ChroniSense国家预警评分研究:可穿戴腕式设备测量住院患者生命体征的比较研究

简介

背景

高危心血管疾病，如院内心脏骤停、中风和心肌梗死，与高死亡率相关，但可通过监测住院患者的临床恶化情况来降低风险[1］．基于生命体征异常的间歇性预警评分常用于住院患者，可在测量48小时内合理预测心脏骤停和死亡的风险[2］．

测量生命体征的标准做法包括医疗保健专业人员使用单独的设备，手动将测量值转换为早期预警分数，并在纸上或电子图表上记录分数。目前早期预警评分的一个主要限制是其用户依赖性，因为它们需要医疗保健专业人员的时间、临床判断以及评分异常患者的升级[3.］．研究表明，当卫生保健专业人员长时间轮班时，相当大比例的生命体征测量被延迟或遗漏[4］．

可穿戴设备可用于持续测量生命体征，从而支持医护人员监测患者，并通过减少延迟或缺失测量来提高患者安全。近年来，大量研究使用各种可穿戴设备来测量内科和外科患者的生命体征[5];术后并发症风险高的患者[6];曾接受高风险手术的病人[7];慢性阻塞性肺疾病急性加重住院病人[8已出版。最近的一项系统回顾发现，研究涉及13种不同的设备，其中只有1种是基于手腕的设备[9］．美国食品和药物管理局(FDA)提供医疗设备的紧急使用授权用于COVID-19大流行期间的一些远程或可穿戴式患者监测设备[10］．

基于手腕的设备可能比基于背带或胸部的设备更容易使用和更通用[11］．在一项小型研究(N=35)中，研究了一种基于手腕的可穿戴设备，以评估心率和呼吸频率测量的有效性[12］．最近的一项大型研究(N=85)评估了智能手表测量心率、血压和氧饱和度的准确性和精度[13］．然而，早期预警评分评估需要测量额外的生命体征，包括呼吸频率、体温和脉搏[14］．因此，有必要进行进一步的研究，以验证可穿戴设备在医院环境中测量或监测预警评分的所有组成部分[15］．

目标

本研究旨在评估半自动化可穿戴腕式设备原型的临床有效性，以测量住院患者的生命体征并提供早期预警评分。我们比较了可穿戴设备和标准护士引导手动测量之间的生命体征测量(个人和总国家早期预警评分[news])。

方法

本研究的方法在方案中有详细的报道[16］．本研究的结果根据可靠性和一致性研究报告指南进行报告[17］．

设计

使用可穿戴设备测量的生命体征和早期预警评分与标准手动测量进行了比较。此外，我们还对参与研究的患者进行了用户体验调查。这项研究是与当前的临床实践并行进行的，可穿戴设备的测量没有用于临床决策。研究团队没有直接参与患者的临床护理。

议定书修正案- 1阶段而不是2阶段

协议论文中描述的研究计划包括两个阶段:(1)算法优化和(2)验证。算法优化校准阶段计划提供一个学习数据集，以确定数据采集软件算法是否需要校准。如果这样的数据采集用于算法优化校准显著提高了可穿戴设备的性能，我们计划要求公司提供一个新的软件包设计用于第二阶段的分析。在第二阶段，我们计划将可穿戴设备测量值与标准测量值进行比较。每个阶段的样本量计算为150例患者。由于组织方面的挑战，我们无法获得用于算法优化的更新软件包。在我们于2021年3月招募了第一批150名患者后不久，与COVID-19无关的研究就暂停了。因此，我们无法招募300名患者。

研究背景

这项研究于2019年5月至2020年3月在英国教学区综合医院米尔顿凯恩斯大学医院的心脏护理病房进行。符合条件的患者抵达米尔顿凯恩斯大学医院的心脏病病房(一个有26张病床的病房)后，在同意研究后连续入组。

