可穿戴設(shè)備與身體活動在慢性病管理中應(yīng)用的機遇與挑戰(zhàn)

Siobhan M. Phillips, PhD, MPH; Lisa Cadmus-Bertram, PhD; Dori Rosenberg, PhD, MPH; Matthew P. Buman, PhD; Brigid M. Lynch, PhD

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可穿戴設(shè)備與身體活動在慢性病管理中應(yīng)用的機遇與挑戰(zhàn)

Siobhan M. Phillips, PhD, MPH1; Lisa Cadmus-Bertram, PhD2; Dori Rosenberg, PhD, MPH3; Matthew P. Buman, PhD4; Brigid M. Lynch, PhD5-7

1.Department of Preventive Medicine, Northwestern University Feinberg School of Medicine, Chicago, Illinois; 2.Department of Kinesiology, University of Wisconsin–Madison, Madison, Wisconsin; 3.Group Health Research Institute, Seattle, Washington; 4.School of Nutrition and Health Promotion, Arizona State University, Tempe, Arizona; 5.Cancer Epidemiology and Intelligence Division, Cancer Council Victoria, Melbourne, Australia; 6.Centre for Epidemiology and Biostatistics, Melbourne School of Population and Global Health, University of Melbourne, Melbourne, Australia; 7.Physical Activity Laboratory, Baker Heart and Diabetes Institute, Melbourne, Australia

背景

有研究證明增加身體活動能夠有效預(yù)防和延緩心臟病、糖尿病、癌癥等慢性非傳染性疾病（慢性病）的發(fā)病，積極的身體活動對慢性病患者的身體健康具有諸多益處，例如降低慢性病惡化、繼發(fā)疾病及死亡的風(fēng)險[1]。同時，身體活動能夠降低患者認知功能障礙和機體功能衰退，從而進一步提高患者精神健康及生活質(zhì)量[2]。因此，當(dāng)務(wù)之急是需要制訂相關(guān)策略幫助慢性病患者及慢性病高危人群（至少存在1項慢性病危險因素）增加身體活動。

目前，可應(yīng)用于收集和分析慢性病患者或慢性病高危人群身體活動數(shù)據(jù)、提供健康支持的技術(shù)設(shè)備種類繁多。可穿戴便攜式設(shè)備、患者定向設(shè)備、24 h連續(xù)身體活動監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用為慢性病臨床治療及研究帶來了新的機會。可穿戴設(shè)備包括健身腕帶、智能手表、記錄使用者身體活動及其他生理和行為因素的首飾（例如計步器、能量消耗儀等），此類設(shè)備可以與平板電腦/智能手機或網(wǎng)站一起使用，幫助使用者完成身體活動相關(guān)的數(shù)據(jù)采集及匯總。有研究指出：可穿戴設(shè)備設(shè)計的初衷是通過實時自我監(jiān)測來幫助和激勵使用者改變不良行為，增加身體活動，從而達到改善健康的目的[3]。

2013年，1/10的美國人擁有可穿戴設(shè)備，其銷售量達到8,400萬[4]，到2018年可穿戴設(shè)備的年銷售額預(yù)計超過50億美元[5]。可穿戴設(shè)備作為一個新興產(chǎn)業(yè)，在受到關(guān)注的同時，也遭到了質(zhì)疑。一方面，可穿戴設(shè)備能夠在使用者毫無察覺的條件下采集身體活動數(shù)據(jù)，并具有更大頻率、更低成本及更高流量的優(yōu)勢[6]。另一方面，可穿戴設(shè)備在促進健康行為改變方面有巨大潛力，但是此類設(shè)備在促進外部動機向內(nèi)部動機轉(zhuǎn)化的臨床價值及可持續(xù)行為改變方面仍處于未知狀態(tài)[3]。

本研究旨在：（1）總結(jié)可穿戴設(shè)備現(xiàn)在和將來的潛在用途；（2）討論使用可穿戴設(shè)備的挑戰(zhàn)；（3）為研究人員和臨床醫(yī)生指出慢性病預(yù)防的未來方向。

可穿戴設(shè)備在慢性病預(yù)防和管理中現(xiàn)在和將來的潛在用途

研究證明[7-8]可穿戴設(shè)備應(yīng)用于慢性病患者健康管理中是可行的。此類設(shè)備在身體活動測量方面具有足夠的有效性和可信度。大多數(shù)的使用者都愿意與研究者和醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)共享設(shè)備數(shù)據(jù)。因此，目前正是將可穿戴設(shè)備整合到各類不同領(lǐng)域的契機。表1從流行病學(xué)和健康促進兩個不同的領(lǐng)域詳細介紹了可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)在慢性病研究和管理中的應(yīng)用。

