周鴻明 李云逸 李偉龍 宋卓恒 陳宇 曹銳 胡波 欒韶東 尹良紅

1暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院腎內(nèi)科，廣州 510630；2深圳市龍華區(qū)中心醫(yī)院腎內(nèi)科，深圳 518110

透析患者在我國已達(dá)到近88 萬人，最常見于慢性腎臟病、糖尿病、高血壓、系統(tǒng)性紅斑狼瘡等，以尿毒癥毒素蓄積及水、電解質(zhì)、代謝紊亂為特點(diǎn)。一旦發(fā)現(xiàn)尿毒癥急癥，如高鉀血癥、尿毒癥性腦病，應(yīng)緊急進(jìn)行透析治療，防止出現(xiàn)透析失衡綜合征（腦水腫的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀）［1］。在全球范圍內(nèi)，血液透析是透析中最常用的透析方式［2］。血液透析患者時(shí)時(shí)刻刻都在背負(fù)著透析所帶來的昂貴醫(yī)療費(fèi)用和血液透析后不良反應(yīng)的負(fù)擔(dān)。隨著現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器學(xué)習(xí)也出現(xiàn)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，最終為醫(yī)生提供決策［3］。當(dāng)然，我們也可以在血液透析上看到機(jī)器學(xué)習(xí)的身影。機(jī)器學(xué)習(xí)給我們帶來了非常多的好處，特別是在血液透析患者的預(yù)后和出現(xiàn)并發(fā)癥方面提供了幫助。機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用不僅僅幫助了臨床醫(yī)生對患者病情的判斷，還可以在患者出現(xiàn)不良并發(fā)癥后及時(shí)診斷和治療?？偟膩碚f，機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用對血液透析方面的進(jìn)一步發(fā)展是具有非常重要的意義。

機(jī)器學(xué)習(xí)概述

由于技術(shù)的快速發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)處理有了新的認(rèn)識。在這種新的認(rèn)識中，我們傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式逐漸被機(jī)器學(xué)習(xí)所取代。機(jī)器學(xué)習(xí)是指學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的相關(guān)知識，并將學(xué)習(xí)到的知識應(yīng)用于未知的案例［4］。機(jī)器學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理對比，最主要區(qū)別在于，機(jī)器學(xué)習(xí)是活的，具有一定的學(xué)習(xí)能力。由此，我們可以用機(jī)器學(xué)習(xí)比作一個(gè)優(yōu)秀的學(xué)生，只需要花幾分鐘來分析和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)便可以將學(xué)習(xí)到的知識立刻用于新的情況。機(jī)器學(xué)習(xí)可以分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)，其中監(jiān)督學(xué)習(xí)主要用于分類（預(yù)測屬于哪種類型），無監(jiān)督學(xué)習(xí)主要用于檢測數(shù)據(jù)集中的模式，半監(jiān)督學(xué)習(xí)則是監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)兩者結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)習(xí)對于上述幾種機(jī)器學(xué)習(xí)來說相對復(fù)雜，它是反復(fù)不斷學(xué)習(xí)，并做出調(diào)整［5］。監(jiān)督學(xué)習(xí)里又含有許多算法（決策樹、支持向量、隨機(jī)森林算法等），不同算法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中監(jiān)督學(xué)習(xí)最常用的方法是決策樹算法，它為非參數(shù)的，且具有可直觀解釋性［6］。

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，越來越多領(lǐng)域可以見到其身影，其中包括醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。機(jī)器學(xué)習(xí)可用于解剖病理學(xué)、手術(shù)、醫(yī)學(xué)成像、腎臟病學(xué)等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［7-10］。終末期腎臟病已成為全球嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題，給患者帶來了不同程度精神心理和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)［11］。由于患者經(jīng)濟(jì)和醫(yī)療水平不同，選擇的腎臟替代治療也不同，但透析的主要方式仍是血液透析［12］。我們都知道臨床數(shù)據(jù)是相當(dāng)復(fù)雜的，特別是血液透析的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括血液透析前、透析中、透析后等數(shù)據(jù)，而機(jī)器學(xué)習(xí)具有處理復(fù)雜和不同數(shù)據(jù)的能力，這使機(jī)器學(xué)習(xí)成為一個(gè)非常具有潛力的工具在促進(jìn)血液透析發(fā)展上［13］。

