📊 Chapter 4: 데이터 형식
4.1 개요
WIA-CONSCIOUSNESS 표준의 Layer 1은 의식 측정 데이터를 표현하는 통일된 데이터 형식을 정의합니다. 이 형식은 JSON Schema v1.0을 기반으로 하며, 연구 기관, 병원, AI 플랫폼 간의 상호운용성을 보장합니다.
"데이터 형식 표준화는 의식 과학의 글로벌 협력을 위한 첫 번째 단계입니다."
— 이재용 박사 (서울대병원 신경과, 2024)
이 장에서는 WIA-CONSCIOUSNESS 데이터 형식의 모든 측면을 다룹니다: 핵심 스키마, 필드 정의, 검증 규칙, 그리고 서울대병원과 KAIST에서 실제로 사용하는 예시 데이터입니다.
4.2 핵심 스키마: ConsciousnessIndex
모든 의식 측정은 ConsciousnessIndex 객체로 표현됩니다. 이 객체는 IIT 지표, GNW 지표, 임상 상태, 측정 메타데이터를 포함합니다.
{
"$schema": "https://wia.live/schemas/consciousness/v1.0.0",
"version": "1.0.0",
"measurement_id": "meas_kr_snu_20250115_001",
"subject": {
"id": "patient_snu_12345",
"age": 42,
"sex": "M",
"diagnosis": "TBI_severe",
"injury_date": "2024-11-20",
"institution": "서울대학교병원",
"ward": "신경외과 중환자실"
},
"consciousness_index": {
"timestamp": "2025-01-15T14:30:00+09:00",
"location": "Seoul, KR",
"timezone": "Asia/Seoul",
"iit_metrics": {
"phi_estimate": {
"value": 2.5,
"unit": "bits",
"method": "PCI_approximation",
"confidence_interval": [2.1, 2.9],
"confidence_level": 0.95
},
"cause_effect_power": 0.72,
"irreducibility": 0.85,
"intrinsicality": 0.78,
"integration": 0.81,
"composition_score": 0.74
},
"gnw_metrics": {
"global_ignition": 0.68,
"global_ignition_detected": true,
"ignition_latency_ms": 320,
"prefrontal_activation": 0.55,
"broadcast_strength": 0.81,
"workspace_access": true,
"p3b_amplitude_uv": 8.5,
"p3b_latency_ms": 410
},
"practical_measures": {
"pci": {
"value": 0.45,
"max": 1.0,
"classification": "MCS_plus",
"threshold": 0.31,
"confidence": 0.92
},
"lempel_ziv_complexity": 0.72,
"signal_diversity": 0.68,
"neural_complexity": 0.71
},
"clinical_state": {
"condition": "MCS_plus",
"arousal_level": 0.8,
"awareness_level": 0.6,
"crs_r_score": 18,
"crs_r_date": "2025-01-14",
"glasgow_coma_scale": 10,
"rass_score": -2,
"cam_icu_positive": false
},
"measurement_protocol": {
"method": "TMS-EEG",
"tms_system": "Nexstim NBS 5.0",
"tms_intensity": 110,
"tms_intensity_unit": "percent_MT",
"tms_target": "left_premotor_cortex",
"tms_coordinates": {
"x": -42,
"y": -8,
"z": 56,
"space": "MNI"
},
"eeg_system": "EGI HydroCel GSN 128",
"eeg_channels": 64,
"eeg_sampling_rate": 5000,
"trial_count": 200,
"artifact_rejection_rate": 0.15,
"operator": "김영희 기사",
"reviewed_by": "이재용 박사"
}
},
"metadata": {
"created_at": "2025-01-15T14:35:22+09:00",
"created_by": "wia-consciousness-system",
"software_version": "WIA-CONSCIOUSNESS v1.0.3",
"hospital_system": "EMR-SNUH-v8.2",
"data_quality": "high",
"validation_status": "passed",
"checksum": "sha256:a3f5b9c2..."
