Seagaia meeting 2023 in Miyazaki

2023/5/20

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COVID-19に関する頻出医療指⽰パターンの解析と可視化*
お茶の⽔⼥⼦⼤学
Le Hieu Hanh

准教授

le@is.ocha.ac.jp*東⼯⼤情報理⼯学院横⽥研究室の研究成果

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22023/5/20

電⼦カルテデータベース• 紙のカルテに変わり，電⼦カルテが⼤規模病院を中⼼に普及している• 電⼦カルテはコスト削減が期待できる（⼀次利⽤）• 対象となる患者の検索や医療指⽰の履歴閲覧の⾼速化を可能に• さらに，複数の医療機関による集約したデータの分析による医療⽀援も期待⼤（⼆次利⽤）• 千年カルテプロジェクト

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32023/5/20

データ解析の対象• テキスト（⾃然⾔語）• テキストマイニング技術を⽤いて電⼦カルテデータを解析• 例︓疾患の症状発⾒など• イメージ• コンピュータ断層撮影（CT），磁気共鳴画像（MRI）検査結果などに基づいて病気診断を⾏う• 医療指⽰• 疾患の治療のパターン発⾒Seagaia meeting 2023 in Miyazaki

42023/5/20

コンピュータベースクリニカルパス抽出• 電⼦カルテデータベースからSequential Pattern Mining(SPM)を適⽤し候補なクリニカルパスを抽出可能
A

B

C

⼊院

服薬
指導

⼊院

⼊院

SPM

EMR Database
処⽅⼿術

注射

退院

処⽅⼿術

ナースタスク

注射

退院

処⽅⼿術

注射

退院

A candidate of the clinical pathway

出現頻度はminsupより⼤⼊院

処⽅⼿術

注射

退院

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52023/5/20

シーケンシャルバリアント（SV）• 実験結果から頻出シーケンシャルパターンは共通なパータンを含めることが多い• このようなグループをSVという• SVは頻出シーケンシャルパターンにおける医療指⽰の分岐を⽰す• 医療オプションを確認できる
注射C処⽅A
⼊院⼿術
処⽅B

退院
注射D

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62023/5/20

SVの要因推定• ⾮ホジキンリンパ治療で年齢・⼊院歴と検査値が分岐要因

WBC:⽩⾎球数
PLT:⾎⼩板数
Le et al., ACM Transaction on Computing for Healthcare, 2023

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72023/5/20

２医療機関におけるSVの⽐較• ２SVを抽出し，共通シーケンスバリアント（LCSV）と併合シーケンスバリアント（MSV）を⽣成し，共通点と差異点を可視化

医療機関１
医療機関２共通（LCSV）

医療機関１ (minSup=0.15) and 医療機関２ (minSup=0.25)
Li et al., DEXA 2022

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82023/5/20

既存研究の課題• 3つ以上の医療機関におけるSV⽐較が未実施• SPMで抽出されたSVが頻出な検査項⽬のみを含み，重要な投薬などの処置項⽬が抽出できない• 多くのSVを⼀度に⽐較しようとすると，共通部分がなくなる• 異なる時期の違いに関する分析が未実施• COVID-19治療のように治療中に投薬等の変更が⽣じた可能性有Seagaia meeting 2023 in Miyazaki

92023/5/20

本研究の貢献• 貢献1• 研究1:3つ以上に医療機関での頻出医療指⽰パターンの⽐較⼿法の提案• 研究2:異なる時期の疾病に対する頻出医療指⽰パターンの違いの発⽣時期を発⾒する⼿法の提案• 貢献2• COVID-19のデータに提案⼿法を適⽤し，その効果を確認

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研究1:3つ以上の医療機関のでの頻出医療指⽰パターンの⽐較①

頻出な検査項⽬の除外，各医療機関のSV抽出②

医療機関群のクラスタリング③

クラスタ内でMSVを作成

2023/5/20

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112023/5/20① 頻出な検査項⽬の除外(1/3)• 多くのシーケンスに出現しシーケンス中の出現回数が多い
検査項⽬があると投薬等の処置項⽬が抽出できない• 医療指⽰がシーケンスに出現する平均回数を新たに定義• 𝑇𝑂⁄𝑆 (order) =orderが全シーケンス中に出現する回数
全シーケンス数• 𝑇𝑂⁄𝑆 が⾼い検査項⽬を除外

