慢阻肺數字療法探討*

盧賽虎,張浩,牟岫影,王鵬,杜利東,3,陳賢祥,3,黃可,楊汀△,方震,3△

(1.中國科學院 空天信息創新研究院,北京100190;2.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院,北京100049;3.中國醫學科學院 個性化呼吸慢病管理創新單元,北京100190;4.中日友好醫院,北京 100029)

0 引言

隨著人口老齡化,慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)簡稱慢阻肺,正成為一種常見的慢性疾病,給社會帶來嚴重負擔。據統計,慢阻肺目前是全球第三大死亡原因,2019年造成323萬人死亡;接近90%的70歲以下的慢阻肺死亡患者發生在中低收入國家。2022版慢性阻塞性肺疾病全球倡議指出,慢阻肺是一種常見的可預防、可治療的疾病。慢阻肺的病程可分為穩定期和急性加重期,其治療策略主要集中于戒煙、肺部康復和癥狀緩解,尤其在新冠肺炎期間,對慢阻肺疾病的管理提出了新要求,有研究指出對慢阻肺的數字化管理可以提高治療效果[1]。多項研究表明,使用數字健康應用程序的慢阻肺患者發生急性加重的頻率有所下降,Shah等[2]基于血氧、心率和呼吸率建立的預測COPD惡化的分類器得到了60%～80%的靈敏度,68%～36%的特異性。Farmer等[3]發現,使用數字管理的患者住院率為0.83,低于一般護理患者,且兩類患者在12個月內的就診次數中位數之比為4∶4.5,使用數字管理的患者再就診次數相對較少。

數字療法是一種新興的醫學治療類型[4]。在數字化方面,醫療保健一直落后于其他行業,在新型冠狀病毒(COVID-19)大流行的背景下,醫療應用市場蓬勃發展[5],為數字療法的發展提供了機會。數字療法為呼吸慢病管理帶來了改變[6],可為呼吸慢病患者提供個性化治療方案[7]。Chen等[8]將慢阻肺患者納入一個平臺,通過提供電子藥物監測器(electronic medication monitors,EMM)監測患者使用短效β受體激動劑(short-acting beta-agonist,SABA)的情況,及時跟蹤患者的用藥趨勢,并提供反饋。Kaye等[9]評估了慢阻肺患者使用Propeller Health公司的數字健康管理平臺的效果,此平臺通過智能手機和電子藥物檢測器(EMM)來收集患者的數據,對參與者的數據進行統計分析,得出慢阻肺患者使用控制類藥物的機率隨療程的延長而減小。Barrett等[10]也得出使用數字健康管理平臺可明顯降低患者使用SABA的頻次。

本文將數字療法在慢阻肺中的應用分為三部分進行綜述,分別為:使用數字技術收集患者數據;利用收集到的數據進行分析并生成處方和對治療過程進行監督管理,形成從患者到數據到處方的循環管理系統,并依據實際情況決定循環周期(見圖1)。

圖1 患者-數據-處方循環圖

1 數字療法應用于慢阻肺患者數據收集

收集患者數據是數字療法的第一階段。通過收集患者的基礎生理參數和癥狀,為后續算法分析和處方生成提供數據支持。收集數據的方式多種多樣,從傳統問答到使用可穿戴設備,再到使用非接觸無感設備。數字技術的發展與應用使得收集患者數據日益方便。

隨著慢阻肺患者病情的惡化,體力活動能力會逐漸下降。Jean[11]討論了慢阻肺患者體力活動后的評估和管理方法,以及慢阻肺惡化對日常生活的影響,指出日間活動能力(activities of daily living,ADL)是一個可反映患者活動能力的重要指標,應將ADL納入患者的日常管理記錄[12]。根據場景不同,數據收集可分為日間和夜間兩部分,測量患者的基本生理參數、癥狀、情緒以及環境信息等,并通過問卷、主訴的方式記錄患者相關信息,見圖2。

圖2 患者-數據流程圖

1.1 傳統方式

傳統的數據收集方式大部分基于問卷或主訴[13],然后醫生依據主訴并結合檢查結果給出處方,但該收集方式效率較低且受主觀影響較大。此外,居家治療期間的數據收集較為麻煩,這對持續監測慢阻肺的發展產生了阻礙作用[14]。

