令 和 元 年 度 厚 生 労 働 科 学 研 究 費 補 助 金
政 策 科 学 総 合 研 究 事 業 ( 臨 床 研 究 等 I C T 基 盤 構 築 ・ 人 工 知 能 実 装 研 究 事 業 )
分 担 研 究 報 告 書
研 究 課 題 ： 集 中 治 療 領 域 に お け る 生 体 情 報 や 診 療 情 報 等 を 活 用 し た 人 工 知 能 （ A I ） の 実 装 を 推 進 す る た め の 基 盤 整 備 に 係 る 社 会 的 ・ 技 術 的 課 題 等 に つ い て の 実 証 的 研 究 （ １ ９ Ａ Ｃ ０ ２ ０ １ ）
分 担 研 究 4 ． 単 施 設 に よ る 時 系 列 デ ー タ を 用 い た ユ ー ス ケ ー ス の 選 定
研 究 分 担 者
高 木 俊 介 ， 山 中 竹 春 ， 長 嶺 裕 介
研 究 要 旨
集 中 治 療 室 へ 入 室 し た 患 者 1 7 8 名 の バ イ タ ル と 尿 排 出 量 及 び 水 分 投 与 （ 輸 血 ， 輸 液 ， 注 射 ， 経 口 水 分 補 給 ） 量 デ ー タ を ， 患 者 デ ー タ 収 集 シ ス テ ム ( A C S Y S ) か ら 抽 出 し 匿 名 化 を 実 施 し た ． デ ー タ 欠 損 や 表 記 揺 ら ぎ の 修 正 と 水 分 の 入 出 力 量 の ス ル ー プ ッ ト 値 へ の 変 換 な ど の デ ー タ ク レ ン ジ ン グ を 実 施 し た ． A K I 発 症 判 断 に 重 要 な 指 標 で あ る 血 中 ク レ ア チ ニ ン 量 及 び そ れ か ら 算 出 す る e G F R 指 標 を 予 測 す る 因 子 と し て ， バ イ タ ル や 水 分 の 入 出 力 量 の 時 間 変 化 を 含 め た 特 徴 量 デ ー タ を 作 成 ． 関 数 デ ー タ 解 析 の 手 法 の 一 つ で あ る 基 底 関 数 展 開 係 数 を 特 徴 量 と し た ． こ れ ら の デ ー タ を 用 い て e G F R 指 標 の 増 減 予 測 モ デ ル を 機 械 学 習 手 法 を 用 い て 試 作 し た ． し か し ， 現 時 点 で は ， ま だ 十 分 な 予 測 精 度 が 得 ら れ て お ら ず ， 特 徴 量 の 改 良 を 繰 り 返 し て い る ．
研 究 目 的
本 研 究 で は ， 複 数 の I C U を 繋 い で ， リ ア ル タ イ ム な 診 療 デ ー タ か ら ， 人 工 知 能 を 組 み 込 ん だ ア ル ゴ リ ズ ム を 用 い て 患 者 の 重 症 度 を 評 価 し ， 全 国 的 な 集 中 治 療 診 療 の 質 の 向 上 を 目 指 し て い る ．
本 分 担 研 究 で は ， そ の 端 緒 と し て 単 施 設 に よ る 時 系 列 デ ー タ を 用 い た ユ ー ス ケ ー ス の 選 定 を 実 施 し た ．
研 究 方 法 お よ び 経 過
横 浜 市 立 大 学 附 属 病 院 集 中 治 療 室 に 入 室 し た 患 者 の 時 系 列 の パ ネ ル デ ー タ を 用 い て 予 測 モ デ ル の 構 築 を 試 み た ． あ る 疾 患 群 を 対 象 と し て ， 4 8 時 間 後 の 特 定 の 合 併 症 の 発 生 有 無 で 2 郡 に 分 類 し た ． 合 併 症 の 発 生 有 無 に 対 し ， 時 系 列 の デ ー タ （ 1 分 毎 に 抽 出 さ れ て い る 生 体 情 報 デ ー タ ） を 用 い て 予 測 モ デ ル を 構 築 し た ．