合格标准

纳入标准包括:(1)愿意并能够提供参与研究的知情同意;(2)年龄≥18岁;(3)要求至少每6小时记录一次生命体征观察。

排除标准包括:(1)无法或不愿提供参与研究的有效同意书;(2)已知对表带材料聚氨酯过敏史;(3)已知怀孕;(4)已知特发性震颤或帕金森病;(5)甲氧西林耐药等需要隔离的传染病患者金黄色葡萄球菌，艰难梭状芽胞杆菌、扩谱β-内酰胺酶;或(6)研究者认为排除在研究之外或阻止患者完成研究的任何附加情况。这意味着当患者被认为是被排除在外时，他们也可以被排除在外临床上不稳定由于心律失常或血液动力学障碍，或如果他们有刺激皮肤，损伤组织，或左手腕的开放性伤口。这是在个案的基础上处理的，由治疗医生酌情处理。

研究过程

临床心脏病学团队的一名心脏病学研究员和一名研究护士确定了可能符合条件的患者。参与者在到达(入场)当天被告知有关研究的信息。他们有机会提问，如果他们同意参与，他们会被要求填写一份同意书。获得书面知情同意书，并为每位患者分配一个研究编号。在基线时，我们在电子病例报告表格中记录入院原因和患者的人体测量数据(身高和体重)、人口统计学数据(年龄和性别)以及病史。没有患者(0/ 132,0%)被转移到米尔顿凯恩斯大学医院的重症监护室或其他病房。

每个参与者都有权在任何时候退出研究。此外，如果研究者认为任何原因都有必要，包括不合格(如果筛查时不知道，则在研究期间或回顾性中出现)、撤回或失去同意，或失去随访，研究者可以让参与者退出研究。在电子临床记录表中记录停药原因。研究结束定义为最后一位参与者进行最后一次阅读的日期和时间。

数据收集

标准测量

训练有素的病房护士负责使用韦尔奇阿林ConnexTM设备(韦尔奇阿林加拿大有限公司)的商业医疗保健设备进行标准测量。这包括使用手臂的自动振荡血压仪，脉搏血氧测量仪得出的氧饱和度和心率，以及使用博朗热扫描耳温仪(Welch Allyn)获得的核心温度。在常规护理中，护士被要求数60秒的呼吸频率。然而，大多数参与ChroniSense NEWS研究的护士承认，他们是在估计呼吸频率，而不是按照要求计算呼吸频率。研究开始时，对病房团队进行了培训，以加强他们对生命体征监测的知识。要求护士团队注意生命体征的正确获取。数据质量由研究人员监控。

可穿戴设备测量

该研究团队负责可穿戴设备的测量。在这项研究中，我们使用ChroniSense Polso可穿戴腕式设备(原型版本于2019年3月上市)来监测生命体征。这种类似手表的设备的大小和放置在患者的手腕上尽可能舒适。患者将该设备戴在手腕上，不会干扰获取标准测量数据的过程。病房护士和研究团队协调并同步生命体征测量。在一分钟内记录两种采集类型的可穿戴设备测量和标准测量。在标准血压测量前后，从同一手臂获得所有变量的可穿戴设备读数，以克服患者血压的变异性。参与者在招募后参与了长达72小时的研究。

的Polso身体有一个塑料外壳设计，以适合带(图1)．它包含硬件、蓝牙、心电图(ECG)、光电容积描记(PPG)、加速度计、温度传感器、可充电电池和显示器。PPG传感器位于左手腕下方的桡动脉处，2个ECG电极位于手腕背面。第三个ECG电极位于Polso体的顶部;这种电极被设计成用右手的手指触摸。的带Polso机身的塑料支架和带有紧固件的聚氨酯表带。的充电器接受100v至220v交流电(通过美国或欧洲标准墙插)，转换为5v 2a直流电。Polso机身上有一个专有的磁充电连接器，可以为内置电池充电。的房间控制器是一款Android设备，负责从Polso机构收集数据并进行分析。的病人管理应用为医务人员提供，并使用蓝牙按需与Polso身体通信。服务器软件在内部服务器上运行，并安全地接收由≥1个房间控制器传输的数据，每个控制器控制≥1个Polso体。指定的医疗保健提供者可以访问多个患者的数据。的护士站病人监护允许医疗人员远程观察多个患者的PPG和ECG信号和状态。此外，监控器还提供患者标识符、房间号、最后一次PPG和ECG的日期和时间，以及触发的警报。图2显示了Polso系统设置。

