소아 중환자실(PICU) 내 항생제 관리(AMS)를 위한 머신러닝 아키텍처 벤치마킹

항생제 관리 (Antimicrobial stewardship, AMS)는 소아 중환자실 (Pediatric intensive care units, PICUs)에서 매우 중요합니다. 이곳에서는 진단의 불확실성으로 인해 광범위 항생제 (broad-spectrum antibiotic) 사용이 빈번하게 발생하며, 이는 항생제 내성 (antimicrobial resistance)과 잠재적인 장기적 위해를 증가시킵니다. 머신러닝 (Machine learning)은 전자 건강 기록 (electronic health record, EHR) 데이터로부터 관리 개입을 위한 환자 수준의 기회를 식별할 수 있는 유망한 접근 방식을 제공하지만, 기존 연구들은 주로 성인 인구와 정적인 표 형식 (static tabular) 표현에 집중되어 왔습니다.

본 연구에서는 공개 데이터셋과 비공개 기관 코호트 (private institutional cohort)를 활용하여 소아 중환자실 내 AMS 개입 예측에 대한 체계적인 벤치마킹 연구를 제시합니다. 우리는 항생제 노출을 줄이기 위한 네 가지 임상적으로 관련 있는 대리 목표 (proxy targets)를 정의합니다: 정맥-경구 전환 (intravenous-to-oral switching), 단계적 축소 (de-escalation), 중단 (discontinuation), 그리고 단기 요법 (short-course therapy)입니다. 통합된 평가 프레임워크 하에서, 우리는 다양한 시간적 해상도 (temporal resolutions)에 따라 표 형식 (tabular), 시퀀스 기반 (sequence-based), 그리고 그래프 기반 (graph-based) 시계열 모델을 비교합니다.

연구 결과, 예측 성능은 모델의 복잡성보다는 주로 목표의 유병률 (prevalence)과 데이터셋의 특성에 의해 결정됨을 발견했습니다. 시퀀스 모델은 거친 (24시간) 해상도에서 표 형식 접근 방식보다 정밀도-재현율 (precision-recall) 트레이드오프를 개선하지만, 더 미세한 시간적 모델링은 추가적인 이점이 제한적이었습니다. 그러나 이러한 이점은 더 낮은 교정 (calibration) 성능을 대가로 얻어지며, 더 단순한 표 형식 모델이 더 신뢰할 수 있는 확률 추정치를 제공합니다. 멀티태스크 학습 (Multi-task learning)은 미미한 개선만을 보여주었으며, 이는 관리 목표 간의 공유된 구조가 제한적임을 시사합니다. 우리의 연구 결과는 임상 머신러닝에서 목표 설계, 시간적 표현, 그리고 교정의 중요성을 강조하며, 소아 AMS를 위한 신뢰할 수 있는 의사결정 지원 시스템을 개발하기 위한 실질적인 지침을 제공합니다.