Fjernpulssensorer kan være forspændt mod mørkere hud. UCLA-teamet tilbyder løsning

Efterhånden som telemedicin er blevet mere populært, er det også blevet til enheder, der gør det muligt for folk at måle deres vitale tegn hjemmefra og overføre resultaterne via computer til deres læger. Alligevel har det i mange tilfælde vist sig at være en vedvarende udfordring at opnå nøjagtige fjernaflæsninger for farvede mennesker.

Tag f.eks. fjernmålinger af puls, som er afhængige af, at et kamera registrerer subtile ændringer i farven på en patients ansigt forårsaget af fluktuationer i blodstrømmen under huden. Disse enheder, som er en del af en spirende klasse af fjernteknologier, har konsekvent problemer med at læse farveændringer hos mennesker med mørkere hudtoner, sagde Achuta Kadambi, en assisterende professor i elektro- og computerteknik ved UCLA Samueli School of Engineering.

Kadambi og hans team har nu udviklet en fjerndiagnoseteknik, der overvinder denne implicitte skævhed mod mørkere hud og samtidig gør pulsmålinger mere nøjagtige for patienter på tværs af hele spektret af hudfarver. Deres hemmelighed? Kombination af de lysbaserede målinger af et kamera med radiobaserede målinger fra radar.

Forskerne præsenterede deres resultater, som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet ACM Transactions on Graphics , på SIGGRAPH 2022-konferencen i Vancouver, British Columbia. Konferencen, der afholdes både virtuelt og personligt, arrangeres årligt af medlemmer af Association for Computing Machinery.

Fremskridtet kan føre til nye klasser af højtydende medicinsk udstyr og fjernteknologier, der er mere nøjagtige og retfærdige, sagde forskerne, som gør det muligt for læger og sundhedssystemer at fjernovervåge patienter med tillid, både i kliniske omgivelser og fra patienternes hjem.

"I det større billede viser dette arbejde, at praktiske og innovative tekniske løsninger kan adressere vedvarende skævheder i medicinsk udstyr," sagde Kadambi, som også er medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA. "Men det kræver først en anerkendelse af, at en sådan skævhed betyder, at den nuværende bedste teknologi måske ikke er den bedste for alle. Gennem gennemtænkt design kan vi finde retfærdige løsninger, der yder lige så godt eller bedre."

UCLA-teamets sammensmeltning af to teknikker viser en lovende vej mod at nå disse mål, sagde Kadambi, som også er assisterende professor i datalogi og hovedefterforsker i forskningen. Som leder af Visual Machines Group ved UCLA har han skrevet om forskellige typer af skævheder i medicinsk udstyr, og hvordan man løser dem.

Ved udviklingen af ​​deres nye teknologi viste forskerne først, at selve fjernmålingsenheden var kilden til skævheden, og demonstrerede i deres papir, at højere niveauer af melanin, naturlige pigmenter i huden, forstyrrer det, der er kendt som fotoplethysmografi eller PPG , signal, der bruges i aktuelle kamerabaserede fjernpulsmålinger.

PPG-signalering bruges også til at måle puls gennem enheder som pulsoximetre, der klemmer på en patients finger, samt nogle bærbare kommercielle produkter og smartwatch-drevne apps. Disse enheder udsender lys på huden og registrerer ændringer i mængden af ​​lys, der reflekteres tilbage af cirkulerende blod lige under overfladen. Det reflekterede lys producerer PPG-signalet, et mål for en patients hjertefrekvens.

Tidligere bestræbelser på at imødegå skævheder i hudtoner i sådanne teknologier har generelt set ud til at rette op på dem gennem yderligere programmering eller ved at udvide standardstandarderne ved at bruge et mere varieret udvalg af hudfarver. Men ingen af ​​disse tilgange er rettet mod det egentlige problem, sagde Kadambi, som er selve enhedens fysik.

UCLA-forskerne henvendte sig i stedet til en anden teknologi, der kan give et estimat af puls:radar. Ved 77 gigahertz kan radaren registrere subtile ændringer i brystets forskydning fra hjerteslag. Og selvom denne metode overvinder problemet med hudtonebias, er den mindre pålidelig end PPG-signalering. Men de fik succes ved at kombinere disse to forskellige sansningsmåder – kamera og radar – og forfine dem gennem maskinlæring til at fungere sammen.

I test med 91 personer påviste forskerne, at deres kamera-radar-system udkonkurrerer kamera-baseret fjernbetjening PPG i både målenøjagtighed og retfærdighed på tværs af en bred vifte af hudfarver.

"Multimodal fjernsundhedspleje har potentialet til at gøre enheder mere retfærdige, ikke kun på tværs af hudtoner, men på tværs af en række forskellige egenskaber, såsom kropsmasseindeks, køn og forskellige sundhedstilstande," sagde Alexander Vilesov, en UCLA-studerende i el- og computeringeniør. og en co-lead forfatter af papiret. "De fleste af disse aspekter er ikke blevet grundigt undersøgt, og en del af vores fremtidige forskning søger at forstå sådanne skævheder."

Forskerne foreslog, at sådanne retfærdighedsbaserede forbedringer kunne foretages af andre typer teknologier, såsom termiske, akustiske, nær-infrarøde og lyspolarisationssensorer.

"Covid-19-pandemien afslørede, at der er behov for nye teknologier for at tillade læger og plejeteams at fjernovervåge deres patienter," sagde undersøgelsens medforfatter Dr. Laleh Jalilian, en klinisk assisterende professor i anæstesiologi og perioperativ medicin ved UCLA Health. "Et centralt fokus fra begyndelsen af ​​vores samarbejde var at udvikle medicinsk teknologi, der yder retfærdigt og med høj nøjagtighed på tværs af patienter med forskellige hudtoner, da dette vil give læger tillid til, at de kan træffe medicinske beslutninger af høj kvalitet."

UCLA el- og computeringeniørstuderende Pradyumna Chari og Adnan Armouti er også co-lead forfattere af papiret. Andre papirforfattere, alle medlemmer af Visual Machines Group, er UCLA el- og computeringeniørstuderende Anirudh Bindiganavale Harish, Kimaya Kulkarni og Ananya Deoghare. + Udforsk yderligere

Hvor nøjagtige er hjertedata fra smartwatch? Det afhænger af din hudfarve