يعد خلل الغدة الدرقية (TD) من أكثر الأمراض المزمنة شيوعا، مع اختلاف في الانتشار بين السكان1. أكثر اضطرابين شيوعا في الغدة الدرقية هما قصور الغدة الدرقية وفرط نشاط الغدة الدرقية. قصور الغدة الدرقية هو حالة شائعة تنتج عن إنتاج غير كاف لهرمونات الغدة الدرقية. بينما يمكن التحكم بها عادة بالعلاج، إلا أنها في الحالات الشديدة قد تكون قاتلة إذا لم تعالج. تشمل الأعراض الأكثر شيوعا لقصور الغدة الدرقية لدى البالغين التعب، الإمساك، الخمول، زيادة الوزن، جفاف الجلد، وتغيرات في الصوت. ومع ذلك، قد تختلف العروض السريرية حسب العمر والجنس وعوامل أخرى3. يذكر أن المرض يصيب 5٪ من عامة السكان، ويبقى 5٪ إضافيون غير مشخصين، بينما يعاني 99٪ من هؤلاء المرضى من قصور الغدة الدرقية الأولي. ينتشر في دول الخليج العربي، رغم أنه غالبا ما يظل غير مشخص بشكل كاف4. قصور الغدة الدرقية الخلقي يصيب تقريبا طفلا من كل 3,450 طفلا في السعودية. أفادت دراسات مقطعية أخرى ركزت فقط على النساء عن معدلات انتشار أعلى تتراوح بين 13٪ و35٪. علاوة على ذلك، إثبات أن الإناث أكثر عرضة للإصابة من الذكور6. قصور الغدة الدرقية، إذا ترك دون علاج، يمكن أن يؤدي إلى خلل الدهون، وضعف الإدراك، وارتفاع ضغط الدم، والعقم، وضعف الجهاز العصبيالعضلي. وبالتالي، تهدف هذه الدراسة إلى استخدام طرق التعلم الآلي لتشخيص قصور الغدة الدرقية بشكل استباقي باستخدام مجموعة بيانات من مستشفى الملك فهد المتخصص (KFUH) في الدمام، المملكة العربية السعودية.
قد يكون تشخيص قصور الغدة الدرقية صعبا لأن الأعراض غالبا ما يتم الخلط بينها وبين أمراض أخرى.8. علاوة على ذلك، يمكن أن يؤثر التشخيص المتأخر لقصور الغدة الدرقية سلبا على القدرات الذهنية للمريض9. اختبار هرمون تحفيز الغدة الدرقية (TSH) هو الطريقة التشخيصية الأكثر استخداما للكشف عن قصور الغدة الدرقية. ومع ذلك، فإن وصول أساليب واستراتيجيات وأدوات الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة ساعد في حل المشكلات التشخيصية والتنبؤية عبر مختلف المجالات الطبية. يستخدم التعلم الآلي لتقييم أهمية العوامل السريرية وتركيباتها في التشخيص، مثل التنبؤ بتقدم المرض، واستخراج المعرفة الطبية لأبحاث النتائج، والتخطيط العلاجي والدعم، والرعاية العامة للمرضى.10. مع توفر كميات كبيرة من البيانات الطبية، أصبح لدى الممارسين الطبيين الآن مورد قيم لاكتشاف معرفة جديدة وربما قيمة من خلال التعلم الآلي11,12.
باستخدام مجموعة بيانات سريرية بسيطة من مجموعة البيانات السعودية، تهدف هذه الدراسة إلى مساعدة العاملين الصحيين في البلاد على تشخيص قصور الغدة الدرقية مبكرا وتطبيق هذا النظام التنبؤي في المستشفيات التي تمتلك موارد ومعدات حاسوبية محدودة. بالإضافة إلى ذلك، لم تستخدم الدراسات السابقة في هذا المجال مجموعة البيانات السعودية. وهذا يمنح فرصة لدمج مجموعة البيانات السعودية جنبا إلى جنب مع الأبحاث السابقة. استخدمت الدراسات مجموعة بيانات سعودية للتنبؤ بأمراض الكلى والسكري ومرض الغدة الدرقية ومرض الزهايمر على التوالي، محققة دقة عالية13، 14، 15. هذه التجربة تحفز تطبيق هذه الأساليب على أمراض أخرى في السعودية. تعد هذه الدراسات من أحدث الأعمال في التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي في المجال الطبي16، 17، 18، 19.
