Artificial intelligence (AI) systems hold great promise to improve healthcare over the next decades. Specifically, AI systems leveraging multiple data sources and input modalities are poised to become a viable method to deliver more accurate results and deployable pipelines across a wide range of applications. In this work, we propose and evaluate a unified Holistic AI in Medicine (HAIM) framework to facilitate the generation and testing of AI systems that leverage multimodal inputs. Our approach uses generalizable data pre-processing and machine learning modeling stages that can be readily adapted for research and deployment in healthcare environments. We evaluate our HAIM framework by training and characterizing 14,324 independent models based on MIMIC-IV-MM, a multimodal clinical database (N=34,537 samples) containing 7,279 unique hospitalizations and 6,485 patients, spanning all possible input combinations of 4 data modalities (i.e., tabular, time-series, text and images), 11 unique data sources and 12 predictive tasks. We show that this framework can consistently and robustly produce models that outperform similar single-source approaches across various healthcare demonstrations (by 6-33%), including 10 distinct chest pathology diagnoses, along with length-of-stay and 48-hour mortality predictions. We also quantify the contribution of each modality and data source using Shapley values, which demonstrates the heterogeneity in data type importance and the necessity of multimodal inputs across different healthcare-relevant tasks. The generalizable properties and flexibility of our Holistic AI in Medicine (HAIM) framework could offer a promising pathway for future multimodal predictive systems in clinical and operational healthcare settings.


翻译:具体地说,利用多种数据来源和投入模式的AI系统,将成为提供更准确的结果和在各种应用中部署管道的可行方法。在这项工作中,我们提议并评价一个统一的医学整体AI(HAIM)框架,以便利生成和测试利用多式联运投入的AI系统。我们的方法使用通用的数据处理前和机器学习模型阶段,这些阶段可以随时适应在医疗保健环境中的研究和部署。我们通过培训和描述基于MIMIC-IV-MMM的14,324个独立模型来评估我们的HAIM框架,这是一个包含7,279个独特的住院病人和6,485个病人的多式联运数据库(N=34,537个样本),包括所有可能的4种数据模式(即表格、时间序列、文本和图像)、11个独特的数据源和12个预测任务。我们表明,这一框架可以持续和有力地生成超越各种医疗保健演示(6-33%)未来单一来源框架的模型,包括10个不同的临床临床数据库数据库(N=住院诊断),以及48小时的定量数据分析,我们还可以用不同来源的可靠数据分析。

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