儿童重症肺炎危险因素及风险预测模型的构建*

白心怡,李娟,李克晶,卢媛

(1.兰州大学第一临床医学院,兰州 730000;2.兰州大学第一医院中心实验室,兰州 730022)

肺炎是全世界儿童死亡的主要原因之一,占5岁以下儿童死亡总数的14%,是引起5岁以下儿童死亡的首位原因[1]。据国内统计,儿童肺炎住院病例中支气管肺炎占比最多,由于儿童呼吸系统和免疫系统功能发育尚未完善,且尚不能准确表达不适的特点,部分患儿如不能及时鉴别并加以治疗,容易发展为重症肺炎(severe pneumonia),可发生因累及多系统功能障碍导致患儿死亡的严重后果[2-3],即使康复也有可能存在严重后遗症[4]。重症肺炎不仅危害儿童的生长发育,还对家庭及社会带来沉重的经济负担,有学者研究表明,甘肃地区儿童肺炎的平均住院费用略高于国内平均水平[5-7]。因而寻找重症肺炎的危险因素,建立风险列线图,从而可视化并个体化预测儿童重症肺炎的发生风险,在有证据的情况下使用抗生素[8],给予相应的治疗措施,对防止延误病情并发展为重症肺炎具有重要意义。

1 对象与方法

1.1研究对象 回顾性分析2020年1月至2022年1月兰州大学第一医院诊断为支气管肺炎(188例)和重症肺炎(112例)的住院儿童的临床资料共300例为建模组,分别设为儿童轻症肺炎组和儿童重症肺炎组。另收集2022年3月至4月、2023年3月至4月兰州大学第一医院诊断为支气管肺炎(56例)和重症肺炎(67例)的住院儿童的临床资料共123例为验证组,分别设为儿童轻症肺炎组和儿童重症肺炎组。建模组与验证组为同一纳入及排除标准。纳入标准:年龄≤14岁;所有患儿均符合重症肺炎诊断标准[9],且均行呼吸道病原体核酸检测;若患儿1年内多次因重症肺炎住院,仅记录首次感染的相关资料。排除标准:一般临床资料缺失;合并其他严重临床疾病和(或)其他呼吸系统疾病(先天性疾病、心功能不全、系统性红斑狼疮、川崎病、脑炎、癫痫、肾病综合征、白血病、传染性单核细胞增多症等;上呼吸道感染、支气管炎、大叶性肺炎、哮喘、吸入性肺炎、急性呼吸窘迫综合征、气胸、结核等);入院48 h内出院、转诊或死亡。

1.2资料收集 回顾性分析建模组患儿的年龄、性别、住院时长、季节、感染细菌和(或)病毒种类、ICU住院史、是否早产、发热、咳嗽、喘息、呼吸困难、有创操作、各项常规检验结果[包括C反应蛋白(C-reactive protein,CRP)、血常规、肝功能、肾功能、心肌酶谱、降钙素原(procalcitonin,PCT)等],验证组仅回顾性纳入儿童重症肺炎独立危险因素相关数据。

1.3标本采集与检测 患儿入院时采集痰液标本,由兰州大学第一医院中心实验室按照RTisochip-A恒温扩增微流控芯片核酸分析仪及呼吸道病原体核酸检测试剂盒(成都博奥晶芯生物科技有限公司)说明书检测呼吸道病原菌及肺炎支原体、肺炎衣原体。患儿入院时采集血液标本,由兰州大学第一医院医学检验中心采用按照呼吸道病毒及支原体、衣原体IgM抗体检测试剂盒(北京贝尔生物工程股份有限公司)说明书检测呼吸道病毒及肺炎支原体、肺炎衣原体IgM抗体,ELISA法检测采用上海科华生物工程股份有限公司的ST-360酶标仪;生化检验项目(肝功能、肾功能、心肌酶谱)仪器均采用美国贝克曼库尔特有限公司的AU5800全自动生化分析仪检测,试剂采用九强生物试剂、质控品和校准品;血液检验项目中的CRP采用CRP-M100特定蛋白免疫分析仪及超敏C反应蛋白(hs-CRP)测定试剂盒(深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司)检测;血常规项目采用BC-6800Plus全自动血液分析仪(深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司)检测,试剂采用迈瑞生物试剂、质控品和校准品;PCT采用cobas 8000 e801全自动化学发光免疫分析仪(德国罗氏诊断公司)检测,试剂采用罗氏降钙素原检测试剂盒、质控品。

