氧气自动复苏器(你抢购过的血氧仪，故事从3300年前说起)

Posted 2023-05-30

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氧气自动复苏器(你抢购过的血氧仪，故事从3300年前说起)

文｜王月丹（北京大学基础医学院免疫学系教授）

小小的血氧仪大概也没料到，在这个冬天会成为爆款，让人又爱又恨。而自此以后，血氧仪大概率会和体温计一样，成为居家之必备了。

血氧仪是如何测出人体红细胞携带氧气的状态的？指夹式、腕式、台式、可穿戴血氧仪，这些家用设备与医用器械的测量有区别吗？血液氧饱和度对人体到底有多重要？

如果你也有同款的“问号”，那就一起走进人类认识呼吸与血氧的故事，了解这一段鲜为人知的历史吧。要知道，虽然人类早在几千年前就认识到呼吸的重要性，但真正了解血氧以及造出救人性命的呼吸机、血氧仪也就是近百年的事儿。

呼吸与血氧

人可以一个星期不进食，一天不喝水，却片刻不能离开氧气。如果没有氧气，人脑细胞在数分钟内便会发生不可逆的死亡。

进入人体的氧气，必须要通过红细胞中的血红蛋白携带，才能为各种组织供应氧气，维持细胞正常的新陈代谢，如果发生循环障碍或者红细胞携带氧气不足，都可能导致组织细胞失去氧气的供应，造成人体的心脏等重要器官及各种组织细胞的损伤，甚至导致人体的死亡。

人必须依靠呼吸才能摄取氧气，因此，人类很早就认识到了呼吸的重要性，并且知道呼吸停止是生命结束的标志之一，通过急救恢复呼吸，可以挽救生命。

在西方，《圣经》中就曾经记载过一个公元前1300年的故事。这个故事详细生动地描述了先知伊莉莎利用口对口呼吸抢救一名男孩的经过，这应该是人类有关人工呼吸抢救最早的记录。

无独有偶，我国汉代著名医学专家张仲景也曾经在《金匮要略》中写道，“救自缢死” 者方法为“……手按胸上数动之……摩捋臂胫屈伸之……如此一炊顷，气从口出，呼吸眼开……”这是我国最早关于人工呼吸的描述。

古希腊医生希波克拉底在公元前400年左右曾经提出，呼吸是把空气中的某种人体必需成分吸入体内，并经过心脏而扩散到全身。这是最早有关氧气需要通过血液循环分布到全身的认识，也是最早人类对于血氧重要性的理解。

希波克拉底通过观察外貌对病人进行诊断

人们早就发现，血液中氧气的含量与体表皮肤及黏膜的颜色有关。当人体发生严重缺氧时，血液中的氧含量显著下降，会导致皮肤和黏膜的颜色呈现出青紫色的改变，称为紫绀，也叫作发绀。

人体全身表面的皮肤和黏膜均可出现紫绀，在口鼻、脸颊和指尖等皮肤较薄、色素分布较少及毛细血管丰富的部位，更容易观察到，而这些部位中的一些位置也是现代血氧仪用于检测的部位。

古希腊的希波克拉底也对紫绀的发生进行过描述，并提出心脏疾病可以导致患者出现紫绀等全身缺氧的症状。

我国传统中医的辨证诊断方法主要包括望闻问切，其中“望”就包括了对血液氧气含量的判断，也就是皮肤黏膜发绀情况的观察。在中医著作《黄帝内经》的《素问》经络论篇中就记载了，“黄帝问曰：夫络脉之见也，其五色各异，青黄赤白黑不同，其故何也？……岐伯曰：寒多则凝泣，凝泣则青黑……”这充分体现了中医对于皮肤发绀等血液氧气含量观察与健康关系的重视。

有了呼吸机还不够

虽然人类早就认识到血液中氧气的含量对于生命与健康的重要性，但是由于缺乏临床上对于血氧精确定量的需求，血液中氧气含量的测定一直缺乏准确定量的方法，只是靠粗糙的体表观察法，辅助用于临床疾病的诊断。

