基于物联网的肺癌早期预警模型在COPD患者中的应用

徐存来 曹卓 蒋奕薇 王欣 王馨怡

[摘要] 目的 运用基于物联网数据挖掘技术的肺癌早期预警模型在丽水市慢性阻塞性肺疾病患者中进行早期肺癌筛查。方法 在2021年7月到2022年6月在笔者医院确诊的慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）患者行胸部CT平扫，将检出肺结节并同意入组的300名患者完成肺结节靶扫描+二三维重建，检测外周血CYP1A1、GST及XRCC1的基因多态性和miRNA130a和miR204-5p。嘱其2022年7月到2022年9月每天清醒时佩戴智能手环10h检测生命体征和运动量。2022年10月复查肺结节靶扫描+二三维重建，如结节较前增大则如实告知患者结果，由患者与笔者医院除研究者外专科医师自行商议是否进行肺穿刺送病理。病理确诊肺癌的患者为进展组，其余为稳定组。结果 240名患者为稳定组，48名患者为进展组，12名患者经与专科医师商议后继续随访。两组之间肥胖、平均血氧饱和度、最低血氧饱和度、用力肺活量（forced vital capacity，FVC）预计值、运动量、肺结节长径差异均有统计学意义（P<0.05）。两组外周血miRNA-130a，miRNA-204-5p表达水平比较，差異有统计学意义（均P<0.001）。稳定组与进展组外周血CYP1A1、GST、XRCC1基因型比较，差异均有统计学意义（P<0.05）。受试者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲线下面积分别为平均血氧饱和度0.681，最低血氧饱和度0.735，FVC预计值0.781，运动量0.835，肺结节长径0.825，外周血miRNA-130a 0.796，miRNA-204-5p 0.893。结论 基于物联网数据挖掘技术的肺癌早期预警模型可用于慢性阻塞性肺疾病患者肺癌筛查。

[关键词] 肺结节；肺癌筛查；miRNA；物联网

[中图分类号] R5    [文献标识码] A     [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2024.02.003

Internet of things based early warning model for lung cancer in COPD patients

XU Cunlai1， CAO Zhuo1，2， JIANG Yiwei1，2， WANG Xin1，2， WANG Xinyi1，2

1.Department of Respiratory and Critical Care， Lishui People’s Hospital， Lishui 323000， Zhejiang， China; 2.The First Clinical Medical College of Wenzhou Medical University， Wenzhou 325035， Zhejiang， China

[Abstract] Objective To use the Internet of things based early warning model of lung cancer to perform early lung cancer screening among chronic obstructive pulmonary disease （COPD） patients in Lishui City. Methods Patients with COPD diagnosed in our hospital from July 2021 to June 2022 underwent plain chest CT， and the 300 patients who had lung nodules detected and agreed to participate in the study were completed with lung nodule target scan + two - and three-dimensional reconstruction to detect gene polymorphisms of CYP1A1， GST and XRCC1 and mirna130a and mir204-5p in peripheral blood. Asked to wear smart hand ring for 10 hours every day while awake from July 2022 to September 2022 to detect vital signs and exercise volume. Review lung nodule target scan + two three dimensional reconstruction in October 2022. If the nodules were larger than before， the patient was truthfully informed of the results. The patient and the specialist of our hospital discussed whether to carry out lung puncture for pathology. Patients with pathologically confirmed lung cancer were progression group and the rest were stable group. Results Totally 240 patients were in the stable group， 48 patients were in the progression group， 12 patients continued to follow-up after consultation by physicians. There were significant differences in adiposity， mean oximetry， nadir oximetry， forced vital capacity （FVC） predicted， exercise capacity， and lung nodule diameter between the two groups. The expression levels of peripheral mirna-130a， mirna-204-5p were significantly different between the two groups （P<0.001）. There were significant differences in CYP1A1， GST， and XRCC1 genotypes in peripheral blood between stable and progressive patients. The areas under the receiver operating characteristic （ROC） curves were mean oxygen saturation （0.681）， lowest oxygen saturation （0.735）， FVC predicted （0.781）， exercise （0.835）， lung nodule length diameter （0.825）， peripheral blood mirna-130a （0.796）， mirna-204-5p （0.893）. Conclusion The Internet of things based early warning model for lung cancer can be used for lung cancer screening among COPD patients.

