JP7165266B2 - 被検体の危険度を評価して危険度に基づいて被検体を分類する方法及びそれを用いた装置 - Google Patents

被検体の危険度を評価して危険度に基づいて被検体を分類する方法及びそれを用いた装置 Download PDF

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Description

本発明は被検体の危険度を評価して危険度に基づいて被検体を分類する方法およびそれを用いたコンピューティング装置に関する。具体的には、本発明による方法によれば、コンピューティング装置が被検体の統合データを得るが、この統合データは被検体の患者データまたはそれを加工したデータとして数値化されたデータであり、その後、この統合データを被検体の危険度評価のための機械学習モデル(machine learning model)に適用することにより危険度を評価した結果として上記分類の結果を生成し、生成された分類結果を外部エンティティ(entity)に提供する。
医療臨床において、心停止、敗血症のような被検体、即ち、患者の致死的症状は、その発生後、生存退院率が非常に低い危険な現象である。例えば、心停止の場合、生存退院率が20~30%に過ぎない。このような心停止は、その発生前に身体データ、特に生体信号(biosignal or vital signs)に変化があるので、ある程度早期予測が可能であるが、従来の予測方式では正確度が低いという問題がある。これは予測が主に担当看護師や医者のような医療専門家の経験や知識に依存するためであり、個人の力量によって被検体或いは患者の危険度の評価が非常に異なる傾向がある。またかかる評価自体のための医療資源、例えば、応急医学科の人力も足りない実情である。
したがって、患者の危険度を正確に評価する一方、限られた医療資源をもって増加する応急医療需要を効率的に管理する必要がある。例えば、救急救命室の到着後に再移送された重症患者の死亡率は4倍程度高い。再移送の理由としては、救急救命室病室の制限が40%程度であり、医療チーム不足が32%程度の比率を占める。
従来、韓国ではこれを解決するために、“Korean Triage and Acuity Scale”という方法が用いられたが、そこには3つの問題があった。即ち、実際正確度が低く、主観的な判断が必要であるので、医療チームの間でもその結果に差があるだけではなく、意思決定自体も迅速ではないという問題がある。
したがって、この開示書では、救急救命室におけるより正確かつ迅速な患者分類を可能にする方案として、高危険患者を優先して診療するようにする危険度基盤の被検体分類方法を提案する。
先行文献としては韓国特許文献KR10-1841222Bが挙げられる。
韓国特許第10-1841222号(KR10-1841222B)
本発明は、救急救命室のような医療現場またはそのような医療現場に到着する前に被検体に致命的な症状などが現れる危険度に基づいて診療などの適切な医療処置の優先順位を設定したり適合な移送病院などを選択したりすることを目的とする。
具体的には、本発明は、客観的なデータを用いることにより患者を迅速に分類することを目的とする。
上述した本発明の目的を達成し、後述する本発明の特徴的な効果を実現するための本発明の特徴的な構成は以下の通りである。
本発明の一態様によると、被検体の危険度を評価してこの危険度によって被検体を分類する方法が提供され、この方法は、(a)コンピューティング装置が、被検体の統合データを得るかまたはコンピューティング装置に連動する他の装置をして得るように支援する段階であって、統合データは被検体の患者データまたはそれを加工したデータであり、数値化されたデータを含む段階;(b)コンピューティング装置が、統合データを被検体の危険度評価のための機械学習モデル(madiine learning model)に適用することにより危険度を評価した結果として前記分類の結果を生成するかまたは他の装置をして生成するように支援する段階;および(c)コンピューティング装置が、生成された分類結果を外部エンティティ(entity)に提供するかまたは他の装置をして提供するように支援する段階を含む。
好ましくは、この方法はさらに(d)分類結果を評価した情報に基づいて、コンピューティング装置が、機械学習モデルを更新するかまたは他の装置をして更新するように支援したりする段階を含む。
本発明の他の態様によれば、本発明による方法を行うように具現された指示語(instructions)を含むコンピュータプログラムが提供される。
本発明のさらに他の態様によると、被検体の危険度を評価して危険度によって被検体を分類するコンピューティング装置が提供され、このコンピューティング装置は、被検体の統合データを得る通信部;および(i)統合データを被検体の危険度評価のための機械学習モデル(machine learning model)に適用することにより危険度を評価した結果として前記分類の結果を生成するプロセス;および(ii)生成された分類結果を外部エンティティ(entity)に提供するプロセスを行うかまたは通信部を介して連動する他の装置をして行うように支援するプロセッサーを含み、前記統合データは被検体の患者データまたはそれを加工したデータであり、数値化されたデータを含む。
好ましくは、コンピューティング装置のプロセッサーは、分類結果を評価した情報に基づいて機械学習モデルを更新するプロセスをさらに行うかまたは他の装置をしてさらに行うように支援する。
この開示書の例示的な実施例によれば、従来の医療専門家らが彼らの経験や知識に依存して患者の危険を判定して分類する方式に比べてより迅速に致命的症状のような所定の症状が現れる可能性によって患者を分類できるという効果がある。即ち、医療現場で患者の危険度を判断して診療の優先順位を設定したり患者の危険度に適する病室または病院を推薦したりすることができる。
これにより医療チームの時間を節約して、より多い患者の安全を確保することができる。
また例示的な実施例によれば、従来の医療現場で記録された患者データをそのまま使用できるので、新しいシステム構築がなくても医療現場でのワークフロー(workflow)を革新することができる。
この開示書による実施例の説明に利用されるために添付された以下の図面は、この開示書による実施例の一部に過ぎず、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者(以下、”通常の技術者”という)であれば、発明的作業がなくても、この図面に基づいて他の図面を得ることができる。
