在連續性腎臟替代治療（continuous renal replacement therapy, CRRT）中，醫工結合正推動著治療技術的進步，通過優化血液吸附材料，提高其生物相容性與特異性吸附能力，增強 CRRT 的治療效能，減少患者的不良反應；此外，大數據及人工智能技術在 CRRT 中的應用也不斷開展，通過智能化設備、數據分析和機器學習，優化 CRRT 的啟動時機、監測以及治療方案的制定，為臨床患者提供更加高效、安全的治療選擇，進一步改善患者的臨床預后。
引用本文： 張曉鈺, 李一鳴, 彭志勇. 醫工結合引領連續性腎臟替代治療技術提升. 華西醫學, 2024, 39(7): 1015-1018. doi: 10.7507/1002-0179.202406102 復制
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連續性腎臟替代治療（continuous renal replacement therapy, CRRT）旨在通過每天連續 24 h 或接近 24 h 的連續性血液凈化療法來替代受損的腎臟功能，能夠提高患者的存活率。醫工結合是指將醫學領域的知識與工程技術相結合，以推動醫療保健的創新和發展。CRRT 設備的設計優化主要著眼于提升治療效率、降低并發癥風險、增強患者舒適度等方面。然而，現有設備在實際應用中仍受限于濾器凝血、透析劑量不足等問題。隨著個性化醫療理念的深入人心，如何根據患者的具體情況制定出精準的治療方案，已成為 CRRT 技術發展中亟待突破的瓶頸。人工智能（artificial intelligence, AI）技術的引入為這一挑戰提供了新的解決路徑，但其在 CRRT 中的實際應用仍處于起步階段。因此，本文旨在通過綜合分析國內外在 CRRT 設計優化和 AI 個體化治療策略方面的最新研究動態，集中于 CRRT 濾器材料的優化以及 AI 技術在 CRRT 中的應用探討醫工結合推動 CRRT 的發展，為 CRRT 技術的未來發展提供有益的參考。
1 CRRT 吸附裝置的優化
優化過濾器作為提高 CRRT 臨床作用的關鍵因素受到研究者們的廣泛關注。優化血液凈化吸附器的膜材料能夠提高 CRRT 的治療效能[1]。吸附材料是血液吸附技術的核心，極大程度決定了血液吸附治療的有效性，因此需要不斷開展新型吸附材料相關研究。擴大吸附材料吸附范圍，增強吸附材料對炎癥因子的吸附效率，提升吸附材料的選擇性和血液相容性，有助于減少 CRRT 的不良反應與潛在并發癥，改善急性腎損傷（acute kidney injury, AKI）患者預后。此外，目前 CRRT 的應用已不局限于 AKI，其在藥物中毒、膿毒癥等領域也展現了強大的生物效能。
目前國內市場上應用的三大血液凈化吸附柱為百希瑞（oXiris）、細胞因子吸附柱（Cytosorb）、多黏菌素 B 內毒素吸附柱（polymyxin B immobilized fiber column, PMX）。oXiris 基于最新一代 AN69 膜，oXiris 血液凈化材料被覆吸附涂層以吸附內毒素并去除炎癥介質。由于富含磺酸鹽基團，AN69 膜能夠通過離子相互作用吸附細胞因子，AN69 膜表面經聚乙烯亞胺處理產生了 AN69ST，這不僅提高了其生物相容性，而且還提供了通過離子相互作用吸附內毒素的可能性。Meta 分析發現，使用 oXiris 過濾器的膿毒癥患者較使用其他過濾器的膿毒癥患者的 28 d 死亡率和重癥監護病房（intensive care unit, ICU）住院時間顯著降低[2]。研究顯示，采用 AN69 膜進行 CRRT 治療 3 h 后膿毒癥患者乳酸水平降低，平均動脈壓升高，伴隨著 72 h 后血液中腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1β、白細胞介素-6、白細胞介素-8 等炎癥因子水平的降低[3]。一項關于 ICU 患者 CRRT 的研究發現，使用 AN69 膜可降低死亡率，縮短 ICU 住院時長[4]。CytoSorb 是一種覆有聚乙烯吡咯烷酮涂層的聚苯乙烯，通過疏水作用去除細胞因子的血液吸附裝置。一小樣本研究發現接受該裝置治療的 ICU 患者血管加壓藥劑量有所減少，但仍需要更多證據證明其作用[5-6]。PMX 是一種固定有多黏菌素 B 的聚苯乙烯微球吸附柱，對內毒素分子有特異性的吸附功能。PMX 吸附柱能有效降低免疫細胞的激活與趨化，但目前仍缺乏 PMX 吸附柱對膿毒癥的治療效果的有力證據[7-8]。
