Artificial intelligence forecasting mortality at an intensive care unit and comparison to a logistic regression system / Inteligência artificial que prevê a mortalidade em uma unidade de terapia intensiva e comparação com um sistema de regressão logística

ABSTRACT

ABSTRACT Objective To explore an artificial intelligence approach based on gradient-boosted decision trees for prediction of all-cause mortality at an intensive care unit, comparing its performance to a recent logistic regression system in the literature, and a logistic regression model built on the same platform. Methods A gradient-boosted decision trees model and a logistic regression model were trained and tested with the Medical Information Mart for Intensive Care database. The 1-hour resolution physiological measurements of adult patients, collected during 5 hours in the intensive care unit, consisted of eight routine clinical parameters. The study addressed how the models learn to categorize patients to predict intensive care unit mortality or survival within 12 hours. The performance was evaluated with accuracy statistics and the area under the Receiver Operating Characteristic curve. Results The gradient-boosted trees yielded an area under the Receiver Operating Characteristic curve of 0.89, compared to 0.806 for the logistic regression. The accuracy was 0.814 for the gradient-boosted trees, compared to 0.782 for the logistic regression. The diagnostic odds ratio was 17.823 for the gradient-boosted trees, compared to 9.254 for the logistic regression. The Cohen's kappa, F-measure, Matthews correlation coefficient, and markedness were higher for the gradient-boosted trees. Conclusion The discriminatory power of the gradient-boosted trees was excellent. The gradient-boosted trees outperformed the logistic regression regarding intensive care unit mortality prediction. The high diagnostic odds ratio and markedness values for the gradient-boosted trees are important in the context of the studied unbalanced dataset.

RESUMO

RESUMO Objetivo Explorar uma abordagem de inteligência artificial baseada em árvores de decisão impulsionadas por gradiente para previsão de mortalidade por todas as causas em unidade de terapia intensiva, comparando seu desempenho com um sistema de regressão logística recente na literatura e um modelo de regressão logística construído na mesma plataforma. Métodos Foram desenvolvidos um modelo de árvores impulsionadas por gradiente e um modelo de regressão logística, treinados e testados com o banco de dados Medical Information Mart for Intensive Care. As medidas fisiológicas de pacientes adultos com resolução de 1 hora, coletadas durante 5 horas na unidade de terapia intensiva, consistiram em oito parâmetros clínicos de rotina. Estudou-se como os modelos aprendem a categorizar os pacientes para prever a mortalidade ou a sobrevida, em unidades de terapia intensiva, em 12 horas. O desempenho foi avaliado por meio de estatísticas de acurácia e pela área sob a curva Característica de Operação do Receptor. Resultados As árvores impulsionadas por gradiente produziram área sob a curva Característica de Operação do Receptor de 0,89, em comparação com 0,806 para a regressão logística. A acurácia foi de 0,814 para as árvores impulsionadas por gradiente, em comparação com 0,782 para a regressão logística. A razão de chances de diagnóstico foi de 17,823 para as árvores impulsionadas por gradiente, em comparação a 9,254 para a regressão logística. O kappa de Cohen, a medida F, o coeficiente de correlação de Matthews e a marcação foram maiores para as árvores impulsionadas por gradiente. Conclusão O poder discriminatório das árvores impulsionadas por gradiente foi excelente. As árvores impulsionadas por gradiente superaram a regressão logística em relação à previsão de mortalidade em unidade de terapia intensiva. A alta razão de chances de diagnóstico e os valores de marcação para as árvores impulsionadas por gradiente são importantes no contexto do conjunto de dados não balanceados estudado.