远程心率传感器可能会偏向于深色皮肤

随着远程医疗变得越来越流行，允许人们在家中测量生命体征并将结果通过计算机传输给医生的设备也越来越流行。然而，在许多情况下，为有色人种获取准确的远程读数已被证明是一项持久的挑战。

以远程心率测量为例，它依赖于摄像头感知患者面部颜色的细微变化，这些变化是由皮肤下血液流动的波动引起的。加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院电气和计算机工程助理教授AchutaKadambi说，这些设备是新兴的远程技术类别的一部分，始终难以识别肤色较深的人的颜色变化。

Kadambi和他的团队现在已经开发出一种远程诊断技术，可以克服这种对深色皮肤的隐含偏见，同时还可以使各种肤色的患者的心率读数更加准确。他们的秘密?将相机的基于光的测量与雷达的基于无线电的测量相结合。

研究人员在不列颠哥伦比亚省温哥华举行的SIGGRAPH2022会议上展示了他们最近发表在ACMTransactionsonGraphics杂志上的研究结果。该会议由计算机协会的成员每年组织一次，以虚拟方式和面对面方式举行。

研究人员表示，这一进步可能会导致新类别的高性能医疗设备和更准确、更公平的远程技术，使医生和医疗保健系统能够自信地远程监控患者，无论是在临床环境中还是在患者家中。

“从更大的角度来看，这项工作表明实用和创新的工程解决方案可以解决医疗设备中持续存在的偏见，”同时也是加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所成员的Kadambi说。“但这首先需要承认这种偏见意味着当前最好的技术可能并不适合所有人。通过深思熟虑的设计，我们可以找到性能相同或更好的公平解决方案。”

Kadambi说，加州大学洛杉矶分校团队将两种技术融合在一起，为实现这些目标提供了一条有希望的道路，他也是计算机科学助理教授和该研究的首席研究员。作为加州大学洛杉矶分校视觉机器组的负责人，他撰写了有关医疗设备中不同类型的偏见以及如何解决这些偏见的文章。

在开发新技术时，研究人员首先表明，遥感设备本身是偏差的来源，在他们的论文中证明，皮肤中较高水平的黑色素(皮肤中的天然色素)会干扰所谓的光体积描记术(PPG)，当前基于摄像头的远程心率测量中使用的信号。

PPG信号还用于通过诸如夹在患者手指上的脉搏血氧计等设备以及一些可穿戴商业产品和智能手表驱动的应用程序来测量心率。这些设备将光发射到皮肤上，并感知由表面下方的循环血液反射回来的光量的变化。反射光会产生PPG信号，这是衡量患者心率的指标。

以前在此类技术中解决肤色偏差的努力通常是通过额外的编程或通过使用更多样化的肤色范围扩展基线标准来纠正它们。但这些方法都没有针对真正的问题，Kadambi说，这是设备本身的物理特性。

加州大学洛杉矶分校的研究人员转而使用另一种可以估计心率的技术：雷达。在77GHz时，雷达可以从心跳感知胸部位移的细微变化。虽然这种方法克服了肤色偏差的问题，但它不如PPG信号可靠。然而，他们通过结合这两种不同的传感模式——相机和雷达——并通过机器学习改进它们以协同工作，取得了成功。

在对91人进行的测试中，研究人员证明，他们的相机雷达系统在测量精度和对各种肤色的公平性方面都优于基于相机的远程PPG。

加州大学洛杉矶分校电气和计算机工程研究生亚历山大·维列索夫说：“多模式远程医疗保健有可能使设备不仅在肤色上更公平，而且在各种属性上更公平，例如体重指数、性别和各种健康状况。”和该论文的共同主要作者。“这些方面中的大部分都没有得到彻底的探索，我们未来的部分研究旨在了解这些偏见。”

研究人员建议，可以对其他类型的技术进行这种基于公平的改进，例如热传感器、声学传感器、近红外传感器和光偏振传感器。

“大流行表明，需要新技术来让医生和护理团队远程监控他们的病人，”该研究的合著者、加州大学洛杉矶分校健康学院麻醉学和围手术期医学临床助理教授LalehJalilian博士说。“从我们合作之初的一个关键焦点就是开发能够在不同肤色的患者中公平和高精度地执行的医疗技术，因为这将使医生相信他们可以做出高质量的医疗决策。”

加州大学洛杉矶分校电气和计算机工程研究生PradyumnaChari和AdnanArmouti也是该论文的共同主要作者。其他论文作者是视觉机器组的所有成员，他们是加州大学洛杉矶分校电气和计算机工程专业的研究生AnirudhBindiganavaleHarish、KimayaKulkarni和AnanyaDeoghare。