Aprendizaje automático multimodal en salud de precisión: una revisión de alcance

npj Digital Medicine volumen 5, Número de artículo: 171 (2022) Citar este artículo

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El aprendizaje automático se aprovecha con frecuencia para abordar problemas en el sector de la salud, incluida la utilización para el apoyo a la toma de decisiones clínicas. Históricamente, su uso se ha centrado en datos modales únicos. Los intentos de mejorar la predicción e imitar la naturaleza multimodal de la toma de decisiones de expertos clínicos se han cumplido en el campo biomédico del aprendizaje automático mediante la fusión de datos dispares. Esta revisión se realizó para resumir los estudios actuales en este campo e identificar temas maduros para futuras investigaciones. Realizamos esta revisión de acuerdo con la extensión PRISMA para Scoping Reviews para caracterizar la fusión de datos multimodal en salud. Se establecieron cadenas de búsqueda y se usaron en bases de datos: PubMed, Google Scholar e IEEEXplore de 2011 a 2021. Se incluyó en el análisis un conjunto final de 128 artículos. Las áreas de salud que más comúnmente utilizaron métodos multimodales fueron neurología y oncología. La fusión temprana era la estrategia de fusión de datos más común. En particular, hubo una mejora en el rendimiento predictivo al usar la fusión de datos. Los documentos carecían de estrategias claras de implementación clínica, aprobación de la FDA y análisis de cómo el uso de enfoques multimodales de diversas subpoblaciones puede mejorar los sesgos y las disparidades en la atención médica. Estos hallazgos brindan un resumen sobre la fusión de datos multimodal aplicada a problemas de diagnóstico/pronóstico de salud. Pocos artículos compararon los resultados de un enfoque multimodal con una predicción unimodal. Sin embargo, los que lo hicieron lograron un aumento promedio del 6,4 % en la precisión predictiva. El aprendizaje automático multimodal, si bien es más robusto en sus estimaciones sobre los métodos unimodales, tiene inconvenientes en su escalabilidad y la naturaleza lenta de la concatenación de información.

El apoyo a las decisiones clínicas ha sido durante mucho tiempo un objetivo para quienes implementan algoritmos y aprendizaje automático en el ámbito de la salud1,2,3. Los ejemplos de soporte de decisiones algorítmicas utilizan valores de pruebas de laboratorio, protocolos de imágenes o sellos clínicos (puntuaciones de exámenes físicos)4,5. Algunos diagnósticos de salud se pueden hacer con un solo valor de laboratorio o un solo umbral, como en el caso de la diabetes en adultos mayores6. Otros diagnósticos se basan en una constelación de signos, síntomas, valores de laboratorio y/o imágenes de apoyo y se conocen como diagnóstico clínico. A menudo, estos diagnósticos clínicos se basan en sistemas de puntuación aditivos que requieren una mezcla de características positivas y negativas antes del etiquetado de confirmación.

El modus operandi de un diagnóstico clínico puede no tener en cuenta la ponderación relativa de estas entradas de datos dispares y las relaciones potencialmente no lineales que destacan las limitaciones de la capacidad humana de toma de decisiones. La fortaleza del soporte algorítmico para la toma de decisiones es que puede usarse para descargar tales tareas, lo que idealmente produce un resultado más exitoso. Esta es la promesa de la medicina de precisión. La medicina/salud de precisión tiene como objetivo crear un modelo médico que personalice la atención médica (decisiones, tratamientos, prácticas, etc.) que se adapten al fenotipo de un individuo o paciente7. Esto incluye el seguimiento longitudinal de las trayectorias de salud de los pacientes8, a menudo incorporando genética/epigenética9,10 y modelos matemáticos11 donde los diagnósticos y tratamientos incorporan esta información única12. Compare esto con un modelo de un solo fármaco para todos, donde hay un solo tratamiento por trastorno. La Figura 1 ilustra el flujo de información de hospitales/centros de atención que generan datos dispares. Es a través del modelado computacional y la fusión de información que los resultados de interés, como los objetivos de tratamiento y medicamentos, en última instancia, facilitan una mejor toma de decisiones a nivel del paciente en esos centros de atención. Este fenómeno ha despertado el interés en los estudios de fusión utilizando datos de atención médica.

La información se mueve en un patrón cíclico desde los centros de salud hasta los bienes comunes de información, donde se puede transformar y realizar el modelado algorítmico. Estos algoritmos brindan información sobre muchos resultados de salud diferentes, como ensayos clínicos, fenotipado, descubrimiento de fármacos, etc. Esta información debería regresar a los centros de salud y a los profesionales para proporcionar la medicina más eficiente y basada en evidencia posible.

