可穿戴设备跟踪COVID-19的关键症状

我们对这部小说了解得越多冠状病毒(COVID-19)，未知因素似乎就越多。这些不断出现的谜团凸显了人们迫切需要更多的数据来帮助研究人员和医生更好地理解和治疗这种极具传染性和致命的疾病。

美国西北大学(Northwestern University)的研究人员和芝加哥的雪莉·瑞安能力实验室(Shirley Ryan AbilityLab)的研究人员开发了一部小说可穿戴设备并创建了一套专门用于捕捉相关早期迹象和症状的数据算法新型冠状病毒肺炎并在病情发展过程中监测患者。

该设备可以全天候佩戴，产生连续的数据流和使用人工智能去发现微妙的，但可能拯救生命的见解。它以传统监测系统无法实现的方式持续测量和解释咳嗽和呼吸活动，填补了一个重要的数据空白。

该设备由西北大学的一个工程实验室开发，使用雪莉·瑞安AbilityLab的科学家创建的定制算法，目前COVID-19患者和治疗他们的医疗工作者正在雪莉·瑞安AbilityLab的一项研究中使用该设备。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测，累计监测时间超过1500小时，产生的数据超过1tb。

大约邮票大小，柔软、灵活、无线、轻薄设备位于胸骨上切迹下方——咽喉底部可见的凹陷处。从这个位置，该设备监测咳嗽的强度和模式、胸壁运动(表明呼吸困难或不规则)、呼吸音、心率和体温，包括发烧。从那里，它将数据无线传输到受hipaa保护的云中，在云中，自动算法生成量身定制的图形摘要，以方便快速的远程监控。

发表在《美国医学会杂志》上的最新研究表明，COVID-19感染的最早迹象是发烧、咳嗽和呼吸困难。我们的设备位于人体的完美位置——胸骨上切迹——以测量呼吸频率、声音和活动，因为这是空气在皮肤表面附近流动的地方。”西北大学的研究人员说约翰·a·罗杰斯他领导了这项技术的开发。“我们开发了定制设备、数据算法、用户界面和基于云的数据系统，直接响应一线医疗工作者的特定需求。我们正在全力贡献我们在生物电子工程方面的专门知识，以帮助应对这一流行病，利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。这个设备平台的测量能力是独一无二的，它们不能通过传统的手表或戴在手腕或手指上的戒指式可穿戴设备来实现。”

雪莉·瑞安能力实验室(Shirley Ryan AbilityLab)的研究科学家阿伦·贾亚拉曼(Arun Jayaraman)表示:“我们预计，我们正在开发的先进算法将从原始数据洞察和症状中提取出类似covid - 15的迹象和症状，甚至在人们可能意识到它们之前。”“这些传感器有潜力释放将保护一线医务人员和患者的信息——及时告知干预措施，以减少传播风险并增加取得更好结果的可能性。”

从医院到家庭的持续监控

西北大学

COVID-19影响身体的神秘方式似乎越来越奇怪。许多患者的症状在突然和意外地开始恶化之前完全消失——有时在几个小时内。其他患者已经康复，检测结果为“阴性”，但随后再次检测为“阳性”。

这些未知因素强调了对患者进行持续监测的必要性，以确保医生能够在最轻微的症状出现时进行干预。西北大学和雪莉·瑞安能力实验室团队的设备为COVID-19患者和接触过他们的人提供24小时监测。Shirley Ryan AbilityLab的医生Mark Huang博士佩戴了这种传感器，他说:“拥有监测我们自己和患者的能力，并对实时变化的情况保持警惕，将为临床医生抗击COVID-19提供一个新的重要工具。”“该传感器还将监测新冠肺炎症状，为临床医生和患者提供安心，有可能促使早期干预和治疗。”

该设备可以监控住院患者，然后被带回家继续24/7的监控。来自患者的实时数据流让人们了解他们的健康状况和结果，而这是目前传统监测系统无法捕捉或分析的。“以前从来没有人收集过这种类型的数据，”罗杰斯说。“越早发现越好，我们的设备在这方面提供了重要和独特的功能。对于感染了该疾病的患者，其价值甚至更加明确，因为数据代表了呼吸行为的定量信息，作为跟踪治疗进展和/或效果的机制。”

Jayaraman说:“这开启了新的远程医疗策略，因为我们不必把病人带到医院进行监测。”“医生可以通过定制的图形用户界面立即查看患者数小时、数天或数周的数据，并以此为目的建立云数据管理系统，以查看患者的整体情况。”

