使用便攜式醫(yī)療設(shè)備重新定義癲癇疾病的管理方式
兒科癲癇學(xué)家 Dave Clarke 博士大膽探索遠(yuǎn)程醫(yī)療的潛力與問題，尋求更好診斷和管理兒童癲癇的方式。
科幻小說常常描繪一些激動(dòng)人心（有時(shí)甚至是反烏托邦）的技術(shù)進(jìn)步，這些技術(shù)有朝一日可能成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧囊苿?dòng)手機(jī)到智能腕表，從虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)到自動(dòng)駕駛汽車，曾經(jīng)看似純屬幻想的事物正迅速變成我們生活中的真實(shí)存在。
挑戰(zhàn)
打造用戶友好、舒適的監(jiān)測(cè)設(shè)備，可為癲癇患者的護(hù)理人員實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確和可靠的預(yù)警系統(tǒng)。
解決方案
EFR32BG22 之所以被選為 Epidet 項(xiàng)目的一部分，是因?yàn)樗且粋€(gè)單芯片解決方案，具備藍(lán)牙連接、超低功耗和緊湊尺寸等諸多優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)安全可靠的監(jiān)控。
結(jié)果
Epidet 項(xiàng)目可準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)值，可帶來舒心體驗(yàn)，能及時(shí)識(shí)別即將出現(xiàn)的癲癇發(fā)作，從而在必要時(shí)進(jìn)行干預(yù)，讓參與癲癇護(hù)理的每個(gè)人——患者、家屬和醫(yī)療保健提供者均受益。
當(dāng)今的便攜式醫(yī)療設(shè)備具備持續(xù)監(jiān)控、實(shí)時(shí)警報(bào)、機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 分析功能，還能與虛擬或遠(yuǎn)程醫(yī)生進(jìn)行云連接，方便即時(shí)提供幫助。許多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)不斷發(fā)展，能提供即時(shí)反饋（包括實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)），對(duì)于一種全球疾病來說，這些技術(shù)創(chuàng)新帶來了非常重大的機(jī)遇，甚至能改變?cè)S多人的命運(yùn)。根據(jù)世界衛(wèi)生組織 (WHO) 的數(shù)據(jù)，全球有超過 5000 萬人患有癲癇；其中近 80% 的患者生活在低收入和中等收入國(guó)家。此外，如果診斷和治療得當(dāng)，估計(jì) 70% 的癲癇患者可以避免癲癇發(fā)作。鑒于嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的最新發(fā)展，我們能做些什么來解決這個(gè)問題？
無線癲癇監(jiān)測(cè)
Clarke 博士親眼目睹了癲癇不受控制或監(jiān)測(cè)不足的有害后果。
“嬰兒痙攣等癥狀應(yīng)被視為醫(yī)療緊急情況，但這些癥狀往往會(huì)被忽視長(zhǎng)達(dá)數(shù)月之久，”Clarke 博士這樣說道。“他們需要立即接受治療，否則可能造成嚴(yán)重后果。如果能以安全有效的方式更好地定義癲癇發(fā)作或其他類型的運(yùn)動(dòng)，這將對(duì)醫(yī)療管理中的每個(gè)人都有所幫助。”?
