機(jī)器學(xué)習(xí)及其算法在社區(qū)老年2型糖尿病血糖控制影響因素評(píng)估中的應(yīng)用價(jià)值

劉美宏 董利平

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)患者數(shù)量占全部糖尿病總數(shù)比例達(dá)95%[1-3]。有研究表明,提高和加強(qiáng)T2DM患者的臨床和護(hù)理管理水平能夠有效避免其病情發(fā)展[4-6]。目前,國內(nèi)針對(duì)T2DM患者的臨床和護(hù)理管理重點(diǎn)主要在健康飲食、合理運(yùn)動(dòng)和藥物使用[7-9]。通過上述手段,T2DM患者的血糖水平得到了一定的控制。然而,T2DM患者中老年群體的臨床和護(hù)理管理存在一定難度[10]。老年T2DM群體通常病情更為復(fù)雜,護(hù)理依從性更差,管理難度更大。因此,在老年T2DM患者臨床和護(hù)理管理中,血糖控制影響因素的研究較為重要。通過探究老年T2DM患者血糖控制影響因素,醫(yī)療單位可提前采取更具針對(duì)性的處置措施,從而改善預(yù)后。目前,國內(nèi)主要通過logistic回歸分析預(yù)測(cè)老年T2DM患者的血糖控制影響因素[11-13],該方法結(jié)果存在一定的單一性。作為一種新型數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)及其算法近年來逐步應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域并在醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)、分析和預(yù)測(cè)中發(fā)揮了重大作用[14-15]。該方法或許可用于老年T2DM患者相關(guān)研究,并彌補(bǔ)logistic回歸分析法的單一性。因此,本研究開展了基于機(jī)器學(xué)習(xí)及其算法的社區(qū)老年T2DM患者血糖控制影響因素研究,報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2021年6月至2022年7月河北省張家口地區(qū)4個(gè)社區(qū)老年2型糖尿病患者124例。經(jīng)篩選后獲得符合納入標(biāo)準(zhǔn)者94例,收集其各項(xiàng)資料用于前瞻性研究。本研究獲得醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)的批準(zhǔn),患者或家屬簽署了知情同意書。

1.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 納入標(biāo)準(zhǔn):①年齡≥60老年人;②查爾森合并癥指數(shù)(CCI)≤ 4;③卡氏評(píng)分(KPS)≥60;④研究涉及的基線資料完整;⑤思維和情緒正常,能夠配合完成調(diào)研。

1.2.2 排除標(biāo)準(zhǔn):①除T2DM外的其他嚴(yán)重慢性疾病;②T2DM并發(fā)癥;③患有影響血糖控制的其他疾病。

1.3 方法 本研究分為4個(gè)層次:空腹血糖水平統(tǒng)計(jì)、調(diào)研、空腹血糖水平分類和關(guān)聯(lián)規(guī)則分析。(1)統(tǒng)計(jì)患者空腹血糖水平。(2)通過調(diào)研獲取患者基線資料。(3)通過基于K-means算法的自動(dòng)分箱分析和基于Apriori算法的關(guān)聯(lián)規(guī)則分析分別對(duì)患者空腹血糖水平進(jìn)行分類和計(jì)算興趣類空腹血糖水平患者的基線資料間有效強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則。

1.3.1 調(diào)研:調(diào)研內(nèi)容分為三類,由臨床和護(hù)理人員根據(jù)患者情況進(jìn)行勾選。見表1。

表1 基線調(diào)研集合

1.3.2 血糖水平分類:采用基于K-means算法的自動(dòng)分箱分析對(duì)患者血糖水平分類。①隨機(jī)從血糖水平集合中抽取若干數(shù)據(jù),將其設(shè)置為K并作為初始分箱中心。②以初始分箱中心為參考,計(jì)算集合中全部血糖水平數(shù)據(jù)相對(duì)其最小歐式距離方差。③仍以不同初始分箱中心為參考,將集合中全部血糖水平歸入“簇”中。④以“簇”內(nèi)血糖水平均值為參考,重新計(jì)算分箱中心。⑤重復(fù)①～④,通過“肘部圖”計(jì)算最佳分類“簇”,即K值[14-15]。