伴隨著跨學科融合的不斷進展，許多醫工緊密結合的新型吸附材料不斷出現。以一種人工合成的多環芳烴化合物四甲基吡啶基卟啉結合硼酸鳥苷超分子水凝膠作為智能血液灌注裝置，通過實時電化學雙峰可視化監測選擇性血鉛消除，可降低血鉛濃度從而治療鉛中毒[9]。合成兩親殼納米磁吸附劑可用于選擇性和高效捕獲高脂血癥患者血清中的低密度脂蛋白，從而降低動脈粥樣硬化等心血管事件的發生風險[10]。將超分子有機骨架作為吸附劑，可有效去除血液吸附中多余的膽紅素[11]。
在膿毒癥治療領域，新型血液吸附材料的研究不斷涌現，主要吸附靶點為內毒素、細菌及細胞因子等[12]。有研究通過聚多巴胺涂層技術，將一種具備廣譜抗菌特性的新型咪唑基離子液體固定于四氧化三鐵納米顆粒表面，形成具有優異血液相容性的磁性顆粒，結果顯示這些顆粒能夠有效捕獲并清除血液中的內毒素和細菌[13]。也有研究對吸附劑聚合物進行修飾以提高其組織血液相容性[14]。Seraph?100 血液吸附濾器，其內部采用肝素處理的聚乙烯珠，旨在吸附諸如內皮表面糖皮質中的肝素硫酸酯等病原體[15]。血液濾器中的聚砜纖維（GARNET? hemofilter）的內表面涂覆有一種工程蛋白，能夠結合病原體[16]。血液吸附裝置也可通過生物功能中空纖維提高抗生素的治療效能，促進內毒素與細菌的清除[17]。等離子過濾器中包含的聚砜纖維外表面涂有能夠結合病毒的凝集素蛋白，可吸附清除病毒[18]。用肝素打磨的殼聚糖吸附珠子吸附組蛋白可減輕膿毒癥損傷[19]。聚甲基丙烯酸甲酯可通過吸附和去除炎性細胞因子，從而減輕膿毒癥 AKI 損傷[20]。
盡管 CRRT 的技術發展與臨床實踐均取得了較大的進展，如 CRRT 設備的設計不斷優化，提高了治療效率和安全性；新型的濾器和管路減少了凝血的風險，同時提高了對中分子毒素的清除能力；此外，通過更精確的監測和劑量調整，CRRT 越來越注重個體化，CRRT 的應用也不再局限于腎臟疾病，而是擴展到多器官功能障礙綜合征的治療中。但 CRRT 中許多關鍵問題仍缺乏強有力的證據與統一化的臨床標準[21]，例如 CRRT 的使用時機、劑量、模式選擇[22]、液體流量與流速、抗凝劑的選擇和優化、稀釋前或稀釋后腎臟替代、局部方式的選擇等等[23]。目前 CRRT 的方案選擇依賴于當地的實踐模式，因此仍需要大量的臨床實踐證據與分析構建基于患者的臨床狀況以及特定的溶質、液體和代謝目標的相對統一標準化的有效治療方案，而結合大數據等技術構建智能模型可能有助于早日構建標準化方案。
2 大數據及 AI 技術在 CRRT 中的應用
CRRT 用于 AKI 的治療是實現醫工結合的一大成功實例，CRRT 設備的設計和制造需要結合醫學的需求和工程的技術，CRRT 中無論是精細的濾器和生物膜的設計及材料突破，抑或是透析機、人工管道的構建維護等，均需要結合醫學中發現的實際問題，如特異性吸附炎癥因子、內毒素等，經過材料、工程技術的一步步優化、組裝，才能構建出 CRRT 設備，為 AKI 患者爭取到救命的機會。這讓我們看到了跨學科融合的意義，其在解決醫療行業面臨的各種技術、方法和設備方面的問題，從而提高醫療質量和效率以及患者的生活質量上發揮著重要作用。全球范圍內對醫工結合的探索已有數十年，取得了突破性成果，這些成果主要包括電子顯微鏡、序列分析、質譜技術的應用，以及智能傳感器、云計算、人–機共融的智能制造模式等的臨床應用。近年來，隨著產學研合作的加強，國內醫工結合的應用和成果轉化也取得了顯著進展。
