KR102551204B1 - System and method for supporting clinical decision for acute kidney injury using recurrent neural network model - Google Patents

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KR102551204B1 KR1020210052599A KR20210052599A KR102551204B1 KR 102551204 B1 KR102551204 B1 KR 102551204B1 KR 1020210052599 A KR1020210052599 A KR 1020210052599A KR 20210052599 A KR20210052599 A KR 20210052599A KR 102551204 B1 KR102551204 B1 KR 102551204B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템은, 환자 관련 정보를 순차적으로 입력 받는 입력부; RNN 기계학습 알고리즘을 이용하며, 입력된 환자 관련 정보에 기초하여 환자의 급성신장손상(AKI) 발생 가능성을 예측하는 제1 예측 모델; RNN 기계학습 알고리즘을 이용하며, 상기 제1 예측 모델의 예측 결과에 기초하여 환자의 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 예측하는 제2 예측 모델; 및 상기 환자 관련 정보에 포함된 적어도 하나의 특징 변수들에 대하여, 각 특징 변수가 예측 결과에 미치는 영향을 시각적으로 나타내는 적어도 하나의 플롯들을 생성하는 플롯 생성부를 포함한다. 실시예에 따르면, RNN 기계학습 모델을 이용해 입원 환자의 AKI 발생 가능성 및 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 실시간으로 예측할 수 있고, 예측 모델의 결과에 영향을 미치는 특징 변수들과 결과 간의 관계를 시각적으로 나타내는 플롯들을 제공하여 임상의사결정에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.A clinical decision support system using an RNN machine learning model according to an embodiment of the present invention includes an input unit that sequentially receives patient-related information; A first prediction model using an RNN machine learning algorithm and predicting the possibility of acute kidney injury (AKI) in a patient based on input patient-related information; a second prediction model using an RNN machine learning algorithm and predicting a change in serum creatinine level of a patient based on a prediction result of the first prediction model; and a plot generation unit that generates at least one plot that visually represents an effect of each characteristic variable on a prediction result with respect to at least one characteristic variable included in the patient-related information. According to the embodiment, it is possible to predict the possibility of AKI occurrence and changes in serum creatinine levels in inpatients in real time using an RNN machine learning model, and a plot that visually shows the relationship between the results and feature variables that affect the results of the prediction model. can provide insight into clinical decision making.

Description

순환 신경망 예측 모델을 활용한 급성신장손상에 대한 임상의사결정 지원 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR SUPPORTING CLINICAL DECISION FOR ACUTE KIDNEY INJURY USING RECURRENT NEURAL NETWORK MODEL}Clinical decision support system and method for acute kidney injury using recurrent neural network prediction model

본 발명은 임상의사결정 지원 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부적으로 검증된 순환 신경망을 예측 모델을 이용하여 환자의 급성신장손상 발생 가능성 및 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 실시간으로 예측하고, 이를 시각적인 플롯으로 표시함으로써 의료인의 임상의사결정을 지원하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a clinical decision support system and method, and more particularly, predicts the possibility of acute kidney injury and changes in serum creatinine levels in real time by using an externally verified recirculatory neural network as a predictive model, It relates to a system and method for supporting medical personnel's clinical decision-making by displaying it in a visual plot.

급성신장손상(Acute Kidney Injury, 이하 “AKI”라 함)은 신장세포가 손상되면서 신장기능이 약화되는 질환으로서 전체 입원환자의 5~10%에서 발생하는 비교적 흔한 질병이다. AKI로 인해 신장 기능이 약화되면 노폐물이 배설되지 않고 몸 안에 누적되며 치료시기를 놓치게 되면 투석 위험을 높이고 사망에 이를 수도 있다.Acute Kidney Injury (hereinafter referred to as “AKI”) is a disease in which renal function is weakened as kidney cells are damaged, and is a relatively common disease that occurs in 5-10% of all hospitalized patients. When kidney function is weakened due to AKI, waste products are not excreted and accumulated in the body, and if the treatment period is missed, the risk of dialysis increases and may lead to death.

AKI의 발생은 환자에게 합병증을 유발할 수 있고 이는 의료비용의 증가로 이어진다. 따라서 AKI의 발생을 조기에 예측하고 고위험 환자를 관리하기 위한 많은 노력이 필요함에도 불구하고 AKI 발생률은 지난 수 십 년 동안 증가하고 있는 추세이다.The occurrence of AKI can cause complications to patients, which leads to an increase in medical costs. Therefore, despite the need for many efforts to predict the occurrence of AKI early and manage high-risk patients, the incidence of AKI has been increasing over the past few decades.

최근 빠른 속도로 발전하고 있는 기계학습(machine learning) 기반 인공지능 기술과 전자 건강 기록(EHR) 데이터의 증가로 인해, 특정 질병에 대한 환자들의 누적 데이터를 활용하여 질병의 발생을 예측하거나 관리하는 것이 가능해졌다. 특히, 기계학습 모델은 기존의 회귀 모델(regression models)과 비교하여 많은 기능을 통합할 수 있으므로 비선형 알고리즘을 사용할 수 있게 하고, 그 결과 AKI 발생 예측 분야에서 랜덤포레스트(random forest) 및 신경망(neural network) 모델과 같은 기계학습 방법을 채택한 다양한 연구가 보고되고 있다.Due to the recent rapid development of machine learning-based artificial intelligence technology and the increase in electronic health record (EHR) data, it is difficult to predict or manage the occurrence of a disease by using the cumulative data of patients for a specific disease. It became possible. In particular, machine learning models can incorporate many features compared to conventional regression models, enabling the use of non-linear algorithms, and as a result, random forests and neural networks in the field of AKI occurrence prediction. ), various studies employing machine learning methods such as models have been reported.

그러나 현재 개발된 대부분의 AKI 예측 모델은 정해진 진단 기준에 따라 AKI를 적시 진단하기 위한 경보 시스템으로서 단순한 디자인을 가지고 있다. 또한, 외부 검증(external validation)을 거치지 않아 일반적인 상황에서 적용되기 어려울 뿐만 아니라, 신경망 모델의 블랙박스 특성(즉, 인공지능 알고리즘이 어떠한 기준과 방식으로 결과를 도출하였는지 해석하기 어려움)으로 인해 현장 의료진의 임상의사 결정(clinical decision)에 직접적인 도움을 주지 못하고 있는 실정이다.However, most of the currently developed AKI prediction models have a simple design as an alarm system for timely diagnosis of AKI according to established diagnostic criteria. In addition, it is difficult to apply in general situations because it does not go through external validation, and it is difficult to apply in general situations due to the black box characteristics of the neural network model (i.e., it is difficult to interpret what criteria and methods the artificial intelligence algorithm derived the results from). However, it is not directly helpful in making clinical decisions.

KR 10-2165840KR 10-2165840

이에 본 발명은, 독립적인 테스트 세트를 통해 외부적으로 검증된 RNN 기계학습 모델을 이용하여 입원 환자의 급성신장손상(AKI) 발생 가능성 및 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 실시간으로 예측하고, 이를 시각적인 플롯으로 표시하여 변수와 결과 간의 관계를 직관적으로 알 수 있게 함으로써, 의료인의 임상의사결정을 지원할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Therefore, the present invention predicts the possibility of acute kidney injury (AKI) in hospitalized patients and changes in serum creatinine levels in real time using an RNN machine learning model externally verified through an independent test set, and displays them in a visual plot. The purpose of this study is to provide a system and method that can support the clinical decision-making of medical personnel by making it possible to intuitively know the relationship between variables and results.

일 실시예에 따른 RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템은, 1일차부터 n일차까지의 환자 관련 정보를 순차적으로 입력 받는 입력부; RNN 기계학습 알고리즘을 이용하며, 입력된 환자 관련 정보에 기초하여 환자의 급성신장손상(AKI) 발생 가능성을 예측하는 제1 예측 모델; RNN 기계학습 알고리즘을 이용하며, 상기 제1 예측 모델의 예측 결과에 기초하여 환자의 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 예측하는 제2 예측 모델; 및 상기 환자 관련 정보에 포함된 적어도 하나의 특징 변수들에 대하여, 각 특징 변수가 상기 제1 예측 모델에서 예측한 급성신장손상 발생 가능성에 미치는 영향을 시각적으로 나타내기 위한 적어도 하나의 플롯들을 생성하는 플롯 생성부를 포함한다.A clinical decision support system using an RNN machine learning model according to an embodiment includes an input unit that sequentially receives patient-related information from day 1 to day n; A first prediction model using an RNN machine learning algorithm and predicting the possibility of acute kidney injury (AKI) in a patient based on input patient-related information; a second prediction model using an RNN machine learning algorithm and predicting a change in serum creatinine level of a patient based on a prediction result of the first prediction model; And with respect to at least one feature variable included in the patient-related information, generating at least one plot for visually representing the effect of each feature variable on the possibility of acute renal injury predicted by the first predictive model Includes a plot generator.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 예측 모델은, 순차적으로 입력되는 1일차부터 n일차까지의 환자 관련 정보에 기초하여 현시점으로부터 소정의 기간 내에 환자에게 급성신장손상이 발생할 가능성을 계산하여 결과로서 출력하되, 상기 결과는 n-1일차까지의 환자의 상태 정보와 n일차에 입력된 환자 관련 정보를 이용하여 계산될 수 있다.According to an embodiment, the first predictive model calculates the possibility of acute renal injury occurring in a patient within a predetermined period from the present time based on sequentially input patient-related information from day 1 to day n, and outputs the result as a result. However, the result may be calculated using the patient's condition information up to day n-1 and the patient-related information input on day n.

일 실시예에 따르면, 임의의 m일차에서 환자의 상태 정보는, m-1일차까지의 환자의 상태 정보와 m일차에 입력된 환자 관련 정보를 이용하여 획득할 수 있다.According to an embodiment, the patient's condition information on any day m may be obtained using the patient's condition information up to day m−1 and the patient-related information input on day m.

일 실시예에 따르면, 상기 제2 예측 모델은, 임의의 m일차에 입력된 환자 관련 정보와 m-1일차까지의 환자의 상태 정보를 이용하여 각 날짜로부터 소정의 시간 구간 이내의 혈청 크레아티닌 수치를 계산하여 결과로서 출력하되, 상기 m-1일차까지의 환자의 상태 정보는, m-2일차까지의 환자의 상태 정보와 m-1일차에 입력된 환자 관련 정보를 이용하여 획득할 수 있다.According to one embodiment, the second predictive model calculates the serum creatinine level within a predetermined time interval from each date using patient-related information input on any day m and state information of the patient up to day m-1. The calculation is output as a result, but the patient's condition information up to day m-1 can be obtained using the patient's condition information up to day m-2 and the patient-related information input on day m-1.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 예측 모델은, 환자에게 급성신장손상이 발생할 가능성을 나타내는 예측 확률을 출력하거나, 상기 예측 확률에 기초하여 급성신장손상이 발생할 것으로 예상되는 환자를 분류할 수 있다.According to an embodiment, the first predictive model may output a predicted probability representing a possibility of acute renal impairment in a patient, or classify a patient expected to develop acute renal impairment based on the predicted probability.

