Πανδημία Covid: Τις πρώτες ημέρες της πανδημίας COVID-19, πολλοί άνθρωποι έμαθαν για πρώτη φορά για μια μικρή ιατρική συσκευή που ονομάζεται παλμικό οξύμετρο. Η συσκευή προσαρμόζεται στο άκρο του δακτύλου και μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα μετρά το επίπεδο οξυγόνου στο αίμα ενός ατόμου. Τα παλμικά οξύμετρα αυξήθηκαν σε δημοτικότητα κατά τη διάρκεια της πανδημίας, καθώς όλο και περισσότεροι άνθρωποι ενδιαφέρθηκαν να παρακολουθούν τον εαυτό τους για πτώση των επιπέδων οξυγόνου, ένα σύμπτωμα της COVID-19 που δικαιολογεί άμεση ιατρική φροντίδα.
Ο Jesse Jokerst, καθηγητής νανομηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, διατηρεί επίσης ένα παλμικό οξύμετρο στο εργαστήριό του, αλλά για διαφορετικό λόγο. Το ενδιαφέρον του για τη συσκευή πηγάζει από ένα συγκεκριμένο πρόβλημα που αφορά το δέρμα: τα παλμικά οξύμετρα μπορεί να είναι λιγότερο ακριβή σε σκουρόχρωμες επιδερμίδες.
Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι οι εξετάσεις οξυμετρίας που πραγματοποιούνται σε ασθενείς με σκούρο χρώμα δέρματος -ιδίως σε Ασιάτες, μαύρους και ισπανόφωνους ασθενείς- παράγουν συνήθως ψευδώς υψηλές μετρήσεις οξυγόνου στο αίμα. Ως αποτέλεσμα, αυτοί οι ασθενείς λαμβάνουν συχνά λιγότερο συμπληρωματικό οξυγόνο από ό,τι οι λευκοί ασθενείς που έχουν παρόμοια πραγματικά επίπεδα οξυγόνου στο αίμα.
Το συμπληρωματικό οξυγόνο είναι ζωτικής σημασίας για τη θεραπεία καρδιακών και πνευμονικών παθήσεων που χαρακτηρίζονται από χαμηλά επίπεδα οξυγόνου στο αίμα, όπως η συγγενής καρδιοπάθεια, το πνευμονικό οίδημα και η χρόνια αποφρακτική πνευμονοπάθεια. Περισσότερες μελέτες αποκαλύπτουν ότι η αποτυχία χορήγησης συμπληρωματικού οξυγόνου ή η παντελής έλλειψη αυτών των διαγνώσεων λόγω ανακριβών μετρήσεων του οξυγόνου στο αίμα συμβάλλει στις υπάρχουσες φυλετικές ανισότητες στην υγειονομική περίθαλψη.
Αυτές οι ανακρίβειες προκύπτουν λόγω του τρόπου με τον οποίο τα παλμικά οξύμετρα βασίζονται στο φως για τη μέτρηση των επιπέδων οξυγόνου. Η συσκευή εκπέμπει μια δέσμη φωτός μέσα από το δέρμα και στην κυκλοφορία του αίματος.
Η ποσότητα του φωτός που αντανακλάται στη συσκευή συσχετίζεται με το επίπεδο οξυγόνου στο αίμα ενός ατόμου. Περισσότερο φως που ανιχνεύεται σημαίνει υψηλότερο επίπεδο οξυγόνου στο αίμα στο συγκεκριμένο σημείο.
Αλλά, αν κάτι εμποδίζει αυτό το φως -όπως η μελανίνη, μια χρωστική ουσία στο δέρμα- μπορεί να μειώσει την ακρίβεια της μέτρησης.
Η μελανίνη επηρεάζει την ανάγνωση με δύο τρόπους: εμποδίζει κάποιο φως να διεισδύσει σε βαθύτερους ιστούς και ταυτόχρονα αντανακλά το φως αυτό πίσω στη συσκευή.
Είναι σαν να προσπαθείτε να δείτε τα μάτια ενός ατόμου ενώ φοράει ανακλαστικά γυαλιά ηλίου, εξήγησε ο Jokerst.
Είναι δύσκολο, επειδή τα γυαλιά ηλίου προστατεύουν τα μάτια του ατόμου αντανακλώντας το εισερχόμενο φως και μην αφήνοντας να διαπεράσει τόσο πολύ από αυτό.
“Φανταστείτε τώρα ότι το δέρμα σας είναι σαν αυτά τα γυαλιά ηλίου”, είπε ο Jokerst.
“Όσο πιο σκούρος είναι ο τόνος του δέρματος, τόσο περισσότερη μελανίνη υπάρχει για να μπλοκάρει και να αντανακλά το φως, σαν ένα επιπλέον ζευγάρι γυαλιά ηλίου Περισσότερο φως από το οξύμετρο θα φιλτραριστεί και θα αναπηδήσει πίσω. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια λιγότερο ακριβή μέτρηση”.
