基于k-means 聚類方法的分類肺康復對慢性阻塞性肺疾病穩定期患者的干預效果

李彩平，李海榮，夏仲年，常冰梅，曹錫梅

本研究創新點：

基于k-means 聚類方法的分類肺康復類似于“量身定做”，可避免既往實施的肺康復處方的盲目性。本研究首次依據COPD 穩定期患者14 項聚類分析指標聚類并有針對性地實施分類肺康復，以期達到事半功倍的效果。

近年來隨著人口老齡化及環境污染加重，慢性阻塞性肺疾病（COPD）發病率呈逐年上升趨勢［1-2］。COPD 病情進展可使患者呼吸功能逐漸下降，進而出現活動后氣促、胸悶、喘息等癥狀，嚴重影響患者的生存質量。目前，COPD 尚無法治愈，臨床主要采用藥物治療以減輕患者呼吸困難癥狀，降低急性發作風險，但并不能改善患者肺功能及阻止肺功能進行性減退［3］。既往研究表明，肺康復能有效提高COPD 穩定期患者肺功能及運動功能，減少呼吸困難發生次數及患者就診次數［4-7］。但臨床實踐中針對不同嚴重程度COPD 穩定期患者基本使用相同的肺康復運動標準，為此筆者所在醫院采用k-means 聚類方法將COPD 穩定期患者進行分類并采用針對性肺康復，旨在為COPD 穩定期患者制定精準治療方案提供參考。

1 對象與方法

1.1 研究對象 選取2018 年1—6 月在大同市第五人民醫院呼吸科就診并完成肺功能檢測的242 例COPD 穩定期患者，均符合《慢性阻塞性肺疾病診斷、處理和預防全球策略（2017 GOLD 報告）》中的COPD 診斷標準［8］并處于穩定期。排除標準:合并不穩定型心絞痛、心肌梗死、心力衰竭、骨關節病變、肢體殘疾、心腦血管疾病、惡性腫瘤或有惡病質表現者；有認知障礙或溝通障礙者；COPD 急性加重不能耐受肺康復訓練者；合并嚴重心、腦、腎等重要臟器功能損傷者。本研究經大同市第五人民醫院醫學倫理委員會審核批準，所有患者對本研究知情并簽署知情同意書。

1.2 聚類分析指標 所有患者于入院48 h 內由醫生、護士、康復科醫生、營養師及心理咨詢師完成入院評估。收集所有患者一般資料〔包括年齡、病程、基礎疾病種類、體質指數（BMI）、急性加重次數〕、肺功能指標〔包括第1 秒用力呼氣容積與用力肺活量比值（FEV1/FVC）、第1 秒用力呼氣容積占預計值的百分比（FEV1%pred）〕、6分鐘步行距離（6MWD）、呼吸困難情況〔包括改良英國醫學研究學會呼吸困難指數（mMRC）評分、呼吸困難次數〕、營養受損評分、慢性阻塞性肺疾病評估測試量表（CAT）評分、焦慮自評量表（SAS）評分及日常生活能力量表（ADL）評分。其中6MWD 測量方法:在室內找一條長50 m 的平直走廊，折返處設置錐形標記，起始處設置紅色線條標記，記錄受試者6 min 內在自己體能允許范圍內盡快走的距離。mMRC 主要用于評估患者呼吸困難嚴重程度，0～1 級計為0 分，2 級計為1 分，3 級計為2 分，4 級計為3 分［9］。采用歐洲腸外腸內營養學會2002 年推出的營養風險篩查簡表中的營養受損評分評估患者營養受損情況，其中0 分為營養狀況正常，1 分為輕度營養不良，2 分為中度營養不良，3 分為重度營養不良。采用CAT 評估COPD 穩定期患者健康和生活質量，該量表由8 個條目組成，每個條目根據癥狀嚴重程度計0～5 分，評分越高提示患者健康和生活質量越差［9］。SAS 共包括20 個條目，每個條目采用Likert 4級評分法，20 個條目評分相加并乘于1.25 為標準分，評分越高提示患者焦慮程度越重［10］。ADL 包括進食、洗澡、修飾、穿衣、控制大便、控制小便、如廁、床椅轉移、平地行走、上下樓梯共10 個條目，總分100 分，評分越高提示患者日常生活能力越好［11］。

