血氧儀的原理：把光運用到極致_風聞

撰文 | Eugene Wang

最近幾天，多位專家提醒我們，要警惕老年人的“沉默性殺手”。一些老年人感染新冠後，雖然呼吸狀態看起來比較平穩，但實際上血氧飽和度已經非常低了。也就是説，他們的身體已經出現缺氧的情況了。然後，血氧儀就賣脱銷了，並且價格還出現了上漲。

通常情況下，如果我們要分析有關血液的某些信息，我們需要通過各種不愉快的方式獲取血液樣本。但是，如果我們想要知道血氧情況，我們只需要將手指伸進儀器中，它就會立即告訴我們心率和血氧飽和度，而且這完全是一種無創的方式。那麼，血氧儀是如何做到的呢？

如果你仔細看血氧儀放手指的地方，你會發現一個閃爍的LED燈，而在LED燈的對面是光電二極管。我們的手指就放在LED燈和光電二極管之間，血氧儀會向手指發光，然後被另一邊的光電二極管所接收，並轉化為電信號。

如果你曾經不小心用手指蓋住手機的閃光燈，你會發現皮膚實際上是半透明的，並且它還會在另一側呈現紅色。因為你的血液吸收了一些光，並且也透過了另一部分光。科學家對此進行了實驗，並且他們瞭解到血紅蛋白（血液中攜帶氧氣的蛋白質）的吸收光譜在兩種狀態下存在很大差異，這兩種狀態分別是它的含氧狀態和非含氧狀態。

用一般來的話來説，這意味着它投射出來的顏色會改變。雖然肉眼不能分辨這些改變，但儀器能分辨。並且如果使用兩種不同波長的光來進行測量，我們會發現差異就變得更加明顯。所以，實際上血氧儀有兩個LED燈，有一個發出紅色的光，另一個發出我們看不見的紅外線。並且它們倆不是穩定發光，而是輪流閃爍，然後通過分析另一側光電二極管接收到的光信號，我們就可以準確判斷出血氧飽和度。

如上圖所示，這是含氧血紅蛋白和脱氧血紅蛋白的吸收光譜。橫座標代表的是光的波長，縱座標代表的是摩爾吸光係數，也就是對光的吸收能力。紅色線代表的是含氧血紅蛋白，而藍色線代表脱氧血紅蛋白。我們可以看到，在最左側紅光的區域，含氧血紅蛋白吸收這種波長的能力比脱氧血紅蛋白弱。但隨着波長的增長，到了最右側紅外線時，情況發生了翻轉，含氧血紅蛋白實際上吸收的光比脱氧血紅蛋白多一點。

但是，我們的手指不只有血液，還有皮膚、骨頭和指甲等其他東西，所以單靠光怎麼可能準確告訴我們血氧飽和度呢？我們的血液不只是停留在手指上，它會根據心臟的跳動而脈動。因此，通過少量的信號分析，脈搏血氧儀內的微處理器可以隔離它接收到的信號的脈衝成分，並忽略所有非血液信號。這將告訴我們心率，並確定含氧血紅蛋白的百分比。

但是我們應該知道，這些設備都不是完美的。在某些情況下，他們可能會給出錯誤的讀數，比如一氧化碳中毒的情況。對於血氧儀來説，攜帶一氧化碳的血紅蛋白與攜帶氧氣的血紅蛋白相同。

本文經授權轉載自微信公眾號“萬象經驗”。

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