Clarke 博士發(fā)起了 Epidet 項(xiàng)目，其重點(diǎn)是開發(fā)一款可以為癲癇患者的護(hù)理人員提供早期預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)備。盡管目標(biāo)很遠(yuǎn)大，但 Clarke 博士深知即時(shí)檢測(cè)和預(yù)測(cè)癲癇發(fā)作的技術(shù)復(fù)雜程度。
據(jù) Clarke 博士說，部分問題在于癲癇發(fā)作有許多不同的類型，包括從大腦的一個(gè)區(qū)域開始但可以逐步擴(kuò)散的局灶性發(fā)作。此外，還有包括意識(shí)喪失和全身肌肉收縮的強(qiáng)直-陣攣性發(fā)作。失神發(fā)作會(huì)導(dǎo)致患者頭腦空白或呆愣凝視幾秒鐘。肌陣攣性癲癇發(fā)作會(huì)導(dǎo)致肌肉或肌肉群出現(xiàn)短暫的抽搐痙攣。強(qiáng)直性發(fā)作的特征是手臂、腿部或軀干肌肉突然僵硬或緊張，失張力性癲癇發(fā)作則會(huì)導(dǎo)致肌肉力量突然喪失。監(jiān)測(cè)全身性強(qiáng)直-陣攣性發(fā)作（涉及全身運(yùn)動(dòng)）的設(shè)備可能無法監(jiān)測(cè)其他不同類型發(fā)作的更細(xì)微運(yùn)動(dòng)。一些 FDA 技術(shù)可以監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)，并且可能也足夠敏感，此類研究正在進(jìn)行中，探索其他方法，但它們離獲得批準(zhǔn)還相當(dāng)遙遠(yuǎn)。
另一項(xiàng)困難是，當(dāng)將產(chǎn)品從“僅供娛樂”的健康可穿戴設(shè)備領(lǐng)域轉(zhuǎn)變到醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域時(shí)，F(xiàn)DA 要求證明產(chǎn)品的有效性和安全性。這些問題導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的復(fù)雜性完全上升了一個(gè)量級(jí)，這也是為什么很少有公司從事便攜式醫(yī)療設(shè)備的原因之一。但 Clarke 博士并沒有知難而退，因?yàn)樗J(rèn)為癲癇發(fā)作可以而且應(yīng)該得到控制。對(duì)于大約 70% 的癲癇患者，服用抗癲癇藥物可以避免癲癇發(fā)作。對(duì)于其他 30% 無法通過藥物防止癲癇發(fā)作的患者而言，癲癇發(fā)作的預(yù)測(cè)至關(guān)重要，如果能預(yù)測(cè)發(fā)作，這有可能會(huì)極大改善他們的生活。
捕獲所有癲癇運(yùn)動(dòng)的便攜式醫(yī)療設(shè)備
盡管癲癇發(fā)作有多種類型，但它們都有一些共同的生理特征。例如，在癲癇發(fā)作時(shí)，患者的大腦活動(dòng)會(huì)增加，并且可能會(huì)伴隨其他反應(yīng)，包括出汗、體溫波動(dòng)和心率變化。由于心臟或呼吸系統(tǒng)并發(fā)癥，癲癇發(fā)作可能危及生命，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致癲癇猝死 (SUDEP)。對(duì)于那些患有經(jīng)常性且未識(shí)別的癲癇發(fā)作的患者而言，這種風(fēng)險(xiǎn)尤其高。
Clarke 博士和他的團(tuán)隊(duì)投注精力，想要打造一款用戶友好、佩戴舒適的無線設(shè)備，方便非醫(yī)務(wù)人員使用。患者有時(shí)候不知道已經(jīng)發(fā)作或不記得曾經(jīng)發(fā)作，這款設(shè)備能檢測(cè)許多（甚至所有）類型的癲癇發(fā)作，并立即提醒護(hù)理人員。通過持續(xù)監(jiān)控和收集數(shù)據(jù)，Epidet 能將數(shù)據(jù)記錄下來并建立癲癇發(fā)作歷史記錄。之后，這些數(shù)據(jù)便可用于預(yù)測(cè)未來的發(fā)作，從而提醒患者采取預(yù)防措施。
