Smarttelefonaktivert deteksjon av nattlig hostefrekvens og søvnkvalitet som en prognostisk markør for astmakontroll

Astma, en kronisk luftveissykdom, tilhører de mest utbredte kroniske tilstandene. I Sveits lider 7-15 % av alle barn og 6-7 % av alle voksne av det. Vanlige symptomer er åndenød, hoste og hvesing. Symptomene blir ofte verre om natten og forårsaker ofte oppvåkninger. Hoste er et spesielt viktig symptom ved astma fordi det forutsier alvorlighetsgraden av astma, indikerer dårligere prognose og oppfattes som et plagsomt symptom. I tillegg er astma den viktigste årsaken til kronisk hoste, ansvarlig for 24-29% av tilfellene.

Imidlertid er lite kjent om nytten av hostesporing for egenkontrollformål hos astmatikere. En første tverrsnittsstudie har indikert at hostefrekvensen både dag og natt kan være en gyldig markør for astmakontroll, noe som gjør den til en potensielt nyttig parameter for egenkontroll. Dessverre, på grunn av betydelig variasjon i hostehastigheter innenfor hver kategori av astmakontroll (dvs. ukontrollert, delvis kontrollert og kontrollert astma), er den statistisk signifikante sammenhengen mellom hostefrekvens og astmakontroll kanskje ikke klinisk relevant. I tillegg, på grunn av tverrsnittsdesignet til eksisterende studier, er det fortsatt uklart om hostefrekvensen kan ha noen prognostisk verdi for å forutsi fremtidig astmakontroll.

Derfor er formålet med denne studien å utforske verdien som hostefrekvensen kan gi for selvbehandling av astma i mer detalj. I denne studien vil fokuset spesifikt bli satt på nattlig hostefrekvens på grunn av tekniske årsaker. Generelt er planen for denne studien som følger: Med et longitudinelt studiedesign er det mulig å undersøke i hvilken grad trender i nattlig hostefrekvens kan ha betydningsfulle implikasjoner for fremtidig astmakontroll og astmaforverringer hos pasienter. Men for å analysere den prediktive verdien av trender i nattlig hostefrekvens, må symptomet vedvare over flere netter. Det er ingen tilgjengelig forskning på forekomsten av nattlig hoste hos astmatikere over flere netter. Derfor vil forekomsten av nattlig hoste hos astmatikere bli beskrevet og visualisert i løpet av en måned i første fase av vår studie. I tillegg vil målet være å identifisere og modellere trender i nattlig hostefrekvens.

Å måle hoste er svært tidkrevende. Foreløpig er det ingen hostefrekvensmonitorer tilgjengelig, som måler hostefrekvensen på en helautomatisk og diskret måte. Følgelig anses manuell merking av hoste basert på video- eller lydopptak fortsatt å være gullstandarden for å måle hostefrekvenser etter medisinske retningslinjer. Ikke desto mindre har en maskinlæringsalgoritme blitt utviklet for å automatisk oppdage hoste i en proof of concept-studie. Til tross for at det kun ble brukt svært begrensede data for algoritmeutvikling (80 hoster fra 5 friske forsøkspersoner), nådde nøyaktigheten 83 %. Dataene ble imidlertid samlet i en laboratoriesetting, noe som begrenser generaliserbarheten av resultatene og dermed anvendeligheten i praksis. Derfor er målet å utvikle en maskinlæringsalgoritme som også er i stand til å gi robuste resultater i feltet. Denne studien vil fokusere på hoste om natten på grunn av den begrensede forstyrrende støyen, som i stor grad letter manuell merking og muliggjør en mer pålitelig deteksjonshastighet for maskinlæringsalgoritmen. Det er viktig å påpeke at analysen av forekomst av nattlig hoste beskrevet ovenfor ikke vil være basert på hoste oppdaget av en algoritme, men på de manuelt merkede hostene i lydsporet tatt opp om natten av en studiesmarttelefon, som vil bli levert til emner for studieløpet.

I tillegg til å utvikle en maskinlæringsalgoritme for hostedeteksjon, vil det bli samlet inn data for en algoritme som vurderer pasientens søvnkvalitet. For dette formålet vil søvnkvaliteten bli forutsagt basert på data hentet fra smarttelefonens sensorer.

