决策树及Logistic回归模型在活动性肺结核预测中的应用.pdf

昆明医科大学学报2 0 2 3,44(9)：2 5 31Journal of Kunming Medical University决策树及Logistic回归模型在活动性肺结核预测中的应用D0I:10.12259/j.issn.2095-610X.S20230916CN 53-1221/R樊浩，刘幸2，张乐2，李畏娴，吴雪娇)，韩祎，姚晓蝶1)(1)大理大学药学院，云南大理6 7 10 0 0;2)云南省传染病临床医学中心/昆明市第三人民医院药学部，云南昆明6 50 0 41)摘要目的采用决策树模型与Logistic回归模型分析活动性肺结核(active tuberculosis，A T B)的危险因素，为ATB的预防控制提供参考依据。方法实验组为2 0 2 1年3月至2 0 2 3年3月昆明市第三人民医院收治的2 0 0 例活动性肺结核患者，对照组为同期2 0 0 例健康体检者，建立Logistic回归和决策树ATB风险预测模型，并在是否基于Logistic回归结果条件下建立决策树分析模型（决策树1和决策树2），用受试者工作曲线评价3种模型的预测效果。结果Logistic回归结果显示AAT、IL-4、IL-6、IL-17、IFN-是发生ATB的危险因素，CD+4为保护因素，决策树1分析结果显示CRP为根节点，其后分别以IL-1、I L-6、C D+4、I L-17、A G P、I FN-作为子节点，决策树2 分析结果显示IL-6作为根节点，其后是AAT、I L-4、I L-17 作为子节点。建立的风险预测模型显示，Logistic回归的AUC为0.8 8 7，决策树模型的AUC分别为0.9 0 0（决策树1)和0.8 57(决策树2)。3组模型的AUC比较结果显示，决策树1的AUC优于决策树2（9 5%CI：0.0 0 19 0.0 8 41，P 0.0 5），但与Logistic回归模型比较，差异无统计学意义（9 5%CI：0.0 2 6 5 0.0 52 2，P=0.52 6)。结论Logistic模型和决策树1模型在预测ATB危险因素时均有一定的应用价值，建议将2 种模型结合使用，以便更好地为ATB的防治提供参考价值。【关键词活动性肺结核；危险因素；逻辑回归；决策树模型中图分类号】R33文献标志码】A文章编号2 0 9 5-6 10 X(2023)09-0025-07Applications of Decision Tree Models and Logistic Regressionin the Prediction of Active TuberculosisFAN Hao,LIU Xing,ZHANGLe2,LI Weixian2,WU Xuejao,HAN Yi?,YAO Xiaodie 1)(1)School of Pharmaceutical Sciences,Dali University,Dali Yunnan 671000;2)Yunnan ClinicalCenter for Infectious Diseases/Dept.of Pharmacy,The 3rd Peoples Hospital of Kunming,Kunming Yunnan 650041,China)Abstract Objective To analyze the influence factors of active tuberculosis(ATB)using logistic regressionmodel and decision tree model,and to provide a reference point for ATB prevention and control.Methods Theexperimental group consisted of 200 active pulmonary tuberculosis patients admitted to the Third Peoples Hospital ofKunming from March 2021 to March 2023,and the control group consisted of 200 healthy individuals whounderwent physical examination during the same period Logistic regression.Decision tree ATB risk prediction modelswere established,and the decision tree analysis models(Decision Tree 1 and Decision Tree 2)were set up under