일 실시예에 따르면, 상기 제2 예측 모델은, 상기 제1 예측 모델의 출력 값에 기초하여 시간 구간 별로 혈청 크레아티닌 수치를 예측할 수 있다.According to one embodiment, the second predictive model may predict the serum creatinine level for each time interval based on the output value of the first predictive model.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 예측 모델 및 상기 제2 예측 모델은, 특정 기관에 입원한 환자들의 데이터를 이용하여 학습되고, 상기 기관과 독립적인 다른 기관에 입원한 환자들의 데이터를 이용하여 외부적으로 검증될 수 있다.According to one embodiment, the first prediction model and the second prediction model are learned using data of patients admitted to a specific institution, and are externally trained using data of patients admitted to another institution independent of the institution. can be empirically verified.

일 실시예에 따르면, 상기 환자 관련 정보에 포함된 적어도 하나의 특징 변수들은, 환자의 입원 기간 동안 변하지 않는 정적 변수들 또는 환자의 입원 기간 동안 변하는 동적 변수들을 포함하고, 상기 정적 변수들은 환자의 성별, 나이, BMI 수치, 입원 전 약물 투여 이력, 동반 질환 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 동적 변수들은 입원 중 약물 투여, 병원 내 검사 결과, 활력 징후 중 적어도 하나를 포함하며 하루에 적어도 한 번 업데이트 될 수 있다.According to an embodiment, the at least one characteristic variable included in the patient-related information includes static variables that do not change during the patient's hospitalization period or dynamic variables that change during the patient's hospitalization period, and the static variables are the patient's gender , age, BMI level, history of drug administration prior to hospitalization, and at least one of comorbidities, and the dynamic variables include at least one of drug administration during hospitalization, in-hospital test results, and vital signs, and may be updated at least once a day. can

일 실시예에 따르면, 상기 플롯 생성부가 생성하는 적어도 하나의 플롯들은, 부분 의존도 플롯(Partial Dependence Plots), 개별 조건부 기대도 플롯(Individual Conditional Expectation Plots), 누적 국소 효과 플롯(Accumulated Local Effects Plots), 또는 샤플리 값(sharply value)을 이용한 변수 중요도 플롯을 포함할 수 있다.According to an embodiment, at least one of the plots generated by the plot generator may include partial dependence plots, individual conditional expectation plots, accumulated local effect plots, Alternatively, a variable importance plot using sharp values may be included.

일 실시예에 따르면, 상기 부분 의존도 플롯(PDP) 및 누적 국소 효과 플롯(ALEP)은 선택된 특징 변수에 대하여 입원 환자들의 급성신장손상 발생 가능성의 평균 값을 나타낼 수 있다.According to one embodiment, the partial dependence plot (PDP) and the cumulative local effect plot (ALEP) may represent average values of the probability of occurrence of acute kidney injury in hospitalized patients with respect to the selected feature variable.

일 실시예에 따르면, 상기 샤플리 값을 이용한 변수 중요도 플롯은 환자 개인 및 집단 전체의 신장 손상 발생에 기여하는 변수의 중요도를 순서대로 나타낼 수 있다.According to one embodiment, the variable importance plot using the Shapley value may indicate the importance of variables contributing to the occurrence of renal injury in an individual patient and in the entire group in order.

일 실시예에 따르면, 상기 개별 조건부 기대도 플롯(ICEP)은 선택된 특징 변수에 대하여 환자 개인의 급성신장손상 발생 가능성을 나타낼 수 있다.According to one embodiment, the Individual Conditional Expectancy Plot (ICEP) may represent the likelihood of acute renal injury of an individual patient with respect to selected characteristic variables.

일 실시예에 따르면, 상기 누적 국소 효과 플롯(ALEP)은 변수들끼리의 상관성이 있을 때도 선택된 특징 변수에 대한 입원 환자 전반의 급성신장손상 발생 가능성을 정확히 나타낼 수 있다.According to one embodiment, the cumulative local effect plot (ALEP) can accurately represent the probability of acute renal injury in hospitalized patients as a whole for a selected characteristic variable even when there is correlation between the variables.

일 실시예에 따르면, 상기 샤플리 값을 이용한 변수 중요도 플롯은 환자 개인 및집단 전체의 신장 손상 발생에 기여하는 변수의 중요도를 순서대로 나타낼 수 있다.According to one embodiment, the variable importance plot using the Shapley value may indicate the importance of variables contributing to the occurrence of renal injury in an individual patient and the entire group in order.

일 실시예에 따르면, 상기 플롯 생성부가 생성하는 적어도 하나의 플롯들은, 신독성(nephrotoxic) 약물의 투여 및 중단에 따른 시간당 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 나타내는 그래프를 포함할 수 있다.According to one embodiment, at least one plot generated by the plot generation unit may include a graph showing a change in serum creatinine level per hour according to administration and discontinuation of a nephrotoxic drug.

일 실시예에 따른 RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 방법은, 1일차부터 n일차까지의 환자 관련 정보를 순차적으로 입력 받는 단계; RNN 기계학습 알고리즘을 이용하는 제1 예측 모델을 이용하여, 입력된 환자 관련 정보에 기초하여 환자의 급성신장손상(AKI) 발생 가능성을 예측하는 단계; RNN 기계학습 알고리즘을 이용하는 제2 예측 모델을 이용하여, 상기 제1 예측 모델의 예측 결과에 기초하여 환자의 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 예측하는 단계; 및 상기 환자 관련 정보에 포함된 적어도 하나의 특징 변수들에 대하여, 각 특징 변수가 상기 제1 예측 모델에서 예측한 급성신장손상 발생 가능성에 미치는 영향을 시각적으로 나타내기 위한 적어도 하나의 플롯들을 생성하는 단계를 포함한다.A clinical decision support method using an RNN machine learning model according to an embodiment includes sequentially receiving patient-related information from day 1 to day n; predicting a possibility of acute kidney injury (AKI) of the patient based on the input patient-related information using a first prediction model using an RNN machine learning algorithm; predicting a change in serum creatinine level of a patient based on a prediction result of the first prediction model by using a second prediction model using an RNN machine learning algorithm; And with respect to at least one feature variable included in the patient-related information, generating at least one plot for visually representing the effect of each feature variable on the possibility of acute renal injury predicted by the first predictive model Include steps.

일 실시예에 따른 RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 방법을 구현하기 위한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있다.A computer program stored in a computer-readable recording medium for implementing a method for supporting clinical decision making using an RNN machine learning model according to an embodiment may be provided.

본 발명의 실시예에 따르면, RNN 기계학습 모델을 이용하여 입원 환자의 급성신장손상(AKI) 발생 가능성 및 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 실시간으로 예측할 수 있는 시스템 및 방법이 제공된다. 실시예에 따르면, 예측 모델의 결과에 영향을 미치는 특징 변수들과 결과 간의 관계를 임상의가 직관적으로 알 수 있도록 시각적인 플롯을 제공할 수 있다. 이러한 예측 모델은 학습에 사용된 데이터 세트와 독립적인 외부 데이터 세트를 사용하여 외부적으로 검증되며, 따라서 높은 예측 신뢰성을 가지고 다른 환자 집단에도 범용적으로 활용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a system and method capable of predicting the possibility of acute kidney injury (AKI) in hospitalized patients and changes in serum creatinine levels in real time using an RNN machine learning model are provided. According to an embodiment, a visual plot may be provided so that a clinician can intuitively know the relationship between feature variables that affect the result of the predictive model and the result. This predictive model is externally verified using an external data set independent of the data set used for learning, and therefore can be universally used for other patient groups with high predictive reliability.

본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 RNN 기계학습 모델 기반 임상의사결정 지원 시스템의 구조를 나타낸다.
도 2는 AKI 발생 가능성을 예측하기 위한 제1 예측 모델과 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 예측하기 위한 제2 예측 모델의 구조를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 예측 모델의 학습과 외부 검증을 위한 연구 집단의 분류 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 4a 내지 4y는 예측 모델의 동작을 해석하기 위해 제시되는 일부 특징 변수들에 대한 부분 의존도 플롯(Partial Dependence Plots) 및 개별 조건부 기대도 플롯(Individual Conditional Expectation Plots)을 도시한다.
도 5a 내지 5o는 예측 모델의 일부 특징 변수들의 값에 따른 급성 신 손상의 위험도를 보다 예측 시점으로부터의 시간에 따라 표시한 누적 국소 효과 플롯(ALEP)을 나타내는 그래프이다.
도 6은 예측 모델의 특징 변수들의 중요도에 따른 순서를 보여주는 샤플리 값을 활용한 변수 중요도 플롯이다.
도 7은 일부 신독성(nephrotoxic) 약물의 투여 및 중단에 따른 시간당 혈청 크레아티닌 수치의 실제 변화와 예측 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 RNN 기계학습 모델 기반 임상의사결정 지원 방법의 각 단계를 나타내는 순서도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS To describe the technical solutions of the embodiments of the present invention or the prior art more clearly, drawings required in the description of the embodiments are briefly introduced below. It should be understood that the drawings below are for the purpose of explaining the embodiments of the present specification and not for limiting purposes. In addition, for clarity of explanation, some elements applied with various modifications, such as exaggeration and omission, may be shown in the drawings below.
1 shows the structure of a clinical decision support system based on an RNN machine learning model according to an embodiment.
Figure 2 shows the structure of a first predictive model for predicting the possibility of AKI occurrence and a second predictive model for predicting changes in serum creatinine level.
3 is a flowchart illustrating a process of classifying a study group for learning and external verification of a predictive model according to an embodiment.
4A to 4Y show Partial Dependence Plots and Individual Conditional Expectation Plots for some feature variables presented to interpret the behavior of the predictive model.
5A to 5O are graphs showing cumulative local effect plots (ALEPs) in which the risk of acute renal injury according to values of some characteristic variables of the predictive model is displayed according to time from a more predicted time point.
6 is a variable importance plot using a Shapley value showing the order of importance of feature variables of a predictive model.
7 is a graph showing actual changes in serum creatinine levels per hour and predicted results according to administration and discontinuation of some nephrotoxic drugs.
8 is a flowchart illustrating each step of a clinical decision support method based on an RNN machine learning model according to an embodiment.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 청구하고자 하는 범위는 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the scope to be claimed is not limited or limited by the embodiments.

본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.The terminology used in this specification has been selected as a general term that is currently widely used as much as possible while considering functions, but it may vary according to the intention or custom of a person skilled in the art or the emergence of new technology. In addition, in a specific case, there is also a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in the explanation part of the corresponding specification. Therefore, it should be clarified that the terms used in this specification should be interpreted based on the actual meaning of the term and the overall content of this specification, rather than simply the name of the term.