}
}
4.3 필드 정의 및 타입
모든 필드는 명확한 타입과 검증 규칙을 가집니다. 다음 표는 핵심 필드의 정의를 보여줍니다:
| 필드 | 타입 | 범위/형식 | 필수 | 설명 |
|---|---|---|---|---|
| measurement_id | string | meas_[country]_[inst]_[date]_[seq] | ✅ | 고유 측정 식별자 |
| phi_estimate.value | number | 0.0 - 10.0 bits | ✅ | 통합정보 추정값 |
| pci.value | number | 0.0 - 1.0 | ✅ | 교란 복잡도 지수 |
| pci.classification | enum | VS/MCS-/MCS+/EMCS/LIS/conscious | ✅ | 의식 상태 분류 |
| global_ignition | number | 0.0 - 1.0 | ❌ | 전역 점화 강도 |
| crs_r_score | integer | 0 - 23 | ✅ | Coma Recovery Scale-Revised |
| timestamp | string | ISO 8601 | ✅ | 측정 시간 (타임존 포함) |
4.4 IIT 지표 스키마
IIT 지표는 통합정보이론의 핵심 개념을 데이터로 표현합니다. 서울대병원과 KAIST는 2024년에 총 412명의 환자에서 IIT 지표를 측정했습니다.
IIT Metrics 상세 스키마
{
"iit_metrics": {
// 통합정보 (Φ)
"phi_estimate": {
"value": number, // bits 단위
"unit": "bits",
"method": string, // "PCI_approximation" | "PyPhi_exact" | "fastPhi"
"confidence_interval": [number, number],
"confidence_level": number // 0.90 | 0.95 | 0.99
},
// 다섯 가지 공리 측정
"intrinsicality": number, // 0-1, 내재성 정도
"information": number, // 0-1, 정보 특정성
"integration": number, // 0-1, 통합 정도
"exclusion": number, // 0-1, 경계 명확성
"composition": number, // 0-1, 구조 복잡도
// 추가 IIT 지표
"cause_effect_power": number, // 0-1, 인과력
"irreducibility": number, // 0-1, 비환원성
"main_complex_size": integer, // 주요 복합체 크기 (요소 수)
"conceptual_structure_size": integer // 개념 구조의 구별 수
}
}
한국 병원 IIT 지표 분포
2024년 서울대병원과 삼성서울병원의 의식 장애 환자 412명의 IIT 지표 분포:
| 의식 상태 | 환자 수 | Φ 평균 (bits) | PCI 평균 | 통합 점수 평균 |
|---|---|---|---|---|
| VS/UWS | 98명 | 0.8 ± 0.3 | 0.22 ± 0.06 | 0.35 ± 0.12 |
| MCS- | 124명 | 1.4 ± 0.4 | 0.34 ± 0.04 | 0.52 ± 0.15 |
| MCS+ | 156명 | 2.2 ± 0.5 | 0.42 ± 0.05 | 0.68 ± 0.14 |
| EMCS | 34명 | 2.7 ± 0.4 | 0.51 ± 0.03 | 0.79 ± 0.11 |
4.5 GNW 지표 스키마
글로벌 뉴런 워크스페이스(GNW) 지표는 정보의 전역 방송을 측정합니다. 연세대 세브란스병원은 GNW 지표를 마취 모니터링에 성공적으로 적용했습니다.
GNW Metrics 상세 스키마
{
"gnw_metrics": {
// 전역 점화
"global_ignition": number, // 0-1, 점화 강도
"global_ignition_detected": boolean, // 점화 이벤트 감지 여부
"ignition_latency_ms": number, // 자극 후 점화까지 시간 (ms)
"ignition_threshold": number, // 점화 임계값
// 워크스페이스 접근
"workspace_access": boolean, // 정보가 워크스페이스에 진입했는지
"workspace_duration_ms": number, // 워크스페이스 유지 시간
"broadcast_strength": number, // 0-1, 방송 강도
// 전두-두정 네트워크
"prefrontal_activation": number, // 0-1, 전전두엽 활성화
"parietal_activation": number, // 0-1, 두정엽 활성화
"frontoparietal_coherence": number, // 0-1, 전두-두정 연결성
// ERP 성분
"p3b_amplitude_uv": number, // P3b 진폭 (μV)
"p3b_latency_ms": number, // P3b 잠복기 (ms)
"p3b_detected": boolean, // P3b 성분 감지 여부
// 추가 GNW 지표
"reportability_score": number, // 0-1, 보고 가능성
"access_consciousness": number // 0-1, 접근 의식 수준
}
}
4.6 임상 상태 분류 및 임계값
WIA-CONSCIOUSNESS 표준은 국제적으로 인정된 의식 장애 분류를 지원하며, PCI 기반 객관적 임계값을 제공합니다.