集 中 治 療 室 へ 入 室 し た 患 者 1 7 8 名 の バ イ タ ル と 尿 排 出 量 及 び 水 分 投 与 （ 輸 血 ， 輸 液 ， 注 射 ， 経 口 水 分 補 給 ） 量 デ ー タ を ， 患 者 デ ー タ 収 集 シ ス テ ム ( A C S Y S ) か ら 抽 出 し 匿 名 化 を 実 施 し た ． デ ー タ 欠 損 や 表 記 揺 ら ぎ の 修 正 と 水 分 の 入 出 力 量 の ス ル ー プ ッ ト 値 へ の 変 換 な ど の デ ー タ ク レ ン ジ ン グ を 実 施 し た ． A K I 発 症 判 断 に 重 要 な 指 標 で あ る 血 中 ク レ ア チ ニ ン 量 及 び そ れ か ら 算 出 す る e G F R 指 標 を 予 測 す る 因 子 と し て ， バ イ タ ル や 水 分 の 入 出 力 量 の 時 間 変 化 を 含 め た 特 徴 量 デ ー タ を 作 成 ． 関 数 デ ー タ 解 析 の 手 法 の 一 つ で あ る 基 底 関 数 展 開 係 数 を 特 徴 量 と し た ． こ れ ら の デ ー タ を 用 い て e G F R 指 標 の 増 減 予 測 モ デ ル を 機 械 学 習 手 法 を 用 い て 試 作 し た 単 施 設 で の 症 例 の た め 患 者 デ ー タ 数 が 少 な い と い う L i m i t a t i o n が あ る が ， R O C 0 . 9 1 と 高 い 予 測 率 を 導 く 事 が 出 来 た ．
本 研 究 で は ， 関 数 ロ ジ ス テ ィ ッ ク 回 帰 モ デ ル （ F u n c t i o n a l l o g i s t i c r e g r e s s i o n m o d e l ） に 基 づ き 予 測 モ デ ル を 構 築 し た ． 例 え ば ， A B P s ， A B P ， H R の 経 時 測 定 デ ー タ を そ れ ぞ れ 関 数 デ ー タ に 変 換 し ， こ れ ら を 説 明 変 数 と し て 結 果 変 数 （ 合 併 症 の 有 無 ） を 予 測 す る モ デ ル で あ る ． こ の モ デ ル に よ り ， 各 検 査 項 目 で 観 測 さ れ た す べ て の 経 時 測 定 デ ー タ を 用 い て ， 各 患 者 の 合 併 症 の 発 症 確 率 （ ス コ ア ） を 算 出 で き る ．
関 数 ロ ジ ス テ ィ ッ ク 回 帰 モ デ ル
各 患 者 の パ ネ ル デ ー タ （ H R : 心 拍 数 ， A B P . D : 拡 張 期 血 圧 ， A B P . S : 収 縮 期 血 圧 ） を 関 数 デ ー タ へ と 変 換 し ， 1 つ の 説 明 変 数 へ と 変 換 す る ． こ れ ら の 説 明 変 数 を 用 い て ， ２ 群 間 で 予 測 モ デ ル を 構 築 す る ． 第 一 段 階 は オ フ ラ イ ン で の 予 測 モ デ ル 構 築 で あ り ， 次 の ス テ ッ プ と し て リ ア ル タ イ ム で の モ デ ル の 結 果 表 示 へ と 進 む 予 定 で あ る ． ま た ， J I C A P に よ る デ ー タ ベ ー ス が 構 築 さ れ た 際 に は ， よ り サ ン プ ル 数 を 増 や し て モ デ ル の 再 構 築 を 行 う 予 定 で あ る ．
既 存 の 患 者 デ ー タ 収 集 シ ス テ ム か ら 抽 出 し た デ ー タ 向 け の デ ー タ ク レ ン ジ ン グ プ ロ グ ラ ム と 機 械 学 習 の 特 徴 量 作 成 プ ロ グ ラ ム ( 共 に P y t h o n に よ り 作 成 ) は ， 今 後 も 蓄 積 さ れ 続 け る 新 し い 患 者 デ ー タ の 処 理 に 活 用 し て い く ． A K I 予 測 モ デ ル の 精 度 が 十 分 に 出 る よ う に な っ た 後 に は ， 予 測 モ デ ル を リ ア ル タ イ ム に 稼 働 さ せ て ， 患 者 の 常 時 監 視 に 利 用 し て い く 予 定 で あ る ．
研 究 成 果
本 分 担 研 究 の う ち ， 冠 動 脈 バ イ パ ス 後 の 患 者 に 着 目 し た 解 析 は ， 学 術 集 会 で の 発 表 を 予 定 し て お り ， 下 記 に 抄 録 を 添 付 す る ．
Pr e d i c t i o n mo d e l w i t h pa n e l data to c a l c u l at e t h e r i sk s c o re o f a c u te k i d ne y i nj u r y a f t e r c a r di a c s u r ge r y w i t h c a r d i o p u l mo na r y b y pa s s .
