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实时机器学习预测下一代测序结果:临床决策支持系统的前瞻性验证研究

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  本研究针对血液淋巴肿瘤NGS检测(Heme-STAMP)临床应用的决策困境,开发了基于电子健康记录(EHR)的机器学习模型。研究人员通过整合FHIR API和云计算的DEPLOYR框架,实现实时预测并与专家判断对比。结果显示模型AUC达0.77,与血液学家水平相当,且组合预测可改善校准。该成果发表于《npj Digital Medicine》,为精准医疗时代下的智能决策支持提供了范式。

在精准医疗时代,下一代测序(NGS)技术已成为血液淋巴肿瘤诊疗的核心工具。然而斯坦福大学团队发现,Heme-STAMP等NGS检测面临两难困境:一方面检测成本高昂且解读复杂,另一方面临床实践中存在过度使用与使用不足并存的现象。更棘手的是,随着检测应用场景的扩展,非血液专科医师的检测申请量激增,但缺乏有效的决策支持工具。这种现状催生了一个关键科学问题:能否通过人工智能技术,在保证检测质量的同时优化临床决策流程?

为回答这个问题,Grace Y. E. Kim和Jonathan H. Chen领衔的研究团队开展了一项创新性研究。他们开发了基于随机森林算法的预测模型,通过分析3472例回顾性订单数据,构建了能预测Heme-STAMP检测结果的决策系统。研究采用前瞻性设计,将模型部署到真实临床环境,与血液学专家的实时判断进行头对头比较。结果显示,仅使用结构化EHR数据的模型展现出与专家相当的判别能力(AUC 0.77 vs 0.78),且在阴性预测值达0.95时,模型特异性优于人类专家。

技术方法上,研究团队构建了DEPLOYR技术框架:1)通过FHIR-based Epic API从Epic Chronicles实时获取患者数据;2)利用Azure云平台运行随机森林模型;3)采用静默警报触发预测流程;4)建立半自动化邮件系统收集医师预估。样本来自斯坦福大学医学中心2022-2023年连续Heme-STAMP检测病例,最终纳入100例前瞻性验证病例。

【机器学习模型与专家血液学家性能相当】

通过对比模型、申请医师和独立医师的预测表现,发现三者的AUROC分别为0.77、0.78和0.72。值得注意的是,模型仅依赖年龄、血常规等结构化数据,而医师还能获取病理报告等非结构化信息。SHAP分析显示,高龄(OR=1.03/年)、别嘌醇处方(OR=2.1)和白细胞升高是最强预测因子。

 

【组合预测改善校准性能】

将模型与医师预测取平均值后,Brier评分从0.26降至0.21,显示校准改善。但研究发现医师较少因模型输出改变决策(仅20%差异病例调整估计),提示人机协同需要更优的交互设计。热图分析揭示医师预测存在"高估聚集"现象,约40%病例预估>90%,而模型预测分布更均衡。

【技术框架实现临床整合】

研究成功将定制模型整合到实时EHR系统,解决了三大技术挑战:1)通过Epic API直接访问动态临床数据;2)处理EHR版本更新导致的特征漂移;3)建立静默触发机制避免干扰工作流。尽管存在用药命名变更等现实干扰,模型在前瞻性环境中保持稳定性能。

讨论部分指出,这项研究具有三重突破意义:首先,证实了结构化EHR数据足以支持复杂检测的预测,这对资源有限机构尤为重要;其次,展示了组合人机预测可兼顾判别力与校准度,为决策支持系统设计提供新思路;最后,DEPLOYR框架为临床AI落地树立了技术标杆。研究也揭示了局限性,如模型可能捕捉到临床行为偏差(如别嘌醇处方),且在老年组表现稍逊,这为后续研究指明了方向。

这项发表于《npj Digital Medicine》的研究,不仅为NGS检测的合理应用提供了智能决策工具,更开创性地建立了临床AI从实验室到病床边的转化路径。随着类似技术在不同检测场景的推广,或将重塑精准医疗时代的临床决策范式。

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