医学与社会
2018年03月号
医学进展

用可穿戴设备监测人体

作者:黄希瑶

    自从2009年第一个可穿戴设备Fitbit问世以来,可以看到越来越多的人戴上了运动手环(fitness trackers)。早期可穿戴设备的功能主要是计算步数,而最近的设备也可测量心率,判断穿戴者是否在运动,并试图捕捉睡眠质量。一些科学家认为,可穿戴设备的未来并不在于追踪运动状况,而在于监测健康状况。诸如“高明追踪者”(Garmin tracker)或“苹果智能手表”(Apple watch)等设备可以提供疾病早期预警,辅助诊断和治疗,这有助于对人类健康的更深层次的理解。
    美国斯克利普斯研究所的Eric Topol说,“2017年,很多可穿戴设备已经在发挥作用”。他说,研究人员才刚开始弄清楚,身体的哪些数据可以通过穿戴在身上或随身携带的设备来测量,以及这些测量数据与健康的关系。他们正忙于开发新的设备,从监测葡萄糖的隐形眼镜到汗液传感器,这些设备可能会提供全新层面的数据。Topol说,“最终,可穿戴传感器将在医学领域发挥重要作用”,但到目前为止,它在新技术中还处于边缘地位。
    在一项研究中,斯坦福大学的遗传学家Michael Snyder为43名参与者提供了一个Basis智能手表,可测量心率、皮肤温度和步数,并可使用软件和一个加速度计来确定穿戴者是在走路、跑步或骑自行车。乘坐飞机旅行的参与者被要求在他们的手指上戴一个脉搏血氧监测仪。Snyder自己就穿戴了多达7个设备,包括皮肤电反应和辐射暴露的监控设备。
    所有的参与者都显示在飞行时血氧水平下降,这一现象已经在文献中被报道过。但Snyder发现,较低的血氧水平与疲劳有关。这项发表在《公共科学图书馆•生物学》杂志上的研究还发现,四名参与者的心率升高,他们报告感觉不适,其血液中C反应蛋白含量很高,这表明,该智能手表可以检测出炎性疾病(PLoS Biol 2017;15:e2001402)。
    虽然这些发现没有一个是确定的,但Snyder说,其至少给出了一些关于穿戴式传感器监测人体的信息。他说,“至少,我很确定我们能够非常早地检测疾病。”
    可穿戴设备研究
    可穿戴设备不仅会给个人用户反馈关于他们健康状态的信息,也将前所未有地为科学家提供数百万人的日常生命体征数据。“精准医学计划”(Precision Medicine Initiative)将测序一百万人的基因组来他们的健康,其中包括建立“参与者技术中心”(Participants Technologies Center),将提供传感器来跟踪参与者的生命体征。该计划的这一部分拥有2.07亿美元资金,这是来自美国国立卫生研究院的5年联邦拨款,用于研究移动技术在35万人中的使用。该传感器包括一个可以测量血压的腕带。
    Topol说,这个腕带将提供以前从未有过的数据。他说:“我们甚至不知道正常的血压是多少,因为我们从来没有在自然环境下在这么多人中测量过,包括在他们睡觉的时候。”
    “现在,我们有技术可以做到这一点。”
    Topol说,最近关于血压目标的设定是有争议的,因为目前还缺乏信息。至于已有的数据,“这些数据是基于医生办公室的一次性测量得出的。这是一个并非自然的场景。我们甚至不知道这意味着什么。”
    虽然可穿戴设备主要集中在运动和心率上,并试图监测睡眠,但还有很多其他体征可供测量。持续葡萄糖监测的出现已经有一段时间了,像谷歌母公司Alphabet旗下的Verily Life Sciences公司,正在研制隐形眼镜,可以测量糖尿病患者的血糖。去年,美国食品药品管理局批准了来自AliveCor公司的一种设备,其通过心电图来寻找房颤的体征。Beyond Verbal Communication公司正在开发手机应用程序,可以倾听人们的声音,寻找抑郁的征象。声调的变化或一个人的叹息次数都可能意味着抑郁,其他一些可以通过手机来衡量的征象包括主人是否经常出门,或者和其他人交谈的频率。
    用手机获得数据
    最强大的个性化传感设备之一就是智能手机,它配备了一系列传感器,具有处理能力和通信能力,这些功能允许收集、分析和共享数据。美国罗彻斯特大学医学中心的神经学家Ray Dorsey与Sage Bionetworks的开发人员一起开发了一款名为mPower的iPhone应用程序,旨在评估帕金森病患者的运动,并将其与那些没有患病的人进行比较。该应用程序要求用户在手机屏幕上点击一个圆圈,持续10秒,以评估他们的运动控制,对麦克风说“啊”,以确认疾病如何影响他们的声带肌,并走一小段距离来测量他们的步态和平衡。Dorsey说,研究人员可以很容易地区分患有帕金森病和没有帕金森病的人,并可观察他们服药前后运动的变化情况。
    Dorsey说,这些读数比让医生在办公室测量提供了更客观、更频繁的测量值。他说:“在传统的临床试验中,我可能每个月在非自然环境下对参与者观测一个小时,而对于诊室外99%的时间,我不知道他们到底在做什么。”
