重型颅脑损伤术后脑膨出的风险预测模型构建

doi:10.3877/cma.j.issn.2095-9141.2024.06.007

目的

分析重型颅脑损伤（sTBI）患者术后脑膨出发生的危险因素，并通过随机森林算法构建sTBI术后脑膨出发生的风险预测模型。

方法

回顾性收集解放军联勤保障部队第九〇一医院康复科自2020 年3 月至2023 年6 月行手术治疗的180 例sTBI 患者为研究对象，作为建模组。根据患者术后是否发生脑膨出将其分为脑膨出组和非脑膨出组，采用多因素Logistic回归分析sTBI患者术后脑膨出发生的危险因素，运用R 软件建立预测sTBI 患者术后脑膨出发生的随机森林模型。同时收集我院自2023年7月至2024年4月收治的78例sTBI患者作为验证组，验证随机森林模型的准确性。

结果

在180例sTBI患者中，术后有104例sTBI患者术后发生了脑膨出（脑膨出组），76 例sTBI 患者术后未发生脑膨出（非脑膨出组），术后脑膨出发生率为57.78%（104/180）。脑膨出组和非脑膨出组患者术前颅内压、术前GCS 评分、受伤到手术时间、未人工硬膜减张缝合、使用弹力泳帽、迟发型出血等资料比较，差异有统计学意义（P＜0.05）。多因素Logistic回归分析显示，术前颅内压＞60 mmHg、术前GCS 评分3～5 分、受伤到手术时间＞6 h、未人工硬膜减张缝合、未使用弹力泳帽、迟发型出血均是sTBI患者术后并发脑膨出的独立危险因素（P＜0.05）。随机森林分析结果显示，预测sTBI患者术后脑膨出的相对重要预测因子依次排序为术前GCS评分、受伤到手术时间、未人工硬膜减张缝合、术前颅内压、迟发型出血、使用弹力泳帽；基于上述因素构建的sTBI 患者术后脑膨出的随机森林模型AUC 值为0.850（灵敏度为78.85%，特异度为78.95%），高于多因素Logistic回归模型（AUC=0.811），差异有统计学意义（Z=2.296，P=0.022）。进一步对模型进行外部验证发现，验证组的AUC 值、特异度和灵敏度依次为0.838、81.40%和74.36%，与建模组的AUC 相接近，均为中等预测效能（Z=0.740，P=0.460）。

结论

sTBI 患者术后脑膨出的影响因素排序依次为术前GCS评分、受伤到手术时间、未人工硬膜减张缝合、术前颅内压、迟发型出血、使用弹力泳帽，基于此构建的随机森林模型具有较好的风险预测效能。

关键词: 重型颅脑损伤, 术后脑膨出, 影响因素, 风险预测, 随机森林

Objective

To analyze the risk factors of postoperative encephalocele in patients with severe traumatic brain injury （sTBI）， and to construct a risk prediction model for postoperative encephalocele using random forest algorithm.

Methods

One hundred and eighty patients with sTBI who underwent surgical treatment from March 2020 to June 2023 in Rehabilitation Department of the 901^st Hospital of the PLA Joint Logistic Support Force were retrospectively collected as the research objects and used as the modeling group. The patients were divided into the encephalocele group and the nonencephalocele group according to whether they developed encephalocele after surgery. Multivariate Logistic regression was used to analyze the risk factors of postoperative encephalocele in patients with sTBI， and R software was used to establish a random forest model to predict the occurrence of postoperative encephalocele in patients with sTBI. At the same time， 78 patients with sTBI admitted to our hospital from July 2023 to April 2024 were collected as the verification group to verify the accuracy of the random forest model.

