基于隱含狄利克雷分布模型老年數字護理專利布局與發展趨勢分析

苑秋辰,魏曉蕾,高瑞,李淑萍,梁濤

(中國醫學科學院北京協和醫學院 護理學院,北京 100144)

數字健康是指連接并授權人們管理健康的能力,通過可訪問和可支持的提供者團隊在靈活、集成、可互操作和數字化的護理環境中工作,從戰略上利用數字工具、技術和服務來轉變護理服務,從而增強人們的健康管理[1]。至2021年,我國60歲及以上人口已達2.64億,占總人口的18.70%,人口老齡化程度進一步加深[2]?！督】抵袊袆?2019-2030年)》[3]指出,鼓勵研發推廣健康管理類人工智能和可穿戴設備,對健康狀態進行實時、連續監測,運用健康大數據提高大眾自我健康管理能力。而數字健康是應對這些衛生領域挑戰、實現衛生系統和全民健康覆蓋可持續發展的關鍵驅動力[4]。專利是理論知識向實際應用的落地轉化,是科學技術創新的載體和結晶[5],對專利的布局與發展態勢展開分析對于評估技術進步至關重要[6]。近年來,國內外學者基于隱含狄利克雷分布(latent Dirichlet allocation,LDA)開展了德溫特世界專利索引(Derwent Innovations Index,DII)中不同領域的專利分析[7-10],以了解相關領域發展趨勢,而在護理領域相關研究尚少。基于以上背景,本研究旨在使用LDA模型分析老年數字護理專利的布局與發展態勢,為國內老年護理創新發展提供借鑒。

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源 DII是世界范圍內最權威的專利檢索平臺之一,收錄了自1963年以來的專利信息[6]。本研究于2024年3月4日選擇Web of Science平臺的DII,以“TI=(“old people” OR “the aged” OR “elderly people” OR “geriatric*” OR “gerontology” OR “the elderly” OR “senior citizen*” OR “the old”) AND TS=(digit* OR software OR smart$phone OR APP OR “smart * device$” OR intelligen* OR “machine learning” OR “deep learning” OR system OR IoT OR “Internet of Thing$” OR “virtual reality” OR “VR” OR “Augmented Reality” OR “AR” OR “health information technology” OR IT OR “cloud comput*” OR “big data”) AND TS=(nursing OR nurse OR care OR caring)”為檢索式,不設時間期限,選擇全記錄導出txt文本文檔。

1.2 方法

1.2.1 研究工具 國際專利分類(international patent classification,IPC)是一套用于將專利技術分配到特定類別中的系統,由世界知識產權組織管理,其提供了一個層次化的分類框架,包括部、類、亞類、主組和副組幾個級別,可以在國際專利系統中利用檢索詞通過語言詞匯檢索,找到目標專利。LDA是貝葉斯層次的無監督機器學習主題模型,是高效的自然語言處理模型之一,常用于人類自由敘述文本的數據挖掘[7]。

1.2.2 研究步驟

1.2.2.1 專利條目提取 使用Python語言進行數據預處理,提取每項專利的專利號、IPC、申請年份、標題、摘要等關鍵信息,將每項專利的標題和摘要信息進行拼接,而后進行數據清洗以去除冗雜元素,將文本內容統一為小寫,并使用jieba模塊去除停用詞并進行分詞。

1.2.2.2 專利歸屬整理 使用Python語言對納入的專利信息進行統計分析,包括專利受理年度、國家、機構、類型和IPC的分布。

1.2.2.3 完成專利主題歸類 通過Python語言將分詞列表轉換成詞袋模型,構建LDA主題模型。再結合gensim、math和matplotlib模塊,計算困惑度與主題數量之間的關系,以此來決定最佳的主題數量,通過對詞袋模型執行主題聚類分析,根據各主題內部包含的高權重詞,由研究者對各主題進行命名。

2 結果

2.1 老年數字護理專利布局

2.1.1 年度與數量分布 經過檢索和篩選,共納入1350項專利進行分析。如圖1所示,專利年度受理數量整體呈指數上升趨勢,按照專利數量可分為初步發展階段(1997-2012年,195項,14.44%)、穩定增長階段(2013-2019年,269項,19.93%)、高速創新階段(2020-2022年,674項,49.93%)和下降調整階段(2023-2024年,212項,15.70%)。

