物联网在疼痛评估和管理中的应用

医学信息学解锁18（2020）100298物联网（IoT）在疼痛评估和管理中的应用：概述Erick Javier Argüello PradaFacultaddeIngenierías，DepartamentodeTecnologíasdelaInformaciónylasComunicaciones，UniversidadSantiagodeCali，Calle5#62-00BarrioPampalinda，Santiago de Cali，哥伦比亚A R T I C L EI N FO保留字：嵌入式技术健康物联网（IoT）疼痛评估实时监控A B S T R A C T物联网（IoT）在医疗保健领域应用的潜在利益和风险已经得到分析。尽管如此，物联网迄今为止在疼痛评估或管理方面所发挥的作用仍未得到研究。本研究旨在通过对物联网在疼痛评估和管理中的应用进行全面审查来填补这一空白。在与医学和工程文献相关的5个电子数据库中进行了文献检索（2000-2018），以涵盖研究主题的技术和临床方面。通过删除重复文献和排除不符合纳入标准的文献的过程进行文献选择。在审查其余文章的全文后，仅纳入了6篇青少年出版物进行分析。所有选定的研究都描述了使用一种或多种物联网技术进行疼痛评估，但只有少数研究说明了这些技术在疼痛管理中的实施。此外，物联网支持技术大多是孤立使用的，而不是在物联网理念下结合使用，阻碍采用基于物联网的疼痛评估和/或管理解决方案的障碍包括疼痛评估本身所涉及的困难和缺乏疼痛评估文化，以及安全和隐私问题。这一领域的进一步发展取决于工程师和医疗保健提供者之间的1. 介绍疼痛是人们寻求医疗护理的最常见原因之一，并且仍然是一个临床，经济和社会问题[1]。尽管已经有几种治疗疼痛的方法例如，癌症患者可能会因疾病本身及其治疗方法而感到疼痛[2，3]，从而给患者、其家人和医疗保健系统带来可能阻碍疼痛管理的因素包括经验的主观性，患者和医疗保健专业人员之间缺乏沟通，以及对疼痛的评估不足反过来，可靠的疼痛评估可能是困难的，特别是对于那些可能无法口头交流甚至无法表达疼痛感觉的患者[4，5]。有效的疼痛管理可以提高患者因此，为了使疼痛和疼痛缓解措施的有效性的评估成为优先事项，已经进行了若干努力例如，医疗机构认证联合委员会（JCAHO）法规现在将疼痛视为此外，国际疼痛研究协会（IASP）声称，疼痛管理教育应添加到医疗保健学生的课程，以及继续教育 医疗服务提供者[8]为医疗保健专业人员开发了新的教育计划，以改善低收入和中等收入国家的疼痛教育[9]。除此之外，还可以利用现代技术来提高评估疼痛的准确性和可靠性。传感和处理技术的最新进展导致了新技术范式的出现，例如物联网（IoT）。物联网允许具有唯一身份的多个设备交换信息，以便为过程自动化和远程监控提供定制服务。IoT使能技术先前已在参考文献[11]中讨论过，它们包括无线传感器网络（WSN）、射频识别（RFID）、普适计算和机器学习方法。尽管最近发表了关于物联网在医疗保健中应用的全面综述[12，13]，但似乎没有最近的研究可以检查物联网在疼痛评估和管理中发挥的作用。为了填补这一空白，本调查电子邮件地址：usc.edu.co。https://doi.org/10.1016/j.imu.2020.100298接收日期：2019年11月18日;接收日期：2020年1月26日;接受日期：2020年1月27日2020年1月31日在线提供2352-9148/©2020的作者所有发表通过Elsevier 公司这是一个开放接入文章下的CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。可在ScienceDirect上获得目录列表医学信息学期刊主页：http://www.elsevier.com/locate/imuE.J. Argüello Prada医学信息学解锁18（2020）1002982旨在（i）审查物联网在疼痛评估和人工智能方面的最新发展水平，（ii）指出进一步发展的潜在好处和挑战，以及（iii）提供一些可能有助于解决这些问题的建议。2. 材料和方法2.1. 搜索策略在5个数据库中进行了文献检索，以涵盖采用物联网进行疼痛评估和管理的技术和临床方面：IEEE Xplore数字图书馆、Pubmed、ScienceDirect、SpringerLink和Google Scholar。