2024. 2. 6. 00:27ㆍ의학
들어가며
개강 첫날... 기나긴 이번 학기는 순환기 블럭으로 시작하였다. 심장의 해부학을 복습하고, 판막질환(stenosis/insufficiency), 심근질환(cardiomyopathy), 심장 종양, 동맥경화증(arteriosclerosis), 허혈성 심질환(IHD)를 다루었다. 이 중 허혈성 심질환 수업에 매우 관심이 갔다.
심장질환은 전체 사망 원인 중 암(악성신생물)에 이어 무려 2위이다. 이러한 심장 질환 중, 허혈성 심장 질환은 매우 높은 비율을 차지한다. 허혈성 심장 질환은 심근경색증과 협심증 등을 말한다.
최근 의료 인공지능 회사 뷰노(VUNO)의 심정지 예측 AI 딥카스(DeepCARS)로 매출이 급상승했다는 기사를 보았다. 오늘 심근경색을 배운 뒤 심근경색을 예측하는 AI 알고리즘은 없을지 찾아보았다.
심근경색(Myocardial Infarction)이란?
심근경색은 관상동맥(coronary artery)가 막혀서 심장 근육이 괴사(myocardial coagulative necrosis)하는 질환을 말한다. 심근경색에는 두 가지 패턴이 있다.
- Transmural Infarction
Myocardium부터 epicardium에 이르는 심장 전 층이 괴사하는 것을 이른다. - Subendocardial Infarction
관상동맥에서 먼 쪽인 안쪽 1/3에만 괴사가 일어나는 것을 말한다.
이 두 가지 패턴은 괴사 정도의 차이라고 할 수 있다. 전자는 관상동맥의 완전한 폐쇄에 의해 일어나며, 후자는 관상동맥이 일부 폐쇄되었을 때 나타난다. 관상동맥은 LAD, LCX, RCA의 3개가 존재하는데, 셋 중 어느 것이 막히느냐에 따라 심장이 괴사하는 양상이 달라진다.
심근경색의 진행양상
심근경색은 시간이 지남에 따라 진행 양상이 다르다. 급성 심근경색이 발생하면, 24시간 이내 사망할 확률이 높은데, 이때 CK-MB와 Troponin I 상승 소견이 매우 중요하다. Troponin I은 심장 세포를 이루고 있는 물질로, 이것이 혈액에서 발견되고 있다는 것은 심장이 손상되고 있음을 말한다. 따라서 흉통으로 내원한 환자에게서 이러한 소견 확인 시 응급처치를 해야 한다.
| 조직 소견 | 임상 소견 | |
| 0~12시간 | 없음 | 부정맥 |
| ~24시간 | 허혈성 괴사 + 호중구 침윤 | CK-MB & Troponin I 상승 소견 |
| ~3일 | 대식세포 침윤 | |
| 7일~ | 섬유아세포 형성 | 심근파열의 위험성이 가장 높다 |
| 1개월~ | 섬유화 진행 | |
| 3~6개월 | 섬유화 | 심실자루(ventricular aneurysm) |
24시간 내의 심근경색으로 사망하지 않은 경우 만성 심근경색으로 이어지는데, 이는 심장의 섬유화가 주요 소견이다.
심근경색 예측 AI
심전도(ECG)는 심장질환 예측을 위한 가장 기본적인 툴 중 하나이다. 심전도는 기본적으로 12개의 전극(12-lead ECG)이 있는데, 그 중 6개는 관상면 방향으로 배열되어 있고 나머지 6개는 수평하게 놓여 있다(precordial 6-lead ECG).
2020년 네이처에 게재된 논문(1)에 따르면, 6-lead ECG를 이용해 심근경색을 12-lead ECG와 비슷한 수준으로 진단할 수 있다. 총 292,152명의 환자에게서 425,066개의 ECG 데이터를 확보하였고, 이를 아래 과정에 적용하기 위해 분류하였다.
- VAE(Variational autoencoder) development: 기존의 12-lead ECG와 비슷한 수준의 심근경색 진단을 할 수 있음을 보이기 위해, 6-lead ECG 데이터로 precordial 6-lead ECG 데이터를 생성하는 VAE 모델을 만들었다. 여기에 병원 A에서 412,461개의 데이터셋을 사용하였다.
precordial 6-lead 데이터를 reconstruction 하기 위해 VAE를 develop하였다. - Development: 병원 A에서 9,536개의 ECG 데이터를 이용하여 심근경색 예측 DLA(Deep learning algorithm)을 만들었다.
- Internal validation: 내부 검증을 위해 병원 A에서 1,301개의 ECG데이터를 이용하여 DLA의 정확도를 평가하였다.
- External validation: 외부 검증을 위해 병원 B에서 1,768개의 ECG데이터를 이용하여 DLA가 병원 A에 과적합되지 않았는지 평가하였다.
그 결과, 6-lead ECG에 VAE를 적용하여 precordial 6-lead를 생성하고 DLA를 만든 모델(빨간색)은 기존의 12-lead 모델(파란색)보다는 AUROC가 낮았지만 6-lead를 사용한 모델(연두색)보다는 AUROC가 컸다. 즉, 6-lead ECG의 성능을 12-lead에 가깝게 끌어올릴 수 있는 것이다.
(1) Cho, Y., Kwon, Jm., Kim, KH. et al. Artificial intelligence algorithm for detecting myocardial infarction using six-lead electrocardiography. Sci Rep 10, 20495 (2020).
활용 가능성
lead 개수가 적어진다는 것은 웨어러블을 만들 때 이점이 된다. 6-lead ECG로 precordial 6-lead ECG를 생성하는 VAE가 가능하다면, 반대의 경우도 가능하지 않을까? 특히 precordial lead만 있어도 유의미한 심근경색 진단을 할 수 있다면, 벨트 형태로도 만들어 웨어러블을 통한 심근경색 진단도 가능해질 것 같다.
항암제의 빠른 발전으로 암이 정복된다면, Top 1 사망원인이 심장질환이 될 텐데, 이것은 어떻게 정복될지 궁금하다.
Oselt