慢阻肺数字疗法探讨*

卢赛虎,张浩,牟岫影,王鹏,杜利东,3,陈贤祥,3,黄可,杨汀△,方震,3△

(1.中国科学院 空天信息创新研究院,北京100190;2.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院,北京100049;3.中国医学科学院 个性化呼吸慢病管理创新单元,北京100190;4.中日友好医院,北京 100029)

0 引言

随着人口老龄化,慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)简称慢阻肺,正成为一种常见的慢性疾病,给社会带来严重负担。据统计,慢阻肺目前是全球第三大死亡原因,2019年造成323万人死亡;接近90%的70岁以下的慢阻肺死亡患者发生在中低收入国家。2022版慢性阻塞性肺疾病全球倡议指出,慢阻肺是一种常见的可预防、可治疗的疾病。慢阻肺的病程可分为稳定期和急性加重期,其治疗策略主要集中于戒烟、肺部康复和症状缓解,尤其在新冠肺炎期间,对慢阻肺疾病的管理提出了新要求,有研究指出对慢阻肺的数字化管理可以提高治疗效果[1]。多项研究表明,使用数字健康应用程序的慢阻肺患者发生急性加重的频率有所下降,Shah等[2]基于血氧、心率和呼吸率建立的预测COPD恶化的分类器得到了60%～80%的灵敏度,68%～36%的特异性。Farmer等[3]发现,使用数字管理的患者住院率为0.83,低于一般护理患者,且两类患者在12个月内的就诊次数中位数之比为4∶4.5,使用数字管理的患者再就诊次数相对较少。

数字疗法是一种新兴的医学治疗类型[4]。在数字化方面,医疗保健一直落后于其他行业,在新型冠状病毒(COVID-19)大流行的背景下,医疗应用市场蓬勃发展[5],为数字疗法的发展提供了机会。数字疗法为呼吸慢病管理带来了改变[6],可为呼吸慢病患者提供个性化治疗方案[7]。Chen等[8]将慢阻肺患者纳入一个平台,通过提供电子药物监测器(electronic medication monitors,EMM)监测患者使用短效β受体激动剂(short-acting beta-agonist,SABA)的情况,及时跟踪患者的用药趋势,并提供反馈。Kaye等[9]评估了慢阻肺患者使用Propeller Health公司的数字健康管理平台的效果,此平台通过智能手机和电子药物检测器(EMM)来收集患者的数据,对参与者的数据进行统计分析,得出慢阻肺患者使用控制类药物的机率随疗程的延长而减小。Barrett等[10]也得出使用数字健康管理平台可明显降低患者使用SABA的频次。

本文将数字疗法在慢阻肺中的应用分为三部分进行综述,分别为:使用数字技术收集患者数据;利用收集到的数据进行分析并生成处方和对治疗过程进行监督管理,形成从患者到数据到处方的循环管理系统,并依据实际情况决定循环周期(见图1)。

图1 患者-数据-处方循环图

1 数字疗法应用于慢阻肺患者数据收集

收集患者数据是数字疗法的第一阶段。通过收集患者的基础生理参数和症状,为后续算法分析和处方生成提供数据支持。收集数据的方式多种多样,从传统问答到使用可穿戴设备,再到使用非接触无感设备。数字技术的发展与应用使得收集患者数据日益方便。

随着慢阻肺患者病情的恶化,体力活动能力会逐渐下降。Jean[11]讨论了慢阻肺患者体力活动后的评估和管理方法,以及慢阻肺恶化对日常生活的影响,指出日间活动能力(activities of daily living,ADL)是一个可反映患者活动能力的重要指标,应将ADL纳入患者的日常管理记录[12]。根据场景不同,数据收集可分为日间和夜间两部分,测量患者的基本生理参数、症状、情绪以及环境信息等,并通过问卷、主诉的方式记录患者相关信息,见图2。

图2 患者-数据流程图

1.1 传统方式

传统的数据收集方式大部分基于问卷或主诉[13],然后医生依据主诉并结合检查结果给出处方,但该收集方式效率较低且受主观影响较大。此外,居家治疗期间的数据收集较为麻烦,这对持续监测慢阻肺的发展产生了阻碍作用[14]。

