An Ensemble Learning Approach to Improving Prediction of Case Duration for Spine Surgery: Algorithm Development and Validation
Notice bibliographique
Résumé
Background Estimating surgical case duration accurately is an important operating room efficiency metric. Current predictive techniques in spine surgery include less sophisticated approaches such as classical multivariable statistical models. Machine learning approaches have been used to predict outcomes such as length of stay and time returning to normal work, but have not been focused on case duration. Objective The primary objective of this 4-year, single-academic-center, retrospective study was to use an ensemble learning approach that may improve the accuracy of scheduled case duration for spine surgery. The primary outcome measure was case duration. Methods We compared machine learning models using surgical and patient features to our institutional method, which used historic averages and surgeon adjustments as needed. We implemented multivariable linear regression, random forest, bagging, and XGBoost (Extreme Gradient Boosting) and calculated the average R2, root-mean-square error (RMSE), explained variance, and mean absolute error (MAE) using k-fold cross-validation. We then used the SHAP (Shapley Additive Explanations) explainer model to determine feature importance. Results A total of 3189 patients who underwent spine surgery were included. The institution’s current method of predicting case times has a very poor coefficient of determination with actual times (R2=0.213). On k-fold cross-validation, the linear regression model had an explained variance score of 0.345, an R2 of 0.34, an RMSE of 162.84 minutes, and an MAE of 127.22 minutes. Among all models, the XGBoost regressor performed the best with an explained variance score of 0.778, an R2 of 0.770, an RMSE of 92.95 minutes, and an MAE of 44.31 minutes. Based on SHAP analysis of the XGBoost regression, body mass index, spinal fusions, surgical procedure, and number of spine levels involved were the features with the most impact on the model. Conclusions Using ensemble learning-based predictive models, specifically XGBoost regression, can improve the accuracy of the estimation of spine surgery times.
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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 | 0,008 | 0,013 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,002 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,002 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,001 |
| 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 ».