基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析的慢性心力衰竭血瘀證診斷模型研究

王 娟 趙慧輝 陳建新 羅良濤 李雪麗 王金平 劉俊杰 王 偉

(1 北京中醫(yī)藥大學(xué)，北京，100029； 2 首都醫(yī)科大學(xué)，北京，100069)

慢性心力衰竭作為各種心臟病的終末結(jié)局，發(fā)病率逐年升高，已成為世界公認(rèn)的衛(wèi)生難題[1]。血瘀證一直以來(lái)被視為多種心血管疾病的主要證候，活血化瘀法也被廣泛應(yīng)用于中醫(yī)臨床治療心血管疾病中[2]。中醫(yī)學(xué)認(rèn)為慢性心力衰竭的主要病機(jī)為“心氣虛-血瘀-水停-心虛加重”的過(guò)程,血瘀證在整個(gè)疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中扮演重要角色。關(guān)于血瘀證相關(guān)的概念，中醫(yī)學(xué)早在《黃帝內(nèi)經(jīng)》中就有“血脈凝泣”“惡血”“凝血”“衄血”等描述。[3]近些年來(lái)，陳可冀、李連達(dá)兩位院士領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)較早系統(tǒng)的闡釋了血瘀證的科學(xué)內(nèi)涵，為心腦血管病以活血化瘀為主和向其他學(xué)科輻射治療奠定了理論基礎(chǔ)，關(guān)于血瘀證各層面的生物學(xué)基礎(chǔ)研究也日漸引起眾多學(xué)者關(guān)注[4]。現(xiàn)代研究表明，不同疾病同一證候生物學(xué)指標(biāo)呈現(xiàn)類似的變化特征，可作為證候客觀化研究的有力補(bǔ)充[5]。多元數(shù)據(jù)挖掘方法重視海量指標(biāo)間的相互作用并充分考慮到中醫(yī)證候復(fù)雜性特點(diǎn)，在中醫(yī)證候研究中扮演越來(lái)越重要的角色[6]。如何結(jié)合醫(yī)學(xué)研究進(jìn)展，充分運(yùn)用中醫(yī)宏觀辨證思想，應(yīng)用多種數(shù)據(jù)挖掘工具，篩選不同系統(tǒng)和層次的指標(biāo)信息以揭示慢性心力衰竭血瘀證的病理生理基礎(chǔ)是值得探究的問(wèn)題。本研究將在深入分析CHF血瘀證患者臨床資料與多系統(tǒng)理化指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系的基礎(chǔ)上，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘方法構(gòu)建基于多系統(tǒng)理化指標(biāo)的CHF血瘀證模型，以期為后續(xù)中醫(yī)證候研究提供了客觀依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2010年3月至2011年8月四川省成都市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院和浙江省杭州市中醫(yī)院收治的CHF患者100例，其中男62例，女38例，年齡42～83歲，平均年齡(63.4±3.43)歲。其中原發(fā)病為冠心病的60例，高血壓性心臟病50例，擴(kuò)張性心肌病12例，其他類型的心臟病8例。納入的CHF患者經(jīng)中醫(yī)辨證后觀察組37例，對(duì)照組57例。2組患者在性別、年齡、病程分布等方面比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，具有可比性。

1.2 診斷標(biāo)準(zhǔn) 患者心功能分級(jí)參照美國(guó)紐約心臟病協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，其中Ⅰ級(jí)患者6例，Ⅱ級(jí)28例，Ⅲ級(jí)46例，Ⅳ級(jí)20例。所有CHF患者的診斷均參考2005年ACC/AHA公布的慢性心力衰竭診斷治療指南。血瘀證診斷參照1986年中國(guó)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)會(huì)活血化瘀專業(yè)委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)[7]。

1.3 納入標(biāo)準(zhǔn) 1)上述醫(yī)院收治住院的CHF患者；2)年齡在40～85歲之間；3)自愿簽訂知情同意書；4)符合CHF疾病診斷標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 排除標(biāo)準(zhǔn) 合并嚴(yán)重心律失常伴有血流動(dòng)力學(xué)改變者；血象升高，并發(fā)感染者；胸片提示有片狀陰影；合并嚴(yán)重肝腎功能不全、惡性腫瘤者；妊娠或哺乳期婦女；精神病、傳染病患者等不適宜納入研究的患者。

