Data-based Therapy Recommender Systems

Für viele Krankheitsbilder und Indikationen ist ein breites Spektrum an Arzneimitteln und Arzneimittelkombinationen verfügbar. Darüber hinaus stellen Therapieziele oft Kompromisse zwischen medizinischen Zielstellungen und Präferenzen und Erwartungen von Patienten dar, um Zufriedenheit und Adhärenz zu gewährleisten. Die Auswahl der optimalen Therapieoption kann daher eine große Herausforderung für den behandelnden Arzt darstellen. Klinische Entscheidungsunterstützungssysteme, die Wirksamkeit oder Risiken unerwünschter Arzneimittelwirkung für Behandlungsoptionen vorhersagen, können diesen Entscheidungsprozess unterstützen und \linebreak Leitlinien-basierte Empfehlungen ergänzen, wenn Leitlinien oder wissenschaftliche Literatur fehlen oder ungeeignet sind. Bis heute sind keine derartigen Systeme verfügbar. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Anwendung von Methoden aus der Domäne der Recommender Systems (RS) und des Maschinellen Lernens (ML) in solchen Unterstützungssystemen untersucht. Aufgrund ihres erfolgreichen Einsatzes in anderen Empfehlungssystemen und der einfachen Interpretierbarkeit werden zum einen Nachbarschafts-basierte Collaborative Filter (CF) an die besonderen Anforderungen und Herausforderungen der Therapieempfehlung angepasst. Zum anderen werden ein Modell-basierter CF-Ansatz (SLIM) und ein ML Algorithmus (GBM) erprobt. Alle genannten Ansätze werden anhand eines exemplarischen Therapieempfehlungssystems evaluiert, das auf die Behandlung der Autoimmunkrankheit Psoriasis abzielt. Um das Risiko der Empfehlung kontraindizierter oder gar gesundheitsgefährdender Medikamente zu reduzieren, werden Regeln aus evidenzbasierten Leitlinien und Expertenempfehlungen implementiert, um solche Therapieoptionen aus den Empfehlungslisten herauszufiltern. Insbesondere die Nachbarschafts-basierten CF-Algorithmen zeigen insgesamt kleine durchschnittliche Abweichungen zwischen geschätztem und tatsächlichem Therapie-Outcome. Auch die aus den Outcome-Schätzungen abgeleiteten Empfehlungen zeigen eine hohe Übereinstimmung mit der tatsächlich angewandten Behandlung. Die Modell-basierten Ansätze sind den Nachbarschafts-basierten Ansätzen insgesamt unterlegen, was auf den begrenzten Umfang der verfügbaren Trainingsdaten zurückzuführen ist und die Generalisierungsfähigkeit der Modelle erschwert. Im Vergleich mit menschlichen Experten sind alle untersuchten Algorithmen jedoch hinsichtlich Übereinstimmung mit der tatsächlich angewandten Therapie unterlegen. Eine objektive und effiziente Bewertung des Behandlungserfolgs kann als Voraussetzung für ein erfolgreiches ``Krankheitsmanagement'' angesehen werden. Daher wird in weiteren Untersuchungen für ausgwählten klinische Anwendungen der Einsatz von ML Methoden zur automatischen Quantifizierung von Gesunheitszustand und Therapie-Outcome erprobt. Zusätzlich, als weitere Quelle für