基于机器学习的战现场伤员预警模型建立与评价.pdf
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1、Beijing610联勤军事医学2 0 2 3年7 月2 8 日第37 卷第7期Mil Med Jnt Log,Vol.37,No.7,July 28,2023基于机器学习的战现场伤员预警模型建立与评价鲁兆楠,贺祯,房彤宇【摘要】目的为为实现战现场对重伤伤员进行预警的需求,以达到分诊前移并指导救治顺序,提高救治效率。方法本研究从某军队医院急诊数据库和美国建立的一个对外开放的多参数临床重症监护数据库(Medical Informa-tionMart forIntensiveCareII,M IM ICII)中分别收集146 9、146 4名患者数据,根据战现场可行性与科学性分析筛选出7个代表性的
2、指标作为训练模型的输人特征,基于XGBOOST进行特征权重排序筛选出最优特征组合,并进一步分析所选取的特征对预测结果的影响程度。利用随机森林、支持向量机、朴素贝叶斯、XGBOOST、多层感知机5种方法构建重伤伤员预警模型,并对预警模型进行性能评价。结果通过实验显示,心率、收缩压与重伤预警组的关联最密切(分别为0.272、0.2 0 6),从而揭示相互之间存在阶梯级关系、构建三个阶梯级传递给后续机器学习方法,得到多层感知机性能显著高于其他方法,仅心率、收缩压精确率就达到了91.40%,其他模型精确率均在8 0%以上,这些表现良好的模型在外部验证中也有一定的泛化能力。结论基于战现场环境,通过采用不
3、同类型的阶梯特征构建模型是可行的,该模型可以在重伤伤员发生前快速预警,并在救治人员到达前辅助做出救援决策,上述研究对降低战现场死亡率、改善预后有一定的实用价值。【关键词】一线救治;伤员预警;机器学习;自主识别;辅助决策【中图分类号】R826【文献标识码】1Adoi:10.13730/j.issn.2097-2148.2023.07.013Evaluation and Establishment of Casualty Warning Model in Battlefield Based on Machine LearningLU Zhaonan,HE Zhen,FANG Tongyu.Mili
4、tary Medical Research Institute,Academy of Military Sciences,100850,ChinaCor6comAbstract Objective To realize the demand of early warning of severe wounded on the battlefield,to achieve theadvance of triage and guide the order of treatment,and to improve the efficiency of treatment.Methods In this s
5、tudy,1469 and 1464 data of patients were collected from the emergency department database of a military hospital and an openmulti-parameter clinical intensive care database Medical Information Mart for Intensive Care II(MIMIC II)establishedby the U.S.According to the feasibility and scientific analy
6、sis of the battlefield,7 representative indicators were selectedas the input features of the training model,the optimal feature combination was selected based on the feature weight rank-ing based on XGBOOST,and the influence of the selected features on the predictive results was further analyzed.Fiv
7、emethods,random forest,support vector machine,naive Bayes,XGBOOST and multilayer perceptron,were used to con-struct the early warning model of serious injuries and evaluate its performance.Results The experiments showed that theheart rate and systolic blood pressure were the most closely related to
8、the severe injury warning group(0.272 and 0.206respectively),thus revealing the existence of a ladder-level relationship between each other and constructing three ladder-levels to pass to the subsequent machine learning methods.The performance of the multilayer perceptron was significantlyhigher tha
