用于监测连续体表温度的创新可穿戴设备(HEARThermo):仪器验证研究

介绍

背景

体温异常是各种疾病预后的关键指标[1-4]和防御免疫反应最常见的症状[4］．无论人们是否符合发烧的标准，异常的体温模式都可提供信息，具体反映疾病期间病情进展不佳[5-10］．发烧前体温变化大，表明脓毒症综合症的演变[9］．一项回顾性研究发现，在任何24小时内出现体温异常模式的非热重症患者后续诊断脓毒症的风险是无体温异常模式的患者的4.43倍，体温异常曲线预测脓毒症的敏感性和特异性分别为0.69和0.76 [8］．在个体水平上，门诊患者体温升高1个标准差的原因不明的变化是与1年死亡率提高8.4%相关的重要预测因素[11］．因此，体温是评估人体健康最重要的生命体征之一，应持续监测，及早发现有不良预后风险的患者[12，13］．

用于测量人体温度的温度计有玻璃水银温度计、电子温度计、红外耳温计、红外额温计等。它们通常在预先确定的时间间隔内使用，或在患者病情发生变化时使用[7，14］．考虑到相当于血管内测温或直接脑测温，临床中用于持续体温监测的测量工具是侵入性的，包括导尿管或食管温度探头[15］．然而，这种有创的连续体温测量工具可能不适用于一般人群。

迄今为止，可穿戴设备以其最大限度地减少对人体正常活动的不适和干扰的优势，在体温连续监测领域获得了越来越多的关注[13，16，17］．不同的可穿戴设备，包括类似皮肤的精密温度传感器阵列或可穿戴粘合剂设备，如手表、背心、贴片和耳机，已被开发出来，以持续检测体温[18-21］．在人体各部位中，手腕是对可穿戴设备热感觉测量反应最灵敏的部位[19，22］．然而，可穿戴设备在体温持续监测中的应用仍局限于试点研究[18，20.，23］．此外，在实验室环境和人体实验对象上使用新型可穿戴设备进行手腕皮肤温度监测的有效性还没有得到充分的研究。

本研究的前期工作和目的

2006年进行的早期研究是首次使用iButton的研究，通过使用不同温度的水浴和参考温度计进行验证研究，iButton的平均精度为0.05℃。这项研究进一步强调了实验室研究结果在临床环境中的普遍性[24］．大多数研究都是为了评估iButtons根据人体昼夜节律系统测量手腕皮肤温度的可行性[25-27］．在西班牙对大约100名大学生进行的两项研究证明，手腕温度节律是评估昼夜节律的一个有价值的指标[25，26］．另一项针对韩国121名轮班工人的研究提供了证据，表明夜班工人比白班工人的手腕温度幅度更低[27］．此外，研究人员进行了多项研究，以评估使用可穿戴设备持续监测体温对检测患者病情恶化的影响[6，10，23，28，29］．开展了一项前瞻性观察研究，包括56名患者，以探索每分钟记录中央和周围红外温度并储存24小时的Holter设备的效果。研究发现，通过持续监测，每位患者可检测到0.7个发热峰值，但在常规护理期间未观察到这一点，16%的常规护理认为不发热的患者在连续监测期间至少检测到一个发热峰值[29］．另一项针对儿科患者的初步研究表明，常规体温监测无法发现两起发烧事件，但连续体温监测贴片可提前12小时发现[23］．然而，这些设备的局限性包括由于体积较大，响应时间较长，最大采样率为1 /分钟[24］．此外，这些研究并没有表明可穿戴设备在监测体表温度方面的可靠性和有效性[25-27］．因此，本研究的目的是验证创新可穿戴设备HEARThermo的性能，该设备被开发用于持续监测人体体温。

方法

研究设计

我们在本研究中采用了多方法研究设计，其中包括2项验证研究——一项在实验室进行，另一项在人类受试者中进行。我们进行了这些研究，以确定HEARThermo在实验室环境中的可靠性，以及HEARThermo在人体皮肤上应用的协议和有效性。国立成功大学医院机构检讨委员会(编号:B-BR-106-044)批准了这项研究的方案。

