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A machine-learning–based algorithm improves prediction of preeclampsia-associated adverse outcomes - 29/06/22

Doi : 10.1016/j.ajog.2022.01.026 
Leon J. Schmidt a, Oliver Rieger, BSc a, Mark Neznansky, MSc a, Max Hackelöer, MD a, b, Lisa A. Dröge, MD a, Wolfgang Henrich, MD, PhD a, David Higgins, PhD c, , Stefan Verlohren, MD, PhD a, b,
a Department of Obstetrics, Charité – Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Germany 
b Berlin Institute of Health at Charité –Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Germany 
c Berlin Institute of Health at Charité – Universitätsmedizin Berlin, Charité BIH Innovation, BIH Digital Health Accelerator Program, Berlin, Germany 

Corresponding authors: David Higgins, PhD.∗∗Stefan Verlohren, MD, PhD.

Abstract

Background

Preeclampsia presents a highly prevalent burden on pregnant women with an estimated incidence of 2% to 5%. Preeclampsia increases the maternal risk of death 20-fold and is one of the main causes of perinatal morbidity and mortality. Novel biomarkers, such as soluble fms-like tyrosine kinase-1 and placental growth factor in addition to a wide span of conventional clinical data (medical history, physical symptoms, laboratory parameters, etc.), present an excellent basis for the application of early-detection machine-learning models.

Objective

This study aimed to develop, train, and test an automated machine-learning model for the prediction of adverse outcomes in patients with suspected preeclampsia.

Study Design

Our real-world dataset of 1647 (2472 samples) women was retrospectively recruited from women who presented to the Department of Obstetrics at the Charité – Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Germany, between July 2010 and March 2019. After standardization and data cleaning, we calculated additional features regarding the biomarkers soluble fms-like tyrosine kinase-1 and placental growth factor and sonography data (umbilical artery pulsatility index, middle cerebral artery pulsatility index, mean uterine artery pulsatility index), resulting in a total of 114 features. The target metric was the occurrence of adverse outcomes throughout the remaining pregnancy and 2 weeks after delivery. We trained 2 different models, a gradient-boosted tree and a random forest classifier. Hyperparameter training was performed using a grid search approach. All results were evaluated via a 10 × 10-fold cross-validation regimen.

Results

We obtained metrics for the 2 naive machine-learning models. A gradient-boosted tree model was performed with a positive predictive value of 88%±6%, a negative predictive value of 89%±3%, a sensitivity of 66%±5%, a specificity of 97%±2%, an overall accuracy of 89%±3%, an area under the receiver operating characteristic curve of 0.82±0.03, an F1 score of 0.76±0.04, and a threat score of 0.61±0.05. The random forest classifier returned an equal positive predictive value (88%±6%) and specificity (97%±1%) while performing slightly inferior on the other available metrics. Applying differential cutoffs instead of a naive cutoff for positive prediction at ≥0.5 for the classifier’s results yielded additional increases in performance.

Conclusion

Machine-learning techniques were a valid approach to improve the prediction of adverse outcomes in pregnant women at high risk of preeclampsia vs current clinical standard techniques. Furthermore, we presented an automated system that did not rely on manual tuning or adjustments.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Key words : adverse outcomes, clinical decision support, machine learning, placental growth factor, predictive models, preeclampsia, random forest, soluble fms-like tyrosine kinase-1


Plan


 D.H. advises companies on digital health and the use of predictive algorithms. He has no financial interest in the algorithms or results described in this article.
 S.V. received speaker fees and participated in advisory boards from Roche Diagnostics, Rotkreuz, Switzerland, Thermo Fisher, and Alexion outside the submitted work. L.A.D. received speaker fees from Roche Diagnostics outside the submitted work.
 All other authors report no conflict of interest.
 Cite this article as: Schmidt LJ, Rieger O, Neznansky M, et al. A machine-learning–based algorithm improves prediction of preeclampsia-associated adverse outcomes. Am J Obstet Gynecol 2022;227:77.e1-30.


© 2022  Publié par Elsevier Masson SAS.
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Vol 227 - N° 1

P. 77.e1-77.e30 - juillet 2022 Retour au numéro
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