閆玉峰 林松

《中國(guó)心血管健康與疾病報(bào)告2021》顯示:中國(guó)現(xiàn)有心血管疾病病人約3.3億人,心血管疾病是我國(guó)居民死亡的主要原因[1]。心臟康復(fù)是心血管疾病二級(jí)預(yù)防的重要方式,對(duì)病人的生理、心理有著重要的作用,可以幫助減輕心血管病病人再發(fā)心血管事件的風(fēng)險(xiǎn),提高病人的醫(yī)療護(hù)理效率[2]。人工智能是一門新型學(xué)科,被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、智能家居、機(jī)器翻譯、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。隨著心臟康復(fù)需求的增加,人工智能開(kāi)始在心臟康復(fù)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1 人工智能概述

人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支,是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬、擴(kuò)展和研發(fā)人類智能的新興學(xué)科。人工智能技術(shù)主要研究方向包括:機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理、自動(dòng)推理和機(jī)器人學(xué)等[3]。機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能算法的基礎(chǔ),是一種使用數(shù)據(jù)和算法來(lái)模仿人類學(xué)習(xí)的方式。機(jī)器學(xué)習(xí)工具集已經(jīng)發(fā)展壯大,包括許多數(shù)學(xué)模型如決策樹(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、貝葉斯分類器、聚類算法和組件分析。深度學(xué)習(xí)被廣泛應(yīng)用于圖像、語(yǔ)音和文本處理方面,其中在圖像處理方面已經(jīng)運(yùn)用于人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛、醫(yī)學(xué)影像識(shí)別當(dāng)中。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由數(shù)十層甚至數(shù)百層層疊而成,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種,可以自動(dòng)學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)和組合局部圖像特征(例如邊緣或顏色對(duì)比度),以提高抽象水平,最終實(shí)現(xiàn)結(jié)果的預(yù)測(cè),它的優(yōu)勢(shì)在于管理輸入(即圖像數(shù)據(jù))和輸出(即結(jié)果)之間的復(fù)雜關(guān)系[4]。

2 心臟康復(fù)概述

心臟康復(fù)是一門涵蓋心臟病學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)、護(hù)理學(xué)等專業(yè)的臨床學(xué)科,通過(guò)五大核心處方訓(xùn)練,改善心血管病人的心臟及身體功能,預(yù)防各種心血管事件的發(fā)生,為心血管病人提供全面系統(tǒng)的治療[5]。心臟康復(fù)是一項(xiàng)精心策劃的計(jì)劃,它包括運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和體育活動(dòng)促進(jìn)、健康教育、心血管風(fēng)險(xiǎn)管理和心理支持,針對(duì)心臟病病人的個(gè)人需求制定個(gè)性化康復(fù)計(jì)劃,幫助心臟病病人過(guò)上更健康的生活。心臟康復(fù)分為3個(gè)階段,第一階段(醫(yī)院內(nèi)康復(fù)期):心血管病人在住院期間進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)鍛煉。第二階段(門診康復(fù)期):出院后的病人進(jìn)行有監(jiān)督的鍛煉計(jì)劃,在此期間監(jiān)測(cè)心律、心率、血壓和癥狀,鍛煉計(jì)劃包括低程度的有氧運(yùn)動(dòng)(步行、臥姿訓(xùn)練、自行車)和力量訓(xùn)練。訓(xùn)練計(jì)劃包括健康教育,戒煙、控制血糖、管理血壓、控制血脂的藥物方案,以及健康飲食和控制體質(zhì)量。病人就診心理健康門診治療可能出現(xiàn)的抑郁癥、焦慮癥等心理疾病。第三階段(院外長(zhǎng)期門診):在此階段,病人在無(wú)監(jiān)測(cè)下選擇繼續(xù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練或教育課程[6]。越來(lái)越多的學(xué)者建議在心血管疾病診治過(guò)程中進(jìn)行心臟康復(fù),包括急性冠狀動(dòng)脈綜合征、心力衰竭和冠狀動(dòng)脈血運(yùn)重建術(shù)[經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入(PCI)或冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)(CABG)][7-9]。當(dāng)病人在過(guò)去12個(gè)月內(nèi)至少發(fā)生以下健康事件之一時(shí),心臟康復(fù)是必要的:急性心肌梗死、冠狀動(dòng)脈成形術(shù)、心臟或肺移植、心臟瓣膜修復(fù)、CABG、PCI、心力衰竭、心動(dòng)過(guò)速或心房纖顫。

