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中华危重症医学杂志(电子版)

中华危重症医学杂志(电子版) ›› 2026, Vol. 19 ›› Issue (03) : 198 -207. doi: 10.3877/cma.j.issn.1674-6880.2026.03.002

论著

多种机器学习算法比较下急性左心衰竭患者住院期间死亡风险预测模型的构建与外部验证
周文考1,2, 张佳坡3, 黄培培3, 潘艺梅4, 朱琳5, 李诗睿6, 孙慧敏7,†()   
  1. 1361100　厦门，厦门大学附属翔安医院急诊医学科（医务室）
    3361100　厦门，厦门大学附属翔安医院护理部
    4361100　厦门，厦门大学附属翔安医院急诊医学科
    7361100　厦门，厦门大学附属翔安医院中心实验室
    2230022　合肥，安徽医科大学第一附属医院普通外科
    5650000　昆明，昆明医科大学附属延安医院心脏大血管外科
    6361100　厦门，厦门大学医学院
  • 收稿日期:2025-07-29 出版日期:2026-06-30
  • 通信作者: 孙慧敏
  • 基金资助:
    厦门市医疗卫生指导性项目(3502Z20254ZD1257); 国家自然科学基金资助项目(82472738)

Development and external validation of a in-hospital mortality risk prediction model for acute left heart failure patients based on comparison of multiple machine learning algorithms

Wenkao Zhou1,2, Jiapo Zhang3, Peipei Huang3, Yimei Pan4, Lin Zhu5, Shirui Li6, Huimin Sun7,†()   

  1. 1Department of Emergency (Medical Office), Xiang'an Hospital of Xiamen University, Xiamen 361100, China
    3Department of Nursing, Xiang'an Hospital of Xiamen University, Xiamen 361100, China
    4Department of Emergency, Xiang'an Hospital of Xiamen University, Xiamen 361100, China
    7Central Laboratory, Xiang'an Hospital of Xiamen University, Xiamen 361100, China
    2Department of General Surgery, the First Affiliated Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230022, China
    5Department of Cardiovascular Surgery, Yan'an Hospital Affiliated to Kunming Medical University, Kunming 650000, China
    6School of Medicine, Xiamen University, Xiamen 361100, China
  • Received:2025-07-29 Published:2026-06-30
  • Corresponding author: Huimin Sun
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引用本文：

周文考, 张佳坡, 黄培培, 潘艺梅, 朱琳, 李诗睿, 孙慧敏. 多种机器学习算法比较下急性左心衰竭患者住院期间死亡风险预测模型的构建与外部验证[J/OL]. 中华危重症医学杂志(电子版), 2026, 19(03): 198-207.

Wenkao Zhou, Jiapo Zhang, Peipei Huang, Yimei Pan, Lin Zhu, Shirui Li, Huimin Sun. Development and external validation of a in-hospital mortality risk prediction model for acute left heart failure patients based on comparison of multiple machine learning algorithms[J/OL]. Chinese Journal of Critical Care Medicine(Electronic Edition), 2026, 19(03): 198-207.

目的

机器学习评估急性左心衰竭（ALHF）患者住院期间死亡的最优算法，基于此算法进行危险因素分析、预测模型的构建与外部验证。

方法

研究纳入美国重症监护医学信息数据库Ⅳ 3.1中15 983例（模型组）和eICU数据库中14 428例（外部验证组）诊断为ALHF的患者。以ALHF患者住院期间是否死亡为因变量进行机器学习，使用logistic回归、神经网络、随机梯度下降、评分卡、自适应提升、k-近邻、分类树和随机森林算法进行深度分析。单因素和多因素logistic回归分析对模型组影响ALHF患者住院期间死亡的影响因素进行回归分析。将模型组数据中多因素logistic回归分析结果比值比（OR）≥ 1.2的独立危险因素纳入列线图绘制，并采用外部验证组数据对该列线图模型进行验证。同时绘制受试者工作特征（ROC）曲线、校正曲线以及临床决策曲线（DCA）。

