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心血管リスク評価のための新しい機械学習ツール

研究では、心血管疾患のリスク予測を改善するための機械学習ツールが紹介されている。

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心臓病リスク予測の革命心臓病リスク予測の革命せる。機械学習は心血管リスク評価の精度を向上さ
目次

心血管疾患(CVD)は、重大な健康問題であり、世界中での死因のトップです。2016年には、約1760万人がCVDで命を落としました。その中でも、虚血性心疾患や脳卒中が大多数の死亡原因となっています。研究によると、多くのCVDのケースは、不健康なライフスタイルの監視やリスク要因の管理によって予防できる可能性があります。

これまでの数年間、多くのツールがCVDのリスクを評価するために作られてきました。100以上の異なるリスクスコアが存在し、アメリカとヨーロッパのガイドラインでは、CVDを予防するための治療選択は個人のリスク評価に基づくと示されています。リスクが低い人には、ヨーロッパのガイドラインでSCOREというシステムの使用が推奨されています。他にも、フラミンガムリスクスコア(FRS)やPROCAMリスクスコアなどのシステムが、さまざまな健康シナリオでのリスク評価に役立っています。高リスクと見なされる人には、マルシュナー・スコアがよく使われます。

しかし、これらのリスク計算機を比較した研究では、3人に1人の患者が誤分類される可能性があることが明らかになりました。さらに、すべての計算機が徹底的にテストされているわけではなく、その信頼性について懸念が生じています。

既存のリスク評価ツールの限界から、機械学習を使った新しいツールが開発されました。このツールは、各人の医療データや検査データを用いて、CVDリスクを迅速かつ正確に計算することを目指しています。冠動脈造影を受けた大規模な患者グループを分析した結果、この新しい方法が従来の方法に比べて心血管リスクの予測能力を向上させ、臨床現場での実装が簡単になる可能性があると研究者は考えています。

研究概要

この研究は、ルートヴィヒスハーフェンリスクおよび心血管健康研究という特定の研究プロジェクトの参加者を調査しました。1997年7月から2000年1月まで、3300人以上のドイツの患者がこの研究に参加し、冠動脈造影を受けた人々に焦点を当てました。彼らの心臓の健康は、血管の閉塞度に基づいて評価されました。参加者は約10年間監視されました。各人は研究に参加するために書面で同意しました。

検査

ドイツのルートヴィヒスハーフェンの医療センターで朝に血液サンプルが採取されました。血液はプラズマを得るために処理され、後で分析するために保存されました。研究者たちは184種類の血液マーカーを調べました。また、特定の公式を使って腎機能を計算しました。

臨床測定

参加者に関する情報を収集するために、さまざまな臨床マーカーが使用されました。これには、ボディマスインデックス(BMI)、ウエスト対ヒップ比、喫煙習慣、心疾患の家族歴、糖尿病の状態が含まれます。他の測定項目には、血圧、心拍数、血圧薬やコレステロール降下薬などの薬に関する詳細が含まれます。

除外基準

心血管イベントの予測に焦点を当てるために、心臓に関係しない問題で亡くなった患者は研究から除外されましたが、10年以上生存した患者は含まれました。これにより、最終的に約2950人の患者が分析の対象となりました。

研究の目的

主な目的は、心臓関連の原因で死ぬリスクを特定することで、心臓発作、突然死、脳卒中が含まれます。患者は、重要な冠動脈疾患の有無に基づいてグループに分けられました。これにより、研究者は新しいリスク予測方法と、冠動脈疾患のない患者に対して使用される確立されたツールの比較ができました。

機械学習のアプローチ

新しい予測方法は、データを分析して予測を行うアルゴリズムを使用する機械学習を用いました。データセットは、トレーニンググループと検証グループに分けられ、研究者がモデルの正確性をテストできるようにしました。研究者は、正確性と信頼性を確保するために、分析を何度も実行しました。

初期分析からの結果

初期分析では、生存した患者とそうでない患者の健康マーカーに明確な違いが見られました。特に50歳未満の若い患者では、健康結果の分離がより明確でした。これにより、研究者はより良い予測モデルを作成するための異なる機械学習技術を評価することを奨励されました。

リスク評価の発見

全体の研究人口では、高リスクの個人は主に高血圧、糖尿病、重度の冠動脈疾患を持つ高齢の男性でした。10年以内に心血管原因で死亡した患者は約600人でしたが、約2350人は生存しました。

データを分析するためにさまざまな方法を使用した結果、NT-proBNP(心不全のマーカー)、トロポニンT(心臓損傷のマーカー)、腎機能、年齢などの特定の血液マーカーが心血管死亡率と強く関連していることがわかりました。

重要な冠動脈疾患がない人でも、予測モデルは同様の結果を維持しており、これらの血液マーカーの重要性を確認しました。機械学習の方法は、従来のリスク評価ツールと比較して、患者をより正確に低、中、高リスクカテゴリーに分類しました。

