蔣維芃， 金 鑫， 陳翠翠,2， 周 建,2,6， 宋元林,2,3,4,5,6*

1.復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，上海200032 2.上海市呼吸病研究所, 上海200032 3.國(guó)家老年疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心(華山)，上海200000 4.復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院青浦分院呼吸科，上海201700 5.復(fù)旦大學(xué)附屬金山醫(yī)院，上海201508 6.上海呼吸物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究中心, 上海200032

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)、支氣管哮喘(bronchial asthma)、阻塞性睡眠呼吸暫停(obstructive sleep apnea，OSA)等是我國(guó)常見(jiàn)的呼吸系統(tǒng)疾病，對(duì)民眾健康造成了極大威脅，也帶來(lái)沉重的醫(yī)療負(fù)擔(dān)。我國(guó)呼吸疾病管理存在診斷不足、治療不規(guī)范的問(wèn)題，需要將管理重心下移，關(guān)口前移，最大化實(shí)現(xiàn)呼吸系統(tǒng)常見(jiàn)疾病的規(guī)范化診治。

可穿戴設(shè)備指可直接穿戴于身體各處的便攜式設(shè)備，其整合各種可感知人體物理生化信息的傳感器于一體，在疾病診斷、管理以及健康監(jiān)測(cè)等方面具有重要作用[1-2]。呼吸系統(tǒng)疾病涉及生命體征、血?dú)夥治觥⒑粑\(yùn)動(dòng)、呼吸音、呼出氣成分、肺功能等一系列可日常評(píng)估監(jiān)測(cè)的指標(biāo)，可穿戴設(shè)備可使得原本繁復(fù)的監(jiān)測(cè)更加日?；?、簡(jiǎn)便化，在呼吸疾病管理中的應(yīng)用具有廣闊前景。

1 可穿戴醫(yī)療設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

目前，可穿戴醫(yī)療設(shè)備通常以腕帶、智能手表、智能背心等穿戴于身體各處，或以相應(yīng)方式與眼(隱形眼鏡)、耳(助聽(tīng)器)等器官接觸，從而感知相應(yīng)的物理或生化信息，部分設(shè)備還起到治療作用[1-3]。

可穿戴物理傳感器主要監(jiān)測(cè)各種物理信號(hào)，在監(jiān)測(cè)日常活動(dòng)和生命體征等方面應(yīng)用較為成熟，已在帕金森病治療效果監(jiān)測(cè)[4]、運(yùn)動(dòng)障礙疾病長(zhǎng)期評(píng)估[5]等方面取得進(jìn)展。監(jiān)測(cè)心電信號(hào)的可穿戴設(shè)備在通過(guò)智能手表監(jiān)測(cè)房顫等心律不齊的發(fā)生,識(shí)別早期急性心血管事件及收集長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以協(xié)助診斷等方面有所發(fā)展[6]。

可穿戴電化學(xué)生物傳感器主要通過(guò)電流分析法、伏安分析法、表皮微針等方法測(cè)量汗液、淚液、唾液或組織液等體液中的生化標(biāo)志物[2,7]。其在糖尿病管理方面發(fā)展較快，已研制出可連續(xù)監(jiān)測(cè)葡萄糖水平的可穿戴設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的血糖調(diào)節(jié)[7-8]。此外，可穿戴電化學(xué)生物傳感器在監(jiān)測(cè)尿酸和酪氨酸水平以輔助痛風(fēng)等代謝性疾病的診療等方面也有發(fā)展[9]。

2 可穿戴設(shè)備在呼吸系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用

目前，可穿戴設(shè)備已在COPD、哮喘、OSA等呼吸系統(tǒng)疾病診療中初步應(yīng)用并取得了一定成效(圖1)。

圖 1 可穿戴設(shè)備在呼吸系統(tǒng)疾病診治中的應(yīng)用

2.1 COPD

2.1.1 日常活動(dòng)監(jiān)測(cè) 活動(dòng)能力下降是COPD患者住院和死亡的危險(xiǎn)因素，可穿戴設(shè)備可對(duì)患者日?；顒?dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并給予干預(yù)。Perriot等[10]設(shè)計(jì)了佩戴于皮帶上的可穿戴設(shè)備，可提供包括站立、坐躺、步行、步數(shù)等日?；顒?dòng)的詳細(xì)特征。Orme等[11]同樣采用可穿戴設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)COPD患者坐躺、站立和步行情況，并提供震動(dòng)提醒久坐行為，取得一定效果。近年來(lái)，相關(guān)臨床試驗(yàn)[12]采用可穿戴計(jì)步器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)患者活動(dòng)水平，并根據(jù)活動(dòng)水平給予提醒干預(yù)，可提高其身體活動(dòng)水平并改善生活質(zhì)量。