结果

Logistic回归算法的综合性能优于其他模型，曲线下面积（AUC）为0.749，在所有模型中最高，F1分数为0.322，Matthews相关系数为0.260。在模型组数据中，多因素logistic回归分析结果OR ≥ 1.2，由高到低分别是血管加压素、多巴胺、恶性肿瘤、肝功能衰竭、气管插管、去甲肾上腺素、肾上腺素、使用呼吸机和急性心肌梗死。基于上述模型组因素构建的列线图具有较高的预测效能，外部验证效果佳，模型组AUC为0.768，外部验证组0.770。模型组和外部验证组预测概率与实际概率较为一致，其曲线趋势均接近理想参考线，具有良好的拟合度。DCA结果显示，当模型组高风险阈值为0.13 ~ 0.92时，该模型的净收益明显高于"全部干预"和"无干预"两种策略，提示该模型在多数临床决策情境下具有良好的实用性。外部验证组高风险阈值在0.13 ~ 0.93之间时显示出优越的净收益。

结论

多种机器学习算法比较中，logistic回归模型在预测ALHF患者住院期间死亡风险方面表现最优。该模型识别出多种与死亡密切相关的危险因素，据此构建的列线图具备良好的预测效能，为临床识别高风险患者、优化治疗决策方面提供了有力支持。

关键词: 急性左心衰竭, 死亡, 危险因素, 机器学习算法, 列线图, 外部验证
Objective

To evaluate multiple machine learning algorithms for predicting in-hospital mortality among patients with acute left heart failure (ALHF), and to construct and externally validate a risk prediction model based on the optimal algorithm.

Methods

A total of 15 983 patients from the Medical Information Mart for Intensive Care-Ⅳ 3.1 database (training cohort) and 14 428 patients from the eICU database (external validation cohort) diagnosed with ALHF were included in this study. The outcome variable was in-hospital mortality among patients with ALHF. Machine learning analyses were performed using logistic regression, neural networks, stochastic gradient descent, scorecard modeling, adaptive boosting, k-nearest neighbors, classification and regression tree, and random forest algorithms. Univariate and multivariate logistic regression analyses were conducted in the training cohort to identify influencing factors associated with in-hospital mortality in patients with ALHF. Independent risk factors with an odds ratio (OR) ≥ 1.2 identified from the multivariate logistic regression were incorporated into a nomogram. The nomogram model was further validated using the external validation cohort. The predictive performance of the model was assessed by receiver operating characteristic (ROC) curves, calibration curves, and decision curve analysis (DCA).

Results

Logistic regression demonstrated superior overall performance among all models, achieving the highest area under the curve (AUC) of 0.749, F1 score of 0.322, and Matthews correlation coefficient of 0.260. Multivariate logistic regression in the training cohort identified vasopressin, dopamine, malignant tumor, liver failure, endotracheal intubation, norepinephrine, epinephrine, mechanical ventilation, and acute myocardial infarction as independent risk factors with the OR ≥ 1.2. The nomogram constructed from these factors exhibited strong predictive performance with an AUC of 0.768 in the training cohort and 0.770 in the external validation cohort. Predicted probabilities closely matched observed outcomes in both cohorts, with calibration curves approaching the ideal reference line, indicating a good fit. DCA showed that within a high-risk threshold range of 0.13-0.92 in the training cohort, the model's net benefits significantly exceeded those of the "intervene-all" and "intervene-none" strategies, demonstrating robust clinical utility. Similar findings were observed in the external validation cohort within a high-risk threshold range of 0.13-0.93.

Conclusions

Among multiple machine learning algorithms, logistic regression provides the optimal prediction of in-hospital mortality risk for ALHF patients. The constructed nomogram incorporating key risk factors demonstrates favorable predictive accuracy and external validity, offering strong support for clinical identification of high-risk patients and optimization of therapeutic decision-making.

