基于COVID-19远程诊断和监测的医疗设备设计

江金伟

(江苏省人民医院浦口分院(南京市浦口区中心医院)设备科，江苏 南京 211899)

目前爆发的由冠状病毒引起的急性呼吸道疾病称为冠状病毒病(缩写为COVID-19)，这是过去20年中第三次有记录的动物冠状病毒向人类传播并导致大流行的事件。但2003年由病毒引起的严重急性呼吸综合征和2012年的中东呼吸综合征仍局限在较小的区域[1]。现在COVID-19正在全世界深刻影响人们的健康，针对该流行病，每个国家显然都需要创新工具来拦截新冠病毒的传播，提高医疗效率和护理质量，以减轻全球医疗保健系统的压力。

COVID-19比严重急性呼吸综合征更具传染性，在较少的时间内导致的病例数是其10倍。中国很大一部分病例是在医院被传染的，如果没有适当的遏制措施，医院都有可能会被COVID-19病例淹没。这不仅限制了人们治疗感染病毒的重病患者的能力，还会导致患有更常见的危及生命疾病(例如心肌梗死和中风)的未被感染个体，无法及时接受他们通常会得到的治疗[2]。

远程医疗可以通过在家中进行COVID-19筛查、诊断和监测来满足这些需求。由于观察到许多病例起源于医院，因此许多美国卫生机构已经建立了远程医疗系统，以便在家中看病并限制COVID-19可能的传播。

利用远程医疗进行COVID-19诊断时，一旦确诊，远程治疗就是防止COVID-19患者在医院感染他人的最佳策略，同时患者在舒适的家中接受治疗，更有利于患者康复[3]。在家中使用医疗工具对患者进行持续监测，是医生做出医疗决定的必要条件(医生可根据监测报告做出判断)。此外，通过在家庭和社区环境中使用远程医疗传感器监测与 COVID-19 感染后相关的标志物，采用早期医疗干预措施和更积极的治疗计划可以防止患者疾病恶化和死亡。

1 COVID-19远程视频

随着技术的不断发展，远程医疗视频有可能为轻症患者提供其所需的支持性护理，同时最大限度地减少与其他急性病患者的接触。尽管过去的两三年，远程医疗的使用有所增加，但过敏症患者采用远程医疗的比例仍然很低。

最近的一项调查表明，虽然部分患者愿意使用远程医疗[4]，但还是存在一些问题：

1)在多数情况下，患者更愿意到医院进行面对面咨询、沟通。

2)患者没有对远程医疗产生足够的信任。

3)患者并不知道如何使用远程医疗，缺乏有效引导。

远程医疗视频访问需要满足以下要求：

1)评估和计划，包括对患者病情复杂性的临床评估以及治疗计划。

2)环境不会受到远程医疗视频设置的影响，如果需要增加额外的检查，应该综合考虑。

3)医生应记录提供此服务所花费的总时间和远程医疗模式(音频或视频)，以及患者和医生两者的位置信息。

4)远程医疗视频访问可以根据检查事项的医疗决策或花费的总时间进行计费。

5)就诊时，不应将超过50%的时间花在咨询和护理协调上。

6)医生应像到办公室一样定期对患者进行远程回访，并记录诊疗过程，病史应包括主诉、现病史、系统回顾以及既往史、家族史和社会史，因为这些都是主观和客观因素。

基于视频的远程医疗还可用于对新冠病毒进行评估和分类。医院尽管可以提供方便快捷的诊疗服务进行身体检查，但它也会增加患者和医护人员接触COVID-19的风险。通过基于远程的视频互动，患者可以与医生进行互动：新冠病毒接触者除了提供自身的症状和暴露风险的全面经历之外，医生还可以对患者进行感染症状的观察判断。

