Когда мы вдыхаем, легкие наполняются кислородом, который насыщает эритроциты и разносится по всему телу. Организм нуждается в большом количестве кислорода, чтобы функционировать, и кровь здоровых людей все время имеет сатурацию не ниже 95%.

Такие состояния как астма или COVID-19 затрудняют поглощение организмом кислорода из легких. Это приводит к тому, что сатурация падает до 90% или ниже, и тогда человек нуждается в медицинской помощи.

Врачи контролируют насыщение крови кислородом с помощью пульсоксиметров — зажимов, которые надевают на кончик пальца или ухо. Мониторинг сатурации крови дома несколько раз в день может помочь пациентам следить, например, за симптомами COVID.

В экспериментальном исследовании, проведенном учеными Вашингтонского университета и Калифорнийского университета в Сан-Диего, было показано, что смартфоны способны определять уровень насыщения крови кислородом даже при таких низких показателях как 70%. Это наименьшее значение, которое должны измерять пульсоксиметры в соответствии с рекомендациями Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.

Ученые разработали новый метод: нужно поместить палец на камеру и вспышку смартфона, который использует алгоритм глубокого обучения для расшифровки уровня кислорода в крови. Во время эксперимента шестеро испытуемых получили контролируемую смесь азота с кислородом, чтобы искусственно снизить сатурацию, — и в 80% случаев искусственный интеллект в смартфоне оценил показатели правильно.

"Другие измеряющие сатурацию приложения для смартфонов, разработаны так, что людям нужно задерживать дыхание. Но они чувствуют себя очень некомфортно и начинают дышать уже через минуту или около того — до того, как уровень кислорода в крови упадет настолько, чтобы представить полный диапазон клинически значимых данных, — сказал соавтор исследования докторант Вашингтонского университета Джейсон Хоффман. — Наши данные показывают, что смартфоны могут хорошо работать в диапазоне критических порогов".

Еще одно преимущество измерения уровня кислорода в крови при помощисмартфона в том, что он есть почти у каждого.

"Таким образом, с помощью собственного устройства уровень кислорода в крови можно измерять часто. И это будет либо  бесплатно, либо по низкой цене, — сказал соавтор доктор Мэтью Томпсон, профессор семейной медицины в Медицинской школе Университета Вашингтона. — В идеальном мире эта информация могла бы сразу передаваться врачу".

В исследовании приняли участие шесть человек в возрасте от 20 до 34 лет. Каждому из них надели стандартный пульсоксиметр на один палец, а другой палец той же руки попросили поместить на камеру и вспышку смартфона.

Участник вдыхал контролируемую смесь кислорода и азота, чтобы медленно снизить сатурацию. Процесс занял около 15 минут. В результате ученые получили более 10 000 показаний уровня кислорода в крови от 61% до 100%.

"Камера записывает видео: каждый раз, когда ваше сердце бьется, кровь протекает через освещенную вспышкой часть, — сказал старший автор исследования Эдвард Ван. — Камера записывает, как кровь поглощает свет от вспышки в каждом из трех измеряемых цветовых каналов: красном, зеленом и синем. Затем показатели передаются в модель глубокого обучения".

"У одного из испытуемых были толстые мозоли на пальцах, из-за чего алгоритму было сложнее точно определить уровень кислорода в их крови, — сказал Хоффман. — Если бы мы расширили это исследование на большее количество субъектов, мы, вероятно, увидели бы больше людей с мозолями и больше людей с разными оттенками кожи. Тогда у нас потенциально мог бы быть алгоритм достаточной сложности, чтобы лучше моделировать все эти различия".

Команда опубликовала эти результаты 19 сентября в npj Digital Medicine.