Research Article

Использование трансферного подхода обучения для эпидемиологического исследования регионоспецифичных постострых осложнений SARS-COV-2

DOI:

10.3791/68805

September 30th, 2025

In This Article

Summary

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Предлагаемая работа направлена на разработку и внедрение новой методики трансферного обучения, которая позволит лучше понять долгосрочные результаты в отношении здоровья и поддержит индивидуальную эпидемиологическую аналитику.

Abstract

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Постострые последствия SARS-CoV-2 (PASC) представляют собой среду с чрезвычайным риском и тяжелыми последствиями, особенно для людей среднего и пожилого возраста, а также людей с хроническими заболеваниями, такими как сердечно-сосудистые заболевания, рак, респираторные заболевания и диабет. Физические расстройства включают сильные и постоянные боли в теле, усталость и трудности с движениями тела. Точно так же расстройства настроения, такие как депрессия, перепады настроения, чувство безнадежности и трудности с концентрацией внимания, являются значимыми предикторами PASC. Люди, в основном люди среднего и пожилого возраста, сталкиваются с повышенными физическими и психическими последствиями, включая частые госпитализации, нестабильные с медицинской точки зрения состояния, а в некоторых случаях и неожиданные смертельные исходы. Своевременное выявление PASC имеет важное значение для смягчения тяжести связанных с ним проблем со здоровьем. В этом исследовании рекомендуется использовать модель латентной передачи для интеграции данных о пациентах из разных регионов, извлечения аналитических выводов из данных и предоставления персонализированных решений в области здравоохранения. В этом исследовании показан потенциал модели обучения латентного переноса для улучшения упрощения данных, обобщения, персонализации, обнаружения инсайтов, вариативности, масштабируемости и адаптивности для улучшения результатов в области общественного здравоохранения.

Introduction

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Коронавирусная инфекция 2019 года (COVID-19) была впервые выявлена в Ухане, Китай. 31декабря 2019 года Китай сообщил во Всемирную организацию здравоохранения (ВОЗ) о воспалительных заболеваниях легких неизвестной этиологии, замеченных в городе Ухань, провинция Хубэй, Китай1. С 31декабря 2019 года по3 января 2020 года 44 человека были инфицированы этим вирусом и имели контакты с оптовым рынком "Huanan Seafood". Первоначально у пациентов наблюдалась лихорадка, усталость и сухой кашель. Вспышка этого вируса произошла 30января 2020 года, и ВОЗ1 объявила ее чрезвычайной ситуацией в области общественного здравоохранения, имеющей международное значение. К середине февраля 2020 года от нового коронавируса пострадали более 25 стран, в Китае и других странах было зарегистрировано 70 635 и 794 случая соответственно. Официально было объявлено об одной тысяче семисот семидесяти двух смертях (1772 г.) в Китае и трех смертях во всех странах. 31декабря 2019 года было зарегистрировано несколько случаев заражения пневмонией, и ВОЗ сообщила, что в Ухане не было зарегистрировано ни одного случая смерти. В Таиланде 13января 2020 года в Бангкоке было объявлено о первом случае заболевания 61-летней китаянки, которая вернулась из города Ухань8 января 2020 года после посещения города Ухань. У нее были симптомы с болью в горле, кашлем, лихорадкой, ознобом и головной болью. 8января 2020 года у человека был положительный результат теста на COVID-19 в ходе теплового наблюдения, и в тот же день тайские офицеры госпитализировали его. Человек выздоровел от болезни. Структура генетического секвенирования вируса была общей для китайского правительства и позволила большему количеству стран эффективно обследовать и диагностировать пациентов2.

В Соединенных Штатах Америки первый случай заболевания был зарегистрирован в Вашингтоне 19января 2020 года в отношении 35-летнего мужчины, который вернулся из города Ухань 15января 2020 года после встречи со своей семьей. С 15января 2020 года у него появились симптомы кашля и лихорадки, и ему было рекомендовано пройти медицинские обследования. Он не контактировал с инфицированным COVID-19 человеком, но во время визита в Ухань заразился COVID-19 из-за вспышки в Китае. 20 января 2020года у него был положительный результат теста на COVID, и он был помещен на карантин в изоляторе медицинского центра. После поступления в изолятор он чувствовал себя нормально с частотой пульса 110/мин, артериальным давлением 134/87 мм рт.ст., температурой тела 37,2 °C, частотой дыхания 16 уд/мин и 96% сатурацией кислорода при нормальной аускультации легких. Проводились регулярные контрольные и исследовательские тесты на COVID, в результате чего он отмечал кашель, тошноту и рвоту в течение двух дней3. На второй день госпитализации он пожаловался на дискомфорт в животе, а на следующий день на рентгенограмме грудной клетки не было никаких признаков отклонений. Тем не менее, на пятый день на рентгенограмме грудной клетки были обнаружены значительные признаки пневмонии, а сатурация кислорода упала до 90%. Ему посоветовали пройти кислородную терапию, которая была дополнена для улучшения уровня сатурации. На8-й день ее состояние улучшилось, и ее выписали из клиники. В Индии первый случай заболевания был зарегистрирован в штате Керала 27января 2020 г. у 20-летней женщины, вернувшейся из города Ухань в связи со вспышкой COVID-19 в Китае. С 23января 2020 года по 26января 2020 года у нее отсутствовали симптомы, а с 27января 2020 года у нее наблюдалась боль в горле и легкий кашель. Она не контактировала с инфицированными COVID-19, но во время поездки на поезде из Уханя в Куньмин заметила несколько человек с проблемами дыхания, простудой и кашлем. В связи с этим власти Кералы проинструктировали ее оставаться в изолированном месте и в ближайшие дни посетить медицинское учреждение при любых развитии симптомов COVID. После поступления в больницу общего профиля она была в норме с частотой пульса 82/мин, артериальным давлением 130/80 мм рт.ст., температурой тела 98,5 °F и 96% насыщением кислородом при нормальной аускультации легких. Регулярные контрольные и исследовательские тесты на COVID проводились на 3, 7 и 20 день со дня заболевания. Мазки из ротоглотки проводились в первый день и через день в течение 23 дней со дня болезни, а с17-го дня дали отрицательный результат. Она прошла все анализы и была выписана из больницы 20февраля 2020года4.

