تشبع الدم بالأكسجين (SpO2) ، نسبة الهيموجلوبين في الدم الذي يحمل الأكسجين ، هي مقياس مهم لوظيفة القلب والأوعية الدموية. الأفراد الأصحاء لديهم SpO2 مستويات تقارب 95٪ أو أكثر ، لكن أمراض الجهاز التنفسي - مثل الربو ومرض الانسداد الرئوي المزمن والالتهاب الرئوي و COVID-19 - يمكن أن تتسبب في انخفاض هذه المستويات بشكل كبير. وإذا كان SpO2 أقل من 90٪ ، يمكن أن يكون هذا علامة على مرض قلبي رئوي أكثر خطورة.
يقيس الأطباء عادةً SpO2 باستخدام أجهزة قياس التأكسج النبضي ، وهي أجهزة غير جراحية يتم تثبيتها على طرف الإصبع أو الأذن. تعمل هذه عادةً عن طريق التصوير الضوئي للنفاذية (PPG) ، حيث يتم تحليل امتصاص الضوء الأحمر والأشعة تحت الحمراء للتمييز بين الدم المؤكسج والدم غير المؤكسج. لكن القدرة على مراقبة SpO2 خارج العيادة ، باستخدام الكاميرا على هاتف ذكي يوميًا ، يمكن أن يسمح لمزيد من الأشخاص باكتشاف المواقف التي تحتاج إلى متابعة طبية أو تتبع حالات الجهاز التنفسي المستمرة.
باحثون في جامعة واشنطن (UW) و جامعة كاليفورنيا في سان دييغو أظهرت الآن أن الهواتف الذكية يمكنها اكتشاف مستويات تشبع الأكسجين في الدم حتى 70٪. الإبلاغ عن النتائج التي توصلوا إليها في الطب الرقمي npj، لاحظوا أن هذا تم تحقيقه باستخدام كاميرات الهواتف الذكية بدون تعديلات على الأجهزة ، من خلال تدريب شبكة عصبية تلافيفية (CNN) لفك تشفير مجموعة واسعة من مستويات الأكسجين في الدم.
في دراسة لإثبات المبدأ ، استخدم الباحثون إجراءً يسمى الأكسجين المستوحى المتنوع (FiO2) ، حيث يتنفس الشخص خليطًا مضبوطًا من الأكسجين والنيتروجين ، لتقليل spO ببطء2 مستويات أقل من 70٪ - أدنى قيمة يجب أن يكون مقياس التأكسج النبضي قادرًا على قياسها ، على النحو الموصى به من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية. استخدموا البيانات الناتجة لتدريب خوارزمية التعلم العميق القائمة على CNN.
"تم تطوير تطبيقات الهواتف الذكية الأخرى من خلال مطالبة الناس بحبس أنفاسهم. لكن الناس يشعرون بعدم الارتياح الشديد ويضطرون إلى التنفس بعد دقيقة أو نحو ذلك ، وذلك قبل أن تنخفض مستويات الأكسجين في الدم لديهم بدرجة كافية لتمثيل النطاق الكامل للبيانات ذات الصلة سريريًا ، كما يوضح المؤلف الأول جايسون هوفمان، طالب دكتوراه في UW ، في بيان صحفي. "من خلال اختبارنا ، يمكننا جمع 15 دقيقة من البيانات من كل موضوع. تُظهر بياناتنا أن الهواتف الذكية يمكن أن تعمل بشكل جيد في نطاق العتبة الحرجة ".
قام هوفمان وزملاؤه بفحص ستة متطوعين أصحاء. خضع كل مشارك لـ FiO متنوع2 لمدة 13-19 دقيقة ، وخلال هذه الفترة حصل الباحثون على أكثر من 10,000 قراءة لمستوى الأكسجين في الدم بين 61٪ و 100٪. إلى جانب ذلك ، استخدموا مقاييس التأكسج النبضي المصممة لهذا الغرض لتسجيل بيانات الحقيقة الأرضية عبر نفاذية PPG.