Ως αποτέλεσμα, οι σκουρόχρωμες αποχρώσεις του δέρματος οδηγούν σε υπερβολικές μετρήσεις οξυγόνου στο αίμα στην επιφάνεια του δέρματος.
Η ασυμφωνία μεταξύ του τόνου του δέρματος και της ακρίβειας των μετρήσεων του οξυγόνου του αίματος, σημείωσε ο Jokerst, είναι ένας φυσικός περιορισμός του τρόπου με τον οποίο το φως αλληλεπιδρά με τη χρωστική ουσία του δέρματος. Αυτός ο περιορισμός παρακίνησε τον Jokerst, εμπειρογνώμονα στην οπτική απεικόνιση, να σχεδιάσει μια λύση.
Ο Jokerst συγκαταλέγεται μεταξύ ενός αυξανόμενου αριθμού επιστημόνων που αντιμετωπίζουν το ζήτημα του τόνου του δέρματος στις μετρήσεις οξυγόνου του αίματος. Διάφορες ερευνητικές ομάδες επικεντρώνονται στη διόρθωση του προβλήματος στα παλμικά οξύμετρα, αλλά ο Jokerst ακολουθεί μια ελαφρώς διαφορετική προσέγγιση.
Σε αυτή την περίπτωση, επικεντρώνεται στη διόρθωση του προβλήματος σε έναν τύπο οξυμετρίας που ονομάζεται φωτοακουστική οξυμετρία.
Φωτοακουστική οξυμετρία έναντι παλμικής οξυμετρίας
Η φωτοακουστική οξυμετρία αναδύεται ως εναλλακτική λύση της παλμικής οξυμετρίας. Χρησιμοποιείται σήμερα σε κλινικές ρυθμίσεις καθώς και σε προκλινικές έρευνες για τη μέτρηση των επιπέδων οξυγόνου στο αίμα.
Είναι παρόμοια με την παλμική οξυμετρία, καθώς στέλνει μια δέσμη φωτός μέσω του δέρματος για να μετρήσει την περιεκτικότητα σε οξυγόνο ή να απεικονίσει χαρακτηριστικά κάτω από το δέρμα. Αντί όμως να ανιχνεύει την ποσότητα του φωτός που ανακλάται όπως στην παλμική οξυμετρία, η φωτοακουστική οξυμετρία ανιχνεύει τα ηχητικά κύματα που εκπέμπονται από τον ιστό.
Αυτό παράγει μια χωρική εικόνα, ή χάρτη, της συγκέντρωσης οξυγόνου στο αίμα, αντί για μια απλή αριθμητική ένδειξη όπως στην παλμική οξυμετρία.
Αυτό καθιστά τη φωτοακουστική οξυμετρία μια πιο ισχυρή μέθοδο, επειδή μπορεί να παρέχει ολόκληρες εικόνες βαθύτερων ιστών και χωρικούς χάρτες της περιεκτικότητας του αίματος σε οξυγόνο σε οποιοδήποτε σημείο του σώματος.
Οι γιατροί και οι ερευνητές μπορούν να τη χρησιμοποιήσουν για να λάβουν μια πιο ακριβή μέτρηση των επιπέδων οξυγόνου στο αίμα σε συγκεκριμένες περιοχές, όπως κοντά σε πληγές ή στην καρδιά.
Εν τω μεταξύ, η παλμική οξυμετρία είναι περιορισμένη επειδή μετράει τη συγκέντρωση οξυγόνου μόνο στα σημεία που τοποθετείται, συνήθως στο άκρο του δακτύλου, στο δάκτυλο του ποδιού ή στο αυτί.
Παρά τα πλεονεκτήματά της, η φωτοακουστική οξυμετρία μαστίζεται από το ίδιο πρόβλημα που αντιμετωπίζει η παλμική οξυμετρία: μπορεί να αναφέρει υπερβολικά τα επίπεδα οξυγόνου στην επιφάνεια του δέρματος σε άτομα με σκουρόχρωμο δέρμα.
Επιπλέον, μπορεί επίσης να υποεκτιμήσει τις ενδείξεις οξυγόνου στο αίμα στους ιστούς βαθιά κάτω από το δέρμα στα ίδια αυτά άτομα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι εξακολουθεί να βασίζεται στην αποστολή φωτός μέσω του δέρματος. Η μελανίνη στα ανώτερα στρώματα του δέρματος αντανακλά το φως από το οξύμετρο και το εμποδίζει να φτάσει στους βαθύτερους ιστούς. Δεδομένου ότι τόσο πολύ φως ανακλάται στην επιφάνεια του δέρματος, λιγότερο φως μπορεί να διεισδύσει σε βαθύτερα αιμοφόρα αγγεία ή ιστούς, πράγμα που σημαίνει ότι εκπέμπονται λιγότερα ηχητικά κύματα από τον ιστό.
Αυτό με τη σειρά του καθιστά δύσκολη τη λήψη εικόνων υψηλής ανάλυσης της περιεκτικότητας του αίματος σε οξυγόνο σε αυτά τα μέρη του σώματος και οδηγεί σε υποεκτιμώμενα επίπεδα οξυγόνου σε βαθύτερα αιμοφόρα αγγεία ή ιστούς.
