Antimicrobial Resistance represents a significant challenge in the Intensive Care Unit (ICU), where patients are at heightened risk of Multidrug-Resistant (MDR) infections-pathogens resistant to multiple antimicrobial agents. This study introduces a novel methodology that integrates Gated Recurrent Units (GRUs) with advanced intrinsic and post-hoc interpretability techniques for detecting the onset of MDR in patients across time. Within interpretability methods, we propose Explainable Artificial Intelligence (XAI) approaches to handle irregular Multivariate Time Series (MTS), introducing Irregular Time Shapley Additive Explanations (IT-SHAP), a modification of Shapley Additive Explanations designed for irregular MTS with Recurrent Neural Networks focused on temporal outputs. Our methodology aims to identify specific risk factors associated with MDR in ICU patients. GRU with Hadamard's attention demonstrated high initial specificity and increasing sensitivity over time, correlating with increased nosocomial infection risks during prolonged ICU stays. XAI analysis, enhanced by Hadamard attention and IT-SHAP, identified critical factors such as previous non-resistant cultures, specific antibiotic usage patterns, and hospital environment dynamics. These insights suggest that early detection of at-risk patients can inform interventions such as preventive isolation and customized treatments, significantly improving clinical outcomes. The proposed GRU model for temporal classification achieved an average Receiver Operating Characteristic Area Under the Curve of 78.27 +- 1.26 over time, indicating strong predictive performance. In summary, this study highlights the clinical utility of our methodology, which combines predictive accuracy with interpretability, thereby facilitating more effective healthcare interventions by professionals.


翻译:抗菌药物耐药性是重症监护病房(ICU)面临的一项重大挑战,ICU患者面临多重耐药(MDR)感染——即对多种抗菌药物产生耐药性的病原体——的风险更高。本研究提出了一种新颖的方法,该方法将门控循环单元(GRUs)与先进的内在及事后可解释性技术相结合,用于检测患者随时间推移出现的MDR。在可解释性方法中,我们提出了处理不规则多元时间序列(MTS)的可解释人工智能(XAI)方法,引入了不规则时间沙普利加性解释(IT-SHAP),这是对沙普利加性解释的一种改进,专为处理具有时间输出聚焦的循环神经网络的不规则MTS而设计。我们的方法旨在识别与ICU患者MDR相关的特定风险因素。结合哈达玛德注意力的GRU模型显示出较高的初始特异性,并且其敏感性随时间推移而增加,这与长期ICU住院期间院内感染风险增加相关。通过哈达玛德注意力和IT-SHAP增强的XAI分析,识别出关键因素,例如先前的非耐药性培养结果、特定的抗生素使用模式以及医院环境动态。这些见解表明,对高危患者的早期检测可以为干预措施(如预防性隔离和定制化治疗)提供依据,从而显著改善临床结果。所提出的用于时序分类的GRU模型随时间推移实现了平均78.27 ± 1.26的受试者工作特征曲线下面积,表明其具有强大的预测性能。总之,本研究强调了我们的方法结合了预测准确性和可解释性,从而有助于医疗专业人员实施更有效的医疗干预措施的临床实用性。

0
下载
关闭预览

相关内容

循环神经网络的一种门机制
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
论文浅尝 | Question Answering over Freebase
开放知识图谱
19+阅读 · 2018年1月9日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
15+阅读 · 2021年7月14日
VIP会员
最新内容
大语言模型平台在国防情报应用中的对比
专知会员服务
1+阅读 · 今天3:12
美海军“超配项目”
专知会员服务
1+阅读 · 今天2:13
《美陆军条例:陆军指挥政策(2026版)》
专知会员服务
10+阅读 · 4月21日
《军用自主人工智能系统的治理与安全》
专知会员服务
7+阅读 · 4月21日
《系统簇式多域作战规划范畴论框架》
专知会员服务
10+阅读 · 4月20日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
论文浅尝 | Question Answering over Freebase
开放知识图谱
19+阅读 · 2018年1月9日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员