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122023/5/20① 頻出な検査項⽬の除外(2/3)• 複数の医療機関で除外する医療指⽰を⼀元的に定める• それぞれの医療指⽰について， 𝑇𝑂⁄𝑆 が最⼤となる医療機関における 𝑇𝑂⁄𝑆 の値， Max(𝑇𝑂⁄𝑆) を算出

医療指⽰a

医療機関1 医療機関2 医療機関3 医療機関40.3

1.8Max(𝑇𝑂⁄𝑆)

0.5

1.2

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132023/5/20① 頻出な検査項⽬の除外(3/3)• Max(𝑇𝑂⁄𝑆) が⾼い検査項⽬から順に除外し，抽出される処置項⽬に変化がない医療指⽰の Max(𝑇𝑂⁄𝑆) の最⼤値をまとめ，それよりも Max(𝑇𝑂⁄𝑆) が⾼い検査項⽬を除外
Max(𝑇𝑂⁄𝑆)

検査e10.0

検査a7.8検査c4.6検査d2.2

検査g1.4検査b0.5検査f0.1

除外
抽出される処置項⽬に変化がない

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142023/5/20② 医療機関群のクラスタリング• 共通部分を持ついくつかのクラスタに分類• 多くのSVを⼀度に⽐較しようとすると，共通部分であるLCSVが存在しなくなる• 階層的クラスタリングを⽤いる• SV間の距離を算出• 距離の近いクラスタを順に併合し，デンドログラムを作成

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152023/5/20③ 3つ以上の医療機関のMSVを導出(1/2)
直接併合法• クラスタ内でのLCSVにそれぞれのSVを直接併合• 個々のSVがわかりやすい• 全体の共通部分しか表せないSeagaia meeting 2023 in Miyazaki

162023/5/20③ 3つ以上の医療機関のMSVを導出(2/2)
距離ベース併合法• クラスタリングで得られたデンドログラムを基に距離が近いSVから順に併合• 部分的な共通部分も表せる• ラベルの種類が増え，複雑Seagaia meeting 2023 in Miyazaki

172023/5/20

評価実験に⽤いたデータセット• 関⻄経済連合会の⽀援による「COVID-19感染の診療への影
響調査と予測モデル開発」に関する研究の研究協⼒機関から提供されたデータに適⽤• 23医療機関とCOVID-19の第5波• 2021.07.01-2021.09.30

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2023/5/20

実験結果 医療指⽰の略称

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検査項⽬略号

処置項⽬
略号

医療指⽰名

略号

医療指⽰名

概要

CRP

C反応性蛋⽩DM

デキサメタゾンステロイド剤

BUN 尿素窒素

DD

Dダイマー

PD

プレドニゾロンステロイド剤

AST

AST

FRTN

フェリチン

HP

ヘパリン

⾎液凝固防⽌剤

GB

グロブリンクラス別
ウイルス抗体

CBC

末梢⾎液

AA

アセトアミノフェン

解熱鎮痛剤

結核菌特異的インター
フェロン-γ産⽣能

XP

X線検査

IN

インスリン

糖尿病治療薬

OT

酸素吸⼊

酸素の投与

HV

肝炎ウイルス検査

CT

QFT

医療指⽰名
CT撮影

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192023/5/20

医療指⽰の除外(1/2)• 𝑀𝑎𝑥(𝑇𝑂⁄𝑆)が肝炎ウイルス検査以上の検査項⽬を除外

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202023/5/20

医療指⽰の除外(2/2)• 除外した検査項⽬には，CRP・Dダイマー・末梢⾎液・
単純撮影・経⽪的⾎酸素飽和度測定・呼吸⼼拍監視・総ビリルビン・フェリチンなどCOVID-19の治療においてよく出現する検査項⽬が含まれている• このような検査項⽬がSPMで抽出されても有⽤性は低い

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212023/5/20

クラスタリング• ウォード法・群平均法を採⽤• 3つ以上の医療機関でMSVを作成する提案⼿法を多くの医療機関に適⽤したい• 要素数が3以上のクラスタに含まれる医療機関が最多となる⼿法

最短距離法

最⻑距離法

重⼼法

ウォード法

群平均法

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クラスタ内のLCSV（1/2）
ウォード法・群平均法の共通• クラスタ1は中等症の患者に酸素の投与• クラスタ２は糖尿病の患者に糖尿病の治療薬• クラスタ３と６は軽症者に解熱剤を投与

