孟小暄，張永媚，王昕宇，于鎮(zhèn)婕，沈悅好，禹 璽，李艷娥，王 嵐*

1.天津醫(yī)科大學(xué)護(hù)理學(xué)院，天津 300070；2.天津醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院；3.天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院；4.天津市第一中心醫(yī)院

慢性阻塞性肺疾?。–OPD）是一種進(jìn)行性全身炎癥性疾病，且最主要的功能特點(diǎn)是不可逆的氣流受限，導(dǎo)致病人不僅肺功能持續(xù)下降，還出現(xiàn)合并癥增多、免疫力降低、日?；顒?dòng)能力下降等問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)多種功能障礙[1]。COPD 病人的功能障礙給醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)帶來(lái)沉重的疾病負(fù)擔(dān)，并直接影響病人的生存質(zhì)量[2]。功能狀態(tài)被定義為個(gè)體為實(shí)現(xiàn)日常生活需求而進(jìn)行的活動(dòng)水平，包括身體、心理、社會(huì)、精神、智力和角色。其表現(xiàn)水平與個(gè)人性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和條件的期望水平相對(duì)應(yīng)[3]?！秶?guó)際功能、殘疾和健康分類(lèi)》（International Classification of Functioning,Disability and Health，ICF）作為一種有效評(píng)估功能狀態(tài)和殘疾分類(lèi)的工具，可將個(gè)體功能狀態(tài)視為健康狀況與背景因素的相互作用與復(fù)雜關(guān)聯(lián)，是從整體水平對(duì)COPD 病人的功能狀態(tài)進(jìn)行細(xì)致、具體評(píng)估的有效方法。本研究應(yīng)用簡(jiǎn)明版ICF-COPD核心集[4]對(duì)COPD 病人的功能障礙進(jìn)行多角度的綜合評(píng)估，應(yīng)用隨機(jī)森林算法篩選重要影響因素，聯(lián)合多因素Logistic 回歸分析進(jìn)一步挖掘影響因素，為后續(xù)從功能水平加強(qiáng)COPD 防控提供依據(jù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

采用便利抽樣法，選取2020 年6 月—2021 年3 月天津市3 所三級(jí)甲等醫(yī)院住院或門(mén)診就診的COPD 病人作為研究對(duì)象，進(jìn)行多中心問(wèn)卷調(diào)查。納入標(biāo)準(zhǔn)：符合慢性阻塞性肺疾病全球倡議（GOLD）[5]診斷標(biāo)準(zhǔn)的病人；簽署知情同意書(shū)。排除標(biāo)準(zhǔn)：患有心腦血管、肝腎等嚴(yán)重疾病而導(dǎo)致身體功能受限的病人；無(wú)法對(duì)問(wèn)卷上的問(wèn)題作出回答者。根據(jù)Kendell 粗糙工作準(zhǔn)則[6]進(jìn)行樣本量估計(jì)，回歸分析樣本量可為自變量個(gè)數(shù)的5～10 倍，本研究共有22 個(gè)自變量，考慮10%的脫落率，計(jì)算所需樣本量為121～242 例。使用隨機(jī)森林算法時(shí)，將80%的病人設(shè)為訓(xùn)練組，20%的病人設(shè)為驗(yàn)證組。本研究已獲得相關(guān)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（批準(zhǔn)號(hào)：TMUhMEC2020028），病人均已獲得知情同意，自愿參與本研究。本研究已在中國(guó)臨床實(shí)驗(yàn)注冊(cè)中心完成注冊(cè)（注冊(cè)編號(hào)：ChiCTR2000040723）。