thecondition of whether they were based on the results of Logistic regression or not,and the decision tree analysismodels(Decision Tree 1 and Decision Tree 2)were set up.The prediction effect of the three models was evaluatedusing the subjects work curves.Results The results of Logistic regression showed that AAT,IL-4,IL-6,IL-收稿日期 2 0 2 3-0 5-17基金项目】昆明市卫生科研基金资助项目（2 0 2 1-0 3-0 2-0 0 3，2 0 2 1-0 3-0 8-0 0 6)；昆明市卫生科技人才培养十百千工程基金资助项目（2 0 2 1-SW-13)作者简介 梦樊浩（19 9 7），男，云南曲靖人，在读硕士研究生，主要从事临床药学研究工作。通信作者刘幸，E-mail：2 549 14514 q q.c o m；张乐，E-mail：9 0 356 43 q q.c o m2617 and IFN-were the risk factors for ATB with CD+4 as the protective factor.The results of Decision Tree 1showed that CRP was the root node,followed by IL-1,IL-6,CD+4,IL-17,AGP,and IFN-as the sub-nodes,respectively.Decision Tree 2 showed that IL-6 was the root node,followed by AAT,IL-4,IL-17 as sub-nodes.The established risk prediction models showed an AUC of 0.887 for logistic regression and 0.900(DecisionTree 1)and 0.857(Decision Tree 2)for the decision tree model.The AUC comparison results of the three modelsshowed that the AUC of Decision Tree 1 was better than that of Decision Tree 2(95%CI:0.0019-0.0841,P 0.05),but the difference with Logistic regression model was not statistically significant(95%CI:0.0265-0.0522,P=0.526).Conclusion Both Logistic model and Decision Tree 1 model have certain application value inpredicting the risk factors of ATB,and it is recommended to combine the two models so as to provide the betterreference value for the laboratory prediction of ATB.Key words Active tuberculosis;Risk factors;Logistic regression;Decision tree model昆明医科大学学报第44卷结核病死亡人数在传染性疾病领域位列第一，也是全球第十三大死亡原因之一，2 0 2 2 年WHO全球结核病报告中提到，全球结核病每日死亡人数已超过新型冠状病毒感染死亡的人数 1，预计2023年结核病将取代新型冠状病毒再次成为全球单一传染源的主要死亡原因 2 。其中结核病患者病原体检测的全球平均阳性率为57%，在贫困的农村地区，这一比例更低 3。因此，发展中国家的结核病控制组织和患者(特别是痰呈阴性的患者)迫切需要快速、准确、简单和廉价的活动性肺结核(active tuberculosis，A T B)检测方法。痰涂片检查是诊断活动性结核病最常用的细菌学方法，同时也是检测结核分枝杆菌（m y c o b a c t e r i u m t u b e r c u l o s i s，M T B)的金标准，但该方法灵敏度较低，且需要46 周才能得到结果，这不适用于快速检测MTB4。与之相比，核酸检测技术的优势在于其表现出较高的灵敏度，特别是在提高速度的同时，还能保持结核确诊的准确性。