Schwarze Ingenieure arbeiten lange daran, das Problem zu beheben

Von Usha Lee McFarling

19. August 2022

Wie viele Schwarze war Kimani Toussaint besorgt, als er erfuhr, dass die Pulsoximeter, auf die sich Ärzte bei der Behandlung und Überwachung von Covid-19-Patienten so stark verlassen, bei dunkelhäutigen Patienten nicht so gut funktionierten.

Im Gegensatz zu vielen Schwarzen könnte er etwas dagegen tun. Toussaint ist ein Optikexperte, dessen Labor an der Brown University Präzisionstechniken zur Abbildung und Beurteilung biologischer Gewebe entwickelt. Für dieses Problem war er geschaffen.

Werbung

Jetzt nutzen Toussaint und sein Doktorand Rutendo Jakachira buchstäblich die Tricks des Lichts, um ein Pulsoximeter der nächsten Generation zu entwickeln, von dem sie hoffen, dass es bei Patienten aller Hauttöne gut funktioniert, nicht nur bei denen mit hellerer Haut.

Unterdessen arbeitet Valencia Joyner Koomson, ein schwarzer außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik an der Tufts University, an einer anderen Lösung: „intelligente“ Oximetergeräte, die anpassbar sind und weniger empfindlich auf den Hautton reagieren.

Eine Zusammenfassung der STAT-Top-Storys des Tages.

Sowohl Toussaint als auch Koomson sind Raritäten; Nur 5 % der amerikanischen Ingenieursarbeitskräfte sind Schwarze und weniger als 2 % sind schwarze Frauen. Die Tatsache, dass diese schwarzen Ingenieure bei der Beseitigung einer Ungleichheit, die seit Jahrzehnten besteht und von weißen Wissenschaftlern weitgehend ignoriert wird, eine führende Rolle spielen, ist ihnen nicht entgangen. Für Toussaint ist es ein schwerwiegender Fall von wissenschaftlicher Kurzsichtigkeit – und ein klares Beispiel dafür, was verloren geht, wenn die meisten Wissenschaftler weiß sind.

„Wir können nichts über die Absichten von irgendjemandem sagen, aber wir können darüber sprechen, dass die Struktur der Wissenschaft eine Struktur ist, in der es keine große Diversität gibt und dass es dann diese blinden Flecken gibt“, sagte Toussaint. „Das Thema Pulsoximeter ist ein absolutes Aushängeschild für Vielfalt in der Wissenschaft.“

Werbung

Pulsoximeter – äußerst einfache und allgegenwärtige medizinische Geräte – funktionieren bei Menschen mit dunklerer Haut nicht so gut, da Melanin in der Haut die Lichtabsorption beeinträchtigen kann, mit der die Clip-On-Geräte die Menge an sauerstoffhaltigem Blut im Finger einer Person messen. Das Problem kann bei Personen mit dunklerer Haut zu Messwerten führen, die einen möglicherweise gefährlich niedrigen Sauerstoffgehalt verschleiern. Als Toussaints Frau, eine Epidemiologin, ihm zu Beginn der Pandemie von dem Problem erzählte, war er fassungslos.

„Ich dachte: Was soll das heißen, niemand hat das gelöst?“ er erzählte STAT. „Ich sagte: ‚Moment mal, es ist ein zugelassenes Gerät und niemand hat sich das angeschaut?‘“ Die Geräte waren größtenteils für Patienten mit hellerer Haut kalibriert worden und viele wurden tatsächlich von der Food and Drug Administration zugelassen, trotz ihrer Einschränkungen für Patienten mit hellerer Haut dunkle Haut. Im Februar 2021 gab die Behörde eine Sicherheitsmitteilung heraus, in der sie Ärzte und Verbraucher darauf aufmerksam machte, dass die Geräte möglicherweise nicht bei allen Patienten genau sind.

Koomson, ein Experte für den Einsatz mikro- und nanoskaliger Systeme zur Entwicklung intelligenter Biosensoren für kostengünstige Gesundheitsüberwachungsgeräte, ist seit mehr als einem Jahrzehnt besorgt über die Eignung von Pulsoximetern, bei Patienten mit dunkler Haut zu funktionieren, hatte dies aber bis vor Kurzem getan Schwierigkeiten, Aufmerksamkeit auf das Problem zu lenken, oder Forschungsgelder, um zur Lösung des Problems beizutragen.

„In allen Lehrbüchern, die ich rezensiert habe, wird die Melaninabsorption nie erwähnt. Die Tatsache, dass dies weggelassen wurde, machte mir Sorgen“, sagte sie. Koomson hatte auch von in Afrika tätigen Ärzten gehört, die frustriert waren, dass für afrikanische Bevölkerungsgruppen so wenige Daten zu klinischen Studien und Gerätetests verfügbar seien.