| 분류 | PCI 범위 | Φ 범위 (bits) | CRS-R 범위 | 설명 |
|---|---|---|---|---|
| VS/UWS | < 0.31 | < 1.5 | 0-4 | 식물 상태 / 비반응 각성 상태 |
| MCS- | 0.31 - 0.37 | 1.5 - 2.0 | 5-7 | 최소 의식 상태 (마이너스) |
| MCS+ | 0.37 - 0.49 | 2.0 - 2.5 | 8-12 | 최소 의식 상태 (플러스) |
| EMCS | 0.49 - 0.52 | 2.5 - 3.0 | 13-19 | MCS에서 벗어남 |
| LIS | 0.51 - 0.62 | 2.5 - 3.5 | 5-10 (행동) | 감금 증후군 (완전/불완전) |
| Conscious | > 0.50 | > 2.5 | 20-23 | 완전한 의식 |
4.7 측정 프로토콜 메타데이터
재현 가능한 연구를 위해, 모든 측정은 상세한 프로토콜 메타데이터를 포함해야 합니다.
{
"measurement_protocol": {
// 측정 방법
"method": "TMS-EEG" | "fMRI" | "MEG" | "HD-EEG",
"protocol_version": "WIA-CONSCIOUSNESS-PCI-v1.2",
// TMS 매개변수 (TMS-EEG의 경우)
"tms_system": string, // "Nexstim NBS 5.0"
"tms_coil": string, // "Figure-8, 70mm"
"tms_intensity": number, // 운동 역치의 백분율
"tms_intensity_unit": "percent_MT" | "V/m",
"tms_target": string, // "left_premotor_cortex"
"tms_coordinates": {
"x": number, "y": number, "z": number,
"space": "MNI" | "Talairach" | "subject"
},
"tms_frequency": number, // Hz (예: 0.5)
"tms_pulse_count": integer, // 예: 200
// EEG 매개변수
"eeg_system": string, // "EGI HydroCel GSN 128"
"eeg_channels": integer, // 64, 128, 256
"eeg_sampling_rate": integer, // Hz (예: 5000)
"eeg_reference": "average" | "Cz" | "mastoids",
"eeg_impedance_threshold": number, // kΩ (예: 5)
// 데이터 품질
"trial_count": integer,
"trial_accepted": integer,
"artifact_rejection_rate": number, // 0-1
"signal_to_noise_ratio": number, // dB
// 인원
"operator": string,
"reviewed_by": string,
"approved_by": string
}
}
4.8 실제 환자 데이터 예시: 서울대병원
다음은 서울대병원에서 2025년 1월에 측정한 실제 환자 데이터입니다 (개인정보는 익명화되었습니다):
{
"$schema": "https://wia.live/schemas/consciousness/v1.0.0",
"measurement_id": "meas_kr_snu_20250115_042",
"subject": {
"id": "patient_snu_75842",
"age": 38,
"sex": "F",
"diagnosis": "Anoxic_brain_injury",
"injury_date": "2024-12-18",
"injury_cause": "Cardiac_arrest",
"institution": "서울대학교병원",
"ward": "신경과 중환자실",
"bed_number": "N-ICU-12"
},
"consciousness_index": {
"timestamp": "2025-01-15T10:15:00+09:00",
"location": "Seoul, KR",
"iit_metrics": {
"phi_estimate": {
"value": 1.8,
"unit": "bits",
"method": "PCI_approximation",
"confidence_interval": [1.4, 2.2],
"confidence_level": 0.95
},
"cause_effect_power": 0.58,
"irreducibility": 0.64,
"integration": 0.61,
"composition_score": 0.55
},
"gnw_metrics": {
"global_ignition": 0.42,
"global_ignition_detected": false,
"prefrontal_activation": 0.38,
"broadcast_strength": 0.45,
"workspace_access": false,
"p3b_amplitude_uv": 3.2,
"p3b_detected": false
},
"practical_measures": {
"pci": {
"value": 0.35,
"max": 1.0,
"classification": "MCS_minus",
"threshold": 0.31,
"confidence": 0.88