Etter å ha avsluttet det første studiestadiet, vil prevalensen av nattlig hoste i studien avgjøre om det vil være behov for ytterligere analyser av de registrerte dataene og dermed starte den andre fasen av studien. Hvis nattlig hoste ikke forekommer oftere enn det som kan forklares ved en tilfeldighet alene, vil det ikke bli utført ytterligere analyser som antyder at konklusjonen av den første fasen og slutten av prosjektet. Men gitt en tilstrekkelig forekomst av nattlig hoste i det første stadiet (dvs. prevalens av nattlig hoste skiller seg fra null med statistisk signifikans); den andre fasen av studien vil fokusere på verdien av nattlig hoste som en prognostisk markør for astmakontroll. Den betydelige variasjonen innenfor kategorier av astmakontroll vist i antyder at forholdet mellom nattlig hostefrekvens og astmakontroll kan modereres av andre variabler. Tidligere forskning har vist at søvnkvalitet er assosiert med astmakontroll og livskvalitet: Selv om det skyldes samtidige sykdommer (f. gastroøsofageal reflukssykdom og obstruktiv søvnapné), er dårligere søvnkvalitet forbundet med dårligere astmakontroll og livskvalitet. En grunn til sammenhengen mellom søvnkvalitet og astmakontroll kan være at nattlige astmasymptomer ofte forårsaker oppvåkning. Tatt i betraktning betydningen av søvnkvalitet for astmakontroll, vil den (prediktive) verdien av den nattlige hostefrekvensen og dens innflytelse på søvnkvaliteten bli utforsket.

Oppsummert vil følgende astma-relaterte forskningsspørsmål bli utforsket i hvert trinn av denne studien: (1) hva er prevalensen av nattlig hoste hos astmatikere i løpet av en måned? (2) Er nattlig hoste, som står for søvnkvalitet, en gyldig prognostisk markør for astmakontroll? I tillegg tar studien for seg to tekniske mål: samle data for å utvikle to maskinlæringsalgoritmer, som er i stand til å oppdage nattlig hoste og søvnkvalitet fullt automatisert ved hjelp av en smarttelefon under virkelige forhold.

Besvarelse av disse forskningsspørsmålene resulterer i flere bidrag: når det gjelder astma-relaterte spørsmål, vil håpet være å gi kontekst til symptomet på nattlig hoste for å øke tolkbarheten av hostefrekvenser og for å lykkes med å replikere og utvide funnene av, som ville støtte gyldigheten av nattlig hoste som en (prognostisk) markør for astmakontroll. Når det gjelder tekniske mål, vil håpet være å gi et bevis på at smarttelefoner er egnede enheter for å registrere astmasymptomer på en automatisert måte under virkelige forhold.

De forventede resultatene kan muliggjøre et nytt terapeutisk alternativ, nemlig helautomatisk teleovervåking av astmatikere. Ved å bruke smarttelefonen til en pasient kan man tenke seg et diskret tidlig varslingssystem for astmaforverring/-forverring. Et slikt system kan redusere astmabyrden for både den enkelte pasient (f.eks. høyere livskvalitet og astmakontroll ved å identifisere mulighetsvinduer, der pasienter kan endre medisinering i henhold til sin astmahandlingsplan for å forhindre astmaforverring og eksaserbasjoner) som samt helsevesenet (dvs. kostnadsbesparelser på grunn av reduserte sykehusinnleggelser og legevaktbesøk). Med tanke på den store tilgjengeligheten av smarttelefoner, kan et slikt nytt terapeutisk alternativ muliggjøre storskala og kostnadseffektiv astma-teleovervåking. Tidligere forskning har indikert behovet for et slikt nytt terapeutisk alternativ: flertallet av astmatikere lider av ukontrollert astma. Halvparten av astmatikere er ikke i stand til å vurdere alvorlighetsgraden av symptomene på riktig måte og vil derfor ha nytte av et tidlig varslingssystem. I tillegg ser automatiserte systemer ut til å ha et høyere langsiktig engasjement sammenlignet med tradisjonelle intervensjoner, noe som gjør dem spesielt egnet for tidlig varslingssystemer ved kroniske sykdommer. Videre kan teleovervåking av symptomer gi leger verdifull innsikt angående pasientens astmasymptomer mellom besøkene. Oppsummert kan et automatisert tidlig varslingssystem hjelpe pasienter med å registrere astmaforverring tidligere og informere legen i tide, slik at uheldige helsekonsekvenser kan forhindres.

Den planlagte studien faller inn i risikokategorien helserelatert innsamling av personopplysninger med kun minimal risiko og belastning. Det er en prospektiv observasjonsstudie, ingen intervensjon vil bli administrert. Kun en liten og midlertidig innvirkning på deltakerens helse kan forventes, hvis i det hele tatt.

Gjennom hele studien vil en pasients astmasymptomer bli overvåket diskret ved hjelp av smarttelefonen; dermed sikres minimal risiko og byrder. Mellom begge doktorgradsbesøkene i begynnelsen og slutten av studien, vil alle kontrollspørsmål og spørreskjemaer bli administrert via smarttelefoner som vi vil levere til denne studien. Dermed bør belastningen være minimal for pasientene, da deres daglige rutine ikke vil bli forstyrret.

Ingen invasiv prosedyre vil bli utført i de to doktorgradsbesøkene. Den medisinske undersøkelsen følger standardprotokollen for astma. I tillegg vil pasienter bli refundert for eventuelle ulemper som oppstår under studien.