3 人工智能在心臟康復(fù)中的應(yīng)用

人工智能在心臟康復(fù)中主要被用于輔助訓(xùn)練、心電監(jiān)測(cè)、制定個(gè)性化運(yùn)動(dòng)計(jì)劃、預(yù)測(cè)心血管事件、評(píng)估康復(fù)效果等方面。

3.1 人工智能通過(guò)可穿戴設(shè)備檢測(cè)病人的身體狀況 心臟康復(fù)的過(guò)程中如何精準(zhǔn)、有效地評(píng)估病人的身體狀況是康復(fù)過(guò)程的難點(diǎn)?？纱┐鳈z測(cè)設(shè)備可以通過(guò)傳感器、現(xiàn)代通信技術(shù)將人體健康狀況數(shù)據(jù)發(fā)送到大數(shù)據(jù)平臺(tái),幫助病人檢測(cè)身體狀況。Lee等[10]使用居家移動(dòng)心肺康復(fù)咨詢系統(tǒng)來(lái)提高康復(fù)效果,改善心臟病病人的預(yù)后。該系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙連接接收可穿戴設(shè)備發(fā)出的心電和呼吸信號(hào),將信號(hào)發(fā)送到心律失常檢測(cè)專家系統(tǒng)和后臺(tái)的醫(yī)療保健服務(wù)器,可以隨時(shí)隨地進(jìn)行全面的心肺監(jiān)測(cè)并提出對(duì)應(yīng)的措施幫助病人進(jìn)行心臟康復(fù)。心臟病病人常常伴有各種心律失常,心律失常與多種心源性猝死有關(guān),迫切需要對(duì)異常心跳進(jìn)行檢測(cè)。動(dòng)態(tài)心電圖在臨床中用來(lái)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)心臟狀況。然而從大的動(dòng)態(tài)心電圖數(shù)據(jù)集中準(zhǔn)確區(qū)分稀疏的異常心跳非常困難。Bie等[11]提出了一種用于心律失常檢測(cè)的改進(jìn)的分層聚類方法,它基于對(duì)動(dòng)態(tài)心電圖PQRST(P-T)波的11個(gè)幾何特征的有效解讀,并從心律失常數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇數(shù)據(jù)集用于驗(yàn)證該方法的有效性,結(jié)果表明,新的心律失常檢測(cè)過(guò)程快速并且聚類準(zhǔn)確。多位學(xué)者通過(guò)對(duì)可穿戴心電檢測(cè)設(shè)備傳送的心電圖構(gòu)建信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)模型,客觀地跟蹤心臟康復(fù)病人的身體狀況[12-14]。