[Key words] Pulmonary nodule; Lung cancer screening; MiRNA; Internet of things

基于物联网的数据分析技术可应用于基因组学、医疗保健、工程学、运营管理等各个领域，在医学领域方面物联网大数据已用于预测疾病发生风险、精准医学的研究、辅助诊断及治疗等方面[1]。传统上慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）患者的推荐运动频率为每周2～5d，中等强度或高强度间歇训练，每次约30min，持续4～12周，推荐运动类型主要采用有氧运动和抗阻训练[2]。在传统的运动处方中，运动强度多使用心率储备技术，基于年龄和静息心率来计算。但目前运动处方主要用于慢性阻塞性肺疾病患者康复治疗，慢性阻塞性肺疾病患者生命体征及运动量与早期肺癌的关系还需要进一步研究。检索文献，国内多项单中心小样本研究报道外周血细胞色素P4501A1（cytochrome P450，family 1，subfamily A，polypeptide 1，CYP1A1），谷胱甘肽巯基转移酶（glutathione S-transferase，GST），人DNA修复基因（X-ray repair cross complementing 1，XRCC1）的基因多态性和微小RNA130a（miRNA130a）和miR204-5p单个指标在肺癌患者及对照组中表达有差异[3-6]，但早期预测的特异性和敏感度并不令人满意。本研究旨在运用基于物联网并结合影像学及外周血指标共同构成的肺癌早期预警模型在丽水市慢性阻塞性肺疾病患者中进行早期肺癌筛查。

1  资料与方法

1.1  一般资料

在2021年7月到2022年6月在笔者医院门诊及病房行肺功能检查确诊的慢性阻塞性肺疾病患者经知情同意后行胸部CT平扫。将检出单个肺结节300名慢性阻塞性肺疾病合并肺结节患者入组作为进展组和稳定组成员。经知情同意后行胸部CT平扫。将检出单个肺结节300名慢性阻塞性肺疾病合并肺结节患者。排除标准：无法规律佩戴智能手环的、确诊肿瘤、已行肺穿刺或射频消融、心律失常、心力衰竭、骨折、肾功能异常、凝血功能障碍或血小板减少的患者。在2022年7月到2022年11月笔者医院门诊及病房确诊后在胸外科进行手术的单个肺结节合并慢性阻塞性肺疾病患者320例作为验证组，术后确诊早期肺癌204例，肺良性疾病116例。验证组敏感率=模型正确诊断的肺癌/204，特异性=（204-模型漏诊的肺癌/204），阳性预测值=模型正确诊断的肺癌/模型全部诊断的肺癌，阴性预测值=模型正确诊断的肺良性病变/模型全部诊断的肺良性病变，准确率=模型正确诊断的肺癌和肺良性病变/320。本临床研究已经过笔者医院伦理委员会审批，（伦理审批号：2022立项第021-01号）。

1.2  随访及分组

嘱其2022年7月到2022年9月每天清醒时佩戴智能手环（华为智能手环6标准版）连续监测平均及最高心率，平均及最低血氧饱和度和运动量10h，并通过运动健康APP实时上传数据至智能手机。所有智能手表均进行过校准调试，心率和血氧饱和度在同一个患者同一天24h与笔者医院心电监护仪（飞利浦GS20）测量误差在1%以下，相互之间差异无统计学意义。2022年10月复查肺结节靶扫描+二三维重建，如结节较前增大则如实告知患者结果，由患者与我院除研究者之外的专科医师自行商议是否进行肺穿刺送病理，12名患者及专科医师共同决定继续观察拒绝肺穿刺，其余患者与专科医师共同讨论决定有肺穿刺适应证，完善血常规，血凝分析，传染病5项，胸部CT增强排除禁忌症并经知情同意后。病理确诊肺癌的患者为进展组，其余为稳定组。验证组2022年7月到2022年11月术前1月每天清醒时佩戴智能手环10h，其余同前。

