Um Pulsoximeter zu reparieren, hat die FDA dieses Labor gebeten, Antworten zu finden

Von Usha Lee McFarling

16. Dezember 2022

SAN FRANCISCO – Die Entdeckung, dass Fingerspitzen-Sauerstoffmessgeräte zu gesundheitlichen Ungleichheiten beitragen könnten, weil sie bei Patienten mit dunklerer Haut offenbar weniger gut funktionieren, hat die Welt der Pulsoximetrie erschüttert, eine 2-Milliarden-Dollar-Branche, die nun strengeren Vorschriften und dem Druck ausgesetzt ist, Voreingenommenheit anzugehen bei der Entwicklung und Prüfung seiner Geräte.

Auf der Suche nach Lösungen haben sich die Aufsichtsbehörden der Food and Drug Administration an ein einzelnes kleines Labor in San Francisco gewandt, dessen visionärer Gründer bei der Entwicklung moderner Blutüberwachungsgeräte mitgewirkt hat. Seit Jahrzehnten arbeitet das Hypoxia Lab an der University of California in San Francisco im Stillen daran, die Präzision dieses kostengünstigen Geräts zu bewerten und zu verbessern, das das Gesundheitswesen revolutionierte, indem es eine schnelle, kostengünstige und nicht-invasive Überwachung des Blutsauerstoffspiegels ermöglichte. Diese Instrumente sind für viele Aspekte der medizinischen Versorgung von entscheidender Bedeutung, von der Behandlung von Covid und Lungenentzündung bis hin zur Neugeborenenüberwachung, und das Labor testet jedes Jahr mehr als 60 für Hersteller und andere in einem kleinen Raum voller Monitore, Sauerstoffflaschen, Ultraschallgeräte und Atmung Schläuche und eine Operationsliege.

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Das Hypoxia Lab wurde 1958 von John Severinghaus gegründet, einem Physiker, der zum Anästhesisten wurde und als „Meistertüftler“ beschrieben wird. Das Hypoxia Lab war eines der ersten, das Analysen veröffentlichte, die die Genauigkeit von Pulsoximetern auf dunklerer Haut in Frage stellten. Severinghaus entwickelte im Zweiten Weltkrieg Radarsysteme und erfand den ersten Blutgasanalysator der Welt, ein Gerät, das heute im Smithsonian untergebracht ist. Er hatte ein großes Interesse daran, zu verstehen, wie der menschliche Körper mit niedrigem Sauerstoffgehalt umgeht; Er untersuchte auch Themen in einem Labor, das manche „Hypoxia Hilton“ nennen und das immer noch in 12.470 Fuß Höhe in den White Mountains in Kalifornien betrieben wird.

Als sich die Blutgasüberwachung weiterentwickelte und Pulsoximeter in den späten 1980er-Jahren im Gesundheitswesen allgegenwärtig wurden, verbrachten Severinghaus und sein Labor viel Zeit damit, zu bewerten, wie gut sie funktionierten. Dies führte dazu, dass sie Mitte der 2000er Jahre Artikel veröffentlichten, in denen sie darauf hinwiesen, dass Pulsoximeter bei Patienten mit dunklerer Haut weniger genau seien. Historische Fotos zeigen, wie Severinghaus die Geräte vor Jahrzehnten an schwarzen Patienten testete, einer Zeit, als die klinischen Forschungsteilnehmer überwiegend weiß waren. Der Befund war etwas, das ihm zu schaffen machte.

„Er hat immer darüber gesprochen. Als die Geräte populär wurden, begann er sich zu fragen, wie genau sie bei Menschen mit dunklerer Haut wirklich waren“, sagte Philip Bickler, Professor für Anästhesie und perioperative Pflege an der UCSF, der nach Severinghaus die Leitung des Labors übernahm im Ruhestand.