1.2 可穿戴设备

电子设备小型化可以制造出适应性更高的可穿戴设备,为实现持续健康监测做出贡献[15]。可穿戴设备可持续监测人的身体活动和日常生理参数,包括心率、体温、步数等。传感器可附在鞋子、眼镜、耳环、衣服上,也可以电子皮肤的方式存在;传感器还可以嵌入到环境中,如椅子、汽车座椅和床垫等。智能手机通常用于收集信息,并将其传输到远程服务器进行存储和分析[16]。Al-Halhouli等[17]基于喷墨打印技术,开发出可伸缩、可穿戴的设备,对慢阻肺患者的呼吸率进行持续测量,结果与参考值无明显不同。Tiwari等[18]等使用可测量心率和身体活动的穿戴设备,预测慢阻肺疾病的严重程度和恶化潜力。结果显示,模型评估指标曲线下面积为0.69。Buekers等[19]使用可穿戴的指尖脉搏血氧仪连续测量慢阻肺患者居家期间的血氧波动变化。智能手表可对心率、血氧、ADL等指标进行测量[20-21],该类信息对慢阻肺的管理十分重要。

1.3 无感设备

无感设备有助于更好地将健康监测融入日常生活,此方式可避免佩戴设备带来的不适感,更好地解决用户依从性问题。无感监测设备不仅具有持续监测能力,且能满足不方便佩戴设备的特殊人群的监测需求,如烧伤患者或婴幼儿等。雷达技术近年来在医疗保健领域引起了广泛关注,其不仅可对呼吸、心跳等生命体征进行监测,还可以计算ADL、分析躯干运动以及时发现摔倒等意外事件[22-24]。Naranjo-Hernndez等[25]提出一种基于电容感应的呼吸检测装置,其能集成到背心中对慢阻肺患者进行呼吸率监测,测得的呼吸率误差小于1次/分钟。赵荣建等[26]设计出一种基于光纤的无感设备,通过分析身体震动带来的光纤中光强度变化得到心率、呼吸率和体动等信息;方震等[27]利用压电陶瓷技术获得心震图,并从心震图中精准提取逐拍心率。这两种方式可更为方便地监测慢阻肺患者在床的心率和呼吸率。Ballal等[28]通过短程射频技术感知呼吸努力和身体运动,从而监测慢阻肺患者呼吸率的变化情况。

2 利用数据进行分析和决策

利用数据通过人工智能算法给出处方是数字疗法的第二阶段。Palanica等[29]指出数字疗法可在临床反馈回路中监测和预测患者症状,并给出个性化处方,为医疗保健提供帮助。通过使用支持向量机、决策树、贝叶斯等方式对疾病进行分类,包括疾病的种类、严重程度等,或通过贝叶斯线性回归、神经网络回归等方式对疾病进行定量计算,给出确切数值以更好地指导治疗,并跟踪疾病的进展。该阶段将收集到的数据进行处理,一部分呈现给医生,一部分进行处理后,利用人工智能算法进行决策,给出处方,见图3。

图3 数据-处方流程图

Ballal等[28]等通过对慢阻肺患者夜间呼吸率的持续跟踪,对11名患者进行了连续8周监测,结合随访数据,对数据进行分析得出,在急性加重事件前夜间呼吸率有明显增加(每分钟增加约两个呼吸),并指出呼吸率是反映临床状态变化的潜在指标。Lin等[30]通过对慢阻肺患者的医疗保险数据分析,提出一个平滑贝叶斯网络模型来预测投保人群中的高成本慢阻肺患者,模型评估指标曲线下面积为0.80,此模型还通过结合专家知识来捕捉不同预测变量之间的复杂因果关系。Guthrie等[31]指出机器学习可生成具有预测性和响应性的模型来治疗和管理慢性病,并显示出具有改善治疗结果的潜力。Riva等[32]指出虚拟现实是一种有效的治疗和评估焦虑障碍、饮食和体重障碍以及疼痛的管理工具,并认为虚拟现实与人工智能的结合将为临床医生提供新的强大工具,实现个性化治疗。