Polso获得，导出，并处理五个生命体征:(1)呼吸频率，(2)心率，(3)核心体温，(4)氧饱和度，(5)收缩压。使用补充氧气和意识水平可以手动输入系统。为了测量这些生命体征，它使用心电图、PPG、加速度计和温度传感器。

心电图代表心脏的电活动，由心脏组织的极化和去极化产生。它提供了心跳的速率和规律性以及心室的大小和位置的信息。PPG是通过使用脉冲血氧饱和度测量法获得的，这是一种通过使用专门的光源和光学传感器来估计血氧饱和度的方法。调谐光波长要么通过人体组织传输，要么从人体组织反射，并用于估计含氧血液的相对比例。这一估计氧饱和度与动脉血氧饱和度密切相关。脉冲传输时间由ECG和PPG传感器确定，并用于间接测定血压。Polso使用3轴加速度计数据分析，以每分钟呼吸为基础估算呼吸频率。Polso使用皮肤表面测量与外部温度的补偿来估计核心温度。

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这个消息

本研究使用NEWS (图3)．我们记录了以下NEWS参数的值和分数，范围从0到3:(1)呼吸频率，(2)氧饱和度，(3)温度，(4)收缩压，(5)脉搏。此外，我们记录了补充氧气(2表示是或0表示否)和意识警报级别(0表示警报或3表示声音、疼痛或无反应)。为每个生命体征确定分数，并将其组合起来，得到从0到20的总分。

对于每个生命体征，0分属于可接受的正常值，根据临床表现有一些例外。单个参数的得分为3是A红色的得分，并构成至少中等风险，需要紧急临床关注。总分≤4分为低风险，总分5、6分为中等风险，总分≥7分为高风险。

临床稳定的患者通常至少每6小时记录一次生命体征测量，临床恶化的患者每5分钟记录一次生命体征测量[14］．总NEWS还决定了临床监测的频率，得分越高表明需要更频繁的监测。根据NEWS对患者进行重新评估:低分患者至少每12小时重新评估一次，1 - 4分患者每4 - 6小时重新评估一次，单个参数评分为5、6分或3分的患者至少每小时重新评估一次，评分≥7分的患者需要持续监测。这些是最低限度的建议，必要时，医务人员可以更频繁地对患者进行重新评估。

我们没有评估测量NEWS的频率(由NEWS本身决定)，因为分数的分歧会使临床评估复杂化。为了符合持续患者护理的良好临床实践，考虑了目前使用的news，而不是实验性可穿戴设备衍生的观察结果。

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协议修订-用户体验调查

增加了一项用户体验调查，以了解患者在住院期间佩戴该设备进行生命体征监测的接受程度。用户体验调查包括腕部设备的舒适度、安全性、偏好和使用(多媒体附件1)．我们使用了技术接受和使用的统一理论和可穿戴设备工具的临床可接受性项目，包括关于性能预期、努力预期、社会影响和促进条件的问题[18］．患者被要求在出院时或佩戴该设备的第3天完成调查。

结果

主要结果是个体参数得分的统计一致性(由κ)和值(根据Bland-Altman在标准范围内的一致限度评估):(1)呼吸频率，(2)氧饱和度，(3)体温，(4)收缩压，和(5)脉搏率。由于没有脉搏和呼吸的精度标准，因此指定了适当参考设备的精度。次要结局为(1)总NEWS的一致性和(2)方案中定义的不良事件发生率[16］．

数据监控

由临床研究者、研究员和发起人代表组成的小组审查了研究期间的数据管理流程。该小组建议试验管理组是否应根据招募率、数据不一致或安全性对研究进行修改或终止。

危害

根据研究不良事件报告框架报告在进行研究过程中产生的任何不良事件或意外影响。根据器械风险和安全报告计划，报告了因进行研究而引起的器械相关不良事件或意外影响。

审计

主办方(米尔顿·凯恩斯大学医院研发部)按照方案和数据监测计划进行了数据监测和审计。在研究期间进行了10次计划审计。

统计方法

描述性的

参与者的特征包括入住米尔顿凯恩斯大学医院重症监护室的原因、年龄、性别、BMI和病史。报告所有完成随访的参与者的基线特征。我们使用频率和比例描述分类变量，如果变量的分布是正态分布(观察或转换)，则使用平均值和SDs描述连续变量。如果数据不是正态分布，则报告中位数和上四分位数。