1.3 分組 采用k-means 聚類方法確定COPD 穩定期患者最佳分類為3 類，之后在第1 類COPD 穩定期患者中隨機選取30 例作為A1 組、30 例作為B1 組，在第2 類COPD 穩定期患者中隨機選取30 例作為A2 組、30 例作為B2 組，在第3 類COPD穩定期患者中隨機選取30例作為A3組、30例作為B3組。

1.4 干預方法 A1 組、A2 組及A3 組患者給予常規康復方案，B1 組、B2 組及B3 組患者給予基于k-means 聚類方法的分類肺康復，具體如下:B1 組患者主要干預目的是增強心肺功能，主要采取肺康復訓練處方（包括運動訓練和呼吸訓練），運動訓練包括上肢運動訓練和下肢運動訓練，其中上肢運動訓練主要包括上舉、繞圈訓練，下肢運動訓練主要包括散步、慢跑、游泳、爬樓梯［12］，30 min/次，3～5 次/周；呼吸訓練主要包括縮唇呼吸和腹式呼吸［13］。B2 組患者主要干預目的是減少急性發作、改善呼吸功能，所有患者在積極治療基礎疾病和家庭氧療［14］基礎上長期吸入布地奈德福莫特羅粉吸入劑，主要采取肺康復訓練處方（包括運動訓練和呼吸訓練），運動訓練方式參考B1 組，上、下肢運動訓練均從5 min 開始，逐漸延長至20 min/次，3～4 次/周；呼吸訓練初始為2 次/d，適應后增加到3～4 次/d，3～5 min/次，注意觀察患者耐受情況。B3 組患者主要干預目的是改善患者營養狀況、減輕不良情緒，因此肺康復處方以心理支持、營養支持及家庭支持為主，同時根據患者具體情況采取適度肺康復運動訓練，如散步，5～10 min/次，2 次/d，注意觀察患者耐受情況。六組患者均連續干預6 個月。

1.5 觀察指標 比較A1 組與B1 組患者干預前后肺功能指標與6MWD，A2 組與B2 組患者干預前后急性加重次數、肺功能指標、6MWD 及mMRC 評分，A3 組與B3 組患者干預前后肺功能指標、6MWD、mMRC 評分、營養受損評分、CAT 評分及SAS 評分。

1.6 統計學方法 采用SPSS 13.0 統計學軟件進行數據處理，符合正態分布的計量資料以表示，兩組間比較采用成組t 檢驗，多組間比較采用單因素方差分析；以P＜0.05 為差異有統計學意義。采用k-means 聚類方法對COPD 穩定期患者進行分類，綜合考慮偽F 值、近似期望R2和立方聚類準則（CCC）以確定最佳分類。

2 結果

2.1 聚類結果

2.1.1 確定最佳分類 根據聚類分析指標并采用k-means 聚類方法將所有患者聚為3～5 類，綜合考慮偽F 值、近似期望R2和CCC 最終確定最佳分類為3 類，見表1。COPD 穩定期患者k-means 聚類方法各類重心（標化值）見表2。

2.1.2 聚類區分效果 3 類COPD 穩定期患者年齡比較，差異無統計學意義（P＞0.05）；3 類COPD 穩定期患者病程、基礎疾病種類、BMI、急性加重次數、FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD、mMRC 評分、呼吸困難次數、營養受損評分、CAT 評分、SAS 評分及ADL 評分比較，差異有統計學意義（P＜0.05，見表3）。

