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KR20240135146A - A postoperative hypoxia prediction system through real-time analysis of intraoperative spirometry signals - Google Patents

A postoperative hypoxia prediction system through real-time analysis of intraoperative spirometry signals Download PDF

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KR20240135146A
KR20240135146A KR1020230028285A KR20230028285A KR20240135146A KR 20240135146 A KR20240135146 A KR 20240135146A KR 1020230028285 A KR1020230028285 A KR 1020230028285A KR 20230028285 A KR20230028285 A KR 20230028285A KR 20240135146 A KR20240135146 A KR 20240135146A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hypoxia
spirometry
real
characteristic information
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
KR1020230028285A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김희수
김윤정
김영곤
신유민
진주성
이승보
Original Assignee
서울대학교병원
계명대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교병원, 계명대학교 산학협력단 filed Critical 서울대학교병원
Priority to KR1020230028285A priority Critical patent/KR20240135146A/en
Publication of KR20240135146A publication Critical patent/KR20240135146A/en
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Abstract

본 발명은 기획득된 스파이로메트리 신호로부터 제1 특성정보를 추출하고, 추출된 제1 특성정보를 각각 머신러닝 및 딥러닝한 결과를 기반으로 저산소증 학습모델을 구현하는 트레이닝 모듈 및 수술 중 실시간으로 입력되는 스파이로메트리 신호로부터 제2 특성정보를 추출하고, 트레이닝 모듈에서 머신러닝된 저산소증 1차 학습모델 및 트레이닝 모듈에서 딥러닝된 저산소증 2차 학습모델을 통해 각각 예측된 결과를 기반으로 저산소증을 예측하는 저산소증 예측모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템을 제공한다.The present invention provides a postoperative hypoxia prediction system through real-time analysis of intraoperative spirometry signals, characterized by including a training module for extracting first characteristic information from a planned spirometry signal and implementing a hypoxia learning model based on the results of machine learning and deep learning of the extracted first characteristic information, and a hypoxia prediction module for extracting second characteristic information from a spirometry signal input in real time during surgery and predicting hypoxia based on the results predicted through the machine-learned hypoxia first learning model in the training module and the deep-learned hypoxia second learning model in the training module, respectively.

Description

수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템{A postoperative hypoxia prediction system through real-time analysis of intraoperative spirometry signals}{A postoperative hypoxia prediction system through real-time analysis of intraoperative spirometry signals}

본 발명은 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스파이로메트리 신호를 이용하여 수술 후 환자의 저산소증을 예측하는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery, and more specifically, to a system for predicting hypoxia in a patient after surgery using spirometry signals.

복강경 또는 로봇 보조 수술은 일반적으로 수술 후 통증과 수술 후 회복의 측면에서 이점을 가져 하복부 수술에 자주 사용된다. 로봇 보조 수술의 경우 흉터가 매우 적고, 출혈 및 수혈의 가능성이 낮을 뿐만 아니라, 통증이 적고, 감염 위험도 적어 수술 결과의 만족도가 높다. 이에, 꾸준히 로봇 수술의 수요와 중요성이 증대되고 있다. Laparoscopic or robotic-assisted surgery is often used for lower abdominal surgery because it generally has advantages in terms of postoperative pain and postoperative recovery. Robot-assisted surgery has very small scars, a low possibility of bleeding and blood transfusion, less pain, and a low risk of infection, so the satisfaction with the surgical results is high. Accordingly, the demand and importance of robotic surgery are steadily increasing.

다만, 복강경 혹은 로봇 보조 수술의 경우 골반 장기의 시술을 위해 트렌델렌버그(Trendelenburg) 자세가 요구되게 되며, 해당 자세는 횡격막의 머리쪽 이동, 흉압의 증가 등을 야기하여 호흡역학을 변화시킨다. 또한, 마취로 인하여 마비된 근육, 수술 등에 의해 무기폐의 형성이 야기되고 호흡 관류 불일치를 증가시킴에 따라 저산소증이 유발된다. 복강경 혹은 로봇 보조 수술을 받는 환자에서 수술 후 저산소증은 37%에서 발생했다고 보고된 바 있다. 저산소증은 체내 산소 분압이 떨어져 있는 상태를 말하며, 방공기에서 정상 산소포화도는 95% 이상이다.However, in the case of laparoscopic or robotic-assisted surgery, the Trendelenburg position is required for the procedure of the pelvic organs, and the position changes the respiratory mechanics by causing the diaphragm to move toward the head and increase the thoracic pressure. In addition, hypoxia is induced by the formation of atelectasis due to paralyzed muscles due to anesthesia and surgery, which increases the respiratory-perfusion mismatch. It has been reported that postoperative hypoxia occurred in 37% of patients undergoing laparoscopic or robotic-assisted surgery. Hypoxia refers to a state in which the partial pressure of oxygen in the body is low, and the normal oxygen saturation in room air is 95% or higher.

저산소증의 지속은 뇌손상, 수술 후 사암과 같은 나쁜 예후와 연관이 있음이 보고되었다. 수술 후 저산소증은 수술 후 폐 합병증의 지표로도 활용될 수 있다. 하지만, 수술 후 저산소증이 발생한 후 사후 중재를 하는 것은 산소 치료, 재원기간의 증가 등으로 의료비용이 증가할 수 있다는 단점이 있다. 수술 중에 만약 수술 후 저산소증을 예측할 수 있다면 침습적 기도관리를 하고 있을 때 적극적인 중재를 통하여 수술 후 저산소증을 예방하는데 도움이 될 것이다.It has been reported that prolonged hypoxia is associated with poor prognosis, such as brain damage and postoperative pulmonary embolism. Postoperative hypoxia can also be used as an indicator of postoperative pulmonary complications. However, postoperative intervention after postoperative hypoxia occurs has the disadvantage of increasing medical costs, such as oxygen therapy and increased length of hospital stay. If postoperative hypoxia can be predicted during surgery, it will be helpful in preventing postoperative hypoxia through active intervention during invasive airway management.

하지만, 현재 수술 후 발생하는 저산소증을 실시간으로 예측하는 기술이 전무하다.However, there is currently no technology to predict postoperative hypoxia in real time.

특히, 수술 후 폐합병증을 예방하기 위하여 다양한 폐보호 마취기 전략이 제시되어 왔으나 환자에 층화하지 않고 일괄적으로 중재를 가하는 것이 임상적 예후를 개선시키는지에 대해서 아직 의문이 제기되고 있다. 즉, 환자의 수술 후 저산소증발생을 예측하여 층화된 중재를 가할 수 있고, 또 이 중재에 따라 달라진 스파이로메트리를 통하여 다시 환자를 평가하는 과정이 가능하다면 임상적 활용도가 매우 높다고 할 수 있겠다.In particular, various pulmonary protective anesthesia strategies have been proposed to prevent postoperative pulmonary complications, but it is still questionable whether uniform intervention without stratifying patients improves clinical prognosis. In other words, if it is possible to predict postoperative hypoxia in patients and perform stratified interventions, and if it is possible to re-evaluate patients through spirometry that changes according to the intervention, it can be said that the clinical utility is very high.

(특허문헌 1) 대한민국 공개특허 제10-2022-0108944호(2022.08.04.)(Patent Document 1) Republic of Korea Publication Patent No. 10-2022-0108944 (August 4, 2022)

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기획득된 제1 스파이로메트리 신호로부터 추출되는 제1 특성정보를 이용하여 수술 후 저산소증 학습모델을 구축한 후 실제 환자의 수술 중에 입력되는 제2 스파이로메트리 신호로부터 추출되는 제2 특성정보를 저산소증 학습모델에 적용하여 환자의 저산소증 여부, CAM 이미지 및 제1 특성정보를 출력함에 따라 중재가 필요한 환자의 마취 유지 단계에서 층화시키고 환자의 예후를 개선할 수 있고 사전에 환자의 저산소증을 예방할 수 있는 수술 중 스파이로메트리 신호 분석을 통한 실시간 수술 후 저산소증 예측 시스템을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention to solve the above problems is to provide a real-time post-operative hypoxia prediction system through analysis of intraoperative spirometry signals, which constructs a post-operative hypoxia learning model by using the first characteristic information extracted from the first spirometry signal acquired in a planned manner, and then applies the second characteristic information extracted from the second spirometry signal input during an actual patient's surgery to the hypoxia learning model to output the presence or absence of hypoxia in the patient, a CAM image, and the first characteristic information, thereby stratifying the patient in need of intervention at the anesthesia maintenance stage and improving the patient's prognosis, and preventing hypoxia in the patient in advance.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by a person having ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the description below.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 기획득된 스파이로메트리 신호로부터 제1 특성정보를 추출하고, 상기 추출된 제1 특성정보를 각각 머신러닝 및 딥러닝 기반으로 저산소증 학습모델을 구현하는 트레이닝 모듈; 및 수술 중 실시간으로 입력되는 스파이로메트리 신호로부터 제2 특성정보를 추출하고, 상기 트레이닝 모듈에서 머신러닝으로 학습된 저산소증 1차 학습모델 및 상기 트레이닝 모듈에서 딥러닝으로 학습된 저산소증 2차 학습모델을 통해 각각 예측된 결과를 기반으로 저산소증을 예측하는 저산소증 예측모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템을 제공한다.In order to achieve the above purpose, the present invention provides a postoperative hypoxia prediction system through real-time analysis of spirometry signals during surgery, characterized by including: a training module for extracting first characteristic information from a planned and acquired spirometry signal and implementing a hypoxia learning model based on machine learning and deep learning, respectively, using the extracted first characteristic information; and a hypoxia prediction module for extracting second characteristic information from a spirometry signal input in real time during surgery and predicting hypoxia based on results predicted through the hypoxia first learning model learned by machine learning in the training module and the hypoxia second learning model learned by deep learning in the training module, respectively.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 특성정보는 제1 머신러닝 특성정보 및 제1 딥러닝 특성정보를 포함하고, 상기 트레이닝 모듈은, 상기 기획득된 스파이로메트리 신호를 평활화(smoothing)하고 누락값을 보정하여 전처리한 후 이에 대한 기본 신호 특성, 변이도, 폐용량과 기도내압의 상관관계 및 수파인 자세와 트렌델렌버그 자세에서 각각 추출된 특성정보 간의 차이 및 상관관계를 포함하는 상기 제1 머신러닝 특성정보를 추출하는 특성 추출부; 및 상기 제1 머신러닝 특성정보를 머신러닝으로 학습하여 저산소증 1차 학습모델을 구축하고 상기 제1 머신러닝 특성정보를 1차 분석하는 머신러닝부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first characteristic information includes first machine learning characteristic information and first deep learning characteristic information, and the training module may include a characteristic extraction unit that smoothes the acquired spirometry signal, corrects missing values, and preprocesses it, and then extracts the first machine learning characteristic information including basic signal characteristics, variability, correlation between lung capacity and intra-airway pressure, and differences and correlations between characteristic information extracted from the Supine posture and the Trendelenburg posture, respectively; and a machine learning unit that learns the first machine learning characteristic information through machine learning to construct a hypoxia primary learning model and performs a primary analysis of the first machine learning characteristic information.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 트레이닝 모듈은, 상기 기획득된 스파이로메트리 신호로부터 추출된 폐용량에 대한 폐용량 신호 및 상기 기획득된 스파이로메트리 신호로부터 추출된 기도내압에 대한 기도내압 신호인 상기 제1 딥러닝 특성정보를 2차원 이미지로 변환시키는 이미지 변환부; 및 상기 2차원 이미지를 딥러닝하여 저산소증 2차 학습모델을 구축하고 상기 2차원 이미지를 2차 분석하는 딥러닝부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the training module may further include an image conversion unit that converts the first deep learning characteristic information, which is a lung capacity signal for lung capacity extracted from the acquired spirometry signal and an airway pressure signal for airway pressure extracted from the acquired spirometry signal, into a two-dimensional image; and a deep learning unit that deep-learns the two-dimensional image to construct a hypoxia secondary learning model and performs a secondary analysis of the two-dimensional image.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 트레이닝 모듈은, 상기 저산소증 1차 학습모델과 상기 저산소증 2차 학습모델을 통합하여 저산소증 학습모델을 구축하는 저산소증 예측 알고리즘부;를 더 포함하고, 상기 저산소증 예측 알고리즘부는 앙상블 기법(Hard voting, weighted voting, soft voting)을 통해 상기 저산소증 1차 학습모델과 상기 저산소증 2차 학습모델을 통합하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the training module further includes a hypoxia prediction algorithm unit that constructs a hypoxia learning model by integrating the hypoxia first learning model and the hypoxia second learning model, and the hypoxia prediction algorithm unit may be characterized by integrating the hypoxia first learning model and the hypoxia second learning model through an ensemble technique (hard voting, weighted voting, soft voting).

