機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測腦卒中病人日常生活活動能力的研究進(jìn)展

李賢 馬秀芝

Research progress of machine learning in predicting activities of daily living in stroke patients

LI Xian， MA Xiuzhi

School of Nursing， Dali University， Yunnan 671000 China

Corresponding Author ?MA Xiuzhi， E?mail： 1203929069@qq.com

Keywords??stroke；?machine learning；?activities of daily living；?information management；?review

摘要??對機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用基礎(chǔ)、機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測康復(fù)期及恢復(fù)期腦卒中病人生活活動能力、機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測腦卒中病人日常生活活動能力中的應(yīng)用局限性進(jìn)行綜述，旨在為推動腦卒中病人肢體功能康復(fù)的信息化管理提供參考。

關(guān)鍵詞??腦卒中；機(jī)器學(xué)習(xí)；日常生活活動能力；信息化管理；綜述

doi：10.12102/j.issn.1009-6493.2024.08.017

腦卒中是一種急性腦血管疾病，由于腦血管病變引起腦功能障礙，是全球致死、致殘的首要原因。我國腦卒中篩查數(shù)據(jù)顯示，城市和農(nóng)村居民的腦血管病的發(fā)病率分別為203.6/10萬和298.2/10萬，死亡率分別為128.88/10萬和160.19/10萬^[1]。隨著人口老齡化和城市化進(jìn)程加速，發(fā)生腦卒中的危險(xiǎn)因素仍在逐年增長，給社會帶來沉重的負(fù)擔(dān)。腦卒中發(fā)病率呈年輕化趨勢^[2]，為了提高臨床對腦卒中的識別和診斷的能力，減少疾病的致殘率和復(fù)發(fā)率，應(yīng)對腦卒中的發(fā)病危險(xiǎn)因素進(jìn)行篩查，對腦卒中后病人的肢體運(yùn)動功能達(dá)到準(zhǔn)確的評估，做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早診斷、早治療。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在信息化管理的背景下，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式對腦卒中病人日常生活活動能力進(jìn)行預(yù)測，從而達(dá)到快速、精準(zhǔn)判斷腦卒中后肢體功能活動程度的目的^[3]。近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)分析的背景下迅速發(fā)展，在醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)發(fā)揮了極大的作用，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法不僅可以提高病人的康復(fù)水平，還能為臨床醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行決策時(shí)提供便利。機(jī)器學(xué)習(xí)能夠通過計(jì)算機(jī)模擬學(xué)習(xí)將大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集派生的數(shù)據(jù)規(guī)則進(jìn)行預(yù)測，廣泛應(yīng)用于腦血管疾病的診斷、分類、圖像分析和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測。

1 ?機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用基礎(chǔ)

