傳感器助力現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的精準(zhǔn)診斷

技術(shù)進(jìn)步掀起儀器診斷變革

一直以來，儀器診斷使醫(yī)生能夠在檢查患者的過程中增加其問診手段的多樣性和客觀性，可能比其他學(xué)科更能推動(dòng)其職業(yè)生涯進(jìn)步。借助這些儀器，醫(yī)生可以精確測量體溫、血壓、肺活量、骨折移位、炎癥、心律以及許多其他生物標(biāo)志物，再結(jié)合癥狀和患者病史，精確了解患者的健康狀況。隨著傳感器和人工智能的進(jìn)步，客觀的檢測、測量和解釋正取代過去主觀的診斷手段。此外，這些進(jìn)步還改進(jìn)了居家檢測方法，并將患者數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)研究聯(lián)系起來。

實(shí)現(xiàn)客觀檢測與測量

看一下腦震蕩評估和診斷，就可以了解客觀檢測是如何取代主觀診斷的。腦震蕩是每年發(fā)生在30多萬名運(yùn)動(dòng)員身上的一種損傷， 其癥狀及嚴(yán)重程度的主要衡量指標(biāo)是瞳孔光反射評估，傳統(tǒng)的做法是醫(yī)生用手電照射瞳孔，然后觀察瞳孔的收縮和擴(kuò)張。當(dāng)然，這種方法的問題在于，患者之間存在巨大差異，不同的醫(yī)生對瞳孔大小和反應(yīng)的主觀理解也不同。

為了替代瞳孔測量中的手動(dòng)評估，人們正在試驗(yàn)使用復(fù)雜技術(shù)和傳感器的先進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助替代方案。例如，智能電話或虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)中內(nèi)置的微型高分辨率攝像頭現(xiàn)在能夠以每秒高達(dá)數(shù)百幀的速度記錄眼睛狀況。針對實(shí)時(shí)分析進(jìn)行了優(yōu)化的計(jì)算機(jī)視覺流程從圖像中提取鞏膜、虹膜和瞳孔等眼睛各部分的特征。使用肉眼不可見的紅外光譜，大大簡化了圖像分割。然后，復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型將這種像素?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)饺S眼模型，以得出真實(shí)的測量單位，例如毫米。最后，機(jī)器學(xué)習(xí)算法消除數(shù)據(jù)中的噪聲，識別時(shí)間序列中的圖案，確立針對總分析對象參數(shù)的預(yù)估分布參考標(biāo)準(zhǔn)，并給出結(jié)果。

這種方法可提供準(zhǔn)確的測量結(jié)果，消除主觀性，并將醫(yī)生的責(zé)任轉(zhuǎn)移到驗(yàn)證、解釋結(jié)果以及將結(jié)果傳達(dá)給患者。此類方法可針對醫(yī)療保健中的特定應(yīng)用優(yōu)化，并最終實(shí)現(xiàn)以前不可能實(shí)現(xiàn)的客觀診斷。例如，現(xiàn)代的熱成像攝像頭正越來越多地用于檢測炎癥，使用先進(jìn)的降噪算法甚至可以用來檢測乳腺癌。與經(jīng)典的X射線乳腺攝影不同，這種檢查可能在癌癥的早期更加精確，同時(shí)，既不使用具有潛在危險(xiǎn)的輻射，也不會(huì)有任何形式的觸摸。在新冠疫情等需要大規(guī)模發(fā)熱檢測時(shí)，這些技術(shù)為無人值守的高效自動(dòng)檢測提供了巨大的機(jī)會(huì)，結(jié)果也比接觸式方法準(zhǔn)確得多。

實(shí)現(xiàn)居家實(shí)時(shí)檢測

微型技術(shù)，特別是小型可穿戴檢測設(shè)備，正在使醫(yī)療場所外的檢測成為現(xiàn)實(shí)。例如，需要做心電圖的患者不用再去醫(yī)療機(jī)構(gòu)就診，戴上Holter監(jiān)護(hù)儀就可以在他們的日常生活中收集長期的心電圖數(shù)據(jù)。這些監(jiān)護(hù)儀安裝有電極，大小與小型攝像機(jī)相仿，可佩戴24至48小時(shí)，雖說仍然有點(diǎn)笨重，可能會(huì)限制患者的某些活動(dòng)，但是相比到醫(yī)院檢查，它們可以提供對患者心律更廣泛的了解。

