基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的數(shù)據(jù)挖掘在超重肥胖患者心臟構(gòu)型超聲數(shù)據(jù)模型中的初步研究

孫婷婷 朱向明 劉冬 張霞 張健

隨著居民生活水平的提高，不健康的生活習(xí)慣與生活方式導(dǎo)致超重肥胖患者呈增多趨勢。近20余年來，我國的肥胖患者數(shù)量亦有明顯上升[1]。研究發(fā)現(xiàn)體重的增加可致受檢者心臟腔徑增大、室壁增厚等，而體重指數(shù)（body mass index，BMI）影響其變化的程度[2－3]。目前主要通過測量心臟腔徑大小、心室壁厚度、心肌質(zhì)量等指標(biāo)來評估心臟構(gòu)型，而評價指標(biāo)及影響因素之間的關(guān)聯(lián)未被全面系統(tǒng)分析與研究。數(shù)據(jù)挖掘（data mining，DM）技術(shù)指利用各種分析工具從海量數(shù)據(jù)中提取出隱含但有價值信息的過程。本研究利用DM中的關(guān)聯(lián)規(guī)則（Apriori算法）在超重肥胖患者心臟構(gòu)型參數(shù)與臨床各項信息中建立關(guān)聯(lián)，優(yōu)選出反映心臟構(gòu)型變化的特征性指標(biāo)及相關(guān)影響因素，以期對超重肥胖患者心臟構(gòu)型變化的早期檢測、早期預(yù)防及早期干預(yù)有所指導(dǎo)，現(xiàn)報道如下。

1 對象和方法

1.1 研究對象 根據(jù)中國肥胖問題工作組建議中提出的診斷標(biāo)準(zhǔn)，BMI在18.5~24kg/m2為正常體重，BMI在24~27.9kg/m2為超重，BMI＞27.9kg/m2為肥胖[4]。選取 2015 年12月至2019年2月在弋磯山醫(yī)院（132例）及浙江省人民醫(yī)院（80例）就診的超重肥胖患者與正常體重受檢者共212例作為本次研究的對象，其中男108例，女104例，正常體重69例，超重84例，肥胖59例。排除先天性心臟病患者、心臟瓣膜病、心肌病等因心臟本身疾病使心臟構(gòu)型產(chǎn)生嚴(yán)重變化的患者，糖尿病、高血壓患者等已證實(shí)對心臟構(gòu)型產(chǎn)生影響的慢性病患者亦排除在外。

1.2 儀器設(shè)備與分析工具 PHILIPSiE33及EPIQ7C彩色多普勒超聲心動圖儀（荷蘭飛利浦公司產(chǎn)品），S5-1探頭，探頭頻率3.5-5MHz；超聲工作站配置Qlab定量分析軟件，身高體重計。用戶數(shù)據(jù)分析工具使用Microsoft Excel 2007，數(shù)據(jù)挖掘工具為Weka Explorer。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)的獲取與心臟構(gòu)型數(shù)據(jù)庫的建立 在醫(yī)院信息及實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中獲取受檢者的姓名、性別、血壓、心率、血糖、血脂等臨床信息。詢問每位受檢者的肥胖病程，嚴(yán)格測量身高、體重并記錄。按照規(guī)范化的取圖標(biāo)準(zhǔn)獲取心臟構(gòu)型的超聲各項數(shù)據(jù)，如收縮期末左心房前后徑（left atrial diameter，LAD）、左心室前后徑（left ventricular diameter，LVD）、左心房面積（left atrial area，LAA）、左心房容積（left atrial volume，LAV）、左心室心肌重量（left ventricular mass，LVM）等。將獲取的受檢者臨床信息及心臟構(gòu)型數(shù)據(jù)構(gòu)建成一個心臟構(gòu)型數(shù)據(jù)庫。

1.3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理 預(yù)處理包括數(shù)據(jù)清洗、集成、轉(zhuǎn)換。離散化處理作為預(yù)處理中最重要的一個環(huán)節(jié)，是將連續(xù)性的數(shù)值轉(zhuǎn)換成適合關(guān)聯(lián)挖掘的形式。正常值范圍采用我們目前對正常人研究診斷出的參考范圍，年齡（age）的離散值分為 Y（＜30歲）、M（30～60歲）、O（＞60歲），LAD的離散值分為 S（＜23mm）、M（23~38mm）、L（＞38mm）（在數(shù)據(jù)挖掘過程中可以根據(jù)挖掘目標(biāo)的需要進(jìn)行修正），具體離散化處理見表1。

1.3.3 關(guān)聯(lián)規(guī)則（Apriori算法） 一條關(guān)聯(lián)規(guī)則可表述為M==>N的形式，前者為條件，后者為結(jié)果。

1.3.3.1 關(guān)聯(lián)規(guī)則強(qiáng)度的衡量標(biāo)準(zhǔn) 置信度（confidence）與支持度（support）[5]。置信度表示M在包含N的事務(wù)中出現(xiàn)的頻率；支持度表示M與N在整個事務(wù)庫中同時出現(xiàn)的頻率。置信度代表關(guān)聯(lián)規(guī)則的可信度，支持度代表規(guī)則的重要性。

