可穿戴設(shè)備在呼吸系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

蔣維芃， 金 鑫， 陳翠翠,2， 周 建,2,6， 宋元林,2,3,4,5,6*

1.復旦大學附屬中山醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科，上海200032 2.上海市呼吸病研究所, 上海200032 3.國家老年疾病臨床醫(yī)學研究中心(華山)，上海200000 4.復旦大學附屬中山醫(yī)院青浦分院呼吸科，上海201700 5.復旦大學附屬金山醫(yī)院，上海201508 6.上海呼吸物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學工程技術(shù)研究中心, 上海200032

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)、支氣管哮喘(bronchial asthma)、阻塞性睡眠呼吸暫停(obstructive sleep apnea，OSA)等是我國常見的呼吸系統(tǒng)疾病，對民眾健康造成了極大威脅，也帶來沉重的醫(yī)療負擔。我國呼吸疾病管理存在診斷不足、治療不規(guī)范的問題，需要將管理重心下移，關(guān)口前移，最大化實現(xiàn)呼吸系統(tǒng)常見疾病的規(guī)范化診治。

可穿戴設(shè)備指可直接穿戴于身體各處的便攜式設(shè)備，其整合各種可感知人體物理生化信息的傳感器于一體，在疾病診斷、管理以及健康監(jiān)測等方面具有重要作用[1-2]。呼吸系統(tǒng)疾病涉及生命體征、血氣分析、呼吸運動、呼吸音、呼出氣成分、肺功能等一系列可日常評估監(jiān)測的指標，可穿戴設(shè)備可使得原本繁復的監(jiān)測更加日常化、簡便化，在呼吸疾病管理中的應(yīng)用具有廣闊前景。

1 可穿戴醫(yī)療設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

目前，可穿戴醫(yī)療設(shè)備通常以腕帶、智能手表、智能背心等穿戴于身體各處，或以相應(yīng)方式與眼(隱形眼鏡)、耳(助聽器)等器官接觸，從而感知相應(yīng)的物理或生化信息，部分設(shè)備還起到治療作用[1-3]。

可穿戴物理傳感器主要監(jiān)測各種物理信號，在監(jiān)測日常活動和生命體征等方面應(yīng)用較為成熟，已在帕金森病治療效果監(jiān)測[4]、運動障礙疾病長期評估[5]等方面取得進展。監(jiān)測心電信號的可穿戴設(shè)備在通過智能手表監(jiān)測房顫等心律不齊的發(fā)生,識別早期急性心血管事件及收集長期動態(tài)數(shù)據(jù)以協(xié)助診斷等方面有所發(fā)展[6]。

可穿戴電化學生物傳感器主要通過電流分析法、伏安分析法、表皮微針等方法測量汗液、淚液、唾液或組織液等體液中的生化標志物[2,7]。其在糖尿病管理方面發(fā)展較快，已研制出可連續(xù)監(jiān)測葡萄糖水平的可穿戴設(shè)備，以實現(xiàn)精準的血糖調(diào)節(jié)[7-8]。此外，可穿戴電化學生物傳感器在監(jiān)測尿酸和酪氨酸水平以輔助痛風等代謝性疾病的診療等方面也有發(fā)展[9]。

2 可穿戴設(shè)備在呼吸系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用

目前，可穿戴設(shè)備已在COPD、哮喘、OSA等呼吸系統(tǒng)疾病診療中初步應(yīng)用并取得了一定成效(圖1)。

圖 1 可穿戴設(shè)備在呼吸系統(tǒng)疾病診治中的應(yīng)用

2.1 COPD

2.1.1 日常活動監(jiān)測 活動能力下降是COPD患者住院和死亡的危險因素，可穿戴設(shè)備可對患者日常活動進行監(jiān)測并給予干預(yù)。Perriot等[10]設(shè)計了佩戴于皮帶上的可穿戴設(shè)備，可提供包括站立、坐躺、步行、步數(shù)等日常活動的詳細特征。Orme等[11]同樣采用可穿戴設(shè)備遠程監(jiān)測COPD患者坐躺、站立和步行情況，并提供震動提醒久坐行為，取得一定效果。近年來，相關(guān)臨床試驗[12]采用可穿戴計步器遠程監(jiān)測患者活動水平，并根據(jù)活動水平給予提醒干預(yù)，可提高其身體活動水平并改善生活質(zhì)量。