9、n those of other methods.Only the heart rate and systolic blood pressure reached an accuracy of 91.40%,andthe accuracy of other models was above 80%,these well-behaved models also had certain generalization ability in externalverification.Conclusion Based on the battlefield environment,it is feasibl
10、e to construct the model by using different typesof ladder features.The model can quickly warn the severe wounded before the occurrence,and assist in making rescue de-cisions before the arrival of the treatment personnel.The above research has certain practical value for reducing the mor-tality rate
11、 and improving the prognosis.Key words First-line treatment;Casualty warning;Machine learning;Autonomous recognition;Auxiliary deci-sion战现场救治通常指在战术地域内,由连、营卫生人【作者单位】100850北京,军事科学院军事医学研究院(鲁兆楠、贺祯、房彤宇)【通信作者】房彤宇,E-mail:f a n g d o c t o r 2 0 2 2 16 3.c o m员对负伤人员实施的最初的救护活动。根据已有的战场经验表明,营以前的战术救治对战斗力再生具有决定性
12、意义,无论是“白金10 min还是“黄金1h”的要求,都要以高效的战术救治为前提 1-2 。目前对提高战MilMedJntLogo.7,July28,2023联勤军事医学2 0 2 3年7 月2 8 日第37 卷第7 期611术救治的时效性相关研究中,把重伤伤员预警作为重要的研究课题 3。一旦战现场发生伤员,通过相应生命体征判断是否重伤,并对重伤伤员发出预警信号,将分诊前移,在卫生人员到达前对已受伤的人员进行快速、准确的初步救援顺序判断,使伤员针对性得到医疗处置 4。机器学习技术可以根据已有的数据进行训练分析出各信号之间的内在联系。因此,可以通过该信号为伤员的早期重伤预警提供重要的分析特征。近
13、些年,对于创伤患者预警有较多的研究 5-10。有研究通过创伤改良评分对疾病的发生进行预测 5。还有研究利用决策树、随机森林、神经网络以及统计学逻辑回归等方式对恶化的临床结果进行预测,如心脏骤停、急性肾损伤、脓毒血症或转人重症监护室(intensive care u-nit,ICU)后死亡 6-8 。还有研究将创伤患者预警用于分诊,包括急诊科患者就诊排序问题9 和军事医学的远程分类 10 。但这些研究存在以下问题:平时状态下进行的伤情预测,监测的生理信息精度、广度、信息安全快速传输有一定保障,但不能满足一线伤员预警的需要;目前的伤情分类方法多基于平时伤情分类标准,分类太细不利于快速分配救援人员和
14、物资,也让救援人员对救援顺序产生误判,不符合快速抢救伤员的初衷,不适用于战现场环境;现有的战场伤员信息感知和预测研究仅仅研究原始生理数据而不解析成与作战相关的伤情评估信息,这些原始数据对指挥员或卫勤人员不具有战场决策价值。针对以上存在的问题,本文将伤员预警模型用于战场环境,解决我军一线分诊乱、救援速度慢的问题 11。为了提高伤员预测的准确性和速度,对患者的电子病例进行分析,以确定不同指标与重症之间的关系,结合医学知识与经验的指导,分析不同指标对预警准确性的贡献,并将指标集进行不同组合 12 ,以适应不同的场景,最终达到战现场环境仅用生命体征远程对重伤伤员预警的目的。1大方法1.1数据来源和研究
15、人群研究人群来自某军队医院急诊数据库和临床重症监护数据库(Medical Information Mart for IntensiveCare,M I M I C),该数据库包括从2 0 16-0 4/2 0 2 0-10月的因创伤急诊人院患者的基本信息、诊断信息、生理指标、生化指标和转归结局等。该数据是我国首批具有自主知识产权的急救专业数据库之一,具有一定的权威性。MIMIC数据库由贝斯以色列女执事医疗中心、麻省理工大学、牛津大学和麻省总医院的急诊科医生、重症科医生、计算机科学专家共同建立的一个开放的大型单中心关系型数据库,是一个多参数临床重症数据库,该数据库记录了2 0 0 1-0 6/2
16、 0 12-10 月大型三级医院接受ICU人院的患者。上述数据库虽不是战伤数据,但选取的均为外伤伤员,且是未接受任何治疗前的指标,与战现场伤员有一定的相似性;本研究的结局指标为重伤判断,从临床医学角度出发,生命体征指标与伤情指标之间存在一定的客观联系,如无论什么条件下血压值 6 0/90 mmHg(1m m H g 0.133kPa)即定义为休克,上述数据库在单纯研究输人变量与输出变量的情形下,可以代替战伤情境下的伤员数据进行二者关联研究,因此以上数据库能为本研究提供验证支撑。本研究的研究对象主要是重伤伤员,纳人所有因外伤入院的18 6 0 岁患者。根据国军标战伤现场急救技术规范制定纳入标准:
17、人院时根据急诊分诊,划分为1级的患者;根据损伤控制外科理论纳人死亡三联征的相关诊断 低体温(T 2 0 s)、代谢性酸中毒(pH 1或平均动脉压 7 0 mmHg或人院诊断为休克)、气胸(入院诊断为主)、大出血(人院时血红蛋白 90 g/L且无贫血、恶行肿瘤等疾病)者;脑疝、严重多发伤、肝脾严重损伤者;战伤计分为6 9分者。排除标准:年龄 6 0 岁者;不是因为外伤住院者;有基础疾病者(有一项以上手术记录);最终死亡者。1.2数据预处理对研究对象的年龄、性别、伤部、生命体征、血常规、血气等特征变量进行收集,共收集2 1项指标。数据要求结合卫勤理论、临床经验与监测技术特点,且所选取的指标内涵需具