2.1.2 病情評(píng)估與管理干預(yù) COPD急性加重與疾病進(jìn)展及死亡風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)，若患者可日常穿戴設(shè)備監(jiān)測(cè)相關(guān)指標(biāo)，將有利于遠(yuǎn)程病情評(píng)估與管理干預(yù)。Yilmaz等[13]設(shè)計(jì)集成于背心中的可穿戴聽(tīng)診器以監(jiān)測(cè)肺部各處的呼吸音，并通過(guò)相應(yīng)方法降低環(huán)境噪聲，旨在實(shí)時(shí)評(píng)估COPD患者的健康狀況。Wu等[14]使用智能手表連續(xù)監(jiān)測(cè)患者心率及活動(dòng)狀況，并記錄特征性音頻(如咳嗽等)，已證明其可行性。然而，一些臨床試驗(yàn)采用穿戴設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)患者生命體征[15]、血氧飽和度[16]等以評(píng)估病情，并整合到管理干預(yù)方案中，卻未得到積極結(jié)果。其原因可能是COPD無(wú)諸如血壓、血糖等與疾病狀況特別相關(guān)的日常監(jiān)測(cè)指標(biāo)。目前采集的指標(biāo)(如血氧飽和度等)靈敏度、特異度低，需要進(jìn)一步研究更特異的指標(biāo)，或是基于可穿戴設(shè)備提供的多參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析和評(píng)估。

2.1.3 遠(yuǎn)程肺康復(fù)訓(xùn)練 肺康復(fù)訓(xùn)練是穩(wěn)定期COPD有效治療方案，但其長(zhǎng)期維持存在困難。基于家庭的遠(yuǎn)程肺康復(fù)訓(xùn)練可能是未來(lái)發(fā)展方向，可通過(guò)可穿戴設(shè)備監(jiān)測(cè)訓(xùn)練過(guò)程中的相關(guān)信息以進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)。Tey等[17]開(kāi)發(fā)了嵌入動(dòng)作姿勢(shì)與血氧等傳感器的可穿戴設(shè)備，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)患者心率、血氧、呼吸頻率及動(dòng)作姿勢(shì)，用于遠(yuǎn)程指導(dǎo)肺康復(fù)訓(xùn)練。近年來(lái)，一些遠(yuǎn)程肺康復(fù)訓(xùn)練的臨床試驗(yàn)[18-19]基于遠(yuǎn)程電話或視頻，通過(guò)一些可穿戴或外部設(shè)備監(jiān)測(cè)患者相關(guān)生理指標(biāo)，從而遠(yuǎn)程指導(dǎo)患者在家中肺康復(fù)訓(xùn)練。研究[18-19]表明，在減少急性加重再住院方面，家中遠(yuǎn)程肺康復(fù)訓(xùn)練與以醫(yī)院為中心的肺康復(fù)訓(xùn)練一樣有效。

2.1.4 可攜帶呼吸支持設(shè)備 長(zhǎng)期家庭氧療可提高有嚴(yán)重低氧血癥COPD患者的生存率。部分患者雖靜息狀態(tài)達(dá)不到氧療的標(biāo)準(zhǔn)，但在活動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)低氧的情況，可能需要在運(yùn)動(dòng)時(shí)提供相應(yīng)便攜式制氧設(shè)備予以氧療支持。便攜氧療設(shè)備目前已逐漸成熟應(yīng)用，最新美國(guó)胸科學(xué)會(huì)指南[20]推薦合并嚴(yán)重勞累性低氧血癥的COPD患者在活動(dòng)中可使用便攜式氧療設(shè)備。

