بهبود دقت تشخیص در انتخاب کاندید درمان همزمان‌سازی مجدد قلبی با استفاده از بیش‌نمونه‌برداری اقلیت تعمیم‌یافته و یادگیری گروهی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی کامپیوتر، واحد فومن و شفت، دانشگاه آزاد اسلامی، فومن، ایران

چکیده

با گسترش کاربردهای هوش مصنوعی به‌ویژه یادگیری ماشین در حوزه پزشکی، امکان ارتقای دقت و اثربخشی در تشخیص و درمان بیماری‌ها فراهم شده است. یکی از کاربردهای مهم آن، بهبود تشخیص پاسخ بیماران به درمان همزمان‌سازی مجدد قلبی است؛ روشی درمانی برای بیماران مبتلا به نارسایی قلبی که در آن با تحریک هماهنگ بطن‌ها عملکرد قلب بهبود می‌یابد. یکی از چالش‌های مهم در این زمینه، عدم‌تعادل کلاس‌ها میان بیماران پاسخ‌دهنده و غیرپاسخ‌دهنده به درمان است که دقت مدل‌های طبقه‌بندی را کاهش می‌دهد.در این پژوهش، روشی ترکیبی مبتنی بر بیش‌نمونه‌برداری مصنوعی تعمیم‌یافته از کلاس اقلیت و یادگیری گروهی پیشنهاد شده است. برای ارتقای کیفیت نمونه‌های مصنوعی، از الگوریتم جستجوی کلاغ به‌عنوان یک روش فراابتکاری استفاده شده و برای کاهش بُعد و انتخاب ویژگی‌های مؤثر از الگوریتم ژنتیک بهره گرفته شده است. در مرحله طبقه‌بندی، دو مدل یادگیری گروهی شامل گرادیان تقویت‌شده و جنگل تصادفی به کار گرفته شدند. مجموعه داده مورد استفاده شامل 60 ویژگی اولیه بود که با استفاده از الگوریتم ژنتیک به ۴۱ ویژگی منتخب بهینه‌شده کاهش یافت. معیار بهینگی، حداکثرسازی دقت مدل در شناسایی بیماران غیرپاسخ‌دهنده بود. نتایج ارزیابی مدل‌ها نشان داد روش پیشنهادی با این ۴۱ ویژگی منتخب، میانگین هارمونیک برابر با ۸۹.۰۷٪ و دقت طبقه غیرپاسخ‌دهنده به درمان برابر با ۹۳.۵۹٪ را به‌دست آورده است. یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهد که ترکیب روش‌های بهینه‌سازی، بیش‌نمونه‌برداری و یادگیری گروهی می‌تواند به‌طور مؤثری دقت تشخیص بیماران غیرپاسخ‌دهنده به درمان همزمان‌سازی مجدد قلبی را افزایش داده و به تصمیم‌گیری‌های درمانی مبتنی بر داده کمک کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Enhancing Accuracy in Cardiac Resynchronization Therapy Candidate Selection using Minority Oversampling and Ensemble Learning

نویسندگان [English]

  • Arash Saghari
  • Mohammad Nejadeh
Department of Computer Engineering, FSh.C., Islamic Azad University, Fouman, Iran.
چکیده [English]

The spreading of artificial intelligence, especially machine learning applications in the medical field, has opened that possibility of raising the precision and effectiveness of diagnosis and treatment of diseases. One of the important applications is the facilitation of the detection of the patient's response to the treatment by cardiac resynchronization therapy, a treatment method for patients with heart failure in which the function of the heart is improved by the coordinated stimulation of the ventricles. One of the main challenges in this area is class imbalance among the numbers of responders and non-responders to the treatment, which lowers the accuracy of the classification models. This research proposes a hybrid method based on Synthetic Minority Over-sampling with generalized class and ensemble learning. To improve the quality of synthetic samples, the Crow Search Algorithm has been used as a metaheuristic method and the Genetic Algorithm has been used for dimensionality reduction and efficient feature selection. For the classification stage, two ensemble learning models of Gradient Boosting and Random Forest were implemented. The utilized dataset includes 60 initial features, which have been reduced to 41 optimized selected features using the genetic algorithm. The criterion of optimality was the maximization of model accuracy in the identification of non-responders. The performance of the proposed method with these 41 selected features showed the average harmonic with the value of 89.07% and the accuracy of the non-response class of 93.59%. The results of this study indicated the combination of optimization, oversampling, and ensemble learning methods could effectively increase the identification accuracy of the non-responder patients of cardiac resynchronization therapy and thus provide assistive data-driven medical decision-making.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cardiac resynchronization therapy (CRT) diagnosis
  • Crow search algorithm
  • Ensemble learning
  • Minority oversampling
  • Heart failure