基于胸腔積液腫瘤標(biāo)志物的PLS-DA和ANN-MPL模型對(duì)肺癌的診斷價(jià)值分析

田剛，周明術(shù)，宋敏，杭永倫，王開(kāi)正，劉靳波

（瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院檢驗(yàn)科，瀘州 646000）

惡性胸腔積液是由惡性腫瘤累及胸膜或胸膜本身腫瘤所致。目前，肺癌仍然是引起惡性胸腔積液的首要病因，臨床上約15.0%的肺癌患者首發(fā)癥狀為胸腔積液［1］。由于多數(shù)患者胸腔積液癥狀明顯而原發(fā)病灶不典型，故胸腔積液良惡性的鑒別較困難。聯(lián)合檢測(cè)胸腔積液腫瘤標(biāo)志物可以提高診斷的靈敏度、特異性和陽(yáng)性率，但如何利用已知數(shù)據(jù)建立診斷模型并對(duì)未知患者進(jìn)行預(yù)測(cè)就顯得更加困難。本文以肺癌患者為例，分別采用偏最小二乘判別分析（partial-least-squares discriminant analysis，PLSDA）線性模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多層感知（artificial neural network-multiplayer perceptron，ANNMPL）非線性模型對(duì)4種胸腔積液腫瘤標(biāo)志物建模，以期建立一種簡(jiǎn)便、實(shí)用的診斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)肺癌和其它肺部非腫瘤疾病的快速鑒別診斷。

1 資料和方法

1.1 臨床資料

選取2010年1月～2013年2月在瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院病理或細(xì)胞學(xué)證實(shí)的53例肺癌患者作為肺癌組，肺癌組平均年齡（62.1±13.6）歲，男性46例，女性7例，其中鱗癌17例，腺癌30例，小細(xì)胞肺癌6例。包括局限期（limited-stage disease，LD）42 例，廣泛期 （extensive-stage disease，ED）11例。52例其它肺部疾病作為對(duì)照，對(duì)照組平均年齡為（54.8±20.5）歲，包括肺結(jié)核27例，慢性支氣管炎11例，肺炎4例，肺纖維化2例，糖尿病2例，心肌病5例，系統(tǒng)性紅斑狼瘡1例。

1.2 胸水癌胚抗原（CEA）、神經(jīng)元特異性烯醇化酶（NSE），細(xì)胞角蛋白19片段（CYFRA21-1）和CA125的測(cè)定

所有患者入院治療處理前在無(wú)菌條件下抽取胸腔積液，標(biāo)本采集后2h內(nèi)送至檢驗(yàn)科，3 000g離心10min后取上清液測(cè)定。采用電化學(xué)發(fā)光免疫分析儀 （Elecsys 2010）及 配 套 CEA、NSE、CYFRA21-1和CA125定量測(cè)定試劑盒對(duì)樣本進(jìn)行測(cè)定。由于尚未建立健康人群胸水腫瘤標(biāo)志物的參考范圍，仍沿用血清腫瘤標(biāo)志物的參考范圍。CEA、NSE、CYFRA21-1和CA125的參考值范圍分別為（0～3.4）ng/mL、（0～35.0）μg/mL、（0～3.3）ng/mL和（0～15.2）ng/mL。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

胸水中 CEA、NSE、CYFRA21-1和 CA125的濃度均成偏態(tài)分布，以中位數(shù)和四分位數(shù)間距［M（P25～P75）］表示，完全隨機(jī)化設(shè)計(jì)兩獨(dú)立樣本的秩和檢驗(yàn)與受試者工作特征曲線（receive operating characteristic curve，ROC），采用SPSS 17.0進(jìn)行分析，采用SIMCAP 12.0軟件進(jìn)行PLS-DA分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義PLS-DA分析。

2 結(jié)果

2.1 肺癌和其它肺部良性疾病患者的秩和檢驗(yàn)

肺癌和其它肺部疾病患者比較（見(jiàn)表1），肺癌組胸腔積液中 CEA、NSE、CYFRA21-1和 CA125水平均高于對(duì)照組（Z值分別為-8.78、-1.54、-4.91和-2.96），肺癌組胸腔積液中CEA、CYFRA21-1和CA125水平變化差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）。