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2 특성정보는 제2 머신러닝 특성정보 및 제2 딥러닝 특성정보를 포함하고, 상기 저산소증 예측모듈은, 상기 스파이로메트리 신호를 평활화(smoothing)하고 누락값을 보정하여 전처리한 후 이에 대한 기본 신호 특성, 변이도, 폐용량과 기도내압의 상관관계 및 수파인 자세와 트렌델렌버그 자세에서 각각 추출된 특성정보 간의 차이 및 상관관계를 포함하는 상기 제2 머신러닝 특성정보를 추출하는 실시간 특성 추출부; 및 상기 저산소증 1차 학습모델에 상기 제2 머신러닝 특성정보를 적용하여 상기 저산소증을 1차 예측하는 저산소증 1차 예측부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the second characteristic information includes second machine learning characteristic information and second deep learning characteristic information, and the hypoxia prediction module may be characterized by including: a real-time characteristic extraction unit that smoothes the spirometry signal, corrects missing values, and preprocesses it, and then extracts the second machine learning characteristic information including basic signal characteristics, variability, correlation between lung capacity and intra-airway pressure, and differences and correlations between characteristic information extracted from the Supine posture and the Trendelenburg posture, respectively; and a hypoxia primary prediction unit that applies the second machine learning characteristic information to the hypoxia primary learning model to first predict the hypoxia.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 저산소증 예측모듈은, 상기 스파이로메트리 신호로부터 추출된 폐용량에 대한 폐용량 신호 및 스파이로메트리 신호로부터 추출된 기도내압에 대한 기도내압 신호인 상기 제2 딥러닝 특성정보를 실시간 2차원 이미지로 변환시키는 실시간 이미지 변환부; 및 상기 저산소증 2차 학습모델에 상기 실시간 2차원 이미지를 적용하여 상기 저산소증을 2차 예측하는 저산소증 2차 예측부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the hypoxia prediction module may further include a real-time image conversion unit that converts the second deep learning characteristic information, which is a lung capacity signal for lung capacity extracted from the spirometry signal and an airway pressure signal for airway pressure extracted from the spirometry signal, into a real-time two-dimensional image; and a hypoxia secondary prediction unit that applies the real-time two-dimensional image to the hypoxia secondary learning model to make a second prediction of the hypoxia.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 저산소증 예측모듈은, 상기 저산소증 1차 학습모델을 통하여 1차 예측된 결과와 상기 저산소증 2차 학습모델을 통하여 2차 예측된 결과를 종합하여 상기 저산소증을 예측하는 저산소증 종합 예측부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the hypoxia prediction module may further include a hypoxia comprehensive prediction unit that predicts hypoxia by synthesizing the first predicted result through the hypoxia first learning model and the second predicted result through the hypoxia second learning model.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 저산소증 예측모듈은, 상기 실시간 2차원 이미지에 대한 특성맵을 분석하여 CAM 이미지를 생성하는 CAM 분석부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the hypoxia prediction module may further include a CAM analysis unit that analyzes a characteristic map for the real-time two-dimensional image to generate a CAM image.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 저산소증 예측모듈은, 상기 저산소증 종합 예측부에서 예측한 저산소증 여부, 상기 CAM 이미지 및 상기 제1 특성정보를 디스플레이하는 디스플레이부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the hypoxia prediction module may further include a display unit that displays the presence or absence of hypoxia predicted by the hypoxia comprehensive prediction unit, the CAM image, and the first characteristic information.

상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 기획득된 제1 스파이로메트리 신호로부터 추출되는 제1 특성정보를 이용하여 저산소증 학습모델을 구축한 후 실제 환자의 수술 중에 입력되는 제2 스파이로메트리 신호로부터 추출되는 제2 특성정보를 저산소증 학습모델에 적용하여 환자의 저산소증 여부, CAM 이미지 및 제1 특성정보를 출력함에 따라 중재가 필요한 환자의 마취 유지 단계에서 층화시키고 환자의 예후를 개선할 수 있고 사전에 환자의 저산소증을 예방할 수 있다.The effect of the present invention according to the above configuration is that after constructing a hypoxia learning model using the first characteristic information extracted from the first spirometry signal acquired, the second characteristic information extracted from the second spirometry signal input during surgery of an actual patient is applied to the hypoxia learning model to output whether the patient has hypoxia, a CAM image, and the first characteristic information, thereby stratifying the patient in need of intervention at the anesthesia maintenance stage, improving the patient's prognosis, and preventing hypoxia in the patient in advance.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the detailed description of the present invention or the composition of the invention described in the claims.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2의 (a), (b), (c), (d), (e)는 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템에 구비된 특성 추출부가 최대흡기압력(PIP: Peak Inspiratory Pressure)를 통해 수파인(supine) 자세와 트렌델렌부르그(Trendelenburg) 자세를 구분하기 위하여 전처리하는 것을 나타낸 그래프이다.
도 3의 (a), (b), (c), (d)는 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템에 구비된 이미지 변환부에서 기획득된 스파이로메트리 신호를 2차원 이미지로 변환한 것을 나타낸 도면이다.
도 4의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템에 구비된 CAM 분석부에서 상기 실시간 2차원 이미지에 대한 특성맵을 분석하여 CAM 이미지를 생성하는 것을 나타낸 도면이다.
도 5의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템에 구비된 디스플레이부가 실제 머신러닝 분류 성능 및 신호 특성별 중요도를 출력하는 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 방법의 흐름을 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 방법의 세부 단계를 나타낸 순서도이다.
FIG. 1 is a block diagram showing a system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 2(a), (b), (c), (d), and (e) are graphs showing that the feature extraction unit of a system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of intraoperative spirometry signals according to one embodiment of the present invention preprocesses the supine posture and the Trendelenburg posture through peak inspiratory pressure (PIP).
FIGS. 3(a), (b), (c), and (d) are drawings showing the conversion of spirometry signals acquired by an image conversion unit of a system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to one embodiment of the present invention into two-dimensional images.
FIGS. 4(a) and 4(b) are drawings showing a CAM analysis unit provided in a system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to one embodiment of the present invention, which analyzes a characteristic map for the real-time two-dimensional image to generate a CAM image.
FIG. 5 (a) and (b) are drawings showing a display unit provided in a system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to one embodiment of the present invention, which outputs actual machine learning classification performance and importance by signal characteristic.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a method for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing the flow of a method for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to one embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart showing detailed steps of a method for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to one embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the present invention can be implemented in various different forms, and therefore is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are assigned similar drawing reference numerals throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, joined)" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "indirectly connected" with another member in between. Also, when a part is said to "include" a certain component, this does not mean that other components are excluded, unless otherwise specifically stated, but that other components can be included.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "comprises" or "has" and the like are intended to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, part or combination thereof described in the specification, but should be understood to not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

1. 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템(300)1. Postoperative hypoxia prediction system through real-time analysis of spirometry signals during surgery (300)

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템을 설명하도록 한다.Hereinafter, a system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of intraoperative spirometry signals according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템을 나타낸 블록도이다.FIG. 1 is a block diagram showing a system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to one embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템(300)은 트레이닝 모듈(100) 및 저산소증 예측모듈(200)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a system (300) for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to one embodiment of the present invention includes a training module (100) and a hypoxia prediction module (200).