1.3.3 有效強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則分析:將興趣類血糖水平患者的基線資料導(dǎo)入Python語言,采用Apriori算法計(jì)算有效強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則[16-17]。分別設(shè)置關(guān)聯(lián)規(guī)則分析的支持度(S)閾值為0.70,置信度(C)閾值為0.90,提升度(L)閾值為3.00,標(biāo)準(zhǔn)化卡方檢驗(yàn)閾值為0.800。通過S篩選包含相應(yīng)血糖水平項(xiàng)的頻繁項(xiàng)集,通過C篩選強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則,通過L篩選有效強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則,通過標(biāo)準(zhǔn)化卡方檢驗(yàn)有效強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則的獨(dú)立性。

2 結(jié)果

2.1 血糖水平分類和關(guān)聯(lián)規(guī)則分析 患者空腹血糖水平為(11.04±1.28) mmol/L。類別分析肘部圖:橫坐標(biāo)第1個(gè)點(diǎn)至第3個(gè)點(diǎn)間簇內(nèi)歐式距離平方和下降快,第3個(gè)點(diǎn)以后下降慢。因此,最優(yōu)分類簇值K=3,即患者血糖水平分為3類。三類血糖水平差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,分類效果明顯(F>2,P<0.05)。以最低類血糖水平為研究對(duì)象,即興趣類,納入患者40例,基線資料640條,計(jì)算獲得有效強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則5條。有效強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則前項(xiàng)包括“合理血糖控制藥物配伍:是”、“動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng):應(yīng)用”、 “合理飲食配伍:是”、 “及時(shí)發(fā)現(xiàn)、報(bào)告和處置不良事件:是”。見圖1,表2、3。

圖1 最佳分類"簇"(K值)示意圖

表2 血糖水平分類情況

2.2 影響因素分析 “動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè):應(yīng)用”出現(xiàn)了4次;“合理血糖控制藥物配伍:是”和“及時(shí)發(fā)現(xiàn)、報(bào)告和處置不良事件:是”均出現(xiàn)了3次;“合理飲食配伍:是”出現(xiàn)了2次。由此可見,“動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè):應(yīng)用”在最低類血糖水平患者群體基線資料中占比最高,通過該項(xiàng)建立起的有效強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則最多,關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)。該項(xiàng)基線資料是導(dǎo)致最低類血糖水平的主要原因,對(duì)于血糖的控制最為重要?！昂侠硌强刂扑幬锱湮?是”和“及時(shí)發(fā)現(xiàn)、報(bào)告和處置不良事件:是”在最低類血糖水平患者群體基線資料中占有一定的比例,通過這兩項(xiàng)建立起來的有效強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則比較多,關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。這兩項(xiàng)基線資料是導(dǎo)致最低類血糖水平的次要原因,對(duì)于血糖的控制較為重要?！昂侠盹嬍撑湮?是”在最低類血糖水平患者群體基線資料中占比最少,通過這兩項(xiàng)建立起來的有效強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則最少,關(guān)聯(lián)性比較弱。該項(xiàng)基線資料對(duì)于血糖的控制影響相對(duì)來說比較小。見表3。