隨著醫(yī)療信息系統(tǒng)的現(xiàn)代化，傳統(tǒng)病歷被電子病歷（electronic medical record，EMR）所取代，包含了結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)資料，腦卒中病人活動能力包含大量非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，如病人個(gè)人信息、護(hù)理記錄等在內(nèi)的圖像和文本數(shù)據(jù)^[4]。EMR作為無紙化的病歷可以完整和準(zhǔn)確地反映病人長期就診過程，便于醫(yī)護(hù)人員可隨時(shí)查閱和全面管理有關(guān)病人的各種信息資料，但其會產(chǎn)生數(shù)量龐大、形態(tài)復(fù)雜的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)方法難以對其進(jìn)行有效的收集、管理和分析，嚴(yán)重限制了信息化管理的發(fā)展。機(jī)器學(xué)習(xí)于1959年由Samuel^[5]首次提出，在人工智能的學(xué)術(shù)領(lǐng)域界被稱為“機(jī)器學(xué)習(xí)的先驅(qū)”，其在數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型的積累上是推動存儲技術(shù)和分析技術(shù)創(chuàng)新的驅(qū)動力^[6]。機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測分析過程是通過特征處理、數(shù)據(jù)處理、建立模型3個(gè)部分，根據(jù)需要處理的數(shù)據(jù)是否存在人為標(biāo)注分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)和半監(jiān)督學(xué)習(xí)，機(jī)器學(xué)習(xí)算法包括K近鄰（KNN）、樸素貝葉斯（NB）、邏輯回歸（LR）、支持向量機(jī)（SVM）、隨機(jī)森林（RF）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）^[7]。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，選擇合適的算法，預(yù)測腦卒中病人的日常生活活動能力屬于監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法，機(jī)器學(xué)習(xí)的分類和算法都具有各自的特長和不足。深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)階發(fā)展史上具有里程碑意義的一種算法，成了目前機(jī)器學(xué)習(xí)的研究熱點(diǎn)，憑借其強(qiáng)大的自動化檢測誤差過程中提取數(shù)據(jù)特征進(jìn)行模擬學(xué)習(xí)的能力和先進(jìn)的算法應(yīng)用于腦卒中預(yù)后的各個(gè)方面^[8]。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）是深度學(xué)習(xí)最核心的部分，通過DNN分層方式學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的輸出，從而達(dá)到模擬人腦對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息提取。但深度學(xué)習(xí)對計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力要求較高，模型的設(shè)計(jì)構(gòu)造復(fù)雜，適用性相對較差，未來深度學(xué)習(xí)算法的運(yùn)用挖掘?qū)閷?shí)現(xiàn)腦卒中病人肢體運(yùn)動功能智能化預(yù)測提供發(fā)展依據(jù)。

2 ?機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測腦卒中病人日常生活活動能力的優(yōu)勢

《中國腦卒中康復(fù)治療指南（2011完整版）》根據(jù)急性腦血管病三級康復(fù)網(wǎng)絡(luò)的研究將腦卒中后的康復(fù)階段分3期^[9]，當(dāng)腦卒中發(fā)生處于早期階段時(shí)，雖然積極的藥物治療和個(gè)體化功能康復(fù)鍛煉可以防止活動能力發(fā)生進(jìn)一步的障礙，但我國大部分病人在病情穩(wěn)定時(shí)選擇出院回家休養(yǎng)，影響肢體功能康復(fù)效果不佳甚至是進(jìn)一步的功能障礙。當(dāng)病人肢體功能康復(fù)處于2級或3級，特別是病人還伴隨其他基礎(chǔ)疾病時(shí)，會導(dǎo)致康復(fù)的時(shí)間延長甚至是預(yù)后不良。目前臨床針對腦卒中后肢體功能采用量表的方式進(jìn)行評估，量表檢查法作為評價(jià)活動能力的方式是臨床及科研工作的立足點(diǎn)，評估結(jié)果可以直觀地反映病人的肢體功能狀況，但通過量表評價(jià)的方式也存在無法忽視的缺陷。日常生活活動能力評分（MBI）和功能獨(dú)立性評定量表（FIM）的測試內(nèi)容較全面，但MBI缺少社會參與類項(xiàng)目，不能直接反映病人的自理能力，且存在評估內(nèi)容單一的問題，需要增加對心理、社會參與等方面能力的描述；FIM評分對評估者的職業(yè)素質(zhì)有很高的要求，難以在社區(qū)、居家康復(fù)中得到廣泛使用；工具性日常生活行為量表（IADL）和疲勞評定量表（FAI）可操作性和病人接受度都較高，不足在于均來自國外，對于國內(nèi)人群的適用性有待檢驗(yàn)且預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性可能較差；龍氏日常生活活動能力量表使用圖表方式對病人的日常生活活動能力進(jìn)行評估，內(nèi)容直觀便于病人理解，但臨床應(yīng)用存在“天花板”和“地板效應(yīng)”^[10]，難以反映病人實(shí)際的功能變化。隨著康復(fù)技術(shù)不斷地與人工智能領(lǐng)域融合，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的算法研發(fā)了日常生活活動能力的分類、肢體功能和風(fēng)險(xiǎn)因素預(yù)測系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對日常生活活動能力非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確、高效地對日常生活活動能力進(jìn)行評估和監(jiān)測。與以往依賴臨床護(hù)理人員進(jìn)行主觀評估的方法相比，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測方法具有客觀、自動、便捷等優(yōu)點(diǎn)，在預(yù)測腦卒中病人日常生活活動能力時(shí)，可以提醒醫(yī)護(hù)人員提前干預(yù)，從而降低康復(fù)期肢體功能殘障的發(fā)生率，幫助護(hù)理人員更加客觀、高效地評估腦卒中病人肢體活動功能情況和依賴程度。