또한, 본 명세서에 기술된 실시예는 전적으로 하드웨어이거나, 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어이거나, 또는 전적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 본 명세서에서 "부(unit)", “모듈(module)", "장치(device)" 또는 "시스템(system)" 등의 용어는 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 또는 소프트웨어 등 컴퓨터 관련 엔티티(entity)를 지칭한다. 예를 들어, 부, 모듈, 장치 또는 시스템은 플랫폼(platform)의 일부 또는 전부를 구성하는 하드웨어 및/또는 상기 하드웨어를 구동하기 위한 애플리케이션(application) 등의 소프트웨어를 지칭하는 것일 수 있다.Further, the embodiments described herein may have aspects that are entirely hardware, part hardware and part software, or entirely software. In this specification, terms such as “unit”, “module”, “device” or “system” refer to computer-related entities such as hardware, a combination of hardware and software, or software. For example, a unit, module, device or system may refer to hardware constituting part or all of a platform and/or software such as an application for driving the hardware. there is.

이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 RNN 기계학습 모델 기반 임상의사결정 지원 시스템의 구조를 나타낸다.1 shows the structure of a clinical decision support system based on an RNN machine learning model according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 임상의사결정 지원 시스템(10)은, 1일차부터 n일차까지의 환자 관련 정보를 순차적으로 입력 받는 입력부(100); 입력된 환자 관련 정보에 기초하여 환자의 급성신장손상(AKI) 발생 가능성을 예측하기 위한 제1 예측 모델(200); 제1 예측 모델(100)의 예측 결과에 기초하여 환자의 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 예측하기 위한 제2 예측 모델(300); 및 환자 관련 정보에 포함된 적어도 하나의 특징 변수들이 예측 모델의 예측 결과에 미치는 영향을 시각적으로 나타내기 위한 적어도 하나의 플롯들을 생성하는 플롯 생성부(400)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the clinical decision support system 10 according to the embodiment includes an input unit 100 that sequentially receives patient-related information from day 1 to day n; A first prediction model 200 for predicting the possibility of occurrence of acute kidney injury (AKI) in a patient based on the input patient-related information; a second prediction model 300 for predicting a change in serum creatinine level of a patient based on the prediction result of the first prediction model 100; and a plot generation unit 400 that generates at least one plot to visually represent an effect of at least one characteristic variable included in the patient-related information on a prediction result of the predictive model.

입력부(100)를 통해 1일차부터 n일차까지의 환자 관련 정보가 순차적으로 입력된다. 여기서, '순차적으로'는 각 날짜 별로 해당 날짜의 환자 관련 정보가 순서대로 입력된다는 의미이다. 즉, 입원 1일차에는 1일차 환자 관련 정보가 입력되며, 입원 2일차에는 2일차 환자 관련 정보가 시스템에 입력된다. Patient-related information from day 1 to day n is sequentially input through the input unit 100 . Here, 'sequentially' means that patient-related information of the corresponding date is sequentially input for each date. That is, on the first day of hospitalization, the first-day patient-related information is input, and on the second day of hospitalization, the second-day patient-related information is input to the system.

각각의 환자 관련 정보는 적어도 하나의 특징 변수들을 포함하는데, 각 특징 변수는 환자의 입원 기간 동안 변하지 않는 정적 변수 또는 환자의 입원 기간 동안 변하는 동적 변수로 구분될 수 있다. 예컨대, 정적 변수는 환자의 성별, 나이, BMI 수치(환자의 키와 몸무게에 기초하여 계산됨), 입원 전 약물 투여 이력, 동반 질환 등 적어도 환자가 입원해 있는 기간 동안에는 거의 변하지 않는 변수를 의미하며, 동적 변수는 입원 중 약물 투여, 병원 내 검사 결과(혈중 크레아티닌 수치, 백혈구, 헤모글로빈, 혈소판, 알부민, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 포도당, 이산화탄소, 요소 수치 등), 활력 징후(혈압, 맥박, 체온 등)와 같이 환자가 입원해 있는 기간 동안 계속 변화하며 적어도 하루에 한 번 측정되는 변수를 의미한다. Each patient-related information includes at least one feature variable, and each feature variable may be divided into a static variable that does not change during the patient's hospitalization period or a dynamic variable that changes during the patient's hospitalization period. For example, static variables refer to variables that hardly change at least during the period the patient is hospitalized, such as the patient's gender, age, BMI (calculated based on the patient's height and weight), drug administration history before hospitalization, and comorbidities. , dynamic variables include drug administration during hospitalization, in-hospital test results (blood creatinine level, leukocytes, hemoglobin, platelets, albumin, sodium, potassium, calcium, glucose, carbon dioxide, urea levels, etc.), vital signs (blood pressure, pulse, temperature, etc.) ) is a variable that changes continuously during the patient's hospitalization and is measured at least once a day.

이러한 특징 변수들(특히, 동적 변수)은 예측 모델이 장래의 AKI 발생 가능성이나 혈청 크레아티닌 수치 변화를 예측하는 근거로서 활용된다. 아래의 표는 일 실시예에서 예측 모델의 개발을 위해 활용된 입원 환자와 관련된 정보를 나타내는 107개의 특징 변수들을 카테고리 별로 분류하여 나타낸 것이다. 이 중 활력 징후(vital signs), 약물(medications) 카테고리에 포함되는 모든 특징 변수들과 임상 조건(clinical conditions)의 몇 가지 특징 변수들은 동적 변수에 해당한다.These characteristic variables (particularly, dynamic variables) are used as a basis for predicting the possibility of future AKI occurrence or changes in serum creatinine levels in a predictive model. The table below shows 107 characteristic variables representing information related to inpatients used for the development of a predictive model in one embodiment, classified by category. Among them, all characteristic variables included in the categories of vital signs and medications and some characteristic variables of clinical conditions correspond to dynamic variables.

카테고리category 변수variable 개수Count 인구통계
(Demographics)
demographics
(Demographics)
Age, sex, BMI, weight, heightAge, sex, BMI, weight, height 55
실험적검사(Laboratory tests)Laboratory tests Creatinine, WBC, hemoglobin, platelet, albumin, sodium, potassium, chloride, AST, ALT, BUN, total CO2, bilirubin, calcium, glucose, CK (3 categories), lipase (3 categories), troponin I (3 categories), and baseline eGFRCreatinine, WBC, hemoglobin, platelet, albumin, sodium, potassium, chloride, AST, ALT, BUN, total CO 2 , bilirubin, calcium, glucose, CK (3 categories), lipase (3 categories), troponin I (3 categories) , and baseline eGFR 2525 활력징후(Vital signs)Vital signs Systolic blood pressure, diastolic blood pressure, pulse rate, mean arterial pressure, body temperature (mean, maximum, minimum per day)Systolic blood pressure, diastolic blood pressure, pulse rate, mean arterial pressure, body temperature (mean, maximum, minimum per day) 1515 동반질환(Comorbidities)Comorbidities Ischemic heart disease, hypertension, diabetes mellitus, heart failure, liver disease, cerebrovascular disease, chronic obstructive pulmonary disease, chronic kidney disease, previous AKI, cancer, HIV, and CCIIschemia heart disease, hypertension, diabetes mellitus, heart failure, liver disease, cerebrovascular disease, chronic obstructive pulmonary disease, chronic kidney disease, previous AKI, cancer, HIV, and CCI 1212 약물(Medications)Medications NSAIDs, diuretics, acyclovir, aminoglycoside, amphotericin, beta blocker, calcium channel blocker, cisplatin, vancomycin, colistin, cyclosporin, renin-angiotensin blocker, vasopressors, statins (medication use during and before admission)NSAIDs, diuretics, acyclovir, aminoglycoside, amphotericin, beta blocker, calcium channel blocker, cisplatin, vancomycin, colistin, cyclosporin, renin-angiotensin blocker, vasopressors, statins (medication use during and before admission) 2828 임상조건(Clinical conditions)Clinical conditions Departments (14 categories), mechanical ventilation (current/recent), ICU admission, surgery (major/minor), anesthesia (general/non-general), surgery durationDepartments (14 categories), mechanical ventilation (current/recent), ICU admission, surgery (major/minor), anesthesia (general/non-general), surgery duration 2222

제1 예측 모델(200)은 입력된 환자 관련 정보에 기초하여 환자의 급성신장손상 발생 가능성을 AKI 단계(경미한 증상의 1단계 또는 중증의 2~3단계) 별로 예측한다. 여기서, 급성신장손상(Acute Kidney Injury)은 KDIGO(Kidney Disease: Improving Global Outcomes, AKI Clinical Practice Guideline for AKI)의 기준에 따라 정의되었으며, 실험에서는 소변량 데이터를 사용할 수 없기 때문에 AKI 단계는 혈청 크레아티닌(Cr) 수치를 기준으로 정의되었다. 도 2의 상단에는 AKI 발생 가능성을 예측하기 위한 제1 예측 모델의 구조가 도시되어 있다. 도시된 바에 따르면, 제1 예측 모델은 복수개의 순차적인 입력 데이터(1일차부터 n일차까지의 환자 관련 정보)에 기초하여 현시점으로부터 소정의 기간 내에 환자에게 AKI가 발생할 가능성을 계산하여 결과로서 출력하는 다대일(many-to-one) 입출력 구조를 갖는다.The first prediction model 200 predicts the patient's possibility of acute renal injury for each AKI stage (mild symptom stage 1 or severe stage 2-3) based on the input patient-related information. Here, acute kidney injury (Acute Kidney Injury) was defined according to the criteria of KDIGO (Kidney Disease: Improving Global Outcomes, AKI Clinical Practice Guideline for AKI), and since urine volume data cannot be used in the experiment, the AKI stage is serum creatinine (Cr ) was defined on a numerical basis. At the top of FIG. 2, the structure of the first prediction model for predicting the possibility of AKI occurrence is shown. As shown, the first predictive model calculates the possibility of AKI occurring in a patient within a predetermined period from the present time based on a plurality of sequential input data (patient-related information from day 1 to day n) and outputs as a result It has a many-to-one input/output structure.

RNN(recurrent neural networks; 순환신경망) 기계학습 알고리즘은 순차적인 입력 데이터에 대하여, 이전의 입력 데이터에 기초하여 생성된 이전 상태 정보를 반영하여 현재의 출력을 결정하므로(즉, 현재의 출력이 이전 상태 결과 값에 영향을 받음), 입원 환자의 날짜 별 데이터 등 시간 흐름에 따른 순차적인 데이터를 처리하는데 매우 유용한 모델이다. 제1 예측 모델은 순차적으로 입력되는 1일차부터 n일차까지의 환자 관련 정보에 기초하여 현시점으로부터 소정의 기간 내에 환자에게 급성신장손상이 발생할 가능성을 계산하여 결과로서 출력한다. RNN (recurrent neural networks) machine learning algorithm determines the current output by reflecting the previous state information generated based on the previous input data for sequential input data (that is, the current output is the previous state It is a very useful model for processing sequential data according to the flow of time, such as data by date of inpatients) and data by date of inpatients. The first predictive model calculates the possibility of acute renal injury occurring in a patient within a predetermined period from the present time based on sequentially input patient-related information from day 1 to day n, and outputs the result as a result.