Key words: Acute left heart failure, Mortality, Risk factors, Machine learning algorithms, Nomogram, External validation
表1 模型组ALHF患者组间基线资料比较
项目 存活组（n = 13 995） 死亡组（n = 1 988） t/χ2值 P值
年龄（岁， ± s） 72 ± 14 77 ± 12 13.473 <0.001
男性[例（%）] 7 658（54.7） 1 075（54.1） 0.292 0.589
SOFA评分（分， ± s） 3.1 ± 2.6 6.0 ± 3.9 43.426 <0.001
APACHEⅡ评分（分， ± s） 49 ± 18 79 ± 26 63.999 <0.001
体温（℃， ± s） 36.8 ± 0.5 36.6 ± 0.8 8.894 <0.001
呼吸频率（次/min， ± s） 20 ± 4 21 ± 4 18.556 <0.001
心率（次/min， ± s） 84 ± 16 89 ± 18 13.837 <0.001
收缩压（mmHg， ± s） 117 ± 17 109 ± 16 21.049 <0.001
阴离子间隙（mmol/L， ± s） 15 ± 4 18 ± 6 26.434 <0.001
血尿素氮（mmol/L， ± s） 12 ± 9 17 ± 11 19.331 <0.001
血清钙（mmol/L， ± s） 2.12 ± 0.19 2.09 ± 0.29 6.216 <0.001
血清氯（mmol/L， ± s） 102 ± 7 102 ± 8 4.592 <0.001
血肌酐（μmol/L， ± s） 164 ± 158 198 ± 148 8.941 <0.001
血红蛋白（g/L， ± s） 103 ± 22 101 ± 21 3.356 <0.001
平均红细胞血红蛋白量（pg/L， ± s） 29.5 ± 2.8 29.6 ± 3.0 0.574 0.566
平均红细胞血红蛋白浓度（g/L， ± s） 324 ± 17 318 ± 18 14.579 <0.001
平均红细胞体积（fL， ± s） 91 ± 7 93 ± 8 10.503 <0.001
血小板计数（× 109/L， ± s） 209 ± 99 208 ± 118 0.642 0.521
血清钾（mmol/L， ± s） 4.3 ± 0.8 4.5 ± 0.9 8.082 <0.001
血清钠（mmol/L， ± s） 138 ± 5 138 ± 7 1.143 0.253
红细胞计数（× 109/L， ± s） 3.5 ± 0.8 3.4 ± 0.8 3.053 0.002
红细胞分布宽度（%， ± s） 15.7 ± 2.3 16.8 ± 2.7 19.188 <0.001
白细胞计数（× 109/L， ± s） 12 ± 8 14 ± 12 14.122 <0.001
去甲肾上腺素[例（%）] 2 678（19.1） 1 210（60.9） 1 646.675 <0.001
多巴胺[例（%）] 230（1.6） 249（12.5） 709.026 <0.001
肾上腺素[例（%）] 471（3.4） 267（13.4） 400.405 <0.001
血管加压素[例（%）] 550（3.9） 616（31.0） 1 884.144 <0.001
呼吸机[例（%）] 11 837（84.6） 1 871（94.1） 129.624 <0.001
气管插管[例（%）] 3 794（27.1） 957（48.1） 368.510 <0.001
慢性阻塞性肺疾病[例（%）] 5 526（39.5） 783（39.4） 0.007 0.933
急性心肌梗死[例（%）] 4 344（31.0） 713（35.9） 18.741 <0.001
恶性肿瘤[例（%）] 1 296（9.3） 313（15.7） 80.836 <0.001
糖尿病[例（%）] 6 203（44.3） 860（43.3） 0.798 0.372
肝功能衰竭[例（%）] 323（2.3） 115（5.8） 78.946 <0.001
表2 外部验证ALHF患者组间基线资料比较
项目 存活组（n = 12 576） 死亡组（n = 1 852） t/χ2值 P值
年龄（岁， ± s） 70 ± 14 74 ± 13 12.212 <0.001