Informationen über Therapiewirksamkeiten, wird der Einsatz von Sentiment Analysis Methoden zur Extraktion solcher Informationen aus Medikamenten-Bewertungen untersucht.Under most medical conditions and indications, a great variety of pharmaceutical drugs and drug combinations are available. Beyond that, trade-offs need to be found between the medical requirements and the patients' preferences and expectations in order to support patients’ satisfaction and adherence to treatments. As a consequence, the selection of an optimal therapy option for an individual patient poses a challenging task to prescribers. Clinical Decision Support Systems (CDSSs), which predict outcome as effectiveness and risk of adverse effects for available treatment options, can support this decision-making process and complement guideline-based decision-making where evidence from scientific literature is missing or inappropriate. To date, no such systems are available. Within this work, the application of methods from the Recommender Systems (RS) domain and Machine Learning (ML) in such decision support systems is studied. Due to their successful application in other recommender systems and good interpretability, neighborhood-based CF algorithms are transferred to the medical domain and are adapted to meet the requirements and challenges of the therapy recommendation task. Moreover, a model-based CF method (SLIM) and a state of the art ML algorithm (GBM) are employed. All algorithms are evaluated in an exemplary therapy recommender system, targeting the treatment of the autoimmune skin disease Psoriasis. In order to reduce the risk of recommending contraindicated or even health-endangering drugs, rules derived from evidence-based guidelines and expert recommendations are implemented to filter such options from the recommendation lists. Especially the neighborhood-based CF algorithms show small average errors between estimated and observed outcome. Also, the recommendations derived from outcome estimates show high agreement with the ground truth. The performance of both model-based approaches is inferior to the neighborhood-based recommender. This is primarily assumed to be due to the limited training data sizes, which renders generalizability of the learned models difficult. Compared with recommendations provided by various experts, all proposed approaches are, however, inferior in terms of agreement with the ground truth. An objective and efficient assessment of treatment response can be regarded a prerequisite for successful ``disease management''. Therefore, the use of ML methods for the automatic quantification of health status and therapy outcome for selected clinical applications is investigated in further experiments. Moreover, as additional source of information about drug effectiveness, the use of Sentiment Analysis, in order to extract such information from drug reviews, is investigated

