Bei dieser Studie handelt es sich um eine retrospektive Analyse, die von der institutionellen Ethikkommission des Nantong First People's Hospital genehmigt wurde. Die Testversion wurde auf ClinicalTrials.gov registriert (Registrierungsnummer: NCT06833099). Da die Gesundheitsinformationen aller Teilnehmer anonymisiert waren, war keine Einwilligungserklärung erforderlich. Die verwendeten Verbrauchsmaterialien und Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Studienpopulation
Die Studie umfasste klinische Daten und präoperative Bildgebungsaufzeichnungen von 436 Patienten, die sich zwischen dem 1. Januar 2020 und dem 30. Juni 2024 im Nantong First People's Hospital einer perkutanen endoskopischen interlaminaren Diskektomie (PEID) wegen Rückenschmerzen und Beinschmerzen aufgrund eines L5-S1-Bandscheibenvorfalls unterzogen hatten. Basierend auf den Ausschlusskriterien wurden schließlich 309 Patienten eingeschlossen, bei denen ein rezidivierender lumbaler Bandscheibenvorfall (rLDH) durch postoperative VAS-Scores (Visual Analog Scale) und Follow-up-Bildgebung bestätigt wurde. Von den 309 Patienten erlitten 33 nach der Operation eine rLDH, während die restlichen 276 eine signifikante Linderung der Schmerzen im unteren Rücken und in den Beinen aufwiesen, wobei die VAS-Werte um über 60 % reduziert wurden. Die bildgebenden Variablen für alle Teilnehmer wurden aus präoperativen Röntgen-, CT- und MRT-Untersuchungen abgeleitet, kombiniert mit detaillierten klinischen Informationen, einschließlich Geschlecht, Alter, Größe, Gewicht, BMI, VAS-Werten und anderen relevanten Variablen (Abbildung 1).
2. Ein- und Ausschlusskriterien
Einschlusskriterien für rLDH: (1) Patienten mit L5-S1-lumbalem Bandscheibenvorfall, die sich einer einsegmentigen PEID unterzogen haben. (2) Umfassende bildgebende Untersuchungen, die innerhalb eines Monats vor der Operation durchgeführt werden. (3) Reduktion des postoperativen VAS-Scores um ≥60 %, gefolgt von einer Erhöhung des Scores und Bestätigung durch bildgebende Untersuchungen. (4) In der Bildgebung wurden keine weiteren Anomalien festgestellt. (5) Mindestdauer der Nachbeobachtung von 6 Monaten.
Einschlusskriterien für Non-rLDH: (1) Patienten mit L5-S1-lumbalem Bandscheibenvorfall, die sich einer Einzelsegment-PEID unterzogen haben. (2) Umfassende bildgebende Untersuchungen, die innerhalb eines Monats vor der Operation durchgeführt werden. (3) Postoperative VAS-Score-Reduktion ≥60 %, ohne Rezidiv. (4) In der Bildgebung wurden keine weiteren Anomalien festgestellt. (5) Mindestdauer der Nachbeobachtung von 6 Monaten.
Ausschlusskriterien: (1) Vorliegen anderer pathologischer Zustände, die Schmerzen im unteren Rückenbereich verursachen, wie z. B. Bandscheibenentzündungen, Wirbelsäulentumoren, metabolische Knochenerkrankungen oder Osteoporose. (2) Vorgeschichte der lumbalen Bandscheibe oder anderer Wirbelsäulenoperationen. (3) Schlechte Bildqualität oder unvollständige Untersuchungsdaten. (4) Verlust durch Nachverfolgung.
3. Kategoriale und stetige Variablen
Präoperative klinische Merkmale und bildgebende Daten der Patienten wurden statistisch analysiert und gemessen (Tabelle 1 und Tabelle 2). Kategoriale Variablen wurden verwendet, um grundlegende Krankheitsmerkmale, Lebensstilfaktoren und andere Variablen zu unterscheiden, während kontinuierliche Variablen spezifische Messungen darstellten, die den physiologischen Status der Patienten und präoperative Veränderungen der Bildgebung beschrieben. Um Verzerrungen zu reduzieren, wurden strenge Qualitätskontrollmaßnahmen eingeführt. Zwei Radiologen und Wirbelsäulenchirurgen mit über 10 Jahren klinischer Erfahrung waren für die statistische Auswertung und Messung der bildgebenden Daten verantwortlich. Bei komplexen Fällen lösten die beiden Ärzte Probleme durch gemeinsame Beratung, um die Genauigkeit und Konsistenz der Datenverarbeitung zu gewährleisten.