但核酸检测的诊断方法所需的设备、设施和试剂成本较高，一定程度上限制了它们的广泛应用 5。血液的异常结果可以预示患者存在血液疾病和结核分枝杆菌感染。常规血检可广泛用于活动性肺结核的检测。然而，常规血液检测结果的使用可能需要不断的完善才能有效地帮助ATB的诊断。既往研究表明，炎性蛋白、细胞因子、淋巴细胞等单一常规血液标志物可能有助于识别ATB6-7，但这些标志物作为诊断标志物时的敏感性和特异性相对较低，假阳性率较高，不适用于快速、准确的诊断。本研究旨在利用广泛可用的生物标志物组合构建决策树和Logistic回归预测模型，并评估这些模型的预测价值，为ATB的防治提供参考依据。1对象与方法1.1研究对象实验组：以2 0 2 1年3月至2 0 2 3年3月期间昆明市第三人民医院收治的活动性肺结核患者200例，男性113例，女性8 7 例，平均年龄（48.9 418.2 0)岁。对照组：以同期健康体检者200例，男性10 5例，女性9 5例，平均年龄(45.83 15.50)岁。1.2纳入和排除标准全部ATB患者按照肺结核诊断标准（W S2 8 8-2 0 17）8 ：痰MTB培养阳性、MTB核酸检测阳性、胸部影像学检查、病理学检查等确诊为活动性肺结核的患者，排除标准 9 ：（1)患有心脏、肝脏、肾脏等重要脏器性疾病；（2)合并HIV和细胞免疫缺陷；（3)合并其他细菌感染；(5)合并严重循环功能障碍。1.3数据收集使用昆明市第三人民医院信息管理系统进行电子查阅，收集患者的临床资料，具体包括年龄、性别、免疫球蛋白A（I g A）、免疫球蛋白M(IgM)、免疫球蛋白G(IgG)、触珠蛋白(HAP)、1抗胰蛋白酶（AAT)、1酸性糖蛋白（AGP)、干扰素（I FN-）、肿瘤坏死因子（T NF-）、干扰素（I FN-）、白介素-1(IL-1)、白介素-2(IL-2)、白介素-4(IL-4)、白介素-5(IL-5)、白介素-6(IL-6)、白介素-8(IL-8)、白介素-10(IL-10)、白介素-12 p70(IL-12p70）、白介素-17(IL-17)、CD+3淋巴细胞绝对数(CD+3)、CD+4淋巴细胞绝对数（CD+4）、C D+8 淋巴细胞绝对数（CD+8）、CD+4淋巴细胞与CD+8淋巴细胞的比值（CD+4/CD+8）、C 反应蛋白（CRP)，并完成录人、建立数据库和统计分析等工作。第9 期1.4决策树模型的建立分别在是否根据二元Logistic回归结果的条件下建立决策树模型。决策树1纳入单因素分析中有统计学意义的因子，根据Logistics回归结果建立的决策树模型命名为决策树2，采用SPSS27.0软件建立树模型。条件设定选项中父节点最小个案数为2 0，子节点最小个案数为5。1.5统计学处理数据处理软件为SPSSStatistics27.0统计软件。计数资料用“比值比n(%)”描述，计量资料以“中位数（四分位数）M(P25，P7 5)”表示，选择秩和检验。以P0.05为差异有统计学意义。单因素中具有统计学意义的因子纳入二元Logistic回归，建立Logistic回归模型，并使用MedCalc19.8统计软件比较3组ROC曲线下面积。Tab.1 Results of one-way analysis of variance between experimental and control groups n(%)/M(P25,P75)变量P性别男女年龄CRPAGPAATHAPIgGIgMIgACD*3CD*4CD+8CD*4/CD*8IL-1IL-2IL-4IL-5IL-6IL-8IL-10IL-12IL-17IFN-IFN-TNF-*P0.05;*P0.01。樊浩，等决策树及Logistic回归模型在活动性肺结核预测中的应用表1实验组与对照组单因素分析结果 n(%)/M(P25，P7 5)实验组（n=200)113(56.5)87(43.5)51(33,64)14.90(3.84,36.63)96.55(59.68,141.68)181.30(139.70,231.67)177.10(90.18,256.18)11.59(9.82,13.66)0.97(0.69,1.33)1.89(1.24,2.66)973.50(627.25,1277.50)540.00(355.25,715.72)371.52(230.25,555.96)1.49(1.03,1.99)3.20(1.60,7.22)1.79(1.18,3.10)1.37(0.96,1.88)2.34(1.36,3.48)9.18(3.31,26.41)3.40(1.72,14.56)1.59(1.26,2.80)1.64(1.25,2.26)2.15(1.34,6.44)9.48(3.11,20.60)1.99(1.32,5.23)1.98(1.39,3.87)272结果2.1活动性肺结核影响因素的单因素分析本实验数据皆为偏态分布，选用秩和检验，分析结果显示，各组间年龄、男女构成比情况比较，差异均无统计学意义(P0.05)。