慢性穩(wěn)定期合并高碳酸血癥的COPD患者已被推薦使用家庭無(wú)創(chuàng)正壓通氣，但當(dāng)前主流無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)并不適合患者在非臥床、活動(dòng)過(guò)程中使用。Porszasz等[21]設(shè)計(jì)小型可穿戴式無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)以供患者活動(dòng)時(shí)使用，該設(shè)備僅約0.45 kg，可與輕型氧氣罐一起使用，可提供更加高效的通氣支持，患者攜帶負(fù)擔(dān)小，相對(duì)舒適。研究[21]顯示，使用該可攜帶無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)的患者運(yùn)動(dòng)耐力較接受常規(guī)氧療者提升，呼吸困難癥狀減輕。另外， Vogiatzis等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行肺康復(fù)訓(xùn)練的COPD患者訓(xùn)練間期提供便攜式無(wú)創(chuàng)通氣，可提高患者的運(yùn)動(dòng)耐量。在COPD患者日?；顒?dòng)或肺康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中應(yīng)用便攜式無(wú)創(chuàng)通氣還須進(jìn)一步研究。

2.1.5 呼出氣監(jiān)測(cè) 氧化應(yīng)激為COPD進(jìn)展的重要機(jī)制，相關(guān)生物標(biāo)志物(如過(guò)氧化氫等)在COPD患者呼出氣冷凝液中濃度升高。然而，呼出氣冷凝物中相應(yīng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)易因氧化、pH值變化而不穩(wěn)定?？纱┐魇絺鞲衅骺杉磿r(shí)監(jiān)測(cè)呼出氣的成分，而無(wú)須依賴呼氣冷凝物。Maier等[23]設(shè)計(jì)了基于電化學(xué)試紙的可穿戴傳感器，用于在呼吸過(guò)程中連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)氧化氫濃度，并且可集成于呼吸面罩中使用。使用可穿戴傳感器快速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者呼出氣中的生物標(biāo)志物具有廣闊前景。

2.2 支氣管哮喘

2.2.1 化學(xué)暴露監(jiān)測(cè) 避免接觸過(guò)敏原、控制環(huán)境中的化學(xué)暴露是治療哮喘的重要手段。Fung等[24]開(kāi)發(fā)了一種便攜式可穿戴式采樣器，可收集環(huán)境中暴露的揮發(fā)性有機(jī)化合物，并同時(shí)采集環(huán)境溫度、濕度和空間位置等信息，以分析空氣污染與慢性健康問(wèn)題的關(guān)系?？上鄳?yīng)記錄多環(huán)芳烴[25]、臭氧[26]等化學(xué)暴露的哮喘患者可穿戴健康監(jiān)測(cè)工具也有所進(jìn)展。

2.2.2 疾病活動(dòng)監(jiān)測(cè)和治療管理 哮鳴音是哮喘發(fā)作時(shí)的典型體征，監(jiān)測(cè)日常呼吸音可能有助于診斷、預(yù)警急性發(fā)作及評(píng)價(jià)疾病活動(dòng)情況。已有研究[27]研制了由穿戴式聲學(xué)傳感器的呼吸音自動(dòng)分類系統(tǒng)，以跟蹤患者哮喘的發(fā)作。

呼出氣冷凝物中的生物標(biāo)志物有助于監(jiān)測(cè)哮喘疾病活動(dòng)程度，進(jìn)而指導(dǎo)治療管理。呼出氣NO作為哮喘的炎癥生物標(biāo)志物，具有輔助診斷作用。目前高靈敏度NO傳感器研制已有進(jìn)展[28]，可用于持續(xù)監(jiān)測(cè)。美國(guó)最新哮喘診治指南[29]建議將監(jiān)測(cè)呼出氣NO作為哮喘疾病活動(dòng)監(jiān)測(cè)和治療管理的一部分，但僅在頻繁監(jiān)測(cè)時(shí)才可有效預(yù)防加重[30]，故借助可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)日?；谋O(jiān)測(cè)可能是未來(lái)發(fā)展方向。另有研究[31]證明呼氣冷凝物中亞硝酸鹽有望成為哮喘氧化應(yīng)激的生物標(biāo)志物，針對(duì)呼出氣冷凝物中亞硝酸鹽傳感器的研究也有進(jìn)展。

最新臨床試驗(yàn)[32]整合呼吸音監(jiān)測(cè)器、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀、便攜式肺功能儀及家用NO監(jiān)測(cè)儀，形成一套哮喘自我管理系統(tǒng)以預(yù)測(cè)哮喘是否加重。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可減少嚴(yán)重的哮喘發(fā)作并改善生活質(zhì)量，但樣本量較少還須進(jìn)一步驗(yàn)證[32]。