Los compromisos para caracterizar esta literatura han sido realizados por Huang et al.13, quienes realizaron una revisión sistemática de la fusión de aprendizaje profundo de imágenes y datos de EHR en salud. Sin embargo, se limitó a EHR y datos de imágenes y aplicaciones de aprendizaje profundo. Un artículo de revisión de seguimiento incluyó un comentario sobre la fusión de datos ómicos y de imágenes14. El propósito de este estudio es resaltar el alcance actual de este dominio de investigación, resumir y ofrecer sugerencias para avanzar en el campo. El estudio actual es más inclusivo en cuanto a la amplitud de los tipos de protocolos de aprendizaje automático utilizados e intenta abarcar todas las modalidades actuales (tipos/fuentes de información).

La fusión de datos se basa en la teoría de la información y es el mecanismo mediante el cual se fusionan fuentes de datos dispares para crear un estado de información basado en la complementariedad de las fuentes15,16 (Cuadro 1). La expectativa en el aprendizaje automático es que los esfuerzos de fusión de datos darán como resultado una mejora en el poder predictivo17,18 y, por lo tanto, proporcionarán resultados más confiables en entornos de validez potencialmente baja19. La fusión de datos promociona la ventaja de que los resultados del modelado se vuelven inherentemente más sólidos al depender de una multitud de factores informativos en lugar de un solo tipo. Sin embargo, la metodología de información combinatoria tiene inconvenientes; agrega complejidad a la especificación del modelo y reduce la interpretabilidad de los resultados19,20.

Los datos de diferentes fuentes y formatos de archivo rara vez son uniformes, y este es especialmente el caso de los datos clínicos21. Por ejemplo, los conjuntos de datos pueden tener diferentes convenciones de nomenclatura, unidades de medida o representar diferentes sesgos de la población local. Se debe tener cuidado para buscar y corregir las diferencias sistemáticas entre conjuntos de datos y evaluar su grado de interoperabilidad. Por ejemplo, Colubri et al. valores agregados de laboratorio de tomografía computarizada (TC) y PCR, mediante la realización de una normalización dentro del sitio. Esto aseguró que los valores fueran comparables entre sitios. Al hacerlo, descartaron varias variables clínicas potencialmente informativas, ya que no todas estaban disponibles en todos los conjuntos de datos22.

Se requiere un equilibrio para permitir que la información que es similar trabaje en conjunto (armonización) y conserve la pureza de los datos (correspondencia de la información)23. La fusión exitosa utiliza técnicas de armonización de datos que aseguran ambos en el control de calidad del proceso de integración. La armonización de datos clínicos requiere investigación multidisciplinaria entre medicina, biología e informática. El área clínica de insuficiencia cardíaca con fracción de eyección preservada (HFpEF, por sus siglas en inglés) vio aplicaciones novedosas de formulaciones de factorización de tensor múltiple para integrar la información fenotípica profunda y transómica24, y esto se extiende a otras áreas de la medicina de precisión25. Para aumentar la portabilidad de los algoritmos de fenotipo basados ​​en EHR, la red Electronic Medical Records and Genomics (eMERGE) ha adoptado modelos de datos comunes (CDM) y patrones de diseño estandarizados de la lógica del algoritmo de fenotipo para integrar datos de EHR con datos genómicos y permitir la generalización y escalabilidad26 ,27,28,29.

Hay tres tipos principales de fusión de datos que se utilizan en el aprendizaje automático; temprano (nivel de datos), intermedio (conjunto) y tardío (nivel de decisión)30. En el caso de la fusión temprana, múltiples fuentes de datos se convierten al mismo espacio de información. Esto a menudo da como resultado una vectorización o conversión numérica desde un estado alternativo, como el realizado por Chen et al. a través de informes de patología vectorizados31. Las imágenes médicas poseen características que pueden sufrir conversión numérica basada en cálculos de área, volumen y/o estructura32. Luego, estos se concatenan con mediciones adicionales de fuentes de datos estructurados y se alimentan a un clasificador individual. El análisis de correlación canónica33, la factorización matricial no negativa34,35, el análisis de componentes independientes (ICA) y las metodologías de conversión de características numéricas existen como opciones comunes para transformar todos los datos en el mismo espacio de características36.

La fusión de datos intermedios ocurre como un conjunto de modelos por pasos y ofrece la mayor libertad en la arquitectura de modelos. Por ejemplo, Zhou et al.37 propusieron un modelo de fusión y aprendizaje neuronal profundo de 3 etapas. La etapa 1 consiste en la selección de características por un clasificador soft-max para modalidades independientes. Las etapas 2 y 3 consisten en combinar estas características seleccionadas, establecer un conjunto refinado adicional de características y alimentarlas en un Cox-nnet para realizar una representación conjunta de características latentes para el diagnóstico de Alzheimer. A diferencia de la fusión temprana, la fusión intermedia combina las características que distinguen cada tipo de datos para producir una nueva representación que es más expresiva que las representaciones separadas de las que surgió.

