Model for predicting the severity and outcome of COVID-19 in patients with diabetes mellitus and obesity created based on artificial intelligence methods

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Background. According to WHO, type 2 diabetes mellitus and obesity are non-communicable epidemics of the 21st century. At the end of 2020, the world community expected the development of the COVID-19 pandemic, which became an epidemic of infectious genesis. Currently, there is a need to identify risk factors for severe course and high mortality in one of the most vulnerable groups of the population with metabolic disorders (DM and obesity) in order to improve the prognosis of COVID-19.

Objective. Development of the model for predicting the severity and outcome of COVID-19 in patients with diabetes mellitus and obesity to optimize diagnostic/treatment tactics.

Methods. The study was conducted in two directions: a retrospective analysis and a prospective part. The retrospective analysis included 645 patients with COVID-19 (58.6% women, 41.4% men). The mean age of patients was 63.6 ± 0.9 years. Diabetes mellitus and obesity occurred in 48.8% (n = 315) and 45.5% (n = 290) of cases, respectively. To identify the features of the clinical course and predictors of an unfavorable prognosis of COVID-19, all patients were divided into 2 groups: group 1 – with recovery (n = 443), group 2 – with an unfavorable outcome (n = 202), between which a comparative analysis was carried out. To develop a prediction model using artificial intelligence (AI) methods, several types of machine learning (ML) algorithms were implemented, among which logistic regression was selected. Regression analysis allowed to classify patients into 2 groups. Class 0 – no risk of adverse outcome and class 1 – high risk of adverse outcome. The prospective part included 130 patients, who formed the validation sample for our study. All patients were distributed according to the severity of COVID-19; demographic, clinical, anamnestic, laboratory and instrumental data from archival medical records were assessed.

Results. The analysis was carried out using 4 main ML algorithms: logistic regression, random forest, support vector machine, gradient boosting. The logistic regression model was chosen for further use in this task, since it showed the highest results for all key metrics, including accuracy, recall and ROC-AUC. The set of basic parameters were represented by the following features: gender, age, day from the onset of the disease, anthropometric data (body weight, height) based on which the body mass index (BMI) is automatically calculated, concomitant diseases (DM, coronary artery disease, arterial hypertension, chronic kidney disease, chronic obstructive pulmonary disease, bronchial asthma), medications taken (insulin therapy, oral hypoglycemic agents, glucocorticosteroids) and laboratory parameters (glucose, creatinine, cholesterol, uric acid, interleukin-6, leukocytes, D-dimmer, total protein, creatinine, urea, aspartate aminotransferase, prothrombin index, C-reactive protein levels) and respiratory function parameters (chest MSCT, respiratory rate, SpO2). Based on the introduction of these data, the model predicted the probable outcome (favorable/unfavorable). After validation in the prospective part of the study, our AI model predicted the risk of an unfavorable outcome with a probability of 96%.

Conclusion. The developed prognostic model allows to prevent the unfavorable course of COVID-19 by timely assessing the severity of the condition and optimizing treatment tactics in the most vulnerable group of patients with metabolic disorders.

About the authors

L. S. Aramisova

Berbekov Kabardino-Balkarian State University

Author for correspondence.
Email: liaramisova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8105-4235

Postgraduate Student at the Department of Faculty Therapy of the Medical Academy

Russian Federation, Nalchik

I. B. Zhurtova

Berbekov Kabardino-Balkarian State University

Email: liaramisova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0668-1073
Russian Federation, Nalchik

Z. A. Akhubekova

Berbekov Kabardino-Balkarian State University

Email: liaramisova@gmail.com
ORCID iD: 0009-0008-9356-5655
Russian Federation, Nalchik

