人工智能在兒童哮喘病人中應(yīng)用的研究進展

支氣管哮喘作為一種以慢性氣道炎癥和氣道高反應(yīng)性為特征的異質(zhì)性疾病，以反復(fù)發(fā)作的喘息、咳嗽、氣促、胸悶為主要臨床表現(xiàn)，并常伴有可逆性氣流受限，常在夜間或凌晨發(fā)作或加劇。支氣管哮喘是兒童最常見的呼吸系統(tǒng)疾病之一，給患兒及其家庭及社會都帶來了沉重的負擔。頻繁的哮喘發(fā)作會影響患兒正常的生長發(fā)育，使其體力活動減少、肺功能逐漸下降；同時，也增加患兒家庭經(jīng)濟負擔和時間成本，導(dǎo)致了更多醫(yī)療資源的浪費；社會也需要為哮喘患兒配置更多的醫(yī)療資源。近幾年隨著科技的進步，人工智能逐漸在各個領(lǐng)域嶄露頭角，如何運用人工智能處理醫(yī)療、護理領(lǐng)域相關(guān)問題，并推動其發(fā)展成了熱門話題。本研究通過對近年國內(nèi)外人工智能(artificial intelligence，AI)技術(shù)在哮喘患兒中的應(yīng)用新進展進行綜述，旨在為今后哮喘患兒的治療及護理提供思路和建議。

1 人工智能發(fā)展概況

人工智能是指利用構(gòu)造的具有一定智能的人工系統(tǒng)來完成過去需要人力才能實現(xiàn)的智能工作，是一門涉及計算機科學、心理學、哲學等的綜合性學科。人工智能在1956年達特茅斯(Dartmouth)學會上被首次提出，至今已有60多年的發(fā)展歷程

。2017年，國務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》政策中提道：要推廣應(yīng)用人工智能治療新模式、新手段，建立快速精準的智能醫(yī)療體系。同年，衛(wèi)生健康委員會發(fā)布的《“十三五”全國人口健康信息化發(fā)展規(guī)劃》指出，要充分發(fā)揮人工智能、醫(yī)用機器人、可穿戴設(shè)備等先進技術(shù)和裝備產(chǎn)品在人口健康信息化和健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展中的引領(lǐng)作用。人工智能近幾年在醫(yī)療領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。利用人工智能可以在有限的時間內(nèi)完成大量病人數(shù)據(jù)的采集、儲存和處理，并通過各種算法從中獲取一些規(guī)律經(jīng)驗來更好地輔助疾病的診斷和治療。在護理領(lǐng)域中，人工智能通過精簡流程和提高準確性來改善護理服務(wù)質(zhì)量等

。

2 人工智能技術(shù)在兒童哮喘病人中的應(yīng)用

2.1 哮喘的識別與診斷

機器學習(machine learning)屬于人工智能的一個分支，指讓機器或計算機學習如何執(zhí)行特定任務(wù)的過程，并以類似于人類的方式，隨著經(jīng)驗的不斷累積從而發(fā)揮更大的作用。人工智能和機器學習都是數(shù)據(jù)驅(qū)動的過程，通過計算和編程等步驟，從大量的復(fù)雜數(shù)據(jù)中“挖掘”出潛在的聯(lián)系，從而獲得知識和經(jīng)驗。臨床上能否快速識別哮喘兒童病情的突然變化以及疾病的嚴重程度往往直接影響患兒的預(yù)后，甚至影響其生存率。近年來，國內(nèi)外醫(yī)院或團隊通過制定評估工具來判斷兒童哮喘的嚴重程度，如：兒童哮喘嚴重程度評分(PASS)、兒童呼吸困難評分(PRAM)等。這些評估工具在一定程度上縮短了患兒的住院時間，降低了再次入院率以及減少了藥物使用。但需消耗大量時間進行頻繁的重新評估也成了護理人員工作的一大挑戰(zhàn)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network，ANN)屬于機器學習的一種模式，是模仿人腦結(jié)構(gòu)的一組特定算法，通過利用計算機挖掘大量電子健康記錄(electronic health record,EHR)的深層信息，并進行自主學習與訓練，從而構(gòu)建各疾病的預(yù)測、診斷及預(yù)后等模型。Messinger等將重癥監(jiān)護室患兒的監(jiān)護儀與數(shù)據(jù)庫相連，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來同步儲存、處理患兒生命體征相關(guān)數(shù)據(jù)以及電子健康記錄上的人口統(tǒng)計學數(shù)據(jù)，最終生成了自動呼吸嚴重程度評分(PARS)。PARS能自動且持續(xù)地收集監(jiān)護儀上的數(shù)據(jù)，既避免了人工收集數(shù)據(jù)的錯誤率及耗時長等問題，還能及時發(fā)現(xiàn)患兒可能出現(xiàn)的急性病情變化情況。最終服務(wù)于快速臨床決策，并推動高質(zhì)量護理。

