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百草枯(paraquat,PQ)属于联吡啶类除草剂,价格低廉,除草效果好,对环境危害小,在全球广泛使用.但是PQ对人体毒性极大,重度中毒患者如果不及时治疗往往在几小时或数日内即死亡.目前认为PQ中毒的早期诊治对预后至关重要.研究表明中毒早期,PQ血清浓度和血常规、血气分析、肝肾凝血功能等检查中的一些指标与患者预后密切相关.但如何应用这些指标建立PQ血清浓度及患者预后的预测模型,尚无研究报道.此外,血液中是否还存有其他指标或代谢物与PQ中毒患者的预后相关,目前尚不清楚. 机器学习算法,是近年兴起的一种人工智能算法,在回归预测、分类判别建模上有强大的功能,已在医学领域广泛应用.本文围绕PQ中毒患者早期的常规血液指标和代谢物展开研究,应用机器学习算法对获得血液指标数据进行建模分析,为PQ中毒的早期救治提供参考.全文主要分三个部分进行研究. 第一部分,应用高效液相色谱建立PQ的检测方法,依据测定的PQ血清浓度对中毒程度进行分级.应用反向传播人工神经网络算法(BP-ANN),以PQ中毒患者的血常规、血气分析、肝肾凝血功能等为数据集,建立PQ血清浓度的预测模型.第二部分,首先建立PQ中毒患者入院时的PQ血清浓度、血常规、血气分析、肝肾凝血功能等数据集.血常规中应用信息增益法进行特征选择,血气分析中应用Fisher打分进行特征选择,采用应用支持向量机(SVM)建模.肝肾凝血功能采用灰狼算法筛选特征变量,以极限学习机(ELM)建模.SVM建模中,分别和BP-ANN、K最近邻算法进行比较.ELM建模中,分别与SVM、BP-ANN以及概率神经网络建模进行比较.第三部分,依据PQ中毒患者的PQ血清浓度,将PQ中毒患者分为低PQ中毒组和高PQ中毒组,健康受试者为对照组,应用超高压液相色谱-四极杆飞行时间质谱(UPLC-Q-TOF-MS)测定血液代谢变化.通过主成分分析(PCA),正交偏最小二乘法-判别分析(OPLS-DA)建模筛选主要的代谢物,分析这些代谢物在PQ中毒预测中的意义,并对关键的代谢物在细胞学上进行机制验证. 结果表明,PQ在50~250000ng/mL范围内线性关系良好(R2=0.9995).最低检测浓度为50ng/mL,平均相对回收率在100.24±6.30%,平均绝对提取回收率90.15±5.92%.共测定90名PQ中毒患者,依据血清浓度分为四组:微量PQ组(<50ng/mL),低PQ组(<1000ng/mL),中PQ组(1000-5000ng/mL),高PQ组(>5000ng/mL).其生存率分别为:19/19(100%),19/21(90.47%),11/25(44.0%),0/25(0%).BP-ANN模型构建中,应用正则化后的仿真误差明显小于未正则化模型.分别以血常规、血气分析、肝肾凝血功能数据集建模,其中肝肾凝血功能数据集预测的PQ血清浓度仿真误差最小. 血常规数据集中,使用原始数据集时SVM模型达到70.5%的分类准确度;信息增益特征选择后,血常规数据集的SVM模型分类准确度提高到75.8%.血气分析数据集中,原始数据集中SVM模型达到74.91%的分类准确度;Fisher打分特征选择后,血气分析数据集的SVM模型分类准确度提高到76.00%.凝血肝肾数据集中,使用原始数据集时ELM模型 达到81.45%的分类准确度;Fisher打分特征选择后,凝血肝肾数据集的ELM模型分类准确度提高到86.55%,超过单一PQ血清浓度的数据集结果85.36%.单一PQ血清浓度数据集的SVM模型分类准确度为82.7%,血常规+PQ血清浓度数据集的SVM模型分类准确度能提高到85.2%,但仍低于凝血肝肾数据集的ELM模型. 建立的UPLC-Q-TOF-MS共获取4766个代谢物变量.OPLS-DA模型分析显示,低PQ中毒患者、高PQ中毒患者和健康对照者三类人群在散点图上能明显分离.共有22种代谢物被初步鉴定出来.Fisher判别显示,这些代谢物在PQ中毒程度的分类识别上,要优于血常规,血气分析,肝肾凝血功能等数据集.22种代谢物中,二十碳五烯酸(EPA)是最重要的代谢物,与健康对照者相比,在PQ中毒患者中均呈现反应性升高,且在低PQ中毒患者中要高于高PQ中毒患者.细胞学研究证实,EPA对百草枯中毒的C3A和NB4细胞有保护作用. 依据上述结果得出如下结论: 1、应用PQ血清浓度判断PQ中毒患者的预后,低于50ng/mL没有生命危险,超过5000ng/mL时为致死剂量.基于依据血常规、血气分析、肝肾凝血功能等指标,应用BP-ANN模型可直接预测PQ血清浓度,其中肝肾凝血功能数据集,仿真预测误差最小. 2、在血常规、血气分析、肝肾凝血功能等数据集中,均存在数据冗余,应用特征选择能提高SVM、ELM模型的预测性能.在PQ中毒的预后判断上,三种数据集中,以肝肾凝血功能数据集的预测准确度最高,血常规和血气分析预测精度相近. 3、低PQ中毒患者、高PQ中毒患者和健康对照者间存在明显的血液代谢改变,在PQ中毒预后的预测识别上,血液代谢物数据集要优于血常规、血气分析、肝肾凝血功能等数据集.EPA可作为PQ中毒的血液代谢标志物,其对PQ中毒患者有保护作用.