트레이닝 모듈(100)은 기획득된 스파이로메트리 신호로부터 제1 특성정보를 추출하고, 추출된 제1 특성정보를 각각 머신러닝 및 딥러닝 기반으로 저산소증 학습모델을 구현한다.The training module (100) extracts first characteristic information from the acquired spirometry signal and implements a hypoxia learning model based on machine learning and deep learning, respectively, using the extracted first characteristic information.

여기서, 제1 특성정보는 폐의 역학에 따라 저산소증의 발생 유무를 판단하기 위한 다수의 신호(=인자) 중 일부에 대한 정보를 의미한다.Here, the first characteristic information refers to information about some of the multiple signals (=factors) for determining whether hypoxia occurs or not according to lung dynamics.

구체적으로 제1 특성정보는 제1 머신러닝 특성정보 및 제1 딥러닝 특성정보를 포함한다.Specifically, the first feature information includes first machine learning feature information and first deep learning feature information.

제1 머신러닝 특성정보는 기획득된 스파이로메트리 신호를 평활화(smoothing)하고 누락값을 보정하여 전처리한 후 이에 대한 기본 신호 특성, 변이도, 폐용량과 기도내압의 상관관계 및 수파인 자세와 트렌델렌버그 자세에서 각각 추출된 특성정보 간의 차이 및 상관관계를 포함한다.The first machine learning feature information includes the basic signal characteristics, variability, correlation between lung capacity and airway pressure, and differences and correlations between feature information extracted from the Supine and Trendelenburg positions, respectively, after preprocessing the acquired spirometry signal by smoothing it and correcting missing values.

또한, 상기한 기획득된 스파이로메트리 신호는 머신러닝을 통하여 저산소증 1차 학습모델을 도출하고 딥러닝을 통하여 저산소증 2차 학습모델을 도출하기 위한 데이터로서, 다양한 환자로부터 획득된 스파이로메트리 신호(이하, '제1 스파이로메트리 신호'라 칭함)이다.In addition, the above-mentioned acquired spirometry signals are spirometry signals acquired from various patients (hereinafter referred to as 'first spirometry signals') as data for deriving a hypoxia first learning model through machine learning and a hypoxia second learning model through deep learning.

또한, 본 발명은 폐에서 이루어지는 호흡 과정의 기능을 검사하는 방법인 폐기능 검사를 통하여 획득되는 스파이로메트리(spirometry) 신호를 이용한다.Additionally, the present invention utilizes a spirometry signal obtained through a pulmonary function test, which is a method of examining the function of the respiratory process that takes place in the lungs.

이와 관련하여 폐는 산소를 섭취하고 체내에서 생긴 탄산가스를 배출하는 역할을 한다. 좁은 의미의 호흡은 폐에서 이루어지는 가스교환 과정을 의미하며, 여기에는 폐로 들어오고 나가는 공기의 흐름을 의미하는 환기(ventilation), 폐에 도달한 혈액의 흐름을 의미하는 관류(perfusion), 폐포에서 모세혈관의 적혈구에 산소가 결합하는 확산(diffusion)의 과정이 포함된다.In this regard, the lungs play a role in taking in oxygen and expelling carbon dioxide produced in the body. In a narrow sense, respiration refers to the gas exchange process that takes place in the lungs, which includes ventilation, which refers to the flow of air entering and leaving the lungs, perfusion, which refers to the flow of blood that reaches the lungs, and diffusion, which refers to the process in which oxygen binds to red blood cells in the capillaries in the alveoli.

상기한 폐기능 검사는 이런 폐의 기능적인 측면을 객관적인 지표로 평가하는 도구이다. 폐기능 검사에는 폐활량검사와 기관지확장제검사, 폐확산능 검사, 폐용적 검사, 비특이 기관지 유발검사 등이 있다. 이 검사들은 어떤 한 질병을 특정하여 진단해주는 것은 아니지만 질환에 따른 고유한 양상을 보이므로 질환을 조기에 진단하거나, 질병의 진행을 단계별로 평가하는데 도움을 준다. 또한, 측정치의 변화는 질환 경중의 변화를 반영하여 여러 폐질환에서 임상적 상황들에 대한 해법을 제시해 주고, 치료 전 후의 효과 판정이나 치료의 가역성 여부를 판단하는 데 도움을 줄 수 있다.The above-mentioned pulmonary function tests are tools that objectively evaluate the functional aspects of the lungs. Pulmonary function tests include spirometry, bronchodilator tests, diffusing capacity tests, lung volume tests, and nonspecific bronchial provocation tests. These tests do not specifically diagnose a specific disease, but they show unique patterns depending on the disease, so they help diagnose the disease early or evaluate the progression of the disease by stage. In addition, changes in the measured values reflect changes in the severity of the disease, suggesting solutions to clinical situations in various pulmonary diseases, and can help determine the effectiveness before and after treatment or the reversibility of treatment.

상기한 폐기능 검사의 종류로는 폐활량 측정법(spirometry), 기관지확장제 검사, 폐확산능 검사, 폐용적 검사, 비특이 기관지유발 검사 등이 있다.The types of pulmonary function tests mentioned above include spirometry, bronchodilator tests, diffusing capacity tests, lung volume tests, and nonspecific bronchial provocation tests.

폐활량 측정법(spirometry)은 가장 기본적인 폐기능 검사법으로 피검자가 최대한 숨을 들이마신 후 내쉴 수 있는 공기량을 측정하는 검사법으로서, 본 발명에서 이용하는 방법이다.Spirometry is the most basic pulmonary function test method, which measures the amount of air a subject can exhale after inhaling as much as possible, and is the method used in the present invention.

다음, 기관지확장제 검사는 기도를 확장시키는 속효 기관지확장제를 흡입한 후 폐활량 변화를 측정한다. 폐쇄 환기장애가 관찰되는 경우 기관지확장제에 의한 가역성을 측정하여 천식 및 만성폐쇄성폐질환을 진단 및 평가하는 데 도움을 준다. 호흡곤란 정도, 만성폐쇄성폐질환 중증도, 수술 전 위험도 평가 등을 위해 시행하고, 직업성폐질환에서 장애의 판정과 등급 평가를 위해 시행하기도 한다. 질환의 경과 관찰을 위해서는 시간 간격을 두고 측정한다.Next, the bronchodilator test measures the change in lung capacity after inhaling a short-acting bronchodilator that expands the airway. When obstructive ventilation disorders are observed, it helps diagnose and evaluate asthma and chronic obstructive pulmonary disease by measuring the reversibility of bronchodilator-induced obstructive pulmonary disease. It is performed to assess the degree of dyspnea, the severity of chronic obstructive pulmonary disease, and the risk before surgery, and is also performed to assess and grade disability in occupational lung disease. It is measured at time intervals to monitor the progress of the disease.

다음, 폐확산능 검사는 일산화탄소를 흡입하여 폐포 모세혈관까지의 전달능을 측정한다. 간질성 폐질환의 진행정도 파악, 폐기종의 평가, 폐부종, 원발 폐고혈압, 급성 폐색전증, 전신 질환의 폐침범 (류마티스 관절염, 루프스), 폐손상 유발 약물 사용 시, 폐 출혈, 폐 절제 수술 전 평가 등을 위해 시행한다.Next, the diffusion capacity test measures the ability of the lung to transmit carbon monoxide to the alveolar capillaries by inhalation. It is performed to determine the progression of interstitial lung disease, evaluate emphysema, pulmonary edema, primary pulmonary hypertension, acute pulmonary embolism, lung involvement of systemic diseases (rheumatoid arthritis, lupus), use of drugs that cause lung damage, pulmonary hemorrhage, and evaluation before lung resection surgery.

다음, 폐용적 검사는 폐활량검사에 추가적으로 질환의 중등도나 기능적 장애 정도, 질환의 경과나 치료에 대한 반응 등 질환의 정확한 생리학적인 평가를 위해서 필요하다.Next, lung volume tests are necessary in addition to spirometry to accurately assess the physiological nature of the disease, such as the severity of the disease, the degree of functional impairment, the course of the disease, and the response to treatment.

다음, 비특이 기관지유발 검사는 기관지척식은 기도 염증 반응과 다양한 유발 자극에 의해 기도가 좁아지는 기도과민성을 특징으로 하는 질환이다. 기도과민성을 측정하는 방법은 크게 기관지 확장제에 의한 기류제한의 개선을 관찰하는 방법과 약물적 또는 비약물적 자극을 가하여 기류 제한을 유발하는 기관지유발 검사로 나눌 수 있다. 기관지 유발검사에는 직접 기관지유발검사와 간접 기관지유발검사가 있다.Next, nonspecific bronchial provocation test is a disease characterized by airway hyperresponsiveness in which the airway narrows due to airway inflammation response and various provoking stimuli. The method of measuring airway hyperresponsiveness can be broadly divided into a method of observing the improvement of airflow limitation by bronchodilators and a bronchial provocation test in which airflow limitation is induced by applying pharmacological or non-pharmacological stimuli. There are direct bronchial provocation tests and indirect bronchial provocation tests in bronchial provocation tests.

트레이닝 모듈(100)은 특성 추출부(110), 머신러닝부(120), 이미지 변환부(130), 딥러닝부(140) 및 저산소증 예측 알고리즘부(150)를 포함한다.The training module (100) includes a feature extraction unit (110), a machine learning unit (120), an image conversion unit (130), a deep learning unit (140), and a hypoxia prediction algorithm unit (150).

도 2의 (a), (b), (c), (d), (e)는 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템에 구비된 특성 추출부가 최대흡기압력(PIP: Peak Inspiratory Pressure)를 통해 수파인(supine) 자세와 트렌델렌부르그(Trendelenburg) 자세를 구분하기 위하여 전처리하는 것을 나타낸 그래프이다.FIGS. 2(a), (b), (c), (d), and (e) are graphs showing that the feature extraction unit of a system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of intraoperative spirometry signals according to one embodiment of the present invention preprocesses the supine posture and the Trendelenburg posture through peak inspiratory pressure (PIP).

