A készülék automatikusan felismeri a bőrszínt és igazodik hozzá, így képes pontosabban mérni a véroxigénszintet, a pulzust és a légzést
Fotó: A ChromaSense véroxigénmérő prototípusa. A készülék a bőrszíntől, az életkortól és egyéb tényezőktől függetlenül képes a pontos véroxigén-szaturációs értékek mérésére.
Tufts Egyetem
Az elmúlt évtizedekben a véroxigénszint-mérő az orvoslás egyik legismertebb eszközévé vált. A beteg egyik ujjára csippentve másodpercek alatt megmutatja a vér oxigéntartalmát, ami az egészségi állapot egyik legalapvetőbb mutatója.
A technológia egyszerű: az eszköz vörös és infravörös fényt bocsát át a szöveteken, azok pedig visszaverődnek; az oxigénben gazdag és az oxigénben szegény hemoglobin eltérően nyeli el a színeket, egy szoftver pedig a beteg egészségi állapotát mérhető értékké alakítja a kapott beérkező fényt.
A probléma abból adódik, hogy a fény nem mindenkinél egyformán halad át, illetve verődik vissza. A bőr pigmentáltságából, a véráramlásból és az életkorból adódó különbségek megváltoztathatják azt a gyenge optikai jelet, amelyre a véroxigénszint-mérők és egyéb, fényt használó hordható mérőeszközök támaszkodnak. Ez azért fontos, mert az oxigénszaturációban bekövetkező apró hiba is jelentős klinikai problémává válhat, különösen akkor, amikor az orvosoknak el kell dönteniük, hogy egy beteg állapota megkívánja-e, hogy oxigénellátásra, kórházi kezelésre vagy intenzív ellátásra szoruljon.
Az, hogy a pulzoximéterek hogyan működnek – vagy éppen nem működnek – a különböző populációkban, már a COVID-járvány elején is hírt tett. A New England Journal of Medicine c. folyóiratban megjelent egyik 2020-as tanulmány megállapította, hogy a megnyugtató véroxigénértékek ellenére a készülékek a fekete bőrszínű betegek akár 17%-ánál veszélyesen téves eredményt mutatott, és valójában rejtett hipoxémiában (veszélyesen alacsony artériás oxigénszint) szenvedtek; ez a téves diagnózis több mint háromszor olyan gyakran fordul elő az esetükben, mint a fehér bőrű betegeknél.
Valencia Koomson, az elektrotechnika és számítástechnika tanszék docense laboratóriumából származó új, hordható rendszer célja éppen az, hogy megoldást jelentsen erre a problémára. Kollégáival együtt egy olyan eszközt fejlesztettek ki, ami széles bőrszín-tartományban képes mérni a vér oxigénszintjét, a pulzusszámot és a légzésszámot.
A ChromaSense névre keresztelt eszköz egy csuklóra rögzíthető, karóra méretű készülékhez van csatlakoztatva, amely a legtöbb, a beteg ujján áthaladó fényt mérő véroxigénszint-mérőtől eltérően a bőrről és a szövetekből visszaverődő fényt méri. Nem abból indul ki, hogy egyetlen fénybeállítás minden felhasználó számára megfelelő; ehelyett először megméri az adott személy bőrének fényvisszaverési profilját, majd ennek megfelelően állítja be a kibocsátott fény erősségét és a visszaverődő fény méréséhez használt jelfeldolgozási paramétereket.
Pontosabb mérés
Az 50 főt számláló, különböző bőrszínű résztvevő bevonásával végzett korábbi tesztek során a ChromaSense a véroxigénszint mérésében a referenciaként szolgáló standard oxigénmérőhöz képest 1,4%-os pontosságot ért el, ami kiválóan illeszkedik az Amerikai Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hivatala (FDA, U.S. Food and Drug Administration) által előírt határértékbe.
A méréseket normál szaturációs szintek mellett végezték. A San Franciscó-i Kaliforniai Egyetem Hipoxia Kutató Laboratóriumában végzett új kutatás során a készüléket még szigorúbb feltételek mellett tesztelték: az oxigénszintet szándékosan és nagyon rövid ideig 70–100%-os szaturációs tartományba csökkentették, majd összehasonlították egy olyan referenciaként szolgáló véroxigénmérővel, amely közvetlenül a vérből méri az értéket, így a kapott eredményt a bőrszín nem befolyásolja.
