血氧儀的原理:把光運用到極致_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴(ID:fanpu2019),阅读更多!2022-12-26 18:59
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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