评估应包括以下内容：

1)用家用温度计测得的体温。

2)能够观察到的一般外观，如患者是否出现不适、是否出汗，脸部的颜色变化。

3)观察患者呼吸和深呼吸时，是否使用辅助呼吸机，是否出现呼吸困难和言语中断。

4)有无咳嗽。

5)观察口咽部，评估口咽部是否有红斑和渗出物，扁桃体有没有扩大或缺失，是否出现病变突出的淋巴结病。

2 COVID-19远程诊断

新冠病毒的远程诊断，除了需要提高病毒诊断工具的准确性之外，还需要将诊断工具(POC) 设计成让普通家庭客户也能够接受、使用，图1所示为新冠病毒远程医疗示意图。在公共场所，需要方便快捷的新冠病毒筛查工具。在医院，医生需要为患者进行有效感染分类和资源分配，并向医院提供患者严重程度信息。在家里，被隔离的人需要在重新进入社会之前进行COVID-19检测，如果检测结果呈阳性，则需要继续通过远程医疗系统监测他们的症状，以减轻医院的压力和降低传播风险。设计相关诊断工具时，需要认真选择目标COVID-19的生物标志物、样本标本、检测机制和集成平台[5]。

图1 新冠病毒远程医疗示意图

目前横向流动测定已成为商业快速 POC 测试的标准[6]，其通常在带有样品垫、结合垫和吸收垫的硝化纤维膜上，结合测试样品进行操作区域检测，如图2所示。横向流动测定可用于检测特定颗粒 (AuNP) 探针的扩增核酸、抗体。横向流动测定的核酸与检测条上的固定探针结合，可能导致AuNP聚集并使测试条颜色发生变化。核酸横向流动测定也可以使用固定化 CRISPR酶，它能在结合目标核酸序列时切割报告基因对，在测试线产生荧光信号。

图2 生物标志物检测、诊断COVID-19

横向流动测定技术作为一种廉价、快速的家庭测试工具被广泛使用[7]，由于其通过物理现象的变化进行诊断，使得它仅能用于定性的诊断分析。为了得到更高效、精准的检测结果，就需要开发高度灵敏的定量检测方法，以便更早地发现和更准确地筛查无症状携带者，并能通过远程医疗系统获取在家中治疗患者的更多疾病信息。本文提出一种基于新型纳米材料的电化学传感器，这种传感器定位良好，可提供快速、高灵敏度的测试，可集成应用到移动医疗平台中。

现代医学可通过监测身体的多个指标来判断某些疾病，细胞因子里的生物标志物快速电化学传感方向一直是专家关注的领域。如具有 HfO2介电层的石墨烯 FET 被证明对唾液中标志物的检测可以达到皮摩尔量级。在COVID-19感染期间，线粒体活性氧(reactive oxygen species，ROS)会诱导肺部细胞因子失调，有一种电化学传感器可使用功能化的多壁碳纳米管，通过循环伏安法在 30 s内检测出痰样品中的ROS水平。该测试达到了97%的灵敏度，并且与胸部CT扫描结果密切相关。这种电化学传感器可适用于大部分家庭新冠病毒的自主测试，以诊断 COVID-19 感染过程中的肺部状态。

基于标准实验室检测、CT扫描和临床表现，人工智能技术已被应用在COVID-19的诊断中[8]。图3所示为通过手持式呼气分析仪进行呼气分析，从而识别COVID-19 特征。由于气体、挥发性有机化合物 (VOC) 和水蒸气引起的纳米材料的收缩和膨胀，会导致电阻发生变化，与其他肺部感染相比，它的测试结果与真实感染高度相似，这种简单、直接的测试程序可以在公共环境中进行病毒的大规模筛查。

图3 通过呼气分析诊断COVID-19

SARS-CoV-2 诊断工具的快速发展，使得医生可利用病毒产物和免疫反应获取关键诊断信息。从临床验证和可重复性的试验可知，这些新型设备具有解决当前测试难题的巨大潜力。电化学传感器是与mHealth平台集成的主要工具，可实现接触者实时追踪和远程医疗访问。

3 用于生命体征的监测系统

可穿戴传感器能够持续监测患者早期感染信号和症状的变化情况[9]，有助于应对当前COVID-19测试面临的挑战。COVID-19感染的早期症状具有非特异性，通常表现为发烧、咳嗽、呼吸急促和疲劳。使用远程医疗设备在家实时监测患者的生理信号，可以帮助医生深入了解患者的健康状况，以防止病情突然恶化，从而降低总体死亡率，如图4所示。

