高齢者の股関節骨折の結果予測
研究では、股関節骨折患者の病院死亡率を予測するための機械学習モデルが探求されている。
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高齢者の股関節骨折、特に骨粗鬆症のある人には世界的に大きな問題なんだ。アメリカでは、2002年にこの骨折のコストが約170億ドルと推定されたし、イギリスでは2023年には約36.2億ポンドになると予測されてる。股関節骨折の後にすぐ死ぬ確率は大体2%から10%の間だよ。オーストラリアでは、入院後に死ぬ確率は約2.7%らしい。股関節骨折を防ぐための対策はいくつかあるけど、人口が高齢化してるからケースは増え続けてる。例えば、オーストラリアでの高齢者の股関節骨折による入院は2006年から2016年の間に約20%増加したんだ。人口が年を取るにつれて、股関節骨折の問題は医療の課題として残り続けるだろうね。
結果予測の挑戦
股関節骨折の大きな問題の一つは、誰が入院後に悪い短期的な結果、つまり死ぬかどうかを予測することだよ。リスクファクターを特定するために伝統的な統計手法が使われてきた。人気のあるツールにはノッティンガム股関節骨折スコアやO-POSSUMがあるけど、これらのツールはすぐに利用できないデータに頼ることが多くて、入院早期にリスクを評価するのが難しいことがあるんだ。
最近では、人工知能や機械学習を使った新しい手法が医療に取り入れられ始めてるんだ。決定木や他の技術を含むさまざまなアルゴリズムが、手術後や股関節骨折の患者の結果を予測しようと試みられている。でも、これらの新しいツールの多くは、患者が病院に初めて到着したときには利用できないデータを必要とするから、実用性が限定されちゃう。
新しい研究の方向性
股関節骨折患者の結果を予測するために幅広い機械学習アルゴリズムを比較した研究はあまりないんだ。ある注目すべき研究では、伝統的なロジスティック回帰が股関節骨折後の1年の死亡率を予測するのに、一部の機械学習モデルよりも優れているって示唆されたんだ。股関節骨折後の短期的な結果に対する複数の機械学習アルゴリズムのトレーニングに関しては、まだ研究が不足しているんだ。
有望なモデルとしてナイーブベイズがあって、リスクファクターが独立していると仮定してるんだ。この方法は、医療の予後を含むさまざまなタスクで効果的に使われてきた。機械学習ツールのもう一つの重要な側面は、その解釈性なんだ。最近では、医者が理解しやすいように予測を説明できるツールを作ることに注目が集まってる。
研究の目的
最近の研究の目標は、股関節骨折を持つ高齢患者の入院中の死亡率を予測するためにいくつかの機械学習モデルをトレーニングすることだったんだ。研究者たちは、年齢や他の健康状態など、通常すぐに入手できる患者情報の使用に焦点を当てた。各モデルの性能を測定して、どれが最も正確かを調べた。加えて、SHAPという分析手法を使って、さまざまな患者の特徴の重要性を見たんだ。
患者の背景
この研究には、84歳の中央値を持つ女性が多い3625人の高齢患者が参加した。これらの患者の約5%が入院中に亡くなったよ。一番一般的な健康問題は高血圧だった。
モデルの性能
テスト中に、最も良いモデルは3層のニューラルネットワークで、テストスコアに基づいて死亡率を予測する強い能力を示した。他のモデル、ロジスティック回帰やランダムフォレストなども良い結果を出したけど、よりシンプルなモデルは予測に寄与する要因についてよりわかりやすい洞察を提供した。
トレーニング段階ではニューラルネットワークが最も良い結果を出したけど、テストの時には異なる機械学習手法間で性能が変わった。パフォーマンスを比較するために、受信者動作特性曲線の下の面積や精度-再現率曲線の下の面積が使用された。
患者の特徴の重要性
分析の結果、特定の健康状態が死亡率を予測するのにより重要であることがわかった。例えば、慢性腎疾患や高齢は、さまざまなモデルにおいて一貫して重要だった。他の重要な要因には心疾患やビタミンレベルが含まれていた。
SHAP分析を使用することで、予測に対する影響に基づいてこれらの特徴をランク付けするのに役立った。重篤な健康問題の存在は、軽度のものに比べて死亡予測により大きな影響を与えた。
モデルの比較
全体的に見ると、研究ではさまざまな機械学習モデルが異なる結果を出すことがわかった。ただ、ナイーブベイズモデルはその特徴が独立しているという単純な仮定でも良いパフォーマンスを発揮した。このモデルは実行が早くて安価なので、医療提供者にとって魅力的なんだ。
研究では、一部のモデルは良い全体的なパフォーマンスを示したけど、必ずしも解釈しやすいわけではなかった。一方で、ナイーブベイズとロジスティック回帰は、患者の特徴が死亡リスクにどのように寄与しているかについて、より明確な洞察を提供した。
制限事項
この研究にはいくつかの制限があった。一つは単一のセンターに基づいていて、データは回顧的だったこと。つまり、研究者たちは新しいデータを集めるのではなく、既存の記録を遡って見たんだ。結果を確認するためには他のグループでのテストが必要だね。
もう一つの問題は、サンプルサイズは妥当だったけど、すべてのモデルを効果的にトレーニングするのには十分ではなかったかもしれないこと。股関節骨折後の死亡率は比較的低いから、モデルはより広範なデータセットが必要で、精度を上げるためにね。
結論
研究は、ナイーブベイズモデルが股関節骨折を持つ高齢患者の入院中の死亡率を予測するために強い選択肢であることを発見した。良いパフォーマンス、解釈のしやすさ、個々の患者に合わせた予測をバランスよく提供できるんだ。他のモデルも良いパフォーマンスを示したけど、解釈はそれほど簡単ではなかった。
テクノロジーが進化し続ける中で、機械学習アルゴリズムは医療現場でますます普及することになるだろう。目標は、医療専門家に、入院早期に高リスク患者を特定できるツールを提供して、タイムリーなケアを受ける可能性を高めることなんだ。この研究は、特に解釈性と使いやすさに焦点を当てた、医療における機械学習の適用を支持する証拠の増加に貢献しているんだ。
タイトル: Naïve Bayes is an interpretable and predictive machine learning algorithm in predicting osteoporotic hip fracture in-hospital mortality compared to other machine learning algorithms.