表1 肺癌組和對(duì)照組胸腔積液中CEA、NSE、CYFRA21-1和CA125測(cè)定值（［M（P25～P75）］）

2.2 肺癌和其它肺部疾病患者PLS-DA模型的建立

PLS-DA模型是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過(guò)最小化誤差平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳匹配函數(shù)，建立線性診斷模型。利用PLS-DA模型對(duì)個(gè)體屬性進(jìn)行判斷，可見(jiàn)對(duì)照組個(gè)體聚類(lèi)較好，而肺癌患者個(gè)體差異大，分布較分散，兩組個(gè)體不能完全鑒別（見(jiàn)圖1）。在PLS-DA模型中，采用內(nèi)代法隨機(jī)選取10%的個(gè)體進(jìn)行預(yù)測(cè)驗(yàn)證，該模型的靈敏度、特異性、準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)能力分別為58.5%、98.1%、78.1%和84.6%。

2.3 肺癌和其它肺部疾病患者的ROC曲線分析

ROC曲線是一種全面、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)診斷試驗(yàn)的工具，ROC曲線下面積（area under the ROC curve，AUC）是反映診斷試驗(yàn)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵指標(biāo)，通常認(rèn)為其取值在0.70～0.90時(shí)具有中等的診斷準(zhǔn)確性，而＞0.90時(shí)診斷的準(zhǔn)確性較高［2］。肺癌和其它肺部疾病患者的ROC曲線分析（見(jiàn)圖2）。4種腫瘤標(biāo)志物中CEA、CA125、CYFRA21-1和 NSE的ROC曲線下面積（AUC）分別為0.990、0.668、0.778和0.587。

圖1 肺癌組和對(duì)照組胸腔積液中檢測(cè)CEA、NSE、CYFRA21-1和CA125診斷肺癌的PLS-DA得分散點(diǎn)圖

圖2 胸腔積 液 中 測(cè)定 CEA、NSE、CYFRA21-1 和CA125診斷肺癌的ROC曲線圖

2.4 肺癌和其它肺部疾病患者ANN-MPL的ROC曲線的建立

ANN模型是一種模擬人腦運(yùn)行的智能化處理系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)挖掘中應(yīng)用廣泛。MPL模型是ANN中常見(jiàn)的方法，MPL通過(guò)多層感知器來(lái)擬合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，適用于一個(gè)或多個(gè)因變量的數(shù)據(jù)建模。以胸腔積液中 CEA、NSE、CYFRA21-1和CA125數(shù)據(jù)建立ANN-MPL模型，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，通過(guò)自動(dòng)設(shè)置輸入層、隱含層和輸出層獲得最佳診斷模型，計(jì)算出輸入層、隱含層和輸出層分別為4、1、2。該模型隨機(jī)選取60%樣本作為訓(xùn)練集，40%樣本作為測(cè)試集，訓(xùn)練時(shí)間僅為0∶00∶00.047，交叉熵錯(cuò)誤為6.03，百分比錯(cuò)誤預(yù)測(cè)值為7.1%。其訓(xùn)練集模型的靈敏度、特異性和準(zhǔn)確性分別為93.9%、100.0%和96.8%。在預(yù)測(cè)模型中其靈敏度和特異性分別為90.0%、95.5%，具有92.9%的預(yù)測(cè)正確率，該模型中聯(lián)合測(cè)定胸水CEA、NSE、CYFRA21-1和CA125水平的AUC達(dá)到0.997（見(jiàn)圖3）。