1.5 研究方法

1.5.1 臨床信息采集 符合納入標(biāo)準(zhǔn)的患者入組時(shí)全面采集其四診信息，填寫CHF臨床信息采集表并判別中醫(yī)證候。

1.5.2 指標(biāo)檢測(cè)流程 待測(cè)指標(biāo)血樣來(lái)源于CHF患者空腹肘靜脈血(除心電圖、超聲心動(dòng)圖外)。采血時(shí)間統(tǒng)一規(guī)定為患者入組后第2 d清晨，由專業(yè)人員完成，采血時(shí)分別使用無(wú)添加管(5 mL)、EDTA抗凝管(8 mL)、枸掾酸抗凝管(3 mL)，采血后從EDTA抗凝管中另取2 mL L抗凝血待測(cè)，其余管在4 ℃條件下超速離心15 min(轉(zhuǎn)速3 000 r/min)，分別留取血清和血漿樣品凍存在-20 ℃和-80 ℃冰箱待測(cè)。

1.6 待檢的理化指標(biāo) 1)血常規(guī)指標(biāo)；2)肝、腎功能、脂類代謝指標(biāo)、電解質(zhì)指標(biāo)；3)甲狀腺功能；4)心肌酶譜指標(biāo)；5)特異性標(biāo)志物HSECRP、C3、NT-pro BNP；6)超聲心動(dòng)和心電圖指標(biāo)等共計(jì)69項(xiàng)指標(biāo)。

1.7 數(shù)據(jù)挖掘和建模 采用SPSS 20.0軟件中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多層感知器(MLP)程序?qū)Y選出的CHF血瘀證相關(guān)的理化指標(biāo)進(jìn)行模型構(gòu)建。

1.8 質(zhì)量控制 課題組對(duì)所有參與研究的醫(yī)師進(jìn)行了統(tǒng)一培訓(xùn)并考核，全程進(jìn)行質(zhì)量控制，并開(kāi)展了小范圍的預(yù)調(diào)查以幫助醫(yī)師形成較好的一致性。在此基礎(chǔ)上，每位患者的中醫(yī)辨證工作由副主任醫(yī)師以上職稱、臨床工作經(jīng)驗(yàn)5年以上的3名醫(yī)生獨(dú)立完成。

1.9 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料采用t檢驗(yàn)或非參數(shù)檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料采用χ2檢驗(yàn)。應(yīng)用二值Logistic回歸分析進(jìn)行二值變量多因素分析，方法選用向后逐步法(Backward：Wald)，變量進(jìn)入回歸模型的檢驗(yàn)水準(zhǔn)為0.05，剔除水準(zhǔn)為0.10，進(jìn)一步篩選指標(biāo)用于特征模式的構(gòu)建。

2 結(jié)果

2.1 觀察組理化指標(biāo)t檢驗(yàn)結(jié)果 1)血常規(guī)指標(biāo)中淋巴細(xì)胞(LYMPH)、淋巴細(xì)胞比率(LYMPH1%)、紅細(xì)胞壓積(HCT)降低，而血小板分布寬度(PDW)升高；2)肝腎功、電解質(zhì)指標(biāo)中氯(CL)降低；3)甲狀腺激素水平指標(biāo)中三碘甲狀原氨

表1 血瘀證患者理化指標(biāo)t檢驗(yàn)結(jié)果

注：與對(duì)照組比較，*P<0.05

表2 血瘀證患者理化指標(biāo)回歸分析結(jié)果

圖1 CHF血瘀證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

酸總T3(TT3)降低；4)免疫指標(biāo)中補(bǔ)體C3升高；5)心電圖和心動(dòng)超聲指標(biāo)中左室后壁厚度(LVPWD)降低，二尖瓣口舒張?jiān)缙谘鞣逯?MRSE)升高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)表1。