En la fusión tardía, normalmente se entrenan varios modelos donde cada modelo corresponde a una fuente de datos entrante. Esto es similar al aprendizaje conjunto, que ofrece un mejor rendimiento que los modelos individuales38. Los métodos de conjunto utilizan múltiples algoritmos de aprendizaje (generalmente aplicados al mismo conjunto de datos) para obtener un mejor rendimiento predictivo que el que podría obtenerse de cualquiera de los algoritmos de aprendizaje constituyentes solos. Sin embargo, el conjunto de aprendizaje automático multimodal aquí puede referirse al aprendizaje conjunto dentro de un tipo de datos o entre tipos de datos. Estos toman como fuentes las representaciones simbólicas y las combinan para obtener una decisión más precisa39. Los métodos bayesianos suelen emplearse en este nivel40 para respaldar un proceso de votación entre el conjunto de modelos en una decisión global. Dentro de la fusión tardía se ha avanzado para realizar un aprendizaje profundo multitarea41,42,43,44,45,46,47. En la Fig. 2 se presenta un esquema para los 3 subtipos de fusión de datos. En la Tabla 1 se muestran los atributos de las técnicas de fusión.

La fusión de información puede ocurrir en una miríada de formas. En el aprendizaje automático, la fusión temprana, intermedia y tardía se caracteriza por si toda la información fluye hacia un solo modelo (temprano), una forma escalonada donde los resultados de un modelo se convierten en entradas para otro (intermedio) y, por último, donde todos los tipos de datos únicos se someten a un modelado separado, después de lo cual se produce el ensamblaje y/o la votación (tarde).

Aprendizaje automático multimodal: el área de aprendizaje automático que se ocupa de reunir fuentes de datos dispares para capitalizar la información única y complementaria en un marco algorítmico.

Armonización de datos: usar el aprendizaje automático para unificar diferentes fuentes de datos para mejorar su calidad y utilización.

Aprendizaje automático multivista: otro término para el aprendizaje automático multimodal.

Fusión de datos: las metodologías específicas emprendidas para realizar la integración de datos para el aprendizaje automático multimodal/multivista; se dividen en tres amplias categorías: temprano, intermedio/articulado y tardío.

El modelo de tema que se muestra en la Fig. 3 muestra la categoría, la dolencia de salud específica bajo investigación y el tipo de modalidad para los estudios incluidos. Posteriormente, estos se asignaron a la categoría de la combinación de información que se fusionó para crear modelos para predicción/clasificación/agrupamiento (Tabla 2). Este diagrama debería servir como recurso para que los colegas investigadores identifiquen áreas que son menos frecuentes, como la dermatología48, la hematología49, los problemas de medicamentos/drogas, como el trastorno por consumo de alcohol, que pueden ofrecer nuevos horizontes de investigación50. La Figura 4 identifica las plataformas de codificación, la tendencia de publicación y la ubicación a lo largo del tiempo, las ubicaciones de los autores y las cohortes de pacientes de los artículos incluidos en esta revisión.

La neurología, y en particular, las investigaciones sobre la enfermedad de Alzheimer representaron la mayoría de los artículos publicados sobre este tema (n = 22). Con el inicio de la pandemia de COVID-19, se dedicaron varios artículos de investigación primaria a este tema, al que se puede llegar a través de las jerarquías de enfermedades respiratorias o infecciosas. Todos los artículos señalados en esta revisión utilizaron dos o tres fuentes de datos dispares al fusionar sus datos, y específicamente la de imágenes y EHR (n = 52), fue la más prevalente.

un mapa de calor del tipo de fusión desglosado en los documentos de las plataformas de codificación utilizados mediante la suma de los recuentos de documentos (aquellos que mencionaron la plataforma utilizada), siendo los más populares la plataforma Python y la fusión temprana. Es de destacar que 37 de los documentos no mencionaron explícitamente una plataforma. b Número total de trabajos de investigación originales publicados en este ámbito en los últimos 10 años. c Desglose continental de las contribuciones de los autores (tenga en cuenta que algunos artículos tienen autores de varios continentes). d Desglose por tipo de publicación (revista clínica/no clínica). Menos de la mitad (37,6%) de los artículos se publicaron en una revista destinada a un público clínico. e Desglose por sexo de las poblaciones estudiadas. Tanto hombres como mujeres estuvieron representados en los documentos, sin embargo, el grado de representación varió dentro de los estudios individuales.

De los modelos utilizados en los trabajos, 126/128 informaron explícitamente haber realizado un procedimiento de validación de los mismos. Los procesos de validación más comunes realizados fueron validación cruzada N-fold (55)51,52, división de prueba de tren (51), validación cruzada de exclusión (10) y conjunto de datos externo (10). Se utilizó una cornucopia de técnicas y métodos de aprendizaje automático dentro y entre los artículos de esta revisión. Se han resumido en la Tabla 2, señalando en qué subtipo de paraguas de fusión se implementaron.

