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2023-01-31
手指按住閃光燈，普通手機也能測血氧！華盛頓大學等開源新數(shù)據(jù)集
更新時間：2022-12-04 13:46:24作者：智慧百科
明敏 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
打開手機閃光燈，手指按上去，血氧飽和輕松測！
測量的濃度范圍還進一步擴大到了70%。
要知道，血氧指數(shù)70%是一個重要的警戒線，如果低于這一數(shù)值，往往意味著需要住院治療。
而目前市面上智能手表、手機能監(jiān)測的范圍，基本都在80%以上，對于判斷人體真正的健康情況會有所限制。
并且新方法的準確率也還不錯。
在超過1萬次實驗中，該方法80%的情況下可以分辨出測試者是否處于低血氧水平。
目前該研究已登上Nature合作期刊《NPJ Digital Medicine》，研究數(shù)據(jù)集也已對外開源。
利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡
該實驗大致可分為兩部分。
第一，通過這種特殊方式收集大量數(shù)據(jù)，訓練一個深度學習模型。
第二，再用訓練好的模型來進行測試。
先來看收集數(shù)據(jù)的部分。
研究人員找來6位受試者進行試驗。
通過讓他們吸入不同濃度的氧氣，來改變其血氧濃度水平。
通訊作者杰森·霍夫曼（Jason S. Hoffman）表示，這和以往讓受試者屏住呼吸來控制血氧濃度方法有很大不同，它不光讓受試者不能那么難受，還能對每個測試者一次收集長達15分鐘的數(shù)據(jù)。
然后同時用智能手機和普通血氧儀來監(jiān)測數(shù)據(jù)。
其中，普通脈搏血氧儀利用的是透射式PPG，手機用的是反射式PPG。
PPG（光電容積脈搏波法）是最常見的無創(chuàng)測血氧濃度方法，它主要利用的是光照射人體皮膚后，皮下動脈由于不同血氧蛋白含量比例不同，對光的吸收有變化，而這種光線的變化可以進一步轉(zhuǎn)化為電信號。
對于反射式PPG，當閃光燈產(chǎn)生入射光，經(jīng)過人體皮下組織、微靜脈、微動脈，多次散射后，一部分光信號重新返回到皮膚表面，就是將這部分光信號被轉(zhuǎn)換為電流信號。
收集到數(shù)據(jù)后，研究人員在通過一個應用程序來提取視頻中30幀以上的片段。
（為了保證錄到的視頻最好都在30幀以上，研究人員還給手機綁了冰袋散熱）
然后就能開始訓練神經(jīng)網(wǎng)絡了。
利用CNN機器學習模型，他們設計并訓練了一個由3個卷積層和2個全連接層組成的神經(jīng)網(wǎng)絡。
通過數(shù)據(jù)預處理后，可以通過計算每幀畫面的平均像素值，提取每個通道的PPG信號，然后再做平均。
通過Leave-One-Out 交叉驗證(LOOCV)進行訓練和評估，用1個受試者的數(shù)據(jù)作為訓練集，1個受試者的數(shù)據(jù)作為驗證集，然后再在另一個受試者身上測試模型。
模型的輸入是一段3秒長的視頻，輸出是血氧飽和濃度。
測試結(jié)果顯示，該模型在受試者4身上的效果最好，靈敏度達到88%，特異度為78%。88%的情況下可以準確判斷出低血氧。
數(shù)據(jù)集已開放
目前，該研究的數(shù)據(jù)集已免費開源。
研究人員表示，想要通過普通智能手機準確測血氧濃度，還需要更多數(shù)據(jù)支撐，當前實驗結(jié)果也不能用于醫(yī)療用途。
比如實驗中就發(fā)現(xiàn)，受試者膚色、手上是否有老繭等，都可能影響檢測結(jié)果的準確性。
僅有6個測試對象，樣本也十分小，可能產(chǎn)生實驗偏差。
因此，還需要更多人來完善、豐富這一類數(shù)據(jù)。
論文通訊作者及第一作者為杰森·霍夫曼（Jason Hoffman），他現(xiàn)在在華盛頓大學讀博，研究方向為醫(yī)療和計算機交叉領域。
之前還在微軟硬件開發(fā)部門有過工作經(jīng)驗。
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41746-022-00665-y
參考鏈接：
https://www.zmescience.com/medicine/a-simple-smartphone-camera-and-app-could-be-enough-to-measure-your-blood-oxygen-levels-at-home/