表1 臨床與心臟常規(guī)測量指標(biāo)離散化處理表

1.3.3.2 關(guān)聯(lián)規(guī)則過程 （1）設(shè)定最小支持度與置信度（本實(shí)驗(yàn)暫且將支持度定為0.1，置信度定為0.5）；（2）發(fā)現(xiàn)頻繁項集（掃描、找出大于最小支持度的項集）；（3）提取有效關(guān)聯(lián)規(guī)則（在頻繁項集中找出大于最小置信度的項集）。

1.3.4 建立心臟構(gòu)型超聲數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則模型 見圖1。

圖1 心臟構(gòu)型超聲數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則模型

由圖1可見，挖掘流程如下：（1）讀入訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理，（3）數(shù)據(jù)挖掘并提取有效規(guī)則，（4）用測試數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則匹配，（5）模型驗(yàn)證，（6）輸出結(jié)果。

2 結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果 原始數(shù)據(jù)經(jīng)清洗、集成、離散化等預(yù)處理后，將數(shù)據(jù)記錄表轉(zhuǎn)換為事務(wù)數(shù)據(jù)庫之后可以直接對其挖掘，見表2。

2.2 關(guān)聯(lián)規(guī)則的建立與提取結(jié)果

2.2.1 超重肥胖患者心臟構(gòu)型指標(biāo)有效關(guān)聯(lián)規(guī)則 本次研究主要是針對超重肥胖患者進(jìn)行，首先將BMI=L及BMI=XL定為目標(biāo)關(guān)聯(lián)項目，逐個與心臟構(gòu)型的各項指標(biāo)關(guān)聯(lián)項目建立關(guān)聯(lián)，得到關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘結(jié)果，見表3。

表2 超重肥胖患者心臟構(gòu)型交易事務(wù)表

表3 超重肥胖患者心臟構(gòu)型指標(biāo)有效關(guān)聯(lián)規(guī)則

由表3可見，超重肥胖患者BMI=L、BMI=XL與LAD=L、LAA=L、LAV=L、LVM=L形成強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，故超重肥胖患者心臟結(jié)構(gòu)改變的特征性指標(biāo)為LAD、LAA、LAV及LVM。

2.2.2 超重肥胖患者臨床指標(biāo)有效關(guān)聯(lián)規(guī)則 將特征性指標(biāo)定為目標(biāo)關(guān)聯(lián)項目，逐一與臨床指標(biāo)建立關(guān)聯(lián)，在關(guān)聯(lián)結(jié)果中提取有效關(guān)聯(lián)規(guī)則，見表4。

由表4可見，超重肥胖患者心臟結(jié)構(gòu)特征性指標(biāo)與臨床指標(biāo)如age、fatyear、BMI形成強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，故超重肥胖患者的心臟結(jié)構(gòu)改變的相關(guān)影響因素為年齡、肥胖時間、肥胖程度。

表4 超重肥胖患者臨床指標(biāo)有效關(guān)聯(lián)規(guī)則

3 討論

3.1 關(guān)聯(lián)規(guī)則在醫(yī)療DM中的應(yīng)用 關(guān)聯(lián)規(guī)則是DM的經(jīng)典算法之一，目前已應(yīng)用于包括醫(yī)學(xué)在內(nèi)的多種領(lǐng)域。其作用有：（1）檢驗(yàn)DM行業(yè)內(nèi)長期形成的數(shù)據(jù)知識模式；（2）發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間隱藏的新的關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)規(guī)則在醫(yī)療大數(shù)據(jù)中建立關(guān)聯(lián)并提取有效規(guī)則，從而發(fā)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)中隱藏的關(guān)聯(lián)信息，有利于疾病的診斷。關(guān)聯(lián)規(guī)則在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用上國內(nèi)外已經(jīng)有專家探索并取得成果。

Imberman等[6]在眾多頭部受創(chuàng)患者中收集信息，在收集的各項數(shù)據(jù)中建立關(guān)聯(lián)規(guī)則，找出頭部受創(chuàng)患者CT檢查的適應(yīng)證。程遠(yuǎn)[7]利用關(guān)聯(lián)規(guī)則研究2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）與冠心病、高血脂、高血壓這幾種并發(fā)癥之間的關(guān)系，對比T2DM與3種并發(fā)癥關(guān)聯(lián)的支持度與置信度，證實(shí)高血壓是T2DM關(guān)系最密切的并發(fā)癥。國內(nèi)亦有研究人員通過挖掘患者的疾病及癥狀有用信息，建立潛在于疾病與癥狀之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則。所以，關(guān)聯(lián)規(guī)則在醫(yī)療領(lǐng)域DM中展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。

3.2 超重肥胖患者心臟結(jié)構(gòu)改變的特征性指標(biāo) 超重肥胖患者心臟結(jié)構(gòu)改變的機(jī)制為機(jī)體為適應(yīng)脂質(zhì)堆積與體重上升的狀態(tài)，全身血管阻力下降，心輸出量、循環(huán)血量、心室壁張力出現(xiàn)適應(yīng)性增加，導(dǎo)致左心房回心血增多，容量負(fù)荷持續(xù)過重最終可引起左心房增大。