结果分析

我们分析了生命体征测量的一致限度(Bland-Altman分析)和报告的一致值和95% CI。我们首先评估人与人之间的差异是否独立于使用相关的平均值，然后使用分位数-分位数图检查正态性。我们进行了两个独立的一致性极限分析，其中一个分析使用了所有可用的重复测量值(独立模型)，另一个分析仅使用了每个人的第一对测量值。对于每个模型，我们评估了差异的平均差异或SD是否依赖于测量的幅度。我们使用简单线性回归来做到这一点，并认为如果斜率系数显著(P< . 01)。我们遵循Bland和Altman所描述的方法[19]以构建存在不均匀差异时的一致限度，并在差异与测量的大小无关时进行标准的Bland-Altman分析。使用非参数自举法导出了一致性极限的不确定性估计。如果判断差异是一致的，我们使用重复测量的方差分量模型估计一致的极限[20.］．

采用加权法量化原型Polso装置与序数NEWS中参考读数(可能得分范围为0 ~ 20)及其各分量得分(范围为0 ~ 3)之间的一致性κ统计数据。根据Bland-Altman分析进行分析，使用所有可用的可能重复测量(独立性)，每个患者一对观察对。未加权、等间距加权(Cichetti-Allison)和二次加权(Fleiss-Cohen)被报道为95% ci。的κ统计数字解释如下:κ≤0.2表示略有一致，κ=0.2 ~ 0.4表示基本一致，κ=0.4 ~ 0.6表示基本一致，κ=0.6 - 0.8表示基本一致，且κ≥0.8表示几乎完全一致。

协议修正-子组分析

我们对呼吸频率进行了亚分析;这涉及到回顾可穿戴信号，并随着时间的推移手动计算正弦周期，并将其与可穿戴衍生计数进行比较。

处理缺失数据

所有可用数据均纳入结果分析。报告了丢失或失败测量的频率和百分比。

病人与公众的参与

本研究未进行。

伦理批准

我们通过综合研究应用系统(235034)获得了伦敦-汉普斯特德研究伦理委员会(文献编号18/LO/0123)的伦理批准。试验注册号:NCT03448861。该研究具有国家卫生研究所投资组合采用状态(中央投资组合管理系统参考编号32532)。

医疗仪器规例

在研究期间，Polso未被批准为医疗器械。本研究中使用的Polso设备原型在本研究进行时没有CE (Conformitè Europëenne Mark)标志或FDA许可，仅用于临床研究。ChroniSense Medical将这项研究通知了医药和卫生监管局(参考编号CI/20018/005)。这在系统和相关的临床用户手册上都有明确的标注。系统按照标准要求，提供了零件编号进行标识欧洲规范1041:2008医疗器械制造商提供的资料;国际标准化组织14155:2011，第5.10段;以及英国关于研究设备标签的规定。标签的位置在产品的使用说明中有明确的标注。

保密和查阅资料

只有研究团队的成员才能访问患者身份信息，如同意书、患者身份日志和源数据。这些都被归档在医院的一个安全地点。所有数据在分析前通过给每个参与者分配一个试验编号进行匿名化。

参与者的安全

参与这项研究的患者或研究人员没有预期的风险。根据欧洲规范国际标准化组织14971:2012医疗器械标准，对原型Polso进行了正式的风险分析评估。详情请参阅协议[16］．

结果

参与者

我们评估了230例患者的资格，排除了80例(34.8%)患者，因为他们不符合纳入标准(21/ 80,26%)或拒绝参与(24/ 80,30%)或其他原因(35/ 80,44%)。65.2%(150/230)的患者表示同意，其中12%(18/150)的患者由于各种原因停止了干预(图4)．我们分析了完成随访的88%(132/150)纳入的参与者的数据。

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描述性的

表1结果显示，大多数(102/ 132,77.3%)参与者为男性，平均年龄为62岁(SD 15.81岁)。入院原因以急性冠状动脉综合征(59/132,44.7%)和其他心脏疾病(59/132,44.7%)最常见，其次为慢性心力衰竭(27/132,20.5%)和心律失常(19/132,14.4%)。最常见的合并症为慢性肾病(19/132,14.4%)和慢性阻塞性肺疾病(11/132,8.3%)。许多患者服用β-阻滞剂(83/ 132,62.9%)、血管紧张素转换酶抑制剂(82/ 132,62.1%)、他汀类药物(81/ 132,61.4%)或其他药物(114/ 132,86.4%)。