Clarke 博士指出：“癲癇發(fā)作可能會(huì)影響大腦以外的身體系統(tǒng)。我們正在與 Silicon Labs 合作，研究影響睡眠和其他參數(shù)的自主神經(jīng)特征，例如皮膚電流測(cè)量法（皮膚電導(dǎo)）、體溫和加速度測(cè)量法（運(yùn)動(dòng)測(cè)量），以便更好地使用數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)癲癇發(fā)作何時(shí)開始。還有一些其他非常重大的進(jìn)展，包括如何使用心率和其他參數(shù)來定義不同的癲癇發(fā)作類型。此類設(shè)備可以從根本上改變我們觀察患者的方式，并提升癲癇管理的普及性。有了這款設(shè)備，我們能更快地找到答案，這對(duì)所有人都是有益的。”
如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)
得益于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備體積變得越來越迷你，設(shè)備也最終變成一次性產(chǎn)品。現(xiàn)在，我們可以提供采用微型電子封裝的超小型設(shè)備，這些設(shè)備中內(nèi)含應(yīng)用微控制器單元 (MCU)、無線連接、模擬外圍設(shè)備、通用 I/O、各種電源的集成以及與各種傳感器的接口（具體取決于想要收集的數(shù)據(jù)）。
Epidet 中監(jiān)測(cè) ECG 和皮膚電反應(yīng) (EDA)、體溫、運(yùn)動(dòng)（跌倒或休息情況）以及心率變異性 (HRV) 的傳感器可以輕松連接到片上系統(tǒng) (SoC)，片上系統(tǒng)具有充足的內(nèi)存，可以運(yùn)行高級(jí)算法，處理與移動(dòng)電話或網(wǎng)關(guān)的安全連接，提供最先進(jìn)的安全性以保護(hù)設(shè)備和用戶免遭入侵，運(yùn)行數(shù)周后才需要充電或或更換。
這些小型低功耗設(shè)備為 Clarke 博士及其團(tuán)隊(duì)等創(chuàng)新者開辟了新的設(shè)計(jì)途徑。
以用戶為中心的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)
Clarke 博士表示：“Epidet 必須適用于兒童操作，必須運(yùn)作效果良好，還要保證無法被兒童破壞。對(duì)患者而言，操作要多方便？這實(shí)際上是我在開發(fā)設(shè)備時(shí)首先想到的事情。另一個(gè)非常重要的事情就是要考慮文化敏感性。我們這款設(shè)備的建模經(jīng)過深思熟慮，因此可以在全球范圍內(nèi)使用，無論是哪一種文化環(huán)境，它都能有效管理癲癇。如果只為一部分人口解決了癲癇管理問題，后果可能適得其反，因?yàn)槲覀冋嬲哪繕?biāo)是改善全球范圍的癲癇管理情況。”
文化多樣性是醫(yī)療器械制造商面臨的另一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)（尤其是在希望進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)時(shí)）。社會(huì)背景、家庭偏好和期望都會(huì)影響無線醫(yī)療設(shè)備的采用范圍，更不用說人體測(cè)量學(xué)特征和語言方面的障礙了。在兒童照護(hù)方面，個(gè)性化護(hù)理和隱私都是非常敏感的話題。
在全球范圍內(nèi)，80% 的癲癇患者生活在低收入和中等收入國(guó)家。如果有一款設(shè)備佩戴簡(jiǎn)單、高性價(jià)比，還能提升照護(hù)質(zhì)量，這很可能會(huì)顯著減輕全球癲癇患者的負(fù)擔(dān)。
與連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀 (CGM) 和動(dòng)態(tài)心電圖貼片一樣，Epidet 必須足夠小巧且靈活，不能妨礙患者的日常活動(dòng)，但需要能收集所需的數(shù)據(jù)。它還需要有必要的組件和電池容量來完成工作。在某些情況下，貼片甚至可以是一次性的，持續(xù)工作一周或數(shù)周后就會(huì)被回收或重新利用，這就要考慮到環(huán)境和成本。
柔性貼片可以使用粘合劑輕松地固定到患者身體上，這樣，在患者活動(dòng)和鍛煉期間，也能更好地采集信號(hào)。硬質(zhì)貼片可以容納更大的可更換電池，還能使用松緊帶佩戴在手臂或胸部。但在患者活動(dòng)期間，它更容易發(fā)生位移，可能需要在患者運(yùn)動(dòng)期間重新調(diào)整或校準(zhǔn)測(cè)量值。
