基于深度學習的智能服藥管理平臺設計及應用

劉婷 趙逸凡 葉萍

摘 要：服藥依從性差一直是藥物治療過程中面臨的一大難題，尤其對中老年慢性病患者而言，遺忘是影響其服藥依從性最主要的因素。據(jù)此設計一款基于深度學習的智能服藥管理平臺，該平臺以物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘技術為依托，以智能藥盒為基礎，聯(lián)合手機APP、微信公眾號和小程序等，具有用藥計劃創(chuàng)建、智能服藥提醒、服藥記錄反饋等功能，還可以向患者提供用藥資訊及多方服務監(jiān)督功能。應用該智能服藥管理平臺可顯著改善患者不規(guī)律服藥的情況，減少漏服現(xiàn)象。

關鍵詞：服藥管理;服藥提醒;服藥依從性;深度學習

DOI：10. 11907/rjdk. 182933 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP302文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）009-0030-03

Design and Application of Deep Learning Based on

Intelligent Medication Management Platform

LIU Ting1，2，3， ZHAO Yi-fan4， YE Ping4， LU Sen1，2，3， HAN Bao-san1，2，3

（1. Department of General Surgery， Xinhua Hospital， Affiliated with Shanghai Jiao Tong University School of Medicine;

2. Institute of Biliary Tract Disease， Shanghai Jiao Tong University School of Medicine;

3. Shanghai Key Laboratory of Biliary Tract Disease Research， Shanghai 200092， China;

4. School of Medical Instrument and Food Engineering，University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Poor medication adherence？has been a crucial challenge in drug treatment， especially for senile patients with chronic diseases， and tendency to forget is the most important factor that affects their compliance. Accordingly， an intelligent medication management platform based on deep learning is designed， which depends on the Internet of Things and data mining technology. On the basis of intelligent pill boxes， and combined with the mobile phone APP， WeChat public account and mini programs， etc， this platform can not only achieve the functions of timing， smart reminding， medication record feedback， but can also provide patients with medication information and multi-service supervision， which may significantly improve the patients' irregular medication and reduce the leakage phenomenon.

Key Words： medication management; medication reminder; drug compliance; deep learning

0 引言

藥物治療是疾病治療中最常用且有效的治療方式之一，但服藥依從性差一直是藥物治療過程中面臨的一大難題，尤其對于需要長期服藥的中老年慢性病患者而言[1-2]。維持藥物起效所需血藥濃度的前提是按時按次按量服藥，否則不僅會延緩治療時間，甚至可能導致治療失敗或病情加重。

據(jù)統(tǒng)計，即便在發(fā)達國家，患者接受長期藥物治療1年后其依從性也僅約50%，而在落后地區(qū)這一概率更低[3]，美國每年因漏服或誤服藥物造成的醫(yī)療保健損失高達 ? ? 1 000億美元[4]，其中將近一半的治療失敗案例都是由于患者對藥物依從性差導致的[5-6]。以女性惡性腫瘤中發(fā)病率最高的乳腺癌為例，根據(jù)2012年美國國家綜合癌癥網(wǎng)絡（National Comprehensive Cancer Network，NCCN）乳腺癌臨床實踐指南[7]的推薦，激素受體陽性的乳腺癌患者術后在長達5～10年內(nèi)都需要服用內(nèi)分泌藥物，但通過回顧性分析發(fā)現(xiàn)，隨訪到5年療程結束時，31%～73%的患者未能遵循醫(yī)囑而擅自終止治療[8]。服藥依從性隨著治療時間的推移不斷降低[5]，治療2～3年時，患者重視程度明顯下降，但事實上2～3年是一個復發(fā)高峰[9]，中斷服藥時很多患者不愿告知主診醫(yī)生，因而不易受到醫(yī)務人員干預，很容易造成治療失敗，而且不規(guī)律服藥極易導致耐藥性，不利于患者的進一步治療。