1.3  肺功能检查

使用无锡启益医疗科技有限公司研发的肺功能测定仪（浙械注准20182210345）进行检测。肺功能检查指标包括用力肺活量（forced vital capacity，FVC）占预计值百分比、1秒用力呼气容积（forced expiratory volume in one second，FEV1）占預计值百分比、FEV1与FVC的比值（FEV1/FVC）。

1.4  影像学检查

所有人员进行常规的低剂量CT扫描，发现肺部结节后进行靶扫描+二三维度重建，靶扫描采用较高剂量进行扫描（120kV，408mA），且针对病灶部位进行扫描，执行ROI重建并且图像重建大小为1024×1024，层厚为lmm，层数为56层。参与的读片医师均为影像科高年资中级以上医师，每次3人以上一起读片。

1.5  3DMV-CNN技术方法

3D多视野卷积神经网络基于笔者医院已购置和使用多年的飞图影像系统进行。以病人靶扫描的图像作为数据来源，由3名高年资影像医师进行标注，选择最能够体现肺结节特征的3层图像。针对每一个具有金标准的病灶，用矩形框标注出病灶的每一层结构。其中，肺癌设置标签为1，肺良性病变设置标签为2。288例数据里面总共标注了和48个肺癌结节和240个稳定肺结节。本课题组按5∶3的比例将数据随机分成训练集和预测集两组，研究采用神经网络算法，参数如下-使用分割数据：否；方法：Quick；避免过度训练：50%；设置随机种子数：否；按条件停止：Times 1 min；优化=memory；继续训练存在的模型：否；使用二进制元集合编码：是；显示反馈图：是。

1.6  miRNA检测

采集两组研究对象清晨空腹肘静脉血10ml，抗凝后以2000r/min的速度离心15min。按照说明书使用miRNeasy Mini Kits提取外周血RNA，下一步进行聚合酶链检测（polymerase chain reaction，PCR），具体参数：预反应（95℃，2min）-解链（95℃，5s）-退火（56℃，5s）-延伸（72℃，35s），共35个循环。miRNA130a：上游5′-CATGTTTAAACAAGGCA TTGATTGCACTTGA-3′，下游5′-GCCCTCGAGTG TAGTGCAAAACAATAAAT-3′；miR204-5p：上游5′-AAGTTGGAGCCCATGAAATC-3′，下游5′-GTAG GTAGTCAATTAACTGGAGCAT-3′。

1.7  基因型检测外周血

CYP1A1、GST及XRCC1基因型检测使用QuantStudio 5 IVD实时荧光定量PCR分析仪，利用PCR-RFLP技术分析位点多态性。具体参数：CYP1A1：上游5′-TAGGAGTCTTGTCTCATGCCT-3′，下游5′-CAGTGAAGAGGTGTAGCCGCT-3′；GSTP1：上游，5′-CCUACACCGUGGUCUAUUUTT-3′，下游5′-AAAUAGACCACGGUGUAGGTT-3′；XRCC1- rs25487：5′-CCAACACCCCCAAGTACAGC-3′；下游5′-TGGAGGAGCAGTTTGTGCAA-3′。

1.8  统计学方法

采用SPSS21.0统计学软件对数据进行一般分析。设定的检验水准为0.05。符合正态分布及方差齐性检验的定量数据使用双尾T检验，不符合的使用独立样本MannWhitney检验，计数数据使用卡方分析。miRNA-130a，miRNA-204-5p，平均血氧饱和度，最低血氧饱和度，运动量受试者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲线，FVC预计值，肺结节长径，肺癌早期预警模型与单纯影像学模型和曲线下面积（area under the ROC curve，AUC）以及可信区间采用GraphPad Prism8繪制和计算。

