基于隨機森林算法構(gòu)建StanfordA型主動脈夾層術(shù)后譫妄的預測模型

doi：10.12102/j.issn.1672-1349.2025.14.015

ThePredctionModelforPostoperativeDeliriuminStanfordTypeAAorticDissection BasedonRandomForestAlgortm LIU Chunyan，LI Jingjing，WU Guiqin，ZHANG Pingzhen，LI Songjun，ZHOU Jinling

Corresponding Author WU Guiqin，E-mail：1371115728@ qq.com

AbstractObjectiveToanaletheisfactorsofpotoperativedeliiumipatientswithStafordtypeAaorticdiectioadtoetablish arandomforestmodelMethods：Atotalof185patientswithStanfordtypeAaortcdissectioninourhospitalfromJanuary016toOctober 2023weredividedintothedeliumgroupandthenon-deliumgroupaccordingtowhetherdeliriumocuredaftertheoperation.The linicadatasflptintsreoltedirategistiegessosusedtoeentisfacsofptoperativriumA randomforestmodelforpredictingpostoperativedeliuinStanfordtypeAaorticdisectionwasestablisedusingRsoftareesults： Among185patientswithStanfordtypeAaorticdissectionpostoperaivedeliiumocurredin33patientswitStanfordtypeAaortic dissectionilstoatielidisitafdtortietioideefi delirium was 17.84%（33/185） .Therewerestatisticaly significantdiferences inhypoxemia，D-dimer，blood lactate，operation time，deep hypothermiccirculatoryarest timeandmechanical ventiationtime betweenthedlirum groupandthenon-deliumgroup ?Plt;0.05? Hypoxemia，D-dimergt; 15.46mg/L ，bloodlactate gt;2.87mmol/L ，operationtime gt; 265.81min，deephypothermiacirculatoryarrest time gt; 44.32min ，andmechanical ventilation time gt;64.83 hwere independent risk factors for postoperative delirium inpatients with type Aaortic dissection（ Plt;0.05） .Therankingof relatively important predictors forpredictingpostoperative delirum wereoperationtime，mechanical ventilationtipotaiulatoesttilodlactateDidoeieagductioible Ginivaluewasproportionaltoitsimportanceinthemodel.TheareaunderthereceiveroperatingcharacteriticsROC）curveof the randomforestalgorithmforpredicting postoperativedlirium was higher thanthatofthemutivariate Logisticregression model （Z=2.296， P=0.022 ）.Conclusion：Hypoxemia，D-dimergt;15.46mg/L，blood lactate 2.87mmol/L ，operation timegt;265.81 min，deep hypothermiacirculatoryarresttime gt;44.32 min，and mechanical ventilation time gt;64.83 hwere the influencing factors for postoperative deliriumipatientswithStanfordtypeAaorticdissection.Therandomforestmodelwasconstructedbasedontheabovefactorswith better risk prediction efficiency.

KeywordsStanfordtypeAaortic dissection;postoperativedelirium;influencing factors;random forestmodel

主動脈夾層是一種嚴重威脅生命健康的危重癥心血管疾病[1]。根據(jù)Stanford分型將主動脈夾層分為A、B兩型，A型累及升主動脈，B型不累及升主動脈。未治療的急性StanfordA型主動脈夾層病死率高，急性StanfordA型主動脈夾層病人一旦發(fā)病需要立即給予外科手術(shù)治療，但病人圍術(shù)期院內(nèi)死亡率和術(shù)后早期并發(fā)癥的風險較高[12]。其中術(shù)后譫妄是常見的并發(fā)癥之一，譫妄可增加感染風險，延長病人住院時間，亦可能影響手術(shù)治療效果甚至預后。早期明確影響StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后譫妄的相關(guān)因素，并制定相應的防治策略對降低譫妄發(fā)生風險、提高手術(shù)療效等方面尤為重要[3-5]。目前，關(guān)于StanfordA型主動脈夾層術(shù)后譫妄構(gòu)建風險預測模型較少，有關(guān)StanfordA型主動脈夾層術(shù)后譫妄是研究熱點[67]。本研究基于隨機森林算法構(gòu)建StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后譫妄風險預測模型，并驗證模型的預測效能，以期為StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后譫妄的臨床防治工作提供參考。

