Sequential Deep Learning Models for Neonatal Sepsis Detection : A suitability assessment of deep learning models for event detection in physiological data

Autor: Alex Siren, Henrik
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
Druh dokumentu: Text
Popis: Sepsis is a life-threatening condition that neonatal patients are especially susceptible to. Fortunately, improved bedside monitoring has enabled the collection and use of continuous vital signs data for the purpose of detecting conditions such as sepsis. While current research has found some success in reducing mortality in neonatal intensive care units with linear directly interpretable models, such as logistic regression, accurate detection of sepsis from inherently noisy time-series data still remains a challenge. Furthermore, previous research has generally relied on pre-defined features extracted from rawvital signs data, which may not be optimal for the detection task. Therefore, assessing the overall feasibility of sequential deep learning models, such as recurrent and convolutional models, could improve the results of current research. This task was tackled in three phases. Firstly, baseline scores were established with a logistic regression model. Secondly, three common recurrent classifiers were tested on pre-defined window based features and compared with each other. Thirdly, a convolutional architecture with a recurrent and non-recurrent classifier was tested on raw low frequency (1Hz) signals in order to examine their capability to automatically extract features from the data. The final results from all phases were compared with each other. Results show that recurrent classifiers trained on pre-defined features do outperform automatic feature extraction with the convolutional models. The best model was based on a long-short term memory unit that achieved an area under the characteristic receiver operating unit curve of 0.806, and outperformed the established baseline results. In comparison with previous research, said model performed on par with the examined simple interpretable baseline models. The low results can likely be attributed to a insufficient sample size of patients with sepsis for the examined models and sub-optimal hyperparameter optimization due to the number of possible configurations. Further avenues of research include examination of high frequency data and more complex models for automatic feature extraction.
Sepsis är ett livshotande tillstånd som neonatala patienter är särskilt mottagliga för. Lyckligtvis har förbättrad patientmonitorering möjliggjort kontinuerlig insamling och andvänding av vitalparametrar i syfte att upptäcka tillstånd som sepsis. Medan aktuell forskning har funnit viss framgång i att minska dödligheten på neonatala intensivvårdsavdelningar med hjälp av linjära tolkbara modeller, såsom logistisk regression, är noggrann detektering av sepsis från brusig tidsseriedata fortfarande en utmaning. Dessutom har tidigare forskning i allmänhet förlitat sig på fördefinierade prediktorer extraherade från rå vitalparameterdata, som kanske inte är optimala för detektionsuppgiften. På grund av detta kan en bedömning av den övergripande användbarheten av sekventiella modeller för djupinlärning, såsom RNN- och CNN-modeller, förbättra resultaten av aktuell forskning. Denna uppgift tacklades i tre faser. Först och främst etablerades baslinjeresultat med en logistisk regressionsmodell. För det andra testades tre RNN-baserad klassificerare på data med fördefinierade fönsterbaserade prediktorer och jämfördes med varandra. För det tredje testades en CNN-arkitektur med både en RNN-klassificerare och MLP-klassificerare på råa lågfrekventa (1Hz) signaler för att undersöka deras förmåga att automatiskt extrahera egna prediktorer från datan. Slutresultaten från alla faser jämfördes med varandra. Resultaten visar att RNN-klassificerare som tränats på fördefinierade prediktorer överträffar automatisk extraktion av prediktorer med CNN-modellerna. Den bäst presterande modellen baserades på en långtidsminnesenhet som uppnådde en AUROC på 0.806, och överträffade de etablerade baslinjeresultaten. I jämförelse med tidigare forskning uppnådde ifrågavarande modell lika hög prestation som de väl undersökta enklare tolkbara baslinjemodellerna. De låga resultaten kan sannolikt tillskrivas en otillräcklig provstorlek av patienter med sepsis för de undersökta modellerna och suboptimal hyperparameteroptimering på grund av antalet möjliga konfigurationer. Ytterligare forskningsvägar inkluderar undersökning av högfrekventa data och mer komplexa modeller för automatisk extraktion av prediktorer.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: