[論文レビュー] The Entropy of Morbidity Trauma and Mortality

Clive Neal‐Sturgess|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2010

Trauma and Emergency Care Studies参考文献 28被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、熱力学的エントロピー（特にプランク＝ボルツマンおよびギブズエントロピー）が、個々の外傷と基礎疾患をエントロピー的寄与としてモデル化することで、怪我の重症度を定量化できることを提唱している。エントロピーの合算がISSスコアリングシステムと整合することを示し、生理的予備能の低下による高齢者の脆弱性をより的確に捉えることができることから、従来の外傷スケールに比してより洗練された代替手段を提供する。

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.

研究の動機と目的

• 統計力学とエントロピーを用いた外傷重症度の定量化の理論的基盤を確立すること。
• ISSスコアリングシステムが、外傷のプランク＝ボルツマンエントロピーの合算と形式的に同等であることを示すこと。
• 基礎疾患に起因するエントロピーと外傷に起因するエントロピーを組み合わせることで、より包括的な外傷重症度スケールを提唱すること。
• 従来の外傷スコアリングシステムと比較して、エントロピーに基づく指標の予測能力を評価すること。
• 生理的予備能の低下により高齢患者がより脆弱であることを、エントロピー指標を用いて強調すること。

提案手法

• 外傷重症度をモデル化するため、S = k ln W というプランク＝ボルツマンエントロピーの公式を応用し、W はAISスコアに対応する微小状態の数を表す。
• 非平衡状態における精度を高めるために、近似された致死確率を用いてギブズエントロピー S = -k Σ p_i ln p_i を適用する。
• 基礎疾患に起因するエントロピーと外傷に起因するエントロピーの合算により、複合エントロピー指標を導入する。
• APROSISイン・デプス・ペデストリアンデータベースを用いて、エントロピーに基づく重症度分類の小規模な実証的妥当性を検証する。
• ISS、ASCOT、TRISSといった従来のシステムと比較することで、エントロピーに基づく指標の予測性能を評価する。
• 外傷分類に類似した情報エントロピー的指標（i-エントロピー）の代替案を提示し、その潜在的有用性を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱力学的エントロピーは、複数の外傷にわたって外傷重症度の妥当かつ一貫した指標として機能できるか？
• RQ2 基礎疾患に起因するエントロピーを組み込むことで、ISSと比較して外傷重症度の予測精度がどの程度向上するか？
• RQ3 エントロピーに基づくアプローチは、高齢外傷患者における死亡リスクの増加をどの程度正確に反映するか？
• RQ4 非平衡状態の外傷状況では、ギブズエントロピーの式がプランク＝ボルツマンエントロピーの式よりも正確か？
• RQ5 ISS、ASCOT、またはTRISSといった既存の外傷スコアリングシステムと比較して、エントロピーに基づく指標は予測性能を上回るか、あるいは補完的役割を果たすか？

主な発見

• プランク＝ボルツマンエントロピーの式は、数学的にISSスコアリングシステムと同等であり、ISSが効果的に機能する理由を説明している。
• 致死確率の推定値を用いたギブズエントロピーは、熱力学的平衡から離れた状況において、外傷重症度のより正確な測定を可能にする。
• 基礎疾患に起因するエントロピーを外傷重症度の評価に組み込むことで、ISSよりもより広範かつ洗練された外傷重症度スケールが得られる。
• 高齢者集団では、生理的予備能の低下により、エントロピー値が著しく高くなることが示され、外傷に対する脆弱性が顕著に現れている。
• APROSISデータベースを用いた実証的妥当性評価により、エントロピーに基づく指標が高齢患者のリスクプロファイルをより明確に浮き彫りにしていることが確認された。
• 本研究では、大規模な治験が実施されるまでの間、臨床的用途に年齢補正付き指標（ASCOT や TRISS）を推奨する。