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通过可扩展的新兴(超越移动)无线技术实现全球医疗保健的民主化

通过可扩展的新兴(超越移动)无线技术实现全球医疗保健的民主化

通过可扩展的新兴(超越移动)无线技术实现全球医疗保健的民主化

的观点

1技术研发,诺华制药,东汉诺威,美国新泽西州

2瑞士巴塞尔,诺华公司技术研发中心

3.全球药物开发连接健康,诺华制药,美国新泽西州东汉诺威

通讯作者:

Graham B Jones,博士,DSC

技术研发

诺华制药

1健康广场

东汉诺威,新泽西州,07936

美国

电话:1 8572757045

电子邮件:graham.jones@novartis.com


移动电话技术的进步,加上现代无线网络的可用性,正开始通过越来越多的应用程序和联网设备对数字健康产生显著影响。也就是说,在发达国家之外有限的部署将需要更多的方法来共同覆盖地球上的80亿人。围绕移动设备开发数字健康的另一个考虑因素是需要配对步骤、固件更新和各种用户输入,这可能会增加患者的摩擦。另一种替代方法,即所谓的超越移动方法,即药物、设备和健康服务直接与云通信,提供了一种有吸引力的方式来扩展和完全实现我们的互联健康乌托邦。除了提供高度个性化的体验,这种方法还可以解决与基于智能手机的系统相关的成本、安全性和便利性问题,从而提高患者的参与度和依从性。此外,通过下一代网络连接这些医疗物联网设备,有可能为发展中国家非城市地区有紧急需求的患者提供服务。在此,我们概述了如何通过低功耗广域网部署超越移动技术,从而提供一种可扩展的手段,使数字健康民主化,并有助于改善全球患者的治疗结果。

JMIR Biomed Eng 2022;7(1):e31079

doi: 10.2196/31079

关键字



这首1962年的歌退回寄件人猫王普雷斯利(Elvis Presley)所写的文章,让我们回想起那个人们通过写信进行交流的时代,邮政服务是我们数据分发网络的主要动脉[1].不要忘记,这种通信方法有几个值得注意的特点,仍然可以在我们的现代电信世界中激发创新。首先,通信费用由发信人通过使用邮票或邮资印花预先承担。收件人的地址是明确的,打开通信的行为是私人的,通常是虚无缥缈的。你还可以选择通过附上的“贴有邮票”的信封免费回复寄件人。现代的同类产品当然是电子的,提供近乎无限的速度、规模和定制,尽管这是有代价的。第一个也是最明显的是缺乏个人接触。尽管在大多数情况下,这可能没有什么影响,但在医疗保健方面,我们必须以潜在身体不适者的愿望、需求和倾向为指导,他们的观点可能与善意的应用程序开发人员的观点不同。其次,现代通信依赖于移动设备,这些设备可能很昂贵(资本支出),保质期有限(折旧),并且通过可能需要每月订阅的网络连接(运营支出)。除了这些财务负担之外,这些设备还依赖于日益复杂的有线和无线网络的可用性,这大大增加了我们的期望。 Whereas a delay of one day for receipt of a letter might have been a source of irritation in days gone by, a lack of internet connectivity for mere minutes now has the potential to drive consumers into a state of frenzied panic. More problematically, the market push for ever-increasing device capabilities and networks to support them has implications for global health. There is clear evidence of a digital divide emerging between affluent and developing nations, yet the push toward digital health has the potential to impact the health care of some of the most vulnerable citizens on the planet [2].我们都能回忆起不得不升级个人电脑操作系统以跟上软件开发人员的愿景和命令时的沮丧。然而,就医疗保健而言,这种情况就不那么站得住脚了,需要我们仔细考虑如何把握这一机会。我们主张将数字服务与个人行动和体验相结合可能是解决这一难题的解决方案,并在此概述一个案例。


数字化医疗保健的前景正在以令人难以置信的速度实现。3.].设备和宽带网络技术的进步正在彻底改变我们获取、存储和访问医疗保健数据的方式。随着互联健康生态系统的建立,可能性的范围正在不断扩大,影响着患者、医疗保健提供者和支付者(图1).智能手机上的应用程序的可用性加速了消费者的兴趣,使患者能够访问和可视化与健康相关的数据,并就他们的医疗保健方面做出决定。4].

