遠程心率傳感器可能會偏向于深色皮膚

隨著遠程醫療變得越來越流行，允許人們在家中測量生命體征并將結果通過計算機傳輸給醫生的設備也越來越流行。然而，在許多情況下，為有色人種獲取準確的遠程讀數已被證明是一項持久的挑戰。

以遠程心率測量為例，它依賴于攝像頭感知患者面部顏色的細微變化，這些變化是由皮膚下血液流動的波動引起的。加州大學洛杉磯分校Samueli工程學院電氣和計算機工程助理教授AchutaKadambi說，這些設備是新興的遠程技術類別的一部分，始終難以識別膚色較深的人的顏色變化。

Kadambi和他的團隊現在已經開發出一種遠程診斷技術，可以克服這種對深色皮膚的隱含偏見，同時還可以使各種膚色的患者的心率讀數更加準確。他們的秘密?將相機的基于光的測量與雷達的基于無線電的測量相結合。

研究人員在不列顛哥倫比亞省溫哥華舉行的SIGGRAPH2022會議上展示了他們最近發表在ACMTransactionsonGraphics雜志上的研究結果。該會議由計算機協會的成員每年組織一次，以虛擬方式和面對面方式舉行。

研究人員表示，這一進步可能會導致新類別的高性能醫療設備和更準確、更公平的遠程技術，使醫生和醫療保健系統能夠自信地遠程監控患者，無論是在臨床環境中還是在患者家中。

“從更大的角度來看，這項工作表明實用和創新的工程解決方案可以解決醫療設備中持續存在的偏見，”同時也是加州大學洛杉磯分校加州納米系統研究所成員的Kadambi說。“但這首先需要承認這種偏見意味著當前最好的技術可能并不適合所有人。通過深思熟慮的設計，我們可以找到性能相同或更好的公平解決方案。”

Kadambi說，加州大學洛杉磯分校團隊將兩種技術融合在一起，為實現這些目標提供了一條有希望的道路，他也是計算機科學助理教授和該研究的首席研究員。作為加州大學洛杉磯分校視覺機器組的負責人，他撰寫了有關醫療設備中不同類型的偏見以及如何解決這些偏見的文章。

在開發新技術時，研究人員首先表明，遙感設備本身是偏差的來源，在他們的論文中證明，皮膚中較高水平的黑色素(皮膚中的天然色素)會干擾所謂的光體積描記術(PPG)，當前基于攝像頭的遠程心率測量中使用的信號。

PPG信號還用于通過諸如夾在患者手指上的脈搏血氧計等設備以及一些可穿戴商業產品和智能手表驅動的應用程序來測量心率。這些設備將光發射到皮膚上，并感知由表面下方的循環血液反射回來的光量的變化。反射光會產生PPG信號，這是衡量患者心率的指標。

以前在此類技術中解決膚色偏差的努力通常是通過額外的編程或通過使用更多樣化的膚色范圍擴展基線標準來糾正它們。但這些方法都沒有針對真正的問題，Kadambi說，這是設備本身的物理特性。

加州大學洛杉磯分校的研究人員轉而使用另一種可以估計心率的技術：雷達。在77GHz時，雷達可以從心跳感知胸部位移的細微變化。雖然這種方法克服了膚色偏差的問題，但它不如PPG信號可靠。然而，他們通過結合這兩種不同的傳感模式——相機和雷達——并通過機器學習改進它們以協同工作，取得了成功。

在對91人進行的測試中，研究人員證明，他們的相機雷達系統在測量精度和對各種膚色的公平性方面都優于基于相機的遠程PPG。

加州大學洛杉磯分校電氣和計算機工程研究生亞歷山大·維列索夫說：“多模式遠程醫療保健有可能使設備不僅在膚色上更公平，而且在各種屬性上更公平，例如體重指數、性別和各種健康狀況。”和該論文的共同主要作者。“這些方面中的大部分都沒有得到徹底的探索，我們未來的部分研究旨在了解這些偏見。”

研究人員建議，可以對其他類型的技術進行這種基于公平的改進，例如熱傳感器、聲學傳感器、近紅外傳感器和光偏振傳感器。

“大流行表明，需要新技術來讓醫生和護理團隊遠程監控他們的病人，”該研究的合著者、加州大學洛杉磯分校健康學院麻醉學和圍手術期醫學臨床助理教授LalehJalilian博士說。“從我們合作之初的一個關鍵焦點就是開發能夠在不同膚色的患者中公平和高精度地執行的醫療技術，因為這將使醫生相信他們可以做出高質量的醫療決策。”

加州大學洛杉磯分校電氣和計算機工程研究生PradyumnaChari和AdnanArmouti也是該論文的共同主要作者。其他論文作者是視覺機器組的所有成員，他們是加州大學洛杉磯分校電氣和計算機工程專業的研究生AnirudhBindiganavaleHarish、KimayaKulkarni和AnanyaDeoghare。