1.2 可穿戴設備

電子設備小型化可以制造出適應性更高的可穿戴設備,為實現持續健康監測做出貢獻[15]。可穿戴設備可持續監測人的身體活動和日常生理參數,包括心率、體溫、步數等。傳感器可附在鞋子、眼鏡、耳環、衣服上,也可以電子皮膚的方式存在;傳感器還可以嵌入到環境中,如椅子、汽車座椅和床墊等。智能手機通常用于收集信息,并將其傳輸到遠程服務器進行存儲和分析[16]。Al-Halhouli等[17]基于噴墨打印技術,開發出可伸縮、可穿戴的設備,對慢阻肺患者的呼吸率進行持續測量,結果與參考值無明顯不同。Tiwari等[18]等使用可測量心率和身體活動的穿戴設備,預測慢阻肺疾病的嚴重程度和惡化潛力。結果顯示,模型評估指標曲線下面積為0.69。Buekers等[19]使用可穿戴的指尖脈搏血氧儀連續測量慢阻肺患者居家期間的血氧波動變化。智能手表可對心率、血氧、ADL等指標進行測量[20-21],該類信息對慢阻肺的管理十分重要。

1.3 無感設備

無感設備有助于更好地將健康監測融入日常生活,此方式可避免佩戴設備帶來的不適感,更好地解決用戶依從性問題。無感監測設備不僅具有持續監測能力,且能滿足不方便佩戴設備的特殊人群的監測需求,如燒傷患者或嬰幼兒等。雷達技術近年來在醫療保健領域引起了廣泛關注,其不僅可對呼吸、心跳等生命體征進行監測,還可以計算ADL、分析軀干運動以及時發現摔倒等意外事件[22-24]。Naranjo-Hernndez等[25]提出一種基于電容感應的呼吸檢測裝置,其能集成到背心中對慢阻肺患者進行呼吸率監測,測得的呼吸率誤差小于1次/分鐘。趙榮建等[26]設計出一種基于光纖的無感設備,通過分析身體震動帶來的光纖中光強度變化得到心率、呼吸率和體動等信息;方震等[27]利用壓電陶瓷技術獲得心震圖,并從心震圖中精準提取逐拍心率。這兩種方式可更為方便地監測慢阻肺患者在床的心率和呼吸率。Ballal等[28]通過短程射頻技術感知呼吸努力和身體運動,從而監測慢阻肺患者呼吸率的變化情況。

2 利用數據進行分析和決策

利用數據通過人工智能算法給出處方是數字療法的第二階段。Palanica等[29]指出數字療法可在臨床反饋回路中監測和預測患者癥狀,并給出個性化處方,為醫療保健提供幫助。通過使用支持向量機、決策樹、貝葉斯等方式對疾病進行分類,包括疾病的種類、嚴重程度等,或通過貝葉斯線性回歸、神經網絡回歸等方式對疾病進行定量計算,給出確切數值以更好地指導治療,并跟蹤疾病的進展。該階段將收集到的數據進行處理,一部分呈現給醫生,一部分進行處理后,利用人工智能算法進行決策,給出處方,見圖3。

圖3 數據-處方流程圖

Ballal等[28]等通過對慢阻肺患者夜間呼吸率的持續跟蹤,對11名患者進行了連續8周監測,結合隨訪數據,對數據進行分析得出,在急性加重事件前夜間呼吸率有明顯增加(每分鐘增加約兩個呼吸),并指出呼吸率是反映臨床狀態變化的潛在指標。Lin等[30]通過對慢阻肺患者的醫療保險數據分析,提出一個平滑貝葉斯網絡模型來預測投保人群中的高成本慢阻肺患者,模型評估指標曲線下面積為0.80,此模型還通過結合專家知識來捕捉不同預測變量之間的復雜因果關系。Guthrie等[31]指出機器學習可生成具有預測性和響應性的模型來治療和管理慢性病,并顯示出具有改善治療結果的潛力。Riva等[32]指出虛擬現實是一種有效的治療和評估焦慮障礙、飲食和體重障礙以及疼痛的管理工具,并認為虛擬現實與人工智能的結合將為臨床醫生提供新的強大工具,實現個性化治療。