1資料與方法

1.1 研究對象

選取2016年1月—2023年10月在我院行手術(shù)治療的185例StanfordA型主動脈夾層病人，本研究已通過我院倫理委員會批準，批準號：北大深醫(yī)倫審（研）[2022]第（055）號。

納入標準：通過CT血管造影確診，首次因StanfordA型主動脈夾層疾病在我院行手術(shù)治療；入組前無譫妄；年齡 ≥18 歲；近期未服用影響相關(guān)血清指標的藥物。

排除標準：臨床資料不完整；術(shù)后住院期間死亡；因個體原因退出研究；伴有視聽障礙無法與醫(yī)務(wù)人員溝通交流；伴有惡性腫瘤或精神類疾病。

1.2 研究方法

收集病人臨床資料，包括性別、年齡、居住地、受教育程度、吸煙、飲酒、低氧血癥、糖尿病、高血壓、冠心病、腦卒中、D-二聚體、B型尿鈉肽、血乳酸、C反應蛋白、血肌酐、血小板計數(shù)、血紅蛋白、丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、手術(shù)時間、體外循環(huán)時間、深低溫停循環(huán)時間、左室射血分數(shù)、機械通氣時間、心率、體溫、平均動脈壓。

1.3 分組標準

所有病人于術(shù)后至少進行每日2次觀察，麻醉清醒后無法言語配合的病人采用重癥監(jiān)護意識模糊法（CAM-ICU）評估是否出現(xiàn)譫妄，CAM-ICU內(nèi)容：1）意識狀態(tài)的改變或波動；2）注意缺損；3）思維紊亂；4）意識清晰度。病人同時出現(xiàn)1）2）3）或1）2）4）陽性判定為譫妄狀態(tài)。

1.4統(tǒng)計學處理

采用SPSS24.0軟件進行數(shù)據(jù)分析。符合正態(tài)分布和方差齊性的定量資料以均數(shù)士標準差 表示，采用獨立樣本t檢驗；定性資料以例數(shù)、百分比 （% ）表示，采用2檢驗。采用多因素Logistic回歸分析篩選StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后譫妄發(fā)生的危險因素。運用R（R3.5.3）軟件構(gòu)建隨機森林模型，采用MedCalc軟件繪制受試者工作特征（ROC）曲線，并計算ROC曲線下面積（AUC）。檢驗水準為 α=0.05 。

2結(jié)果

2.1StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后譫妄發(fā)生情況

185例StanfordA型主動脈夾層病人中，33例StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后發(fā)生譫妄，152例StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后未發(fā)生譫妄，術(shù)后譫妄發(fā)生率為 17.84%（33/185） 。

2.2譫妄組和非譫妄組臨床資料比較

譫妄組和非譫妄組性別、年齡、居住地、受教育程度、吸煙、飲酒、糖尿病、高血壓、冠心病、腦卒中、B型尿鈉肽、C反應蛋白、血肌酐、血小板計數(shù)、血紅蛋白、丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、體外循環(huán)時間、左室射血分數(shù)、心率、體溫、平均動脈壓比較，差異均無統(tǒng)計學意義（ Pgt; 0.05）。譫妄組和非譫妄組低氧血癥、D-二聚體、血乳酸、手術(shù)時間、深低溫停循環(huán)時間、機械通氣時間比較，差異均有統(tǒng)計學意義（ Plt;0.05 。詳見表1。

