Towards Non-Invasive Multiparameter Monitoring from a Single Fingertip Photoplethysmogram: Prototype Design and Preliminary Evaluation of Heart Rate, SpO2, Blood Pressure, and Glucose Estimation
यह शोध पत्र एक कम लागत वाले, एकल-फिंगरटिप फोटोप्लेथिस्मोग्राम प्रोटोटाइप के डिजाइन और प्रारंभिक मूल्यांकन को प्रस्तुत करता है जो हृदय गति, SpO2, रक्तचाप और रक्त ग्लूकोज का अनुमान लगाने में सक्षम है, जो एक लघु-कोहोर्ट अध्ययन के माध्यम से व्यवहार्यता प्रदर्शित करता है जहाँ रैंडम फॉरेस्ट रिग्रेशन ने सबसे सटीक ग्लूकोज भविष्यवाणियां प्राप्त कीं, जबकि नैदानिक अनुप्रयोग से पहले बड़े, विषय-स्वतंत्र सत्यापन की आवश्यकता पर बल दिया गया है।
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दुनिया भर में लाखों लोग मधुमेह और उच्च रक्तचाप जैसी पुरानी बीमारियों को प्रबंधित करने के लिए ऐसे उपकरणों पर निर्भर हैं जो अक्सर दर्दनाक, महंगे या बोझिल होते हैं। ब्लड शुगर की जांच करने के लिए आमतौर पर खून की एक बूंद निकालने के लिए उंगली में चुभाना पड़ता है, जबकि रक्तचाप की निगरानी करने के लिए हाथ के चारों ओर एक तंग, हवा से भरा हुआ कफ लपेटना पड़ता है। ये तरीके काम तो करते हैं, लेकिन असुविधा और परेशानी के कारण लोग अपनी दैनिक जांच छोड़ सकते हैं, जिससे खतरनाक स्वास्थ्य रुझान अनपेक्षित रह जाते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इन आक्रामक उपकरणों को एक एकल, आरामदायक सेंसर से बदलने की उम्मीद कर रहे थे, जो त्वचा को तोड़े बिना उंगली के पोर से महत्वपूर्ण संकेतों को पढ़ सके। इस विचार की कुंजी 'फोटोप्लेथिस्मोग्राफी' नामक एक तकनीक में निहित है, जो यह मापने के लिए प्रकाश का उपयोग करती है कि रक्त सूक्ष्म वाहिकाओं के माध्यम से कैसे बहता है। त्वचा में प्रकाश डालकर और यह मापकर कि कितना प्रकाश अवशोषित या परावर्तित होता है, उपकरण रक्त के आयतन परिवर्तन की लयबद्ध धड़कन का पता लगा सकते हैं। यह ऑप्टिकल सिग्नल पहले से ही अस्पतालों और जिम में देखे जाने वाले परिचित पल्स ऑक्सीमीटर को शक्ति प्रदान करता है, जो हमें हृदय गति और ऑक्सीजन स्तर के बारे में बताते हैं। चुनौती यह देखना थी कि क्या प्रकाश के इसी प्रवाह से डेटा हृदय रोग और मधुमेह के प्रबंधन के लिए सबसे महत्वपूर्ण दो नंबरों—रक्तचाप और ग्लूकोज के स्तर—को भी प्रकट किया जा सकता है।
लाहौर में इंजीनियरिंग और टेक्नोलॉजी यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं के एक दल ने ठीक इसी संभावना का परीक्षण करने के लिए एक कम लागत वाला प्रोटोटाइप बनाने का लक्ष्य रखा। उन्होंने एक छोटा सा उपकरण बनाया जो व्यक्ति की उंगली के सिरे पर क्लिप की तरह लग जाता है, जिसमें एक सेंसर होता है जो त्वचा में लाल और इन्फ्रारेड प्रकाश चमकाता है। यह सेंसर, एक साधारण माइक्रोकंट्रोलर के साथ मिलकर, उन सूक्ष्म तरंगों को कैप्चर करता है जो उंगली से होकर गुजरते रक्त के स्पंदन के साथ वापस परावर्तित होती हैं। शोधकर्ताओं ने फिर इस कच्चे डेटा को एक कंप्यूटर प्रोग्राम में डाला जिसे सिग्नल को साफ करने और विशिष्ट पैटर्न निकालने के लिए डिज़ाइन किया गया था। उन्होंने अपने सिस्टम का परीक्षण तीस स्वस्थ स्वयंसेवकों पर किया जिन्होंने रात भर उपवास किया था, और डिवाइस के अनुमानों की तुलना मानक चिकित्सा उपकरणों: एक फिंगर-प्रिक ग्लूकोज मीटर, एक पारंपरिक रक्तचाप कफ और एक व्यावसायिक पल्स ऑक्सीमीटर से की। लक्ष्य एक तैयार चिकित्सा उत्पाद बनाना नहीं था, बल्कि यह देखना था कि क्या इस विचार के पीछे का मूल भौतिकी और गणित वास्तव में वास्तविक दुनिया के परिवेश में काम कर सकता है।
