건조혈액방울 기술로 혈량 정확히 측정하기

건조혈액방울(DBS) 기술은 환자 스스로 혈액 샘플을 채취하고, 이를 여과지나 세포질 아세테이트 막 등에 방울 형태로 건조하여 실험실로 운반하는 방법입니다. 이 기술은 후발 연구에서 다양한 생물학적 특성을 분석할 수 있는 기회를 제공합니다 (대사물질 [1], [2], 호르몬 [3]-[10], 혈당수치 [11], 면역 체계 지표 [12]). 특히, DNA 및 RNA 분석 가능성은 사회적으로 중요한 감염병인 에이즈나 간염 등의 대량 조사를 가능하게 합니다.

미국은 1992년 DBS 테스트 표준을, 러시아는 2001년 신생아 건조혈액방울 내 갑상선 호르몬 면역효소 결정에 대한 알코르 바이오(Alcor Bio Ltd) 시약 사용 지침서를 마련했습니다.

DBS 기술에서 주요 실용적 문제 중 하나는 방울 형성 체적 결정입니다. 기존 기술은 특정 용량의 혈액을 도징 장치를 통해 방울 형태로 만들거나, 혈청 분리 후 건조방울 준비에 특수 여과 장치를 사용하는 방법 [14] 등을 사용합니다. 그러나 도징 장치 없이 체적을 계산하는 보편적인 방법은 없습니다. 이 문제 해결은 결과의 정확도를 높이고 혈액 샘플 채취 절차를 간소화할 수 있는 기회를 제공합니다. 일부 연구에서는 전해질 농도에 기반한 계산과 혈색소 값을 통한 혈청 부피 보정 [16]을 통해 체적을 추정하는 방법을 제시했습니다. 본 연구는 도징 장치 없이 DBS 방울의 체적을 계산하기 위한 보편적인 기술을 개발하고자 합니다.

이 문제 해결은 재난 의학 및 법의학 실험실과 같은 비표준 상황에 직면한 분야에도 중요합니다. 이러한 환경에서는 환자의 혈액 샘플을 채취할 수 없는 경우가 많으며, 대신 교통사고 또는 기타 재난 피해자의 물건에서 남아있는 혈액 잔여물을 사용해야 합니다.

다양한 생물학적 지표(분석물질)는 각기 다른 변동성을 보입니다 [15]. 우리는 특정 분석물질의 농도를 예측하여 초기 방울 형성 체적을 추정할 수 있는 수학 알고리즘을 개발하고자 합니다. 이를 위해 러시아 과학 센터의 방사선학 연구소에서 1995년부터 2000년까지 수집한 3만 명 이상의 환자의 생화학 혈액 파라미터 데이터베이스를 활용했습니다.

문제의 수학적 모델을 살펴보겠습니다. i = 1에서 m까지의 x_i는 i번째 분자 화합물의 분석 결과 값을 나타냅니다. 혈액 샘플 분석 결과인 x_i는 적어도 두 개의 매개변수에 의존합니다: 환자 p는 특정 집단에서 무작위로 선택된 개체이고, 분석 대상 혈액 샘플의 체적 λ입니다. 따라서 x_i는 두 매개변수 y1, y2, …, ym에 대한 함수입니다.

목표는 통계적으로 λ에 가까운 값을 제공하는 함수 f(y1, y2, …, ym)를 찾는 것입니다.

분모 내 분자 화합물이 혈액 내에서 균일하게 분포한다는 점을 고려할 때, 다중 확장(k-fold cross-validation) 기법을 통해 모델의 성능을 평가하고 최적의 매개변수를 선택하는 것이 효과적일 것입니다.

혈량 계산 알고리즘에 대한 한국어 번역

혈량 추정 함수 f의 선택

부피의 증가가 모든 지수 xi 에 동일하게 적용되어야 함(i.e., x i (p, kλ) = kx i (p, λ))으로 미루어 볼 때, 혈량 근사치인 f는 1차 긍정적으로 동질적인 함수여야 합니다. 즉, 모든 양의 k에 대해 f(ky1, ky2, …, km) = kf(y1, y2, …, ym) 이 성립해야 합니다. 이러한 함수는 단위 구면 S m-1 (y1^2 + y2^2 + … + ym^2 = 1로 정의)에서의 값에 의해 고유하게 결정됩니다.

이 문맥에서 g는 함수 f를 단위 구면에 제한한 것을 의미합니다.

다항식의 역할

다항식은 가장 단순하면서도 풍부한 함수 클래스입니다. 우리는 S m-1 에제 다항식의 제약으로 g를 찾습니다. 통계 실험 결과, 0에서 사라지는 2차 다항식까지 고려하는 것으로 충분하다는 것을 보여주었습니다. 즉, ρ = y21 + … + y2m 로 정의하고 g는 다음과 같은 형태로 표현됩니다:

…(본문이 길어 생략되었습니다. 전체 내용은 원문 PDF를 참고하세요.)…