表1譫妄組和非譫妄組臨床資料比較

（續(xù)表）

2.3 相關(guān)變量的最佳截斷值

采用ROC曲線中的約登指數(shù)明確表1差異有統(tǒng)計學意義（ Plt;0.05 的連續(xù)變量（D-二聚體、血乳酸、手術(shù)時間、深低溫停循環(huán)時間、機械通氣時間）的最佳截斷值（見表2）。根據(jù)上述指標的最佳截斷值轉(zhuǎn)換為二分類變量，進行多因素Logistic回歸分析。

表2相關(guān)變量的最佳截斷值

2.4多因素Logistic回歸分析

將StanfordA型主動脈夾層病人臨床資料中低氧血癥、D-二聚體、血乳酸、手術(shù)時間、深低溫停循環(huán)時間、機械通氣時間作為自變量，以StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后是否發(fā)生譫妄作為因變量，進行多因素Logistic回歸分析。以StanfordA型主動脈夾層病人是否發(fā)生譫妄作為因變量，以StanfordA型主動脈夾層病人低氧血癥、D-二聚體、血乳酸、手術(shù)時間、深低溫停循環(huán)時間、機械通氣時間為自變量，變量賦值見表

3。結(jié)果顯示：低氧血癥、D-二聚體 gt;15.46mg/L 、血乳酸 gt;2.87mmol/L 手術(shù)時間 gt;265.81min 、深低溫停循環(huán)時間 、機械通氣時間 gt;64.83h 均是StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后發(fā)生譫妄的獨立危險因素（ Plt;0.05 。詳見表4。

表3變量賦值

表4多因素Logistic回歸分析結(jié)果

2.5基于隨機森林算法構(gòu)建StanfordA型主動脈夾層 病人發(fā)生譫妄的重要性排序

采用R語言，使用install.packages（“randomForest\"）軟件包構(gòu)建隨機森林模型。預測StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后發(fā)生譫妄的相對重要預測因子排序依次為手術(shù)時間、機械通氣時間、深低溫停循環(huán)時間、血乳酸、D-二聚體、低氧血癥，變量Gini值的平均降低量與其在模型的重要性成正比。詳見圖1、圖2。

2.6兩種預測模型對術(shù)后譫妄的診斷效能

隨機森林算法預測術(shù)后譫妄的AUC高于多因素 Logistic回歸模型的AUC（ Z=2.296 P=0.022 。詳見 表5、圖3。

圖1模型錯誤率和決策樹的關(guān)系

圖2StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后發(fā)生譫妄 變量的重要性排序

表5兩種預測模型對StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后發(fā)生譫妄的診斷效能

圖3兩種模型預測StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后發(fā)生譫妄的ROC曲線

3討論

近年來，隨著醫(yī)療水平的不斷發(fā)展與進步，使得StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后病死率降低，但術(shù)后神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生率處于較高水平，其中以術(shù)后譫妄最為顯著[9-10]。術(shù)后譫妄指手術(shù)或治療后病人出現(xiàn)的一系列認知和行為障礙，主要臨床表現(xiàn)為注意力不集中、迷茫、混亂及幻覺等癥狀[1-2]。術(shù)后譫妄不僅給病人帶來不適和痛苦，可能延長住院時間，增加并發(fā)癥發(fā)生風險。因而，及早識別StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后譫妄的相關(guān)因素，并制定相應的防治措施就顯得尤為重要。據(jù)相關(guān)文獻報道，心臟手術(shù)后譫妄發(fā)生率為 21%～50% ，與普通心臟手術(shù)相比，StanfordA型主動脈夾層病人手術(shù)時間相對更長，且受術(shù)中深低溫停循環(huán)、組織灌注不足等影響，導致病人腦功能障礙可能性相對更大[13]。王軍等[14]研究報道，StanfordA型主動脈夾層術(shù)后譫妄發(fā)生率約為 39.8% 。本研究術(shù)后譫妄發(fā)生率為 17.84% ，結(jié)果稍低于上述研究，分析原因可能與研究設(shè)計、樣本量及地域差異等因素相關(guān)。由此可見，術(shù)后譫妄在StanfordA型主動脈夾層手術(shù)病人中有較高的發(fā)生率，提示治療期間醫(yī)務(wù)人員需加強對StanfordA型主動脈夾層手術(shù)病人的關(guān)注，進而有助于降低術(shù)后譫妄發(fā)生率，促使更多StanfordA型主動脈夾層病人在手術(shù)治療方案中獲益。