1.4检验方法 呼吸道病原菌核酸检测可同时检测肺炎链球菌、金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林葡萄球菌、大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌、嗜麦芽窄食单胞菌、流感嗜血杆菌、嗜肺军团菌、结核分枝杆菌、肺炎支原体、肺炎衣原体,检测方法为恒温扩增芯片法,试剂盒中设置阳性内对照、阳性外对照及阴性对照,临床试验与测序方法的阳性符合率大于96%;呼吸道病毒可同时检测埃可病毒、柯萨奇病毒B组、呼吸道合胞病毒、EB病毒、副流感病毒、腺病毒、肺炎支原体、肺炎衣原体,检测方法均为酶联免疫法,设置空白对照及阴阳对照,敏感性为96.1%～97.5%;生化检验项目包括天冬氨酸氨基转移酶、丙氨酸氨基转移酶、总蛋白、球蛋白、清蛋白/球蛋白、总胆红素、碱性磷酸酶、γ-谷氨酰转移酶、无机磷、阴离子间隙、二氧化碳、尿素、肌酐、尿素/肌酐、乳酸脱氢酶、α-羟丁酸脱氢酶、肌酸激酶、肌酸激酶同工酶,检测方法为全自动生化分析仪法;血液检验项目中CRP检测方法为乳胶增强免疫散射比浊法,PCT检测方法为电化学发光法。

1.6风险预测模型的建立与评价 使用R4.0.3软件(https://www.r-project.org/)构建风险列线图模型。计算一致性指数并绘制校准曲线,采用Bootstrap自抽样法进行模型内部验证,Hosmer-Lemeshow拟合优度检验评价与实际情况的符合程度,绘制ROC曲线,采用ROC曲线下面积(AUCROC)评价模型预测效能,临床决策曲线(DCA)评价模型的获益率。

1.7模型的简化应用及验证 对儿童重症肺炎风险预测模型进行简化取整,使用R4.0.3软件构建简化版评分模型,并对验证组患儿进行评分后绘制直观显示的柱状图。

2 结果

2.1患儿一般情况 本研究共纳入轻症肺炎和重症肺炎患儿300例,其中男性患儿179例,占比59.67%,女性患儿121例,占比40.33%;轻症肺炎188例,占比62.67%,重症肺炎112例,占比37.33%,有194例患儿检测出病原体,感染率为64.47%。

2.1.1检出细菌的类型构成 194例检出病原体患儿中,单一细菌感染96例(49.48%),多种细菌混合感染44例(22.68%),细菌及病毒的混合感染43例(22.16%)。166例检出病原菌标本中,肺炎链球菌(Spn)检出率最高,占比46.99%(78/166),其次为流感嗜血杆菌(Hin),占比37.95%(63/166)。革兰阴性菌占比为54.82%(91/166);革兰阳性菌占比为78.31%(130/166)。

2.1.2检出病毒的类型构成 194例检出病原体患儿中,单一病毒感染14例(7.22%),多种病毒感染20例(10.31%)。68例检出病毒标本中,EB病毒检出率最高,占比33.82%(23/68),其次为柯萨奇B组病毒(CVB),占比26.47%(18/68)。

2.1.3检出支原体、衣原体构成 呼吸道病原体核酸检测(恒温扩增芯片法)中检出肺炎支原体21例,肺炎衣原体1例。呼吸道病原体IgM抗体检测(酶联免疫法)中检出肺炎支原体15例,肺炎衣原体1例。同时(同一患儿)检出肺炎支原体11例,未检出肺炎衣原体。

2.2儿童重症肺炎组与儿童轻症肺炎组的比较

2.2.1一般资料的比较结果 轻症肺炎组与重症肺炎组比较,患者在年龄(<1岁)、ICU住院史、住院时长、临床症状(呼吸困难、喘息)、有创通气、出现并发症(心血管系统、消化系统)的差异有统计学意义(P<0.05),而在性别、感染病原体、临床症状(咳嗽、发热)、早产史、出现神经系统并发症的差异无统计学意义。见表1。

表1 重症肺炎组与轻症肺炎组一般资料的比较

2.2.2各项检验项目的比较结果

2.2.2.1临床生化检验项目的比较结果 轻症肺炎组与重症肺炎组患儿在乳酸脱氢酶、天冬氨酸氨基转移酶、丙氨酸氨基转移酶、总蛋白、球蛋白、总胆红素、γ-谷氨酰转移酶、二氧化碳、无机磷、α-羟丁酸脱氢酶、肌酸激酶同工酶间的比较差异有统计学意义(P<0.05),而在清蛋白/球蛋白、碱性磷酸酶、尿素、肌酐、尿素/肌酐、阴离子间隙、肌酸激酶间的比较差异无统计学意义。见表2。