表1 可穿戴設(shè)備在慢性病管理和研究的目前和潛在應(yīng)用

流行病學(xué)應(yīng)用

可穿戴設(shè)備在慢性病管理中的流行病學(xué)應(yīng)用包括：身體活動監(jiān)測、描述活動的環(huán)境和相關(guān)性、追蹤使用者的疾病發(fā)展軌跡（例如：術(shù)后恢復(fù)身體活動）。

流行病學(xué)研究主要依靠使用者自我估計和報告身體活動相關(guān)信息，具有中等或較低的有效性[9]。過去10年來，對于加速度計（一種測量身體活動的可靠設(shè)備）[10]的流行病學(xué)研究為個體身體活動模式研究提供了精細數(shù)據(jù)。然而，電池待機時間較短這一局限性導(dǎo)致加速度計的使用時間通常為7 d。由于超過幾周甚至幾個月的連續(xù)性數(shù)據(jù)不能被捕獲，可能造成重要信息數(shù)據(jù)的遺漏。可穿戴設(shè)備解決了這一局限性，使用者可以自行充電或使用紐扣電池使設(shè)備待機時間≥12個月。連續(xù)、客觀、實時的長時間數(shù)據(jù)采集對于深入了解身體活動模式提供了可能性。雖然，與研究用加速度計相比，可穿戴設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)較簡單，但其有效性更好、更具經(jīng)濟效益的兩大優(yōu)勢[11]，使可穿戴設(shè)備成為很多大型研究的一個有吸引力的選擇。總體活動時間和應(yīng)用模式會根據(jù)不同的疾病進程和治療有所不同。可穿戴設(shè)備可以應(yīng)用于不同階段慢性病軌跡的數(shù)據(jù)采集（例如術(shù)前與術(shù)后），通過收集不同疾病進程和治療方式下身體活動頻率、強度和持續(xù)時間的變化，幫助確定干預(yù)的關(guān)鍵時間點。

了解在不同環(huán)境中適合于不同人群的身體活動是干預(yù)成功與否的關(guān)鍵。可穿戴設(shè)備為現(xiàn)實中研究慢性病發(fā)展相關(guān)的身體活動決定因素及偏好提供機會，以確定更好的干預(yù)目標(biāo)。通過將可穿戴設(shè)備采集數(shù)據(jù)與臨床數(shù)據(jù)相結(jié)合，能夠獲取更全面、多維度的身體活動相關(guān)信息，包括患者報告結(jié)局（如動機、癥狀）；遠程監(jiān)測傳感器（如全球定位、血壓、血糖、體重）；生態(tài)瞬時評估法采集大眾傳媒相關(guān)數(shù)據(jù)。生態(tài)瞬時評估法是在受試者自然狀態(tài)下反復(fù)、實時采集受試者的行為和體驗。通過分析此類數(shù)據(jù)，能夠突出個體的行為差異、時間分布差異、行為影響因素及各影響因素間的相互關(guān)系[12]。將可穿戴設(shè)備采集數(shù)據(jù)與生態(tài)瞬時評估法相結(jié)合，能夠得到身體活動數(shù)據(jù)波動因果關(guān)系的更準(zhǔn)確信息，并為確定潛在的干預(yù)時機、目標(biāo)人群及高危亞群提供新見解。例如，此類方法能夠揭示使用者身體活動減少的原因可能與極度疲勞有關(guān)。因此，研究人員可能通過設(shè)計干預(yù)措施來緩解疲勞，增加身體活動。

對于使用治療前、中、后的身體活動模式來預(yù)測健康結(jié)局的相關(guān)信息較少。由于日常身體活動可能是整體健康與功能的一種表現(xiàn)形式，可穿戴設(shè)備采集的詳細數(shù)據(jù)可以與臨床數(shù)據(jù)（如住院治療相關(guān)信息、疾病進程標(biāo)志物）或功能數(shù)據(jù)（如體能、力量、平衡）相結(jié)合，幫助使用者在出現(xiàn)臨床癥狀之前發(fā)現(xiàn)疾病發(fā)病或功能障礙。例如，使用者在發(fā)生疾病并發(fā)癥前（如水腫、神經(jīng)疾病）或住院治療前，其身體活動可能下降。身體活動模式也可能是反映癥狀、治療依從性、近期或遠期疾病預(yù)后的一項指標(biāo)[14]。使用者的身體活動可能在侵襲性疾病發(fā)病前出現(xiàn)迅速下降，身體活動改變也可能反映了因治療的不良反應(yīng)導(dǎo)致的治療依從性差。因此，可穿戴設(shè)備采集的身體活動數(shù)據(jù)能夠用于監(jiān)測住院及門診患者的疾病發(fā)病、治療依從性、預(yù)測高危人群和慢性病患者疾病轉(zhuǎn)歸。