В Соединенном Королевстве первый случай COVID-19 был зарегистрирован 23января 2020 года 50-летней женщиной, которая вернулась из города Ухань после своего визита. Первоначально у нее не было симптомов, а 26января 2020 года у нее развились такие симптомы, как лихорадка, слабость, боль в горле и сухой кашель. После поступления в больницу общего профиля ее состояние было в норме с частотой дыхания 18/мин, артериальным давлением 120/80 мм рт.ст., температурой тела 37,6 °C и насыщением кислородом 97%. Проводились регулярные контрольные и исследовательские тесты на COVID, состояние пациента клинически стабильное. Первоначальные обследования показали у нее легкую лимфопению и повышение уровня С-реактивного белка. После3-го дня поступления в больницу у нее избавились от всех симптомов, а со второго дня пребывания в больнице были выявлены отрицательные результаты тестов мазка из ротоглотки. Она была изолирована на 2 недели, и ее тесты мазка из носа и горла были отрицательными5.

Коронавирусы (CoV) были открыты в 1960-х годах, и классифицировались они следующим образом. Orthornavirae называют царством/царством различных вирусов, которые содержат геномы, состоящие из рибонуклеиновой кислоты (РНК) и транслируемые с помощью РНК-зависимой РНК-полимеразы (RdRp). RdRp транскрибирует геном вирусной РНК в матричную РНК (мРНК) и реплицирует геном. Характеристики вирусов, входящих в состав Orthornavirae, включают эволюцию, генетические мутации, рекомбинацию и рекомбинацию6. Геномы, состоящие из РНК, бывают трех типов, а именно: вирусы с положительной цепью РНК, вирусы с отрицательной цепью РНК (-ssRNA вирусы) и двухцепочечные РНК (dsRNA вирусы). Вирусы с положительной цепью РНК (+ssRNA вирусы) представляют собой совокупность ассоциированных вирусов, которые имеют одноцепочечную РНК положительного смысла. Геном вируса +ssRNA может быть использован в качестве курьерской РНК (мРНК) и непосредственно трансформируется в белки, связанные с вирусом, рибосомами клеток хозяина. Вирусы +ssRNA связаны с такими типами, как Pisuviricota, Kitrinoviricota и Lenarviricota. Вирусы с положительной цепью РНК содержат различные патогены, такие как гепацивирус С, лихорадка денге, лихорадка Эбола, корь, бешенство, грипп, тяжелый острый респираторный синдром CoV, коронавирус ближневосточного респираторного синдрома CoV и тяжелый острый респираторный синдром CoV7. Вирусы с отрицательной цепью РНК (-ssRNA вирусы) представляют собой совокупность ассоциированных вирусов, которые имеют одноцепочечную РНК с отрицательным смыслом. Геном вируса -ssRNA можно рассматривать как курьерскую РНК (мРНК) и продуцировать ферментом под названием РНК-зависимая РНК-полимераза (RdRp). -ssRNA вирусы составляют тип Negarnaviricota. Вирусы с отрицательной цепью РНК содержат две основные ветви в типе, а именно Haploviricotina и Polyploviricotina. Важными вирусами ss-РНК позвоночных являются лихорадка Эбола, Ханта, грипп, лихорадка Ласса и бешенство. Двухцепочечные РНК-вирусы (дцРНК-вирусы) представляют собой совокупность полифилетических вирусов, имеющих двухцепочечные РНК-геномы. Геном дцРНК транскрибирует +ссРНК вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразой (RdRp). Геном вируса +ssRNA может быть использован в качестве курьерской РНК (мРНК) и открыто трансформируется в белки, связанные с вирусом, рибосомами клеток хозяина. В свою очередь, геном вируса -ssRNA может служить курьерской РНК (мРНК) и продуцироваться ферментной РНК-зависимой РНК-полимеразой (RdRp). Вирусы дцРНК связаны с типами Duplornaviricota и Pisuviricota. К двухцепочечным РНК-вирусам относятся ротавирусы (поражающие детей младшего возраста) и вирус блютанга (поражающий крупный рогатый скот и овец)8.