La mayoría de los artículos se publicaron utilizando la fusión temprana. De ellos, la mayoría se publicaron utilizando imágenes médicas y datos EHR34,36,48,53,56,57,60,62,63,64,68,71,73,75,85,86,87,88,90,92 ,93,94,95,96,98,100,104,111. Casi todos estos documentos realizaron la numerización de las características de la imagen, en esencia convirtiéndolos en datos estructurados antes del procesamiento, sin embargo, dos realizaron la factorización matricial34,36. Se observó una combinación de EHR y datos de texto en 15 artículos31,54,69,72,79,80,81,91,99,102,106,112. Meng et al. creó un modelo de aprendizaje de representación bidireccional que utilizó la asignación latente de Dirichlet (LDA) en notas clínicas112. Cohen et al. usaron unigramas y bigramas junto con el uso de medicamentos54. Zeng et al. Utilizó identificadores de conceptos del texto como características de entrada81. Nueve artículos utilizaron la fusión temprana con imágenes, EHR y datos genómicos32,50,51,55,61,65,83,89,108. Donan et al. componentes concatenados derivados de imágenes con puntajes de riesgo poligénico83. Lin et al. también creó puntajes agregados de resonancia magnética, líquido cefalorraquídeo e información genética y los reunió en una sola máquina de aprendizaje extremo cohesiva para predecir el deterioro cognitivo leve55. Tremblay et al. usó una spline de regresión adaptativa multivariada (MARS) después de la normalización, eliminando características altamente correlacionadas89. Diez artículos realizaron la fusión utilizando imágenes y datos genómicos33,52,70,76,77,78,82,84,97,110. Tres de estos generaron matrices de correlación como características mediante la vectorización de parámetros de imágenes y su correlación con polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) antes de introducirlos en el modelo33,70,78. Tres artículos de esta categoría utilizaron EHR y series temporales58,74,101. Tanto Hernández como Canniére et al. implementaron sus métodos con fines de rehabilitación cardíaca y aprovecharon el poder de las máquinas de vectores de soporte (SVM). Sin embargo, Hernández conservó la información de la serie temporal al ensamblar datos de ECG en tensores que conservan las relaciones estructurales y temporales inherentes al espacio de características74, mientras que Canniére realizó una reducción de la dimensionalidad de la información de la serie temporal utilizando diagramas t-SNE58. Dos artículos comprendían la fusión temprana utilizando imágenes y series temporales67,103. Hubo dos artículos que aprovecharon EHR y la información genómica66,119. Luo et al. implementó la factorización de matriz híbrida no negativa (HNMF) para encontrar coherencia entre fenotipos y genotipos en aquellos que padecen hipertensión119. Un artículo aprovechó la fusión temprana utilizando imágenes y datos de texto105 y otro utilizó EHR, genómica, transcriptómica y reclamaciones de seguros157.

La fusión intermedia tuvo el segundo mayor número de artículos publicados. 14 utilizaron imágenes y datos EHR43,59,113,114,118,121,123,125,126,129,131,132,133,135,137. Zihni et al. combinó la salida de un perceptrón multicapa (MLP) para modelar datos clínicos y una red neuronal convolucional (CNN) para modelar datos de imágenes en una sola capa final completamente conectada para predecir accidentes cerebrovasculares135. Un enfoque muy similar fue adoptado por Tang et al. quien usó CNNs tridimensionales y fusionó las capas en la última capa113. Los datos de EHR y de texto se fusionaron en 11 artículos41,44,80,107,109,116,122,126,134,136,142. De estos, seis41,44,80,122,134,142 utilizaron redes de largo plazo a corto plazo (LSTM), CNN o CNN guiadas por el conocimiento160 en su fusión de EHR y notas clínicas. Chowdhury et al. utilizó redes neuronales gráficas y codificadores automáticos para aprender metaincrustaciones a partir de resultados de pruebas de laboratorio estructuradas y notas clínicas107,109. Pivovarov et al. aprendió fenotipos probabilísticos a partir de notas clínicas y datos de órdenes de medicación/laboratorio (EHR)136. Dos modelos, cada uno empleando LDA donde el tipo de datos se trató como una bolsa de elementos y para brindar coherencia entre los dos modelos para identificar fenotipos únicos. Ye et al. y Shin et al. utilizaron identificadores de conceptos a través de técnicas de PNL y bolsa de palabras, respectivamente, antes de probar una multitud de modelos secundarios116,126. En general, las notas clínicas pueden proporcionar información complementaria a los datos estructurados de EHR, donde a menudo se necesita el procesamiento del lenguaje natural (NLP) para extraer dicha información161,162,163. Se publicaron algunos estudios utilizando imágenes y genómica37,117,120. En este caso, la radiogenómica se utilizó para diagnosticar el trastorno por déficit de atención con hiperactividad (TDAH), la supervivencia del glioblastoma y la demencia, respectivamente. Las puntuaciones de riesgo poligénico se combinaron con la resonancia magnética por Yoo et al. que utilizó un conjunto de bosques aleatorios para el diagnóstico de TDAH120. Zhou et al. fusionaron información de SNP junto con resonancia magnética y tomografía por emisión de positrones (PET) para el diagnóstico de demencia mediante el aprendizaje de representaciones latentes (es decir, características de alto nivel) para cada modalidad de forma independiente. Posteriormente, se llevó a cabo el aprendizaje de representaciones de características latentes conjuntas para cada par de combinación de modalidad y luego el aprendizaje de las etiquetas de diagnóstico mediante la fusión de las representaciones de características latentes conjuntas aprendidas de la segunda etapa37. Wijethilake usó MRI y perfiles de expresión génica, realizando la eliminación recursiva de características antes de fusionarse en múltiples modelos SVM, regresión lineal y red neuronal artificial (ANN). El modelo de regresión lineal superó a los otros dos modelos combinados y a cualquier modalidad única117. Wang et al. y Zhang et al. exhibieron su trabajo en la fusión de imágenes e información de texto45,46. Ambos usaron LSTM para modelar el lenguaje de una CNN para generar incrustaciones que se unieron en un modelo de atención dual. Esto se logra calculando un vector de contexto con información atendida preservada para cada modalidad que resulta en un aprendizaje conjunto. Rara vez se publicaron artículos usando: Imaging/EHR/Text115, Genomic/Text49, Imaging/Time series127, Imaging/Text/Time series47, Imaging/EHR/Genomic130, Imaging/EHR/Time series124, EHR/Genomic128, EHR/Text/Time serie42.