A vizsgálatban különböző bőrszínű, egészséges felnőtt önkéntesek vettek részt, köztük feketék, ázsiaiak, spanyol származásúad, fehérek és többnemzetiségűek. A ChromaSense oxigénszaturáció-mérésének pontossága a standard referencia-oxigénmérő értékéhez képest 2,87%-on belül maradt, így megfelelt az FDA teljesítményre vonatkozó követelményeinek. A bőrszíntől függő eltérés még alacsonyabb oxigénszintek esetén sem volt megfigyelhető.
A test belsejében zajló folyamatok mérésére használt, fényalapú technológia a fotopletizmográfia (PPG). Alapja egy egyszerű fizikai tény: a test mikroszkopikus erekből álló hálózatában, vagyis a mikroérhálózatban a vér mennyisége minden szívveréssel emelkedik és csökken. Amikor fény éri a szövetet, a visszaverődő fény pulzáló mintázatban emelkedik és csökken, ami az artériás vért jelzi.
A pulzoximetriában a pulzáló hullámforma mérése a vörös és infravörös hullámhosszok eltérő elnyelése alapján történik, és ez az oxigénnel telített és az oxigénnel nem telített hemoglobinszintet jelzi. A bőrben található pigment, a melanin azonban szintén elnyeli és szétszórja a fényt. Sötétebb bőrű emberek esetében a fény nagyobb arányú elnyelése gyengítheti a jelet, vagy torzíthatja az oxigénszaturáció kiszámításához használt arányt.
Koomson szerint a PPG által rögzített adatok „valójában azt mérik, hogy a szív mennyire hatékonyan pumpálja a vért az artériákon keresztül a végtagokba és vissza. A csúcsok közötti távolság a pulzusszámot, a fényelnyelés és -visszaverődés az oxigénszintet jelzi, míg a pulzus amplitúdójának és frekvenciájának lassúbb változási mintázata a légzésszámot mutatja. Mindezek a szív összehúzódásával és ellazulásával járó véráramláshoz kapcsolódnak.”
Ő és kollégái tervei között szerepel az is, hogy a ChromaSense készülékbe vérnyomásmérőt is építenek. „A piacon néhány vállalat megpróbálja a PPG-hullámformák felhasználásával mandzsetta nélküli vérnyomásmérést is megvalósítani, de a betegek közötti eltérések miatt egyes alcsoportok esetében a mérés pontossága akár 40%-ra is csökkenhet” – mondta.
A bőrszín elemzése
A kutatócsoport gépi tanulási modellek alkalmazásával különítette el a bőrszín, az életkor és a nem szerinti alcsoportokat, amikor nagy egészségügyi adatbázisokban található PPG-hullámformákból becsülték a szisztolés és diasztolés vérnyomást, a hullámforma különböző szakaszainak szélességét felhasználva az artériák merevségi szintjének jelzésére.
A csoport 2 315, intenzív osztályon kezelt felnőtt beteg adatait elemezte, és megvizsgálta a modell teljesítményét faji hovatartozás, nem, életkor, valamint ezek kombinációi alapján kialakított alcsoportok tekintetében. A szisztolés és diasztolés vérnyomás becslésének pontosságát 90%-ig terjedőnek jelentették.
„A vérnyomásmérés funkció még nem került be a ChromaSense-be” – hangsúlyozta Koomson –, „de a cél az, hogy a jövőben beépítsük ezt a gépi tanulási modellt a készülékbe.”
Koomson egyszerűen fogalmazta meg a problémát: „Ha olyan modellt tanítunk be, amely a fényjeleket véroxigénszintté, pulzussá vagy vérnyomássá alakítja, de nem gondoskodunk arról, hogy a betanításhoz használt adathalmaz elég sokszínű legyen életkor, faj és nem tekintetében, az befolyásolhatja a modell teljesítményét vagy pontosságát” – mondta. „Egy látszólag jól teljesítő modell jóval kevésbé tűnhet lenyűgözőnek, ha konkrét csoportokra bontjuk.”