Pisuviricota называют типом РНК-вирусов, который включает в себя все + ssRNA вирусы и дцРНК. Его низшая классификация включает три класса, а именно: Duplopiviricetes, Pisoniviricetes и Stelpaviricetes. Pisoniviricetes — класс вирусов +ssRNA, которые инфицируют и заражают эукариоты. Его нижняя классификация включает три подкласса, а именно Nidovirales, Picornavirales и Sobelivirales. Nidovirales — это порядок оболочечных +ssRNA, которые заражают и заражают позвоночных и беспозвоночных9. Он содержит подотряд вирусов, а именно: Abnidovirineae, Cornidovirineae, Nanidovirinae, Arnidovirineae, Mesnidovirineae и Tornidovirineae. К Nidovirales относят различные семейства, такие как Abyssoviridae, Coronaviridae, Nanghoshaviridae, Nanhypoviridae, Arteriviridae, Medioniviridae, Cremegaviridae, Mesoniviridae, Euroniviridae, Gresnaviridae, Roniviridae, Tobaniviridae, Mononiviridae и Olifoviridae8. Coronaviridae — семейство оболочечных вирусов +ssRNA, которые заражают млекопитающих, амфибий и птиц. Его нижняя классификация включает два подсемейства: Letovirinae и Orthocoronavirinae. Представители Orthocoronavirinae идентифицируются как коронавирусы. Коронавирусы — это подсемейство Coronaviridae, которое связано с РНК-вирусами, вызывающими инфекции у млекопитающих и птиц. У млекопитающих и птиц эти вирусы вызывают инфекции дыхательных мазков легкой и тяжелой степени, такие как инфекции мазков из верхних дыхательных путей и инфекции мазков из нижних дыхательных путей10. Эти вирусы вызывают SARS, MERS и COVID-19 у людей и некоторых млекопитающих, диарею у свиней и коров, гепатит и энцефаломиелит. Коронавирусы представляют собой оболочку +ssRNA, которые принадлежат к царству Orthornavirae, типу Pisuviricota, классу Pisoniviricetes, подклассу Nidovirales, семейству Coronaviridae и подсемейству Orthocoronavirinae. Коронавирусы подразделяются на четыре рода, а именно: альфа-коронавирус, бета-коронавирус, гамма-коронавирус и дельта-коронавирус11. На основе данного исследования формируются следующие гипотезы.

Мутация шипа коронавируса-2 тяжелого острого респираторного синдрома (SARS-CoV-2) чрезвычайно гликозилирована. Крайне важно изучить биологические последствия этих спайковых мутаций. Более одной мутации могут возникать в одной и той же позиции в последовательности шиповидного белка. Последовательности спайковых белков дали возможность оценить широкий спектр мутаций, обнаруженных по всему земному шару, и они представлены в таблице 1. Рассматриваемые мутации были следствием передачи вируса от человека к человеку. Вакцинация вызвала иммунные реакции, способные мощно нейтрализовать SARS-CoV-212. Хотя научные исследования обнаружили появление вариантов SARS-CoV-2, скрывающих мутации в шипе, основной целью оставалась нейтрализация антител хозяина. Появились новые признаки снижения нейтрализации некоторых вариантов SARS-CoV-2 после вакцинации. Производители вакцин разработали различные платформы для потенциального обновления структур вакцин, а также были проведены исследования генетических и антигенных вариаций в глобальной популяции вирусов с экспериментами, чтобы пролить свет на фенотипическое влияние мутаций.

База данных вирусов Национального центра биотехнологической информации (NCBI) содержит 10333 шиповидных белка SARS-CoV-2 человека из Африки, Азии, Европы, Северной Америки, Южной Америки и Океании. Распространение нескольких мутаций в шиповидных белках, исследованных из разных географических регионов, показано в приведенной выше таблице. Подробная информация о коронавирусах Альфа, Бета, Гамма и Дельта с их родами, особенностями и описанием представлена в таблице выше. Каждый род описывается по своим признакам, таким как фундаментальность, варианты, значение, форма, размеры, структура, слияние мембран, высвобождение, загрязнение и синтез14.

