تمت مراجعة هذه الدراسة والموافقة عليها من قبل لجنة الأخلاقيات في مستشفى تايتشو للسرطان. تم الحصول على موافقة خطية مستنيرة من جميع المشاركين قبل جمع البيانات ، وفقا للمعايير الأخلاقية المؤسسية والوطنية. يتم سرد الكواشف والبرامج المستخدمة في جدول المواد.
1. نظرة عامة على سير العمل
يظهر سير العمل الشامل لمعالجة البيانات السريرية المنظمة باستخدام XGBoost في الشكل 1 ويتضمن استيعاب الميزات ، وبناء الشجرة ، والتحديثات المتبقية ، والتنظيم ، والتقييم. يظهر سير عمل المعالجة المسبقة ونمذجة التسلسل لبيانات المراقبة عن بعد باستخدام LSTM في الشكل 2 ، بما في ذلك إعادة التشكيل لمدة 10 دقائق ، ومعالجة الفجوات ، والنوافذ غير المتداخلة لمدة 7 أيام ، وبنية الشبكة ، والاستدلال.
2. توظيف المرضى والتركيبة السكانية
تم تجنيد المرضى على التوالي من العيادات الخارجية وأجنحة المرضى الداخليين في مستشفى تايتشو للسرطان بين مارس 2023 ويناير 2024. كانت معايير الإدراج هي تشخيص مؤكد لمرض الانسداد الرئوي المزمن وفقا لمعايير GOLD (FEV1 / FVC < 70٪) ، وحالة مستقرة عند التسجيل ، والعمر بين 40 و 80 عاما. تضمنت معايير الاستبعاد الأمراض المصاحبة الوخيمة مثل سرطان الرئة أو أمراض القلب والأوعية الدموية غير المنضبطة أو الضعف الإدراكي الذي يمنع الموافقة المستنيرة. تم تسجيل ما مجموعه 214 مريضا (متوسط العمر 63.7 ± 8.9 سنوات ؛ 68٪ ذكور ؛ 54٪ مدخنون حاليون أو سابقون).
3. جمع البيانات
تضمنت البيانات السريرية المنظمة وظائف الرئة (FEV1 ، FVC) ، وتشبع الأكسجين في الدم (SpO2) ، ومدة الإقامة في المستشفى ، ومدة المرض. تم تسجيل وظائف الرئة و SpO2 كنسب مئوية ، والإقامة في المستشفى بالأيام ، ومدة المرض بالسنوات. تم جمع بيانات المراقبة عن بعد باستخدام مقاييس التأكسج القابلة للارتداء المعتمدة وأجهزة تتبع النشاط التي تم التحقق من صحتها وفقا للمعايير الذهبية للمستشفى: تم فحص مقاييس التأكسج النبضي مع شاشات Masimo Rad-97 (متوسط الخطأ المطلق 1.8٪ في نطاق 90-100٪ SpO2 ) ، وتم التحقق من صحة مستشعرات معدل ضربات القلب مقابل تخطيط كهربية القلب (متوسط الخطأ 2.3 نبضة في الدقيقة) ، وتمت معايرة عدادات الخطوات على بروتوكول جهاز المشي. تم تصدير البيانات الأولية كملفات CSV مختومة بوقت زمني في فاصل زمني لأخذ العينات مدته 10 دقائق.
4. تبرير حجم العينة
تم دعم عتبات 300 عينة تدريب ل XGBoost وما يقرب من 1000 تسلسل غير متداخل لمدة 7 أيام ل LSTM من خلال التجارب وتحليلات الطاقة / المحاكاة. أشار تحليل الطاقة اللاحقة باستخدام G * Power (الإصدار 3.1) إلى أن 300 عينة وفرت >80٪ من الطاقة للكشف عن حجم تأثير متوسط (كوهين f2 = 0.15) عند α = 0.05 في الانحدار اللوجستي. أظهرت عمليات المحاكاة أن حوالي 1000 تسلسل كانت ضرورية للتقارب المستقر ل LSTM على السلاسل الزمنية الفسيولوجية متعددة المتغيرات. يتم تلخيص الأدلة التجريبية في الجدول 1 ويتم تصورها في الشكل 3 والشكل 4.
