A Machine Learning-based Approach for Predicting Pulmonary Function Testing Parameters Using Spectral Oscillometry
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Rationale Plethysmography as part of a full pulmonary function test (PFT) is the reference standard in determining the presence and severity of hyperinflation and gas trapping. The performance of full PFTs is very challenging for patients with COPD, requires a significant time and staff resources, and remains a limited resource in most practice settings. On the other hand, oscillometry is increasingly used in daily clinical practice as a non-invasive method to characterize the mechanical properties of the respiratory system by measuring respiratory impedance during quiet tidal breathing. The present study sought to determine whether spectral oscillometry measurements could be used to determine hyperinflation and gas trapping in lieu of a full PFT. Methods Data from a cross-sectional observational study (ClinicalTrials.govNCT05913323) which included adult participants with spirometry-confirmed “mild” (GOLD 1) or “very severe” (GOLD 4) COPD, was used in the present study. Standard spectral oscillometry parameters, namely, resistance at frequencies of 5Hz and 19Hz (R5 and R19, respectively), reactance at 5Hz (X5), as well as the area under the reactance curve (AX), were measured using oscillometry. Each participant performed a full PFT including total lung capacity (TLC, a marker of hyperinflation) and the ratio of residual volume (RV) to TLC (RV/TLC, a marker of gas trapping). A Convolution Neural Network (CNN) was developed to predict TLC (hyperinflation) and RV/TLC (gas trapping) from the spectral oscillometry parameters. The CNN featured an input layer with 10 nodes, two hidden layers with 64 and 32 nodes, and an output layer with 2 nodes. Results In 17 participants with COPD, 52.94% were female, with mean age of 66.4±8.3 years and mean FEV1 of 1.5L (57.84% predicted). The CNN model was trained and validated using an 80:20 ratio and run for 1000 epochs. Model hyperparameters, i.e., the number of neurons and learning rate, were optimized through cross-validation, resulting in an overall prediction accuracy of 60%. Incorporating demographic information (age, weight, height, sex, smoking history, and disease severity) alongside oscillometry parameters proved to be essential to order to achieve high, repeatable accuracy. The optimized and trained model successfully predicted TLC and RV/TLC with accuracies of 92% and 88%, respectively (see Figure 1). Conclusions These results confirm that combining oscillometry parameters with machine learning techniques are comparable to full pulmonary function tests, which are not always readily accessible, in the determination of hyperinflation and gas trapping in patients with COPD.
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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 | 0,002 | 0,005 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,002 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,001 |
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 ».