男性[例（%）] 6 572（52.3） 990（53.5） 0.928 0.335
SOFA评分（分， ± s） 5.2 ± 3.0 7.8 ± 3.4 33.632 <0.001
APACHEⅡ评分（分， ± s） 48 ± 26 68 ± 33 29.567 <0.001
体温（℃， ± s） 36.4 ± 0.8 36.1 ± 1.3 12.891 <0.001
呼吸频率（次/min， ± s） 27 ± 14 30 ± 14 8.092 <0.001
心率（次/min， ± s） 99 ± 30 106 ± 34 9.899 <0.001
收缩压（mmHg， ± s） 122 ± 27 112 ± 29 15.366 <0.001
阴离子间隙（mmol/L， ± s） 11 ± 5 13 ± 5 12.682 <0.001
血尿素氮（mmol/L， ± s） 12 ± 8 16 ± 10 19.235 <0.001
血清钙（mmol/L， ± s） 2.16 ± 0.18 2.12 ± 0.23 10.331 <0.001
血清氯（mmol/L， ± s） 90 ± 8 92 ± 7 0.413 0.679
血肌酐（μmol/L， ± s） 173 ± 172 189 ± 134 3.779 <0.001
血红蛋白（g/L， ± s） 112 ± 23 107 ± 23 7.317 <0.001
平均红细胞血红蛋白量（pg/L， ± s） 29.2 ± 2.8 29.4 ± 2.8 1.886 0.059
平均红细胞血红蛋白浓度（g/L， ± s） 324 ± 15 321 ± 15 6.137 <0.001
血小板计数（× 109/L， ± s） 216 ± 99 203 ± 104 5.506 <0.001
血清钾（mmol/L， ± s） 4.2 ± 0.7 4.4 ± 0.9 10.474 <0.001
血清钠（mmol/L， ± s） 138 ± 5 138 ± 6 0.282 0.778
红细胞计数（× 109/L， ± s） 3.8 ± 0.8 3.7 ± 0.8 7.070 <0.001
红细胞分布宽度（%， ± s） 16.1 ± 2.5 17.1 ± 2.8 14.959 <0.001
白细胞计数（× 109/L， ± s） 11 ± 7 14 ± 13 15.846 <0.001
去甲肾上腺素[例（%）] 500（4.0） 204（11.0） 172.343 <0.001
多巴胺[例（%）] 59（0.5） 14（0.8） 2.638 0.104
肾上腺素[例（%）] 62（0.5） 22（1.2） 13.468 <0.001
血管加压素[例（%）] 20（0.2） 15（0.8） 28.262 <0.001
呼吸机[例（%）] 7 080（56.3） 1 316（71.1） 144.565 <0.001
气管插管[例（%）] 1 563（12.4） 472（25.5） 227.180 <0.001
慢性阻塞性肺疾病[例（%）] 2 642（21.0） 370（20.0） 1.037 0.309
急性心肌梗死[例（%）] 215（1.7） 35（1.9） 0.308 0.579
恶性肿瘤[例（%）] 130（1.0） 27（1.5） 2.698 0.100
糖尿病[例（%）] 4 016（31.9） 516（27.9） 12.424 <0.001
肝功能衰竭[例（%）] 124（1.0） 18（1.0） 0.003 0.954
表3 不同机器学习算法预测ALHF患者住院期间死亡的模型性能比较
模型 AUC 准确率 F1分数 精确率 召回率 Matthews相关系数
logistic回归算法 0.749 0.861 0.322 0.430 0.258 0.260
神经网络算法 0.698 0.742 0.326 0.246 0.486 0.205
随机梯度下降算法 0.601 0.853 0.315 0.393 0.262 0.242
评分卡算法 0.701 0.867 0.164 0.421 0.102 0.156
自适应提升算法 0.591 0.758 0.280 0.227 0.366 0.150
K-近邻算法 0.658 0.849 0.258 0.351 0.204 0.189
分类树算法 0.552 0.837 0.287 0.326 0.255 0.198
随机森林算法 0.729 0.863 0.248 0.421 0.175 0.208