研究参与者

本研究采用雪球抽样法，以招募能够用台湾语或普通话交流、居住在台南社区并愿意参与本研究的人士。排除标准包括:(1)在参与本研究前3天有发烧或身体不适的人;(2)有严重脑损伤、神经系统疾病、严重心血管疾病、耳结构问题、外周动脉疾病、四肢肌肉骨骼疾病的;(三)有精神障碍或认知障碍的;(4)在本研究开始前4小时正在服用对重要标志物有影响的药物，如皮质类固醇、非甾体抗炎药或抗发烧药物。

本研究共招募了66名参与者，所有参与者均完成了实验研究。功率分析使用“ICC.Sample”进行计算。R版本3.4.1 (R统计软件)的“大小”包。事后功率分析表明，为了检测高功率水平(功率=0.99)，样本量为66名参与者。

数据收集

验证研究I

在本研究中使用的实验室环境中，验证HEARThermo的方法是根据引用于“中华民国国家标准(CNS) 15043间歇测定病人体温电子体温计标准规范”中的第4.5.1节“操作环境试验”进行的。[30.］．根据可穿戴设备的说明书，在验证测试前将其稳定1小时。我们在16°C和40°C的水浴中测试了HEARThermo三次，并记录了测量误差范围。我们用参考水银温度计测量水浴温度。

验证研究II

我们进行了一项验证研究II，以确定通过HEARThermo获得的体表温度与红外皮肤体温计获得的体表温度之间的相关性。我们使用HEARThermo持续监测参与者的体表温度，直到研究结束。参与研究的时间在上午9点至11点之间，研究的房间是固定的，以避免任何潜在的环境偏差。由于红外温度计的发射率可能会受到环境温度的影响[31]，在验证研究中考虑了不同的室温、湿度和活动量作为混杂因素。图1显示了验证研究II协议的细节。

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变量的测量

人口特征

本研究收集的个人人口统计数据包括年龄、性别、身高、体重、BMI、体脂率和手围。

体表温度

在实验研究中，我们使用红外皮肤体温计(BEURER, FT50)测量体表温度。研究人员首先清洗被监测手部的特定部位，待皮肤干燥后，在手部皮肤表面放置红外皮肤温度计。在释放SCAN按钮后，测量的温度出现在显示器上，并伴有面部符号。根据本研究使用的红外皮肤体温计说明书，温度为10℃~ 50℃时测量误差范围为±0.3℃，温度为37℃~ 39℃时测量误差范围为±0.1℃[32］．红外皮肤体温计的采样频率为每秒512扫描序列[32］．本研究中使用的红外体温计的准确性测试是根据“CNS 15042间歇性测定病人温度的红外体温计标准规范”中引用的第5.1.5节“操作环境测试”进行的[31］．首先，红外皮肤体温计在精度测试前稳定30分钟。红外皮肤体温计在23°C、30°C、38°C水浴中测试6次，记录测量误差范围。结果表明，红外体温计满足CNS标准的验收标准，其最大测量误差要求为±0.3°C。

HEARThermo是与技术制造商(AMobile Intelligent Corp Ltd)合作开发的，用于在验证研究II (图2)．与之前开发的带有热敏电阻和集成电路传感器的设备相比[23，24，29，33，34]，该可穿戴设备由TEMPUS数字远红外热电团传感器组成，可测量身体表面发出的远红外能量，并立即显示温度。HEARThermo的信号测量速率为>500 Hz。此外，HEARThermo的传感器还包括g传感器，陀螺仪，心率，3D加速度计。在这项研究中，研究人员首先清洗了被监测手部的特定部位，待皮肤干燥后，将HEARThermo轻轻地放在手腕的皮肤表面。当打开HEARThermo时，测量的参数，包括温度和心率，每秒钟都会出现在显示器上。这些生理生物标记物通过蓝牙低能量网关上传到国立成功大学云。

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室内温度及湿度

在本研究中，我们使用室温数据记录器(Elitech, RC-4)来测量室温。根据制造商说明书，在-20°C至40°C的温度范围内，温度精度为±0.5°C [35］．采用室内湿度记录仪(N . av, GM-108)测量室内湿度。根据厂家说明书，湿度范围为20%-90%，湿度精度为±10% [36］．