在臨床實際藥物治療過程中，各種原因引起的不規(guī)則服藥現(xiàn)象時有發(fā)生。縱觀各種影響因素，患者自身起到了決定性作用，而遺忘是影響患者尤其是老年患者服藥依從性最主要的因素[10]。目前主要使用手機鬧鈴、短信或專用設備等改善患者服藥情況[3，11-14]，雖然上述方法都取得了一定效果，但存在功能單一、設置繁瑣、缺乏人性化等缺陷，因此使用率較低。雖然國外在智能服藥提醒系統(tǒng)研究方面已有一定進展，但對于國內(nèi)的中老年慢性病人而言接受較為困難，不易普及。因此，亟待開發(fā)一種能為患者提供全方位、個性化藥物管理服務的智能移動醫(yī)療設備。為此，筆者設計了一款基于深度學習的智能服藥管理平臺，以幫助患者改善服藥依從性。

1 技術方案

該智能服藥管理平臺以物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘技術為依托，以Wi-Fi智能藥盒為基礎，并聯(lián)合了手機APP，以及微信公眾號與小程序等相關功能。

1.1 Wi-Fi智能藥盒硬件

該智能藥盒微控制器采用ESP系列物聯(lián)網(wǎng)芯片（32位處理器），具有成本低、功耗低，以及具有良好的軟件生態(tài)等優(yōu)勢，以確保該產(chǎn)品性能穩(wěn)定、續(xù)航持久。采用與之匹配的輕開發(fā)環(huán)境，以縮短開發(fā)周期、降低研發(fā)成本。

1.2 手機客戶端軟件

客戶端軟件都是GUI程序，在GUI程序開發(fā)中，處理復雜的交互界面是一大難題。本文采用MVP與MVVM架構，以實現(xiàn)程序的健壯性和可維護性。

簡單界面采用MVP架構，Presenter處理用戶對視圖的操作，首先進行數(shù)據(jù)預處理，再交給相應的Model進行處理。Model變更后，Presenter通過View提供的接口更新界面（見圖1）。

復雜界面交互較多，MVP架構難以勝任，所以改用MVVM架構，通過數(shù)據(jù)綁定，使模型更新后界面也會自動更新，從而大大減少了手動更新界面的重復操作，節(jié)約人力成本（見圖2）。

1.3 云服務

云服務作為智能硬件與客戶端軟件的后臺，主要承擔數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘職能，其關鍵技術包含容器技術、持續(xù)部署、分布式數(shù)據(jù)庫與機器學習等。

1.3.1 容器技術

以Docker為代表的容器技術正在快速改變著Web應用創(chuàng)建、發(fā)布與運行方式。容器鏡像包含了運行應用所需的程序、組件、運行環(huán)境與依賴，使用容器技術能使開發(fā)環(huán)境、測試環(huán)境與生產(chǎn)環(huán)境一致。另外，相比于傳統(tǒng)虛擬化技術，容器的性能損耗更小。

1.3.2 持續(xù)部署

持續(xù)部署使產(chǎn)品可以快速迭代，同時還能保持高質(zhì)量。它能自動化完成測試、構建、部署等步驟，大大提高了軟件開發(fā)效率。

1.3.3 分布式數(shù)據(jù)庫

分布式數(shù)據(jù)庫具有高可用、擴展性好的優(yōu)點。如在三節(jié)點副本集架構下，3個數(shù)據(jù)節(jié)點在不同物理服務器上自動同步數(shù)據(jù)。Primary和Secondary節(jié)點提供服務，當Primary節(jié)點出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動選舉新的Primary節(jié)點，當Secondary節(jié)點不可用時，則由備用節(jié)點接管服務，從而保證數(shù)據(jù)庫的高可用性。

1.3.4 基于深度學習的個性化提醒

深度學習（Deep Learning）是機器學習的一個分支，也是用于醫(yī)學圖像與電子健康記錄解釋的主要技術工具之一，其在圖像分析、語音識別、機器翻譯等領域取得了令人矚目的成果[15-21]。“深度學習”中的“深度”是指用一系列連續(xù)的層通過非線性變換得到輸入的向量表示，這些層的數(shù)量即是模型深度（depth）。深度學習與其它機器學習方法的不同之處在于這些表示層全都是從訓練數(shù)據(jù)中自動學習的，而其它機器學習方法的重點往往是手動構造有用的表示（稱為特征工程）。因此，選用深度學習技術不僅是因為其在很多領域有良好表現(xiàn)，而且還能將特征工程完全自動化，使解決問題變得更加簡單。

