Prediction of recurrence-free survival in patients with renal cell carcinoma and tumor thrombosis of the renal and inferior vena cava of levels I–II using an extended Cox model and machine learning methods

Cover Page

Cite item

Abstract

Aim – to compare the predictive accuracy of Cox regression and machine learning (ML) methods regarding recurrence-free survival in patients with locally advanced renal cell carcinoma after radical treatment. Additionally, to investigate an extended Cox model in which the risk function is formed using a neural network approximator (DeepSurv).

Material and methods. This study conducted a retrospective analysis of data from patients diagnosed with renal cell carcinoma who underwent radical nephrectomy with thrombectomy from the renal and inferior vena cava between 2007 and 2024 at the Federal State Budgetary Institution “RSC for Radiology and Surgical Technologies named after Academician A.M. Granov”. The study included 100 patients (54 men and 46 women). The median age was 61.5 years (IQR: 59.7–63). Of the total observations, disease progression was recorded in 41 cases, while in the remaining 59 cases, the data were censored. The models were evaluated based on the concordance index (C-index) and interpreted using SHAP analysis.

Results. The DeepSurv neural network model demonstrated higher predictive accuracy on the test dataset compared to the classical Cox model (C-index: 0.8056 vs. 0.7917, respectively). This indicates a superior ability of DeepSurv to rank patients by individual risk of disease progression. Using SHAP analysis, the key predictors contributing most significantly to the prognosis were identified: tumor size, ISUP grade, level of tumor thrombosis, and histological tumor type. The DeepSurv model enabled the capture of complex nonlinear interactions between features, thereby improving both the interpretability and clinical applicability of the results.

Conclusion. The obtained data confirm the feasibility of using machine learning methods for personalized prognosis and optimization of monitoring strategies in patients with RCC.

About the authors

Musabek K. Mirzabekov

Russian Scientific Center for Radiology and Surgical Technologies named after Academician A.M. Granov

Email: musabek.mirzabekoff@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0003-8365-7672

postgraduate student

Russian Federation, Saint Petersburg

Nikolai D. Tikhonskii

Altai State Medical University

Email: wirelessm8@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-3077-1776

lecturer at the Department of Physics and Informatics

Russian Federation, Barnaul

Mikhail I. Shkolnik

Russian Scientific Center for Radiology and Surgical Technologies named after Academician A.M. Granov

Email: shkolnik_phd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0589-7999

MD, Dr. Sci. (Medicine), chief researcher, Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

Oleg A. Bogomolov

Russian Scientific Center for Radiology and Surgical Technologies named after Academician A.M. Granov

Email: urologbogomolov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5860-9076

MD, Cand. Sci. (Medicine), senior researcher, Associate professor

Russian Federation, Saint Petersburg

Nina V. Trukhacheva

Altai State Medical University

Author for correspondence.
Email: tn10@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7894-4779

Cand. Sci. (Pedagogics), Associate professor of the Department of Physics and Informatics