目前，在全球的臨床與科研活動中，哮喘的診斷標準、確診流程尚無統(tǒng)一標準，甚至對于哮喘的定義也是眾說紛紜。曾有研究對122篇關(guān)于診斷兒童哮喘的定義數(shù)據(jù)文獻進行分析，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生了60種不同的定義

。Seol等對基于人工智能的自然語言處理(NLP)技術(shù)用于在兒科人群EHR中識別具有鮮明特征的哮喘及其亞組的效果進行評估，運用了預(yù)測哮喘標準和哮喘預(yù)測指數(shù)來驗證自然語言處理算法，在2個標準皆為陽性的兒童中，有30%是未被醫(yī)生診斷為哮喘的。并且運用該標準得出的哮喘指數(shù)日期比醫(yī)生首次診斷哮喘早了近1年時間。綜上所述，基于人工智能的自然語言處理算法能在EHR時代提高哮喘的診斷率，同時也提高了精確度，使患兒能盡早獲得相應(yīng)的治療。Yu等研發(fā)的人工智能模型幫助兒科醫(yī)生更準確地識別、診斷兒童哮喘，且研究結(jié)果顯示其模型對于減少抗生素以及全身糖皮質(zhì)激素的濫用有重要的臨床價值。

臨床上的許多監(jiān)測儀在科技的發(fā)展下都實現(xiàn)了精簡這一目的?？杀O(jiān)測設(shè)備越便攜、集成功能越強大對哮喘患兒越便利。哮喘病人氣道對各種刺激因子，如藥物、運動、變應(yīng)原、食物等表現(xiàn)出高度敏感狀態(tài)。Buonocore等

研發(fā)了一款基于智能手表的無線健康監(jiān)測系統(tǒng)，將感知得來的患兒實時生理狀態(tài)(如心率、活動量、肺功能數(shù)據(jù)等)以及當下所處環(huán)境的各項指標(如空氣所含顆粒物濃度等)與當日實時信息結(jié)合(如交通、天氣、空氣質(zhì)量等)，由機器學習模型處理數(shù)據(jù)，預(yù)測哮喘發(fā)作的風險，為患兒提供實時的預(yù)警。Venkataramanan 等設(shè)計的K-Health套組包含收集睡眠和活動數(shù)據(jù)、峰值流量計、空氣質(zhì)量監(jiān)測器等功能，在具備上述功能的基礎(chǔ)上還收集了患兒睡眠狀態(tài)、每12 h空氣中的花粉含量、臭氧濃度等。該可穿戴設(shè)備通過對哮喘患兒的持續(xù)監(jiān)測，識別季節(jié)、溫度、濕度等與觸發(fā)兒童哮喘發(fā)作及相關(guān)癥狀之間的關(guān)聯(lián)，以便制定更詳細的個性化哮喘管理方案，達到更好的哮喘控制效果。

2.2 哮喘分型

1項針對哮喘患兒家長對待人工智能參與哮喘健康管理的態(tài)度調(diào)查指出,家長一致認為僅依靠人工智能技術(shù)參與患兒哮喘管理的決策遠遠不夠。即使基于算法決策系統(tǒng)的準確率及避免哮喘復(fù)發(fā)的成功率更高，醫(yī)務(wù)工作者在哮喘管理中仍扮演著關(guān)鍵一環(huán)。家長的受教育水平及經(jīng)濟條件影響他們對新技術(shù)的接受程度。同時，人工智能技術(shù)作為一個“沒有生命、沒有感情”的技術(shù)手段，缺乏與患兒產(chǎn)生語言及非語言的交流。盡管人工智能技術(shù)可以幫助醫(yī)務(wù)人員做出更好的判斷，但在對患兒的照護中仍需要醫(yī)務(wù)人員的參與。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及，手機的功能日益強大，智能手機的使用群體也非常龐大。我國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心(China Internet Network Information Center,CNNIC)顯示，截至2020年12月，我國互聯(lián)網(wǎng)用戶已達9.89億人，其中手機用戶占比99.7%，青少年用戶占手機用戶的16.6%。智能手機的應(yīng)用在青少年間已非常地普及。如何將健康管理與智能手機軟件相結(jié)合以達到更好的效果也是國內(nèi)外研究的熱點。服藥依從性差已經(jīng)成為兒童哮喘控制不理想的主要原因之一。Lv等團隊基于此，開發(fā)了一款智能手機軟件來輔助護士進行哮喘患兒的健康管理。該軟件不僅具備服藥依從性管理，還包含了急性哮喘發(fā)作警報、酸中毒嚴重程度評估、健康日記、治療推薦等功能。該研究將以智能手機軟件輔助護士進行的健康管理與僅有護士參與的健康管理進行對照，并最終從哮喘惡化頻率、服藥依從性、兒童哮喘控制測試量表評分(C-ACT)、呼吸道感染、上學出勤率及醫(yī)療費用等方面對該軟件的有效性進行了全面的評估，結(jié)果顯示，以智能手機軟件為輔助的哮喘管理效果要優(yōu)于僅靠護士主導(dǎo)的健康管理效果。

