5 MHz）進(jìn)行常規(guī)腹部掃描，觀察肝臟、膽囊、脾臟及雙側(cè)腎臟有無(wú)病變，然后使用L4-5 線陣探頭（工作頻率為7～9 MHz），重點(diǎn)觀察腸管有無(wú)腸套疊包塊，按照右下腹、右中腹、右上腹、中上腹、左上腹、左中腹、左下腹及下腹部依次掃描患兒腸管。由兩名工作10 年以上的超聲科醫(yī)師調(diào)閱圖像并分析腸套疊包塊超聲特征，分別記錄包塊短軸最大寬徑及厚徑、套鞘厚徑、長(zhǎng)軸包塊套入部長(zhǎng)度、腹腔有無(wú)淋巴結(jié)腫大、有無(wú)腹腔積液、腸套疊位置、腸壁血流分級(jí)[3]。

1.3 空氣灌腸復(fù)位方法

空氣灌腸前給予患兒立位透視，了解腹腔情況。將Foley 氏管頭部涂抹石蠟油，插入肛門(mén)，肛管氣囊內(nèi)注入10～15 ml 氣體將肛門(mén)堵塞，接上空氣灌腸機(jī)。先行診斷性空氣灌腸，診斷壓力為8.0 kPa，在透視熒光屏上觀察氣柱情況，當(dāng)可見(jiàn)杯口及軟組織塊影時(shí)即確診腸套疊。對(duì)已確定的病例，如無(wú)復(fù)位禁忌證，可逐漸增加壓力，通常復(fù)位壓力為10.7～13.3 kPa，最高不超過(guò)16.0 kPa。維持空氣壓力約5 min 后再停歇，必要時(shí)可適當(dāng)按摩患兒腹部。腸套疊復(fù)位成功時(shí)可見(jiàn)氣體進(jìn)入小腸，腫塊消失。

1.4 數(shù)據(jù)收集

收集兩組發(fā)病時(shí)間、是否血便、包塊短軸最大寬徑及厚徑、套鞘厚徑、長(zhǎng)軸包塊套入部長(zhǎng)度、腹腔有無(wú)淋巴結(jié)腫大、有無(wú)腹腔積液、腸套疊位置、腸壁血流分級(jí)等臨床資料和超聲影像特征，以上述資料構(gòu)建模型并進(jìn)行內(nèi)部驗(yàn)證。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 26.0 統(tǒng)計(jì)軟件及R4.0.3 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。使用R 語(yǔ)言軟件（版本號(hào)4.0.3）的“glmnet”軟件包（版本號(hào)：4.1-4），應(yīng)用Lasso 回歸分析剔除變量，篩選獨(dú)立預(yù)測(cè)變量，基于篩選后的獨(dú)立變量R 語(yǔ)言的“randomForest”軟件包（版本號(hào)：4.7-1），根據(jù)獨(dú)立預(yù)測(cè)變量使用隨機(jī)森林算法構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，并繪制受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線及校準(zhǔn)曲線驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)性能。應(yīng)用隨機(jī)森林算法評(píng)分分析獨(dú)立預(yù)測(cè)變量與腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗的相關(guān)性。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 小兒腸套疊患兒各項(xiàng)超聲特征及臨床資料的Lasso 回歸分析

根據(jù)腸套疊空氣灌腸復(fù)位術(shù)后結(jié)果，86 例腸套疊患兒中，空氣灌腸復(fù)位成功58 例，空氣灌腸復(fù)位失敗28 例。以患兒發(fā)病時(shí)間、是否血便、包塊短軸最大寬徑、包塊短軸最大厚徑、套鞘厚徑、長(zhǎng)軸包塊套入部長(zhǎng)度、腹腔有無(wú)淋巴結(jié)腫大、有無(wú)腹腔積液、腸套疊位置、腸壁血流分級(jí)為自變量，腸套疊復(fù)位術(shù)后結(jié)果為因變量，納入Lasso回歸模型，模型剔除患兒包塊短軸最大寬徑、包塊短軸最大厚徑、長(zhǎng)軸包塊套入部長(zhǎng)度、腹腔有無(wú)淋巴結(jié)腫大、有無(wú)腹腔積液、腸套疊位置、腸壁血流分級(jí)變量后，篩選出發(fā)病時(shí)間、是否血便、套鞘厚徑是預(yù)測(cè)腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗的獨(dú)立預(yù)測(cè)變量（圖1）。