2 组间CRP、TNF-、A G P、A A T、H A P、Ig M、CD+3、CD+4、CD+8、I L-1、I L-2、I FN-、I L-4、I L-5、I L-6、IL-10、I L-17，差异具有统计学意义（P0.05),见表1。2.2活动性肺结核影响因素的Logistic回归分析根据单因素分析结果，将P0.05的变量纳人二元Logistic回归分析。结果显示，共筛选出6个独立影响因素 AAT、I L-4、I L-6、I L-17、对照组(n=200)105(52.5)95(47.5)46(33,56)1.30(0.70,2.70)56.05(43.70,68.38)133.05(114.55,151.00)95.50(62.60,142.73)11.18(9.84,13.14)1.04(0.76,1.50)1.59(1.06,2.18)1239.59(976.67,1616.00)750.47(563.75,897.52)461.77(337.30,650.06)1.59(1.23,1.96)2.15(1.27,6.12)1.43(0.99,2.21)1.25(0.93,1.72)1.46(0.93,2.36)2.66(1.46,4.44)3.66(1.44,11.32)1.51(0.97,2.52)1.48(1.13,2.10)1.83(1.30,3.63)3.19(1.80,6.34)2.00(1.26,3.91)1.82(1.28,2.50)Z0.6453.156127.64976.77997.39048.6320.4173.83010.184.43.27553.02119.9232.65711.00911.8243.92029.267104.7012.7516.5292.5844.38563.3772.2018.0490.4220.0760.001*0.001*0.001*0.001*0.5180.050*0.001*0.001*0.001*0.001*0.1030.001*0.001*0.048*0.001*0.001*0.0970.011*0.1080.036*2 4.2 mg/L的人群活动性肺结核患病率较高为9 4.3%。CRP值在3.1 mg/LCRP24.2mg/L的人群中IL-6对活动性肺结核的影响有统计学意义(P0.01)，I L-6 绝项目WaldCRP0.003AGP0.005AAT0.012HAP0.001IgA-0.018CD+30.002CD+4-0.004CD+8-0.002IL-1-0.055IL-20.134IL-40.314IL-50.162IL-60.171IL-10-0.095IL-170.074IFN-0.034TNF-0.033常量-3.754*P0.05;*P 12.2 5Pg/mL的人群活动性肺结核患病率达10 0%。将Logistic回归分析结果中P13.420节点14类别%实验组66.7二对照组33.3总计2.36第44卷POR0.0890.7650.6990.4035.5590.018*0.2170.6410.0510.8211.8220.1774.8610.027*0.9410.3323.8160.0512.6770.1025.5710.018*2.9760.08414.07510.63012:250节点7节点8类别%实验组10.8实验组7 5.0对照组8 9.233总计13.937日AGP调整后P0.004.2-11.407dF-1533.300节点15类别%实验组50.0对照组50.0总计2.36图1活动性肺结核影响因素决策树模型1Fig.1Decision tree model 1 of factors influencing ATB95%CI1.0030.9821.0261.0050.994 1.0161.0121.002 1.0231.0010.996 1.0060.9820.838 1.1051.0020.999 1.0060.9960.992 1.0000.9980.994 1.0020.9470.896 1.0001.1430.974 1.3421.3691.055 1.7771.1760.978 1.4131.1861.085 1.2960.9090.755 1.0691.0771.020 1.1361.0341.000 1.0691.0330.863 1.2370.02324.200节点3类别%实验组9 4.3 50二对照组5.7总计19.9 53调整后P-0.016.x-15CD4df-212.250426.00节点9节点6类别%实验组45.8 2 7对照组2 5.0对照组54.2 3 