基于隨機森林算法的重型顱腦損傷患者并發急性胃腸損傷的現狀及風險模型構建

楊曉文,許彬,吳娟,王希,趙琳

(江蘇省人民醫院 神經外科重癥監護室,江蘇 南京 210000)

顱腦損傷指由外力引起的腦部結構性創傷和/或腦功能生理性破壞[1],可分輕、中、重3種類型;而重型顱腦損傷屬于病情較為嚴重且致死率較高的一種損傷[2]。急性胃腸損傷指危重癥患者因急性疾病狀態引發的胃腸功能障礙[3],主要包括胃腸運動功能障礙與胃腸屏障功能障礙[4]。在重型顱腦損傷患者中,胃腸功能障礙發生率達50%～80%[5]。相關研究[6]證實,胃腸道功能障礙是影響危重患者預后的獨立危險因素。如何利用客觀指標及模型對重型顱腦損傷患者的急性胃腸損傷進行判斷尤為重要。隨機森林為一種基于樹的算法,是多種種類不同的隨機樹的集合,模型的最終值是每棵樹產生的所有預測,該模型普遍應用于臨床中并獲得較高的評價[7-8]。目前,臨床中未見將隨機森林算法應用到對重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的預測模型中?；诖?本研究旨在篩選出重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的危險因素,并采用隨機森林算法構建風險模型,為臨床預防急性胃腸損傷提供借鑒。

1 對象與方法

1.1 研究對象 2021年1月至2023年1月,采用便利抽樣法選取某院就診的重型顱腦損傷患者為研究對象。納入標準:(1)經MRI或頭顱CT檢查診斷為顱腦損傷[9];(2)根據2015年德國成人顱腦損傷治療指南診斷為重型顱腦損傷者,格拉斯哥昏迷評分法(Glasgow coma scale,GCS)≤8分[10];(3)患者≥18歲;(4)臨床資料齊全者;排除標準:(1)存在癡呆及精神、神經系統方面疾病者;(2)存在惡性腫瘤;(3)有消化道出血史;(4)存在嚴重的胃腸道疾病史者。根據樣本量公式:N=Z2×[P×(1-P)]/E2,其中Z=1.64,E=10%,P=0.5,得出本次研究最小樣本量為67。本研究最終選取150例。

1.2 急性胃腸損傷診斷標準 根據2012年歐洲危重病醫學會急性胃腸損傷共識[3],急性胃腸損傷是指新出現胃腸道癥狀,如嘔吐、胃潴留、腹瀉、胃腸道出血、下消化道癱瘓或腸音異常等。

1.3 方法 從IH系統調取所有重型顱腦損傷診斷患者,排除死亡,放棄自動出院患者;從照護系統收取患者性別、年齡、吸煙、飲酒史、吸煙史、體質量指數(body mass index,BMI) 、高血壓、糖尿病等一般臨床資料;從ECARE重癥系統調取患者意識、血氣、生命體征等病情相關指標,如創傷部位、創傷原因、有無手術治療、 急性生理與慢性健康評分(acute physiology and chronic health evaluation-Ⅱ,APACHE-Ⅱ)、休克指數(心率/收縮壓)、GCS評分、液體負平衡、酸中毒情況、深度鎮靜情況、呼吸衰竭情況等;從單點檢驗指標系統調取白蛋白,隱血試驗等檢驗生化指標;所有指標經雙人核對無誤后,錄入系統。

2 結果

2.1 患者的一般臨床資料情況 150例重癥顱腦損傷患者中,并發急性胃腸損傷患者94例(并發組),占62.67%,其中包括消化道出血16例、嘔吐的5例、便秘41例、腹瀉19例、腹脹11例、腸源性感染2例;未并發急性胃腸損傷患者56例,(對照組),占37.33%。

2.2 重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的單因素分析 兩組患者在性別、年齡、吸煙史、飲酒史、BMI、高血壓、GCS評分、創傷部位方面的差異均無統計學意義(均P>0.05);在糖尿病、白蛋白、APACHE-Ⅱ評分、休克指數、液體負平衡、酸中毒、深度鎮靜、呼吸衰竭方面的差異均有統計學意義(均P<0.05),見表1。

表1 重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的單因素分析[n(%),N=150]

2.3 重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的多因素分析 將單因素分析中糖尿病、白蛋白、APACHE-Ⅱ評分、休克指數、液體負平衡、酸中毒、深度鎮靜、呼吸衰竭等存在統計學意義指標為自變量,以重型顱腦損傷有無并發急性胃腸損傷為因變量,進行重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的二元Logistic回歸分析。采用向后法進行分析,結果顯示:糖尿病、白蛋白<35 g/L、APACHE-Ⅱ評分≥17分、液體負平衡、酸中毒、深度鎮靜是重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的危險因素(P<0.05),見表2。

表2 重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的多因素分析

2.4 重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的隨機森林模型分析 以重型顱腦損傷有無并發急性胃腸損傷為因變量,將糖尿病、白蛋白、APACHE-Ⅱ評分、液體負平衡、酸中毒、深度鎮靜共6項作為自變量,構建重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的隨機森林模型。經分析可知,樹的數量為103時出現的錯誤率最低;影響重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的因素重要性排序為糖尿病、液體負平衡、APACHE-Ⅱ評分、白蛋白、深度鎮靜及酸中毒,見圖1。

圖1 隨機森林模型變量重要性排序

2.5 兩種模型的ROC曲線分析 隨機森林模型預測重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的ROC曲線下面積(area under curve,AUC)為0.798,Logistic回歸模型預測重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的ROC曲線AUC為0.773,二元Logistic回歸模型和隨機森林模型對重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的ROC曲線的預測都有較高的預測效能,且隨機森林模型預測重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的ROC曲線的效能稍高于Logistic回歸模型。