Zu den kategorialen Variablen gehörten: Geschlecht, Diabetes, Bluthochdruck, kardiovaskuläre und zerebrovaskuläre Erkrankungen (CCD), Skoliose, Spinalkanalstenose, auslösende Faktoren (z. B. anstrengende Aktivität, Verstauchung, Kälteeinwirkung, Stoß oder kein klarer Auslöser), Krankheitsdauer (über 6 Monate oder weniger als 6 Monate), Taubheitsgefühl oder Schwäche, Protrusionstyp (eingedämmt oder nicht eingedämmt), Bandscheibendegeneration (Grad I, II, III und IV, V), benachbarte Bandscheibendegeneration (Grad I, II, III und IV, V), Modische Veränderungen und Bandscheibenverkalkung.
Zu den kontinuierlichen Variablen gehörten: Alter, Operationsdauer, Größe, Gewicht, Body-Mass-Index (BMI), maximaler Bandscheibenvorfalldurchmesser (MDHD), hintere Bandscheibenhöhe (PDH), Abstand zwischen zwei Wirbelzentren (DBTVC), Facettengelenk-Orientierungswinkel (FJOA), Bandscheibenwinkel (DA), sakraler Neigungswinkel (SSA), lumbaler Lordosewinkel (LLA) und hinterer Bandscheibenhöhenindex (PDHI, PDHI = PDH / DBTVC).
4. Datenbereinigung und Variablenauswahl
Zunächst wurde die Datendatei "zjkj3" mit der Funktion read_excel in R (Version 4.3.1, https://www.r-project.org/, Plattform: x86_64-w64-mingw32/x64 (64-bit), Copyright (C) 2023 The R Foundation for Statistical Computing) eingelesen und in einer Datenvariablen gespeichert. Die gewählte Zeichenkodierung war UTF-8 (Systemstandard), eine weit verbreitete Codierungsmethode, die in der Lage ist, die geschriebenen Sprachen der meisten Länder der Welt zu unterstützen. Die select-Funktion wurde dann verwendet, um die Zielvariable von den Feature-Variablen zu trennen. Um die Reproduzierbarkeit des Datensplits zu gewährleisten, wurde ein fester Zufallswert von 3 gesetzt und der Datensatz in einen Trainingssatz (80%) und einen Testsatz (20%) aufgeteilt. Schließlich wurde eine LASSO-Regressionsfunktion definiert, und ein Teil der Trainingsdaten wurde mit der glmnet-Funktion nach dem Zufallsprinzip ausgewählt, um die LASSO-Regression anzupassen. Der optimale Regularisierungsparameter λ wurde mittels L1-Regularisierung und Kreuzvalidierung (Standard 10-fach) bestimmt, wobei sichergestellt wurde, dass keine doppelten Patientendaten zwischen den Trainings- und Testsets vermischt wurden. Der Kreuzvalidierungsfehler für jeden λ-Wert wurde berechnet, um den optimalen λ-Wert zu ermitteln.
5. Modellentwicklung und -bewertung
SVM (Support Vector Machine): Dieses Modell ordnet Trainingsdaten einer Hyperebene zu und maximiert so den Spielraum zwischen zwei Klassen, um das Ziel vorherzusagen. Die spezifischen Hyperparameter-Einstellungen für das SVM-Modell in dieser Studie lauten: Kernel = "linear", Kosten = 1. Ergänzende Abbildung 1 zeigt die Konfusionsmatrizen für SVM.
DT (Decision Tree): Dieses Modell splittet Daten rekursiv, um eine Baumstruktur für die Vorhersage der Zielvariablen zu erstellen. Die spezifische Hyperparametereinstellung für das DT-Modell in dieser Studie lautet: max_depth = 3. Ergänzende Abbildung 2 zeigt die Konfusionsmatrizen für DT.