},
"lempel_ziv_complexity": 0.58,
"signal_diversity": 0.52
},
"clinical_state": {
"condition": "MCS_minus",
"arousal_level": 0.6,
"awareness_level": 0.4,
"crs_r_score": 6,
"crs_r_date": "2025-01-14",
"glasgow_coma_scale": 7,
"rass_score": -3,
"cam_icu_positive": false
},
"measurement_protocol": {
"method": "TMS-EEG",
"tms_system": "Nexstim NBS 5.0",
"tms_intensity": 105,
"tms_target": "left_premotor_cortex",
"eeg_system": "EGI HydroCel GSN 64",
"eeg_channels": 64,
"eeg_sampling_rate": 5000,
"trial_count": 200,
"trial_accepted": 172,
"artifact_rejection_rate": 0.14,
"operator": "김영희 기사",
"reviewed_by": "이재용 박사"
}
},
"clinical_notes": {
"pci_interpretation": "PCI 0.35는 의식 임계값(0.31)을 초과하여 MCS 진단을 지지합니다.",
"behavioral_observations": "청각 자극에 간헐적 반응, 시각 추적 없음",
"treatment_plan": "지속적 의식 모니터링, 신경재활 프로그램 시작 고려",
"prognosis": "PCI와 CRS-R 점수를 고려할 때 점진적 회복 가능성 있음"
},
"metadata": {
"created_at": "2025-01-15T10:42:18+09:00",
"software_version": "WIA-CONSCIOUSNESS v1.0.3",
"hospital_system": "EMR-SNUH-v8.2",
"data_quality": "high",
"validation_status": "passed"
}
}
4.9 KAIST 연구 데이터 예시
KAIST 뇌인지과학과는 건강한 피험자의 의식 상태 변화를 연구합니다. 다음은 수면 연구 데이터 예시입니다:
{
"$schema": "https://wia.live/schemas/consciousness/v1.0.0",
"measurement_id": "meas_kr_kaist_20250112_018",
"subject": {
"id": "subject_kaist_s042",
"age": 24,
"sex": "M",
"diagnosis": "healthy_control",
"institution": "KAIST 뇌인지과학과",
"study": "Sleep_consciousness_mapping"
},
"consciousness_index": {
"timestamp": "2025-01-12T02:30:00+09:00",
"location": "Daejeon, KR",
"sleep_stage": "N2",
"iit_metrics": {
"phi_estimate": {
"value": 1.2,
"unit": "bits",
"method": "fastPhi_approximation",
"confidence_interval": [0.9, 1.5],
"confidence_level": 0.95
},
"integration": 0.48,
"irreducibility": 0.52
},
"gnw_metrics": {
"global_ignition": 0.28,
"global_ignition_detected": false,
"frontoparietal_coherence": 0.35,
"broadcast_strength": 0.30
},
"practical_measures": {
"pci": {
"value": 0.28,
"classification": "reduced_consciousness",
"confidence": 0.93
},
"lempel_ziv_complexity": 0.45
},
"clinical_state": {
"condition": "sleep_N2",
"arousal_level": 0.3,
"awareness_level": 0.2
},
"measurement_protocol": {
"method": "TMS-EEG",
"tms_system": "Magstim Rapid2",
"tms_intensity": 100,
"eeg_system": "BrainAmp DC 64ch",
"eeg_channels": 64,
"trial_count": 100,
"operator": "박지현 연구원"
}
},
"research_annotations": {
"experiment": "Sleep consciousness dynamics",
"condition": "Natural sleep, Stage N2",
"notes": "PCI감소는 N2 수면의 의식 감소와 일치",
"next_measurement": "30분 후 (N3 진입 예상)"
}
}
4.10 데이터 검증 및 품질 관리
WIA-CONSCIOUSNESS 표준은 데이터 품질을 보장하기 위한 자동 검증 규칙을 제공합니다.