本発明の一実施例に使用される機械学習モデルの例示であって、循環神経網(recurrent neural network;RNN)を説明するための主要概念を示す図である。 本発明の一実施例によって被検体の危険度を評価して危険度によって被検体を分類する方法(以下、”危険度基盤の被検体分類方法”という)を行うコンピューティング装置の例示的な構成を概略的に示した概念図である。 本発明の一実施例による危険度基盤の被検体分類方法を行うコンピューティング装置のハードウェアおよびソフトウェアのアーキテクチャーを例示的に示した概念図である。 本発明の一実施例で行われる患者データの統合を例示するための第1例示図である。 本発明の一実施例で行われる患者データの統合を例示するための第2例示図である。 本発明の一実施例において敵対的生成ネットワーク(GAN;generative adversarial networks)を用いて類似する所定の症状発生データを生成する方式を例示するために概念的に示した図である。 本発明の一実施例による危険度基盤の被検体分類方法の各段階を例示するフローチャートである。
後述する本発明についての詳しい説明は、本発明の目的、技術的解法および長所を明らかにするために本発明が実施できる特定の実施例を例示する添付図面を参照する。これらの実施例は、通常の技術者が本発明を十分に実施できるように詳しく説明する。添付図面を参照して説明することにおいて、図面符号に関係なく同じ構成要素は同じ参照番号を付してこれについての重複説明は省略する。
実施例についての特定の構造的または機能的な説明は単に例示のために開示されたものであり、様々な形態に変更して実施することができる。よって、実施例は特定の開示形態に限られず、この明細書の範囲は技術的思想に含まれる全ての変換、均等物または代替物を含む。
第1または第2などの用語は様々な構成要素を説明するために使用されるが、これらは1つの構成要素を他の構成要素と区別する目的でのみ使用される。例えば、第1構成要素は第2構成要素と命名してもよく、同様に第2構成要素を第1構成要素と命名してもよい。
ある構成要素が他の構成要素に“連結されて”いるとは、その他の構成要素に直接連結されていたりまたは接続されていることもできるが、中間に他の構成要素が存在することもできることに理解すべきである。
単数の表現は文脈上明白に違う意味でない限り、複数の表現を含む。また本明細書において、“含む”または“有する”などの用語は、記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するためのものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものなどの存在または付加可能性を予め排除するものではないことに理解すべきである。
別に定義されない限り、技術的或いは科学的な用語を含んで、この明細書で使用される全ての用語は、該当技術分野における通常の知識を有すう者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義されている用語は、関連技術の文脈上意味と一致するものと解釈されなければならず、この明細書において明白に定義しない限り、理想的であるか、過渡に形式的な意味を有するものと解釈されてはいけない。
また、この開示書の詳しい説明および請求範囲において、‘学習’或いは‘ラーニング’は手順によるコンピューティング(computing)を介して機械学習(machine learning)を行うことを意味するが、人間の教育活動のような精神的作用を称するように意図されていないことが通常の技術者には理解されよう。
また、この開示書の詳しい説明および請求範囲において、‘患者データ’という用語およびその変形は、身体データ、即ち、ユーザの身体を評価したテキストや使用者の身体から測定される様々な種類のデータ、例えば、生体信号(biosignal)および体成分データのうちのいずれかを含むだけではなく、患者扱いに関連する様々な非身体データ、例えば、所在医療機関の種類、位置、他の隣接医療機関の所在或いは患者との距離などを含む概念であると理解しなければならず、かかる患者データは、例えば、使用者の身体との接触により測定されるが、それに限定されないことが通常の技術者に理解されよう。例えば、提供される患者データには、体重、体脂肪率、骨格筋量、体脂肪量、体水分量、除脂肪量(FFM;fat-free mass)、FFMI(除脂肪量/身長)、SMMI(骨格筋量/身長)、BFMI(体脂肪量/身長)、BMI(体重/身長)、ASM(足および腕の筋肉量)、PBF(体脂肪量/体重)および血圧などがある。
また、この開示書の詳しい説明および請求範囲において、‘生体信号(biosignal)’は、対象者の体温、心電図、呼吸、脈拍、血圧、酸素飽和度、皮膚伝導度などの測定値を称する通常の意味のみに限定して解釈してはいけず、脳波信号、その他の測定により得られる生物学的試料のうちの特定物質の量、濃度なども含むものと理解すべきである。
ここで‘生物学的試料’は被検体の血液、血清、小便、リンパ液、脳脊髄液、唾液、精液、膣分泌液などの被検体から得られる様々な種類の物質であると理解すべきである。
また、この開示書の詳しい説明および請求範囲において、‘致命的症状(fatal symptoms)’という単語およびその変形は、本発明が適用される対象の一例である心停止(cardiac arrest)に限定されず、敗血症のように時系列的変化によって被検体の命に大きな危険をもたらす様々な臨床的現象を含む概念である。また、‘所定の症状(Specific symptoms)’という単語およびその変形は、致命的症状を含めて臨床で有意味に確認できる様々な症状を称する用語である。
さらに本発明は、この明細書に記載した実施例の全ての可能な組み合わせを網羅する。本発明の多様な実施例は互いに異なるが、相互排他的である必要はない。例えば、ここに記載されている特定の形状、構造および特徴は、一実施例に関して本発明の思想および範囲を外れずに他の実施例として具現されてもよい。また、それぞれの開示された実施例内の個別の構成要素の位置または配置は、本発明の思想および範囲を外れずに変更され得る。よって、後述する詳細な説明は限定的な意味で取られるのではなく、本発明の範囲は適切に説明されるのであれば、その請求範囲が主張するものと均等な全ての範囲と共に添付した請求範囲によってのみ限られる。図面において、類似した参照符号は様々な側面にわたって同一または類似する機能を表す。
この明細書において、異なるように表示されるか明白に文脈に矛盾しない限り、単数に称された項目は、その文脈で異なるように要求されない限り、複数のものを併せる。また、本実施例を説明するにあたって、関連する公知の構成または機能に対する具体的な説明が本実施例の要旨を曖昧にするものと判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
