Responsible AI for Predicting Delayed Hospital Discharge Among Older Adults: Development and Evaluation Study for Balancing Accuracy, Equity, and Explainability (Preprint)
Notice bibliographique
Résumé
BACKGROUND Amid growing demands and constrained health care resources, effective hospital bed capacity management is crucial. Delayed hospital discharge, where patients remain in the hospital beyond the need for acute care, strains resources, affects patient outcomes, and reduces system efficiency. Predicting such delays facilitates early interventions to avert them and alleviate burdens on patients, care partners, hospitals, and the broader health care system. OBJECTIVE This study aimed to develop comprehensive predictive analytics for delayed discharges among older adults using explainable machine learning to boost transparency and interpretability, while integrating fairness to mitigate algorithmic biases. METHODS Leveraging longitudinal data from over 2 decades in Ontario, Canada, we applied extreme gradient boosting and logistic regression models to predict delayed discharges within 90 days post–acute care. Data preprocessing included a 2-year look-back for clinical histories and balanced sampling to address class imbalance. Model performance was assessed via area under the receiver operating characteristic curve, calibration, and clinical utility. Fairness was evaluated across sex, urban or rural residence, and residential instability using several threshold-free metrics. Explainability was examined at the global model level (via partial dependence plots and permutation feature importance) and locally (via Shapley Additive Explanations, breakdown, and ceteris paribus methods), with principal component analysis used to cluster key features for high-risk patients. RESULTS The extreme gradient boosting model outperformed logistic regression, achieving an area under the receiver operating characteristic curve of 0.82 on the test set, with acceptable within-group and cross-group ranking fairness across subgroups. Explainability clustering analyses identified functional and cognitive declines (eg, care support needs, dementia, and mobility issues) and regional disparities as primary drivers of high-risk predictions. Bias mitigation improved calibration parity, especially when stratifying by residential instability, underscoring the trade-offs policymakers must weigh between accuracy, fairness, and explainability. CONCLUSIONS This study demonstrates the potential of responsible artificial intelligence in health care, emphasizing the need to balance predictive accuracy, equity, and interpretability. It uncovers systemic gaps and offers actionable insights for enhanced discharge planning, resource optimization, and equitable care delivery.
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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 | 0,023 | 0,054 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,002 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,002 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,002 |
| 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 ».