2023/5/20

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232023/5/20

クラスタ内のLCSV（2/2）
ウォード法・群平均法の差異• クラスタ４は中等症患者に使⽤される炎症を抑えるステロイド剤のデキサメタゾンが共通• クラスタ５は中等症患者に⾎栓症を予防する⾎液凝固防⽌剤のヘパリンが共通• B, N, VのSVがデキサメタゾンとヘパリンの両⽅を含む

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242023/5/20

実験結果
共通点・差異点の可視化（1/3）• ウォード法で得られたクラスタ5についてMSVを求めた

LCSV

デンドログラム

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共通点・差異点の可視化（2/3）
直接併合法• 全体の共通部分しか表せない

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共通点・差異点の可視化（3/3）
距離ベース併合法• 部分的な共通部分も表せる

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272023/5/20

考察• 直接併合法の⽅が個々のSVがわかりやすい• 距離ベース併合法の⽅が部分的な共通部分についても⽰すことができる• ⾒やすさと冗⻑性どちらを優先するかによって選択可能

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研究２:頻出医療指⽰パターンの違いの発⽣時期を発⾒する⼿法
スライディングウィンドウの導⼊

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292023/5/20

時期毎に頻出SVの抽出• 時期毎の医療指⽰のシーケンスDBにSPMを適⽤し，頻出シーケンスを抽出し，分岐が発⽣したらSVに併合• LCSVとMSVを隣接時期の頻出SV間に適⽤し違いを⽰すSeagaia meeting 2023 in Miyazaki

302023/5/20

違いの発⽣時期を⽰す• スライディングウィンドウを導⼊しウィンドウ毎のデータにSPMを適⽤し，頻出パターンを抽出• ウィンドウをスライド単位移動させる

要検討・ウィンドウの種類
・ウィンドウサイズ・ウィンドウ単位

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312023/5/20

検討１:時間間隔ウィンドウ• ある時期間のシーケンスデータにSPMを適⽤し時間単位でウィンドウをずらす• ウィンドウサイズとスライド単位を時間間隔で決める• 例︓4週間と1週間

/2
2/ 020
16/2
3/ 020
16/2
4/ 020
16/2
5/ 020
16/2
6/ 020
16/2
7/ 02016/2
8/ 02016/2
9/ 02016/
10 202/1
06/
2011/1 20
6/
12 202
/1
06/20
2
1/
16 0/2
2/ 02116/2
3/ 02
16 1/2
4/ 021
16/2
5/ 021
16/2
6/ 021
16/2
7/ 021
16/2
8/ 021
16/2
9/ 021
16/202
11/1632

⼈数

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2023/5/20

検討１:時間間隔ウィンドウの課題点• シーケンスが少ない時期に対しSPMを適⽤しても抽出できない可能性あり
COVID-19に関する時期毎の⼈数

30000

20000

10000

0

時期

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33

2023/5/20

検討２:シーケンス数ウィンドウ• シーケンスDBのシーケンスを時間順でソートしシーケンス数単位でウィンドウをずらす• ウィンドウサイズとスライド単位をシーケン数で決める• 時期的に特徴を持つ頻出パターンを抽出ように，ピークの周りのシーケンスを対象とする• ウィンドサイズを4SD• スライド単位をウィンドウサイズの半分

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342023/5/20

検討２:シーケンス数ウィンド課題点• スライド単位が⼀定であれば，医療指⽰が切り替わるタイミングがスキップされる可能性あり• 時間的な頻出シーケンスが抽出できない• 後続き間のシーケンス数を考慮しスライド単位を動的に変更

Seagaia meeting 2023 in Miyazaki

352023/5/20

検討３:時間・シーケンス数ウィンドウ• シーケンス数ウィンドウをベースにスライド単位を変更• デフォルトスライド単位をウィンドウサイズの半分• ウィンドウ先頭から設定された時期範囲分のシーケンス数を調べる• シーケンス数がスライド単位より少ない場合，スライド単位をその時期のシーケンス数• そうでなければ，スライド単位をデフォルト値に

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362023/5/20

ウィンドウズ感のSVの類似度分析• LCSVノード数の変化で類似度を評価• SVS (Sequence Variant Similarity)• 𝑆VS(𝑆𝑉, , 𝑆𝑉- ) =- ./01
01! 2 01"