機(jī)器學(xué)習(xí)與血液透析的血管通路的進(jìn)展

急性或慢性腎衰竭患者行血液透析前需要完成血管通路的準(zhǔn)備。而對于需要長期進(jìn)行血液透析的患者往往需要選擇永久性血管通路，如主要分為自體動(dòng)靜脈內(nèi)瘺、移植物動(dòng)靜脈內(nèi)瘺及半永久性血管通路，如中心靜脈導(dǎo)管［14］。血管通路為透析患者提供了一個(gè)可以透析的通路，但同樣血管通路也可以成為有效和高效透析的阻礙，例如通路血栓形成、通路狹窄和導(dǎo)管相關(guān)的纖維上皮鞘形成［15］。那么血管通路完成后需要對血管通路進(jìn)行長期監(jiān)測，并及時(shí)對血管通路進(jìn)行干預(yù)，減少并發(fā)癥（血栓形成、狹窄等）的出現(xiàn)。對于自體動(dòng)靜脈內(nèi)瘺的質(zhì)量評估，我們主要選擇血管血流量和血管狹窄情況作為主要指標(biāo)。目前，臨床上主要使用超聲多普勒機(jī)對血液透析患者進(jìn)行血管通路評估，但使用超聲多普勒機(jī)有許多缺點(diǎn)，例如花費(fèi)時(shí)間較長、使用較困難。Chiang 等［16］對電路和算法進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，該文獻(xiàn)的詳細(xì)設(shè)計(jì)圖見圖1，利用3 種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法對血液透析患者進(jìn)行了臨床試驗(yàn)（動(dòng)靜脈瘺狹窄程度和血流量評估），發(fā)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的支持向量機(jī)算法在這個(gè)試驗(yàn)中表現(xiàn)最為突出，且機(jī)器學(xué)習(xí)的支持向量機(jī)算法結(jié)合新型光電容積脈搏波傳感器裝置后，成功實(shí)現(xiàn)對血流量和動(dòng)靜脈瘺狹窄程度的高準(zhǔn)確度評估（準(zhǔn)確率分別為87.84%、88.61%）?；蛟S以后臨床上使用機(jī)器學(xué)習(xí)的支持向量機(jī)算法作為主要算法來完成對血管通路質(zhì)量評估，避免花費(fèi)時(shí)間長、使用困難等問題，還可及時(shí)進(jìn)行干預(yù)和恢復(fù)通路功能，達(dá)到延長通路的使用時(shí)間。除此之外，我們在成功創(chuàng)建血管通路后，也可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)作為一種工具對通路是否成功進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。Heindel 等［17］同樣使用了機(jī)器學(xué)習(xí)對動(dòng)靜脈內(nèi)瘺的成功率進(jìn)行了預(yù)測，試驗(yàn)結(jié)果顯示利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行建模的模型性能優(yōu)于腎臟病預(yù)后質(zhì)量指南的超聲閾值標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了影響預(yù)測動(dòng)靜脈內(nèi)瘺的成功率最大的因素是血管流量和直徑。

圖1 電路和算法的詳細(xì)設(shè)計(jì)[16]

在臨床上，除了使用超聲多普勒機(jī)來評估血管通路，還會(huì)對血管通路進(jìn)行聽診來判斷血管通路是否存在狹窄。但通過內(nèi)瘺雜音判斷內(nèi)瘺是否狹窄，還取決于臨床醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)以及能力，如果經(jīng)驗(yàn)不足往往會(huì)錯(cuò)誤判斷該雜音為內(nèi)瘺狹窄，那么此時(shí)可能需要一個(gè)客觀的指標(biāo)對內(nèi)瘺雜音進(jìn)行判斷。Ota等［18］通過對透析患者的內(nèi)瘺雜音進(jìn)行采樣，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法客觀分析動(dòng)靜脈瘺音，結(jié)果表明機(jī)器學(xué)習(xí)具有高準(zhǔn)確率（70%～93%）。此外，還有先前報(bào)道的基于機(jī)器學(xué)習(xí)，利用聽診篩查是否存在自體動(dòng)靜脈瘺顯著狹窄的試驗(yàn)結(jié)果表明也具有可行性［19］。即使對內(nèi)瘺雜音的判斷經(jīng)驗(yàn)不足，也可以借助機(jī)器學(xué)習(xí)做出客觀分析。這些對血管通路的評估和預(yù)測，歸根到底都是在為改善透析患者生活質(zhì)量所努力。但這些試驗(yàn)有一些不足，他們的樣本量較少，且均為透析患者而無健康人進(jìn)行對照試驗(yàn)。

