重症烧伤患者多重耐药菌感染风险的机器学习预测模型构建及验证

doi:10.3877/cma.j.issn.1674-1358.2025.06.007

目的

基于机器学习算法，构建重症烧伤患者多重耐药菌（MDRO）感染风险的预测模型并进行验证。

方法

收集2017年5月至2024年6月首都医科大学附属朝阳医院收治的675例重症烧伤患者的临床资料。根据是否发生MDRO感染，将患者分为非MDRO感染组（535例）与MDRO感染组（140例）。通过最小绝对收缩和选择算子（LASSO）筛选发生MDRO感染的变量因素。将入选样本量按照7∶3比例随机分为训练集（473例）与验证集（202例），分别构建极限梯度提升树（XGBoost）、Logistic回归、支持向量机（SVM）、K近邻（KNN）和高斯朴素贝叶斯分类（GNB）预测模型。采用受试者工作特征（ROC）曲线下面积（AUC）、决策曲线分析（DCA）和校准曲线评估各模型的性能。使用Shapley加法解释（SHAP）分析每个变量对预测模型的影响。

结果

675例患者中发生MDRO感染者140例，发生率为20.74%（140/675）。非MDRO感染组与MDRO感染组患者烧伤深度（χ²=32.244、P＜0.001）、烧伤面积（χ²=9.438、P=0.002）、低蛋白血症（χ²=4.713、P=0.030）、入重症监护室（ICU）前使用抗菌药物（χ²=11.073、P=0.001）、机械通气（χ²=4.125、P=0.042）、抗菌药物使用≥3种（χ²=22.031、P＜0.001）、抗菌药物使用时间≥7 d（χ²=10.377、P=0.001）、留置导尿管（χ²=13.519、P＜0.001）、深静脉置管（χ²=11.743、P＜0.001）、住ICU时间（Z=21.359、P＜0.001）与住院时间（Z=11.271、P＜0.001）差异均有统计学意义。基于LASSO回归筛选MDRO感染的变量因素构建5种预测模型，其中GNB模型综合表现最好，训练集AUC为0.877（95%CI：0.837～0.917），验证集AUC为0.872（95%CI：0.809～0.934），校准曲线显示模型预测概率与实际结果最相近，DCA曲线显示，风险概率值为0.10～1.00时，临床净收益高。SHAP分析显示，按影响重症烧伤患者发生MDRO感染因素的重要性排序分别为住ICU时间、住院时间、烧伤深度、抗菌药物使用时间≥7 d、留置导尿管、深静脉置管以及入ICU前使用抗菌药物。

结论

以烧伤深度、抗菌药物使用时间≥7 d、留置导尿管、深静脉置管、入ICU前使用抗菌药物、住ICU时间、住院时间构建的GNB模型为重症烧伤患者发生MDRO感染的最佳预测模型，对医护人员制定有效防控策略有一定的指导意义。

关键词: 重症烧伤, 多重耐药菌感染, 机器学习算法, 预测模型

Objective

To construct and validate a prediction model of multidrug-resistant organism (MDRO) infection risk in severe burned patients based on machine learning algorithm.

Methods

Clinical data of 675 patients with severe burn treated in Beijing Chao-yang Hospital, Capital Medical University from May 2017 to June 2024 were collected. Patients were divided into non-MDRO infection group (535 cases) and MDRO infection group (140 cases) based on whether MDRO infection occurred. The variable factors for MDRO infection were screened by the least absolute shrinkage and selection operator (LASSO). All the sample sizes were randomly divided into the training set (473 cases) and verification set (202 cases) according to the ratio of 7∶3, and the extreme Gradient Boost tree (XGBoost), Logistic regression, support vector machine (SVM), K-nearest neighbor (KNN) and Gauss Naive Bayes classification (GNB) prediction model were constructed, respectively. The performance of each model was evaluated by area under the receiver operating characteristic (ROC) curve (AUC), decision curve analysis (DCA) and calibration curve. The influence of each variable factor on the prediction model was analyzed using Shapley additive interpretation (SHAP).