圖1 專利受理數量年度分布

2.1.2 國家與機構分布 我國受理老年數字護理專利數量居世界首位(984項),日本排名第二(243項),專利數量多集中在亞洲國家。機構分布方面:我國以醫療機構為主,高等學校為輔;而日本除了醫療機構、高等學校外,還涌現出部分企業,詳見表1。

表1 專利受理國家與機構分布數量Top10

2.1.3 專利類型分布 通過分析專利號識別專利類型(發明授權/實用新型/外觀設計),發現老年數字護理專利包含發明專利697項(51.63%)、實用新型專利653項(48.37%)、外觀設計專利0項(0%)。IPC可反應專利的具體領域或用途,統計專利受理最多的10個IPC及其用途和示例,詳見表2。

表2 專利IPC分布

2.1.4 專利研發熱點分布 使用Python語言構建LDA主題模型,以識別專利的研發熱點。計算文本困惑度與主題數量關系,確定主題歸類數量為5個。專利熱點可分為技術設備與組件、護理與監測服務、交互界面與用戶體驗、網絡與數據通信和生活輔助與日常管理這5個主題,各主題內部高權重主題詞見表3。

表3 專利熱點主題分布

2.2 專利發展趨勢分析 使用Python統計不同發展階段的專利內容高頻詞,繪制桑基圖以體現老年數字護理專利研發的發展脈絡與趨勢。?；鶊D(圖略)可以展示高頻詞是否從某一階段延續至下一階段,以反映不同時期老年數字護理的聚焦重點與發展脈絡。

3 討論

3.1 老年數字護理專利發展迅速并關注核心需求

3.1.1 數字技術創新老年護理領域愈發受到重視 老年數字護理專利數量整體呈上升趨勢,且我國占據主導地位,與既往研究[11]結果相近,表明基于數字技術的老年護理專利愈發受到重視。自1950年以來,我國60～69歲人口總數遠超印度、美國等國家[12],這促使我國政府和私營企業鼓勵通過技術方案來應對老年人的護理需求,支持健康和護理方面的科技創新,吸引大量企業積極投入研發,并不斷在技術層面強調人工智能、大數據、物聯網等方面快速創新,推動了新技術和專利的產生。

3.1.2 發明專利數量占比超過實用新型專利 發明專利是科技含量最高的一類,本研究發現老年數字護理領域的發明專利數量超過實用新型專利;實用新型專利則強調實用性,但技術水平相對較低;外觀設計專利更強調工學和美學方面的設計,因此護理領域很少涉及。本研究發現隨著數字技術的出現,越來越多的系統研發、軟件開發、線上平臺搭建等發明專利逐漸占據老年數字護理領域的主導地位,與既往研究相悖[13],這意味著與信息學、工程學等學科交叉協作,利用新興產業技術不斷推出新的數字工具推動老年護理工作,是本領域發展的必然趨勢。

3.1.3 專利研發熱點關注老年人護理的便利性和評估工具 老年人面臨的問題復雜多樣,主要包括生理功能衰退、疾病風險增加、活動能力下降等[14-16],會直接影響其日常生活質量和自理能力,這促使上述IPC專利的出現和發展。A61G7/05和A61G7/015類專利就是提供物理支持和康復輔助的設備,旨在幫助老年人更好地完成日常動作,如起床、坐臥等,例如居家護理的防褥瘡智能護理床(CN112932840)和衛生間配套使用多功能智能護理床(CN111616883),結合壓力傳感等數字技術對老年人的動作過程進行識別。此外,老年人疾病風險的增加以及認知障礙癥狀的出現,需要持續的健康監測和醫療干預,因此產生用于診斷目的的測量、測量人體或各部位的運動、同時測定心血管狀況和不同類型的身體狀況等專利,涉及到使用數字手段進行健康狀況和生命體征監測、疾病早期發現和身體功能評估的設備和方法。此外,隨著信息技術的發展,信息和通信技術、數據的獲取和記錄類專利對提高了老年人生活便利性和醫療服務效率,通過智能技術和互聯網服務,老年人可以更容易地接觸到社會服務、健康信息和家庭聯系人,從而減少孤獨感,提升生活質量。

