패혈증을 빠르고 정확하게 진단하고 예후를 예측할 수 있는 AI 모델이 개발됐다. 박유랑 연세대 의대 의생명시스템정보학교실 교수, 김종현 연구원, 정경수 세브란스병원 호흡기내과 교수·성민동 강사, 민현석 토모큐브 박사는 CD8 T세포의 3D 이미지 데이터를 활용해 패혈증을 진단하고 예후를 예측할 수 있는 AI 모델을 개발했으며, 정확도가 99% 이상을 보인다고 13일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘Light: Science&Application (IF=19.4)’ 최신호에 게재됐다.

패혈증은 감염에 대한 비정상적인 인체 반응으로 주요 장기에 장애가 발생하는 질환으로 높은 발병률과 사망률을 보인다. 패혈증에 대한 면역반응은 복잡하고 환자마다 다르게 나타나기 때문에 빠른 조기 진단과 신속한 조치가 중요하다. 빠르게 여러 장기에 영향을 미치기 때문에 치료가 늦어지면 사망에 이를 가능성이 높아진다.

현재 패혈증 진단에 사용되는 대표적인 바이오마커인 C-반응성 단백질(CRP), 프로칼시토닌(PCT) 등은 지연된 반응으로 진단이 늦다. 또한 염증지표인 인터류킨-6(IL-6)과 같은 바이오마커는 표준화가 부족해 진단 결과를 해석하는데 어려움이 있다. 이러한 문제로 새로운 바이오마커 발굴이 필요한 상황이다.

연구팀은 면역세포 CD8 T세포 이미지 데이터와 AI 모델을 활용해 패혈증의 진단과 예후를 예측할 수 있을지 확인했다.

패혈증 회복군 8명의 혈액샘플에서 CD8 T세포를 분리해 이미지를 촬영했다. 촬영은 패혈증 쇼크 진단 시점(T1), 패혈증 쇼크 해소 시점(T2), 퇴원 전(T3) 세 시점을 나눠 진행했으며, 홀로토모그래피 현미경을 사용했다. 홀로토모그래피 기술은 세포 구조 변화에 영향을 주는 염색 과정 없이 살아있는 면역세포의 3D 영상을 빠르고 안정적으로 얻을 수 있다.

각 시점에 촬영한 이미지를 딥러닝 기반의 AI 분류 모델을 통해 건강한 대조군 20명의 이미지와 비교분석했다. 패혈증 쇼크 진단 시 채취된 이미지는 패혈증 쇼크의 진단 가능성을 평가에 사용됐으며, 생존 환자군과 비생존 환자군의 패혈증 쇼크 진단 시 채취된 이미지는 패혈증 쇼크의 예후를 예측하는데 사용됐다.

AI 모델의 예측 성능을 수신기 작동 특성 곡선(AUROC) 지표로 분석했다. AUROC는 ‘ROC 곡선의 아래 면적’이라는 뜻으로, 어떤 질환을 진단하기 위한 특정 검사도구의 진단 정확도를 나타내는 통계 기법으로 AI 모델의 성능평가 지표로 주로 사용된다. 통상적으로 1에 가까울수록 성능이 뛰어나며 0.8 이상인 경우 고성능 모델로 평가된다.

진단 및 예후 예측을 위한 AI 모델의 예측 정확도를 분석한 결과, AUROC가 진단 영역(a)에서는 하나의 세포만을 통해 0.96(96%), 예후 예측 영역(b)은 0.98(98%)의 성능이 나왔고, 두 개의 세포를 활용해 예측을 하는 경우 두 영역 모두 0.99 (99%) 이상의 높은 예측 성능을 보였다.

분석 결과, 패혈증 진단을 위해 하나의 세포 이미지만 사용했을 때 AI 모델의 예측 정확도(AUROC)는 0.96(96%)을, 두 개의 세포 이미지를 사용했을 때는 0.99(99%) 이상의 높은 성능을 보였다.

예후 예측 모델에서도 단일 세포 이미지로 0.98(98%)의 정확도를 보였으며, 두 개의 세포 이미지를 사용했을 때는 0.99(99%) 이상의 높은 성능을 나타냈다.

정경수 교수는 “이번 연구를 통해 CD8 T세포의 삼차원 이미지가 패혈증의 바이오마커로서의 역할을 규명할 수 있었다”면서 “AI 모델을 통해 패혈증 환자의 진단 및 예후 예측을 신속하고 정확하게 수행함으로써 환자 개인에 적합한 치료 결정을 내리는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 

강남세브란스병원 대동맥혈관센터 의료진이 'E-vita OPEN NEO' 수술 200례 달성 기념 촬영을 하고 있다.

'E-vita OPEN NEO'는 하이브리드 스텐트 그라프트의 한 종류로, 한 번의 수술로 상행 대동맥과 대동맥궁, 하행 대동맥을 동시에 치료할 수 있는 수술이다. 대동맥류 또는 대동맥 박리가 발생한 상행 대동맥과 대동맥궁 부위는 인조 혈관으로 치환하고, 하행 대동맥에 바로 삽입할 수 있는 스텐트 그라프트가 이어져 있는 것이 특징이다.

기존 대동맥류·대동맥 박리 수술의 경우 상행 대동맥과 대동맥궁 수술 시행 후, 3~6개월간 경과를 지켜본 뒤 하행 대동맥 수술을 진행해야 했다. 반복적인 수술로 치료 기간과 비용에 대한 환자의 부담감이 큰 것은 물론, 2차 수술 대기 중 하행 대동맥이 파열돼 환자가 사망하는 문제가 발생하기도 했다.

이에 강남세브란스병원은 2021년 4월 E-vita OPEN NEO를 희소·긴급도입 필요 의료기기로 도입해 하이브리드 스텐트 그라프트를 이용해 수술의 안전성을 높이고 2차 수술의 부담감을 낮췄다.

이런 가운데 연세대 강남세브란스병원 대동맥혈관센터는 'E-vita OPEN NEO'를 도입한 지 2년 11개월 만에 수술 200례를 달성했다고 12일 밝혔다. 이는 국내 최초로 수술에 성공한 이래, 국내는 물론 아시아 단일 의료기관 기준 최다 기록이다.

대동맥혈관센터를 이끌고 있는 김태훈 심장혈관외과 교수는 "E-vita OPEN NEO 200례는 국내뿐 아니라 아시아에서도 가장 많은 수술례 달성으로 꼽힌다. 이러한 성과는 심장혈관외과와 영상의학과, 마취과, 재활의학과, 마취과, 수술실, 중환자실 간호사 등 많은 의료진과의 협력이 있었기에 가능했다"고 말했다. 이어 "많은 대동맥 질환자들이 일상생활로 잘 복귀할 수 있도록 더 나은 수술적 치료를 위해 끊임없이 노력하고 고민하겠다"고 강조했다.