2.2 預(yù)測(cè)腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗模型的建立與驗(yàn)證

以Lasso 回歸篩選的獨(dú)立預(yù)測(cè)變量發(fā)病時(shí)間、是否血便、套鞘厚徑為自變量，空氣灌腸復(fù)位結(jié)果為因變量，所有患兒資料為樣本，構(gòu)建隨機(jī)森林算法模型，當(dāng)模型參數(shù)取mtry 為3、ntree 為200 時(shí)，模型穩(wěn)定，誤差最?。▓D2a、圖2b）?；谀Ｐ屠L制ROC 曲線，見(jiàn)圖2c。結(jié)果顯示該隨機(jī)森林算法模型具有良好的鑒別診斷效能，曲線下面積（area under curve，AUC）為0.980，靈敏度為100%，特異度為90.7%，根據(jù)約登指數(shù)確定截?cái)嘀禐?.629。當(dāng)預(yù)測(cè)值＞0.629 時(shí)，小兒腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗的概率增加。運(yùn)用模型可依據(jù)每個(gè)樣本的發(fā)病時(shí)間、是否血便、套鞘厚徑為自變量，計(jì)算出相應(yīng)樣本的空氣灌腸復(fù)位失敗概率。驗(yàn)證采用Bootstrap 方法，隨機(jī)抽取86 例小兒腸套疊患兒數(shù)據(jù)進(jìn)行1 000 次重復(fù)，校準(zhǔn)曲線顯示結(jié)果基本一致，見(jiàn)圖2d。ROC 曲線及校準(zhǔn)曲線均顯示該模型在預(yù)測(cè)腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

圖2 腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗模型驗(yàn)證結(jié)果

2.3 隨機(jī)森林算法分析獨(dú)立預(yù)測(cè)變量與小兒腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗的相關(guān)性

隨機(jī)森林算法分析顯示患兒發(fā)病時(shí)間、是否血便、套鞘厚徑與小兒腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗相關(guān)，評(píng)分顯示影響腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗的危險(xiǎn)因素依次為套鞘厚徑、發(fā)病時(shí)間、是否血便（圖3a）。其中套鞘厚徑影響腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗權(quán)重最大，分析套鞘厚徑與空氣灌腸復(fù)位失敗相關(guān)性顯示：當(dāng)套鞘厚徑大于9 mm 時(shí)，腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗概率較大（圖3b）。

圖3 隨機(jī)森林算法模型分析腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗因素

3 討論

幼兒因腸系膜發(fā)育尚未成熟，近段腸管在某些外部因素的作用下，可能會(huì)套入到相鄰連接遠(yuǎn)段腸腔形成腸套疊，觸診時(shí)?？捎|及腹部類(lèi)圓形包塊。如果不及時(shí)處理，套入段腸管易引起血液供給障礙，繼而導(dǎo)致腸管絞窄性壞死。因此，及時(shí)診斷腸套疊至關(guān)重要。超聲檢查具有無(wú)創(chuàng)、直觀、費(fèi)用低、重復(fù)性好的優(yōu)勢(shì)。腸套疊包塊超聲圖像顯示腹腔內(nèi)橫切面呈“同心圓”征、縱切面呈“長(zhǎng)筒征”包塊。因此超聲檢查對(duì)于小兒腸套疊癥具有較高的診斷價(jià)值，可作為首選措施使用[4]。

部分腸套疊患兒因發(fā)病時(shí)間長(zhǎng)或套鞘厚徑過(guò)大，可能會(huì)引起套疊頸部過(guò)緊，相鄰腸壁水腫增厚，空氣灌腸時(shí)近段腸管套入段很難通過(guò)腸套疊頸部退回至近段腸管，降低脫套成功率，若強(qiáng)行空氣加壓復(fù)位，腸管穿孔風(fēng)險(xiǎn)加大[5]。因此，依據(jù)患兒不同特征預(yù)測(cè)腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗概率和分析引起復(fù)位失敗的因素，對(duì)腸套疊患兒的治療意義重大。既往有學(xué)者應(yīng)用套鞘厚徑預(yù)測(cè)腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗概率，優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)便、判斷迅速，缺點(diǎn)是指標(biāo)單一，模型靈敏度、特異度均較低，不能滿足臨床要求[6]。本研究基于隨機(jī)森林算法構(gòu)建模型，用以預(yù)測(cè)腸套疊患兒空氣灌腸復(fù)位失敗的概率，具有無(wú)創(chuàng)、簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)。