특성 추출부(110)는 기획득된 스파이로메트리 신호(이하, '제1 스파이로메트리 신호'라 칭함)를 평활화(smoothing)하고 누락값을 보정하여 전처리한 후 이에 대한 기본 신호 특성, 변이도, 폐용량(Lung volume)과 기도내압(Air way pressure)의 상관관계 및 수파인 자세와 트렌델렌버그 자세에서 각각 추출된 특성정보 간의 차이 및 상관관계를 포함하는 제1 머신러닝 특성정보를 추출한다.The feature extraction unit (110) smoothes the acquired spirometry signal (hereinafter referred to as the 'first spirometry signal') and preprocesses it by correcting missing values, and then extracts first machine learning feature information including basic signal features, variability, correlation between lung volume and airway pressure, and differences and correlations between feature information extracted from the supine and Trendelenburg postures, respectively.

우선, 도 2의 (a), (b), (c), (d), (e)를 참조하면, 특성 추출부(110)는 최대흡기압력(PIP: Peak Inspiratory Pressure)를 통해 수파인(supine) 자세와 트렌델렌부르그(Trendelenburg) 자세를 구분하기 위하여 제1 스파이로메트리 신호를 전처리한다.First, referring to (a), (b), (c), (d), and (e) of FIG. 2, the feature extraction unit (110) preprocesses the first spirometry signal to distinguish between the supine posture and the Trendelenburg posture through peak inspiratory pressure (PIP).

수파인 (supine) 자세는 환자가 지면과 평행한 수술대에 정자세로 반듯하게 누워 있는 자세로서, 일반적인 수술에서 주로 취하게 된다.The supine position is a position where the patient lies upright on an operating table parallel to the ground, and is commonly used in general surgery.

한편, 트렌델렌부르그(Trendelenburg) 자세는 환자가 침대 또는 수술대에서 배위(背位)를 취하게 하고 두부를 30~40도 하방으로 내리고, 침대나 수술대를 무릎 아래에서 꺽어 구부린 자세로서, 복강경 수술 시 취하게 된다.Meanwhile, the Trendelenburg position is a position in which the patient lies on their back on a bed or operating table, lowers their head 30 to 40 degrees, and bends the bed or operating table under their knees. This position is used during laparoscopic surgery.

환자마다 다르긴 하지만 수파인(supine) 자세와 트렌델렌부르그(Trendelenburg) 자세에서 획득되는 스파이로메트리 신호가 각각 다르기 때문에 이를 이용하여 환자의 자세를 구분한다.Although it varies from patient to patient, the spirometry signals obtained in the supine and Trendelenburg positions are different, and these are used to distinguish the patient's position.

일반적으로 처음 수술을 할 때는 수파인 자세로 시작을 하여 수술 중 트렌델렌부르그(Trendelenburg) 자세로 바꾸게 되는데 이때, 최대흡기압력(PIP: Peak Inspiratory Pressure)값이 크게 증가하게 되며, 이러한 최대흡기압력(PIP: Peak Inspiratory Pressure)값의 변화 및 수치를 통해 알고리즘 기반으로 두 자세를 구분할 수 있게 된다.Generally, when performing the first surgery, the patient starts in the supine position and changes to the Trendelenburg position during the surgery. At this time, the peak inspiratory pressure (PIP) value increases significantly, and the two positions can be distinguished based on an algorithm through the change and value of the peak inspiratory pressure (PIP).

최대흡기압력(PIP: Peak Inspiratory Pressure)값의 변화를 추적하여 수파인(Supine) 자세와 트렌델렌부르그(Trendelenburg) 자세를 구분하는 방법으로는 최대흡기압력(PIP: Peak Inspiratory Pressure) 신호에 대한 변화시점 탐지방식(Change point detection)과 규칙 기반(Rule based) 방식이 있으며, 본 발명에서는 규칙 기반(Rule base) 방식을 통해 구현하였다.Methods for distinguishing between the Supine and Trendelenburg postures by tracking changes in the peak inspiratory pressure (PIP) value include a change point detection method for the peak inspiratory pressure (PIP) signal and a rule-based method. In the present invention, the rule-based method was used.

구체적으로 도 2의 (a), (b), (c), (d), (e)를 참조하면, 특성 추출부(110)는 최대흡기압력(PIP: Peak Inspiratory Pressure) 값이 0.3이상이며, 연속된 최대흡기압력(PIP: Peak Inspiratory Pressure) 값의 차이가 0.1 이하로 5분동안 유지되면, 수파인 자세(Supine position)에 돌입했다고 판단하며, 이후 최대흡기압력(PIP: Peak Inspiratory Pressure) 값이 0.7을 연속으로 2회 넘는 경우 수파인 자세(Supine position)가 종료되었다고 판단한다.Specifically, referring to (a), (b), (c), (d), and (e) of FIG. 2, the characteristic extraction unit (110) determines that the supine position has been entered when the peak inspiratory pressure (PIP) value is 0.3 or higher and the difference between consecutive peak inspiratory pressure (PIP) values is 0.1 or lower for 5 minutes, and thereafter, when the peak inspiratory pressure (PIP) value exceeds 0.7 twice in a row, the supine position is determined to have ended.

이어서, 도 2의 (a), (b), (c), (d), (e)를 참조하면, 특성 추출부(110)는 0.7이상의 최대흡기압력(PIP: Peak Inspiratory Pressure) 값이 5분동안 지속되면 트렌델렌부르그 자세(Trendelenburg position)에 돌입했다고 판단하며, 이후 최대흡기압력(PIP: Peak Inspiratory Pressure) 값이 0.5 이하의 값이 연속으로 기록되면 트렌델렌부르그 자세(Trendelenburg position)가 종료되었다고 판단한다. Next, referring to (a), (b), (c), (d), and (e) of FIG. 2, the characteristic extraction unit (110) determines that the Trendelenburg position has been entered when a peak inspiratory pressure (PIP: Peak Inspiratory Pressure) value of 0.7 or higher continues for 5 minutes, and thereafter, when a peak inspiratory pressure (PIP: Peak Inspiratory Pressure) value of 0.5 or lower is continuously recorded, the Trendelenburg position is determined to have ended.

로우 최대흡기압력(Raw PIP: Raw Peak Inspiratory Pressure) 신호를 사용하는 경우 신호 자체의 변동(Fluctuation)이 크기 때문에 정확한 자세 분리(position separation)가 되지 않을 수 있기 때문에 가우시안 스무딩을 통해 값의 평활화를 진행한 후 자세 분리(position separation)를 진행한다.When using the Raw Peak Inspiratory Pressure (Raw PIP) signal, accurate position separation may not be achieved due to the large fluctuations in the signal itself. Therefore, position separation is performed after smoothing the values through Gaussian smoothing.

이와 같은 자세 분리(position separation)의 경우 수파인 자세(Supine position) 및 트렌델렌부르그 자세(Trendelenburg position) 중 어느 하나의 자세에서 획득되는 정보가 더 유의하게 작용할 수 있으므로 상기한 2가지 자세(position)에서의 추출 데이터의 연관성을 고려하는 등 보다 다양한 특성을 획득할 수 있도록 한다.In the case of such position separation, information obtained from either the Supine position or the Trendelenburg position may have a more significant effect, so that more diverse characteristics can be obtained, such as by considering the correlation between extracted data from the two positions.

구체적으로 환자마다 수술 시간이 다를 수 있으며, 전체 신호 구간에서 하나의 값을 추출하는 것 보다 윈도잉(windowing)을 적용하는 경우 더 많은 특성을 선별할 수 있으며, 추출된 신호에 대한 안정성, 신뢰성도 확보할 수 있다.Specifically, the surgical time may vary for each patient, and applying windowing rather than extracting one value from the entire signal interval can select more features, and stability and reliability of the extracted signal can also be secured.

따라서, 특성 추출부(110)에서는 각 환자별로 얻어지는 수파인(Supine), 트렌델렌부르그(Trendelenburg) 구간에 대해 윈도잉 시프트(windowing shift)를 적용하여 20개 구간(total window number)을 확보한다. Therefore, the feature extraction unit (110) applies a windowing shift to the Supine and Trendelenburg sections obtained for each patient to secure 20 sections (total window number).

각 윈도우(window)는 2000개의 데이터 포인트(data point)(window size)로 구성된다.Each window consists of 2000 data points (window size).

VitalDB에서 획득되는 신호의 샘플링 진동수(sampling frequency)가 15Hz이기 때문에 약 133초 동안의 값이 윈도우(window)에 포함된다.Since the sampling frequency of the signal acquired from VitalDB is 15 Hz, values for approximately 133 seconds are included in the window.

윈도우 오버랩 사이즈(window overlap size)의 경우 전체 환자 수술 길이에 맞춰 조정하여 최대한 전체 구간을 고루 사용할 수 있도록 하기의 [수학식 1]로 정의된다.For the window overlap size, it is defined by [Mathematical Formula 1] below so that the entire section can be used as evenly as possible by adjusting it to the entire patient surgical length.

[수학식 1][Mathematical formula 1]

오버랩 사이즈(overlap size) = (전체 수술 시간 - 윈도우 사이즈(window size)) / 전체 윈도우 개수(total window number)Overlap size = (total surgery time - window size) / total window number

따라서 본 발명에서는 수파인 자세(Supine position), 트렌델렌부르그 자세(Trendelenburg position) 각각에 대해 20개의 윈도우가 추출되며, 제1 스파이로메트리(Spirometry) 신호 중에서는 폐용량(Lung volume), 기도내압(Air way pressure) 및 최대흡기압력(PIP: Peak Inspiratory Pressure)에 대한 신호를 분석한다. Therefore, in the present invention, 20 windows are extracted for each of the supine position and the Trendelenburg position, and among the first spirometry signals, the signals for lung volume, airway pressure, and peak inspiratory pressure (PIP) are analyzed.

이에 따라 특성 추출부(110)에서 각 데이터 및 윈도우 별로 추출되는 신호 특성의 경우 신호 자체의 특성, 상관관계, 변이도로 크게 3가지 종류의 특성을 추출하고, 신호 자체의 특성에 기반해서는 최대, 최소, 평균, 중앙, 왜도, 첨도, 편차, 적률을 추출한다. Accordingly, in the case of signal characteristics extracted for each data and window in the feature extraction unit (110), three types of characteristics are extracted: characteristics of the signal itself, correlation, and variance, and based on the characteristics of the signal itself, maximum, minimum, average, center, skewness, kurtosis, deviation, and moment are extracted.