Results

Among 180 patients with sTBI， 104 patients with sTBI had postoperative encephalocele （encephalocele group）， and 76 patients with sTBI did not have postoperative encephalocele （non-encephalocele group）， and the incidence of postoperative encephalocele was 57.78%（104/180）. There were significant differences in preoperative intracranial pressure， preoperative GCS score， time from injury to operation， no artificial dural relaxation suture， use of elastic swimming cap and delayed hemorrhage between the encephalocele group and the non - encephalocele group （P＜0.05）.Multivariate Logistic regression analysis showed that preoperative intracranial pressure ＞60 mmHg，preoperative GCS score 3-5 points，time from injury to operation ＞6 h，no artificial dural relaxation suture，no use of elastic swimming cap， and delayed hemorrhage were all independent risk factors for postoperative encephalocele in sTBI patients （P＜0.05）. The results of random forest analysis showed that the relative important predictors of postoperative encephalocele in sTBI patients were， in order，preoperative GCS score， time from injury to operation， no artificial dural relaxation suture， preoperative intracranial pressure， delayed hemorrhage， and use of elastic swimming cap. Based on the above factors，the AUC value of the random forest model for postoperative encephalocele in sTBI patients was 0.850（sensitivity 78.85%，specificity 78.95%），which was higher than that of the multivariate Logistic regression model （AUC=0.811）， and the difference was statistically significant （Z=2.296， P=0.022）. Further external verification of the model found that， The AUC value， specificity and sensitivity of the verification group were 0.838， 81.40% and 74.36%， respectively， which were close to the AUC of the modeling group， with medium prediction efficiency （Z=0.740，P=0.460）.

Conclusion

The influencing factors of postoperative encephalocele in sTBI patients were in order of preoperative GCS score， time from injury to operation， no artificial dural relaxation suture，preoperative intracranial pressure，delayed hemorrhage，and use of elastic swimming cap.The random forest model constructed in this study has a good risk prediction efficiency.

Key words: Severe traumatic brain injury, Postoperative encephalocele, Influencing factors, Risk prediction, Random forest

表1 脑膨出组和非脑膨出组患者的临床资料对比

Tab.1 Comparison of clinical data between the encephalocele group and the non-encephalocele group

项目	脑膨出组（n=104）	非脑膨出组（n=76）	t/χ²值	P值
性别［例（%）］			0.641	0.423
男性	65（62.50）	43（56.58）
女性	39（37.50）	33（43.42）
年龄（岁， $\overset{ˉ}{x}$ ±s）	47.34±8.62	45.27±9.04	1.559	0.121
体质量指数（kg/m²， $\overset{ˉ}{x}$ ±s）	22.84±2.16	22.37±2.21	1.428	0.155
居住地［例（%）］			0.043	0.835
农村	55（52.88）	39（51.32）
城镇	49（47.12）	37（48.68）
文化程度［例（%）］			0.250	0.617
初中及以上	44（42.31）	35（46.05）
初中以下	60（57.69）	41（53.95）
抽烟［例（%）］	43（41.35）	31（40.79）	0.006	0.940
饮酒［例（%）］	50（48.08）	33（43.42）	0.383	0.536
糖尿病［例（%）］	14（13.46）	9（11.84）	0.103	0.748
高血压［例（%）］	24（23.08）	13（17.11）	0.959	0.327
术前颅内压［例（%）］			10.677	0.001
＞60 mmHg	51（49.04）	19（25.00）
≤60 mmHg	53（50.96）	57（75.00）
术前低血压［例（%）］	23（22.12）	10（13.16）	2.353	0.125
术前GCS评分［例（%）］			9.400	0.002
6～8分	43（41.35）	49（64.47）
3～5分	61（58.65）	27（35.53）
脑干损伤［例（%）］	39（37.50）	19（25.00）	3.142	0.076
受伤到手术时间［例（%）］			10.718	0.001
＞6 h	64（61.54）	28（36.84）
≤6 h	40（38.46）	48（63.16）
致病原因［例（%）］			0.141	0.932
高空坠落	31（29.81）	21（27.63）
车祸	49（47.12）	36（47.37）
其他原因	24（23.08）	19（25.00）
合并多发伤［例（%）］	53（50.96）	35（46.05）	0.423	0.515
未人工硬膜减张缝合［例（%）］	39（37.50）	12（15.79）	10.193	0.001
基底池消失［例（%）］	42（40.38）	24（61.58）	1.466	0.226
使用弹力泳帽［例（%）］	77（74.04）	68（89.47）	6.679	0.010
脑积水［例（%）］	34（32.69）	20（26.32）	0.850	0.356
迟发型出血［例（%）］	48（46.15）	18（23.68）	9.547	0.002