3 用药和康复训练的监督

用药以及康复过程的监督是数字疗法的第三阶段,见图4。较高的依从性对慢阻肺的临床结果至关重要,否则会导致严重的健康和经济负担。由于涉及药物剂量、给药装置、用药时间等许多因素,患者使用药物的依从性普遍不佳。从疾病的临床情况,到病人对医生技术的信心,以及患者受到的环境影响[33]都对依从性有一定的影响。但目前对于依从性的评价尚无普遍共识,主要方法有:临床医生估计、患者自我报告、药丸计数称重、药房记录、生物标志物、电子监测等。Lareau等[34]提出可通过简化治疗方案、提高对患者疾病认知的教育、加强对患者技巧的培训等方式来解决药物依从性不足的问题。

图4 处方-患者流程图

3.1 用药过程的监督

吸入器设备的错误使用可能会对所输送药物的临床效果产生不良影响,Lavorini 等[35]对评估哮喘或慢阻肺患者正确使用干粉吸入器(dry powder inhaler,DPIs)的研究进行了综述,指出4%～94%的患者未正确使用吸入器。最普遍的错误包括启动前未呼气、在吸气后未憋气、吸入器位置不对、旋转顺序不对以及未能执行深吸气操作等。针对慢阻肺患者使用吸入器的问题,有研究人员通过数字技术方案来提高患者的依从性及其使用的规范性。Taylor等[36]指出,加压计量吸入器(metered—dose inhaler,MDI)和干粉吸入器是治疗哮喘和慢阻肺最常用的药物输送装置,提高患者对其使用的规范性,可提高治疗效果和患者的生活质量;并提出一种基于声音的方法来监督吸入器使用,其可为医疗保健人员提供吸入器使用的定量信息,与其他标准相比,此方式在评价使用效果方面更为客观。Zhao等[37]通过使用非接触式的雷达信号,利用人工智算法监督和记录患者对药物的使用情况;此方法通过将使用吸入器的关键步骤进行划分,跟踪患者的用药过程,并对患者使用吸入器的过程进行监督和记录,采集大量的数据对模型进行训练,得到的模型可对用药过程的规范性进行判断,从而提高患者依从性和用药规范性。

通过使用数字技术对慢阻肺患者的治疗进行监督与干预,不仅可提高患者的依从性以及用药的规范性,还可提高治疗效果、降低医疗负担。此外,对用药过程进行监督记录可以更好地对数字疗法进行改进,从而使慢阻肺的个性化数字疗法达到更加精准的效果。

3.2 康复训练的监督

现有证据表明,肺康复训练有利于慢阻肺患者的治疗。有氧下肢训练对慢阻肺患者在几个重要方面都有益处,包括运动耐力、呼吸困难的感知、生活质量和自我效能等[38]。体育锻炼是呼吸康复的重要组成部分,其可以逆转骨骼肌功能障碍,而骨骼肌功能障碍是慢阻肺的重要临床表现之一[39]。患者可利用运动手环、智能手机等设备对康复训练进行记录与统计。数字疗法给出的个性化处方可以结合患者的康复训练记录、用药情况以及身体状况进行及时调整,以达到最佳的治疗效果。

4 问题与展望

尽管数字疗法在疾病治疗干预方面存在优势,但也存在其局限性,与传统的医学和诊疗形式一样,数字治疗必须遵守监管指南,并需结合大量科学研究证明其准确性、可靠性和有效性。医疗保健提供者使用数字疗法只有在经过大量基于证据的声明,以及大量对患者安全性的证明后才能实施[40];但现在看来,只有很少的数字疗法满足此要求。研究类型本身也可能成为数字疗法技术的限制,因为数字疗法工具本质上不同于传统药物,使用双盲安慰剂对照试验(即临床研究的黄金标准)可能并不完全可行。此外,即使科学研究是健全的,应用程序也需在现实世界中实施并被医疗保健提供者、患者和消费者接纳。其他研究表明,单独实施可穿戴设备和数据收集可能不会直接导致行为改变[41],与数字治疗设备相关的潜在健康结果可能在很大程度上取决于激励干预,即涉及用户依从性等问题[42]。

尽管数字疗法存在一定的局限性,但其在症状监测和适应性治疗等方面具有常规疗法(无论是否数字化)无法实现的优势,可记录患者治疗全过程并实时监测患者当前状态,以及时调整处方,达到最佳治疗效果。此外,数字疗法可以针对不同患者给出个性化治疗方案,根据不同患者的具体情况,结合大数据及人工智能进行分析给出最佳的治疗方案。因此,随着技术的完善,数字疗法将逐渐成为慢阻肺预防、治疗和干预的新手段。