2.2 血瘀證患者理化指標(biāo)Logistic回歸分析結(jié)果 Logistic回歸分析結(jié)果以理化指標(biāo)信息為自變量，血瘀證為因變量，共篩選出15項(xiàng)指標(biāo)與CHF血瘀證相關(guān)。血常規(guī)指標(biāo)中中性粒細(xì)胞(NEUT)、中性粒細(xì)胞比率(NEUTL)、單核細(xì)胞(MONO)、血小板(PLT)、HCT，電解質(zhì)指標(biāo)中鈉(NA)、氯(CL)、鎂(MG)，肝腎功指標(biāo)中肌酸(Cr)、C3、堿性磷酸酶(ALP)、腺苷酸氨酶(ADA)、總蛋白(TP)，甲狀腺激素水平指標(biāo)中TT3，心動(dòng)超聲指標(biāo)中LVPWD等進(jìn)入模型。見(jiàn)表2。

圖2 血瘀證模型理化指標(biāo)相關(guān)性分析

2.3 血瘀證患者理化指標(biāo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模結(jié)果 整合上述與血瘀證相關(guān)的20項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多層感知器(MLP)建模分析，反復(fù)驗(yàn)證達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)，訓(xùn)練樣本的準(zhǔn)確率為75.4%，測(cè)試樣本的準(zhǔn)確率為82.4%，如圖1所示。進(jìn)一步分析構(gòu)建模型中各指標(biāo)與血瘀證的相關(guān)性，與血瘀證的相關(guān)性依次為TP、NEUTL、MONO等。見(jiàn)圖2。

3 討論

CHF為多種心臟功能或器質(zhì)性疾病導(dǎo)致心室受損泵血或充盈功能低下，進(jìn)而發(fā)展為以呼吸困難、乏力和體液潴留為主要癥狀的臨床綜合征，心室重構(gòu)和神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)過(guò)度激活等復(fù)雜機(jī)制參與其中[8]。臨床實(shí)踐證明中醫(yī)藥干預(yù)CHF療效確切，尤其在改善患者生命質(zhì)量、減少中西藥用藥不良反應(yīng)等方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，對(duì)于CHF中醫(yī)證候的研究一直以來(lái)備受關(guān)注、表征組學(xué)、生物信息學(xué)等相關(guān)學(xué)科的應(yīng)用也揭示了證候不僅是疾病過(guò)程中病因病機(jī)的綜合反映，其生物學(xué)指標(biāo)間相互作用、相互影響的動(dòng)態(tài)變化信息，必然能夠?qū)⒆C候生物學(xué)基礎(chǔ)更加全面、真實(shí)的呈現(xiàn)出來(lái)。目前，血瘀證作為CHF的重要證候之一，其生物學(xué)研究結(jié)果表明心臟功能及結(jié)構(gòu)受損、心臟電生理變化、神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)紊亂及炎性反應(yīng)等環(huán)節(jié)作用其中，隨證候演變和進(jìn)展表現(xiàn)出一定的規(guī)律性[9]。因此，本研究在聯(lián)合運(yùn)用t檢驗(yàn)和Logistic回歸方法尋找與CHF血瘀證患者密切相關(guān)的理化指標(biāo)群的基礎(chǔ)上，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)MLP方法構(gòu)建血瘀證的診斷模型，進(jìn)一步探討與CHF血瘀證相關(guān)的理化指標(biāo)群的生物學(xué)意義。