腦卒中病人日常活動能力主要評價(jià)肢體活動評估的準(zhǔn)確性、特異性和精確性。最佳的評估系統(tǒng)應(yīng)具備以下條件：1）能夠克服圖像數(shù)據(jù)收集時(shí)不同的特征類型、范圍和動態(tài)活動對肢體功能測量和分析結(jié)果的影響；2）能識別并進(jìn)行分割每項(xiàng)日常活動之間的聯(lián)系與區(qū)別；3）能夠?qū)θ粘；顒舆M(jìn)行有效的測量，包括類型、所占百分比、風(fēng)險(xiǎn)因素；4）能夠?qū)⒆詣硬蹲降降臄?shù)據(jù)用于預(yù)測肢體功能最佳愈合度和構(gòu)建腦卒中病人日常生活活動能力的臨床預(yù)測模型。

3 ?機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測腦卒中病人日常生活活動能力的方法

通過文獻(xiàn)檢索可知，早在2005年機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測方法就在腦卒中的研究中有所應(yīng)用^[11]，最初多用于解決回歸問題。機(jī)器學(xué)習(xí)的方法是經(jīng)過對病人的EMR數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和自然語言處理后提取腦卒中病人日常生活活動能力的臨床變量，不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法在預(yù)測機(jī)制和預(yù)測精準(zhǔn)度上也會有所區(qū)別。本研究主要列舉機(jī)器學(xué)習(xí)中較為常用及經(jīng)典算法在預(yù)測腦卒中病人日常生活活動能力中的特性。1）ANN算法：可以對腦卒中病人日常生活活動能力的內(nèi)容進(jìn)行識別和分類，如穿衣、洗漱、進(jìn)食等動作特征，ANN將每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的激活函數(shù)輸入的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這些激活函數(shù)會根據(jù)輸入特征自動進(jìn)行區(qū)分使用線性或非線性的方式，繼而從上一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以最新數(shù)據(jù)輸出給下一節(jié)點(diǎn)，能夠有效克服傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法的某些局限性^?[12]。ANN的特征是借助大規(guī)模的標(biāo)注數(shù)據(jù)，自動化反復(fù)地訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)和隱含層中非線性的關(guān)系來調(diào)整算法。Thakkar等^[13]開發(fā)了ANN算法針對慢性腦卒中病人運(yùn)動功能恢復(fù)的預(yù)測模型，將數(shù)據(jù)隨機(jī)化分配到訓(xùn)練集（開發(fā)模型）和測試集（最終檢驗(yàn)）并使用交叉驗(yàn)證過程保證所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過訓(xùn)練集和測試集，模型建立后，使用標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)評估ANN模型的性能，準(zhǔn)確率為?81.25%，精密度為0.80，召回率為?0.81，特異度為?0.49，陽性預(yù)測值（PPV）為0.80。