物联网、数字生物标志物和脊柱人工智能:当前和未来展望

摘要

目前，对身体活动或脊柱姿势的实时监测的研究正在进行中。

介绍

医学AI可以有3种不同的使用方式:第一，AI用临床数据或基因组数据，以诊断疾病或预测治疗结果。第二， AI自动读取医学图像并诊断疾病。第三，AI可以通过实时监控生物医学信号来预防或预测疾病。
在脊柱领域，AI已被用于预测脊柱转移患者手术后的结果或生存情况。医学成像中AI的重点一直是脊柱结构的分割、椎间盘退变的分类、各种脊柱曲线参数的测量以及骨折和脊柱肿瘤的诊断。通过实时监测生物医学信号来预测和预防疾病的AI研究在内科领域尤为活跃。

与脊柱相关的物联网和数字生物标志物

迄今为止，脊柱领域的人工智能研究主要集中在利用术前数据预测脊柱手术后的结果和诊断脊柱图像。5 基于物联网的脊柱监测和数字生物标志物的研究仍处于早期阶段。目前，物联网和脊柱数字生物标志物的关注重点是通过客观分析脊柱退行性疾病患者的功能状态来评估手术结果。
在探索IoT和AI在脊柱中的作用之前，了解脊柱的数字生物标记物是很重要的。脊柱疾病的严重程度是根据疼痛强度和功能状态来衡量的。患者的功能状态最好用日常体力活动来表示。脊柱疾病引起的疼痛最终导致日常体力活动减少和生活质量低下。Oswestry残疾指数（ODI）和项简式调查中的几个项目与日常体力活动有关，它们被广泛用于评估腰椎疾病患者。测量身体活动的代表性传感器是加速计。用装有加速计的可穿戴设备测量的体力活动是脊柱中最典型的数字生物标记物。步行是身体活动的基本要素，以每天的步数或步行距离来衡量。智能波段或手表是一种典型的具有内置加速计的物联网设备。最近客观测量脊柱患者体力活动的研究使用了各种传感器和设备，并通过与PRO的比较进行了验证。 Kim等人使用智能带监测接受腰椎手术患者7天的日常体力活动。在这项研究中，术后一个月的体力活动与每日视觉模拟量表（VAS）和ODI显著相关。其他客观结果测量可能是腰椎退行性疾病的数字生物标志物，如定时向上走试验、五次重复坐立试验和基于智能手机的6分钟步行试验。
使用可穿戴设备测量的脊柱姿势也可以作为脊柱的数字生物标记物。通过实时监测脊柱姿势，可以在持续不良姿势的情况下提供反馈。反馈可用于采取措施，防止不良姿势引起的脊柱疾病。事实上，用于实时监测脊柱姿势的各种物联网设备已经上市。
人类步态也可以作为脊柱的数字生物标记物。帕金森病患者的步态模式通过内置传感器的鞋子或可穿戴设备进行监测。步态障碍是压迫性脊髓病的重要标志。如果通过安装在鞋子或可穿戴设备上的传感器实时监测步态，就有可能及时诊断颈椎管狭窄或后纵韧带骨化患者的脊髓病进展。手的灵巧度可以作为颈椎病患者的数字生物标记物。通过交替按下智能手机和智能pad应用程序上的2个触摸屏，并分析触摸速度，即可测量。
肌电图已被广泛用于评估脊柱患者。肌电信号可能是一种数字生物标志物。针式肌电图仅在医院环境中进行。由于表面肌电信号的准确性得到了提高，通过将通信模块连接到表面肌电信号上，可以实时监测肌肉状况。
疼痛是脊柱疾病最常见的症状，也是治疗决定和随访的重要指标。VAS或数字评分量表是用于测量脊柱患者疼痛评估的最常见参数。此类疼痛评估具有高度的主观性，因为它们是通过患者对问卷的反应或检查者在医院就诊期间的询问来衡量的。主观量表还受多个因素的影响，包括就诊时的情绪和重复测量的适应性。到目前为止，还没有明确的生物标志物直接反映疼痛。即使是间接反映疼痛的数字生物标志物，如果用数字设备在现实世界中进行客观、实时的测量，在许多方面也是有效的。从这个意义上说，可以用加速计测量的身体活动也可以作为疼痛的间接数字生物标记物。最近，人们对开发一种数字药丸非常感兴趣，这种药丸通过在药物上安装传感器来监测药物的使用情况。根据疼痛的严重程度，止痛药的剂量会增加。因此，通过实时监测数字止痛药的使用情况，可以客观地测量疼痛。
因此，脊柱和医学物联网中有各种数字生物标记物。使用这些数字生物标记物可促进脊柱疾病的诊断和治疗。物联网系统可用于监测临床试验中的药物效应或脊柱手术后的结果。开发一种物联网系统是可能的，在该系统中，人工智能可用于检测脊髓疾病患者的早期瘫痪或脊髓病恶化。管理脊柱姿势的可穿戴设备已经在市场上销售，涉及监测脊柱姿势的研究也在不断使用日常物品（如椅子和眼镜）进行。

物联网和脊柱数字生物标志物的未来

脊柱物联网不仅可以通过无线网络实时监测和分析数字生物标志物，还可以提供有用的反馈服务或解决方案。
物联网系统监测心律失常患者的心电图，实时监测异常情况并将其发送给患者和医务人员。因此，它对于预防急性心脏骤停或提高需要紧急治疗的患者的生存率是有价值的。
可穿戴设备的缺点是患者依从性差。毕竟，除非患者佩戴或使用数字设备，否则物联网和人工智能的好处无法优化。低顺应性的根本解决方案是将带有传感器的植入式装置插入人体。在脊柱手术中，植入物如椎弓根螺钉、椎间盘和人工椎间盘被植入患者体内。将来，可能会将带有传感器的仪器插入体内，以确保对患者进行实时监控。

论文题目：Internet of Things, Digital Biomarker, and Artificial Intelligence in Spine: Current and Future Perspectives