MEDI:GATE NEWS 성 니콜라스 어린이병원, 소아 수술 중 이산화탄소 분압 예측 AI 개발

기사입력시간 26.07.21 15:03최종 업데이트 26.07.21 15:03

가톨릭대학교 서울성모병원 성 니콜라스 어린이병원 김현호 교수팀이 소아 환자의 동맥혈 이산화탄소 분압(PaCO₂)을 채혈 없이 추정하는 인공지능(AI) 모델을 개발했다고 21일 밝혔다. 동맥혈 이산화탄소 분압은 수술 중 기계환기 설정과 호흡 상태를 평가하는 핵심 지표다. 정확한 측정을 위해선 동맥관 삽입 후 혈액을 채취해 분석해야 한다. 하지만 소아는 혈관이 가늘어 삽입 시 혈관 손상 위험이 크고, 반복 채혈로 빈혈이 발생할 수 있다. 기존 비침습적 방법인 호기말 이산화탄소(EtCO₂) 측정은 환기-관류 불균형 등으로 실제 수치와 차이가 나는 한계가 있었다. 연구팀은 서울대학교병원 마취통증의학과가 구축한 공개 데이터베이스(VitalDB)의 소아 환자 3586명 데이터를 바탕으로 8853쌍의 호기말 이산화탄소와 동맥혈 이산화탄소 분압 데이터를 분석했다. 샤플리 부가설명값(SHAP) 분석을 통해 호기말 이산화탄소, 체온, 분당 환기량, 연령 등 10개 핵심 변수를 선별해 기계학습 알고리즘에 학습시켰다. 그 결과 개발된 AI 모델은 기존 호기말 이산화탄소 단독 측정법(평균오차 3.56 mmHg)보다 평균절대오차(MAE)를 2.73 mmHg로 낮췄다. 이는 기존 대비 평균 오차가 약 23% 감소한 수치다. 외부 검증에서도 일관된 성능을 보였다. 충남대학교병원 소아 환자 50명(92건) 데이터에서는 MAE 3.65 mmHg, 서울대학교병원 2024년 1월부터 2025년 6월까지 수집된 499명(2138건) 데이터에서는 MAE 3.67 mmHg를 기록했다. 김현호 교수는 "이 모델은 동맥혈가스검사를 완전히 대체하지는 못하지만, 동맥관 삽입이 어려운 신생아나 영아에서 유용한 보조 도구가 될 수 있다. 소아 신경외과 수술 등 이산화탄소 정밀 관리가 필요한 경우에 임상 활용 가능성이 기대된다"라며 "향후 전향적 임상시험을 통한 추가 검증이 필요하다"고 했다. 이번 연구의 제1저자는 서울아산병원 마취통증의학과 박주현 전공의와 고려대학교 의과대학 조채은 학생이다. 이 번 연구 성과는 마취·통증 분야 국제학술지 Anesthesiology(IF 9.4)에 최근 게재됐다.

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성 니콜라스 어린이병원, 소아 수술 중 이산화탄소 분압 예측 AI 개발

국제학술지 Anesthesiology 게재… 기존 검사 대비 평균 오차 23% 감소

가톨릭대학교 서울성모병원 성 니콜라스 어린이병원 김현호 교수팀이 소아 환자의 동맥혈 이산화탄소 분압(PaCO₂)을 채혈 없이 추정하는 인공지능(AI) 모델을 개발했다고 21일 밝혔다.

동맥혈 이산화탄소 분압은 수술 중 기계환기 설정과 호흡 상태를 평가하는 핵심 지표다. 정확한 측정을 위해선 동맥관 삽입 후 혈액을 채취해 분석해야 한다. 하지만 소아는 혈관이 가늘어 삽입 시 혈관 손상 위험이 크고, 반복 채혈로 빈혈이 발생할 수 있다. 기존 비침습적 방법인 호기말 이산화탄소(EtCO₂) 측정은 환기-관류 불균형 등으로 실제 수치와 차이가 나는 한계가 있었다.

연구팀은 서울대학교병원 마취통증의학과가 구축한 공개 데이터베이스(VitalDB)의 소아 환자 3586명 데이터를 바탕으로 8853쌍의 호기말 이산화탄소와 동맥혈 이산화탄소 분압 데이터를 분석했다. 샤플리 부가설명값(SHAP) 분석을 통해 호기말 이산화탄소, 체온, 분당 환기량, 연령 등 10개 핵심 변수를 선별해 기계학습 알고리즘에 학습시켰다.

그 결과 개발된 AI 모델은 기존 호기말 이산화탄소 단독 측정법(평균오차 3.56 mmHg)보다 평균절대오차(MAE)를 2.73 mmHg로 낮췄다. 이는 기존 대비 평균 오차가 약 23% 감소한 수치다.

외부 검증에서도 일관된 성능을 보였다. 충남대학교병원 소아 환자 50명(92건) 데이터에서는 MAE 3.65 mmHg, 서울대학교병원 2024년 1월부터 2025년 6월까지 수집된 499명(2138건) 데이터에서는 MAE 3.67 mmHg를 기록했다.

김현호 교수는 "이 모델은 동맥혈가스검사를 완전히 대체하지는 못하지만, 동맥관 삽입이 어려운 신생아나 영아에서 유용한 보조 도구가 될 수 있다. 소아 신경외과 수술 등 이산화탄소 정밀 관리가 필요한 경우에 임상 활용 가능성이 기대된다"라며 "향후 전향적 임상시험을 통한 추가 검증이 필요하다"고 했다.

이번 연구의 제1저자는 서울아산병원 마취통증의학과 박주현 전공의와 고려대학교 의과대학 조채은 학생이다. 이 번 연구 성과는 마취·통증 분야 국제학술지 Anesthesiology(IF 9.4)에 최근 게재됐다.

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조운 기자 (wjo@medigatenews.com)

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