表1 脑膨出组和非脑膨出组患者的临床资料对比

Tab.1 Comparison of clinical data between the encephalocele group and the non-encephalocele group

项目	脑膨出组（n=104）	非脑膨出组（n=76）	t/χ²值	P值
性别［例（%）］			0.641	0.423
男性	65（62.50）	43（56.58）
女性	39（37.50）	33（43.42）
年龄（岁， $\overset{ˉ}{x}$ ±s）	47.34±8.62	45.27±9.04	1.559	0.121
体质量指数（kg/m²， $\overset{ˉ}{x}$ ±s）	22.84±2.16	22.37±2.21	1.428	0.155
居住地［例（%）］			0.043	0.835
农村	55（52.88）	39（51.32）
城镇	49（47.12）	37（48.68）
文化程度［例（%）］			0.250	0.617
初中及以上	44（42.31）	35（46.05）
初中以下	60（57.69）	41（53.95）
抽烟［例（%）］	43（41.35）	31（40.79）	0.006	0.940
饮酒［例（%）］	50（48.08）	33（43.42）	0.383	0.536
糖尿病［例（%）］	14（13.46）	9（11.84）	0.103	0.748
高血压［例（%）］	24（23.08）	13（17.11）	0.959	0.327
术前颅内压［例（%）］			10.677	0.001
＞60 mmHg	51（49.04）	19（25.00）
≤60 mmHg	53（50.96）	57（75.00）
术前低血压［例（%）］	23（22.12）	10（13.16）	2.353	0.125
术前GCS评分［例（%）］			9.400	0.002
6～8分	43（41.35）	49（64.47）
3～5分	61（58.65）	27（35.53）
脑干损伤［例（%）］	39（37.50）	19（25.00）	3.142	0.076
受伤到手术时间［例（%）］			10.718	0.001
＞6 h	64（61.54）	28（36.84）
≤6 h	40（38.46）	48（63.16）
致病原因［例（%）］			0.141	0.932
高空坠落	31（29.81）	21（27.63）
车祸	49（47.12）	36（47.37）
其他原因	24（23.08）	19（25.00）
合并多发伤［例（%）］	53（50.96）	35（46.05）	0.423	0.515
未人工硬膜减张缝合［例（%）］	39（37.50）	12（15.79）	10.193	0.001
基底池消失［例（%）］	42（40.38）	24（61.58）	1.466	0.226
使用弹力泳帽［例（%）］	77（74.04）	68（89.47）	6.679	0.010
脑积水［例（%）］	34（32.69）	20（26.32）	0.850	0.356
迟发型出血［例（%）］	48（46.15）	18（23.68）	9.547	0.002

表2 sTBI患者术后并发脑膨出的多因素Logistic回归分析

Tab.2 Multivariate Logistic regression analysis of postoperative brain herniation in patients with sTBI

因素	回归系数	标准误	Wald χ²值	P值	OR值	95%CI
术前颅内压（＞60 mmHg）	1.116	0.383	8.469	0.004	3.052	1.440～6.472
术前GCS评分（3～5分）	1.271	0.374	11.536	0.001	3.566	1.712～7.427
受伤到手术时间（＞6 h）	0.910	0.364	6.251	0.012	2.484	1.217～5.069
未人工硬膜减张缝合	1.339	0.435	9.484	0.002	3.814	1.627～8.941
未使用弹力泳帽	1.086	0.492	4.864	0.027	2.962	1.128～7.773
迟发型出血	1.237	0.389	10.125	0.001	3.444	1.608～7.376
常数	-2.115	0.424	24.916	0.000	0.121	-

表2 sTBI患者术后并发脑膨出的多因素Logistic回归分析

Tab.2 Multivariate Logistic regression analysis of postoperative brain herniation in patients with sTBI