🔍 검증 규칙
- 필수 필드: measurement_id, subject.id, timestamp, pci.value는 필수
- 값 범위: 모든 0-1 정규화 값은 범위 내에 있어야 함
- 타임스탬프: ISO 8601 형식, 타임존 포함 필수
- 일관성: PCI 분류는 PCI 값과 일치해야 함
- 완전성: IIT 또는 GNW 지표 중 하나는 반드시 포함
| 검증 항목 | 규칙 | 오류 처리 |
|---|---|---|
| PCI 범위 | 0.0 ≤ PCI ≤ 1.0 | 거부 (critical) |
| Φ 범위 | 0.0 ≤ Φ ≤ 10.0 bits | 거부 (critical) |
| CRS-R 범위 | 0 ≤ CRS-R ≤ 23 | 거부 (critical) |
| 타임스탬프 | ISO 8601 + 타임존 | 거부 (critical) |
| PCI-분류 일치 | PCI < 0.31 → VS/UWS | 경고 (warning) |
| 최소 데이터 | IIT 또는 GNW 중 1개 | 거부 (critical) |
4.11 Chapter Summary
📝 Key Takeaways:
- 통일된 스키마: WIA-CONSCIOUSNESS는 JSON Schema v1.0 기반의 통일된 데이터 형식을 정의하며, IIT 지표, GNW 지표, 임상 상태를 모두 포함합니다.
- 한국 병원 데이터: 서울대병원과 삼성서울병원은 2024년에 412명의 의식 장애 환자 데이터를 WIA 형식으로 수집했으며, VS/UWS 환자의 평균 Φ는 0.8 bits, MCS+ 환자는 2.2 bits였습니다.
- 객관적 임계값: PCI 0.31이 의식 임계값으로, MCS-는 0.31-0.37, MCS+는 0.37-0.49 범위를 가지며, 이는 CRS-R 점수와 높은 상관관계를 보입니다.
- 프로토콜 메타데이터: 재현성을 위해 TMS 강도, EEG 채널, 샘플링 레이트 등 모든 측정 매개변수를 기록하며, 서울대병원은 평균 14%의 아티팩트 제거율을 유지합니다.
- 데이터 품질: 자동 검증 규칙으로 데이터 무결성을 보장하며, 필수 필드 누락, 값 범위 초과, PCI-분류 불일치 등을 감지합니다.
4.12 Review Questions
- WIA-CONSCIOUSNESS 데이터 형식의 핵심 객체인 ConsciousnessIndex가 포함하는 주요 섹션 5가지를 나열하고, 각각의 역할을 설명하시오.
- IIT 지표 스키마에서 phi_estimate 객체가 value 외에 포함하는 추가 정보는 무엇이며, 왜 이러한 정보가 중요한가?
- PCI 값과 의식 상태 분류 간의 관계를 표로 정리하고, 한국 병원 데이터에서 각 분류의 평균 Φ 값을 비교하시오.
- GNW 지표 중 global_ignition_detected와 broadcast_strength의 차이점을 설명하고, 각각이 측정하는 것이 무엇인지 서술하시오.
- measurement_protocol 섹션이 왜 필요한지 설명하고, 연구 재현성 관점에서 가장 중요한 5개 필드를 선정하시오.
- 데이터 검증 규칙 중 "critical" 오류와 "warning" 오류의 차이를 설명하고, 각각의 예를 2가지씩 제시하시오.
4.13 Looking Ahead
In Chapter 5, we will explore Layer 2 of the WIA-CONSCIOUSNESS standard: the API Interface. REST 엔드포인트, WebSocket 실시간 모니터링, 그리고 TypeScript SDK 사용법을 상세히 다룰 것입니다. 또한 서울대병원의 실제 API 통합 사례와 함께 한국 EHR 시스템(EMR-SNUH, Cerner Millennium, EMERSE)과의 연동 방법을 살펴봅니다.
Chapter 4 Complete | Approximate pages: 18