Für Bickler, der Erstautor einer Arbeit aus dem Jahr 2005 war, in der die Auswirkung des Hauttons auf die Messwerte von Pulsoximetern untersucht wurde, war es frustrierend, dass es einer schrecklichen Pandemie, bei der Pulsoximeter entscheidend für die Bestimmung, wer ins Krankenhaus eingeliefert und behandelt wurde, und zahlreichen neuen Studien bedurfte, um dies zu erreichen breites Interesse an dem Thema wecken.

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„Die ganze Zeit über sagten wir: ‚Ja, das wollten wir Ihnen sagen.‘ Aber es war einfach nicht auf dem Radar der Leute und bereitete ihnen Sorgen“, sagte Bickler. „Damals wurde der gesundheitlichen Chancengleichheit keine Beachtung geschenkt.“

Da sich nun neue Aufmerksamkeit auf gesundheitliche Chancengleichheit und die Geräte konzentriert, ist das Profil des Labors deutlich gestiegen. Diesen Monat erlaubten die Verantwortlichen von STAT, einen Tag damit zu verbringen, detaillierte Testverfahren zu beobachten, während sie daran arbeiteten, herauszufinden, welchen Einfluss Hautpigmente auf die Genauigkeit der Geräte haben – eine entscheidende Unbekannte, da die Aufsichtsbehörden verstehen wollen, wie sehr sich diese Fehler auf die Behandlung auswirken können Entscheidungen. Als sich das Labor mit einer Vielzahl von Problemen auseinandersetzte – von der Beurteilung des Hauttons bis hin zu unvorhersehbaren Schwankungen der Messwerte bei verschiedenen menschlichen Probanden – wurde eines sofort klar: Beim Testen dieses einfachen Geräts ist nichts einfach.

Es war Zeit, Blut abzunehmen. Diamond Luong, eine ehrenamtliche 23-jährige Forschungskoordinatorin an der UCSF, saß aufrecht auf der Trage, ihr Arm war von Lidocain betäubt, während Bickler vorsichtig einen Katheter in ihre Arteria radialis führte und dabei einen Ultraschallbildschirm beobachtete. An jedem ihrer Finger wurde ein Pulsoximeter angebracht und ein Atemschlauch in ihren Mund eingeführt. Ihre Nase war zugekniffen.

In den nächsten 20 Minuten verglichen Labormitarbeiter die Sauerstoffwerte auf den Geräten mit den Werten im Blut, das ihr zeitweise aus dem Arm entnommen und sofort analysiert wurde, da sie „entsättigt“ war oder immer weniger Sauerstoff zum Atmen bekam. Als Goldstandard gelten Blutgasmessungen aus Blut.

Sechs Forscher huschten in dem kleinen, aus einem Raum bestehenden Testraum umher, während Taylor Swifts Musik leise erklang. Luong atmete schnell und tief. „Satting 100“, rief Bickler als Caroline Hughes, eine Ärztin

Der Forschungskoordinator entnahm eine Probe leuchtend roten Bluts und gab sie in einen von zwei Blutgasanalysatoren, die in Sekundenschnelle Ergebnisse ausspucken. Während das Labor genaue Zahlen benötigt, war der Sauerstoffmangel im Blut mit bloßem Auge sichtbar: Proben von Luongs weniger sauerstoffreichem Blut hatten ein viel dunkleres Cranberryrot.

Die Messwerte der zehn Pulsoximeter an Luongs Fingern flackerten auf einem riesigen Bildschirm in der Ecke des Labors, der über mehrere Kameras verfügt, damit andere Forscher oder Hersteller hineinzoomen und die Vorgänge aus der Ferne verfolgen können.