检索于2019年2月进行，仅限于英文出版物。使用术语“物联网“或“IoT“和“疼痛评估“或“疼痛管理”的布尔组合检索所有数据库。检索仅限于2000年至2018年期间。2.2. 相关研究入选标准为：1）描述用于疼痛评估和/或管理的基于物联网的解决方案的任何科学同行评审证明，2）该解决方案用于或建议用于医院环境，以及3）研究中明确使用物联网术语。排除了文献综述以及仅以摘要形式呈现的研究。如果无法通过大学订阅下载文章全文，则该文章也被排除在外。在删除重复项并分析每篇文章后，只有三项研究[14-入选标准中增加了两条新规则：4）该研究描述了一种或多种物联网技术的采用（见参考文献11.1）。[11]详细信息）用于疼痛评估和/或管理，以及5）该解决方案用于远程或自我监测。删除重复内容，并在审查文章全文后，提供关于作者、研究日期、国家、技术表1如果该溶液仅用于疼痛评估、仅用于疼痛管理或同时用于疼痛评估和管理，则从每项研究中提取。3. 结果和讨论3.1. 文章选择从5个数据库中共识别出118篇参考文献。删除重复出版物后，仍有59份出版物。然后，43例患者因不符合入选标准而被排除。只有16篇出版物符合上述合格标准，并被纳入分析。3.2. 调查结果的分类从表1可以看出，大多数出版物（11/16）是同行评审的期刊文章，所有研究都描述了使用一种或多种物联网技术进行疼痛评估。然而，只有少数研究（4/16）说明了用于疼痛管理的物联网支持技术的实施，包括两篇出版物[17，18]，描述了专门为癌症疼痛自我管理设计的解决方案。临床试验和随机设计也被发现，虽然只有很小的比例（5/16）。最后，虽然大多数研究来自北美和欧洲，但只有两项研究[14，19]来自亚洲，没有发现来自拉丁美洲的研究3.3. 物联网技术在疼痛评估和/或管理物联网由传感，传输和处理的嵌入式技术组成，可同时用于自动，远程和实时监控。采用物联网使能技术进行疼痛评估和/或管理的示例包括使用电子日记[20-23 ]，与患有疼痛的成人和儿童人群中的传统纸质日记相比，电子日记在日记记录中显示出显著更高的随着智能手机等无线移动设备的出现，现在可以实时轻松地捕捉患者关于物联网（IoT）在疼痛评估和管理中的作用的文献检索结果总结（详见正文）。超文本标记语言：超文本标记语言; IP地址：互联网协议;射频：射频; SVM：支持向量机; TCP：传输控制协议UDP：用户数据报协议; Wi-Fi：无线网络技术IEEE 802.11 X; WSN：无线传感器网络。参考文献年国家出版物类型技术类型解决方案的目的疼痛杂志评估疼痛管理瑞典来源：作者自己创作。[14个]2018中国、芬兰、✓无线传感器网络，Wi-Fi，UDP/TCP协议，HTML5，k-最近邻分类器✓[第十五条]2011瑞典✓WSN/RF、SVM分类器、Wi-Fi（852.11b和852.11c）、智能移动✓设备[16个]2018阿尔巴尼亚、澳大利亚✓基于Web的门户，智能移动设备，人工智能✓算法[17个]2013加拿大✓Wi-Fi、基于Web的应用程序、智能移动设备✓[18个国家]2014加拿大✓软计算工具、智能移动设备、基于Web的应用程序。✓✓[19个]2013印度✓无线传感器网络、软计算工具、智能移动设备。✓✓[20个]2001美国✓智能移动终端，本地服务器，TCP/IP协议✓[21日]2003美国✓智能移动终端，本地服务器，TCP/IP协议✓[22日]2004美国✓智能移动终端，本地服务器，TCP/IP协议✓[23日]2008瑞典✓数码笔，本地服务器，TCP/IP协议✓[24日]2014西班牙✓智能移动终端、本地服务器、基于Web的应用✓E.J. Argüello Prada医学信息学解锁18（2020）1002983上传信息供医疗保健提供者分析[16，24，25]。有趣的是，智能手表似乎没有像智能手机和平板电脑那样受到关注，因为它们用于疼痛评估和/或管理[26]。这可能是由于只有相对较小比例的人使用智能手表进行持续的生理监测，正如Seifert及其同事最近报道的那样[27]。一些努力旨在利用电子游戏行业预先采用的基于依从性的奖励系统，以创建新颖的交互式疼痛评估和管理工具。例如，Stintson等人[17]开发了一款基于iPhone的疼痛日记应用程序，即所谓的Pain Squad，该应用程序鼓励患有癌症的青少年通过疼痛评估记录的游戏化来跟踪他们的疼痛和帮助减轻疼痛的治疗。