技術(shù)的進(jìn)一步小型化在繼續(xù)加速醫(yī)學(xué)進(jìn)步。健身手環(huán)和智能手表中內(nèi)置的新一代光學(xué)傳感器有望大大提高舒適度，同時(shí)提供越來越有用的數(shù)據(jù)。盡管數(shù)據(jù)質(zhì)量可能比不上基于電極的同類產(chǎn)品，但Apple最近展示了智能手表在檢測某些形式的心律不齊方面的潛在用途，這引起了巨大的轟動(dòng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出專家的預(yù)期。除了測量心血管系統(tǒng)各部分的此類設(shè)備外，其他傳感器也可用于監(jiān)測其他多種身體功能。例如，眼罩樣式的現(xiàn)代便攜式腦電圖頭戴設(shè)備已經(jīng)可以在自家臥室用于捕捉粗略的大腦活動(dòng)情況，而不用讓患者到不熟悉的睡眠實(shí)驗(yàn)室去接受觀察。隨著經(jīng)過認(rèn)證的開源傳感器不斷普及，開發(fā)小型但功能強(qiáng)大的醫(yī)療設(shè)備已不再是只有少數(shù)大公司才能染指的事情。

將患者數(shù)據(jù)與研究和標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系起來

醫(yī)生面臨的一個(gè)重要問題是利用臨床試驗(yàn)、研究、知識庫、登記資料等獲取與患者相關(guān)的信息。盡管臨床試驗(yàn)和其他資源中存在一些標(biāo)準(zhǔn)化，但是跨組織、醫(yī)學(xué)學(xué)科或地理區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化還無法讓醫(yī)生能夠查找、訪問和使用可用信息。解決這種需求帶來了雙重挑戰(zhàn)：開發(fā)一種讓醫(yī)生能夠查找和訪問相關(guān)信息的系統(tǒng)，同時(shí)允許跨醫(yī)療信息系統(tǒng)的互操作。

為了滿足這些需求，一些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，它們采用了FAIR數(shù)據(jù)的原則，即在最少的人工干預(yù)下就可找到 (findable)、可訪問 (accessible)、可互操作 (interoperable) 和可重復(fù)使用 (reusable) 數(shù)據(jù)。例如，SNOMED CT是方便計(jì)算機(jī)處理的醫(yī)學(xué)代碼、術(shù)語、同義詞、檢查結(jié)果、癥狀、疾病、手術(shù)，器械等的集合，旨在提供一致的方式來索引、存儲(chǔ)、檢索和匯總醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)。同樣，LOINC是一個(gè)用于識別醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室觀察結(jié)果的數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)。

這些標(biāo)準(zhǔn)中的元數(shù)據(jù)要求使醫(yī)生不僅能夠訪問和使用數(shù)據(jù)，而且還可以跨數(shù)據(jù)集得出見解。NFDI4Health等項(xiàng)目將經(jīng)驗(yàn)性健康數(shù)據(jù)（例如生物標(biāo)志物）嵌入到疾病和病癥元數(shù)據(jù)中，隨后可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法跨各種各樣的患者池對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。即使是以前難以或不可能客觀診斷的疾病和病癥（例如精神病科的疾?。F(xiàn)在也在傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的幫助下，放到了新的基于生物標(biāo)志物的基礎(chǔ)上。

結(jié)論

患者的診斷準(zhǔn)確性與醫(yī)生使用檢測儀器來增強(qiáng)感知的能力緊密相關(guān)。只有通過這樣的儀器，才能明確地定義距離，精確地測量體溫，瞬間識別肉眼不可見的物體和微生物。通過提供客觀數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)患者環(huán)境中的檢測以及整合患者數(shù)據(jù)和研究結(jié)果，醫(yī)用傳感器和人工智能正在徹底改變儀器診斷領(lǐng)域。

審核編輯：郭婷