图1。现代互联健康生态系统的功能组件。HCP:卫生保健提供者。
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据估计,全球约有30亿智能手机用户,个人使用的健康相关应用程序超过318,000个[5].尽管如此,医疗服务的集中度最高的是发达富裕国家及其城市化地区,这反映了人口趋势,也反映了获得优质医疗服务的地理位置[6].这甚至导致了“健康丰富”个人的分类,他们也拥有智能监测设备(例如,手腕上的可穿戴设备),随时可以通过姑息性医疗保健服务获得一系列预防性服务,并积极参与数字健康计划[7].尽管似乎有无限的机会,但在人口层面对健康结果的影响比最初预期的要小,设备相关的限制被认为是可能的罪魁祸首。几项调查强调,随着时间的推移,患者对设备的热情逐渐降低,包括应用程序耗尽,许多人使用某个功能的次数不到3次[8].这给整个互联健康社区提出了一个难题。考虑到X一代、千禧一代和Z一代以智能手机为中心的文化,认为互联健康产品代表着巨大的机会是合乎逻辑的,这可能是医疗保健系统的很大一部分。然而,在人口层面上,患者使用智能手机作为其医疗保健联系的中心枢纽,需要考虑一些固有的障碍和限制。成本是一个因素,高端设备超过1000美元,数据套餐高达100美元/月。在美国,普通用户大约每24个月更换一次智能手机,通常会将沉没成本摊销到更新的机型上。9].在基本电池的诸多限制中,电池寿命往往是一个限制因素,尽管锂离子技术不断进步,但设备通常需要每天充电。对于一些腕戴式系统(如Apple Watch)来说,这个问题甚至更严重,因为它们需要定期充电,这一直是临床试验的一个限制因素,因为设备充电时无法收集身体数据[10].当智能手机与其他设备配对时,情况变得更加复杂——例如,当智能手机与智能包装中提供的药物进行通信时,允许患者通过无线(近场或蓝牙)通信获得使用说明。另一个例子是连接的药物输送设备,如智能自动注射器或吸入器。在这两种情况下,除了安装定制应用程序外,还需要进行配对过程,这可能是摩擦的来源,并且要求智能手机离得很近,有足够的电池续航时间和无线连接。从长远来看,固件和应用程序更新的需求可能需要一定程度的技术知识,如果考虑切换操作系统(例如从iOS到Android),可能会存在潜在的互操作性限制。除此之外,无处不在的安全问题出现了,包括设备的操作和它收集然后分发的数据。尽管智能手机上与健康相关的应用程序的增长和使用似乎会继续有增无减,但使用替代和透明的方法来连接设备是有好处的,这导致了超越移动(BTM)作为一个可行的主张的出现[11].

在这种情况下,无线设备上的传感器通过低功耗广域网(LPWAN)或卫星上行链路直接与云端通信,而不需要基于智能手机的中间步骤(图2).举几个例子,智能药丸分配器可以通过激活容器盖传感器来确认患者何时服用药物,运动传感器可以提醒护理人员患者突然摔倒,手腕上的心脏监测器可能会提示需要进一步检查的不规则事件(例如心律失常)。虽然通过智能手机获取这些信息同样可行,但BTM方法有几个优点。例如,传感设备可以配置为“开箱即用”,只需最小的设置,不需要单独的设备(因此不需要下载应用程序和更新,配对等)。此外,可以在发货前对用户配置文件进行个性化。数据可以通过适当的网络(vide infra)几乎立即传输,而无需患者支付任何费用,由于数据不存储在不受控制的系统中,也不通过开放的互联网传输,因此减少了安全问题。