通过使用涉及青少年观察和访谈的迭代可用性测试周期，最近对Pain Squad应用程序进行了改进，以便于使用和理解，效率和可接受性[28]。最近，知识系统（KBS）的使用已被作为疼痛评估和管理的有力工具引入[19，29]。它们不仅可以进行定量疼痛监测，还可以帮助医疗保健专业人员进行决策。知识库系统所拥有的知识库又可以根据从传感设备等外部来源接收到的新信息而不断更新。此外，在解释该信息的含义后做出的推断或决定将有助于创建一个知识库，该知识库可能会吸引医疗保健研究界的兴趣，该研究界一直致力于改善疼痛评估和管理的方式。随着无线技术和低功耗电子产品的进步，现在可以从多个来源捕获信息，并通过蓝牙或Wi-Fi等无线协议将其传输到本地网关。因此，正如几位作者所概述的那样，填补语义Web技术和物联网设备中使用的数据格式之间的差距非常重要[30，31]。用于实现自动疼痛评估和管理的最近方法集中于使用多个生理参数[29，32]或面部表情[15，33]作为疼痛指标。所有这些方案都需要大量的数据处理，这又涉及到时域和频域的噪声去除和参数提取。从这个意义上说，云计算已经被提出作为一个适当的候选人，以提供长期存储患者的疼痛相关数据，以及协助医疗专业人员的诊断信息。从广义上讲，云计算可以被描述为使用远程互联网连接的服务器来存储，管理和处理数据[34]。云平台不仅可以接收和分析来自多个传感器的数据，还可以为用户提供易于理解的基于Web的可视化。然而，在将云计算与自动疼痛评估和/或管理相[14 ]第10段。如表1所示，智能移动设备，如个人数字助理（PDA）[20-具体而言，智能手机应用程序，通常被称为应用程序，在世界各地的不同年龄组中越来越受欢迎。然而，大多数疼痛应用程序通常是由工程师而不是医疗保健专业人员设计的，因此它们很少遵循临床循证实践，从而误导用户[35]。此外，只有少数研究[18，28]检查了应用程序智能移动设备之后是无线传感器网络（WSN），其优点是为患者提供实时，可靠和连续的监测[36]，而无需患者向系统提供疼痛相关数据。支持向量机（SVM）似乎是最常用的分类器[15，32，33]，以区分疼痛和无疼痛或不同的疼痛水平。只有一项研究采用了k-最近邻分类器[14]。有趣的是，没有研究使用人工神经网络（ANN）作为分类器。3.4. 在疼痛评估/管理场景中采用物联网范式：潜在好处，当前障碍和未来方向虽然在定义基于物联网的解决方案的通用架构方面尚未达成共识，但典型的基于物联网的系统由三层组成：感知层，网络层和应用层[10]。另一方面，基于物联网的疼痛评估和管理系统可能被视为由三个基本元素组成：测量或输入设备，连接方法以及Web应用程序和API（见图10）。①的人。测量或输入设备负责以分数的形式或通过生理和/或行为监测来捕获疼痛相关数据。然后，这些数据通过无线协议（例如Wi-Fi或蓝牙）传输到通用路由器或智能网关，其在传感器和远程或本地服务器（所谓的“云”）之间提供连续连接，疼痛相关数据被传输到该服务器以进行大量处理。最后，Web应用程序和API弥合了医疗保健人员与系统之间的差距，不仅使医生和护士能够进行实时/离线数据可视化，而且还将反馈发送到患者护理中使用的设备以进行自动更新。使用基于物联网的系统评估和管理疼痛的潜在好处包括：- 通过低成本传感设备自动收集疼痛相关数据，这使得基于物联网的系统成为认知和沟通能力有限的患者群体疼痛评估的合适替代方案。此外，医疗保健提供者可能会专注于患者护理，而不是花时间不断询问患者他/她有多- 通过使用机器学习技术全面分析患者住院期间获得和存储的疼痛相关数据，定制疼痛管理方法。因此，可以进行个性化的决策过程，从而最大限度地减少诊断错误并提高治疗效果。- 通过远程为亲属提供实时数据，将亲属纳入患者护理的机会，如果他们无法留在医院，这一点就变得尤为重要。如前所述，几种实现物联网的技术已成功用于开发能够促进疼痛评估和管理的系统然而，这些技术大多是孤立使用的，只有少数研究小组[14，15]能够将它们整合到物联网哲学中。此外，大多数解决方案仍处于测试阶段，需要进一步研究以评估其作为疼痛评估和管理工具的效率和有效性。用于疼痛评估和管理的基于物联网的系统还必须提供患者医疗信息的安全性和机密性例如，在感知层，必须确保只有授权人员才能访问测量或输入设备产生的疼痛相关数据这可以通过为每个传感器定义物理身份并实施访问管理策略来实现此外，安全技术应适应数据格式：多媒体压缩、速记和加密可用于多变量传感设备收集的数据，而图像压缩和循环冗余校验（CRC）可应用于从患者采集的图像[39]。