Results

Among the 675 patients, 140 cases developed MDRO infection, with an incidence of 20.74% (140/675). The burn depth (χ²=32.244, P<0.001), burn area (χ²=9.438, P=0.002), hypoalbuminemia (χ²=4.713, P=0.030), usage of antibacterial drugs before intensive care unit (ICU) admission (χ²=11.073, P=0.001), mechanical ventilation (χ²=4.125, P=0.042), usage of≥3 antibacterial drugs (χ²=22.031, P<0.001), duration of antibiotic use≥7 days (χ²=10.377, P=0.001), indwelling catheter (χ²=13.519, P<0.001), deep vein catheterization (χ²=11.743, P<0.001), duration of ICU stay (Z=21.359, P<0.001) and duration of hospitalization (Z=11.271, P<0.001) between patients in non-MDRO infection group and MDRO infection group were all with significant differences. Five prediction models were constructed based on LASSO regression screening variable factors of MDRO infection, among which the GNB model had the best overall performance, with the AUC of 0.877 (95%CI: 0.837-0.917) for the training set and 0.872 (95%CI: 0.809-0.934) for the validation set, and the calibration curve showed that the model’s predicted probability was closest to the actual results, and the DCA curve showed that when the risk probability value was between 0.10-1.00, the clinical net benefit was high. SHAP analysis showed that the factors affecting the occurrence of MDRO infection in severe burned patients, ranked by importance, were as follows: duration of ICU stay, duration of hospitalization, depth of burn, duration of antibiotic use≥7 days, indwelling urinary catheter, deep vein catheterization and use of antibiotics before ICU admission.

Conclusions

The GNB model based on burn depth, duration of antibiotic use≥7 days, indentation catheter, deep vein catheterization, use of antibacterial drugs before admission to ICU, duration of stay in ICU and duration of hospitalization are the best prediction models for MDRO infection in patients with severe burns, which has some guiding significance for clinicians to develop effective prevention and control strategies.

Key words: Severe burn, Multidrug-resistant bacterial infections, Machine learning algorithm, Prediction model

表1 非MDRO感染组与MDRO感染组重症烧伤患者的一般资料

一般资料	非MDRO感染组（535例）	MDRO感染组（140例）	统计量	P值
性别 [例（%）]			χ²=0.818	0.366^a
男	345（64.49）	96（68.57）
女	190（35.51）	44（31.43）
年龄 [例（%）]			χ²=0.354	0.552^a
≥40岁	283（52.90）	78（55.71）
＜40岁	252（47.10）	62（44.29）
BMI（ $x ¯$ ±s，kg/m²）	24.15±3.54	24.22±3.75	t=0.206	0.837
吸烟 [例（%）]			χ²=1.117	0.291^a
是	158（29.53）	35（25.00）
否	377（70.47）	105（75.00）
高血压 [例（%）]			χ²=0.016	0.900^a
是	169（31.59）	45（32.14）
否	366（68.41）	95（67.86）
糖尿病 [例（%）]			χ²=4.306	0.038^a
是	133（24.86）	47（33.57）
否	402（75.14）	93（66.43）
冠心病 [例（%）]			χ²=0.442	0.506^a
是	109（20.37）	25（17.86）
否	426（79.63）	115（82.14）
慢性肺部疾病 [例（%）]			χ²=0.614	0.433^a
是	99（18.50）	30（21.43）
否	436（81.50）	110（78.57）
烧伤类型 [例（%）]			χ²=0.444	0.505^a
火焰	434（81.12）	117（83.57）
其他	101（18.18）	23（16.43）
烧伤深度 [例（%）]			χ²=32.244	＜0.001^a
Ⅰ～浅Ⅱ	378（70.65）	63（45.00）
深Ⅱ～Ⅲ	157（29.35）	77（55.00）
烧伤面积 [例（%）]			χ²=9.438	0.002^a
＜50%	307（57.38）	60（42.86）
≥50%	228（42.62）	80（57.14）
低蛋白血症 [例（%）]			χ²=4.713	0.030^a
是	321（60.00）	98（70.00）
否	214（40.00）	42（30.00）
气管切开 [例（%）]			χ²=1.296	0.255^a
是	110（20.56）	35（25.00）
否	425（79.44）	105（75.00）
入ICU前使用抗菌药物 [例（%）]			χ²=11.073	0.001^a
是	182（34.02）	69（49.29）
否	353（65.98）	71（50.71）
机械通气 [例（%）]			χ²=4.125	0.042^a
是	162（30.28）	55（39.29）
否	373（69.72）	85（60.71）
抗菌药物使用≥ 3种 [例（%）]			χ²=22.031	＜0.001^a
是	225（42.06）	90（64.29）
否	310（57.94）	50（35.71）
抗菌药物使用时间 [例（%）]			χ²=10.377	0.001^a
≥7 d	188（35.14）	70（50.00）
＜7 d	347（64.85）	70（50.00）
使用糖皮质激素 [例（%）]			χ²=0.178	0.673^a
是	196（36.64）	54（38.57）
否	339（63.36）	86（61.43）
留置导尿管 [例（%）]			χ²=13.519	＜0.001^a
是	405（75.70）	126（90.00）
否	130（24.30）	14（10.00）
深静脉置管 [例（%）]			χ²=11.743	＜0.001^a
是	317（59.25）	105（75.00）
否	218（40.75）	35（25.00）
胃管插管 [例（%）]			χ²=1.205	0.272^a
是	368（68.79）	103（73.57）
否	167（31.21）	37（26.43）
住ICU时间 [M（P₂₅，P₇₅），d]	10（5，20）	15（8，26）	Z=21.359	＜0.001
住院时间[M（P₂₅，P₇₅），d]	22（17，32）	28（18，43）	Z=11.271	＜0.001

