基于機器學習算法的腹腔鏡結直腸癌根治術后腸梗阻預測模型

摘 要 目的：探討結直腸癌患者在接受腹腔鏡手術后出現腸梗阻的風險因素，并開發一個預測腸梗阻的AI模型。方法：回顧性分析2020年1月—2023年12月于貴州省人民醫院行腹腔鏡結直腸癌根治術的330例患者的臨床資料，根據術后是否發生腸梗阻為依據，將出現術后腸梗阻的26例患者納入腸梗阻組，未發生腸梗阻的304例患者納入非腸梗阻組。分別建立隨機森林（RF）、梯度提升決策樹模型（GBDT）、輕量梯度提升模型（LGBM）、極端梯度提升模型（XGBoost）、類別型特征梯度提升模型（CatBoost）五種機器學習模型，以受試者工作特征曲線下面積（AUC）、特異性、敏感性來評價模型的性能，選擇最優模型。通過遞歸特征消除（RFE）篩選最佳的特征集合，作為腹腔鏡手術治療結直腸癌患者術后并發腸梗阻風險預測因子。結果：研究共納入330例患者，腸梗阻的發生率為7.88%。Catboost模型驗證集的AUC為0.862，特異性值為0.766，整體性能優于其他模型；術前腸梗阻、手術時間、病灶部位、性別等是影響結直腸癌腹腔鏡根治術后合并腸梗阻的高危因素。結論：與目前國內外其他的機器學習方法相比，CatBoost可建立更有效的腹腔鏡結直腸癌根治術患者術后并發腸梗阻預測模型，具有潛在的應用價值；術前腸梗阻、手術時間、病灶部位是術后并發腸梗阻的主要影響因素。

關鍵詞 機器學習；腹腔鏡手術；結直腸癌；腸梗阻；預測模型

中圖分類號 R735.3+5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-7721（2024）06-1205-06

AI prediction model for postoperative intestinal obstruction in patients underwent laparoscopic radical resection of colorectal cancer

HE Xiaofang1， 2， CHEN Jie3， LI Qiuping1， ZHANG Lin4， ZHU Xiaoli2， CHEN Ying5

（1. Nursing Department， Guizhou Provincial People’s Hospital， Guiyang 550002， China; 2. Wuxi Medical College， Jiangnan University， Wuxi 214122， China; 3.Oncology Department， Renhe Hospital Affiliated to China Three Gorges University， Yichang 443001， China; 4. Department of Neurology， the Second Affiliated Hospital of Guizhou University of Traditional Chinese Medicine， Guiyang 550003， China; 5. Oncology Department， Affiliated Hospital of Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract Objective： To study the risk factors for postoperative intestinal obstruction in colorectal cancer patients who underwent laparoscopic radical resection， and to develop an AI prediction model for intestinal obstruction. Methods： Clinical

data of 330 patients who undenwent laparoscopic radical resection of colorectal cancer in Guizhou Provincian peoples’s Hospital from January 2020 to December 2023 was retrospectively analyzed. They were grouped according to whether intestinal obstruction occurred or not after surgery. A total of 26 patients were enrolled in the intestinal obstruction group， and 304 patients were enrolled in the non-obstruction group. Random forest （RF）， gradient boosted decision tree （GBDT）， light gradient boosting machine （LGBM）， extreme gradient boosting （XGBoost） and categorical features gradient boosting （CatBoost）were established to evaluate the performance of the models using metrics such as area under the curve （AUC）， specificity and sensitivity. The best model was selected. Recursive feature elimination （RFE） was used to identify the optimal feature set as predictive factors for postoperative intestinal obstruction in patients who underwent laparoscopic radical resection for colorectal cancer.

Results： Among the 330 patients， the incidence rate of intestinal obstruction was 7.88% （26/330）. The CatBoost model had an AUC of 0.862 and a specificity of 0.766 in the validation set， showing better overall performance compared to other models. Key risk factors for intestinal obstruction following laparoscopic radical resection of colorectal cancer were previous intestinal obstruction， operative time， treatment method， lesion site and patient gender. Conclusion： Compared to other machine learning methods， the CatBoost method can establish a more effective AI prediction model for postoperative intestinal obstruction in laparoscopic radical resection of colorectal cancer， with potential application value. Preoperative intestinal obstruction， operative time and lesion site were major influencing factors to postoperative intestinal obstruction.