2  结果

2.1  流行病学、生命体征、运动量、肺功能、影像学比较

与进展组比较，肥胖卡方平均血氧饱和度，最低血氧饱和度，FVC预计值，运动量，肺结节长径，差异均有统计学意义（均<0.001），详见表1。

外周血miRNA-130a，miRNA-204-5p表达水平比较差异有统计学意义，详见表2。CYP1A1、GST及XRCC1基因型比较，经直接卡方检验，CYP1A1（χ2=13.1489，P<0.001），GST（χ2=4.1142，P=0.043），XRCC1（χ2=8.518，P=0.014），详见表3。

2.2  ROC曲线分析

平均血氧饱和度、最低血氧饱和度、FVC预计值，运动量，肺结节长径，外周血miRNA-130a，miRNA-204-5p表达水平受试者工作曲线分析，差异均有统计学意义（P<0.05），见图1。

2.3  肺癌早期预警模型与单纯影像学模型在验证组中的诊断价值

在共320人次的验证组中，肺癌早期预警模型（纳入miRNA-130a，miRNA-204-5p，平均血氧饱和度，最低血氧饱和度，运动量ROC曲线，FVC预计值和肺结节长径）敏感度（83.33% vs. 80.39%），特异性（93.14% vs. 89.71%），准确度（87.63% vs. 83.67%），阳性预测值（95.63% vs. 93.13%），阴性预测值（73.85% vs. 70.80%），AUC（0.916 vs. 0.834）均高于单纯影像学组，见表4。

3  讨论

由于早期肿瘤的发生、发展极为复杂，目前发现的分子生物标志对早期肺癌判别的灵敏度和特异性并不令人满意，且大多集中于某一方面的机制研究。因此迫切需要综合运用多种机制和手段，同时需要吸收其他相关学科的新技术和新发展，共同解决肺癌早期诊断问题。因此，利用掌握的涉及不同机制的分子生物标志，同时联合影像学数据建立的数据分类模型，将对提高肺癌的早期判别准确率产生巨大的促进作用。

本次研究发现肺功能FVC值越低，平均血氧饱和度越低，最低血氧饱和度越低，运动量越少，越消瘦的COPD合并肺结节患者进展的概率越高，可能和此类患者体内炎症水平较高有关。国内124例晚期肺癌患者研究提示CYP1A1突变纯合型（m2/m2）频率显著高于对照组（31.45% vs. 14.51%）[3]，数据差异具有统计学意义（P<0.05），证明CYP1A1 MspI位点为m2/m2基因型与肺癌易感性有相关性。本次研究进展组CYP1A1（m2/m2）外周血基因型比例同样显著高于稳定组（46% vs. 14%），与既往研究相符。东北地区408例晚期肺癌患者研究提示GSTM1缺陷型与GSTM1功能型基因相比，缺陷型基因携带者患肺癌的危险升高2.084倍[4]，本次研究进展组GST功能型比例低于稳定组（38% vs. 52%），与既往研究相符。有研究结果显示[5]，携带XRCC1GG基因型在低分化、Ⅳ期NSCLC患者中分布较多，而本研究中进展组XRCC1GG比例显著高于稳定组（42% vs. 23%）。MiRNA在肺癌中的运用也是研究热点，   110例晚期肺癌患者的研究提示血清中miRNA-130a表达水平对进展期非小细胞肺癌患者预后有预测作用[6]。本次研究外周血miRNA-130a预测作用略低于既往研究，但仍可证实miRNA-130a在肺癌研究中的价值。

肺癌早期预警模型的目的就是尽量在没有任何症状的情况下，通过各类检测手段，包括但不限于验外周血和医学成像，来发现潜在的肿瘤或疾病。本研究拟开展基于物联网的数据挖掘技术联合影像学及多种肿瘤标记在肺癌早期预警模型中的运用研究。从肺癌遗传易感标志和早期效应标志2个方面为切入点，筛选了多种表观遗传相关血清肿瘤标志物包括CYP1A1、GST、XRCC1基因分型以及相关miRNA-130a、miRNA-204-5p，流行病学资料，肺功能学，3个月物联网持续监测的大数据生命体征相联合。检测这些指标对肺癌早期预警或诊断的相关性，抽取可用于肺癌早期预警或诊断的有效特征，构建准确的肺癌-肺良性疾病辅助诊断模型，为高危人群的筛查和临床肺癌的早期诊断提供有价值的参考资料。

