建立社区级生命实验室以采集非侵入性、连续远程活动与健康数据的方法学

摘要

将非侵入式传感器和普适计算技术融入老年人的日常生活，可连续数月乃至数年持续记录其健康状况和活动变化，为科研或临床应用提供生态效度高、频率高、多领域的有效数据。

摘要

已建立一套端到端的技术体系，用于对老年人在长期日常生活中的健康状况和活动变化进行无干扰、连续的监测。该技术被整合为一个系统，遵循最小干扰原则，可在真实世界（基于家庭）环境中持续数月乃至数年地生成安全、保护隐私的客观数据。系统包括遍布住宅内的被动红外存在传感器、安装在外部门窗上的门磁传感器、联网的生理监测设备（如体重秤）、智能药盒以及可穿戴活动记录仪。此外，还在参与者的汽车中安装了驾驶传感器，并对其计算机（台式机、平板或智能手机）使用情况进行追踪。通过频繁的在线自我报告选项对数据进行标注，以提供仅靠传感器难以推断的关键信息，例如内在状态（如：疼痛、情绪、孤独感），以及有助于活动模式解读的相关信息（如：访客来访、家具重新布置）。基于所获取的数据，已开发出多种算法，用于识别与健康或疾病活动监测密切相关的核心功能领域，包括行动能力（如：房间转移次数、步数、步速）、生理功能（如：体重、体重指数、脉搏）、睡眠行为（如：睡眠时长、夜间起夜次数）、服药依从性（如：漏服剂量）、社会参与（如：离家时间、伴侣共处时间）以及认知功能（如：使用电脑时间、鼠标移动轨迹、在线表单填写特征、驾驶能力）。这些功能变化的检测可作为健康监测中急性疾病（如：病毒性流行病）筛查以及前驱期痴呆综合征早期发现的敏感指标。该系统特别适用于老年综合征自然病程研究及临床试验中对临床干预效果的监测。

引言

目前的临床研究由于评估方法本身存在缺陷，导致所采集数据的可靠性和有效性受到诸多限制。访谈受到临床医生与患者日程安排协调时间的制约。检查所分配的时间也受限于志愿者在单次会话中能够合理完成的内容。这些短暂且间隔较长的会话——即使偶尔辅以电话随访或网络问卷——严重限制了对功能或健康状况随时间发生有意义变化的检测能力。当前的测试内容大多包括一些难以回忆和验证的信息询问（例如，"你记得按时服药吗？"），或执行一些人为设计的任务（例如，"尽可能快地站起来再坐下"；"记住这十个词"）。这些评估通常旨在减少测试间的变异性，而实际上表现本身的变异性可能正是关键的诊断特征。此外，这些短暂的时间片段是在人为条件下进行的，而非在日常生活的自然进程中开展，因此其生态效度有限。最后，由于数据缺乏除回忆外的时间标记，当前的研究范式本质上无法直接关联相互依赖的关键事件或结果（例如，睡眠、社交活动、体力活动）。

克服这些不足的一种途径在于开发可嵌入家庭或社区的系统，充分利用普适计算与传感技术、无线通信以及高频多领域数据分析技术的最新进展。该领域的技术与实践经验正在不断积累，已有多个系统被开发出来，但在部署范围、功能特性或长期应用经验方面仍存在局限^1,2,

方案

所有参与者均签署了书面知情同意书。要求“生命实验室”（Life Laboratory）的参与者按照其正常生活方式生活，以便对其余生中的生活活动和行为模式进行纵向观察研究。参与者可随时选择退出。本研究方案已获得俄勒冈健康 & 科学大学 (OHSU) 机构审查委员会（生命实验室 OHSU IRB #2765）

1. 准备

1. 部署前，在线将所有设备添加到 Console 库存系统中。为每个设备或传感器分配名称，并记录其序列号和 MAC 地址，以便将其信息存储在 Console 库存系统内。
2. 在每件设备上粘贴二维码标签，以便在家庭内部署时为传感器和设备指定其所属的固定位置。
3. 部署前，通过扫描传感器或设备上的二维码，将所有待安装的传感器和设备分配至相应家庭。扫描后将跳转至一个网站，用于将该传感器或设备指派给特定家庭。
4. 安装带有 SD 卡的中心枢纽计算机，该 SD 卡包含枢纽配置管理工具。
5. 将已完成登记的所有传感器和设备，以及装有 SD 卡的枢纽计算机，打包组成一个用于家庭部署的安装套件（箱）。
6. 确认参与者家中已接入互联网服务提供商。

2. 家庭部署

1. 将无线适配器和主ZigBee协调器适配器插入集线器计算机。将网线插入集线器计算机。最后，将集线器计算机的电源线....

结果

ORCATECH 技术套件能够收集人们在进行日常活动时生活模式的极为丰富的数据集。该传感器系统可在志愿者自家居所内实现无干扰、连续性的监测。该系统已应用于数十项研究，涉及数百名志愿者，研究领域涵盖健康与功能的关键方面，如步行速度与活动能力、服药行为、情绪状态、居家或外出时间、睡眠以及计算机使用情况^{8,9,10,11,12,13,14,15,16,}

讨论

我们介绍了一种基本系统或平台，可实现对重要健康与福祉指标进行基于家庭和社区的连续远程感知与报告。该系统目前主要旨在用于科研。

在可行的情况下，该系统采用开源工具以及传感器或设备，并利用现有的应用程序编程接口（API）和软件开发工具包（SDK）。该系统旨在实现技术的开放性与兼容性 "无偏向的" 使得多种传感器或设备能够 "已连接电源" 或根据需要进行整合。所选择的感应结构域（例如运动-活动能力评估、服药行为、计算机使用 等等。) 将取决于临床上可能对特定适应证最具信息价值的功能区域。因此，可部署传感器和设备的稀疏阵列或更完整的阵列。所产生的数据持续增长，因此数据系统需要进行修改以满足这一需求。为此，我们已转向更加分布式的数据架构，以提供更强的处理能力和可扩展性。该系统设计为可在社区中运行，并对家庭系统的远程技术健康状况进行每日评估。 尽管系统具备自主性和低干预运行的特点，但仍需偶尔进行上门维护，因为传感器或设备可能出现故障，需要维修或更换。 

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Raspberry Pi 3 Model B	Raspberry Pi Foundation	Raspberry Pi 3 Model B
运动传感器	NYCE Sensors Inc	NCZ-3041-HA
门窗传感器	NYCE Sensors Inc	NCZ-3011-HA
窗帘运动传感器	NYCE Sensors Inc	NCZ-3045-HA
iSort	TimerCap	iSort
Home Stealth USB 电话录音器	Fiho	Fi3001B
Automatic Pro	Automatic	AUT-350C
Body Cardio 体重秤	Nokia	WBS04
Activite/Steel 活动监测仪	Nokia	HWA01 STEEL
Alta 2	Fitbit	FB406
Charge 2	Fitbit	FB407
Flex 2	Fitbit	FB403
Zigbee USB 插件	Silicon Labs	ETRX3USB
WorkTime	Nestersoft	WorkTime Corporate