2.3 哮喘的管理與監(jiān)測

哮喘作為一種慢性疾病，可通過嚴格的管理和控制減少其惡化及復(fù)發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)，80%～92%的患兒發(fā)生致死性哮喘的數(shù)天前都表現(xiàn)出哮喘控制不良、癥狀加重等情況?，F(xiàn)有的預(yù)測模型側(cè)重于預(yù)測哮喘的惡化程度，但哮喘的惡化往往發(fā)生于哮喘長期失控的晚期?；诖?，Luo等團隊研究開發(fā)了1個預(yù)測哮喘控制惡化的模型。該模型通過將收集的210例患兒，共2 912份每周哮喘控制評估數(shù)據(jù)與患兒個人基本條件和環(huán)境變量相結(jié)合，以機器學習的方式，能提前1周預(yù)測兒童哮喘控制惡化。該模型具有71.8%的準確度、73.8%的靈敏度及71.4%的特異度，可作為哮喘控制惡化的參考依據(jù)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及，手機的功能日益強大，智能手機的使用群體也非常龐大。我國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心(China Internet Network Information Center,CNNIC)顯示，截至2020年12月，我國互聯(lián)網(wǎng)用戶已達9.89億人，其中手機用戶占比99.7%，青少年用戶占手機用戶的16.6%[16]。智能手機的應(yīng)用在青少年間已非常地普及。如何將健康管理與智能手機軟件相結(jié)合以達到更好的效果也是國內(nèi)外研究的熱點。服藥依從性差已經(jīng)成為兒童哮喘控制不理想的主要原因之一[17]。Lv等[18]團隊基于此，開發(fā)了一款智能手機軟件來輔助護士進行哮喘患兒的健康管理。該軟件不僅具備服藥依從性管理，還包含了急性哮喘發(fā)作警報、酸中毒嚴重程度評估、健康日記、治療推薦等功能。該研究將以智能手機軟件輔助護士進行的健康管理與僅有護士參與的健康管理進行對照，并最終從哮喘惡化頻率、服藥依從性、兒童哮喘控制測試量表評分(C-ACT)、呼吸道感染、上學出勤率及醫(yī)療費用等方面對該軟件的有效性進行了全面的評估，結(jié)果顯示，以智能手機軟件為輔助的哮喘管理效果要優(yōu)于僅靠護士主導(dǎo)的健康管理效果。

臨床上的許多監(jiān)測儀在科技的發(fā)展下都實現(xiàn)了精簡這一目的?？杀O(jiān)測設(shè)備越便攜、集成功能越強大對哮喘患兒越便利。哮喘病人氣道對各種刺激因子，如藥物、運動、變應(yīng)原、食物等表現(xiàn)出高度敏感狀態(tài)。Buonocore等[19]研發(fā)了一款基于智能手表的無線健康監(jiān)測系統(tǒng)，將感知得來的患兒實時生理狀態(tài)(如心率、活動量、肺功能數(shù)據(jù)等)以及當下所處環(huán)境的各項指標(如空氣所含顆粒物濃度等)與當日實時信息結(jié)合(如交通、天氣、空氣質(zhì)量等)，由機器學習模型處理數(shù)據(jù)，預(yù)測哮喘發(fā)作的風險，為患兒提供實時的預(yù)警。Venkataramanan 等[20]設(shè)計的K-Health套組包含收集睡眠和活動數(shù)據(jù)、峰值流量計、空氣質(zhì)量監(jiān)測器等功能，在具備上述功能的基礎(chǔ)上還收集了患兒睡眠狀態(tài)、每12 h空氣中的花粉含量、臭氧濃度等。該可穿戴設(shè)備通過對哮喘患兒的持續(xù)監(jiān)測，識別季節(jié)、溫度、濕度等與觸發(fā)兒童哮喘發(fā)作及相關(guān)癥狀之間的關(guān)聯(lián)，以便制定更詳細的個性化哮喘管理方案，達到更好的哮喘控制效果。

