基于随机森林算法的重型颅脑损伤患者并发急性胃肠损伤的现状及风险模型构建

杨晓文,许彬,吴娟,王希,赵琳

(江苏省人民医院 神经外科重症监护室,江苏 南京 210000)

颅脑损伤指由外力引起的脑部结构性创伤和/或脑功能生理性破坏[1],可分轻、中、重3种类型;而重型颅脑损伤属于病情较为严重且致死率较高的一种损伤[2]。急性胃肠损伤指危重症患者因急性疾病状态引发的胃肠功能障碍[3],主要包括胃肠运动功能障碍与胃肠屏障功能障碍[4]。在重型颅脑损伤患者中,胃肠功能障碍发生率达50%～80%[5]。相关研究[6]证实,胃肠道功能障碍是影响危重患者预后的独立危险因素。如何利用客观指标及模型对重型颅脑损伤患者的急性胃肠损伤进行判断尤为重要。随机森林为一种基于树的算法,是多种种类不同的随机树的集合,模型的最终值是每棵树产生的所有预测,该模型普遍应用于临床中并获得较高的评价[7-8]。目前,临床中未见将随机森林算法应用到对重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的预测模型中。基于此,本研究旨在筛选出重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的危险因素,并采用随机森林算法构建风险模型,为临床预防急性胃肠损伤提供借鉴。

1 对象与方法

1.1 研究对象 2021年1月至2023年1月,采用便利抽样法选取某院就诊的重型颅脑损伤患者为研究对象。纳入标准:(1)经MRI或头颅CT检查诊断为颅脑损伤[9];(2)根据2015年德国成人颅脑损伤治疗指南诊断为重型颅脑损伤者,格拉斯哥昏迷评分法(Glasgow coma scale,GCS)≤8分[10];(3)患者≥18岁;(4)临床资料齐全者;排除标准:(1)存在痴呆及精神、神经系统方面疾病者;(2)存在恶性肿瘤;(3)有消化道出血史;(4)存在严重的胃肠道疾病史者。根据样本量公式:N=Z2×[P×(1-P)]/E2,其中Z=1.64,E=10%,P=0.5,得出本次研究最小样本量为67。本研究最终选取150例。

1.2 急性胃肠损伤诊断标准 根据2012年欧洲危重病医学会急性胃肠损伤共识[3],急性胃肠损伤是指新出现胃肠道症状,如呕吐、胃潴留、腹泻、胃肠道出血、下消化道瘫痪或肠音异常等。

1.3 方法 从IH系统调取所有重型颅脑损伤诊断患者,排除死亡,放弃自动出院患者;从照护系统收取患者性别、年龄、吸烟、饮酒史、吸烟史、体质量指数(body mass index,BMI) 、高血压、糖尿病等一般临床资料;从ECARE重症系统调取患者意识、血气、生命体征等病情相关指标,如创伤部位、创伤原因、有无手术治疗、 急性生理与慢性健康评分(acute physiology and chronic health evaluation-Ⅱ,APACHE-Ⅱ)、休克指数(心率/收缩压)、GCS评分、液体负平衡、酸中毒情况、深度镇静情况、呼吸衰竭情况等;从单点检验指标系统调取白蛋白,隐血试验等检验生化指标;所有指标经双人核对无误后,录入系统。

2 结果

2.1 患者的一般临床资料情况 150例重症颅脑损伤患者中,并发急性胃肠损伤患者94例(并发组),占62.67%,其中包括消化道出血16例、呕吐的5例、便秘41例、腹泻19例、腹胀11例、肠源性感染2例;未并发急性胃肠损伤患者56例,(对照组),占37.33%。

2.2 重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的单因素分析 两组患者在性别、年龄、吸烟史、饮酒史、BMI、高血压、GCS评分、创伤部位方面的差异均无统计学意义(均P>0.05);在糖尿病、白蛋白、APACHE-Ⅱ评分、休克指数、液体负平衡、酸中毒、深度镇静、呼吸衰竭方面的差异均有统计学意义(均P<0.05),见表1。

表1 重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的单因素分析[n(%),N=150]

2.3 重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的多因素分析 将单因素分析中糖尿病、白蛋白、APACHE-Ⅱ评分、休克指数、液体负平衡、酸中毒、深度镇静、呼吸衰竭等存在统计学意义指标为自变量,以重型颅脑损伤有无并发急性胃肠损伤为因变量,进行重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的二元Logistic回归分析。采用向后法进行分析,结果显示:糖尿病、白蛋白<35 g/L、APACHE-Ⅱ评分≥17分、液体负平衡、酸中毒、深度镇静是重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的危险因素(P<0.05),见表2。

表2 重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的多因素分析

2.4 重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的随机森林模型分析 以重型颅脑损伤有无并发急性胃肠损伤为因变量,将糖尿病、白蛋白、APACHE-Ⅱ评分、液体负平衡、酸中毒、深度镇静共6项作为自变量,构建重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的随机森林模型。经分析可知,树的数量为103时出现的错误率最低;影响重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的因素重要性排序为糖尿病、液体负平衡、APACHE-Ⅱ评分、白蛋白、深度镇静及酸中毒,见图1。

图1 随机森林模型变量重要性排序

2.5 两种模型的ROC曲线分析 随机森林模型预测重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的ROC曲线下面积(area under curve,AUC)为0.798,Logistic回归模型预测重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的ROC曲线AUC为0.773,二元Logistic回归模型和随机森林模型对重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的ROC曲线的预测都有较高的预测效能,且随机森林模型预测重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的ROC曲线的效能稍高于Logistic回归模型。