3 用藥和康復訓練的監督

用藥以及康復過程的監督是數字療法的第三階段,見圖4。較高的依從性對慢阻肺的臨床結果至關重要,否則會導致嚴重的健康和經濟負擔。由于涉及藥物劑量、給藥裝置、用藥時間等許多因素,患者使用藥物的依從性普遍不佳。從疾病的臨床情況,到病人對醫生技術的信心,以及患者受到的環境影響[33]都對依從性有一定的影響。但目前對于依從性的評價尚無普遍共識,主要方法有:臨床醫生估計、患者自我報告、藥丸計數稱重、藥房記錄、生物標志物、電子監測等。Lareau等[34]提出可通過簡化治療方案、提高對患者疾病認知的教育、加強對患者技巧的培訓等方式來解決藥物依從性不足的問題。

圖4 處方-患者流程圖

3.1 用藥過程的監督

吸入器設備的錯誤使用可能會對所輸送藥物的臨床效果產生不良影響,Lavorini 等[35]對評估哮喘或慢阻肺患者正確使用干粉吸入器(dry powder inhaler,DPIs)的研究進行了綜述,指出4%～94%的患者未正確使用吸入器。最普遍的錯誤包括啟動前未呼氣、在吸氣后未憋氣、吸入器位置不對、旋轉順序不對以及未能執行深吸氣操作等。針對慢阻肺患者使用吸入器的問題,有研究人員通過數字技術方案來提高患者的依從性及其使用的規范性。Taylor等[36]指出,加壓計量吸入器(metered—dose inhaler,MDI)和干粉吸入器是治療哮喘和慢阻肺最常用的藥物輸送裝置,提高患者對其使用的規范性,可提高治療效果和患者的生活質量;并提出一種基于聲音的方法來監督吸入器使用,其可為醫療保健人員提供吸入器使用的定量信息,與其他標準相比,此方式在評價使用效果方面更為客觀。Zhao等[37]通過使用非接觸式的雷達信號,利用人工智算法監督和記錄患者對藥物的使用情況;此方法通過將使用吸入器的關鍵步驟進行劃分,跟蹤患者的用藥過程,并對患者使用吸入器的過程進行監督和記錄,采集大量的數據對模型進行訓練,得到的模型可對用藥過程的規范性進行判斷,從而提高患者依從性和用藥規范性。

通過使用數字技術對慢阻肺患者的治療進行監督與干預,不僅可提高患者的依從性以及用藥的規范性,還可提高治療效果、降低醫療負擔。此外,對用藥過程進行監督記錄可以更好地對數字療法進行改進,從而使慢阻肺的個性化數字療法達到更加精準的效果。

3.2 康復訓練的監督

現有證據表明,肺康復訓練有利于慢阻肺患者的治療。有氧下肢訓練對慢阻肺患者在幾個重要方面都有益處,包括運動耐力、呼吸困難的感知、生活質量和自我效能等[38]。體育鍛煉是呼吸康復的重要組成部分,其可以逆轉骨骼肌功能障礙,而骨骼肌功能障礙是慢阻肺的重要臨床表現之一[39]。患者可利用運動手環、智能手機等設備對康復訓練進行記錄與統計。數字療法給出的個性化處方可以結合患者的康復訓練記錄、用藥情況以及身體狀況進行及時調整,以達到最佳的治療效果。

4 問題與展望

盡管數字療法在疾病治療干預方面存在優勢,但也存在其局限性,與傳統的醫學和診療形式一樣,數字治療必須遵守監管指南,并需結合大量科學研究證明其準確性、可靠性和有效性。醫療保健提供者使用數字療法只有在經過大量基于證據的聲明,以及大量對患者安全性的證明后才能實施[40];但現在看來,只有很少的數字療法滿足此要求。研究類型本身也可能成為數字療法技術的限制,因為數字療法工具本質上不同于傳統藥物,使用雙盲安慰劑對照試驗(即臨床研究的黃金標準)可能并不完全可行。此外,即使科學研究是健全的,應用程序也需在現實世界中實施并被醫療保健提供者、患者和消費者接納。其他研究表明,單獨實施可穿戴設備和數據收集可能不會直接導致行為改變[41],與數字治療設備相關的潛在健康結果可能在很大程度上取決于激勵干預,即涉及用戶依從性等問題[42]。

盡管數字療法存在一定的局限性,但其在癥狀監測和適應性治療等方面具有常規療法(無論是否數字化)無法實現的優勢,可記錄患者治療全過程并實時監測患者當前狀態,以及時調整處方,達到最佳治療效果。此外,數字療法可以針對不同患者給出個性化治療方案,根據不同患者的具體情況,結合大數據及人工智能進行分析給出最佳的治療方案。因此,隨著技術的完善,數字療法將逐漸成為慢阻肺預防、治療和干預的新手段。