2.3 OSA OSA以睡眠中反復(fù)出現(xiàn)呼吸暫停和低通氣為特征，患病率在全球范圍內(nèi)逐年上升。OSA診斷金標(biāo)準(zhǔn)是使用多導(dǎo)睡眠圖記錄睡眠期間腦電、脈搏、血氧飽和度等參數(shù)以分析阻塞性呼吸事件，但需要在睡眠實(shí)驗(yàn)室中由專業(yè)人員進(jìn)行，實(shí)施復(fù)雜，昂貴耗時(shí)，且不利于快速篩查及家中連續(xù)監(jiān)測(cè)。一些臨床試驗(yàn)[33-34]對(duì)疑似OSA患者使用了集氧飽和度、氣流及胸腹運(yùn)動(dòng)測(cè)定于一體的便攜式監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行診斷，并設(shè)置相應(yīng)算法以自動(dòng)調(diào)整無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)壓力。結(jié)果證明，家用便攜式監(jiān)護(hù)儀的管理與多導(dǎo)睡眠圖診療效果相似，且成本較低。但這些研究中的參與者通常是因懷疑OSA而就診的患者，并沒(méi)有使用便攜式監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行篩查的證據(jù)[35]。通過(guò)家用便攜式監(jiān)護(hù)儀對(duì)OSA進(jìn)行診治的準(zhǔn)確性和可靠性還須進(jìn)一步研究。

另外，一些諸如腕帶、頭帶、胸帶等商用可穿戴睡眠監(jiān)測(cè)設(shè)備逐漸出現(xiàn)，其中大多數(shù)都將睡眠監(jiān)測(cè)與運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)，使用腦電等更精確的監(jiān)測(cè)方法還較少，也還缺乏臨床驗(yàn)證與運(yùn)用[36]。

2.4 肺炎 肺炎的病情發(fā)展與患者體溫、心率、呼吸頻率、血氧飽和度等生理指標(biāo)相關(guān)。在當(dāng)前COVID-19疫情背景下，可穿戴設(shè)備因其可即時(shí)采集生理數(shù)據(jù)，在疾病的早期診治、阻斷病毒傳播方面?zhèn)涫荜P(guān)注。Mishra等[37]收集了5 300名參與者可穿戴智能手表記錄的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)心率、活動(dòng)、睡眠等數(shù)據(jù)的縱向分析，可在患者癥狀出現(xiàn)前檢測(cè)出63%的COVID-19病例。Quer等[38]同樣收集了儲(chǔ)存于30 529人智能手表中的數(shù)據(jù)，結(jié)果證實(shí)基于智能手表數(shù)據(jù)的評(píng)估有助于在有癥狀個(gè)體中區(qū)分COVID-19陽(yáng)性病例。另外，一些初步研究[7]也提示，可穿戴生物傳感器可能具有連續(xù)監(jiān)測(cè)病毒、細(xì)胞因子、炎癥標(biāo)志物的潛力。包括可穿戴設(shè)備在內(nèi)的新興遠(yuǎn)程醫(yī)療工具將在COVID-19遠(yuǎn)程診斷、監(jiān)測(cè)與管理中發(fā)揮作用。

3 未來(lái)展望

3.1 技術(shù)進(jìn)步 一方面，可穿戴設(shè)備需突破自身的技術(shù)瓶頸，提升所監(jiān)測(cè)指標(biāo)準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，改善設(shè)備功耗續(xù)航、通信傳輸能力，保證數(shù)據(jù)安全性。此外，可穿戴設(shè)備一般需要長(zhǎng)期佩戴，若使用方法過(guò)于復(fù)雜，則會(huì)降低患者可接受度。對(duì)此，有研究[39]針對(duì)目前血氧飽和儀尚無(wú)法滿足便攜式持續(xù)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)了可貼附于指甲或耳垂的小型穿戴式血氧儀以供連續(xù)監(jiān)測(cè)，在保證功效的同時(shí)提升穿戴的便捷和舒適度?？纱┐髟O(shè)備滿足便攜、可持續(xù)監(jiān)測(cè)的需求十分重要。

