盧賽虎,張浩,牟岫影,王鵬,杜利東,3,陳賢祥,3,黃可,楊汀△,方震,3△

(1.中國(guó)科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院,北京100190;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院,北京100049;3.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 個(gè)性化呼吸慢病管理創(chuàng)新單元,北京100190;4.中日友好醫(yī)院,北京 100029)

0 引言

隨著人口老齡化,慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)簡(jiǎn)稱慢阻肺,正成為一種常見的慢性疾病,給社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì),慢阻肺目前是全球第三大死亡原因,2019年造成323萬(wàn)人死亡;接近90%的70歲以下的慢阻肺死亡患者發(fā)生在中低收入國(guó)家。2022版慢性阻塞性肺疾病全球倡議指出,慢阻肺是一種常見的可預(yù)防、可治療的疾病。慢阻肺的病程可分為穩(wěn)定期和急性加重期,其治療策略主要集中于戒煙、肺部康復(fù)和癥狀緩解,尤其在新冠肺炎期間,對(duì)慢阻肺疾病的管理提出了新要求,有研究指出對(duì)慢阻肺的數(shù)字化管理可以提高治療效果[1]。多項(xiàng)研究表明,使用數(shù)字健康應(yīng)用程序的慢阻肺患者發(fā)生急性加重的頻率有所下降,Shah等[2]基于血氧、心率和呼吸率建立的預(yù)測(cè)COPD惡化的分類器得到了60%～80%的靈敏度,68%～36%的特異性。Farmer等[3]發(fā)現(xiàn),使用數(shù)字管理的患者住院率為0.83,低于一般護(hù)理患者,且兩類患者在12個(gè)月內(nèi)的就診次數(shù)中位數(shù)之比為4∶4.5,使用數(shù)字管理的患者再就診次數(shù)相對(duì)較少。

數(shù)字療法是一種新興的醫(yī)學(xué)治療類型[4]。在數(shù)字化方面,醫(yī)療保健一直落后于其他行業(yè),在新型冠狀病毒(COVID-19)大流行的背景下,醫(yī)療應(yīng)用市場(chǎng)蓬勃發(fā)展[5],為數(shù)字療法的發(fā)展提供了機(jī)會(huì)。數(shù)字療法為呼吸慢病管理帶來(lái)了改變[6],可為呼吸慢病患者提供個(gè)性化治療方案[7]。Chen等[8]將慢阻肺患者納入一個(gè)平臺(tái),通過(guò)提供電子藥物監(jiān)測(cè)器(electronic medication monitors,EMM)監(jiān)測(cè)患者使用短效β受體激動(dòng)劑(short-acting beta-agonist,SABA)的情況,及時(shí)跟蹤患者的用藥趨勢(shì),并提供反饋。Kaye等[9]評(píng)估了慢阻肺患者使用Propeller Health公司的數(shù)字健康管理平臺(tái)的效果,此平臺(tái)通過(guò)智能手機(jī)和電子藥物檢測(cè)器(EMM)來(lái)收集患者的數(shù)據(jù),對(duì)參與者的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出慢阻肺患者使用控制類藥物的機(jī)率隨療程的延長(zhǎng)而減小。Barrett等[10]也得出使用數(shù)字健康管理平臺(tái)可明顯降低患者使用SABA的頻次。

本文將數(shù)字療法在慢阻肺中的應(yīng)用分為三部分進(jìn)行綜述,分別為:使用數(shù)字技術(shù)收集患者數(shù)據(jù);利用收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并生成處方和對(duì)治療過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督管理,形成從患者到數(shù)據(jù)到處方的循環(huán)管理系統(tǒng),并依據(jù)實(shí)際情況決定循環(huán)周期(見圖1)。

圖1 患者-數(shù)據(jù)-處方循環(huán)圖

1 數(shù)字療法應(yīng)用于慢阻肺患者數(shù)據(jù)收集

收集患者數(shù)據(jù)是數(shù)字療法的第一階段。通過(guò)收集患者的基礎(chǔ)生理參數(shù)和癥狀,為后續(xù)算法分析和處方生成提供數(shù)據(jù)支持。收集數(shù)據(jù)的方式多種多樣,從傳統(tǒng)問(wèn)答到使用可穿戴設(shè)備,再到使用非接觸無(wú)感設(shè)備。數(shù)字技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用使得收集患者數(shù)據(jù)日益方便。

