可穿戴设备分析肺部声音相当于使用 13 个听诊器

西北大学的研究人员开发了柔软的小型可穿戴设备，可以连续、无线地监测患者体内的声音，例如进出肺部的空气，为肺部健康和身体其他部位的健康提供新的见解。该研究发表在《自然医学》杂志上。

在试点研究中，研究人员在 15 名患有呼吸和肠道运动障碍的早产儿和 55 名成年人（其中 20 名患有慢性肺部疾病）身上测试了这些设备。研究人员表示，这些设备不仅具有临床级的准确性，而且还提供了尚未开发或引入研究或临床护理的新功能。

“目前，还没有现有的方法可以在家中或医院环境中连续监测和空间绘制身体声音，”领导该设备开发的西北大学约翰·A·罗杰斯博士在一份新闻稿中表示。“医生必须在胸部和背部的不同部位放置传统或数字听诊器，以逐点聆听肺部的声音。通过与我们的临床团队密切合作，我们着手开发一种新策略，用于持续实时监测患者，并且不会受到与刚性、有线、笨重技术相关的阻碍。”

西北医学中心的胸外科医生Ankit Bharat医学博士领导了成人受试者的临床研究，他在一份新闻稿中表示：“这些设备背后的想法是对患者健康状况进行高度准确、持续的评估，然后根据情况做出临床决策。诊所或患者入院或使用呼吸机时。

“该设备的一个主要优点是能够同时聆听和比较肺部不同区域的声音。简而言之，这就像多达 13 名训练有素的医生用听诊器同时聆听肺部不同区域的声音，他们的思想同步，对肺部健康状况进行连续、动态的评估，并将其转化为一部现实电脑屏幕上的电影。”

全面、非侵入式传感网络

这些小型、轻量的设备包含成对的高性能数字麦克风和加速度计，轻轻地粘附在皮肤上，形成一个全面的非侵入式传感网络。通过同时捕捉声音并将这些声音与身体过程相关联，这些设备可以在空间上绘制空气如何流入、流经和流出肺部，以及在不同的静息和活动状态下心律如何变化，以及食物、气体和液体如何在肠道中流动。

每个设备均采用柔软硅胶封装，长 40 毫米、宽 20 毫米、厚 8 毫米。在如此小的占地面积内，该设备包含闪存驱动器、微型电池、电子元件、蓝牙功能和两个微型麦克风——一个朝内朝向身体，另一个朝外朝向外部。通过捕获两个方向的声音，算法可以分离外部（环境或邻近器官）声音和体内声音。

“肺部无法产生足够的声音让正常人听到，”巴拉特在新闻稿中说。“他们只是声音不够大，医院可能是很吵的地方。当附近有人说话或机器发出蜂鸣声时，这可能会非常困难。我们技术的一个重要方面是它可以纠正这些环境声音。”

捕获环境噪音不仅可以消除噪音，还可以提供有关患者周围环境的背景信息，这在治疗早产儿时尤其重要。

“无论设备位于何处，声音环境的连续记录都可以提供有关婴儿所接触的噪音水平的客观数据，”蒙特利尔儿童医院的新生儿学家、该论文的共同第一作者Wissam Shalish医学博士、哲学博士说道，在一个版本中。“它还提供了立即解决任何压力源或可能损害听觉刺激的机会。”

不显眼地监测婴儿的呼吸

在开发新设备时，研究人员考虑到了两个弱势群体：新生儿重症监护病房 (NICU) 中的早产儿和手术后的成年人。在妊娠晚期，婴儿的呼吸系统成熟，因此婴儿可以在子宫外呼吸。因此，在妊娠晚期之前或早期出生的婴儿更有可能出现肺部问题和呼吸紊乱并发症。

呼吸暂停在早产儿中尤其常见，是导致长期住院和潜在死亡的主要原因。当发生呼吸暂停时，婴儿要么不呼吸（由于大脑中的呼吸中枢不成熟），要么气道阻塞限制气流。 

有些婴儿甚至可能同时患有这两种疾病。然而，目前还没有方法可以持续监测床边气流并准确区分呼吸暂停亚型，特别是对于临床新生儿重症监护室中这些最脆弱的婴儿。

一种设备轻轻地粘附在早产儿的胸部以捕捉其心肺声音。图片来源：蒙特利尔儿童医院

“这些婴儿中有许多比听诊器还小，因此监测它们在技术上已经具有挑战性，”研究合著者、安和罗伯特 H. 卢里儿童医院自主医学主任Debra E. Weese-Mayer医学博士说芝加哥大学教授和 Feinberg 的 Beatrice Cummings Mayer 自主医学教授在一份新闻稿中表示。“这些新型声学设备的优点在于，它们可以在清醒和睡眠期间连续无创地监测婴儿，而不会打扰他们。 

“这些声学可穿戴设备提供了安全且不显眼地确定每个婴儿与其空气运动（进出气道和肺部）、心音和肠道蠕动相关的‘特征’的机会，同时关注昼夜节律。这些可穿戴设备同时监测可能影响内部声学“特征”和/或引入可能影响健康生长和发育的其他刺激的环境噪声。”

在加拿大蒙特利尔儿童医院进行的合作研究中，医护人员将声学装置放置在婴儿喉咙底部胸骨上切迹下方。设备成功地检测到气流和胸部运动的存在，并可以高度可靠地估计气流阻塞的程度，从而可以对所有呼吸暂停亚型进行识别和分类。

沙利什在一份新闻稿中说：“当放置在胸骨上切迹时，检测和分类呼吸暂停的能力增强，可以带来更有针对性和个性化的护理，改善结果，并减少住院时间和费用。” “当放置在危重婴儿的左右胸部时，每当一侧的空气入口相对于另一侧减少时，就会传输实时反馈，可以立即提醒临床医生可能存在需要立即干预的病理。”

绘制单次呼吸图

在 NICU 研究的同时，研究人员在成年患者身上测试了这些设备，其中包括 35 名患有慢性肺病的成年人和 20 名健康对照者。在所有受试者中，这些设备同时捕获不同位置的肺音和身体运动的分布，使研究人员能够分析整个肺部一系列区域的单次呼吸。

“作为医生，我们常常不了解肺部的特定区域是如何运作的，”巴拉特在一份新闻稿中说。“通过这些无线传感器，我们可以捕获肺部的不同区域并评估它们的具体性能以及每个区域相对于彼此的性能。”

根据美国疾病控制与预防中心的数据，2020 年，心血管和呼吸系统疾病夺去了美国近 80 万人的生命，成为成人死亡的第一和第三大原因。 

为了帮助指导临床决策和改善结果，研究人员希望他们的新设备能够减少这些数字以挽救生命。

“肺部可以发出各种声音，包括爆裂声、喘息声、潺潺声和啸声，”巴拉特在一份新闻稿中说。“这是一个令人着迷的微环境。通过持续实时监测这些声音，我们可以确定肺部健康状况是好转还是恶化，并评估患者对特定药物或治疗的反应如何。然后我们可以针对个别患者进行个性化治疗。”