Un número mucho menor (n = 20) de artículos utilizó fusión tardía. Siete de ellos utilizaron imágenes y tipos de datos EHR138,139,144,150,151,154,164. Tanto Xiong et al. y Yin et al. alimentó los resultados en una CNN para proporcionar una ponderación y una decisión finales150,151. Se publicaron tres artículos utilizando un enfoque trimodal: imágenes, HCE y genómica130,147,148. Xu et al. y Faris et al. artículos publicados utilizando EHR y datos de texto146,155. Faris et al. notas clínicas procesadas utilizando TF-IDF, vectorizador hash e incrustaciones de documentos junto con datos clínicos binarizados155. Se aplicaron regresión logística (LR), bosque aleatorio (RF), clasificador de descenso de gradiente estocástico (clasificador SGD) y un perceptrón multicapa (MLP) a ambos conjuntos de datos de forma independiente y los resultados finales de los dos modelos se combinaron utilizando diferentes esquemas: clasificación , suma y multiplicación. Se publicaron dos artículos utilizando imágenes y series temporales149,152, ambos empleando CNN, uno en información de video de neonatos149 y el otro en radiografías de tórax152. Sin embargo, diferían en el procesamiento de los datos de la serie temporal. Salekin usó una CNN bidireccional y Nishimori usó una CNN unidimensional. Se publicaron muchos menos artículos utilizando Imaging/EHR/Text153, EHR/Genomic/Text145, Imaging/EHR, Time Series/141, Imaging/Genomic156, EHR/Genomic140 e Imaging/Text39.

Dos artículos realizaron múltiples arquitecturas de fusión de datos158,159. Huang et al. creó siete arquitecturas de fusión diferentes. Estos incluyeron fusión temprana, conjunta y tardía. La arquitectura que mejor se desempeñó fue la fusión media elástica tardía para el diagnóstico de embolia pulmonar utilizando datos de tomografía computarizada y EHR159. Su Late Elastic Average Fusion aprovechó una ElasticNet (regresión lineal con anteriores L1 y L2 combinados que actúan como regularizadores) para las variables EHR. El-Sappagh et al. realizó una fusión temprana y tardía para crear un modelo interpretable de detección de progresión y diagnóstico de Alzheimer158. Su modelo de mejor rendimiento fue uno que implementó explicaciones basadas en instancias del clasificador de bosque aleatorio mediante el uso de la atribución de funciones SHpley Additive exPlanations (SHAP). A pesar de utilizar datos clínicos, genómicos y de imágenes, se descubrió que la característica más influyente era el miniexamen del estado mental.

La fusión de datos puede ayudar a abordar la representación sexual y aumentar los problemas de diversidad de la población (incluidas las poblaciones minoritarias) en el modelado de la salud mediante la creación de un conjunto de datos más representativo si un tipo de datos contiene más de un sexo y otro tipo de datos contiene más del otro. Esta capacidad de compensación recíproca de emplear varios conjuntos de datos también sería válida para las diversidades raciales o étnicas.

Menos de la mitad (37,6%) de los artículos se publicaron en una revista destinada a un público clínico. Ninguno de los artículos incluidos en la cohorte final de estudios había creado herramientas para uso clínico que tuvieran la aprobación de la FDA. Con base en el número creciente de artículos en este campo, existe una necesidad e interés crecientes y globales para caracterizar estos hallazgos.

Volviendo a nuestras preguntas de investigación, que esbozamos desde el inicio de este trabajo, llegamos a la Tabla 3.