以下、添付図面を参照しながら、通常の技術者が本発明を容易に実施できる好ましい実施例について詳しく説明する。
図1は本発明の一実施例に使用される機械学習モデルの例示であって、循環神経網(recurrent neural network;RNN)を説明するための主要概念を示す図である。
図1を参照すると、本発明で使用される機械学習(machine learning)モデルのうち、深層神経網モデルは人工神経網を多層に重ねた形態であると簡略に説明できる。即ち、これは、深い構造のネットワークという意味で深層神経網或いはディープニューラルネットワーク(deep neural network)とも表現され、多層のネットワークからなる構造で多量の分析対象データを学習することによりそれぞれの分析対象データの特徴、分析対象データの間の関係を自動に学習し、これにより目的関数、即ち、所定の症状の予測結果の誤差(error)を最小化する方式で学習を行う機械学習モデルである。
本発明で活用される深層神経網モデルの一例である循環神経網(recurrent neural network;RNN)は、図1に示すように、順に入力される時系列的なデータを分析するときに利用される。この深層神経網は、時間順によるデータの特徴を探し、以前時点の特徴のうち、現在時点を分析するときに参照すべき主要特徴を選別して反映する構造である。例えば、図1を参照すると、この深層神経網がt+1時点に入力されたデータを分析する場合、t-1時点、t時点に分析した主要特徴を反映した学習により該当データを分析することができる。このように本発明は、循環神経網の構造を用いてデータの時間による変化を抽出して所定の症状を予測することにより患者の危険度評価に活用できるという長所がある。
要するに、時系列的順序、時間の流れ或いは時間軸に沿って展開される循環神経網は、無限個の層を有する深層神経網であると理解できるので、図1を参照すると、xはt時点での入力ベクトルを指し、sはt時点での隠れ状態(hidden state)(即ち、神経網の記憶)を指す。
また図1に概念的に示した循環神経網は、s=f(Ux+Wst-1)とy=g(Vs)の式に従う。これらを一般化した神経網は、s=f(x,st-1,U,…)とy=g(s、U,…)、U=U、W=U、V=Uの式に従い、iは3以上である。
参考として、図1にyはoと表示されている。ここで、fは活性化関数(activation function)(例えば、tanh()およびReLU関数)を示し、U、V、Wは神経網のパラメータを示す。ここで、U、V、Wは順伝播型神経網(feedforward neural network)とは異なり、循環神経網では全時点の段階にわたって等しく共有されるパラメータである。gは出力層(output layer)のための活性化関数(典型的にはsoftmax関数がある)であり、yはt時点での上記神経網の出力ベクトルを示す。このような循環神経網を利用するこの開示書による実施例については以下に詳しく説明する。
次に、図2は本発明の一実施例による危険度基盤の被検体分類方法を行うコンピューティング装置の例示的な構成を概略的に示す概念図である。
図2を参照すると、本発明の一実施例によるコンピューティング装置200は、通信部210およびプロセッサー220を含み、通信部210を介して外部コンピューティング装置(図示せず)と直間接的に通信することができる。
具体的には、コンピューティング装置200は、典型的なコンピュータハードウェア(例えば、コンピュータ、プロセッサー、メモリ、ストレージ)、入力装置および出力装置、その他の既存のコンピューティング装置の構成要素を含む装置;ルータ、スイッチなどの電子通信装置;ネットワークアタッチドストレージ(NAS;network-attached storage)およびストレージエリアネットワーク(SAN;storage area network)のような電子情報ストレージシステム)とコンピュータソフトウェア(即ち、コンピューティング装置をして特定の方式に機能させる命令語)の組み合わせを用いて所望のシステム性能を達成するものである。ストレージはハードディスク、USB(universal serial bus)メモリのような記憶装置だけではなく、クラウドサーバーのようなネットワーク連結基盤の貯蔵装置の形態を含む。
このようなコンピューティング装置の通信部210は、連動する他のコンピューティング装置との間で要請と応答を送受信する。一例として、かかる要請と応答は同一のTCP(transmission control protocol)セッションによって行われるが、それに限られない。例えば、UDP(user datagram protocol)データグラム(datagram)として送受信されることもできる。
具体的には、通信部210は、通信インターフェースを含む通信モジュールの形態で具現される。例えば、通信インターフェースは、WLAN(wireless LAN)、WiFi(wireless fidelity) Direct、DLNA(登録商標)(digital living network alliance)、Wibro(wireless broadband)、Wimax(world interoperability for microwave access)、HSDPA(high speed downlink packet access)などの無線インターネットインターフェースとブルートゥース(登録商標)(BluetoothTM)、RFID(radio frequency identification)、赤外線通信(infrared data association;IrDA)、UWB(ultra-wideband)、ZigBee、NFC(near field communication)などの近距離通信インターフェースを含む。さらに通信インターフェースは外部と通信可能な全てのインターフェース(例えば、有線インターフェース)を指す。
例えば、通信部210は、このように適する通信インターフェースを介して外部装置から使用者の生体信号、血液検査データのような身体データおよび非身体データを含む患者データなどを得ることができる。さらに広い意味では、通信部210は命令語または指示などを伝達するためのキーボード、マウス、その他の外部入力装置、印刷装置、ディスプレイ、その他の外部出力装置を含むか、またはこれらに連動することができる。