1.2 研究方法

1.2.1 研究工具

1.2.1.1 一般資料調(diào)查表

一般資料調(diào)查表包括社會(huì)人口學(xué)資料、生理因素、行為因素3 個(gè)方面，共納入16 個(gè)變量。其中社會(huì)人口學(xué)資料包括性別、年齡、體質(zhì)指數(shù)（BMI）、婚姻狀況、居住方式、文化水平、經(jīng)濟(jì)狀況、健康保險(xiǎn)和家族史；生理因素包括COPD 分期（分為急性加重期與穩(wěn)定期）、GOLD 分級(jí)[5]、近1 年急性加重次數(shù)、合并癥情況；行為因素包括吸煙指數(shù)（吸煙指數(shù)=每天吸煙支數(shù)×吸煙年數(shù)）、是否用藥、是否使用家庭氧療。

1.2.1.2 疾病相關(guān)量表

1）COPD 疾 病 評(píng) 定 量 表（COPD Assessment Test，CAT）：綜合評(píng)估COPD 病人疾病癥狀及對(duì)生活的影響，由咳嗽、咳痰、胸悶、睡眠、精力、活動(dòng)耐受力、外出信心和對(duì)家庭日?；顒?dòng)影響8 項(xiàng)指標(biāo)組成，每項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分為0～5分，總分為0～40分，分值越高代表影響程度越嚴(yán)重?？偡帧?0 分為影響較重，＜10 分為影響較輕[7]。2）改良版呼吸困難問(wèn)卷（Modified Medical Research Council，mMRC）：主要用于評(píng)估COPD 病人呼吸困難的程度，分為0～4 級(jí)，0 級(jí)或1 級(jí)為呼吸困難癥狀輕，2 級(jí)及以上為呼吸困難癥狀較重[5]。

1.2.1.3 簡(jiǎn)明版ICF-COPD 核心集

該評(píng)價(jià)工具由團(tuán)隊(duì)前期研究開(kāi)發(fā)，共包含身心功能、身體結(jié)構(gòu)、活動(dòng)與參與以及環(huán)境4 個(gè)維度，其中身心功能、身體結(jié)構(gòu)以及活動(dòng)與參與維度評(píng)分0～4 級(jí)，“沒(méi)有障礙”計(jì)0 分，“完全障礙”計(jì)4 分；環(huán)境維度分為雙向評(píng)分，本研究將其賦值為有利計(jì)0 分，無(wú)利計(jì)1 分。所有維度中，8 代表“未特指”，9 代表“不適用”，在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中將其視為0 處理。前3 個(gè)維度得分越高代表功能障礙情況越嚴(yán)重。該量表經(jīng)過(guò)前期測(cè)評(píng)，內(nèi)部一致性信度較好，內(nèi)容效度較高[4]。本研究主要使用身心功能、身體結(jié)構(gòu)、活動(dòng)與參與3 個(gè)維度評(píng)分計(jì)算總分（滿(mǎn)分56 分），對(duì)COPD 病人功能障礙進(jìn)行評(píng)價(jià)。參照既往ICF 評(píng)估病人功能障礙情況的研究，將環(huán)境維度作為自變量進(jìn)行分析[8]。

1.2.2 調(diào)查方法

由多名調(diào)查員經(jīng)過(guò)培訓(xùn)后進(jìn)入醫(yī)院進(jìn)行調(diào)查。按照納入標(biāo)準(zhǔn)與排除標(biāo)準(zhǔn)篩選病人，對(duì)其說(shuō)明調(diào)查目的及方法，并簽署知情同意書(shū)。采用統(tǒng)一的指導(dǎo)語(yǔ)，讓病人進(jìn)行面對(duì)面填寫(xiě)，對(duì)于不能自行填寫(xiě)的部分，由調(diào)查員逐條提問(wèn)并代為填寫(xiě)，提問(wèn)過(guò)程中注意避免提示或誘導(dǎo)。填好后當(dāng)場(chǎng)收回檢查，對(duì)于缺漏項(xiàng)目及時(shí)確定及補(bǔ)充。共發(fā)放問(wèn)卷230 份，回收有效問(wèn)卷214 份，回收有效率為93.04%。