Koomson habe Fördermittel erhalten, um zu untersuchen, wie man die Sauerstoffversorgung im Gewebe besser überwachen könne, was eine viel schwierigere Aufgabe sei, als sie im Blut zu messen, und habe stets im Hinterkopf behalten, wie wichtig es sei, Geräte zu entwickeln, die bei allen Hauttönen funktionieren, sagte sie. Aber die Geldgeber hätten wenig Interesse daran, aktuelle Geräte zu verbessern, sagte sie: „Es ist schwierig, Gelder für die Arbeit an Pulsoximetern zu bekommen, weil es sich um eine so gut etablierte Technologie handelt.“

Dass die Geräte bei Menschen mit dunklerer Haut weniger gut funktionieren, ist seit Jahrzehnten bekannt. Frühe Geräte von Hewlett Packard funktionierten bei den meisten Menschen sehr gut, wurden jedoch durch die neueren, kompakteren Geräte, die heute verwendet werden, obsolet. Viele Ingenieure und Mediziner haben die höhere Fehlerquote, die bei Patienten mit dunklerer Haut auftrat, schon lange akzeptiert und waren der Meinung, dass diese nicht klinisch relevant seien.

„Es gab nicht genügend Daten, um zu zeigen, dass sich diese Fehler auf die klinische Behandlung ausgewirkt haben. Man könnte sagen, dass dies innerhalb einer akzeptablen Fehlerspanne liegt“, sagte Koomson.

Doch eine Flut neuer Forschungsergebnisse stellt diese Ansicht in Frage. Eine Studie der University of Michigan, die im Dezember 2020 große Aufmerksamkeit erregte, zeigte, dass schwarze Patienten dreimal häufiger als weiße Patienten an „versteckter Hypoxie“ litten – gefährlich niedrige Sauerstoffwerte, die Pulsoximeter nicht erkannten. Nachfolgende Studien zeigten, dass Patienten mit dunklerer Haut während ihres Aufenthalts auf der Intensivstation weniger zusätzlichen Sauerstoff erhalten und dass versteckte Hypoxie bei Patienten mit dunklerer Haut ein Problem darstellt, auch wenn sie sich nicht auf der Intensivstation befinden. Eine andere Studie zeigte, dass dunkelhäutige Patienten seltener hochmoderne Covid-19-Behandlungen erhielten.

Da Sauerstoff für das Überleben und die Organgesundheit so wichtig ist, sagen Forscher, dass Probleme mit Pulsoximetern bei Patienten mit dunklerer Haut zu schlechteren Ergebnissen wie Tod und Organversagen führen können.

Diese Forschung „hat dies in den Vordergrund gerückt“, sagte Koomson. Sie arbeitet derzeit an Geräten, die handelsübliche Komponenten verwenden und im Gegensatz zu aktuellen Geräten Lichter und Sensoren verwenden, die an Patienten mit unterschiedlicher Hautfarbe angepasst werden können. Die größte Herausforderung, sagte sie, bestehe nicht in der Entwicklung der Geräte, sondern darin, sie zu testen, da dies bei sehr kranken Patienten durchgeführt werden müsse.

Die Anpassung der Technologie an die Hautfarbe sei keine neue Idee, sagte sie; Es wird beispielsweise in der Kosmetikindustrie eingesetzt, wo Laser zur Haarentfernung so eingestellt werden, dass Narbenbildung bei Menschen mit dunklerer Haut vermieden wird, und in der Fotografie. „Wenn man ein Foto macht, passt man das Licht an, um ein genaues Bild zu erhalten“, sagte sie. „Das ist es, was wir tun – das Licht anpassen.“

Wie Toussaint stimmt auch Koomson zu, dass das Problem mit Pulsoximetern die Notwendigkeit einer größeren Diversität in der Technik verdeutlicht. „Man hört Leute sagen: ‚Ich habe mich für Brustkrebs entschieden, weil jemand, der mir nahe steht, davon betroffen war‘“, sagte sie. „Die Probleme, die wir angehen wollen, liegen uns am Herzen.“

Koomson stammte nicht aus einer Familie von Wissenschaftlern oder Ingenieuren. Ihre Eltern, die auf ehemaligen Pachtplantagen in North Carolina aufgewachsen waren, zogen nach Washington, D.C., um dort zu arbeiten. Ihre Mutter ist Friseurin und ihr Vater ist Militär im Ruhestand. Was sie zur Wissenschaft hinzog, sagte sie, seien Programme, die Howard und andere Universitäten für High-School-Kinder aus der Innenstadt veranstalteten. Als sie mit dem College am Massachusetts Institute of Technology begann, sagte sie: „Ich hatte das Gefühl, in eine ganz andere Welt eingetreten zu sein. Es war wunderbar.“