表2 重症肺炎组与轻症肺炎组临床生化检验项目的比较

2.2.2.2血常规检验项目的比较结果 轻症肺炎组与重症肺炎组患儿在CRP、白细胞、血小板、中性粒细胞、平均红细胞体积、平均血红蛋白浓度、单核细胞百分比、单核细胞绝对值、红细胞分布宽度-CV、红细胞分布宽度-SD间的比较差异有统计学意义(P<0.05),而在PCT、血红蛋白、红细胞压积、平均血红蛋白含量、淋巴细胞百分比、中性粒细胞百分比、淋巴细胞绝对值、血小板分布宽度、血小板比积间的比较差异无统计学意义。见表3。

表3 重症肺炎组与轻症肺炎组血常规检验项目的比较

2.3儿童重症肺炎的多因素分析 重症肺炎患儿的多因素Logistic回归分析结果显示,ICU住院史、住院时长、CRP、喘息、单核细胞百分比、心血管并发症为重症肺炎患儿的独立危险因素(P<0.05)。见表4。经共线性检验得到方差膨胀系数VIF<5,表明6项危险因素之间不存在共线性。

表4 儿童重症肺炎的多因素分析

2.4Nomogram风险列线图的构建和验证

2.4.1儿童重症肺炎的风险列线图 利用R软件基于多因素Logistic回归纳入的6项预测变量建立儿童重症肺炎的风险列线图。通过对每个分类预测变量进行赋分(Points),个体化计算不同预测对象各变量对应得分相加后的总分(Total points),可以得出该患儿发生重症肺炎的风险概率(Risk)。结果见图1。

注:ICU,ICU住院史;time,住院时长;CRP,C反应蛋白;M,单核细胞百分比;wheeze,喘息;CVDC,心血管并发症。

2.4.2Bootstrap自抽样法、一致性指数、Hosmer-Lemeshow拟合优度检验及校准曲线 采用Bootstrap自抽样法重复抽样1 000次对预测模型进行内部验证,计算预测模型的一致性指数(Concordance index,C-index)为0.925;Hosmer-Lemeshow拟合优度检验显示χ2=11.060,P=0.198,提示该预测模型对于儿童重症肺炎的发生具有良好的校准度;绘制校准曲线(Calibration curve)结果见图2。

注:拟合后的校准曲线与对角斜线吻合度较高,绝对误差为0.039。

2.5绘制并分析儿童重症肺炎的ROC曲线 ROC曲线下面积(AUCROC)为0.925,95%CI:0.895～0.955,表明该模型区分度较高。见图3。

图3 儿童重症肺炎风险预测模型的ROC曲线

2.6儿童重症肺炎的临床决策曲线 结果见图4。其中红色曲线为模型预测的获益情况,取红色曲线与ALL曲线的交点为起点,与None曲线的交点为结束点,在此范围内所对应的患者可以获益,以此评价本次模型的获益率良好。

注:None线为所有患者都不接受干预时的净获益率,ALL线为所有患者都接受干预时的净获益率,随横坐标(概率阈值)的改变,fit1线与ALL曲线的交点为起点,与None曲线的交点为结束点,在此之间的重症肺炎患儿按照模型可预测进行干预的获益率。

2.7预测模型的简化应用及验证

2.7.1儿童重症肺炎预测模型的简化应用 为使模型应用更加简明,对儿童重症肺炎风险预测模型进行简化取整后利用R软件得到简化版评分模型,结果见图5。

项目英文名项目中文名列线图得分简化计算简化得分ICUICU史28301.5time住院时长100/24×(天数-2)4×(天数-2)(天数-2)/5CRPCRP值48/200×CRP值CRP/4CRP/100M单核细胞百分比43/30×M值1.5×MM/13wheeze喘息28301.5CVDC心血管并发症15151

注:基于图1进行简化计算后使用R软件制作的更适合临床使用的简易模型,但风险计算仍应以图1为准。

2.7.2简化模型的临床验证 验证组共纳入患儿123例,其中轻症肺炎组56例,重症肺炎组67例(表5),使用儿童重症肺炎模型的简化版评分模型分别对轻症肺炎组患儿及重症肺炎组患儿进行评分,并绘制直观显示的柱状图(图6),结果表明,简化模型的评分预测结果与验证组实际结果一致性较高,该评分可以很好地预测儿童重症肺炎发生的风险。