لإجراء قياس التأكسج بالهاتف الذكي ، يضع المشارك إصبعه على الكاميرا وفلاش الهاتف الذكي. تسجل الكاميرا الاستجابات عبر انعكاس PPG - تقيس كمية الضوء من الفلاش التي يمتصها الدم في كل من القنوات الحمراء والخضراء والزرقاء. قام الباحثون بعد ذلك بتغذية قياسات الكثافة هذه في نموذج التعلم العميق ، باستخدام بيانات أربعة موضوعات كمجموعة تدريب وواحدة للتحقق من صحة النموذج وتحسينه. ثم يقومون بتقييم النموذج المدرب على بيانات الموضوع المتبقية.
عندما يتم تدريبه عبر مجموعة ذات صلة سريريًا من SpO2 مستويات (70-100٪) من FiO المتنوعة2 في الدراسة ، حققت شبكة CNN متوسط خطأ مطلق قدره 5.00٪ في التنبؤ بـ SpO لموضوع جديد2 مستوى. متوسط R2 كان الارتباط بين تنبؤات النموذج ومقياس التأكسج النبضي المرجعي 0.61. كان متوسط خطأ RMS 5.55٪ في جميع المواد ، وهو أعلى من معيار 3.5٪ المطلوب لأجهزة قياس التأكسج النبضي الانعكاسية ليتم مسحها للاستخدام السريري.
يقترح الباحثون ذلك بدلاً من مجرد تقدير SpO2، يمكن استخدام مقياس التأكسج في كاميرا الهاتف الذكي كأداة لفحص انخفاض الأكسجين في الدم. لاستكشاف هذا النهج ، قاموا بحساب دقة تصنيف نموذجهم للإشارة إلى ما إذا كان الفرد لديه SpO2 مستوى أقل من ثلاثة عتبات: 92٪ ، 90٪ (تستخدم عادة للإشارة إلى الحاجة إلى مزيد من العناية الطبية) و 88٪.
عند تصنيف SpO2 مستويات أقل من 90٪ ، أظهر النموذج حساسية عالية نسبيًا بنسبة 81٪ وخصوصية 79٪ ، بمتوسط جميع المواد الستة المختبرة. لتصنيف SpO2 أقل من 92٪ ، زادت النوعية إلى 86٪ ، مع حساسية 78٪.
ويشير الباحثون إلى أن الدراسة ، إحصائيًا ، لا تشير إلى أن هذا النهج جاهز للاستخدام كأداة طبية يمكن مقارنتها بمقاييس التأكسج النبضي الحالية. ومع ذلك ، لاحظوا أن مستوى الأداء المرئي من عينة موضوع الاختبار الصغيرة هذه يشير إلى أنه يمكن زيادة دقة النموذج من خلال الحصول على المزيد من عينات التدريب.
تقيس كاميرا الهاتف الذكي تركيز جلوكوز الدم
على سبيل المثال ، كان لدى أحد الأشخاص مسامير سميكة على أصابعهم ، مما جعل من الصعب على الخوارزمية تحديد مستويات الأكسجين في الدم بدقة. يوضح هوفمان: "إذا قمنا بتوسيع هذه الدراسة لتشمل المزيد من الموضوعات ، فمن المحتمل أن نرى المزيد من الأشخاص المصابين بمسمار القدم والمزيد من الأشخاص ذوي البشرة المختلفة". "ومن ثم يمكن أن يكون لدينا خوارزمية بدرجة كافية من التعقيد لنكون قادرين على صياغة جميع هذه الاختلافات بشكل أفضل."
يقول هوفمان عالم الفيزياء أن الفريق ليس لديه أي خطط لتسويق هذه التكنولوجيا على الفور. "ومع ذلك ، فقد طورنا خطة اختبار ومقترحات منح من شأنها أن تمكننا من الاختبار على مجموعة أكبر وأكثر تنوعًا من الموضوعات لمعرفة ما إذا كانت دراسة إثبات المبدأ هذه قابلة للتكرار ومن المحتمل أن تكون جاهزة للتطوير التجاري" ، كما يقول. .
