Bone mineral density response prediction following osteoporosis treatment using machine learning to aid personalized therapy
Description
Abstract Osteoporosis is a global health problem for ageing populations. The goals of osteoporosis treatment are to improve bone mineral density (BMD) and prevent fractures. One major obstacle that remains a great challenge to achieve the goals is how to select the best treatment regimen for individual patients. We developed a computational model from 8981 clinical variables, including demographic data, diagnoses, laboratory results, medications, and initial BMD results, taken from 10-year period of electronic medical records to predict BMD response after treatment. We trained 7 machine learning models with 13,562 osteoporosis treatment instances [comprising 5080 (37.46%) inadequate treatment responses and 8482 (62.54%) adequate responses] and selected the best model (Random Forests with area under the receiver operating curve of 0.70, accuracy of 0.69, precision of 0.70, and recall of 0.89) to individually predict treatment responses of 11 therapeutic regimens, then selected the best predicted regimen to compare with the actual regimen. The results showed that the average treatment response of the recommended regimens was 9.54% higher than the actual regimens. In summary, our novel approach using a machine learning-based decision support system is capable of predicting BMD response after osteoporosis treatment and personalising the most appropriate treatment regimen for an individual patient.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
هشاشة العظام هي مشكلة صحية عالمية لشيخوخة السكان. أهداف علاج هشاشة العظام هي تحسين كثافة المعادن في العظام (BMD) ومنع الكسور. تتمثل إحدى العقبات الرئيسية التي لا تزال تشكل تحديًا كبيرًا لتحقيق الأهداف في كيفية اختيار أفضل نظام علاج للمرضى الأفراد. لقد طورنا نموذجًا حسابيًا من 8981 متغيرًا سريريًا، بما في ذلك البيانات الديموغرافية والتشخيصات والنتائج المعملية والأدوية والنتائج الأولية لـ BMD، مأخوذة من فترة 10 سنوات من السجلات الطبية الإلكترونية للتنبؤ باستجابة BMD بعد العلاج. قمنا بتدريب 7 نماذج للتعلم الآلي مع 13,562 حالة علاج لهشاشة العظام [تتألف من 5080 (37.46 ٪) استجابات علاجية غير كافية و 8482 (62.54 ٪) استجابات كافية] واخترنا أفضل نموذج (غابات عشوائية بمساحة تحت منحنى تشغيل جهاز الاستقبال 0.70، ودقة 0.69، ودقة 0.70، واستدعاء 0.89) للتنبؤ بشكل فردي باستجابات علاجية لـ 11 نظامًا علاجيًا، ثم اخترنا أفضل نظام متوقع للمقارنة مع النظام الفعلي. أظهرت النتائج أن متوسط استجابة العلاج للأنظمة الموصى بها كان أعلى بنسبة 9.54 ٪ من الأنظمة الفعلية. وباختصار، فإن نهجنا الجديد باستخدام نظام دعم القرار القائم على التعلم الآلي قادر على التنبؤ باستجابة مرض هشاشة العظام بعد علاج هشاشة العظام وإضفاء الطابع الشخصي على نظام العلاج الأنسب للمريض الفردي.Translated Description (French)
Résumé L'ostéoporose est un problème de santé mondial pour les populations vieillissantes. Les objectifs du traitement de l'ostéoporose sont d'améliorer la densité minérale osseuse (DMO) et de prévenir les fractures. Un obstacle majeur qui reste un grand défi pour atteindre les objectifs est de savoir comment sélectionner le meilleur schéma thérapeutique pour chaque patient. Nous avons développé un modèle informatique à partir de 8981 variables cliniques, y compris les données démographiques, les diagnostics, les résultats de laboratoire, les médicaments et les résultats initiaux de la DMO, tirés d'une période de 10 ans de dossiers médicaux électroniques pour prédire la réponse de la DMO après le traitement. Nous avons formé 7 modèles d'apprentissage automatique avec 13 562 instances de traitement de l'ostéoporose [comprenant 5080 (37,46 %) réponses de traitement inadéquates et 8482 (62,54 %) réponses adéquates] et sélectionné le meilleur modèle (Forêts aléatoires avec une aire sous la courbe de fonctionnement du récepteur de 0,70, précision de 0,69, précision de 0,70 et rappel de 0,89) pour prédire individuellement les réponses de traitement de 11 schémas thérapeutiques, puis nous avons sélectionné le meilleur schéma prédit à comparer avec le schéma réel. Les résultats ont montré que la réponse moyenne au traitement des schémas recommandés était supérieure de 9,54 % à celle des schémas réels. En résumé, notre nouvelle approche utilisant un système d'aide à la décision basé sur l'apprentissage automatique est capable de prédire la réponse de la DMO après un traitement contre l'ostéoporose et de personnaliser le schéma thérapeutique le plus approprié pour un patient individuel.Translated Description (Spanish)