2.2 不同分類COPD 穩定期患者干預效果

2.2.1 A1 組與B1 組患者干預前后肺功能指標和6MWD 比較 A1 組與B1 組患者干預前FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD及干預后FEV1/FVC、FEV1%pred 比較，差異無統計學意義（P＞0.05）；B1 組患者干預后6MWD 長于A1 組，差異有統計學意義（P＜0.05，見表4）。

2.2.2 A2組與B2組患者干預前后急性加重次數、肺功能指標、6MWD 及mMRC 評分比較 A2 組與B2 組患者干預前急性加重次數、FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD、mMRC 評分及干預后FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD 比較，差異無統計學意義（P＞0.05）；B2 組患者干預后急性加重次數少于A2 組，mMRC 評分低于A2 組，差異有統計學意義（P＜0.05，見表5）。2.2.3 A3 組與B3 組患者干預前后肺功能指標、6MWD、mMRC 評分、營養受損評分、CAT 評分及SAS 評分比較 A3 組與B3 組患者干預前FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD、mMRC 評分、營養受損評分、CAT 評分、SAS 評分及干預后FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD 比較，差異無統計學意義（P＞0.05）；B3 組患者干預后mMRC 評分、營養受損評分、CAT 評分、SAS 評分均低于A3 組，差異有統計學意義（P＜0.05，見表6）。

表1 COPD 穩定期患者k-means 聚類結果Table 1 k-means clustering results for stable COPD patients

3 討論

肺康復是COPD 穩定期患者的重要的非藥物治療方案之一，其應用效果已得到臨床證實［3-4］。在臨床實踐中發現，病情嚴重程度會影響COPD 穩定期患者肺康復效果，但目前有關COPD 穩定期患者采取基于k-means 聚類方法的分類肺康復的研究鮮少報道。

表4 A1 組與B1 組患者干預前后肺功能指標和6MWD 比較Table 4 Comparison of indexes of pulmonary function and 6MWD between A1 group and B1 group before and after intervention

表4 A1 組與B1 組患者干預前后肺功能指標和6MWD 比較Table 4 Comparison of indexes of pulmonary function and 6MWD between A1 group and B1 group before and after intervention

注:A1 組為第1 類采取常規康復方案患者，B1 組為第1 類采取基于k-means 聚類方法的分類肺康復患者

組別 例數FEV1/FVC（%） FEV1%pred（%） 6MWD（m）干預前 干預后 干預前 干預后 干預前 干預后A1 組 30 62.99±4.72 63.93±3.73 61.11±5.17 61.21±4.88 330±46 327±52 B1 組 30 61.82±5.39 64.54±3.71 59.66±6.18 62.93±5.32 321±44 359±50 t 值 0.897 -0.640 0.986 -1.306 0.746 -2.372 P 值 0.373 0.525 0.328 0.197 0.459 0.021

表2 COPD 穩定期患者k-means 聚類方法各類重心（標化值）Table 2 Core of k-means clustering method for stable COPD patients（normalized value）

表3 3 類COPD 穩定期患者一般資料、肺功能指標、6MWD、呼吸困難情況、營養受損評分、CAT 評分、SAS 評分及ADL 評分比較Table 3 Comparison of general information，indexes of pulmonary function，6MWD，dyspnea status，nutritional impairment score，CAT score，SAS score and ADL score in stable COPD patients with different classifications

表3 3 類COPD 穩定期患者一般資料、肺功能指標、6MWD、呼吸困難情況、營養受損評分、CAT 評分、SAS 評分及ADL 評分比較Table 3 Comparison of general information，indexes of pulmonary function，6MWD，dyspnea status，nutritional impairment score，CAT score，SAS score and ADL score in stable COPD patients with different classifications

