加速啟動(dòng)呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù) 引進(jìn)智慧穿戴新未來(lái)

比起心臟監(jiān)測(cè)，呼吸監(jiān)測(cè)的研究受到較少關(guān)注，在消費(fèi)或醫(yī)療應(yīng)用上的技術(shù)創(chuàng)新也沒(méi)那么多。究竟新冠肺炎疫情能不能推進(jìn)呼吸監(jiān)測(cè)的未來(lái)發(fā)展，在醫(yī)療裝置和藥物廠商的開(kāi)發(fā)進(jìn)程被列為優(yōu)先考慮呢？

愛(ài)美科互聯(lián)醫(yī)療解決方案（Connected Health Solutions）研究計(jì)劃主持人Carlos Agell表示：「提供呼吸監(jiān)測(cè)一套好的穿戴式平臺(tái)，對(duì)患有慢性阻塞性肺?。–OPD）和氣喘的病人來(lái)說(shuō)，會(huì)是一大進(jìn)展?！?br/>
他指出，至于這些穿戴式裝置能不能用于影響呼吸道的病毒或細(xì)菌傳染疾?。ɡ绠?dāng)前的Covid-19疫情），目前還在確認(rèn)。不過(guò)有件事可以確定，那就是普遍的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在居家環(huán)境搜集客觀資料，而且必要時(shí)還可以長(zhǎng)期進(jìn)行。

「穿戴式裝置可以作為偵測(cè)個(gè)人健康狀態(tài)變化的早期預(yù)警系統(tǒng)，從這個(gè)觀點(diǎn)來(lái)看，用來(lái)追蹤呼吸參數(shù)和血氧飽和濃度的穿戴式醫(yī)療貼布，可能會(huì)是未來(lái)全球性流行疾病防疫策略的其中一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件?！笰gell說(shuō)道。

樂(lè)觀來(lái)說(shuō)，疫情只是一時(shí)的，但很多呼吸道疾病都是慢性問(wèn)題，影響病患的日常生活。想想看，對(duì)COPD患者或是夜間氣喘發(fā)作的孩童來(lái)說(shuō)，病情惡化會(huì)是多么龐大的負(fù)擔(dān)，加上，目前全球其實(shí)有上百萬(wàn)的人口正苦陷于這些疾病，這對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響也甚巨。因此，全新的監(jiān)測(cè)技術(shù)和改良療法的重要性都不容小覷。

領(lǐng)域現(xiàn)況：從問(wèn)卷到間接性醫(yī)療檢測(cè)
為了檢查呼吸道疾病患者的健康狀態(tài)，例如COPD、肺纖維化、囊性纖維化和氣喘，目前醫(yī)院靠的是一些標(biāo)準(zhǔn)化的醫(yī)療檢測(cè)，來(lái)診斷或追蹤疾病并規(guī)劃療程。

常見(jiàn)的呼吸道檢測(cè)：

．肺計(jì)量（spirometry）

現(xiàn)在最常見(jiàn)的肺功能測(cè)試，能夠測(cè)量吸吐氣量和速度，必須讓病患對(duì)專用裝置呼吸空氣來(lái)進(jìn)行，因此既不實(shí)際也無(wú)法連續(xù)。

．脈搏血氧飽和度

可以監(jiān)測(cè)病患血液內(nèi)的氧氣飽和度，必須套上指夾式血氧儀來(lái)測(cè)量，并不適合作為臨床情境之外的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方案。

．肺部掃描能

夠協(xié)助診斷特定的肺部疾病，但必須在醫(yī)療院所進(jìn)行，還需要專業(yè)器材和受過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的技術(shù)人員。

Carlos Agell指出：「這些檢測(cè)大都有個(gè)缺點(diǎn)，就是必須由經(jīng)過(guò)完整培訓(xùn)的專業(yè)人員執(zhí)行，通常無(wú)法進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)，而且病患也經(jīng)常感到不適?！?br/>
愛(ài)美科深信，穿戴式科技可作為居家醫(yī)療監(jiān)測(cè)的輔助工具，近期進(jìn)行的COPD患者研究顯示穿戴式科技對(duì)改善這些病患生活的發(fā)展?jié)撃堋?br/>病患離院后或是居家時(shí)的狀態(tài)如何？醫(yī)生必須透過(guò)問(wèn)卷才能得知這些訊息。一般情況下，病患會(huì)低估他們的健康狀態(tài)，或是根本不記得一周或是一個(gè)月前的感受。因此，藉由持續(xù)監(jiān)測(cè)病患日常生活，取得客觀資料，可以提供復(fù)診醫(yī)療咨詢莫大幫助。

