Vital signs-based prediction of intensive care length of stay in infants undergoing Tetralogy of Fallot repair

Tetralogy of Fallot (TOF) is the most common cyanotic congenital heart defect, and its surgical repair is generally performed in the first months of life. The analysis of continuously recorded vital signs may be able to capture the complex mechanisms that regulate the cardiovascular system, yielding important information for a precise evaluation of patients' clinical condition in the postoperative period. This thesis leverages a large amount of data collected in a uniform cohort of infants who underwent TOF correction and were admitted to the Cardiac Intensive Care Unit (CICU). The study focuses on continuous vital signs and clinical parameters related to the first 24 hours after surgery. The main objective is to predict the length of stay (LOS) in CICU by identifying the most important indices to stratify patients' severity. For this purpose, the following steps are performed: data preprocessing, vital signs indices computation, univariate analysis, and machine learning models implementation and evaluation. Models are developed in three phases: firstly, considering exclusively variables from clinical data, then solely features computed on vital signs indices, and lastly, both clinical and vital signs variables. Results of univariate analysis and models' variable importance indicate that infants with longer LOS tend to be younger, receive more intensive mechanical ventilation and inotropic support in the first postoperative hours, and are more likely to experience complications, such as arrhythmias. Furthermore, these patients report lower values of mean arterial pressure (MAP) and higher heart rate, which may increase the risk of hypotension and tachycardia, and higher values of central venous pressure (CVP). In particular, the MAP to CVP ratio resulted in a highly relevant variable in several models, as well as the relationship between CVP and diastolic blood pressure. Infants with a prolonged stay exhibit significantly elevated shock index values, and impaired baroreflex and cardiopulmonary reflex mechanisms in the initial 24 hours after surgery. This study shows that vital signs indices provide considerable contribution to the assessment of patients' severity, highlighting the importance of incorporating them into clinical practice.

La Tetralogia di Fallot (TOF) è il difetto cardiaco congenito cianotico più diffuso e la sua correzione chirurgica viene generalmente eseguita nei primi mesi di vita. L'analisi dei segnali vitali registrati in continuo potrebbe essere in grado di cogliere i complessi meccanismi che regolano il sistema cardiovascolare, fornendo informazioni importanti per una valutazione precisa della condizione dei pazienti nel periodo postoperatorio. Questa tesi sfrutta una grande quantità di dati raccolti in una popolazione uniforme di bambini sottoposti a correzione della TOF e ricoverati in Unità di Terapia Intensiva Cardiologica (UTIC). Lo studio si concentra su segnali vitali e parametri clinici relativi alle prime 24 ore dopo l'intervento. L'obiettivo principale è prevedere la durata del ricovero in UTIC individuando gli indici più importanti per stratificare la gravità dei pazienti. A tal fine, sono stati eseguiti i seguenti passaggi: preprocessing dei dati, calcolo degli indici dei segnali vitali, analisi univariata, implementazione e valutazione di modelli di machine learning. I modelli sono stati sviluppati in tre fasi: prima considerando esclusivamente le variabili dei dati clinici, poi solo features calcolate sugli indici dei segnali vitali, infine sia le variabili cliniche sia quelle dei segnali vitali. I risultati dell'analisi univariata e l'importanza delle variabili nei modelli indicano che i bambini con una degenza più lunga tendono ad essere più piccoli, ricevono una ventilazione meccanica e un supporto inotropo più intensi nelle prime ore post-operatorie, e hanno maggiori probabilità di sperimentare complicanze, come le aritmie. Inoltre, questi pazienti riportano valori più bassi di pressione arteriosa media (MAP) e frequenza cardiaca più elevata, che potrebbero aumentare il rischio di ipotensione e tachicardia, e valori più alti di pressione venosa centrale (CVP). In particolare, il rapporto tra MAP e CVP è risultato essere una variabile molto rilevante in diversi modelli, così come la relazione tra CVP e pressione arteriosa diastolica. I bambini con ricovero prolungato presentano valori significativamente elevati dell'indice di shock, e riflessi barocettivo e cardiopolmonare alterati nelle prime 24 ore dopo l'intervento. Questo studio dimostra che gli indici dei segnali vitali forniscono un notevole contributo alla valutazione della gravità dei pazienti, evidenziando l'importanza di incorporarli nella pratica clinica.