Ihre Familie ist seit jeher Bürgerrechtsaktivistin und hatte an den Sitzstreiks in Woolworth-Läden in Greensboro, North Carolina, teilgenommen. Koomson arbeitet nicht nur im Labor, sondern arbeitet auch mit Senatoren und anderen zusammen, um Maßnahmen zur Verbesserung von Pulsoximetern voranzutreiben. „Ich habe das Gefühl, dass dies meine Gelegenheit ist, mich aktiv zu engagieren“, sagte sie.

Als er im Jahr 2020 von dem Problem mit Pulsoximetern erfuhr, machte sich Toussaint, Professor und stellvertretender Dekan für Ingenieurwissenschaften an der Brown University, sofort an die Arbeit. Jakachira, eine Doktorandin im zweiten Jahr der Physik, übernahm letztes Jahr die Leitung, als sie in Toussaints Labor kam.

Toussaint hat an allen möglichen Problemen bei der Anwendung der Optik in der Medizin gearbeitet, und dieses sei nicht einfach zu lösen, sagte er. „Es ist eine optische Herausforderung“, sagte er. Aber er hält es für lösbar und hat aufgrund seiner Fähigkeiten und der Bedeutung des Problems für die schwarze Gemeinschaft nicht gezögert, mit der Arbeit daran zu beginnen. „Für mich war es eine erstaunliche Übereinstimmung der Umstände.“

Toussaint hatte sich schon als Kind für Naturwissenschaften interessiert – er nahm Objekte auseinander und versuchte, sie wieder zusammenzusetzen, was nicht immer gelang –, hatte aber nicht erkannt, dass Wissenschaft ein Beruf sein könnte, und sah selten Menschen, die in der Wissenschaft arbeiteten und so aussahen wie er. „Wenn man auf einem Feld keine anderen sieht, die wie man selbst aussehen, hat man Fragen zur Zugehörigkeit“, sagte er.

Man ermutigte ihn, Arzt zu werden, aber Krankenhäuser und Nadeln schreckten ihn ab. Toussaint fühlte sich zu den Naturwissenschaften hingezogen, besuchte die University of Pennsylvania und erwarb anschließend sowohl einen Master-Abschluss als auch einen Ph.D. in Elektrotechnik an der Boston University. Fast alle seiner Naturwissenschaftsprofessoren waren weiß, aber er suchte die wenigen schwarzen Mentoren auf, die er finden konnte. „Als ich schwarze Wissenschaftler sah, fühlte ich mich zu ihnen hingezogen und blieb in Kontakt“, sagte er.

Die Naturwissenschaften, sagte er, seien seit langem weniger willkommen für Farbstudenten. Nachdem die Menschen in diesen Bereichen als Reaktion auf die Black Lives Matter-Bewegung versprochen haben, es besser zu machen, beobachtet er, welche tatsächlichen Veränderungen eintreten werden. Er trage seinen Teil bei, sagte er, indem er Studenten wie Jakachira betreue.

Ursprünglich aus Simbabwe, widersetzte sie sich dem Wunsch ihrer Eltern, Ärztin zu werden, und entschied sich stattdessen für Physik. Aber sie sagte, sie hätte ihr Physikstudium beinahe abgebrochen, weil die Experimente, die sie in der Physik der kondensierten Materie durchführen wollte – rein akademische Forschungsprojekte –, ihr Interesse nicht geweckt hätten.

Dann entdeckte sie das Pulsoximeter-Projekt und hat es nicht bereut. „Dieses Projekt hat mich in meinem Ph.D.-Programm gehalten“, sagte sie. „Es ist sehr motivierend, an einem Projekt zu arbeiten, das sich direkt auf die Menschen in meiner Gemeinde auswirken könnte.“ Sie ist noch mehr davon überzeugt, dass es wichtig ist, dass sie da ist, wo sie ist, nämlich als schwarze Physikerin zu arbeiten. „Wir sind definitiv selten“, sagte Jakachira, „und wir bringen eine andere Perspektive ein.“

Was sie und Toussaint tun – alles sehr technisch und ein bisschen geheim, da sie ein Patent anmelden – spielt mit den elektrischen Eigenschaften des Lichts, damit die Sensoren des Geräts nicht durch Melanin gestört werden. Jakachiri verwendet für den Bau der Geräte handelsübliche Komponenten und LED-Leuchten, wie sie in herkömmlichen Pulsoximetern verwendet werden, da sie billig sind und sich kühl anfühlen. Ihr experimentelles Gerät verwendet nur eine Lichtwellenlänge und nicht zwei wie die meisten Pulsoximeter, aber die Forscher gehen davon aus, dass es dennoch präziser sein wird.