تناقش الدراسة المقترحة تطبيق تقنيات التعلم الآلي على مجموعة بيانات سريرية سعودية بسيطة لقصور الغدة الدرقية للتنبؤ بوجود المرض قبل أن يظهر عليه الأعراض بالكامل. الهدف هو تطوير نظام قائم على التعلم الآلي يوفر تحذيرات مبكرة لاحتمال حدوث قصور الغدة الدرقية. كما سيجعل من السهل على المستشفيات المحلية ذات المعدات المحدودة استخدام هذا النظام التشخيصي. تعد هذه الدراسة الأولى التي تفحص هذا المرض باستخدام مجموعة البيانات السعودية، مع التركيز على المرحلة التي تسبق ظهور الأعراض. تغطي مجموعة البيانات مجموعة واسعة من المرضى في المستشفيات السعودية المحلية، مع مجموعة عمرية واسعة، ومزيج من الحالات الإيجابية والسلبية لفرط نشاط الغدة الدرقية.
استخدمت هذه الدراسة أربع خوارزميات تعلم آلة: آلة الدعم المتجهة (SVM)، أقرب الجيران K (KNN)، تعزيز تدرج الإكستريم (XGBoost)، ومصنف مجموعة تصويت ناعمة مكونة من SVM وKNN. كل واحدة من الخوارزميات الأربع أثبتت قدراتها في المجال الطبي. تم اختيار خوارزمية KNN لبساطتها وتحقيق دقة اختبار بلغت 77.5٪ في التشخيص الاستباقي لمرض السكري (DM)20. وفي الوقت نفسه، تم اختيار SVM لقوة21، وقد استخدم مؤخرا للتنبؤ بمخاطر الوفاةلدى مرضى كوفيد-19. علاوة على ذلك، تم اختيار XGBoost لأدائه القوي23، محققا درجة تنبؤية دقيقة تبلغ 94٪ لنتائج ارتفاع ضغط الدم، وتم استخدام التكديس لتعزيز نتائج الخوارزميات الأعلى أداء. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام مصنف مجموعة تصويت لتحديد اضطرابات الغدة الدرقية بدقة 100٪.
الهدف الأساسي من الدراسة الحالية هو التشخيص المبكر لقصور الغدة الدرقية في سكان سعوديين باستخدام بيانات سريرية روتينية أصلية وخوارزميات تعلم آلي متطورة. تم تنفيذ التقنيات الأربع المستخدمة في هذه الدراسة على منصة Jupyter باستخدام لغة البرمجة بايثون، باستخدام مجموعة بيانات قصور الغدة الدرقية. تم استخدام التحقق المتقاطع بمقدار 10 أضعاف مع ضبط المعاملات الفائقة لتحسين الأداء. ثم تم تنفيذ اختيار الميزات المتسلسل مع تقنية اختيار أمامي، مما أدى إلى تحقيق مصنف مجموعة التصويت أعلى دقة تبلغ 94.7٪. تبعته SVM وKNN وXGBoost على التوالي. فيما يتعلق بالاستدعاء، حقق مصنف مجموعة التصويت الناعم أعلى درجة بنسبة 95.5٪. بشكل عام، كان النموذج الأمثل لتشخيص قصور الغدة الدرقية الاستباقية هو مصنف مجموعة التصويت الناعم، الذي حقق أعلى درجة عبر جميع مقاييس الأداء التي تم تقييمها في هذه الدراسة.
أجريت عدة دراسات حول تشخيص اضطرابات الغدة الدرقية العامة وتطبيق التكنولوجيا، وخاصة التعلم الآلي، كحل مدعوم بالحاسوب. تم استخدام نماذج التعلم العميق المعدلة مثل LSTM-CNN، AlexNet، GoogLeNet، IndRNN–CNN، ونماذج ResNet المعدلة باستخدام مطيافية رامان لتمييز عينات المصل من 32 مريضا بقصور الغدة الدرقية، و38 مريضا بفرط نشاط الغدة الدرقية، و29 شخصا ضابطا. حصل نموذجهم على دقة بلغت 84٪، 91٪، 75٪، 82٪، و71٪ على التوالي25.
تم استخدام خوارزميات التعلم الآلي مثل SVM، KNN، الانحدار اللوجستي، والغابات العشوائية للتنبؤ بحدوث قصور الغدة الدرقية الناتج عن الإشعاعلدى مرضى سرطان البلعوم الأنفي. حقق نموذجهم قيمة AUC بلغت 0.7. علاوة على ذلك، استخدم المؤلفون خوارزميات تعلم آلي مختلفة للتنبؤ باتجاه علاج المرضى المصابين بقصور الغدة الدرقية أثناء خضوعهم لعلاج LT4. من بين 10 مصنفات، حقق مصنف الشجرة الإضافية أعلى دقة بنسبة 84٪.