Key words Machine Learning; Laparoscopic Surgery; Colorectal Cancer; Intestinal Obstruction; Prediction Model

腸梗阻是一種由多種因素引起，以腸道內容物傳遞受阻為主要癥狀的急腹癥，且在臨床上發病率相對較高。常見表現為陣發性腹痛、腹脹、嘔吐、排便和排氣障礙等，由此引起全身各系統病變，水、電解質及酸堿平衡紊亂等則是患者死亡的常見原因[1]。結直腸癌是臨床較常見的惡性腫瘤，手術是治療結直腸癌的常用方式。結直腸癌術后腸梗阻的發生率為2.28%～5.48%[2]，長期并發率達10.00%～15.00%[3]。近年來腹腔鏡用于結直腸癌的治療已較成熟完善，其創傷小，術后恢復快，術后出現并發癥概率較傳統手術方式也大幅減少，但腸梗阻概率仍較高[2]。術后發生腸梗阻等并發癥，嚴重影響預后，甚至引起死亡風險增加。腸梗阻的發病機制較復雜并且尚不明確，目前研究表明，結直腸癌根治術后腸梗阻的發生與年齡、腫瘤分期、術式等多種風險因素有關[4]。但是針對腹腔鏡下手術治療對腸梗阻的研究相對較少。因此，分析腹腔鏡結直腸癌根治術后腸梗阻患者的相關危險因素，以此構建基于大數據的AI預測模型，識別高危患者，減少臨床發病率，具有積極的臨床意義。

目前，結直腸癌風險評估主要基于臨床經驗和簡單的統計指標，如年齡、性別、腫瘤位置等。然而，這些指標的預測能力有限，無法全面反映患者的真實風險。近年來，隨著大數據技術的發展，越來越多的研究開始利用數據驅動的方法構建風險評估模型。這些研究主要采用統計學方法、機器學習，通過對大量臨床數據的分析，挖掘風險相關的特征。雖然這些研究取得了一定的成果，但仍存在一些問題，如特征選擇不夠全面、模型泛化能力有限等。因此，本研究目的為識別結直腸癌患者在接受腹腔鏡手術后發生腸梗阻的主要風險因素，并基于這些因素初步建立預測術后腸梗阻的模型。現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2020年1月—2023年12月于貴州省人民醫院收治的330例行腹腔鏡結直腸癌根治術患者的臨床資料。按照術后是否發生腸梗阻，將出現術后腸梗阻的26例患者納入腸梗阻組，未發生腸梗阻的304例患者納入非腸梗阻組。納入標準：①參照臨床診療指南，符合結直腸癌的診斷標準[5]；②接受腹腔鏡手術治療；③TNM分期為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期。排除標準：①癌細胞種植性轉移或者遠處轉移；②有其他臟器惡性腫瘤；③出現嚴重并發癥，如吻合口瘺等，或需二次上臺手術者，術中轉開腹手術者；④合并心、肝、腎及血液等其他臟器衰竭或系統病變。

1.2 資料收集 收集符合條件的患者信息，包括性別、年齡、居住地址、吸煙與飲酒習慣等基本資料。同時，收集有關腫瘤位置、TNM分期、術前腸梗阻情況、手術方式、手術時長、出血量、術中造瘺及液體輸入等信息。

1.3 腸梗阻診斷標準 參考《外科學》第8版的相關診斷標準[6]，腹腔鏡術后患者出現肛門無排氣排便，伴腹部脹痛、惡心嘔吐等癥狀，檢驗提示尿比重、中性粒細胞比例、白細胞比例、血紅蛋白及紅細胞水平均異常升高，檢查立位X線與CT檢查提示腸梗阻。

1.4 統計學方法 所有數據采用SPSS 26.0軟件進行統計學分析。符合正態分布的計量資料以均數±標準差（x±s）呈現，組間比較采用獨立樣本t檢驗。計數資料以例數（百分比）[n（%）]表示，組間比較通過 χ2檢驗。對于非正態分布的數據采用中位數及四分位間距展示，并運用Mann-Whitney U秩和檢驗進行組間對比。以Plt;0.05表示差異具有統計學意義。

