Forskare har utvecklat ett sätt att använda smartphonebilder av en persons ögonlock för att bedöma blodets hemoglobinnivåer. Möjligheten att utföra ett av de vanligaste kliniska laboratorietesterna utan blodprov kan hjälpa till att minska behovet av personliga klinikbesök, göra det lättare att övervaka patienter som är i kritiskt tillstånd, och förbättra vården i låg- och medelinkomstländer där tillgången till testlaboratorier är begränsad.

"Vårt nya mobila hälsotillvägagångssätt banar väg för sängkants- eller fjärrtestning av hemoglobinnivåer i blodet för att upptäcka anemi, akut njurskada och blödningar, eller för att bedöma blodsjukdomar som sicklecellanemi." sa forskargruppsledaren Young Kim från Purdue University. "Covid-19-pandemin har kraftigt ökat medvetenheten om behovet av utökade mobila hälso- och telemedicintjänster."

Kim och kollegor från University of Indianapolis, Vanderbilt University School of Medicine i USA och Moi University School of Medicine i Kenya rapporterar det nya tillvägagångssättet i Optica .

Forskarna använde programvara för att omvandla den inbyggda kameran i en smartphone till en hyperspektral bildapparat som på ett tillförlitligt sätt mäter hemoglobinnivåer (ett mått på blodets syrebärande kapacitet) utan behov av några hårdvarumodifieringar eller tillbehör. Ett kliniskt pilottest med frivilliga vid Moi University Teaching and Referral Hospital visade att prediktionsfel för smarttelefontekniken låg inom 5 till 10 procent av de som mättes med kliniskt laboratorieblod.

Kims labb fokuserar på att utveckla sjukvårdstekniker som först designades och testades i de resursbegränsade miljöerna i låg- och medelinkomstländer. Dessa innovationer tillämpas sedan på viktiga hälsoutmaningar i utvecklade länder som USA.

"Denna nya teknik kan vara mycket användbar för att upptäcka anemi, som kännetecknas av låga nivåer av blodhemoglobin, " sa Kim. "Detta är ett stort folkhälsoproblem i utvecklingsländer, men kan också orsakas av cancer och cancerbehandlingar."

Spektral information från en smartphone

Spektroskopisk analys används vanligtvis för att mäta blodets hemoglobinhalt eftersom den har ett distinkt ljusabsorptionsspektrum, eller fingeravtryck, i det synliga våglängdsområdet. Dock, denna typ av analys kräver vanligtvis skrymmande och dyra optiska komponenter.

Forskarna skapade en mobil hälsoversion av denna analys genom att använda en metod som kallas spektral superupplösningsspektroskopi. Denna teknik använder programvara för att virtuellt konvertera foton som tagits med lågupplösta system som en smartphonekamera till högupplösta digitala spektralsignaler.

Forskarna valde det inre ögonlocket som en avkänningsplats eftersom mikrovaskulaturen är lätt synlig där; den är lättillgänglig och har relativt jämn rodnad. Det inre ögonlocket påverkas inte heller av hudfärg, vilket eliminerar behovet av personliga kalibreringar.

För att utföra en blodhemoglobinmätning med den nya tekniken, patienten drar ner det inre ögonlocket för att exponera de små blodkärlen under. En vårdpersonal eller utbildad person använder sedan smartphone-appen som forskarna tagit fram för att ta bilder av ögonlocken. En spektral superupplösningsalgoritm används för att extrahera den detaljerade spektrala informationen från kamerans bilder och sedan kvantifierar en annan beräkningsalgoritm blodhemoglobinhalten genom att detektera dess unika spektrala egenskaper.

Mobilappen innehåller flera funktioner som är utformade för att stabilisera smartphonens bildkvalitet och synkronisera smarttelefonens ficklampa för att få konsekventa bilder. Den ger också ögonlocksformade riktlinjer på skärmen för att säkerställa att användarna håller ett konsekvent avstånd mellan smartphonekameran och patientens ögonlock. Även om spektralinformationen för närvarande extraheras med hjälp av en algoritm på en separat dator, forskarna förväntar sig att algoritmen kan integreras i mobilappen.

Klinisk testning

Forskarna testade den nya tekniken med 153 frivilliga som remitterades till konventionella blodprov vid Moi University Teaching and Referral Hospital. De använde data från en slumpmässigt utvald grupp på 138 patienter för att träna algoritmen, testade sedan den mobila hälsoappen med de återstående 15 volontärerna. Resultaten visade att det mobila hälsotestet kunde ge mätningar jämförbara med traditionella blodprov över ett brett spektrum av blodhemoglobinvärden.

I en separat klinisk studie, mobilappen används för att bedöma onkologiska patienter vid Indiana University Simon Cancer Center. Forskarna arbetar också med University of Rwanda för att genomföra ytterligare studier och planerar att samarbeta med Shrimad Rajchandra Hospital i Indien för att använda det mobila hälsoverktyget för att bedöma näringsstatus, anemi, och sicklecellssjukdom hos sina patienter.

"Vårt arbete visar att datadriven och datacentrerad ljusbaserad forskning kan ge nya sätt att minimera hårdvarukomplexiteten och underlätta mobil hälsa, ", säger Kim. "Att kombinera de inbyggda sensorerna som finns tillgängliga i dagens smartphones med datacentrerade tillvägagångssätt kan snabba upp tempot för innovation och forskningsöversättning inom detta område."