Russian Federation, Barnaul

References

  1. Cox DR. Regression models and life tables. Journal of the Royal Statistical Society: Series B. 1972;34(2):187-220. doi: 10.1111/j.2517-6161.1972.tb00899.x
  2. Reva SA, Shaderkin IA, Zyatchin IV, Petrov SB. Artificial intelligence in cancer urology. Experimental and Clinical Urology. 2021;14(2):46-51. [Рева С.А., Шадеркин И.А., Зятчин И.В., и др. Искусственный интеллект в онкоурологии. Экспериментальная и клиническая урология. 2021;14(2):46-51]. doi: 10.29188/2222-8543-2021-14-2-46-51
  3. Du M, Haag DG, Lynch JW, et al. Comparison of the tree-based machine-learning algorithms to Cox regression in predicting the survival of oral and pharyngeal cancers: analyses based on SEER database. Cancers. 2020;12(10):2802. doi: 10.3390/cancers12102802
  4. Qiu X, Gao J, Yang J, et al. A comparison study of machine learning (random survival forest) and classic statistic (Cox proportional hazards) for predicting progression in high-grade glioma after proton and carbon ion radiotherapy. Frontiers in Oncology. 2020;10:551420. doi: 10.3389/fonc.2020.551420
  5. Lundberg SM, Lee S-I. A unified approach to interpreting model predictions. Advances in Neural Information Processing Systems. 2017;30:4765-4774.
  6. Gonen M, Heller G. Concordance probability and discriminatory power in proportional hazards regression. Biometrika. 2005;92(4):965-970. doi: 10.1093/biomet/92.4.965
  7. Liu Y, Zhou S, Wei H, An S. A comparative study of forest methods for time-to-event data: variable selection and predictive performance. BMC Medical Research Methodology. 2021;21(1):193. doi: 10.1186/s12874-021-01386-8
  8. Katzman JL, Shaham U, Cloninger A, et al. DeepSurv: personalized treatment recommender system using a Cox proportional hazards deep neural network. BMC Medical Research Methodology. 2018;18(1):24. DOI: https://doi.org/10.1186/s12874-018-0482-1
  9. Alabi RO, Elmusrati M, Leivo I, et al. Machine-learning explainability in nasopharyngeal cancer survival using LIME and SHAP. Scientific Reports. 2023;13(1):8984. doi: 10.1038/s41598-023-35795-0
  10. Kantidakis G, Putter H, Lancia C, et al. Survival prediction models since liver transplantation – comparisons between Cox models and machine-learning techniques. BMC Medical Research Methodology. 2020;20(1):277. doi: 10.1186/s12874-020-01153-1
  11. Byun S-S, Heo TS, Choi JM, et al. Deep-learning-based prediction of prognosis in non-metastatic clear cell renal cell carcinoma. Scientific Reports. 2021;11(1):1242. doi: 10.1038/s41598-020-80262-9
  12. GraphPad Software. Multicollinearity in Cox proportional hazards regression. URL: https://www.graphpad.com/guides/prism/latest/statistics/stat_cox_reg_results_multicollinearity.htm
  13. Moncada-Torres A, van Maaren MC, Hendriks MP, et al. Explainable machine learning can outperform Cox regression predictions and provide insights in breast-cancer survival. Scientific Reports. 2021;11(1):6968. doi: 10.1038/s41598-021-86327-7
  14. Park H, Jeong CW, Yuk H, et al. Influence of tumor thrombus on occurrence of distant venous thromboembolism and survival in patients with renal cell carcinoma after surgery. Clinical and Applied Thrombosis/Hemostasis. 2019;25:1076029618823288. doi: 10.1177/1076029618823288
  15. Shin D, Lim B, Song C, et al. Comparative analysis of oncologic outcomes in surgically treated patients with renal cell carcinoma and renal-vein thrombosis by pathologic subtypes. Scientific Reports. 2025;15(1):15946. doi: 10.1038/s41598-025-00452-1
  16. Yang B, Liu C-X, Wu R, et al. Development and validation of a DeepSurv nomogram to predict survival outcomes and guide personalized adjuvant chemotherapy in non-small-cell lung cancer. Frontiers in Oncology. 2022;12:895014. doi: 10.3389/fonc.2022.895014
  17. Schulz S, Woerl A-C, Jungmann F, et al. Multimodal deep learning for prognosis prediction in renal cancer. Frontiers in Oncology. 2021;11:788740. doi: 10.3389/fonc.2021.788740
  18. Mahootiha M, Qadir HA, Aghayan D, et al. Deep-learning-assisted survival prognosis in renal cancer: a CT-scan-based personalized approach. Heliyon. 2024;10(2):e24374. doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e24374

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure 1. Results of predictor analysis using the SHAP method.

Download (17KB)

Copyright (c) 2025 Mirzabekov M.K., Tikhonskii N.D., Shkolnik M.I., Bogomolov O.A., Trukhacheva N.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».