1.5 模型訓練 本研究采用隨機森林（Random Forest，RF）、梯度提升決策樹模型（Gradient Boosted Decision Tree，GBDT）、輕量梯度提升模型（Light Gradient Boosting Machine，LGBM）、極端梯度提升模型（Extreme Gradient Boosting，XGBoost）、類別型特征梯度提升模型（Categorical Features Gradient Boosting，CatBoost）五種機器學習模型作為候選[7-8]。隨機抽取整個數據集中的80%用于模型訓練，20%用于模型測試。獲取驗證集上的評價指標結果比較模型性能，作為其泛化性能的估計。然后，基于最優的模型做遞歸特征消除（Recursive Feature Elimination，RFE）篩選最佳的特征集合[9-10]，作為腹腔鏡結直腸癌根治術患者術后并發腸梗阻風險預測因子。

1.6 評價指標 本研究最佳算法的評價原則為ROC曲線下與坐標軸圍成的面積（Area Under Curve，AUC）為主要指標，以特異性（Specificity，Spe）和敏感性（Sensitivity，Sen）為次要指標[9]。Spe越高，確診概率越高。Sen越高，漏診概率越低。計算公式如下：

……（公式1）

……（公式2）

其中TP為真陽性樣本的數量，相反，TN為真陰性樣本的數量。FP為假陽性樣本的數量，FN為假陰性樣本的數量。

2 結果

2.1 一般資料 兩組患者性別、年齡、TNM分期、手術持續時間、術中出血量以及術中液體輸入量比較，差異均無統計學意義（Pgt;0.05），具有可比性。兩組患者在術式、腸道腫瘤切除手術史、術中造瘺、術前腸梗阻方面比較，差異有統計學意義（Plt;0.05），見表1。

2.2 術后并發腸梗阻模型性能 本研究比較了五種機器學習模型RF、GBDT、LGBM、XGBoos、

CatBoost預測腹腔鏡手術治療結直腸癌患者術后并發腸梗阻（見表2）。CatBoost在驗證集中AUC、Spe均高于其他模型，Sen各模型沒有組間差異。與其他模型相比，CatBoost有更好的預測效果。

2.3 術后并發腸梗阻危險因素 選取CatBoost模型進行特征重要度分析。從特征重要性排序可以得出術前腸梗阻、手術時間對預測結果影響較大；病灶部位、性別次之；其余特征對預測結果影響較小（如圖1）。

3 討論

近年來結直腸癌發病率、死亡率不斷升高，嚴重危害居民健康。目前其治療方式以手術為主，而腸梗阻是結直腸癌術后常見功能障礙并發癥之一。引起腸梗阻的原因復雜，包括術后出現粘連、炎癥、水腫、吻合口狹窄、壓迫及腸麻痹、引流管放置位置等，具體機制可能與激活前腎上腺素神經元，抑制副交感神經張力，激活巨噬細胞釋放炎癥細胞因子和趨化因子，而誘導炎癥反應，進而引起平滑肌細胞的收縮活性下降等有關[11-12]。腹腔鏡技術的成熟和廣泛使用，腸梗阻發生率已較前開腹手術方式明顯下降，但是術后腸梗阻仍有可能發生。Kronberg U等人[13]

回顧性分析了413例患者，研究發現腹腔鏡術后腸梗阻發生率10.20%，其發生與特定的術前、術后多種因素相關，術前白蛋白低、術后深靜脈血栓和電解質紊亂等因素影響腸梗阻發生。Moghadamyeghaneh Z等人[14]報道腹腔鏡技術可降低術后腸梗阻發生率，并且腸梗阻與吻合口瘺和腹腔內感染相關。Goldstone R N等人[15]報道腸道操作會導致外肌層炎癥并擾亂胃腸運動功能，使用腹腔鏡有益于腸功能的早期恢復、術后疼痛減輕、切口長度縮短以及傷口感染風險降低。大多數研究認為腹腔鏡手術比開腹手術對胃腸道功能擾動小，術后梗阻率低。但有部分研究持不同結論，Honjo K等人[16]回顧性分析了2009—2018年收治的1646例結直腸癌患者，認為腹腔鏡與開腹手術之間腸梗阻發生率沒有差異，腹腔鏡手術和防粘連材料并未表現出對腸梗阻明顯的預防作用。Kuruba R等人[17]回顧性分析比較開腹手術與經腹腔鏡手術兩種方式的患者，認為兩者腸梗阻發生率無明顯差異，但經腹腔鏡手術患者腸功能恢復速度更快。