Luongs Sauerstoffgehalt wurde zweimal auf 70 % gesenkt, was weit unter dem normalen Bereich liegt, aber nur kurzzeitig. Sie sagte, dass sie sich nicht unwohl fühlte. Freiwilliges Engagement für die Forschung ist beliebt; Eine kurze Sitzung kostet etwa 200 US-Dollar. Das Labor ist seit langem auf Freiwillige angewiesen, die hauptsächlich aus der UCSF stammen. Michael Lipnick, außerordentlicher Professor für Anästhesiologie an der UCSF und Forscher im Hypoxia Lab, sagte, das Labor sei daran interessiert, eine vielfältigere Bevölkerung zu rekrutieren, darunter auch Menschen mit dunklerer Haut, wolle sich aber eingehender mit den ethischen Fragen befassen, die mit der Rekrutierung von Forschungsteilnehmern aus der Gemeinschaft verbunden sind.

Luong ist Asiate mit mittlerer Hautfarbe. Andere Teilnehmer hatten an dem von STAT beobachteten Tag eine dunklere Haut. Aber die Person, bei der Pulsoximeter am schlechtesten abschnitten, war einer der hellhäutigsten getesteten Freiwilligen. Und in vielen Fällen waren die Messwerte des Pulsoximeters niedriger als im Blut gemessen, während in klinischen Studien die Sorge bestand, dass die Geräte bei Menschen mit dunklerer Haut fälschlicherweise höhere Sauerstoffwerte anzeigten, was bedeutete, dass Ärzte gefährliche Hypoxämie oder niedrigen Sauerstoffgehalt übersehen könnten. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Frage, wie stark Hautpigmente Pulsoximeter beeinflussen, nicht so eindeutig ist, wie viele glauben.

Eine Zusammenfassung der STAT-Top-Storys des Tages.

Die Person, bei der die Geräte schlecht funktionierten (einige Messwerte lagen um bis zu 10 % daneben), war gesund, hatte jedoch eine geringe Perfusion bzw. Blutzirkulation in ihren Fingern, was möglicherweise zu den Ungenauigkeiten beigetragen hat. Die Durchblutung kann durch eine Vielzahl von Problemen beeinträchtigt werden, von Krankheiten bis hin zu einfachen Problemen wie der Temperatur der Hände einer Person. Einige Tests der Geräte beginnen damit, die Hände einer Versuchsperson zu erwärmen, was ein Grund dafür sein könnte, dass sie bessere Ergebnisse erzielen, sagte Lipnick.

In der Praxis können Patienten kalte Hände haben, krank sein, sich zu viel bewegen, um eine gute Messung zu erhalten, oder kleine Finger haben, die nicht gut in die Geräte passen. Mit dieser Variabilität zwischen Patienten, sogar zwischen verschiedenen Fingern derselben Person, hat das Labor zu kämpfen. „Ist es die Hautfarbe? Ist es die Durchblutung? Ist es der Blutdruck?“ fragte Lipnick. „Die Physiologie, insbesondere wenn es um Sauerstoff geht, ist so dynamisch.“

Die Arbeit des Labors eskalierte in den frühen Tagen der Covid-19-Pandemie, als viele Nichtregierungsorganisationen und Philanthropen Pulsoximeter an unterfinanzierte Länder spenden wollten. Die globale Gesundheit ist ein Hauptanliegen von Lipnick, der einen Teil des Jahres in Uganda arbeitet und stellvertretender Direktor des Center for Health Equity in Surgery and Anaesthesia der UCSF ist. Die Schubladen des Labors sind voller Pulsoximeter, die darauf warten, getestet zu werden. Einige davon kosten Tausende, andere nur 10 US-Dollar.

Viele der Geräte funktionierten in den Tests des Labors nicht gut, aber es war unklar, ob diese Informationen an die Spender oder die Empfänger der Geräte gelangten. Um zu helfen, hat Lipnick kürzlich openoximetry.org ins Leben gerufen, ein Projekt zum Testen zahlreicher Geräte, sowohl in Krankenhausqualität als auch zu günstigeren Modellen, die Verbraucher für den Heimgebrauch erwerben können, und um Leistungsdaten online zu veröffentlichen.

