Comparação da performance de algoritmos de machine learning para a análise preditiva em saúde pública e medicina

• Autor(a) principal: Santos, Hellen Geremias dos
• Data de Publicação: 2018
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/6/6141/tde-09102018-132826/
• topic: Expectativa de Vida; Life Expectancy; Modelos de Predição; Mortalidade; Mortality; Predictive Models; Prognostic; Prognóstico; Qualidade de Vida; Quality of Life

Modelos preditivos estimam o risco de eventos ou agravos relacionados à saúde e podem ser utilizados como ferramenta auxiliar em tomadas de decisão por gestores e profissionais de saúde. Algoritmos de machine learning (ML), por sua vez, apresentam potencial para identificar relações complexas e não-lineares presentes nos dados, com consequências positivas na performance preditiva desses modelos. A presente pesquisa objetivou aplicar técnicas supervisionadas de ML e comparar sua performance em problemas de classificação e de regressão para predizer respostas de interesse para a saúde pública e a medicina. Os resultados e discussão estão organizados em três artigos científicos. O primeiro apresenta um tutorial para o uso de ML em pesquisas de saúde, utilizando como exemplo a predição do risco de óbito em até 5 anos (frequência do desfecho 15%; n=395) para idosos do estudo \"Saúde, Bem-estar e Envelhecimento\" (n=2.677), segundo variáveis relacionadas ao seu perfil demográfico, socioeconômico e de saúde. Na etapa de aprendizado, cinco algoritmos foram aplicados: regressão logística com e sem penalização, redes neurais, gradient boosted trees e random forest, cujos hiperparâmetros foram otimizados por validação cruzada (VC) 10-fold. Todos os modelos apresentaram área abaixo da curva (AUC) ROC (Receiver Operating Characteristic) maior que 0,70. Para aqueles com maior AUC ROC (redes neurais e regressão logística com e sem penalização) medidas de qualidade da probabilidade predita foram avaliadas e evidenciaram baixa calibração. O segundo artigo objetivou predizer o risco de tempo de vida ajustado pela qualidade de vida de até 30 dias (frequência do desfecho 44,7%; n=347) em pacientes com câncer admitidos em Unidade de Terapia Intensiva (UTI) (n=777), mediante características obtidas na admissão do paciente à UTI. Seis algoritmos (regressão logística com e sem penalização, redes neurais, árvore simples, gradient boosted trees e random forest) foram utilizados em conjunto com VC aninhada para estimar hiperparâmetros e avaliar performance preditiva. Todos os algoritmos, exceto a árvore simples, apresentaram discriminação (AUC ROC > 0,80) e calibração satisfatórias. Para o terceiro artigo, características socioeconômicas e demográficas foram utilizadas para predizer a expectativa de vida ao nascer de municípios brasileiros com mais de 10.000 habitantes (n=3.052). Para o ajuste do modelo preditivo, empregou-se VC aninhada e o algoritmo Super Learner (SL), e para a avaliação de performance, o erro quadrático médio (EQM). O SL apresentou desempenho satisfatório (EQM=0,17) e seu vetor de valores preditos foi utilizado para a identificação de overachievers (municípios com expectativa de vida superior à predita) e underachievers (município com expectativa de vida inferior à predita), para os quais características de saúde foram comparadas, revelando melhor desempenho em indicadores de atenção primária para os overachievers e em indicadores de atenção secundária para os underachievers. Técnicas para a construção e avaliação de modelos preditivos estão em constante evolução e há poucas justificativas teóricas para se preferir um algoritmo em lugar de outro. Na presente tese, não foram observadas diferenças substanciais no desempenho preditivo dos algoritmos aplicados aos problemas de classificação e de regressão analisados. Espera-se que a maior disponibilidade de dados estimule a utilização de algoritmos de ML mais flexíveis em pesquisas de saúde futuras.