虽然这款可穿戴设备目前还无法测量血液氧合水平，而血液氧合水平是肺部健康的重要组成部分，但该团队计划将这一功能纳入下一轮的设备中。Rogers实验室已经成功地将这种能力融入到其先前的工作中，为重症监护病房生产临床分级监测设备。罗杰斯认为，他们可以很容易地将这项研究应用到定制新冠病毒的设备上。

最危险的预警系统

该设备不仅可以监测COVID-19患者的病情进展，还可以提供早期预警向最易感染这种传染性疾病的一线工作人员发出信号。该设备有可能在工作人员注意到症状和趋势之前识别症状和趋势，从而提供机会采取适当的预防措施，并尽快寻求进一步检测。贾亚拉曼说:“有明显、严重症状的人会去医院，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，并在不知不觉中传播了感染。”

随着研究人员急于找到COVID-19的治愈方法，医生一直在尝试探索性的、有时未经证实的治疗方法，以帮助他们的患者。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:“早期的报告表明，某些拟议的治疗方法可以比安慰剂更快地消除咳嗽症状。”然而，没有人对某些关键症状进行量化，比如咳嗽的持续时间、频率、幅度、声音等。我们的设备可以对这种疾病的这一重要、但目前尚未量化的方面进行精确测量。”

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最有效。罗杰斯说:“在最简单的层面上，我们的系统可以基于数据进行定量评估，而不需要依靠人类判断病人咳嗽的程度。”

这种新设备是建立在罗杰斯和Jayaraman实验室最近合作的一项研究基础上的，该研究的重点是监测中风康复患者的吞咽和语言障碍。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。

在回应医学界的请求和询问时，罗杰斯和贾亚拉曼意识到，他们可以使用这种技术来测量类似covid - 19症状的振动信号，包括胸壁运动和咳嗽。Jayaraman的团队正在开发定制信号处理和机器学习训练设备如何识别数据中的咳嗽的算法。贾亚拉曼说:“随着算法变得越来越智能，我们希望它能开始区分哪些咳嗽是类似covid的，哪些是来自更良性的东西。”“最基本的方法已经应用于COVID-19患者和卫生保健工作者，即简单地计算咳嗽及其强度。”

绕过已经紧张的供应链

多亏了西北大学受托人Kimberly K. Querrey (24p)和Louis a . Simpson (58,96p)的慷慨捐赠，Rogers和他的团队能够快速响应设备的需求。在芝加哥新建的辛普森Querrey生物医学研究大楼中，利用一套可用的制造工具，该团队已经在每周生产几十个设备。罗杰斯估计，他的团队每周可以生产多达数百台设备——全部在内部生产，很大程度上绕过了对外部供应商和复杂供应链的需求。

Querrey说:“内部快速开发新技术从来没有像现在这样重要。”“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这所大学和其他地方如此重要。我为John和他的团队感到骄傲，尽管他们在远程工作，但他们能够跳出常规思维，利用他们的合作来帮助保护我们的医疗工作者。我们很高兴能够在大学内部开发这些设备，并将它们送到最需要它们的人手中。测量振动信号的能力可以真正帮助早期发现COVID-19。”

“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，我们避免了已经紧张的供应链。我们只要自己做就行了。”

舒适易用

3月中旬，凯利·麦肯齐(Kelly McKenzie)感到雾蒙蒙的，并出现了轻度头痛。她最近刚从海外出差回来，以为是因为时差。但随着她的症状发展到咳嗽和充血，她开始担心。虽然她的症状还没有严重到需要进行COVID-19检测的程度，但她知道自己应该自我隔离。

“在我的国际旅行和症状之间，我的主任和我决定最好是呆在家里，不去上班，所以我没有把任何传染性的东西带进医院，”麦肯齐说，他是雪莉·瑞安能力实验室的一名研究物理治疗师。

麦肯齐加入了试点研究，以测试该设备，并根据她的症状训练算法。24小时佩戴传感器一周后，柔软的硅胶材料的舒适和使用方便让她惊叹不已。佩戴者只需给设备充电，然后它就会立即开始工作——将实时数据传输到智能手机或平板电脑上。麦肯齐说:“当你第一次戴上它时，你能感觉到它，因为它是新的和不同的。”“但穿了一段时间后，你甚至都不会注意到它。”

因为它是完全密封的，没有电线、电极、充电端口或可拆卸电池，所以可以在锻炼或淋浴时佩戴。事实证明，这对消毒和重复使用也很重要。罗杰斯说:“在这种传染性极强的疾病的情况下，这是绝对关键的。”“因为它是完全密封在一种柔软的生物相容性硅胶材料中，它可以完全浸泡在酒精中，然后暴露在气体系统中进行严格的消毒。如果有外露区域、插头、端口或其他物理接口，该设备就不适合应用。”