結直腸癌術后腸梗阻等并發癥增加了患者的痛苦，加重其經濟成本和家庭負擔。因此，研究術后腸梗阻相關因素及構建預測模型具有重要意義。本研究旨在篩查和分析接受腹腔鏡手術后患者發生腸梗阻的風險因素。在既往研究中已得到證實，TNM分期越晚，術中操作范圍、復雜程度越高，引發腸梗阻概率越大，故本模型未納入Ⅳ期、合并轉移、轉開腹手術等復雜患者。研究結果顯示，患者性別、手術持續時間、腫瘤部位以及術后腹部感染等因素與術后腸梗阻的發生有關聯。本研究結果與國外同類研究基本一致。既往研究多集中在開腹和腹腔鏡兩種手術方式的比較，研究重點及對象人群有差異，并且非隨機對照實驗與隨機對照實驗均觀察到顯著的異質性。不同研究使用的腸梗阻定義不同，導致研究之間結論有差異[18]。一般認為手術持續時間越長，對腸道功能擾動越大。ZHENG H D等人[19]回顧性分析了424例結直腸癌患者的資料，采用Logistic回歸模型識別術后發生腸梗阻的潛在危險因素，分析結果顯示手術時間對腸梗阻的影響最大。楊玉兵等人[4]回顧性分析了1686例結直腸癌患者的資料，認為手術時間長（≥3 h）是導致術后腸梗阻的危險因素。WANG X J等人[20]回顧性分析接受部分結腸切除術的1244例患者，發現手術持續時間長、術前腸梗阻等是術后腸梗阻的顯著預測因子。結腸癌的發生部位也影響手術的方式和時間，因而是術后腸梗阻的影響因素。術后腹腔感染也會影響腸道功能，與術后腸梗阻發生率相關。DAI X J等人[21]報道了全身炎癥反應狀態和術后腹內膿毒癥是術后腸梗阻的獨立危險因素。Yanagisawa T等人[22]做單中心回顧性研究證實，術前久坐時間延長是結直腸癌患者發生術后腸梗阻的危險因素。因此，減少術前久坐可能對預防術后腸梗阻具有重要作用。國內外的相關研究顯示高齡是術后腸梗阻的一個風險因素，但在本研究中，高齡與術后腸梗阻的關聯并不顯著，這可能與研究中患者數量較少有關。TNM分期也是影響梗阻的危險因素，但本研究中不顯著，可能與本研究選擇納入對象特征、樣本量少有關。JU H等人[23]進行回顧性研究證實阿片類藥物總劑量增加是腹腔鏡結直腸癌根治術后發生腸梗阻的獨立危險因素。

雖然大多數研究均認為手術部位與腸梗阻的發生相關，但是不同研究結果中的具體部位存在差異。Wolthuis A M等人[18]則使用2006年—2008年全國住院樣本數據庫對全國共975 825例結直腸癌患者進行統計分析，發現橫結腸腫瘤、左半結腸切除術腸梗阻的發生概率更高。Seo S H B等人[24]分析發現右側結腸切除術后發生腸梗阻的可能性顯著高于左側結腸切除術。Moghadamyeghaneh Z等人[14]利用NSQIP全國數據庫回顧性分析了27 560例結直腸癌患者，證實右半結腸腫瘤的患者術后發生腸梗阻的概率更大。大部分研究認為性別與術后腸梗阻的發生率相關，并且多數研究認為男性患者的風險更高，與本研究結果一致，可能與解剖差異有關，男性的盆腔較窄，大腸的解剖位置稍有不同。這可能導致腫瘤在腸道內生長方式不同，增加腸梗阻風險。男性和女性在激素水平、免疫反應等方面的生物學差異可能也影響腫瘤的生長方式和速度，從而影響腸梗阻的發生。但有部分研究認為女性發生風險更高[25]，可能由于研究的區域及樣本量的差異導致不同研究者所得到的結果不同。

