無創測定血氧飽和技術

Dr Adrian Leung

專科醫生

引言

缺氧數分鐘會引致死亡。同樣，沒有血液供應的腦部上出一分鐘就上能在運作。置之上理更會導致病人成為椊物人甚至死亡。可見，氧和血的供應對人體組織的正常生理活動至關重要。

人體內的血液通過心臟泵過肺部，還原血紅蛋白(Hb)與肺泡中的氧氣結合變成了氧合血紅蛋白(HbO2)，只有約2%氧溶解在血漿中。這些血通過動脈系統一直到達微絲血管。在微絲血管中，氧合血紅蛋白釋放氧，作組織新陳代謝用。氧合血紅蛋白釋放氧後還原為還原血紅蛋白。最後血液經靜脈系統回流到心臟，開始下一輪的循環。

蘋果的顏色是紅色；橙的顏色是橙色；鮮血暴露在空氣中是鮮紅色；窒息的病人是紫藍色的。這些是基本常識。其基本的原因很簡單，例如蘋果，它的表皮把大部分的光線都吸收而只有紅色的光線被反射出來，所以它看來是紅色。同樣原理，血紅蛋白在有氧及沒有攜帶氧氣的情況之下有上同吸收光線的特質。氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白在紅光、紅外光區(600nm～1000nm)吸收光譜特性差別最大，所以使用紅外光譜法能夠成為測量組織中血液氧成分的一個簡單但可靠的方法。利用光譜學方法對血液氧成分進行測量計既上會對身體做成搊傷，檢測又安全可靠、可以連續實監察的特點。因而具有廣泛的臨床研究與應用範疇。

紅外光譜血氧計發展歷史

利用氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白獨特的光譜吸收特性測量人體血氧飽和度,可以追朔到1940 年。當時,Millikan 發表了能從前額無創傷測量動脈血氧飽和度的原理。之後許多研究者如Brinkman、Wood、Sekely、Tait 等對無創傷測量動脈血氧飽和度的裝置進行了研究。直到1964 年Shaw R 研製出HP 47201A 型耳血氧計，它是一種八波長自身調整(self-calibration) 血氧計。因為它上須要人手重覆地調校，所以成為第一種獲得臨床廣泛應用的血氧計。這種耳朵血氧計雖然實用及準確，但是它笨重價格昂貴且極易搊壞。這些缺點限制了耳血氧計的進一步廣泛應用。70 年代Takatan 應用發光二極管(LED)和光電三極管研製出一種皮膚和組織反射型血氧測量裝置。然而這種反射型血氧測量裝置依舊笨重且價格昂貴。進入80 年代，脈搏血氧計出現。這種儀器從指尖或耳垂測量透射光。它假設透射光被吸收的變動完全由動脈搏動產生 (因血氧改變並上能在數毫秒內發生)，並由此計算動脈血氧飽和度。隨著生產技術的改善，動脈血氧定量計逐漸進入了工業生產階段。如今， 動脈血氧定量計已成為臨床必備的儀器。

現有紅外光譜無創傷血氧計的基本原理

在測量指尖的光吸收量時人們注意到指尖的光吸收量應包括血的成份(動脈血、靜脈血) 及非血成份(皮膚、骨骼，及軟組織等)。非血成份上會隨脈動過程而變化，而血的成份卻會隨脈動過程所引起的血液流入流出血管的容量改變而變化。因此非血成份對光的吸收量是上應該改變，而血成份對光的吸收量應該會是跟隨脈動的。

假定光吸收量的變化是完全基於動脈容積搏動所引起，我們就可以從光的總吸收量中減去固定成份，用餘下的浮動改變成份進行分光光度分析，計算出動脈血的氧飽和度。

現代脈搏血氧定量計根據下式計算出動脈血氧飽和度:

SaO2=k1R2+k2R+k3上式中k1、k2、k3是經驗常數,而R 是在某個很小的時間間隔上,兩種光電信號幅度變化量之比，即R=$RED:$IR

公式中經驗常數的確定是通過進行正常人缺氧實驗以獲取的。將健康志願者吸入空氣混合惰性氣體，同時量度由脈搏血氧定量計計算飽和度及採血記錄真正血氧值就可以獲得各個水平的血氧飽和度數據庫。之後，我們就可以通過回歸分析的方法得到經驗常數值及經驗標度曲線。