表4 模型组ALHF患者住院期间死亡的logistic回归分析
项目 单因素logistic回归分析 多因素logistic回归分析
OR值（95%CI） P值 OR值（95%CI） P值
年龄（岁） 1.027（1.023 ~ 1.031） <0.001 1.040（1.035 ~ 1.046） <0.001
SOFA评分（分） 1.321（1.302 ~ 1.342） <0.001 1.082（1.060 ~ 1.105） <0.001
APACHEⅡ评分（分） 1.057（1.055 ~ 1.060） <0.001 1.038（1.035 ~ 1.041） <0.001
体温（℃） 0.674（0.618 ~ 0.736） <0.001 0.822（0.740 ~ 0.912） <0.001
呼吸频率（次/min） 1.113（1.100 ~ 1.126） <0.001 1.062（1.046 ~ 1.079） <0.001
心率（次/min） 1.020（1.017 ~ 1.023） <0.001 1.003（0.999 ~ 1.007） 0.125
收缩压（mmHg） 0.965（0.962 ~ 0.969） <0.001 0.994（0.990 ~ 0.998） 0.007
阴离子间隙（mmol/L） 1.129（1.118 ~ 1.140） <0.001 1.039（1.024 ~ 1.055） <0.001
血尿素氮（mmol/L） 1.014（1.013 ~ 1.016） <0.001 1.003（1.000 ~ 1.006） 0.027
血清钙（mmol/L） 0.825（0.778 ~ 0.876） <0.001 1.013（0.947 ~ 1.083） 0.710
血清氯（mmol/L） 0.985（0.978 ~ 0.991） <0.001 0.983（0.975 ~ 0.992） <0.001
血肌酐（μmol/L） 1.103（1.079 ~ 1.127） <0.001 0.908（0.865 ~ 0.952） <0.001
血红蛋白（g/L） 0.963（0.942 ~ 0.984） <0.001 0.959（0.766 ~ 1.199） 0.711
平均红细胞血红蛋白浓度（g/L） 0.822（0.800 ~ 0.844） <0.001 0.938（0.865 ~ 1.017） 0.119
平均红细胞体积（fL） 1.034（1.028 ~ 1.041） <0.001 1.028（1.002 ~ 1.054） 0.036
血清钾（mmol/L） 1.255（1.187 ~ 1.326） <0.001 0.938（0.870 ~ 1.012） 0.097
红细胞计数（× 109/L） 0.907（0.852 ~ 0.966） 0.002 1.308（0.677 ~ 2.527） 0.424
红细胞分布宽度（%） 1.178（1.158 ~ 1.199） <0.001 1.105（1.077 ~ 1.135） <0.001
白细胞计数（× 109/L） 1.030（1.025 ~ 1.035） <0.001 1.001（0.995 ~ 1.006） 0.785
去甲肾上腺素 6.572（5.950 ~ 7.260） <0.001 1.415（1.205 ~ 1.661） <0.001
多巴胺 8.569（7.114 ~ 10.322） <0.001 1.783（1.400 ~ 2.271） <0.001
肾上腺素 4.455（3.802 ~ 5.219） <0.001 1.288（1.070 ~ 1.552） 0.008
血管加压素 10.976（9.660 ~ 12.470） <0.001 2.361（1.943 ~ 2.870） <0.001
呼吸机 2.915（2.405 ~ 3.534） <0.001 1.265（1.010 ~ 1.584） 0.041
气管插管 2.496（2.268 ~ 2.746） <0.001 1.423（1.240 ~ 1.633） <0.001
急性心肌梗死 1.242（1.126 ~ 1.371） <0.001 1.208（1.025 ~ 1.315） 0.019
恶性肿瘤 1.831（1.602 ~ 2.093） <0.001 1.744（1.474 ~ 2.064） <0.001
肝功能衰竭 2.599（2.089 ~ 3.233） <0.001 1.620（1.204 ~ 2.180） 0.001
