关键词:
肺部超声
膈肌超声
肺功能测试
机器学习
术前评估
摘要:
目的开发并验证基于床旁肺部超声(lung ultrasound,LUS)与膈肌超声(diaphragm ultrasound,DUS)的可解释机器学习模型,用于术前预测胃肠道肿瘤手术患者的肺功能障碍。方法采用前瞻性研究设计,纳入424例患者(2021年6月至2023年12月)用于模型开发,并在一个独立的101例患者队列(2024年1—12月)上进行外部验证。收集了临床变量、PFTs结果和超声参数(LUS评分、膈肌移动度和增厚分数)。使用3种特征选择方法:Least Absolute Shrinkage and Selection Operator(LASSO)、Support Vector Machine Recursive Feature Elimination(SVM-RFE)、eXtreme Gradient Boosting Recursive Feature Elimination(XGBoost-RFE)筛选关键预测因子。使用5折交叉验证训练和评估了5种机器学习算法。基于AUC、准确度、敏感度、特异度、校准和决策曲线分析评估最佳模型。通过SHapley Additive exPlanations(SHAP)分析模型的可解释性。结果术前肺功能障碍的患病率为36.8%。确定深呼吸时膈肌移动度[diaphragmatic excursion during deep breathing,D-DE(4.26 cm vs.5.05 cm,P<0.001)]、肺部超声评分[LUS score,LUSs(4 vs.1,P<0.001)]和深呼吸时膈肌增厚分数[diaphragmatic thickening fraction during deep breathing,D-DTF(39.83%vs.71.80%,P<0.001)]为关键预测因子。支持向量机(support vector machine,SVM)模型表现出优异的泛化能力,在内部测试集上AUC达到0.867(准确度80.0%,敏感度81.8%,特异度79.4%)。外部验证证实了其稳健性能,AUC为0.934(95%CI:0.881~0.987),准确度为88.0%。SHAP分析显示D-DTF是最有影响力的保护性因素。结论整合了D-DE、LUSs和D-DTF的可解释SVM模型能够准确预测胃肠道肿瘤患者的术前肺功能障碍,为术前风险评估提供了无创、床旁适用的新方法。