2总计3.0833.300节点16类别%实验组3.2对照组9 6.830总计11.731(426.000,726.000)节点7类别%实验组10 0.0 2 1对照组0.00总计22.259日调整后P0.013,-10.141IFNdf-19.150节点17类别%实验组34.8 16对照组6 5.2 30总计17.346726.000节点8类别%实验组100.07对照组0.00总计7.9219.150节点18类别%实验组8 4.6111对照组15.4总计4.913类别%实验组38.5对照组61.55总计257类别%一实验维0对照组100.08总计4.613总计2.88第9 期116.800节点4类别%n实验组12.26对照组8 7.843总计17.849调整后P-0.008,x2=10.953df-12.910节点10类别%n实验组2 1.9 2 3对照组7 8.182总计38.0105Fig.2 Decision tree model 2 of factors influencing ATB策树分析结果显示，决策树1的AUC为0.9 0 0（9 5%CI：0.8 6 7 0.9 2 8），预测准确度为8 5.2%；决策树2 的AUC为0.9 57(9 5%CI：0.8 19 0.8 9 0)预测准确度为8 3.8%，见图3和表3。结果显示：3组模型对活动性肺结核均有一定的预测价值。3组模型的AUC比较结果显示，决策树1的AUC优于决策树2(9 5%CI：0.0 0 19 0.0 8 41，P2.910节点11类别%n实验组7 0.07对照组30.03总计3.610图2 活动性肺结核影响因素决策树模型20.2图33组模型ROC曲线下面积比较Fig.3 Comparison of the area under the ROC curve forthe three model groups29组别节点0类别%类别%n实验组7 8.6 2 2对照组2 1.46总计10.128一IL17调整后P-0.033,x=13.972df-2170.0002.470节点6节点3类别%n实验组6 9.020对照组31.09二对照组6.7总计10.52912.900节点3类别%n实验组10 0.055对照组0.00总计19.955(2.470,11.390)11.390节点3节点3类别%类别%n实验组9 3.314总计5.4151.00.80.60.40.200类别%n实验组2 8.62对照组重71.45总计2.57ROC曲线0.40.61-特异性实验组10 0.06对照组0.00总计2.26曲线来源Logistics一决策树1一决策树2参考线0.81.030模型Logistic决策树1决策树2*P0.01。Tab.4 Comparison of the results of the area under the ROC curve for the three groups of models组别Logistic VS 决策树1Logistic VS决策树2决策树1VS决策树2P0.05。因素（例如营养不良、贫困和人均收入)等，严重影响着结核病的发病率和死亡率 10 。2 0 2 0 年和2021年我国新发结核病报告中病例的减少也预示着未诊断和治疗的结核患者例数将有所增加，将直接导致结核病死亡病例数增加和更多的社区传染传播。因此，明确ATB的主要危险因素，对其防控有着重要的价值。本研究建立了ATB的风险预测模型（决策树模型和Logistic回归模型)并进行了对比，旨在为ATB早期诊断提供参考。决策树模型与Logistic回归模型都突出了CD+4、IL-6、IL-17、IFN-等对ATB的影响，而在Logistic 回归模型中有意义的变量AAT和IL-4，并未进入决策树的节点。考虑受决策树深度值设置的限制，这些变量可能在更深的节点才会显示。此外有研究者明确指出Logistic回归与决策树模型在算法上有明显差异，主要体现在Logistic回归擅长分析线性关系，专注于拟合整体关系，比决策树能更好的分析数据的整体结构，但对极端值更加敏感，容易受到极端值的影响。另一方面，由于决策树使用的是分割的方法，因此能更深入地了解数据的细节 12 ，但同时失去了对全局的把握，对多变量同时检验的能力明显低于Logistic。本研究表明，在决策树模型中CRP是ATB的最强预测因子。CRP是临床研究中最常见的炎性标志物，当MTB人侵机体时，由肝脏产生大量的反应蛋白用于激活补体、调节吞噬细胞功能等 13，表明CRP可作为ATB的敏感指标，这与RohiniK研究结果相符 14。本研究也显示IL-4、IL-6、I L-17 是ATB的危险因素。