Data-based Therapy Recommender Systems

Für viele Krankheitsbilder und Indikationen ist ein breites Spektrum an Arzneimitteln und Arzneimittelkombinationen verfügbar. Darüber hinaus stellen Therapieziele oft Kompromisse zwischen medizinischen Zielstellungen und Präferenzen und Erwartungen von Patienten dar, um Zufriedenheit und Adhärenz zu gewährleisten. Die Auswahl der optimalen Therapieoption kann daher eine große Herausforderung für den behandelnden Arzt darstellen. Klinische Entscheidungsunterstützungssysteme, die Wirksamkeit oder Risiken unerwünschter Arzneimittelwirkung für Behandlungsoptionen vorhersagen, können diesen Entscheidungsprozess unterstützen und \linebreak Leitlinien-basierte Empfehlungen ergänzen, wenn Leitlinien oder wissenschaftliche Literatur fehlen oder ungeeignet sind. Bis heute sind keine derartigen Systeme verfügbar. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Anwendung von Methoden aus der Domäne der Recommender Systems (RS) und des Maschinellen Lernens (ML) in solchen Unterstützungssystemen untersucht. Aufgrund ihres erfolgreichen Einsatzes in anderen Empfehlungssystemen und der einfachen Interpretierbarkeit werden zum einen Nachbarschafts-basierte Collaborative Filter (CF) an die besonderen Anforderungen und Herausforderungen der Therapieempfehlung angepasst. Zum anderen werden ein Modell-basierter CF-Ansatz (SLIM) und ein ML Algorithmus (GBM) erprobt. Alle genannten Ansätze werden anhand eines exemplarischen Therapieempfehlungssystems evaluiert, das auf die Behandlung der Autoimmunkrankheit Psoriasis abzielt. Um das Risiko der Empfehlung kontraindizierter oder gar gesundheitsgefährdender Medikamente zu reduzieren, werden Regeln aus evidenzbasierten Leitlinien und Expertenempfehlungen implementiert, um solche Therapieoptionen aus den Empfehlungslisten herauszufiltern. Insbesondere die Nachbarschafts-basierten CF-Algorithmen zeigen insgesamt kleine durchschnittliche Abweichungen zwischen geschätztem und tatsächlichem Therapie-Outcome. Auch die aus den Outcome-Schätzungen abgeleiteten Empfehlungen zeigen eine hohe Übereinstimmung mit der tatsächlich angewandten Behandlung. Die Modell-basierten Ansätze sind den Nachbarschafts-basierten Ansätzen insgesamt unterlegen, was auf den begrenzten Umfang der verfügbaren Trainingsdaten zurückzuführen ist und die Generalisierungsfähigkeit der Modelle erschwert. Im Vergleich mit menschlichen Experten sind alle untersuchten Algorithmen jedoch hinsichtlich Übereinstimmung mit der tatsächlich angewandten Therapie unterlegen. Eine objektive und effiziente Bewertung des Behandlungserfolgs kann als Voraussetzung für ein erfolgreiches ``Krankheitsmanagement'' angesehen werden. Daher wird in weiteren Untersuchungen für ausgwählten klinische Anwendungen der Einsatz von ML Methoden zur automatischen Quantifizierung von Gesunheitszustand und Therapie-Outcome erprobt. Zusätzlich, als weitere Quelle für Informationen über Therapiewirksamkeiten, wird der Einsatz von Sentiment Analysis Methoden zur Extraktion solcher Informationen aus Medikamenten-Bewertungen untersucht.Under most medical conditions and indications, a great variety of pharmaceutical drugs and drug combinations are available. Beyond that, trade-offs need to be found between the medical requirements and the patients' preferences and expectations in order to support patients’ satisfaction and adherence to treatments. As a consequence, the selection of an optimal therapy option for an individual patient poses a challenging task to prescribers. Clinical Decision Support Systems (CDSSs), which predict outcome as effectiveness and risk of adverse effects for available treatment options, can support this decision-making process and complement guideline-based decision-making where evidence from scientific literature is missing or inappropriate. To date, no such systems are available. Within this work, the application of methods from the Recommender Systems (RS) domain and Machine Learning (ML) in such decision support systems is studied. Due to their successful application in other recommender systems and good interpretability, neighborhood-based CF algorithms are transferred to the medical domain and are adapted to meet the requirements and challenges of the therapy recommendation task. Moreover, a model-based CF method (SLIM) and a state of the art ML algorithm (GBM) are employed. All algorithms are evaluated in an exemplary therapy recommender system, targeting the treatment of the autoimmune skin disease Psoriasis. In order to reduce the risk of recommending contraindicated or even health-endangering drugs, rules derived from evidence-based guidelines and expert recommendations are implemented to filter such options from the recommendation lists. Especially the neighborhood-based CF algorithms show small average errors between estimated and observed outcome. Also, the recommendations derived from outcome estimates show high agreement with the ground truth. The performance of both model-based approaches is inferior to the neighborhood-based recommender. This is primarily assumed to be due to the limited training data sizes, which renders generalizability of the learned models difficult. Compared with recommendations provided by various experts, all proposed approaches are, however, inferior in terms of agreement with the ground truth. An objective and efficient assessment of treatment response can be regarded a prerequisite for successful ``disease management''. Therefore, the use of ML methods for the automatic quantification of health status and therapy outcome for selected clinical applications is investigated in further experiments. Moreover, as additional source of information about drug effectiveness, the use of Sentiment Analysis, in order to extract such information from drug reviews, is investigated

