Predicting ICU Interventions: A Transparent Decision Support Model Based on Multivariate Time Series Graph Convolutional Neural Network

可解释性 计算机科学 多元统计 心理干预 临床决策支持系统 卷积神经网络 人工智能 重症监护室 机器学习 数据挖掘 决策支持系统 医学 重症监护医学 精神科
作者
Zhen Xu,Jinjin Guo,Lang Qin,Yuntao Xie,Yao Xiao,Xinran Lin,Qiming Li,Xinyang Li
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:28 (6): 3709-3720
标识
DOI:10.1109/jbhi.2024.3379998
摘要

In this study, we present a novel approach for predicting interventions for patients in the intensive care unit using a multivariate time series graph convolutional neural network. Our method addresses two critical challenges: the need for timely and accurate decisions based on changing physiological signals, drug administration information, and static characteristics; and the need for interpretability in the decision-making process. Drawing on real-world ICU records from the MIMIC-III dataset, we demonstrate that our approach significantly improves upon existing machine learning and deep learning methods for predicting two targeted interventions, mechanical ventilation and vasopressors. Our model achieved an accuracy improvement from 81.6% to 91.9% and a F1 score improvement from 0.524 to 0.606 for predicting mechanical ventilation interventions. For predicting vasopressor interventions, our model achieved an accuracy improvement from 76.3% to 82.7% and a F1 score improvement from 0.509 to 0.619. We also assessed the interpretability by performing an adjacency matrix importance analysis, which revealed that our model uses clinically meaningful and appropriate features for prediction. This critical aspect can help clinicians gain insights into the underlying mechanisms of interventions, allowing them to make more informed and precise clinical decisions. Overall, our study represents a significant step forward in the development of decision support systems for ICU patient care, providing a powerful tool for improving clinical outcomes and enhancing patient safety.
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