在CRP及刺激昆明医科大学学报表33组模型ROC曲线下面积Tab.3the area under the ROC curve for the three groups of modelsAUC标准误0.8870.01740.9000.01580.8570.0185第44卷P95%CI0.001*0.852 0.9170.001*0.867 0.9280.001*0.819 0.890表43组模型ROC曲线下面积比较结果曲线下面积差值标准误0.0130.0200.0300.0170.0430.022信号影响下，机体特定细胞被激活，释放TNF-，继而激活其他炎性因子，引发瀑布效应，通过局部应激细胞聚集，促进巨噬细胞活化，提高吞噬能力 15，当巨噬细胞被激活后释放TNF-，机体IL-1、I L-6 水平升高，促进肉芽肿组织形成，并有助于控制MTB感染 16 。CD*4 细胞在结核病免疫进程中发挥主导作用，当ATB患者的CD+4细胞水平明显降低时，大大降低了对结核杆菌的杀伤力，使结核分枝杆菌得以增殖，使潜伏的结核病患者进入活动阶段。Logistic回归及决策树模型分析中均表明CD+4细胞为ATB的保护因素(OR1)。这与文献 17 报道结果一致。ATB影响因素的分析现如今大部分还停留在单因素分析上，然而单一指标用于预测疾病的能力有限，很难做出准确的判断 18 。本研究基于Logistic回归算法和决策树算法建立了ATB的风险预测模型，为ATB的早期诊断提供思路。经检验Logistic回归和决策树1的预测效果无统计学差异，虽然决策树1模型的准确度优于Logistic回归模型，但敏感度却低于Logistic回归模型。相较于决策树模型，当存在混杂变量的情况时，Logistic 回归可准确反应自变量对因变量的作用,对于全局的掌控性更强，比决策树更能体现自变量与因变量的线性关系，并能通过OR值量化两个变量之间的效应 19 。决策树模型与Logistic回归模型相比，虽然对全局的控制较差，但它不受极端值的影响，也可以分析非线性和高度相关的数据 2 0 。此外决策树模型能形象的在树状图中将各危险因素呈现出来，以百分比的方式呈现各危险因素的特征，将不同特征的危险因素分开，便准确度(%)84.185.283.80.6341.7741.933敏感度（%）92.082.586.5Z0.5260.0760.049*特异度(%)75.583.575.5P0.026 0.0520.003 0.0640.001 0.084约登指数0.6750.6600.62095%CI第9 期于医护人员识别高危人群 2 1。本研究为ATB危险因素的研究提供新的研究方向，Logistic回归模型与决策树模型在ATB危险因素评估方面都具有重要的应用价值，可互为补充。ATB影响因素众多，不同危险因素间会相互干扰，考虑到对Logistic 的影响，本课题组将利用决策树模型的分析在各种检查中找出数据的局部结构，作为Logistic中构建因变量的依据。从不同层面分析ATB的危险因素及作用，同时将纳人潜伏性肺结核患者临床资料进行系统分析，从不同方向完善预测模型，为ATB的预防与控制提供有价值的参考。参考文献1 Archer M C,McCollum J,Press C,et al.Stressed stabilityand protective efficacy of lead lyophilized formulations ofID93+GLA-SE tuberculosis vaccineJ.Heliyon,2023,9(6):e17325.2 宋敏，陆普选，方伟军，等.2 0 2 2 年WHO全球结核病报告：全球与中国关键数据分析 J.新发传染病电子杂志,2 0 2 3,8(1):8 7-9 2.3 Li K,Liu S X,Yang C Y,et al.A routine blood test-asso-ciated predictive model and application for tuberculosisdiagnosis:A retrospective cohort study from northwestChinaJ.J Int Med Res,2019,47(7):2993-3007.4 Small P M,Pai M.Tuberculosis diagnosis-time for a gamechangeJ.N Engl J Med,2010,363(11):1070-1071.5 Pai M,Kalantri S,Dheda K.New tools and emerging tech-nologies for the diagnosis of tuberculosis:Part Il.Activetuberculosis and drug resistanceJ.Expert Rev Mol Diagn,2006,6(3):423-432.6 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