Predicting Colonic Neoplasia Surgical Complications: A Machine Learning Approach

BACKGROUND: A range of statistical approaches have been used to help predict outcomes associated with colectomy. The multifactorial nature of complications suggests that machine learning algorithms may be more accurate in determining postoperative outcomes by detecting nonlinear associations, which are not readily measured by traditional statistics. OBJECTIVE: The aim of this study was to investigate the utility of machine learning algorithms to predict complications in patients undergoing colectomy for colonic neoplasia. DESIGN: Retrospective analysis using decision tree, random forest, and artificial neural network classifiers to predict postoperative outcomes. SETTINGS: National Inpatient Sample database (2003–2017). PATIENTS: Adult patients who underwent elective colectomy with anastomosis for neoplasia. MAIN OUTCOME MEASURES: Performance was quantified using sensitivity, specificity, accuracy, and area under the receiver operating characteristic curve to predict the incidence of anastomotic leak, prolonged length of stay, and inpatient mortality. RESULTS: A total of 14,935 patients (4731 laparoscopic, 10,204 open) were included. They had an average age of 67 ± 12.2 years, and 53% of patients were women. The 3 machine learning models successfully identified patients who developed the measured complications. Although differences between model performances were largely insignificant, the neural network scored highest for most outcomes: predicting anastomotic leak, area under the receiver operating characteristic curve 0.88/0.93 (open/laparoscopic, 95% CI, 0.73–0.92/0.80–0.96); prolonged length of stay, area under the receiver operating characteristic curve 0.84/0.88 (open/laparoscopic, 95% CI, 0.82–0.85/0.85–0.91); and inpatient mortality, area under the receiver operating characteristic curve 0.90/0.92 (open/laparoscopic, 95% CI, 0.85–0.96/0.86–0.98). LIMITATIONS: The patients from the National Inpatient Sample database may not be an accurate sample of the population of all patients undergoing colectomy for colonic neoplasia and does not account for specific institutional and patient factors. CONCLUSIONS: Machine learning predicted postoperative complications in patients with colonic neoplasia undergoing colectomy with good performance. Although validation using external data and optimization of data quality will be required, these machine learning tools show great promise in assisting surgeons with risk-stratification of perioperative care to improve postoperative outcomes. See Video Abstract . PREDICCIÓN DE LAS COMPLICACIONES QUIRÚRGICAS DE LA NEOPLASIA DE COLON: UN ENFOQUE DE MODELO DE APRENDIZAJE AUTOMÁTICO ANTECEDENTES: Se han utilizado una variedad de enfoques estadísticos para ayudar a predecir los resultados asociados con la colectomía. La naturaleza multifactorial de las complicaciones sugiere que los algoritmos de aprendizaje automático pueden ser más precisos en determinar los resultados posoperatorios al detectar asociaciones no lineales, que generalmente no se miden en las estadísticas tradicionales. OBJETIVO: El objetivo de este estudio fue investigar la utilidad de los algoritmos de aprendizaje automático para predecir complicaciones en pacientes sometidos a colectomía por neoplasia de colon. DISEÑO: Análisis retrospectivo utilizando clasificadores de árboles de decisión, bosques aleatorios y redes neuronales artificiales para predecir los resultados posoperatorios. AJUSTE: Base de datos de la Muestra Nacional de Pacientes Hospitalizados (2003-2017). PACIENTES: Pacientes adultos sometidos a colectomía electiva con anastomosis por neoplasia. INTERVENCIONES: N/A. PRINCIPALES MEDIDAS DE RESULTADO: El rendimiento se cuantificó utilizando la sensibilidad, especificidad, precisión y la característica operativa del receptor del área bajo la curva para predecir la incidencia de fuga anastomótica, duración prolongada de la estancia hospitalaria y mortalidad de los pacientes hospitalizados. RESULTADOS: Se incluyeron un total de 14.935 pacientes (4.731 laparoscópicos, 10.204 abiertos). Presentaron una edad promedio de 67 ± 12,2 años y el 53% eran mujeres. Los tres modelos de aprendizaje automático identificaron con éxito a los pacientes que desarrollaron las complicaciones medidas. Aunque las diferencias entre el rendimiento del modelo fueron en gran medida insignificantes, la red neuronal obtuvo la puntuación más alta para la mayoría de los resultados: predicción de fuga anastomótica, característica operativa del receptor del área bajo la curva 0,88/0,93 (abierta/laparoscópica, IC del 95%: 0,73–0,92/0,80–0,96); duración prolongada de la estancia hospitalaria, característica operativa del receptor del área bajo la curva 0,84/0,88 (abierta/laparoscópica, IC del 95%: 0,82–0,85/0,85–0,91); y mortalidad de pacientes hospitalizados, característica operativa del receptor del área bajo la curva 0,90/0,92 (abierto/laparoscópico, IC del 95%: 0,85–0,96/0,86–0,98). LIMITACIONES: Los pacientes de la base de datos de la Muestra Nacional de Pacientes Hospitalizados pueden no ser una muestra precisa de la población de todos los pacientes sometidos a colectomía por neoplasia de colon y no tienen en cuenta factores institucionales y específicos del paciente. CONCLUSIONES: El aprendizaje automático predijo con buen rendimiento las complicaciones postoperatorias en pacientes con neoplasia de colon sometidos a colectomía. Aunque será necesaria la validación mediante datos externos y la optimización de la calidad de los datos, estas herramientas de aprendizaje automático son muy prometedoras para ayudar a los cirujanos con la estratificación de riesgos de la atención perioperatoria para mejorar los resultados posoperatorios. (Traducción—Dr. Fidel Ruiz Healy )