Ένα βήμα προς τη βελτίωση της ισότητας στην υγειονομική περίθαλψη
Ο επικεφαλής φοιτητής του Jokerst στο έργο, ο Yash Mantri, ο οποίος απέκτησε πρόσφατα το διδακτορικό του στη νανομηχανική στο UC San Diego, παρατήρησε αυτή την ασυμφωνία από πρώτο χέρι ενώ εργαζόταν στο έργο αυτό.
Στρατολόγησε 9 υγιή άτομα με διάφορες αποχρώσεις δέρματος και απεικόνισε την κερκιδική αρτηρία στα αντιβράχιά τους χρησιμοποιώντας ένα φωτοακουστικό οξύμετρο στο εργαστήριο. Διαπίστωσε ότι τα σήματα οξυγόνου ήταν τόσο πολύ χαμηλότερα στα βαθύτερα αιμοφόρα αγγεία όσο και υψηλότερα στην επιφάνεια του δέρματος σε άτομα με σκουρόχρωμο δέρμα από ό,τι σε άτομα με ανοιχτόχρωμο δέρμα.
Οι Jokerst και Mantri είδαν μια ευκαιρία να βοηθήσουν στην εξάλειψη αυτής της ασυμφωνίας και να κάνουν τη βιοϊατρική απεικόνιση πιο δίκαιη.
“Βλέπουμε τη φωτοακουστική οξυμετρία ως μια ευρέως εφαρμόσιμη τεχνολογία και προσπαθούμε να διασφαλίσουμε ότι όλοι θα επωφεληθούν, όχι μόνο ένα υποσύνολο ασθενών”, δήλωσε ο Jokerst.
Η ομάδα ανέπτυξε μια εξίσωση για τη διόρθωση των διαφορών στον τόνο του δέρματος. Αρχικά, οι ερευνητές συνέκριναν τις μετρήσεις οξυγόνου στο αίμα από τη φωτοακουστική οξυμετρία και τη μέτρηση με παλμική οξυμετρία. Χρησιμοποίησαν αυτά τα δεδομένα για να διορθώσουν τα τεχνητά χαμηλά επίπεδα οξυγόνου που εντοπίστηκαν στα βαθύτερα αιμοφόρα αγγεία των ατόμων με σκουρόχρωμο δέρμα.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές διαπίστωσαν γραμμικές συσχετίσεις μεταξύ των σκουρότερων αποχρώσεων του δέρματος με χαμηλότερα επίπεδα οξυγόνου στο αίμα στα βαθύτερα αιμοφόρα αγγεία.
Η εξίσωση που προέκυψε ήταν σε θέση να παράγει μια αυξημένη -και πιο ακριβή- μέτρηση των επιπέδων οξυγόνου στο αίμα για τα άτομα με σκούρους τόνους δέρματος.
Για να επικυρώσει την εξίσωση, ο Mantri μέτρησε το επίπεδο οξυγόνου στην κερκιδική αρτηρία σε δύο επιπλέον συμμετέχοντες με αποχρώσεις δέρματος μεταξύ των αρχικών 9 ατόμων και εφάρμοσε τους διορθωτικούς παράγοντες.
Η μέθοδος αυτή αντιπροσώπευε το χαμηλότερο σήμα οξυγόνου στις μετρήσεις της φωτοακουστικής οξυμετρίας με σφάλμα μικρότερο από 3% σε σύγκριση με την παλμική οξυμετρία.
Η απλή εξίσωση για την προσαρμογή των μετρήσεων της φωτοακουστικής οξυμετρίας ήταν ακριβής με τα νέα άτομα και θα μπορούσε να επεκταθεί και σε άλλες αποχρώσεις δέρματος.
Οι ερευνητές δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο περιοδικό Biomedical Optics Express.
Οι Jokerst και Mantri ελπίζουν ότι το έργο τους θα εμπνεύσει άλλους μηχανικούς να λάβουν υπόψη τους τον τόνο του δέρματος κατά την ανάπτυξη νέων ιατρικών συσκευών και τεχνικών. Προκειμένου να σχεδιαστούν συσκευές με ισότιμα αποτελέσματα στην υγειονομική περίθαλψη, οι διαφορές στον τόνο του δέρματος των ασθενών πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τη διάρκεια -και όχι μετά- της ανάπτυξης, σημειώνουν στο άρθρο τους.
Σκεπτόμενος περαιτέρω την εργασία, ο Mantri λέει: “Μέρος της ευθύνης μας ως μηχανικοί είναι να εντοπίζουμε τα προβλήματα και να σχεδιάζουμε λύσεις ώστε να μπορούν να εξυπηρετήσουν καλύτερα όλους τους πληθυσμούς, ανεξάρτητα από τον τόνο του δέρματος. Αυτή η εργασία είναι ένα μικρό βήμα προς την κατεύθυνση αυτού του στόχου”.