雖然說(shuō)現(xiàn)在有不少建設(shè)性的科技發(fā)展，像是密切關(guān)注病患居家狀況的數(shù)字助理（digital assistant），例如鎖定COPD患者的荷蘭居家健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)Luscci，或是其他遠(yuǎn)距醫(yī)療應(yīng)用，但要監(jiān)測(cè)病患，尤其是在醫(yī)院以外的場(chǎng)景進(jìn)行，其實(shí)還有很大的進(jìn)步空間。

跨域整合：呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵
半世以來(lái)，愛(ài)美科為了監(jiān)測(cè)不同的健康參數(shù)，不斷研究穿戴式裝置。Agell表示：「愛(ài)美科團(tuán)隊(duì)具備電子學(xué)專業(yè)背景，首要發(fā)展重點(diǎn)就是芯片設(shè)計(jì)與系統(tǒng)整合、低功耗運(yùn)作以及無(wú)線通信?，F(xiàn)在，我們更整合了算法開(kāi)發(fā)和機(jī)器學(xué)習(xí)，并連手臨床界的伙伴與患者進(jìn)行小規(guī)模試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)與算法，識(shí)別新興應(yīng)用與系統(tǒng)規(guī)格需求?！?br/>
愛(ài)美科確信，任何依據(jù)新興生物指標(biāo)開(kāi)發(fā)的新技術(shù)都必須經(jīng)過(guò)科學(xué)方法驗(yàn)證，為此，他們與醫(yī)療機(jī)構(gòu)合作，并將研究成果發(fā)表在先進(jìn)的科學(xué)出版物與會(huì)議紀(jì)錄中。

「這項(xiàng)研究動(dòng)員了約莫60名研究人員，橫跨芯片設(shè)計(jì)到算法開(kāi)發(fā)、生醫(yī)與數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域。正因?yàn)殡y得整合了如此廣泛的專業(yè)能力，因此帶來(lái)了卓越的研究成果與眾多的科學(xué)發(fā)表，并成功建立了不少跨界合作，例如業(yè)界的三星和飛利浦2020年收購(gòu)的美國(guó)生技公司BioTelemetry，還有臨床界的比利時(shí)東林堡醫(yī)院（ZOL）和荷蘭拉德堡德大學(xué)（Radbound University）?！笴arlos Agell進(jìn)一步說(shuō)明。

「我們的目標(biāo)是成為醫(yī)療裝置和藥廠的一站式服務(wù)據(jù)點(diǎn)，與他們一同研究特定組件或完成應(yīng)用開(kāi)發(fā)，或是授權(quán)我們的軟硬件?！顾f(shuō)道。

過(guò)去幾年，愛(ài)美科持續(xù)搜集了不同應(yīng)用領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，像是壓力管理、心衰竭和癲癇等，而呼吸監(jiān)測(cè)更被他們列為研究要點(diǎn)，主要因?yàn)檫@塊領(lǐng)域?qū)︶t(yī)療產(chǎn)業(yè)或病患來(lái)說(shuō)，都將獲益良多。

實(shí)例分析：持續(xù)性且穿戴式監(jiān)測(cè)COPD患者
病患研究
西班牙加泰隆尼亞生物工程研究所（IBEC）的生醫(yī)訊號(hào)處理與判讀

研究團(tuán)隊(duì)（BIOSPIN）與比利時(shí)東林堡醫(yī)院（ZOL）的胸腔科，近期共同進(jìn)行了一項(xiàng)研究，在COPD病患身上測(cè)試一項(xiàng)呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)。

愛(ài)美科首席科學(xué)家Willemijn Groenendaal表示：「COPD是全球主要死因之一，目前診斷與評(píng)估該疾病的嚴(yán)重程度，需要透過(guò)一項(xiàng)肺計(jì)量檢測(cè)，并輔以問(wèn)卷獲取的信息。但這些進(jìn)行這些檢測(cè)會(huì)有時(shí)間間隔，加上問(wèn)卷也較主觀，對(duì)臨床狀況較為復(fù)雜的COPD患者來(lái)說(shuō)，現(xiàn)行方法并不理想?！?br/>
愛(ài)美科偕同其他研究團(tuán)隊(duì)，展示了胸腔生物電阻抗和肌電圖測(cè)量方法的發(fā)展?jié)摿?，不僅舒適度更高，而且更不具侵入性。這是他們首次與COPD患者進(jìn)行臨床試驗(yàn)，并整合了生物阻抗與肌電圖分析，藉此證明這些測(cè)量方法用于非干擾性呼吸監(jiān)測(cè)的應(yīng)用可行性。