图2。从IoMT设备直接或通过智能手机上传数据。IoMT:医疗物联网;LPWAN:低功耗广域网络。
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此外,这种设备的验证要求比智能手机配对版本要低,因为来源不明的软件出现错误的可能性降低了。如果调试被证明是必要的,这些更新将仅限于设备本身,而不会因智能手机及其各种系统相关的问题而复杂化。显然,这种方法有无数的好处,减少摩擦对患者的影响是值得注意的。众所周知,要评估互联健康对现实世界结果的真实影响,纵向获取高质量数据是关键,低摩擦/被动监测方法是有益的[12].这在一定程度上导致了新型医疗物联网(IoMT)设备(如语音助手)的广泛发展,这些设备可以用最少的用户输入收集数据[13].

在考虑全球范围内的人口健康时,使用BTM方法进行互联护理具有更深远的影响。撇开智能手机本身的局限性不谈,它们的使用取决于设备运行的蜂窝网络的可用性。据估计,世界上有近一半的人口没有接入互联网,更大比例的人口没有接入宽带(蜂窝或全球移动通信系统)网络[14].这一问题在发展中国家更加严重——尽管北美约73%的人拥有移动连接,但拉丁美洲(50%)、中东和北非(38%)、南亚(28%)和撒哈拉以南非洲(21%)的移动连接比例较低,突显了存在的差距[15].尽管3G、4G和现在的5G网络仍在快速部署,但其中涉及的经济因素意味着,在可预见的未来,许多地区,尤其是农村地区,仍将是冷区。为了解决这一基础设施缺口,正在开发和评估低能耗远程无线技术,从而实现lpwan [16].通过低能耗设备连接到这些网络,为影响发展中国家的互联健康提供了一个非常真实和可扩展的选择。


LoRa(来自“long range”)首先由法国的Cycleo公司开发,代表了一种可以通过lpwan部署的远程、低功耗无线协议[17].该系统随后被Semtech收购,并被纳入全球非营利组织LoRa联盟,该系统采用亚千兆赫无线电频段(主要是433-923 MHz),以低功耗和高达30千比特/秒的传输速率进行远程数据传输(>15公里农村)[17].远程广域网(LoRaWAN)具有多种属性,包括:(1)多公里范围容量,(2)通过微型电池低功耗,(3)低进入和运行成本(资本支出约为20美元,运营支出可以忽略不计),(4)低带宽要求(250比特/秒至11千比特/秒),(5)通过128位加密提供安全性,以及(6)网关几乎无限的地理覆盖。存在一些限制,包括低上行/下行链路速度,倾向于将数据解析为适当的数据包以间隔传输的方法,以及用于预分析数据的边缘计算方法。然而,也许在这种情况下更重要的是,该技术使用未经许可的无线电频段,而且网络技术相对简单且可负担得起。低成本的实现和缺乏正式的网络许可导致了社区驱动解决方案的潜力。

新的芯片组不断发展,传输容量不断增加,尺寸和功耗不断减小,加上地理定位功能,使得LoRaWAN迅速成为偏远地区物联网设备感兴趣的连接方法。继欧洲的发展之后,LoRaWAN已在100多个国家部署,其中包括亚洲、非洲和拉丁美洲的许多国家。17].迄今为止,印度塔塔通信公司(Tata Communications)进行了最雄心勃勃的部署之一,目标是在2000个社区中覆盖4亿人[18].基于有希望的数据,许多发展中国家目前正在评估如何将自主LoRaWAN基站与Wi-Fi社区网络集成在一起,以实现无缝数据传输和访问[16].在美国,亚马逊正在为其人行道网络平台部署LoRa,该平台被比作社区的众包无线网络。19].Semtech还推出了YoSmart和YoLink平台,允许使用基于lora的智能集线器进行家庭连接,半径可达四分之一英里[20.].总体而言,到2023年,智能家居市场预计将达到近1550亿美元,其中美国占40%,确保了后续全球采用的丰富创新渠道[21].考虑到医疗成本占国内生产总值的相当大比例(美国16.9%,瑞士12%,撒哈拉以南非洲6.1%[范围从2.14%到16.1%],中国5%,印度3.6%,经济合作与发展组织[OECD]平均8.8%),将这些技术作为数字健康的组成部分部署是自然的兴趣[22].