3.2 老年數字護理專利發展階段明顯

3.2.1 初步發展階段 1997-2012年,專利數量整體較少。這一時期,高頻詞“care”“system”“information”“health”等反映了社會對于老年護理技術初步建設的關注。專利主要聚焦于基礎醫療系統和信息管理,為構建老年人的基礎健康檔案和實現初步的遠程醫療監控奠定基礎[14]。盡管該階段全球開始意識到人口老齡化的趨勢以及老年護理的重要性,同時信息技術和醫療技術的發展為老年護理提供了新的可能性[17-18],但數字技術尚未廣泛應用于老年護理領域,且由于數字技術應用于老年護理的概念還在初步探索階段,市場需求和政策支持相對有限,因此專利發展處于較低水平。

3.2.2 穩定增長階段 2013-2019年,隨著科技的進步,移動互聯網、物聯網和大數據技術的廣泛應用開始加速老年護理領域的技術創新。這一階段的人口老齡化問題更加凸顯,社會對老年人健康和生活質量的關注顯著提高[16,19],專利數量穩步增長。此階段高頻詞如“connected”“module”“device”等,體現出老年護理領域對于技術深化和系統化應用需求的增長[20]。物聯網和可穿戴技術的發展,使得老年護理技術向著更加智能化和個性化的方向發展,實時監測老年人的生理參數以及他們的活動情況,并通過通信技術將異常報警傳輸給其家屬或醫院,從而在必要時提供及時的醫療干預[21]。

3.2.3 高速創新階段 2020-2022年,老年數字護理專利數量高速增長,幾乎占到了研究期間總量的一半,推測原因主要由全球數字化轉型的加速和COVID-19疫情的影響所驅動。在疫情期間,老年群體因其特別的脆弱性[22],對遠程醫療、健康監測等服務的需求急劇增加,同時智能家居、健康數據分析[23]等技術也得到了快速發展及應用。該階段“support”“communication”“model”等高頻詞出現,表明數字技術應用于老年護理的創新性不僅僅局限于監控和護理功能,還擴展到了生活輔助、康復訓練、社交互動等多個方面,為老年人提供了更多的技術選擇來保障其健康和福祉[22]。

3.2.4 下降調整階段 2023-2024年專利數量減少,一定程度上反映了專利市場在經歷了快速增長后的自然調整。隨著前期大量創新產品的投入市場,行業該階段可能進入了技術的市場驗證過程,專利申請數量相對減少,表明行業開始更加注重專利質量而非數量,以及對已有技術的深化和細分。盡管如此,“data”“intelligent”“network”等高頻詞的出現,仍然體現了對老年護理技術持續改良和深化的需求。期間技術層面更加注重數據分析和智能化處理,目的是通過精準醫療和個性化服務來提升老年護理的效果,如紅外傳感器提示房屋水源泄露、門窗開關狀態[24],運動探測器監測老年人室內運動情況[25]等,體現了行業對前期技術成果的整合、評估和優化給予了高度重視,反映出對數據驅動護理模式的需求。

3.3 未來老年數字護理專利的急性突破 在老年數字護理領域,未來的研發將更加強調不同技術之間的跨學科融合,使得老年護理解決方案更為高效和智能化,加強顛覆性專利技術創新以通過數字技術提高護理服務質量。此外,“以用戶為中心”的設計將成為老年數字護理專利未來發展的核心,產品和服務的設計將更多地側重于滿足老年人的實際需求,如便捷性、易用性和舒適度,例如研究如何改善老年人與數字設備的交互體驗、開發易于理解和操作的界面等。最后,通過國際合作可以促進跨國界的資源共享和技術標準的統一,突破“數字鴻溝”現象,有利于解決老年護理中普遍存在的問題,如隱私保護、數據安全等,推動老年護理技術的全球普及和應用,加速新技術的市場化進程。

4 結論

我國在老年數字護理領域貢獻突出,數字技術的出現讓老年護理專利由原先的實用新型專利主導轉變為發明專利主導。老年數字護理專利各發展階段特色鮮明,技術重點明確。目前,該領域正處于市場驗證階段,追求跨學科高質量發展將是本領域的未來趨勢。