隨機(jī)森林算法是一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，其作為一個(gè)數(shù)據(jù)分析方法，在醫(yī)學(xué)和其他研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[7]。本研究以腸套疊患兒腸套疊超聲特征為自變量，空氣灌腸復(fù)位結(jié)果為因變量構(gòu)建基于隨機(jī)森林算法模型。本研究發(fā)現(xiàn)，小兒腸套疊患兒的發(fā)病時(shí)間、是否血便、套鞘厚徑是影響小兒腸套疊復(fù)位失敗的獨(dú)立自變量，基于上述獨(dú)立自變量構(gòu)建的列線圖，AUC達(dá)0.980，靈敏度為100%，特異度為90.7%，內(nèi)部驗(yàn)證也顯示該模型具有較高的準(zhǔn)確度和較好的預(yù)測(cè)效果，且當(dāng)截?cái)嘀担?.629 時(shí)，腸套疊空氣復(fù)位失敗概率增加。因此，該模型作為預(yù)測(cè)腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗概率的無(wú)創(chuàng)、簡(jiǎn)便工具，具備良好的臨床應(yīng)用價(jià)值及前景。

隨機(jī)森林算法評(píng)分顯示，影響腸套疊空氣灌腸復(fù)位失敗的危險(xiǎn)因素依次為套鞘厚徑、是否血便、發(fā)病時(shí)長(zhǎng)。本研究顯示，當(dāng)套鞘厚徑大于9 mm 時(shí)，空氣灌腸復(fù)位失敗率明顯增加。套鞘厚徑為腸套疊包塊最外圈低回聲厚徑，既往研究認(rèn)為隨著套疊部腸管血液回流發(fā)生障礙，腸管管壁水腫加重，低回聲外圈厚徑增加，空氣灌腸復(fù)位成功率隨之下降；當(dāng)套鞘厚徑大于12 mm 時(shí)，空氣灌腸復(fù)位成功率下降至33%[8]。陳英生等[9]研究腸套疊包塊低回聲外圈厚徑與水壓灌腸復(fù)位成功率的關(guān)系認(rèn)為腸套疊包塊低回聲圈厚徑越厚，其復(fù)位成功率也越低，當(dāng)腸套疊包塊低回聲圈厚徑超過(guò)9 mm 時(shí)，水壓復(fù)位成功率明顯下降，與本研究相符。

本研究顯示，患兒發(fā)病時(shí)長(zhǎng)也是決定空氣灌腸復(fù)位成功的關(guān)鍵因素之一。郭兆坤等[10]研究認(rèn)為腸套疊患兒發(fā)病時(shí)間越長(zhǎng)，套入的腸管及腸系膜缺血時(shí)間越長(zhǎng)，水腫越明顯，導(dǎo)致套入腸管與套鞘嵌頓越緊，空氣灌腸復(fù)位成功率也越低。因此腸套疊一旦診斷明確，應(yīng)及時(shí)行空氣灌腸復(fù)位術(shù)，以增加復(fù)位成功率，減少并發(fā)癥。本研究顯示，患兒是否血便為另一個(gè)預(yù)測(cè)能否行空氣灌腸復(fù)位的獨(dú)立變量。當(dāng)腸套疊患兒血便時(shí)，復(fù)位成功率下降可能的原因?yàn)殡S著腸套疊發(fā)病時(shí)間延長(zhǎng)，發(fā)生腸缺血壞死概率增加，腸腔內(nèi)可出現(xiàn)套疊間的積液；也有學(xué)者研究顯示存在血便與不存在血便兩組患兒行空氣灌腸復(fù)位的結(jié)果比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[11]，如此差異可能是因本研究樣本含量較少，選擇偏倚所致，今后研究應(yīng)注意加大樣本量。

4 結(jié)論

本研究基于腸套疊患兒臨床資料與超聲特征構(gòu)建隨機(jī)森林算法模型，可提高預(yù)測(cè)空氣灌腸復(fù)位失敗概率的準(zhǔn)確度，在一定程度上對(duì)臨床醫(yī)師為腸套疊患兒選擇最優(yōu)治療方案提供更多依據(jù)。