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临床级可穿戴设备:持续监测新型冠状病毒肺炎!

时间: 2020-07-06

2020中国(广州)国际家庭医疗器械展览会

China(Guangzhou)International Household Medical Devices Exhibition

2020.12.6-8
广州·广交会展馆

THE GLOBAL PLATFORM FOR PROFESSIONALS IN THE HEALTH INDUSTRY


导读
据美国西北大学官网近日报道,该校科学家开发出临床级可穿戴设备,可用于持续监测新型冠状病毒肺炎。这些可穿戴设备可以采集症状数据并通过机器学习算法进行分析,从而有利于新冠肺炎的早期检测,以及持续监测患者健康状况。

背景

如今,“可穿戴设备”已不再是什么新概念了,我们身边到处可见各式各样的可穿戴设备,例如智能化的手表、手环、眼镜、头盔、服装、配饰等。这些可穿戴设备具有许多新颖的功能,例如运动计步、睡眠监测、虚拟现实、通信、定位等。

近年来,医疗健康监测逐渐成长为可穿戴设备极具前景的应用领域之一。此类可穿戴设备不仅可以监测心率、体表温度、血氧水平、运动量以及其他生理参数,还能监测与肝炎、炎症甚至胰岛素有关的重要生理指标。

监测心率、呼吸、肌肉运动等健康数据的电子皮肤:

(图片来源:大邱庆北科学技术院)

监测并治疗糖尿病的石墨烯腕带:

(图片来源:Hui Won Yun / 首尔大学)

这款柔性贴片可测量汗液成分,监测身体对于运动的反应以及健康状况:

(图片来源:John A. Rogers / 美国西北大学)

时下,人类正面临新型冠状病毒肺炎疫情所带来的前所未有的大挑战,我们不禁会问,可穿戴设备又能发挥什么样的作用呢?虽然依靠“健康追踪器”来发现新型冠状病毒肺炎(COVID-19)的早期症状可能会是一个非常吸引人的想法,但是美国西北大学的研究人员却提醒我们:消费类可穿戴设备技术上并不成熟,不足以用于监测复杂的疾病。

创新生物电子学领域先驱人物约翰·A·罗杰斯(John A. Rogers)领导的美国西北大学团队,于7月1日在《科学进展(Science Advances)》期刊上发表了一篇新论文,将大众化的消费电子产品与临床级监测系统区分开来。与罗杰斯合著这篇论文的有美国西北大学医学院皮肤科医生徐帅(音译:Shuai Xu)博士以及罗杰斯实验室(Rogers lab)博士后研究员郑孝英(音译:Hyoyoung Jeong)。罗杰斯表示:“根据美国医学协会杂志报道,新型冠状病毒肺炎三个最重要的早期症状是发烧、气短和咳嗽。你会想要用可穿戴技术来追踪这些关键症状。然而,诸如健康追踪器之类的传统可穿戴设备位于手腕或者手指上,这些位置并不是与新冠肺炎最相关的解剖位置。”今年春天,罗杰斯团队与 Shirley Ryan AbilityLab 的研究人员向我们介绍了一款新型可穿戴设备以及一个特别定制的数据算法集,来发现与新冠肺炎相关的早期症状,并随着病情发展对患者进行监控。这款柔软弹性的无线设备位于胸骨上切迹(suprasternal notch)的正下方,即喉咙底部可见的凹陷处,该部位是监测呼吸健康的理想位置。

(图片来源:美国西北大学)

最近,罗杰斯团队增加了一个可穿戴柔性脉搏血氧仪,使之与安装在胸骨上的设备配成一对。这样一来,医师就可以持续监测“隐形缺氧(silent hypoxia)”的症状。这种症状患者的血氧水平已经低得惊人,但本人却没有觉察,然后病情突然加剧恶化,令人猝不及防。添加这一功能将帮助设备,连同算法集,更全面地描述疾病的发生、进展以及对于治疗的反应。

