基于机器学习和脑肠多维数据特征的针刺治疗功能性消化不良疗效预测研究

来源 :成都中医药大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yangqixun123
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目的:针刺治疗功能性消化不良(Functional Dyspepsia,FD)安全有效,但患者间由于机体状态不同而表现出显著的个体疗效差异。基于机器学习算法和脑肠多维数据特征有望从个体水平客观表征FD患者机体状态,实现对针刺疗效的相对精准预测。本研究旨在(1)基于功能脑网络特征和机器学习算法建立FD患者与健康被试(Healthy Subjects,HS),FD患者与功能性便秘(Functional Constipation,FC)患者的疾病辨识模型,并筛选出重要的FD疾病辨识特征;(2)分别基于功能脑网络特征、脑肠多维数据特征与机器学习算法,建立针刺治疗FD患者的疗效预测模型,预测患者针刺响应程度及症状具体改善,并筛选出关键的预测特征;(3)通过针刺高响应和针刺低响应FD患者治疗前后疾病辨识和疗效预测特征变化组间比较,探讨针刺优效治疗FD的功能脑网络机制。方法:研究最终纳入127例FD患者、91例FC患者和92例HS。(1)第一部分研究纳入89例FD患者、91例FC患者和92例HS,首先基于独立成分分析提取所有被试全脑35个独立成分(Independent Component,IC),并构建两两IC之间的功能连接矩阵,之后使用差异连边递增特征筛选方法和支持向量分类(Support Vector Classification,SVC)算法对FD患者和HS进行分类,提取FD患者疾病辨识特征;随后以该特征为感兴趣区,进行FD患者和FC患者的分类研究,验证FD患者功能脑网络辨识特征的疾病特异性,最后再进行FD患者疾病辨识特征和临床症状的相关性分析。(2)第二部分研究首先基于89例FD患者的疾病辨识功能脑网络特征和SVC算法预测4周针刺治疗后患者高/低响应。而后基于过滤法特征筛选方法和SVC算法构建针刺治疗FD高/低响应预测模型,提取重要预测特征,并基于该特征和支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)算法预测治疗后患者消化不良症状积分(Symptom Index of Dyspepsia,SID)和尼平消化不良症状指数(Nepean Dyspepsia Symptom Index,NDSI)评分具体改善。随后再在功能脑网络特征基础上,增加大脑自发功能活动特征、人口学特征、临床症状评分以及情绪心理状态构成脑肠多维数据特征集,并基于此建立SVC、SVR模型,预测FD患者针刺响应程度以及SID、NDSI评分改善。最后使用38例独立样本验证基于脑肠多维数据特征构建的针刺治疗FD疗效预测模型的泛化性能。(3)第三部分研究以65例FD患者为对象,从FD患者治疗前后比较、针刺高响应患者治疗前后比较、针刺低响应患者治疗前后比较、针刺高/低响应FD患者治疗前后变化组间比较四个层次探讨针刺治疗对不同响应程度FD患者疾病辨识和疗效预测功能脑网络特征的影响异同,并进行功能脑网络特征变化与临床症状改善的相关性分析。结果:(1)第一部分研究结果显示:以尾状核-眶部额上回(IC33-IC31)、丘脑-海马旁回(IC69-IC37)、眶部额上回-眶部额上回(IC15-IC31)等20条连边作为识别特征,可以有效区分FD患者和HS,在交叉验证集中平均分类正确率为84.43%,在独立验证集中平均分类正确率为80.14%,并且这些连边还能有效区分FD患者和FC患者,分类正确率为91.7%;功能脑网络识别特征和临床症状的相关性分析结果则提示FD患者中央前回-中央前回/中央后回功能连接与SID评分的显著相关性。(2)第二部分研究结果显示:基于疾病辨识功能脑网络特征不能有效预测针刺治疗后FD患者响应程度。而通过过滤法筛选的楔前叶-前扣带回(IC55-IC79)、尾状核-中央前回(IC33-IC6)、缘上回-前脑岛(IC49-IC28)等38条功能脑网络特征可以有效预测针刺治疗后FD患者的响应程度和SID评分的具体改善,其中针刺高/低响应预测模型平均分类正确率为76.32%,SID评分改善值预测模型平均决策系数(R~2)=0.24。基于脑肠多维数据特征构建疗效预测模型可以显著提升预测性能,其中针刺高/低响应预测模型平均分类正确率为88.04%,SID评分改善值预测模型R~2=0.44,NDSI评分改善值预测模型平均R~2=0.42。此外,基于脑肠多维数据特征构建的疗效预测模型具有良好的泛化性能,其在独立验证集中预测针刺高/低响应FD患者的分类正确率为71.1%,预测SID评分改善值的R~2=0.39。(3)第三部分研究结果显示:针刺治疗后,17个疾病辨识特征和22个疗效预测特征功能连接改变;FD患者的疾病辨识特征、疗效预测特征以及针刺效应靶点特征在眶额皮层重合。相较于针刺低响应者,针刺高响应FD患者治疗后丘脑、尾状核相关功能连接变化更为显著,且治疗后患者丘脑-辅助运动区、尾状核-额上回、尾状核-额中回等功能连接的变化和患者临床症状改善呈显著正相关。结论:(1)丘脑、尾状核等皮层下核团与眶额皮层、感觉运动皮层以及海马旁回之间的功能连接是有效辨识FD患者与HS以及FD患者与FC患者的重要功能脑网络特征,对丘脑、尾状核功能连接的显著调节是针刺优效治疗FD的重要机制。(2)眶额皮层等奖赏环路核心节点功能连接是有效预测治疗后FD患者针刺响应程度及临床症状具体改善的关键特征,也是FD患者疾病辨识、针刺疗效预测以及针刺效应实现的共同特征。(3)基于“人口学特征-临床症状评分-情绪心理状态-脑自发活动-功能脑网络”多维数据特征构建的针刺治疗FD疗效预测模型相较于基于单一功能脑网络特征构建的预测模型具有更好的性能。
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