加速啟動呼吸監(jiān)測技術 引進智慧穿戴新未來

比起心臟監(jiān)測，呼吸監(jiān)測的研究受到較少關注，在消費或醫(yī)療應用上的技術創(chuàng)新也沒那么多。究竟新冠肺炎疫情能不能推進呼吸監(jiān)測的未來發(fā)展，在醫(yī)療裝置和藥物廠商的開發(fā)進程被列為優(yōu)先考慮呢？

愛美科互聯(lián)醫(yī)療解決方案（Connected Health Solutions）研究計劃主持人Carlos Agell表示：「提供呼吸監(jiān)測一套好的穿戴式平臺，對患有慢性阻塞性肺?。–OPD）和氣喘的病人來說，會是一大進展?！?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菌傳染疾?。ɡ绠斍暗腃ovid-19疫情），目前還在確認。不過有件事可以確定，那就是普遍的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)在居家環(huán)境搜集客觀資料，而且必要時還可以長期進行。

「穿戴式裝置可以作為偵測個人健康狀態(tài)變化的早期預警系統(tǒng)，從這個觀點來看，用來追蹤呼吸參數(shù)和血氧飽和濃度的穿戴式醫(yī)療貼布，可能會是未來全球性流行疾病防疫策略的其中一項標準構件?！笰gell說道。

樂觀來說，疫情只是一時的，但很多呼吸道疾病都是慢性問題，影響病患的日常生活。想想看，對COPD患者或是夜間氣喘發(fā)作的孩童來說，病情惡化會是多么龐大的負擔，加上，目前全球其實有上百萬的人口正苦陷于這些疾病，這對經(jīng)濟的影響也甚巨。因此，全新的監(jiān)測技術和改良療法的重要性都不容小覷。

領域現(xiàn)況：從問卷到間接性醫(yī)療檢測
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)院靠的是一些標準化的醫(yī)療檢測，來診斷或追蹤疾病并規(guī)劃療程。

常見的呼吸道檢測：

．肺計量（spirometry）

現(xiàn)在最常見的肺功能測試，能夠測量吸吐氣量和速度，必須讓病患對專用裝置呼吸空氣來進行，因此既不實際也無法連續(xù)。

．脈搏血氧飽和度

可以監(jiān)測病患血液內的氧氣飽和度，必須套上指夾式血氧儀來測量，并不適合作為臨床情境之外的長期監(jiān)測方案。

．肺部掃描能

夠協(xié)助診斷特定的肺部疾病，但必須在醫(yī)療院所進行，還需要專業(yè)器材和受過專業(yè)訓練的技術人員。

Carlos Agell指出：「這些檢測大都有個缺點，就是必須由經(jīng)過完整培訓的專業(yè)人員執(zhí)行，通常無法進行連續(xù)性監(jiān)測，而且病患也經(jīng)常感到不適。」

愛美科深信，穿戴式科技可作為居家醫(yī)療監(jiān)測的輔助工具，近期進行的COPD患者研究顯示穿戴式科技對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的狀態(tài)如何？醫(yī)生必須透過問卷才能得知這些訊息。一般情況下，病患會低估他們的健康狀態(tài)，或是根本不記得一周或是一個月前的感受。因此，藉由持續(xù)監(jiān)測病患日常生活，取得客觀資料，可以提供復診醫(yī)療咨詢莫大幫助。

雖然說現(xiàn)在有不少建設性的科技發(fā)展，像是密切關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)測平臺Luscci，或是其他遠距醫(yī)療應用，但要監(jiān)測病患，尤其是在醫(yī)院以外的場景進行，其實還有很大的進步空間。

跨域整合：呼吸監(jiān)測技術創(chuàng)新的關鍵
半世以來，愛美科為了監(jiān)測不同的健康參數(shù)，不斷研究穿戴式裝置。Agell表示：「愛美科團隊具備電子學專業(yè)背景，首要發(fā)展重點就是芯片設計與系統(tǒng)整合、低功耗運作以及無線通信?，F(xiàn)在，我們更整合了算法開發(fā)和機器學習，并連手臨床界的伙伴與患者進行小規(guī)模試驗，進一步驗證系統(tǒng)與算法，識別新興應用與系統(tǒng)規(guī)格需求。」