機(jī)器學(xué)習(xí)與血液透析并發(fā)癥的進(jìn)展

血液透析患者在透析過程中可能會(huì)產(chǎn)生許多并發(fā)癥（低血壓、貧血、惡心、嘔吐、頭痛、肌肉痙攣等），而這些并發(fā)癥的產(chǎn)生也給臨床醫(yī)生和患者帶來了負(fù)擔(dān)。這些并發(fā)癥不僅僅會(huì)使患者不愉快，也會(huì)因?yàn)槲刺幚矶鴮?dǎo)致進(jìn)一步惡化最后降低患者生存質(zhì)量。為此，需要在透析患者出現(xiàn)并發(fā)癥前預(yù)測并及時(shí)糾正，才能更好改善患者預(yù)后。在血液透析過程中，臨床醫(yī)生十分注重患者的體液管理，體液超負(fù)荷或者容量不足都會(huì)引起不良后果（心血管事件、低血壓等）。而血液透析患者的干體質(zhì)量常常被用于衡量液體負(fù)荷情況的判斷。Guo 等［20］基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法，利用年齡、性別、收縮壓、舒張壓、體質(zhì)量指數(shù)、心率和透析年限來構(gòu)建預(yù)測模型，對透析患者的干體質(zhì)量進(jìn)行了評估預(yù)測，并將結(jié)果與通常用于臨床測量干體質(zhì)量的設(shè)備（body composition monitor，BCM）進(jìn)行了比較，最后提出機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建的預(yù)測模型更勝一籌。但BCM 測量干體質(zhì)量不僅成本高，而且花費(fèi)時(shí)間長?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)方法的試驗(yàn)為更好測量患者干體質(zhì)量提供了一個(gè)新的思路。

在血液透析過程中，我們會(huì)監(jiān)測患者的血氧飽和度和血細(xì)胞比容，防止患者出現(xiàn)低血壓、頭暈等不良反應(yīng)。得益于機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)也被用于監(jiān)測透析患者的血液參數(shù)（血氧飽和度、血細(xì)胞比容），并展現(xiàn)出了良好的學(xué)習(xí)性能［21］。對血液透析患者監(jiān)測需要頻繁對患者進(jìn)行血樣采集，這對患者來說是非常不友好的。有研究發(fā)現(xiàn)血液透析患者的透析液也可以被用于快速判斷是否存在貧血，這便是利用了機(jī)器學(xué)習(xí)和近紅外光譜結(jié)合的方法［22］。大量研究表明，貧血與透析患者的不良預(yù)后密切相關(guān)，而及時(shí)發(fā)現(xiàn)透析患者是否存在貧血對患者的生活質(zhì)量來說是相當(dāng)重要的。除此之外，機(jī)器學(xué)習(xí)還在預(yù)測血液透析患者血清白蛋白水平、血壓情況、肌肉減少癥、血管鈣化情況上均表現(xiàn)出了巨大的潛力［23-26］。機(jī)器學(xué)習(xí)的大量和廣泛應(yīng)用有助于臨床醫(yī)生早期識別和診斷透析患者的并發(fā)癥，最終提高透析患者生活質(zhì)量。

機(jī)器學(xué)習(xí)與血液透析質(zhì)量的進(jìn)展

臨床醫(yī)生都會(huì)對血液透析后的患者進(jìn)行評估，判斷血液透析是否充分，血液透析充分與不良反應(yīng)有關(guān)，甚至影響患者的預(yù)后和生存質(zhì)量。通過測量尿素清除指數(shù)（effective urea clearance time∕volume，Kt∕V）來判斷血液透析是否充分是判斷血液透析充分性的常用指標(biāo)［27］。測量Kt∕V 不夠方便、簡潔，需反復(fù)對患者進(jìn)行抽血分析。Du 等［28］開發(fā)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法來預(yù)測血液透析充分性的模型，該文獻(xiàn)模型圖見圖2，結(jié)果表明該模型的預(yù)測結(jié)果接近臨床方法。這個(gè)使用機(jī)器學(xué)習(xí)建立的模型無疑是快捷、有效的，且減少了對患者抽血的次數(shù)。