國內(nèi)ANN算法應(yīng)用于腦卒中危險(xiǎn)因素預(yù)測模型的準(zhǔn)確率為97.10%^[14]，缺血性腦卒中病人復(fù)發(fā)的預(yù)測模型正確率為84.6%^[15]，腦卒中致病高危因素篩查中的準(zhǔn)確度為73.5%，靈敏度為67.0%，特異度為80.0%^[16]。2）LR算法：首先找到特征與特定結(jié)果概率之間的關(guān)系，使用S形曲線估計(jì)一個(gè)分類因變量和一個(gè)或多個(gè)自變量之間概率的LR關(guān)系^[17]。Lin等^[18]使用多變量LR算法預(yù)測腦卒中后病人的日常生活活動能力，通過交叉驗(yàn)證評估模型性能，以確保最小化偏差，平均絕對誤差（MAE）被用作評估LR預(yù)測模型準(zhǔn)確性，病人出院時(shí)實(shí)際自理能力評分的MAE為9.95，肢體功能康復(fù)變化百分比為61.36%。3）SVM算法：根據(jù)數(shù)據(jù)特性分線性和非線性，腦卒中病人日常生活活動能力的內(nèi)容屬于線性且不可分離，SVM利用核心函數(shù)將收集到的數(shù)據(jù)映射到一個(gè)高維空間中，并在此基礎(chǔ)上找到最佳的分類器^[19]。SVM算法的優(yōu)勢是以少量的數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，能有效地對納入數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。相比傳統(tǒng)測量方法，SVM算法更簡單，且能有效地規(guī)避過耦合的傾向，還可在訓(xùn)練集中篩選樣本，從而捕捉到研究對象的主要特點(diǎn)^[20]。張麗娜等^[21]建立了SVM預(yù)測模型對急性出血性腦卒中病人的活動能力進(jìn)行了預(yù)測，與LR算法進(jìn)行對比，SVM算法在靈敏度、特異度、準(zhǔn)確度等方面有明顯的優(yōu)勢。Suzuki等^[22]使用非線性SVM算法收集腦卒中病人自理活動中獨(dú)立性和依賴性的自舉握力數(shù)據(jù)集，將這些數(shù)據(jù)集隨機(jī)分配到訓(xùn)練集和測試集并進(jìn)行10次交叉驗(yàn)證，結(jié)果顯示，SVM算法在預(yù)測病人進(jìn)食、梳洗、穿脫上衣、穿脫褲子、沐浴的準(zhǔn)確率分別是71%、77%、75%、72%、68%。SVM算法可更準(zhǔn)確地預(yù)測病人自我護(hù)理活動中的獨(dú)立性或依賴性，為臨床醫(yī)務(wù)人員高效管理腦卒中病人肢體運(yùn)動功能康復(fù)提供理論依據(jù)。

4 ?機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測腦卒中康復(fù)期病人的日常生活活動能力

腦卒中屬于致殘率高的一類疾病，腦卒中早期康復(fù)指南指出，腦卒中后盡早實(shí)施功能鍛煉是經(jīng)循證醫(yī)學(xué)證實(shí)的對降低致殘率最有效的方法，是腦卒中組織化管理中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為Ⅰ級推薦^[23]。針對腦卒中后神經(jīng)功能損傷的康復(fù)需求，國內(nèi)外學(xué)者提出了超早期康復(fù)、Bobath技術(shù)、Brunnstrom技術(shù)、作業(yè)治療、運(yùn)動再學(xué)習(xí)等康復(fù)評定技術(shù)，旨在促進(jìn)腦卒中后康復(fù)期病人日常生活活動能力的恢復(fù)，充分利用醫(yī)療信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對康復(fù)期腦卒中病人實(shí)現(xiàn)個(gè)性化自動檢測及實(shí)時(shí)監(jiān)測，不斷提高機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測早期腦卒中病人日常生活活動能力的準(zhǔn)確性。

