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A Novel Biomarker-Based Decision Support System for Pediatric Appendicitis Diagnosis: A Comparative Study of Ensemble Models Algorithms - 07/11/25

Doi : 10.1016/j.irbm.2025.100921 
Veli Avci a, 1, Mehmet Tahir Huyut b, , 1 , Andrei Velichko c, Maksim Belyaev c
a Lokman Hekim University, Medical Faculty, Department of Pediatric Surgery, Ankara, Türkiye 
b Department of Biostatistics and Medical Informatics, Faculty of Medicine, Erzincan Binali Yıldırım University, 24000 Erzincan, Türkiye 
c Institute of Physics and Technology, Petrozavodsk State University, 33 Lenin Ave., 185910 Petrozavodsk, Russia 

Corresponding author.
Sous presse. Manuscrit accepté. Disponible en ligne depuis le Friday 07 November 2025
Cet article a été publié dans un numéro de la revue, cliquez ici pour y accéder

Abstract

Introduction

Acute appendicitis is the commonest cause of surgical abdominal pain, yet diagnosis in children remains challenging; delays increase the risk of perforation, peritonitis and sepsis. We sought to develop a rapid, inexpensive and interpretable clinical-decision support system (CDSS) that leverages routine blood tests (RBT) to assist early paediatric triage.

Materials and Methods

In this retrospective single-centre study (January 2020–December 2024) we analysed 275 emergency-department encounters for abdominal pain (75 histology-confirmed appendicitis, 200 controls). The six-stage pipeline comprised (1) cohort selection; (2) exploratory logistic-regression screening of RBT variables; (3) training of Random Forest, Gradient Boosting and LightGBM ensembles (with/without SMOTE) under 10 × 10 stratified cross-validation; (4) SHAP-based feature interpretation; (5) exhaustive generation of every two- and three-parameter arithmetic biomarker from seven RBT features; and (6) derivation of probability-threshold curves and a three-zone rule tree for the top biomarker. Performance was reported with accuracy (ACC), Matthews correlation coefficient (MCC), AUC-ROC, sensitivity, specificity, F1-Score PPV and NPV.

Results

Logistic regression and SHAP confirmed CRP, WBC and neutrophil count as strong positive predictors, whereas MPV and PDW were protective; PLT remained non-informative. All three ensemble classifiers surpassed 97% accuracy, 98% AUC-ROC and 0.93 MCC, with no gain from SMOTE. An extensive formula search, the best two-parameter marker was Neutrophil ÷ PDW (MCC = 0.73, specificity 95%). Its ensemble curve crosses P = 0.5 five times; practical cut-offs of < 0.633 (strongly indicate healthy) and > 0.794 (strongly indicate appendicitis) retain high NPV (∼91%) and PPV (∼86%). Among triple formulas that do not rely on PLT, the leading biomarker was CRP+WBC+Neutrophil (MCC = 0.85, PPV 92%, NPV 95%). The ensemble curve intersects at P = 0.5 at three points; values >27 strongly predict appendicitis, <23 indicates a healthy state, and values 23–27 leave a small uncertain band. A rule-based CDSS built on these two biomarkers correctly classified all controls (specificity 100%), sensitivity 95%, achieved 91% overall accuracy, and offers interpretable, electronic health records (EHRs)-ready cut-offs for paediatric appendicitis triage.

Conclusion

Routine haematology-biochemistry data, interpreted through ensemble learning and engineered biomarkers, can deliver fast, transparent and highly accurate support for paediatric appendicitis triage. Given its zero false-positive rate, the proposed CDSS is best suited to in-hospital monitoring, where minimising false negatives is critical. Prospective multi-centre validation is warranted.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Graphical abstract




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Highlights

AI-driven lab data model enables fast, accurate, and explainable pediatric appendicitis diagnosis.
Ensemble models reached >97% accuracy and 98% AUC in classification.
Novel 2–3 feature biomarkers surpassed conventional diagnostic indices.
SHAP confirmed CRP, Neutrophil, and WBC as top inflammation predictors.
Ensemble ML with low-dim biomarkers enables robust, interpretable diagnosis.

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Keywords : Appendicitis, Biomarkers, Clinical decision support system (CDDS), Boosting and Bagging Based Ensemble Models, SHAP, SMOTE


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