היפוקסמיה היא מצב רפואי כאשר הדם אינו נושא מספיק חמצן כדי לספק את הרקמות בצורה מספקת. זהו אינדיקטור מוביל לסיבוכים מסוכנים של מחלות בדרכי הנשימה כמו אסטמה, COPD ו-COVID-19. בעוד שמדדי דופק שתוכננו במיוחד יכולים לספק קריאות מדויקות של רווית חמצן בדם (SpO2) המאפשרות אבחון היפוקסמיה, הפיכת יכולת זו לזמינה במצלמות סמארטפונים ללא שינוי באמצעות עדכון תוכנה יכולה לספק ליותר אנשים גישה למידע חיוני בנוגע לבריאותם.
מדענים מה- אוניברסיטת וושינגטון ו סן דייגו בקליפורניה הוכיחו במחקר הוכחת מושג שסמארטפונים יכולים לזהות רמות ריווי חמצן בדם נמוכות עד 70%. מינהל המזון והתרופות האמריקאי מייעץ שדופק אוקסימטרים מסוגלים למדוד לא פחות מרמה זו.
המשתתפים בטכניקה מניחים את אצבעותיהם מעל המצלמה והפלאש של הסמארטפון, המשתמש באלגוריתם למידה עמוקה כדי לקבוע את רמות החמצן בדם. הסמארטפון זיהה נכון אם למטופל היה רמות חמצן נמוכות בדם ב-80% מהזמן, כאשר הצוות נתן לשישה נבדקים מינון מוסדר של חנקן וחמצן כדי להוריד את רמות החמצן בדם באופן מלאכותי.
הסופר הראשי ג'ייסון הופמן, דוקטורנט באוניברסיטת UW בבית הספר למדעי המחשב והנדסת המחשב פול ג'י אלן, אמר, "אפליקציות סמארטפונים אחרות שעושות זאת פותחו על ידי בקשה מאנשים לעצור את נשימתם. אבל אנשים מרגישים מאוד לא בנוח וצריכים לנשום אחרי דקה לערך לפני שרמות החמצן בדם שלהם ירדו מספיק כדי לייצג את כל מגוון הנתונים הרלוונטיים מבחינה קלינית. אנחנו יכולים לאסוף 15 דקות של נתונים מכל נושא במבחן שלנו. הנתונים שלנו מראים שסמארטפונים יכולים לעבוד היטב בטווח הסף הקריטי".
קרדיט: דניס וייז/אוניברסיטת וושינגטון
מחבר שותף ד"ר מתיו תומפסון, פרופסור לרפואת משפחה בבית הספר לרפואה של UW, אמר, "בדרך זו תוכל לבצע מספר מדידות עם המכשיר שלך ללא עלות או עלות נמוכה. מידע זה יכול להיות מועבר בצורה חלקה אל משרדו של רופא בעולם אידיאלי. זה יהיה מועיל עבור פגישות טלרפואה או אחיות טריאז' כדי לקבוע במהירות אם מטופלים צריכים ללכת למיון או אם הם יכולים להמשיך לנוח בבית ולקבוע תור עם המטפל העיקרי שלהם מאוחר יותר."
שישה אנשים נבחרו על ידי הצוות, שגילם נע בין 20 ל-34: 3 גברים ושלוש נשים. בעוד שרוב המשתתפים דיווחו שהם קווקזיים, אדם אחד זוהה כאפריקאי אמריקאי.
כל משתתף נדרש לענוד אוקסימטר דופק רגיל על אצבע אחת תוך הנחת אצבע נוספת על אותה יד מעל מצלמת סמארטפון ופלאש כדי לאסוף נתונים לאימון ובדיקת האלגוריתם. הגדרה זו הייתה קיימת במקביל בשתי הידיים עבור כל משתתף.
הסופר הבכיר אדוארד וואנג, שהתחיל את הפרויקט הזה כדוקטורנט של UW שלומד הנדסת חשמל ומחשבים, אמר, "המצלמה מקליטה סרטון: בכל פעם שהלב שלך פועם, דם טרי זורם דרך החלק המואר על ידי הפלאש."
"המצלמה מתעדת כמה הדם הזה סופג את האור מהפלאש בכל אחד משלושת ערוצי הצבע שהיא מודדת: אדום, ירוק וכחול."
כל משתתף שאף תערובת מבוקרת של חמצן וחנקן כדי להוריד את רמות החמצן בהדרגה. זה לקח בערך 15 דקות כדי להשלים. הצוות אסף יותר מ-10,000 ערכי רמת חמצן בדם בין 61% ל-100% עבור כל ששת הנבדקים.
המדענים אימנו אלגוריתם למידה עמוקה כדי לחלץ את רמות החמצן בדם באמצעות נתונים מארבעה משתתפים. המידע הנותר נוצל כדי לאשר את דיוק השיטה לפני בדיקתה על אנשים חדשים לגמרי.
הסופר הראשי ורון ויסוואנאת, בוגר UW שכיום הוא דוקטורנט על ידי וואנג באוניברסיטת סן דייגו, אמר, "אור הסמארטפון יכול להתפזר על ידי כל הרכיבים האחרים האלה באצבע שלך, מה שאומר שיש הרבה רעש בנתונים שאנחנו מסתכלים עליהם. למידה עמוקה היא טכניקה מועילה מכיוון שהיא יכולה לראות את התכונות המורכבות והניואנסיות הללו ועוזרת לך למצוא דפוסים שאחרת לא הייתם יכולים לראות."
הופמן אמר, "לאחד מהנבדקים שלנו היו יבלות עבות באצבעותיו, מה שהקשה על האלגוריתם שלנו לקבוע במדויק את רמות החמצן בדם. אם נרחיב את המחקר הזה לנושאים נוספים, סביר להניח שנראה יותר אנשים עם יבלות וגווני עור שונים. אז יכול להיות שיש לנו אלגוריתם עם מספיק מורכבות כדי לדגמן טוב יותר את כל ההבדלים האלה."
וואנג אמר, "אבל, זהו צעד ראשון טוב לקראת פיתוח מכשירים ביו-רפואיים בסיוע למידת מכונה."
"זה כל כך חשוב לעשות מחקר כזה. מכשור רפואי מסורתי עובר בדיקות קפדניות. אבל מחקר מדעי המחשב רק מתחיל לחפור בו שיניים למידת מכונה לפיתוח מכשירים ביו-רפואיים, וכולנו עדיין לומדים. בכך שאנחנו מכריחים את עצמנו להיות קפדניים, אנחנו מאלצים את עצמנו ללמוד איך לעשות דברים כמו שצריך".
עיון ביומן:
- Hoffman, JS, Viswanath, VK, Tian, C. et al. אוקסימטריה של מצלמת סמארטפון במחקר היפוקסמיה מושרה. npj ספרה. Med. 5, 146 (2022). DOI: 10.1038 / s41746-022-00665-y
