數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在擴(kuò)張型心肌病患者心臟構(gòu)型超聲數(shù)據(jù)模型中的初步研究

朱菲菲，朱向明，劉冬，劉表虎

(皖南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院，安徽 蕪湖)

0 引言

DCM 的發(fā)病率目前仍然領(lǐng)先于其它心肌病，通常情況下，DCM 的發(fā)病早期無(wú)癥狀或者沒(méi)有明顯癥狀，青壯年的發(fā)病率較高，預(yù)后較差[1][2]。近些年大量研究證實(shí)如能早期診斷并進(jìn)行臨床治療，將能延緩心肌重構(gòu)和心衰進(jìn)程，改善預(yù)后，降低死亡率。然而目前沒(méi)有確定標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外目并沒(méi)有綜合性和針對(duì)性的診斷和治療方案，所以臨床漏診、誤診率較高，發(fā)展到后期會(huì)引發(fā)心力衰竭，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致猝死[3]。怎樣提高臨床診斷率，早期發(fā)現(xiàn)并給予及時(shí)有效的治療是亟待我們解決的問(wèn)題。而目前主要是應(yīng)用超聲心動(dòng)圖來(lái)評(píng)價(jià)心室結(jié)構(gòu)及功能，并結(jié)合臨床排除缺血性心臟病來(lái)進(jìn)行診斷。此研究旨在優(yōu)選出評(píng)價(jià)DCM 患者心臟構(gòu)型的特征性指標(biāo)，并挖掘出關(guān)鍵影響因素。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

選取2017 年6 月至2020 年5 月來(lái)我院心內(nèi)科就診并診斷為DCM 的患者93 例作為研究對(duì)象(男61 例，女32 例)，年齡16-75 歲，平均(45.40±13.60)歲，這些研究對(duì)象與中華醫(yī)學(xué)會(huì)在2007 年提出的心肌病診斷與治療建議[4]中的標(biāo)準(zhǔn)是相符的，在研究相關(guān)對(duì)象時(shí)，排除冠心病、心肌炎、先天性心臟病、心臟瓣膜病、心臟再同步化治療相關(guān)患者，減少數(shù)據(jù)分析干擾，將這93 例研究對(duì)象作為實(shí)驗(yàn)組。另選同期健康志愿者106 例(男55 例，女51 例)，年齡20～77 歲，平均(43.7±14.5)歲，作為對(duì)照組存在。

1.2 儀器設(shè)備與分析軟件

PHILIPS iE33 及EPIQ7C 彩色多普勒超聲心動(dòng)圖儀(荷蘭飛利浦公司產(chǎn)品)，探頭采用S5—1，探頭的頻率為3.5—5MHz，超聲工作站配置Qlab 作為定量分析軟件。數(shù)據(jù)挖掘工具SQLServer2012，主要用于數(shù)據(jù)挖掘模塊，Microsoft Excel 2007 作為用戶(hù)數(shù)據(jù)分析工具。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)的獲取

收集受檢者的基本臨床信息：性別、年齡、體重、身高、體表面積、血壓、血糖、血脂、飲酒史、吸煙史、家族遺傳史，是否貧血，有無(wú)病毒性心肌炎史等。按規(guī)范化的取圖標(biāo)準(zhǔn)獲取心臟構(gòu)型超聲數(shù)據(jù)：左室舒張末期前后徑(left ventricular enddiastolic dimension，LVEDD)、上下徑、左右徑、左室容積、左室后壁厚度、室間隔厚度、收縮期末左房前后徑、收縮期末左房容積、左室心肌質(zhì)量指數(shù)(left ventricula msss index， LVMI)等等。左室功能超聲數(shù)據(jù)：左室射血分?jǐn)?shù)(left ventricula ejection fraction，LVEF)、左 室 短 軸 縮 短 率(left ventricula fraction shortening，F(xiàn)S)。

表1 關(guān)鍵影響因素報(bào)表

1.3.2 建立數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)

數(shù)據(jù)預(yù)處理：數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對(duì)收集和整理的數(shù)據(jù)加以分組或者分類(lèi)前做篩選、排序等，數(shù)據(jù)預(yù)處理的方式多種多樣，數(shù)據(jù)歸約、數(shù)據(jù)集成等等。這些可以減少數(shù)據(jù)挖掘所花費(fèi)的時(shí)間。首先對(duì)不完整和有噪聲的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，對(duì)缺失值和孤立點(diǎn)加以識(shí)別和處理，例如用眾數(shù)和均值進(jìn)行填充等等方式，但是具體采用哪種方式根據(jù)數(shù)據(jù)的具體特征加以使用；數(shù)據(jù)挖掘形式多種多樣[5]，在挖掘以前，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，主要是采用事務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，替代關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。在這一環(huán)節(jié)，我們需要做的是進(jìn)行特定路徑加載，加載前的數(shù)據(jù)需要加以處理。加載完以后，需要對(duì)事務(wù)是否是在指定條件內(nèi)發(fā)生加以驗(yàn)證。