Das Labor testet auch Geräte für Hersteller; Die Nachfrage war in den letzten Jahren mit dem Wachstum von Gesundheitsüberwachungsgeräten und Fitness-Trackern hoch. Die Durchführung solcher Studien kostet etwa 40.000 US-Dollar und ist für neue Geräte, die eine FDA-Zulassung beantragen, von entscheidender Bedeutung. Diese Tests unterliegen oft der Geheimhaltung, da es sich dabei um neue Technologien handelt; Mitarbeiter der Gerätehersteller durchsuchen manchmal das Labor auf Sicherheitsrisiken und zwingen Laborforscher, Geheimhaltungsvereinbarungen zu unterzeichnen.

Das Geschäft läuft gut. Das Labor sei für acht Monate ausgebucht, sagte Deleree Schornack, eine Koordinatorin für klinische Forschung, die die wachsende Warteliste verwaltet.

So beschäftigt das Labor auch ist, es ist in letzter Zeit noch beschäftigter mit den neuen Fragen, ob Hautpigmente die Genauigkeit von Geräten und die Patientenversorgung beeinflussen. Mehrere Stiftungen finanzieren das Labor für die Durchführung von Studien, die zur Beantwortung der von der FDA aufgeworfenen Fragen beitragen können, einschließlich der Frage, wie der Hautton in Geräteleistungstests am besten gemessen werden kann. Die FDA verlangt, dass Geräte, die eine behördliche Zulassung beantragen, an mindestens 15 % der Probanden oder zwei „dunkel pigmentierten Personen“ getestet werden müssen. Dies war jedoch problematisch, da der Wortlaut vage ist und weit ausgelegt werden kann.

Die Hautfarbe scheint leicht zu bestimmen, das Labor hat jedoch herausgefunden, dass dies tatsächlich recht schwierig ist. Forscher hier haben verschiedene Farbskalen verwendet, die in der Dermatologie und für andere technische Anwendungen verwendet werden. Es gibt die sechsfarbige Fitzpatrick-Skala zur Bewertung des Sonnenbrandrisikos, die nicht annähernd genug dunkle Farben enthält. Es gibt die neue Monk-Tonleiter mit einem gleichmäßigeren Tonumfang und die Von-Luschan-Tonleiter mit bis zu 36 Tönen. Forscher stanzen Löcher in diese Papierschuppen, damit sie direkt an die Haut eines Probanden gehalten werden können.

Aber diese Papierschuppen, die Farbsplittern ähneln, bereiten den Forschern aus mehreren Gründen Unbehagen, sagte Lipnick. Zum einen sind sie zu subjektiv. Zum anderen sind die Papierskalen gedruckt – und sie können von Drucker zu Drucker unterschiedlich sein oder je nach Beleuchtung im Raum unterschiedlich aussehen. Der Hautton verändert sich auch an verschiedenen Körperstellen und wenn jemand warm ist oder krank ist.

Deshalb ergänzt das Labor Papierwaagen durch Spektrophotometer, eine teure Technologie, die die Menge des zu ihren Sensoren zurückreflektierten Lichts analysiert, um den Hautton zu beurteilen, der größtenteils von Melanin, aber auch von anderen Haut- und Blutpigmenten wie Hämoglobin, Carotin und Bilirubin beeinflusst wird. Laborforscher nehmen Messungen an mehreren Stellen vor, natürlich an den Fingern, an denen Oximeter angebracht sind, aber auch an der Nase, beiden Seiten der Ohren und den Oberarmen, die im Allgemeinen wenig Sonnenlicht sehen und daher durch Bräunung nicht abgedunkelt werden.