在醫(yī)院臨床上，該研究團(tuán)隊(duì)利用一套愛(ài)美科開(kāi)發(fā)的穿戴式研究用原型裝置，用來(lái)測(cè)量生物阻抗，并以桌上型裝置輔助判定肌肉訊號(hào)，包含肌電圖和肌動(dòng)圖。將來(lái)這些測(cè)量方法可以結(jié)合到單一的穿戴式裝置。這項(xiàng)研究的目標(biāo)則是先探索這些訊號(hào)對(duì)COPD患者的影響力。

Carlos Agell表示：「我們開(kāi)發(fā)了四款臨床試驗(yàn)的醫(yī)療裝置作為24小時(shí)全年無(wú)休的數(shù)據(jù)搜集平臺(tái)，提供我們研究病患使用。裝置規(guī)格包含了醫(yī)療貼片和手環(huán)，能讓我們以使用者友善的方式搜集原始數(shù)據(jù)，甚至可在病患和使用者進(jìn)行日常活動(dòng)的真實(shí)世界中進(jìn)行。2018年我們針對(duì)壓力偵測(cè)進(jìn)行的SWEET研究就是在真實(shí)世界完成試驗(yàn)的絕佳例證，那項(xiàng)研究也搜集到了全球最大的壓力相關(guān)數(shù)據(jù)集?！?br/>

 
圖一 : 愛(ài)美科臨床試驗(yàn)裝置，從左至右：可拋棄式舒適醫(yī)療貼片、

南丁格爾可重復(fù)使用的彈性多訊號(hào)裝置、愛(ài)美科開(kāi)發(fā)的醫(yī)療穿戴式原型裝置Chill+心理健康平臺(tái)、心臟監(jiān)測(cè)智能手表。

演算發(fā)開(kāi)發(fā)
從COPD病患身上，該研究利用愛(ài)美科研究用裝置和標(biāo)準(zhǔn)的有線數(shù)據(jù)搜集系統(tǒng)來(lái)獲取數(shù)據(jù)，接著開(kāi)發(fā)算法來(lái)理解這些數(shù)據(jù)。

Willemijn Groenendaal接著說(shuō)明他們通常會(huì)開(kāi)發(fā)的三種算法：

．訊號(hào)層算法

花費(fèi)大量演算力的目的就是將正確可用的數(shù)據(jù)從不可用的偏誤資料中分離出來(lái)。舉例來(lái)說(shuō)，在病患處于靜止?fàn)顟B(tài)下取得的數(shù)據(jù)，會(huì)比處于劇烈動(dòng)作下得來(lái)的還要可信得多。為此，我們研發(fā)了訊號(hào)質(zhì)量指針?biāo)惴?，為?zhí)行其他算法把關(guān)。針對(duì)COPD患者的使用案例，這就涉及了生物阻抗、肌電圖和肌動(dòng)圖的訊號(hào)質(zhì)量。

．?dāng)?shù)字生物指針層算法

下一步，我們會(huì)進(jìn)行特征提取，主要是把取自單個(gè)或數(shù)個(gè)生理系統(tǒng)的信息提取出來(lái)。例如，心率是從心電圖（ECG）提取出來(lái)的特征，以COPD病患為例，我們會(huì)開(kāi)發(fā)算法來(lái)計(jì)算吸氣時(shí)間、吸氣時(shí)間比、呼吸頻率和吸氣量，但在這階段，這些特征只能顯示病患健康的片面狀態(tài)。

．應(yīng)用層算法

在這階段，我們會(huì)整合多個(gè)生物指針、生理系統(tǒng)和身體子系統(tǒng)（心臟、呼吸系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)，以針對(duì)特定疾病做出決策。以COPD研究為例，我們可以根據(jù)整合生物阻抗和肌動(dòng)圖的新興方法，將病患分為三種「嚴(yán)重程度」組別。這些新興指標(biāo)未來(lái)也能用來(lái)持續(xù)性監(jiān)測(cè)該疾病的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)居家的遠(yuǎn)距醫(yī)療。但在此之前，當(dāng)然還是需要進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。