1.3.3 建立心臟超聲數(shù)據(jù)模型

運(yùn)用SQL Server 2012 數(shù)據(jù)挖掘模塊對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行挖掘，主要應(yīng)用軟件中的聚類(lèi)分析算法、預(yù)測(cè)計(jì)算器報(bào)表和分析關(guān)鍵影響因素報(bào)表來(lái)全面分析數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，從原始數(shù)據(jù)中將DCM 患者各影響因素及心臟超聲參數(shù)間有價(jià)值的、潛在的關(guān)系挖掘出來(lái)，并將其隱藏的價(jià)值關(guān)系構(gòu)建成相應(yīng)的超聲數(shù)據(jù)模型。

1.3.3.1 聚類(lèi)分析算法

聚類(lèi)分析算法可以發(fā)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)間的隱藏信息，這些信息的發(fā)現(xiàn)是自行進(jìn)行的，接著，將具有相同特點(diǎn)的數(shù)據(jù)分為一類(lèi)[6]，既正常人和DCM 患者，再按不同類(lèi)別的特點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行處理、分析、計(jì)算。

1.3.3.2 預(yù)測(cè)計(jì)算器報(bào)表與分析關(guān)鍵影響因素報(bào)表

都是數(shù)據(jù)挖掘插件新增工具，前者是通過(guò)頻繁項(xiàng)集算出各因素的影響值，影響值越大，說(shuō)明該值在某區(qū)間內(nèi)影響DCM 患者的心臟結(jié)構(gòu)功能發(fā)生變化的程度較大，即成為關(guān)鍵影響因素或特征性指標(biāo)的可能性越大。而后者是在聚類(lèi)分析法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)的基礎(chǔ)上，然后再對(duì)各影響因素的影響能力進(jìn)行定量評(píng)估。

2 結(jié)果

2.1 獲得關(guān)鍵影響因素

通過(guò)聚類(lèi)分析算法區(qū)分出正常人群和DCM 人群，區(qū)分出不同人群后，需要獲取影響這些因素的關(guān)鍵原因以及這些關(guān)鍵影響因素的影響值大小，最后得出報(bào)表，見(jiàn)表1(表格中截取值為影響值較大的部分)。

由表1 可見(jiàn)，臨床數(shù)據(jù)中飲酒量大、曾患過(guò)病毒性心肌炎、有家族遺傳史、有高血壓病史等，均傾向于“否正常人群”，且相對(duì)影響值較大，成為關(guān)鍵影響因素的概率比較大。心臟超聲數(shù)據(jù)中左室舒張期前后徑、左室舒張期容積、左室心肌質(zhì)量指數(shù)增大時(shí)，均傾向于“否正常人群”。

2.2 獲得評(píng)價(jià)DCM 患者心臟構(gòu)型改變的特征性指標(biāo)

預(yù)測(cè)計(jì)算器報(bào)表是通過(guò)頻繁項(xiàng)集算出各因素的影響值(見(jiàn)表2)，影響值越大，成為特征性指標(biāo)的可能性越大；同時(shí)會(huì)自動(dòng)生成支持判斷是否有影響的閾值，當(dāng)某受檢者的總影響值超過(guò)閾值時(shí)，說(shuō)明相關(guān)受檢者的心臟構(gòu)型功能異常。

由表2 可見(jiàn)，左室舒張期各徑線、左室心肌質(zhì)量指數(shù)、左室舒張期容積相對(duì)影響值均較大，說(shuō)明這些指標(biāo)在評(píng)價(jià)DCM患者心臟結(jié)構(gòu)改變時(shí)相對(duì)比較敏感，有望成為特征性指標(biāo)。

3 討論

3.1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

主要能在大量醫(yī)療數(shù)據(jù)中挖掘出隱藏著的關(guān)聯(lián)信息，有助于疾病的早期診治，Imberman[7]等人從眾多頭部外傷患者的各項(xiàng)數(shù)據(jù)中找到外部患者CT 檢查的適應(yīng)性，主要是利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行檢查。GDutau[8]等人對(duì)周期性感冒的相關(guān)性危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析研究，在研究時(shí)主要利用了數(shù)據(jù)挖掘的決策樹(shù)算法。Prather JC[9]等應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)Duke 大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的早產(chǎn)孕婦3 個(gè)危險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析。

