COVID-19从医院到家庭的监控:第一个可穿戴设备持续跟踪关键症状

我们对新型冠状病毒(COVID-19)了解得越多，未知的东西似乎就越多。这些不断出现的谜团凸显了对更多数据的迫切需求，以帮助研究人员和医生更好地了解和治疗这种极具传染性和致命性的疾病。

西北大学(Northwestern University)的研究人员和芝加哥大学(Chicago)的雪莉·瑞安·阿比尔实验室(Shirley Ryan AbilityLab)开发了一种新型可穿戴设备，并正在创建一套专门针对covid19的早期体征和症状进行捕获的数据算法，以监控患者病情的进展。

这种设备可以全天候佩戴，产生连续的数据流，并使用人工智能来揭示微妙但可能拯救生命的洞见。它填补了一个重要的数据空白，不断地测量和解释咳嗽和呼吸活动，这是传统监测系统无法做到的。

该设备由西北大学的一个工程实验室开发，使用雪莉·瑞安能力实验室科学家创建的自定义算法，目前在雪莉·瑞安能力实验室由covid19名患者和治疗他们的医疗工作者使用。大约25名受影响的人两周前开始使用这种设备。他们在诊所和家里都受到监控，总计超过1500个小时，产生了超过1tb的数据。

这个软软的、可弯曲的、无线的、很薄的装置大约有一张邮票那么大，它刚好位于胸骨上切迹(胸骨上切迹是位于喉咙底部的可见凹陷处)之下。从这个位置，该设备监测咳嗽强度和模式，胸壁运动(表明呼吸困难或不规则)，呼吸声音，心率和体温，包括发烧。从那里，它将数据无线传输到一个受hipaa保护的云中，在那里，自动算法生成为方便快速远程监控而定制的图形化摘要。

约翰·a·罗杰斯

发表在《美国医学会杂志》(Journal of The American Medical Association)上的最新研究表明，19型脓毒症感染的最早症状是发烧、咳嗽和呼吸困难。我们的设备位于人体最完美的位置——胸骨上切迹——来测量呼吸频率、声音和活动，因为那里是气流在皮肤表面附近发生的地方，”西北大学的约翰·a·罗杰斯说，他是这项技术的研发负责人。“我们开发了定制的设备、数据算法、用户界面和基于云的数据系统，以直接响应前线医护人员的特殊需求。”我们正全力以赴地贡献我们在生物电子工程方面的专业知识，以帮助应对这一流行病，使用我们现在能够部署的技术，立即用于实际患者和其他受影响的个人。测量功能是该设备平台独有的——它们无法使用传统的手表或安装在手腕或手指上的戒指式可穿戴设备来完成。”

雪莉·瑞安·阿比尔力实验室(Shirley Ryan AbilityLab)的研究科学家阿伦·贾亚拉曼(Arun Jayaraman)说:“我们预计，我们正在开发的高级算法将从原始数据的洞察力和症状中提取类似于covida的症状和体征，甚至在个体可能察觉到它们之前。”“这些传感器有潜力解锁信息，从而保护第一线的医务工作者和病人——及时告知干预措施，以降低传播风险，增加取得更好结果的可能性。”

从医院到家庭的持续监控

COVID-19影响身体的神秘方式似乎变得越来越奇怪。许多患者的症状在突然、意外地开始恶化之前完全消失——有时是在几小时内。其他患者已经康复，并进行了“阴性”测试，但随后再次进行了“阳性”测试。

阿伦Jayaraman

这些未知因素强调了对患者进行持续监测的必要性，以确保医生能够在出现最轻微的问题迹象时进行干预。西北大学和雪莉·瑞安能力实验室团队的设备为covid19患者和暴露于covid19的患者提供24小时监控。

戴上传感器的Shirley Ryan AbilityLab医生马克·黄(Mark Huang)博士说:“有能力监控我们自己和我们的病人，并对实时变化的情况发出警报，这将为临床医生提供对抗covid19的一种新的重要工具。”“传感器还将为临床医生和患者提供平静的心情，因为它监测类似于covidi的症状，潜在地促进早期干预和治疗。”

该设备可以监测住院病人，然后被带回家继续24/7的监督。来自患者的实时数据流可以洞察他们的健康状况和结果，而传统的监测系统目前无法捕捉或分析这些数据。

“以前从来没有人收集过这种类型的数据，”罗杰斯说。“更早的检测总是更好，我们的设备在这种情况下提供了重要和独特的功能。对于那些感染了这种疾病的患者来说，其价值甚至更为明确，因为这些数据代表了呼吸行为的定量信息，是一种跟踪病情进展和/或治疗效果的机制。”