References

  1. World Health Organization. WHO Coronavirus Disease (COVID-19) Dashboard. Available at: https://covid19.who.int/.
  2. Poorolajal J. The global pandemics are getting more frequent and severe. J Res Health Sci. 2021;21(1):e00502. doi: 10.34172/jrhs.2021.40.
  3. Stefan N/, Sippel K/, Heni M/, et al. Obesity and Impaired Metabolic Health Increase Risk of COVID-19-Related Mortality in Young and Middle-Aged Adults to the Level Observed in Older People: The LEOSS Registry. Front Med (Lausanne). 2022;9:875430. doi: 10.3389/fmed.2022.875430.
  4. Floyd J.S., Walker R.L., Kuntz J.L., et al. Association Between Diabetes Severity and Risks of COVID-19 Infection and Outcomes. J Gen Intern Med. 2023;38(6):1484–92. doi: 10.1007/s11606-023-08076-9.
  5. Li Y., Ashcroft T., Chung A., et al. Risk factors for poor outcomes in hospitalised COVID-19 patients: A systematic review and meta-analysis. J Glob Health. 2021;11:10001. doi: 10.7189/jogh.11.10001.
  6. Gattinoni L., Chiumello D., Caironi P., et al. COVID-19 pneumonia: different respiratory treatments for different phenotypes? Intensive Care Med. 2020;46:1099–102.
  7. Арамисова Л.С., Журтова И.Б., Губачикова А.М. Сахарный диабет и новая короновирусная инфекция: взгляд в прошлое, выводы на будущее по профилактике и лечебной тактике. Фарматека. 2023;30(12):27–31. [Aramisova L.S., Zhurtova I.B., Gubachikova A.M. Diabetes mellitus and new coronavirus infection: a look into the past, conclusions on prevention and treatment tactics for the future. 2023;30(12):27–31. (In Russ.)]. doi: 10.18565/pharmateca.2023.12.27-31.
  8. Mesinovic M., Wong X.C., Rajahram G.S., et al. ISARIC Characterisation Group. At-admission prediction of mortality and pulmonary embolism in an international cohort of hospitalised patients with COVID-19 using statistical and machine learning methods. Sci Rep. 2024;14(1):16387. doi: 10.1038/s41598-024-63212-7.
  9. Xie J., et al. Development and external validation of a prognostic multivariable model on admission for hospitalized patients with covid-19. 2020.
  10. Alaa A., Qian Z., Rashbass J., et al. Retrospective cohort study of admission timing and mortality following covid-19 infection in England. BMJ. Open. 2020;10:e042712. doi: 10.1136/bmjopen-2020-042712.
  11. Knight S.R., Gupta R.K., Ho A., et al. Prospective validation of the 4c prognostic models for adults hospitalised with covid-19 using the isaric who clinical characterisation protocol. Thorax. 2021;77:606–15. doi: 10.1136/thoraxjnl-2021-217629.
  12. Jones A., Pitre T., Junek M., et al. External validation of the 4c mortality score among covid-19 patients admitted to hospital in Ontario, Canada: A retrospective study. Sci Rep. 2021;11:1–7. doi: 10.1038/s41598-021-97332-1.
  13. Baqui P., Marra V., Alaa A.M., et al. Comparing covid-19 risk factors in brazil using machine learning: The importance of socioeconomic, demographic and structural factors. Sci Rep. 2021;11:1–10. doi: 10.1038/s41598-021-95004-8.
  14. Fauci A.S., Lane H.C., Redfield R.R. Covid-19 – navigating the uncharted. N Engl J Med. 2020;382:1268–9. doi: 10.1056/NEJMe2002387.
  15. Арутюнов Г.П., Тарловская Е.И., Арутюнов А.Г. и др. Международный регистр «Анализ динамики коморбидных заболеваний у пациентов, перенесших инфицирование SARS COV-2 (AКТИВ SARS-COV-2)»: анализ 1000 пациентов. Российский кардиологический журнал. 2020;25(11):98–107. [Arutyunov G.P., Tarlovskaya E.I., Arutyunov A.G., et al. International registry «Analysis of the dynamics of comorbid diseases in patients infected with SARS COV-2 (ACTIVE SARS-COV-2)»: analysis of 1000 patients. Russian journal of cardiology. 2020; 25 (11): 98–107. (In Russ.)]. doi: 10.15829/1560-4071-2020 4165.
  16. Горошко Н.В., Пацала С.В. Основные причины избыточной смертности населения в России в условиях пандемии COVID-19. Социальные аспекты здоровья населения. 2021;67(6). [Goroshko N.V., Patsala S.V. The main causes of excess mortality in Russia during the COVID-19 pandemic. Social’nye aspekty zdorov’a naselenia. 2021;67(6). (In Russ.)]. doi: 10.21045/2071-5021 2021-67-6-1.
  17. Floyd J.S., Walker R.L., Kuntz J.L., et al. Association between diabetes severity and risks of COVID-19 infection and outcomes. J Gen Intern Med. 2023;38(6):1484–92. doi: 10.1007/s11606-023-08076-9.
  18. Kastora S., Patel M., Carter B., et al. Impact of diabetes on COVID-19 mortality and hospital outcomes from a global perspective: an umbrella systematic review and meta-analysis. Endocrinol Diab Metab. 2022;5(3):e00338. doi: 10.1002/edm2.338.
  19. Dessie Z.G., Zewotir T. Mortality-related risk factors of COVID-19: a systematic review and meta-analysis of 42 studies and 423,117 patients. BMC. Inf Dis. 2021;21(1):855. doi: 10.1186/s12879-021-06536-3.
  20. Peckham H., de Gruijter N.M., Raine C., et al. Male sex identified by global COVID-19 meta-analysis as a risk factor for death and ITU admission. Nat Commun 2020;11:6317. doi: 10.1038/s41467-020-19741-6.
  21. Booth A., Reed A.B., Ponzo S., et al. Population risk factors for severe disease and mortality in COVID-19: A global systematic review and meta-analysis. PLOS ONE. 2021;16(3):e0247461. Doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247461.
  22. Conte C., Cipponeri E., Roden M., et al. Diabetes Mellitus, Energy Metabolism, and COVID-19. Endocr Rev. 2024;45(2):281–308. doi: 10.1210/endrev/bnad032.
  23. Cho J.H., Suh S. Glucocorticoid-Induced Hyperglycemia: A Neglected Problem. Endocrinol Metab (Seoul). 2024;39(2):222–38. doi: 10.3803/EnM.2024.1951.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Calculation of the sample size for the study

Download (78KB)
3. Fig. 2. ROC curve of the constructed MO model

Download (71KB)

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».