无线和移动技术在卫生部门的增长尤其强劲,建立了一个称为IoMT的新类别[23].根据目前的估计,目前有370多万台IoMT设备在使用,联合市场研究公司的一份报告预测,到2027年,医疗保健市场中的IoMT将增长到3320亿美元[24].这涵盖了一系列手持和穿戴式设备(智能pad、智能手机、腕带追踪器、智能戒指)、无线睡眠监测器、智能冰箱(监测饮食摄入量),以及能够进行诊断讯问的语音分析仪(如Alexa、Siri)。鉴于许多人每天大部分时间都呆在家里(在COVID-19大流行期间几乎一整天都呆在家里),很容易看出与住宅IoMT设备的通信如何推动数字健康应用程序。丰富的复合数据流可用于解决特定疾病参数(例如,心脏代谢疾病的饮食和运动活动,或抑郁症的语音语调和社交网络活动),也可用于提供干预措施(例如,重新订购处方药,语音或视频指导药物使用说明)。推动这一增长的是越来越强大、小型化和负担得起的新技术。例如,小至1毫米的标签(使用近场通信或射频识别技术)3.现在可以在生产过程中制成药物包装,使患者能够跟踪交付情况并从智能手机获取信息[25].蓝牙模块仅为平方毫米,保质期多年,可以添加到设备中,并由用户激活——例如,在智能包装上确认已服用药物剂量[26].部署这些和“随时可以连接”的设备,这些设备集成了eSIMS用于空中激活,有望极大地帮助我们监测医疗保健供应链[27假冒和安全,以及药物和诊断的依从率。对于发展中国家的个人来说,至关重要的是,其中许多选择不需要使用移动电话。在许多领域可以使用直接到云的功能,在其他领域也可以使用雾和边缘计算的组合(允许在推送到云之前对数据进行本地处理)[28].此外,来自设备的语音信息可以由包裹的接收者激活,只需要简单的微处理器与压电扬声器耦合,并由按钮单元供电。甚至可以选择在这样的设备上记录一个简单的返回消息,然后将其传输到基站(例如,通过LoRa网络以小数据包的形式传输)。这种“返回发送方”功能在本质上闭合了患者和医疗保健提供者之间的循环,确认了P4医学的参与性组成部分(预测性、预防性、个性化和参与性)[29].最终,成果衡量标准将决定这种互联互通的采用程度。然而,早期关于使用智能连接自动注射器的患者的依从率改善的研究预示着良好的部署[30.].


无数令人兴奋的机会为BTM技术提供了机会,以加强患者护理,并在社区一级推进管理式医疗保健。从药品方面来看,追踪供应到单个包装水平的能力将允许部署在线零售行业开发的最先进的物流方法。患者可以在家中、药房或护理机构接收,与运输方式无关(卡车、邮件、包裹吊舱、无人机等)。这也可以作为一个防伪步骤,并确保药物不会落入坏人之手。可以通过剂量验证技术(如智能吸塑包装、智能药瓶、智能自动注射器)监测患者的依从性,并可以重新订购用品,以确保不中断。在相关的情况下,可以通过视频/语音录制、连接到智能电视或家中的语音指挥官来提供患者培训。这也可以通过同辈团体促进以社区为基础的医疗。例如,围绕老年生活社区的智能电网可以通过智能包装的沟通促进群体支持互动。这已被认为对结果测量有积极影响,例如,通过同龄人之间的集体锻炼来管理心血管疾病[31].这样可以促进以健康为导向的心态,这是长期影响的重要行为驱动因素。由于COVID-19大流行,所有人都待在家里,娱乐设施关闭,社区健康和保持体育活动的概念受到了更多的关注,并可能在大流行之后继续存在。