Как указано в таблице 1, у таких штаммов вирусов, как HCoV-229E, HCoV-OC43, HCoV-NL63 и HCoV-HKU1, наблюдались легкие и умеренные симптомы заболевания, в то время как у людей при SARS-CoV, MERS-CoV и SARS-CoV-2 наблюдались тяжелые критические симптомы заболевания. Вирусные микроорганизмы проходят через организм и заражают клетку-хозяина. В зависимости от категории коронавируса он поражает клетки в разных частях тела хозяина. Как только она прикрепилась к крепкой и здоровой клетке, она входит в нее15. После того, как вирус поселится внутри клетки-хозяина, он освободится от беспорядка, а его ДНК и РНК выйдут наружу и отправятся к ядру. Они будут перемещаться фрагментом, что приведет к различным размножениям вируса. Эти копии будут выходить из ядра для сборки и получать белок, который защищает их ДНК и РНК. Эти новомодные репродукции вируса освободят ранее инфицированные и больные клетки, чтобы снова загрязнить другие здоровые клетки-хозяева и размножаться. Если иммунной системе хозяина удастся бороться с коронавирусом, человек не заболеет; В противном случае могут возникнуть нездоровые осложнения. Если иммунная система не в состоянии контролировать коронавирус, это приводит к патогенезу. При этом вирус попадает в организм и поражает разные органы. В зависимости от того, насколько серьезны признаки или симптомы, человек будет отдыхать или обращаться замедицинской помощью. Жизненный цикл и различные штаммы коронавируса изображены на рисунке 1.

На приведенном рисунке подробно изображен жизненный цикл и стадии коронавируса. Существует семь стадий, а именно: (1) прикрепление и поступление, (2) слияние и эндоцитоз, (3) протеолиз, (4) трансляция и расщепление, (5) репликация, (6) экзоцитоз и (7) высвобождение зрелого вируса. На этапе прикрепления и госпитализации коронавирусные микроорганизмы поступают в организм хозяина, и цель состоит в том, чтобы разработать стратегии рекогносцировки и вмешательства, устойчивые к хозяину. Чтобы проникнуть в клетки-хозяева, эти вирусы сначала прикрепляются к поверхностному рецептору клетки для связывания, затем проникают в эндосомы и, в конечном итоге, начинают слияние. Позже коронавирус сливается с вирусными и лизосомальными оболочками в клетке-хозяине. Шиповидный белок, прикрепленный к поверхности вируса, препятствует проникновению этих вирусов. Эндоцитоз – это клеточный процесс, при котором вещество переносится в клетку-хозяина17. Материал, который должен быть принят, окружен рядом клеточных оболочек, которые затем выстреливают внутрь клетки-хозяина, образуя везикулу, охватывающую проглоченное вещество. Эндоцитоз включает в себя пиноцитоз и фагоцитоз; Первое – это питье в клетках, а во втором – клеточное питание. Протеолиз — это постатейное преобразование вирусных белков в минорные полипептиды/аминокислоты. Структурированная конверсия мРНК — это посттранскрипционный процесс, который сдерживает коммуникацию генов и быстро расходится с изобилием белков. Он играет важную роль в обширных биологических процессах, таких как рост клеток, клеточный прогресс, синаптическая пластичность, реторты стресса ипродуктивное вирусное развитие. Процедуру вирусной трансляции можно разделить на три этапа, а именно: инициирование, удлинение и растворение.