3 人工智能技術(shù)應(yīng)用于哮喘患兒面臨的挑戰(zhàn)

3.1 人工智能技術(shù)在臨床上應(yīng)用的局限性

自2009年全球哮喘倡議(GINA)首次提出哮喘表型的概念，全球?qū)ζ溥M行的相關(guān)研究呈現(xiàn)出愈演愈烈的趨勢

。但目前仍沒有統(tǒng)一的劃分標準，這意味著不能按照對應(yīng)的哮喘表型對病人實施治療、護理活動，哮喘病人無法得到精準化治療，使治療過程效率低下，對醫(yī)療資源也會造成一定程度上的浪費。Brew等的團隊利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學習根據(jù)病人癥狀和EHR相關(guān)數(shù)據(jù)來識別兒童哮喘及哮喘表型。研究結(jié)果分析確定了4種哮喘表型：早期短暫性哮喘、流行性哮喘、輕度哮喘、中度哮喘。4種表型之間完全獨立，醫(yī)護人員可通過各個表型所特有的癥狀進行對應(yīng)的治療與護理活動。

3.2 健康管理軟件的可及性與普及性

智能手機軟件的有效使用依賴于家庭的經(jīng)濟條件以及監(jiān)護人和患兒的自覺程度。但目前，智能手機并未完全普及，即使存在最有效的監(jiān)測軟件及健康管理程序，在面對這一狀況下仍舊是無計可施。有些健康管理軟件需要上傳或登記“管理日記”，以便醫(yī)護人員更好地了解管理狀況，但這取決于患兒及家長對哮喘的認知及自覺程度?，F(xiàn)有的健康管理軟件還面臨著受眾面窄的問題，大部分軟件只在開發(fā)團隊管理的范圍內(nèi)應(yīng)用，缺少合適的途徑使其服務(wù)于整個哮喘患兒群體。

另有部分女子面對嚴苛的道德規(guī)訓，表現(xiàn)出大膽的質(zhì)疑意識。駱綺蘭追隨袁枚、王昶、王文治三先生學詩的行為受到了世人的攻擊，但她卻認為三位先生德高望重、才學深厚，以能得其親炙為幸。她以《詩經(jīng)》中《葛覃》《卷耳》《雞鳴》《昧旦》等篇都出于女子之手，圣人并未刪之以反駁世人以其從師為非禮之說。夏伊蘭亦用《詩經(jīng)》之例反駁世人的言論，曰：“不見三百篇,婦作傳匪鮮”[注](清)蔡殿齊：《國朝閨閣詩鈔》， 續(xù)修四庫全書，上海：上海古籍出版社，1995-2002年，第1626冊，第649頁。，進而認為人生才德兼?zhèn)浞綖橥隄M。又如才女葛宜更用實際行動反抗道德規(guī)訓：

3.3 患兒隱私和各類數(shù)據(jù)的安全性

人工智能技術(shù)參與疾病控制管理需要獲得和儲存大量病人數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的安全是當下亟待關(guān)注的一個問題。病人數(shù)據(jù)的泄露不但會造成病人隱私的公開，還會被不法分子用于違法途徑，給社會造成很大的安全隱患。制定相應(yīng)的管理制度，提高醫(yī)護人員的法律意識，嚴格控制電子病例查看權(quán)限并對每個訪問者進行監(jiān)控等都是社會及醫(yī)療機構(gòu)在今后發(fā)展EHR時所要關(guān)注的焦點。

4 展望

隨著科技的進步以及交叉學科的發(fā)展，人工智能技術(shù)參與輔助醫(yī)護治療及護理的趨勢已勢不可擋。目前，人工智能已經(jīng)逐步滲透到臨床的各個方面，但它依然存在許多問題。對于哮喘患兒及其家庭來說，人工智能在哮喘管理方面的應(yīng)用能控制病情、減輕家庭負擔。對于醫(yī)護人員來說，人工智能可幫助醫(yī)護人員更好的決策，使醫(yī)療資源得到合理分配。如何把握住該機遇，還需要今后逐步探索。同時，在技術(shù)層面，怎樣保證相關(guān)設(shè)備在便攜的前提下具備更多的監(jiān)測功能、降低設(shè)備耗電等也是今后臨床醫(yī)護人員與人工智能開發(fā)者合作研究的重點。

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