既往研究發(fā)現(xiàn)，低氧血癥是StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后譫妄的獨立危險因素，伴有低氧血癥病人術(shù)后譫妄發(fā)生風險較單存StanfordA型主動脈夾層病人增加2.172倍[15]。譫妄屬于一種意識狀態(tài)改變的癥狀，StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后可能出現(xiàn)混亂、失去方向感及注意力不集中等表現(xiàn)，低氧血癥進一步可加重病人腦部損傷，并干擾神經(jīng)傳遞和腦功能恢復，從而增加術(shù)后譫妄的風險。王玉偉等7研究發(fā)現(xiàn)，術(shù)前血乳酸值異常升高的StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后更易發(fā)生譫妄，術(shù)前血乳酸 gt;1.96mmol/L 時，StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后譫妄的發(fā)生風險可能增加5.646倍。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，譫妄組血乳酸水平高于非譫妄組；進一步行多因素Logistic回歸分析發(fā)現(xiàn)，血乳酸水平異常升高的StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后更易發(fā)生譫妄，證實了血乳酸水平異常升高可能增加術(shù)后譫妄的發(fā)生風險。血乳酸屬于細胞代謝產(chǎn)物，正常情況下由心肺系統(tǒng)將其清除，維持體內(nèi)酸堿平衡，高水平血乳酸可能對中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響，并影響腦血流灌注和神經(jīng)細胞的正常功能，促使神經(jīng)元異常激活，繼而導致病人術(shù)后更易發(fā)生譫妄。

相關(guān)研究顯示，隨著機械通氣時間延長，病人術(shù)后譫妄發(fā)生風險相對增加[1]，與本研究結(jié)果一致。分析原因可能為病人術(shù)后存在低氧血癥、酸堿平衡紊亂等導致機械通氣時間延長，這些生理變化均可能引起大腦供氧不足和代謝紊亂，從而增加術(shù)后譫妄的風險。戴亞偉等[17]研究表明，手術(shù)時間 的StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后更易發(fā)生譫妄。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，手術(shù)時間 gt;265.81min 的StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后發(fā)生譫妄的風險是手術(shù)時間 ?265.81min 病人的1.071倍。原因可能為手術(shù)本身屬于一種有創(chuàng)操作，手術(shù)時間延長導致病人處于長時間的麻醉狀態(tài)，加之麻醉藥物和體外循環(huán)對病人神經(jīng)傳導和認知功能的影響，進而引起病人術(shù)后更易出現(xiàn)譫妄。

周楚芝等[18]研究顯示，深低溫停循環(huán)時間延長是StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后譫妄的獨立危險因素。本研究結(jié)果還顯示，深低溫停循環(huán)時間延長病人術(shù)后更易發(fā)生譫妄，相較于深低溫停循環(huán)時間 ?44.32 min病人，深低溫停循環(huán)時間 病人術(shù)后譫妄發(fā)生風險增加1.104倍。雖然深低溫停循環(huán)可保護手術(shù)病人的心臟和其他重要器官，但長時間的深低溫停循環(huán)不僅損傷腦細胞，同時還可能導致血液在體內(nèi)停滯形成血栓，血栓脫落可能引發(fā)腦部供血不足，進而增加術(shù)后譫妄風險。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，D-二聚體異常升高增加StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后譫妄發(fā)生風險，D-二聚體 gt;15.46mg/L 病人術(shù)后譫妄發(fā)生風險是D-二聚體 ≤15.46mg/L 病人的1.423倍。分析原因為D-二聚體升高多提示凝血活動增加和體內(nèi)炎癥反應增強，凝血活動異?？赡軐е卵ㄐ纬?，從而影響腦部血液循環(huán)，最終引發(fā)術(shù)后譫妄。