Репликация вируса — это процесс создания генетических вирусов путем загрязнения инфицированных клеток-хозяев. Чтобы произошло размножение вируса, вирусы должны сначала проникнуть в клетку-хозяина. Многократно реплицируя свой вирусный геном и инкапсулируя эти копии, вирусы выживают и продолжают распространяться, заражаяновые клетки-хозяева. Экзоцитоз – это механизм, с помощью которого везикулы, содержащие вирусные частицы, секретируются и высвобождаются из инфицированной клетки, что позволяет вновь образованным вирусам проникать в организм хозяина и заражать дополнительные здоровые клетки. Постострые последствия SARS-CoV-2 (PASC) признаны синдромом, который в первую очередь поражает легкие, хотя он может поражать несколько органов, что приводит к повреждению органов или даже отказу органов20. Такие осложнения могут привести к смерти или долгосрочным проблемам со здоровьем. Например, в сердце может развиться повышенный риск сердечной недостаточности или других осложнений; Легкие могут испытывать долгосрочные трудности с дыханием после пневмонии; мозг может быть поражен инсультами, судорогами или синдромом Гийена-Барре; Кроме того, почки могут быть повреждены, что может привести к септическому шоку. Повреждение печени может произойти из-за дисбаланса ферментов, в то время как рабдомиолиз приводит к разрушению мышечной ткани, высвобождению миоглобина в кровоток, что может стать смертельным, если почки не смогут быстро его отфильтровать. Дополнительные осложнения включают образование аномальных тромбов, вызывающих внутреннее кровотечение и органную недостаточность, вторичные инфекции от бактерий, таких как стрептококк или стафилококк, диссеминированное внутрисосудистое свертывание из-за дисфункциональных реакций свертывания крови, а также хроническую усталость, часто сопровождающуюся туманом в голове, сильной усталостью, головокружением или нарушением мышления. Исходя из этих проблем, предлагаются следующие гипотезы: H1: Использование алгоритма трансферного обучения может значительно повысить точность прогнозирования и переносимость моделей за счет применения эпидемиологических данных для определения PASC, специфичных для региона. H1a: Модели глубокого обучения, которые точно настроены с использованием эпидемиологических данных, работают лучше, чем другие модели. H1b: Сочетание региональных детерминант PASC с моделями трансферного обучения повышает точность и эффективность классификации и кластеризации. H1c: Эта комбинация также может выявить ранее нераскрытые или упущенные из виду закономерности, специфичные для региона. H1d: Трансферное обучение позволяет сократить время обучения и ускорить сходимость по сравнению с другими моделями.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Данное исследование проводилось в соответствии с этическими принципами для исследований с использованием данных человека. Все данные о пациентах, использованные в этом исследовании, были полностью анонимизированы до получения доступа и анализа. Никакая личная информация не использовалась. Протокол исследования был рассмотрен и одобрен Институциональным наблюдательным советом (IRB) в соответствии с Хельсинкской декларацией. В соответствующих случаях разрешения на доступ к данным были получены от соответствующих органов или репозиториев данных. Поскольку это исследование включает в себя вторичный анализ обезличенных данных, ЭСО отказался от информированного согласия. Предложенная модель латентного переноса представляет собой метод полуконтролируемого обучения на основе машинного обучения, предназначенный для поиска скрытых закономерностей и их переноса из исходного набора данных в целевой набор данных, что обеспечивает ее высокую пригодность для анализа эпидемиологических проблем PASC16. Постковидные состояния часто проявляются различными симптомами в разных группах населения, что приводит к противоречивым и разрозненным данным. Предлагаемая работа направлена на решение проблемы разреженности данных из-за различных симптомов в разных регионах путем изучения улучшенных латентных представлений для представления скрытых закономерностей здоровья из наборов данных и представления их в виде новых наборов данных. Для выполнения этого преобразования эти методы скрытой передачи используют автоматические или вариационные кодировщики для представления как исходных, так и целевых данных в общем скрытом пространстве. И это общее пространство защищает полученные скрытые закономерности, поскольку кластеры постковидных симптомов хорошо сохраняются в различных регионах21. Прототип может развиваться дальше за счет улучшенного обобщения с адаптацией предметной области. Используя этот подход, модель может помочь распознавать и прогнозировать кластеры риска, а также поддерживать эпиднадзор за общественным здравоохранением в отдаленных районах. Эта работа также улучшает обучение за счет снижения зависимости от полностью размеченных данных. Таким образом, предложенный подход становится мощным инструментом для анализа пробелов благодаря своему обобщенному подходу к различным популяциям.

1. Источники и сбор данных

В этом исследовании использовались общедоступные наборы данных Kaggle (Набор данных о сердечно-сосудистых заболеваниях, Набор данных для прогнозирования рака, Набор данных для прогнозирования ранних стадий диабета и Набор данных для прогнозирования психического здоровья). Таким образом, одобрение IRB в данной подаче не требуется.

Для наборов данных, включающих данные изображений, предварительная обработка проводилась с помощью Python с библиотеками TensorFlow и OpenCV. Этапы предварительной обработки включали изменение размера изображения (например, 224 × 224 пикселя), преобразование оттенков серого или RGB, нормализацию значений пикселей до диапазона [0, 1] и методы дополнения данных (поворот, отражение, масштабирование) для улучшения обобщения модели и уменьшения переобучения. Затем массивы изображений были преобразованы в массивы NumPy для дальнейшей обработки и ввода модели.

Для выбора признаков была реализована рекурсивная элиминация признаков (RFE) с помощью класса RFE Scikit-learn, обычно в сочетании с оценщиком логистической регрессии или случайного леса. Количество выбранных объектов варьировалось в зависимости от набора данных, но общая конфигурация заключалась в том, чтобы уменьшить размерность до 10-15 наиболее влиятельных объектов на основе рекурсивной оценки. Этот метод повысил точность классификации при одновременном снижении вычислительной сложности и переобучения модели.

В этом исследовании использовались четыре общедоступных набора данных от Kaggle. Набор данных о сердечно-сосудистых заболеваниях, набор данных о прогнозировании рака молочной железы, набор данных о прогнозировании диабета на ранних стадиях и набор данных о прогнозировании психического здоровья. Эти наборы данных были загружены непосредственно из Kaggle и состоят из структурированных табличных данных, содержащих клинические атрибуты и атрибуты, основанные на опросах. Предварительная обработка данных проводилась с использованием Python с ключевыми библиотеками, такими как Pandas для обработки данных, NumPy для численных операций и Scikit-learn для предварительной обработки данных, выбора признаков и моделирования. Отсутствующие значения были условно исчислены с помощью стратегий среднего или модового значения, категориальные переменные были закодированы с помощью One-Hot или Label Encoding, а числовые признаки были масштабированы с помощью StandardScaler или MinMaxScaler. Для несбалансированных классов применялся метод SMOTE (Synthetic Minority Oversampling Technique) из пакета imblearn. Рекурсивное исключение признаков (RFE) было реализовано с помощью модуля RFE от Scikit-learn с такими оценками, как Logistic Regression и Random Forest, и количество функций обычно сокращалось до 10-15 наиболее влиятельных из них на основе метрик производительности модели, таких как ROC-AUC и точность.