1.2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。定性資料采用率（%）表示，比較采用χ2檢驗(yàn)。采用Python 3.9.0實(shí)現(xiàn)隨機(jī)森林模型構(gòu)建以及變量重要性解析。采用網(wǎng)格搜索的方式對(duì)隨機(jī)森林進(jìn)行優(yōu)化，主要對(duì)決策樹(shù)數(shù)量、生成最佳森林時(shí)最大特征數(shù)、樹(shù)分裂的最小個(gè)數(shù)、隨機(jī)森林樹(shù)的最大深度、對(duì)特征的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及葉子節(jié)點(diǎn)最少樣本數(shù)6 個(gè)隨機(jī)森林算法中的重要參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)。部分依賴(lài)圖（partial dependence plot，PDP）能夠展現(xiàn)1 個(gè)或2 個(gè)特征變量對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果影響的函數(shù)關(guān)系。本研究使用其對(duì)連續(xù)變量進(jìn)行進(jìn)一步可視化解析。并通過(guò)Python 中的SHAP（Shapley additive explanation）解釋隨機(jī)森林輸出的變量重要性。將隨機(jī)森林算法篩選出的重要變量納入多因素Logistic 回歸分析，使用方差膨脹系數(shù)（variance inflation factor，VIF）檢驗(yàn)變量間是否具有多重共線(xiàn)性，再根據(jù)Logistic 建模結(jié)果分析COPD 病人功能障礙的影響因素。使用受試者工作特征（ROC）曲線(xiàn)下面積（AUC）、靈敏度和特異度對(duì)構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果

2.1 影響簡(jiǎn)明版ICF-COPD 核心集得分的單因素分析

本研究共納入COPD病人214例，男159例（74.3%），女55 例（25.7%）；簡(jiǎn)明版ICF-COPD 核心集在身心功能、身體結(jié)構(gòu)和活動(dòng)與參與3 個(gè)維度的總分為（15.13±8.36）分，使用中位數(shù)對(duì)總分進(jìn)行分組，高分組107 例（50%），低分組107 例（50%）。單因素分析顯示，共有11 個(gè)變量差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見(jiàn)表1。

表1 影響簡(jiǎn)明版ICF-COPD 核心集得分的單因素分析 單位：例

2.2 隨機(jī)森林模型結(jié)果

將11 個(gè)變量放入隨機(jī)森林進(jìn)行分析，并將篩選的重要變量納入Logistic 回歸分析。在隨機(jī)森林中，使用80%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，20%作為測(cè)試集，根據(jù)網(wǎng)格搜索對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，見(jiàn)表2。通過(guò)參數(shù)調(diào)優(yōu)后模型擬合效果有所提升，AUC 值從0.64 提升至0.91，訓(xùn)練出最優(yōu)質(zhì)的模型來(lái)解析影響因素的權(quán)重及作用方式。賦值方式，CAT 得分：＜10 分=0，≥10 分=1；近1年急性加重：無(wú)=0，有=1；e110 個(gè)人消費(fèi)用的用品或物質(zhì)：有利=0，無(wú)利=1；e225 氣候：有利=0，無(wú)利=1；GOLD 分級(jí)（GOLD）：Ⅰ級(jí)=1，Ⅱ級(jí)=2，Ⅲ級(jí)=3，Ⅳ級(jí)=4；合并癥：無(wú)=0，有=1；性別：男=0，女=1；年齡：≤65歲=0，＞65 歲=1；家庭氧療：是=0；否=1；mMRC：低分組=0；高分組=1；COPD 分期：穩(wěn)定期=0；急性加重期=1。

表2 COPD 病人功能障礙隨機(jī)森林模型參數(shù)調(diào)優(yōu)最優(yōu)范圍及最優(yōu)值

對(duì)隨機(jī)森林進(jìn)行SHAP 分析后，使用堆疊的條形圖對(duì)變量的重要性進(jìn)行比較，見(jiàn)圖1。生成最優(yōu)隨機(jī)森林時(shí)最大特征數(shù)為6，分別為CAT 得分、近1 年有無(wú)急性加重、e110“個(gè)人消費(fèi)用的用品或物質(zhì)”、e225“氣候”、有無(wú)合并癥和GOLD 分級(jí)。使用部分依賴(lài)圖解析連續(xù)變量GOLD 分級(jí)對(duì)COPD 病人功能障礙隨機(jī)森林模型的作用，見(jiàn)圖2，結(jié)果顯示，GOLD 分級(jí)越高，COPD 病人嚴(yán)重功能障礙的可能性在不斷上升。