此外，Chapuis P H等人[26]研究認為吸煙、圍手術期輸血、周圍血管病變、急診情況下手術也是結直腸癌術后腸梗阻的高危因素。其中周圍血管病變和急診手術作為術后腸梗阻的高危因素也開始受到重視。Fujiyoshi S等人[27]回顧性分析了北海道大學醫院接收腹腔鏡手術的患者，結果表明男性、COPD、BMIlt;20 kg/m2是術后梗阻的獨立危險因素，而吸煙并非危險因素。

術后腸梗阻的原因復雜多樣，通過對術前、術中及術后相關因素實施保護性措施，可以有效減少腸梗阻風險。Moghadamyeghaneh Z等人[14]報道了在術前通過靜脈注射抗生素預防感染的330例患者，認為術前口服抗生素行腸道準備有利于降低術后腸梗阻的發病率。因此，對高危患者而言，無論是口服還是靜脈注射抗生素，采取預防措施都是必要的。此外，國內外有研究證實咀嚼口香糖和假飼有利于預防和改善術后腸梗阻[28]。

本研究是一項單中心回顧性研究，構建了基于機器學習算法的腹腔鏡結直腸癌根治術后腸梗阻預測模型。該模型具有良好的預測性能和穩定性。但仍存在一定的局限性，如數據來源單一、特征選擇不夠全面等。未來的研究可以進一步優化模型結構和特征選擇方法，以提高模型的預測性能和泛化能力。在未來需要聯合其他地區醫院進行多中心大樣本數據的收集。此外，加強模型的解釋性研究也是未來工作的重點之一，以提高醫生對模型的信任度。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻聲明：何曉芳、陳潔負責設計論文框架，起草論文，研究過程的實施；何曉芳負責數據收集；陳潔負責論文修改；李秋萍負責設計論文框架及數據分析；張林負責統計學分析，繪制圖表；朱小莉、陳鶯負責擬定寫作思路，指導撰寫文章；陳鶯負責最后定稿。

參考文獻

[1] 李政， 鄭曉強， 王罡， 等. 腸梗阻導管對結直腸癌合并腸梗阻患者術后感染的影響[J]. 中華醫院感染學雜志， 2021， 31（1）： 95-98.

[2] 許超， 池畔. 結直腸癌根治術后腸梗阻的影響因素分析[J]. 中華胃腸外科雜志， 2014， 17（4） ： 361-364.

[3] Quiroga-Centeno A C， Jerez-Torra K A， Martin-Mojica P A， et al. Risk factors for prolonged postoperative ileus in colorectal surgery： a systematic review and meta-analysis[J]. World J Surg， 2020， 44（5）： 1612-1626.

[4] 楊玉兵， 邢文英， 王耿澤. 結直腸癌根治術后發生腸梗阻的影響因素分析1686例[J]. 世界華人消化雜志， 2015， 23（10）："1664-1669.

[5] 白雪杉， 林國樂. 2019. V1版《NCCN結直腸癌診治指南》更新要點解析[J]. 中國全科醫學. 2019， 22（33）： 4031-4034.

[6] 陳孝平， 汪建平， 趙繼宗. 外科學[M]. 人民衛生出版社， 2013.

[7] GONG H W， WANG M Y， ZHANG H X， et al. An explainable AI approach for the rapid diagnosis of COVID-19 using ensemble learning algorithms[J]. Front Public Health， 2022. DOI： 10.3389/fpubh.2022.874455.

[8] Prokhorenkova L， Gusev G， Vorobev A， et al. CatBoost： unbiased boosting with categorical features[J]. Advances in neural information processing systems， 2018. DOI： org/10.48550/arXiv.1706.09516.

[9] CHEN Q， MENG Z P， LIU X Y， et al. Decision variants for the automatic determination of optimal feature subset in RF-RFE[J]. Genes（Basel）， 2018， 9（6）： 301.

[10] GONG H W， YOU X， JIN M， et al. Graph neural network and multi-data heterogeneous networks for microbe-disease prediction[J]. Front Microbiol， 2022. DOI： 10.3389/fmicb.2022.1077111.