またコンピューティング装置のプロセッサー220は、MPU(micro processing unit)、CPU(central processing unit)、GPU(graphics processing unit)、NPU(neural processing unit)またはTPU(tensorprocessing unit)、キャッシュメモリ(cachememory)、データバス(databus)などのハードウェア構成を含む。さらに運営体制、特定の目的を行うアプリケーションのソフトウェア構成を含むこともできる。
図3は本発明の一実施例による危険度基盤の被検体分類方法を行うコンピューティング装置のハードウェアおよびソフトウェアアーキテクチャーを例示する概念図である。
図3を参照して、本発明による方法および装置の構成を説明すると、コンピューティング装置200は、一つの構成要素としてデータ獲得モジュール310を含む。このデータ獲得モジュール310がコンピューティング装置200に含まれた通信部210または通信部210およびプロセッサー220の連動により具現されることは通常の技術者が理解できるであろう。
データ獲得モジュール310は、被検体の患者データ、例えば、生体信号、血液検査データのような身体データおよび被検体或いは患者扱いに関連する様々なデータ、例えば、所在する医療機関の種類、位置、他の隣接医療機関の所在或いは患者との距離などを含む非身体データを得ることができる。例えば、これらのデータは被検体の電子義務記録(electronic medical record;EMR)から得られるものであるが、それに限られない。
次に上記患者データは患者情報統合モジュール320に伝達されるが、データ統合モジュール320では患者データに含まれた数値データとテキストで表現可能なデータを統合して数値化された統合データを生成する。ここで、テキストで表現可能なデータとは、テキスト自体または音声データを含む。勿論、診療記録(clinical note)および処方箋もテキストで表現可能なデータに含まれる。例えば、生体信号は数値で表現され、主訴症状(chief complaint)はテキストで表現可能なデータであるなど、初期の患者データは様々な形態で表現されているが、それらを機械学習に容易に利用するためには、同じ形態を有するように変形することが好ましい。以下、かかるデータ統合について具体的に説明する。
図4は本発明の一実施例で行われる患者データの統合を例示するための第1例示図であり、図5は患者データの統合を例示するための第2例示図である。
図4を参照すると、テキストデータを数値データに変換する一例が示されている。テキストデータの一例である地域応急センターの情報は、まずカテゴリ化データ410で表現でき、このカテゴリ化データ410は再度数値形態420で表現できる。例えば、テキストデータをカテゴリ化データ410に、カテゴリ化データ410を数値420の形態に加工する一つの方案として、ワード埋め込み(wordembedding)技術、例えば、word2vec技術を利用できる。
図4にはテキストデータの他の一例である圏域応急センターの情報がカテゴリ化データ430で表現されたものと、そのカテゴリ化データ430が再度数値形態440に加工される例示も示されている。勿論、テキストデータは1個の単語だけではなく、複数個の単語を含むので、この場合、テキストデータに含まれたそれぞれの単語に対してカテゴリ化および数値形態の加工が行われる。
しかし、テキストが数値で表現されたデータは、元来数値形態である数値データに比べて訓練にもっと多い影響を及ぼすので、データが機械学習に均一に反映されない問題が発生し得る。これは、例えば、図5に示すように、地域応急センターはカテゴリ化510を経て4x1行列のデータ520で表現される反面、心拍数(heart rate)530は1x1で表現できるためである。
本発明者はこれを解決するために、数値データも、テキストがカテゴリ化により数値で表現されたような形態に変換されるようにした。即ち、図5を参照すると、心拍数は0.00~0.25のクラス、0.25~0.50のクラス、0.50~0.75のクラスおよび0.75~1.00のクラスのようにカテゴリ表現することができるので、このとき、心拍数0.7をカテゴリ化すると、(0,0,1,0)のように表現される(540)。このカテゴリ化データは再度数値形態550に変換することができ、かかる変換の一案としては、上述したようなワード埋め込みなどがある。参考として、図5に示す心拍数は、0乃至1.0の値を有するようにスケーリング(或いは正規化、normalization)された値であるが、これは機械学習、特に、人工神経網の入出力値に適合化されたものであるので、このように数値データが0乃至1.0の値を有するようにスケーリングされることができる。
このようにカテゴリ化を経て数値化された数値データは、テキストが数値で表現されたデータと同じ形態を有し得るので、いわゆる、統合(integration)と呼ぶことができる。
即ち、数値形態である統合データは、被検体の患者データまたはそれを加工したデータであって、数値化されたデータであり、被検体の危険度評価のための機械学習基盤の予測モジュール340に伝達される。機械学習基盤の予測モジュール340は、被検体の危険度を評価した結果として分類の結果を生成する機能を果し、具体的な過程については後述する。
一方、機械学習基盤の予測モジュール340の訓練のための訓練モジュール330では、提供された統合データをそのまま利用するが、この場合、ほとんどの統合データは(正常であるので)該当患者が救急救命室を退院できる状態である反面、危険度が高い患者の統合データはその数が少ないという問題、いわゆる、データの不均衡(data imbalance)の問題があるので、機械学習モデルでは正常なデータを主として訓練が行われる状況になる。
これを解決するために、この開示書では、訓練モジュール330が、高危険度の患者、例えば、心停止のような所定の症状発生に該当する患者の統合データを十分に考慮できる方式を取る。具体的には、訓練モジュール330では、入力された統合データのサンプル比率(Sample ratio)を調節して、初期には所定の症状発生データのみを学習するか、或いは所定の症状発生データを主として学習した後、所定の症状発生データと正常なデータを同一または類似する比率で同時に学習することができる。