数据分析

我们用分类变量的方差分析和卡方检验来检验组间的差异。然后，我们将每个HEARThermo的测量偏差计算为HEARThermo温度与水浴温度之间差异的平均值(SD)。此外，我们计算了水浴温度与每个HEARThermo之间的线性回归，以确定可穿戴设备的值与水浴温度之间的关系。我们将每个HEARThermo的线性回归模型应用于一个独立的数据集，以校正每个可穿戴设备的值，并使用双尾配对测试值的改进t使用绝对值的偏差进行测试。为了确定单个可穿戴设备的测试-重测可靠性，我们分析了每个HEARThermo的类内相关系数(ICC)。我们用Bland-Altman图分析了HEARThermo和红外皮肤体温计之间的一致性。此外，我们计算了差异的均值(即偏差)和SD(即精度)，以及95%的一致限度。此外，我们利用95% ci的ICC双向随机效应模型分析了HEARThermo的准则效度。我们使用R Version 3.4.1进行所有统计分析。

结果

研究人群

我们在台湾台南市的66名参与者参与这项实验研究(多媒体附件1)．共观测数据325022份，分析完整数据152881份。参与者年龄从10岁到77岁，平均(SD)年龄为39.47岁(19.02岁)，66名参与者中有39名(59%)为女性。这些参与者的平均身高(SD)为161.4 (10.85)cm，平均体重(SD)为60.82 (14.83)kg，平均BMI (SD)为23(3.41)，平均体脂率(SD)为26.61(6.98)%，平均手围(SD)为15.38 (1.61)cm。行走后的平均(SD)稳定时间为357.06(192.24)秒，奔跑后的平均(SD)稳定时间为790.67(259.69)秒。

验证研究一:HEARThermo在实验室环境下的可靠性

我们在16°C和40°C的水浴中对39台可穿戴设备进行了三次测试。16°C时的平均(SD)测量偏差为−1.16(1.84)°C(范围-4.91°C至2.18°C)。40°C时的平均(SD)测量偏差为1.21(2.01)°C(范围-2.39°C至5.63°C)。16°C水浴的ICC为0.96，而40°C水浴的ICC为0.98 (表1)．

我们对每个可穿戴设备进行线性回归校准。截距定标系数为-3.20 ~ 7.07°C，斜率定标系数为0.77 ~ 1.11°C。校正后的测量偏差平均为-0.02 (SD 0.28)°C(范围-1.79°C至0.81°C)。各回归模型改善的HEARThermo值与水浴温度差异不显著(P= .19)。

验证研究II: HEARThermo在人体应用的一致性和有效性

图3显示了HEARThermo和红外皮肤体温计之间体表温度的一致程度。HEARThermo的平均(SD)温度为31.94(2.04)°C，而红外皮肤温度计的平均温度为30.43(2.02)°C。Bland-Altman分析表明，HEARThermo的偏差为1.51°C (95% CI 1.50-1.51)，精密度为1.45。一致性极限为-1.34°C (95% CI -1.35至-1.32)至4.35°C (95% CI 4.34-4.36)。表2图中为可穿戴设备在≤19.9℃、20℃~ 27.9℃、≥28℃不同室温下与红外皮肤体温计的ICC值。室内温度为20°C-27.9°C时，ICC值较高，估计为0.72。在20°C-27.9°C的室温下，HEARThermo的平均(SD)温度为32.44(1.67)°C(范围25.45°C-37.53°C)，而红外皮肤温度计的平均温度为30.86(1.85)°C(范围25.7°C-36.6°C)。随着室温的变化，ICC值迅速下降，ICC值较低，为0.45和0.49。在室温≤19.9°C时，HEARThermo的平均(SD)温度为28.41(0.92)°C(范围24.07°C-29.81°C)，而红外皮肤温度计的平均(SD)温度为26.72(2.05)°C(范围23.0°C-29.4°C)。在室温≥28°C时，HEARThermo的温度变化为34.17(1.22)°C(范围26.93°C-36.49°C)，而红外皮肤温度计的温度变化为33.42(1.78)°C(范围30.2°C-36.6°C)。