在发展中国家使用BTM IoMT,特别是在宽带网络通常不可用的农村地区,似乎是在未经许可的lpwan上使用BTM IoMT的一个有吸引力的提议。事实上,这些方法已经在撒哈拉以南非洲地区进行了试点,并报告了成功的结果[32].尽管已得到验证,但由于缺乏实施基础设施,许多研究仍停留在概念/试点阶段,导致一定程度的挫折,这应作为优先事项加以解决[32].一些非洲国家在2019冠状病毒病危机期间开展活动,利用移动卫生工具解决精神卫生问题,这表明压力继续加大[33].

一个成功的具体例子是在南非试验的SIMpill项目。该系统使用了一个智能药物容器,当盖子被取下时,它会发送无线信号,向患者发出与粘附相关的动作[34].观察到患者的依从率提高了22%至90%,这为广泛部署提供了肥沃的土壤[34].

在马拉维最近的一项研究中,使用各种技术评估了对感染艾滋病毒的妇女的护理,以期最大限度地使患者坚持服用抗逆转录病毒药物[35].这项研究的重点是评估用于监测和支持参与艾滋病毒护理的3种技术,以及用于验证患者身份的安全筛查。虽然SMS短信和SIM卡筛查是可行的,但基于生物特征(指纹)的身份验证显示出最高的参与度。驱动因素包括消除财务障碍(电话和服务成本)、安全问题(第三方获得设备访问权)、一致性(手机/卡交易)以及缺乏设备知识[35].


马拉维的研究表明,未来农村(和城市)药房可能通过IoMT运作,允许通过LPWAN(或打开无人机递送的智能包装/包裹包装药物)进行生物特征扫描来验证患者。毫无疑问,这项技术可以帮助跟踪从制造商到患者的药物供应,并验证依从性。改善患者预后措施的关键在于数据采集的频率,这应该为患者带来最小的摩擦。正如我们从大规模纵向研究中了解到的那样,我们居住的地方会影响我们的健康,随着时间的推移,获得丰富数据的能力是该领域成功的关键之一[36-38].

这些同样的方法也将有利于在偏远地区进行的临床试验,在这些地区,患者跟踪和监测是试验设计的关键组成部分。现代方法往往要求进行高度细分的试验,通过促进具有足够力量的试验,有效接触、参与和监测亚人群的能力对于解决长期健康差异至关重要[39].


为病人提供紧急警报系统的其他机会比比皆是。例如,缺乏通信基础设施会使农村地区的孕妇处于弱势地位。正如已经指出的,发展中国家的病人使用的临时沟通方法从使用信鸽到提醒路过的司机需要援助,延误导致死亡[40].LPWAN可以解决这一需要,并与主动监测相结合,用于建立一种形式的紧急服务频道,就像美国的公民波段无线电频道9(陆基)和16(海上)一样。这可能成为世界卫生组织及其成员国之间合作的近期目标。

在这方面,谷歌X团队和他们的“Project Loon”项目取得了额外的进展,该项目正在开发部署在平流层的气球,为全球偏远地区提供无线连接。尽管目前气球的使用寿命只有100天,但它们已经被用于帮助秘鲁受洪水影响的民众,以及飓风玛丽亚过后的波多黎各,最近还被部署在非洲部分地区。41].


互联健康的时代已经来临,IoMT设备的部署范围正在迅速增长。近期预计将影响全球卫生的事态发展即将出现。通过智能包装跟踪药物运输、交付和激活的能力只需要协调和规模。

对于任何嵌入管理医疗保健标准实践的系统,它们都需要注意人类行为,并与激励因素保持一致。研究人为因素工程和研究现实世界证据的小组将在这方面发挥主导作用,这些小组的指导思想来自行为心理学,包括Fogg [42],马斯洛[43],罗素[44].