2.1.2 病情評估與管理干預(yù) COPD急性加重與疾病進展及死亡風險增加相關(guān)，若患者可日常穿戴設(shè)備監(jiān)測相關(guān)指標，將有利于遠程病情評估與管理干預(yù)。Yilmaz等[13]設(shè)計集成于背心中的可穿戴聽診器以監(jiān)測肺部各處的呼吸音，并通過相應(yīng)方法降低環(huán)境噪聲，旨在實時評估COPD患者的健康狀況。Wu等[14]使用智能手表連續(xù)監(jiān)測患者心率及活動狀況，并記錄特征性音頻(如咳嗽等)，已證明其可行性。然而，一些臨床試驗采用穿戴設(shè)備遠程監(jiān)測患者生命體征[15]、血氧飽和度[16]等以評估病情，并整合到管理干預(yù)方案中，卻未得到積極結(jié)果。其原因可能是COPD無諸如血壓、血糖等與疾病狀況特別相關(guān)的日常監(jiān)測指標。目前采集的指標(如血氧飽和度等)靈敏度、特異度低，需要進一步研究更特異的指標，或是基于可穿戴設(shè)備提供的多參數(shù)指標進行綜合分析和評估。

2.1.3 遠程肺康復訓練 肺康復訓練是穩(wěn)定期COPD有效治療方案，但其長期維持存在困難。基于家庭的遠程肺康復訓練可能是未來發(fā)展方向，可通過可穿戴設(shè)備監(jiān)測訓練過程中的相關(guān)信息以進行遠程指導。Tey等[17]開發(fā)了嵌入動作姿勢與血氧等傳感器的可穿戴設(shè)備，遠程監(jiān)測患者心率、血氧、呼吸頻率及動作姿勢，用于遠程指導肺康復訓練。近年來，一些遠程肺康復訓練的臨床試驗[18-19]基于遠程電話或視頻，通過一些可穿戴或外部設(shè)備監(jiān)測患者相關(guān)生理指標，從而遠程指導患者在家中肺康復訓練。研究[18-19]表明，在減少急性加重再住院方面，家中遠程肺康復訓練與以醫(yī)院為中心的肺康復訓練一樣有效。

2.1.4 可攜帶呼吸支持設(shè)備 長期家庭氧療可提高有嚴重低氧血癥COPD患者的生存率。部分患者雖靜息狀態(tài)達不到氧療的標準，但在活動時會出現(xiàn)低氧的情況，可能需要在運動時提供相應(yīng)便攜式制氧設(shè)備予以氧療支持。便攜氧療設(shè)備目前已逐漸成熟應(yīng)用，最新美國胸科學會指南[20]推薦合并嚴重勞累性低氧血癥的COPD患者在活動中可使用便攜式氧療設(shè)備。

慢性穩(wěn)定期合并高碳酸血癥的COPD患者已被推薦使用家庭無創(chuàng)正壓通氣，但當前主流無創(chuàng)呼吸機并不適合患者在非臥床、活動過程中使用。Porszasz等[21]設(shè)計小型可穿戴式無創(chuàng)呼吸機以供患者活動時使用，該設(shè)備僅約0.45 kg，可與輕型氧氣罐一起使用，可提供更加高效的通氣支持，患者攜帶負擔小，相對舒適。研究[21]顯示，使用該可攜帶無創(chuàng)呼吸機的患者運動耐力較接受常規(guī)氧療者提升，呼吸困難癥狀減輕。另外， Vogiatzis等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在進行肺康復訓練的COPD患者訓練間期提供便攜式無創(chuàng)通氣，可提高患者的運動耐量。在COPD患者日常活動或肺康復訓練過程中應(yīng)用便攜式無創(chuàng)通氣還須進一步研究。

2.1.5 呼出氣監(jiān)測 氧化應(yīng)激為COPD進展的重要機制，相關(guān)生物標志物(如過氧化氫等)在COPD患者呼出氣冷凝液中濃度升高。然而，呼出氣冷凝物中相應(yīng)監(jiān)測指標易因氧化、pH值變化而不穩(wěn)定。可穿戴式傳感器可即時監(jiān)測呼出氣的成分，而無須依賴呼氣冷凝物。Maier等[23]設(shè)計了基于電化學試紙的可穿戴傳感器，用于在呼吸過程中連續(xù)實時監(jiān)測過氧化氫濃度，并且可集成于呼吸面罩中使用。使用可穿戴傳感器快速實時監(jiān)測患者呼出氣中的生物標志物具有廣闊前景。

2.2 支氣管哮喘

2.2.1 化學暴露監(jiān)測 避免接觸過敏原、控制環(huán)境中的化學暴露是治療哮喘的重要手段。Fung等[24]開發(fā)了一種便攜式可穿戴式采樣器，可收集環(huán)境中暴露的揮發(fā)性有機化合物，并同時采集環(huán)境溫度、濕度和空間位置等信息，以分析空氣污染與慢性健康問題的關(guān)系。可相應(yīng)記錄多環(huán)芳烴[25]、臭氧[26]等化學暴露的哮喘患者可穿戴健康監(jiān)測工具也有所進展。

