青柳卓雄发明脉搏血氧仪 小个头大用途

作者:赵言昌来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-07-08

在全世界学者的不断改进之下,脉搏血氧仪体积越来越小,终于变成了我们熟悉的模样。

有多少人想重启2020?自打新冠肺炎袭来,无数人的学业、工作、生活乃至命运都因之改变。其中也包括他。

可是,如果没有他——青柳卓雄,这一场大疫可能会更加难熬。

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青柳卓雄(右),图片来源:xtech.nikkei

青柳其人

1936年的情人节,青柳夫妇迎来了自己的孩子,青柳卓雄(Takuo Aoyagi)。

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青柳卓雄,图片来源:nihonkohden

青柳夫妇看起来十分普通,他们大约也没有对孩子有什么特别的期待,但事情的发展却超出了所有人的预料。

1958年,儿子青柳卓雄考上了大学,从新潟大学电气工程专业毕业之后,又进入了名企,位于京都市的岛津制作所(shimadzu corporation)。

如此锦绣前程,青柳卓雄却不肯满足。除了本专业,他又瞄向了病人护理。以新冠肺炎为例,病毒会损害病人的呼吸功能;医生和护士必须时时查看病人的动脉血里有多少氧气,如果不足,得想办法补充氧气。

在这个过程中,血氧含量监测找遍全世界也没有好的方法。

颜色的奥秘

为了研究,青柳卓雄加入了贝勒大学(baylor university)举办的培训班,参观全世界最先进的护理病房。但仍没办法连续检测患者的血氧含量。[2]

其实,其他科学家们也并非什么都没做。

第一,他们发明了血气分析仪。[3]采取取病人血样放入仪器,就能知道病人的动脉血中有多少氧气。但是,血气分析仪是个大块头,里面藏着各种各样的电子元件,这样的设备操作起来肯定很不方便,而且,它不能连续监测病人的情况。[4,5]

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血气分析仪,图片来源:《The Wondrous Story of Anesthesia》

第二,他们找到了一个非常有希望的方向。

为什么动脉血看起来是鲜红的?因为血红蛋白有着独特的吸光度。富含氧气的动脉血看起来颜色鲜红。[6]

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光线,图片来源:commons.wikimedia

败也脉搏

依据血红蛋白的吸光度,诞生了耳式血氧仪。在耳朵上一边打两束光(红光、红外光),在另一边检查光线的变化,就能推测耳部有多少氧合血红蛋白。原理如下:

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血氧仪原理,图片来源:作者自制

可惜,耳朵里除了血液还有皮肤、脂肪。这些成分同样具有吸光性,进而对检测结果产生干扰。

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耳式血氧仪,图片来源:《The Wondrous Story of Anesthesia》

为了解决这个问题,学者们尝试了很多办法。比如,厄尔·伍德(Earl Howard Wood)的方案:用气球挤压耳朵、把血液都排出去,测量耳朵的基准吸光度,即皮肤和脂肪等组织的吸光度,用以修正测量结果。但是,这个方案误差很大。

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伍德,图片来源:Mayo Clinic

病人护理有许多个检测指标,除了血氧含量,心输出量也可以。青柳卓雄决定转换思路,用染料法检测患者的心输出量。往心脏里注入无害的染料,接着同样利用吸光度原理检测有多少染料离开心脏,进而估算心脏喷射出多少血液。

电气工程师转行搞生理,自然有许多困难。青柳卓雄虚心跟同事请教小鼠的实验办法、设法搞来许多能用的仪器,好不容易做出结果来了却十分不理想。

因为脉搏。

成也脉搏

心脏每一次收缩,都有大量的血液进入动脉血管。这些血液可不像平静的河水那样乖巧,而是如海浪一般。血液在血管里分布不均匀,自然会严重影响检测结果——这也是为什么伍德的方案有那么大误差。

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青柳卓雄的笔记,图片来源:xtech.nikkei

因为伍德没有考虑脉搏,随着心脏的跳动血液在人体内像波浪一样分布。浪头到达的时候,被检测部位吸光度受什么影响?动脉血、皮肤、脂肪,还可能是骨骼、肌肉、静脉血。浪头离开的时候,被检测部位的吸光度受什么影响?皮肤、脂肪,也可能是骨骼、肌肉、静脉血。

两者一比较就会发现,随着心脏的跳动,唯一会影响检测结果的只有动脉血;而我们想要测量的,恰恰是动脉血中的氧合血红蛋白的含量。因此,只要用浪头处的吸光度减去浪谷处的吸光度,就能得到动脉血的吸光度,进而估算患者的血氧含量。

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青柳卓雄发明的血氧仪,图片来源:nihonkohden

尾声

当然,在灵感之后更多的是汗水。青柳卓雄必须找到最合适的光波总结估算公式,甚至改进电子元件。当然,有了思路这些都是可以解决的问题。

1974年,青柳卓雄为自己的发明申请专利。随后,在全世界学者的不断改进之下,脉搏血氧仪体积越来越小,终于变成了我们熟悉的模样。

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血氧仪,图片来源:亚马逊

今年的新冠疫情,对世界各国的医疗卫生体系都是一个巨大的考验,如果没有脉搏血氧仪这样小巧、廉价、可以连续检测患者血氧饱和度的设备,也许麻烦会大得多。[8]

我相信,人类最终会战胜新型冠状病毒。可惜,青柳卓雄看不到了。4月24号,全球疫情最吃紧的时候,他溘然长往只留下他的发明继续为我们服务。[9]

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讣告,图片来源:日本经济新闻
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参考文献

[1]SCHWARTZ J, HIDA H. Takuo Aoyagi, an Inventor of the Pulse Oximeter, Dies at 84[N/OL]. The New York Times, 2020. https://www.nytimes.com/2020/05/01/science/takuo-aoyagi-an-inventor-of-the-pulse-oximeter-dies-at-84.html.

[2]AOYAGI T. Pulse oximetry: Its invention, theory, and future[J]. Journal of Anesthesia, 2003, 17(4): 259–266. DOI:10.1007/s00540-003-0192-6.

[3]EGER E I, SAIDMAN L J, WESTHORPE R N. The wondrous story of anesthesia[M]//The Wondrous Story of Anesthesia. Springer New York, 2014[2020–07–03]. DOI:10.1007/978-1-4614-8441-7.

[4]沈军, 郑峥. 脉搏血氧饱和度监测在老年慢性心脏疾病患者中的应用[J]. 中国临床医学, 2016, 023(005): 648–650.

[5]衡正军, 肖春玲. 浅议脉搏血氧仪在院前急救中的重要性[J]. 中国医药指南, 2014(31): 198–199.

[6]METER A van, WILLIAMS U, ZAVALA A, et al. Beat to Beat: A Measured Look at the History of Pulse Oximetry[J/OL]. Journal of Anesthesia History, 2017, 3(1): 24–26. https://www.anesthesiahistoryjournal.org/article/S2352-4529(15)30030-X/abstract. DOI:10.1016/j.janh.2016.12.003.

[7] SEVERINGHAUS J W. Takuo Aoyagi: Discovery of Pulse Oximetry:[J/OL]. Anesthesia & Analgesia, 2007, 105(On Line Suppl.): S1–S4. http://journals.lww.com/00000539-200712001-00001. DOI:10.1213/01.ane.0000269514.31660.09.

[8]WHO. 脉搏氧饱和度监护仪的使用[Z](2010).

[9]日本経済新聞. 青柳卓雄氏が死去 日本光電青柳研究室長[EB/OL]([no date]). https://www.nikkei.com/article/DGXMZO58448360U0A420C2CZ8000/.

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