人工智能，尤其是深度學習技術在醫(yī)學領域的應用已經(jīng)越來越廣泛。智能服藥管理平臺提供了基于深度學習算法的個性化提醒服務。算法從患者服藥情況、生物信息、診療記錄等數(shù)據(jù)中得到分類模型，可個性化地為用戶選擇最合適的提醒方式，在不過度打擾用戶的前提下保證提醒效果。

2 功能服務

本智能服藥管理平臺為患者設計了一套從醫(yī)院到家庭的全方位、多維度服務體系。

2.1 個性化服藥提醒方案

可以通過藥盒或手機APP在單機或聯(lián)網(wǎng)兩種模式下添加用戶信息、創(chuàng)建用藥計劃、記錄服藥信息、發(fā)送服藥提醒，還能根據(jù)不同患者的用藥行為規(guī)律，分析制定個性化的服藥提醒方案，避免漏服或誤服藥物。

2.2 健康用藥資訊

目前，患者對服藥的基本常識仍存在普遍缺失的現(xiàn)象，很多患者盲目自信，自覺病情好轉便不再服藥，而這恰恰是很多患者通往康復之路的隱形殺手。通過向患者個性化地推送服藥健康資訊，對病人開展遠程健康教育，從而提升其對藥物治療的認知，督促患者對服藥過程進行自我管理。

2.3 多方服藥監(jiān)督

通過醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)平臺的信息共享，可使親屬即便不在身邊，也能實時掌握家人服藥情況，隨時隨地發(fā)送問候或提醒，加強子女與父母的聯(lián)系，搭建家人間有效溝通的橋梁，實現(xiàn)“低成本智能化養(yǎng)老”的目標。

3 臨床試驗

3.1 試驗方法

本實驗招募了20名乳腺癌內(nèi)分泌治療患者作為志愿者，并觀察其6個月的服藥情況，每名患者每天服藥2 次，每15天進行一次隨訪。每次服藥早于或晚于規(guī)定時間30min 即認為是不按時服藥，少服或遺忘服藥則視為漏服。以上兩種均屬于不規(guī)律服藥，其它情況視為規(guī)律服藥。每次規(guī)律服藥記1 分，不規(guī)律服藥記0 分。定義規(guī)律服藥率為：規(guī)律服藥得分/應服藥次數(shù)?；颊叻幤陂g，使用智能服藥管理平臺干預2個月，干預前后2個月設置為對照期。

3.2 試驗結果

使用智能服藥管理平臺進行干預期間，患者的規(guī)律服藥率由使用前的81.5%上升至96.3%，但停止使用后，患者的規(guī)律服藥率顯著下降，逐漸降至87.9%，但仍高于智能服藥管理平臺干預前的規(guī)則服藥率。表明該智能服藥管理平臺能顯著改善患者的不規(guī)律服藥情況，減少不按時服藥與漏服情況。

4 結語

該智能服藥管理平臺操作簡單、使用便捷，不僅可以儲存藥物、記錄服藥信息，還可以提供個性化、多方位的服藥提醒，并通過向患者推送針對性的健康用藥資訊，從行為與認知兩個層面由里及表地提高患者服藥依從性，督促其對服藥進行自我管理。但目前仍有很多功能尚未實現(xiàn)，如“虛擬診療”在如今的醫(yī)療大環(huán)境與科技助推下已得到了快速發(fā)展，未來可進一步開發(fā)遠程用藥咨詢功能，建立患者與醫(yī)生直接溝通的平臺，使患者獲得更加便捷的用藥指導與治療建議;通過智能硬件搜集患者的生物行為信息及生理指標，建立信息樣本庫并對其進行深度挖掘與研究，在為醫(yī)生提供大樣本科研數(shù)據(jù)信息，并節(jié)省其時間和經(jīng)濟成本的同時，也能更好地為患者提供前瞻性的預防措施及針對性的治療方案，進而獲得最佳治療體驗，實現(xiàn)對傳統(tǒng)診療模式的升級。

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（責任編輯：黃 健）