2.2.2 疾病活動監(jiān)測和治療管理 哮鳴音是哮喘發(fā)作時的典型體征，監(jiān)測日常呼吸音可能有助于診斷、預(yù)警急性發(fā)作及評價疾病活動情況。已有研究[27]研制了由穿戴式聲學傳感器的呼吸音自動分類系統(tǒng)，以跟蹤患者哮喘的發(fā)作。

呼出氣冷凝物中的生物標志物有助于監(jiān)測哮喘疾病活動程度，進而指導治療管理。呼出氣NO作為哮喘的炎癥生物標志物，具有輔助診斷作用。目前高靈敏度NO傳感器研制已有進展[28]，可用于持續(xù)監(jiān)測。美國最新哮喘診治指南[29]建議將監(jiān)測呼出氣NO作為哮喘疾病活動監(jiān)測和治療管理的一部分，但僅在頻繁監(jiān)測時才可有效預(yù)防加重[30]，故借助可穿戴設(shè)備實現(xiàn)日常化的監(jiān)測可能是未來發(fā)展方向。另有研究[31]證明呼氣冷凝物中亞硝酸鹽有望成為哮喘氧化應(yīng)激的生物標志物，針對呼出氣冷凝物中亞硝酸鹽傳感器的研究也有進展。

最新臨床試驗[32]整合呼吸音監(jiān)測器、空氣質(zhì)量監(jiān)測儀、便攜式肺功能儀及家用NO監(jiān)測儀，形成一套哮喘自我管理系統(tǒng)以預(yù)測哮喘是否加重。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可減少嚴重的哮喘發(fā)作并改善生活質(zhì)量，但樣本量較少還須進一步驗證[32]。

2.3 OSA OSA以睡眠中反復出現(xiàn)呼吸暫停和低通氣為特征，患病率在全球范圍內(nèi)逐年上升。OSA診斷金標準是使用多導睡眠圖記錄睡眠期間腦電、脈搏、血氧飽和度等參數(shù)以分析阻塞性呼吸事件，但需要在睡眠實驗室中由專業(yè)人員進行，實施復雜，昂貴耗時，且不利于快速篩查及家中連續(xù)監(jiān)測。一些臨床試驗[33-34]對疑似OSA患者使用了集氧飽和度、氣流及胸腹運動測定于一體的便攜式監(jiān)護儀進行診斷，并設(shè)置相應(yīng)算法以自動調(diào)整無創(chuàng)呼吸機壓力。結(jié)果證明，家用便攜式監(jiān)護儀的管理與多導睡眠圖診療效果相似，且成本較低。但這些研究中的參與者通常是因懷疑OSA而就診的患者，并沒有使用便攜式監(jiān)護儀進行篩查的證據(jù)[35]。通過家用便攜式監(jiān)護儀對OSA進行診治的準確性和可靠性還須進一步研究。

另外，一些諸如腕帶、頭帶、胸帶等商用可穿戴睡眠監(jiān)測設(shè)備逐漸出現(xiàn)，其中大多數(shù)都將睡眠監(jiān)測與運動監(jiān)測結(jié)合起來，使用腦電等更精確的監(jiān)測方法還較少，也還缺乏臨床驗證與運用[36]。

2.4 肺炎 肺炎的病情發(fā)展與患者體溫、心率、呼吸頻率、血氧飽和度等生理指標相關(guān)。在當前COVID-19疫情背景下，可穿戴設(shè)備因其可即時采集生理數(shù)據(jù)，在疾病的早期診治、阻斷病毒傳播方面?zhèn)涫荜P(guān)注。Mishra等[37]收集了5 300名參與者可穿戴智能手表記錄的數(shù)據(jù)，通過對心率、活動、睡眠等數(shù)據(jù)的縱向分析，可在患者癥狀出現(xiàn)前檢測出63%的COVID-19病例。Quer等[38]同樣收集了儲存于30 529人智能手表中的數(shù)據(jù)，結(jié)果證實基于智能手表數(shù)據(jù)的評估有助于在有癥狀個體中區(qū)分COVID-19陽性病例。另外，一些初步研究[7]也提示，可穿戴生物傳感器可能具有連續(xù)監(jiān)測病毒、細胞因子、炎癥標志物的潛力。包括可穿戴設(shè)備在內(nèi)的新興遠程醫(yī)療工具將在COVID-19遠程診斷、監(jiān)測與管理中發(fā)揮作用。

