脉搏血氧仪能测量血氧饱和度的原理是什么？智能手表可以替代吗？
2023/1/4 23:01:16 诚君健谈
有的朋友对脉搏血氧仪测量血氧饱和度的原理特别感兴趣，并问能不能使用智能手表替代。
今天，我们就详细说说这事。
脉搏血氧仪能够准确测量血氧饱和度的关键点有两个：
区分氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白
上一次在指夹式血氧仪准吗？新冠疫情当前，哪些人需要它？一文中，我已经介绍一些相关基础知识和概念。
我们已经学习到，吸入的氧气从肺泡进入血液，主要与血液红细胞中的血红蛋白分子结合成氧合血红蛋白[HbO2]，血液就变成鲜红色的动脉血，沿着动脉输送到全身为组织细胞供应代谢所需要的氧气。
在组织内，氧气从氧合血红蛋白上解离下来供给细胞代谢使用，氧合血红蛋白就变成脱氧血红蛋白(HHb)，血液也从鲜红色的动脉血变成暗红色的静脉血。
血液中氧合血红蛋白的浓度与血液中总(氧合+脱氧)血红蛋白浓度的比值，就是血氧饱和度。
我们今天要谈的主要是动脉血的氧饱和度(SaO2)，以及如何利用无创技术测定脉搏血氧饱和度(SpO2)来替代动脉血的氧饱和度的基本原理。
从动脉血到静脉血，血液颜色为什么会改变呢？
这就涉及脉搏血氧仪的第一个基本原理，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对红光和近红外光(near-infrared ray，IR)的吸收存在显著的差异，氧合血红蛋白比脱氧血红蛋白可以吸收更多的红外光和更少的红光——吸收更少的红光，就意味着散射更多的红光，这正是动脉血看起来呈鲜红色的原因；
另一方面，脱氧血红蛋白可以吸收更多的红光，因而看起来就呈现暗红色。
我们知道，红光和红外线具有更长的波长，因而具有更强的组织穿透能力；而蓝光、绿光、黄光等更容易被血管组织以外的组织和水更多地吸收。
正是利用以上氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白之间光吸收特性上的差异，脉搏血氧仪从置于手指一侧探臂上一个小型发光二极管发出波长为660 nm的红光和940 nm的近红外光；再利用置于手指另一侧探臂上的光电二极管接收穿过的光线，就可以检测到被吸收的红光和红外光的相对量，从而计算出血液中结合和未结合氧气的血红蛋白的比例，最终确定血氧饱和度的。
区分动脉与静脉部分的血氧饱和度,提取动脉血氧饱和度
以上过程计算出的仅仅是测定部位动静脉混合血液的血氧饱和度，而不是我们最终想要得到的动脉血的血氧饱和度。
这就涉及另外一个问题，如何区分手指部位分别来自动脉和静脉血液的血氧饱和度，并从中提取出可以较为准确地替代动脉血氧饱和度。
脉搏血氧仪可以只“提取”检测动脉血的脉搏血氧饱和度，是基于以下原理:
我们知道，所谓动脉是指可以随心脏搏动而搏动的血管，当心脏收缩时动脉舒张，其中血容量增加；心脏舒张时动脉收缩，其中血容量减少；进而其所吸收的红光和红外光的量也随着心动周期而波动。
相反，静脉和毛细血管却不能随心动周期而搏动，其中的血量与周围皮肤、脂肪、骨骼等组织的体积均保持相对恒定。
这也就意味着，如果连续探测心动周期中透射过手指的红光和红外光线的量，脉搏血氧仪就可以利用心动周期中对两种光吸收幅度变化曲线，“剔除”出周期中保持不变的部分，改变的部分就全部来自其中的动脉血。
如何将脉搏血氧仪测定的数值与真实的动脉血氧饱和度对应
现在还剩下最后一个问题，那就是如何将使用脉搏血氧仪测定的脉搏血氧饱和度数值与真实的动脉血氧饱和度对应。
解决这个问题的方法也跟确定其他生理参数一样，就是招募大量志愿者，通过动脉穿刺获取动脉血液进行血氧分析，以获得真实的动脉血氧饱和度；同时利用脉搏血氧仪测定同时期的脉搏血氧饱和度，获取一个经验系数进行校准。
由于开发协议允许招募的是动脉血氧饱和度从100%到大约70%的志愿者，获得经验系数不能用于血氧饱和度低于70%所检测到的脉搏血氧饱和度。
这也是所有制造商都强调脉搏血氧仪只适用于监测血氧饱和度介于70%到100%人群脉搏血氧饱和度监测的原因。
如何正确使用脉搏血氧仪
由此我们也可知，使用脉搏血氧仪获得的只是真实动脉血氧饱和度的一个估值，其准确性必然会受到很多因素的影响。
研究表明，检测部位血液循环状况，皮肤色素沉着，皮肤厚度，皮肤温度，吸烟(收缩血管)，甚至涂指甲油都可能会影响脉搏血氧饱和度测定的准确性。
因此，在家中使用脉搏血氧仪需要遵循以下建议：
使用经过药监部门批准上市的脉搏血氧仪；
严格遵循制造商提供的使用说明进行操作；
测量时保证手的温暖，并保持放松；
测量时手指不能高于心脏水平面；
去除手指上的任何指甲油；
测量时要保持静坐，不要移动脉搏血氧仪所在的身体部位；
等待几秒钟，直到读数停止变化，以获取一个稳定的数字；
记录下所测得脉搏血氧饱和度数值，以及测量日期和具体时间，以便动态观察。
同时，还需要注意，不能完全依赖于脉搏血氧仪测量的数据，还应该 熟悉出现低氧水平的其他迹象:
脸、嘴唇或指甲呈蓝色；
气短、呼吸困难或咳嗽加重；
烦躁不安和明显不适；
胸痛或胸闷；
呼吸和脉搏加快。
只要观察到出现以上迹象中的任何一个，就都可能提示出现了低氧血症，要及时就医，而不要单纯依赖脉搏血氧仪的数据，造成救治延误。
智能手表可以替代脉搏血氧仪吗？
人体可供监测脉搏血氧饱和度的部位不止手指，还包括耳垂、鼻子和前额，因为这些区域皮肤皮肤血管密度比其他部位要高得多。
但是，不同部位测量使用的探头以及原理并不完全相同，适用于不同部位的探头不能混用。
适用于前额部位的探头利用的不是光线的透射而是反(散射)射原理，更不能与上述几种利用透射原理的“夹式”双探头混用。
而智能手表监测脉搏血氧饱和度的原理也是利用氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白对对红光和红外光不同吸收的原理，但检测的不是透射过检测部位的光线，而是散射回来的光线。
而且，像智能手表这种可穿戴电子设备毕竟不是受药物监管部门监督和管理的医学设备，尽管理论上也是可以获取检测部位的脉搏血氧饱和度。
但是，结果的准确度和精度(可重复度)都距离作为医疗设备的脉搏血氧仪有很大差距。
比如，脉搏血氧仪制造商都宣称自己的设备测量准确度仅与实际的动脉血氧饱和度之间存在±2%的误差，实际允许误差在±5%以内。
而智能手表测得的脉搏血氧饱和度与实际的动脉血氧饱和度之间可以相差达20%。
因此，智能手表等可穿戴电子产品绝对不能替代脉搏血氧仪用于血氧饱和度的医学监测。
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