Data-based Therapy Recommender Systems

Für viele Krankheitsbilder und Indikationen ist ein breites Spektrum an Arzneimitteln und Arzneimittelkombinationen verfügbar. Darüber hinaus stellen Therapieziele oft Kompromisse zwischen medizinischen Zielstellungen und Präferenzen und Erwartungen von Patienten dar, um Zufriedenheit und Adhärenz zu gewährleisten. Die Auswahl der optimalen Therapieoption kann daher eine große Herausforderung für den behandelnden Arzt darstellen. Klinische Entscheidungsunterstützungssysteme, die Wirksamkeit oder Risiken unerwünschter Arzneimittelwirkung für Behandlungsoptionen vorhersagen, können diesen Entscheidungsprozess unterstützen und \linebreak Leitlinien-basierte Empfehlungen ergänzen, wenn Leitlinien oder wissenschaftliche Literatur fehlen oder ungeeignet sind. Bis heute sind keine derartigen Systeme verfügbar. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Anwendung von Methoden aus der Domäne der Recommender Systems (RS) und des Maschinellen Lernens (ML) in solchen Unterstützungssystemen untersucht. Aufgrund ihres erfolgreichen Einsatzes in anderen Empfehlungssystemen und der einfachen Interpretierbarkeit werden zum einen Nachbarschafts-basierte Collaborative Filter (CF) an die besonderen Anforderungen und Herausforderungen der Therapieempfehlung angepasst. Zum anderen werden ein Modell-basierter CF-Ansatz (SLIM) und ein ML Algorithmus (GBM) erprobt. Alle genannten Ansätze werden anhand eines exemplarischen Therapieempfehlungssystems evaluiert, das auf die Behandlung der Autoimmunkrankheit Psoriasis abzielt. Um das Risiko der Empfehlung kontraindizierter oder gar gesundheitsgefährdender Medikamente zu reduzieren, werden Regeln aus evidenzbasierten Leitlinien und Expertenempfehlungen implementiert, um solche Therapieoptionen aus den Empfehlungslisten herauszufiltern. Insbesondere die Nachbarschafts-basierten CF-Algorithmen zeigen insgesamt kleine durchschnittliche Abweichungen zwischen geschätztem und tatsächlichem Therapie-Outcome. Auch die aus den Outcome-Schätzungen abgeleiteten Empfehlungen zeigen eine hohe Übereinstimmung mit der tatsächlich angewandten Behandlung. Die Modell-basierten Ansätze sind den Nachbarschafts-basierten Ansätzen insgesamt unterlegen, was auf den begrenzten Umfang der verfügbaren Trainingsdaten zurückzuführen ist und die Generalisierungsfähigkeit der Modelle erschwert. Im Vergleich mit menschlichen Experten sind alle untersuchten Algorithmen jedoch hinsichtlich Übereinstimmung mit der tatsächlich angewandten Therapie unterlegen. Eine objektive und effiziente Bewertung des Behandlungserfolgs kann als Voraussetzung für ein erfolgreiches ``Krankheitsmanagement'' angesehen werden. Daher wird in weiteren Untersuchungen für ausgwählten klinische Anwendungen der Einsatz von ML Methoden zur automatischen Quantifizierung von Gesunheitszustand und Therapie-Outcome erprobt. Zusätzlich, als weitere Quelle für Informationen über Therapiewirksamkeiten, wird der Einsatz von Sentiment Analysis Methoden zur Extraktion solcher Informationen aus Medikamenten-Bewertungen untersucht.Under most medical conditions and indications, a great variety of pharmaceutical drugs and drug combinations are available. Beyond that, trade-offs need to be found between the medical requirements and the patients' preferences and expectations in order to support patients’ satisfaction and adherence to treatments. As a consequence, the selection of an optimal therapy option for an individual patient poses a challenging task to prescribers. Clinical Decision Support Systems (CDSSs), which predict outcome as effectiveness and risk of adverse effects for available treatment options, can support this decision-making process and complement guideline-based decision-making where evidence from scientific literature is missing or inappropriate. To date, no such systems are available. Within this work, the application of methods from the Recommender Systems (RS) domain and Machine Learning (ML) in such decision support systems is studied. Due to their successful application in other recommender systems and good interpretability, neighborhood-based CF algorithms are transferred to the medical domain and are adapted to meet the requirements and challenges of the therapy recommendation task. Moreover, a model-based CF method (SLIM) and a state of the art ML algorithm (GBM) are employed. All algorithms are evaluated in an exemplary therapy recommender system, targeting the treatment of the autoimmune skin disease Psoriasis. In order to reduce the risk of recommending contraindicated or even health-endangering drugs, rules derived from evidence-based guidelines and expert recommendations are implemented to filter such options from the recommendation lists. Especially the neighborhood-based CF algorithms show small average errors between estimated and observed outcome. Also, the recommendations derived from outcome estimates show high agreement with the ground truth. The performance of both model-based approaches is inferior to the neighborhood-based recommender. This is primarily assumed to be due to the limited training data sizes, which renders generalizability of the learned models difficult. Compared with recommendations provided by various experts, all proposed approaches are, however, inferior in terms of agreement with the ground truth. An objective and efficient assessment of treatment response can be regarded a prerequisite for successful ``disease management''. Therefore, the use of ML methods for the automatic quantification of health status and therapy outcome for selected clinical applications is investigated in further experiments. Moreover, as additional source of information about drug effectiveness, the use of Sentiment Analysis, in order to extract such information from drug reviews, is investigated