另一方面，目前可穿戴設(shè)備常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)如生命體征、血氧、身體活動(dòng)等靈敏度、特異度低，不能全面地評(píng)估疾病情況。呼吸系統(tǒng)疾病涉及呼吸運(yùn)動(dòng)、膈肌運(yùn)動(dòng)、鼻氣流、呼吸音、呼出氣成分、血?dú)夥治?、肺功能等指?biāo)。監(jiān)測(cè)與疾病更加相關(guān)、可日常評(píng)估的指標(biāo)需要發(fā)展更新的技術(shù)以供監(jiān)測(cè)更特異、更具臨床意義的生理指標(biāo)。如高精度胸腹運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、無(wú)創(chuàng)體外膈肌運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、排除心音干擾的連續(xù)呼吸音監(jiān)測(cè)技術(shù)、穿戴式運(yùn)動(dòng)肺功能、集成心電和呼吸信號(hào)源進(jìn)行分析的心肺耦合(CPC)技術(shù)等新型技術(shù)的發(fā)展，將有利于穿戴式呼吸監(jiān)測(cè)的進(jìn)步，具有巨大潛力。

3.2 早期診斷與篩查 早期診斷對(duì)于呼吸慢病的預(yù)后十分重要，但多數(shù)患者對(duì)呼吸慢病的認(rèn)識(shí)不足。并且肺功能、多導(dǎo)睡眠圖等金標(biāo)準(zhǔn)診斷方法需要繁瑣的操作與嚴(yán)格的質(zhì)量控制，不能普及到社區(qū)基層進(jìn)行早期診斷與篩查，造成我國(guó)呼吸慢病診斷不足。可靠而便捷的穿戴式呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備將有助于對(duì)高危人群進(jìn)行篩查。通過(guò)可穿戴設(shè)備進(jìn)行多參數(shù)、多時(shí)段的數(shù)據(jù)收集，結(jié)合患者病史、癥狀和體征，可全方位勾勒呼吸慢病患者疾病的特征，從而提供依賴多參數(shù)動(dòng)態(tài)收集數(shù)據(jù)計(jì)算后的早期診斷與篩查。

3.3 病情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)估 長(zhǎng)期規(guī)范化治療以控制臨床癥狀與疾病進(jìn)展，并預(yù)防未來(lái)發(fā)作對(duì)于呼吸慢病十分重要。可穿戴設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)患者相關(guān)生理指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，提供對(duì)重要生理事件的早期警報(bào)，以預(yù)防疾病發(fā)作，減少住院次數(shù)和住院時(shí)間，降低醫(yī)療成本。未來(lái)，哮喘患者可通過(guò)定期向穿戴設(shè)備吹氣以測(cè)量呼出氣中的炎癥標(biāo)志物，水平升高則警告用戶使用吸入藥物來(lái)預(yù)防哮喘發(fā)作。COPD異質(zhì)性、不同分型分期及合并癥，都為急性加重的早期識(shí)別帶來(lái)挑戰(zhàn)。未來(lái)，COPD的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)可能是基于多參數(shù)、個(gè)性化的算法來(lái)早期識(shí)別患者病情惡化并加以干預(yù)。

3.4 與物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)的結(jié)合 目前的可穿戴設(shè)備還缺乏傳感器之間的聯(lián)動(dòng)互通，未形成感知—識(shí)別—管理的閉環(huán)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)指具有內(nèi)置傳感器和網(wǎng)絡(luò)連接等設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)[40]。物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)即物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，主要由以下3個(gè)部分組成。(1)穿戴式傳感器，用于采集有關(guān)生理參數(shù)；(2)網(wǎng)絡(luò)和通信接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；(3)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，集成大量數(shù)據(jù)，挖掘有用信息，識(shí)別與患者病情相關(guān)的重要參數(shù)。可穿戴設(shè)備作為物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)中的重要一環(huán)，可對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)對(duì)象實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在遠(yuǎn)程醫(yī)療和個(gè)性化醫(yī)療中具有廣闊前景。

綜上所述，可穿戴醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)逐漸應(yīng)用于COPD、哮喘、OSA等呼吸系統(tǒng)疾病診治，在疾病診斷、管理及健康監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮作用。我國(guó)呼吸慢病管理存在診斷不足、治療不規(guī)范的問(wèn)題，可穿戴設(shè)備的應(yīng)用將具有廣闊的前景。

利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。