國內(nèi)有研究對體重變化引起左心房腔徑變化進(jìn)行了證實(shí)。周自強(qiáng)等[8]選取187例正常體重受檢者與289例超重肥胖患者作為研究對象，測量各項心臟結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對BMI與LAV行相關(guān)性分析，顯示兩者成正相關(guān)，且BMI是LAV變化的獨(dú)立危險因素。

有研究者對比分析了30例肥胖，45例超重以及25例正常體重受檢者的心臟結(jié)構(gòu)參數(shù)，超重肥胖患者相較于正常體重受檢者左心房腔徑變大，心室壁增厚，LVM 不同程度增加[9]。BMI=L（24≥BMI＞27.9）及 BMI=XL（BMI＞27.9）在本次實(shí)驗(yàn)中被定為目標(biāo)關(guān)聯(lián)項目，分別與各心臟結(jié)構(gòu)參數(shù)建立關(guān)聯(lián)。在表3中提取有效關(guān)聯(lián)規(guī)則編號1、2可以看出，BMI=L、BMI=XL與LAD=L建立起強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，規(guī)則表示超重肥胖患者收縮期末LAD傾向于增大且均具有較高的可信度（編號1為60%，編號2為71%），同樣編號3、4、5、6等得出的關(guān)聯(lián)結(jié)果顯示超重與肥胖患者LAA、LAV及LVM傾向于增大亦具有較高的可信度。

綜合表3中的關(guān)聯(lián)結(jié)果，收縮期末LAD、LAA、LAV以及LVM能與BMI=L及BMI=XL目標(biāo)關(guān)聯(lián)項目建立強(qiáng)關(guān)聯(lián)，可見在超重肥胖患者人群中，心臟結(jié)構(gòu)早期改變較明顯的主要是左心房大小、LVM。

本次研究中，超重肥胖患者左心房大小、LVM的變化與以往研究相符。但由于研究處于關(guān)聯(lián)規(guī)則初步研究階段，樣本數(shù)量較少，并未發(fā)現(xiàn)BMI與室壁厚度、左心室腔徑變化的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，這與以往某些研究結(jié)果不相符，但亦可能是關(guān)聯(lián)規(guī)則在尋找心臟結(jié)構(gòu)改變的特征性指標(biāo)方面比其他統(tǒng)計學(xué)方法更有優(yōu)勢、更敏感。

3.3 超重肥胖患者心臟結(jié)構(gòu)改變的影響因素 為能實(shí)行對超重肥胖患者心臟構(gòu)型改變的早期預(yù)防及干預(yù)，需要進(jìn)一步利用關(guān)聯(lián)規(guī)則發(fā)現(xiàn)心臟結(jié)構(gòu)改變的影響因素。故在本次實(shí)驗(yàn)中，將表3中找出的特征性指標(biāo)如左心房內(nèi)徑、LAA與受檢者臨床基本信息逐一建立關(guān)聯(lián)，并提取有效關(guān)聯(lián)規(guī)則。由表4中編號1、2可以看出，age=Y與LAD=N，age=O與LAD=L分別建立起強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，證明超重肥胖患者年齡越小，LAD偏向于正常（置信度為94%），超重肥胖患者年齡越大，LAD偏向于增大（72%）。由上述規(guī)則得出，年齡可能為超重肥胖患者心臟結(jié)構(gòu)改變的重要影響因素。肥胖程度和年齡是影響心臟改變的因素已被董靜[10]通過對不同年齡段超重肥胖患者心臟結(jié)構(gòu)對比研究中證實(shí)。

但與以往多數(shù)研究不同的是，本次實(shí)驗(yàn)將肥胖病程（fatyear）作為關(guān)聯(lián)項目之一，由表3、4提取的關(guān)聯(lián)規(guī)則發(fā)現(xiàn)，當(dāng)fatyear＜10年，LAA偏向于正常具有較高的可信度（79%），fatyear＞20年，LAA偏向于增大可信度較高（70%），故fatyear是影響心臟結(jié)構(gòu)改變另一個重要的影響因素。綜合表3、4中的規(guī)則，初步認(rèn)為超重與肥胖患者心臟結(jié)構(gòu)改變的影響因素主要有：年齡、肥胖程度、肥胖病程。本次肥胖病程這一影響因素的發(fā)現(xiàn)，可以及早告知肥胖患者通過運(yùn)動、控制飲食等方式控制體重從而來防止心臟結(jié)構(gòu)、功能的進(jìn)一步改變。另外，進(jìn)一步說明關(guān)聯(lián)規(guī)則能更加全面地尋找影響因素，若加大樣本量，則更多隱含的影響因素能被發(fā)現(xiàn)。

綜上，數(shù)據(jù)挖掘能在大量的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱含的、易被忽視的關(guān)聯(lián)信息，對于超重肥胖患者心臟構(gòu)型變化及影響因素的早期發(fā)現(xiàn)、檢測及預(yù)防具有重要意義。