以前从来没有人收集过这种类型的数据。约翰·a·罗杰斯，6031生物医学工程师

Jayaraman说:“这开辟了新的远程医疗策略，因为我们不再需要带病人来进行监测。”“医生可能会在数小时、数天或数周内，通过一个定制的图形用户界面，立即查看患者的数据，并将其传输到正在为此目的设置的云数据管理系统，从而全面了解患者的情况。”

尽管这种可穿戴设备目前还无法测量血液氧合水平(这是肺部健康的一个重要组成部分)，但研究团队计划在下一轮设备中加入这一功能。罗杰斯实验室已经成功地将这一能力应用到先前的工作中，为重症监护病房生产临床级监测设备。罗杰斯相信，他们可以很容易地将这项研究应用到为covid量身定制的设备上。

风险最大的预警系统

该设备不仅可以监测COVID-19患者的病情进展，还可以为最有可能感染这种明显传染性疾病的一线工作人员提供早期预警信号。该装置有可能在工作人员注意到症状之前识别症状并捕捉趋势，从而为采取适当的预防措施和尽快寻求进一步检测提供了机会。

贾亚拉曼说:“有明显、严重症状的人要去医院，接受检查或被告知要自我隔离。”“对于那些有轻微或季节性过敏症状的人，没有预警系统。他们可能与他人接触而不知不觉地传播感染。”

评估新疗法的疗效

当研究人员急于寻求一种治疗法时，医生们一直在尝试探索性的、有时未经证实的治疗方法来帮助他们的病人。这是罗杰斯和贾亚拉曼的设备可以发挥作用的另一个领域。

罗杰斯说:“某些治疗方案的早期报告表明，与安慰剂相比，它们能更快地消除咳嗽症状。”然而，没有人能够量化某些关键症状，如咳嗽——持续时间、频率、振幅、声音等。我们的设备可以精确测量这种疾病的重要方面，但目前还无法量化。”

在未来，这个传感器包可以帮助研究人员和医生量化哪种疗法效果最好。

“在最简单的层面上，我们的系统允许基于数据的定量评估，而不依赖于人类对病人咳嗽程度的判断，”罗杰斯说。

该装置最初是为中风患者设计的

这种新设备建立在罗杰斯和贾亚拉曼实验室合作的最新研究基础上，该研究首次发表在2020年2月的《自然生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)杂志的封面上，重点关注中风康复患者的吞咽和语言障碍的监测。这些传感器通过精确测量喉咙和胸部的振动信号来工作。通过测量振动而不是声学，该团队避免了来自背景声音的噪音，并绕过了隐私问题。

在回应来自医学界的请求和询问时，Rogers和Jayaraman意识到他们可以使用这项技术来测量类似于covida的症状的振动信号，包括胸壁运动和咳嗽。

随着算法变得更加智能，我们希望它能开始区分哪些咳嗽是类咳嗽，哪些是良性咳嗽。” Arun Jayaraman
Shirley Ryan AbilityLab

Jayaraman的团队正在开发自定义信号处理和机器学习算法，以训练设备如何识别数据中的咳嗽。

Jayaraman说:“随着算法变得越来越智能，我们希望它能区分出哪些咳嗽是类似于可卡因的，哪些是良性的。”“最基本的方法已经在covid19患者和医护人员身上得到了应用，只是简单地计算咳嗽次数和强度。”

更多的高级分析包将在未来几周内推出。

绕过已经不堪重负的供应链

由于西北大学董事会金伯利·k·奎雷(Kimberly K. Querrey, 24便士)和路易斯·a·辛普森(Louis a . Simpson, 58、96便士)慷慨的捐赠，罗杰斯和他的团队能够快速响应对设备的需求。中可用的一组制造工具

位于芝加哥的新Simpson Querrey生物医学研究大楼，该团队每周已经生产了几十台设备。罗杰斯估计，他的团队每周最多可以生产数百台设备——全部在内部生产，基本上不需要外部供应商和复杂的供应链。

“在内部迅速开发新技术从来没有像现在这样重要，”Querrey说。“这项工作证明了STEM的力量，以及为什么拥有像约翰这样的世界级研究人员对大学和其他地方如此重要。我为约翰和他的团队感到骄傲，他们在远程工作的同时，跳出思维定式，利用他们的合作帮助保护我们的医疗工作者。我们很高兴能够在大学里开发这些设备，并将它们送到最需要它们的人手中。测量振动信号的能力确实有助于COVID-19的早期检测。”

“这至关重要的慈善支持允许我们开发和部署相关的设备和软件基础设施几乎立即,几天之内,在我们开始收到来自医学界的请求,而不必等待外部供应商,其中大部分大多与全职订单关闭,”罗杰斯说。“通过这种方式，我们避免了已经不堪重负的供应链。我们自己来做。”

