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A Comparison of Machine Learning Models for ICH Prognostication: An Analysis of ATACH-2 and Qatar Stroke Database

Published online by Cambridge University Press:  22 September 2026

Aizaz Ali*
Affiliation:
Neurology, The University of Toledo , USA
Umar Ayub
Affiliation:
Kohl’s Technology, USA
Hiba Naveed
Affiliation:
Neurology, Michigan State University Office of Health Sciences, USA
Naveed Akhtar
Affiliation:
Internal Medicine, University of Manitoba, Canada
Adnan Qureshi
Affiliation:
Neurology, University of Missouri, USA
Ashfaq Shuaib
Affiliation:
Stroke Program, University of Alberta, Canada
*
Corresponding author: Aizaz Ali; Email: aizaz92@hotmail.com
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Introduction:

Multiple prognostic scores have been developed to predict morbidity and mortality in patients with spontaneous intracerebral hemorrhage (sICH). These scoring models were traditionally based on statistical methods involving a limited set of variables. The advent of machine learning (ML) has enabled the development of several prognostic models for sICH that can leverage much more data.

Methods:

We trained ML models on two distinct datasets: (1) Qatar dataset only and (2) a combined dataset consisting of the Qatar and Antihypertensive Treatment of Acute Cerebral Hemorrhage II (ATACH-2) datasets. Model validation was conducted separately on the Qatar and ATACH test sets, providing insights into model performance within and across study populations. By incorporating inpatient variables into model development, we leveraged more information. We also compared models derived from admission-only variables with models derived from both admission and inpatient variables.

Results:

For 90-day mortality using combined training data, XGBoost (XGB) achieved the highest area under the curve (AUC) on the Qatar test set, while Random Forest achieved an AUC of 0.916 on the ATACH test set. For 90-day functional outcomes, Random Forest and XGB achieved AUCs of 0.882, respectively. Models trained using both admission and inpatient data outperformed admission-only models. Feature importance revealed important markers of prognostication such as hematoma expansion and status of intubation. Sensitivity analyses confirmed that results were robust to assumptions regarding follow-up imaging availability.

Conclusion:

Our study design mirrors a real-world deployment scenario in which a model developed at a single center is transported to external cohorts, while still preventing any information leakage from test data.

Résumé

RÉSUMÉ

Comparaison entre des modèles d’apprentissage automatique pour le pronostic de l’hémorragie intracérébrale : une analyse de l’ensemble des données de l’étude ATACH-2 et de la Qatar Stroke Database.

Introduction :

De nombreux scores pronostiques ont été élaborés pour prédire la morbidité et la mortalité chez les patients atteints d’hémorragie intracérébrale spontanée (HICS). Ces modèles reposaient traditionnellement sur des méthodes statistiques impliquant un ensemble limité de variables. L’avènement de l’apprentissage automatique (AA) a permis le développement de plusieurs modèles pronostiques pour l’HICS, lesquels sont capables d’exploiter un volume de données bien plus important.

Méthodes :

Nous avons entraîné des modèles d’AA en fonction de deux ensembles de données distincts : (1) l’ensemble de données de la Qatar Stroke Database (QSD) uniquement ; et (2) un ensemble combiné comprenant les données de la QSD et celles de l’étude Antihypertensive Treatment of Acute Cerebral Hemorrhage (ATACH-2). La validation des modèles a été réalisée séparément sur les ensembles de test de la QSD et de l’étude ATACH-2, ce qui a permis d’obtenir des informations au sujet des performances des modèles au sein de chaque population étudiée et entre celles-ci. En intégrant des variables relatives au séjour hospitalier dans le développement des modèles, nous avons pu traiter davantage d’informations. Nous avons également comparé entre eux les modèles dérivés uniquement des variables d’admission à ceux dérivés à la fois des variables d’admission et des variables relatives à un séjour hospitalier.

Résultats :

En ce qui concerne la mortalité au bout de 90 jours en fonction de données combinées d’AA, le modèle XGBoost a obtenu la surface sous la courbe (SSC) la plus élevée sur l’ensemble de test de la QSD, tandis que le modèle de Random Forest a atteint une SSC de 0,916 sur l’ensemble du test de l’étude ATACH-2. Pour les résultats fonctionnels au bout de 90 jours, le modèle de Random Forest et le XGBoost ont respectivement atteint des SSC de 0,882. Les modèles entraînés à partir de données d’admission et d’hospitalisation ont surpassé les modèles basés uniquement sur des données d’admission. L’analyse d’importance des caractéristiques a également mis en évidence des marqueurs pronostiques importants, tels que l’extension de l’hématome et les directives médicales relatives à l’intubation (status intubation). Des analyses de sensibilité ont par ailleurs confirmé la robustesse des résultats face aux hypothèses concernant la disponibilité des examens d’imagerie de suivi.

Conclusion :

La conception de notre étude reflète en somme un scénario de déploiement en conditions réelles dans lequel un modèle développé dans un seul établissement, tout en empêchant toute fuite d’informations issues des données de test, est transposé à des cohortes externes.

Information

Type
Original Article
Copyright
© The Author(s), 2026. Published by Cambridge University Press on behalf of Canadian Neurological Sciences Federation
Figure 0

Table 1. Baseline characteristics of ATACH-2 and Qatar ICH databaseTable 1 long description

Figure 1

Figure 1. Flowchart of patient selection in ATACH and Qatar databases. NIHSS = National Institutes of Health Stroke Scale; RBS = random blood sugar; anti-HTN = anti-hypertensive; anti-DM = anti-diabetic; EVD = external ventricular drain; ICU = intensive care unit; mRS = modified Rankin scale.

Figure 2

Figure 2. Figure 2 long description.AUC-ROC curves of the different machine learning models created using admission-only variables. AUC = area under the curve; ROC = receiver operating characteristic; MLP = multilayer perceptron; mRS = modified Rankin scale; TPR = true positive rate.

Figure 3

Figure 3. AUC-ROC curves of the different machine learning models created using both admission and inpatient variables. AUC = area under the curve; ROC = receiver operating characteristic; MLP = multilayer perceptron; mRS = modified Rankin scale; TPR = true positive rate.

Figure 4

Figure 4. Figure 4 long description.Feature importance graphs of functional outcomes (mRS) and mortality for models created using admission-only variables. mRS = modified Rankin scale; NIHSSADM = National Institutes of Health Stroke Scale on admission; GCSADM = Glasgow Coma Scale on admission; STROKEHX = stroke history; INRADM = International normalized ratio on admission; APTTADM = Activated Partial Thromboplastin Time on admission.

Figure 5

Figure 5. Feature importance graphs of functional outcomes (mRS) and mortality for models created using both admission and inpatient variables. mRS = modified Rankin scale; IVH = intraventricular hemorrhage; GCS = Glasgow Coma Scale; NIHSSADM = National Institutes of Health Stroke Scale on admission, GCSADM = Glasgow Coma Scale on admission; INRADM = International normalized ratio on admission.

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