구체적으로 특성 추출부(110)는 연속된 신호 분석의 경우 특정 시간마다 구간을 나누어 구간 내의 평균, 편차, 첨도, 왜도, 최대, 최소, 중앙값을 추출할 수 있으며, 2개 이상의 신호에 대해서는 상관관계(Pearson correlation, coherence, DTW, rank correlation coefficient)를 측정할 수 있다. Specifically, in the case of continuous signal analysis, the feature extraction unit (110) can divide the interval into specific time intervals and extract the average, deviation, kurtosis, skewness, maximum, minimum, and median within the interval, and for two or more signals, can measure the correlation (Pearson correlation, coherence, DTW, rank correlation coefficient).

상관관계의 경우 동일한 자세(position)일 때의 폐용량 정보와 기도내압 정보의 상관관계 분석이 가능하며, 서로 다른 포지션 (Supine position)과 (Trendelenburg position) 간의 상관관계 분석이 가능하다. 상관관계 측정의 경우 선형 상관관계 측정을 위한 상관계수(Pearson correlation), 비선형성 분석을 위한 순위 상관 계수(rank correlation coefficient)의 한 종류인 켄달타우 상관관계(Kendal Tau correlation), 의료분야에서 신호 유사성을 파악하기 위해 주로 사용되는 동적 시간 와핑(DTW: Dynamic Time warping), 간섭성(Coherence)을 이용한다. In the case of correlation, correlation analysis is possible between lung capacity information and airway pressure information in the same position, and correlation analysis is possible between different positions (Supine position) and (Trendelenburg position). In the case of correlation measurement, the correlation coefficient (Pearson correlation) for linear correlation measurement, Kendall Tau correlation, which is a type of rank correlation coefficient for nonlinear analysis, dynamic time warping (DTW), and coherence, which are mainly used to identify signal similarity in the medical field, are used.

추가적으로, 전술한 제1 특성정보에 포함되는 대표적인 생체신호인 심박(ECG) 신호 및 맥박(PPG) 신호는 심박변이도(HRV: Heart Rate Variability)를 주요 특성으로 하며, 질병에 대한 저항 능력, 정신적 스트레스, 심혈관 질환에의 척도로 이용된다. In addition, the representative biosignals included in the first characteristic information mentioned above, the heart rate (ECG) signal and pulse (PPG) signal, have heart rate variability (HRV) as their main characteristic and are used as a measure of resistance to disease, mental stress, and cardiovascular disease.

변이도 특성으로는 (Time domain: mean peak, SDNN, HRV-index, pNN50, RMSSD, SDSD, Frequency domain: VLF, LF, HF, TP, norm LF, norm HF, LF/HF, etc.)를 포함한다.The variability features include (Time domain: mean peak, SDNN, HRV-index, pNN50, RMSSD, SDSD, Frequency domain: VLF, LF, HF, TP, norm LF, norm HF, LF/HF, etc.).

추가적으로 시간-도메인(time-domain) 신호 특성 외에 진동수-도메인(frequency-domain)의 신호 특성을 이용하여 다양한 변이도 분석이 가능하다.Additionally, in addition to the time-domain signal characteristics, various mutation analyses are possible using the frequency-domain signal characteristics.

신호 분석을 위해 앞서 20개의 윈도우(window)를 나누었는데, 이후 머신러닝부(120)에서 수행되는 머신러닝을 위한 입력으로 활용하기 위해서는 추출된 윈도우(window) 각각을 입력으로 사용할 수도 있으며, 20개 윈도우(window)의 평균값을 입력할 수도 있다. 이와 같이 윈도우(window)를 나누어 분석하는 경우 시간대별 분석이 가능하다는 장점을 갖는다. For signal analysis, 20 windows were previously divided, and in order to use them as inputs for machine learning performed in the machine learning unit (120), each extracted window can be used as input, and the average value of the 20 windows can also be input. In this way, dividing windows and analyzing them has the advantage of allowing analysis by time zone.

예를 들어, 수파인 자세(supine position)에 돌입한 초기의 신호가 중요하게 작용할 수도 있으며, 트렌델렌부르그(Trendelenburg)가 일정 시간 이상 지속된 뒷 부분의 신호 데이터가 주요하게 작용할 수도 있다. 윈도우(Window)를 나눔으로써 이와 같은 세부적인 분석이 가능하다.For example, the initial signal that enters the supine position may be important, and the signal data from the latter part of the Trendelenburg that lasts for a certain period of time may be important. Such detailed analysis is possible by dividing the window.

머신러닝부(120)는 제1 머신러닝 특성정보를 머신러닝하여 저산소증 1차 학습모델을 구축하고 제1 머신러닝 특성정보를 1차 분석한다.The machine learning unit (120) constructs a hypoxia primary learning model by machine learning the first machine learning characteristic information and performs a primary analysis of the first machine learning characteristic information.

구체적으로 머신러닝부(120)는 추출된 신호 특성을 입력으로 하여 저산소증을 1차적으로 예측하는 머신러닝 기반의 학습을 진행하며, 이와 관련하여 주요 특성을 선별하는 특성 선별 과정이 포함될 수 있다.Specifically, the machine learning unit (120) performs machine learning-based learning to primarily predict hypoxia using extracted signal characteristics as input, and a feature selection process for selecting key characteristics may be included in relation to this.

특성 선별 과정의 경우 필터 기반(Filter-based) 방식과, 래퍼 기반(wrapper-based) 방식을 병행할 수 있다.For the feature selection process, filter-based and wrapper-based methods can be used in parallel.

이를 위해 머신러닝부(120)에서는 서포트 벡터 머신(SVM: Support Vector Machine), 트리(tree) 랜덤 포레스트(RF: random Frest), 부스팅 기반 알고리즘(예를 들어, XGBoost, LGBoost, CatBoost)이 사용된다.For this purpose, the machine learning unit (120) uses a support vector machine (SVM), a tree random forest (RF), and a boosting-based algorithm (e.g., XGBoost, LGBoost, CatBoost).

머신러닝부(120)의 결과를 기반으로 특성별 중요도와 저산소증이 예측된 결과에서 임계값을 가정하여 추후 저산소증 예측모듈(200)에서 임상의에게 제공하는 설명력 요소로 활용할 수 있으며, 부스팅(Boosting), 트리 모델(Tree model)의 feature importance, 중요변수해석(SHAP value, shapley additive explanations value)를 이용할 수 있다.Based on the results of the machine learning unit (120), the importance of each feature and the threshold value from the predicted hypoxia can be assumed and used as an explanatory factor provided to the clinician in the hypoxia prediction module (200) in the future, and boosting, feature importance of the tree model, and important variable analysis (SHAP value, Shapley additive explanations value) can be used.

도 3의 (a), (b), (c), (d)는 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템에 구비된 이미지 변환부에서 기획득된 스파이로메트리 신호를 2차원 이미지로 변환한 것을 나타낸 도면이다.FIGS. 3(a), (b), (c), and (d) are drawings showing the conversion of spirometry signals acquired by an image conversion unit of a system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to one embodiment of the present invention into two-dimensional images.

이미지 변환부(130)는 기획득된 스파이로메트리 신호로부터 추출된 폐용량에 대한 폐용량 신호 및 기획득된 스파이로메트리 신호로부터 추출된 기도내압에 대한 기도내압 신호를 2차원 이미지로 변환시킨다.The image conversion unit (130) converts the lung capacity signal for lung capacity extracted from the acquired spirometry signal and the airway pressure signal for airway pressure extracted from the acquired spirometry signal into two-dimensional images.

이를 위한 이미지 변환부(130)는 각 좌표 기반의 GASF(Garamian Angular Summation Field), 공간 좌표 기반 MTF(Markov Transition Field), 시간-주파수 도메인 기반 반응도(Scalogram), 스펙트로그램(Spectrogram), 신호 상관관계 분석을 통한 Connectivity Adjacent matrix 등과 같은 다양한 방식을 이용하여 신호를 2차원 이미지로 변환한다.For this purpose, the image conversion unit (130) converts the signal into a two-dimensional image using various methods such as GASF (Garamian Angular Summation Field) based on each coordinate, MTF (Markov Transition Field) based on spatial coordinate, scalogram and spectrogram based on time-frequency domain, and connectivity adjacent matrix through signal correlation analysis.

또한, 실제 임상의가 수술 중 확인할 수 있는 실제 이미지화 결과를 기반으로 진행할 수도 있으며, 그 실시 예로, 폐용량과 기도내압 값을 각 X-Y축으로 한 Volume-AWP curve를 2D 이미지화하는 방식이 있다.In addition, it can be performed based on actual imaging results that can be confirmed by actual clinicians during surgery. As an example, there is a method of creating a 2D image of a Volume-AWP curve with lung capacity and airway pressure values as the X-Y axes, respectively.

이를 위해서는 위 언급한 신호를 2차원 이미지로 변환하는 방법에 적격한 이미지 신호에 대한 전처리가 병행되어야 하며, 이미지 전처리의 경우 이미지 사이즈 통일하고 정규화(Z-normalization)하는 과정을 포함한다.To this end, preprocessing of image signals suitable for converting the above-mentioned signals into two-dimensional images must be performed in parallel, and in the case of image preprocessing, the process of unifying the image size and normalizing (Z-normalization) is included.

이미지 변환부(130)는 크게 원도우를 이용하여 제1 딥러닝 특성정보를 이미지화하거나 루프(Loop)를 이용하여 제1 딥러닝 특성정보를 이미지화할 수 있다.The image conversion unit (130) can largely visualize the first deep learning characteristic information using a window or visualize the first deep learning characteristic information using a loop.