圖1 COPD 病人功能障礙隨機(jī)森林模型變量條形堆疊圖

圖2 COPD 病人功能障礙隨機(jī)森林模型中GOLD 分級(jí)的可視化分析

2.3 多因素Logistic 回歸分析

對(duì)隨機(jī)森林算法篩選出的6 個(gè)變量進(jìn)行多重共線(xiàn)性檢驗(yàn)，所有變量的VIF 值均小于5，不存在多重共線(xiàn)性。將6 個(gè)變量進(jìn)入多因素Logistic 回歸，共有5 個(gè)影響因素（考慮到GOLD 分級(jí)對(duì)COPD 病人的重要影響，故在模型中亦納入）構(gòu)成模型，見(jiàn)表3。該模型ROC 曲線(xiàn)下面積為0.803，靈敏度為74.5%，特異度為76.6%，Hosmer-Lemeshow 擬合優(yōu)度檢驗(yàn)顯示，χ2=14.725，P=0.065，說(shuō)明模型可接受，效果良好。見(jiàn)圖3。

圖3 ROC 曲線(xiàn)

表3 COPD 病人功能障礙影響因素的多因素Logistic 回歸分析

3 討論

3.1 COPD 病人功能障礙現(xiàn)狀

本研究使用簡(jiǎn)明版ICF-COPD 核心集評(píng)價(jià)病人功能障礙得分為（15.13±8.36）分（總分56 分），樣本整體功能障礙水平處于中等偏低的程度，與既往研究結(jié)果[9-10]類(lèi)似，因本研究樣本來(lái)源于多所醫(yī)院，并且包括住院病人與門(mén)診就診病人，滿(mǎn)足較高的樣本多樣性要求。結(jié)果表明，疾病嚴(yán)重程度越高，功能障礙表現(xiàn)得越嚴(yán) 重（GOLD 分 級(jí)，OR=1.474），而 既 往 研 究 表 明COPD 病人的生活狀態(tài)與ICF 反映出的功能障礙密切相關(guān)，所以，深入探究COPD 病人功能障礙的影響因素[11]，以找到合適的切入點(diǎn)控制功能障礙的進(jìn)展尤為重要。

3.2 使用隨機(jī)森林算法結(jié)合Logistic 回歸分析探究影響因素的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于多維、復(fù)雜的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，如何篩選重要特征深入探究影響因素，并使后續(xù)的干預(yù)措施更具有針對(duì)性，是一個(gè)值得深思的問(wèn)題。目前對(duì)于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與新出現(xiàn)的機(jī)器學(xué)習(xí)之間的優(yōu)劣性一直被諸多醫(yī)學(xué)科研工作者廣泛關(guān)注。與既往研究不同的是，本研究先通過(guò)隨機(jī)森林算法篩選重要影響因素，再使用Logistic回歸解析變量的作用程度與方向。隨機(jī)森林作為機(jī)器學(xué)習(xí)的一種，由于其不易受變量共線(xiàn)性影響、運(yùn)行穩(wěn)健、不存在過(guò)擬合等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究中[12]。它可將各自變量對(duì)于因變量預(yù)測(cè)的重要性進(jìn)行展示，有數(shù)據(jù)降維、預(yù)先篩選特征的作用，其生成的重要性評(píng)價(jià)排序結(jié)果可為后續(xù)臨床決策提供參考依據(jù)[13]。本研究使用網(wǎng)格搜索對(duì)隨機(jī)森林的參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，使模型AUC 值從0.64 升高到0.91，從而得到生成森林的最大特征數(shù)為6 個(gè)變量，進(jìn)而篩選出重要的影響因素。而Logistic 回歸分析可以解析模型中變量的作用程度與方向，能彌補(bǔ)隨機(jī)森林算法中只能得出變量權(quán)重，不能知曉作用方向的缺陷。二者結(jié)合可使影響因素的分析更加深入、全面。