愛美科確信，任何依據(jù)新興生物指標開發(fā)的新技術都必須經(jīng)過科學方法驗證，為此，他們與醫(yī)療機構合作，并將研究成果發(fā)表在先進的科學出版物與會議紀錄中。

「這項研究動員了約莫60名研究人員，橫跨芯片設計到算法開發(fā)、生醫(yī)與數(shù)據(jù)科學領域。正因為難得整合了如此廣泛的專業(yè)能力，因此帶來了卓越的研究成果與眾多的科學發(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年收購的美國生技公司BioTelemetry，還有臨床界的比利時東林堡醫(yī)院（ZOL）和荷蘭拉德堡德大學（Radbound University）?！笴arlos Agell進一步說明。

「我們的目標是成為醫(yī)療裝置和藥廠的一站式服務據(jù)點，與他們一同研究特定組件或完成應用開發(fā)，或是授權我們的軟硬件。」他說道。

過去幾年，愛美科持續(xù)搜集了不同應用領域的專業(yè)知識，像是壓力管理、心衰竭和癲癇等，而呼吸監(jiān)測更被他們列為研究要點，主要因為這塊領域對醫(yī)療產(chǎn)業(yè)或病患來說，都將獲益良多。

實例分析：持續(xù)性且穿戴式監(jiān)測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)訊號處理與判讀

研究團隊（BIOSPIN）與比利時東林堡醫(yī)院（ZOL）的胸腔科，近期共同進行了一項研究，在COPD病患身上測試一項呼吸監(jiān)測技術。

愛美科首席科學家Willemijn Groenendaal表示：「COPD是全球主要死因之一，目前診斷與評估該疾病的嚴重程度，需要透過一項肺計量檢測，并輔以問卷獲取的信息。但這些進行這些檢測會有時間間隔，加上問卷也較主觀，對臨床狀況較為復雜的COPD患者來說，現(xiàn)行方法并不理想?！?br/>
愛美科偕同其他研究團隊，展示了胸腔生物電阻抗和肌電圖測量方法的發(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患者進行臨床試驗，并整合了生物阻抗與肌電圖分析，藉此證明這些測量方法用于非干擾性呼吸監(jiān)測的應用可行性。

在醫(yī)院臨床上，該研究團隊利用一套愛美科開發(fā)的穿戴式研究用原型裝置，用來測量生物阻抗，并以桌上型裝置輔助判定肌肉訊號，包含肌電圖和肌動圖。將來這些測量方法可以結合到單一的穿戴式裝置。這項研究的目標則是先探索這些訊號對COPD患者的影響力。

Carlos Agell表示：「我們開發(fā)了四款臨床試驗的醫(yī)療裝置作為24小時全年無休的數(shù)據(jù)搜集平臺，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行日?；顒拥恼鎸嵤澜缰羞M行。2018年我們針對壓力偵測進行的SWEET研究就是在真實世界完成試驗的絕佳例證，那項研究也搜集到了全球最大的壓力相關數(shù)據(jù)集?！?br/>

 
圖一 : 愛美科臨床試驗裝置，從左至右：可拋棄式舒適醫(yī)療貼片、

南丁格爾可重復使用的彈性多訊號裝置、愛美科開發(fā)的醫(yī)療穿戴式原型裝置Chill+心理健康平臺、心臟監(jiān)測智能手表。

演算發(fā)開發(fā)
從COPD病患身上，該研究利用愛美科研究用裝置和標準的有線數(shù)據(jù)搜集系統(tǒng)來獲取數(shù)據(jù)，接著開發(fā)算法來理解這些數(shù)據(jù)。