しかし、医療現実上、実際得られる正常なデータに比べて所定の症状発生データの数が顕著に少ないので、所定の症状発生データの代用として実際と類似する類似所定の症状発生データを生成してそれを同時学習に用いることができる。実際と類似するデータを得る手段には、敵対的生成ネットワーク(GAN;generative adversarial networks)、変分自己符号化器(variational autoencoder)などを含み、通常の技術者に広く知られた様々な手段がある。例えば、敵対的生成ネットワークの具体的な構成は、Goodfellow,Ian J.;Pouget-Abadie,Jean;Mirza,Mehdi;Xu、Bing;Warde-Farley、David;Ozair,Sheqil;Courville,Aaron;Bengio,Yoshua(2014)。“Generative Adversarial Networks”に開示されている。
図6は本発明の一実施例において敵対的生成ネットワーク(GAN;generative adversarial networks)を用いて類似所定の症状発生データを生成する方式を例示するために概念的に示した図である。
図6を参照すると、この実施例において、訓練モジュール330に含まれる敵対的生成ネットワーク(GAN)は、生成器(generator)332および判別機(discriminator)334を含む。生成器は所定のラベル(label)の入力を受けて、それに基づいて実際と類似する類似所定の症状発生データを生成することにより、判別機をごまかしてその類似所定の症状発生データを実際の所定の症状発生データと判別することを目標とする反面、判別機は実際の所定の症状発生データと生成された類似所定の症状発生データを互いに区分することを目標とする。このGANによる学習が進行される過程において、生成器と判別機はそれぞれの目標を達成するために神経網加重値を更新するので、十分な学習後には生成器が実際と類似する類似所定の症状発生データを生成し、判別機による判別率が理論的に0.5に収斂することが明らかになっている。
結果的には、GANによって十分に学習された生成器は、実際の所定の症状発生データに近いデータ(即ち、類似所定の症状発生データ)を生成するので、データの不均衡の問題を解決して、所定の症状発生データと正常なデータを同時に学習するための所望のサンプル比率を得ることができる。生成器は実際に類似する類似所定の症状発生データを正常なデータに相当する程度に十分に生成できるためである。もちろん、上記の説明がこの開示書の実施例をGANを用いたものに限定しようとすることではないことを通常の技術者は理解できるであろう。
次に、更新モジュール350は、被検体の所定の症状予測に用いられる機械学習基盤の予測モジュール340(或いはより厳しくは、機械学習モジュールで採用された機械学習モデル)を予め学習するか、または本発明の方法による分類結果を(医療チームなどが)評価した情報に基づいて機械学習モデルを更新する機能をする。
以下、図7を参照しながら、本発明による危険度基盤の被検体分類方法について具体的に説明する。図7は本発明の一実施例による危険度基盤の被検体分類方法を例示するフローチャートである。
図7を参照すると、本発明による危険度基盤の被検体分類方法は、まずコンピューティング装置200の通信部210によって具現(或いは実行)されるデータ獲得モジュール310が、被検体の統合データを得るかまたはコンピューティング装置に連動する他の装置をして得るように支援する段階S120、S140を含む。統合データは被検体の患者データS120またはそれを加工したデータであり、数値化されたデータS140である。
段階S120の一実施例では、コンピューティング装置200のプロセッサー220により具現されるデータ統合モジュール320が、患者データのうち、数値化されていないデータをカテゴリ化してカテゴリ化データを生成し、カテゴリ化データを数値形態に加工することにより数値化されていないデータを数値化することができる。上記図4を参照して説明したように、数値化されていないデータがカテゴリ化されて生成されたカテゴリ化データの例示は図4に示した参照符号410および430の通りであり、そのカテゴリ化データが数値形態に加工された結果の例示は図4に示した参照符号420および440の通りである。
好ましくは、この実施例の段階S120において、データ統合モジュール320が、数値化されていないデータの数値化した結果に対応するように、患者データのうち、数値化されているデータに対してカテゴリ化および数値形態の加工を行うことができる。上記図5を参照して説明したように、数値化されていないデータ(例えば、地域応急センター)の数値化した結果の例示は図5に示した参照符号520の通りであり、患者データのうち、数値化されているデータ(例えば、心拍数)に対してカテゴリ化を行った結果およびその結果に再度数値形態の加工を行った結果はそれぞれ図5に示した参照符号540および550の通りである。
次に、図7を参照すると、危険度基盤の被検体分類方法は、コンピューティング装置200のプロセッサー220により具現される機械学習基盤の予測モジュール340が、段階S120、S140での統合データを被検体の危険度評価のための機械学習モデル(machine learning model)に適用することにより危険度を評価したS200結果として上記分類の結果を生成するかまたは他の装置をして生成するように支援するS300段階S200、S300をさらに含む。
ここで、被検体の危険度は少なくとも4つのクラスに分類できるが、その4つのクラスは、例えば、退院可能な患者、要入院患者、集中治療室要治療患者および死亡に近接した患者である。
具体的には、危険度の評価S200は、危険度が高い、例えば、心停止のような所定の症状発生の予測により行われ、そのために、機械学習モデルが統合データの現在時点tから所定の時間間隔n後の時点であるt+n時点まで所定の症状発生を予測した結果が用いられる。
具体的な一例として、機械学習モデルには循環神経網(recurrent neural network)モデルのような深層神経網モデルが含まれ、これはプロセッサー220により行われる。上述したように、s=f(Ux+Wst-1)とy=g(Vs)の式に従う循環神経網(これをより一般化した深層神経網はs=f(x,st-1,Ui,…)とy=g(s,U,…)、U=U、W=U、V=Uの式に従い、iは3以上である)において、xはt時点での入力ベクトルである統合データまたは統合データから加工された値を指すが、統合データから加工された値とは、例えば、統合データの(以前時点から該当時点への)変化量または変化量の変化量である。
さらに、sはt時点での循環神経網モデルの記憶に相応する隠れ状態(hidden state)を指し、st-1はt-1時点での隠れ状態を指し、U、VおよびWは循環神経網モデルの全時点にわたって等しく共有される神経網パラメータを指し、fは隠れ状態を算出するように選択された所定の第1活性化関数を指し、yはt時点での循環神経網モデルによる潜在的特徴(latent feature)である出力層を指し、gは出力層を算出するように選択された所定の第2活性化関数を指す。