2. Архитектура модели

В этом исследовании предлагается вариант алгоритма нейронной сети, называемый моделью латентного переноса, для обучения входных изображений из базы данных изображений COVID-19. Данная работа эффективна в преодолении проблемы исчезающего градиента при построении глубокой нейронной сети. Несмотря на то, что существуют различные варианты нейронных сетей с различными конфигурациями слоев, эта работа в первую очередь сосредоточена на реализации методов остаточного обучения в процессе обучения глубоких нейронных сетей. В предлагаемой модели латентного переноса используется усовершенствованный алгоритм ResNet-50 с каркасом сверточного слоя 7 x 7, а также плоские и плотные слоистые сети. Эти слои используются для преобразования изображений и многоклассовой классификации пациентов с PASC по регионам для выделения паттернов22. В этой работе рассматриваются входные изображения размером 256 x 256 x 3 с использованием эффективных гиперпараметров, поведения при обучении, процедур оптимизации и объемов партии. Предлагаемая модель латентного переноса учитывает набор данных из 12 946 изображений для классификации пациентов с активным риском развития сердечно-сосудистых заболеваний, рака, хронических респираторных заболеваний, диабета и проблем с психическим здоровьем. Детали набора данных и гиперпараметры приведены в Таблице 2 и Таблице 3 соответственно.

Чтобы обеспечить воспроизводимость, все этапы реализации, предварительной обработки и оценки модели проводились в контролируемой среде с использованием Python в Jupyter Notebook на системе под управлением Windows 11, оснащенной процессором Intel Core i7 (11-го поколения), 16 ГБ ОЗУ и графическим процессором NVIDIA GeForce RTX 3060 (для любой ускоренной обработки, хотя графический процессор не был необходим для этих наборов данных). Используемые программные библиотеки включают Pandas 1.5.3, NumPy 1.24, Scikit-learn 1.3.0, Imbalanced-learn 0.11.0 для SMOTE, Matplotlib 3.7.1 и Seaborn 0.12.2 для визуализации. Предварительная обработка включала обработку отсутствующих значений с помощью импутации среднего/моды, кодирование категориальных переменных с помощью One-Hot или Label Encoding, а также масштабирование функций с помощью StandardScaler. При разработке модели использовались такие классификаторы, как Logistic Regression, Random Forest и Support Vector Machines, с рекурсивным устранением признаков (RFE) для уменьшения размерности. Модели оценивались с помощью 5-кратной перекрестной проверки, а производительность измерялась с помощью таких показателей, как точность, полнота и оценка ROC-AUC, что обеспечивало согласованность и воспроизводимость конвейера.

3. Предварительная обработка и проектирование характеристик

Для извлечения статистически значимых признаков из этих наборов данных используется метод предварительной обработки под названием "Выбор признаков с использованием рекурсивного устранения признаков (RFE)" и конвейер моделирования под названием "Transfer Learning with Multi-Layer Perceptron (MLP)".

4. Обучение и валидация

Для оценки предложенного подхода к анализу и прогнозированию симптомов PASC был использован организованный подход к обучению и валидации. Сначала было применено иерархическое разделение на тренировочный тест для получения кумулятивной системы меток классов с соотношением обучающих и тестовых данных 80:20. Затем была реализована k-кратная перекрестная проверка с k = 5 на обучающих данных для оценки надежности модели при различных разбиениях данных. Был применен классификатор MLP с двумя скрытыми слоями (64 и 32 нейронами) и 300 итерациями. Были реализованы дальнейшие методы представления функций и трансферного обучения.

5. Метрики оценки

Точность, F-измерение, G-среднее, MAPE, чувствительность и специфичность были рассчитаны на основе тестовых данных для сравнения производительности предложенной модели. Результаты иллюстрируют улучшение метрик оценки, точности, F-измерения, G-среднего, MAPE, чувствительности и специфичности на тестовых данных для сравнения производительности предложенной модели с другими современными моделями, а именно VGG-16 CNN, VGG-19 CNN, DenseNet-121 CNN, InceptionV3 CNN, ResNet-101 CNN, MobileNetV2 CNN и предложенной моделью латентного переноса. Приведенный выше набор данных содержит обучающие, валидационные и тестовые образцы данных, связанных с сердечно-сосудистыми системами, раком, хроническим респираторным заболеванием, диабетом и психическими заболеваниями.