迄今為止，機器學(xué)習(xí)算法（使用研究用加速度計和陀螺數(shù)據(jù)采集）正在被開發(fā)用于預(yù)測功能狀態(tài)，包括術(shù)后身體部位的運動變化、行走穩(wěn)定性、步態(tài)速度和跌倒檢測[15]。隨著可穿戴設(shè)備存貯能力的增加，此類設(shè)備可以收集更多的數(shù)據(jù)，改進演算方法用于追蹤高危人群、識別身體活動模式改變的各類指標(biāo)，比如并發(fā)癥增加、疾病進程加快、治療依從性差或疾病自我管理能力降低。最后，將可穿戴設(shè)備采集數(shù)據(jù)、臨床數(shù)據(jù)、功能數(shù)據(jù)與生物數(shù)據(jù)結(jié)合（如全基因組相關(guān)研究數(shù)據(jù)、NIH精準(zhǔn)醫(yī)療計劃），可以更深入地了解遺傳和行為在疾病發(fā)病和進展中的相互作用。

健康促進

一篇研究13類可穿戴設(shè)備應(yīng)用于行為改變相關(guān)性的文獻綜述表明[16]，在身體活動相關(guān)行為改變的典型案例中絕大部分使用類似的技術(shù)（如自我監(jiān)測、目標(biāo)設(shè)定、社會支持）。同時，慢性病患者認為可穿戴設(shè)備是有用的、可以被接受的[17]。因此，可穿戴設(shè)備應(yīng)用于促進身體活動是一種可行、可及且低成本效益的方法。然而，現(xiàn)行的大多數(shù)可穿戴設(shè)備研究均需要社會支持、財政激勵、健康輔導(dǎo)等其他支持來促進行為的改變[18]。因此，可穿戴設(shè)備對于慢性病高危人群及患者的臨床意義，及在沒有外部激勵的情況下身體活動改變的可持續(xù)性仍是未知的[3]。這類似于提供控制體重的方法而不提供其他支持，其有效性是有限的。可穿戴設(shè)備整合理論驅(qū)動下的干預(yù)方法應(yīng)該考慮到此類設(shè)備并不適用于所有人群。其原因可能有很多種（包括人口學(xué)特征、心理社會因素、動機），可能需要與其他干預(yù)措施合并使用。對于需要進行持續(xù)行為改變的使用者，應(yīng)該采取階梯式的額外干預(yù)方法和支持。

癌癥預(yù)防和控制案例分析

可穿戴設(shè)備可以作為監(jiān)測和干預(yù)方法被應(yīng)用和整合到臨床實踐中。表2以癌癥預(yù)防和控制作為案例分析，回答了這一主題的研究問題和臨床意義等相關(guān)問題。簡單來說，可穿戴設(shè)備可以通過在最佳時機為慢性病患者及高危人群提供更個性化、針對性的干預(yù)措施，從而改善患者健康、提高生活質(zhì)量。

表2 可穿戴設(shè)備在慢性病管理中的潛在臨床應(yīng)用：癌癥預(yù)防和控制個案分析

挑戰(zhàn)和未來方向

目前的工作重點是需要了解將可穿戴設(shè)備整合到臨床實踐中的最有效的方法（表3）。使得在未來可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)可以與其他數(shù)據(jù)相結(jié)合，達到增加身體活動、改善患者健康和疾病預(yù)后、降低醫(yī)療費用的目的。圖1描述了可穿戴設(shè)備如何理想地融入慢性病預(yù)防和控制的臨床實踐和研究。可穿戴設(shè)備采集的數(shù)據(jù)與疾病進程相關(guān)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系、從其他資源獲取的疾病結(jié)局數(shù)據(jù)，可以通過個體特征進行單向和雙向的整合和分析，從而通過識別高危個體達到早期干預(yù)的目的。這些大數(shù)據(jù)可以用于臨床實踐和研究，制訂更精準(zhǔn)、更有效的多層次身體活動干預(yù)措施（如個人層面、系統(tǒng)層面），達到幫助慢性病患者和高危人群增加身體活動、改善健康和疾病預(yù)后、降低醫(yī)療成本的目的。