防治措施：1）對伴有低氧血癥的病人，應及時糾正低氧血癥狀況，給予調(diào)整機械通氣及合理氧療，提供足夠的氧氣供應，改善病人腦部缺氧狀況。2）D-二聚體是一種血液凝集指標，高水平D-二聚體可能與血管內(nèi)血栓形成相關(guān)，因此，術(shù)后應密切監(jiān)測病人D-二聚體水平，及時發(fā)現(xiàn)處理以降低血栓形成風險。3）血乳酸是一項反映組織缺氧程度的指標，術(shù)后血乳酸水平升高提示病人可能存在組織缺氧情況，需采取措施改善組織灌注，糾正缺氧，以降低譫妄的發(fā)生率。4）手術(shù)時間和深低溫停循環(huán)時間是手術(shù)過程中的兩個關(guān)鍵因素。手術(shù)時間、深低溫停循環(huán)時間過長均對病人腦部造成一定程度的損傷，增加譫妄的風險。因此，在手術(shù)過程中應當盡量縮短手術(shù)時間和深低溫停循環(huán)時間，術(shù)中頭部使用冰帽，減少對腦部的損傷。5）機械通氣過久直接導致ICU入住時間延長，增加譫妄的發(fā)生。在機械通氣時，落實鎮(zhèn)痛鎮(zhèn)靜管理，每日評估撤機時機，條件允許盡早拔除氣管插管，減少不必要的約束，協(xié)助病人早期活動，減少術(shù)后譫妄的發(fā)生。

隨機森林是一種集成學習方法，通過結(jié)合多個決策樹進行分類和回歸分析，在隨機森林中，每個決策樹均是獨立構(gòu)建的，通過投票或平均確定最終的預測結(jié)果[19]。隨機森林的主要特點是采用自助采樣法（Bootstrapsampling）和隨機特征選擇法（randomfeatureselection），使每個決策樹均是基于不同的樣本和特征集進行訓練，隨機森林不僅能處理數(shù)據(jù)中的噪聲和缺失值，還能計算每個特征的重要性，并處理缺失數(shù)據(jù)[20]。本研究建立的StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后譫妄發(fā)生的隨機森林模型，其模型中的每項危險因素均有其對應的預測重要性排序，治療期間醫(yī)務(wù)人員根據(jù)StanfordA型主動脈夾層病人的臨床信息進行評估，判斷病人是否為術(shù)后譫妄高危人群，繼而有助于術(shù)后譫妄的防治。本研究預測StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后譫妄的相對重要預測因子排序依次為手術(shù)時間、機械通氣時間、深低溫停循環(huán)時間、血乳酸、D-二聚體、低氧血癥，變量Gini值的平均降低量與其在模型的重要性成正比。ROC結(jié)果顯示，隨機森林算法預測StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后并發(fā)譫妄的AUC稍高于多因素Logistic回歸模型，提示本研究構(gòu)建的隨機森林模型有較好的預測效能。

綜上所述，低氧血癥、D-二聚體 gt;15.46mg/L 血乳酸 gt;2.87mmol/L 手術(shù)時間 gt;265.81min 、深低溫停循環(huán)時間 、機械通氣時間 gt;64.83h 均是StanfordA型主動脈夾層病人術(shù)后譫妄的危險因素，基于上述因素建立的隨機森林模型有較好的風險預測效能。本研究為單中心回顧性研究，納入的樣本量有限，今后仍需進一步深入研究。

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（收稿日期：2024-01-14）（本文編輯 薛妮）