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Functional MRI-based machine learning strategy for prediction of postoperative delirium in cardiac surgery patients: A secondary analysis of a prospective observational study - 28/02/25

Doi : 10.1016/j.jclinane.2025.111771 
Mei-Yan Zhou a, b, 1, Yi-Bing Shi c, 1, Sheng-Jie Bai c, 1, Yao Lu d, Yan Zhang d, Wei Zhang e, Wei Wang e, Yang-Zi Zhu b, d, ⁎ , Jun-Li Cao d, f, ⁎⁎ , Li-Wei Wang a, b, ⁎⁎⁎
a Department of Anesthesiology, Xuzhou Clinical College of Xuzhou Medical University, Xuzhou, Jiangsu 221009, China 
b Department of Anesthesiology, Xuzhou Central Hospital, Xuzhou, Jiangsu 221009, China 
c Department of Medical Imaging, Xuzhou Central Hospital, Xuzhou, Jiangsu 221009, China 
d Jiangsu Province Key Laboratory of Anesthesiology, Xuzhou Medical University, Xuzhou, Jiangsu 221004, China 
e Department of Cardiac Surgery, Xuzhou Central Hospital, Xuzhou, Jiangsu 221009, China 
f Department of Anesthesiology, The Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University, Xuzhou Medical University, Xuzhou, Jiangsu 221006, China 

⁎Correspondence to: Y.-Z. Zhu, Department of Anesthesiology, Xuzhou Central Hospital, Xuzhou, Jiangsu 221009, China.Department of AnesthesiologyXuzhou Central HospitalXuzhouJiangsu221009China⁎⁎Correspondence to: J.-L. Cao, Jiangsu Province Key Laboratory of Anesthesiology, Xuzhou Medical University, Xuzhou, Jiangsu 221004, China.Jiangsu Province Key Laboratory of AnesthesiologyXuzhou Medical UniversityXuzhouJiangsu221004China⁎⁎⁎Correspondence to: L.-W. Wang, Department of Anesthesiology, Xuzhou Clinical College of Xuzhou Medical University, Xuzhou, Jiangsu 221009, China.Department of AnesthesiologyXuzhou Clinical College of Xuzhou Medical UniversityXuzhouJiangsu221009China

Abstract

Study objective

Delirium is a common complication after cardiac surgery and is associated with poor prognosis. An effective delirium prediction model could identify high-risk patients who might benefit from targeted prevention strategies. We introduce machine learning models that employ resting-state functional MRI datasets obtained before surgery to predict postoperative delirium.

Design

A secondary analysis of a prospective observational study.

Setting

The study was conducted at one tertiary hospital in China.

Patients

The study involved 103 patients who underwent preoperative functional MRI scan and cardiac valve replacement.

Interventions

None.

Measurements

Delirium was assessed twice daily for the first seven postoperative days using the Confusion Assessment Method. We used three whole-brain functional connectivity (FC) measures (parcel-wise connectivity matrix, mean FC and degree of FC) and trained three machine models, namely, random forest, logistic regression, and linear support vector machine, to distinguish delirium patients from patients without delirium. The top performing model was selected for further training with functional MRI datasets and clinical variables.

Main results

This study included 103 participants. A total of 29 participants (28.2 %) met postoperative delirium criteria. Based solely on functional MRI datasets, the random forest model trained using the degree of FC achieved the highest accuracy (0.864), precision (0.887), specificity (0.894), F1 score (0.859) and area under the curve (0.924), and this model was further optimized for accuracy (0.879), sensitivity (0.909), F1 score (0.882) and area under the curve (0.928) by fusing clinical variables. The most discriminative nodes for predicting postoperative delirium were located in the default, cingulo-opercular, and frontoparietal networks.

Conclusions

This study found that the random forest model using preoperative functional MRI data and clinical variables was accurate in identifying patients at high risk of developing delirium after cardiac surgery.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Highlights

•
This study utilized fMRI data to construct an artificial intelligence model to predict postoperative delirium.
•
The trained random forest model exhibited excellent performance in predicting postoperative delirium.
•
The most discriminative nodes for prediction were located in the default, cingulo-opercular, and frontoparietal networks.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Postoperative delirium, Functional magnetic resonance imaging, Machine learning, Prediction model, Cardiac surgery


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