구체적으로, 모델의 출력 결과는 n-1일차까지의 환자의 상태 정보(즉, 이전의 상태 결과 값)와 n일차에 입력된 환자 관련 정보(즉, 현재의 입력 값)를 이용하여 계산된다. 여기서, 임의의 날짜인 m일차에서 환자의 상태 정보는 m-1일차까지의 환자의 상태 정보와 m일차에 입력된 환자 관련 정보를 이용하여 획득된다.Specifically, the output result of the model is calculated using patient status information up to day n-1 (ie, previous status result value) and patient-related information input on day n (ie, current input value). Here, the condition information of the patient on day m, which is an arbitrary date, is obtained using the patient's condition information up to day m-1 and the patient-related information input on day m.

예컨대, 제1 예측 모델은 1일차에 입원 1일차 환자 관련 정보(1일차에 측정된 동적 특징 변수와 입원 전에 환자가 이미 가진 정적 특징 변수를 포함)를 입력 받는데, 이전 상태 정보가 없기 때문에 1일차 환자 관련 정보만을 이용하여 7일 이내(임의로 설정된 기간임)에 환자에게 AKI가 발생할 가능성을 계산한다. 2일차에는 입원 2일차 환자 관련 정보와 1일차에 획득한 환자의 상태 정보(결과 값과는 상이한 개념임)를 이용하여 7일 이내에 환자에게 AKI가 발생할 가능성을 계산한다. 유사한 방식으로, n일차에는 입원 n일차 환자 관련 정보와 n-1일차에 획득한 환자의 상태 정보를 이용하여 7일 이내에 AKI가 발생할 가능성을 계산한다.For example, the first prediction model receives information related to a patient on day 1 of hospitalization (including dynamic feature variables measured on day 1 and static feature variables that the patient already had before hospitalization) on day 1, but since there is no previous state information, day 1 Calculate the likelihood of AKI occurring in a patient within 7 days (an arbitrarily set period) using only patient-related information. On the second day, the probability of AKI occurring in the patient within 7 days is calculated using the information related to the patient on the second day of hospitalization and the patient's condition information obtained on the first day (a different concept from the result value). Similarly, on day n, the probability of AKI occurring within 7 days is calculated using the patient-related information on day n of hospitalization and the patient's condition information obtained on day n-1.

이와 같은 RNN 기반 예측 모델을 활용하여 AKI 발생 위험이 높은 환자와 낮은 환자를 구분할 수 있다. 실시예에 따르면, 제1 예측 모델은 환자에게 급성신장손상 발생 확률을 추정하여 급성신장손상 발생 가능성이 높은 급성신장손상 발생 예상 환자와 가능성이 낮은 급성신장손상 미발생 예상 환자를 분류한다. 후술하는 바와 같이, 제2 예측 모델은 상기 제1 예측 모델에서 급성신장손상 예상 결과에 기초하여 시간 구간 별로 혈청 크레아티닌 수치를 예측한다.Using such an RNN-based prediction model, it is possible to distinguish patients with a high risk of AKI from those with a low risk. According to an embodiment, the first predictive model estimates the probability of acute renal impairment in a patient and classifies a patient expected to have acute renal impairment with a high possibility of acute renal impairment and a patient predicted to not have acute renal impairment with a low probability. As will be described later, the second prediction model predicts the serum creatinine level for each time interval based on the acute renal injury prediction result in the first prediction model.

도 2에 도시된 것처럼, 제1 예측 모델은 배치 정규화 레이어(batch norm layer) 및 선형 레이어(linear layer) 등 데이터의 입출력을 최적화하기 위한 부가적인 구성요소들을 포함할 수 있다. 또한, 모델을 학습하기 위해 교차 엔트로피 손실 함수와 Adam 최적화 프로그램이 사용될 수 있고, 클래스 불균형을 처리하기 위해 손실 함수에 클래스 가중치 매개 변수(class weight parameter)가 적용될 수 있다. 또한, 과적합(overfitting)을 방지하기 위해 드롭-아웃(drop-out) 및 조기 중지 접근법(early stopping approaches)이 활용될 수 있다. 이러한 구성요소들이나 기법은 RNN 기계학습 모델에 일반적으로 사용되는 것이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.As shown in FIG. 2 , the first prediction model may include additional components for optimizing input/output of data, such as a batch norm layer and a linear layer. In addition, a cross-entropy loss function and an Adam optimizer can be used to train the model, and a class weight parameter can be applied to the loss function to deal with class imbalance. Additionally, drop-out and early stopping approaches can be utilized to prevent overfitting. Since these components or techniques are commonly used in RNN machine learning models, detailed descriptions will be omitted.

다시 도 1을 참조하면, 제2 예측 모델(300)은 상기 제1 예측 모델(200)의 예측 결과를 활용하여 환자의 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 예측한다. 제2 예측 모델(300)도 제1 예측 모델(200)과 마찬가지로 RNN 기계학습 알고리즘을 이용하며, 순차적으로 입력되는 환자 관련 정보에 기초하여 각 날짜로부터 일정 시간 이후의 크레아티닌 수치를 결과로서 출력하는 다대다(many-to-many) 입출력 구조를 갖는다. Referring back to FIG. 1 , the second predictive model 300 predicts a change in the patient's serum creatinine level by using the prediction result of the first predictive model 200 . Like the first predictive model 200, the second predictive model 300 also uses an RNN machine learning algorithm, and outputs the creatinine level after a certain time from each date as a result based on sequentially input patient-related information It has a many-to-many input/output structure.

구체적으로, 제2 예측 모델(300)은 임의의 m일차에 입력된 환자 관련 정보와 m-1일차까지의 환자의 상태 정보를 이용하여 상기 m일차로부터 소정의 시간 구간 이내의 혈청 크레아티닌 수치를 계산한다. 제1 예측 모델(200)과 마찬가지로, 임의의 시점에서 환자의 상태 정보는 그 시점에서 하루 이전의 환자의 상태 정보와 그 시점에 입력된 환자 관련 정보를 이용하여 획득된다.Specifically, the second predictive model 300 calculates the serum creatinine level within a predetermined time interval from day m using patient-related information input on any day m and state information of the patient up to day m-1. do. Similar to the first predictive model 200, the patient's condition information at a given point in time is obtained using the patient's condition information one day before that point in time and the patient-related information input at that point in time.

예컨대, 제2 예측 모델은 1일차에 입원 1일차 환자 관련 정보(1일차에 측정된 동적 특징 변수와 입원 전에 환자가 이미 가진 정적 특징 변수를 포함)를 입력 받는데, 이전 상태 정보가 없기 때문에 1일차 환자 관련 정보만을 이용하여 현 시점으로부터 24시간, 48시간, 72시간(임의로 설정된 시간 구간임) 후의 혈청 크레아티닌 수치를 각각 예측하여 출력한다. 2일차에는 입원 2일차 환자 관련 정보와 1일차에 획득한 환자의 상태 정보(결과 값과는 상이한 개념임)를 이용하여 현 시점으로부터 24시간, 48시간, 72시간 후의 혈청 크레아티닌 수치를 각각 예측하여 출력한다. For example, the second predictive model receives information related to a patient on day 1 of hospitalization (including dynamic feature variables measured on day 1 and static feature variables that the patient already had before hospitalization) on day 1, but since there is no previous state information, day 1 Using only patient-related information, serum creatinine levels after 24 hours, 48 hours, and 72 hours (arbitrarily set time intervals) from the present time are respectively predicted and output. On the 2nd day, the serum creatinine levels 24 hours, 48 hours, and 72 hours after the current point are predicted using the patient-related information on the 2nd day of hospitalization and the patient's condition information obtained on the 1st day (a different concept from the result value). print out

일 실시예에 따르면, 제2 예측 모델의 정확도를 개선하기 위해 두 단계의 계층적 RNN 예측 모델이 적용될 수 있다. 즉, 제1 예측 모델의 결과를 바탕으로 서로 다른 유형의 제2 예측 모델이 적용될 수 있다. 예컨대, 제1 예측 모델에서 급성 신장손상 발생이 예상되는 환자와 그렇지 않은 환자에 대해 각각 시간 구간 별로 혈청 크레아티닌 수치를 예측할 수 있다. 이러한 구조는 도 2에 도시되어 있다.According to an embodiment, a two-step hierarchical RNN prediction model may be applied to improve the accuracy of the second prediction model. That is, based on the results of the first prediction model, different types of second prediction models may be applied. For example, serum creatinine levels may be predicted for each time interval for a patient predicted to have acute renal injury and a patient not expected to have acute renal injury in the first prediction model. This structure is shown in FIG. 2 .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 예측 모델 및 제2 예측 모델은 학습 데이터 세트를 이용한 다중 교차 검증을 통해 모델의 하이퍼 파라미터를 결정하고 같은 기관의 독립된 테스트 세트를 통해 내부적으로 검증되고, 다른 기관의 독립적인 테스트 데이터 세트를 이용하여 외부적으로 검증되었다. 외부 검증(external validation)은 현재의 실험 조건이 아닌 다른 대상이나 상황 하에서 실험 결과를 일반화하기 위한 절차로서, 외적 타당도(external validity)는 이렇게 학습된 모델이 다른 대상에 대해 일반적으로 적용될 수 있는 정도를 의미한다.According to an embodiment of the present invention, the first predictive model and the second predictive model determine hyperparameters of the model through multiple cross-validation using a training data set, are internally verified through an independent test set of the same institution, and other It was externally validated using the institution's independent test data set. External validation is a procedure for generalizing experimental results to other subjects or situations other than the current experimental conditions, and external validity measures the extent to which a learned model can be generally applied to other subjects. it means.

도 3은 실시예에 따른 예측 모델의 학습과 외부 검증을 위한 연구 집단의 분류 과정을 나타내는 흐름도이다. 2013년 1월부터 2017년 12월까지의 기간 중 SNUBH에 일주일 이상 입원한 182,976명의 환자의 데이터 중 제외 기준을 고려하여 최종적으로 69,081명의 데이터가 기계학습 모델의 훈련에 사용되었으며, 7,675명이 내부 검증에 사용되었다. 2013년 1월부터 2017년 12월까지의 기간 중 SNUH에 일주일 이상 입원한 299,491명의 환자의 데이터 중 제외 기준을 고려한 72,352명의 데이터가 외부 검증에 사용되었다. 여기서 SNUBH와 SNUH는 서로 독립적인 기관이다. 3 is a flowchart illustrating a process of classifying a study group for learning and external verification of a predictive model according to an embodiment. Among the data of 182,976 patients who were hospitalized for more than a week at SNUBH during the period from January 2013 to December 2017, considering the exclusion criteria, 69,081 patients were finally used for training the machine learning model, and 7,675 patients were used for internal validation. has been used Among the data of 299,491 patients who were hospitalized for more than one week at SNUH during the period from January 2013 to December 2017, the data of 72,352 patients considering the exclusion criteria were used for external verification. Here, SNUBH and SNUH are independent institutions.

