AI Summary & Key Takeaways
AI InsightExperimental results demonstrate that the application of the hybrid resampling strategy significantly enhances the models’ ability to identify mortality cases.
📌 3 Key Takeaways
Abstract
Heart failure is one of the leading causes of mortality worldwide, and accurate diagnosis at an early stage is of vital importance for improving patient survival. However, class imbalance and the presence of irrelevant features, which are frequently encountered in clinical datasets, adversely affect the predictive performance of machine learning models, particularly in identifying high-risk cases in terms of sensitivity. In this study, a multi-stage hybrid machine learning architecture is proposed to address these challenges and to develop a high-performance clinical decision support system. The proposed framework integrates hyperparameter optimization (Randomized SearchCV), hybrid data resampling techniques (SMOTE + RUS), and hybrid feature selection methods (Filter + Wrapper). Within the scope of the study, the performance of six individual algorithms and seven ensemble learning models were comparatively evaluated in terms of accuracy, precision, recall, F1-score, and computational time. Experimental results demonstrate that the application of the hybrid resampling strategy significantly enhances the models’ ability to identify mortality cases. As a result of comprehensive evaluations, the LGBM Classifier model, combined with feature selection applied to the original dataset, was identified as the most stable and effective model, achieving an average accuracy of 85.04% and a sensitivity of 74.43% in five-fold cross-validation tests. Moreover, the model’s remarkably low computational time of 0.44 seconds confirms its suitability for real-time clinical applications. Overall, this study demonstrates that the proper configuration of hybrid data processing techniques can substantially improve model reliability and computational efficiency in medical diagnosis problems.
Özet
Kalp yetmezliği, küresel ölçekte önde gelen ölüm nedenlerinden biri olup, hastalığın erken evrede doğru teşhis edilmesi hasta sağkalımı açısından hayati önem taşımaktadır. Ancak, klinik veri setlerinde sıklıkla karşılaşılan sınıf dengesizliği (class imbalance) ve gereksiz değişkenlerin varlığı, makine öğrenmesi modellerinin tahmin başarısını, özellikle riskli vakaların tespitinde (duyarlılık) olumsuz etkilemektedir. Bu çalışmada, söz konusu problemleri aşmak ve yüksek performanslı bir klinik karar destek sistemi geliştirmek amacıyla çok aşamalı hibrit bir makine öğrenmesi mimarisi önerilmiştir. Önerilen yöntem; hiperparametre optimizasyonu (Randomized SearchCV), hibrit veri dengeleme (SMOTE + RUS) ve hibrit özellik seçimi (Filter + Wrapper) tekniklerinin entegrasyonuna dayanmaktadır. Çalışma kapsamında, altı farklı tekil algoritma ve yedi farklı topluluk (ensemble) öğrenmesi modelinin performansları, doğruluk, kesinlik, duyarlılık, F1-skoru ve işlem süreleri açısından karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Deneysel sonuçlar, hibrit örnekleme stratejisinin uygulanmasıyla modellerin "Ölüm" vakalarını tespit etme yeteneğinde belirgin bir artış sağlandığını göstermiştir. Yapılan kapsamlı değerlendirmeler sonucunda; orijinal veri setindeki özellik seçimi ile LGBM Classifier modeli, beş katlı çapraz doğrulama testlerinde %85.04 ortalama doğruluk ve %74.43 duyarlılık oranı ile en kararlı ve başarılı model olarak belirlenmiştir. Ayrıca modelin 0.44 saniye gibi çok düşük bir işlem süresine sahip olması, gerçek zamanlı klinik uygulamalar için uygunluğunu kanıtlamaktadır. Bu çalışma, hibrit veri işleme tekniklerinin doğru konfigürasyonunun, tıbbi teşhis problemlerinde model güvenilirliğini ve hesaplama verimliliğini önemli ölçüde artırdığını ortaya koymaktadır.