图4 生物标志物的可穿戴传感器监测

皮肤可穿戴设备和移动健康平台监测器已广泛用于跟踪患者，在COVID-19病毒流行期间，有可能被用于收集感染后引起的生理信号以监测和识别潜在患者，达到控制 COVID-19 爆发的目的，如图5所示。这些可穿戴设备可以部署在有潜在暴露风险的健康人、无症状者和症状较轻的人身上，方便他们留在家中观察，并根据当前的临床指南进行自我隔离，无需进一步的治疗。

图5 用于连续监测的皮肤接口可穿戴传感器

当人体被病毒感染时，免疫系统会通过升高体温来防御它。因此，温度测量必不可少，这种技术也已经被许多国家采用。例如，美国西部的一家医院已经启动了连续体温监测计划，以此监测可能接触到病毒源的医护人员体温。一次性使用的传感器贴片可持续工作长达72 h，并无线传输实时数据。当发现护理人员发烧时，感染者会立即被隔离，以确保公众的安全。虽然识别潜在的发烧患者可能有助于在一定程度上控制病毒传播，但仅测量体温既不可靠也不准确。发烧还与许多其他感染特征有关，并且不是COVID-19的标志性症状，因为许多患者在感染期间没有症状或不发烧。

病毒性疾病会增加患者生理压力，导致心率和血压升高以及脉搏波形发生变化。研究表明，COVID-19感染与心血管并发症有关，包括心肌炎、心力衰竭和静脉血栓栓塞。心血管猝死与COVID-19感染高度相关，已成为主要并发症。因此，使用可穿戴心电图 (ECG)传感器监测COVID-19患者的心率变异性 (HRV) 等心脏状况至关重要。图6所示为患者远程实时监控图。呼吸频率是至关重要的肺部指标，正常的呼吸频率在休息时为12～20 次/min，而受感染的肺部会导致呼吸频率升高。与体温测量相比，监测呼吸波动可能是作为COVID-19诊断的一种较准确的方式。需要关注的是，呼吸频率升高通常需要氧疗，如果延误治疗可能会导致采用机械通气和插管等高侵入性手术，目前死亡率高达80%。使用应变传感器测量呼吸频率的同时还可以监测咳嗽频率，有助于对患者生理特征进行实时评估，从而能够在症状恶化之前及时进行医疗干预。血氧饱和度(SpO2)用于衡量血红蛋白的携氧能力，正常的血氧饱和度为94%～100%。呼吸问题可能会导致危及生命的低氧症，当出现明显的呼吸短促时，患者的血氧饱和度通常已降至50%，这使得监测脉搏血氧饱和度成为预防病情恶化的重要预警因素。脉搏血氧仪是安装在患者手指上的可穿戴设备，用于连续无创伤监测血氧饱和度。根据当前的居家指南，可通过用户的行走步数来衡量其活动水平。运动已被证明对健康个体和患有各种疾病的患者是有益的，经常的体育锻炼会改善心血管功能、增加呼吸肌的力量，并维持和增强免疫系统。基于高度多样化定义的用户健康数据，移动健康平台(例如智能手机应用程序)可以与可穿戴传感器相结合，作为基本筛查工具自动分析和管理数据，并减少不必要的医院咨询。

图6 远程实时监控

4 结束语

由于无症状感染者和无症状携带者可能导致COVID-19的广泛传播，因此有必要通过远程医疗进行广泛和频繁的快速检测，找出并隔离感染者或携带者从而限制他们的传播。将可连续监测生理标记的穿戴设备与远程医疗平台配合起来，医生可以实时跟踪患者的健康状况并确定何时改变治疗方案。移动医疗平台可以自动分析收集到的数据，以获取患者感染新冠病毒的早期预警信号。这些工具可以对严重病例进行早期干预，并有效分配医院资源以改善患者的疾病情况。随着商用可穿戴设备和智能手机的小程序平台的广泛使用，它们可用于对个人的健康持续监测以及对疾病状态的信号跟踪。随着远程诊断技术和可穿戴传感器的不断发展，远程医疗将能更加有效地控制COVID-19传播。通过广泛、快速的筛查和家庭测试以及用于症状监测和防治的可穿戴集成技术，患者感染新冠病毒后能得到有效的远程治疗。