血氧仪的原理:把光运用到极致
消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间:2024-05-17
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
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