该研究为单中心小样本研究，部分指标虽有差异，但因样本数量问题差异无统计学意义。另因为指南规范和伦理学原因，不可能对所有稳定组受试者进行病理学活检。研究开始时国内尚无物联网便携式心电监护仪获批，故只能采用经校正的通用设备进行生命体征及运动量记录。miRNA检测和基因型检测均采用外周血样本进行PCR检测，未动态复查，也未进行肺组织及蛋白水平交叉验证。这些不足之处有待于下一步多中心大样本研究进一步补充数据。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。

[参考文献]

[1] LIANG H， ;TSUI BY， NI H， et al. Evaluation and accurate diagnoses of pediatric diseases using artificial intelligence[J]. Nat Med， 2019， 25（3）： 433–438.

[2] GRANGER CL， MORRIS N， HOLLAND AE， et al. Practical approach to establishing pulmonary rehabilitation for people with non-COPD diagnoses[J]. Respirology， 2019， 24（9）： 879–888.

[3] 姜雪燕， 田曉燕， 陈鹏， 等. CYP1A1基因多态性与肺癌易感性的关系研究[J]. 世界最新医学信息文摘， 2020， 20（17）： 75–76.

[4] 王静， 韩彦龙， 张书捷， 等. 谷胱甘肽硫转移酶基因GSTM1基因多态性与东北地区汉族人群肺癌易感性的相关性及其临床应用创新[J]. 中国医学创新， 2019， 16（6）： 1–4.

[5] 马吉成， 马秀红， 韩海林， 等. XRCC1及XPD基因多态性与高海拔地区非小细胞肺癌的关系及其对预后的意义[J]. 川北医学院学报， 2020， 35（5）： 754–758.

[6] 刘本鲲， 孙昊博， 王俊丰， 等. 血清miRNA-130a表达水平对进展期非小细胞肺癌患者预后的预测价值[J]. 中国医学前沿杂志， 2020， 12（7）： 93–96.

[7] 杨达伟， 白春学. 物联网在医疗领域的发展现状及趋势[J]. 中华医学信息导报， 2021， 36（19）： 14.

[8] LE V， YANG D， ZHU Y， et al. Quantitative CT analysis of pulmonary nodules for lung adenocarcinoma risk classification based on an exponential weighted grey scale angular density distribution feature[J]. Comput Methods Programs Biomed， 2018， 160： 141–151.

[9] 中国物联网辅助评估管理肺结节专家组. 物联网辅助评估管理肺结节中国专家共识[J]. 国际呼吸杂志， 2022， 42（1）： 5–12.

[10] 中华医学会呼吸病学分会肺癌学组， 中国肺癌防治联盟专家组. 肺结节诊治中国专家共识（2018年版）[J]. 中华结核和呼吸杂志， 2018， 41（10）： 763–771.

[11] LI P，&nbsp;LIU S， DU L， et al. Liquid biopsies based on DNA methylation as biomarkers for the detection and prognosis of lung cancer[J]. Clin Epigenetics， 2022， 14（1）： 118.

[12] PARAMANANTHAM A， ASFIYA R， DAS S， et al. Extracellular vesicle （EVs） associated non-coding RNAs in lung cancer and therapeutics[J]. Int J Mol Sci， 2022， 23（21）： 13637.

[13] 王婭洁， 吴爽爽， 储江， 等. 肺部微生物组通过炎症反应介导慢性阻塞性肺疾病转化为肺癌的研究进展[J]. 遗传， 2021， 43（1）： 30–39.

（收稿日期：2023–03–10）

（修回日期：2023–11–15）