한편, 인공지능 기술의 발전으로 인해 AKI 예측 시스템들의 성능은 향상되고 있지만 신경망 모델의 블랙박스 특성으로 인해 현장 의료진의 임상의사 결정에 직접적인 도움을 주지 못한다. 이는 기계학습 기반 모델이 복잡한 다중 은닉 계층과 가중치 매개 변수를 통해 한 번에 많은 양의 입력 데이터를 처리하기 때문에 사용자가 어떠한 기준과 방식으로 결과가 도출되었는지 해석하기 어렵기 때문이다. 이는 사용자가 예측 모델의 결과를 전적으로 신뢰할 수 없게 하고, 단순한 수치의 나열 만으로는 의료진이 어떠한 조치를 취해야 하는지 결정하기 어렵게 만든다.On the other hand, the performance of AKI prediction systems is improving due to the development of artificial intelligence technology, but due to the black box characteristics of the neural network model, it does not directly help field medical staff in making clinical decisions. This is because machine learning-based models process a large amount of input data at once through complex multiple hidden layers and weight parameters, making it difficult for users to interpret what criteria and methods the results were derived from. This makes it difficult for users to fully trust the results of the predictive model, and makes it difficult for medical staff to decide what actions to take based on a simple list of numbers.

따라서 실제 의료 현장에서 예측 결과를 적용하려면 임상의가 예측 모델의 위험 평가가 어떻게 도출되는지 이해할 필요가 있다. 이에, 본 발명의 실시예는 예측 모델의 결과를 해석할 수 있도록 하고 직관적인 분석을 통해 임상의사 결정을 지원하기 위한 프레임워크를 제공한다. Therefore, to apply the predictive results in real medical practice, clinicians need to understand how risk assessments of predictive models are derived. Accordingly, an embodiment of the present invention provides a framework for interpreting the results of a predictive model and supporting clinical decision making through intuitive analysis.

다시 도 1을 참조하면, 플롯 생성부(400)는 환자 관련 정보에 포함된 적어도 하나의 특징 변수들에 대하여, 각 특징 변수가 상기 제1 예측 모델에서 예측한 급성신장손상 발생 가능성에 미치는 영향을 시각적으로 나타내기 위한 적어도 하나의 플롯들을 생성하도록 구성된다. Referring back to FIG. 1 , the plot generation unit 400 determines the effect of each characteristic variable on the possibility of occurrence of acute kidney injury predicted by the first predictive model for at least one characteristic variable included in the patient-related information. It is configured to generate at least one plot for visual presentation.

일 실시예에 따르면, 상기 플롯은 부분 의존도 플롯(Partial Dependence Plots; PDP), 개별 조건부 기대도 플롯(Individual Conditional Expectation Plots; ICEP), 누적 국소 효과 플롯(Accumulated local effects plots; ALEP), 변수 중요도 플롯(Feature Importance Plots)을 포함할 수 있다. 이들은 대표적인 모델-불가지론적(model-agnostic) 해석 방법에 해당하는데, PDP 및 ALE를 통해 각 특징들이 예측 출력에 미치는 한계 효과(marginal effect) 혹은 조건부 효과(conditional effect)를 표현할 수 있고, 변수 중요도 플롯을 통해 각 변수들의 평균적인 중요도를 비교할 수 있으며, ICEP를 통해 인스턴스 별로 각 특징과 출력 간 관계를 직관적으로 표현할 수 있다.According to one embodiment, the plots are Partial Dependence Plots (PDP), Individual Conditional Expectation Plots (ICEP), Accumulated local effects plots (ALEP), Variable Importance Plots. (Feature Importance Plots) may be included. These correspond to representative model-agnostic interpretation methods. Through PDP and ALE, the marginal effect or conditional effect of each feature on the prediction output can be expressed, and the variable importance plot Through , the average importance of each variable can be compared, and through ICEP, the relationship between each feature and output can be intuitively expressed for each instance.

도 4a 내지 4y는 예측 모델의 동작을 해석하기 위해 제시되는 일부 특징 변수들에 대한 부분 의존도 플롯(PDP) 및 개별 조건부 기대도 플롯(ICEP)을 도시한다. 각 그래프의 선들은 선택된 특징 변수에 대하여 입원 환자들의 급성신장손상 발생 가능성의 평균 값과 선택된 특징 변수에 대하여 환자 개인의 급성신장손상 발생 가능성을 나타낸다. 이러한 플롯들은 선택된 특징 변수들이 AKI 발생 확률에 미치는 영향 및 각 특징 변수의 레벨에 따른 AKI 발생 확률의 실질적인 변화를 시각적으로 표현할 수 있다. Figures 4a to 4y show partial dependence plots (PDPs) and individual conditional expectation plots (ICEPs) for some feature variables presented to interpret the behavior of the predictive model. The lines in each graph represent the average value of the probability of acute renal impairment in hospitalized patients for the selected characteristic variable and the individual patient's probability of acute renal impairment for the selected characteristic variable. These plots can visually represent the effect of the selected feature variables on the AKI occurrence probability and the actual change in the AKI occurrence probability according to the level of each feature variable.

도 5a 내지 5o는 예측 모델의 동작을 해석하기 위해 제시되는 특정 변수의 영향력을 확인할 수 있는 누적 국소 효과 플롯(ALEP)이다. 누적 국소 효과 플롯은 변수 간의 상관관계에 영향을 최소화하므로 부분 의존도 플롯(PDP)보다 정확한 설명이 가능하다. 또한 누적 국소 효과 플롯을 예측 시점으로부터의 시간 차이에 따라 따로 그려서 날짜에 따른 예측력의 변화를 함께 보여준다.5A to 5O are cumulative local effect plots (ALEPs) that can confirm the influence of specific variables presented to interpret the behavior of the predictive model. The cumulative local effect plot minimizes the effect on the correlation between variables, allowing a more accurate description than the partial dependence plot (PDP). In addition, the cumulative local effect plot is drawn separately according to the time difference from the forecasting point to show the change in predictive power according to the date.

도 6은 예측 모델에서의 각 변수의 평균적인 중요도를 보여주는 변수 중요도 플롯이다. 이는 평균적인 샤플리 값을 통해 계산되며 상위에 위치할수록 급성 신장손상에 미치는 영향력이 큰 변수이다.6 is a variable importance plot showing the average importance of each variable in the predictive model. This is calculated through the average Shapley value, and the higher the value, the greater the influence on acute kidney injury.

일 실시예에 따르면, 상기 플롯 생성부(400)가 생성하는 적어도 하나의 플롯들은 신독성(nephrotoxic) 약물의 투여 및 중단에 따른 시간당 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 나타내는 그래프를 포함할 수 있다.According to one embodiment, at least one plot generated by the plot generation unit 400 may include a graph representing a change in serum creatinine level per hour according to administration and discontinuation of a nephrotoxic drug.

도 7은 일부 신독성(nephrotoxic) 약물의 투여 및 중단에 따른 시간당 혈청 크레아티닌 수치의 실제 변화와 예측 결과를 나타내는 그래프이다. 도 7은 NSAID가 각각 신독성 약물로 사용되는 4가지의 사례를 보여주고 있다.7 is a graph showing actual changes in serum creatinine levels per hour and predicted results according to administration and discontinuation of some nephrotoxic drugs. 7 shows four cases in which NSAIDs are used as nephrotoxic drugs, respectively.

도 7에서, 녹색 선은 실제 크레아티닌 수치를 나타내고, 청색 선은 신독성 약물 유지시의 크레아티닌 수치의 예측 값을 나타내며, 주황색 선은 각각의 신독성 약물을 중단한 후 크레아티닌 수치의 예측 값을 나타낸다. 이와 같은 플롯이 제공되면, 의료진이 AKI 발생을 예방하기 위한 조치 또는 개입에 대한 결정(즉, 임상의사결정)을 내리는데 도움이 될 수 있다.7, the green line represents the actual creatinine level, the blue line represents the predicted value of the creatinine level during maintenance of the nephrotoxic drug, and the orange line represents the predicted value of the creatinine level after discontinuation of each nephrotoxic drug. When such a plot is provided, it can help clinicians make decisions (i.e., clinical decisions) about actions or interventions to prevent the occurrence of AKI.

도 8은 일 실시예에 따른 RNN 기계학습 모델 기반 임상의사결정 지원 방법의 각 단계를 나타내는 순서도이다. 각 단계의 일부 또는 전부는 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있으며, 컴퓨터 프로세서에 의해 실행될 수 있다.8 is a flowchart illustrating each step of a clinical decision support method based on an RNN machine learning model according to an embodiment. Part or all of each step may be implemented as a computer program and executed by a computer processor.

도 8을 참조하면, 먼저 1일차부터 n일차까지의 환자 관련 정보를 순차적으로 입력 받는 단계(S100)가 수행된다. 각각의 환자 관련 정보는 적어도 하나의 특징 변수들을 포함하며, 각 특징 변수는 환자의 입원 기간 동안 변하지 않는 정적 변수 또는 환자의 입원 기간 동안 변하는 동적 변수로 구분될 수 있다. 예컨대, 정적 변수는 환자의 성별, 나이, BMI 수치(환자의 키와 몸무게에 기초하여 계산됨), 입원 전 약물 투여 이력, 동반 질환 등 적어도 환자가 입원해 있는 기간 동안에는 거의 변하지 않는 변수를 의미하며, 동적 변수는 입원 중 약물 투여, 병원 내 검사 결과(혈중 크레아티닌 수치, 백혈구, 헤모글로빈, 혈소판, 알부민, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 포도당, 이산화탄소, 요소 수치 등), 활력 징후(혈압, 맥박, 체온 등)와 같이 환자가 입원해 있는 기간 동안 계속 변화하며 적어도 하루에 한 번 측정되는 변수를 의미한다. Referring to FIG. 8 , a step of sequentially receiving patient-related information from day 1 to day n (S100) is performed. Each patient-related information includes at least one feature variable, and each feature variable may be classified as a static variable that does not change during the patient's hospitalization period or a dynamic variable that changes during the patient's hospitalization period. For example, static variables refer to variables that hardly change at least during the period the patient is hospitalized, such as the patient's gender, age, BMI (calculated based on the patient's height and weight), drug administration history before hospitalization, and comorbidities. , dynamic variables include drug administration during hospitalization, in-hospital test results (blood creatinine level, leukocytes, hemoglobin, platelets, albumin, sodium, potassium, calcium, glucose, carbon dioxide, urea levels, etc.), vital signs (blood pressure, pulse, temperature, etc.) ) is a variable that changes continuously during the patient's hospitalization and is measured at least once a day.