5. المعالجة المسبقة للبيانات
تم احتساب الإدخالات المفقودة ، التي تم تحديدها على أنها فراغات أو قيم خافرة أو NaN ، باستخدام متوسط مجموعة التدريب لكل ميزة لتجنب تسرب الهدف:
(1)
حيث mj هو عدد القيم المرصودة للخاصية j. تم تطبيق الشيء نفسه
على مجموعات التحقق من الصحة والاختبار. لإزالة التحيز المرتبط بالمقياس ، تم توحيد الميزات باستخدام تطبيع درجة z باستخدام معلمات التدريب فقط:
(2)
حيث μj و σj هما المتوسط والانحراف المعياري للميزة J المقدر من بيانات التدريب. بالنسبة لإشارات السلسلة الزمنية (SpO2 ، معدل ضربات القلب ، الخطوات) ، تمت محاذاة التدفقات إلى إيقاع مدته 10 دقائق. تم ملء الفجوات القصيرة التي تصل إلى 30 دقيقة إلى الأمام ، وتم تخفيف الفجوات الأطول بمتوسط متحرك من ثلاث نقاط. ثم تم تطبيق نافذة منزلقة مدتها 7 أيام مع 1008 خطوة زمنية لتشكيل تسلسلات غير متداخلة لمنع التسرب (انظر الشكل 2).
6. تدريب النموذج
بالنسبة للبيانات السريرية المنظمة ، تم ضبط XGBoost عبر البحث الشبكي عبر معدل التعلم (0.01-0.3) ، والحد الأقصى للعمق (3-10) ، وعدد المقدرين (100-500) في إطار هدف لوجستي ثنائي (سير العمل في الشكل 1). بالنسبة لبيانات المراقبة عن بعد ، يتألف LSTM من طبقتين مخفيتين من LSTM مع 128 وحدة لكل منهما ، وتهيئة Xavier ، ومعدل تسرب يبلغ 0.5 ، وطبقة إخراج سينية. استخدم التحسين آدم بمعدل تعلم 0.001 تم تنفيذه في TensorFlow (خط الأنابيب في الشكل 2). تم تخفيف الإفراط في التجهيز من خلال التسرب والتوقف المبكر (الصبر = 10) ، وتمت معالجة عدم التوازن الطبقي باستخدام SMOTE.
7. استراتيجية التقييم
تم تقييم البيانات المنظمة من خلال التحقق المتبادل الطبقي بمقدار 10 أضعاف. تم تقييم بيانات السلاسل الزمنية من خلال التحقق من صحة السير إلى الأمام للحفاظ على الترتيب الزمني. تضمنت المقاييس الدقة والدقة والاستدعاء وقياس F والمساحة تحت منحنى ROC (AUC) ومتوسط الخطأ التربيعي (MSE). تم تقييم الفروق بين النماذج باستخدام اختبار ويلكوكسون الموقع (على الوجهين). تتضمن الأرقام نطاقات ثقة بنسبة 95٪ أو أشرطة خطأ لقياس عدم اليقين. وتعالج هذه الخيارات بشكل مباشر مخاطر تسرب السلاسل الزمنية والحاجة إلى الدلالة الإحصائية التي يطلبها المراجعون.
8. الملاءمة السريرية والاختبار التجريبي
تنبأ النموذج الهجين بانخفاض SpO2 من 6 إلى 12 ساعة قبل المظهر السريري في 78٪ من المرضى الذين تمت مراقبتهم وخفض MSE بنسبة 42.5٪ مقارنة بخطوط الأساس. في تجربة مدتها أربعة أسابيع مع 20 مريضا بمرض الانسداد الرئوي المزمن ، اتفقت درجات المخاطر النموذجية الأسبوعية مع تقييمات الأطباء في 85٪ من المراجعات ، مما يدعم إمكانية التكامل السريري.
9. البرمجيات والبيئة
تم إجراء التحليلات في Python 3.10.6 باستخدام scikit-learn 1.2.2 و XGBoost 1.7.5 و TensorFlow 2.13 و PyTorch 1.13 على Ubuntu 20.04 LTS مع وحدة معالجة الرسومات NVIDIA RTX 3080 و CUDA 11.6 و cuDNN 8.2. يتم سرد الإصدار الكامل والبائعين في جدول المواد غير المرقم.