Ontology-based feature engineering in machine learning workflows for heterogeneous epilepsy patient records
Notice bibliographique
Résumé
Biomedical ontologies are widely used to harmonize heterogeneous data and integrate large volumes of clinical data from multiple sources. This study analyzed the utility of ontologies beyond their traditional roles, that is, in addressing a challenging and currently underserved field of feature engineering in machine learning workflows. Machine learning workflows are being increasingly used to analyze medical records with heterogeneous phenotypic, genotypic, and related medical terms to improve patient care. We performed a retrospective study using neuropathology reports from the German Neuropathology Reference Center for Epilepsy Surgery at Erlangen, Germany. This cohort included 312 patients who underwent epilepsy surgery and were labeled with one or more diagnoses, including dual pathology, hippocampal sclerosis, malformation of cortical dysplasia, tumor, encephalitis, and gliosis. We modeled the diagnosis terms together with their microscopy, immunohistochemistry, anatomy, etiologies, and imaging findings using the description logic-based Web Ontology Language (OWL) in the Epilepsy and Seizure Ontology (EpSO). Three tree-based machine learning models were used to classify the neuropathology reports into one or more diagnosis classes with and without ontology-based feature engineering. We used five-fold cross validation to avoid overfitting with a fixed number of repetitions while leaving out one subset of data for testing, and we used recall, balanced accuracy, and hamming loss as performance metrics for the multi-label classification task. The epilepsy ontology-based feature engineering approach improved the performance of all the three learning models with an improvement of 35.7%, 54.5%, and 33.3% in logistics regression, random forest, and gradient tree boosting models respectively. The run time performance of all three models improved significantly with ontology-based feature engineering with gradient tree boosting model showing a 93.8% reduction in the time required for training and testing of the model. Although, all three models showed an overall improved performance across the three-performance metrics using ontology-based feature engineering, the rate of improvement was not consistent across all input features. To analyze this variation in performance, we computed feature importance scores and found that microscopy had the highest importance score across the three models, followed by imaging, immunohistochemistry, and anatomy in a decreasing order of importance scores. This study showed that ontologies have an important role in feature engineering to make heterogeneous clinical data accessible to machine learning models and also improve the performance of machine learning models in multilabel multiclass classification tasks.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,011 | 0,028 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,002 |
| Bibliométrie | 0,003 | 0,003 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,003 | 0,004 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,002 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».