Можно ли доверять диагноз часам? Умные устройства и медицинские данные

Наконец-то мы можем измерить всесильными цифровыми инструментами не только мир вокруг, но и себя. Внутри человека очень много данных, которые можно сгрузить в подручные умные устройства, чтобы умные программы сделали на их основе умные выводы. Получается, можно теперь не проходить ЭКГ в поликлинике, достаточно надеть часы? Бесконтактный термометр показал 38.5 — пора вызывать скорую? Разбираем лежащие на поверхности биомаркеры (пульс, активность сердца, кислород в крови, температуру и калории) и измеряющие их приборы, а также узнаем мнение аналитика из медтех-компании.

Пульс

Чем измеряют: фотоплетизмография, электронный пульсометр.

Пульс это колебания стенок артерий, вызванные сердечными сокращениями. Каждый раз, когда сердце совершает новый удар, порция крови поступает в аорту, ударяя по её стенкам как по барабану. Колебания стенок аорты передаются дальше по кровеносным сосудам и в конце концов, становятся видны на сонных или лучевых артериях. Там мы чаще всего и измеряем пульс, например, методом пальпации, то есть прикладывая пальцы к запястью или шее. Но так выявить проблему и понять, что с ней делать, достаточно сложно.

Есть множество мобильных приложений, способных, по заверениям их создателей, измерять количество ударов пульса. Возьмем Cardiio, доступное владельцам iPhone — достаточно приложить палец к камере смартфона и нажать на кнопку считывания пульса. Это технология называется фотоплетизмографией. При прохождении пульсовой порции крови через капилляры пальца поглощается больше света, чем при обычном течении. Эту разницу приложение и измеряет с помощью камеры. 

Это точно? Существуют исследования, подтверждающие точность такого метода — отклонение от измерения традиционными пульсометрическими методами составляет около 2-5 ударов в минуту. Но необходимо понимать, что исследование проводилось только для одного приложения, установленного на одну из версий телефона (iPhone 6S), на довольно небольшой тестовой выборке. К аналогичным приложениям на других устройствах стоит относиться с долей скепсиса.

Более современные устройства, например умные часы Apple Watch, способны проводить аналогичные измерения, используя ту же технологию, что и мобильные приложения, только в качестве излучателя света используется не вспышка смартфона, а специальные зеленые светодиоды на обратной стороне часов. Кровь красного цвета, потому что отражает красный цвет, поглощая при этом зеленый. Разница между поглощением света измеряется с помощью специальных светодиодных датчиков. В новые модели часов встроен электрический пульсометр, позволяющий измерять электрические импульсы в грудной клетке. Это делается за счет создания замкнутой цепи при прикосновении пальцем к электродам на часах. Точность подобного измерения гораздо выше, чем при использовании методов фотоплетизмографии.

Измерение пульса каждые несколько секунд позволило в разы увеличить количество данных о человеческом здоровье. Технология способна указать на систематические проблемы с сердечным ритмом и послужить поводом для обращения к врачу. Вместе с тем нужно понимать, что без квалифицированной консультации делать выводы о собственном здоровье, основываясь лишь на показателях умных устройств, нельзя.

Это пока еще новый и довольно неточный метод, в единичных случаях способный дать качественную оценку деятельности организма. Измерение пульса с помощью умных устройств — лучше, но все еще не как у врача.

Активность сердца

Чем измеряют: электрокардиография

Электрокардиография это метод измерения электрической активности сердца. С помощью ЭКГ можно выявлять самые разные сердечные болезни, начиная от нарушений обмена веществ и заканчивая ишемическими болезнями.

В традиционной практике для ЭКГ используется 12 электродов: если недавно проходили  диспансеризацию в поликлинике, то помните, что часть электродов крепится к околосердечной области, а часть — к рукам и ногам. После анализа разницы потенциалов на различных электродах прибор выдает электрокардиограмму — длинную бумажку с кучей непонятных символов и графиков. Квалифицированный врач способен сделать на основании электрокардиограммы выводы о состоянии человеческого сердца.