3.2 影響DCM 患者心臟構(gòu)型改變的關(guān)鍵影響因素

DCM 的病因和發(fā)病機(jī)制尚不明確，但是在已有的研究中發(fā)現(xiàn)，DCM 的重要病因之一是病毒性心肌炎[10]，主要的致病原因可能是由于持續(xù)的病毒感染直接損害心肌組織，也可能是誘導(dǎo)免疫介導(dǎo)損害心肌。Bowles 等[11]收集了624 例心肌炎患者，進(jìn)行組織切片分析，發(fā)現(xiàn)最常見(jiàn)的病原體是腺病毒，病毒感染后期少部分患者將發(fā)展為DCM。國(guó)內(nèi)陳瑞珍等研究得出15%～25%的病毒性心肌炎患者可發(fā)展為DCM[12]。從本研究中的預(yù)測(cè)計(jì)算器和關(guān)鍵影響因素報(bào)表中均可看出，病毒性心肌炎影響值均相對(duì)較大，說(shuō)明患過(guò)心肌炎的人比未患過(guò)的人更傾向于發(fā)展為DCM，這與以往研究是相符的。但并不是患過(guò)病毒性心肌炎就一定會(huì)發(fā)展為DCM，這也就提示可能聯(lián)合了其它危險(xiǎn)因素一起對(duì)心肌產(chǎn)生作用，所以對(duì)病毒感染的發(fā)病機(jī)制值得我們進(jìn)一步的深入研究。

表2 DCM 影響因素及心臟超聲指標(biāo)的預(yù)測(cè)計(jì)算器報(bào)表

另外，有高血壓病史、飲酒量大的人群更傾向于DCM 人群，且影響值相對(duì)較大，說(shuō)明它們與DCM 患者心臟構(gòu)型改變有著一定的相關(guān)性，以上因素是DCM 患者心臟構(gòu)型改變的重要影響因素，當(dāng)然，這些只是我們的初步考慮。但本研究發(fā)現(xiàn)家族遺傳史與DCM 關(guān)聯(lián)不大，這一結(jié)論與以往的研究結(jié)論是相悖的，相悖的原因有許多，但是本文認(rèn)為最可能的因素是由于樣本量較少導(dǎo)致結(jié)論產(chǎn)生誤差，并且我們主要是通過(guò)詢(xún)問(wèn)病史來(lái)確認(rèn)的，缺乏一定的可靠性，但也有可能是數(shù)據(jù)挖掘在尋找關(guān)鍵影響因素方面更敏感、更有優(yōu)勢(shì)。

3.3 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)評(píng)價(jià)影響DCM 患者心臟構(gòu)型的特征性指標(biāo)

預(yù)測(cè)計(jì)算器報(bào)表顯示左室舒張期各徑線、左室容積及心肌質(zhì)量指數(shù)的影響值均較高，說(shuō)明在評(píng)價(jià)心腔擴(kuò)大程度時(shí)，這些指標(biāo)與我們平時(shí)所用的LVEDD 一樣都能作為評(píng)價(jià)DCM患者心臟構(gòu)型變化的特征性指標(biāo)。但是，當(dāng)DCM 患者的心腔存在明顯的擴(kuò)大狀況時(shí)，其在各徑線上并不是均勻變化的，所以我們?cè)谌粘ＥR床工作中常規(guī)在二維或M 型上單純測(cè)量LVEDD，用此來(lái)評(píng)判心臟擴(kuò)大的程度是不夠準(zhǔn)確的，有時(shí)反而延誤治療。利用實(shí)時(shí)三維超聲測(cè)量心腔容積是目前相對(duì)最準(zhǔn)確的測(cè)量方法，但就目前中國(guó)醫(yī)療環(huán)境和軟硬件條件差異來(lái)看，暫且很難普及到每一位病患的檢查中。在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)LVMI 相對(duì)影響值比較大，說(shuō)明它是評(píng)價(jià)DCM 患者心臟構(gòu)型改變的一個(gè)重要指標(biāo)。LVMI 增加主要是因?yàn)樾募∷[、間質(zhì)增生、左室重構(gòu)引起左室僵硬度的增加。有研究證明LVM 是判斷心功能的敏感指標(biāo)之一，是心臟性猝死的強(qiáng)有力指標(biāo)[13]。另外，左室后壁厚度的相對(duì)影響值很小，不能作為DCM 患者心臟構(gòu)型評(píng)價(jià)的特征性指標(biāo)，但其與LVEDD 的比值(室壁相對(duì)厚度)相對(duì)影響值卻較大，說(shuō)明室壁相對(duì)厚度與心臟構(gòu)型改變有較好的相關(guān)性。這與以往研究結(jié)果是相符的，即DCM 患者在心室腔擴(kuò)大時(shí)伴有不同程度的室壁變薄，但室壁厚度是相對(duì)心腔擴(kuò)大而變薄，其與正常人的室壁厚度并無(wú)明顯差異。因此，在臨床應(yīng)用中，當(dāng)運(yùn)用二維超聲心動(dòng)圖進(jìn)行檢查時(shí)，我們可以綜合以上指標(biāo)來(lái)更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)DCM 患者的心臟構(gòu)型的改變程度。

綜上，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能在大量的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱含的、不為人知的關(guān)聯(lián)信息，對(duì)于醫(yī)學(xué)上的臨床早期診斷DCM 以及評(píng)估其治療效果具有一定的臨床意義。