Zhang等^[24]使用LR和決策樹模型確定影響早期腦卒中病人日常生活活動能力的關(guān)鍵因素是腦卒中的嚴(yán)重程度和住院時(shí)間，病人在肢體功能恢復(fù)、自理能力評分方面均有明顯的提高，表明在機(jī)器學(xué)習(xí)的背景下使用早期康復(fù)治療和持續(xù)康復(fù)治療對于改善腦卒中康復(fù)期病人的日常生活活動能力是有用的，可以縮短病人住院時(shí)間，提升生活質(zhì)量。由于樣本量較小，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)謹(jǐn)慎解讀，未來的研究需擴(kuò)大樣本量，以驗(yàn)證該研究結(jié)果的可靠性。采取SVM算法對腦卒中病人入院后的血液檢查參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)腦卒中的發(fā)病類型并不是影響腦卒中后運(yùn)動功能、認(rèn)知功能減退的主要因素，在預(yù)測病人自理能力時(shí)，SVM算法有良好的響應(yīng)率，平均絕對偏差百分比（MADP）為83.96%^[25]。Imura等^[26]在此基礎(chǔ)上選用機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)的5種分類模型再次驗(yàn)證了SVM模型分類準(zhǔn)確率為82.6%，受試者工作特征曲線下面積（AUC）為0.91，靈敏度為94.4%，具有良好預(yù)測性能，證明了模型具有良好的泛化能力和外推性。Lin等^[18]通過LR算法篩選出年齡、性別和進(jìn)入冠心病病房時(shí)的自理能力評分等作為預(yù)測因子，基于機(jī)器學(xué)習(xí)在15項(xiàng)康復(fù)評估內(nèi)容下構(gòu)建病人出院時(shí)自理能力評分的預(yù)測模型，結(jié)果顯示，所有機(jī)器學(xué)習(xí)分類模型在預(yù)測病人出院時(shí)自理能力評分均優(yōu)于常規(guī)量表評估，LR和RF算法的AUC值為0.79，優(yōu)于SVM算法（AUC值為0.77），綜合運(yùn)用多種評估工具和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，有助于提高腦卒中病人日常生活活動能力預(yù)測的準(zhǔn)確性和全面性。

腦卒中發(fā)病后的半年內(nèi)是肢體功能恢復(fù)的最佳階段，前3個(gè)月是康復(fù)的“黃金期”，但目前腦卒中病人的平均住院天數(shù)是10 d^[27]。機(jī)器學(xué)習(xí)算法能在短期內(nèi)同時(shí)檢測到腦卒中病人的5種功能，并表現(xiàn)出更好的靈敏性和可靠性，可降低腦卒中后康復(fù)階段病人肢體活動功能缺如的概率。Lin等^[28]使用XGBoost算法根據(jù)病人入院時(shí)的自理能力評分、腦卒中姿勢評估量表（PASS）評分和腦卒中康復(fù)運(yùn)動評估（STREAM）短期預(yù)測病人的日常生活活動能力、平衡、上肢和下肢功能以及運(yùn)動功能，標(biāo)準(zhǔn)化反應(yīng)均數(shù)（SRM）是檢查機(jī)器學(xué)習(xí)對5項(xiàng)活動功能預(yù)測的反應(yīng)性，均達(dá)到了良好反應(yīng)性的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)集，最后用原始的3種量表對XGBoost算法進(jìn)行驗(yàn)證，機(jī)器學(xué)習(xí)的算法對病人的5項(xiàng)功能預(yù)測得分為124分，而原始量表評估得分為37分，XGBoost算法對5項(xiàng)活動功能的分?jǐn)?shù)與原始測量具有相同的分?jǐn)?shù)范圍，但得分更高。此項(xiàng)研究的優(yōu)勢是當(dāng)XGBoost算法接觸到大量數(shù)據(jù)時(shí)，會不斷完善自身以獲得更高的性能，打破數(shù)據(jù)范圍限制，提高了評估效率，為實(shí)施精準(zhǔn)康復(fù)和以病人為中心的護(hù)理提供參考。藥物是治療腦卒中的基礎(chǔ)手段，貫穿于控制病情和預(yù)防復(fù)發(fā)的全過程^[29]，未來研究中應(yīng)增加監(jiān)測給藥時(shí)間。