3 讨论

3.1 重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的现状 本研究中150例重型颅脑损伤患者中并发急性胃肠损伤患者94例,占比62.67%,表明重型颅脑损伤患者发生急性胃肠损伤的风险较高,严重影响患者的苏醒质量。既往文献[11]报道,ICU患者并发急性胃肠损伤的发生率为51.7%,提示重症患者发生急性胃肠损伤的风险较高,分析原因:重型颅脑损伤可能导致大脑中枢神经系统对胃肠道功能的调控失调,尤其是下丘脑和脑干等部位损伤,直接影响到自主神经系统的平衡,进而影响胃肠运动、分泌、吸收等功能,诱发胃肠功能障碍;同时,患者长时间卧床不动和机械通气可能导致胃肠动力减弱,胃液潴留,形成胃食管反流,加重胃黏膜损害,增加急性胃肠损伤的风险。另外,严重创伤、脓毒症、休克造成的应激反应均可破坏肠道内皮细胞,增加肠道通透性,进而引起急性胃肠损伤[12]。

3.2 重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的危险因素 本研究显示,糖尿病、白蛋白<35g/L、APACHE-Ⅱ评分≥17分、液体负平衡、酸中毒、深度镇静为重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的危险因素。刘冬燕等[13]通过基础研究发现,糖尿病大鼠胃肠道功能常发生紊乱,其可能跟胃肠道内的超微结构发生变化有关。也有学者[14]认为,糖尿病会引起自主神经轴突部位的脱髓鞘与周围神经的超微结构发生改变,致使消化道黏膜细胞相关的神经丛功能丧失,进一步减弱了肠蠕动及胃排空活动能力。

马俊秀等[15]发现,血清白蛋白与胃肠道功能障碍存在密切关系,且对危重症患者胃肠道功能障碍有较高预测价值(AUC为0.705)。白蛋白<35 g/L通常为低白蛋白血症,而低白蛋白血症是衡量营养不良的一项重要指标,患者处于低白蛋白状态时其血浆渗透压会大幅度下降,引起胃肠道黏膜组织发生水肿,进而对肠道吸收功能产生一定的影响[16]。

APACHE-Ⅱ评分是评估重型颅脑损伤患者疾病严重程度的重要工具。王擂等[17]将APACHE-Ⅱ评分应用到ICU患者的急性胃肠损伤评估研究中发现,APACHE-Ⅱ评分获得数值越高,其胃肠损伤越严重。上述研究支持了本研究结果,分析原因可能是APACHE-Ⅱ评分中包含了反映机体多个系统生理状态的参数,如血压、心率、呼吸频率、氧合状态、肾功能等,而重型颅脑损伤患者往往伴有严重的全身性生理紊乱,这些异常生理指标会导致APACHE-Ⅱ评分升高,且这种严重的生理失衡又会进一步增加并发急性胃肠损伤的风险。

液体负平衡会导致胃肠功能障碍风险增加是由于重型颅脑损伤患者各种原因引起的器官功能损伤缺氧、缺血等,易导致其肠屏障功能受损,使重型颅脑损伤后患者体内的乳酸堆积,使PH值降低,容易发生酸中毒,进而造成胃肠黏膜发生损伤,且由于严重创伤会诱发机体的强烈应激及自主神经功能发生紊乱等情况,进而引起胃肠蠕动紊乱,降低了消化腺分泌能力,增强了胃黏膜通透性,造成胃肠功能障碍。

另外,镇痛镇静作为重型颅脑损伤患者治疗的重要组成部分,可以减轻脑组织耗氧,减轻脑水肿但是这部分药物作用于胃肠道平滑肌,抑制兴奋性神经递质的释放,导致肠蠕动减慢;此外,镇静剂还会导致一过性的食管下端括约肌松弛而发生胃食管返流,并且使用剂量越大,镇静越深,胃肠功能动力障碍越严重[18]。

3.3 重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的随机森林模型分析 本研究建立了预测重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的随机森林模型,模型中每个危险因素均进行了重要性排序。与王义等[19]建立的Logistic回归模型比较,随机森林模型具有操作简便、可视可读性强等特点,且对危险因素进行重要性排序,医护人员根据危险因素的重要性排序进行有针对性的进行干预。

本研究随机森林模型显示,影响重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的因素重要性排序依次为糖尿病、白蛋白<35 g/L、APACHE-Ⅱ评分≥17分、液体负平衡、酸中毒、深度镇静,临床可结合影响重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的因素重要性排序对患者进行合理干预,以减少重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的发生率。随机森林模型预测重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的AUC为0.798,二元Logistic回归模型预测重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的AUC为0.773,表明随机森林模型与二元Logistic回归模型对重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的预测都有较高的预测效能,而随机森林模型对重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的预测价值更高。

综上所述,糖尿病、白蛋白<35 g/L、APACHE-Ⅱ评分≥17分、液体负平衡、酸中毒、深度镇静为重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的危险因素,本研究构建的重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的随机森林模型具有较高的临床实用价值,有利于筛选重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤的高风险人群及提前制订重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤有关的防治措施。本研究的不足之处在于样本量少,患者来源单一,并采用了回顾性研究,可能会存在数据偏倚。因此,今后需进行大样本、多中心的前瞻性研究,开展预防重型颅脑损伤并发急性胃肠损伤干预研究。