Se plantearon muchas cuestiones en los documentos incluidos en esta revisión. Las limitaciones informadas más comunes fueron cohortes de un solo sitio, tamaños de muestra pequeños, datos retrospectivos, muestras desequilibradas, manejo de datos faltantes, ingeniería de características, control de factores de confusión e interpretación de los modelos empleados. Las muestras se construyeron con mayor frecuencia a partir de un solo hospital o centro médico académico148. Los tamaños de muestra pequeños a menudo conducen a un ajuste y una generalización deficientes del modelo. La mediana del número de pacientes únicos notificados en los estudios fue de 658 con una desviación estándar de 42 600. Esto sugiere que, si bien algunos estudios pudieron aprovechar cohortes grandes y multicéntricas, muchos no pudieron hacerlo70,82,120,131.

Rara vez se realizaron investigaciones de aprendizaje automático sobre datos prospectivos, un problema endémico en el campo84. A menudo se ignoraban los desequilibrios de las muestras, lo que generaba modelos sesgados y métricas de rendimiento engañosas75,151. Por lo general, los datos que faltaban se ignoraban al descartarlos o imputarlos; si no se tratan adecuadamente, los resultados pueden sesgarse68,106,173. Se necesitan más estudios para analizar las frecuencias y los tipos de datos faltantes174,175,176,177. La comparación de diferentes métodos de imputación sobre los resultados finales debe ser parte del proceso de presentación de informes178. Al realizar análisis estadísticos, los investigadores generalmente ignoraron posibles factores de confusión como la edad o el género. Hacerlo puede tener efectos importantes en el impacto de los resultados153. Dichos posibles efectos de confusión deben ser tomados en consideración por el modelo179,180 o ajustados primero, antes de informar los resultados del modelo. Se deben presentar interpretaciones razonables del modelo y los resultados para que los médicos encuentren los resultados creíbles y luego los utilicen para brindar orientación para los tratamientos. Sin embargo, la mayoría de los autores no se tomaron el tiempo de interpretar los modelos para audiencias clínicas. Además, cómo los resultados pueden funcionar como una herramienta de apoyo a la decisión clínica. Diferentes tipos de modelos justifican diferentes explicaciones129,130. Estas limitaciones se destacan donde ocurren en el procesamiento de datos y la canalización de creación de modelos en la Fig. 5.

Las limitaciones a la implementación de la fusión multimodal se estratifican según su ubicación en el flujo de trabajo. Estos incluyen problemas asociados con los datos subyacentes, el modelado que surge de esos datos y, finalmente, cómo se transfieren de nuevo a los sistemas de salud para brindar apoyo en la toma de decisiones.

Para agilizar y facilitar este campo, hemos esbozado varios vacíos para futuras investigaciones en este campo. Estos se enumeran en la Fig. 5 y se exploran. Los temas de medicamentos/drogas presentan un área subrepresentada, con solo dos artículos publicados en este campo50,66. El conocimiento de los efectos de interacción de los medicamentos es un tema difícil y creciente181,182,183,184, particularmente en geriatría, que dio origen a los criterios de Beer185. La realización de aprendizaje automático multimodal puede ofrecer una detección más temprana de eventos adversos asociados con el uso indebido de medicamentos que es el resultado de un error iatrogénico, el incumplimiento o la adicción. Justificaciones similares a las descritas anteriormente podrían aplicarse a otras áreas vistas como "infrasaturadas", como hematología con un solo artículo49 y nefrología con solo tres41,87,99.

Aumentar la toma de decisiones clínicas con ML para mejorar la investigación clínica y los resultados ofrece impactos positivos que tienen ramificaciones económicas, éticas y morales, ya que puede reducir el sufrimiento y salvar vidas humanas. Múltiples estudios ahora han señalado que si los datos en los que se entrena un modelo ML están sesgados, esto a menudo genera sesgos en las predicciones186,187. Garantizar datos representativos de múltiples sitios limitará los sesgos del modelo. También abogamos por la creación de canalizaciones/bibliotecas de acceso abierto para acelerar la conversión de datos y hacer que la tecnología esté más disponible188,189. Mejorar la precisión a expensas de transformaciones de datos complejas y que consumen mucho tiempo puede significar que el poder predictivo obtenido de un enfoque multimodal se ve compensado por este cuello de botella inicial, lo que significa que las predicciones ya no son temporalmente relevantes o útiles.

Si bien la incorporación de datos dispares se presta a predicciones aparentemente mejores139, a medida que se acumula el conocimiento sobre ciertas enfermedades, la fusión de datos en el cuidado de la salud es un objetivo en evolución que garantiza una adaptación proactiva al panorama dinámico190. No existe un único modelo de ML con aplicabilidad ubicua. Por ejemplo, se ha demostrado en las interacciones proteína-proteína que la utilización del algoritmo de conjunto XGBoost reduce las características ruidosas, mantiene las características sin procesar significativas y evita el sobreajuste122. De manera similar, LightGBM191 tiene las ventajas de una mayor velocidad de entrenamiento, mayor eficiencia, menor uso de memoria, mejor precisión192 y ha superado constantemente a otros modelos193,194. Las redes neuronales gráficas pueden sintetizar nuevas conexiones que conducen al descubrimiento de fármacos/objetivos122.