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讨论

调查结果概述

这是首个研究新型可穿戴腕式设备的可靠性和有效性的热电堆，用于在实验室环境和人体受试者身上持续监测体表温度。我们的研究结果表明，HEARThermo与红外皮肤体温计具有良好的信度和足够的效度。经过验证的HEARThermo有望通过持续监测体表温度的变化来提供更多有用的信息，从而更有效地支持医疗决策。HEARThermo是一种可靠的设备，具有0.96-0.98的高ICC，可用于重复测量体表温度，这与先前对人体进行的比较研究报告一致[37］．最近对使用接触测温法测量体表温度的系统综述表明，94%的研究缺乏关于传感器校准的详细信息，从而导致数据的有效性降低[38］．在本研究中，使用水浴对HEARThermo设备进行校准，校正后的测量偏差平均为-0.02°C，小于先前开发的0.05°C至0.2°C范围的设备[23，24，29，33］．测量偏差小于0.5°C被认为是小偏差[38］．然而，由于校准方法和参考温度计的规格要求较高，验证结果的过程很复杂，因此需要偶尔调整校正模型[24］．因此，我们建议创新设备的验证和校准过程应基于在不同场景下监测体表温度的应用目的。

在20°C至27.9°C的室温范围内，使用红外皮肤温度计对HEARThermo进行了充分验证，这与iButton和参考汞温度计在温控水浴中的比较研究相一致[39］．研究表明，在可穿戴腕式设备中，用于监测体表温度的传感器中，最常用的是热敏电阻[21，34，38]，但只有有限的研究试图通过使用温度控制在19°C至41°C的水浴来验证这些可穿戴设备[19，24，40］．我们的研究首次为红外可穿戴设备实时测量人体体温的有效性提供了支持证据。此外，HEARThermo在红外皮肤温度计的标准方面没有显示出可视化的系统偏差。然而，两种测量工具之间的一致性界限比以往研究的情况更宽，这表明在体内研究中充分一致的范围应在1°C以内[38]和0.5°C [41］．由于红外皮肤温度计的测量是间歇性的，因此外部因素对体表发射率变化的影响可能对红外皮肤温度计比对可穿戴设备更为显著[19，42]，这可能解释了本研究中发现的更广泛的一致限度。我们的研究结果强调，使用可穿戴设备测量体表温度应考虑与皮肤表面的紧密接触。迄今为止，以贴片形式监测体温的可穿戴设备已研制成功，并获美国食品及药物管理局批准[23］．然而，由于缺乏测量体表温度的通用金标准方法，比较不同体表温度测量工具之间的一致性的能力可能受到限制[38］．需要进一步的研究来校准和验证HEARThermo和临床环境中不同形式的医用温度计之间的一致性。

限制

本研究存在以下局限性。首先，在本研究控制热辐射源的同时，HEARThermo的传感器无法使用高精度黑体进行校准。其次，缺乏测量体表温度的金标准，这可能导致验证结果在不同的标准测量工具之间有所不同。因此，我们的研究只强调了HEARThermo与本研究中使用的红外皮肤体温计之间的关系。第三，研究结果的可泛化性仅限于≥10岁的人群，因为0-9岁的儿童没有合适的手环尺寸。此外，由于雪球抽样法，可能会招募相对健康、意愿更大的人。但是，与以往样本量较小且仅为男性的研究相比，本研究试图同时招募女性和男性，并且样本量更大，年龄范围更广，以提高研究结果的泛化性。第四，本研究的结果在亚洲国家更适用，因为本研究只招募了亚洲人。我们建议在不同的国家和种族进行进一步的研究，以验证带有红外传感器的可穿戴设备，考虑到不同人类肤色的发射率。

结论

在实验室环境下，HEARThermo显示出良好的测试-重测可靠性，在20°C-27.9°C的室温下，与红外皮肤温度计的相关性最高。此外，HEARThermo没有显示出可见的系统偏差，与红外皮肤温度计的标准偏差为1.51°C。这项研究验证了一种创新的可穿戴设备，用于持续监测体表温度。在临床实践中，需要进一步的研究来校准和验证HEARThermo与不同形式的医用温度计之间的一致性。