В отличие от традиционного ЭКГ, в умных часах всего два электрода — один из них закреплен на задней стороне часов, другой — на боковой. При касании рукой датчика на боковой стороне часов, происходит анализ электродов на левой и на правой руках. Конечно же, данные, которые получаются после анализа этих устройств, нельзя использовать для формирования полноценного клинического заключения, однако они позволяют вычислять синусоидальный ритм и вероятную аритмию. 

Это точно? Данные ЭКГ, получаемые при помощи Apple Watch, запатентованы FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов), однако многие практикующие врачи справедливо указывают на недостоверность сведений, получаемых в ходе такого анализа. Данным ЭКГ из умных часов можно доверять с оговорками: они не помогут в общем случае диагностировать сердечные заболевания. Но плохие показатели, стабильно получаемые от носимых устройств, могут послужить причиной для обращения к врачу.

Кислород в крови 

Чем измеряют: пульсоксиметр

Следующим этапом в развитии технологии пульсометрии стала разработка оптических пульсоксиметров, способных измерять насыщенность крови кислородом. Принцип работы этого прибора очень похож на пульсометрию, но здесь световое излучение еще более сильное — это позволяет отслеживать даже такие такие тонкие вещи, как изменение цвета крови. Именно по цвету можно определить, насколько кровь насыщена кислородом: чем ярче цвет — чем больше. В последних моделях умных устройств пульсоксиметр встраивают на оборотную сторону часов, ближе к руке. 

Это точно? Точность измерений, полученных с помощью встроенных пульсоксиметров, вызывает большие сомнения. После выпуска Apple Watch с пульсоксиметрическим датчиком, журналист The Washington Post Джеффри Фаулер выпустил разгромный обзор, в котором показал, что разница между датчиком в Apple Watch и традиционным устройством, одобренным к использованию FDA, может достигать 10%. Это очень большой разброс: человек с содержанием кислорода в 90% явно страдает от серьезной гипоксии (недостатка), тогда как человек, у которого в крови 100% насыщенности — абсолютно здоров.

Данным от наручных пульсоксиметрических датчиков доверять пока нельзя, они не проходят даже самой простой диагностики.

Шаги и калории

Чем измеряют: гироскоп, акселерометр

Современные шагометры считают количество пройденных шагов с помощью встроенных в телефон гироскопа и акселерометра. Гироскоп позволяет измерять угол отклонения прибора от оси тела, акселерометр измеряет ускорение движения. Комбинация данных с этих двух приборов позволяет получить данные о движении человека довольно точно, вплоть до единичного шага. Хотя, конечно, их можно обмануть, если намеренно имитировать походку.

Сожженные калории часто используются в качестве маркера похудения. На самом деле, калория это просто физическая единица: количество энергии, необходимое, чтобы нагреть 1 грамм воды на 1 градус Цельсия. Основываясь на анализе потребляемых и расходуемых калорий, можно делать выводы о динамике человеческого веса. Мобильные калориметры рассчитывают количество сжигаемых калорий в ходе обычной жизни и физических нагрузок. Калории делятся на так называемые базальные и активные. Базальные — это те, что сжигаются организмом в норме, без фитнеса и дополнительной физической активности. Рассчитываются они по формуле Харриса-Бенедикта, выведенной больше века назад. В качестве параметров этой формулы используется вес, рост и возраст человека:

BMR = 66,4730 + (13,7516 * вес в кг) + (5,0033 * рост в см) – (6,7550 * возраст в годах)

Можете взять калькулятор, ввести свой вес, рост и возраст, и узнать, сколько в вас базальных калорий. Для расчета активных калорий используются данные шагометра и пульсометров. При переключении на специальный режим физической нагрузки используются также и изначальные данные от гироскопа и акселерометров. 