En la misma línea, siempre se deben considerar modelos que permitan la interpretabilidad. Por ejemplo, el modelo de Perotte et al.99 no se comparó con clasificadores convencionales de aprendizaje automático más simples, y la factorización de matriz colectiva se vuelve inherentemente difícil de interpretar79. Contraste esto con el trabajo de Fraccaro et al. cuyo estudio de degeneración macular observó que su caja blanca funcionaba tan bien como las implementaciones de métodos de caja negra68.

A medida que maduran este campo y los conjuntos de datos asociados, se necesita trabajar para abordar los principios de la gestión de datos: Encontrabilidad, Accesibilidad, Interoperabilidad y Reutilización de conjuntos de datos digitales (FAIR)195. Esto implica tener metadatos que sean únicos/no identificados y que se puedan buscar, con puntos de acceso abiertos o federados (Encontrabilidad/Accesibilidad), datos que se comparten ampliamente (Interoperabilidad) y, finalmente, datos que contienen atributos precisos y relevantes bajo un acuerdo de uso de datos claro. /licencia (Reutilizable). Es imperativo que exista una definición clara de los resultados, la evaluación de los sesgos y la interpretabilidad/transparencia de los resultados, y las limitaciones inherentes a sus predicciones196.

De crucial importancia para la adopción es que las predicciones sean específicas del paciente y procesables a nivel granular197. Por ejemplo, un algoritmo de predicción de readmisión de 30 días106, si se implementa, puede informar la gestión de recursos y generar investigaciones adicionales que pueden disminuir la cantidad de pacientes readmitidos. Linden et al. desarrolló un modelo de riesgo convolucional LOngitudinal personalizado profundo (DeepLORI) capaz de crear predicciones que pueden interpretarse a nivel de pacientes individuales122. Aprovechar tanto la información clínica como la empírica para crear recomendaciones significativas y utilizables136 puede mejorar la comprensión del médico/usuario final al relacionarse con los marcos existentes. Los recursos como CRISP-ML brindan un marco para trasladar los casos de uso a aplicaciones más prácticas198, mientras que los esfuerzos para competir por las aprobaciones de la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA, por sus siglas en inglés) como una herramienta para su uso son alentados a una mayor adopción.

La implementación de modelos con interfaces de usuario que anotan las limitaciones inherentes a esas predicciones196 permitirá a los responsables de la toma de decisiones clínicas interactuar e implementar cambios en consecuencia. El seguimiento de las tareas antes mencionadas impulsará a los campos individuales a crear recomendaciones para implementaciones posteriores en el mundo real que sean relevantes, procesables y trasciendan las diferencias regionales/de subpoblación. Las limitaciones de esta revisión de alcance incluyen que no es una revisión sistemática. Por lo tanto, es posible que se hayan perdido algunos títulos que deberían haberse incluido. Dado que el objetivo principal de este estudio era realizar perfiles de artículos científicos sobre el aprendizaje automático multimodal en la salud, no se realizó una evaluación crítica de la calidad metodológica individual de los estudios incluidos. Sin embargo, se proporciona un comentario sobre las limitaciones metodológicas que podrían haber afectado sus resultados y sus afirmaciones. Esta revisión ofrece metadatos completos y una evaluación en todos los dominios de la salud, independientemente del tipo de aprendizaje automático o los datos utilizados. Este trabajo sirve tanto de resumen como de trampolín para futuras investigaciones en este campo. La fusión de datos en salud es un campo creciente de interés mundial. Las áreas temáticas de la salud que tienen una alta frecuencia en relación con otras fueron la neurología y el cáncer, que sirven para resaltar oportunidades para una mayor exploración en temas poco estudiados (hematología, dermatología). El aprendizaje automático unimodal contrasta inherentemente con la práctica clínica rutinaria actual en la que los datos de imágenes, clínicos o genómicos se interpretan al unísono para informar un diagnóstico preciso y garantiza más trabajo para facilitar su uso e implementación. En general, parece justificado afirmar que la fusión de datos multimodal aumenta el rendimiento predictivo sobre los enfoques unimodales (mejoría media del 6,4 % en el AUC) y se justifica cuando corresponde. El aprendizaje automático multimodal puede ser una herramienta aprovechada en la medicina de precisión para subagrupar aún más a los pacientes y su huella digital de salud única. Además, dado que ningún artículo de nuestra revisión buscó la aprobación de la FDA, abogamos por más esfuerzos en la traducción de modelos y exploramos las necesidades que facilitan ese fin.

Un recurso de tablero publicado junto con este artículo de revisión está disponible en: https://multimodal-ml-health.herokuapp.com/. Este panel se creó como una visualización interactiva basada en una infografía de los principales hallazgos presentados en este documento. Para fomentar el trabajo futuro, se creó un menú desplegable para ayudar a los investigadores a filtrar el archivo de datos subyacente de los títulos en función del tema de salud general específico por selección. Esto facilitará la localización de los documentos pertinentes.