新しいモデルと既存のモデルの比較

新しい方法をフラミンガムリスクスコアやPROCAMといった確立されたリスク計算機と比較したところ、高リスク患者を正しく分類する能力において優れていることがわかりました。新しいモデルで高リスクと見なされた患者は、追加の治療を受ける可能性が高いです。

伝統的なリスクモデルでは、患者を中リスクカテゴリーに分類することが多いのですが、機械学習アプローチは、低リスクと高リスクの個体をより明確に区別しました。

重度の冠動脈疾患を持つ患者に関しては、新しい方法はマルシュナー・スコアと比較されました。両者とも高リスク患者を正確に特定する点では同様の性能を示しましたが、オートメーションのアプローチはリスクプロファイルにおいてより明確な区分を示し、中リスクカテゴリーに位置する患者が少なくなりました。

動的リスク評価の重要性

従来、CVDのリスク評価は、さまざまなマーカーを使用した静的なチャートと計算に依存していました。しかし、すべての計算機がリスクカテゴリーに関して一致していないため、混乱を招きます。国ごとのCVD死亡率の変動は、心臓の健康に寄与する異なる要因があることを示しています。

この新しい動的モデルは、異なる集団やエンドポイントに適応する柔軟性を提供します。各研究に特有のデータに基づいて心血管死亡率を評価し、研究対象の集団に最も適した予測モデルを提供します。

以前の分析方法では、欠損データの取り扱いが課題でした。この新しいアプローチは、利用可能なデータの中央値で欠損値を置き換えることにより、情報の一貫した取り扱いを確保しています。

結論

開発された心血管予測モデルは、心臓関連のリスク評価において機械学習技術を活用する大きな可能性を示しています。少数の重要マーカーに焦点を当てることで、この方法は患者の長期的な結果をより信頼性のある予測を提供するかもしれません。

要するに、この革新的なアプローチは、多様な集団におけるリスク評価を簡素化し、予測の精度を高める可能性を持っており、心血管疾患のリスクがある患者へのより良い治療決定を促すことができます。

オリジナルソース

タイトル: Cardiovascular risk prediction - a systems medicine approach

概要: BackgroundGuidelines for the prevention of cardiovascular disease (CVD) have recommended the assessment of the total CVD risk by risk scores. Current risk algorithms are low in sensitivity and specificity and they have not incorporated emerging risk markers for CVD. We suggest that CVD risk assessment can be still improved. We have developed a long-term risk prediction model of cardiovascular mortality in patients with stable coronary artery disease (CAD) based on newly available machine learning and on an extended dataset of new biomarkers. Methods2953 participants of the Ludwigshafen Risk and Cardiovascular Health (LURIC) study were included. 184 laboratory and 21 demographic markers were ranked according to their contribution to risk of cardiovascular (CV) mortality using different data mining approaches. A self-learning bioinformatics workflow, including seven different machine learning algorithms, was developed for CV risk prediction. The study population was stratified into patients with and without significant CAD. Thereby, significant CAD was defined as a lumen narrowing of 50 % or more in at least one of the coronary segments or a history of definite myocardial infarction. The machine learning models in both subpopulations were compared with established CV risk assessment tools. ResultsAfter a follow-up of 10 years, 603 (20.4%) patients died of cardiovascular causes. 95 (%) patients without CAD deceased within ten years and 247 (13.2 %) patients with CAD within 5 years. Overall and in patients without CAD, NT-proBNP (N-terminal pro B-type natriuretic peptide), TnT (Troponin T), estimated cystatin c based GFR (glomerular filtration rate) and age were the highest ranked predictors, while in patients with CAD, NT-proBNP, GFR, CT-proAVP (C-terminal pro arginine vasopressin) and TNT were highest predictive. In the comparison with the FRS, PROCAM and ESC risk scores, the machine learning workflow produced more accurate and robust CV mortality prediction in patients without CAD. Equivalent CV risk prediction was obtained in the CAD subpopulation in comparison with the Marschner risk score. Overall, the existing algorithms in general tend to assign more patients into the medium risk groups, while the machine learning algorithms tend to have a clearer risk/no risk assignment. The framework is available upon request. ConclusionWe have developed a fully automated and self-validating computational framework of machine learning techniques using an extensive database of clinical, routinely and non-routinely measured laboratory data. Our framework predicts long-term CV mortality at least as accurate as existing CVD risk scores. A combination of four highly ranked biomarkers and the random forest approach showed the best predictive results. Moreover, a dynamic computational model has several advantages over static CVD risk prediction tools: it is freeware, transparent, variable, transferable and expandable to any population, types of events and time frames.

著者: Thomas Sauter, I. Gergei, T. Pfau, B. K. Kraemer, J. G. Schneider, T. P. Nguyen, W. Maerz

最終更新: 2023-03-17 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2023.03.16.23287363

ソースPDF: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2023.03.16.23287363.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた medrxiv に感謝します。

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