ריווי חמצן בדם (SpO2), אחוז ההמוגלובין בדם הנושא חמצן, הוא מדד חשוב לתפקוד הלב וכלי הדם. לאנשים בריאים יש SpO2 רמות של כ-95% ומעלה, אך מחלות בדרכי הנשימה - כגון אסטמה, מחלת ריאות חסימתית כרונית, דלקת ריאות ו-COVID-19 - עלולות לגרום לרמות אלו לרדת באופן משמעותי. ואם SpO2 יורד מתחת ל-90%, זה יכול להיות סימן למחלת לב ריאה חמורה יותר.
רופאים בדרך כלל מודדים SpO2 באמצעות מדדי דופק, מכשירים לא פולשניים הנצמדים לקצה האצבע או האוזן. אלה פועלים בדרך כלל באמצעות פוטופלטיסמוגרפיה העברה (PPG), שבה מנתחים את הספיגה של אור אדום ו-IR כדי להבחין בדם מחומצן מדם חסר חמצן. אבל היכולת לפקח על SpO2 מחוץ למרפאה, שימוש במצלמה בסמארטפון יומיומי, יכול לאפשר ליותר אנשים לזהות מצבים הדורשים מעקב רפואי או לעקוב אחר מצבי נשימה מתמשכים.
חוקרים ב אוניברסיטת וושינגטון (UW) ו אוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו הראו כעת שסמארטפונים יכולים לזהות רמות רוויה של חמצן בדם עד ל-70%. דיווח על ממצאיהם ב npj רפואה דיגיטלית, הם מציינים שהדבר הושג באמצעות מצלמות סמארטפונים ללא שינויי חומרה, על ידי אימון של רשת עצבית קונבולוציונית (CNN) לפענוח מגוון רחב של רמות חמצן בדם.
במחקר הוכחת עקרונות, החוקרים השתמשו בהליך שנקרא חמצן בהשראת חלקי מגוונים (FiO2), שבו הנבדק נושם תערובת מבוקרת של חמצן וחנקן, כדי להפחית לאט את ה-SpO שלהם2 רמות מתחת ל-70% - הערך הנמוך ביותר שאוקסימטרי דופק צריכים להיות מסוגלים למדוד, כפי שהומלץ על ידי מנהל המזון והתרופות האמריקאי. הם השתמשו בנתונים שהתקבלו כדי לאמן את אלגוריתם הלמידה העמוקה מבוסס CNN.
"אפליקציות אחרות לסמארטפונים פותחו על ידי בקשה מאנשים לעצור את נשימתם. אבל אנשים מרגישים מאוד לא בנוח וצריכים לנשום אחרי דקה בערך, וזה עוד לפני שרמות החמצן בדם שלהם ירדו מספיק כדי לייצג את כל מגוון הנתונים הרלוונטיים מבחינה קלינית", מסביר המחבר הראשון ג'ייסון הופמן, דוקטורנט של UW, בהצהרה לעיתונות. "עם המבחן שלנו, אנחנו יכולים לאסוף 15 דקות של נתונים מכל נבדק. הנתונים שלנו מראים שסמארטפונים יכולים לעבוד היטב בדיוק בטווח הסף הקריטי".
הופמן ועמיתיו בדקו שישה מתנדבים בריאים. כל משתתף עבר FiO מגוון2 במשך 13-19 דקות, שבמהלכן החוקרים רכשו יותר מ-10,000 קריאות של רמת חמצן בדם בין 61% ל-100%. לצד זאת, הם השתמשו באוקסימטרים דופק ייעודיים כדי להקליט נתוני אמת קרקע באמצעות PPG שידור.
כדי לבצע אוקסימטריה בסמארטפון, המשתתף מניח את אצבעו מעל המצלמה והפלאש של סמארטפון. המצלמה מתעדת תגובות באמצעות רפלקציית PPG - מודדת כמה אור מהפלאש הדם סופג בכל אחת מהערוץ האדום, הירוק והכחול. לאחר מכן החוקרים הזינו את מדידות האינטנסיביות הללו לתוך מודל הלמידה העמוקה, תוך שימוש בארבעה נתונים של נבדקים כמערך האימונים ואחד לצורך אימות ואופטימיזציה של המודל. לאחר מכן הם מעריכים את המודל המאומן על פי הנתונים של הנבדק שנותר.
כאשר מאומנים על פני מגוון רלוונטי קלינית של SpO2 רמות (70-100%) מה-FiO המגוונים2 במחקר, ה-CNN השיג שגיאה מוחלטת ממוצעת של 5.00% בחיזוי SpO של נבדק חדש2 רָמָה. ה-R הממוצע2 המתאם בין תחזיות המודל לבין אוקסימטר הדופק הייחוס היה 0.61. שגיאת ה-RMS הממוצעת הייתה 5.55% בכל הנבדקים, גבוה מהתקן של 3.5% הנדרש לאישור מכשירי ה-Reflection Pulse Oximeter לשימוש קליני.
החוקרים מציעים כי במקום פשוט להעריך את SpO2, האוקסימטר של מצלמת הסמארטפון יכול לשמש ככלי למסך לחמצן נמוך בדם. כדי לחקור גישה זו, הם חישבו את דיוק הסיווג של המודל שלהם כדי לציין אם לאדם יש SpO2 רמה מתחת לשלושה ערכי סף: 92%, 90% (בשימוש נפוץ כדי לציין את הצורך בטיפול רפואי נוסף) ו-88%.
בעת סיווג SpO2 רמות מתחת ל-90%, המודל הציג רגישות גבוהה יחסית של 81% וסגוליות של 79%, בממוצע בכל ששת הנבדקים. לסיווג SpO2 מתחת ל-92%, הסגוליות עלתה ל-86%, עם רגישות של 78%.
החוקרים מציינים כי מבחינה סטטיסטית, המחקר אינו מצביע על כך שגישה זו מוכנה לשמש כמכשיר רפואי שניתן להשוות עם מדדי דופק עכשוויים. עם זאת, הם מציינים שרמת הביצועים שנראית ממדגם קטן זה של נבדק מצביע על כך שניתן להגביר את דיוק המודל על ידי רכישת דגימות אימון נוספות.
מצלמת הסמארטפון מודדת את ריכוז הגלוקוז בדם
לדוגמה, לאחד הנבדקים היו יבלות עבות באצבעותיו, מה שהקשה על האלגוריתם לקבוע במדויק את רמות החמצן בדם. "אם היינו מרחיבים את המחקר הזה לנושאים נוספים, סביר להניח שהיינו רואים יותר אנשים עם יבלות ויותר אנשים עם גווני עור שונים", מסביר הופמן. "אז יכול להיות שיש לנו אלגוריתם עם מספיק מורכבות כדי שנוכל לעצב טוב יותר את כל ההבדלים האלה."
הופמן מספר עולם הפיזיקה שלצוות אין תוכניות למסחר מיידית את הטכנולוגיה הזו. "עם זאת, פיתחנו תוכנית בדיקה והצעות מענקים שיאפשרו לנו לבדוק על קבוצה גדולה ומגוונת יותר של נושאים כדי לראות אם מחקר הוכחת העיקרון הזה ניתן לשחזור ומוכן לפיתוח ממוקד מסחרית", הוא אומר. .