다음으로, RNN 기계학습 알고리즘을 이용하는 제1 예측 모델을 이용하여, 입력된 환자 관련 정보에 기초하여 환자의 급성신장손상(AKI) 발생 가능성을 예측하는 단계(S200)가 수행되며, 이어서 RNN 기계학습 알고리즘을 이용하는 제2 예측 모델을 이용하여, 상기 제1 예측 모델의 예측 결과에 기초하여 환자의 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 예측하는 단계(S300)가 수행된다. Next, a step (S200) of predicting the possibility of occurrence of acute kidney injury (AKI) of the patient based on the input patient-related information using the first prediction model using the RNN machine learning algorithm is performed, followed by RNN machine learning. Using a second predictive model using an algorithm, based on the predicted result of the first predictive model, a change in serum creatinine level of the patient is predicted (S300).

제1 예측 모델과 제2 예측 모델에 대해서는 도 1, 2를 참조하여 전술한 바와 같다. 제1 예측 모델은 복수개의 순차적인 입력 데이터(1일차부터 n일차까지의 환자 관련 정보)에 기초하여 현시점으로부터 소정의 기간 내에 환자에게 AKI가 발생할 가능성을 계산하여 결과로서 출력하는 다대일(many-to-one) 입출력 구조를 가지며, 제2 예측 모델은 순차적으로 입력되는 환자 관련 정보에 기초하여 각 날짜로부터 일정 시간 이후의 크레아티닌 수치를 결과로서 출력하는 다대다(many-to-many) 입출력 구조를 갖는다. 두 예측 모델 모두 RNN 기계학습 알고리즘을 이용하며, 순차적인 입력 데이터에 대하여 이전의 입력 데이터에 기초한 이전 상태 정보를 반영하여 현재의 출력을 결정할 수 있다.The first prediction model and the second prediction model are as described above with reference to FIGS. 1 and 2 . The first predictive model calculates the possibility of AKI occurring in a patient within a predetermined period from the present time based on a plurality of sequential input data (patient-related information from day 1 to day n) and outputs the many-to-one result as a result. to-one) input/output structure, and the second predictive model has a many-to-many input/output structure that outputs the creatinine level after a certain time from each date as a result based on sequentially input patient-related information. have Both predictive models use RNN machine learning algorithms, and the current output can be determined by reflecting previous state information based on previous input data for sequential input data.

이어서, 상기 환자 관련 정보에 포함된 적어도 하나의 특징 변수들에 대하여, 각 특징 변수가 상기 제1 예측 모델에서 예측한 급성신장손상 발생 가능성에 미치는 영향을 시각적으로 나타내기 위한 적어도 하나의 플롯들을 생성하는 단계(S400)가 수행된다. Then, with respect to at least one feature variable included in the patient-related information, at least one plot for visually representing the effect of each feature variable on the possibility of occurrence of acute kidney injury predicted by the first predictive model is generated. A step (S400) is performed.

전술한 바와 같이, 상기 플롯은 부분 의존도 플롯(PDP), 개별 조건부 기대도 플롯(ICEP), 누적 국소효과 플롯(ALEP) 및 변수 중요도 플롯을 포함할 수 있고, 이를 통해 사용자가 예측 모델의 결과를 해석할 수 있도록 하고 직관적인 분석을 통해 임상의사 결정을 지원하기 위한 프레임워크를 제공한다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 플롯에는 다양한 신독성(nephrotoxic) 약물의 투여 및 중단에 따른 시간당 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 나타내는 그래프가 포함될 수 있다.As described above, the plot may include a partial dependence plot (PDP), an individual conditional expectation plot (ICEP), a cumulative local effect plot (ALEP), and a variable importance plot, through which the user can determine the result of the predictive model. It enables interpretation and provides a framework to support clinical decision-making through intuitive analysis. According to another embodiment, the plot may include a graph showing changes in serum creatinine levels per hour according to administration and discontinuation of various nephrotoxic drugs.

이러한 실시예들에 따른 RNN 기계학습 모델 기반 임상의사결정 지원 방법은, 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. The clinical decision support method based on the RNN machine learning model according to these embodiments may be implemented as an application or implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer components and recorded on a computer-readable recording medium. The computer readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.

컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, and magneto-optical media such as floptical disks. media), and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.

프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of program instructions include high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like as well as machine language codes such as those produced by a compiler. The hardware device may be configured to act as one or more software modules to perform processing according to the present invention and vice versa.

실험예Experimental example

본 실험예는 도 3을 참조하여 소개한 훈련 집단의 환자 데이터와 테스트 집단의 환자 데이터를 적용하여 수행되었다. 여러 가지 제외 기준을 고려한 후 최종적으로 69,081 명의 환자가 훈련 코호트에 포함되었으며, 7,675 명의 환자가 내부 테스트 코호트에 72,353 명의 환자가 외부 테스트 코호트에 포함되었다. 연구 모집단의 특성은 다음의 표에 나타나 있다.This experimental example was performed by applying the patient data of the training group and the patient data of the test group introduced with reference to FIG. 3 . After considering various exclusion criteria, 69,081 patients were finally included in the training cohort, 7,675 patients were included in the internal test cohort, and 72,353 patients were included in the external test cohort. The characteristics of the study population are shown in the table below.

VariablesVariables SNUBH training set (n = 69,081)SNUBH training set (n = 69,081) SNUBH validation set (n = 7,675)SNUBH validation set (n = 7,675) SNUH validation set (n = 72,352)SNUH validation set (n = 72,352) P value P value Age, yr Age, years 59.8 ± 16.5 a 59.8 ± 16.5 a 59.6 ± 16.659.6 ± 16.6 57.1 ± 16.057.1±16.0 <.001<.001 Male sexmale sex 36732 (53.2%)36732 (53.2%) 4114 (53.6%)4114 (53.6%) 37405 (51.7%)37405 (51.7%) <.001<.001 Body mass index, kg/m2 Body mass index, kg/m 2 23.8 ± 3.523.8 ± 3.5 23.8 ± 3.523.8 ± 3.5 23.2 ± 3.523.2 ± 3.5 <.001<.001 Stay length, daysStay length, days 8.7 ± 14.2 8.7 ± 14.2 8.5 ± 10.4 8.5 ± 10.4 6.9 ± 11.7 6.9 ± 11.7 <.001<.001 ICU admissionICU admission 4478 (6.5%)4478 (6.5%) 475 (6.2%)475 (6.2%) 2340 (3.2%)2340 (3.2%) <.001<.001 Charlson comorbidity index Charlson comorbidity index 1.0 ± 1.4 1.0 ± 1.4 1.1 ± 1.4 1.1±1.4 1.1 ± 1.4 1.1±1.4 <.001<.001 Specific preexisting comorbiditiesSpecific preexisting comorbidities HypertensionHypertension 9455 (13.7%)9455 (13.7%) 995 (13.0%)995 (13.0%) 6624 (9.2%)6624 (9.2%) <.001<.001 Diabetes mellitusDiabetes mellitus 7187 (10.4%)7187 (10.4%) 769 (10.0%)769 (10.0%) 6513 (9.0%)6513 (9.0%) <.001<.001 Ischemic heart diseaseIschemic heart disease 7452 (10.8%)7452 (10.8%) 790 (10.3%)790 (10.3%) 6289 (8.7%)6289 (8.7%) <.001<.001 Heart failure heart failure 1500 (2.2%)1500 (2.2%) 169 (2.2%)169 (2.2%) 793 (1.1%)793 (1.1%) <.001<.001 Baseline eGFR, ml/min/1.73 m2 Baseline eGFR, ml/min/1.73 m 2 94.9 ± 38.994.9 ± 38.9 94.6 ± 37.494.6 ± 37.4 89.4 ± 21.989.4 ± 21.9 <.001<.001 No CKD or CKD 1 or 2 (≥60)No CKD or CKD 1 or 2 (≥60) 60201 (87.1%)60201 (87.1%) 6683 (87.1%)6683 (87.1%) 65310 (90.3%)65310 (90.3%) <.001<.001 CKD G3a (45-59)CKD G3a (45-59) 4839 (7.0%)4839 (7.0%) 550 (7.2%)550 (7.2%) 4188 (5.8%)4188 (5.8%) CKD G3b (30-44)CKD G3b (30-44) 2629 (3.8%)2629 (3.8%) 279 (3.6%)279 (3.6%) 1940 (2.7%)1940 (2.7%) CKD G4 (15-29)CKD G4 (15-29) 1412 (2.0%)1412 (2.0%) 163 (2.1%)163 (2.1%) 914 (1.3%)914 (1.3%) Hemoglobin, g/dlHemoglobin, g/dl 13.0 ± 2.113.0 ± 2.1 13.0 ± 2.113.0 ± 2.1 13.0 ± 2.013.0±2.0 .54.54 Albumin, g/dlAlbumin, g/dl 4.0 ± 0.6 4.0 ± 0.6 4.0 ± 0.6 4.0 ± 0.6 4.1 ± 0.5 4.1 ± 0.5 <.001<.001 Bilirubin, mg/dlBilirubin, mg/dl 0.9 ± 1.5 0.9 ± 1.5 0.9 ± 1.6 0.9 ± 1.6 0.9 ± 1.5 0.9 ± 1.5 .032.032 Calcium, mg/dlCalcium, mg/dl 8.8 ± 0.6 8.8 ± 0.6 8.8 ± 0.6 8.8 ± 0.6 9.1 ± 0.6 9.1 ± 0.6 <.001<.001 Glucose, mg/dlGlucose, mg/dl 126.4 ± 55.5126.4 ± 55.5 125.8 ± 54.1125.8 ± 54.1 121.1 ± 48.9121.1 ± 48.9 <.001<.001 Sodium, mEq/LSodium, mEq/L 138.9 ± 3.8138.9 ± 3.8 138.8 ± 3.8138.8 ± 3.8 139.8 ± 3.3139.8 ± 3.3 <.001<.001 Potassium, mEq/LPotassium, mEq/L 4.1 ± 0.4 4.1 ± 0.4 4.2 ± 0.5 4.2 ± 0.5 4.2 ± 0.4 4.2 ± 0.4 <.001<.001 Chloride, mEq/LChloride, mEq/L 102.5 ± 4.0102.5 ± 4.0 102.5 ± 4.0102.5 ± 4.0 103.5 ± 3.5103.5 ± 3.5 <.001<.001 AST, IU/LAST, IU/L 47.3 ± 245.347.3 ± 245.3 46.7 ± 213.246.7 ± 213.2 32.4 ± 108.732.4 ± 108.7 <.001<.001 ALT, IU/LALT, IU/L 42.6 ± 192.142.6 ± 192.1 42.0 ± 154.142.0 ± 154.1 30.5 ± 100.430.5 ± 100.4 <.001<.001 Total CO2, mEq/LTotal CO 2 , mEq/L 24.7 ± 3.324.7 ± 3.3 24.7 ± 3.324.7 ± 3.3 25.6 ± 3.625.6 ± 3.6 <.001<.001 Platelet, 103/μlPlatelet, 10 3 /μl 232.9 ± 85.0232.9 ± 85.0 232.3 ± 86.7232.3 ± 86.7 235.8 ± 479.1235.8 ± 479.1 <.001<.001 White blood cell count, /mm2White blood cell count, /mm2 8.2 ± 7.1 8.2 ± 7.1 8.3 ± 8.3 8.3 ± 8.3 7.3 ± 5.5 7.3±5.5 .105.105 Medication useMedication use RAS blockersRAS blockers 5494 (8.0%)5494 (8.0%) 610 (7.9%)610 (7.9%) 6039 (8.3%)6039 (8.3%) .007.007 DiureticsDiuretics 3437 (5.0%)3437 (5.0%) 381 (5.0%)381 (5.0%) 3723 (5.1%)3723 (5.1%) .147.147 NSAIDsNSAIDs 16974 (24.6%)16974 (24.6%) 1874 (24.4%)1874 (24.4%) 13290 (18.4%)13290 (18.4%) <.001<.001 Systolic blood pressure, mmHgSystolic blood pressure, mmHg 128.7 ± 16.5128.7 ± 16.5 128.6 ± 16.5128.6 ± 16.5 124.8 ± 15.8124.8 ± 15.8 <.001<.001 Diastolic blood pressure, mmHgDiastolic blood pressure, mmHg 74.1 ± 10.874.1 ± 10.8 74.0 ± 10.774.0 ± 10.7 76.2 ± 10.776.2 ± 10.7 <.001<.001 Heart rate, per minuteHeart rate, per minute 78.6 ± 14.478.6 ± 14.4 78.7 ± 14.378.7 ± 14.3 77.7 ± 14.277.7 ± 14.2 <.001<.001 Body temperature, ℃Body temperature, ℃ 36.7 ± 0.536.7 ± 0.5 36.7 ± 0.536.7 ± 0.5 36.5 ± 0.436.5 ± 0.4 <.001<.001