18、有明确的针对性且不可或缺,同时所选取的数据能客观反映出对伤情的相关性和影响意义;结合战现场环境,同时需充分考虑对监测的制约,并符合将需紧急救命的伤员区分出来,不对具体伤进行判断的分级救治任务 13-141.3重伤伤员预警模型构建XGBOOST是机器学习的一种。其核心思想是针对同一个训练集训练不同的分类器(弱分类器),然后把这些弱分类器集合起来,构成一个更强的最终分类器(强分类器),它对损伤函数做了二阶泰勒展开,并在目标函数中加入了正则项以寻找全局最优,有效权衡模型复杂程度和目标函数,且运行速度快,容错性好。此外,该算法对预测因子的重要性进行排序,以反Mil Med Jnt Log,Vol.37
19、,No.7,July 28,2023联勤军事医学2 0 2 3年7 月2 8 日第37 卷第7 期612映每个变量在重伤预警与非重伤预警组中的贡献。因此,XGBOOST中的单个预测可以通过将决策路径分解为每个特征的一个分量来表示。通过这种方式,可以通过树跟踪决策,并通过在每个决策节点中添加的贡献来解释预测,计算并分析特征重要性,以确定不同特征类型与重伤预警之间的关系,从而为阶梯级预警提供了理论基础,以适应不同场景。此外,为了证明结果的可解释性,用SHAP(ShapleyAdditive exPlana-tion)值来直观表示,SHAP值是解释任何机器学习模型输出的统一方法。将博奔论与局部解释联
20、系起来,根据期望表示唯一可能的一致和局部精确的加性特征归属方法,说明每个特征对分类输出的影响。分别采用某军队医院急诊数据库和MIMIC数据库进行建模,采用随机森林、支持向量机、朴素贝叶斯、XGBOOST、多层感知机5种机器学习方法对战现场重伤伤员进行预警。在某军队医院急诊数据库提取的伤员中,以7 0%数量伤员作为训练集,30%数量伤员作为测试集获得内部验证结果,将MIMICI数据库中获得的伤员作为模型构建数据集,其结果作为外部验证结果技术路线图见图1、2,上述模型由Python3.6实现。数据来源急诊数据库运动采集数据数据预处理数据清理数据标准化数据划分训练集7 0%测试集30%模型构建战场环
21、境下的指标选取模型训练与验证模型训练与验证模型评估准确度召回率优化模型阶梯级指标选取精确度值阶梯级指标选取阶梯级指标集下的模型训练阶梯级指标集下的模型训练随机森林贝叶斯支持向量机多层感知机XGBOOST图1模型构建总体设计图Figure 1Overall design of model construction本研究模型性能评价方面,通过准确率(Accura-cy)、召回率(Recall)、精确率(Precision)、F值来评估。准确率=被预测正确的伤员数量/所有伤员数量,表示预警正确的样本数和总样本数之比;召回率=被预测正确为重伤伤员的数量/所有重伤伤员的数量,表示能否识别风险的概率;精确
22、率=被预测正确为重伤伤员的数量/所有被预测为重伤伤员的数量,表示每次预测成果的概率;F值=(+1)+精确率+召回率/+精确率+召回率,指精确率和召回率的调和平均。本研究中令=1。急诊MIMICIII数据集数据集训练集测试集70%100%30%图2模型内部-外部”交叉验证Figure2Cross validation of the internal-external model2结果2.1研究对象特点根据筛选规则,从某军队医院急诊数据库最终纳1469名伤员,其中449 名纳人重伤预警组,10 2 0 名纳人非重伤预警组;MIMIC数据库最终有146 4名伤员被纳人,其中337 名重伤预警组,11
23、2 7 名非重伤预警组,筛选过程见图3。对临床获得的生命体征相关数据进行统计,结果如表1,可以看出重伤预警组与非重伤预警组的患者数据符合实际,数据分布合理,说明纳人排除标准符合实际需求,为后续研究提供了良好的数据支撑2.2特征与指标重要性结果分析2.2.1指标权重排序使用Python的 Feature_im-portances函数得到单个指标对于结局变量的要素重要性,如表2 所示。心率收缩压 血氧饱和度 脉压舒张压 体温呼吸,可见心率、收缩压与伤情预警的相关度很高,有理由认为此两项指标是伤情预警的核心指标,因此形成以心率、收缩压为核心的特征阶梯级。2.2.2名各指标与输出变量的相关性对指标的依
24、赖度用SHAP值表示,说明每个特征对分类输出的影联勤军事医学2 0 2 3年7 月2 8 日第37 卷第7 期Mil Med Jnt Log,Vol.37,No.7,July 28,2023613MIMICII数据库某军队医院急诊数据6377名伤员库18 2 5名伤员缺失指标或明显偏差:8 0 4名缺失指标或明显偏差:2 31名1594名伤员年龄 6 0 岁:05573名伤员年龄 6 0 岁;32 10 名不是因为外伤住院;0不是因为外伤住院;314名纳入最终诊断为重有基础疾病(有一项最终死亡;58 5名度休克、气胸(血以上手术记录);12 5名1464名伤员入院时分诊为1级1469名伤员气胸
25、、连伽胸)、纳入最终诊断为休大出血患者克、气胸、大出血诊断为严重多发伤、脑疝、严重多发伤、肝脾严重损伤患者肝脾严重损伤患者战伤计分值为6 9分者战伤计分值为6 9分者非重伤预警组重伤预警组(337 名)非重伤预警组重伤预警组(449名)(1020名)(1127名)图3筛选流程图Figure 3Screening flow chart表1重伤预警伤员与非重伤预警伤员生命体征基线对比(土s)Table 1 Baseline comparison of vital signs between patients with and without serious injury warning(s)某军队
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