结果

主要的

表2显示了加权κ在80至130名参与者中报告了个体NEWSs，观察总数在187至445之间。最高权重κ心率(125/132 1次观测值为0.61,95% CI 0.38-0.83, 94.7%受试者，所有385次观测值为0.69,95% CI 0.57-0.81)和收缩压(108/132 1次观测值为81.8%受试者，0.39,95% CI 0.30-0.47)的值。加权κ呼吸率值较低(0.006,95% CI 0.04−0.05 1观察130/132,98.5%参与者和0.03,95% CI 0.05−0.001 445观察)、温度(4 e15汽油(不是一个数字,不是一个数字)1观察85/132,64.4%的参与者和0,95% CI 0 - 0对所有231观察),和氧饱和度(−0.10,95% CI 0.26−0.05 1观察80/132,60.6%参与者和−0.11,95% CI 0.20−−0.02所有187观察)。多媒体附录2而且3.显示每个生命体征的标准测量值与可穿戴衍生测量值的比较。多媒体附件4显示每位参与者1个观测值的一致性极限方程。

二次

加权κ25.8%(34/132)的参与者(表3)．加权κ使用ciccheti - allison权值显示κ当使用每个参与者1个观测值时，为0.14 (95% CI−0.09至0.37);当使用所有观测值时，为0.20 (95% CI 0.03-0.38)。使用Fleiss-Cohen权重时也得到了类似的值。

表4介绍了可穿戴设备和标准总news的概述。当标准测量总NEWS为1时，差异数最高，但可穿戴设备显示得分为0(8次)。随后的标准测量总NEWS为0，但可穿戴评分为3(5次)。当标准测量和可穿戴设备的NEWS总分都为0(9次)时，达成一致的次数最多，其次是2分(4次)。

用户验收

整体而言，71.2%(94/132)的受访者完成了有关用户接受程度的调查(图5)．大约一半(45/ 91,49%)的参与者认为佩戴该设备很舒服，并且喜欢它的外观。总体而言，四分之三(68/ 91,75%)的参与者对该设备感到满意，并认为佩戴卫生。只有1.5%(2/132)的参与者担心佩戴该设备可能会对他们造成伤害。总体而言，13%(12/91)的参与者担心他们可能会弄坏设备。大多数参与者表示，收集更多关于他们健康的数据将改善他们或他人的护理(84/ 92,91%)，并且他们将在下次医院就诊时佩戴该设备(85/ 92,92%)。许多(74/ 92,80%)参与者表示，他们会向其他人推荐该设备。

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讨论

主要研究结果

在这项研究中，我们比较了可穿戴设备的性能与英国国家卫生服务使用的商用自动化和监测设备的标准护理，护士测量。比较可穿戴设备和标准测量之间的生命体征测量值以及个体和总NEWSs。我们发现可穿戴设备与心率和收缩压的标准护理测量之间有很高的一致性。呼吸频率、温度和氧饱和度的一致性较低。

心率的高度一致性在我们的预期范围内，因为可穿戴设备使用3轴加速度计数据的分析来估计每分钟跳动的心率。从脉搏血氧仪显示器上的显示获得护士衍生的心率。这些测量结果在一分钟内被同时记录下来。

收缩压的一致性也令人满意。该可穿戴设备通过使用ECG和PPG传感器确定脉冲传输时间来测量收缩压。由护士主导的测量由自动化血压仪(Welch Allyn Canada Ltd)得出。排除心律失常患者也有助于高水平的一致性。

我们发现核心温度不太一致。这可能是由于需要根据测量前需要记录的室温对可穿戴设备进行校准。室温的记录并不总是一致的。使用博朗热测耳温仪(Welch Allyn)测量由护士提供的核心温度。温度变化，而不是绝对值，可能会更好地为可穿戴设备监测的患者服务。目前所有可用的可穿戴设备只能提供体温值的变化(皮肤表面温度，而不是核心温度)。