具体的には、本発明による機械学習モデルのうち、前半部(図示せず)はt時点での統合データを参照して統合データ間の関係を反映する機能を果たすので、例えば、循環神経網モデルでのUxに対応することができる。また、本発明による機械学習モデルのうち、後半部(図示せず)はt-1時点までの統合データを参照して時間による統合データの変化を反映する機能を果たすので、例えば、循環神経網モデルでのWst-1に対応することができる。
ここで、所定の第1活性化関数fは通常用いられるtanh()またはReLU関数があることができる。また、所定の第2活性化関数gは通常用いられるsoftmax関数である。それぞれの用途によって、計算の複雑度によって、第1活性化関数および第2活性化関数の選択が変化することが知られている。
また上記例示では、さらに機械学習モデルに出力層(y)から所定の症状の発生確率を算出するための少なくとも1つの完全連結層(fully connected layer)が含まれる。
但し、危険度を評価するための機械学習モデルは、このような循環神経網類の深層神経網に限定されないので、通常の技術者は危険度評価に適する様々な神経網アーキテクチャーを活用することができる。
また機械学習モデルは、上記機械学習基盤の予測モジュール340について説明したように、所定の症状の発生データおよび正常なデータを用いて訓練される。
この場合、好ましくは、機械学習モデルは、まず(i)所定の症状発生データを学習する段階を行った後、(ii)所定の症状発生データと正常なデータを同時に学習する段階を経て訓練されたものである。さらに、上述したように、(ii)同時学習段階において、実際と類似する類似所定の症状発生データを生成して用いることによりデータの不均衡の問題も解決することができる。
このように本発明による危険度基盤の被検体分類方法を行う前に、機械学習モデルが予め訓練される段階S050を経る必要があり、このための訓練モジュール330がプロセッサー220により実行される。
深層神経網(例えば、循環神経網)モデルの学習のために、訓練モジュール330は多数の統合データを学習データとして用いる逆伝播(back-propagation)により深層神経網モデルを学習することができ、このような学習によって深層神経網のパラメータ、加重値、偏向値などが決定される。上述したように、この開示書で用いられる機械学習モデルは循環神経網などの深層神経網に限定されないので、長・短期記憶(long-short term memory;LSTM)、GRU、MemNなどの本発明の技術分野に広く知られた様々な変形を用いることができる。
さらに図7を参照すると、本発明による危険度基盤の被検体分類方法は、その結果の有用な利用を図るために、コンピューティング装置200により具現される所定のモジュール(図示せず)が、生成された分類結果を外部エンティティに提供する段階(図示せず)をさらに含む。
ここで、外部エンティティとは、本発明による方法を行うコンピューティング装置200の使用者、管理者、被検体を担当する担当医療専門家などを含み、その他にも分類結果を必要とする主体であれば、どの主体でも含まれる。外部エンティティが人間であるときは、コンピューティング装置200は所定の出力装置、例えば、ディスプレイに表示された使用者インターフェースを介して分類結果を外部エンティティに提供することができる。
以上の図2乃至図7に示した構成要素は、説明の便宜上、1つのコンピューティング装置で実現されることが例示されたが、本発明の方法を行うコンピューティング装置200は、複数の装置が互いに連動されて構成されることもできる。したがって、上述した本発明による方法の各段階は、1つのコンピューティング装置が直接行うか、または1つのコンピューティング装置が該1つのコンピューティング装置に連動する他のコンピューティング装置をして行うように支援することにより行われることができる。
このように本発明による危険度基盤の被検体分類方法は、予め学習された機械学習モデルに基づいて被検体の危険度を評価して被検体を分類できるので、その分類結果をユーザなどが評価した情報などを再び機械学習モデルに対する更新の資料として活用すれば、機械学習モデルがより正確に分類することができるという長所があるので、かかる長所を得るために、本発明による危険度基盤の被検体分類方法では、プロセッサー220が、分類結果を評価した情報に基づいて機械学習モデルを更新するか、または他の装置をして更新するように支援する段階S400をさらに含む。このとき、以前の学習時には考慮しなかった統合データが訓練用データとしてさらに考慮されて以前の学習時のミスを直すことができるので、機械学習モデルの正確度が向上し、データが蓄積されるほど機械学習モデルの性能が持続して向上されるという長所がある。
ここで、上記分類結果を評価した情報は、医療専門家などの外部エンティティから提供される。例えば、退院可能な患者、要入院患者、集中治療室要治療患者および死亡に近接した患者を間違って区分することを防止するために、外部エンティティが間違って区分された分類結果について評価した情報によりミスを直すことができる。
このように本発明によると、上述した全ての実施例にわたって、医療資源が限定された環境でも救急救命室で測定或いは使用する程度のデータのみでも迅速な患者分類による効率的な対処および診療が可能であるので、高危険患者の生命に迅速に対応することができ、医療チームの患者分類の苦労を減らすことができる。
該当技術分野の通常の技術者は、この開示書の様々な実施例に関する説明に基づいて、本発明の方法および/またはプロセス、そしてその段階がハードウェア、ソフトウェアまたは特定の用例に適するハードウェアおよびソフトウェアの任意の組み合わせにより実現可能であることを明確に理解できる。ハードウェアは汎用のコンピュータおよび/または専用のコンピューティング装置または特定のコンピューティング装置または特定のコンピューティング装置の特別な姿または構成要素を含む。プロセスは内部および/または外部メモリを有する、1つ以上のプロセッサー、例えば、マイクロプロセッサー、コントローラ、例えば、マイクロコントローラ、埋め込みマイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、ALU(arithmetic logic unit)、デジタル信号プロセッサー(digital signal processor)、例えば、プログラマブルデジタル信号プロセッサーまたはその他のプログラマブル装置により実現される。