Die Geräte lesen weder eine Farbe noch einen Ton aus, sondern „nutzen viel Mathematik“, sagte Greg Leeb, ein australischer Anästhesist, der im Labor arbeitet, um eine sogenannte ITA-Nummer zu generieren, die möglicherweise zwischen den Labors besser standardisiert werden kann. Das Hypoxia Lab arbeitet mit einer Reihe von Experten, von Soziologen bis hin zu Dermatologen, zusammen, um die zuverlässigste Methode zur Farbbeurteilung zu ermitteln; Das ist eine der Schlüsselfragen, die die FDA zu klären versucht.

Da klar geworden ist, dass die Geräte im Chaos einer Notaufnahme oder Intensivstation nicht so gut funktionieren wie in idealen Labortestumgebungen, hat die FDA das Hypoxia Lab damit beauftragt, zu untersuchen, wie gut die Geräte in der realen Welt funktionieren – bei Krankenhausaufenthalten Patienten mit unterschiedlichen Hauttönen. Kelvin Moore Jr., ein schwarzer UCSF-Medizinstudent im zweiten Jahr und ehrenamtlicher Labormitarbeiter, half bei der Organisation des Projekts, nachdem er Berichte gelesen hatte, dass Pulsoximeter bei Patienten mit dunklerer Haut wie ihm weniger gut funktionieren.

„Es hat mich wirklich schwer getroffen“, sagte Moore, der die Chance, dem Team beizutreten, sofort nutzte. „Ich dachte: ‚Melde mich an.‘ Ich glaube, dass es wichtig ist, dass die Leute, die die Forschung betreiben, wie die Leute aussehen, die sie recherchieren, und dass es nicht oft genug vorkommt.“

Carolyn Hendrickson, eine Lungenärztin, die die medizinische Intensivstation am Zuckerberg San Francisco General Hospital leitet, leitet die Studie und hat etwa 90 Intensivpatienten rekrutiert, sagte sie.

Eine große Herausforderung der Studie besteht darin, dass anders als im Labor, wo der Sauerstoffgehalt bei gesunden Freiwilligen sicher gesenkt werden kann, jeder Abfall des Sauerstoffgehalts bei einem Intensivpatienten umgehend von Ärzten behandelt wird, was es schwierig macht, bei diesen niedrigeren Werten Messwerte zu erhalten. „Das Klinikpersonal reagiert sehr schnell“, sagte Hendrickson. „Wir müssen Forschungspersonal in der Nähe und verfügbar haben, um vorübergehende und unvorhersehbare Episoden zu erfassen, damit wir Daten sammeln können.“

Die Labormitarbeiter hoffen, dass ihre verschiedenen Studien Daten generieren werden, um Gerätetests zu stärken, von der Anzahl der Probanden, die einbezogen werden müssen, wie dunkel ihre Haut sein muss, bis hin zur Frage, ob die Geräte in Krankenhäusern getestet werden müssen. Während es noch Jahre dauern könnte, bis präzisere Pulsoximeter auf den Markt kommen, hofft das Team, dass seine Arbeit in der Zwischenzeit die Öffentlichkeit besser über die Sicherheit aktueller Geräte informiert, einschließlich der Hinzufügung einer möglichen „Black-Box“-Warnung zu Pulsoximetern, um Ärzte über etwaige Risiken zu informieren Ungenauigkeiten und wie man sie in der Patientenversorgung berücksichtigt.

„Die FDA verlangt mehr Daten und das macht bereits einen Unterschied“, sagte Bickler.

Severinghaus starb letztes Jahr im Alter von 99 Jahren, aber er würde sich freuen, sagte Bickler, zu erfahren, dass das von ihm gegründete Labor Fragen der Rassengerechtigkeit verfolgt, die er vor so langer Zeit aufgeworfen hat. „Wenn wir dieses Problem beheben können“, sagte Bickler. „Es könnte ein Modell für gesundheitliche Ungleichheiten sein.“

Diese Geschichte wurde aktualisiert, um klarzustellen, dass Stiftungen einige der Studien des Labors zu Pulsoximetern finanzieren.

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

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Nationaler Wissenschaftskorrespondent

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

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