우선, 원도우를 이용하여 제1 딥러닝 특성정보를 이미지화하는 방법은 머신러닝을 통한 분석과 마찬가지로 20개 구간으로 나누고, 각각의 윈도우에 대해 하나의 이미지를 만든 후 20개의 입력(input)을 넣는 딥러닝 모델(=저산소증 2차 학습모델)을 만들 수 있다. First, the method of visualizing the first deep learning characteristic information using a window is similar to the analysis through machine learning. It divides it into 20 sections, creates one image for each window, and then creates a deep learning model (=hypoxia secondary learning model) that inputs 20 inputs.

한편, 루프(Loop)를 이용하여 제1 딥러닝 특성정보를 이미지화하는 방법은 GASF, MTF, 반응도(Scalogram)에 대하여 20개 입력(input)을 넣고 보팅(voting)을 하고, 루프(loop)를 그리는 경우 전체 구간을 하나의 이미지로 만드는 방법을 적용하며, 본 발명에서는 루프를 이용하여 제1 딥러닝 특성정보를 이미지화하는 방법을 사용하였다.Meanwhile, the method of visualizing the first deep learning characteristic information using a loop inputs 20 inputs for GASF, MTF, and scalogram and performs voting, and when drawing a loop, a method of making the entire section into one image is applied, and in the present invention, the method of visualizing the first deep learning characteristic information using a loop was used.

또한, 루프를 이용하여 제1 딥러닝 특성정보를 이미지화하는 방법은 크게 수술 시 환자의 자세에 따라 수파인(supine) 자세 및 트렌델렌부르그(trendelenbrug) 자세에서의 신호를 이미지화한다.In addition, the method of imaging the first deep learning feature information using a loop largely images signals in the supine position and the Trendelenbrug position depending on the patient's position during surgery.

구체적으로 루프(Loop)의 경우 전체 수술 구간 (수파인(supine) 구간 1개, 트렌델렌부르그(trendelenbrug) 구간 1개)을 이미지화한 이유는, 루프(loop)가 반복적으로 그려짐에 따라 loop가 반복되는 부분일수록 두꺼워지며, 이러한 반복 여부를 반영하여 이미지가 획득되기 때문이다.Specifically, for the loop, the reason the entire surgical section (one supine section and one trendelenburg section) was imaged is that as the loop is drawn repeatedly, the section where the loop is repeated becomes thicker, and the image is acquired reflecting this repetition.

딥러닝부(140)는 2차원 이미지를 딥러닝하여 저산소증 2차 학습모델을 구축하고 2차원 이미지를 2차 분석한다.The deep learning unit (140) constructs a hypoxia secondary learning model by deep learning a two-dimensional image and performs a secondary analysis of the two-dimensional image.

구체적으로 딥러닝부(140)는 전처리 과정을 통하여 통일된 사이즈의 2차원 이미지를 활용하여 딥러닝 진단 모델(=저산소증 2차 학습모델)을 학습시킨다.Specifically, the deep learning unit (140) trains a deep learning diagnosis model (=hypoxia secondary learning model) by utilizing a two-dimensional image of a unified size through a preprocessing process.

딥러닝부(140)에서 적용되는 분류 모델을 학습시키는 플랫폼은 텐서플로(Tensorflow), 파이토치(PyTorch)가 있을 수 있다.The platform for training the classification model applied in the deep learning department (140) may be Tensorflow or PyTorch.

또한, 분류 모델의 경우 CNN 기반의 알고리즘(VGG, ResNet), 트랜스포머(Transformer) 기반의 알고리즘(ViT, Swin transformer) 등이 적용될 수 있다.Additionally, for classification models, CNN-based algorithms (VGG, ResNet) and Transformer-based algorithms (ViT, Swin transformer) can be applied.

상기한 딥러닝부(140)에서 학습된 저산소증 2차 학습모델은 윈도우 학습모델 및 루프 학습모델을 포함하고, 루프 학습모델은 수파인 학습모델 및 트렌델렌부르그 학습모델을 포함한다.The hypoxia secondary learning model learned in the above-mentioned deep learning unit (140) includes a window learning model and a loop learning model, and the loop learning model includes a Supine learning model and a Trendelenburg learning model.

저산소증 예측 알고리즘부(150)는 저산소증 1차 학습모델과 저산소증 2차 학습모델을 통합하여 저산소증 학습모델을 구축한다.The hypoxia prediction algorithm section (150) constructs a hypoxia learning model by integrating the hypoxia first learning model and the hypoxia second learning model.

이를 위한 저산소증 예측 알고리즘부(150)는 앙상블 기법(Hard voting, weighted voting, soft voting)을 통해 저산소증 1차 학습모델과 저산소증 2차 학습모델을 통합한다.For this purpose, the hypoxia prediction algorithm part (150) integrates the hypoxia first learning model and the hypoxia second learning model through an ensemble technique (hard voting, weighted voting, soft voting).

저산소증 예측모듈(200)은 수술 중 실시간으로 입력되는 스파이로메트리 신호로부터 제2 특성정보를 추출하고, 트레이닝 모듈(100)에서 머신러닝된 저산소증 1차 학습모델 및 트레이닝 모듈(100)에서 딥러닝된 저산소증 2차 학습모델을 통해 각각 예측된 결과를 기반으로 저산소증을 예측한다.The hypoxia prediction module (200) extracts second characteristic information from a spirometry signal input in real time during surgery, and predicts hypoxia based on the results predicted by the machine-learned hypoxia first learning model in the training module (100) and the deep-learned hypoxia second learning model in the training module (100).

여기서, 제2 특성정보는 폐의 역학에 따라 저산소증의 발생 유무를 판단하기 위한 다수의 신호(=인자) 중 일부에 대한 정보로서, 수술 중 실시간으로 측정되는 환자의 스파이로메트리 신호로부터 추출되는 정보이다.Here, the second characteristic information is information about some of the multiple signals (=factors) for determining the presence or absence of hypoxia according to the dynamics of the lung, and is information extracted from the patient's spirometry signal measured in real time during surgery.

구체적으로 제2 특성정보는 제2 머신러닝 특성정보 및 제2 딥러닝 특성정보를 포함한다.Specifically, the second characteristic information includes second machine learning characteristic information and second deep learning characteristic information.

제2 머신러닝 특성정보는 수술 중 실시간으로 측정되는 환자의 스파이로메트리 신호를 평활화(smoothing)하고 누락값을 보정하여 전처리한 후 이에 대한 기본 신호 특성, 변이도, 폐용량과 기도내압의 상관관계 및 수파인 자세와 트렌델렌버그 자세에서 각각 추출된 특성정보 간의 차이 및 상관관계를 포함한다.The second machine learning feature information includes the basic signal characteristics, variability, correlation between lung capacity and airway pressure, and differences and correlations between the feature information extracted from the Supine and Trendelenburg positions, respectively, after smoothing and correcting missing values for the patient's spirometry signal measured in real time during surgery.

여기서, 수술 중 실시간으로 입력되는 스파이로메트리 신호는 수술 중에 환자의 폐기능 검사를 통하여 실시간으로 획득되는 신호(이하, '제2 스파이로메트리 신호'라 칭함)이다.Here, the spirometry signal input in real time during surgery is a signal obtained in real time through a patient's pulmonary function test during surgery (hereinafter referred to as the 'second spirometry signal').

이를 위한 저산소증 예측모듈(200)은 실시간 특성 추출부(210), 저산소증 1차 예측부(220), 실시간 이미지 변환부(230), 저산소증 2차 예측부(240), 저산소증 종합 예측부(250), CAM 분석부(260) 및 디스플레이부(270)를 포함한다.The hypoxia prediction module (200) for this purpose includes a real-time feature extraction unit (210), a hypoxia primary prediction unit (220), a real-time image conversion unit (230), a hypoxia secondary prediction unit (240), a hypoxia comprehensive prediction unit (250), a CAM analysis unit (260), and a display unit (270).

실시간 특성 추출부(210)는 제2 스파이로메트리 신호인 스파이로메트리 신호를 평활화(smoothing)하고 누락값을 보정하여 전처리한 후 이에 대한 기본 신호 특성, 변이도, 폐용량과 기도내압의 상관관계 및 수파인 자세와 트렌델렌버그 자세에서 각각 추출된 특성정보 간의 차이 및 상관관계를 포함하는 제2 머신러닝 특성정보를 추출한다.The real-time feature extraction unit (210) smoothes the second spirometry signal, corrects missing values, and preprocesses the spirometry signal, and then extracts second machine learning feature information including basic signal features, variability, correlation between lung capacity and airway pressure, and differences and correlations between feature information extracted from the supine and Trendelenburg positions, respectively.

저산소증 1차 예측부(220)는 저산소증 1차 학습모델에 제2 스파이로메트리 신호에 대한 제2 특성정보(=제2 머신러닝)를 적용하여 저산소증을 1차 예측한다.The hypoxia first prediction unit (220) applies second feature information (=second machine learning) for the second spirometry signal to the hypoxia first learning model to first predict hypoxia.

실시간 이미지 변환부(230)는 제2 스파이로메트리 신호인 스파이로메트리 신호로부터 추출된 폐용량에 대한 폐용량 신호 및 제2 스파이로메트리 신호인 스파이로메트리 신호로부터 추출된 기도내압에 대한 기도내압 신호를 실시간 2차원 이미지로 변환시킨다.The real-time image conversion unit (230) converts a lung capacity signal for lung capacity extracted from the second spirometry signal, which is a spirometry signal, and an airway pressure signal for airway pressure extracted from the second spirometry signal, which is a spirometry signal, into real-time two-dimensional images.

저산소증 2차 예측부(240)는 저산소증 2차 학습모델에 실시간 2차원 이미지를 적용하여 저산소증을 2차 예측한다.The hypoxia secondary prediction unit (240) applies real-time two-dimensional images to the hypoxia secondary learning model to make secondary predictions of hypoxia.

저산소증 종합 예측부(250)는 저산소증 1차 학습모델을 통하여 1차 예측된 결과와 저산소증 2차 학습모델을 통하여 2차 예측된 결과를 종합하여 저산소증을 최종적으로 예측한다.The hypoxia comprehensive prediction unit (250) finally predicts hypoxia by synthesizing the first predicted result through the hypoxia first learning model and the second predicted result through the hypoxia second learning model.

