血氧仪的原理：把光运用到极致

本文来自微信公众号：万象经验（ID：UR4351），作者：Eugene Wang，题图来自：视觉中国

最近几天，多位专家提醒我们，要警惕老年人的“沉默性杀手”。一些老年人感染新冠后，虽然呼吸状态看起来比较平稳，但实际上血氧饱和度已经非常低了。也就是说，他们的身体已经出现缺氧的情况了。然后，血氧仪就卖脱销了，并且价格还出现了上涨。

通常情况下，如果我们要分析有关血液的某些信息，我们需要通过各种不愉快的方式获取血液样本。但是，如果我们想要知道血氧情况，我们只需要将手指伸进仪器中，它就会立即告诉我们心率和血氧饱和度，而且这完全是一种无创的方式。那么，血氧仪是如何做到的呢？

如果你仔细看血氧仪放手指的地方，你会发现一个闪烁的LED灯，而在LED灯的对面是光电二极管。我们的手指就放在LED灯和光电二极管之间，血氧仪会向手指发光，然后被另一边的光电二极管所接收，并转化为电信号。

如果你曾经不小心用手指盖住手机的闪光灯，你会发现皮肤实际上是半透明的，并且它还会在另一侧呈现红色。因为你的血液吸收了一些光，并且也透过了另一部分光。科学家对此进行了实验，并且他们了解到血红蛋白（血液中携带氧气的蛋白质）的吸收光谱在两种状态下存在很大差异，这两种状态分别是它的含氧状态和非含氧状态。

用一般来的话来说，这意味着它投射出来的颜色会改变。虽然肉眼不能分辨这些改变，但仪器能分辨。并且如果使用两种不同波长的光来进行测量，我们会发现差异就变得更加明显。所以，实际上血氧仪有两个LED灯，有一个发出红色的光，另一个发出我们看不见的红外线。并且它们俩不是稳定发光，而是轮流闪烁，然后通过分析另一侧光电二极管接收到的光信号，我们就可以准确判断出血氧饱和度。

如上图所示，这是含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收光谱。横坐标代表的是光的波长，纵坐标代表的是摩尔吸光系数，也就是对光的吸收能力。红色线代表的是含氧血红蛋白，而蓝色线代表脱氧血红蛋白。

我们可以看到，在最左侧红光的区域，含氧血红蛋白吸收这种波长的能力比脱氧血红蛋白弱。但随着波长的增长，到了最右侧红外线时，情况发生了翻转，含氧血红蛋白实际上吸收的光比脱氧血红蛋白多一点。

但是，我们的手指不只有血液，还有皮肤、骨头和指甲等其他东西，所以单靠光怎么可能准确告诉我们血氧饱和度呢？我们的血液不只是停留在手指上，它会根据心脏的跳动而脉动。因此，通过少量的信号分析，脉搏血氧仪内的微处理器可以隔离它接收到的信号的脉冲成分，并忽略所有非血液信号。这将告诉我们心率，并确定含氧血红蛋白的百分比。

但是我们应该知道，这些设备都不是完美的。在某些情况下，他们可能会给出错误的读数，比如一氧化碳中毒的情况。对于血氧仪来说，携带一氧化碳的血红蛋白与携带氧气的血红蛋白相同。

本文来自微信公众号：万象经验（ID：UR4351），作者：Eugene Wang