表1 非MDRO感染组与MDRO感染组重症烧伤患者的一般资料

一般资料	非MDRO感染组（535例）	MDRO感染组（140例）	统计量	P值
性别 [例（%）]			χ²=0.818	0.366^a
男	345（64.49）	96（68.57）
女	190（35.51）	44（31.43）
年龄 [例（%）]			χ²=0.354	0.552^a
≥40岁	283（52.90）	78（55.71）
＜40岁	252（47.10）	62（44.29）
BMI（ $x ¯$ ±s，kg/m²）	24.15±3.54	24.22±3.75	t=0.206	0.837
吸烟 [例（%）]			χ²=1.117	0.291^a
是	158（29.53）	35（25.00）
否	377（70.47）	105（75.00）
高血压 [例（%）]			χ²=0.016	0.900^a
是	169（31.59）	45（32.14）
否	366（68.41）	95（67.86）
糖尿病 [例（%）]			χ²=4.306	0.038^a
是	133（24.86）	47（33.57）
否	402（75.14）	93（66.43）
冠心病 [例（%）]			χ²=0.442	0.506^a
是	109（20.37）	25（17.86）
否	426（79.63）	115（82.14）
慢性肺部疾病 [例（%）]			χ²=0.614	0.433^a
是	99（18.50）	30（21.43）
否	436（81.50）	110（78.57）
烧伤类型 [例（%）]			χ²=0.444	0.505^a
火焰	434（81.12）	117（83.57）
其他	101（18.18）	23（16.43）
烧伤深度 [例（%）]			χ²=32.244	＜0.001^a
Ⅰ～浅Ⅱ	378（70.65）	63（45.00）
深Ⅱ～Ⅲ	157（29.35）	77（55.00）
烧伤面积 [例（%）]			χ²=9.438	0.002^a
＜50%	307（57.38）	60（42.86）
≥50%	228（42.62）	80（57.14）
低蛋白血症 [例（%）]			χ²=4.713	0.030^a
是	321（60.00）	98（70.00）
否	214（40.00）	42（30.00）
气管切开 [例（%）]			χ²=1.296	0.255^a
是	110（20.56）	35（25.00）
否	425（79.44）	105（75.00）
入ICU前使用抗菌药物 [例（%）]			χ²=11.073	0.001^a
是	182（34.02）	69（49.29）
否	353（65.98）	71（50.71）
机械通气 [例（%）]			χ²=4.125	0.042^a
是	162（30.28）	55（39.29）
否	373（69.72）	85（60.71）
抗菌药物使用≥ 3种 [例（%）]			χ²=22.031	＜0.001^a
是	225（42.06）	90（64.29）
否	310（57.94）	50（35.71）
抗菌药物使用时间 [例（%）]			χ²=10.377	0.001^a
≥7 d	188（35.14）	70（50.00）
＜7 d	347（64.85）	70（50.00）
使用糖皮质激素 [例（%）]			χ²=0.178	0.673^a
是	196（36.64）	54（38.57）
否	339（63.36）	86（61.43）
留置导尿管 [例（%）]			χ²=13.519	＜0.001^a
是	405（75.70）	126（90.00）
否	130（24.30）	14（10.00）
深静脉置管 [例（%）]			χ²=11.743	＜0.001^a
是	317（59.25）	105（75.00）
否	218（40.75）	35（25.00）
胃管插管 [例（%）]			χ²=1.205	0.272^a
是	368（68.79）	103（73.57）
否	167（31.21）	37（26.43）
住ICU时间 [M（P₂₅，P₇₅），d]	10（5，20）	15（8，26）	Z=21.359	＜0.001
住院时间[M（P₂₅，P₇₅），d]	22（17，32）	28（18，43）	Z=11.271	＜0.001

