[논문 리뷰] The Entropy of Morbidity Trauma and Mortality

Clive Neal‐Sturgess|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 22.

Trauma and Emergency Care Studies참고 문헌 28인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 열역학적 엔트로피—특히 플랑크-볼츠만 및 지브스 엔트로피—가 개인의 외상과 기저 질환을 엔트로피 기여도로 모델링함으로써 상해 심각도를 정량화할 수 있다고 제안한다. 연구는 엔트로피의 합산이 ISS 평가 체계와 일치함을 보이며, 감소한 생리적 예비 능력으로 인해 노인의 취약성이 증가함을 더 정교하게 반영할 수 있음을 시사하여 전통적인 외상 체계보다 더 세밀한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

In this paper it is shown that statistical mechanics in the form of thermodynamic entropy can be used as a measure of the severity of individual injuries (AIS), and that the correct way to account for multiple injuries is to sum the entropies. It is further shown that summing entropies according to the Planck-Boltzmann (P-B) definition of entropy is formally the same as ISS, which is why ISS works. Approximate values of the probabilities of fatality are used to calculate the Gibb's entropy, which is more accurate than the P-B entropy far from equilibrium, and are shown to be again proportional to ISS. For the categorisation of injury using entropies it is necessary to consider the underlying entropy of the individuals morbidity to which is added the entropy of trauma, which then may result in death. Adding in the underlying entropy and summing entropies of all AIS3+ values gives a more extended scale than ISS, and so entropy is considered the preferred measure. A small scale trial is conducted of these concepts using the APROSYS In-Depth Pedestrian database, and the differences between the measures are illustrated. It is shown that adopting an entropy approach to categorising injury severity highlights the position of the elderly, who have a reduced physiological reserve to resist further traumatic onslaught. There are other informational entropy-like measures, here called i-entropy, which can also be used to classify injury severity, which are outlined. A large scale trial of these various entropy or i-entropy measures needs to be conducted to assess the usefulness of the measures. In the meantime, an age compensated ISS measure such as ASCOT or TRISS is recommended.

연구 동기 및 목표

• 통계역학과 엔트로피를 활용하여 상해 심각도를 정량화하는 이론적 기반을 구축하기 위해.
• ISS 평가 체계가 상해의 플랑크-볼츠만 엔트로피 합산과 수학적으로 동치임을 입증하기 위해.
• 기저 질환 엔트로피와 외상 유발 손상 엔트로피를 통합함으로써 더 포괄적인 상해 심각도 척도를 제안하기 위해.
• 기존 외상 체계와 비교하여 엔트로피 기반 측정치의 예측 능력을 평가하기 위해.
• 생리적 예비 능력 감소로 인한 노인 환자들의 증가한 취약성을 엔트로피 지표를 통해 부각시키기 위해.

제안 방법

• 상해 심각도를 모델링하기 위해 플랑크-볼츠만 엔트로피 공식 S = k ln W 를 적응 적용하였으며, 여기서 W 는 AIS 점수에 대응하는 미세상태 수를 나타낸다.
• 비평형 조건에서 정확도를 향상시키기 위해 근사적인 사망 확률을 사용하여 지브스 엔트로피 S = -k Σ p_i ln p_i 를 적용한다.
• 기저 질환의 엔트로피와 외상 유발 손상의 엔트로피를 합산하여 복합 엔트로피 측정치를 도입한다.
• 엔트로피 기반 심각도 분류의 소규모 실증 검증을 위해 APROSYS 인-딥 페드스트리안 데이터베이스를 활용한다.
• 예측 성능 평가를 위해 엔트로피 기반 측정치를 기존 체계인 ISS, ASCOT, TRISS 와 비교한다.
• 상해 분류를 위한 정보 엔트로피 유사 측정치(예: i-엔트로피)의 대안적 형태를 제시하며, 그 잠재적 유용성을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열역학적 엔트로피는 다수의 손상에 걸쳐 상해 심각도를 타당하고 일관적으로 측정할 수 있는가?
• RQ2 기저 질환 엔트로피를 포함함으로써 ISS 대비 상해 심각도 예측 정확도는 얼마나 향상되는가?
• RQ3 엔트로피 기반 접근법은 노인 외상 환자에서 증가한 사망 위험을 얼마나 더 잘 반영하는가?
• RQ4 비평형 외상 상황에서 지브스 엔트로피 공식은 플랑크-볼츠만 엔트로피보다 더 정확한가?
• RQ5 ISS, ASCOT, 또는 TRISS 와 같은 기존 외상 체계보다 엔트로피 기반 지표가 사망 예측에서 슈퍼비어 또는 보완 기능을 할 수 있는가?

주요 결과

• 플랑크-볼츠만 엔트로피 공식은 수학적으로 ISS 평가 체계와 동치이며, 이는 ISS 가 효과적으로 작동하는 이유를 설명한다.
• 사망 확률 추정치를 사용한 지브스 엔트로피는 열역학적 평형에서 벗어난 상황에서 상해 심각도를 더 정확하게 측정한다.
• 기저 질환 엔트로피를 외상 심각도 평가에 통합하면 ISS 보다 더 넓고 세밀한 상해 심각도 척도가 도출된다.
• 노인 인구는 생리적 예비 능력 감소로 인해 상당히 높은 엔트로피 값을 보이며, 이는 외상에 대한 더 큰 취약성을 시사한다.
• APROSIS 데이터베이스를 활용한 실증 검증 결과, 엔트로피 기반 측정치가 노인 환자의 위험 프로파일을 더 명확히 드러내는 것으로 확인되었다.
• 대규모 시범 연구가 완료될 때까지 임상적 활용을 위해 연령 보정 지표인 ASCOT 또는 TRISS 를 권장한다.