Resumen La osteoporosis es un problema de salud global para las poblaciones que envejecen. Los objetivos del tratamiento de la osteoporosis son mejorar la densidad mineral ósea (DMO) y prevenir fracturas. Un obstáculo importante que sigue siendo un gran desafío para lograr los objetivos es cómo seleccionar el mejor régimen de tratamiento para pacientes individuales. Desarrollamos un modelo computacional a partir de 8981 variables clínicas, incluidos datos demográficos, diagnósticos, resultados de laboratorio, medicamentos y resultados iniciales de DMO, tomados de un período de 10 años de registros médicos electrónicos para predecir la respuesta de la DMO después del tratamiento. Entrenamos 7 modelos de aprendizaje automático con 13.562 casos de tratamiento de osteoporosis [que comprenden 5080 (37,46%) respuestas inadecuadas al tratamiento y 8482 (62,54%) respuestas adecuadas] y seleccionamos el mejor modelo (Bosques aleatorios con un área bajo la curva operativa del receptor de 0,70, precisión de 0,69, precisión de 0,70 y recuperación de 0,89) para predecir individualmente las respuestas al tratamiento de 11 regímenes terapéuticos, luego seleccionamos el mejor régimen predicho para comparar con el régimen real. Los resultados mostraron que la respuesta media al tratamiento de los regímenes recomendados fue un 9,54% mayor que los regímenes reales. En resumen, nuestro novedoso enfoque que utiliza un sistema de apoyo a la toma de decisiones basado en el aprendizaje automático es capaz de predecir la respuesta de la DMO después del tratamiento de la osteoporosis y personalizar el régimen de tratamiento más adecuado para un paciente individual.Files
s41598-021-93152-5.pdf.pdf
Files
(2.2 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:4fbaf1184053caf7d75568bd610e7ce3
|
2.2 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التنبؤ باستجابة كثافة المعادن في العظام بعد علاج هشاشة العظام باستخدام التعلم الآلي للمساعدة في العلاج الشخصي
- Translated title (French)
- Prédiction de la réponse de la densité minérale osseuse après le traitement de l'ostéoporose à l'aide de l'apprentissage automatique pour faciliter la thérapie personnalisée
- Translated title (Spanish)
- Predicción de la respuesta de la densidad mineral ósea después del tratamiento de la osteoporosis utilizando el aprendizaje automático para ayudar a la terapia personalizada
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3181870746
- DOI
- 10.1038/s41598-021-93152-5
References
- https://openalex.org/W1596108036
- https://openalex.org/W1974157576
- https://openalex.org/W1987169166
- https://openalex.org/W1997265082
- https://openalex.org/W2007812917
- https://openalex.org/W2016641294
- https://openalex.org/W2028624027
- https://openalex.org/W2036922157
- https://openalex.org/W2051469619
- https://openalex.org/W2051969554
- https://openalex.org/W2054664719
- https://openalex.org/W2073076949
- https://openalex.org/W2090820041
- https://openalex.org/W2096063062
- https://openalex.org/W2107789045
- https://openalex.org/W2108526974
- https://openalex.org/W2110768118
- https://openalex.org/W2111000907
- https://openalex.org/W2115133477
- https://openalex.org/W2157689299
- https://openalex.org/W2163015246
- https://openalex.org/W2166513010
- https://openalex.org/W2171709369
- https://openalex.org/W2417995089
- https://openalex.org/W2553677537
- https://openalex.org/W2560776137
- https://openalex.org/W2592667725
- https://openalex.org/W2792790345
- https://openalex.org/W2800879936
- https://openalex.org/W2825122700
- https://openalex.org/W2887975519
- https://openalex.org/W2892262505
- https://openalex.org/W2893202038
- https://openalex.org/W2899420958
- https://openalex.org/W2908045944
- https://openalex.org/W2911964244
- https://openalex.org/W2921335007
- https://openalex.org/W2924972170
- https://openalex.org/W2940247216
- https://openalex.org/W2969542107
- https://openalex.org/W2972259775
- https://openalex.org/W2995376433
- https://openalex.org/W2999615587
- https://openalex.org/W3002903990
- https://openalex.org/W3006754541
- https://openalex.org/W4212944460
- https://openalex.org/W4236641936
- https://openalex.org/W4386373863