基于隨機森林算法的急性ST段抬高型心肌梗死患者經皮冠狀動脈介入治療術后無復流風險因素分析

俞 霄

紹興市第七人民醫院檢驗科，312000 浙江 紹興

急性ST段抬高型心肌梗死(ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)是嚴重危害人類健康的心血管疾病，目前是冠心病的主要死亡原因[1]。治療急性STEMI首選的再灌注方式為經皮冠狀動脈介入治療(percutaneous coronary intervention，PCI)，療效顯著且相對安全[2]。但是，仍有20%左右的急性STEMI患者在支架植入后，觀察不到足夠的心肌再灌注，這種現象稱為無復流，直接與心肌梗死不良預后相關[3-4]。已有研究表明急性STEMI患者PCI術后無復流的風險因素較多，如血小板/淋巴細胞比率(platelet to lymphocyte ratio，PLR)、平均血小板體積/淋巴細胞比率(mean platelet volume to lymphocyte ratio，MPVLR)等均與急性STEMI患者PCI術后無復流相關[5-7]。然而對風險因素進行重要性排序，深度研究急性STEMI患者PCI術后無復流風險因素的研究不多。隨機森林算法能有效分析非線性、共線性和具有交互作用數據，作為機器學習的經典算法之一，在疾病風險預測和診斷方面具有較高的準確性，目前在分子及基因水平等醫學領域得到廣泛應用[8-9]。因此，本研究通過回顧性分析某院收住的行直接PCI術的急性STEMI患者的臨床資料，應用隨機森林算法和多因素logistic 回歸分析相結合的方法進一步探討急性STEMI患者PCI術后無復流風險因素，為行PCI術的急性STEMI患者的病情評估、早期預防提供進一步依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

回顧性分析2013年1 月至2019年6月期間某院行直接PCI術的急性STEMI患者資料。納入標準：(1)年滿18周歲；(2)診斷和治療符合《ST段抬高型急性心肌梗死院前溶栓治療中國專家共識》[10]；(3)初次診斷STEMI，PCI術在發病12 h內進行。排除標準：(1)已經行靜脈溶栓；(2)合并感染性疾病、血液系統疾病、惡性腫瘤等；(3)1個月內有輸血史；(4)臨床資料不完整者。

1.2 研究方法

收集患者入院時的一般臨床資料，包括性別、年齡、身體質量指數(body mass index，BMI)、吸煙史、高血壓及糖尿病史、術前服藥史；行PCI術前各項相關血液指標，包括血常規、C-反應蛋白(C-reactive protein，CRP)、血脂等指標以及PCI術中情況等。

1.3 隨機森林算法

隨機森林是利用bootstrap 重采樣方法從原始樣本中抽取多個樣本，并為每個樣本生成獨立的決策樹的一種集成算法。每個決策樹中隨機選取63.2%的數據用于建模，而其余36.8%的數據，即袋外數據(out-of-bag，OOB)用于模型驗證。隨機森林在保持其他變量不變的情況下，隨機置換變量的觀測值后，通過比較袋外誤差(OOB error)得到變量的重要性。然后，通過OOB error的增加量和基于分裂時基尼系數(Gini coefficient)的減少量來評估每個變量的重要性。OOB error的增加量是由兩次袋外誤差的差異平均值決定的?；嵯禂岛饬康氖巧种兴袠淠旧厦總€變量的雜質。每次使用變量組合在新的訓練數據上使樹生長到最大深度。在每個節點上，只搜索選定的特性以獲得最佳分割。基尼系數越大，節點純度越高，表示變量越重要。

1.4 統計學方法

2 結果

2.1 一般資料

收集行直接PCI術的急性STEMI患者，共有352例符合納入標準。依據PCI術中冠狀動脈有無復流，分為無復流組63例，有復流組289例。兩組患者性別、吸煙比例、糖尿病比例、白細胞計數(white blood cell，WBC)、血紅蛋白(hemoglobin，Hb)、血小板計數(platelet，PLT)、總膽固醇(total cholesterol，TC)、高密度脂蛋白(high density lipoprotein，HDL)、低密度脂蛋白(low density lipoprotein，LDL)、術前或術中使用藥物、病變血管數差異無統計學意義(P>0.05)；無復流組淋巴細胞計數(lymphocyte，LYM)低于有復流組(P<0.05)；無復流組年齡、BMI、高血壓比例、平均血小板體積(mean platelet volume，MPV)、PLR、MPVLR、CRP、甘油三酯(triglyceride，TG)、發病到球囊擴張時間(pain-to-balloon time，PBT)、病變長度、置入支架數高于有復流組(P<0.05)，見表1。