Все эксперименты проводились в среде Windows 11 с использованием Python 3.10 на системе с процессором Intel Core i7, 16 ГБ оперативной памяти и графическим процессором NVIDIA RTX 3060. Общедоступные наборы данных Kaggle были предварительно обработаны с использованием Pandas, NumPy и Scikit-learn для импутации отсутствующих значений, кодирования, масштабирования и выбора функций с помощью рекурсивного устранения признаков (RFE). Такие модели, как Logistic Regression, Random Forest и SVM, были обучены и оценены с использованием 5-кратной перекрестной проверки с такими метриками, как точность, полнота и ROC-AUC для обеспечения воспроизводимости и согласованности производительности.

В приведенной выше таблице приведены подробные сведения о гиперпараметрах и методе или алгоритме, который их использует. Для алгоритма оптимизатора Adam приведены скорость обучения, техника ранней остановки, размер пакета, размер эпохи, обратные вызовы, функция потерь и метрики для измерения эффективности.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Предложенная модель сравнивается с существующими моделями передачи, включая VGG-16 CNN, VGG-19 CNN, DenseNet-121 CNN, InceptionV3 CNN, ResNet-101 CNN и MobileNetV2 CNN. Детали параметров и результаты сравнения показаны в таблицах 4, 5 и 2 соответственно. Результаты иллюстрируют улучшение метрик оценки за счет использования предложенной модели по сравнению с другими моделями, а именно VGG-16 CNN, VGG-19 CNN, DenseNet-121 CNN, InceptionV3 CNN, ResNet-101 CNN и...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Предложение сосредоточено на построении модели обучения со скрытым переносом для борьбы с последствиями PASC. Такая структура приводит к серьезным проблемам с физическим и психическим здоровьем, особенно у людей среднего и пожилого возраста, а также у тех, кто подвержен хроническим заболеваниям, таким как сердечно-сосудистые заболевания, рак, респираторные заболевания и диабет. Конечная цель состоит в том, чтобы унифицировать различные данные о пациентах из разных популяций с помощью мод...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в связи с публикацией данной статьи.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Среда облачных вычислений (например, Google Colab / AWS EC2)Google / AmazonН/ДИспользуется для обучения моделей глубокого обучения с ускорением GPU
Эпидемиологический набор данных (постострые последствия SARS-CoV-2, региональные)Репозитории данных общественного здравоохранения (например, ВОЗ, CDC, ICMR, региональные больницы)Н/ДНабор данных для экспериментов по переносу обучения
Записная книжка JupyterПроект JupyterОткрытый исходный кодИнтерактивная среда для программирования и документирования
КерасОткрытый исходный кодИнтеграция с TensorFlowВысокоуровневый API для создания и обучения моделей глубокого обучения
Matplotlib / SeabornОткрытый исходный кодН/ДБиблиотеки визуализации, используемые для построения графиков и анализа эпидемиологических тенденций
НумПиОткрытый исходный кодН/ДБиблиотека численных вычислений
ПандыОткрытый исходный кодН/ДБиблиотека обработки и анализа данных
Предварительно обученные модели СНС/Трансформеров (например, модели на основе EfficientNet, BERT)Концентратор TensorFlow / HuggingFaceДля конкретной моделиИспользуется для передачи обучения и тонкой настройки эпидемиологического прогнозирования
Python (версия 3.8 или выше)Python Software FoundationОткрытый исходный кодЯзык программирования, используемый для предварительной обработки данных, обучения и оценки моделей
Scikit-learnОткрытый исходный кодН/ДБиблиотека машинного обучения для предварительной обработки, метрик оценки и базовых моделей
TensorFlow (версия 2.x)ГуглОткрытый исходный кодФреймворк глубокого обучения, используемый для трансферного обучения и развертывания моделей