从1543年人体解剖学创始人维萨里首次对猪进行气管切开，并通过气管插管采用正压通气的方式使动物的肺膨胀开始，经历了胡克、莫顿、特伦德伦堡、詹韦和库里等许多科学家及医生200多年的不懈努力，人工通气技术不断发展，制造出了可以用于外科手术麻醉、心肺复苏和各种紧急呼吸障碍救治的功能完善的呼吸机，用于人工辅助通气。

1928年10月，一名罹患脊髓灰质炎的8岁小女孩，因为呼吸衰竭而昏迷，在首次接受负压箱式通气机的治疗几分钟之后，就恢复了神志，这使当时在场的人激动万分，惊呼奇迹的发生。

其中，一位记者更是将这一装置形象地称为“铁肺”，使其名扬全世界。在随后的1948年美国和1952年斯堪的那维亚半岛脊髓灰质炎大流行中，呼吸机都被大量用于有呼吸肌麻痹并发症患者的救治。

铁肺的模式图

可是，在使用呼吸机进行疾病救治的过程中，人们也发现了问题。这就是需要不断对呼吸机通气，否则治疗的效率就会降低。

例如，单纯使用铁肺时，呼吸衰竭患者的死亡率高达80%，但是在铁肺中增加一个由引擎驱动的风箱并使之与气管切开术后的间歇性正压通气同步后，患者的死亡率可以降低到12%。

于是，人们认识到血液氧气含量是呼吸机发挥疗效的关键指标，通过血液氧气含量的检测，可以明确了解患者的呼吸困难和缺氧状态，从而能够及时调整呼吸机的使用，提高患者的救治成功率，降低呼吸衰竭相关的病死率。

如何检测血液中的氧气含量？

那么，怎么才能对血液中氧的含量进行检测呢？通过呼吸进入到人体血液中的氧气，也就是血液中实际含有的氧气量，称为血氧含量，以物理溶解和化学结合两种主要的方式存在。血氧含量由血氧分压和血氧容量所决定。

正常情况下，人体动脉的血氧含量约为19ml/100ml血液，静脉血氧含量约为14ml/100ml血液。动静脉血氧含量之差可以反映出组织细胞从血液中摄取氧气的能力，正常时差值约为5ml/dl。

相对于静脉血，动脉血的氧气含量对于判断呼吸功能障碍和人体缺氧更为重要，所以，一般血氧含量的检测都是采用动脉血。

血液中物理溶解的氧气所产生的压力，称为血氧分压。正常情况下，人体的动脉血氧分压范围约为80-110mmHg。

当发生缺氧时，动脉血氧分压会下降， <60mmHg时是呼吸衰竭低氧血症的诊断标准。因此，血氧分压可以作为反映人体缺氧状态的敏感指标。人体组织中的氧分压为30 mmHg，只有当血氧分压>30 mmHg时，组织才能够与血液进行气体交换，而当血氧分压≤20mmHg，脑细胞就再也不能从血中摄取氧气而导致有氧代谢的终止，所以血氧分压是否大于20 mmHg是死亡的生死线。

要测量血氧分压，一般可以使用血气分析的技术进行检测。在检测时，首先要采集患者的动脉血，采血部位一般选择在手腕部的桡动脉进行；然后，将采集到的动脉血，放入专门的血气分析仪中，利用氧气电极对其中的氧分压进行检测。

从20世纪50年代开始，血气分析技术和血气分析仪逐渐被广泛应用于临床呼吸衰竭及重症救治中的生命指证监测，成为了非常重要的临床生理病理参数指标。

但是，血气分析检测需要专门的血气分析设备和采集动脉血，不仅患者无法自行检测，即使在一些基层医疗机构也无法开展检测。因此，动脉血氧分压的检测及其设备主要都是为了临床医疗服务的专业设备，同时这个检测还必须有创进行，而且无法动态连续进行监测。

如前所述，血液中红细胞含有的血红蛋白，可以与呼吸进入血液的氧气通过化学的方式进行结合，也是血液携带氧气到组织细胞供应氧气的主要运输方式。血液红细胞中血红蛋白在与氧气充分结合后，能够携带氧气的最大能力，称为血氧容量。

血氧容量的高低可以反映血液携带氧气的能力，正常值为20ml/dl。在通常情况下，血液中与氧气结合的血红蛋白量会随着血氧分压的变化而变化。血液中与氧气结合的血红蛋白（氧合血红蛋白）在总血红蛋白中的百分比数值，称为血氧饱和度，约等于血氧含量/血氧容量，能够反映出血液氧气的含量以及呼吸功能的状况。正常的动脉血氧饱和度为95%-98%，静脉血的血氧饱和度约为70%-75%。

