可解释机器学习方法在疾病预测中的应用:脓毒血症患者死亡风险研究

摘要

目的探索可解释机器学习方法在疾病预测中的应用。方法本研究以脓毒血症死亡风险预测为例,从重症监护医学数据库(Medical Information Mart for Intensive Care,MIMIC)-Ⅳ中采集符合纳排标准的19903例脓毒血症(sepsis-3)患者的临床数据,利用决策树、逻辑回归、随机森林、XGBoost、轻量梯度提升机(light gradient boosting machine,LightGBM)模型分别构建脓毒血症死亡预测模型。在此基础上,利用全局可解释方法(特征重要性、部分依赖图、个体条件期望、全局代理模型)和局部可解释方法(局部代理模型和Shapely值)对复杂机器学习模型进行解释,探索影响脓毒血症患者预后的危险因素。结果解释性差的机器学习模型的预测性能[模型LightGBM、随机森林、XGBoost的曲线下面积(area under curve,AUC)值分别为0.913、0.892、0.872]高于具有内在解释性的模型(逻辑回归模型AUC=0.779,决策树模型AUC=0.791),并利用全局解释性方法、局部可解释性方法两种类型的解释方法对机器学习模型决策过程进行解释。结论利用全局解释性方法可以解释在整个特征空间内机器学习模型的响应趋势,利用局部可解释性方法可以解释机器学习模型对特定病例的决策过程。