隨著慢阻肺患者病情的惡化,體力活動(dòng)能力會(huì)逐漸下降。Jean[11]討論了慢阻肺患者體力活動(dòng)后的評(píng)估和管理方法,以及慢阻肺惡化對(duì)日常生活的影響,指出日間活動(dòng)能力(activities of daily living,ADL)是一個(gè)可反映患者活動(dòng)能力的重要指標(biāo),應(yīng)將ADL納入患者的日常管理記錄[12]。根據(jù)場(chǎng)景不同,數(shù)據(jù)收集可分為日間和夜間兩部分,測(cè)量患者的基本生理參數(shù)、癥狀、情緒以及環(huán)境信息等,并通過(guò)問(wèn)卷、主訴的方式記錄患者相關(guān)信息,見圖2。

圖2 患者-數(shù)據(jù)流程圖

1.1 傳統(tǒng)方式

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集方式大部分基于問(wèn)卷或主訴[13],然后醫(yī)生依據(jù)主訴并結(jié)合檢查結(jié)果給出處方,但該收集方式效率較低且受主觀影響較大。此外,居家治療期間的數(shù)據(jù)收集較為麻煩,這對(duì)持續(xù)監(jiān)測(cè)慢阻肺的發(fā)展產(chǎn)生了阻礙作用[14]。

1.2 可穿戴設(shè)備

電子設(shè)備小型化可以制造出適應(yīng)性更高的可穿戴設(shè)備,為實(shí)現(xiàn)持續(xù)健康監(jiān)測(cè)做出貢獻(xiàn)[15]。可穿戴設(shè)備可持續(xù)監(jiān)測(cè)人的身體活動(dòng)和日常生理參數(shù),包括心率、體溫、步數(shù)等。傳感器可附在鞋子、眼鏡、耳環(huán)、衣服上,也可以電子皮膚的方式存在;傳感器還可以嵌入到環(huán)境中,如椅子、汽車座椅和床墊等。智能手機(jī)通常用于收集信息,并將其傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和分析[16]。Al-Halhouli等[17]基于噴墨打印技術(shù),開發(fā)出可伸縮、可穿戴的設(shè)備,對(duì)慢阻肺患者的呼吸率進(jìn)行持續(xù)測(cè)量,結(jié)果與參考值無(wú)明顯不同。Tiwari等[18]等使用可測(cè)量心率和身體活動(dòng)的穿戴設(shè)備,預(yù)測(cè)慢阻肺疾病的嚴(yán)重程度和惡化潛力。結(jié)果顯示,模型評(píng)估指標(biāo)曲線下面積為0.69。Buekers等[19]使用可穿戴的指尖脈搏血氧儀連續(xù)測(cè)量慢阻肺患者居家期間的血氧波動(dòng)變化。智能手表可對(duì)心率、血氧、ADL等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量[20-21],該類信息對(duì)慢阻肺的管理十分重要。

1.3 無(wú)感設(shè)備

無(wú)感設(shè)備有助于更好地將健康監(jiān)測(cè)融入日常生活,此方式可避免佩戴設(shè)備帶來(lái)的不適感,更好地解決用戶依從性問(wèn)題。無(wú)感監(jiān)測(cè)設(shè)備不僅具有持續(xù)監(jiān)測(cè)能力,且能滿足不方便佩戴設(shè)備的特殊人群的監(jiān)測(cè)需求,如燒傷患者或嬰幼兒等。雷達(dá)技術(shù)近年來(lái)在醫(yī)療保健領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注,其不僅可對(duì)呼吸、心跳等生命體征進(jìn)行監(jiān)測(cè),還可以計(jì)算ADL、分析軀干運(yùn)動(dòng)以及時(shí)發(fā)現(xiàn)摔倒等意外事件[22-24]。Naranjo-Hernndez等[25]提出一種基于電容感應(yīng)的呼吸檢測(cè)裝置,其能集成到背心中對(duì)慢阻肺患者進(jìn)行呼吸率監(jiān)測(cè),測(cè)得的呼吸率誤差小于1次/分鐘。趙榮建等[26]設(shè)計(jì)出一種基于光纖的無(wú)感設(shè)備,通過(guò)分析身體震動(dòng)帶來(lái)的光纖中光強(qiáng)度變化得到心率、呼吸率和體動(dòng)等信息;方震等[27]利用壓電陶瓷技術(shù)獲得心震圖,并從心震圖中精準(zhǔn)提取逐拍心率。這兩種方式可更為方便地監(jiān)測(cè)慢阻肺患者在床的心率和呼吸率。Ballal等[28]通過(guò)短程射頻技術(shù)感知呼吸努力和身體運(yùn)動(dòng),從而監(jiān)測(cè)慢阻肺患者呼吸率的變化情況。