表5 外部验证组ALHF患者住院期间死亡的影响因素验证分析结果
项目 单因素logistic回归分析 多因素logistic回归分析
OR值（95%CI） P值 OR值（95%CI） P值
年龄（岁） 1.024（1.020 ~ 1.028） <0.001 1.026（1.022 ~ 1.031） <0.001
SOFA评分（分） 1.276（1.256 ~ 1.297） <0.001 1.154（1.131 ~ 1.178） <0.001
APACHEⅡ评分（分） 1.021（1.020 ~ 1.023） <0.001 1.011（1.009 ~ 1.013） <0.001
体温（℃） 0.739（0.704 ~ 0.776） <0.001 0.900（0.855 ~ 0.948） <0.001
呼吸频率（次/min） 1.014（1.011 ~ 1.018） <0.001 1.011（1.007 ~ 1.015） <0.001
心率（次/min） 1.008（1.007 ~ 1.010） <0.001 1.004（1.003 ~ 1.006） <0.001
收缩压（mmHg） 0.986（0.984 ~ 0.987） <0.001 0.992（0.990 ~ 0.994） <0.001
阴离子间隙（mmol/L） 1.064（1.053 ~ 1.074） <0.001 1.048（1.036 ~ 1.061） <0.001
血尿素氮（mmol/L） 1.017（1.015 ~ 1.019） <0.001 1.010（1.008 ~ 1.013） <0.001
血清钙（mmol/L） 0.715（0.670 ~ 0.762） <0.001 0.862（0.804 ~ 0.925） <0.001
血肌酐（μmol/L） 1.045（1.021 ~ 1.069） <0.001 0.863（0.828 ~ 0.900） <0.001
血红蛋白（g/L） 0.923（0.904 ~ 0.943） <0.001 0.956（0.911 ~ 1.002） 0.062
平均红细胞血红蛋白浓度（g/L） 0.907（0.879 ~ 0.936） <0.001 0.975（0.936 ~ 1.016） 0.231
血小板计数（× 109/L） 0.998（0.998 ~ 0.999） <0.001 1.000（0.999 ~ 1.001） 0.969
血清钾（mmol/L） 1.377（1.296 ~ 1.463） <0.001 1.148（1.069 ~ 1.233） <0.001
红细胞计数（× 109/L） 0.799（0.751 ~ 0.851） <0.001 1.152（1.001 ~ 1.325） 0.048
红细胞分布宽度（%） 1.133（1.114 ~ 1.152） <0.001 1.085（1.062 ~ 1.109） <0.001
白细胞计数（× 109/L） 1.044（1.037 ~ 1.051） <0.001 1.024（1.018 ~ 1.031） <0.001
去甲肾上腺素 2.990（2.520 ~ 3.546） <0.001 1.470（1.205 ~ 1.793） <0.001
肾上腺素 2.426（1.488 ~ 3.956） <0.001 2.120（1.213 ~ 3.707） 0.008
血管加压素 5.126（2.620 ~ 10.031） <0.001 1.638（0.724 ~ 3.707） 0.236
呼吸机 1.906（1.713 ~ 2.120） <0.001 1.379（1.222 ~ 1.557） <0.001
气管插管 2.410（2.143 ~ 2.710） <0.001 1.149（0.991 ~ 1.333） 0.066
糖尿病 0.823（0.739 ~ 0.917） <0.001 0.862（0.764 ~ 0.973） 0.017
图1 预测ALHF患者住院期间发生死亡的列线图注：ALHF.急性左心衰竭
图2 ALHF患者住院期间死亡预测模型在模型组（a）和外部验证组（b）中的ROC曲线注：ALHF.急性左心衰竭；ROC.受试者工作特征
图3 预测ALHF患者住院期间死亡的列线图校准曲线（a）和DCA曲线（b）注：ALHF.急性左心衰竭；DCA.决策曲线分析
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