さらに或いは代案として、複数のプロセスは注文型集積回路(application specific integrated circuit;ASIC)、プログラマブルゲートアレイ(programmable gate array)、例えば、FPGA(field programmable gate array)、PLU(programmable logic unit)或いはプログラマブルアレイ論理(Programmable Array Logic;PAL)またはその他の命令語(instruction)を実行して応答できる任意の装置、電子信号を処理するために構成される任意の他の装置またはこれらの装置の組み合わせにより実施される。処理装置は運営体制(OS)および運営体制上で行われる1つ以上のソフトウェアアプリケーションを行うことができる。また、処理装置はソフトウェアの実行に応答して、データを接近、貯蔵、操作、処理および生成することもできる。理解の便宜のために、1つの処理装置が使用されたことを説明した場合もあるが、該当技術分野における通常の知識を有する者は、処理装置が複数の処理要素(processing element)および/または複数の類型の処理要素を含むことを理解できる。例えば、処理装置は複数のプロセッサーまたは1つのプロセッサーおよび1つのコントローラを含む。また、並列プロセッサー(parallel processor)のような他の処理構成(processing configuration)も可能である。
ソフトウェアは、コンピュータプログラム、コード、命令語(instruction)およびこれらのうちのいずれかの組み合わせを含み、所望の通りに動作するように処理装置を構成するか、或いは独立してまたは結合的に(collectively)処理装置を命令することができる。ソフトウェアおよび/またはデータは、処理装置によって解釈されるか、または処理装置に命令語またはデータを提供するために、ある類型の機械、構成要素(component)、物理的装置、仮想装置(virtual equipment)、コンピュータ貯蔵媒体または装置、または伝送される信号波(Signal wave)に永久的に、或いは一時的に具体化(embody)されることができる。ソフトウェアはネットワークにより連結されたコンピュータシステム上に分散されて、分散された方法で貯蔵または実行されることもできる。ソフトウェアおよびデータは1つ以上の機械読み取り可能な記録媒体に貯蔵される。
さらに、本発明の技術的解法の対象物または先行技術に寄与する部分は、多様なコンピュータ構成要素によって実行されることのできるプログラム命令語の形態で実現されて機械読み取り可能な記録媒体に記録されてよい。機械読み取り可能な記録媒体は、プログラム命令語、データファイル、データ構造などを単独または組み合わせて含んでよい。機械読み取り可能な記録媒体に記録されるプログラム命令語は、実施例のために特別に設計されて構成されたものであっても、コンピュータソフトウェア分野の通常の技術者に公知の使用可能なものであってもよい。機械読み取り可能な記録媒体の例には、ハードディスク、フロッピーディスク、および磁気テープのような磁気媒体、CD-ROM、DVD、Blu-ray(登録商標)のような光記録媒体、フロプティカルディスク(floptical disk)のような光磁気媒体(magneto-optical media)、およびROM、RAM、フラッシュメモリなどのようなプログラム命令語を記録して実行するように特別に構成されたハードウェア装置が含まれる。プログラム命令語の例には、上述した装置のうちのいずれか1つだけでなく、プロセッサ、プロセッサアーキテクチャ、または相異するハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによる異種結合、または他のいずれかのプログラム命令語を実行することのできる機械上で実行されるために記録およびコンパイルまたはインタプリタされることのできる、Cのような構造的プログラミング言語、C++のようなオブジェクト志向プログラミング言語、または高級または低級プログラミング言語(アセンブリ語、ハードウェア技術言語、およびデータベースプログラミング言語および技術)を使用して生成されてよく、機械語コードやバイトコードはもちろん、インタプリタなどを使用してコンピュータによって実行されることのできる高級言語コードもこれに含まれる。
したがって、本発明に係る一形態では、上述した方法およびその組み合わせが1つ以上のコンピュータ装置によって実行されるときに、その方法および方法の組み合わせが各段階を実行させる実行可能なコードとして実施されてよい。他の一形態では、上記方法は、上記段階を実行するシステムによって実施されてよく、方法は、装置にわたって多様な状態に分散されても、全ての機能が1つの専用、独立型装置、または他のハードウェアに統合されてもよい。さらに他の一形態では、上述したプロセスと関連する段階を実行する手段は、上述した任意のハードウェア及び/又はソフトウェアを含んでよい。このような全ての順次結合および組み合わせは、本開示書の範囲内に属するように意図されたものである。
例えば、上述したハードウェア装置は、実施例の動作を実行するために1つ以上のソフトウェアモジュールとして作動するように構成されてよく、その逆も同じである。ハードウェア装置は、プログラム命令語を記録するためのROM/RAMのようなメモリと結合し、メモリに記録された命令語を実行するように構成されるMPU、CPU、GPU、TPUのようなプロセッサを含んでよく、外部装置と信号をやり取りすることのできる通信部を含んでよい。さらにハードウェア装置は、開発者によって作成された命令語を伝達するためのキーボード、マウス、またはその他の外部入力装置を含んでよい。
以上のように、本発明について、具体的な構成要素などのような特定の事項と限定された実施形態および図面に基づいて説明したが、これは本発明のより全般的な理解を助けるために提供されたものに過ぎず、本発明がこのような実施形態に限定されてはならず、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、このような記載から多様な修正および変形が可能であろう。
したがって、本発明の思想は、上述の実施例に限定されて決まってはならず、この開示書に添付された特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等かつ等価的な変形がある全てのものは本発明の思想の範疇に属するといえる。例えば、説明された技術が説明された方法とは異なる順に行われたり、及び/又は説明されたシステム、構造、装置、回路などの構成要素が説明された方法とは異なる形態に結合または組み合わせられたり、他の構成要素または均等物によって代替または置換されても適切な結果を得られる。
