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加速启动呼吸监测技术 引进智慧穿戴新未来
 

【作者: 愛】2021年10月07日 星期四

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比起心脏监测,呼吸监测的研究受到较少关注,在消费或医疗应用上的技术创新也没那麽多。究竟新冠肺炎疫情能不能推进呼吸监测的未来发展,在医疗装置和药物厂商的开发进程被列为优先考量呢?


爱美科互联医疗解决方案(Connected Health Solutions)研究计画主持人Carlos Agell表示:「提供呼吸监测一套好的穿戴式平台,对患有慢性阻塞性肺病(COPD)和气喘的病人来说,会是一大进展。」


他指出,至於这些穿戴式装置能不能用於影响呼吸道的病毒或细菌传染疾病(例如当前的Covid-19疫情),目前还在确认。不过有件事可以确定,那就是普遍的呼吸监测系统能够实现在居家环境搜集客观资料,而且必要时还可以长期进行。


「穿戴式装置可以作为侦测个人健康状态变化的早期预警系统,从这个观点来看,用来追踪呼吸叁数和血氧饱和浓度的穿戴式医疗贴布,可能会是未来全球性流行疾病防疫策略的其中一项标准构件。」Agell说道。


乐观来说,疫情只是一时的,但很多呼吸道疾病都是慢性问题,影响病患的日常生活。想想看,对COPD患者或是夜间气喘发作的孩童来说,病情恶化会是多麽庞大的负担,加上,目前全球其实有上百万的人囗正苦陷於这些疾病,这对经济的影响也甚钜。因此,全新的监测技术和改良疗法的重要性都不容小黥。


领域现况:从问卷到间接性医疗检测

为了检查呼吸道疾病患者的健康状态,例如COPD、肺纤维化、囊性纤维化和气喘,目前医院靠的是一些标准化的医疗检测,来诊断或追踪疾病并规划疗程。


常见的呼吸道检测:


.肺计量(spirometry)


现在最常见的肺功能测试,能够测量吸吐气量和速度,必须让病患对专用装置呼吸空气来进行,因此既不实际也无法连续。


.脉搏血氧饱和度


可以监测病患血液内的氧气饱和度,必须套上指夹式血氧仪来测量,并不适合作为临床情境之外的长期监测方案。


.肺部扫描能


够协助诊断特定的肺部疾病,但必须在医疗院所进行,还需要专业器材和受过专业训练的技术人员。


Carlos Agell指出:「这些检测大都有个缺点,就是必须由经过完整培训的专业人员执行,通常无法进行连续性监测,而且病患也经常感到不适。」


爱美科深信,穿戴式科技可作为居家医疗监测的辅助工具,近期进行的COPD患者研究显示穿戴式科技对改善这些病患生活的发展潜能。

病患离院後或是居家时的状态如何?医生必须透过问卷才能得知这些讯息。一般情况下,病患会低估他们的健康状态,或是根本不记得一周或是一个月前的感受。因此,藉由持续监测病患日常生活,取得客观资料,可以提供复诊医疗谘询莫大助益。


虽然说现在有不少建设性的科技发展,像是密切关注病患居家状况的数位助理(digital assistant),例如锁定COPD患者的荷兰居家健康监测平台Luscci,或是其他远距医疗应用,但要监测病患,尤其是在医院以外的场景进行,其实还有很大的进步空间。


跨域整合:呼吸监测技术创新的关键

半世以来,爱美科为了监测不同的健康叁数,不断研究穿戴式装置。Agell表示:「爱美科团队具备电子学专业背景,首要发展重点就是晶片设计与系统整合、低功耗运作以及无线通讯。现在,我们更整合了演算法开发和机器学习,并联手临床界的夥伴与患者进行小规模试验,进一步验证系统与演算法,识别新兴应用与系统规格需求。」


爱美科确信,任何依据新兴生物指标开发的新技术都必须经过科学方法验证,为此,他们与医疗机构合作,并将研究成果发表在先进的科学出版物与会议纪录中。


「这项研究动员了约莫60名研究人员,横跨晶片设计到演算法开发、生医与资料科学领域。正因为难得整合了如此广泛的专业能力,因此带来了卓越的研究成果与众多的科学发表,并成功建立了不少跨界合作,例如业界的三星和飞利浦2020年收购的美国生技公司BioTelemetry,还有临床界的比利时东林堡医院(ZOL)和荷兰拉德堡德大学(Radbound University)。」Carlos Agell进一步说明。


「我们的目标是成为医疗装置和药厂的一站式服务据点,与他们一同研究特定组件或完成应用开发,或是授权我们的软硬体。」他说道。


过去几年,爱美科持续搜集了不同应用领域的专业知识,像是压力管理、心衰竭和癫??等,而呼吸监测更被他们列为研究要点,主要因为这块领域对医疗产业或病患来说,都将获益良多。


实例分析:持续性且穿戴式监测COPD患者

病患研究

西班牙加泰隆尼亚生物工程研究所(IBEC)的生医讯号处理与判读


研究团队(BIOSPIN)与比利时东林堡医院(ZOL)的胸腔科,近期共同进行了一项研究,在COPD病患身上测试一项呼吸监测技术。


爱美科首席科学家Willemijn Groenendaal表示:「COPD是全球主要死因之一,目前诊断与评估该疾病的严重程度,需要透过一项肺计量检测,并辅以问卷获取的资讯。但这些进行这些检测会有时间间隔,加上问卷也较主观,对临床状况较为复杂的COPD患者来说,现行方法并不理想。」


爱美科偕同其他研究团队,展示了胸腔生物电阻抗和肌电图测量方法的发展潜力,不仅舒适度更高,而且更不具侵入性。这是他们首次与COPD患者进行临床试验,并整合了生物阻抗与肌电图分析,藉此证明这些测量方法用於非干扰性呼吸监测的应用可行性。