醫工結合中不可忽略的一大部分是 AI 與醫學的合作。目前的研究主要集中在開發基于機器學習的模型，用于早期識別需要 CRRT 的患者，以及他們的死亡風險或腎臟恢復的風險分類[24]。AI 模型預測 ICU 中 AKI 患者使用 CRRT 的必要性和使用模式的研究正在不斷開展中[25-26]，此外，一項回顧性研究發現使用電子檢索策略可以準確評估體外膜肺氧合患者的 CRRT 啟動時間[27]。在 CRRT 實施過程中，AI 的應用較為局限，目前研究主要集中在 AI 的監測系統上。CRRT 過程中的監測存在重大意義。AI 遠程監測血流、流出量、電解質水平、導管壓力等有助于監測凝血系統，評估 CRRT 的流體狀態，實現報警檢測，從而減少 CRRT 相關并發癥的發生[24, 28]。AI 模型也可用于 CRRT 并發癥的預測，如 CRRT 所導致的檸檬酸鹽過量[29]和低血壓[30]，也可用于 CRRT 后的死亡風險分類。研究表明大多數 AI 模型顯著優于標準臨床參數、死亡率評分和回歸分析的預測能力[24]，但對于 AI 模型的選擇和大量應用，仍需要大規模的臨床試驗進行比較優化。
探索 AI 在 CRRT 中的作用以提高 CRRT 治療效果的研究不斷浮現，包括 CRRT 的啟動時機、CRRT 處方的優化、CRRT 相關并發癥的預測等。這反映了 CRRT 與 AI 結合的必要性。但 AI 在 CRRT 領域的發展還持續需要更多的研究來優化 CRRT 的結構、過程和結果。此外，AI 算法也存在局限性，如存在隱性偏差和電子警報疲勞，且基于 AI 的實施和可持續性的監測還沒有標準化，因此，需要理解 AI 是輔助決策工具而非主導決策工具[31]。
3 結語
醫工結合在醫療保健領域中的應用前景廣闊。醫學和工程學相結合可帶來各種創新性的解決方案和技術，從而提高患者的診斷、治療和康復效果，優化醫療保健的效率和質量。CRRT 是常見的腎功能衰竭治療手段，在臨床治療中意義重大。借助工程技術的優勢，實現 CRRT 濾器材料的優化，通過應用大數據和 AI 技術，可對 CRRT 的啟動時機進行精準預測，實時監測 CRRT 過程，并預警可能的并發癥，從而顯著提升治療的效率、準確性與安全性。這一過程不僅展示了跨學科合作的重要性，也強調了醫學與工程學結合的必要性，以實現更優的臨床治療效果。隨著醫工結合在 CRRT 中的深入研究和應用，未來更加個性化和自動化的治療管理有望實現。總的來說，醫工結合為醫療護理提供了更多可能性，有望改善患者的治療效果，提升醫護人員的工作效率。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
連續性腎臟替代治療（continuous renal replacement therapy, CRRT）旨在通過每天連續 24 h 或接近 24 h 的連續性血液凈化療法來替代受損的腎臟功能，能夠提高患者的存活率。醫工結合是指將醫學領域的知識與工程技術相結合，以推動醫療保健的創新和發展。CRRT 設備的設計優化主要著眼于提升治療效率、降低并發癥風險、增強患者舒適度等方面。然而，現有設備在實際應用中仍受限于濾器凝血、透析劑量不足等問題。隨著個性化醫療理念的深入人心，如何根據患者的具體情況制定出精準的治療方案，已成為 CRRT 技術發展中亟待突破的瓶頸。人工智能（artificial intelligence, AI）技術的引入為這一挑戰提供了新的解決路徑，但其在 CRRT 中的實際應用仍處于起步階段。因此，本文旨在通過綜合分析國內外在 CRRT 設計優化和 AI 個體化治療策略方面的最新研究動態，集中于 CRRT 濾器材料的優化以及 AI 技術在 CRRT 中的應用探討醫工結合推動 CRRT 的發展，為 CRRT 技術的未來發展提供有益的參考。
1 CRRT 吸附裝置的優化
優化過濾器作為提高 CRRT 臨床作用的關鍵因素受到研究者們的廣泛關注。優化血液凈化吸附器的膜材料能夠提高 CRRT 的治療效能[1]。吸附材料是血液吸附技術的核心，極大程度決定了血液吸附治療的有效性，因此需要不斷開展新型吸附材料相關研究。擴大吸附材料吸附范圍，增強吸附材料對炎癥因子的吸附效率，提升吸附材料的選擇性和血液相容性，有助于減少 CRRT 的不良反應與潛在并發癥，改善急性腎損傷（acute kidney injury, AKI）患者預后。此外，目前 CRRT 的應用已不局限于 AKI，其在藥物中毒、膿毒癥等領域也展現了強大的生物效能。
