传染病爆发早期检测的移动应用程序和仪表板:发展研究

介绍

肠胃炎、麻疹、流感和COVID-19等传染病的暴发对公共卫生造成巨大风险，包括住院和死亡。疾病暴发与卫生保健资源利用率增加和负面社会影响直接相关[1，2］．因此，改善这些疫情的管理对于预防广泛感染和减轻相关风险非常重要。将广泛传播的传染病所造成的风险降至最低的一项核心战略是发展一种监测系统，以便尽早准确地迅速识别潜在的疫情，以便在与疾病传播有关的大量费用发生之前实施一项有效的干预计划。

已经开发了许多传染病监测(IDS)系统来快速收集、解释和响应疫情。美国疾病控制及预防中心[3.]，德国的SurvNet@RKI [4]，以及澳大利亚卫生部维多利亚[5建立了数字和基于网络的疾病通报系统。这些系统有助于及时报告分布地点(通常是分散的地理位置)之间的疾病暴发，如医院或社区设施(例如，老年护理和托儿中心)和地方公共卫生单位(phu)。然而，每一种系统都是为了满足特定的需求而开发的(例如，特定于某些疾病[6]或仅适用于患者)，因此在更广泛的领域的适用性受到限制。与此同时，许多国家的地方卫生当局仍依赖传统的手工纸质表格，并通过传真或电子邮件进行沟通(例如，新南威尔士[NSW]卫生部[7])。在地理位置分散的地点之间以这种方式进行报告，容易导致信息丢失、不完整和不正确[8］．这是有问题的，因为与传染病相关的公共卫生成本增加了。

移动医疗(mHealth)技术是一种新兴概念，它将移动设备与无线技术结合起来用于医疗保健目的[9-11］．近年来，它得到了很大的普及，并已在各种临床环境中使用。临床医生和医院之间的沟通得到了极大的改善推动警报以及自动通知(如寻呼)功能[12］．此外，我们亦开发了许多创新的流动应用程序，例如远程病人监护系统[13]和骨科决策支持应用程序[14］．随着移动医疗技术的不断创新，仪表板也被引入，以总结关键信息并将其集成到可视化显示中，以便更好地做出决策[15-17］．临床仪表板的设计通常是为了通过衡量医生与病床的比率、医院感染率和死亡率等绩效指标来提高护理质量[15］．然后，这些数据在临床医生之间实时共享，以对患者的需求做出反应，并有效地捕捉和理解潜在的模式和趋势。

开展了有限的研究，以调查使用移动医疗技术与仪表板相结合，以改善传染病爆发的管理。在本文中，我们提出了一种新的IDS系统，该系统使用移动应用程序准确地捕获爆发数据，并通过使用仪表板交互式可视化来分析这些数据。我们使用两种方法开发了我们的系统;我们首先进行了全面的文献综述，了解现有IDS系统的初始基本需求，然后进行迭代的面对面访谈，了解使用上下文并收集用户需求。我们的双管齐下的方法流程图载于图1．我们建议使用移动健康技术和仪表板可以改善分布式站点之间的疫情管理，并为更好的健康结果和规划确定新的机会。

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方法

研究地点及设置

这项研究在澳大利亚新南威尔士州的一家Nepean医院Nepean蓝山地方卫生区(NBMLHD)进行。nmlhd覆盖市区和半乡村地区，范围约9179公里²．2017年NBMLHD的估计常住人口为381,704人，预计到2036年将增加30%。NBMLHD的公共卫生部门通过与当地全科医生、社区卫生工作者、学校和托儿中心以及老年护理设施合作，确定、预防或最大限度地减少对社区的公共卫生风险。

NBMLHD(以及整个新南威尔士州)的所有卫生机构(如托儿中心和老年护理机构)目前都使用纸质表格向当地PHU团队报告疫情，这很容易出错，而且耗时。人口的增加以及该地区的大面积覆盖，将给传染病暴发的管理带来新的独特挑战。

通过文献综述确定IDS系统的基本需求

我们对现有的IDS系统进行了文献回顾，以分析和定义我们系统的整体范围和基本需求，并遵循PRISMA-P(系统评估和元分析首选报告项目协议)指南[18］．我们还分析了设计趋势，并将相关技术整合到我们的系统中，重点研究了使用移动设备和仪表板系统的研究。

我们对以下科学数据库中发表的论文进行了系统搜索:PubMed和Web of Science。我们搜索了2004年以来15年间发表的关于使用移动健康技术进行传染病报告和分析的论文。使用的搜索词是“传染性”和“疾病”和“监控”以及“智能手机”或“智能手机应用程序”或“移动应用程序”或“移动电话”或“仪表盘”或“移动健康”。图2提供研究选择过程的概述。

入选标准如下:(1)传染病报告系统必须设计为使用电子设备(移动电话、平板电脑或个人电脑);(2)报告采用特定应用程序或网站的形式。我们排除了描述使用基于移动的系统治疗非传染性疾病的论文。评审论文被排除在外。只收录了用英文发表的论文。