罗杰斯表示:“该设备测量皮肤上非常微弱的振动,内置温度传感器来监测发烧。当你咳嗽和呼吸时,它记录咳嗽的次数,监测咳嗽的强度,并检测呼吸困难。喉咙上的位置离颈动脉足够近,因此可以测量血流的力学特征,监测心率。”徐帅表示:“这个传感器系统针对新冠肺炎的主要症状,目的是尽早发现感染的患者。这是一套临床级传感器,装在一个小设备中。当它放在喉部时,人们甚至不会意识到它在那里。”

(图片来源:参考资料【1】)

技术从四月份发布这个设备开始,团队已经对 Shirley Ryan AbilityLab 和美国西北纪念医院中的52名新型冠状病毒阳性的医生、护士、康复专家和患者进行了测试,而且在医院和家中都测试过该设备。

通过这些测试,罗杰斯及其团队采集了三千小时的数据,这些数据将继续强化这个设备的算法。最终,机器学习算法将变得足够智能,从而可以区分类似新冠肺炎的咳嗽以及过敏、感冒或干燥引起的良性咳嗽。团队预计到年底时将测试达500名受试者。算法开发的领导者、Shirley Ryan AbilityLab 的研究助理科学家 Arun Jayaraman 表示:“我们已经清楚地看到,传感器采集到的新冠肺炎患者与健康对照组之间的生命体征差异。我们正在合作开发用于早期检测这种疾病的预测算法。”

美国西北大学医学院胸外科主任安基特·巴拉特(Ankit Bharat)是首个在美国对于新冠肺炎患者进行双肺移植的医生。他正在他的肺病患者身上积极测试这个设备。该设备将数据通过无线方式传输到一个受“健康保险便携性和责任法案(HIPAA)”保护的“云”上。在那里,自动化算法生成一个为方便快速、远程监控而定制的图形摘要。这使得巴拉特在他的病患出院之后还能继续监测他们的健康。

获取个体数据、安全上传数据的自动化数据管理系统以及评估新冠肺炎症状和恢复的机器学习算法。(图片来源:参考资料【1】)

巴拉特表示:“它提供了关于每个患者呼吸状况的有价值的信息。我们希望,随着我们越来越多地使用这个设备,远程监测病患的能力将得到大幅改善。在疫情大流行的情况下,远程监控能力提升了医疗效率,同时也加强了医护人员对于病毒的防护。”

为了加速制造与部署,罗杰斯与徐帅基于西北大学与 Shirley Ryan AbilityLab 联合开发的知识产权(IP),创办了一家技术创业公司 Sonica Health。与这个项目相关的知识产权由美国西北大学创新与初创企业办公室来管理。这个项目得到了美国生物医学高级研究和发展管理局(BARDA)的支持,BARDA 是美国卫生与公众服务部备灾及应变助理秘书长办公室的一个组成部分。Sonica Health 之前与 BARDA 在关注慢性阻塞性肺病(COPD)方面的技术上展开合作。现在,这个合作关系拓展到关注新型冠状病毒肺炎的早期检测以及其他高风险临床人员的呼吸道感染,并与另一家来自 Querrey Simpson 生物电子研究所(QSIB)的衍生公司 Sibel Health 合作提供脉搏血氧传感器。在 BARDA 的支持下,Sonica Health 和 Sibel Health 将联合向美国食品和药物管理局(FDA)提交这个设备以及相关算法。总体目标是一个获得 FDA 批准的平台,该平台可以对新型冠状病毒肺炎感染进行早期示警,帮助减少病毒的传播。

关键词: 新型冠状病毒、可穿戴、传感器、算法

参考资料:【1】Hyoyoung Jeong, et al.(2020) Continuous on-body sensing for the COVID-19 pandemic: Gaps and opportunities. Science Advances. doi.org/10.1126/sciadv.abd4794.

文章来源:环球创新智慧

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