도 4의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템에 구비된 CAM 분석부에서 상기 실시간 2차원 이미지에 대한 특성맵을 분석하여 CAM 이미지를 생성하는 것을 나타낸 도면이다.FIGS. 4(a) and 4(b) are drawings showing a CAM analysis unit provided in a system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to one embodiment of the present invention, which analyzes a characteristic map for the real-time two-dimensional image to generate a CAM image.

CAM 분석부(260)는 실시간 이미지 변환부(230)에 의해 이미지화된 실시간 2차원 이미지에 대한 특성맵을 분석하여 CAM 이미지를 생성하며, 실제 환자의 스파리오메트리 곡선에 대한 딥러닝 CAM(Class Activation Map) 결과가 도 4에 도시된다.The CAM analysis unit (260) analyzes the characteristic map for the real-time two-dimensional image converted into an image by the real-time image conversion unit (230) to generate a CAM image, and the deep learning CAM (Class Activation Map) result for the spariometry curve of an actual patient is shown in FIG. 4.

도 4의 (a), (b)에서, 세로축은 부피(volume), 가로축은 압력(awp)이다.In Figures 4 (a) and (b), the vertical axis represents volume and the horizontal axis represents pressure (awp).

도 4의 (a), (b)에 도시된 바와 같이 루프(Loop)가 여러 번 반복되며, 자주 반복되는 구간일수록 값이 진하고 두껍게 표현되는 것을 알 수 있다.As shown in (a) and (b) of Figure 4, the loop is repeated multiple times, and the more frequently the section is repeated, the darker and thicker the value is expressed.

또한, 루프는 위(흡기)에서 아래(호기)로 그려지는 형식인데, 올라가는 초입과, 내려오는 말단이 빨갛게 표현되는 것을 알 수 있다.Also, the loop is drawn from top (inspiration) to bottom (expiration), and you can see that the beginning where it goes up and the end where it comes down are expressed in red.

따라서, 흡기에서의 루프(loop) 초반 기울기와 호기에서의 루프(loop) 초반 기울기가 중요하게 작용함을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the initial slope of the loop in inspiration and the initial slope of the loop in expiration are important.

또한, 도 4의 (a), (b)에서의 기울기는 동일한 압력(x축)에 따른 부피(y축)의 변화를 나타낸다.Additionally, the slopes in (a) and (b) of Fig. 4 represent the change in volume (y-axis) according to the same pressure (x-axis).

이러한 루프(loop)를 통한 설명력 제시는 일반인에게는 큰 의미를 갖지 못하나, 임상의에게는 크게 작용할 수 있다.Presenting explanatory power through this loop may not have much meaning to the general public, but it can have a great effect on clinicians.

도 5의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템에 구비된 디스플레이부가 실제 머신러닝 분류 성능 및 신호 특성별 중요도를 출력하는 것을 나타낸 도면이다.FIG. 5 (a) and (b) are drawings showing a display unit provided in a system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to one embodiment of the present invention, which outputs actual machine learning classification performance and importance by signal characteristic.

디스플레이부(270)는 저산소증 종합 예측부에서 예측한 저산소증 여부, CAM 이미지 및 제1 특성정보를 디스플레이한다.The display unit (270) displays the presence or absence of hypoxia predicted by the hypoxia comprehensive prediction unit, the CAM image, and the first characteristic information.

구체적으로 머신러닝부(120)에서 선별된 주요 특성 및 해당 특성의 임계점에 기반하여 디스플레이부(270)에 의해 실시간으로 출력되는 수치에 대한 저산소증 판단 기준으로 기능한다.Specifically, it functions as a criterion for determining hypoxia based on the key features selected by the machine learning unit (120) and the critical points of the features, and the values output in real time by the display unit (270).

또한, 딥러닝부(140)에서 추출된 CAM 이미지는 딥러닝 판단의 위치정보를 임상의에게 제공함으로써 본 발명의 투명성과 신뢰성을 제공한다. In addition, the CAM image extracted from the deep learning unit (140) provides the location information of deep learning judgment to the clinician, thereby providing transparency and reliability of the present invention.

도 5의 (a), (b)를 참조하면, 수파인(Supine), 트렌델렌부르그(Trendelenburg)에서 다양한 특성이 추출되어, 대략 188개의 특성을 분석에 사용하였다. Referring to Figures 5 (a) and (b), various features were extracted from Supine and Trendelenburg, and approximately 188 features were used for analysis.

머신러닝의 입장에서는 모든 특성을 사용하는 것 보다 중요한 특성을 선별하여 사용하는 것이 그 정확도와 효율성을 향상시킬 수 있다.From the perspective of machine learning, selecting and using important features rather than using all features can improve accuracy and efficiency.

따라서, 래퍼 특징 선택(wrapper feature selection)으로 몇 개의 특성을 분석에 사용하였을 때 가장 높은 정확도를 얻을 수 있는지를 확인하였다(도 5의 (b) 참조), 이후 해당 개수만큼만 분석에 사용하고, 분석에 사용된 특성들이 어떤 의미가 있는지 해석하기 위해 SHAP 중요성(SHAP importance)을 산출하였다. Therefore, we used wrapper feature selection to determine how many features can be used in the analysis to obtain the highest accuracy (see (b) of Fig. 5), and then used only that number of features in the analysis, and calculated the SHAP importance to interpret the meaning of the features used in the analysis.

SHAP 중요성(SHAP importance)의 경우 빨간색일수록 값이 크고, 파란색일수록 값이 작으며, 오른쪽일수록 저산소증 발생 확률이 증가하는 것을 의미한다. 따라서, 임상적 해석을 가능하게 하는데, 그 예로 가장 중요도가 높았던 pip_tren_mean은 트렌델렌부르그 자세(Trendelenburg position)에서 최대흡기압력(PIP) 신호의 평균값을 의미하며, 그 평균값이 클수록 저산소증의 발생이 유의하게 증가할 수 있음을 의미한다.For SHAP importance, the redder the value, the smaller the value, and the further to the right it is, the higher the probability of hypoxia occurrence. Therefore, it enables clinical interpretation. For example, pip_tren_mean, which had the highest importance, means the average value of the peak inspiratory pressure (PIP) signal in the Trendelenburg position, and a larger average value means that the occurrence of hypoxia can significantly increase.

2. 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 방법2. Method for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of intraoperative spirometry signals

이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 방법을 설명하도록 한다.Hereinafter, a method for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 방법을 나타낸 순서도이다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 방법의 흐름을 나타낸 블록도이다. 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 방법의 세부 단계를 나타낸 순서도이다.FIG. 6 is a flowchart showing a method for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to an embodiment of the present invention. FIG. 7 is a block diagram showing the flow of a method for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to an embodiment of the present invention. FIG. 8 is a flowchart showing detailed steps of a method for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to an embodiment of the present invention.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 방법은 (a) 트레이닝 모듈이 기획득된 스파이로메트리 신호로부터 제1 특성정보를 추출하는 단계(S100), (b) 트레이닝 모듈이 기획득된 스파이로메트리 신호를 각각 머신러닝 및 딥러닝한 결과를 기반으로 저산소증 학습모델을 구현하는 단계(S200), (c) 저산소증 예측모듈이 수술 중 실시간으로 입력되는 스파이로메트리 신호에서 제2 특성정보를 추출하는 단계(S300), (d) 저산소증 예측모듈이 트레이닝 모듈에서 머신러닝된 저산소증 1차 학습모델 및 트레이닝 모듈에서 딥러닝된 저산소증 2차 학습모델을 통해 각각 예측된 결과를 기반으로 저산소증을 예측하는 단계(S400), (e) 트레이닝 모듈이 스파이로메트리 신호에 대한 특성맵을 분석하여 CAM 이미지를 생성하는 단계(S500) 및 (f) 트레이닝 모듈이 환자의 저산소증 여부, CAM 이미지 및 제1 특성정보를 디스플레이하는 단계(S600)를 포함한다.Referring to FIGS. 6 to 8, a method for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery according to an embodiment of the present invention comprises: (a) a step of extracting first characteristic information from a spirometry signal acquired by a training module (S100); (b) a step of implementing a hypoxia learning model based on the results of machine learning and deep learning of the acquired spirometry signals by the training module (S200); (c) a step of extracting second characteristic information from a spirometry signal input in real time during surgery by the hypoxia prediction module (S300); (d) a step of predicting hypoxia based on the results predicted by the hypoxia prediction module through the first hypoxia learning model acquired by machine learning in the training module and the second hypoxia learning model acquired by deep learning in the training module (S400); (e) a step of generating a CAM image by analyzing a characteristic map for the spirometry signal by the training module (S500); and (f) a step of generating a CAM image by the training module based on the patient's It includes a step (S600) of displaying the presence or absence of hypoxia, CAM image, and first characteristic information.