हृदय गति और ऑक्सीजन संतृप्ति के लिए परिणाम उत्साहजनक रूप से मानक उपकरणों के करीब थे। प्रोटोटाइप ने उच्च स्तर की सहमति के साथ हृदय गति और ऑक्सीजन के स्तर को सफलतापूर्वक ट्रैक किया, जिससे पुष्टि हुई कि हार्डवेयर आवश्यक पल्स जानकारी को सटीक रूप से कैप्चर कर सकता है। रक्तचाप के लिए, टीम ने एक अलग दृष्टिकोण अपनाया, जिसमें केवल इसकी गति के बजाय पल्स वेव के समय और आकार का विश्लेषण किया गया। एक एकल परीक्षण मामले में, डिवाइस ने एक ऐसा रक्तचाप अनुमान लगाया जो मानक कफ से केवल लगभग 1.4 मिलीमीटर मरकरी (पारे) के अंतर पर था, जो कि एक उल्लेखनीय रूप से छोटा अंतर है। हालांकि, शोधकर्ताओं ने सावधानी बरतते हुए कहा कि यह एक विश्राम अवस्था वाले विषय पर एक एकल अवलोकन था, और उपयोग की गई विधि में निश्चित सेटिंग्स थीं जो व्यक्तिगत समायोजन के बिना सभी के लिए काम नहीं कर सकती हैं।
अध्ययन का सबसे जटिल हिस्सा रक्त ग्लूकोज का अनुमान लगाना था। हृदय गति या ऑक्सीजन के विपरीत, शुगर के स्तर और प्रकाश के स्पंदन के आकार के बीच कोई सीधा, सरल ऑप्टिकल संबंध नहीं है। इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने परिकल्पना की कि रक्त शर्करा में बदलाव सूक्ष्म रूप से रक्त के गाढ़ेपन या लाल रक्त कोशिकाओं के हिलने-डुलने के तरीके को बदल सकता है, जो बदले में प्रकाश के सिग्नल को पता लगाने योग्य तरीकों से बदल देगा। इन सूक्ष्म सुरागों को खोजने के लिए, उन्होंने पल्स सिग्नल को दर्जनों अलग-अलग गणितीय विशेषताओं में विभाजित किया, जैसे कि तरंग की ऊर्जा, इसकी लय और इसका समग्र आकार। इसके बाद उन्होंने इन विशेषताओं को तीन अलग-अलग प्रकार के कंप्यूटर लर्निंग मॉडल में डाला ताकि यह देखा जा सके कि कौन सा मॉडल रक्त शर्करा के स्तर का सबसे अच्छा अनुमान लगा सकता है।
परीक्षण किए गए मॉडलों में से, 'रैंडम फॉरेस्ट' नामक एक विधि, जो कई निर्णय वृक्षों (डिसीजन ट्री) को बनाने और उनके उत्तरों को संयोजित करने के माध्यम से काम करती है, सबसे अच्छा प्रदर्शन करती है। इन तीस लोगों के छोटे समूह में, मॉडल का अनुमान औसकी लगभग 11 मिलीग्राम प्रति डेसीलीटर कम था, जो कि इसकी तुलना किए गए अन्य मॉडलों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है। सिस्टम रक्त शर्करा के स्तरों को निम्न, सामान्य या उच्च श्रेणियों में लगभग 74 प्रतिशत बार सही ढंग से वर्गीकृत करने में भी सफल रहा। हालांकि ये संख्याएं आशाजनक लग सकती हैं, शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि यह सफलता प्रारंभिक है और अध्ययन के सीमित आकार के कारण है। स्वयंसेवकों का समूह छोटा था, और डेटा एक ही सत्र से आया था, जिसका अर्थ है कि मॉडल ने शायद रक्त शर्करा के सार्वभौमिक नियम को सीखने के बजाय इन तीस लोगों के विशिष्ट पैटर्न को केवल याद कर लिया होगा।
पेपर यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि प्रोटोटाइप यह सिद्ध करता है कि यह अवधारणा व्यवहार्य है, लेकिन यह नैदानिक उपयोग के लिए तैयार नहीं है। शोधकर्ता स्पष्ट रूप से कहते हैं कि उनके परिणाम यह साबित नहीं करते कि डिवाइस ग्लूकोज को चिकित्सा निर्णयों के लिए पर्याप्त सटीकता से माप सकता है, और न ही यह अभी फिंगर-प्रिक टेस्ट की जगह ले सकता है। नमूने का छोटा आकार, निदान किए गए मधुमेह या कम रक्त शर्करा वाले लोगों पर परीक्षण की कमी, और कठोर सत्यापन विधियों का अभाव यह दर्शाता है कि वर्तमान निष्कर्ष केवल एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' मात्र हैं। यह डिवाइस एक सस्ता अनुसंधान मंच है जो प्रदर्शित करता है कि प्रकाश रक्त शर्करा के बारे में जानकारी ले जा सकता है, लेकिन उस क्षमता को एक विश्वसनीय चिकित्सा उपकरण में बदलने के लिए बहुत बड़े अध्ययन, विविध आबादी में परीक्षण और उम्र एवं त्वचा के रंग जैसे अन्य कारकों के प्रभाव को समझने की आवश्यकता होगी जो रीडिंग को भ्रमित कर सकते हैं। फिलहाल, यह कार्य एक ऐसी आशाजनक दिशा है जहाँ महत्वपूर्ण संकेतों की निरंतर और दर्द रहित निगरानी संभव हो सके, लेकिन एक कामकाजी समाधान की राह अभी लंबी और अनिश्चित है।
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