    神经病学家希望获得诸如帕金森病之类疾病的客观测量值,但目前还无法实现。Dorsey说,“我们还无法获得血糖水平,我们没有胆固醇水平,我们没有CD4计数,我们也无法获得病毒载量”,可穿戴式传感器在未来可能提供所需要的测量值。
    智能手机也可补充其他测量数据。Answer ALS是一项研究合作计划,旨在寻找肌萎缩侧索硬化症的治疗方法,计划从1000名患者中收集大约60亿份数据,包括他们的基因组、蛋白质组和其他“组学”的测序数据。该计划正在推出一款智能手机应用程序,要求参与者执行各种任务,例如,在屏幕上追踪一个物体,以评估运动功能。他们会被要求用一口气尽可能长时间地发声,因为呼吸能力是ALS患者生存的最佳预测因子。
    约翰•霍普金斯大学的神经学家Jeffrey Rothstein说,一个问题是,不同基因谱的患者在临床上的表现是否不同,而这一点目前尚不清楚。用手机收集日常测量数据,可能会发现在门诊中不易发现的细微差别。在一项试验中,研究人员向患者展示了一幅场景的图片,并请他们描述。IBM的沃森计算机将对他们的反应进行语言分析,看看其是否能识别出任何认知衰退的迹象。Rothstein说,“获得这些信息是这种疾病的一个全新维度,而且随时间推移能够慢慢地做到这一点——让患者定期在家里接受检测——这完全是崭新的。”
    智能手机应用程序也可以招募更多的人进入临床试验。mPower在2015年3月发布的第一天,约有2000人注册。最终,大约有15000人入组了这项研究,其中近15%的人患有帕金森病。这些客观、高频率的数据,应该能使研究更加高效。Dorsey说:“你可以在更短的时间内对更多的人进行临床试验,更有信心地评估新疗法的疗效,这具有明显的经济价值。”
    Dorsey说,手机也可以让更广泛的人群参与临床研究,这可以使科学进步。他说:“绝大多数的临床试验都是在那些通常是受过良好教育的白人中进行的,他们一般都有许多手段来到达市中心。”但是大部分人都拥有手机,所以那些不容易到达医学中心的人也可以参加试验。
    似乎更富有的人才拥有iPhone,而mPower和其他应用则基于一个由苹果公司创建的软件框架ResearchKit。美国康奈尔大学的Deborah Estrin 说,“显然,我们不希望只有那些买得起iPhone的人才能获得临床工具和治疗。”她的实验室开发了ResearchStack,这是一个类似ResearchKit的框架,但专为安卓手机设计。
    Estrin说,皮尤研究中心最近的一项调查显示,手机在医疗保健方面有着巨大的潜力,部分原因是很多人都拥有手机。她说,“手机并不是人们需要学习使用的新设备。手机的魔力在于人们几乎每时每刻都在使用它。这使得持续监控变得更加容易。”
    Estrin说,如果研究人员和临床医生使用可穿戴式传感器生成的数据,他们将需要开发数字生物标志物,以理解这些测量值意味着什么。她说,“你仍然需要做一些工作,来弄懂如何解读手机上的数据,这些数据实际上是一种间接测量指标。”她说,这可能不需要多年的临床试验来证明一种药物是有效的,但是这种间接指标仍然需要临床验证。Dorsey也同意这一点,他是一个新的期刊《数字生物标记物》(Digital Biomarkers)的编辑,这一期刊在2017年由Karger出版社发行
    开发化学传感器
    虽然今天的可穿戴设备大多依赖于机械测量或电测量,但可能很快就会有化学传感器的加入。美国加州大学洛杉矶分校的Sam Emaminejad正在开发一种汗液传感器。他说,“汗水是一个非常复杂的样本。它含有大量的蛋白质、代谢物和电解质——所有这些都是分子水平的信息。”他所关注的是构建可以收集和测量这些物质的可穿戴传感器,提供数据让生物学家找出相关的测量值在健康方面的意义,以及这些读数与其他可穿戴设备收集的信息关联后是否能够更清楚地描述一个人的健康。
    在2017年4月发表在《美国国家科学院院刊》杂志上的一篇论文中,Emaminejad和他的同事们表示,他们可以使用一种可穿戴的汗液传感器来检测高水平的氯离子,从而识别是否患有囊性纤维化(Proc Natl Acad Sci USA 2017;114:4625-4630)。该设备还能测量血糖水平,这对监测糖尿病和前驱糖尿病患者非常有用。
    Emaminejad还希望开发能够从唾液或细胞间液中收集数据的传感器。他甚至设想了一个传感器,可以放在厕所中,给手机发送尿液分析信息。Emaminejad说,只需3~5年,就有可能开发出一种简单的传感器来测量锻炼过程中的含水量或压力。更复杂的设备可能需要十年的时间。
    Topol认为,可穿戴式健康监测仪对于改变我们对人类健康的认识的潜力是巨大的。他说:“大数据最终将重新描述人类这一物种的生理特征。就像我们今天通过人们的手机绘制交通地图一样,我们将通过他们佩戴的传感器来绘制人类的生理图谱。”
(作者:黄希瑶)
参考文献:Cell 2017;169:1159-1161

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