重癥護理領(lǐng)域人工智能技術(shù)的應用與展望

喬曉婷，莊一渝

浙江大學醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院，浙江杭州 310016

近年來，人工智能在醫(yī)療行業(yè)嶄露頭角。人工智能具有同時處理大量數(shù)據(jù)并進行復雜的模式分析的能力，在疾病預測、診斷、治療和預后等方面發(fā)揮了巨大作用[1]。重癥護理是護理領(lǐng)域的一個特殊分支，具有高強度、高風險、快節(jié)奏、多變化等特點[2]。重癥護理內(nèi)部快速溝通、快速決策、海量數(shù)據(jù)處理以及持續(xù)信息交流使其成為人工智能部署的重點領(lǐng)域。早在2001年，Hanson等[3]就指出人工智能可以降低護理成本并改善重癥患者的預后。本綜述旨在探究人工智能應用于重癥護理的現(xiàn)狀及尚存問題，以期為人工智能在醫(yī)療護理領(lǐng)域的發(fā)展提供參考與借鑒。

1 概述

人工智能是通過計算機技術(shù)模擬人類，從而構(gòu)造具有一定智能行為的系統(tǒng)和機器，或?qū)χ悄鼙旧磉M行研究、記錄、再現(xiàn)的一門新興學科，是計算機領(lǐng)域的一個重要分支[4-5]。人工智能不是一種技術(shù)，而是一系列技術(shù)的集合，這些技術(shù)包括圖像處理、計算機視覺、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學習、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學習等[6]。在醫(yī)療相關(guān)領(lǐng)域，人工智能協(xié)助數(shù)據(jù)分析、臨床診斷和決策，在護理領(lǐng)域，人工智能技術(shù)也在不斷探索與發(fā)展。

2 人工智能在重癥護理中的應用

2.1 控制感染風險

醫(yī)院感染影響患者的發(fā)病率、病死率和生活質(zhì)量，是重要的公共衛(wèi)生問題。合理、有效的手衛(wèi)生能夠減少醫(yī)院獲得性感染的發(fā)生，但相關(guān)研究表明，ICU護士對手衛(wèi)生的認知程度較低[7]。Myo是一款為手勢控制設(shè)計的電子可穿戴設(shè)備，其通過肌電圖、加速度和旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)建立有效的手勢識別算法[8]。潘曉丹等[9]結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、定位技術(shù)和行為識別技術(shù)設(shè)計了一種監(jiān)測系統(tǒng)，通過胸牌記錄護士的行動，在護士出入危險感染區(qū)域前后使用指示燈及警示音提醒護士注意手衛(wèi)生，結(jié)果表明，應用新型系統(tǒng)后護士的有效洗手率較實施前上升43.3%。王今琦等[10]和Zhong等[11]的研究也支持這一結(jié)論，這表明實時監(jiān)測提醒功能在提高醫(yī)務工作者手衛(wèi)生方面具有一定的可借鑒之處。有效和持續(xù)的環(huán)境清潔及消毒也是減少醫(yī)院感染的關(guān)鍵，消毒服務機器人通過產(chǎn)生肉眼不可見的干霧黏附于微生物表面，進而起到滅菌作用，機器人同時還具有智能路徑規(guī)劃、規(guī)避障礙物、自主充電、遠程控制等功能[12]。ICU內(nèi)提供系統(tǒng)有效的口腔護理至關(guān)重要，缺乏口腔護理可增加牙菌斑沉積，滋養(yǎng)細菌，并可進一步導致肺炎[13]。3D傳感器智能牙刷可以收集并分析有關(guān)刷牙精度、持續(xù)時間和頻率的數(shù)據(jù)，從而提供定制建議，將刷牙遺漏的區(qū)域顯示在牙齒分布示意圖上[14]。

2.2 監(jiān)測生命體征

持續(xù)生命體征監(jiān)測技術(shù)常用于病情惡化患者或被認為有高度惡化風險的患者，早期識別惡化征象并進行臨床干預可以減少患者不良事件的發(fā)生。錯誤報警是持續(xù)監(jiān)測過程中的一個重要問題，而技術(shù)問題如電磁干擾、導線脫落等是解釋誤報警的原因?？纱┐魇缴w征監(jiān)測設(shè)備是一種便于攜帶且連續(xù)實施生命體征監(jiān)測的新型設(shè)備[15]，患者與設(shè)備不需通過導線相連，這在一定程度上減少了技術(shù)方面所帶來的無效警報。黃寧等[16]使用脈搏傳感器和溫度傳感器開發(fā)了可以實時監(jiān)測心率、體溫的可穿戴式設(shè)備，具有一定的穩(wěn)定性和可靠性。產(chǎn)生錯誤警報的另一重要原因是缺乏針對患者的個性化設(shè)置，而機器學習的應用使得個性化醫(yī)療成為一種可能。Ostojic等[17]通過機器學習算法結(jié)合大腦血氧儀數(shù)據(jù)，智能分析生理監(jiān)測并降低誤報警率。Mousavi等[18]進一步使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動提取數(shù)據(jù)，該方法在減少虛擬警報任務中取得了更好的效果，其對警報分類的敏感度為93.88%，特異度為92.05%。Ansari等[19]使用機器學習方法有效降低虛假心律失常報警的發(fā)生率，這也為將機器學習應用于生命體征監(jiān)測技術(shù)提供了更多的證據(jù)。

