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脉氧饱和度（Pulse Oximetry，SpO₂）在医院里使用非常频繁，总体来看，准确性不错，但稍不留心也可能被“欺骗”到，本人也有过被“欺骗”的经历，想来甚是有趣。借此机会查看了一下SpO₂的原理，在这里与诸位分享。 SpO₂是怎么得出来的 要想知道SpO₂是如何“欺骗”我们的，当然需要了解一下测定原理。 物理学中有一个Beer-Lambert定律，描述的是在浓度与厚度不变的情况下，吸光度与吸光系数成正比。在SpO₂的监测中，选择了穿透性比较强的红光与红外光来观察吸光度与吸光系数的变化。 在血液中，基本所有的血红蛋白都处于两种形式之一——氧化Hb（O₂Hb）或还原Hb（HHb），两者的吸光系数存在差异，总吸光系数取决于两者的比例。这种差异有时我们用肉眼也能感受到——氧合良好的时候，HHb少，对红光的吸收少，血比较鲜红；而氧合不好时，HHb多，对红光的吸收多，血比较暗红。 当利用Beer-Lambert定律计算出总吸光系数后，再根据O₂Hb、HHb的标准吸光系数即可计算出O₂Hb在所有血红蛋白中的比例，就是我们所说的氧饱和度。 根据这个“朴素”的原理，早在20世纪三四十年代，就有人开始制作无创监测氧饱和度的器械。不过，想想也知道，除了动脉血外，皮肤色素、肌红蛋白、静脉血也同样会吸光，这样测出来的氧饱和度必然受很大影响。 除此之外，脉搏也给研制者们制造了不少麻烦，因为随着动脉搏动，吸光度会规律波动。在很多人想方设法减少脉搏对吸光度影响的时候，日本工程师们独辟蹊径，想到脉搏导致的吸光度变化只来源于动脉血，于是利用吸光度随脉搏变化的大小开发出了新的氧饱和度计算方法——SpO₂。 具体怎么进行计算呢？ 由动脉搏动所造成的吸光率改变量定义为AC（Alternating Current，变化信号），仅来源于动脉血；不随脉搏改变的吸光率定义为DC（Direct Current，直接信号），来源于静脉、毛细血管、色素等。
图1 SpO₂利用脉搏巧妙排除其他干扰 在氧饱和度比较低的时候，HHb比例较高，动脉血在红光中的吸光率变化（ACRed）要大于红外光中的吸光率变化（ACIR）；而氧饱和度较高时，HHb比例较低，动脉血在红光中的吸光率变化（ACRed）小于红外光中的吸光率变化（ACIR）。根据这种变化，可以创造出一个新的值R = (ACRed / DCRed) / (ACIR / DCIR)。随着氧饱和度的升高，R值逐渐降低。
图2 SpO₂的计算 器械厂家根据健康志愿者中进行的研究，可以得到氧饱和度70%-100%时的R值，仪器使用时只需要根据测得的R值反推回SpO₂即可。 目前应用的脉氧仪器如果正确使用，误差仅在3%-4%之内，具体需参考仪器自身说明书，但总体来说准确性很好。
图3 某款指氧的说明书 1. 低氧干扰SpO₂ 上面说到R值与SpO₂的对应关系是通过健康志愿者摸索出来的。由于安全问题，故不能让健康志愿者的氧饱和度降至70%以下。 实际应用中，如果SpO₂＜70%，与真正的氧饱和度就失去了对应关系，因此很不准确。不过好在SpO₂＜70%时的不准确也不太影响临床决策。 2. 低灌注干扰SpO₂ 由于SpO₂测量依赖动脉搏动时吸光度的变化，低灌注导致的信噪比降低会影响测量。低灌注有时表现为SpO₂假性降低，有时导致不能读数，有时则表现为频繁失去信号、报警，如果看到波形信号很弱，SpO₂的准确性应该存疑。低灌注可以来源于低血压、全身血管收缩等全身因素，当然也可以是肢体低温、动脉粥样硬化、血压计袖带等局部因素。 前一阵子夜班时，科室里有一位血压波动似过山车的患者，当血压低至80/50 mmHg时，SpO₂可以降低到85%~86%甚至更低，这时看患者却呼吸平稳，查血气SaO₂有92%，随着患者血压的恢复SpO₂也可恢复。既往有研究发现，SBP降至80 mmHg以下时，SpO₂的误差会很大，血压越低SpO₂越假性降低，最大可以达到-45%。 脓毒性休克是低血压中的特例，因为脓毒性休克往往外周血管扩张，同时纠正脓毒性休克会补液、应用血管活性药物，因此脓毒性休克时不像其他类型的低血压，SpO₂不总是偏低，也可以偏高，总之准确性存疑。 有没有办法减少干扰呢？有，可以改变探头的位置来避开低灌注区域，也可以改善局部灌注。 低温、低血压等全身外周血管收缩的情况下，指/趾端受到影响较大，而耳垂、额头受到的影响小，可以把探头放在这些灌注良好的位置。但是，有时换探头位置的同时也需要更换探头种类，比如把指氧夹换为贴片。注意指氧夹与血压袖带的位置，不要放在同侧。如果患者有动脉置管或者明确的动脉严重狭窄，最好也避开这一侧。改善局部灌注可以通过肢体摩擦、加温来实现，有的地方还会推荐局部使用硝酸甘油透皮贴或者冬青油等改善灌注。 3. 探头放置干扰SpO₂ 监测SpO₂可以利用透射光（夹子），也可以利用反射光（贴片）。对于依靠透光以计算吸光率的探头，如果探头与接收器对不上，很多红光与红外光根本未被对侧接收，R值可能会接近1，对应SpO₂为85%附近。