分類 例數 年齡（歲） 病程（年） 基礎疾病種類（種） BMI（kg/m2） 急性加重次數（次）FEV1/FVC（%） FEV1%pred（%）第1 類 98 69.7±8.5 6.8±1.8 0.3±0.1 21.9±3.8 1.2±1.0 62.31±4.88 60.20±5.39第2 類 77 71.4±8.8 9.8±2.0 0.9±0.1 19.3±3.0 1.8±1.3 58.88±4.64 56.79±4.72第3 類 67 72.7±10.8 7.2±1.9 0.7±0.2 20.9±3.6 1.7±1.4 46.98±3.75 45.13±4.30 F 值 2.108 3.560 13.281 13.187 16.178 239.160 196.301 P 值 0.124 0.030 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01分類 6MWD（m） mMRC 評分（分）呼吸困難次數（次） 營養受損評分（分）CAT 評分（分） SAS 評分（分） ADL 評分（分）第1 類 324±48 1.7±1.0 0.7±0.5 0.3±0.1 18.2±5.3 50.0±7.9 90.3±9.9第2 類 309±44 3.2±0.8 1.0±0.1 0.6±0.1 23.5±4.7 52.4±6.5 76.4±17.5第3 類 239±41 2.6±1.3 0.8±0.4 0.9±0.2 25.8±5.2 61.0±3.6 65.2±19.5 F 值 75.196 42.095 19.007 16.944 49.262 59.625 53.492 P 值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01

表5 A2 組與B2 組患者干預前后急性加重次數、肺功能指標、6MWD 及mMRC 評分比較Table 5 Comparison of number of acute exacerbation，indexes of pulmonary function，6MWD and mMRC score between A2 group and B2 group before and after intervention

表5 A2 組與B2 組患者干預前后急性加重次數、肺功能指標、6MWD 及mMRC 評分比較Table 5 Comparison of number of acute exacerbation，indexes of pulmonary function，6MWD and mMRC score between A2 group and B2 group before and after intervention

注:A2 組為第2 類采取常規康復方案患者，B2 組為第2 類采取基于k-means 聚類方法的分類肺康復患者

組別 例數 急性加重次數（次） FEV1/FVC（%） FEV1%pred（%） 6MWD（m） mMRC 評分（分）干預前 干預后 干預前 干預后 干預前 干預后 干預前 干預后 干預前 干預后A2 組 30 2.5±1.8 1.8±1.3 58.22±4.86 58.95±4.42 56.33±4.53 57.31±4.49 310±51 316±59 3.3±0.8 2.4±0.6 B2 組 30 2.2±1.3 1.1±0.8 57.95±4.43 58.23±3.84 57.16±4.71 58.14±5.46 307±33 339±48 3.1±0.8 1.5±0.5 t 值 0.744 2.377 0.255 0.681 -0.693 -0.638 0.295 -1.623 -0.960 6.312 P 值 0.460 0.021 0.822 0.499 0.491 0.526 0.769 0.110 0.331 ＜0.01

表6 A3 組與B3 組患者干預前后肺功能指標、6MWD、mMRC 評分、營養受損評分、CAT 評分及SAS 評分比較Table 6 Comparison of indexes of pulmonary function，6MWD，mMRC score，nutritional impairment score，CAT score and SAS score between A3 group and B3 group before and after intervention

表6 A3 組與B3 組患者干預前后肺功能指標、6MWD、mMRC 評分、營養受損評分、CAT 評分及SAS 評分比較Table 6 Comparison of indexes of pulmonary function，6MWD，mMRC score，nutritional impairment score，CAT score and SAS score between A3 group and B3 group before and after intervention