出于這個(gè)原因，更小巧靈活的外形是理想的選擇，還要保證能使用 SoC，例如為該項(xiàng)目選用的 Silicon Labs EFR32BG22，它可以提供應(yīng)用 MCU、藍(lán)牙 5.2 連接、超低功耗、小巧外形和一系列用于傳感器集成的外圍設(shè)備，所有這些都位于同一臺(tái)設(shè)備中。
準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)算法
另一個(gè)困難就是實(shí)施準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)算法。傳感器會(huì)收集 ECG 和 EDA 讀數(shù)，監(jiān)控體溫和設(shè)備加速度，并在設(shè)備上本地處理所有這些信息。
為該項(xiàng)目選用的 BG22 包括運(yùn)行頻率高達(dá) 76.8 MHz 的 ARM Cortex-M33 內(nèi)核，具有 352kB 閃存（512k 類別可用）和 32kB RAM。這款設(shè)備具有單獨(dú)的 Cortex-M0+，可以驅(qū)動(dòng)藍(lán)牙無線電子系統(tǒng)，從而給 M33 和內(nèi)存留下充足的空間處理應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理算法。正因如此，Epidet 能夠獲取檢測(cè)各種癲癇發(fā)作類型所需的數(shù)據(jù)頻率和分辨率，在設(shè)備上本地處理所有數(shù)據(jù)，利用藍(lán)牙無線電發(fā)送明確結(jié)論，向護(hù)理人員和云端提供必要的更新信息，進(jìn)行記錄和進(jìn)一步分析。
這意味著所有相關(guān)人員都將從這款設(shè)備中受益：患者、其家人和/或護(hù)理人員以及醫(yī)療保健提供者。對(duì)于患者而言，這款設(shè)備就是一種保護(hù)措施；而對(duì)于家人/護(hù)理人員而言，這款設(shè)備可以保證他們能夠在必要時(shí)進(jìn)行干預(yù)。而醫(yī)療服務(wù)提供者，需要確定真實(shí)的癲癇發(fā)作頻率，加快進(jìn)行決策和護(hù)理管理。
能效與設(shè)計(jì)并重
另一個(gè)關(guān)于設(shè)計(jì)的主要考慮就是權(quán)衡尺寸、功耗、電池選擇，以及設(shè)備是一次性、可充電還是配備可更換電池，還有電池類型以及外形尺寸。
設(shè)計(jì)上，一部分是 BG22 的功耗，因?yàn)樗粌H運(yùn)行應(yīng)用程序，還要通過經(jīng)優(yōu)化的低功耗藍(lán)牙連接處理周期性傳輸，再加上各種傳感器、信號(hào)鏈上組件，以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)樣本所需的外部 EEPROM（電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器）的功耗。數(shù)據(jù)采集??占很大一部分功耗。需要運(yùn)用精巧的技術(shù)和優(yōu)化方式，才能避免默認(rèn)連續(xù)監(jiān)控所有傳感器，并降低設(shè)備的平均功耗。此外，還需要提供一種便捷的設(shè)備電池充電方式。
Epidet 電池壽命之所以能最大限度地延長(zhǎng)，其關(guān)鍵在于，BG22 在活躍時(shí)每兆赫茲消耗 27 uA，在最低睡眠狀態(tài)下僅消耗 1.2 uA。這款功率優(yōu)化型設(shè)備提供五種電源模式：EM0（全面運(yùn)行）、EM1（睡眠）、EM2（深度睡眠）、EM3（停止）和 EM4（關(guān)機(jī)）。根據(jù)選取的模式，設(shè)備會(huì)啟用或禁用不同的架構(gòu)組件，以便系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)備的整體功耗預(yù)算。
此外，利用傳感器中斷和藍(lán)牙功能可最大限度地減少 TX/RX 時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)整體省電。RFSense 是 EFR32 無線 MCU 設(shè)備產(chǎn)品家族獨(dú)有的另一個(gè)功能，可將 MCU 從 EM2 甚至 EM4 電源模式“喚醒”，從而進(jìn)一步節(jié)省設(shè)備的功耗。