3.3 COPD 病人功能障礙的影響因素

3.3.1 CAT 評(píng)分

研究結(jié)果顯示，CAT 得分（≥10 分）較高的病人，功能障礙程度越嚴(yán)重。既往研究指出，功能障礙不僅局限于器官功能，還包括體現(xiàn)病人參與日常生活中活動(dòng)能力的社會(huì)功能[14]。CAT 條目間的相互關(guān)聯(lián)增強(qiáng)了其對(duì)于功能障礙的敏感性，如睡眠不足會(huì)導(dǎo)致病人日常活動(dòng)功能下降、機(jī)體免疫功能與精神狀態(tài)均會(huì)受到負(fù)面影響[15]。無(wú)論是在隨機(jī)森林算法的結(jié)果中還是在Logistic 回歸分析中，CAT 評(píng)分與功能障礙的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度均居首位，并且CAT 評(píng)分是GOLD 指南推薦的評(píng)估COPD 病人生活狀態(tài)的適用工具，因此本研究建議將其作為ICF-COPD 的參考標(biāo)準(zhǔn)，以減小評(píng)定者間差異，從而使功能障礙程度的層次劃分更有依據(jù)。

3.3.2 物品利用障礙

當(dāng)COPD 病人物品利用有障礙時(shí)，會(huì)增加其功能障礙的風(fēng)險(xiǎn)，與既往研究結(jié)果[16]相同?！皞€(gè)人消費(fèi)用的用品或物質(zhì)”具有障礙是指當(dāng)病人在購(gòu)買(mǎi)或利用食物或藥品有障礙。首先，藥品利用障礙可以體現(xiàn)在無(wú)效用藥上，相關(guān)研究結(jié)果表明，僅有27.8%的COPD 病人在長(zhǎng)期用藥過(guò)程中可以正確使用吸入劑[17]，而錯(cuò)誤的使用方式與COPD 臨床結(jié)局惡化顯著相關(guān)[18]。病人使用吸入劑的方法不正確，導(dǎo)致無(wú)效用藥的發(fā)生，進(jìn)一步加重病人的功能障礙。其次，COPD 吸入劑價(jià)格較高、購(gòu)藥取藥困難也會(huì)使藥品利用障礙發(fā)生率較高[19]。不良的用藥情況會(huì)使病人急性加重次數(shù)增多、肺功能下降以及出現(xiàn)更多不可逆性的損害，導(dǎo)致其功能障礙進(jìn)一步加重。

3.3.3 合并癥與反復(fù)的急性加重

本研究表明，近1 年有急性加重史的病人，其功能障礙較高的可能性是沒(méi)有急性加重史病人的2.347倍，與一項(xiàng)多中心研究結(jié)論[20]一致。而當(dāng)COPD 病人同時(shí)合并其他疾病時(shí)會(huì)導(dǎo)致功能障礙的危險(xiǎn)增加。COPD 急性加重的主要原因是感染、空氣污染、氣候以及合并癥等原因[21]。并且由于COPD 病人全身炎癥屬性，也導(dǎo)致其容易合并多種并發(fā)癥[22]。合并癥與急性加重都因?yàn)樵黾恿薈OPD 病人的疾病復(fù)雜程度，進(jìn)而增加了其功能障礙程度。病人每次急性加重都與身體活動(dòng)、骨骼肌功能、運(yùn)動(dòng)耐量和健康相關(guān)生活質(zhì)量的顯著降低有關(guān)，導(dǎo)致肺功能乃至其他器官功能不可逆的損傷[23]。并且，較為嚴(yán)重的急性加重經(jīng)歷往往會(huì)成為病人恐懼外出、社交活動(dòng)減少、家庭參與感降低的主要原因[24]，也會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致病人社會(huì)參與功能障礙愈發(fā)嚴(yán)重。合并癥的產(chǎn)生也會(huì)導(dǎo)致一系列的癥狀負(fù)擔(dān)以及治療的復(fù)雜化，使得呼吸困難程度和衰弱程度增加、運(yùn)動(dòng)能力以及生活質(zhì)量下降[25]。這些都將直接導(dǎo)致COPD 病人功能障礙加重，因此，加強(qiáng)對(duì)COPD 病人合并癥的管理，以及預(yù)防和控制急性加重的出現(xiàn)顯得尤為重要。