B a c k g ro u n d a n d G o a l o f S t u d y ：
C a r d i a c s u r g e r y w i t h c a r d i o p u l m o n a r y b y p a s s a f f e c t s r e n a l f u n c t i o n i n s h o r t a n d l o n g t i m e p e r i o d . I n c i d e n c e r a t e o f a c u t e k i d n e y i n j u r y ( A K I ) f o l l o w i n g c a r d i a c s u r g e r y i s 5 – 3 0 % . I t i s s a i d t h a t 1 - 2 % o f t h e A K I p a t i e n t s n e e d r e n a l r e p l a c e m e n t t h e r a p y a f t e r c a r d i a c s u r g e r y . H o w e v e r , t o p r e d i c t A K I a f t e r c a r d i a c s u r g e r y i s d i f f i c u l t d u e t o p o s t o p e ra t i v e h e m o d i l u t i o n . C u r r e n t l y, p a n e l d a t a s u c h a s c o n t i n u o u s v i t a l s i g n s a r e e s s e n t i a l fa c t o rs fo r p e rs o n a l i ze d h e a l t h c a r e . T h e a i m o f t h i s s t u d y w a s t o d e t e r m i n e t h e p r e d i c t fa c t o rs o f A K I a n d t o c o n s t r u c t t h e m o d e l w i t h p a n e l d a t a t o c a l c u l a t e t h e r i s k s c o r e o f A K I w i t h u s i n g p a n e l d a t a s u c h a s c o n t i n u o u s v i t a l s i g n s .
M a te r i a l s a n d M e t h o d s ：
We r e t r o s p e c t i v e l y c o l l e c t e d d a t a o f p a t i e n t s w h o u n d e r w e n t c a r d i a c
s u r g e r y w i t h c a r d i o p u l m o n a r y b y p a s s a t Yo ko h a m a c i t y u n i v e rs i t y h o s p i t a l f ro m 2 0 1 7 J u n e t o 2 0 1 9 S e p . A K I w a s d e f i n e d b y t h e K D I G O c r i t e r i a u s i n g t h e c h a n g e o f s C r f r o m b a s e l i n e . : ( 1 ) i n c r e m e n t o f
≧0 . 3 m g / d l ( w i t h i n 4 8 h o u rs ) ( 2 ) ; i n c r e m e n t o f
≧1 5 0 % ( w i t h i n 7 d ay s ) . Pa t i e n t s w e r e d i v i d e d i n t o A K I a n d n o n - A K I g ro u p , a n d w e c o l l e c t e d t h e t r e n d p a t t e r n s o f v i t a l s i g n s ( s y s t o l i c a n d d i a s t o l i c b l o o d p r e s s u r e , h e a r t r a t e a n d r e s p i ra t o r y ra t e ) a b o u t t h e t w o g ro u p s .
I n t h i s r e p o r t , w e a p p l i e d a f u n c t i o n a l l o g i s t i c r e g r e s s i o n fo r c o n s t r u c t i n g a m o d e l t o p r e d i c t A K I . A l l r e p e a t e d m e a s u r e m e n t s o f v i t a l s i g n s w e r e i n c o r p o ra t e d i n t o t h e m o d e l a s s m o o t h e d c u r v e s , a n d p a t i e n t s w e r e c l a s s i f i e d i n t o t w o g ro u p s b y t h e c a l c u l at e d r i s k s c o r e ( 0 . 5 ≧ g ro u p a n d 0 . 5 < g ro u p ) .
Re s u l t s a n d D i s c u s s i o n ：
9 2 p a t i e n t s w e r e e n ro l l e d fo r t h i s s t u d y. 2 1 p a t i e n t s w e r e d i v i d e d i n t o A K I g r o u p a n d 7 1 p a t i e n t s w e r e d i v i d e d i n t o n o n - A K I g ro u p . We c o n s t r u c t e d p r e d i c t i o n m o d e l s t o c a l c u l a t e t h e r i s k s c o r e o f A K I . T h e b e s t a r e a u n d e r t h e r e c e i v e r o p e ra t o r c h a ra c t e r i s t i c c u r v e ( A U C ) w a s a c h i e v e d b y t h e e s t i m a t e d m o d e l w h i c h u s e d d i a s t o l i c b l o o d p r e s s u r e , s y s t o l i c p r e s s u r e a n d h e a r t ra t e ( A U C = 0 . 9 1 , 9 5 % b o o t s t ra p C I : 0 . 8 2 - 0 . 9 8 ) . H o w e v e r, t h i s m o d e l w a s n o t v a l i d a t e d b y t e s t s e t . T h e r e fo r e , i t m ay h av e t h e r i s k o f o v e r f i t t i n g , a n d f u r t h e r s t u d y w i l l b e n e e d e d
.C o n c l u s i o n ：
We c o n s t r u c t e d p r e d i c t i o n m o d e l w i t h p a n e l d a t a a s c o n t i n u o u s v i t a l s i g n s w a s u s e f u l fo r p r e d i c t i n g A K I a f t e r c a r d i a c s u r g e r y.
