혈액 산소 포화도(SpO2), 산소를 운반하는 혈액 내 헤모글로빈의 비율은 심혈관 기능의 중요한 척도입니다. 건강한 사람에게는 SpO가 있습니다2 대략 95% 이상이지만 천식, 만성폐쇄성폐질환, 폐렴, 코로나19 등 호흡기 질환으로 인해 이 수치가 크게 떨어질 수 있습니다. 그리고 만약 SpO2 90% 미만으로 떨어지면 더 심각한 심폐 질환의 징후일 수 있습니다.
의사는 일반적으로 SpO를 측정합니다.2 맥박 산소 측정기, 손가락 끝이나 귀에 고정하는 비침습적 장치를 사용합니다. 이는 일반적으로 투과율 광용적맥파측정(PPG)을 통해 작동합니다. PPG에서는 적색광과 IR 광의 흡수를 분석하여 산소가 공급된 혈액과 산소가 제거된 혈액을 구별합니다. 하지만 SpO를 모니터링하는 기능은2 진료소 밖에서 일상적인 스마트폰에 있는 카메라를 사용하면 더 많은 사람들이 의학적 후속 조치가 필요한 상황을 감지하거나 진행 중인 호흡 상태를 추적할 수 있습니다.
연구원 워싱턴 대학 (UW) 및 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스 이제 스마트폰은 혈액 산소 포화도를 70%까지 감지할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 결과 보고 npj 디지털 의학, 그들은 하드웨어 수정 없이 스마트폰 카메라를 사용하여 CNN(컨볼루션 신경망)을 훈련시켜 광범위한 혈액 산소 수준을 해독함으로써 이를 달성했다고 지적합니다.
원리 증명 연구에서 연구원들은 다양한 분율 흡기 산소(FiOXNUMX)라는 절차를 사용했습니다.2), 피험자는 산소와 질소의 조절된 혼합물을 호흡하여 SpO를 천천히 감소시킵니다.2 70% 미만으로 수치를 낮추십시오. 이는 미국 식품의약국(FDA)에서 권장하는 맥박 산소 측정기가 측정할 수 있는 가장 낮은 값입니다. 그들은 결과 데이터를 사용하여 CNN 기반 딥러닝 알고리즘을 훈련했습니다.
“다른 스마트폰 앱은 사람들에게 숨을 참으라고 요청하여 개발되었습니다. 그러나 사람들은 매우 불편해하고 XNUMX분 정도 지나면 숨을 쉬어야 하며, 이는 혈중 산소 수치가 임상적으로 관련된 모든 데이터를 나타낼 수 있을 만큼 충분히 낮아지기 전입니다.”라고 제XNUMX 저자는 설명합니다. 제이슨 호프만, 언론 성명에서 UW 박사 과정 학생. “테스트를 통해 각 주제에서 15분의 데이터를 수집할 수 있습니다. 우리 데이터에 따르면 스마트폰은 임계 임계값 범위에서 제대로 작동할 수 있습니다.”
Hoffman과 동료들은 XNUMX명의 건강한 지원자를 조사했습니다. 각 참가자는 다양한 FiO를 받았습니다.2 13~19 분 동안 연구원들은 10,000%~61% 사이에서 100개 이상의 혈중 산소 수치 판독값을 획득했습니다. 이와 함께 그들은 투과율 PPG를 통해 실측 데이터를 기록하기 위해 특별히 제작된 맥박 산소 측정기를 사용했습니다.
스마트폰 산소 측정을 수행하기 위해 참가자는 스마트폰의 카메라와 플래시 위에 손가락을 놓습니다. 카메라는 반사율 PPG를 통해 반응을 기록합니다. 이는 혈액이 빨간색, 녹색 및 파란색 채널 각각에서 플래시의 빛을 얼마나 흡수하는지 측정합니다. 그런 다음 연구원들은 XNUMX명의 피험자의 데이터를 훈련 세트로 사용하고 XNUMX개의 데이터를 검증 및 모델 최적화용으로 사용하여 이러한 강도 측정값을 딥러닝 모델에 입력했습니다. 그런 다음 나머지 대상의 데이터에 대해 훈련된 모델을 평가합니다.
임상적으로 관련된 SpO 범위에 대해 교육을 받은 경우2 다양한 FiO 수준(70~100%)2 연구에 따르면 CNN은 새로운 대상의 SpO를 예측할 때 5.00%의 평균 평균 절대 오차를 달성했습니다.2 수준. 평균 R2 모델 예측과 기준 맥박 산소 측정기 간의 상관 관계는 0.61이었습니다. 모든 피험자에 대한 평균 RMS 오류는 5.55%였으며, 이는 반사형 맥박 산소 측정기 장치가 임상용으로 승인되는 데 필요한 표준 3.5%보다 높았습니다.
연구자들은 단순히 SpO를 추정하는 것보다2, 스마트폰 카메라 산소 측정기는 낮은 혈액 산소 농도를 검사하는 도구로 사용될 수 있습니다. 이 접근 방식을 탐색하기 위해 그들은 개인에게 SpO가 있는지 여부를 나타내는 모델의 분류 정확도를 계산했습니다.2 세 가지 기준점 미만 수준: 92%, 90%(추가 의료 조치가 필요함을 나타내는 데 일반적으로 사용됨) 및 88%.
SpO를 분류할 때2 90% 이하의 수준에서 모델은 81명의 피험자 전체에 걸쳐 평균 79%의 상대적으로 높은 민감도와 XNUMX%의 특이도를 나타냈습니다. SpO 분류용2 92% 미만에서는 특이도가 86%, 민감도가 78%로 증가했습니다.
연구원들은 통계적으로 이 연구가 이 접근 방식이 현재 맥박 산소 측정기와 비교할 수 있는 의료 기기로 사용될 준비가 되어 있지 않다는 점을 지적합니다. 그러나 그들은 이 작은 테스트 대상 샘플에서 볼 수 있는 성능 수준은 더 많은 훈련 샘플을 획득하면 모델 정확도가 향상될 수 있음을 나타냅니다.
스마트폰 카메라로 혈당 농도 측정
예를 들어, 피험자 중 한 명은 손가락에 두꺼운 굳은 살이 있어서 알고리즘이 혈액 산소 수준을 정확하게 결정하는 것을 더 어렵게 만들었습니다. Hoffman은 “이 연구를 더 많은 대상으로 확장한다면 굳은살이 있는 사람과 피부색이 다른 사람을 더 많이 볼 수 있을 것입니다.”라고 설명합니다. "그러면 잠재적으로 이러한 모든 차이점을 더 잘 모델링할 수 있을 만큼 충분히 복잡한 알고리즘을 갖게 될 수 있습니다."
호프만은 말한다 물리 세계 연구팀은 이 기술을 즉시 상용화할 계획이 없다고 밝혔습니다. "그러나 우리는 이 원리 증명 연구가 재현 가능하고 상업적으로 초점을 맞춘 개발에 잠재적으로 준비가 되었는지 확인하기 위해 더 크고 다양한 주제 그룹을 테스트할 수 있는 테스트 계획과 보조금 제안을 개발했습니다."라고 그는 말합니다. .