3 討論

3.1 重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的現狀 本研究中150例重型顱腦損傷患者中并發急性胃腸損傷患者94例,占比62.67%,表明重型顱腦損傷患者發生急性胃腸損傷的風險較高,嚴重影響患者的蘇醒質量。既往文獻[11]報道,ICU患者并發急性胃腸損傷的發生率為51.7%,提示重癥患者發生急性胃腸損傷的風險較高,分析原因:重型顱腦損傷可能導致大腦中樞神經系統對胃腸道功能的調控失調,尤其是下丘腦和腦干等部位損傷,直接影響到自主神經系統的平衡,進而影響胃腸運動、分泌、吸收等功能,誘發胃腸功能障礙;同時,患者長時間臥床不動和機械通氣可能導致胃腸動力減弱,胃液潴留,形成胃食管反流,加重胃黏膜損害,增加急性胃腸損傷的風險。另外,嚴重創傷、膿毒癥、休克造成的應激反應均可破壞腸道內皮細胞,增加腸道通透性,進而引起急性胃腸損傷[12]。

3.2 重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的危險因素 本研究顯示,糖尿病、白蛋白<35g/L、APACHE-Ⅱ評分≥17分、液體負平衡、酸中毒、深度鎮靜為重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的危險因素。劉冬燕等[13]通過基礎研究發現,糖尿病大鼠胃腸道功能常發生紊亂,其可能跟胃腸道內的超微結構發生變化有關。也有學者[14]認為,糖尿病會引起自主神經軸突部位的脫髓鞘與周圍神經的超微結構發生改變,致使消化道黏膜細胞相關的神經叢功能喪失,進一步減弱了腸蠕動及胃排空活動能力。

馬俊秀等[15]發現,血清白蛋白與胃腸道功能障礙存在密切關系,且對危重癥患者胃腸道功能障礙有較高預測價值(AUC為0.705)。白蛋白<35 g/L通常為低白蛋白血癥,而低白蛋白血癥是衡量營養不良的一項重要指標,患者處于低白蛋白狀態時其血漿滲透壓會大幅度下降,引起胃腸道黏膜組織發生水腫,進而對腸道吸收功能產生一定的影響[16]。

APACHE-Ⅱ評分是評估重型顱腦損傷患者疾病嚴重程度的重要工具。王擂等[17]將APACHE-Ⅱ評分應用到ICU患者的急性胃腸損傷評估研究中發現,APACHE-Ⅱ評分獲得數值越高,其胃腸損傷越嚴重。上述研究支持了本研究結果,分析原因可能是APACHE-Ⅱ評分中包含了反映機體多個系統生理狀態的參數,如血壓、心率、呼吸頻率、氧合狀態、腎功能等,而重型顱腦損傷患者往往伴有嚴重的全身性生理紊亂,這些異常生理指標會導致APACHE-Ⅱ評分升高,且這種嚴重的生理失衡又會進一步增加并發急性胃腸損傷的風險。

液體負平衡會導致胃腸功能障礙風險增加是由于重型顱腦損傷患者各種原因引起的器官功能損傷缺氧、缺血等,易導致其腸屏障功能受損,使重型顱腦損傷后患者體內的乳酸堆積,使PH值降低,容易發生酸中毒,進而造成胃腸黏膜發生損傷,且由于嚴重創傷會誘發機體的強烈應激及自主神經功能發生紊亂等情況,進而引起胃腸蠕動紊亂,降低了消化腺分泌能力,增強了胃黏膜通透性,造成胃腸功能障礙。

另外,鎮痛鎮靜作為重型顱腦損傷患者治療的重要組成部分,可以減輕腦組織耗氧,減輕腦水腫但是這部分藥物作用于胃腸道平滑肌,抑制興奮性神經遞質的釋放,導致腸蠕動減慢;此外,鎮靜劑還會導致一過性的食管下端括約肌松弛而發生胃食管返流,并且使用劑量越大,鎮靜越深,胃腸功能動力障礙越嚴重[18]。

3.3 重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的隨機森林模型分析 本研究建立了預測重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的隨機森林模型,模型中每個危險因素均進行了重要性排序。與王義等[19]建立的Logistic回歸模型比較,隨機森林模型具有操作簡便、可視可讀性強等特點,且對危險因素進行重要性排序,醫護人員根據危險因素的重要性排序進行有針對性的進行干預。

本研究隨機森林模型顯示,影響重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的因素重要性排序依次為糖尿病、白蛋白<35 g/L、APACHE-Ⅱ評分≥17分、液體負平衡、酸中毒、深度鎮靜,臨床可結合影響重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的因素重要性排序對患者進行合理干預,以減少重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的發生率。隨機森林模型預測重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的AUC為0.798,二元Logistic回歸模型預測重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的AUC為0.773,表明隨機森林模型與二元Logistic回歸模型對重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的預測都有較高的預測效能,而隨機森林模型對重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的預測價值更高。

綜上所述,糖尿病、白蛋白<35 g/L、APACHE-Ⅱ評分≥17分、液體負平衡、酸中毒、深度鎮靜為重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的危險因素,本研究構建的重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的隨機森林模型具有較高的臨床實用價值,有利于篩選重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷的高風險人群及提前制訂重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷有關的防治措施。本研究的不足之處在于樣本量少,患者來源單一,并采用了回顧性研究,可能會存在數據偏倚。因此,今后需進行大樣本、多中心的前瞻性研究,開展預防重型顱腦損傷并發急性胃腸損傷干預研究。