目前國內市場上應用的三大血液凈化吸附柱為百希瑞（oXiris）、細胞因子吸附柱（Cytosorb）、多黏菌素 B 內毒素吸附柱（polymyxin B immobilized fiber column, PMX）。oXiris 基于最新一代 AN69 膜，oXiris 血液凈化材料被覆吸附涂層以吸附內毒素并去除炎癥介質。由于富含磺酸鹽基團，AN69 膜能夠通過離子相互作用吸附細胞因子，AN69 膜表面經聚乙烯亞胺處理產生了 AN69ST，這不僅提高了其生物相容性，而且還提供了通過離子相互作用吸附內毒素的可能性。Meta 分析發現，使用 oXiris 過濾器的膿毒癥患者較使用其他過濾器的膿毒癥患者的 28 d 死亡率和重癥監護病房（intensive care unit, ICU）住院時間顯著降低[2]。研究顯示，采用 AN69 膜進行 CRRT 治療 3 h 后膿毒癥患者乳酸水平降低，平均動脈壓升高，伴隨著 72 h 后血液中腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1β、白細胞介素-6、白細胞介素-8 等炎癥因子水平的降低[3]。一項關于 ICU 患者 CRRT 的研究發現，使用 AN69 膜可降低死亡率，縮短 ICU 住院時長[4]。CytoSorb 是一種覆有聚乙烯吡咯烷酮涂層的聚苯乙烯，通過疏水作用去除細胞因子的血液吸附裝置。一小樣本研究發現接受該裝置治療的 ICU 患者血管加壓藥劑量有所減少，但仍需要更多證據證明其作用[5-6]。PMX 是一種固定有多黏菌素 B 的聚苯乙烯微球吸附柱，對內毒素分子有特異性的吸附功能。PMX 吸附柱能有效降低免疫細胞的激活與趨化，但目前仍缺乏 PMX 吸附柱對膿毒癥的治療效果的有力證據[7-8]。
伴隨著跨學科融合的不斷進展，許多醫工緊密結合的新型吸附材料不斷出現。以一種人工合成的多環芳烴化合物四甲基吡啶基卟啉結合硼酸鳥苷超分子水凝膠作為智能血液灌注裝置，通過實時電化學雙峰可視化監測選擇性血鉛消除，可降低血鉛濃度從而治療鉛中毒[9]。合成兩親殼納米磁吸附劑可用于選擇性和高效捕獲高脂血癥患者血清中的低密度脂蛋白，從而降低動脈粥樣硬化等心血管事件的發生風險[10]。將超分子有機骨架作為吸附劑，可有效去除血液吸附中多余的膽紅素[11]。
在膿毒癥治療領域，新型血液吸附材料的研究不斷涌現，主要吸附靶點為內毒素、細菌及細胞因子等[12]。有研究通過聚多巴胺涂層技術，將一種具備廣譜抗菌特性的新型咪唑基離子液體固定于四氧化三鐵納米顆粒表面，形成具有優異血液相容性的磁性顆粒，結果顯示這些顆粒能夠有效捕獲并清除血液中的內毒素和細菌[13]。也有研究對吸附劑聚合物進行修飾以提高其組織血液相容性[14]。Seraph?100 血液吸附濾器，其內部采用肝素處理的聚乙烯珠，旨在吸附諸如內皮表面糖皮質中的肝素硫酸酯等病原體[15]。血液濾器中的聚砜纖維（GARNET? hemofilter）的內表面涂覆有一種工程蛋白，能夠結合病原體[16]。血液吸附裝置也可通過生物功能中空纖維提高抗生素的治療效能，促進內毒素與細菌的清除[17]。等離子過濾器中包含的聚砜纖維外表面涂有能夠結合病毒的凝集素蛋白，可吸附清除病毒[18]。用肝素打磨的殼聚糖吸附珠子吸附組蛋白可減輕膿毒癥損傷[19]。聚甲基丙烯酸甲酯可通過吸附和去除炎性細胞因子，從而減輕膿毒癥 AKI 損傷[20]。