3.2 人工智能用于制定個(gè)性化運(yùn)動(dòng)方案 心臟康復(fù)計(jì)劃應(yīng)當(dāng)根據(jù)病人的生理和心理狀況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,人工智能可以幫助醫(yī)療工作者為心臟病病人制定個(gè)性化的康復(fù)計(jì)劃。個(gè)性化醫(yī)療的目標(biāo)是優(yōu)化針對(duì)特定病人的治療方案,最大限度地提高治療效果。心力衰竭綜合征包括特別異質(zhì)的病人群體,一些治療方案的成功率有限,需要制定個(gè)性化治療方案。機(jī)器學(xué)習(xí)方法已應(yīng)用于心力衰竭病人的診斷、分類、再入院評(píng)估、藥物依從性評(píng)估以及識(shí)別多種疾病中的不同癥狀群,如射血分?jǐn)?shù)保留型心力衰竭[15-16]。心力衰竭病人常常需要進(jìn)行心室再同步化治療。Cikes等[17]將1106例需要進(jìn)行心臟再同步治療的病人分為使用心臟再同步除顫器組(CRT-D,n=677)和植入式心臟復(fù)律除顫器組(ICD,n=329),使用無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法比較CRT-D對(duì)主要結(jié)果(全因死亡或心力衰竭事件)和容積反應(yīng)的治療效果,結(jié)果證明利用復(fù)雜超聲心動(dòng)圖數(shù)據(jù)和臨床參數(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法可用于對(duì)心力衰竭隊(duì)列進(jìn)行分類,并確定對(duì)心臟再同步治療有益的病人,可能有助于優(yōu)化特定治療效果。Dor-Haim等[18]設(shè)計(jì)了一種新型數(shù)字平臺(tái),可以以連續(xù)的方式接收數(shù)據(jù),允許臨床團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋,從而提高病人對(duì)其康復(fù)過(guò)程的參與度和對(duì)其身體狀況的認(rèn)識(shí),它還可以總結(jié)病人在康復(fù)期間的活動(dòng)以及他們選擇執(zhí)行計(jì)劃的時(shí)間。Vourganas等[19]設(shè)計(jì)了一種個(gè)性化家庭康復(fù)支持系統(tǒng),使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法,用于以病人為中心的個(gè)性化家庭康復(fù)支持,該方法既適用于康復(fù)目標(biāo)的設(shè)定,也適用于疾病的診斷,通過(guò)該方法可以評(píng)估病人康復(fù)效果。Meneu等[20]通過(guò)計(jì)算機(jī)智能平臺(tái)對(duì)病人進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè),跟蹤病人隨訪趨勢(shì)進(jìn)行自我學(xué)習(xí),同時(shí)結(jié)合了循證知識(shí)和計(jì)算機(jī)化臨床指南以實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的聚類和識(shí)別,并將其納入護(hù)理周期進(jìn)行個(gè)體化心血管康復(fù)治療。Schindelholz等[21]使用智能機(jī)器人通過(guò)監(jiān)測(cè)心率,調(diào)整病人的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度,在心血管病人康復(fù)中有應(yīng)用前景。Lara等[22]設(shè)計(jì)了一種新型的人機(jī)傳感器接口用來(lái)輔助心臟康復(fù)運(yùn)動(dòng),該系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)傳感器將激光測(cè)距儀、心率監(jiān)測(cè)器和跑步機(jī)結(jié)合,可根據(jù)實(shí)時(shí)結(jié)果估計(jì)時(shí)空步態(tài)參數(shù),該參數(shù)可用于指示病人在康復(fù)治療中的表現(xiàn)以及步態(tài)的正確性,并為醫(yī)務(wù)人員和病人提供有用的信息。智能手表和智能手機(jī)、診斷和家庭監(jiān)控設(shè)備被廣泛用于心臟康復(fù)病人的護(hù)理當(dāng)中。Sotirakos等[23]的薈萃分析指出:將人工智能納入醫(yī)療保健、心臟康復(fù)監(jiān)測(cè)中,有助于早期發(fā)現(xiàn)心臟事件,實(shí)現(xiàn)基于家庭的監(jiān)測(cè),改善臨床醫(yī)生的決策。

3.3 人工智能用于建立心臟康復(fù)的預(yù)測(cè)模型 機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)被廣泛應(yīng)用于心臟康復(fù)預(yù)測(cè)模型的建立當(dāng)中,預(yù)測(cè)模型可以在心臟康復(fù)過(guò)程中幫助預(yù)測(cè)病人預(yù)后及危險(xiǎn)因素等。社會(huì)輔助機(jī)器人已被證明是能幫助病人進(jìn)行身體康復(fù)的重要工具,用于向用戶和健康專業(yè)人員提供關(guān)于病人狀態(tài)和表現(xiàn)的反饋。社會(huì)輔助機(jī)器人通過(guò)傳感器接口對(duì)病人進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在這種情況下,為了避免過(guò)度訓(xùn)練,需要監(jiān)測(cè)的最重要參數(shù)之一是疲勞水平。Aguirre等[24]利用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)了時(shí)間特征(站立到站立時(shí)間和坐到站立時(shí)間)和3個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征(旋轉(zhuǎn)底座的最大垂直速度、膝關(guān)節(jié)屈伸最大速度和髖關(guān)節(jié)屈伸速度)與疲勞程度有顯著相關(guān)性,為及時(shí)評(píng)估運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的極限提供標(biāo)準(zhǔn)。在心血管事件發(fā)生后,鼓勵(lì)病人參加有監(jiān)督的基于運(yùn)動(dòng)的心臟康復(fù)計(jì)劃非常有意義。然而,這些計(jì)劃的接受率很低,對(duì)足夠數(shù)量的體力活動(dòng)的依從性更低。為提高病人堅(jiān)持鍛煉的程度,需要探索影響病人對(duì)心臟康復(fù)訓(xùn)練的依從性的因素。