個(gè)性化護(hù)理：數(shù)據(jù)隱私、安全和信任
隨著人們?cè)絹碓蕉嗟厥褂每纱┐髟O(shè)備測(cè)量人體生命體征，在某些情況下還會(huì)將藥物注入體內(nèi)，人們對(duì)一流安全性的需求也愈發(fā)迫切。BG22 提供先進(jìn)的硬件加密加速，可以安全地保護(hù)和存儲(chǔ)維持與網(wǎng)關(guān)或智能手機(jī)的私密藍(lán)牙連接所需的密鑰。它還提供具有信任根和安全加載程序的安全啟動(dòng)，從而確保從不可篡改的內(nèi)存 (ROM) 開始驗(yàn)證可信的固件鏈。這可以防止惡意軟件注入、回滾，并確保僅在設(shè)備上加載和執(zhí)行經(jīng)驗(yàn)證的固件。最后，BG22 提供帶鎖定/解鎖功能的安全調(diào)試，僅允許經(jīng)過身份驗(yàn)證的人員訪問受公鑰加密保護(hù)的調(diào)試端口。
Epidet 充分利用了 BG22 提供的安全功能來保護(hù)通信鏈路和用戶的私人信息。設(shè)備固件可通過藍(lán)牙安全更新，迅速糾正產(chǎn)品中的潛在缺陷，添加新功能和增強(qiáng)功能。
人們很自然地就會(huì)想問，如果設(shè)備被黑客入侵、不當(dāng)使用或報(bào)告了可能導(dǎo)致危險(xiǎn)情況被忽視的不良數(shù)據(jù)，會(huì)發(fā)生什么情況，如果是您的親朋好友在試用這款新設(shè)備，想要知道這個(gè)問題答案的迫切程度會(huì)更甚。當(dāng)今的技術(shù)力求在設(shè)計(jì)階段就解決這些問題。除了技術(shù)應(yīng)用本身外，有時(shí)更難解決的是人類與數(shù)據(jù)的交互問題。
正如Clarke 博士所說：“借助可穿戴設(shè)備，與患者和/或患者父母或護(hù)理人員共享信息相對(duì)容易。更復(fù)雜的問題是，數(shù)據(jù)的采集范圍以及涉及哪些人可以訪問這些數(shù)據(jù)。對(duì)于用于改善醫(yī)療服務(wù)的所有醫(yī)療保健數(shù)據(jù)，隱私是重中之重。從社會(huì)層面來說，隱私問題牽涉的范圍更廣。例如，何時(shí)告知保險(xiǎn)公司？或者，如果您是患有癲癇癥的成年人，您任職的公司是否必須知道這一情況？我們必須以患者為中心，必須考慮與隱私和道德相關(guān)的方方面面的事情。”
前方的道路：有關(guān)無線醫(yī)療設(shè)備的前景尚不明朗
如今，我們部署越來越多的智能設(shè)備，在互聯(lián)網(wǎng)上收集和共享數(shù)據(jù)，距離不再是問題，遠(yuǎn)程操作成為現(xiàn)實(shí)。便攜式醫(yī)療設(shè)備可以解決費(fèi)用、可及性和權(quán)力方面的問題，但前提是用戶要愿意通過無線電波分享數(shù)據(jù)。
我們還需要考慮，如果人們不在醫(yī)療中心的護(hù)理范圍內(nèi)，我們?cè)撊绾未_保和保證他們和互聯(lián)網(wǎng)的連接。我們需要回答的問題涉及我們是否依賴于患者的手機(jī)、其 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，或者我們是否需要為遠(yuǎn)程管理設(shè)置單獨(dú)的通道（例如，專門為連接的設(shè)備開發(fā)蜂窩網(wǎng)關(guān)），以便藍(lán)牙和 Wi-Fi 設(shè)備可以通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)直接連接。
Epidet 的目標(biāo)是管理一種常見但高度復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，從而極大地改善世界各地患有此癥的兒童和成人的生活。它最初是檢測(cè)癲癇發(fā)作和監(jiān)測(cè)身體，但它也會(huì)很自然地?cái)U(kuò)展到在患者住所收集環(huán)境數(shù)據(jù)，以便更好地了解潛在的觸發(fā)因素。
視頻
改善癲癇患者的檢測(cè)和健康結(jié)果
Clarke 博士出席我們的 Works With 2022，他解釋了互聯(lián)互通如何利用高靈敏度無線監(jiān)控診斷和管理兒童癲癇。