呼吸频率的低一致性可以解释为护理人员通常只估计每分钟的呼吸次数，而不是按照研究要求计算一段时间内的呼吸次数。另一项研究发现，无线传感器能够准确测量心率，但呼吸频率的准确性超出了可接受的范围[7］．这种可穿戴设备利用呼吸引起的阻抗变化，并计算循环次数，从而提供准确的测量结果。我们对计数呼吸频率的亚分析提高了一致性。

氧饱和度由脉搏血氧测定法得出。标准测量通常使用指尖传感器(Welch Allyn)，而可穿戴设备则在手腕上测量。影响外周循环的临床条件，如贫血，可干扰脉搏血氧测定的准确性。影响信号采集的其他因素包括传感器的运动、温度变化、出汗和吸烟。患有严重呼吸系统疾病和败血症的患者被排除在研究之外;因此，氧饱和度和呼吸频率的范围都很窄，这可能限制了我们的结果。

局限性和优势

这项研究是在现实生活中的医院环境中进行的。由于组织方面的挑战和COVID-19大流行，在可穿戴设备算法优化阶段之后，我们无法招募计划数量的患者。

我们仔细监测了护士培训和数据采集情况。这表明，尽管有大量的培训和最初的监督，护士只估计呼吸而不计算呼吸。目前的新闻不准确地类似于护士衍生的测量。先前的研究表明NEWS的可重复性和准确性存在局限性[21］．因此，我们建议基于变化而非绝对值的监测和警报系统可能更适合临床实践。

我们研究的一个优势是我们还调查了可穿戴设备的可用性。大约一半(45/ 91,49%)的参与者认为佩戴该设备很舒服，并且喜欢它的外观。总体而言，四分之三(68/ 91,75%)的参与者对该设备感到满意，并认为佩戴卫生。大多数(74/ 92,80%)参与者表示，他们会在下次医院就诊时佩戴该设备，并将其推荐给其他人。

与以往研究的比较

很少有发表的研究使用基于手腕的设备评估生命体征[12，13］．杜尔等[12]研究了35名没有心血管疾病的健康个体，发现在比较使用小波腕带测量的心率和呼吸率与同时记录的ECG和肺脏测量值时，精度和信号质量都很高。哈南等人[13他们发现，Everlast消费级智能手表在与医院级生命体征监测仪进行比较时，符合心率测量的精度指南，但不符合收缩压和舒张压测量的精度指南。

一些基于手腕的可穿戴设备正在获得监管机构的批准，用于监测生命体征。例如，在2019年，Biobeat的可穿戴和胸部监测设备是第一个获得FDA批准的使用PPG的无袖血压监测设备。2022年3月，Biobeat可穿戴设备获得FDA 510 (k)批准，用于监测呼吸频率、体温、血压、氧饱和度和脉搏率[22］．

结论

Polso是一种多感官可穿戴设备，可安全地用于医院环境，但在本研究中使用的原型设备测量生命体征的绝对值必须谨慎解释。标准测量和可穿戴式测量收缩压和心率之间的密切一致使得Polso成为一种有用的监测设备。然而，进一步提高测量呼吸频率、温度和氧饱和度的准确性对于能够在住院和门诊的常规临床实践中使用它是至关重要的。人们对可穿戴设备市场的兴趣和竞争不断增加，推动了这些变化。

反复测量个人生命体征和综合新闻可为监测目的和识别患者病情恶化提供有价值的工具，特别是在人员配备不足或某些医疗情况(如传染病大流行)再次发生时。提高记录精度可以为用户提供信心，并有可能扩大该设备的能力。

监测养老院居民或慢性病患者，避免入院，及早发现病情恶化，是该可穿戴设备未来的研究课题。此外，还需要进行大规模研究，以评估可穿戴设备对临床结果及其成本效益的影响。

这项研究显示了在医院环境中使用可穿戴设备测量生命体征的前景。收缩压和心率的标准测量值和可穿戴测量值之间的一致性是可以接受的，但在呼吸频率、温度和氧饱和度方面需要改进。ChroniSense继续开发Polso的硬件和软件。在这项研究完成后，最新版本的Polso设备最近(2022年11月)获得了FDA的脉搏血氧测量和脉搏率和呼吸率测量许可。