Willemijn Groenendaal接著說明他們通常會開發(fā)的三種算法：

．訊號層算法

花費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。舉例來說，在病患處于靜止狀態(tài)下取得的數(shù)據(jù)，會比處于劇烈動作下得來的還要可信得多。為此，我們研發(fā)了訊號質量指針算法，為執(zhí)行其他算法把關。針對COPD患者的使用案例，這就涉及了生物阻抗、肌電圖和肌動圖的訊號質量。

．數(shù)字生物指針層算法

下一步，我們會進行特征提取，主要是把取自單個或數(shù)個生理系統(tǒng)的信息提取出來。例如，心率是從心電圖（ECG）提取出來的特征，以COPD病患為例，我們會開發(fā)算法來計算吸氣時間、吸氣時間比、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)。

．應用層算法

在這階段，我們會整合多個生物指針、生理系統(tǒng)和身體子系統(tǒng)（心臟、呼吸系統(tǒng)和運動系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)，以針對特定疾病做出決策。以COPD研究為例，我們可以根據(jù)整合生物阻抗和肌動圖的新興方法，將病患分為三種「嚴重程度」組別。這些新興指標未來也能用來持續(xù)性監(jiān)測該疾病的進展，實現(xiàn)居家的遠距醫(yī)療。但在此之前，當然還是需要進一步研究和開發(fā)。

我們在第二和第三階段導入了人工智能技術。因此，我們會聚焦在可提供解釋的白箱AI，因為我們認為醫(yī)師必須理解為何系統(tǒng)做出某項決策，才能在必要時介入。所以說，我們的研究團隊也勢必要納入生醫(yī)領域的專家，并和臨床界合作，外加算法的開發(fā)人員


 
圖二 : 要實現(xiàn)真正可靠的智能穿戴監(jiān)測系統(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)設計
為了開發(fā)真正緊湊且舒適的穿戴式監(jiān)測裝置，芯片與系統(tǒng)設計也是關鍵。事實上，這是愛美科主要的研究項目之一。

Carlos Agell表示：「我們開發(fā)的穿戴式醫(yī)療平臺，其核心是全面整合以電池供電的無線傳感器中樞（sensor hub），它不僅可以同步測量多個參數(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，這對持續(xù)性監(jiān)測運作來說相當重要，甚至還具備高度的安全等級?！?br/>
至于封裝這些呼吸傳感器的裝置規(guī)格，其實選擇相當彈性，像是可拋式或可再用的醫(yī)療貼片、胸扣帶、項鏈或智慧衫，甚至還能與床墊、辦公椅貨車座椅整合，可以根據(jù)特定應用設計。但不變的原則是讓病患感到舒適，這樣才能確保獲得采用。

結語
透過這套全方位的研究方法，開發(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)測技術成為可能，穿戴式裝置為呼吸道疾病患者開拓了更美好的未來，包含了多個面向：

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

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

．在家監(jiān)控病患，當病患狀況惡化時對專家發(fā)出預警。

﹒擴大規(guī)模掃描個人呼吸道狀態(tài)，再利用這些數(shù)據(jù)，結合其他醫(yī)學測量與醫(yī)師專業(yè)知識，進而診斷出呼吸道疾病的輕微癥狀。

﹒用于臨床試驗以評估新藥功效，包含隨機對照試驗和搜集真實世界數(shù)據(jù)。

﹒在制訂療程時偵測個別病患的服藥效用。

Carlos Agell表示：「目前的穿戴式感測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，進一步獲得針對特定疾病數(shù)字生物指針的深入洞見。未來，或許呼吸道特征可以與其他生命征象結合，用來顯示特定病患的壓力或疼痛等級指針，或是偵測像是癌癥病患或憂郁癥患者的整體健康狀態(tài)，應用范圍廣泛，發(fā)展?jié)摿o窮?！?br/>
除了電子學和算法持續(xù)發(fā)展，還有病患研究提供輔助，此刻就是開發(fā)、制造和應用這些智能感測解決方案的最佳時機，提升眾多呼吸道疾病患者的生活質量。

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