目前，血氧饱和度的检测技术，特别是无创性脉搏式血氧饱和度检测仪，设备简便、使用方便并且可以动态监测，已经被广泛应用于临床和生活中，对于缺氧和呼吸困难的检测和监测之中，成为了新的便携式或者可穿戴式医疗检测设备的组成单元之一。

无创血氧仪的发展历史

人们很早就认识到，血液接触氧气后，血红蛋白会发生氧合反应，产生颜色的变化，其中动脉血含有的氧合血红蛋白最大吸收光的波长为660nm，所以颜色鲜红。

当动脉血中非氧合血红蛋白含量高时，就会在皮肤、黏膜较薄以及毛细血管丰富的部位出现青紫发绀的现象，中西医均以此作为诊断组织缺氧的表现。

根据氧合与非氧合血红蛋白吸收光谱的不同，就可以对血液中的血氧饱和度进行检测。根据检测方式不同，可以分为透射法和反射法两种方法（因为涉及很多基本物理知识，在这里就不展开赘述了）。

根据检测时采集信号的方法不同，可以把血氧饱和度的检测可以分为有创和无创两种类型的技术方法。

1860年，邦森和基尔霍夫发明了分光计，随后，斯托克斯和霍佩·赛勒发现给血红蛋白溶液通气后，会导致溶液的颜色变化。1929年，美国生理学家格伦·米勒利用血红蛋白血液氧合反应产生颜色差异的原理，采用血管穿刺的方式和光电测量技术，在人体内进行血氧饱和度的连续测量，并且把这种装置命名为“血氧计(Oximeter)”，也就是血氧饱和度检测仪，简称血氧仪。

在随后的20多年中，又有很多类似的血氧饱和度检测技术被用于实验的研究。但是，由于操作复杂，这种有创性的血氧饱和度检测技术并没有在临床实际工作中被广泛应用。

到了20世纪50年代，青柳卓夫采用伍德团队描述的耳垂无创血氧饱和度检测法测定得到了人体的血氧饱和度。

该方法的主要步骤是，先对被测量者的耳垂加压，尽量将其中的血液挤掉使其缺血，并在此时测量耳垂光线的信号；然后，再解除压力，对光线信号进行测量，计算二者的比值关系再结合动脉搏动的振幅就可以获得血氧饱和度的数值了。

1964年，肖尔研制出了第一种在临床获得广泛应用的血氧计，就是采用这种原理的耳挂式检测的血氧计。不过，由于耳部测量血氧饱和度时，都首先要对仪器进行精密的校对，步骤复杂，限制了其广泛的使用。

在此之后，随着检测技术、传感器和电子技术的不断发展，血氧仪的功能不断完善，出现了脉搏式血氧饱和度检测仪（也就是利用脉搏波动时动脉中血液充盈度的变化而不必进行检测部位的加压，就可以来检测血氧饱和度的设备），并且出现了耳挂式、指夹（环）式和手环式等不同穿戴方式的血氧仪，以及多波长检测技术和云计算技术血氧仪等等，甚至有些可穿戴智能设备和智能手机也可以进行血氧饱和度的检测。

由于脉搏式血氧仪具有体积小、操作方便和可以动态检测血氧变化情况等优点，因此在临床和生活中的应用也不断扩大，并且开始走出临床走入了人们的生活，成为了目前血氧检测设备中人们最为熟悉的产品。

现在的血氧仪有三大主要用途：首先是医疗用途，也就是在临床救治呼吸衰竭和缺氧病人的监测设备；第二是工作用途，主要是用于一些特种行业的工作人员，例如高原工作者、潜水员和运动员，在缺氧环境中或者高耗氧量活动中的血氧含量监测；第三是生活用途，现在越来越多的血氧仪进入寻常百姓的人家。

专业的血氧仪需要应用十分精密的设备进行标化和校正，因此普通家用型血氧检测仪只是自我检测的参考。大家可以根据实际需要进行选择，科学使用适合自己的血氧仪或者血氧检测设备。