以上研究結(jié)果表明，機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可運(yùn)用于早期腦卒中病人日常生活活動能力的識別、分類，有效提高了評估的精度和準(zhǔn)確性，為下一步開展康復(fù)醫(yī)療計(jì)劃、標(biāo)準(zhǔn)化臨床護(hù)理管理路徑提供精確的數(shù)據(jù)保障，同時(shí)可對肢體神經(jīng)功能正常或損傷情況進(jìn)行鑒別分類，提高了對腦卒中后肢體活動功能的早期識別和診斷效率。然而，SVM屬于二分類算法，故無法同時(shí)處理多類別和訓(xùn)練大規(guī)模數(shù)據(jù)集。近年來，深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展彌補(bǔ)了SVM算法的缺點(diǎn)和不足，將多分類問題轉(zhuǎn)換為多個(gè)單分類問題，將大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為微小的樣本集合。此外，選擇深度學(xué)習(xí)模型可憑借其數(shù)據(jù)增補(bǔ)技術(shù)有效地解決圖像樣本類型單一、活動圖像樣本匱乏等問題^[30]，深度學(xué)習(xí)算法可實(shí)現(xiàn)對行為數(shù)據(jù)的自動標(biāo)記，并能從數(shù)據(jù)集中提取大量的預(yù)測因子，從而節(jié)約人力物力。

5 ?機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測腦卒中恢復(fù)期病人的日常生活活動能力

中低收入國家腦卒中的病死率和死亡率較高，可能與經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)過重、家庭主要照顧者對疾病康復(fù)維護(hù)、監(jiān)測和管理欠缺有關(guān)^[31]。約75%的腦卒中幸存者伴有不同程度的運(yùn)動功能障礙甚至是終身殘疾^[32]，尤以行走障礙和肢端偏癱多見，日常生活活動難以獨(dú)立完成，導(dǎo)致生活質(zhì)量下降及負(fù)性情緒的產(chǎn)生。因此，國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)提出針對腦卒中恢復(fù)期的重要技術(shù)進(jìn)展，包括多模塊康復(fù)護(hù)理模式、遠(yuǎn)程康復(fù)、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、可穿戴傳感器和智能手機(jī)應(yīng)用等，旨在運(yùn)用多學(xué)科康復(fù)管理方案改善恢復(fù)期腦卒中病人的日常生活活動能力和獨(dú)立性方面的結(jié)局。腦卒中病人出院后肢體功能仍需持續(xù)監(jiān)測和康復(fù)訓(xùn)練，且病人要重返家庭和社會，必須最大限度地提高日常生活活動能力，機(jī)器學(xué)習(xí)的方法能精準(zhǔn)識別腦卒中病人恢復(fù)期肢體運(yùn)動功能的情況。

