Hypoxemi är ett medicinskt tillstånd när blodet inte bär tillräckligt med syre för att tillföra vävnaderna tillräckligt. Det är en ledande indikator för farliga komplikationer av luftvägssjukdomar som astma, KOL och COVID-19. Medan specialdesignade pulsoximetrar kan leverera exakta blod-syremättnadsvärden (SpO2) som möjliggör hypoxemidiagnos, kan göra denna funktion tillgänglig i omodifierade smartphonekameror via en mjukvaruuppdatering ge fler människor tillgång till viktig information om deras hälsa.
Forskare från University of Washington och Kalifornien San Diego har visat i en proof-of-concept-studie att smartphones kan upptäcka blodsyremättnadsnivåer så låga som 70 %. US Food and Drug Administration rekommenderar att pulsoximetrar kan mäta inte mindre än denna nivå.
Deltagarna i tekniken placerar sina fingrar över smarttelefonens kamera och blixt, som använder en algoritm för djupinlärning för att bestämma blodets syrenivåer. Smarttelefonen identifierade korrekt om en patient hade låga syrenivåer i blodet 80 % av gångerna när teamet gav sex försökspersoner en reglerad dos av kväve och syre för att sänka deras blodsyrenivåer på konstgjord väg.
Medförfattaren Jason Hoffman, en doktorand vid UW vid Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering, sa: "Andra smartphone-appar som gör detta har utvecklats genom att be folk att hålla andan. Men människor blir väldigt obekväma och måste andas efter någon minut innan deras blodsyrenivåer har sjunkit tillräckligt långt för att representera hela skalan av kliniskt relevanta data. Vi kan samla in 15 minuters data från varje ämne med vårt test. Våra data visar att smartphones kan fungera bra inom det kritiska tröskelintervallet."
Kredit: Dennis Wise/University of Washington
Medförfattare Dr Matthew Thompson, professor i familjemedicin vid UW School of Medicine, sa: "På detta sätt kan du ha flera mätningar med din enhet till antingen ingen kostnad eller låg kostnad. Denna information kan sömlöst överföras till en läkarmottagning i en idealisk värld. Detta skulle vara fördelaktigt för telemedicinska möten eller triagesjuksköterskor för att snabbt kunna avgöra om patienter behöver gå till akutmottagningen eller om de kan fortsätta vila hemma och boka tid med sin primärvårdare senare."
Sex individer valdes ut av teamet, vars ålder varierade från 20 till 34: 3 män och tre kvinnor. Medan majoriteten av deltagarna rapporterade att de var kaukasiska, identifierades en individ som afroamerikan.
Varje deltagare var tvungen att bära en vanlig pulsoximeter på ett finger samtidigt som de placerade ett annat finger på samma hand över en smartphonekamera och blixt för att samla in data för att träna och testa algoritmen. Denna inställning fanns samtidigt på båda händerna för varje deltagare.
Seniorförfattaren Edward Wang, som startade detta projekt som en doktorand vid universitetet som studerar el- och datorteknik, sa: "Kameran spelar in en video: Varje gång ditt hjärta slår flyter nytt blod genom den del som är upplyst av blixten."
"Kameran registrerar hur mycket blodet absorberar ljuset från blixten i var och en av de tre färgkanalerna den mäter: röd, grön och blå."
Varje deltagare andades in en kontrollerad blandning av syre och kväve för att gradvis sänka syrenivåerna. Det tog ungefär 15 minuter att slutföra. Teamet samlade in mer än 10,000 61 syrenivåer i blodet mellan 100 % och XNUMX % för alla sex försökspersoner.
Forskarna tränade en djupinlärningsalgoritm för att extrahera blodets syrenivåer med hjälp av data från fyra deltagare. Den återstående informationen användes för att bekräfta metodens noggrannhet innan den testades på helt nya individer.
Medförfattaren Varun Viswanath, en alumn från UW som nu är doktorand som rådgivits av Wang vid UC San Diego, sa: "Smarttelefonljus kan spridas av alla dessa andra komponenter i ditt finger, vilket betyder att det finns mycket brus i den data som vi tittar på. Djup inlärning är en fördelaktig teknik eftersom den kan se dessa komplexa och nyanserade egenskaper och hjälper dig att hitta mönster som du annars inte skulle kunna se.”
Hoffman sa, "En av våra försökspersoner hade tjocka förhårdnader på fingrarna, vilket gjorde det svårare för vår algoritm att bestämma syrenivåerna i blodet exakt. Om vi utökade denna studie till fler ämnen, skulle vi sannolikt se fler människor med förhårdnader och olika hudtoner. Då skulle vi potentiellt kunna ha en algoritm med tillräckligt komplexitet för att bättre modellera alla dessa skillnader."
Wang sa, "Men detta är ett bra första steg mot att utveckla biomedicinska enheter med hjälp av maskininlärning."
”Det är så viktigt att göra en sådan här studie. Traditionell medicinsk utrustning genomgår rigorösa tester. Men datavetenskaplig forskning har precis börjat gräva tänderna i maskininlärning för utveckling av biomedicinsk utrustning, och vi lär alla fortfarande. Genom att tvinga oss själva att vara rigorösa tvingar vi oss själva att lära oss hur man gör saker rätt.”
Tidskriftsreferens:
- Hoffman, JS, Viswanath, VK, Tian, C. et al. Smartphonekameraoximetri i en inducerad hypoxemistudie. npj Siffra. Med. 5, 146 (2022). DOI: 10.1038 / s41746-022-00665-y