Jakachira hat das schuhkartongroße Gerät an Freiwilligen getestet und ihre ersten Ergebnisse auf einer internationalen Konferenz zum Thema Optik vorgestellt. Die beiden arbeiten nun mit Kollegen an der medizinischen Fakultät von Brown zusammen, um klinische Studien des Geräts an Patienten zu planen, die kränker sind und eine breite Palette von Hautfarben haben. „Wir müssen dies nicht an gesunden Freiwilligen untersuchen, sondern an Menschen, die möglicherweise hypoxisch sind“, sagte Toussaint.

Klinische Studien würden wahrscheinlich Monate dauern, sagte er, und könnten zu Verbesserungen am Gerät führen, wenn es nicht so gut funktioniere wie erwartet. Wenn alles gut geht, wird er Partnerschaften prüfen, um die Technologie zu miniaturisieren und Geräte für den Verbrauchergebrauch zu entwickeln. Dieser Prozess kann normalerweise ein Jahrzehnt oder länger dauern, aber Toussaint hofft auf einen schnelleren Weg. „Normalerweise sind wir viel akademischer. Wir recherchieren und veröffentlichen Artikel und denken nicht über den Geräteaspekt nach“, sagte Toussaint. „Aber das ist ein ziemlich dringendes Forschungsgebiet.“

Die von Koomson, Toussaint und Jakachira geleistete Arbeit sei von entscheidender Bedeutung, sagen Ärzte, die frustriert waren, als sie erfuhren, dass die Geräte bei Patienten mit dunklerer Haut weniger gut funktionieren, und die sich darüber ärgerten, dass die Tatsache nicht Teil ihrer medizinischen Ausbildung war.

„2020 habe ich zum ersten Mal davon erfahren und meine Ausbildung in der Bronx absolviert“, sagte Utibe Essien, eine schwarze Assistenzprofessorin für Medizin an der University of Pittsburgh, die seit etwa einem Jahrzehnt praktiziert. „Jetzt ist es an der Zeit, über die Beschreibung dieser Unterschiede hinauszugehen. Es ist an der Zeit, einzugreifen.“

Viele Ärzte sagen, dass sie Pulsoximeter-Messwerte von Patienten mit dunklerer Haut jetzt mit größerer Vorsicht angehen oder sich schmerzhafteren arteriellen Blutentnahmen zuwenden, was Thomas Valley, ein Lungenarzt der University of Michigan und einer der führenden Forscher auf dem Gebiet der Probleme mit Pulsoximetern, sagt. nennt „suboptimale Problemumgehungen“, die nur zu gesundheitlichen Ungleichheiten führen.

„Es gibt nur eine wirkliche Lösung für das Problem ungenauer Pulsoximeter, und zwar bessere Pulsoximeter, denen man unabhängig von der Hautfarbe vertrauen kann“, sagte Valley gegenüber STAT und lobte die laufende Arbeit bei Brown and Tufts. Wenn Gerätehersteller diese Probleme nicht angehen, fügte er hinzu, „dann brauchen wir Forscher, die die Führung übernehmen.“

Im Juni gaben Beamte der FDA bekannt, dass sie planen, später in diesem Jahr eine öffentliche Sitzung einzuberufen, um zu besprechen, ob weitere regulatorische Maßnahmen hinsichtlich der Verwendung der Geräte erforderlich sind.

Toussaint wartet nicht. „Wenn wir das lösen können, wird es großartig sein“, sagte er. „Ich bin außer mir.“

Dies ist Teil einer Artikelserie über Rassismus im Gesundheitswesen und in der Medizin, die durch einen Zuschuss des Commonwealth Fund finanziert wird.

Nationaler Wissenschaftskorrespondent

Usha Lee McFarling ist nationale Wissenschaftskorrespondentin für STAT mit Sitz in Los Angeles. Sie untersucht gesundheitliche Ungleichheiten und deren Folgen.

Vielfalt und Integration

Gesundheitliche disparitäten

Gesundheitstech

medizinische Geräte

Dieser Name wird in Ihrem Kommentar angezeigt

Beim Speichern Ihres Anzeigenamens ist ein Fehler aufgetreten. Bitte überprüfen Sie es und versuchen Sie es erneut.