상기한 바에 따른 본 발명은 기획득된 스파이로메트리 신호로부터 추출된 제1 특성정보에 포함되는 제1 머신러닝 특성정보 및 제1 딥러닝 특성정보를 각각 머신러닝 및 딥러닝한 저산소증 1차 학습모델 및 저산소증 2차 학습모델을 통합한 저산소증 학습모델을 구축하고, 실제 수술 중에 실시간으로 획득되는 환자의 스파이로메트리 신호로부터 추출된 제2 특성정보에 포함된 제2 머신러닝 특성정보 및 제2 딥러닝 특성정보를 적용시킴에 따라 저산소증이 발생할 가능성(=저산소증이 발생할 확률 또는 저산소증의 예측)을 예측한 결과를 임상의에게 디스플레이함에 따라 수술 중 환자의 저산소증이 발생하기 전에 의료 조치를 수행할 수 있도록 지원한다.According to the present invention as described above, a hypoxia learning model is constructed by integrating a hypoxia first learning model and a hypoxia second learning model, which are machine-learned and deep-learned, respectively, with first machine-learning feature information and first deep-learning feature information included in first feature information extracted from a spirometry signal acquired in advance, and by applying second machine-learning feature information and second deep-learning feature information included in second feature information extracted from a spirometry signal of a patient acquired in real time during an actual surgery, thereby predicting a result of the possibility of hypoxia occurring (= probability of hypoxia occurring or prediction of hypoxia) and displaying it to a clinician, thereby supporting the performance of medical measures before hypoxia occurs in a patient during surgery.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential characteristics of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single component may be implemented in a distributed manner, and likewise, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims described below, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

100: 트레이닝 모듈
110: 특성 추출부
120: 머신러닝부
130: 이미지 변환부
140: 딥러닝부
150: 저산소증 예측 알고리즘부
200: 저산소증 예측모듈
210: 실시간 특성 추출부
220: 저산소증 1차 예측부
230: 실시간 이미지 변환부
240: 저산소증 2차 예측부
250: 저산소증 종합 예측부
260: CAM 분석부
270: 디스플레이부
300: 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템
100: Training Module
110: Feature Extraction Unit
120: Machine Learning Department
130: Image conversion section
140: Deep Learning Department
150: Hypoxia prediction algorithm section
200: Hypoxia prediction module
210: Real-time feature extraction unit
220: Hypoxia Primary Prediction Unit
230: Real-time image conversion section
240: Hypoxia 2nd Prediction Unit
250: Hypoxia Comprehensive Prediction Unit
260: CAM Analysis Department
270: Display section
300: Postoperative Hypoxia Prediction System Using Real-Time Analysis of Intraoperative Spirometry Signals

Claims (9)

기획득된 스파이로메트리 신호로부터 제1 특성정보를 추출하고, 상기 추출된 제1 특성정보를 각각 머신러닝 및 딥러닝한 결과를 기반으로 저산소증 학습모델을 구현하는 트레이닝 모듈; 및
수술 중 실시간으로 입력되는 스파이로메트리 신호로부터 제2 특성정보를 추출하고, 상기 트레이닝 모듈에서 머신러닝된 저산소증 1차 학습모델 및 상기 트레이닝 모듈에서 딥러닝된 저산소증 2차 학습모델을 통해 각각 예측된 결과를 기반으로 저산소증을 예측하는 저산소증 예측모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템.
A training module that extracts first characteristic information from the acquired spirometry signal and implements a hypoxia learning model based on the results of machine learning and deep learning of the extracted first characteristic information; and
A system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery, characterized by including a hypoxia prediction module for extracting second characteristic information from a spirometry signal input in real time during surgery and predicting hypoxia based on the results predicted by the machine-learned hypoxia primary learning model in the training module and the deep-learned hypoxia secondary learning model in the training module,
제1 항에 있어서,
상기 제1 특성정보는 제1 머신러닝 특성정보 및 제1 딥러닝 특성정보를 포함하고,
상기 트레이닝 모듈은,
상기 기획득된 스파이로메트리 신호를 평활화(smoothing)하고 누락값을 보정하여 전처리한 후 이에 대한 기본 신호 특성, 변이도, 폐용량과 기도내압의 상관관계 및 수파인 자세와 트렌델렌버그 자세에서 각각 추출된 특성정보 간의 차이 및 상관관계를 포함하는 상기 제1 머신러닝 특성정보를 추출하는 특성 추출부; 및
상기 제1 머신러닝 특성정보를 머신러닝하여 저산소증 1차 학습모델을 구축하고 상기 제1 머신러닝 특성정보를 1차 분석하는 머신러닝부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템.
In the first paragraph,
The above first characteristic information includes first machine learning characteristic information and first deep learning characteristic information,
The above training module,
A feature extraction unit that preprocesses the above-mentioned acquired spirometry signal by smoothing it and correcting missing values, and then extracts the first machine learning feature information including the basic signal characteristics, variability, correlation between lung capacity and airway pressure, and the difference and correlation between the feature information extracted from the Supine posture and the Trendelenburg posture, respectively; and
A system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of intraoperative spirometry signals, characterized by including a machine learning unit that constructs a hypoxia primary learning model by performing machine learning on the first machine learning characteristic information and performs a primary analysis on the first machine learning characteristic information.
제2 항에 있어서,
상기 트레이닝 모듈은,
상기 기획득된 스파이로메트리 신호로부터 추출된 폐용량에 대한 폐용량 신호 및 상기 기획득된 스파이로메트리 신호로부터 추출된 기도내압에 대한 기도내압 신호인 상기 제1 딥러닝 특성정보를 2차원 이미지로 변환시키는 이미지 변환부; 및
상기 2차원 이미지를 딥러닝하여 저산소증 2차 학습모델을 구축하고 상기 2차원 이미지를 2차 분석하는 딥러닝부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템.
In the second paragraph,
The above training module,
An image conversion unit that converts the first deep learning characteristic information, which is a lung capacity signal for lung capacity extracted from the above-mentioned acquired spirometry signal and an airway pressure signal for airway pressure extracted from the above-mentioned acquired spirometry signal, into a two-dimensional image; and
A system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of intraoperative spirometry signals, characterized in that it further includes a deep learning unit that constructs a hypoxia secondary learning model by deep learning the above two-dimensional image and performs a secondary analysis of the above two-dimensional image.
제3 항에 있어서,
상기 트레이닝 모듈은, 상기 저산소증 1차 학습모델과 상기 저산소증 2차 학습모델을 통합하여 저산소증 학습모델을 구축하는 저산소증 예측 알고리즘부;를 더 포함하고,
상기 저산소증 예측 알고리즘부는 앙상블 기법(Hard voting, weighted voting, soft voting)을 통해 상기 저산소증 1차 학습모델과 상기 저산소증 2차 학습모델을 통합하는 것을 특징으로 하는 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템.
In the third paragraph,
The above training module further includes a hypoxia prediction algorithm section that constructs a hypoxia learning model by integrating the hypoxia first learning model and the hypoxia second learning model;
A postoperative hypoxia prediction system through real-time analysis of intraoperative spirometry signals, characterized in that the hypoxia prediction algorithm section integrates the hypoxia first learning model and the hypoxia second learning model through an ensemble technique (hard voting, weighted voting, soft voting).
제1 항에 있어서,
상기 제2 특성정보는 제2 머신러닝 특성정보 및 제2 딥러닝 특성정보를 포함하고,
상기 저산소증 예측모듈은,
상기 스파이로메트리 신호를 평활화(smoothing)하고 누락값을 보정하여 전처리한 후 이에 대한 기본 신호 특성, 변이도, 폐용량과 기도내압의 상관관계 및 수파인 자세와 트렌델렌버그 자세에서 각각 추출된 특성정보 간의 차이 및 상관관계를 포함하는 상기 제2 머신러닝 특성정보를 추출하는 실시간 특성 추출부; 및
상기 저산소증 1차 학습모델에 상기 제2 머신러닝 특성정보를 적용하여 상기 저산소증을 1차 예측하는 저산소증 1차 예측부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템.
In the first paragraph,
The above second characteristic information includes second machine learning characteristic information and second deep learning characteristic information,
The above hypoxia prediction module is,
A real-time feature extraction unit that preprocesses the spirometry signal by smoothing it and correcting missing values, and then extracts the second machine learning feature information including the basic signal characteristics, variability, correlation between lung capacity and airway pressure, and the difference and correlation between the feature information extracted from the Supine and Trendelenburg postures, respectively; and
A system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of intraoperative spirometry signals, characterized by including a hypoxia primary prediction unit that first predicts hypoxia by applying the second machine learning characteristic information to the hypoxia primary learning model.
제5 항에 있어서,
상기 저산소증 예측모듈은,
상기 스파이로메트리 신호로부터 추출된 폐용량에 대한 폐용량 신호 및 스파이로메트리 신호로부터 추출된 기도내압에 대한 기도내압 신호인 상기 제2 딥러닝 특성정보를 실시간 2차원 이미지로 변환시키는 실시간 이미지 변환부; 및
상기 저산소증 2차 학습모델에 상기 실시간 2차원 이미지를 적용하여 상기 저산소증을 2차 예측하는 저산소증 2차 예측부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템.
In clause 5,
The above hypoxia prediction module is,
A real-time image conversion unit that converts the second deep learning characteristic information, which is a lung capacity signal for lung capacity extracted from the spirometry signal and an airway pressure signal for airway pressure extracted from the spirometry signal, into a real-time two-dimensional image; and
A system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of intraoperative spirometry signals, characterized in that it further includes a hypoxia secondary prediction unit that applies the real-time two-dimensional image to the hypoxia secondary learning model to predict the hypoxia for the second time.
제6 항에 있어서,
상기 저산소증 예측모듈은, 상기 저산소증 1차 학습모델을 통하여 1차 예측된 결과와 상기 저산소증 2차 학습모델을 통하여 2차 예측된 결과를 종합하여 상기 저산소증을 예측하는 저산소증 종합 예측부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템.
In Article 6,
A system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery, characterized in that the hypoxia prediction module further includes a hypoxia comprehensive prediction unit that predicts hypoxia by synthesizing the first predicted result through the hypoxia first learning model and the second predicted result through the hypoxia second learning model.
제6 항에 있어서,
상기 저산소증 예측모듈은, 상기 실시간 2차원 이미지에 대한 특성맵을 분석하여 CAM 이미지를 생성하는 CAM 분석부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템.
In Article 6,
A system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery, characterized in that the hypoxia prediction module further includes a CAM analysis unit that analyzes a characteristic map for the real-time two-dimensional image to generate a CAM image.
제1 항에 있어서,
상기 저산소증 예측모듈은, 상기 저산소증 종합 예측부에서 예측한 저산소증 여부, 상기 CAM 이미지 및 상기 제1 특성정보를 디스플레이하는 디스플레이부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 중 스파이로메트리 신호의 실시간 분석을 통한 수술 후 저산소증 예측 시스템.
In the first paragraph,
A system for predicting postoperative hypoxia through real-time analysis of spirometry signals during surgery, characterized in that the hypoxia prediction module further includes a display unit that displays the presence or absence of hypoxia predicted by the hypoxia comprehensive prediction unit, the CAM image, and the first characteristic information.
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