Thakkar等^[13]對慢性腦卒中病人進(jìn)行過約束誘導(dǎo)運(yùn)動療法、雙側(cè)手臂訓(xùn)練、機(jī)器人輔助療法和鏡像治療的康復(fù)訓(xùn)練，依據(jù)3個(gè)主要預(yù)測因子即腦卒中后時(shí)間、FIM和FMA評分進(jìn)行訓(xùn)練、測試驗(yàn)證，構(gòu)建使用KNN和ANN模型預(yù)測腦卒中恢復(fù)期病人運(yùn)動功能改善情況，KNN模型的正確率和AUC值分別為85.42%、0.89，ANN模型的預(yù)測精度和AUC值為81.25%、0.77。Chen等^[33]使用可穿戴傳感器系統(tǒng)識別人類活動，基于決策樹、RF、SVM和XGBoost算法建立預(yù)測模型，預(yù)測社區(qū)腦卒中病人日常生活活動能力的肢體活動度，結(jié)果表明，4種模型都有較好的預(yù)測效果，橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)XGBoost模型的效果優(yōu)于其他3種模型，機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測病人日常生活活動能力的準(zhǔn)確率達(dá)到82%。Chen等^[34]同樣使用了4種機(jī)器學(xué)習(xí)算法（LR、KNN、SVM和RF）建立分類預(yù)測模型，在18個(gè)預(yù)測因子中選擇了上肢運(yùn)動功能、人口統(tǒng)計(jì)學(xué)和腦卒中特征作為最重要預(yù)測內(nèi)容，結(jié)果表明，對于18個(gè)預(yù)測因子，SVM和RF算法的性能較好精度和AUC值分別為0.76，0.83；對于4個(gè)預(yù)測因子，RF算法在性能上最佳精度和AUC值分別為0.76，0.87。該研究不僅證明了使用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測腦卒中后日常生活活動能力恢復(fù)情況的可行性，且對于改善腦卒中恢復(fù)期病人肢體功能活動度是有效的，減少了病人再入院的發(fā)生率。Yang等^[35]首次將機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測模型運(yùn)用于多模態(tài)MRI下腦卒中后運(yùn)動功能變化的數(shù)據(jù)處理，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可以很好地識別神經(jīng)圖像多種變量的特征，由于樣本量有限，無法驗(yàn)證預(yù)測模型性能，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)過度耦合。除此之外，Tozlu等^[36]將102例受試者的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)、臨床評估、神經(jīng)生理學(xué)勾連影像學(xué)作為預(yù)測因素形成的數(shù)據(jù)集，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法自動化比較大量低維和高維數(shù)據(jù)集的結(jié)果，RF和ANN算法在分類慢性腦卒中病人干預(yù)后上肢運(yùn)動功能顯著變化的病人時(shí)表現(xiàn)出良好靈敏度，對于數(shù)據(jù)集包括成對的不連貫信息，SVM算法顯示出極佳的特異性。Kim等^[37]采取DNN算法建立偏癱腦卒中病人上肢和下肢運(yùn)動能力預(yù)測模型，結(jié)論顯示，DNN模型在預(yù)測上肢功能方面，AUC值為0.906；預(yù)測下肢功能時(shí)，AUC值為0.822，預(yù)測準(zhǔn)確率均比LR和RF算法高，且DNN算法在預(yù)測病人上肢活動能力時(shí)表現(xiàn)更佳，減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作量，也影響了評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。

以上研究結(jié)果表明，在評價(jià)恢復(fù)期腦卒中病人日常生活活動能力時(shí)，借助機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可預(yù)測復(fù)雜的日常活動任務(wù)從而評價(jià)病人肢體神經(jīng)功能恢復(fù)情況，由于恢復(fù)階段病人的活動能力呈現(xiàn)復(fù)雜、動態(tài)和多因素的特性，是導(dǎo)致家庭照顧者賦權(quán)能力水平不高的因素之一^[38]。采取多種機(jī)器學(xué)習(xí)的算法對腦卒中恢復(fù)期殘余功能的不同變量進(jìn)行預(yù)測，如探究腦卒中后影響病人日常生活活動能力的危險(xiǎn)因素時(shí)可考慮采用RF算法應(yīng)用為主，使用決策樹進(jìn)行分析，但需注意避免模型過耦合的情況；對于腦卒中影像分析研究中，以SVM、DNN算法等為主，其中針對小量數(shù)據(jù)集可采用SVM、RF和聚類算法，而對于海量數(shù)據(jù)則使用ANN或深度學(xué)習(xí)算法。采取多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法不僅能發(fā)現(xiàn)影響功能康復(fù)的主要決定因素及其對其他活動的損傷，為開展治療干預(yù)措施提供機(jī)會，從而提高病人的生存壽命和照顧者照護(hù)的有效性，且可以在這個(gè)過程中比較出最精確的算法，為后期進(jìn)一步的研究提供了導(dǎo)向作用。