Это точно? Мы не знаем. Алгоритмы для расчета физической нагрузки в своей массе засекречены производителем, поэтому оценить их корректность довольно сложно: они могут варьироваться в зависимости от приложения и девайса.


Нельзя забывать, что любая оценка активных калорий является в некоторой степени спекулятивной: реальное количество сожженных калорий измеряется в специальных тепловых камерах и очень сильно зависит от большого количества параметров организма. Более того, количество сожженных калорий не всегда влияет на общие физиологические параметры организма. Данным от шагометров можно доверять, но с некоторыми допущениями. Калориметр тоже не лучший советчик — из-за сложности точного измерения расхода калорий в целом и слабой связи сожженных калорий с реальным состоянием организма. 

Температура 

Чем измеряют: термистор

Температура тела — один из важнейших биомаркеров общего состояния здоровья человека. Она регулируется отделом мозга — гипоталамусом, и изменяется в ответ на специфические сигналы иммунных клеток. Чаще всего, температура тела возрастает при возникновении воспалительного ответа, то есть когда мы заболеваем.

Бесконтактные термометры уже стали новым атрибутом посткоронавирусного мира. В каждом опасающемся штрафов заведении на вас обязательно направят этот прибор. Он работает за счет датчиков-термисторов — резисторов, изменяющих свое сопротивление в зависимости от температуры. Термисторы встраиваются и в умные часы — на основании их показаний можно рассчитать температуру тела. 

Это точно? Данные, получаемые от термисторов зачастую получаются довольно неточными: температура тела может сильно отличаться от температуры кожи. Более того, сами термисторы могут давать ошибочные результаты, реагируя на деформационные изменения. Наконец, испарение пота может сильно отличаться у разных людей,поэтому выработать универсальный алгоритм расчета температуры тела очень сложно. Так что доверяем с большими оговорками: результаты, полученные при помощи бесконтактных термометров позволяют контролировать общее состояние организма, но делать клинических выводов из этого нельзя. Пользуйтесь старыми добрыми градусниками, они намного точнее.

Мнение эксперта

Кирилл Денисов — аналитик данных в компании Gero, которая занимается, в числе прочего, созданием алгоритмов прогнозирования рисков для здоровья с использованием данных носимых устройств и больших медицинских данных. Он рассказал нам, насколько достоверны и применимы в медицине данные, которые можно снять с умных устройств.

Некоторое время назад велось достаточно много разговоров про то, насколько отличается, например, число шагов или ударов сердца, измеряемое умными часами различных производителей. Обычно разница не превышает 10% — это немного. Учитывая, что мобильные и носимые устройства измеряют параметры организма, постоянно находясь в контакте с пользователем, у них появляется уникальная возможность накапливать количество повторных измерений и улучшать отношение сигнал-к-шуму, недоступное при единичных измерениях.

Если у вас есть много данных, то ошибка каждого отдельного прибора уже не играет такую большую роль. Обучающаяся модель сможет найти закономерность. А зная закономерность, можно сделать предсказание о состоянии здоровья отдельного пациента. Чтобы дать ошибочную оценку, нужно чтобы прибор ошибался сильно и каждый раз, а современные устройства делают измерение не реже одного в минуту.

Если в организме происходят серьезные изменения, то они будут видны во всех измеримых параметрах. То же относится к локомоторной активности, по ней хорошо видно, когда состояние здоровья ухудшилось. Если добавить к этим данным изменение пульса в течение дня, изменение сна, ЭКГ и кислород в крови, то этот прогноз реально уточнить и довести до конкретных диагнозов.

Шаги и биовозраст

В вопросе полезности и применимости этих данных все зависит от сенсоров и их возможностей. Например, акселерометр, который сегодня есть у каждого в телефоне, может измерять физическую активность по числу пройденных шагов минуту. Где это может пригодиться? Всемирная организация здравоохранения рекомендует поддерживать уровень физической активности хотя бы не менее 30 минут в день в течение пяти дней в неделю. Это позволит избегать сидячего образа жизни, который является признанным фактором риска заболеваемости и смертности, особенно у пожилых людей. 