상기 표에 따르면, 훈련 코호트의 환자의 평균 나이는 59.8세로 외부 테스트 코호트의 환자의 평균 나이인 57.1세보다 많았으며, 평균 기준 eGFR은 외부 테스트 코호트보다 훈련 코호트에서 더 높았다. 훈련 코호트에서 더 많은 환자가 고혈압 또는 당뇨병을 가지고 있었으나 평균 동반 질환 지수는 외부 테스트 코호트에서 더 높았다. 입원 후 2주간 동안 AKI(경증 1단계 및 중증 2~3단계 모두 포함)의 누적 발생률은 훈련 코호트에서 5.91%, 외부 테스트 코호트에서 3.63%로 나타났다. 중증 AKI(2단계 또는 3단계)의 누적 발생률은 훈련 코호트에서 1.58%, 외부 테스트 코호트에서 1.11%로 나타났다.According to the table above, the average age of patients in the training cohort was 59.8 years, which was higher than the average age of patients in the external testing cohort, 57.1 years, and the average baseline eGFR was higher in the training cohort than in the external testing cohort. More patients in the training cohort had hypertension or diabetes, but the average comorbidity index was higher in the external testing cohort. The cumulative incidence of AKI (including both mild stage 1 and severe stage 2-3) during the 2 weeks after admission was 5.91% in the training cohort and 3.63% in the external testing cohort. The cumulative incidence of severe AKI (stage 2 or 3) was 1.58% in the training cohort and 1.11% in the external testing cohort.

본 실험예에서, 제1 예측 모델의 성능은 AKI(경증 1단계 및 중증 2~3단계 모두 포함)에 대한 예측력은 내부 테스트 코호트에서 AUC 0.882, 외부 테스트 코호트에서 AUC 0.838로 나왔으나, 외부 테스트 코호트의 10%를 활용하여 모델을 업데이트하였을 때는 AUC 0.864로 향상된 결과를 보였다. AKI(2단계 또는 3단계)에 대한 제 1 예측 모델의 성능은 내부 테스트 코호트에서 AUC 0.927, 외부 테스트 코호트에서 AUC 0.901로 나왔으나, 외부 테스트 코호트의 10%를 활용하여 모델을 업데이트하였을 때는 AUC 0.914로 향상된 결과를 보였다.In this experimental example, the performance of the first predictive model for AKI (including both mild stage 1 and severe stage 2-3) was AUC 0.882 in the internal test cohort and AUC 0.838 in the external test cohort, but the external test cohort When the model was updated using 10% of the AUC, the result was improved to 0.864. The performance of the first predictive model for AKI (stage 2 or 3) was AUC 0.927 in the internal test cohort and AUC 0.901 in the external test cohort, but when the model was updated using 10% of the external test cohort, it was AUC 0.914. showed improved results.

제1 모델의 결과를 바탕으로 제2 예측 모델을 검증하였고 제2 예측 모델의 성능 평가 결과는 아래의 표에 나타나 있다.Based on the results of the first model, the second predictive model was verified, and the performance evaluation results of the second predictive model are shown in the table below.

SubgroupSubgroup Validation methodValidation method MSE at different time points MSE at different time points 24 h24h 48 h48h 72 h72h Positive predictionPositive prediction Internal validationInternal validation 0.040.04 0.040.04 0.060.06   External validationExternal validation 0.060.06 0.060.06 0.090.09   External validation (refitting)External validation (refitting) 0.050.05 0.060.06 0.080.08 Negative predictionNegative prediction Internal validationInternal validation 0.030.03 0.040.04 0.040.04   External validationExternal validation 0.060.06 0.060.06 0.080.08   External validation (refitting)External validation (refitting) 0.030.03 0.050.05 0.050.05

상기 표의 결과는 제1 예측 모델의 AKI 발생 가능성에 대한 예측 결과를 기초로 양성 및 음성 예측 그룹에서 크레아티닌(Cr) 수치를 추적하는 제2 예측 모델을 검증한 것이다. 측정된 크레아티닌 수치는 양성 및 음성 예측 그룹 각각에서 상당한 차이가 있었다. AKI (모든 단계)의 예측 모델에서 MSE(mean square error) 값은 내부 검증의 경우 0.03~0.06, 외부 검증의 경우 0.05~0.09 범위를 나타낸다. 외부 테스트 코호트의 자료 10%를 활용하여 모델을 업데이트 할 경우 모델의 MSE는 0.03~0.08로 향상되었다. 서로 다른 예측 지점(24시간, 48시간, 72시간)에서의 MSE 값은 전반적으로 비슷하였다.The results of the above table are verified by the second predictive model tracking the creatinine (Cr) level in the positive and negative predictive groups based on the predicted results of the first predictive model on the possibility of AKI occurrence. The measured creatinine levels were significantly different in each of the positive and negative predictive groups. The mean square error (MSE) values in the predictive models of AKI (all stages) ranged from 0.03 to 0.06 for internal validation and 0.05 to 0.09 for external validation. When the model was updated using 10% of the data from the external test cohort, the MSE of the model improved to 0.03 to 0.08. MSE values at different prediction points (24, 48, and 72 hours) were generally similar.

이상에서 설명한 임상의사결정 지원 시스템 및 방법의 실시예들에 의하면, RNN 기계학습 모델을 이용하여 입원 환자의 급성신장손상(AKI) 발생 가능성 및 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 실시간으로 예측할 수 있고, 예측 모델의 결과에 영향을 미치는 특징 변수들과 결과 간의 관계를 시각적으로 나타내는 플롯들을 제공하여 임상의에게 변수들이 예측 결과에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 통찰력을 제공할 수 있다. 또한, 실시예의 예측 모델은 학습에 사용된 데이터 세트와 독립적인 외부 데이터 세트를 사용하여 외부적으로 검증되며, 따라서 높은 예측 신뢰성을 가지며 다른 환자 집단에도 활용될 수 있는 범용성을 가진다.According to the embodiments of the clinical decision support system and method described above, it is possible to predict the possibility of acute kidney injury (AKI) in hospitalized patients and changes in serum creatinine levels in real time using an RNN machine learning model, and the predictive model By providing plots that visually represent the relationship between feature variables and outcomes that affect the outcome of the outcome, it is possible to provide clinicians with insight into how variables affect predicted outcomes. In addition, the predictive model of the embodiment is externally verified using an external data set independent of the data set used for learning, and thus has high predictive reliability and versatility that can be used for other patient groups.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand.

Claims (15)