6 ?局限性

深度學(xué)習(xí)作為機(jī)器學(xué)習(xí)中回歸功能的一個(gè)分支，在生物醫(yī)學(xué)圖像分析中其有效性已被證實(shí)，如組織、解剖、病變圖像數(shù)據(jù)的收集、分析、疾病發(fā)展預(yù)測等^[39]。研究表明，在許多計(jì)算機(jī)輔助診斷應(yīng)用系統(tǒng)中，深度學(xué)習(xí)比傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法在預(yù)測性能上更準(zhǔn)確和穩(wěn)健^[40]。然而，DNN預(yù)測模型也存在一定缺點(diǎn)，如計(jì)算量較大、設(shè)計(jì)復(fù)雜及硬件成本較高，在基層推廣仍需進(jìn)一步研究，以便在各種實(shí)踐環(huán)境下更廣泛地使用。此外，在選擇算法時(shí)應(yīng)考慮預(yù)測模型的可解釋性，如ANN的“黑盒”效應(yīng)，經(jīng)濟(jì)成本較高的DNN模型。但因目前ANN和DNN算法的準(zhǔn)確性相對較高，未來研究可進(jìn)一步改善不足以提供最佳適用模型。除了機(jī)器學(xué)習(xí)的分類功能在分析更復(fù)雜的特征數(shù)據(jù)時(shí)存在困難外，在數(shù)據(jù)特征處理中，往往需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行特征的標(biāo)注，降低預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確率^[41]。而基于機(jī)器學(xué)習(xí)最大的缺點(diǎn)是無法有效地從圖像中抽取圖像的特征信息，這是目前一些分析影像結(jié)果的研究中存在無反應(yīng)的主要原因。

下一步的研究需要大樣本、多中心的臨床試驗(yàn)研究進(jìn)一步探討機(jī)器學(xué)習(xí)在預(yù)測腦卒中病人日常生活活動能力中的應(yīng)用效果。基于循證醫(yī)學(xué)的方法學(xué)評價(jià)在提高機(jī)器學(xué)習(xí)模型制作過程的規(guī)范性和證據(jù)質(zhì)量上對于機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測腦卒中病人神經(jīng)功能的改善至關(guān)重要^[42?43]，可以此深入了解機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測的作用機(jī)制。隨著互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺的不斷推廣及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)的作用機(jī)制更透明化以及臨床應(yīng)用研究將會逐漸完善，機(jī)器學(xué)習(xí)也將成為腦卒中后日常活動功能障礙病人新的治療輔助手段。

7 ?小結(jié)

隨著醫(yī)療信息技術(shù)的飛速發(fā)展，腦卒中后病人的康復(fù)結(jié)局也進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，面對數(shù)量龐大、形態(tài)復(fù)雜的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)方法已不能對此類數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的收集、存儲和分析，機(jī)器學(xué)習(xí)則為其提供了新的研究方向。目前，機(jī)器學(xué)習(xí)在預(yù)測腦卒中后病人的日常生活活動能力中取得了一定的進(jìn)展和成效，如基于機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測腦卒中后病人肢體活動度并自動進(jìn)行分級、構(gòu)建影響腦卒中病人活動能力恢復(fù)的預(yù)測模型等方面的研究，不僅提高了對病人肢體功能鍛煉的有效性和精準(zhǔn)性，還為信息化管理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，使腦卒中后的康復(fù)鍛煉更科學(xué)化、客觀化和便捷化。因機(jī)器學(xué)習(xí)對輸入數(shù)據(jù)量的限制，如何建立起既可以容納數(shù)量龐大、形態(tài)復(fù)雜和跨域關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，還具備自動化擴(kuò)充以不斷地容納更新數(shù)據(jù)的能力，如何改善醫(yī)療資源的配置和提高數(shù)據(jù)挖掘的準(zhǔn)確性、提高醫(yī)務(wù)人員的預(yù)測效率、實(shí)現(xiàn)智慧醫(yī)療有待進(jìn)一步的探索。

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（收稿日期：2023-06-16；修回日期：2024-03-25）

（本文編輯?蘇琳）