基于心电信号分析的无创血钾监测装置研发

20241222

CKD3期以上的患者中，单次高血钾事件会使全因死亡率加倍，单次高钾血症发作后，50%的患者会在一年内再次发作。血清钾监测可将CKD患者高钾血症的风险降低71%以上。无创血钾监测是肾病科、心脏病科急需的生理指标监测技术之一，该系统由心电信号感应器、智能手机应用，远程服务器和分析软件等组成。 具体解决步骤包括以下内容，装置示意图见图1，系统应用示意图见图2。 1.研发可穿戴血钾监测设备，样机确定两种形态的方案。（1）腕部监测方案，佩戴轻便舒适，可以基于金属电极和单导联心电前端处理电路实现，局限在于难以灵活调整导联；（2）胸部监测方案，使用心电带方式，可以基于金属或纺织物电极，实现可调电极方案，灵活根据个体差异调整佩戴位置，同时可以调整不同导联，胸前导联位置的安放规律，使心电信号提取更为优化，同时兼顾便利性。 2.从置于智能手环或心电带的心电感应器提取心电信号，探索儿童不同身材体格变化情况下，根据对比两种方式的特点，针对性研发工程样机，由蓝牙连接发射到智能手机和远程服务器，基于蓝牙开发一个APP，将数据传到后台；调试软硬件，适配到数据分析平台，ECG信号的周期切割、特征点提取和血钾算法开发，逐步优化融合分析算法，探索可穿戴便携装备对血钾的评估方式。 3．通过以上研究，形成心电信号到血钾的转换监测系统，基于已取得的数据分析方案，心电信号送入血钾监测算法模块进行实时血钾数据的计算，并将计算结果保存。用户在首次使用该系统时，需要保存用户信息，并基于该用户连续的血钾数据，定期自动生成报告便于分析解读。 4.在不同医疗和居家场景下设计临床试验进行验证，即选取CKD患者门诊访视、居家和血液透析患者的透析循环动态变化进行验证，检验其敏感性和特异性指标，实现短程和长程持续可穿戴监测。该技术具有实时血钾监测和历史回顾的双重特点，可预设高血钾报警，并可显示血钾快速变化的趋势。根据风险程度对患者实时反馈和预警，实现患者对自身血钾水平的即刻知晓，特别适用于反复高钾血症患者或传统诊疗模式下无法解释的高钾血症患者，帮助他们解决常规诊疗不能发现的问题。根据患者的风险水平，采取自主调整食谱和用药，或选择向医护人员寻求帮助，解决风险事件，以实现远离高钾血症风险。

图1. 可穿戴血钾监测设备工作原理示意图 图2.血钾持续监测系统的数字疗法应用

慢性肾脏病是危害人类健康的重大疾病，我国流行病学调查结果显示，CKD 患病率为10.8%。高钾血症是 CKD 患者常见的代谢并发症之一，也是 CKD 晚期主要死亡原因之一。临床上对CKD患者引起的高钾血症普遍认识不足。加强对CKD患者高钾血症的风险评估及管理，做到早发现、早诊断、早治疗，改善患者的预后。高钾血症在总人群中发生率约为 6.8%，在 CKD患者中为22.8%。随着CKD的进展，高钾血症发生率逐渐升高，在CKD4-5期患者中的发生率高达40%以上。目前国内外持续血钾监测系统市场处于空白阶段，率先开拓持续血钾监测系统产品，将获得广泛的认可和采用。此外，随着人们的保健意识不断增强，预期日后CKD早、中期患者的持续血钾监测系统的渗透率将大幅提高。这表明提供持续血钾监测系统产品的医疗器械公司在国内外有很大的市场机会和增长潜力。 2018年，美国医保数据库进行回顾性分析，评估了39626例高钾血症患者的经济负担。 该研究结果表明，高钾血症发生1年后，总医疗保险费用增加了15056美元，其中患有CKD和（或） 心力衰竭患者增加了25156美元；相比普通患者，患有高钾血症患者的卫生医疗资源利用率更高，其中包括紧急透析使用率、住院治疗率、门诊就诊率以及急诊就诊率均显著增高3-5倍；高钾血症患者的平均住院时间延长了1-15天，再次入院的可能性增加了40％。如果通过有效手段监测，可减轻以上疾病负担对患者和家庭的影响。进一步节约医保开支，推广应用实现社会经济收益将有利于此项技术纳入国家公共医疗保险计划。CKD总体疾病人群体量与糖尿病相当，快速增长的CKD患者人群已经形成了巨大的血钾管理市场需求，而连续动态血钾监测是血钾管理的重要趋势。预计中国持续血糖监测系统市场的市场规模将由2020年的1亿美元增至2030年的26亿美元，年复合增长率为34.0%。血钾监测是CKD管理的关键一环，目前国内外市场相关产品均不成熟，未来有望逐级拓宽。参考持续血糖监测系统在糖尿病管理中的地位和作用，预计持续血钾监测系统的市场规模将有可观的拓展前景，国产厂商未来仍大有可为。 具体可实施的方案包括： 1、将研发的原型样机，进行批量生产并进行医疗器械认证。院内作为相关住院病人动态监测设备，为患者提供租赁服务，按租赁时长收费。 2、产品直接销售给患者，作为患者日常佩戴的监测产品。当监测到血钾异常时，及时报警，就医问诊，尽早干预。 3、将血钾监测产品模块化，提供给其他综合类监测设备厂商，作为人体监护参数之一集成到其他产品中。

