当血液不能携带足够的氧气来充分供应组织时，低氧血症是一种医学状况。 它是哮喘、慢性阻塞性肺病和 COVID-19 等呼吸系统疾病危险并发症的领先指标。 虽然专门设计的脉搏血氧仪可以提供精确的血氧饱和度 (SpO2) 读数，从而可以诊断低氧血症，但通过软件更新在未经修改的智能手机摄像头中提供这种功能可以让更多人获得有关其健康的重要信息。
科学家从 University of Washington 和 加州圣地亚哥 在一项概念验证研究中证明，智能手机可以检测到低至 70% 的血氧饱和度水平。 美国食品和药物管理局建议脉搏血氧仪的测量能力不低于这个水平。
该技术的参与者将手指放在智能手机的摄像头和闪光灯上，后者利用深度学习算法来确定血氧水平。 智能手机在 80% 的情况下正确识别出患者的血氧水平是否低，而该团队为六名受试者提供了调节剂量的氮和氧，以人为地降低他们的血氧水平。
共同主要作者 Jason Hoffman 是华盛顿大学保罗 G. 艾伦计算机科学与工程学院的博士生，他说， “其他这样做的智能手机应用程序是通过要求人们屏住呼吸来开发的。 但是人们会感到非常不舒服，并且在他们的血氧水平下降到足以代表所有临床相关数据之前一分钟左右必须呼吸。 通过我们的测试，我们可以从每个主题中收集 15 分钟的数据。 我们的数据显示，智能手机可以在临界阈值范围内正常工作。”
图片来源：Dennis Wise/华盛顿大学
合著者、华盛顿大学医学院家庭医学教授 Matthew Thompson 博士说， “通过这种方式，您可以免费或低成本地使用您的设备进行多次测量。 在理想世界中，这些信息可以无缝传输到医生办公室。 这将有利于远程医疗预约或分诊护士快速确定患者是否需要去急诊室，或者他们是否可以继续在家休息并稍后与初级保健提供者预约。”
团队选择了 20 个人，年龄从 34 岁到 3 岁不等：XNUMX 男，XNUMX 女。 虽然大多数参与者报告为高加索人，但有一个人被确定为非裔美国人。
每个参与者都被要求在一个手指上佩戴一个常规的脉搏血氧仪，同时将另一只手指放在同一只手上的智能手机摄像头和闪光灯上，以收集用于训练和测试算法的数据。 这个设置同时出现在每个参与者的双手上。
资深作者 Edward Wang 作为华盛顿大学电气和计算机工程专业的博士生开始了这个项目，他说， “相机正在录制视频：每次你的心脏跳动时，新鲜的血液都会流过闪光灯照亮的部分。”
“相机记录了血液在它测量的三个颜色通道中吸收了多少来自闪光灯的光：红色、绿色和蓝色。”
每个参与者吸入受控的氧气和氮气混合物，以逐渐降低氧气水平。 完成大约需要 15 分钟。 该团队为所有六名受试者收集了超过 10,000 个介于 61% 和 100% 之间的血氧水平值。
科学家们训练了一种深度学习算法，利用四名参与者的数据提取血氧水平。 在对全新的个体进行测试之前，剩余的信息用于确认该方法的准确性。
共同主要作者 Varun Viswanath 是华盛顿大学的校友，现在是加州大学圣地亚哥分校的 Wang 建议的博士生，他说， “智能手机的光线会被手指中的所有这些其他组件散射，这意味着我们正在查看的数据中有很多噪音。 深度学习是一种有益的技术，因为它可以看到这些复杂而细微的特征，并帮助您找到原本无法看到的模式。”
霍夫曼说， “我们的一个受试者的手指上有厚厚的老茧，这使得我们的算法更难准确地确定他们的血氧水平。 如果我们将这项研究扩大到更多受试者，我们可能会看到更多有老茧和不同肤色的人。 然后我们就有可能拥有一个足够复杂的算法来更好地模拟所有这些差异。”
王说， “但是，这是朝着开发机器学习辅助的生物医学设备迈出的良好的第一步。”
“做这样的研究非常重要。 传统的医疗器械经过严格的测试。 但是计算机科学研究才刚刚开始深入研究 机器学习 对于生物医学设备的开发，我们都还在学习。 通过强迫自己变得严谨，我们也在强迫自己学习如何正确地做事。”
杂志参考：
- Hoffman, JS, Viswanath, VK, Tian, C. 等。 诱导性低氧血症研究中的智能手机相机血氧测定。 npj 数字。 医学. 5, 146 (2022)。 DOI： 10.1038 / s41746-022 - 00665-Y