注:横坐标为简化模型评分总值分组,纵坐标为各评分值在轻型肺炎组和重症肺炎组例数,重症肺炎组的评分值明显高于轻症肺炎组。

表5 简化模型的临床验证基线资料对比

3 讨论

重症肺炎是由肺组织炎症发展到一定疾病阶段,恶化加重形成,引起器官功能障碍甚至危及生命。本研究模型纳入的6项预测指标包括ICU住院史、住院时长、CRP、喘息、单核细胞百分比、心血管并发症,入住ICU患儿病情危重,侵入性操作多,抗生素使用频繁,机械刺激可增加患儿多重感染的风险[10]。与轻症肺炎患儿相比,重症肺炎患儿住院时长>7 d比例更高,且住院时间较长与并发症和高再入院风险之间存在关联[11-13]。CRP有助于补体系统的激活,诱导细胞因子的产生,活化血小板和募集巨噬细胞参与,是传统的肺炎生物学标志物[14-15]。然而,目前单独应用传统的生物学标志物诊断和预测儿童重症肺炎几乎不可能,与临床表现、影像学、其他传统标志物或新型生物学标志物的联合应用能够提高诊断速度和敏感性。呼吸道炎症以及破坏上皮屏障完整性,会使严重下呼吸道感染的风险增加[12,16],更易合并喘息并发展为重症肺炎。外周血单核细胞中受体蛋白凋亡相关斑点样蛋白及核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(NLRP3)表达异常加快细胞因子级联瀑布式释放,激活单核细胞与补体系统,与重症肺炎患儿病情严重程度及预后有紧密联系[17-18]。在经济不发达地区,心血管异常在因重症肺炎住院的儿童中相对常见[19],引起心血管并发症的可能机制较多(低氧血症、高碳酸血症、正压通气等)[20],因为心血管并发症通常不按照严重程度进行分层,专注于预防肺炎相关心血管事件的治疗方法具有一定的局限性[21-23]。

本研究中纳入建模组患儿共300例,有194例患儿检出病原体,感染率为64.47%,约1/3患儿未检出病原体,分析原因:(1)患儿入院时采集的痰液标本可能不合格;(2)感染初期,IgM未产生或滴度很低导致阴性结果;(3)其他不在检测范围内的病原体感染。有文献报道通过呼吸道病原菌核酸检测(恒温扩增芯片法)疑似呼吸道感染的痰液样本的检出率为65.27%(312/478)[24]。

本研究根据临床数据最终建立了儿童重症肺炎风险预测模型及其简化版评分模型,有助于临床医师对儿童重症肺炎的发生风险进行预测,可为临床早期干预提供依据,在改善患儿预后方面有一定优势。且构建的列线图模型具有较高的校准度、区分度和临床获益率,模型纳入的6项预测指标容易取得,在实际工作中方便推广,同时建立的简化模型的评分预测结果与验证组实际结果一致性较高。目前适用于儿童的评分系统不多,主要是基于成人量表的改良PIRO量表及适用于住院儿童的Williams儿童重症肺炎风险模型[25-27]。改良PIRO量表是目前应用最多的儿童重症肺炎评分量表,基于成人量表改良但无检验指标的纳入;Williams儿童重症肺炎风险模型更适合住院儿童,且作者指出该模型可能在美国之外的其他人群中表现不佳。未来仍然需要大量的研究制定出更为适合儿童重症肺炎的评分量表。

既往模型研究多在明确病原体的情况下,仅考虑患儿一般情况,较少纳入实验室检验项目,因为检测细菌种类有限,300例患儿约1/3未检出病原体,而细菌培养耗时长、阳性率不高,故而本研究是在未明确病原体的前提下预测重症肺炎,且所纳入的因素均为常规实验室检查项目,具有一定的创新性和实用性,但作为一项纳入病例数较少的单中心回顾性研究,且未结合患儿生命体征、影像学表现和新型的生物学标志物(如可溶性髓系细胞表达触发受体、肺表面活性物质相关蛋白D、肾上腺髓质素前体、黏液瘤抗性蛋白A等),仍有很多的不足之处。

综上所述,ICU住院史、住院时长、CRP、喘息、单核细胞百分比、心血管并发症是儿童重症肺炎发生的独立危险因素,基于此建立的风险列线图模型校准度、区分度和临床获益率均较好,简化模型的应用及验证与实际结果相符,可以用于指导临床早期识别高危儿童,提供个体化治疗方案的参考。