概要: Osteoporotic hip fractures (HFs) in the elderly are a pertinent issue in healthcare, particularly in developed countries such as Australia. Estimating prognosis following admission remains a key challenge. Current predictive tools require numerous patient input features including those unavailable early in admission. Moreover, attempts to explain machine learning [ML]-based predictions are lacking. We developed 7 ML prognostication models to predict in-hospital mortality following minimal trauma HF in those aged [≥] 65 years of age, requiring only sociodemographic and comorbidity data as input. Hyperparameter tuning was performed via fractional factorial design of experiments combined with grid search; models were evaluated with 5-fold cross-validation and area under the receiver operating characteristic curve (AUROC). For explainability, ML models were directly interpreted as well as analyzed with SHAP values. Top performing models were random forests, naive Bayes [NB], extreme gradient boosting, and logistic regression (AUROCs ranging 0.682 - 0.696, p>0.05). Interpretation of models found the most important features were chronic kidney disease, cardiovascular comorbidities and markers of bone metabolism; NB also offers direct intuitive interpretation. Overall, we conclude that NB has much potential as an algorithm, due to its simplicity and interpretability whilst maintaining competitive predictive performance. Author SummaryOsteoporotic hip fractures are a critical health issue in developed countries. Preventative measures have ameliorated this issue somewhat, but the problem is expected to remain in main due to the aging population. Moreover, the mortality rate of patients in-hospital remains unacceptably high, with estimates ranging from 5-10%. Thus, a risk stratification tool would play a critical in optimizing care by facilitating the identification of the susceptible elderly in the community for prevention measures and the prioritisation of such patients early during their hospital admission. Unfortunately, such a tool has thus far remained elusive, despite forays into relatively exotic algorithms in machine learning. There are three major drawbacks (1) most tools all rely on information typically unavailable in the community and early during admission (for example, intra-operative data), limiting their potential use in practice, (2) few studies compare their trained models with other potential algorithms and (3) machine learning models are commonly cited as being black boxes and uninterpretable. Here we show that a Naive Bayes model, trained using only sociodemographic and comorbidity data of patients, performs on par with the more popular methods lauded in literature. The model is interpretable through direct analysis; the comorbidities of chronic kidney disease, cardiovascular, and bone metabolism were identified as being important features contributing to the likelihood of deaths. We also showcase an algorithm-agnostic approach to machine learning model interpretation. Our study shows the potential for Naive Bayes in predicting elderly patients at risk of death during an admission for hip fracture.
最終更新: 2024-05-10 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2024.05.10.24307161
ソースPDF: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2024.05.10.24307161.full.pdf
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