Neighborhood Optimization for Therapy Decision Support

This work targets the development of a neighborhood-based Collaborative Filtering therapy recommender system for clinical decision support. The proposed algorithm estimates outcome of pharmaceutical therapy options in order to derive recommendations. Two approaches, namely a Relief-based algorithm and a metric learning approach are investigated. Both adapt similarity functions to the underlying data in order to determine the neighborhood incorporated into the filtering process. The implemented approaches are evaluated regarding the accuracy of the outcome estimations. The metric learning approach can outperform the Relief-based algorithms. It is, however, inferior regarding explainability of the generated recommendations

Therapy Decision Support Based on Recommender System Methods

We present a system for data-driven therapy decision support based on techniques from the field of recommender systems. Two methods for therapy recommendation, namely, Collaborative Recommender and Demographic-based Recommender, are proposed. Both algorithms aim to predict the individual response to different therapy options using diverse patient data and recommend the therapy which is assumed to provide the best outcome for a specific patient and time, that is, consultation. The proposed methods are evaluated using a clinical database incorporating patients suffering from the autoimmune skin disease psoriasis. The Collaborative Recommender proves to generate both better outcome predictions and recommendation quality. However, due to sparsity in the data, this approach cannot provide recommendations for the entire database. In contrast, the Demographic-based Recommender performs worse on average but covers more consultations. Consequently, both methods profit from a combination into an overall recommender system

Acceptance of a digital therapy recommender system for psoriasis

Abstract Background About 2% of the German population are affected by psoriasis. A growing number of cost-intensive systemic treatments are available. Surveys have shown high proportions of patients with moderate to severe psoriasis are not adequately treated despite a high disease burden. Digital therapy recommendation systems (TRS) may help implement guideline-based treatment. However, little is known about the acceptance of such clinical decision support systems (CDSSs). Therefore, the aim of the study was to access the acceptance of a prototypical TRS demonstrator. Methods Three scenarios (potential test patients with psoriasis but different sociodemographic and clinical characteristics, previous treatments, desire to have children, and multiple comorbidities) were designed in the demonstrator. The TRS demonstrator and test patients were presented to a random sample of 76 dermatologists attending a national dermatology conference in a cross-sectional face-to-face survey with case vignettes. The dermatologist were asked to rate the demonstrator by system usability scale (SUS), whether they would use it for certain patients populations and barriers of usage. Reasons for potential usage of the TRS demonstrator were tested via a Poisson regression with robust standard errors. Results Acceptance of the TRS was highest for patients eligible for systemic therapy (82%). 50% of participants accepted the system for patients with additional comorbidities and 43% for patients with special subtypes of psoriasis. Dermatologists in the outpatient sector or with many patients per week were less willing to use the TRS for patients with special psoriasis-subtypes. Dermatologists rated the demonstrator as acceptable with an mean SUS of 76.8. Participants whose SUS was 10 points above average were 27% more likely to use TRS for special psoriasis-subtypes. The main barrier in using the TRS was time demand (47.4%). Participants who perceived time as an obstacle were 22.3% less willing to use TRS with systemic therapy patients. 27.6% of physicians stated that they did not understand exactly how the recommendation was generated by the TRS, with no effect on the preparedness to use the system. Conclusion The considerably high acceptance and the preparedness to use the psoriasis CDSS suggests that a TRS appears to be implementable in routine healthcare and may improve clinical care. Main barrier is the additional time demand posed on dermatologists in a busy clinical setting. Therefore, it will be a major challenge to identify a limited set of variables that still allows a valid recommendation with precise prediction of the patient-individual benefits and harms