في دراسة أخرى، أنشأ المؤلفون واختبروا استراتيجية تعلم آلي لتحديد الأشخاص المصابين بفرط نشاط الغدة الدرقية وقصور الغدة الدرقية الذين سيستفيدون من العلاج الطبي الفوري27. قاموا بنشر شجرة قرارات تعزيز التدرج (GBDT)، وSVM، وANN، وخوارزميات الانحدار اللوجستي. حصلت نماذجهم على تقييم AUROC بنسبة 93.8٪ و90.9٪ لفرط نشاط الغدة الدرقية وقصور الغدة الدرقية على التوالي. في دراسة أخرى، استخدم المؤلفون التعلم الآلي للكشف عن اضطرابات الغدة الدرقية، والتي تشمل قصور الغدة الدرقية وفرط نشاط الغدة الدرقية. شملت نماذجهم SVM وANN وKNN والانحدار اللوجستي وشجرة القرار، مع أعلى دقة بلغت 96.92٪ بفضل الانحدار اللوجستيرقم 28. مؤخرا، طبق مجموعة من الباحثين طرقا مختلفة، منها SVM، شجرة القرار، Naïve Bayes، وEnsemble، للتنبؤ بقصور الغدة الدرقية واكتشافه. حققت شجرة القرار أعلى دقة، بنسبة 97.6٪29. وطبقت دراسة أخرى خوارزمية Naïve Bayes المعتمدة على نواة التطور التفريقي الهجين لتقليل خصائص مجموعة بيانات الغدة الدرقية لأمراض فرط نشاط الغدة الدرقية وقصور الغدة الدرقية من 21 إلى 10. لاحقا طبقوا مصنف Naïve Bayes القائم على النواة على مجموعة الميزات، محققين دقة 97.97٪30. وبالمثل، في دراسة أخرى، استخدم المؤلفون عدة خوارزميات تعلم آلي للتنبؤ بخطر الإصابة بمرض الغدة الدرقية في مجموعة بيانات مرض الغدة الدرقية من جامعة كاليفورنيا. أظهرت تجربتهم أن ANN تفوق على جميع الطرق الأخرى، محققة دقة 95٪31. علاوة على ذلك، استخدم جها وآخرون تقنيات تعزيز الميزات المقترحة المبنية على الشبكات العصبية العميقة للتنبؤ بأمراض الغدة الدرقية، محققين دقة ممتازة بلغت 99.95٪32.
وفقا للأدبيات السابقة، تم استخدام مجموعة تصويت متجانسة مع اختيار عدة سمات لتحديد أمراض الغدة الدرقية، باستخدام الخوارزميات التالية: الغابة العشوائية، تعزيز التدرج، شجرة القرار، والانحدار اللوجستي، محققا دقة 100٪24. علاوة على ذلك، طبق المؤلفون نموذج الآلة المتشددة للتعلم على مجموعة بيانات الوصول المفتوح لقصور الغدة الدرقية على موقع كاجل، محققين دقة 92٪. احتوت مجموعة البيانات على 3772 عينة: 3481 عينة قصور الغدة الدرقية والباقي سالب33. مؤخرا، في دراسة، استخدم المؤلفون CART المعبأ في أكياس لتصنيف قصور الغدة الدرقية. حقق النموذج المقترح دقة مذهلة بلغت 99.9٪. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد T4U وTSH وTBG كأكثر العوامل أهمية المرتبطة بقصور الغدة الدرقية34. في دراسة أخرى، اقترح المؤلفون وقارنوا نماذج مختلفة من التعلم الآلي والتعلم العميق، حيث حققت شجرة القرار والغابة العشوائية دقة بلغت 99.5٪ و99.3٪ على التوالي. استخدموا مجموعة بيانات Weka تحتوي على 30 سمة و3772 عينةو35.
تظهر هذه المراجعة الموجزة للأدبيات أنه، رغم أن معظم الطرق المستخدمة حققت نتائج جيدة إلى ممتازة، إلا أن أيا منها لم يستخدم مجموعة بيانات سريرية بسيطة من السعودية. كما لوحظ أن معظم المنشورات قيد الدراسة استخدمت مجموعات بيانات التصوير، مما رفع من حجم العمل المطلوب لجمع البيانات وزاد من صعوبة تطبيق نماذج معقدة جدا أنشأها أشخاص غير تقنيين. علاوة على ذلك، تم تنفيذ معظم هذه الأعمال حول اضطرابات الغدة الدرقية العامة، مع وجود عدد قليل جدا من المنشورات التي تركز على قصور الغدة الدرقية. توفر هذه الحالة فرصة لدراسة نماذج التعلم الآلي الأساسية على مجموعة بيانات سريرية بسيطة من مجموعة البيانات السعودية لمساعدة المستشفيات المحلية ذات المعدات المحوسبة المحدودة في تشخيص المرض بشكل استباقي.
المقدمة الموجزة للخوارزميات التي تم التحقيق فيها في الدراسة الحالية مقدمة في الملف التكميلي 1. الخوارزميات الأربع هي: K-أقرب جار (KNN)36,37,38,39,40، وجهاز دعم المتجهات (SVM)41,42,43,44,45، وتعزيز التدرج الأقصى (XGBoost)46,47,48، ومجموعة التصويت49,50.