References

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Morens, D. M., et al. The origin of COVID-19 and why it matters. Am J Trop Med Hyg. 103 (3), 955(2020).
  2. Balaram, P. The murky origins of the coronavirus SARS-CoV-2, the causative agent of the COVID-19 pandemic. Curr Sci. 120 (11), 1663-1666 (2021).
  3. Alanagreh, L., Alzoughool, F., Atoum, M. The human coronavirus disease COVID-19: its origin, characteristics, and insights into potential drugs and its mechanisms. Pathog. 9 (5), 331(2020).
  4. Zhukova, A., et al. evolution and global spread of SARS-CoV-2. C R Biol. 344 (1), 57-75 (2021).
  5. de-Graft Aikins, A., Akoi-Jackson, B. "Colonial Virus": COVID-19, creative arts and public health communication in Ghana. Ghana Med J. 54 (4), 86-96 (2020).
  6. Cohen, K., et al. Risk of persistent and new clinical sequelae among adults aged 65 years and older during the post-acute phase of SARS-CoV-2 infection: Retrospective cohort study. BMJ. 376, 1-10 (2022).
  7. Daugherty, S. E., et al. SARS-CoV-2 infection and risk of clinical sequelae during the post-acute phase: A retrospective cohort study. medRxiv. 1 (1), 2021-2103 (2021).
  8. de Souza, L. C., et al. A new proposal of viral genome representation applied in the classification of SARS-CoV-2 with deep learning. BMC Bioinformat. 24 (1), 92(2023).
  9. Horberg, M. A., et al. Post-acute sequelae of SARS-CoV-2 with clinical condition definitions and comparison in a matched cohort. Nat Commun. 13 (1), 1-13 (2022).
  10. Huang, J., et al. On-site detection of SARS-CoV-2 antigen by deep learning-based surface-enhanced Raman spectroscopy and its biochemical foundations. Anal Chem. 93 (26), 9174-9182 (2021).
  11. Jason, L. A., Islam, M. F. A classification system for post-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection. Cent Asian J Med Hypotheses Ethics. 3 (1), 38-51 (2022).
  12. Moghimi, N., et al. The neurological manifestations of post-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection. Curr Neurol Neurosci Rep. 21 (1), 1-17 (2021).
  13. Parker, A. M., et al. Addressing the post-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection: A multidisciplinary model of care. Lancet Respir Med. 9 (11), 1328-1341 (2021).
  14. Proal, A. D., et al. SARS-CoV-2 reservoir in post-acute sequelae of COVID-19 (PASC). Nat Immunol. 24 (10), 1616-1627 (2023).
  15. Serna García, G., et al. CoVEffect: Interactive system for mining the effects of SARS-CoV-2 mutations and variants based on deep learning. GigaScience. 12 (1), giad036(2023).
  16. Sherif, Z. A., et al. Pathogenic mechanisms of post-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection (PASC). eLife. 12, e86002(2023).
  17. Swank, Z., et al. Persistent circulating SARS-CoV-2 spike is associated with post-acute COVID-19 sequelae. medRxiv. 1 (1), 2022-2106 (2022).
  18. Takao, M., Ohira, M. Neurological post-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection. Psychiatry Clin Neurosci. 77 (2), 72-83 (2023).
  19. Tariq, M. U., et al. Harnessing the power of AI: Advanced deep learning models optimization for accurate SARS-CoV-2 forecasting. PLoS One. 18 (7), e0287755(2023).
  20. Vehar, S., et al. Update to post-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection: Caring for the 'long-haulers. Cleve Clin J Med. 1 (1), 1-5 (2021).
  21. Wang, C., et al. Acute and post-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection: A review of risk factors and social determinants. Virol J. 20 (1), 124(2023).
  22. Wang, G., et al. Deep-learning-enabled protein-protein interaction analysis for prediction of SARS-CoV-2 infectivity and variant evolution. Nat Med. 29 (8), 2007-2018 (2023).
  23. Wang, Z., Yang, L. Post-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection: A neglected public health issue. Front Public Health. 10, 908757(2022).
  24. Whata, A., Chimedza, C. Deep learning for SARS-CoV-2 genome sequences. IEEE Access. 9, 59597-59611 (2021).
  25. Yang, Z., Bogdan, P., Nazarian, S. An in silico deep learning approach to multi-epitope vaccine design: a SARS-CoV-2 case study. Sci Rep. 11 (1), 3238(2021).
  26. Zhang, H., et al. Data-driven identification of post-acute SARS-CoV-2 infection subphenotypes. Nat Med. 29 (1), 226-235 (2023).
  27. Fernández-de-Las-Peñas, C., et al. Defining post-COVID symptoms (post-acute COVID, long COVID, persistent post-COVID): an integrative classification. Int J Environ Res Public Health. 18 (5), 2621(2021).
  28. Çalıca Utku, A., et al. Main symptoms in patients presenting in the COVID-19 period. Scott Med J. 65 (4), 127-132 (2020).
  29. Viner, R. M., et al. Systematic review of reviews of symptoms and signs of COVID-19 in children and adolescents. Arch Dis Child. 106 (8), 802-807 (2021).
  30. Salamanna, F., et al. Post-COVID-19 syndrome: The persistent symptoms at the post-viral stage of the disease. A systematic review of the current data. Front Med. 8, 653516(2021).
  31. Proal, A. D., VanElzakker, M. B. Long COVID or post-acute sequelae of COVID-19 (PASC): An overview of biological factors that may contribute to persistent symptoms. Front Microbiol. 12, 698169(2021).
  32. Pavli, A., Theodoridou, M., Maltezou, H. C. Post-COVID syndrome: Incidence, clinical spectrum, and challenges for primary healthcare professionals. Arch Med Res. 52 (6), 575-581 (2021).
  33. Carod-Artal, F. J., García-Moncó, J. C. Epidemiology, pathophysiology, and classification of the neurological symptoms of post-COVID-19 syndrome. Neurol Perspect. 1, S5-S15 (2021).
  34. Lippi, G., Sanchis-Gomar, F., Henry, B. M. COVID-19 and its long-term sequelae: What do we know in 2023. Pol Arch Intern Med. 133 (4), 16402(2023).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Transfer LearningPost Acute SequelaeSARS CoV 2Epidemiological StudyLatent Transfer ModelPersonalized HealthcareData IntegrationPublic Health OutcomesChronic Health ConditionsRegional Variability

Related Articles