我們?cè)诘诙偷谌A段導(dǎo)入了人工智能技術(shù)。因此，我們會(huì)聚焦在可提供解釋的白箱AI，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為醫(yī)師必須理解為何系統(tǒng)做出某項(xiàng)決策，才能在必要時(shí)介入。所以說(shuō)，我們的研究團(tuán)隊(duì)也勢(shì)必要納入生醫(yī)領(lǐng)域的專家，并和臨床界合作，外加算法的開(kāi)發(fā)人員


 
圖二 : 要實(shí)現(xiàn)真正可靠的智能穿戴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要三種算法。圖為COPD使用案例的三大階段算法。

芯片與系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了開(kāi)發(fā)真正緊湊且舒適的穿戴式監(jiān)測(cè)裝置，芯片與系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵。事實(shí)上，這是愛(ài)美科主要的研究項(xiàng)目之一。

Carlos Agell表示：「我們開(kāi)發(fā)的穿戴式醫(yī)療平臺(tái)，其核心是全面整合以電池供電的無(wú)線傳感器中樞（sensor hub），它不僅可以同步測(cè)量多個(gè)參數(shù)，例如心電圖（ECG）、光體積描記圖（PPG）和生物阻抗（BioZ）等，消耗的功耗也很低，這對(duì)持續(xù)性監(jiān)測(cè)運(yùn)作來(lái)說(shuō)相當(dāng)重要，甚至還具備高度的安全等級(jí)?！?br/>
至于封裝這些呼吸傳感器的裝置規(guī)格，其實(shí)選擇相當(dāng)彈性，像是可拋式或可再用的醫(yī)療貼片、胸扣帶、項(xiàng)鏈或智慧衫，甚至還能與床墊、辦公椅貨車(chē)座椅整合，可以根據(jù)特定應(yīng)用設(shè)計(jì)。但不變的原則是讓病患感到舒適，這樣才能確保獲得采用。

結(jié)語(yǔ)
透過(guò)這套全方位的研究方法，開(kāi)發(fā)出能以非侵入式方式持續(xù)搜集客觀數(shù)據(jù)的穿戴式監(jiān)測(cè)技術(shù)成為可能，穿戴式裝置為呼吸道疾病患者開(kāi)拓了更美好的未來(lái)，包含了多個(gè)面向：

．在病患離院返家時(shí)提供專家連續(xù)性數(shù)據(jù)，在這種關(guān)鍵時(shí)刻維持密切關(guān)注。這也能有助于縮短住院時(shí)間。

．提供醫(yī)師病患居家時(shí)的客觀且可靠的數(shù)據(jù)，在復(fù)診追蹤時(shí)協(xié)助咨詢。

．在家監(jiān)控病患，當(dāng)病患狀況惡化時(shí)對(duì)專家發(fā)出預(yù)警。

﹒擴(kuò)大規(guī)模掃描個(gè)人呼吸道狀態(tài)，再利用這些數(shù)據(jù)，結(jié)合其他醫(yī)學(xué)測(cè)量與醫(yī)師專業(yè)知識(shí)，進(jìn)而診斷出呼吸道疾病的輕微癥狀。

﹒用于臨床試驗(yàn)以評(píng)估新藥功效，包含隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)和搜集真實(shí)世界數(shù)據(jù)。

﹒在制訂療程時(shí)偵測(cè)個(gè)別病患的服藥效用。

Carlos Agell表示：「目前的穿戴式感測(cè)裝置比前幾代還要更可靠、更智能和更容易使用。因此，可以用于研究，進(jìn)一步獲得針對(duì)特定疾病數(shù)字生物指針的深入洞見(jiàn)。未來(lái)，或許呼吸道特征可以與其他生命征象結(jié)合，用來(lái)顯示特定病患的壓力或疼痛等級(jí)指針，或是偵測(cè)像是癌癥病患或憂郁癥患者的整體健康狀態(tài)，應(yīng)用范圍廣泛，發(fā)展?jié)摿o(wú)窮?！?br/>
除了電子學(xué)和算法持續(xù)發(fā)展，還有病患研究提供輔助，此刻就是開(kāi)發(fā)、制造和應(yīng)用這些智能感測(cè)解決方案的最佳時(shí)機(jī)，提升眾多呼吸道疾病患者的生活質(zhì)量。

（本文由愛(ài)美科授權(quán)提供；作者為Carlos Agell1、Willemijn Groenendaal2為愛(ài)美科1互聯(lián)醫(yī)療解決方案研究計(jì)劃主持人、2首席科學(xué)家暨研究計(jì)劃主持人）