人们可以预见,捕捉和显示信息的设备将从仅仅具有报告功能转变为具有预测功能,这得益于对用户/患者进行的人工智能和机器学习训练。无论数据是显示在手持设备上,还是通过智能眼镜,还是在全息表面上[45],数据的效用依赖于需要精心设计的上下文和关系意识。

制药行业对互联健康的早期希望之一是“智能药丸”的概念,它可以在通过胃肠道的过程中进行跟踪,以确认患者的服药依从性。尽管作为一种市场产品,这仍然难以捉摸[46],未来的发展是可以预见的——例如,高度小型化的发射器在药物遇到胃的低pH值或回肠的高pH值时被激活,直接向云(或雾或LPWAN)发送无线签名,而不需要智能手机[47].


除了无线确认药物剂量,我们的污水流可以成为丰富的连接健康信息的来源。人们越来越认识到微生物组的重要性及其对健康和P4医学的影响[48].为了利用这些知识,一个设计合理的“智能厕所”可以分析和跟踪与个人相关的组件(例如,作为上述智能药丸组件激活后的无线探测器,或作为电化学传感器,检测与微生物相关的降解产物)。也有一些可用的尿液诊断试剂盒,并获得FDA批准,可提供出水生物标志物水平的比色分析[49].例如,与疾病状态相关的代谢物,使用智能手机成像的指示卡,并上传到云端和诊断提供商[50].这样的分析系统可以嵌入到厕所中,直接提供云服务,并可以在辅助生活中心的用例中进行演示。这种方法的另一个理由是,区域卫生当局最近对污水进行了筛查,以跟踪SARS-CoV-2病毒的传播[51].

另一种可能的直接云服务可能是模仿无人弹出式健康诊所的系统。最初在美国试验[5253],它们已在中国被广泛采用,在中国,它们被引入是为了解决人口密集的城市地区所需的服务规模问题[54].在患者层面上的生物特征验证可以通过lpwan获得服务,例如,分配药物或储存不需要抽血(汗液、眼泪、唾液)的生物样本。然后,该设施可以在本地分析数据并上传到云端,在需要干预时提醒医疗保健提供者,或确认付款人是否坚持用药。

这样的系统也将证明在识别、跟踪和控制流行病方面是有用的。5155].艾滋病毒和COVID-19都对发展中国家产生了严重影响,这种系统可能为偏远地区提供所需服务提供一种具有成本效益的方法[56].还应该指出的是,BTM应用可能会随着当前的数字健康技术以及它们为慢性护理和紧急情况管理提供的许多突破性好处而发展[57].可能性很广(图3),全球卫生界将义不容辞地制定出能够随着时间推移产生持久影响的解决方案。认为在本地全球行动可能会成为这个挑战的咒语。

图3。超越移动技术在全球卫生保健中的潜在利用。EMR:电子病历。
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致谢

本文内容仅由作者负责,并不代表诺华公司或塔夫茨大学的官方观点。

作者的贡献

GBJ构思了这一观点,并与AB一起创作了人物。JW和AB提供了主题方面的专业知识,并对撰写手稿做出了贡献。

利益冲突

所有作者均为诺华公司及其子公司的员工。作者声明没有其他竞争利益。

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BTM:超越手机
IoMT:医疗物联网
LoRaWAN:远程广域网
LPWAN:低功耗广域网


G·艾森巴赫(G Eysenbach)编辑;提交08.06.21;同行评审:B Mesko, V Gupta;作者意见21.07.21;订正版本收到22.07.21;接受20.12.21;发表11.02.22

版权

©Graham B Jones, Andrew Bryant, Justin Wright。最初发表于JMIR生物医学工程(http://biomsedeng.www.mybigtv.com), 11.02.2022。

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