舒适易用

3月中旬，凯莉·麦肯齐(Kelly McKenzie)感觉头晕，并出现轻度头痛。最近刚从海外出差回来，她以为是时差反应。但是当她的症状发展到咳嗽和充血时，她开始担心了。虽然她的症状还没有严重到需要进行COVID-19检测，但她知道她应该自我隔离。

雪莉·瑞安能力实验室(Shirley Ryan AbilityLab)的研究理疗师麦肯齐(McKenzie)说，“在我的国际旅行和这些症状之间，我和我的主管决定，我最好呆在家里不去上班，这样我就不会把任何传染性的东西带进医院。”

戴了一段时间后，你甚至都不会注意到它。“Kelly McKenzie
试点研究参与者

麦肯齐加入了试点研究，测试该设备，并根据她的症状训练算法。在24小时佩戴传感器一周后，她惊讶于这种柔软的硅胶材料的舒适性和易用性。佩戴者只需给设备充电，戴上它，它就会立即开始工作——将实时数据流传输到智能手机或平板电脑上。

“当你第一次戴上它的时候，你能感觉到它的存在，因为它是全新的、与众不同的，”麦肯齐说。“但戴了一段时间后，你甚至都不会注意到它。”

因为它没有电线、电极、充电口或可拆卸电池，所以可以在锻炼或洗澡时佩戴。事实证明，这对灭菌和再利用也很重要。

罗杰斯说:“在这种极具传染性的疾病的背景下，这是绝对关键的。”“因为它是完全密封在柔软的生物相容性有机硅材料中，它可以完全浸入酒精，然后暴露在气体系统中进行严格的消毒。”如果有暴露的区域，或插头或端口或其他物理接口，设备将与此应用程序无关。”

接下来是什么?

在未来几周，西北大学和雪莉·瑞安能力实验室团队将继续收集病人数据，以加强他们的算法——通过在诊所和家庭的部署。他们也在响应其他要求，通过芝加哥的医疗中心使用这项技术。额外的部署正在开始。

罗杰斯和贾亚拉曼还在研究COVID-19术后恢复患者的数据，试图确定他们何时不再具有传染性。一些佩戴该设备的患者已经从急救医院出院，正在雪莉·瑞安能力实验室进行康复治疗。在未来，这个装置可以帮助确定后covid患者是否仍然有轻微的，也许是不易察觉的症状。

罗杰斯希望该装置不仅能告诉医生如何最好地治疗COVID-19，而且还能让研究人员了解病毒本身的性质。

他说:“越来越多的信息和对作为一种疾病的COVID-19的了解，对于控制和治疗目前以及未来可能发生的疫情将是至关重要的。”“我们希望，我们相信，这些设备可以帮助这些努力，通过识别和量化与这种疾病相关的咳嗽和呼吸活动的特征和基本特征。”

为了加快这一设备的部署，该团队最近成立了一个以精益工程为中心的公司，Sonica Health，基于知识产权，由西北大学和雪莉·瑞安·AbilityLab联合开发，并通过西北大学的创新和新风险办公室授权。美国卫生与公众服务部(Department of Health and Human Services)负责准备和应对事务的助理国务卿办公室(Office for and response)下属的生物医学高级研究与发展署(Biomedical Advanced Research and Development Authority, BARDA)为探索将该装置用于COVID-19反应提供了支持。

BARDA投资于医疗对策的创新、先进研发、获取和制造——疫苗、药物、治疗、诊断工具和非药物产品，以应对健康安全威胁。迄今为止，已有54种barda支持的产品获得了监管部门的批准、许可或批准。BARDA内部的DRIVe(研究、创新和风险投资部门)，促进创新产品和方法的发展，如Sonica卫生技术，旨在解决主要的卫生安全挑战。

对研究人员

罗杰斯是世界著名的生物电子学先驱，是西北大学麦考密克工程学院材料科学和生物医学工程的路易斯·辛普森和金伯利·奎雷教授，范伯格医学院神经外科教授，奎雷·辛普森生物电子学研究所所长。

贾亚拉曼是可穿戴技术领域的领先专家，她是雪莉·瑞安能力实验室(Shirley Ryan AbilityLab)麦克斯·纳德康复技术与成果研究中心(Max Nader Center for Rehabilitation Technologies and Outcomes Research)的主任。他也是范伯格物理医学和康复学的副教授。

研究贡献者包括来自西北大学的Anthon Banks, Shuai (Steve) Xu, Hyoyoung Jeong, Jongyoon Lee, Peter Lee, Lisa Crossman, J.K. Chang, Andreas Tzavelis和Xiaoyue Ni，以及来自Shirley Ryan AbilityLab的Chaithanya K. Mummidisetty, Nicholas Shawen, Luca Lonini, Sung Yul Shin和Chandra Jayaraman。

主题:人工智能，工程，创新，麦考密克工程学院，研究，技术