2 利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和決策

利用數(shù)據(jù)通過(guò)人工智能算法給出處方是數(shù)字療法的第二階段。Palanica等[29]指出數(shù)字療法可在臨床反饋回路中監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)患者癥狀,并給出個(gè)性化處方,為醫(yī)療保健提供幫助。通過(guò)使用支持向量機(jī)、決策樹、貝葉斯等方式對(duì)疾病進(jìn)行分類,包括疾病的種類、嚴(yán)重程度等,或通過(guò)貝葉斯線性回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸等方式對(duì)疾病進(jìn)行定量計(jì)算,給出確切數(shù)值以更好地指導(dǎo)治療,并跟蹤疾病的進(jìn)展。該階段將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,一部分呈現(xiàn)給醫(yī)生,一部分進(jìn)行處理后,利用人工智能算法進(jìn)行決策,給出處方,見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)-處方流程圖

Ballal等[28]等通過(guò)對(duì)慢阻肺患者夜間呼吸率的持續(xù)跟蹤,對(duì)11名患者進(jìn)行了連續(xù)8周監(jiān)測(cè),結(jié)合隨訪數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出,在急性加重事件前夜間呼吸率有明顯增加(每分鐘增加約兩個(gè)呼吸),并指出呼吸率是反映臨床狀態(tài)變化的潛在指標(biāo)。Lin等[30]通過(guò)對(duì)慢阻肺患者的醫(yī)療保險(xiǎn)數(shù)據(jù)分析,提出一個(gè)平滑貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)預(yù)測(cè)投保人群中的高成本慢阻肺患者,模型評(píng)估指標(biāo)曲線下面積為0.80,此模型還通過(guò)結(jié)合專家知識(shí)來(lái)捕捉不同預(yù)測(cè)變量之間的復(fù)雜因果關(guān)系。Guthrie等[31]指出機(jī)器學(xué)習(xí)可生成具有預(yù)測(cè)性和響應(yīng)性的模型來(lái)治療和管理慢性病,并顯示出具有改善治療結(jié)果的潛力。Riva等[32]指出虛擬現(xiàn)實(shí)是一種有效的治療和評(píng)估焦慮障礙、飲食和體重障礙以及疼痛的管理工具,并認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)與人工智能的結(jié)合將為臨床醫(yī)生提供新的強(qiáng)大工具,實(shí)現(xiàn)個(gè)性化治療。

3 用藥和康復(fù)訓(xùn)練的監(jiān)督

用藥以及康復(fù)過(guò)程的監(jiān)督是數(shù)字療法的第三階段,見圖4。較高的依從性對(duì)慢阻肺的臨床結(jié)果至關(guān)重要,否則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的健康和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。由于涉及藥物劑量、給藥裝置、用藥時(shí)間等許多因素,患者使用藥物的依從性普遍不佳。從疾病的臨床情況,到病人對(duì)醫(yī)生技術(shù)的信心,以及患者受到的環(huán)境影響[33]都對(duì)依從性有一定的影響。但目前對(duì)于依從性的評(píng)價(jià)尚無(wú)普遍共識(shí),主要方法有:臨床醫(yī)生估計(jì)、患者自我報(bào)告、藥丸計(jì)數(shù)稱重、藥房記錄、生物標(biāo)志物、電子監(jiān)測(cè)等。Lareau等[34]提出可通過(guò)簡(jiǎn)化治療方案、提高對(duì)患者疾病認(rèn)知的教育、加強(qiáng)對(duì)患者技巧的培訓(xùn)等方式來(lái)解決藥物依從性不足的問(wèn)題。

圖4 處方-患者流程圖

3.1 用藥過(guò)程的監(jiān)督

吸入器設(shè)備的錯(cuò)誤使用可能會(huì)對(duì)所輸送藥物的臨床效果產(chǎn)生不良影響,Lavorini 等[35]對(duì)評(píng)估哮喘或慢阻肺患者正確使用干粉吸入器(dry powder inhaler,DPIs)的研究進(jìn)行了綜述,指出4%～94%的患者未正確使用吸入器。最普遍的錯(cuò)誤包括啟動(dòng)前未呼氣、在吸氣后未憋氣、吸入器位置不對(duì)、旋轉(zhuǎn)順序不對(duì)以及未能執(zhí)行深吸氣操作等。針對(duì)慢阻肺患者使用吸入器的問(wèn)題,有研究人員通過(guò)數(shù)字技術(shù)方案來(lái)提高患者的依從性及其使用的規(guī)范性。Taylor等[36]指出,加壓計(jì)量吸入器(metered—dose inhaler,MDI)和干粉吸入器是治療哮喘和慢阻肺最常用的藥物輸送裝置,提高患者對(duì)其使用的規(guī)范性,可提高治療效果和患者的生活質(zhì)量;并提出一種基于聲音的方法來(lái)監(jiān)督吸入器使用,其可為醫(yī)療保健人員提供吸入器使用的定量信息,與其他標(biāo)準(zhǔn)相比,此方式在評(píng)價(jià)使用效果方面更為客觀。Zhao等[37]通過(guò)使用非接觸式的雷達(dá)信號(hào),利用人工智算法監(jiān)督和記錄患者對(duì)藥物的使用情況;此方法通過(guò)將使用吸入器的關(guān)鍵步驟進(jìn)行劃分,跟蹤患者的用藥過(guò)程,并對(duì)患者使用吸入器的過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督和記錄,采集大量的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練,得到的模型可對(duì)用藥過(guò)程的規(guī)范性進(jìn)行判斷,從而提高患者依從性和用藥規(guī)范性。