表3 包含最低類血糖水平的有效強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則

3 討論

目前,中國T2DM發(fā)病率持續(xù)上升,其中成人發(fā)病率已達(dá)13%[3]。中國成人T2DM人數(shù)約為1.41億,約占世界總患者數(shù)量的25%[4]。有研究表明,年齡是導(dǎo)致T2DM發(fā)生的主要因素,T2DM發(fā)生率隨著年齡的升高而顯著升高[10],老年T2DM患者已成為相關(guān)研究的重點(diǎn)。然而,老年T2DM患者存在諸多管理困難,例如臨床配合度低和護(hù)理依從性差等。因此,對(duì)于老年T2DM患者血糖控制影響因素研究非常重要。醫(yī)療衛(wèi)生單位可參考老年T2DM患者血糖控制影響因素提前采取針對(duì)性措施,從而獲得最佳血糖水平。本研究通過不同于以往Logistic回歸分析的機(jī)器學(xué)習(xí)及其算法,挖掘到影響老年T2DM血糖控制影響因素,取得較為理想的結(jié)果。

機(jī)器學(xué)習(xí)及其算法已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療各領(lǐng)域,本研究同既往基于相同算法的研究比較具有顯著優(yōu)勢(shì)。既往研究中,機(jī)器學(xué)習(xí)算法的應(yīng)用較為單一,往往僅應(yīng)用了K-means算法或Apriori算法中的一種[14-17]。相比既往研究,本研究聯(lián)合應(yīng)用了兩種算法于研究中,兩種算法分別解決了研究中的重要問題。本研究中自動(dòng)分箱算法將患者血糖水平進(jìn)行了科學(xué)的區(qū)分。通過K-means算法從全體患者血糖水平中挖掘到了最低類血糖水平群體,即興趣類群體;通過Apriori算法挖掘到了最低類血糖水平群體基線資料間有效強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則,進(jìn)一步明確了最低類血糖水平,即血糖控制的影響因素。機(jī)器學(xué)習(xí)的兩種算法聯(lián)合應(yīng)用是既往研究所欠缺的,解決了既往研究中方法的單一性和承接性問題,獲得了更科學(xué)和豐富的結(jié)果。

另外,本研究還將機(jī)器學(xué)習(xí)及其算法同Logistic回歸分析進(jìn)行了比較。機(jī)器學(xué)習(xí)及其算法不僅得出了類似logistic回歸分析中獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)因素的前項(xiàng)集合,還得出了每個(gè)前項(xiàng)的多種組合形式。logistic回歸分析僅能夠給出各個(gè)獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)因素的OR,但其組合形式無從得知。本研究有效強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則結(jié)果第5條不僅得出了類似logistic回歸分析中獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)因素的3個(gè)前項(xiàng):“合理血糖控制藥物配伍:是”、“動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng):應(yīng)用”、“及時(shí)發(fā)現(xiàn)、報(bào)告和處置不良事件:是”,還可得出其共同出現(xiàn)的概率為96%(置信度)的結(jié)果。對(duì)于同時(shí)存在上述三個(gè)前項(xiàng)的患者需要特別加以注意,防止其基線資料影響血糖控制。因此,相比logistic回歸分析,機(jī)器學(xué)習(xí)及其算法更具邏輯性和應(yīng)用價(jià)值。

本研究發(fā)現(xiàn),動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用是老年T2DM患者血糖控制的最主要影響因素。動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過連續(xù)、科學(xué)的結(jié)果為合理用藥、合理飲食配伍和運(yùn)動(dòng)安排提供了有價(jià)值的參考。醫(yī)療衛(wèi)生單位可通過上述參考,提前采取有針對(duì)性措施有效控制老年T2DM患者血糖和避免相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生。通過機(jī)器學(xué)習(xí)及其算法挖掘患者血糖控制影響因素并應(yīng)用了動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后。根據(jù)動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的反饋,進(jìn)一步合理配置了T2DM相關(guān)藥品,提高了膳食搭配科學(xué)性,最后建立了更加完善的不良事件處理機(jī)制。

綜上所述,基于機(jī)器學(xué)習(xí)及其算法的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠探尋到影響老年T2DM患者血糖控制的因素。本研究方法和結(jié)果對(duì)社區(qū)老年T2DM的防治具有一定指導(dǎo)意義,其中動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用值得推廣和普及。