Los requisitos de inclusión fueron: (a) artículo de investigación original; (b) publicado en los últimos 10 años (que abarca los años 2011–2021); (c) publicado en inglés; y (d) sobre el tema de multimodal o multivista utilizando el aprendizaje automático en salud para aplicaciones de diagnóstico o pronóstico. 'Multimodal' o 'multivista' para nuestro contexto significa que las múltiples fuentes de datos no eran del mismo tipo. Por ejemplo, mientras que un documento que usa CT y MRI puede considerarse una imagen multimodal; sin embargo, según nuestro criterio, se consideraría unimodal (es decir, solo incluye imágenes). Las exclusiones para los fines de esta revisión fueron: (a) artículos científicos no publicados en inglés; (b) comentarios o editoriales; o (c) otros artículos de revisión. Los trabajos también se excluyeron si los datos no procedían de seres humanos. También excluimos artículos en los que la fusión ya se produjo en la etapa de generación de datos, como la transcriptómica espacial que produce imágenes integradas de tejidos y datos de transcriptómica199,200,201. Todos los documentos se sometieron a una verificación de 2 personas para su inclusión en el manuscrito.

Las cadenas de búsqueda se establecieron a través de búsquedas bibliográficas y experiencia en el dominio. Se identificaron palabras clave adicionales con base en matrices de co-ocurrencia de palabras clave establecidas a partir de los resúmenes de los artículos incluidos previamente. La Figura 6a muestra las cadenas de búsqueda, donde una cadena individual incluiría una palabra clave de cada columna, esto se realizó para todas las combinaciones de cadenas de búsqueda. En la figura 6b se muestra una descripción general del proceso de inclusión/exclusión, que sigue el estándar establecido por la extensión PRISMA para las revisiones de alcance202.

una palabra clave relacionada con la salud, palabra clave relacionada con multimodal, palabras clave relacionadas con el aprendizaje automático, |: o. Por ejemplo, "salud + datos heterogéneos + aprendizaje automático" sería una de las cadenas de búsqueda. b Resumen del proceso de inclusión del estudio. c Preguntas de investigación planteadas.

La información obtenida de los artículos incluyó el título, el año de publicación, la aprobación de la herramienta por parte de la FDA, si se publicó en una revista clínica, las afiliaciones de los autores, la cantidad de autores, las ubicaciones (continentes) y el resumen. Se extrajeron los temas de salud abordados, así como los temas médicos más amplios que abarcan la enfermedad. Por ejemplo, el cáncer de pulmón sería la enfermedad específica en cuestión. Surge de los temas de Cáncer y Respiratorio según nuestra clasificación. La clasificación de temas de salud fue supervisada y revisada por un médico para garantizar la precisión. Como múltiples temas de salud a menudo abarcaban una sola enfermedad de salud abordada en cada artículo, varios artículos se cuentan dos veces. Esto es cierto cuando se mapea desde el lado derecho del diagrama de Sankey a la enfermedad de salud específica en el medio.

Registramos y extrajimos el número de modalidades diferentes y las divisiones (es decir, texto/imagen frente a EHR/genómica/serie temporal) utilizadas. El objetivo de cada artículo se extrajo en un resumen de 1 o 2 oraciones junto con la palabra clave (si estaba disponible). La caracterización de los pacientes en los estudios se realizó determinando el número de pacientes únicos en la cohorte y el sexo del paciente (es decir, hombres/mujeres/ambos o no mencionados).

La información computacional extraída incluyó: (a) las interfaces de codificación utilizadas en el procesamiento/análisis de datos, (b) tipo de aprendizaje automático, (c) técnica de fusión de datos (temprana, intermedia, tardía) y (d) tipos de aprendizaje automático. algoritmos utilizados. Si se realizó la validación (sí/no), las pruebas estadísticas realizadas, la naturaleza de la validación y las medidas de resultados se registraron para cada artículo. La importancia, el impacto y las limitaciones de cada artículo se extrajeron mediante la revisión de los principales hallazgos y limitaciones, tal como se indica en los artículos.

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de investigación de Nature vinculado a este artículo.

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El estudio cuenta con el apoyo parcial de NIH Grants U01TR003528 y R01LM013337 a YL, y AG073323 a FC

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Feixion Cheng

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AK dirigió el proceso de revisión, realizó la extracción de datos, realizó el análisis de cómputo, la generación de figuras, la redacción y la creación del tablero. HW, YL, SD y MH realizaron la extracción de datos. ZX sintetizó las limitaciones de los estudios. FW y FC realizaron la corrección de pruebas y la curación de contenidos. YL concibió la revisión, supervisó el proceso de revisión y proporcionó los comentarios, la corrección de pruebas y la curación de contenido necesarios.

Correspondencia a Yuan Luo.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

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Recibido: 20 junio 2022

Aceptado: 14 de octubre de 2022

Publicado: 07 noviembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41746-022-00712-8

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