物联网设备最常见的安全问题之一是拒绝服务（DoS）[37]。DoS是一种针对Internet或专用网络上可用设备的安全攻击。网络交换机是抵御这些攻击的第一道防线。为了实现这一点，网络交换机应设置为检测不同类型的端口扫描E.J. Argüello Prada医学信息学解锁18（2020）1002984Fig. 1. 基于物联网的疼痛评估系统的一般描述。来源：作者自己创作。通过监控发送到开放或关闭端口的TCP或UDP数据包[38]。关于云中的数据存储和处理，系统安全和隐私是强制性的。需要采取适当的隐私保护措施，以防止未经授权的各方访问敏感信息。安全云存储框架已被提议用于个人健康记录[40，41]。另一方面，云上的安全医疗数据处理仍然是一个很大的问题。除了安全和隐私问题外，阻碍采用物联网范式进行疼痛评估和管理的障碍可能包括医疗保健提供者对物联网技术如何工作的了解甚少，以及与使用这些工具相关的好处和风险尚未完全了解。然而，需要应对两大挑战第一个问题与疼痛评估本身的困难有关临床实践中使用的大多数疼痛评估工具，以及表1（10/16）中列出的大多数基于物联网的解决方案，主要集中在患者的自我评估疼痛上这主要是由于强度是患者报告疼痛体验的相对容易的维度[43]。尽管如此，所有这些方法都依赖于患者当患者无法报告疼痛时，观察行为或生理参数的变化可能是疼痛评估的有用方法。疼痛的行为参数包括面部表情、哭泣/呻吟、体位和运动不安[44]，以及疼痛对日常生活活动（如进食、睡眠和社交）的影响。作为由先前的工作[5，45]证明，疼痛神经元的观察可以是疼痛测量的有价值的工具。另一方面，患者的意识水平和镇静程度会影响患者疼痛行为的评分[ 46，47 ]。心率（HR）、呼吸频率（RR）和血压（BP）等生理参数也会受到患者状况和情绪的影响，因此几位作者[48，49]认为，这些标记物只能用作疼痛评估的初步提示然而，如参考文献[50]中所建议的，可以通过使用多个参数来提高该方法的可靠性，以便提供更准确的判断。自主神经系统（ANS）受到疼痛体验的严重影响[51，52]，因此通过监测生理过程，其中大部分由自主活动调节，可以检测甚至测量感知的疼痛。已被证明可用于揭示疼痛存在的生理参数包括心率、心率变异性（HRV）、呼吸频率、血压、皮肤温度、皮肤电活动（EDA）和肌肉电活动[50，53]。另一方面，与心电图（ECG）和光电体积描记术（PPG）不同，采集这些参数中的一些（例如， EDA，面部表面肌电图）可能不是那么常见，易于部署的临床环境。新的传感和测量设备需要监管部门的批准和医务人员的培训，从而限制了这种创新的引入速度[54]。 此外，多参数方法需要各种各样的传感器，这对于已经处于疼痛中的患者来说可能是不舒服的。这可以解释有限数量的研究[14，19，29，32]提出基于物联网的解决方案，使用生理参数来检测或评估疼痛。然而，生理过程的监测以及生物电位采集可以提供用于疼痛评估的简单且客观的方法，因为其不依赖于患者交流和/或评定他/她正在经历的疼痛的能力。此外，可穿戴传感设备可以轻松地结合多个生理测量，并能够在更长的时间尺度上以更精细的时间分辨率捕获数据，与当前临床实践中通常进行的基于检查室的测量一致[54]。在疼痛评估和管理中采用基于物联网的系统的第二个主要挑战是缺乏疼痛评估和人工文化。尽管疼痛被认为是第五大E.J. Argüello Prada医学信息学解锁18（2020）1002985¼ ¼ ¼¼¼¼sign [7]世界各地的许多医疗机构仍然没有有效评估和管理疼痛的协议或指南。仅在美国，超过一半的疼痛患者报告其病情治疗不足[55]，而在低收入和中等收入国家，这一比例甚至更高[9]。此外，医疗保健专业人员还必须克服几个障碍[56]，其中还包括必须面对物联网等新技术范式的事实。最终，被认为对解决上述问题有用的东西应该来自工程方面和医疗保健方面。从工程角度来看，对基于物联网的疼痛评估和管理系统的评估因此，医疗服务提供者和患者可以熟悉这些技术，并客观地评估它们是否适合评估和管理疼痛。几位作者[17，18，22，24，28]已经证明，物联网技术的利用可能有助于提高疼痛评估的准确性，并达到高水平的合规性和可用性。这一小，但不可忽略，证据量应提供给医疗从业人员，以来增加他们对这种技术的信任。 