中醫(yī)學(xué)認(rèn)為，心主神明，為君主之官，心力衰竭是由于心病日久影響到全身的氣血陰陽(yáng)及其他臟器功能，出現(xiàn)的臟腑功能衰竭。研究結(jié)果顯示血瘀證患者炎性改變依然是CHF血瘀證患者重要的生物學(xué)基礎(chǔ)之一。Val-HeFT前期的研究[10-11]也表明，升高的中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)和降低的淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)與CHF病變程度有關(guān)，晚期更為明顯。血瘀證患者與健康者血常規(guī)指標(biāo)的比較分析研究[12]顯示平均紅細(xì)胞體積、紅細(xì)胞體積分配寬度、平均血小板體積及血小板體積分配寬度四項(xiàng)指標(biāo)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,且聯(lián)合檢測(cè)陽(yáng)性率高，可用于血瘀證的篩選與診斷。本研究中的PDW在血瘀證患者中顯示出較高的診斷意義，PLT指標(biāo)的變化也反映了CHF血瘀證患者依然存在血小板功能障礙及血液流變學(xué)的改變。此外，酶譜和總蛋白的變化反映出血瘀證患者體內(nèi)存在肝功損傷的傾向；肌酐水平升高反映了腎功能受損的趨勢(shì)，而CL、NA、MG等多種電解質(zhì)紊亂和補(bǔ)體功能失調(diào)也是血瘀證患者生物學(xué)變化之一。CHF血瘀證患者中出現(xiàn)甲狀腺功能下降的機(jī)制尚未明確。有報(bào)道稱其可能為患者體內(nèi)神經(jīng)內(nèi)分泌激素激活，導(dǎo)致T4轉(zhuǎn)化為T3減少;應(yīng)激缺氧及心肌損害使組織利用T3增加;組織缺氧使外周T4脫碘途徑發(fā)生改變,由5′-位脫碘轉(zhuǎn)化為5位脫碘，導(dǎo)致無(wú)活性的rT3生成增加等[13]。CHF患者較常出現(xiàn)組織缺氧、胃腸瘀血、進(jìn)食少,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)匱乏等都會(huì)引起CHF患者甲狀腺激素合成與代謝發(fā)生障礙[14]。超聲心動(dòng)主要根據(jù)二尖瓣口血流參數(shù)來(lái)評(píng)估左室舒張功能，其中A峰/E峰(A/E)可作為CHF不同中醫(yī)辨證分型的重要依據(jù)[15]。本研究中CHF患者超聲心動(dòng)數(shù)據(jù)中A峰、E峰以及左室后壁厚度的變化表明CHF血瘀證患者大多伴有左室舒張功能的障礙。

在方法學(xué)方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為常用的非線性的數(shù)據(jù)建模工具被廣泛的應(yīng)用與復(fù)雜模型構(gòu)建中，通過(guò)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)之間的連接賦予權(quán)重，并在訓(xùn)練算法迭代過(guò)程中不斷調(diào)整，降低誤差并提升預(yù)測(cè)精度[16]。其中多層感知器(MLP)模型采用前饋結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)拆分成訓(xùn)練集、測(cè)試集、驗(yàn)證集，有助于發(fā)現(xiàn)復(fù)雜關(guān)系[17]。訓(xùn)練集用來(lái)預(yù)估網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，測(cè)試集可以防止過(guò)度訓(xùn)練，驗(yàn)證樣本用來(lái)評(píng)估最終網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)因變量是連續(xù)型數(shù)據(jù)時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)的連續(xù)值為輸入數(shù)據(jù)的連續(xù)函數(shù)；當(dāng)因變量是分類型數(shù)據(jù)時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)將記錄劃分為最適合的類別，因此在處理中醫(yī)復(fù)雜數(shù)據(jù)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。研究表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在Logistic回歸的變量獨(dú)立性的假設(shè)不滿足時(shí),優(yōu)于Logistic回歸[18]。因此，本研究在運(yùn)用t檢驗(yàn)和Logistic回歸分析后，進(jìn)一步對(duì)與CHF血瘀證相關(guān)的理化指標(biāo)群進(jìn)行了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模處理，在測(cè)試集和預(yù)測(cè)樣本中都得到了較高的準(zhǔn)確率。

中醫(yī)證候數(shù)據(jù)之間往往交相關(guān)聯(lián)，知識(shí)集約程度高，信息量巨大，因此在證候的生物學(xué)信息挖掘過(guò)程中，需要多種方法互參互證才能更好地揭示證候本質(zhì)。本研究的臨床數(shù)據(jù)以CHF血瘀證患者為例，來(lái)源相對(duì)單一，結(jié)果在一定程度上能夠說(shuō)明證候是疾病某一階段各層面生物學(xué)信息的綜合概括。同時(shí)，研究也揭示了CHF血瘀證的診斷和判定并不僅局限于血液流變學(xué)的異常，可能是神經(jīng)內(nèi)分泌因素、炎性反應(yīng)因素等體內(nèi)多系統(tǒng)相互影響的結(jié)果。在今后研究中，將納入更廣泛的病例，進(jìn)一步獲得更為精準(zhǔn)的結(jié)論，為CHF的中醫(yī)藥防治提供更多參考依據(jù)。