通過(guò)使用數(shù)字技術(shù)對(duì)慢阻肺患者的治療進(jìn)行監(jiān)督與干預(yù),不僅可提高患者的依從性以及用藥的規(guī)范性,還可提高治療效果、降低醫(yī)療負(fù)擔(dān)。此外,對(duì)用藥過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督記錄可以更好地對(duì)數(shù)字療法進(jìn)行改進(jìn),從而使慢阻肺的個(gè)性化數(shù)字療法達(dá)到更加精準(zhǔn)的效果。

3.2 康復(fù)訓(xùn)練的監(jiān)督

現(xiàn)有證據(jù)表明,肺康復(fù)訓(xùn)練有利于慢阻肺患者的治療。有氧下肢訓(xùn)練對(duì)慢阻肺患者在幾個(gè)重要方面都有益處,包括運(yùn)動(dòng)耐力、呼吸困難的感知、生活質(zhì)量和自我效能等[38]。體育鍛煉是呼吸康復(fù)的重要組成部分,其可以逆轉(zhuǎn)骨骼肌功能障礙,而骨骼肌功能障礙是慢阻肺的重要臨床表現(xiàn)之一[39]?；颊呖衫眠\(yùn)動(dòng)手環(huán)、智能手機(jī)等設(shè)備對(duì)康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行記錄與統(tǒng)計(jì)。數(shù)字療法給出的個(gè)性化處方可以結(jié)合患者的康復(fù)訓(xùn)練記錄、用藥情況以及身體狀況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整,以達(dá)到最佳的治療效果。

4 問(wèn)題與展望

盡管數(shù)字療法在疾病治療干預(yù)方面存在優(yōu)勢(shì),但也存在其局限性,與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)和診療形式一樣,數(shù)字治療必須遵守監(jiān)管指南,并需結(jié)合大量科學(xué)研究證明其準(zhǔn)確性、可靠性和有效性。醫(yī)療保健提供者使用數(shù)字療法只有在經(jīng)過(guò)大量基于證據(jù)的聲明,以及大量對(duì)患者安全性的證明后才能實(shí)施[40];但現(xiàn)在看來(lái),只有很少的數(shù)字療法滿足此要求。研究類型本身也可能成為數(shù)字療法技術(shù)的限制,因?yàn)閿?shù)字療法工具本質(zhì)上不同于傳統(tǒng)藥物,使用雙盲安慰劑對(duì)照試驗(yàn)(即臨床研究的黃金標(biāo)準(zhǔn))可能并不完全可行。此外,即使科學(xué)研究是健全的,應(yīng)用程序也需在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)施并被醫(yī)療保健提供者、患者和消費(fèi)者接納。其他研究表明,單獨(dú)實(shí)施可穿戴設(shè)備和數(shù)據(jù)收集可能不會(huì)直接導(dǎo)致行為改變[41],與數(shù)字治療設(shè)備相關(guān)的潛在健康結(jié)果可能在很大程度上取決于激勵(lì)干預(yù),即涉及用戶依從性等問(wèn)題[42]。

盡管數(shù)字療法存在一定的局限性,但其在癥狀監(jiān)測(cè)和適應(yīng)性治療等方面具有常規(guī)療法(無(wú)論是否數(shù)字化)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì),可記錄患者治療全過(guò)程并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者當(dāng)前狀態(tài),以及時(shí)調(diào)整處方,達(dá)到最佳治療效果。此外,數(shù)字療法可以針對(duì)不同患者給出個(gè)性化治療方案,根據(jù)不同患者的具體情況,結(jié)合大數(shù)據(jù)及人工智能進(jìn)行分析給出最佳的治療方案。因此,隨著技術(shù)的完善,數(shù)字療法將逐漸成為慢阻肺預(yù)防、治療和干預(yù)的新手段。