3 未來展望

3.1 技術(shù)進步 一方面，可穿戴設(shè)備需突破自身的技術(shù)瓶頸，提升所監(jiān)測指標準確性與穩(wěn)定性，改善設(shè)備功耗續(xù)航、通信傳輸能力，保證數(shù)據(jù)安全性。此外，可穿戴設(shè)備一般需要長期佩戴，若使用方法過于復雜，則會降低患者可接受度。對此，有研究[39]針對目前血氧飽和儀尚無法滿足便攜式持續(xù)監(jiān)測的現(xiàn)狀，開發(fā)了可貼附于指甲或耳垂的小型穿戴式血氧儀以供連續(xù)監(jiān)測，在保證功效的同時提升穿戴的便捷和舒適度。可穿戴設(shè)備滿足便攜、可持續(xù)監(jiān)測的需求十分重要。

另一方面，目前可穿戴設(shè)備常見的監(jiān)測指標如生命體征、血氧、身體活動等靈敏度、特異度低，不能全面地評估疾病情況。呼吸系統(tǒng)疾病涉及呼吸運動、膈肌運動、鼻氣流、呼吸音、呼出氣成分、血氣分析、肺功能等指標。監(jiān)測與疾病更加相關(guān)、可日常評估的指標需要發(fā)展更新的技術(shù)以供監(jiān)測更特異、更具臨床意義的生理指標。如高精度胸腹運動監(jiān)測技術(shù)、無創(chuàng)體外膈肌運動監(jiān)測技術(shù)、排除心音干擾的連續(xù)呼吸音監(jiān)測技術(shù)、穿戴式運動肺功能、集成心電和呼吸信號源進行分析的心肺耦合(CPC)技術(shù)等新型技術(shù)的發(fā)展，將有利于穿戴式呼吸監(jiān)測的進步，具有巨大潛力。

3.2 早期診斷與篩查 早期診斷對于呼吸慢病的預(yù)后十分重要，但多數(shù)患者對呼吸慢病的認識不足。并且肺功能、多導睡眠圖等金標準診斷方法需要繁瑣的操作與嚴格的質(zhì)量控制，不能普及到社區(qū)基層進行早期診斷與篩查，造成我國呼吸慢病診斷不足。可靠而便捷的穿戴式呼吸監(jiān)測設(shè)備將有助于對高危人群進行篩查。通過可穿戴設(shè)備進行多參數(shù)、多時段的數(shù)據(jù)收集，結(jié)合患者病史、癥狀和體征，可全方位勾勒呼吸慢病患者疾病的特征，從而提供依賴多參數(shù)動態(tài)收集數(shù)據(jù)計算后的早期診斷與篩查。

3.3 病情實時監(jiān)測評估 長期規(guī)范化治療以控制臨床癥狀與疾病進展，并預(yù)防未來發(fā)作對于呼吸慢病十分重要。可穿戴設(shè)備可以實現(xiàn)患者相關(guān)生理指標的監(jiān)測，提供對重要生理事件的早期警報，以預(yù)防疾病發(fā)作，減少住院次數(shù)和住院時間，降低醫(yī)療成本。未來，哮喘患者可通過定期向穿戴設(shè)備吹氣以測量呼出氣中的炎癥標志物，水平升高則警告用戶使用吸入藥物來預(yù)防哮喘發(fā)作。COPD異質(zhì)性、不同分型分期及合并癥，都為急性加重的早期識別帶來挑戰(zhàn)。未來，COPD的遠程監(jiān)測可能是基于多參數(shù)、個性化的算法來早期識別患者病情惡化并加以干預(yù)。

3.4 與物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學的結(jié)合 目前的可穿戴設(shè)備還缺乏傳感器之間的聯(lián)動互通，未形成感知—識別—管理的閉環(huán)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)指具有內(nèi)置傳感器和網(wǎng)絡(luò)連接等設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)[40]。物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學即物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學，主要由以下3個部分組成。(1)穿戴式傳感器，用于采集有關(guān)生理參數(shù)；(2)網(wǎng)絡(luò)和通信接口，進行數(shù)據(jù)傳輸；(3)遠程監(jiān)控平臺，集成大量數(shù)據(jù)，挖掘有用信息，識別與患者病情相關(guān)的重要參數(shù)。可穿戴設(shè)備作為物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學中的重要一環(huán)，可對醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)對象實現(xiàn)動態(tài)跟蹤、實時監(jiān)測，在遠程醫(yī)療和個性化醫(yī)療中具有廣闊前景。

綜上所述，可穿戴醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)逐漸應(yīng)用于COPD、哮喘、OSA等呼吸系統(tǒng)疾病診治，在疾病診斷、管理及健康監(jiān)測等方面發(fā)揮作用。我國呼吸慢病管理存在診斷不足、治療不規(guī)范的問題，可穿戴設(shè)備的應(yīng)用將具有廣闊的前景。

利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。