このように均等であるか等価的に変形されたものには、例えば、本発明に係る方法を実施したときと同じ結果を導き出すことのできる、論理的に同値(logically equivalent)の方法が含まれてよく、本発明の真意および範囲が上述した実施形態に制限されてはならず、法律に基づいて許容可能な最も広い意味として解釈されなければならない。

Claims (15)

  1. 機械学習モデルに基づいて動作するコンピューティング装置によって使用される方法において、
    被検体の統合データを得る段階であって、前記統合データは前記被検体の非数値患者データおよび前記被検体の数値患者データから変換される段階;
    前記統合データを前記被検体の危険度評価のための前記機械学習モデル(machine learning model)に適用することにより被検体の危険度と関連する分類結果を生成する段階;および
    生成された前記分類結果を提供するための情報を外部エンティティ(entity)に提供する段階を含み、
    前記非数値患者データに対する前記統合データが、大きさN(>1)の第1のベクトルで表現され、当該第1のベクトルの各要素が、前記非数値患者データに関連するN個の第1カテゴリーのそれぞれ1つに対応し、前記非数値患者データが属する前記第1のカテゴリーに対応する前記第1のベクトルの要素が正の値に設定され、前記第1のベクトルの他の要素がゼロに設定されており、
    前記数値患者データに対する前記統合データが、サイズM(>1)の第2のベクトルで表現され、当該第2のベクトルの各要素が、前記数値患者データに関連するM個の第2のカテゴリーのそれぞれ1つに対応し、前記数値患者データが属する前記第2のカテゴリーに対応する前記第2のベクトルのある要素が正の値に設定され、前記第2のベクトルの他の要素がゼロに設定されており、
    前記サイズMは、前記サイズNと同じに設定されていることを特徴とする方法。
  2. さらに前記分類結果に関連するフィードバック情報に基づいて、前記機械学習モデルを更新する段階を含む請求項1に記載の方法。
  3. 前記被検体の危険度は少なくとも4つのクラスに分類されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 前記被検体の危険度評価のための機械学習モデルは、偽の症状発生データおよび正常な症状データを用いて訓練されるものである請求項1に記載の方法。
  5. 前記機械学習モデルは、
    (i)前記偽の症状発生データを学習する段階;および
    (ii)前記(i)段階の終了後、前記偽の症状発生データと前記正常な症状データを同時学習する段階を行うことにより訓練されたものであることを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. コンピューティング装置に請求項1の方法を行うように具現された指示語(instructions)を含むことを特徴とする、媒体に記録されたコンピュータプログラム。
  7. 前記方法は、前記分類結果に関連するフィードバック情報に基づいて、前記機械学習モデルを更新する段階を含むことを特徴とする請求項6に記載のコンピュータプログラム。
  8. 前記被検体の危険度は少なくとも4つのクラスに分類されることを特徴とする請求項に記載のコンピュータプログラム。
  9. 前記被検体の危険度評価のための機械学習モデルは、偽の症状発生データおよび正常なデータを用いて訓練されるものであることを特徴とする請求項6に記載のコンピュータプログラム。
  10. 前記機械学習モデルは、
    (i)前記偽の症状発生データを学習する段階;および
    (ii)前記(i)段階の終了後、前記偽の症状発生データと前記正常な症状データを同時学習する段階を行うことにより訓練されたものであることを特徴とする請求項9に記載のコンピュータプログラム。
  11. 機械学習モデルに基づいて動作するコンピューティング装置において、
    通信部;および
    前記通信部を制御するプロセッサであって、
    被検体の統合データを得て、当該統合データは前記被検体の非数値患者データおよび前記被検体の数値患者データから変換されるプロセスと、
    前記統合データを前記被検体の危険度評価のための機械学習モデル(machine learning model)に適用することにより、前記被検体の危険度に関する分類結果を生成するプロセスと、
    生成された前記分類結果を提供するための情報を外部エンティティ(entity)に提供するプロセスとを行う前記プロセッサを含み、
    前記非数値患者データに対する前記統合データが、大きさN(>1)の第1のベクトルで表現され、当該第1のベクトルの各要素が、前記非数値患者データに関連するN個の第1カテゴリーのそれぞれ1つに対応し、前記非数値患者データが属する前記第1のカテゴリーに対応する前記第1のベクトルのある要素が正の値に設定され、前記第1のベクトルの他の要素がゼロに設定されており、
    前記数値患者データに対する前記統合データが、サイズM(>1)の第2のベクトルで表現され、当該第2のベクトルの各要素が、前記数値患者データに関連するM個の第2のカテゴリーのそれぞれ1つに対応し、前記数値患者データが属する前記第2のカテゴリーに対応する前記第2のベクトルのある要素が正の値に設定され、前記第2のベクトルの他の要素がゼロに設定されており、
    前記サイズMは、前記サイズNと同じに設定されていることを特徴とする装置。
  12. さらに前記分類結果に関連するフィードバック情報に基づいて、前記機械学習モデルを更新する段階を含む請求項11に記載の装置。
  13. 前記被検体の危険度は少なくとも4つのクラスに分類されることを特徴とする請求項11に記載の装置。
  14. 前記被検体の危険度評価のための機械学習モデルは、偽の症状発生データおよび正常なデータを用いて訓練されるものである請求項11に記載の装置。
  15. 前記機械学習モデルは、
    (i)前記偽の症状発生データを学習する段階;および
    (ii)前記(i)段階の終了後、前記偽の症状発生データと前記正常な症状データを同時学習する段階を行うことにより訓練されたものであることを特徴とする請求項14に記載の方法。
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