圖3 胸腔積液中測(cè)定 CEA、NSE、CYFRA21-1和CA125診斷肺癌的ANN-MPL-ROC曲線圖

3 討論

肺癌是全世界最常見(jiàn)、導(dǎo)致死亡人數(shù)最多的惡性腫瘤之一［3］，目前肺癌的5年生存率僅有15%，但早期診斷的肺癌患者其5年生存率可達(dá)到85%［4］。腫瘤標(biāo)志物的檢測(cè)可為肺癌的早期診斷和治療提供重要依據(jù)。CEA可由肺腺癌細(xì)胞直接產(chǎn)生，因此，肺癌患者血清或胸腔積液中CEA水平可顯著升高［5］。本研究中肺癌組約60%的患者為肺腺癌，故CEA在肺癌患者胸腔積液中水平顯著升高（P＜0.01）。CYFRA21-1是細(xì)胞角蛋白19的片段，當(dāng)細(xì)胞死亡或惡變時(shí)其血清或胸水中CYFRA21-1可顯著升高，而CA125是卵巢癌常見(jiàn)的腫瘤標(biāo)志物。近年來(lái)研究［6］發(fā)現(xiàn)，CA125對(duì)肺癌的診斷和預(yù)后具有一定的價(jià)值，CA125作為一個(gè)獨(dú)立指標(biāo)，不受腫瘤大小、分期、組織類(lèi)型和年齡分期的影響。本研究發(fā)現(xiàn)肺癌患者胸腔積液中CEA、CYFRA21-1和CA125水平明顯高于其它肺部良性疾病，與周明術(shù)等［7］的報(bào)告一致。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)胸腔積液腫瘤標(biāo)志物的ROC曲線中CEA和CYFRA21-1的AUC均＞0.70，其中CEA的AUC達(dá)到0.99，提示胸腔積液中CEA對(duì)肺癌的鑒別診斷具有較高的準(zhǔn)確性。NSE是小細(xì)胞性肺癌較理想的標(biāo)志物，研究發(fā)現(xiàn)NSE對(duì)小細(xì)胞性肺癌的診斷具有較高的靈敏度（83.0%～92.0%）和特異性（92.9%）［8］。本 研 究 發(fā) 現(xiàn) 肺 癌 患 者 胸 腔 積 液 中NSE水平高于對(duì)照組，但差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能與肺癌組中非小細(xì)胞性肺癌患者數(shù)量較少有關(guān)。

研究表明，肺惡性腫瘤患者胸腔積液中可檢出比血清更高濃度的腫瘤分子標(biāo)志物［9］。由于各種腫瘤分子標(biāo)志物在良惡性胸腔積液時(shí)其水平各不相同，故多采用腫瘤標(biāo)志物聯(lián)合檢測(cè)以提高肺癌診斷的陽(yáng)性率［10］。盡管如此，但聯(lián)合檢測(cè)多種腫瘤標(biāo)志物時(shí)單一指標(biāo)絕對(duì)的升高和降低對(duì)結(jié)果的判定影響很大，同時(shí)由于胸水腫瘤標(biāo)志物的參考范圍尚未確定，充分挖掘數(shù)據(jù)信息建立診斷模型并對(duì)未知患者進(jìn)行合理預(yù)測(cè)就顯得尤為重要。線性和非線性建模是目前常用的兩類(lèi)數(shù)據(jù)處理模式，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理［（測(cè)定值－均值）/標(biāo)準(zhǔn)差］以消除量綱的影響。PLS-DA模型是常見(jiàn)的線性判別模式，本研究發(fā)現(xiàn)，盡管該模型具有很高的特異性（98.1%）、較高的準(zhǔn)確性（78.1%）和預(yù)測(cè)能力（84.6%），但靈敏度較低（58.5%），提示本例數(shù)據(jù)不太適合PLS-DA線性建模分析，4種腫瘤標(biāo)志物可能與肺癌的最終診斷沒(méi)有明顯的線性相關(guān)性。相反，采用ANNMPL非線性模型其靈敏度、特異性和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性均在90.0%以上，ANN-MPL非線性數(shù)據(jù)擬合模型更適合本例數(shù)據(jù)，利用ANN-MPL模型建模能夠挖掘出更多隱含信息。聯(lián)合測(cè)定胸水中CEA、NSE、CYFRA21-1和CA125的ANN-MPL模型的AUC達(dá)到0.997，提示ANN-MPL模型是一種很可靠的數(shù)據(jù)處理模式，有助于肺癌患者胸水的良惡性鑒別。

由于海量數(shù)據(jù)不斷產(chǎn)生，只有合理的數(shù)據(jù)挖掘和有效利用才能為臨床醫(yī)生提供更多有益信息，本文以肺癌患者4種胸水腫瘤標(biāo)志物建模對(duì)比分析體現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)處理模型的重要性。由于健康人無(wú)法獲取胸腔積液也尚未建立其參考范圍，采用PLS-DA線性和ANN-MPL非線性模型以綜合指標(biāo)建立診斷和預(yù)測(cè)模型，從另一個(gè)角度揭示聯(lián)合檢測(cè)胸腔積液腫瘤標(biāo)志物對(duì)肺癌的診斷價(jià)值。當(dāng)然，最佳數(shù)據(jù)處理模式的獲取和強(qiáng)大專(zhuān)家診斷系統(tǒng)的建立需要海量的數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。只有確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和大量臨床實(shí)踐對(duì)模型的后期驗(yàn)證和評(píng)估，才能為肺癌和其它腫瘤的早期診斷、分型，預(yù)后評(píng)估以及個(gè)體化靶向治療提供依據(jù)，最終更好地服務(wù)于臨床，服務(wù)于患者。

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