2.3 監(jiān)測細微活動

ICU患者可能在昏迷一段時間后出現(xiàn)細微而突然的反應，如手指、腳趾的運動或眨眼等,這些反應不可預測且難以識別[20]。傳統(tǒng)的人為觀察方法存在效率低下、可能錯過患者微小運動等特點。Reiter等[21]設(shè)計的無創(chuàng)移動傳感器(non-invasive mobility sensor,NIMS)可以對人進行定位、跟蹤和識別，通過預測患者的姿勢來判斷其最高水平的移動。但由于患者運動微小，床上活動很難監(jiān)測。Magi等[20]開發(fā)出一種新型的手部監(jiān)測系統(tǒng)，通過圖像處理和深度學習的方法對ICU患者進行實時監(jiān)控，將患者的手歸類為“正常”或“異常”,后者表明患者出現(xiàn)手部活動，此時系統(tǒng)以警報聲提醒醫(yī)生或護士，以便使患者盡快得到治療。但此系統(tǒng)目前僅適用于手部觀察，尚未拓展至全身監(jiān)測。

2.4 簡化護理流程

搬運患者是臨床護理中的一項常見操作，不僅消耗護士體力，長此以往容易造成護士骨骼肌肉損傷[22]。王洪波等[23]發(fā)明了一種模塊化對稱搬運護理機器人，其可以實現(xiàn)患者在病床和擔架車之間的轉(zhuǎn)移。He[24]設(shè)計了一種組合式護理床，運行時可使病床自動轉(zhuǎn)化為輪椅。物品傳送機器人是簡化護理流程的另一項科技創(chuàng)新。通過傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)及醫(yī)院中央系統(tǒng)，機器人可以按照要求執(zhí)行命令。新型冠狀病毒肺炎疫情推動機器人行業(yè)快速發(fā)展，在方艙醫(yī)院內(nèi)，智能機器人根據(jù)預設(shè)的路線進行送餐、送藥等活動，有效避免人與人之間的直接接觸，從源頭切斷病毒傳播[25]。機器人還可以幫助護士獲取物資，并將其運送到預設(shè)位置[26]。

2.5 輔助管理皮膚

ICU中患者病情危重，昏迷狀態(tài)者居多，易出現(xiàn)失禁癥狀，護理工作的繁忙使得護士不能及時發(fā)現(xiàn)并處理患者的排泄物，尿液和糞便的持續(xù)刺激導致皮膚出現(xiàn)紅疹或水皰，從而發(fā)生失禁性皮炎。失禁性皮炎不僅導致患者痛苦，同時延長住院時間、增加住院費用及護理工作的難度[27]。XFCS-A是一種新型的排泄護理機器人，其由采集器和控制箱兩部分組成，不僅可以收集排泄物進行脫臭處理，而且可以用溫水沖洗患者臀部并暖風吹干，去除異味[28]。由日本研發(fā)的Evercare護理床式機器人將全自動排泄處理系統(tǒng)嵌入床體，可自動感應并處理患者的大小便，但這種床式機器人使得患者的臀部長時間暴露于集便器中，影響患者舒適度[29]。由于同時存在多種壓力性損傷的危險因素，ICU患者也是壓力性損傷的高發(fā)人群。一種新型設(shè)備可以檢測患者的姿勢并識別何時應改變體位，幫助減少壓力性損傷的發(fā)生。該設(shè)備自動記錄患者的翻身質(zhì)量、當前位置和下一次翻身時間，如果護士沒有按照既定的治療方案翻身，就會收到警告，一旦翻身，數(shù)據(jù)自動重置并顯示下一次翻身的相關(guān)信息，結(jié)果顯示，使用這種新型設(shè)備后壓力性損傷的發(fā)生率較使用前下降1.54%[30]。