在医院临床上,该研究团队利用一套爱美科开发的穿戴式研究用原型装置,用来测量生物阻抗,并以桌上型装置辅助判定肌肉讯号,包含肌电图和肌动图。将来这些测量方法可以结合到单一的穿戴式装置。这项研究的目标则是先探索这些讯号对COPD患者的影响力。


Carlos Agell表示:「我们开发了四款临床试验的医疗装置作为24小时全年无休的资料搜集平台,提供我们研究病患使用。装置规格包含了医疗贴片和手环,能让我们以使用者友善的方式搜集原始资料,甚至可在病患和使用者进行日常活动的真实世界中进行。2018年我们针对压力侦测进行的SWEET研究就是在真实世界完成试验的绝隹例证,那项研究也搜集到了全球最大的压力相关资料集。」



图一 : 爱美科临床试验装置,从左至右:可抛弃式舒适医疗贴片、
图一 : 爱美科临床试验装置,从左至右:可抛弃式舒适医疗贴片、

南丁格尔可重复使用的弹性多讯号装置、爱美科开发的医疗穿戴式原型装置Chill+心理健康平台、心脏监测智慧手表。


演算发开发

从COPD病患身上,该研究利用爱美科研究用装置和标准的有线资料搜集系统来获取资料,接着开发演算法来理解这些资料。


Willemijn Groenendaal接着说明他们通常会开发的三种演算法:


.讯号层演算法


花费大量演算力的目的就是将正确可用的资料从不可用的偏误资料中分离出来。举例来说,在病患处於静止状态下取得的资料,会比处於剧烈动作下得来的还要可信得多。为此,我们研发了讯号品质指标演算法,为执行其他演算法把关。针对COPD患者的使用案例,这就涉及了生物阻抗、肌电图和肌动图的讯号品质。


.数位生物指标层演算法


下一步,我们会进行特徵提取,主要是把取自单个或数个生理系统的资讯提取出来。例如,心率是从心电图(ECG)提取出来的特徵,以COPD病患为例,我们会开发演算法来计算吸气时间、吸气时间比、呼吸频率和吸气量,但在这阶段,这些特徵只能显示病患健康的片面状态。


.应用层演算法


在这阶段,我们会整合多个生物指标、生理系统和身体子系统(心脏、呼吸系统和运动系统等)的资料,以针对特定疾病做出决策。以COPD研究为例,我们可以根据整合生物阻抗和肌动图的新兴方法,将病患分为三种「严重程度」组别。这些新兴指标未来也能用来持续性监测该疾病的进展,实现居家的远距医疗。但在此之前,当然还是需要进一步研究和开发。


我们在第二和第三阶段导入了人工智慧技术。因此,我们会聚焦在可提供解释的白箱AI,因为我们认为医师必须理解为何系统做出某项决策,才能在必要时介入。所以说,我们的研究团队也势必要纳入生医领域的专家,并和临床界合作,外加演算法的开发人员



图二 : 要实现真正可靠的智慧穿戴监测系统需要三种演算法。图为COPD使用案例的三大阶段演算法。
图二 : 要实现真正可靠的智慧穿戴监测系统需要三种演算法。图为COPD使用案例的三大阶段演算法。

晶片与系统设计

为了开发真正紧凑且舒适的穿戴式监测装置,晶片与系统设计也是关键。事实上,这是爱美科主要的研究项目之一。


Carlos Agell表示:「我们开发的穿戴式医疗平台,其核心是全面整合以电池供电的无线感测器中枢(sensor hub),它不仅可以同步测量多个叁数,例如心电图(ECG)、光体积描记图(PPG)和生物阻抗(BioZ)等,消耗的功耗也很低,这对持续性监测运作来说相当重要,甚至还具备高度的安全等级。」


至於封装这些呼吸感测器的装置规格,其实选择相当弹性,像是可抛式或可再用的医疗贴片、胸扣带、项链或智慧衫,甚至还能与床垫、办公椅货车座椅整合,可以根据特定应用设计。但不变的原则是让病患感到舒适,这样才能确保获得采用。


结语

透过这套全方位的研究方法,开发出能以非侵入式方式持续搜集客观资料的穿戴式监测技术成为可能,穿戴式装置为呼吸道疾病患者开拓了更美好的未来,包含了多个面向:


.在病患离院返家时提供专家连续性资料,在这种关键时刻维持密切关注。这也能有助於缩短住院时间。


.提供医师病患居家时的客观且可靠的数据,在复诊追踪时协助谘询。


.在家监控病患,当病患状况恶化时对专家发出预警。


.扩大规模扫描个人呼吸道状态,再利用这些数据,结合其他医学测量与医师专业知识,进而诊断出呼吸道疾病的轻微症状。


.用於临床试验以评估新药功效,包含随机对照试验和搜集真实世界数据。


.在制订疗程时侦测个别病患的服药效用。


Carlos Agell表示:「目前的穿戴式感测装置比前几代还要更可靠、更智慧和更容易使用。因此,可以用於研究,进一步获得针对特定疾病数位生物指标的深入洞见。未来,或许呼吸道特徵可以与其他生命徵象结合,用来显示特定病患的压力或疼痛等级指标,或是侦测像是癌症病患或??郁症患者的整体健康状态,应用范围广泛,发展潜力无穷。」


除了电子学和演算法持续发展,还有病患研究提供辅助,此刻就是开发、制造和应用这些智慧感测解决方案的最隹时机,提升众多呼吸道疾病患者的生活品质。


(本文由爱美科授权提供;作者为Carlos Agell1、Willemijn Groenendaal2为爱美科1互联医疗解决方案研究计画主持人、2首席科学家暨研究计画主持人)


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