注:A3 組為第3 類采取常規康復方案患者，B3 組為第3 類采取基于k-means 聚類方法的分類肺康復患者

組別 例數 FEV1/FVC（%） FEV1%pred（%） 6MWD（m）干預前 干預后 干預前 干預后 干預前 干預后A3 組 30 46.15±3.75 47.30±4.69 44.92±4.69 46.14±3.77 231±40 251±43 B3 組 30 47.23±3.72 48.43±4.37 45.52±4.15 46.67±4.40 240±35 250±46 t 值 -1.120 -0.967 -0.533 -0.499 -0.969 0.088 P 值 0.267 0.338 0.596 0.619 0.336 0.930組別 mMRC 評分（分） 營養受損評分（分） CAT 評分（分） SAS 評分（分）干預前 干預后 干預前 干預后 干預前 干預后 干預前 干預后A3 組 2.5±1.4 2.4±1.2 0.9±0.8 0.8±0.6 25.9±4.3 25.7±3.3 60.2±3.6 58.9±4.8 B3 組 2.5±1.3 1.4±1.1 0.9±0.7 0.3±0.2 25.1±5.6 22.3±3.8 61.4±3.4 48.1±4.5 t 值 0.000 3.341 -0.173 2.536 0.569 3.654 -1.256 8.894 P 值 1.000 0.001 0.863 0.015 0.572 0.001 0.214 ＜0.01

本研究綜合一般資料、肺功能指標、6MWD、呼吸困難情況、營養受損評分、CAT 評分、SAS 評分及ADL 評分，采用k-means 聚類方法將COPD 穩定期患者分為3 類，其中第1類患者身體基礎條件好，相對年輕、患病時間短、營養狀況好、呼吸困難程度輕、心理狀態佳，肺功能較好；第2 類患者病程長、基礎疾病多、呼吸困難程度嚴重，BMI 低，但肺功能和運動功能尚可；第3 類患者年齡偏大，營養狀況、肺功能、運動功能及生活自理能力均不佳，同時存在焦慮情緒。本研究基于k-means 聚類方法針對不同聚類COPD 穩定期患者實施分類肺康復，避免了既往肺康復的盲目性，以期達到事半功倍的效果。

本研究結果顯示，B1 組患者干預后6MWD 長于A1 組，提示基于k-means 聚類方法的分類肺康復能針對性地提高第1類COPD 穩定期患者運動耐力，與既往研究結果相一致［15］；但A1 組與B1 組患者干預后FEV1/FVC、FEV1%pred 間無統計學差異，分析原因可能與干預時間較短有關［16］。本研究結果顯示，B2 組患者干預后急性加重次數少于A2 組，mMRC 評分低于A2 組，提示基于k-means 聚類方法的分類肺康復能針對性地減少第2 類COPD 穩定期患者急性加重次數，減輕呼吸困難程度。本研究結果還顯示，B3組患者干預后mMRC評分、營養受損評分、CAT 評分、SAS 評分均低于A3 組，提示基于k-means 聚類方法的分類肺康復能針對性地減輕第3 類COPD穩定期患者呼吸困難程度、緩解焦慮情緒，改善其營養狀況，進而提高其生存質量；但A2 組與B2 組、A3 組與B3 組患者干預后FEV1/FVC、FEV1%pred、6MWD 間均無統計學差異，提示基于k-means 聚類方法的分類肺康復訓練短期內無法有效改善第2、3 類COPD 穩定期患者肺功能及運動耐力，但通過營養支持及心理支持有利于患者身心健康，使患者樹立疾病康復信心及提高治療依從性，進而提高生存質量［17］。

綜上所述，基于k-means 聚類方法的分類肺康復能針對性地提高第1 類COPD 穩定期患者運動耐力，減少第2 類COPD 穩定期患者急性加重次數及減輕其呼吸困難程度，減輕第3 類COPD 穩定期患者呼吸困難程度及焦慮情緒、改善其營養狀況及生存質量，對規范COPD 穩定期患者肺康復具有一定參考價值。但本研究樣本量較小、隨訪時間較短，基于k-means 聚類方法的分類肺康復干預COPD 穩定期患者的有效性及可行性仍有待進一步研究證實。

利益沖突：本研究病例來源于第一作者現單位大同市第五人民醫院，無利益沖突。