因素	回归系数	标准误	Wald χ²值	P值	OR值	95%CI
术前颅内压（＞60 mmHg）	1.116	0.383	8.469	0.004	3.052	1.440～6.472
术前GCS评分（3～5分）	1.271	0.374	11.536	0.001	3.566	1.712～7.427
受伤到手术时间（＞6 h）	0.910	0.364	6.251	0.012	2.484	1.217～5.069
未人工硬膜减张缝合	1.339	0.435	9.484	0.002	3.814	1.627～8.941
未使用弹力泳帽	1.086	0.492	4.864	0.027	2.962	1.128～7.773
迟发型出血	1.237	0.389	10.125	0.001	3.444	1.608～7.376
常数	-2.115	0.424	24.916	0.000	0.121	-

图1 sTBI患者术后并发脑膨出变量的随机森林图 A：模型错误率和决策树量的关系；B：sTBI患者术后并发脑膨出变量的重要性排序

Fig.1 Random forest plots of postoperative encephalocele in sTBI patients

表3 变量赋值表

Tab.3 Variable assignment table

变量	赋值方式
因变量
sTBI患者术后是否发生脑膨出	否=“0”；是=“1”
自变量
术前颅内压	≤60 mmHg=“0”；＞60 mmHg=“1”
术前GCS评分	6～8分=“0”；3～5分=“1”
受伤到手术时间	≤6 h=“0”；＞6 h=“1”
未人工硬膜减张缝合	否=“0”；是=“1”
使用弹力泳帽	是=“0”；否=“1”
迟发型出血	否=“0”；是=“1”

表3 变量赋值表

Tab.3 Variable assignment table

变量	赋值方式
因变量
sTBI患者术后是否发生脑膨出	否=“0”；是=“1”
自变量
术前颅内压	≤60 mmHg=“0”；＞60 mmHg=“1”
术前GCS评分	6～8分=“0”；3～5分=“1”
受伤到手术时间	≤6 h=“0”；＞6 h=“1”
未人工硬膜减张缝合	否=“0”；是=“1”
使用弹力泳帽	是=“0”；否=“1”
迟发型出血	否=“0”；是=“1”

图2 2种模型预测sTBI患者术后脑膨出发生的ROC曲线

Fig.2 ROC curves of the two models predicting postoperative encephalocele in patients with sTBI

表4 2种预测模型对sTBI患者术后脑膨出的诊断效能

Tab.4 Diagnostic efficacy of two prediction models for postoperative brain herniation in patients with sTBI

模型	AUC	灵敏度	特异度	约登指数	标准误	P值	95%CI
多因素Logistic回归模型	0.811	74.04	76.32	0.504	0.033	＜0.001	0.746～0.865
随机森林模型	0.850	78.85	78.95	0.578	0.029	＜0.001	0.789～0.898

表4 2种预测模型对sTBI患者术后脑膨出的诊断效能

Tab.4 Diagnostic efficacy of two prediction models for postoperative brain herniation in patients with sTBI

模型	AUC	灵敏度	特异度	约登指数	标准误	P值	95%CI
多因素Logistic回归模型	0.811	74.04	76.32	0.504	0.033	＜0.001	0.746～0.865
随机森林模型	0.850	78.85	78.95	0.578	0.029	＜0.001	0.789～0.898

图3 验证组预测sTBI患者术后脑膨出发生的ROC曲线

Fig.3 ROC curve for predicting postoperative kyphosis in sTBI patients in the validation group

表5 建模组与验证组患者的临床资料比较

Tab.5 Comparison of clinical data between modeling group and validation group patients