表3 可穿戴設(shè)備在臨床實踐和研究的未來方向和挑戰(zhàn)

圖1 可穿戴設(shè)備與慢性病預(yù)防和管理研究和臨床實踐理想整合框架模型

要完成這一理想目標(biāo)，必須克服來自使用者/患者、設(shè)備本身和臨床/研究環(huán)境3方面帶來的挑戰(zhàn)（表3）。多層次和多部門利益相關(guān)者的參與可以幫助規(guī)避很多挑戰(zhàn)。了解個體患者對集中數(shù)據(jù)采集方法負擔(dān)的看法是非常重要的。同時，了解臨床醫(yī)生對可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)的興趣和偏好是非常必要。可穿戴設(shè)備的開發(fā)者應(yīng)該參與到數(shù)據(jù)輸出和演算過程，研究人員應(yīng)該與健康信息的專家和統(tǒng)計學(xué)專家合作，共同研發(fā)新方法，整合來自可穿戴設(shè)備、其他設(shè)備和傳感器的數(shù)據(jù)。

如何從可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)中提取有意義的數(shù)據(jù)，整合其他設(shè)備數(shù)據(jù)，幫助臨床使用者做出治療決策，成為一項重要挑戰(zhàn)。目前，在實驗室環(huán)境下，采用機器學(xué)習(xí)方法使可穿戴設(shè)備對大數(shù)據(jù)利用成為可能。下一步是將演算方法應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集的商業(yè)設(shè)備。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用將幫助研究人員更好地了解身體活動變化的幅度，從而通過可穿戴設(shè)備達到改善健康的目的。

了解使用可穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)來監(jiān)測和預(yù)測身體活動、疾病狀態(tài)或發(fā)病將為患者主動預(yù)防疾病、降低疾病嚴重程度、控制臨床綜合征的發(fā)病進程創(chuàng)造無數(shù)機會。根據(jù)患者的情況，例如真實動機（健身房距離近）、自我報告結(jié)果（高疲勞、低動力）、數(shù)據(jù)本身（未達到活動閾值），適時地調(diào)整應(yīng)該優(yōu)先考慮的干預(yù)方法[19]。另外，應(yīng)該采用創(chuàng)新的研究設(shè)計（包括單個案例分析、多階段研究、序貫多重研究設(shè)計[20]）來識別最有效的身體活動干預(yù)方法，了解在何種情況下、對何人有效、產(chǎn)生何種結(jié)果。動態(tài)的、系統(tǒng)化模型能夠使實時的干預(yù)最大化地傳遞到使用者，同時幫助研究人員更好地利用來自可穿戴設(shè)備及其他設(shè)備提供的密集縱向數(shù)據(jù)[21]。

結(jié)論

可穿戴設(shè)備通過一種不引人注意的方法采集豐富的身體活動數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)能夠與其他途徑采集的數(shù)據(jù)相結(jié)合，用于監(jiān)測身體活動相關(guān)行為改變和促進身體維持行為活動。目前，在可穿戴設(shè)備全面應(yīng)用于慢性病患者及高危人群臨床應(yīng)用和改善健康之前，仍有很多問題和挑戰(zhàn)需要解決（表2、表3）。讓不同領(lǐng)域（如運動科學(xué)、公共衛(wèi)生、生物信息學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、方法論）的研究者和利益方（如患者、臨床醫(yī)生、電子病歷系統(tǒng)工作人員、可穿戴設(shè)備公司代表）了解可穿戴設(shè)備使用的挑戰(zhàn)，并發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的解決方案尤為重要。最終，解決這些問題和挑戰(zhàn)有利于可穿戴設(shè)備在改善公眾健康、臨床實踐和健康結(jié)局的作用，并在降低疾病風(fēng)險、負擔(dān)和醫(yī)療費用方面發(fā)揮作用。

致謝

Phillips由美國國家癌癥研究所（NCI）資助（K07CA196840）；Cadmus-Bertram由美國國家癌癥研究所（NCI）資助（K07CA178870）；Buman由R01CA198971，R21NR016046和R18DK 109516資助；Lynch得到了美國乳腺癌基金會（NBCF）的支持。

本文原文及參考文獻請瀏覽：

https://www.ajpmonline.org/article/S0749-3797(17)30456-7/pdf

譯自Am J Prev Med 2018;54(1):144–150

翻譯：楊琴文（上海市閔行區(qū)疾病預(yù)防控制中心）

審校：傅華（復(fù)旦大學(xué)健康傳播研究所） 孫桐（山東省疾病預(yù)防控制中心）

10.16117/j.cnki.31-1974/r.201804008