1일차부터 n일차까지의 환자 관련 정보를 순차적으로 입력 받는 입력부;
RNN 기계학습 알고리즘을 이용하며, 입력된 환자 관련 정보에 기초하여 환자의 급성신장손상(AKI) 발생 가능성을 예측하는 제1 예측 모델;
RNN 기계학습 알고리즘을 이용하며, 상기 제1 예측 모델의 예측 결과에 기초하여 환자의 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 예측하는 제2 예측 모델; 및
상기 환자 관련 정보에 포함된 적어도 하나의 특징 변수들에 대하여, 각 특징 변수가 상기 제1 예측 모델에서 예측한 급성신장손상 발생 가능성에 미치는 영향을 시각적으로 나타내기 위한 적어도 하나의 플롯들을 생성하는 플롯 생성부를 포함하며,
상기 제1 예측 모델은,
입력된 환자 관련 정보에 기초하여 현시점으로부터 설정된 기간 이내에 환자에게 AKI가 발생할 가능성을 계산하여 결과로서 출력하되, AKI 발생 가능성을 계산하여 AKI 발생 가능성이 높은 AKI 발생 예상 환자와 AKI 발생 가능성이 상대적으로 낮은 AKI 미발생 예상 환자를 분류하고,
상기 제2 예측 모델은,
상기 제1 예측 모델의 AKI 예측 결과에 기초하여 현시점으로부터 설정된 기간 이내의 혈청 크레아티닌 수치를 계산하여 결과로서 출력하되, AKI 발생 예상 환자와 AKI 미발생 예상 환자에 대해 각각 서로 다른 유형의 예측 모델, 즉 두 단계의 계층적 RNN 예측 모델을 적용하여 혈청 크레아티닌 수치를 계산하는 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템.
an input unit that sequentially receives patient-related information from day 1 to day n;
A first prediction model using an RNN machine learning algorithm and predicting the possibility of acute kidney injury (AKI) in a patient based on input patient-related information;
a second prediction model using an RNN machine learning algorithm and predicting a change in serum creatinine level of a patient based on a prediction result of the first prediction model; and
A plot for generating at least one plot for visually showing the effect of each characteristic variable on the possibility of occurrence of acute renal injury predicted by the first predictive model for at least one feature variable included in the patient-related information Including a generator,
The first predictive model,
Based on the entered patient-related information, the probability of AKI occurring in the patient within a set period from the present time is calculated and output as a result. AKI-free prospective patients are classified,
The second predictive model,
Based on the AKI prediction result of the first predictive model, the serum creatinine level within a set period from the present time is calculated and output as a result, but different types of predictive models for patients expected to develop AKI and patients without AKI, namely, A clinical decision support system using an RNN machine learning model, characterized in that the serum creatinine level is calculated by applying a two-step hierarchical RNN prediction model.
제1항에 있어서,
상기 제1 예측 모델은, 순차적으로 입력되는 1일차부터 n일차까지의 환자 관련 정보에 기초하여 현시점으로부터 소정의 기간 내에 환자에게 급성신장손상이 발생할 가능성을 계산하여 결과로서 출력하되,
상기 결과는 n-1일차까지의 환자의 상태 정보와 n일차에 입력된 환자 관련 정보를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템.
According to claim 1,
The first predictive model calculates the possibility of acute renal injury occurring in a patient within a predetermined period from the present time based on sequentially input patient-related information from day 1 to day n, and outputs the result as a result,
The result is a clinical decision support system using an RNN machine learning model, characterized in that calculated using the patient's condition information up to day n-1 and patient-related information input on day n.
제2항에 있어서,
임의의 m일차에서 환자의 상태 정보는, m-1일차까지의 환자의 상태 정보와 m일차에 입력된 환자 관련 정보를 이용하여 획득하는 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템.
According to claim 2,
Clinical decision-making support using an RNN machine learning model, characterized in that the patient's condition information on any day m is obtained using the patient's condition information up to day m-1 and the patient-related information input on day m system.
제1항에 있어서,
상기 제2 예측 모델은, 임의의 m일차에 입력된 환자 관련 정보와 m-1일차까지의 환자의 상태 정보를 이용하여 각 날짜로부터 소정의 시간 구간 이내의 혈청 크레아티닌 수치를 계산하여 결과로서 출력하되,
상기 m-1일차까지의 환자의 상태 정보는, m-2일차까지의 환자의 상태 정보와 m-1일차에 입력된 환자 관련 정보를 이용하여 획득하는 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템.
According to claim 1,
The second predictive model calculates the serum creatinine level within a predetermined time interval from each date using the patient-related information input on any day m and the condition information of the patient up to day m-1, and outputs the result as ,
The patient's condition information up to the m-1 day is obtained using the patient's condition information up to the m-2 day and the patient-related information input on the m-1 day, using an RNN machine learning model. Clinical decision support system.
제2항에 있어서,
상기 제1 예측 모델은, 환자에게 급성신장손상이 발생할 가능성을 나타내는 예측 확률을 출력하거나, 상기 예측 확률에 기초하여 급성신장손상이 발생할 것으로 예상되는 환자를 분류하는 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템.
According to claim 2,
The first predictive model is an RNN machine learning model, characterized in that outputting a predicted probability indicating the possibility of acute renal injury in the patient or classifying a patient who is expected to have acute renal injury based on the predicted probability Clinical decision support system using .
제5항에 있어서,
상기 제2 예측 모델은, 상기 제1 예측 모델의 출력 값에 기초하여 시간 구간 별로 혈청 크레아티닌 수치를 예측하는 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템.
According to claim 5,
The second prediction model predicts the serum creatinine level for each time interval based on the output value of the first prediction model, clinical decision support system using an RNN machine learning model.
제1항에 있어서,
상기 제1 예측 모델 및 상기 제2 예측 모델은, 특정 기관에 입원한 환자들의 데이터를 이용하여 학습되고, 상기 기관과 독립적인 다른 기관에 입원한 환자들의 데이터를 이용하여 외부적으로 검증되는 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템.
According to claim 1,
The first prediction model and the second prediction model are learned using data of patients admitted to a specific institution and externally verified using data of patients admitted to another institution independent of the institution. A clinical decision support system using RNN machine learning model.
제1항에 있어서,
상기 환자 관련 정보에 포함된 적어도 하나의 특징 변수들은, 환자의 입원 기간 동안 변하지 않는 정적 변수들 또는 환자의 입원 기간 동안 변하는 동적 변수들을 포함하고,
상기 정적 변수들은 환자의 성별, 나이, BMI 수치, 입원 전 약물 투여 이력, 동반 질환 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 동적 변수들은 입원 중 약물 투여, 병원 내 검사 결과, 활력 징후 중 적어도 하나를 포함하며 하루에 적어도 한 번 업데이트되는 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템.
According to claim 1,
The at least one characteristic variable included in the patient-related information includes static variables that do not change during the hospitalization period of the patient or dynamic variables that change during the hospitalization period of the patient,
The static variables include at least one of the patient's gender, age, BMI level, drug administration history prior to hospitalization, and comorbidities,
The dynamic variables include at least one of drug administration during hospitalization, in-hospital test results, and vital signs, and are updated at least once a day, clinical decision support system using an RNN machine learning model.
제1항에 있어서,
상기 플롯 생성부가 생성하는 적어도 하나의 플롯들은, 부분 의존도 플롯(Partial Dependence Plots), 개별 조건부 기대도 플롯(Individual Conditional Expectation Plots), 누적 국소 효과 플롯(Accumulated local effects plots), 또는 샤플리 값(sharply value)을 이용한 변수 중요도 플롯을 포함하는 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템.
According to claim 1,
At least one of the plots generated by the plot generation unit may include partial dependence plots, individual conditional expectation plots, accumulated local effects plots, or sharp value plots. A clinical decision support system using an RNN machine learning model, characterized in that it includes a variable importance plot using ).
제9항에 있어서,
상기 부분 의존도 플롯(PDP) 및 누적 국소 효과 플롯(ALEP)은 선택된 특징 변수에 대하여 입원 환자들의 급성신장손상 발생 가능성의 평균 값을 나타내는 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템.
According to claim 9,
The partial dependence plot (PDP) and the cumulative local effect plot (ALEP) are a clinical decision support system using an RNN machine learning model, characterized in that they represent the average value of the probability of acute renal injury in hospitalized patients for the selected feature variable. .
제9항에 있어서,
상기 샤플리 값을 이용한 변수 중요도 플롯은 환자 개인 및 집단 전체의 신장 손상 발생에 기여하는 변수의 중요도를 순서대로 나타내는 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템.
According to claim 9,
The variable importance plot using the Shapley value is a clinical decision support system using an RNN machine learning model, characterized in that it indicates in order the importance of variables contributing to the occurrence of renal damage in individual patients and groups.
제9항에 있어서,
상기 개별 조건부 기대도 플롯(ICEP)은 선택된 특징 변수에 대하여 환자 개인의 급성신장손상 발생 가능성을 나타내는 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템.
According to claim 9,
The individual conditional expectation plot (ICEP) is a clinical decision support system using an RNN machine learning model, characterized in that it indicates the possibility of acute renal injury of the individual patient for the selected feature variable.
제1항에 있어서,
상기 플롯 생성부가 생성하는 적어도 하나의 플롯들은, 신독성(nephrotoxic) 약물의 투여 및 중단에 따른 시간당 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 나타내는 그래프를 포함하는 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 시스템.
According to claim 1,
At least one of the plots generated by the plot generation unit includes a graph representing a change in serum creatinine level per hour according to administration and discontinuation of a nephrotoxic drug, characterized in that, clinical decision making using an RNN machine learning model support system.
1일차부터 n일차까지의 환자 관련 정보를 순차적으로 입력 받는 단계;
RNN 기계학습 알고리즘을 이용하는 제1 예측 모델을 이용하여, 입력된 환자 관련 정보에 기초하여 환자의 급성신장손상(AKI) 발생 가능성을 예측하는 단계;
RNN 기계학습 알고리즘을 이용하는 제2 예측 모델을 이용하여, 상기 제1 예측 모델의 예측 결과에 기초하여 환자의 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 예측하는 단계; 및
상기 환자 관련 정보에 포함된 적어도 하나의 특징 변수들에 대하여, 각 특징 변수가 상기 제1 예측 모델에서 예측한 급성신장손상 발생 가능성에 미치는 영향을 시각적으로 나타내기 위한 적어도 하나의 플롯들을 생성하는 단계를 포함하며,
상기 환자의 급성신장손상(AKI) 발생 가능성을 예측하는 단계는,
입력된 환자 관련 정보에 기초하여 현시점으로부터 설정된 기간 이내에 환자에게 AKI가 발생할 가능성을 계산하여 결과로서 출력하되, AKI 발생 가능성을 계산하여 AKI 발생 가능성이 높은 AKI 발생 예상 환자와 AKI 발생 가능성이 상대적으로 낮은 AKI 미발생 예상 환자를 분류하는 단계이고,
상기 환자의 혈청 크레아티닌 수치의 변화를 예측하는 단계는,
상기 제1 예측 모델의 AKI 예측 결과에 기초하여 현시점으로부터 설정된 기간 이내의 혈청 크레아티닌 수치를 계산하여 결과로서 출력하되, AKI 발생 예상 환자와 AKI 미발생 예상 환자에 대해 각각 서로 다른 유형의 예측 모델, 즉 두 단계의 계층적 RNN 예측 모델을 적용하여 혈청 크레아티닌 수치를 계산하는 단계인 것을 특징으로 하는, RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 방법.
sequentially receiving patient-related information from day 1 to day n;
predicting a possibility of acute kidney injury (AKI) of the patient based on the input patient-related information using a first prediction model using an RNN machine learning algorithm;
predicting a change in serum creatinine level of a patient based on a prediction result of the first prediction model by using a second prediction model using an RNN machine learning algorithm; and
Generating at least one plot for visually representing the effect of each characteristic variable on the possibility of occurrence of acute renal injury predicted by the first predictive model with respect to at least one characteristic variable included in the patient-related information. Including,
Predicting the possibility of acute kidney injury (AKI) of the patient,
Based on the entered patient-related information, the probability of AKI occurring in the patient within a set period from the present time is calculated and output as a result. A step of classifying expected patients without AKI,
The step of predicting the change in the serum creatinine level of the patient,
Based on the AKI prediction result of the first predictive model, the serum creatinine level within a set period from the present time is calculated and output as a result, but different types of predictive models for patients expected to develop AKI and patients without AKI, namely, A clinical decision support method using an RNN machine learning model, characterized in that the step of calculating the serum creatinine level by applying a two-step hierarchical RNN prediction model.
제14항에 따른 RNN 기계학습 모델을 이용한 임상의사결정 지원 방법을 구현하기 위한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.A computer program stored in a computer-readable recording medium for implementing the clinical decision support method using the RNN machine learning model according to claim 14.
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