图4 指氧夹示意图 4. 色素对SpO₂的影响 尽管原理认为色素等导致吸光率变化的因素会被自动去除掉，但在实际应用中还是观察到了一些影响。 患者如果涂有指甲油，而且是明显吸收红光与红外光的指甲油，可能会对SpO₂造成影响，对早期的仪器影响较大，而当代的仪器一般认为影响在2%以内，临床意义不大。如果担心影响的话可以侧着夹或者换位置。 患者肤色深或黄疸，目前认为不会影响SpO₂的准确性。不过确实有研究认为在黑人中可能会有不到4%的影响，意义不大。 一些用于诊断的染料也可以影响SpO₂，比如亚甲基蓝。亚甲基蓝在红光处有一个明显的吸收峰，可以模拟HHb，导致计算出的R值增加，SpO₂假性降低。在健康受试者中发现只要静脉注射5 mL 1%的亚甲基蓝，SpO₂可以由＞97%降至最低65%。吲哚菁绿对SpO₂影响较小，一般不会超过3%-4%。 5. 特殊血红蛋白干扰SpO₂ 一氧化碳血红蛋白（COHb）与O₂Hb相比，红光的吸光系数相似，但COHb基本不吸收近红外光。在一氧化碳中毒时，O₂Hb、HHb均会减少而COHb增多，最终导致的净效应是R值降低，SpO₂假性升高。既往在动物实验中发现，即使严重CO中毒时（O₂Hb仅占30%，剩下70%均为COHb），SpO₂仍可以显示为90%。
图5 各种Hb的对不同波长光的吸收 目前确实出现了能分辨出COHb的脉氧检测仪器，使用了更多波长的光，不过用处非常有限，基本上见不到。如果怀疑有CO中毒，监测患者中毒程度与氧合情况还是要靠血，SpO₂应用受限。不过还需要注意血气里SaO₂定义为O₂Hb / (O₂Hb+HHb)，因此CO中毒理论上也并不会影响SaO₂，我们更应该关注FO₂Hb，因为在FO₂Hb中分母上包括了COHb等特殊血红蛋白。 高铁血红蛋白（MetHb）增多可以来自遗传，不过非常罕见，更常见的原因是摄入过多亚硝酸盐等氧化剂。高铁血红蛋白血症时患者往往会发绀，原因正像我们上面展示的，MetHb对红光、红外光吸收都非常明显。在这种情况下，R值接近于1，对应的SpO₂在85%附近，MetHb越多越接近，完全无法监测氧合情况。 与MetHb相似，硫化血红蛋白（SulfHb）也可以由遗传或摄入氧化剂导致，也会导致SpO₂固定在85%附近。 镰刀性贫血等血红蛋白异常对SpO₂也各有影响，不尽相同。 新生儿的部分血红蛋白与成人不同，不过好在对红光与红外光吸收的差异不大，因此影响不大。 6. 其他因素 如果患者存在静脉搏动（比如三尖瓣反流时），静脉搏动导致的吸光率变化可能会使SpO₂假性降低。同理，如果患者在监测SpO₂时不能保持静止，其他组织运动导致的吸光率变化可能会影响SpO₂，一般都是使SpO₂假性降低。 严重贫血也可能会造成影响，不过仅在Hb＜50 g/L且SpO₂＜80%才比较明显，意义不大。 有研究认为外界光线可能会对SpO₂造成影响，有时会造成R值为1、SpO₂ 85%的假象，不过在目前使用的设备中基本不会出现。 参考文献： [1] Meir N , Ayal R , Robert K . Pulse oximetry: fundamentals and technology update[J]. Medical Devices: Evidence and Research, 2014: 231. [2] Pretto J J , Roebuck T , Beckert L , et al. Clinical use of pulse oximetry: Official guidelines from the Thoracic Society of Australia and New Zealand[J]. Respirology, 2014, 19(1): 38-46. [3] Chan E D, Chan M M, Chan M M. Pulse oximetry: understanding its basic principles facilitates appreciation of its limitations[J]. Respiratory medicine, 2013, 107(6): 789-799. [4] Uptodate: Pulse oximetry. |
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