Använda AI-analys av ljud för att förutsäga hjärtsviktsdekompensation (STEREO)

Hjärtsvikt är ett vanligt tillstånd där hjärtat inte kan leverera den önskade hjärtminutvolymen antingen på grund av en försvagad eller stel hjärtmuskel. Det påverkar mer än 2 % av den brittiska befolkningen (incidensen är cirka 200 000 fall per år) vilket resulterar i 5 % av alla akuta sjukhusinläggningar och den förbrukar cirka 2 % av den årliga NHS-budgeten (cirka 2 miljarder pund per år). Därför är hjärtsvikt inte bara en viktig drivkraft för sjukhusvistelse utan ger den främsta möjligheten att minska förebyggbara inläggningar.

Akut dekompenserad hjärtsvikt (ADHF) är en medicinsk nödsituation som kräver akut uppmärksamhet. Det resulterar vanligtvis i slutenvård och är en viktig drivkraft för associerade sjukvårdskostnader. ADHF kännetecknas vanligtvis av snabb försämring av andfåddhet vid vila eller ansträngning på grund av lungödem (lungvenös trängsel) och vätskeretention som resulterar i svullna ben såväl som en myriad av andra symtom inklusive trötthet, aptitlöshet och så vidare.

Patienten uppvisar normalt gradvis eller plötsligt debut av typiska symtom (andlöshet, trötthet och vätskeansamling i benen). Efter stabilisering och initial behandling av ADHF går patienter in i en platåfas där hjärtat förblir stabilt. Men med tiden upplever de flesta patienter flera episoder av ADHF som vanligtvis blir längre och åtskilda av kortare intervall. Trängseln är relaterad till underliggande ökat hjärttryck, vanligtvis sekundärt till volymöverbelastning, vilket spelar en central roll i patofysiologin, presentationen och prognosen för hjärtsvikt. Lungstockning är ett av de viktigaste diagnostiska och terapeutiska målen vid hjärtsvikt. Att upptäcka lungstockning tidigare på grund av volymöverbelastning är nyckeln till att förhindra förestående återinläggning och utgör en idealisk möjlighet att optimera hjärtsviktsbehandlingen i samhället.

Tidig upptäckt av ADHF i samhället är i slutändan det första steget för att ge effektiv patientvård. Dålig igenkänning av HF på grund av dess mångfald av vaga/icke-specifika symptomatologier för presentationer leder ofta till förseningar i diagnos och behandling. Fördröjningen mellan att en patient utvecklar symtom på HF-dekompensation och söker läkarvård är ofta betydande och påverkas av hur snabbt symptomen debuterar och hur allvarliga symtomen är. Därför behövs ett tillförlitligt och lättillgängligt sätt att bedöma kronisk vätskestatus hos ambulerande polikliniska patienter för att upptäcka tidig dekompensation när lämplig intervention är möjlig. Den plötsliga utvecklingen av andfåddhet (dyspné) från ansamling av vätska i lungorna (akut lungödem) leder vanligtvis till snabb kontakt med sjukvården, medan det gradvisa uppkomsten av svullna ben och vrister (perifert ödem) är mer benägna att vara förknippad med förseningar i att söka vård. Den genomsnittliga fördröjningen mellan symptomdebut och sjukhusinläggning varierade från 2 timmar till 7 dagar. Symtomen på hjärtsvikt utvecklas ofta gradvis och verkar icke-hotande, vilket kan förklara några av de observerade förseningarna i att söka vård.

Under de senaste åren har flera pilotstudier visat ett samband mellan talbiomarkörer och omfattningen av systemisk och/eller lungstockning hos hjärtsviktspatienter. Till exempel, under 2017, visade en studie av 10 (8 M, 2F) patienter med akut dekompenserad hjärtsvikt som genomgick slutenvård med intravenös diuretikabehandling att patienter efter behandling uppvisade en högre andel automatiskt identifierad knarrande röst, ökad fundamental frekvens, och minskad cepstral peak prominensvariation, vilket tyder på att talbiomarkörer kan vara tidiga indikatorer på HF. Studien visade också att svårighetsgraden av HF-relaterat ödem som krävs för att mätbart ändra rösten är liten jämfört med svårighetsgraden som behövs för att öka kroppsvikten, vilket tyder på att talbiomarkörer kan bli ett mer effektivt icke-invasivt verktyg för att övervaka HF-patienter än dagliga vikter . År 2021 utvärderade en annan studie genomförbarheten av fjärrtalanalys vid utvärdering av dynamisk vätskeöverbelastning hos hjärtsviktspatienter som genomgår hemodynamisk behandling. De utförde seriella tal/röstmätningar hos 5 patienter som genomgick hemodialys. Analysen gjordes med en app som inte delar sin AI-algoritm. De visade statistiskt signifikanta skillnader i utvalda talbiomarkörer vid olika vätskestatusnivåer allteftersom patienterna fortskred genom behandlingen. Därefter, 2022, identifierade en jämförelse av ljudinspelningar för patienter inlagda med ADHF på inläggningsdagen och utskrivningsdagen med ett urval av 40 patienter som lades in med akut dekompenserad hjärtsvikt signifikanta skillnader i alla 5 testade talmåtten för vått (inträde) vs torr (urladdning) inspelningar.

Separat, 2022, utvärderade en studie tal- och pausförändringar i röstinspelningar av akuta (N=68) och stabila (N=36) patienter och fann att pausförhållandet var en ökning med 14,9 % hos patienter med akut HF. De fann också en positiv korrelation med NT-Pro-BNP-nivån. En annan studie 2022 undersökte både Mel-Frequency cepstral coefficient (MFCC) funktioner och glottal talfunktioner, och jämförde ett urval av 25 friska talare (7F, 18M) och 20 patienter med HF oavsett etiologi (oavsett LVEF). Efter funktionsval utvecklade de prediktiva modeller med fyra olika klassificeringsmetoder (SVM, ET, Adaboost och FFNN). Baserat på en kombination av MFCC och Glottal talfunktioner kunde de förutsäga ADHF med noggrannheter från 88-94 %, med en sann positiv frekvens på 79,47 % och sann negativ frekvens 82,69 %.

Genom att utföra en omfattande panel av kliniska bedömningar, undersökningar och symtombaserade frågeformulär i en studie som involverar upp till 250 hjärtsviktspatienter, vill utredarna bygga vidare på det senaste arbetet och utveckla en ny AI-baserad applikation som distribueras på en smart enhet, som kan upptäcka en ökning av lungstockning från subtila förändringar i en patients hosta, röst, andning och bröstljud. Detta kommer att ge nyckelinformation till patienter med hjärtsvikt och deras kliniska team, genom att korrekt detektera progressiv vätskeansamling i en patients lungor innan patienten utvecklar betydande symtom. Att upptäcka lungstockning i tidig fas kommer att göra det möjligt för läkare att målinrikta behandlingen mer effektivt. Förhoppningen är att detta kommer att bidra till att minimera och i slutändan förhindra behovet av återkommande akutinläggning på sjukhus genom att uppmärksamma patienten på att kontakta sitt hjärtsviktsteam och möjliggöra tidigare poliklinisk behandling innan behovet av återinläggning på sjukhus går in i den akuta fasen.

Med förbehåll för det framgångsrika resultatet av denna forskning kommer sedan en prospektiv interventionell klinisk prövning att genomföras för att testa de kliniska och operativa fördelarna med AI-verktyget som härrör från denna forskning om NHS hjärtsviktsvård, vilket banar väg för ett eventuellt antagande av sådana lösningar i rutinmässig klinisk praxis.