• 𝐿𝐶𝑆𝑉 :LCSVのノード数• 𝑆𝑉* :SV1のノード数• 𝑆𝑉+ :SV2のノード数, 𝑆VS(𝑆𝑉, , 𝑆𝑉- ) ∈ [0,1]Seagaia meeting 2023 in Miyazaki372023/5/20

評価実験• 「COVID-19感染の診療への影響調査と予測モデル開発」
に関する研究の研究協⼒機関から提供されたデータ• 医療機関Xに対するCOVID-19の第1波〜第5波
COVID-19患者情報
患者数

329

最⼤医療指⽰数2,319

最⻑在院⽇数190

COVID-19の波毎の患者数とシーケンス数
患者Seq

第⼀波(2020.04.01-2020.06.30)

4249

第⼆波(2020.07.01-2020.10.31)

5263

第三波(2020.11.01-2021.02.28)

96

108

第四波(2021.03.01-2021.06.30)

89

99

第五波(2021.07.01-2021.09.30)

98

104

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382023/5/20

実験内容• 第1波~第5波までの医療指⽰パターンの遷移状況を⽰す• 適⽤したウィンドウ種類• 時間間隔ウィンドウ• シーケンス数ウィンドウ（時期的に特徴的な投薬を⼗分に抽出不可）• 時間・シーケンス数ウィンドウSeagaia meeting 2023 in Miyazaki

392023/5/20

医療指⽰の略称
略号

医療指⽰名称
略号
医療指⽰名称
カモスタットメシル
デカドロン
CM
DT酸塩錠
ツムラ⼤建中湯エキス
オルベスコ
TMR
OB
マグミット錠リリカOD錠MMLL
カロナール
LS ロキソプロフェンナトリウム CAL
ダイフェン
メジコン
STMT
バイアスピリン
ASSM 酸化マグネシウム錠
酸素吸⼊
OT

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40

時間間隔ウィンドウ（1/4）

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41

時間間隔ウィンドウ（2/4）
第1〜3波にCMを利⽤・治療に有効の報告

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422023/5/20

時間間隔ウィンドウ（3/4）
ワクチン開始からCMがなくなった
・効果がないと判定・ステロイド剤（DT）が使⽤始まったSeagaia meeting 2023 in Miyazaki

432023/5/20

時間間隔ウィンドウ（4/4）

DTの投薬が停⽌し，MTが出た

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442023/5/20

時間・シーケンス数ウィンドウ（1/3）• ピーク前後のデータにより，ウインドウサイズとスライド単位を計算

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452023/5/20

時間・シーケンス数ウィンドウ（2/3）

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時間・シーケンス数ウィンドウ（3/3）
主要な投薬の遷移が同じが投薬量とOTの量の増減の変化頻度はより少ない

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472023/5/20

異なるウィンドウ種類の違い• 時間間隔ウィンドウ• パターンの投薬量がより頻繁に変更されて，より細かい投薬が出た• 時期毎の投薬量の変化と細かい投薬が把握できる• 時間・シーケンス数ウィドウ• 各時期の主要な投薬の使⽤状況の推移がより読み取りやすいSeagaia meeting 2023 in Miyazaki

482023/5/20

まとめ• クラスタリング等に基づいて3つ以上の医療機関におけるSV⽐較を可視化• 投薬等の処置項⽬を優先的に抽出• 医療機関のSVにおいて異なる時期の違いを可視化• 医療指⽰パターンの遷移状況を時間間隔ウィンドウと時間・シーケンス数ウィンドウでしますことができた

Seagaia meeting 2023 in Miyazaki

492023/5/20

関連外部発表• 国際会議（査読付き）• Analysis of Transitions in Differences between Frequent Medical-order Sequences for
COVID-19 (IEEE CBMSʼ23), June 2023

• 国内会議（査読付き）• COVID-19の電⼦カルテ履歴からの医療指⽰シーケンスパターン変化時期の抽出， 第27回⽇本医療情報学会春季学術⼤会予稿集，2023年6⽉• COVID-19の異なる医療機関と時期における頻出治療パターンの⽐較，第42回医療情報学連合⼤会，
2022年11⽉• 国内会議（査読なし）• クラスタリングを⽤いた多病院間の頻出医療指⽰パターン⽐較, DEIM2023, 2023年3⽉• COVID-19に関する頻出医療指⽰パターンの時期による差異と差異発⽣時期の可視化，DEIM2023,2023年3⽉• 動的に医療指⽰種類を変化したシーケンス間席における特徴的な治療パターン抽出，DEIM2023,2023年3⽉