如参考文献[16]所述，未来的开发需要包括临床研究人员和医疗保健提供者的专业知识，甚至从设计阶段开始。从医疗保健方面来看，医生和护士对物联网技术在疼痛评估和管理中所发挥的作用有了更高的认识是一项基本要求。同样，有必要更好地了解在医院环境中实施基于物联网的系统所带来的好处和风险。另一方面，除非医疗保健提供者立即开始采用疼痛评估和管理文化，直到进一步努力，克服阻碍疼痛评估的障碍，将其作为另一个生命体征。4. 结论尽管有物联网用于疼痛评估和管理的例子，但该领域仍处于起步阶段。实现物联网的技术一直被孤立使用，而不是在物联网理念下结合使用，需要进一步的实施和研究，以确保拟议解决方案的可行性和可接受性。尽管如此，仍有一些但并非微不足道的证据表明，物联网技术可能有助于提高疼痛评估的准确性，并实现高水平的可用性和合规性。这些证据应该提供给医生和护士，以便让他们熟悉这种技术，从而提高他们对这些技术的信任。医疗保健提供者和工程师之间需要进一步合作，以根据物联网架构和循证指南开发创新的疼痛评估和管理工具。所有这一切都必须在疼痛评估和管理文化的基础上进行，这确实需要被视为医疗保健从业者的优先事项，特别是在低收入和中等收入国家。作者声明作者声明，他拥有材料的经济和精神权利，以及材料的全部和专有版权。本手稿为原创作品，之前从未发表过，也未考虑由其他期刊以英文和外文翻译以所有格式和表达媒体（包括印刷或电子）发表。不存在影响研究或手稿内容的利益冲突。如果论文发表，作者将把版权转让给信息学，医学解锁，他明白，材料不能复制没有杂志伦理声明和作者协议作者声明，该手稿是原创作品，以前从未发表过，也没有考虑由另一家期刊以英语和外国翻译，以所有格式和表达媒体（包括印刷或电子）进行认证。如果论文被发表，作者将把版权转让给Informatics inMedicine Unlocked，并理解未经期刊许可，不得转载该材料。竞合利益作者声明不存在影响研究或手稿内容确认这 项 工 作 的 出 版 是 由 圣 地 亚 哥 - 德 卡 利 大 学 的Direccio�nGeneraldeInvestigaciones（DGI）通过项目819-621118-259资助的作者感谢Danny Aurora Valera Bermúdez在手稿的早期和最终草稿中提出的有益意见。引用[1] Duke G，Haas BK，Yarbrough S，Northam S.护理本科生与教职员疼痛管理知识与态度之研究。疼痛管理护士2013;14（1）：11-9。[2] Fortier MA，Wahi A，Maurer EL，Tan ET，Mrs.癌症患儿父母对镇痛药使用和疼痛表达的态度。儿科血液学/肿瘤学杂志2012;34（4）：257-62。[3] [10]张文辉，张文辉. 癌症相关疼痛：一项关于患病率、治疗和患者态度的泛欧洲调查Ann Oncol2009;20（8）：1420-33。[4] BarrJ ， FraserGL ， PuntilloK ， ElyEW ， GéelinasC ， DastaJF ， DavidsonJE ，DevlinJW，Kress JP，Joffe AM，Coursin DB，Herr DL，Tung A，Robinson BRH，Fontaine DK，RamsayMA，Riker RR，Sessler C. 重症监护病房中成人患者疼痛、激越和谵妄管理的临床实践指南。暴击护理医学2013;41（1）：263[5] [10]杨文，杨文.无法自我报告的患者的疼痛评估：临床实践建议的立场声明。疼痛管理护士2011;12（4）：230-50。[6] KatzN. 疼痛管理对生活质量的影响 疼痛症状管理杂志2002;24（1）：S38-47.[7] 医疗保健组织认证联合委员会。R3报告第20期：行为健康护理的疼痛评估和管理标准。可登录：https://www.jointcommission.org/r3_report_20_pain_assesment_and_management_standards_for_bhc/？j3975180 e jdepaolis@jointcommission。 org &l94_HTML &u 137057407 &mid 1064717 &jb 5. 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