Prediction of Respiratory Decompensation in Patients Receiving Home Mechanical Ventilation: Machine Learning Model Development and Validation Study
Notice bibliographique
Résumé
Background: Chronic respiratory diseases often require long-term ventilatory support, leading to a growing number of patients treated with home mechanical ventilation (HMV). Despite advancements in telemonitoring with real-time tracking of noninvasive mechanical ventilation enabled by integrated software in HMV devices, early signs of respiratory decompensation may go unnoticed, leading to emergency visits and hospitalizations, which burden both patients and health care systems. Objective: This study aims to develop and evaluate a machine learning-based model capable of predicting respiratory decompensation events, defined as emergency visits or hospitalizations due to acute deterioration in the patient's underlying respiratory condition. These events reflect episodes of worsening respiratory status that require urgent medical attention. The model uses data from HMV telemonitoring platforms, with the aim of improving patient outcomes. Methods: This retrospective study analyzed data from 482 patients on HMV monitored via ResMed, Philips, and Breas platforms, collected between March 2021 and November 2024 at the Germans Trias i Pujol Hospital in Catalonia, Spain. Data included device use, compliance, mask leakage, and ventilator settings. Decompensation was defined as emergency department visits or hospitalizations. A windowing strategy captured the 5 weeks prior to events. Multiple machine learning models were trained using grid search to identify the optimal hyperparameters, prioritizing recall in order to minimize false negatives. Models were evaluated using 10-fold cross-validation. Finally, Shapley Additive Explanations (SHAP) analysis was used for model interpretability. Results: The final dataset included 157 data windows, balanced for positive and negative cases. Among the models tested, logistic regression achieved the highest recall (mean 0.94, SD 0.06, 95% CI 0.90-0.98) though with moderate accuracy (mean 0.60, SD 0.05, 95% CI 0.56-0.64). The random forest classifier achieved the best balance across metrics (accuracy: mean 0.66, SD 0.10, 95% CI 0.59-0.73; recall: mean 0.78, SD 0.15, 95% CI 0.67-0.89; F1-score: mean 0.70, SD 0.10, 95% CI 0.63-0.77). SHAP analysis revealed that higher use, leakage, and compliance in the week before a decompensation event were key predictors, suggesting compensatory behavior or early clinical deterioration. Overall performance remained moderate, reflecting limitations in sample size, incomplete longitudinal records for daily data, and the absence of key physiological measurements. Conclusions: This study demonstrates the feasibility of predicting respiratory decompensation using data from HMV telemonitoring systems. Tree-based ensemble models, particularly random forests, provided the most balanced performance, while SHAP analysis offered clinically relevant insights. Although performance was moderate, the findings support further development of predictive tools to enable timely telemedical interventions. Limitations include sample size, missing physiological parameters, and a single-center design. Future research should expand to multicenter datasets and incorporate additional clinical variables to enhance model robustness and generalizability.
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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 | 0,010 | 0,011 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,002 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,002 |
| Bibliométrie | 0,001 | 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 | 0,002 |
| 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 ».