3.3.4 GOLD 分級(jí)對(duì)預(yù)測(cè)COPD 病人功能障礙的可視化分析

本研究采用PDP 圖對(duì)隨機(jī)森林模型中的GOLD分級(jí)進(jìn)行可視化分析，發(fā)現(xiàn)隨著GOLD 分級(jí)的升高，COPD 病人功能障礙的可能性升高，且1～2 級(jí)、3～4級(jí)間功能障礙的可能性增長(zhǎng)較為明顯。與Huang 等[26]的研究結(jié)論相同，認(rèn)為COPD 功能障礙程度與GOLD分級(jí)呈正相關(guān)。GOLD1 級(jí)的COPD 病人癥狀相對(duì)較輕，而當(dāng)嚴(yán)重程度變?yōu)镚OLD 2 級(jí)時(shí)癥狀負(fù)擔(dān)明顯升高，對(duì)活動(dòng)的信心與耐受度都大幅受限[27]；GOLD 4 級(jí)與3 級(jí)病人相比，更易出現(xiàn)慢性炎癥感染[28]、肌肉減少癥[29]以及胃腸道癥狀[30],進(jìn)而使功能障礙更為嚴(yán)重。隨著GOLD 分級(jí)的上升，病人的運(yùn)動(dòng)能力會(huì)下降而癥狀負(fù)擔(dān)會(huì)升高，較差的肺功能與呼吸困難會(huì)進(jìn)一步加重心臟負(fù)荷，這些均會(huì)對(duì)病人的日?；顒?dòng)造成較大影響[31-32]。綜上所述，在管理COPD 病人時(shí)，GOLD 1 級(jí)病人的干預(yù)措施需集中在疾病認(rèn)知方面，提高其積極鍛煉的依從性；對(duì)GOLD 3 級(jí)的病人應(yīng)提高自我管理效能，采取有效措施避免急性加重，防止功能障礙進(jìn)一步加重。

4 小結(jié)

本研究依據(jù)簡(jiǎn)明版ICF-COPD 核心集對(duì)病人整體功能障礙情況進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)構(gòu)建隨機(jī)森林模型和Logistic 回歸分析，對(duì)病人功能障礙情況進(jìn)行預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建與影響因素的解析。當(dāng)疾病情況較差及對(duì)生活的影響較大（CAT 評(píng)分≥10 分）、藥物獲取或有效利用存在障礙、具有合并癥、近1 年有急性加重史和GOLD分級(jí)較高時(shí)，COPD 病人功能障礙更嚴(yán)重。提示在COPD 功能障礙預(yù)防與控制中，要重點(diǎn)從上述影響因素入手，進(jìn)行干預(yù)及控制，降低病人癥狀對(duì)生活質(zhì)量的影響，建立有效的取藥就醫(yī)通道，降低病人合并癥及COPD 急性加重的發(fā)生率，減緩病人肺功能下降速度。目前對(duì)于COPD 病人功能障礙關(guān)注相對(duì)較少，后續(xù)研究可從病人健康功能出發(fā)，綜合評(píng)估影響因素的重要性，為COPD 病人的管理及康復(fù)制定更為全面、個(gè)性化的干預(yù)措施。