盡管 CRRT 的技術發展與臨床實踐均取得了較大的進展，如 CRRT 設備的設計不斷優化，提高了治療效率和安全性；新型的濾器和管路減少了凝血的風險，同時提高了對中分子毒素的清除能力；此外，通過更精確的監測和劑量調整，CRRT 越來越注重個體化，CRRT 的應用也不再局限于腎臟疾病，而是擴展到多器官功能障礙綜合征的治療中。但 CRRT 中許多關鍵問題仍缺乏強有力的證據與統一化的臨床標準[21]，例如 CRRT 的使用時機、劑量、模式選擇[22]、液體流量與流速、抗凝劑的選擇和優化、稀釋前或稀釋后腎臟替代、局部方式的選擇等等[23]。目前 CRRT 的方案選擇依賴于當地的實踐模式，因此仍需要大量的臨床實踐證據與分析構建基于患者的臨床狀況以及特定的溶質、液體和代謝目標的相對統一標準化的有效治療方案，而結合大數據等技術構建智能模型可能有助于早日構建標準化方案。
2 大數據及 AI 技術在 CRRT 中的應用
CRRT 用于 AKI 的治療是實現醫工結合的一大成功實例，CRRT 設備的設計和制造需要結合醫學的需求和工程的技術，CRRT 中無論是精細的濾器和生物膜的設計及材料突破，抑或是透析機、人工管道的構建維護等，均需要結合醫學中發現的實際問題，如特異性吸附炎癥因子、內毒素等，經過材料、工程技術的一步步優化、組裝，才能構建出 CRRT 設備，為 AKI 患者爭取到救命的機會。這讓我們看到了跨學科融合的意義，其在解決醫療行業面臨的各種技術、方法和設備方面的問題，從而提高醫療質量和效率以及患者的生活質量上發揮著重要作用。全球范圍內對醫工結合的探索已有數十年，取得了突破性成果，這些成果主要包括電子顯微鏡、序列分析、質譜技術的應用，以及智能傳感器、云計算、人–機共融的智能制造模式等的臨床應用。近年來，隨著產學研合作的加強，國內醫工結合的應用和成果轉化也取得了顯著進展。
醫工結合中不可忽略的一大部分是 AI 與醫學的合作。目前的研究主要集中在開發基于機器學習的模型，用于早期識別需要 CRRT 的患者，以及他們的死亡風險或腎臟恢復的風險分類[24]。AI 模型預測 ICU 中 AKI 患者使用 CRRT 的必要性和使用模式的研究正在不斷開展中[25-26]，此外，一項回顧性研究發現使用電子檢索策略可以準確評估體外膜肺氧合患者的 CRRT 啟動時間[27]。在 CRRT 實施過程中，AI 的應用較為局限，目前研究主要集中在 AI 的監測系統上。CRRT 過程中的監測存在重大意義。AI 遠程監測血流、流出量、電解質水平、導管壓力等有助于監測凝血系統，評估 CRRT 的流體狀態，實現報警檢測，從而減少 CRRT 相關并發癥的發生[24, 28]。AI 模型也可用于 CRRT 并發癥的預測，如 CRRT 所導致的檸檬酸鹽過量[29]和低血壓[30]，也可用于 CRRT 后的死亡風險分類。研究表明大多數 AI 模型顯著優于標準臨床參數、死亡率評分和回歸分析的預測能力[24]，但對于 AI 模型的選擇和大量應用，仍需要大規模的臨床試驗進行比較優化。
探索 AI 在 CRRT 中的作用以提高 CRRT 治療效果的研究不斷浮現，包括 CRRT 的啟動時機、CRRT 處方的優化、CRRT 相關并發癥的預測等。這反映了 CRRT 與 AI 結合的必要性。但 AI 在 CRRT 領域的發展還持續需要更多的研究來優化 CRRT 的結構、過程和結果。此外，AI 算法也存在局限性，如存在隱性偏差和電子警報疲勞，且基于 AI 的實施和可持續性的監測還沒有標準化，因此，需要理解 AI 是輔助決策工具而非主導決策工具[31]。
3 結語
醫工結合在醫療保健領域中的應用前景廣闊。醫學和工程學相結合可帶來各種創新性的解決方案和技術，從而提高患者的診斷、治療和康復效果，優化醫療保健的效率和質量。CRRT 是常見的腎功能衰竭治療手段，在臨床治療中意義重大。借助工程技術的優勢，實現 CRRT 濾器材料的優化，通過應用大數據和 AI 技術，可對 CRRT 的啟動時機進行精準預測，實時監測 CRRT 過程，并預警可能的并發癥，從而顯著提升治療的效率、準確性與安全性。這一過程不僅展示了跨學科合作的重要性，也強調了醫學與工程學結合的必要性，以實現更優的臨床治療效果。隨著醫工結合在 CRRT 中的深入研究和應用，未來更加個性化和自動化的治療管理有望實現。總的來說，醫工結合為醫療護理提供了更多可能性，有望改善患者的治療效果，提升醫護人員的工作效率。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。