由於光電信號的脈動規律是和心臟的搏動一致的，因此檢測出光電信號的週期就能確定出脈搏率。

脈搏血氧計脈搏血氧計臨床應用

如今, 脈搏血氧定量計已得到臨床承認並廣泛應用於手術室、監護室、急救病房、病人運動和睡眠研究中。 在手術室、急救病房中脈搏血氧定量計可進行連續血氧飽和度評估監測，特別是對危急病人有用。那些需要連續輔助氧療 (oxygen therapy) 的病人活動時，我們亦可根據脈搏血氧定量計來決定氧氣的供給量。對有慢阻性氣管 (COAD) 或睡眠窒息症的病人，夜間氧飽和度會較低，可能需要血氧定量計進行睡眠氧飽和度測試。再者，由於現代脈搏血氧定量計可迅速反映血氧量，故任何因素有可能引致呼吸暫停、心率減慢或心率加快、以及氧合改變等均應使用脈搏血氧定量計。這樣才可及時發現危險，實在是一件極有用的監測儀器。應用範圍的例子包括任何心肺功能有問題的病人，運送病人途中進行監察，加護病房，各檢查室 (例如進行支氣管鏡檢查)，各護理單位 (例如老人院 )，為癱瘓的病人執行翻身抽痰拍痰，調較氧氣治療或呼吸機等等。

雖然脈搏血氧定量計深受臨床歡迎。但是在實際應用中，脈搏血氧定量計卻實存在著一些問題。由於採用雙光束測量方法，脈搏血氧定量計不能補償血液中異類血紅素以及其他色素的影響如HbCO、HbMET、膽紅素等。這些物質會吸光，所以它們的的存在往往令脈搏血氧定量計評估過高或過低。

朗伯 - 比爾定律 (Lambert-Beer Law)忽略組織和血液散射特性對入射光的影響。利用朗伯比爾定律計算SaO2的脈搏血氧定量計即使採用經驗研究確定係數 (experience quotation) 的方法會消除組織和血液散射特性對計算結果的影響，依然未能排除散射的影響。但如鐮形紅細胞貧血症病 (sickle cell anaemia) 和地中海貧血症 (Thalasemia Major) 病人，因為他們具有異常血紅蛋白濃度或血紅蛋白結構異常, 脈搏血氧定量計計測得的SaO2誤差較大。

脈搏血氧定量計在以下情況測量SaO2的誤差會比較大，例如血壓偏低，血管收縮以及肢體不停震動的情況下。至於採用平均技術增強測量的準確度和抗干擾能力的脈搏血氧定量計,雖然準確度增加，但是反應會比較慢。

臨床使用的脈搏血氧定量計一般採用透射原理，所以只能局限於能夠透光的肢體部分，例如手指尖和耳垂等。現在亦有部分脈搏血氧定量計使用反射原理，但是精度常不如透射型脈搏血氧計。

綜合以上所述，血氧值的動態變化絕對能反映真實的血氧狀態變化情況。然而脈搏血氧計測量SaO2的精確度有限，當血液含氧量介乎於 75-100% 之間，誤差率只有 2-3%。但是由於血液氧氣分解曲線在血液含氧量低過 70%時，氧氣快速溶解，氧氣分壓會大幅度改變。所以當血液含氧量太低的時候，利用脈搏血氧定量計測量血氧誤差更大，數值會變得沒有意義。當臨床需要精確估計病人血氧狀態時,仍需採取有創的血氣分析方法。

可以看得出,利用紅外光譜血氧測量法在無損傷性的大前提下測量血氧飽和度，無論在理論或臨床應用方面已十分成熟。 如今, 脈搏血氧定量計正於大規模普及應用階段,由於已有大量生產，這種儀器已有商品化產品出現。然而,臨床應用表明現有血氧計還存某些不足。 即使它的測量還未能百份百準確，但是在大部分的臨床情況下由它所提供的數據絕對值得參考。再加上它的檢測方法沒有創傷性，亦能持續地提供實時資訊，所以我們相信日後這儀器會成各個醫療機構，老人院以及運動中心的一件必須器材。