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通过访谈了解IDS系统的具体用户需求

我们进行了面对面访谈，以收集用户对IDS系统的需求。多次访谈被迭代执行，直到我们对用户需求有了全面的理解。参与者包括来自当地PHU团队的公共卫生护士和来自NBMLHD的远程保健提供者。访谈由经验丰富的研究人员进行，包括项目协调员和软件开发人员。首先，我们确定了不同类型的最终用户及其对应的角色。然后，我们调查并定义了系统的特定工作流和用例场景。我们的研究不需要任何患者参与，因为伦理批准或知情同意是不需要的。

用户界面设计和敏捷开发

敏捷开发使用旨在提供良好用户体验的交互式系统框架。系统的初始用户界面设计是基于用户需求和对使用上下文的理解。软件开发人员和医疗团队不断沟通，讨论和改进系统的内容和用户界面。我们开发了一个功能性的移动应用程序和仪表板原型，用于收集用户的进一步反馈。

结果

第一阶段:研究现状的文献综述

我们最初的搜索通过搜索条件确定了256篇论文。我们删除了9篇重复的论文，并根据标题和摘要筛选了剩余的247篇论文。然后我们下载了30篇相关论文，并根据纳入和排除标准进行了审查。共选取11篇相关论文进行定性综述。

这些文件介绍了用于更好地发现、报告和应对疾病爆发的新数字技术。我们对现有IDS系统的文献综述的摘要显示在表1．通过分析选定研究的共同和中心目标，我们确定了传染病报告系统的3个基本要求，即能够准确、完整和及时地捕获和报告爆发数据[19-25］．基本需求也被用作确定后续具体用户需求的基础。

准确捕捉和报告数据(如症状和年龄)的能力对于创建最佳的特定疾病干预计划非常重要[21，26，27］．确定和了解某些疾病的独特特征也至关重要;一些疾病的报告病例数较高，但只有少数患者患有严重疾病(如麻疹)。爱尔兰采用了另一个电子报告系统，以减少漏报应呈报疾病的情况[28］．漏报与许多因素有关，包括临床医生缺乏时间和动机，以及使用复杂和不一致的纸质表格。电子系统具有一致性和用户友好性，为临床医生创造了一个更好地参与报告和了解其通知义务的环境[21，25，29］．此外，还使用交互式数据可视化技术(例如网页仪表板)了解某些传染病的独特特征，从而提高疫情报告的准确性和完整性[27］．Kamadjeu等[30.为索马里应对脊髓灰质炎病毒爆发开发了一个电子仪表盘。该仪表板捕获了完整的疫情数据，能够改善不同利益攸关方(如位于不同地区的疫情应对管理人员和免疫伙伴)之间的日常分析和疫情信息共享。

荷兰引进了基于互联网的报告系统OSIRIS，以减少在接收疫情数据方面的延迟，并提高数据的完整性[20.］．该系统能够将延迟从10天减少到1天，与传统的纸质方法相比，数据的完整性提高了10%以上。类似地，安圭斯等人[21]使用基于移动的数据收集平台和实时云存储技术，以减少延迟识别和干预。Fahnrich等人[23还开发了一种基于移动的系统，可以有效和迅速地控制西非的埃博拉病毒。

阶段2:用户研究和用户需求

文献综述的结果使我们能够创建一个合适的问题列表，用于后续的面对面访谈。其中一些问题旨在获得可能有助于提高准确、完整和及时捕获和报告疫情数据的能力的答案。我们对来自PHU团队的2名公共卫生护士和1名临床医生进行了几次访谈，以了解如何在社区设施和PHU团队之间沟通爆发数据的总体工作流程。访谈问题清单及相应答案列于表2．用户和专家的证词被用来帮助开发人员更好地理解用户需求。

阶段3:功能需求的提取

然后，用户访谈的结果被用于制定功能需求。中列出了功能需求的列表表3．我们的移动应用程序的用例图显示在图3．该图表示移动应用程序的主要功能:数据捕获和通知。

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阶段4:原型构建和迭代

在临床医生和开发团队沟通的基础上，我们开发了一个应用程序和仪表板原型。应用程序和仪表板被提交给临床医生以获得进一步的反馈，我们确定了在第一阶段中没有发现的新用户需求。所确定的新需求列表显示在表4．基于2017年1月至12月期间来自PHU团队的3名临床医生和来自远程医疗团队的2名临床医生的反馈，我们迭代地更新和改进了原型系统。对原型的主要功能进行了描述表5．

系统概述

图4显示了我们提议的系统的概述。我们的系统由一个移动应用程序、一个云服务器和一个仪表板组成。在设施中爆发传染病时，该设施的工作人员使用移动设备或桌面PC (web界面)捕获患者数据，包括症状和疫苗接种细节，并将其发送到云服务器。然后对数据进行处理并实时显示在仪表板上。云服务器通过邮件自动通知PHU护士。PHU护士然后使用网络仪表板接收和分析疫情数据。

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手机应用程序

这款手机应用采用了跨平台应用开发框架，适用于Android和iOS设备。我们特别使用了一个叫做交叉编译的开发平台[31]，它会自动将源代码转换为特定平台的应用程序。我们还开发了一个移动web应用程序，以便它可以在标准的web浏览器中运行(图5）.