1.目前已经收集新收治的2000名5至18岁CKD1-5期儿童患者数字化心电图进行分析研究。技术研发和实验验证，设计并开发无创血钾监测技术原型，从48种心电信号中，筛选出TSA，T/R，P时长和振幅等有效的参数组合，去除了干扰参数，如QT间期为首的相关指标等，是分析准确度由于比对文献，并进行实验验证和精度测试，初步确定技术方案和实验结果。完成无创血钾监测技术的原型设计和实验验证，确定技术方案并确认技术可行性。 2.研发、验证综合导联心电图血钾算法，实现实时转换功能。完成无创血钾监测技术产品改进，同时开发适用于无创血钾监测技术的数据处理软件，确认数据处理软件与无创血钾监测技术的兼容性和稳定性。 3.验证可穿戴化工程样机的诊断预警效能。完成无创血钾监测技术的临床试验和效果评估，开展临床试验和效果评估，评估无创血钾监测技术的临床应用效果和安全性。制定市场推广方案，实现产品商业化；完成产品营销和推广；持续跟踪市场需求，并不断改进产品和服务。制定市场推广方案，实现产品和服务商业化，在研究取得良好结果并通过临床试验后，需要制定市场推广方案，进行产品营销和推广，从而实现商业化应用和增加经济价值。,目前确定可穿戴血钾监测设备从置于智能手环和胸部贴片电极心电感应器提取生物电信号，通过优化信号提取和处理方案，提高信噪比、校正混杂因素，改善舒适性，并以蓝牙方式连接到智能手机，适配到远程服务器数据分析平台。医疗机构和居家场景下设计临床试验进行验证，实现短程和长程持续可穿戴监测和高钾血症风险预警。

慢性肾脏病是危害人类健康的重大疾病，全球CKD患病率8%-16%。我国流行病学调查结果显示，CKD 患病率为10.8%，患者总数约为1.32亿。高钾血症是 CKD 患者常见的代谢并发症之一，会导致心脏骤停甚至死亡，是CKD主要死亡原因之一，随着CKD的进展，高钾血症发生率逐渐升高，其中在CKD4-5期患者中的发生率高达40%以上。临床数据表明，CKD、心力衰竭等慢性病患者血清钾水平与死亡率之间存在U形曲线，最佳血钾范围为（4.0-4.5mmol/L），理想的管理目标较临床常用的参考范围（3.5-5.5 mmol/L）更窄，对现有诊疗模式提出了挑战。 借助可穿戴装备无创、长程居家监测，配合互联网远程管理才有可能实现高钾血症理想的管理目标。为此，确定准确的、性能稳定、能够反映高钾血症靶器官损害的无创体表监测指标，是落实血钾管理目标的关键环节。以心电信号间接评估血钾水平，存在电生理基础。但既往人工测量、判读的T波振幅和T波斜率等数值与血钾浓度之间的相关性较差，与传统心电图判读相比，利用计算机大数据和信息处理能力分析心电图形态学指标可提高诊断价值。 可喜的是，2019年，由梅奥医学中心开发的首个高钾血症智能评估模型发表，与传统心电图分析相比，结合T波宽度、下降T波斜率等心电图模型改善了高钾血症的诊断。遗憾的是，既往研究均在成人CKD患者或血液透析人群中进行的，儿童及青少年CKD人群应用该技术的研究尚未见报道。然而，通过ECG智能分析系统无创地进行CKD儿童血钾监测，对于改善CKD患儿的血钾管理，减少采血痛苦，提高生活质量更为重要，目前急需开展此项技术的研发。本研究团队已经进行了原理和可行性探索，取得实验结果支撑，证实了该技术在CKD患儿血钾管理的实用价值，探索了院前场景下，预防高钾血症闭环数字疗法，国内外未见报道。希望借助项目使研究进一步落实，为成果推广打下基础，改善高钾血症管理的临床结局。,该技术是适用院前场景下，预防高钾血症闭环数字疗法。系统具有实时血钾监测和历史回顾的双重特点，可预设高血钾报警，并可显示血钾变化的趋势。特别适用于反复高钾血症患者或传统诊疗模式下无法溯因的高钾血症患者，帮助他们改善血钾管理，调整生活方式和用药方案，达到CKD患者理想的管理目标（4.0-4.5 mmol/L），提高生活质量，改善预后，降低医疗费用。 2.探索新型可穿戴无创连续血钾监测关键技术与设备研制，切中高钾血症心脏致命并发症风险的预警，对提升疾病的风险筛查、防治、预警与诊疗管理的能力，便携式装备的应用，不仅可以使高钾血症得到有效的预警，还可以在有效监控条件下，扩大慢性病儿童的食谱，改善其营养状况，进而使患儿获得较高的生活质量和更好的生长发育。 3.在本项技术设备对高钾血症有效监控前提下，能够扩大一些在慢性肾脏病可能产生高钾血症不良反应的药物的应用范围，在更大程度上，发挥这些药物的肾脏保护作用，延缓慢性肾脏病的进展，使病情中到重度的患者有受益的机会，该项目应用有广阔的应用前景。本研究成果转化后，无论独立研发产品还是整合到如国内具有自主知识产权的成熟产品链中，都将提高我国肾脏及心脏慢病管理质量。