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Explainable artificial intelligence for predicting length of stay and treatment response in pediatric asthma and allergic rhinitis: An irregular fuzzy cellular automata approach across pre- and during-COVID-19 periods - 17/04/26

Doi : 10.1016/j.rmed.2026.108784 
Mostafa Kashani a, Maryam Rostami b, Mehrnaz Karimi Darabi a, c, Farkhondeh Jamshidi d, , Arash Rafeeinia a, c,
a Student Research Committee, Sirjan School of Medical Sciences, Sirjan, Iran 
b Department of Community Medicine, Faculty of Medicine, Ahvaz Jundishapur University of Medical Sciences, Ahvaz, Iran 
c Department of Laboratory Sciences, Sirjan School of Medical Sciences, Sirjan, Iran 
d Department of Forensic Medicine, School of Medicine, Ahvaz Jundishapur University of Medical Sciences, Ahvaz, Iran 

Corresponding author. ⁎⁎ Corresponding author. Department of Laboratory Sciences, Sirjan School of Medical Sciences, Sirjan, Iran. Department of Laboratory Sciences Sirjan School of Medical Sciences Sirjan Iran

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Abstract

Objective

The COVID-19 pandemic significantly altered treatment strategies and healthcare utilization patterns in pediatric respiratory diseases. Given the need for interpretable predictive tools in clinical decision-making, this study aimed to investigate changes in treatment approaches and to predict hospital length of stay and treatment response in children with asthma and allergic rhinitis across pre- and during-COVID-19 periods.

Methods

This retrospective study analyzed medical records of 450 hospitalized children under 12 years diagnosed with asthma and/or allergic rhinitis at Abuazar Hospital, Ahvaz, between January 2018 and December 2021, according to GINA and ARIA criteria. An Irregular Fuzzy Cellular Automata (IFCA) model was implemented using Python. Data preprocessing included one-hot encoding and balancing with SMOTE. Model performance was evaluated using 5-fold cross-validation and compared with Random Forest and SVM models.

Results

Antibiotic use significantly decreased during COVID-19 (38.2% vs. 58.7%), while corticosteroid use increased (72.3% vs. 57.2%) (P < 0.001). The IFCA model achieved 86.2% accuracy and an AUC-ROC of 0.89, outperforming baseline models. Disease severity (SHAP = 0.35) and treatment type (SHAP = 0.28) were the most influential predictors.

Conclusion

The IFCA model provides accurate and interpretable predictions for hospitalization outcomes in pediatric asthma and allergic rhinitis, supporting clinical decision-making and resource optimization during pandemic conditions.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Highlights

Explainable IFCA model for pediatric asthma prediction.
Significant shift in treatment patterns during COVID-19.
Severity and treatment type drive hospitalization outcomes.
IFCA achieved AUC of 0.89 with high interpretability.
Fuzzy rules enhanced clinical decision transparency.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Pediatric asthma, Allergic rhinitis, COVID-19, Fuzzy cellular automata, Treatment prediction


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