3.4 人工智能通過(guò)機(jī)器人輔助心臟康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練 部分心臟病病人由于心臟功能或中樞神經(jīng)系統(tǒng)存在活動(dòng)受限,因此需要機(jī)器輔助幫助訓(xùn)練。這些人的有氧運(yùn)用能力嚴(yán)重下降,傳統(tǒng)康復(fù)方案不能達(dá)到運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練要求。Stoller等[25]進(jìn)行了一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn),招募首次卒中后(≤20周)的受試者,并將受試者隨機(jī)分配到使用反饋控制機(jī)器人輔助跑步機(jī)鍛煉或常規(guī)機(jī)器人輔助跑步機(jī)鍛煉的住院心血管鍛煉計(jì)劃當(dāng)中,結(jié)果顯示反饋控制機(jī)器人輔助跑步機(jī)鍛煉的訓(xùn)練強(qiáng)度顯著高于常規(guī)鍛煉。混合輔助肢體是世界上第一款為身體有障礙的病人提供運(yùn)動(dòng)輔助的半機(jī)器人式裝置,可以給活動(dòng)受限的心臟病病人提供幫助。Pak等[26]的研究顯示,混合輔助肢體有可能減輕中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)的心肺負(fù)擔(dān),因此可以作為運(yùn)動(dòng)治療的支持。Watanabe等[27]進(jìn)行了一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn),比較在腰椎型混合輔助肢體的輔助下進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)治療與傳統(tǒng)訓(xùn)練(無(wú)混合輔助肢體的坐立運(yùn)動(dòng))在慢性心力衰竭病人中的療效,結(jié)果顯示,輔助肢體提高了鍛煉能力,縮短了住院時(shí)間,并降低再次入院的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 人工智能提高心臟康復(fù)依從性 在心臟康復(fù)過(guò)程中,病人由于各種原因存在心臟康復(fù)計(jì)劃未能按照要求進(jìn)行,因此,提高病人的依從性對(duì)心臟康復(fù)至關(guān)重要。 Aharon等[28]建立了Well Beat系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)人工智能算法為每個(gè)病人生成持續(xù)的個(gè)性化短信,每周發(fā)送2次,并將每個(gè)病人的動(dòng)態(tài)概況與他們的日常行為聯(lián)系起來(lái),從而創(chuàng)建連續(xù)性,并強(qiáng)化所需的行為,可以在不增加醫(yī)療保健負(fù)擔(dān)的情況下提高病人依從性,使病人受益。病人依從性除受到生理上和外部條件制約外,還受到情緒的影響。Zhang等[29]提出一個(gè)具有人工智能處理器的網(wǎng)絡(luò)護(hù)理系統(tǒng),通過(guò)心理咨詢和術(shù)后隨訪,可以改善病人的樂(lè)觀和積極情緒,減少病人的消極情緒。

4 展望

隨著人工智能技術(shù)不斷發(fā)展,人工智能被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,用于幫助臨床醫(yī)生進(jìn)行決策輔助和為病人提供醫(yī)療建議。目前,人工智能在心臟康復(fù)方面缺乏大量數(shù)據(jù),因而心臟康復(fù)人工智能的發(fā)展仍有一定的局限性。未來(lái)隨著人工智能設(shè)備的普及,更多智能檢測(cè)和輔助設(shè)備將用于心臟病病人的各個(gè)階段,不止局限于醫(yī)院,還能用于家庭等場(chǎng)所,通過(guò)大量的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí),為心臟康復(fù)病人提供醫(yī)療康復(fù)建議和分析病人心臟狀況,將數(shù)據(jù)分析和決策推薦給臨床醫(yī)生、護(hù)理工作者、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、研究機(jī)構(gòu)等,為心臟康復(fù)提供更加精準(zhǔn)的康復(fù)方案。在未來(lái),人工智能不是用來(lái)取代心臟病專家,而是增強(qiáng)心臟康復(fù)的技能。