表1 兩組患者的各項資料比較

2.2 隨機森林特征變量選取

將單因素分析P<0.2的變量進行變量賦值后納入隨機森林模型，變量賦值見表2。將數據按照7∶3的比例隨機分成訓練集和測試集，隨機種子數設為123，利用Boruta函數進行特征選取，Boruta函數運行100次拒絕或接受選擇變量，綠線表示接受的變量，紅線表示拒絕的變量(圖1A)。結果顯示，各變量重要性由高到低依次是: MPVLR、病變長度(lesion)、高血壓(HTN)、PBT、LYM、PLR、MPV、替羅非班(tirofiban)、BMI、吸煙(smoke)、年齡(age)、糖尿病(DM)、置入支架數(tents)、病變血管數(vessels)、HDL、TG、CRP、PLT。綠色方框的變量(MPVLR、lesion、HTN、PBT、LYM)表示隨機森林證實的重要變量，黃色方框的變量(PLR、MPV)表示可能重要的變量；紅色方框的變量(tirofiban、BMI、smoke、age、DM、tents、vessels、HDL、TG、CRP、PLT)表示不重要的變量(圖1B)。

表2 變量分組及賦值表

圖1 隨機森林特征變量選取

2.3 隨機森林模型構建及評估

將數據按照7∶3的比例隨機分成訓練集和測試集，構建隨機森林模型，基于訓練集的數據將各個變量代入算法進行建模，然后在測試集中驗證，使用C-index進行評估。訓練集C-index為0.980，95%CI(0.954, 0.994)；測試集C-index為0.840，95%CI(0.753, 0.906)。模型預測效力尚可。隨機森林模型錯誤率評估，trees選擇300以后， Error基本穩定(圖2A)；調試隨機森林模型以獲得最佳mtry，可見圖中位置最低點為3(圖2B)，故選擇300作為trees參數，3作為 mtry參數時，袋外估算誤差率最低。最后進行隨機森林模型重要性評分排序，結合變量特征選取結果，篩選出前6的變量MPVLR、lesion、HTN、PBT、LYM、PLR進行進一步分析(圖3)。

圖2 隨機森林模型錯誤率及最佳mtry評估

圖3 隨機森林模型變量重要性評分

2.4 無復流風險的多因素logistic回歸

將篩選出的6個變量(MPVLR、lesion、HTN、PBT、LYM、PLR)納入多因素分析，應用多因素logistic回歸驗證上述參數。以是否發生無復流為因變量，以上述所選出的因素為自變量，進行logistic回歸分析，結果表明，MPVLR、高血壓、PBT、LYM、PLR均為影響急性STEMI患者直接PCI術后無復流的獨立風險因素。MPVLR≥5無復流風險是MPVLR <5的3.069倍；有高血壓無復流風險是無高血壓的1.909倍；PBT≥6 h無復流風險是PBT<6 h的2.112倍；LYM≤1.1×109/L無復流風險是LYM >1.1×109/L的2.218倍；PLR≥150無復流風險是PLR <150的2.562倍。見表3。

表3 急性STEMI患者直接PCI術后無復流的多因素logistic回歸分析

3 討論

目前直接PCI仍是治療急性STEMI患者有效、安全的治療方法，但無復流現象的存在是直接PCI治療的不足及阻礙，因此，簡單、快速、有效地尋找預測急性STEMI患者直接PCI術后無復流的影響因素，給予早期干預評估是臨床的關注重點[11-13]。

血小板活化和炎癥反應在急性STEMI患者動脈粥樣硬化斑塊形成血栓的過程中起重要作用。PLR表示血小板計數與淋巴細胞計數的比值，在急性STEMI患者明顯升高，更為主要的是血小板活性在急性STEMI中起著更為重要的作用，而血小板大小反映了其活性，較大的血小板在代謝和酶活性方面更具活性；MPV則是反應血小板大小和活性的重要指標，而淋巴細胞的凋亡使得LYM減少，急性STEMI患者發生血管內皮功能障礙，進一步導致血小板活化和血栓形成，故MPVLR在急性STEMI患者明顯升高；而PBT的延長更加導致血栓的加重；長期的高血壓加重了血管內皮的損傷，這些均導致了直接PCI術后無復流風險增大[14-17]。

本研究回顧性利用醫院數據應用隨機森林算法和多因素logistic 回歸分析相結合的方法進一步探討急性STEMI患者PCI術后無復流風險因素，MPVLR≥5無復流風險是MPVLR <5的3.069倍；有高血壓無復流風險是無高血壓的1.909倍；PBT≥6 h無復流風險是PBT<6 h的2.112倍；LYM≤1.1×109/L無復流風險是LYM >1.1×109/L的2.218倍；PLR≥150無復流風險是PLR <150的2.562倍。主要因素MPVLR、LYM、PLR為血常規指標，獲取方便，可早期獲取，并可及早干預縮短PBT，積極控制血壓等。本研究對急性STEMI患者直接PCI術后發生無復流風險快速有效評判有一定的價值，可根據分析結果可進一步評估制定預防治療方案。

綜上所述，通過隨機森林分析篩選出急性ST段抬高型心肌梗死患者經皮冠狀動脈介入治療術后無復流風險因素，進一步多因素logistic回歸表明MPVLR、高血壓、PBT、LYM、PLR為影響急性STEMI患者直接PCI術后無復流的獨立風險因素，為醫務人員快速簡單的進行風險分析、及早干預提供依據。