项目	建模组（n=180）	验证组（n=78）	t/χ²值	P值
性别［例（%）］			0.001	0.969
男性	108（60.00）	47（60.26）
女性	72（40.00）	31（39.74）
年龄（岁， $\overset{ˉ}{x}$ ±s）	47.52±8.83	49.25±8.31	1.471	0.143
体质量指数（kg/m²， $\overset{ˉ}{x}$ ±s）	23.15±2.18	23.63±2.25	1.609	0.109
居住地［例（%）］			0.499	0.480
农村	94（52.22）	37（47.44）
城镇	86（47.78）	41（52.56）
文化程度［例（%）］			0.055	0.814
初中及以上	79（43.89）	33（42.31）
初中以下	101（56.11）	45（57.69）
抽烟［例（%）］	74（41.11）	36（46.15）	0.566	0.452
饮酒［例（%）］	83（46.11）	30（38.46）	1.294	0.255
糖尿病［例（%）］	23（12.78）	11（14.10）	0.083	0.773
高血压［例（%）］	37（21.67）	15（19.23）	0.195	0.659
术前颅内压［例（%）］			0.265	0.607
＞60 mmHg	70（38.89）	33（42.31）
≤60 mmHg	110（61.11）	45（57.69）
术前低血压［例（%）］	33（18.33）	15（19.23）	0.029	0.865
术前GCS评分［例（%）］			0.163	0.686
6～8分	92（51.11）	42（53.85）
3～5分	88（48.89）	36（46.15）
脑干损伤［例（%）］	58（32.22）	22（28.21）	0.410	0.522
受伤到手术时间［例（%）］			0.352	0.553
＞6 h	92（51.11）	43（55.13）
≤6 h	88（48.89）	35（44.87）
致病原因［例（%）］			1.755	0.416
高空坠落	52（28.89）	29（37.18）
车祸	85（47.22）	32（41.03）
其他	43（23.89）	17（21.79）
合并多发伤［例（%）］	88（48.89）	39（50.00）	0.027	0.870
未人工硬膜减张缝合［例（%）］	51（28.33）	25（32.05）	0.362	0.547
基底池消失［例（%）］	66（36.67）	27（34.62）	0.099	0.753
使用弹力泳帽［例（%）］	145（80.56）	59（75.65）	0.794	0.373
脑积水［例（%）］	54（30.00）	18（23.08）	1.296	0.255
迟发型出血［例（%）］	66（36.67）	29（37.18）	0.006	0.937

表5 建模组与验证组患者的临床资料比较

Tab.5 Comparison of clinical data between modeling group and validation group patients

项目	建模组（n=180）	验证组（n=78）	t/χ²值	P值
性别［例（%）］			0.001	0.969
男性	108（60.00）	47（60.26）
女性	72（40.00）	31（39.74）
年龄（岁， $\overset{ˉ}{x}$ ±s）	47.52±8.83	49.25±8.31	1.471	0.143
体质量指数（kg/m²， $\overset{ˉ}{x}$ ±s）	23.15±2.18	23.63±2.25	1.609	0.109
居住地［例（%）］			0.499	0.480
农村	94（52.22）	37（47.44）
城镇	86（47.78）	41（52.56）
文化程度［例（%）］			0.055	0.814
初中及以上	79（43.89）	33（42.31）
初中以下	101（56.11）	45（57.69）
抽烟［例（%）］	74（41.11）	36（46.15）	0.566	0.452
饮酒［例（%）］	83（46.11）	30（38.46）	1.294	0.255
糖尿病［例（%）］	23（12.78）	11（14.10）	0.083	0.773
高血压［例（%）］	37（21.67）	15（19.23）	0.195	0.659
术前颅内压［例（%）］			0.265	0.607
＞60 mmHg	70（38.89）	33（42.31）
≤60 mmHg	110（61.11）	45（57.69）
术前低血压［例（%）］	33（18.33）	15（19.23）	0.029	0.865
术前GCS评分［例（%）］			0.163	0.686
6～8分	92（51.11）	42（53.85）
3～5分	88（48.89）	36（46.15）
脑干损伤［例（%）］	58（32.22）	22（28.21）	0.410	0.522
受伤到手术时间［例（%）］			0.352	0.553
＞6 h	92（51.11）	43（55.13）
≤6 h	88（48.89）	35（44.87）
致病原因［例（%）］			1.755	0.416
高空坠落	52（28.89）	29（37.18）
车祸	85（47.22）	32（41.03）
其他	43（23.89）	17（21.79）
合并多发伤［例（%）］	88（48.89）	39（50.00）	0.027	0.870
未人工硬膜减张缝合［例（%）］	51（28.33）	25（32.05）	0.362	0.547
基底池消失［例（%）］	66（36.67）	27（34.62）	0.099	0.753
使用弹力泳帽［例（%）］	145（80.56）	59（75.65）	0.794	0.373
脑积水［例（%）］	54（30.00）	18（23.08）	1.296	0.255
迟发型出血［例（%）］	66（36.67）	29（37.18）	0.006	0.937

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