图1 LASSO回归分析筛选变量注：A：变量LASSO系数分布图；B：LASSO回归变量收缩图

表2 预测重症烧伤患者发生MDRO感染风险的各模型参数设置

模型	参数设置
XGBoost	L2正则化系数（reg_lambda）：0.5 最小分叉权重和（min_child_weight）：6 最大树深度（max_depth）：4 学习速率（learning_rate）：0.3
Logistic	收敛度量（tol）：0.0001 正则化类型（penalty）：l2 迭代次数（max_iter）：100 正则化因子（C）：1.0
SVM	收敛度量（tol）：0.001 核类型（kernel）：rbf 正则化因子（C）：1.0
KNN	权重类型（weights）：uniform 近邻数目（n_neighbors）：6
GNB	方差平滑（var_smoothing）：1e-07

表2 预测重症烧伤患者发生MDRO感染风险的各模型参数设置

模型	参数设置
XGBoost	L2正则化系数（reg_lambda）：0.5 最小分叉权重和（min_child_weight）：6 最大树深度（max_depth）：4 学习速率（learning_rate）：0.3
Logistic	收敛度量（tol）：0.0001 正则化类型（penalty）：l2 迭代次数（max_iter）：100 正则化因子（C）：1.0
SVM	收敛度量（tol）：0.001 核类型（kernel）：rbf 正则化因子（C）：1.0
KNN	权重类型（weights）：uniform 近邻数目（n_neighbors）：6
GNB	方差平滑（var_smoothing）：1e-07

图2 预测重症烧伤患者发生MDRO感染风险的各模型曲线图

表3 预测重症烧伤患者发生MDRO感染风险的各模型预测性能

模型	数据集	AUC	95%CI	准确度	灵敏度	特异度	F1分数
XGBoost	训练集	0.938	0.913～0.962	0.863	0.863	0.863	0.726
XGBoost	验证集	0.861	0.800～0.922	0.798	0.718	0.818	0.589
Logistic	训练集	0.865	0.823～0.906	0.817	0.746	0.835	0.635
Logistic	验证集	0.861	0.795～0.928	0.821	0.724	0.845	0.612
SVM	训练集	0.859	0.818～0.899	0.786	0.776	0.789	0.607
SVM	验证集	0.840	0.774～0.906	0.759	0.694	0.775	0.526
KNN	训练集	0.937	0.918～0.956	0.891	0.706	0.939	0.607
KNN	验证集	0.789	0.714～0.864	0.826	0.513	0.908	0.546
GNB	训练集	0.877	0.837～0.917	0.817	0.801	0.821	0.649
GNB	验证集	0.872	0.809～0.934	0.800	0.755	0.811	0.602

表3 预测重症烧伤患者发生MDRO感染风险的各模型预测性能

模型	数据集	AUC	95%CI	准确度	灵敏度	特异度	F1分数
XGBoost	训练集	0.938	0.913～0.962	0.863	0.863	0.863	0.726
XGBoost	验证集	0.861	0.800～0.922	0.798	0.718	0.818	0.589
Logistic	训练集	0.865	0.823～0.906	0.817	0.746	0.835	0.635
Logistic	验证集	0.861	0.795～0.928	0.821	0.724	0.845	0.612
SVM	训练集	0.859	0.818～0.899	0.786	0.776	0.789	0.607
SVM	验证集	0.840	0.774～0.906	0.759	0.694	0.775	0.526
KNN	训练集	0.937	0.918～0.956	0.891	0.706	0.939	0.607
KNN	验证集	0.789	0.714～0.864	0.826	0.513	0.908	0.546
GNB	训练集	0.877	0.837～0.917	0.817	0.801	0.821	0.649
GNB	验证集	0.872	0.809～0.934	0.800	0.755	0.811	0.602

图3 GNB模型训练、验证与测试

图4 构建GNB模型的SHAP分析图注：A：SHAP图；B：变量重要性排序

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Construction and verification of machine learning prediction model for risk of multiple drug-resistant bacterial infection in patients with severe burn

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