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Patient Prognosis from Vital Sign Time Series: Combining Convolutional Neural Networks with a Dynamical Systems Approach

机译:生命体征时间序列的患者预后:结合卷积神经网络和动态系统方法

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摘要

In this work, we propose a stacked switching vector-autoregressive (SVAR)-CNN architecture to model the changing dynamics in physiological time series for patient prognosis. The SVAR-layer extracts dynamical features (or modes) from the time-series, which are then fed into the CNN-layer to extract higher-level features representative of transition patterns among the dynamical modes. We evaluate our approach using 8-hours of minute-by-minute mean arterial blood pressure (BP) from over 450 patients in the MIMIC-II database. We modeled the time-series using a third-order SVAR process with 20 modes, resulting in first-level dynamical features of size 20×480 per patient. A fully connected CNN is then used to learn hierarchical features from these inputs, and to predict hospital mortality. The combined CNN/SVAR approach using BP time-series achieved a median and interquartile-range AUC of 0.74 [0.69, 0.75], significantly outperforming CNN-alone (0.54 [0.46, 0.59]), and SVAR-alone with logistic regression (0.69 [0.65, 0.72]). Our results indicate that including an SVAR layer improves the ability of CNNs to classify nonlinear and nonstationary time-series.
机译:在这项工作中,我们提出了一种堆叠式交换向量-自回归(SVAR)-CNN架构,以模拟生理时间序列中变化的动态来预测患者的预后。 SVAR层从时间序列中提取动态特征(或模式),然后将其馈入CNN层以提取代表动态模式之间过渡模式的高级特征。我们使用MIMIC-II数据库中超过450位患者的每分钟8小时的平均动脉血压(BP)来评估我们的方法。我们使用具有20种模式的三阶SVAR过程对时间序列进行建模,从而得出每位患者大小为20×480的第一级动态特征。然后,使用完全连接的CNN来从这些输入中了解分层功能,并预测医院的死亡率。使用BP时间序列的CNN / SVAR组合方法实现的中位数和四分位数范围的AUC为0.74 [0.69,0.75],明显优于单独的CNN(0.54 [0.46,0.59])和单独的具有逻辑回归的SVAR(0.69) [0.65,0.72]。我们的结果表明,包括SVAR层可提高CNN对非线性和非平稳时间序列进行分类的能力。

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