用户可以创建新的爆发详细信息并添加或编辑现有信息的详细信息，如中所示图6(功能1)在传染病爆发期间，重要的是每天监测患者的症状;因此，我们的应用程序允许我们查看以前爆发的患者详细信息的历史。然后，我们的应用程序使用应用程序编程接口网关将它们发送到云服务器。为了防止未经授权的数据提交，该应用程序仅供用户使用预先注册的验证密码，该密码由PHU控制。所有数据都加密并使用JSON Web令牌(JWT)发送，该令牌只能在云服务器上验证(功能5)。一旦报告了新的疫情，还会自动向PHU发送电子邮件通知(功能2)。应用程序的可访问性和用户注册由云服务器控制。我们使用本地云服务器，并使用jwt对数据进行加密，以加强通信的安全性。

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指示板

我们使用开源超文本预处理器(PHP) Laravel框架开发了一个仪表板。它提供丰富的内置特性，如身份验证、授权和数据库管理系统。Laravel框架的使用允许我们迭代开发我们的系统，并根据从PHU团队收到的反馈有效地改进它。

仪表板实时显示通过我们的移动应用程序发送的爆发数据(功能2)。图7显示关键信息的快速摘要(例如，设施名称、房间号、患者详细信息和疫苗接种详细信息)。图8显示当前活跃疫情的摘要，提供每日、每周和每月报告病例的摘要(函数3和4)。为了显示直观的数据，还使用了彩色编码的关键信息和图形图表。还可以检索有关病毒爆发的更具体的历史数据。图9显示所选病毒爆发多年来的趋势。

为了使我们的系统更适用于更广泛的领域(例如，不同的州或国家)，可以通过仪表板添加、修改和删除不同类型的传染病、症状和注册的社区设施等数据属性。

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讨论

主要研究结果

本研究通过两种方法收集用户需求:文献综述和面对面访谈。通过文献综述，我们确定了设计电子IDS系统时的3个基本要求，并使用迭代面对面访谈开发了新的IDS系统。我们还介绍了一个新的基于移动健康技术的IDS系统的开发和实现细节。我们的研究重点是开发一个通用的移动应用程序或仪表板框架，用于捕获和报告疫情数据，这与传统的现有工作不同，这些工作仅限于解决流感等特定传染病[6，32-34]或病人队列[35］．

通过使用移动设备的可移植性，可以从任何地方捕获和发送爆发数据，跨平台框架的使用进一步允许用户使用不同类型的设备(例如移动设备、平板电脑和PC)记录数据。数据使用客户端-服务器架构传输，因此可以进行实时分析。我们的仪表板旨在提供每日、每周、每月和历史暴发信息摘要，突出显示重要指标，如报告的病例数、男女比例和报告的特定症状数。还可以交互式地可视化有关某些疫情的特定信息，这有助于了解新出现的传染病的独特特征。我们从PHU收到的一些关键反馈如下:(1)执行正确和强制性数据输入的能力(例如，设施护理类型和症状发作日期)以及(2)识别需要在仪表板中可视化的关键指标。自定义数据属性的能力对于为一般应用程序自适应地改进系统非常重要。

我们建议，使用移动应用程序和仪表板将简化整体数据收集、报告和分析过程，从而改善公共卫生应对措施，并提供疫情信息的准确登记，这可能会降低相关发病率和死亡率[8］．这还可以改善临床医生和社区设施之间的沟通和参与，提供更容易获得的传染病信息和教育。

我们将通过在地区社区设施(如养老院和儿童保育中心)试行该制度，评估该制度的有效性。”将进行实施前和实施后的调查。我们的系统有一些局限性。虽然我们的PHU团队拥有丰富的临床经验，但该系统是基于单一医院的反馈而开发和完善的;扩展到多家医院将有助于概括整体范围。

结论

我们认为，由我们的系统实现的准确数据报告和收集是在早期发现未来传染病爆发方面向前迈出的重要一步。随着大规模疫情数据的可用性，可以进行基于人群的分析，以了解疫情的总体特征。这可能有助于预防广泛感染和相关风险。还可以根据在可避免的疾病大规模传播之前确定和提供的模式制定有效的干预计划。使用大规模数据的另一个关键优势是机器学习算法的应用(例如，卷积神经网络[36)来预测传染病。这些预测模型可以被推导出来并嵌入到我们的通知系统中。