2.6 早期識別譫妄

譫妄是一種急性意識和認知功能障礙，研究表明，ICU中23.06%～30.80%的患者會出現(xiàn)譫妄[31-32]。如何早期識別譫妄是ICU護理的一個重要問題。Davoudi等[33]使用普適傳感技術(shù)和人工智能，通過傳感器和攝像頭捕捉數(shù)據(jù)，分析后發(fā)現(xiàn)譫妄患者與非譫妄患者在面部表情、肢體運動和姿勢功能狀態(tài)等方面存在顯著差異。患者的譫妄可能與自主神經(jīng)不穩(wěn)定有關(guān)，這可以通過心率變異性進行評估，基于以上假設(shè)，Oh等[34]利用心率變異性和機器學習方法建立了一種譫妄預測模型，該模型具有一定信效度。Mikalsen等[35]通過計算機自動閱覽病歷，運用一致聚類算法和t分布領(lǐng)域嵌入算法制定出基于錨定詞的譫妄識別模型，其精確率曲線下面積為0.96，但該模型診斷譫妄的正確率與電子病歷文本質(zhì)量有關(guān)，還需進一步驗證相關(guān)敏感度及特異度。

2.7 改善住院環(huán)境

環(huán)境智能是一種新興的技術(shù)形式，旨在通過嵌入周圍環(huán)境的智能工具響應人類的需求、習慣、手勢和情緒變化[36]。環(huán)境智能可以使分散的電子醫(yī)療系統(tǒng)與患者日常體驗產(chǎn)生聯(lián)系[37]?，F(xiàn)階段，家庭及社區(qū)是環(huán)境智能應用的主要場所，而ICU則存在巨大潛力。Halpern等[38]在未來ICU設(shè)計的規(guī)劃中指出，病房將通過編程自動控制室內(nèi)溫度、光線和空氣，以適應患者、訪客和員工的需求。通過語音交互設(shè)備如亞馬遜智能音響(Amazon Echo)，患者可以隨時呼叫護士[39]。不必要的噪聲是影響ICU患者康復的主要原因，Muller-Trapet等[40]通過傳感器進行噪聲聲源定位，從而監(jiān)測并管理ICU中的噪聲。人工智能的運用能夠增加患者與環(huán)境的交互，從而為患者提供一個更加舒適的康復空間。

3 人工智能在重癥護理中應用的挑戰(zhàn)

3.1 引發(fā)道德倫理問題

人工智能在管理數(shù)據(jù)方面存在巨大的潛力，但在實際應用過程中仍需考慮各種倫理問題?！秶倚乱淮斯ぶ悄軜藴鼠w系建設(shè)指南》明確規(guī)定了人工智能標準體系中的安全、倫理部分，內(nèi)容涉及數(shù)據(jù)安全、隱私保護、算法模型可信賴等[41]。使用人工智能可能會導致不恰當?shù)母深A，預測模型的構(gòu)建需要收集患者數(shù)據(jù)，但重癥患者由于病情危重往往無法同意是否使用自己的信息，這些問題都急需解決。為了加快人工智能在醫(yī)療領(lǐng)域中的應用，政府方面應聯(lián)合各領(lǐng)域?qū)＜夜餐贫ǚ煞ㄒ?guī)，明確醫(yī)療責任，同時規(guī)范數(shù)據(jù)收集和使用的權(quán)限。護士不僅要積極參與制度制定并提出自己的意見，還要踴躍參加相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計與研發(fā)，主動學習并提高評估和監(jiān)管智能系統(tǒng)的能力。

3.2 沖擊護理職業(yè)發(fā)展

從制定治療計劃到簡化護理流程，再到管理皮膚，人工智能已經(jīng)在護理的多個領(lǐng)域發(fā)揮作用。越來越多的護士擔心人工智能可能會替代其工作。一項針對病房護士的質(zhì)性研究表明，護士對于設(shè)備取代其護理職責存在一定的擔憂[42]。人機共融是一個新興的概念，指在協(xié)作區(qū)域內(nèi)人與機器能夠進行直接交互。在工作過程中，護理從業(yè)者應將人工智能視為伙伴而不是競爭對手，學會與人工智能合作，才能更好地助力護理工作，貼近行業(yè)需求。因此，當處于人工智能轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵階段時，護士有必要多了解人工智能，以便在臨床工作中更好地運用。

4 結(jié)語

科學技術(shù)的發(fā)展使得人工智能觸手可及，但其是一把雙刃劍，一方面可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作的信息，幫助醫(yī)務人員及時發(fā)現(xiàn)臨床問題并制定臨床決策，另一方面，人工智能運用于臨床的時間較短，可能引發(fā)道德倫理及職業(yè)發(fā)展等問題。人工智能在重癥護理領(lǐng)域的發(fā)展趨勢已然勢不可擋，為了適應這些變革帶來的挑戰(zhàn)，護理人員應積極學習相關(guān)知識，改進和完善人工智能臨床應用的可行性和實用性，讓人工智能在促進人類健康方面發(fā)揮更大的作用。