У нас в компании Gero данные шагомера используют для мониторинга биовозраста и его изменения в зависимости от здорового или нездорового образа жизни. Биовозраст — это удобная форма представления оценки рисков заболеваемости возрастзависимыми заболеваниями. Чтобы добиться приемлемой точности измерений нам пришлось решить ряд практических проблем: например, что делать с пропущенными данными, если пользователь носит устройство, но с очень длинными перерывами? Или что делать, если к нам попадают записи шагомера то со смартфона, то с фитнес-браслета, который постоянно надет на руку и поэтому всё время подсчитывает больше шагов?

Пыльца и паттерны

Нейронные сети хороши там, где нужно найти паттерны на картинках, на видео, в звуке. Поэтому мы решили попробовать с их помощью найти такие паттерны в изменениях двигательной активности людей в течение суток, которые были бы устойчивы и к пропускам в данных, и к смене источника сигнала со смартфона на фитнес-браслет. Нам удалось добиться необходимой точности и теперь мы сможем выдавать надежные предсказания биовозраста каждому пользователю.

В смартфоне есть датчик GPS. Компания Asthmapolis выпускает ингалятор для людей больных астмой, который по Bluetooth связан с мобильным приложением. Прогноз погоды для геолокации, а также информации о концентрации пыли и пыльцы в воздухе используют для своевременного предупреждения пользователей — чтобы они не забыли воспользоваться ингалятором. Эта система одобрена к использованию FDA.

Фитнес-браслеты могут измерять пульс. В новой модели часов Apple Watch есть функция измерения кардиограммы. С одной стороны, точность не позволяет достичь уровня прибора в клинике. С другой стороны, появляется уникальная возможность производить измерения постоянно, что компенсирует недостаточную точность. Диагноз по данным с Apple Watch сейчас никто не поставит, но FDA одобрила его для того, чтобы рекомендовать пользователям, у которых устройство несколько раз детектировало признаки аритмии, обратиться к врачу для более полного обследования.

То есть на данном этапе роль носимой электроники находится в области ранней диагностики. Еще рано назначать лечение только из-за того, как человек двигается. Но согласитесь, заметить, что что-то идет не так и заблаговременно озаботиться здоровьем — это уже очень круто.

Кроме того, акселерометр можно использовать для детектирования тремора. Хотя сейчас еще не решены все технические вопросы, уже ведутся исследования о применимости этой технологии для мониторинга состояния пациентов с болезнью Альцгеймера или Паркинсона.

Таким образом, главное преимущество мобильных и носимых умных устройств — это возможность постоянно производить измерения, а значит, в ближайшее время они буду находить всё большее применение в первую очередь там, где есть необходимость постоянно мониторить состояние организма — у людей с хроническими заболеваниями, или в качестве инструмента предварительного скрининга.

Доступный медицинский чекап и будущее

Если есть необходимость следить за кровяным давлением, то можно использовать, например, тонометр Withings. Он же станет автоматическим дневником для таких измерений, который может быть полезно показать и врачу, если возникнет необходимость. Если нужно следить за уровнем глюкозы в крови, то можно использовать устройства, которые позволяют достаточно точно измерять уровень глюкозы в течение нескольких дней, например FreeStyle, который постоянно передает данные на смартфон по Bluetooth (хотя это уже инвазивная технология, игла должна находиться под кожей).

В принципе уже сейчас можно автоматизировать получение выводов о здоровье из анализов, но, к сожалению, сделать все необходимые анализы, не выходя из дома пока не получится. Хотя модели уже научились диагностировать болезни кожи по обычной фотографии. Думаю, остальное ждет нас очень скоро.

Текст: Руслан Гумеров

Поделиться:
Опубликовано в рубрике UncategorizedTagged , , ,

SkillFactory.Рассылка