ADA (AdaBoost): Dieses Modell kombiniert mehrere schwache Lernende (in der Regel Entscheidungsbäume), um einen starken Lernenden zu erstellen und so die Klassifizierungsleistung zu verbessern. Die spezifischen Hyperparametereinstellungen für das ADA-Modell in dieser Studie sind: n_estimators = 150, learning_rate = 0,1, seed = 80. Ergänzende Abbildung 3 zeigt die Konfusionsmatrizen für ADA.
LGBM (Light Gradient Boosting Machine): Dieses Modell verwendet einen Histogramm-Algorithmus, um kontinuierliche Merkmale aufzuteilen, den Trainingsprozess zu beschleunigen und die Speicherlast zu reduzieren, was es zu einem effizienten und schnellen Gradienten-Boosting-Framework macht, das sich besonders für große Datensätze eignet. Die spezifischen Hyperparameter-Einstellungen für das LGBM-Modell in dieser Studie sind: num_leaves = 5, learning_rate = 0,05, n_estimators = 50. Ergänzende Abbildung 4 zeigt die Verwechslungsmatrizen für LGBM.
RF (Random Forest): Dieses Modell erstellt mehrere Entscheidungsbäume und kombiniert deren Vorhersagen, um die Genauigkeit zu verbessern und die Überanpassung zu kontrollieren. Die spezifischen Hyperparameter-Einstellungen für das RF-Modell in dieser Studie sind: ntree = 310, mtry = 1, maxnodes = 10, max_depth = 1, seed = 80. Ergänzende Abbildung 5 zeigt die Verwechslungsmatrizen für RF.
XGB (Extreme Gradient Boosting): Dieses Modell ist ein erweiterter Algorithmus, der auf Entscheidungsbäumen basiert und einen neuen generalisierten Gradienten-Boosting-Entscheidungsbaumalgorithmus verwendet, um die Modellkonstruktion zu beschleunigen, mit starker Anwendbarkeit für Klassifizierungs- und Regressionsaufgaben. Die spezifischen Hyperparameter-Einstellungen für das XGB-Modell in dieser Studie sind: nrounds = 100, max_depth = 2, eta = 0,39, gamma = 0, colsample_bytree = 0,88, seed = 80. Ergänzende Abbildung 6 zeigt die Konfusionsmatrizen für XGB.
Die Leistung der sechs Modelle wurde anhand der folgenden Metriken bewertet: ROC AUC des Testsets, Genauigkeit, Sensitivität, Spezifität, positiver prädiktiver Wert (PPV), negativer prädiktiver Wert (NPV) und F1-Score. Die Berechnungsformel lautet wie folgt22:

TP: Richtig positiv; TN: Richtig negativ; FP: Falsch positiv; FN: Falsch negativ.
6. Rastersuche und Hyperparameter-Tuning
Um die Modellleistung zu optimieren, wurde die Rastersuche verwendet, um verschiedene Kombinationen von Hyperparametern zu untersuchen. Durch iterative Abstimmung und Auswertung wurde die optimale Hyperparameterkombination identifiziert, um die ROC-AUC-Werte sowohl für den Trainings- als auch für den Testsatz zu maximieren und dadurch die Gesamtleistung des Modells zu verbessern. Die Bereiche der angepassten Hyperparameter sind in Tabelle 3 dargestellt. Die Rastersuche wird in der ergänzenden Abbildung 7, der ergänzenden Abbildung 8 und der ergänzenden Tabelle 1, der ergänzenden Tabelle 2, der ergänzenden Tabelle 3 und der ergänzenden Tabelle 4 bereitgestellt.
7. Rangfolge der variablen Wichtigkeit
Die leistungsstärksten Modelle – Random Forest (RF) und Extreme Gradient Boosting (XGB) – wurden für das Ranking der variablen Wichtigkeit ausgewählt. Diese Rankings helfen bei der Identifizierung der kritischsten Prädiktoren für L5-S1 rLDH nach PEID.
8. Statistische Auswertung
Alle statistischen Analysen wurden mit der Software R durchgeführt. Kategoriale Variablen wurden als Prozentsätze angegeben, während kontinuierliche Variablen als Mittelwert ± Standardabweichung ausgedrückt wurden. Klinische Merkmale und bildgebende Parameter wurden zwischen der nicht-rezidivierenden Gruppe (non-rLDH, n=276) und der rezidivierenden Gruppe (rLDH, n=33) verglichen.