圖2 TSK-FS的框架圖[28]

人工智能是研究如何在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)部分人類智能的學(xué)科：研究讓計(jì)算機(jī)如何表示并儲存知識，如何接受外部信息以及依據(jù)知識對外部輸入信息進(jìn)行分析及反饋調(diào)節(jié)［29-30］。大量研究表明，長期進(jìn)行血液透析的患者最主要的死亡風(fēng)險(xiǎn)是心血管并發(fā)癥。近年來，已經(jīng)有許多基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法對透析患者進(jìn)行死亡風(fēng)險(xiǎn)評估的模型被開發(fā)出來。而這些研究也有助于我們找出與死亡有關(guān)的更重要因素，并及時(shí)糾正，達(dá)到改善患者預(yù)后作用。Garcia-Montemayor等［31］利用經(jīng)典的邏輯回歸和基于機(jī)器學(xué)習(xí)（如隨機(jī)森林）構(gòu)建模型預(yù)測血液透析患者的死亡率，結(jié)果表明機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建的模型比邏輯回歸更佳，且發(fā)現(xiàn)基于機(jī)器學(xué)習(xí)影響6個(gè)月和1～2年病死率的主要變量是血清白蛋白、Kt∕V。Yang 等［32］也通過結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法對血液透析患者進(jìn)行病死率風(fēng)險(xiǎn)評估，發(fā)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)在預(yù)測病死率上有更大優(yōu)勢，提出年齡、 糖尿病、血紅蛋白、血清白蛋白、血清肌酐、血清鉀、Kt∕V 和心胸比可能會(huì)增加患者死亡風(fēng)險(xiǎn)。這些研究進(jìn)行交集我們會(huì)發(fā)現(xiàn)血清白蛋白、Kt∕V 是影響血液透析患者病死率的主要因素。密切關(guān)注患者血清白蛋白、Kt∕V 指標(biāo)并做出早期診斷和干預(yù)對延緩血液透析患者到達(dá)結(jié)局具有非常重大意義。當(dāng)然，除了這兩個(gè)指標(biāo)，我們也應(yīng)善于發(fā)現(xiàn)其他可能影響病死率的指標(biāo)，并及時(shí)做出診斷和改善，這樣可以做到改善患者預(yù)后，例如在透析過程中，通過對超濾量、脈搏、心率、呼吸和血壓的監(jiān)測，智能化反饋調(diào)節(jié)透析劑量，可明顯降低透析并發(fā)癥和病死率。此外，還有一些研究同樣表明結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法在預(yù)測透析患者病死率上取得進(jìn)展［33-34］。

總結(jié)與展望

總之，機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是在血液透析的血管通路、并發(fā)癥、預(yù)后的發(fā)展上都獲得了令人滿意的結(jié)果［35］。機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展對血液透析的研究進(jìn)展是促進(jìn)的，同樣對改善醫(yī)療保健服務(wù)具有重要意義。機(jī)器學(xué)習(xí)也有許多不足之處，例如機(jī)器學(xué)習(xí)是使用電子健康記錄中可用的數(shù)據(jù)來進(jìn)行構(gòu)建模型和分析的，如果數(shù)據(jù)缺失或者數(shù)據(jù)記錄不準(zhǔn)確，結(jié)果會(huì)截然不同。雖然在機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展過程中會(huì)出現(xiàn)各種不同的錯(cuò)誤，但可以確定機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用可以優(yōu)化患者的護(hù)理，提出精準(zhǔn)療法，減少醫(yī)療錯(cuò)誤，并最終改善患者預(yù)后［36］。盡管未來還沒到來，但已知機(jī)器學(xué)習(xí)在血液透析方面有著非常大的潛力。目前，機(jī)器學(xué)習(xí)是一個(gè)不錯(cuò)的工具，或許未來可以得到大量的應(yīng)用，為血透室的醫(yī)生和護(hù)士提供幫助，最終達(dá)到改善血液透析患者生存質(zhì)量的目標(biāo)。

作者貢獻(xiàn)聲明周鴻明：起草文章；李云逸、李偉龍：起草文章，指導(dǎo)；宋卓恒、欒韶東：對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱，指導(dǎo)；陳宇、曹銳、胡波：對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱，指導(dǎo)；尹良紅：對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱，獲取研究經(jīng)費(fèi)，指導(dǎo)，支持性貢獻(xiàn)