[11] Zeinali F， Stulberg J J， Delaney C P. Pharmacological management of postoperative ileus[J]. Can J Surg， 2009， 52（2）： 153-157.

[12] Bragg D， El-Sharkawy A M， Psaltis E， et al. Postoperative ileus： Recent developments in pathophysiology and management[J]. Clin Nutr， 2015， 34（3）： 367-376.

[13] Kronberg U， Kiran R P， Soliman M S M， et al. A characterization of factors determining postoperative ileus after laparoscopic colectomy enables the generation of a novel predictive score[J]. Ann Surg， 2011， 253（1）： 78-81.

[14] Moghadamyeghaneh Z， Hwang G S， Hanna M H， et al. Risk factors for prolonged ileus following colon surgery[J]. Surg Endosc， 2016， 30（2）： 603-609.

[15] Goldstone R N， Popowich D A. Laparoscopic intracorporeal anastomosis[J]. Clin Colon Rectal Surg， 2023， 36（1）： 74-82.

[16] Honjo K， Kawai M， Tsuchiya Y， et al. Risk factors for small-bowel obstruction after colectomy for colorectal cancer： a retrospective study[J]. Surg Today， 2023， 53（9）： 1038-1046.

[17] Kuruba R， Fayard N， Snyder D. Epidural analgesia and laparoscopic technique do not reduce incidence of prolonged ileus in elective colon resections[J]. Am J Surg， 2012， 204（5）： 613-618.

[18] Wolthuis A M， Bislenghi G， Fieuws S， et al. Incidence of prolonged postoperative ileus after colorectal surgery： a systematic review and meta-analysis[J]. Colorectal Dis， 2016， 18（1）： 1-9.

[19] ZHENG H D， LIU Y R， CHEN Z Z， et al. Novel nomogram for predicting risk of early postoperative small bowel obstruction after right colectomy for cancer[J]. World J Surg Oncol， 2022， 20（1）： 19.

[20] WANG X J， CHI P， LIN H M， et al. Risk factors for early postoperative small bowel obstruction after elective colon cancer surgery： an observational study of 1， 244 consecutive patients[J]. Dig Surg， 2018， 35（1）： 49-54.

[21] DAI X J， GE X L， YANG J B， et al. Increased incidence of prolonged ileus after colectomy for inflammatory bowel diseases under ERAS protocol： a cohort analysis[J]. J Surg Res， 2017. DOI： 10.1016/j.jss.2016.12.031.

[22] Yanagisawa T， Tatematsu N， Horiuchi M， et al. Prolonged preoperative sedentary time is a risk factor for postoperative ileus in patients with colorectal cancer： a propensity score-matched retrospective study[J]. Support Care Cancer， 2023， 32（1）： 54.

[23] JU H， SHEN K， LI J X， et al. Total postoperative opioid dose is an independent risk factor for prolonged postoperative ileus after laparoscopic colorectal surgery： a case-control study[J]. Korean J Anesthesiol， 2024， 77（1）： 133-138.

[24] Seo S H B， Carson D A， Bhat S， et al. Prolonged postoperative ileus following right-versus left-sided colectomy： A systematic review and meta-analysis[J]. Colorectal Dis， 2021， 23（12）： 3113-3122.

[25] Masoomi H， Kang C Y， Chaudhry O， et al. Predictive factors of early bowel obstruction in colon and rectal surgery： data from the Nationwide Inpatient Sample， 2006-2008[J]. J Am Coll Surg， 2012， 214（5）： 831-837.

[26] Chapuis P H， Bokey L， Keshava A， et al. Risk factors for prolonged ileus after resection of colorectal cancer： an observational study of 2400 consecutive patients[J]. Ann Surg， 2013， 257（5）： 909-915.

[27] Fujiyoshi S， Homma S， Yoshida T， et al. A Study of risk factors of postoperative ileus after laparoscopic colorectal resection[J]. Ann Gastroenterol Surg， 2023， 7（6）： 949-954.

[28] Lambrichts D P V， Boersema G S A， Tas B， et al. Nicotine chewing gum for the prevention of postoperative ileus after colorectal surgery： a multicenter， double-blind， randomised， controlled pilot study[J]. Int J Colorectal Dis， 2017， 32（9）： 1267-1275.

編輯：趙敏