最近由於新冠疫情的迅猛發展，大家對自己和家人的身體健康愈發地關註。血氧儀作為一種方便、快捷、無失真的儀器分析手段對於肺炎向重癥轉化的及時預警十分熱門。目前有一些家用無創血氧檢測手段如指夾式血氧儀、智能手環血氧檢測、手機網絡攝影機app血氧檢測等（圖1，來自網絡檢索），不禁令人疑惑：哪個方法更準確？它們使用了什麽樣的原理實作？在研究血氧儀之前，我甚至一直誤解血氧儀是ICU級別的精密昂貴儀器，也有很多人以為血氧儀需要針紮采樣才能分析。但是當下的便攜式無失真血氧儀簡潔度超出了我的預料：它是完全無創、便捷快速的，成本可能僅數十元，arduino也有很多開源專案以供自制。那麽，它是如何用簡單器件實作功能的呢？這是一個很有意思的話題。
簡單搜尋了一下文獻和科普資料，首先談談最大眾化也是較為精確的指夾式血氧儀。它的核心原理是基於光吸收的朗伯-比爾定律。沒錯，學習過分析化學-儀器分析課程的同學肯定很熟悉的分光光度法。而且，是一種「雙波長」分光光度法，這讓我更加感興趣了，因為如果學過的同學一定知道在紫外可見吸收光譜儀上，基體效應和檢測條件的波動會造成很強的幹擾（通俗來講，就是非待測組分對光吸收的幹擾、溫度和位置對光吸收的幹擾）。如果把手指當做一個「比色皿」去檢測，這其中的誤差難道不會很大嗎?
首先通俗地解釋一下血氧濃度和吸收光的關系。人體中血氧濃度的高低用血氧飽和度來描述，血液中的血紅蛋白（Hb）可以與氧氣結合，形成HbO2來給全身輸送氧氣。HbO2更加鮮紅，而Hb相對來說是暗紅色，（也對應了動脈血的鮮紅色和動脈血的暗紅色）這說明了兩種物質對不同顏色光的吸收響應不同（圖2，來自拓展閱讀第二條）。
從同一種物質來看，其吸收強度也和濃度有關，濃度越大，吸收越強。血氧飽和度要測量的是血液中Hb和HbO2兩種物質的比例而不是絕對濃度，這使得定量要求有所降低。血氧的光學分析方法來自於對紅光和紅外光兩種不同顏色（波長）的光被血液吸收後的光強測量。用手機的手電筒照射指尖，你也能看到紅色光穿透手指從另一面透射出來（圖3）。基於此，指尖血氧儀就是兩種顏色的LED燈、一個光電轉換器，處理器，螢幕。硬件上就是這麽個結構（圖4［2］），所以成本低廉，真正的價值在於演算法和背後的原理。
根據復雜的修正公式，同時考慮脈搏導致的血液穿透厚度周期性變化（這個周期性變化就是測心率的原理，因此血氧儀一般同時給出心率值）等，光傳感器接受的光強與血氧濃度近似呈正比[1]（或更精確的二次模型[2]）。問題來了，如何求解方程式的未知系數？儀器分析慣用的手段是設定濃度梯度的標準曲線，也就是讓你的血氧從0%到10%、20%、直到100%，然後來線性擬合參數，無疑是最準確的，但是這現實嗎？不同的人手指顏色、厚度、血管粗細都不一樣，這樣的參數可以放之四海而皆準嗎?
一些文獻指出，標定方法有[2]：臨床用更精確的儀器和血氧不正常的病人標定；動物實驗強制降低其血氧來標定；實驗室模擬血迴圈標定；有脈搏和血氧的假手指標定。前兩個一聽就很離譜，第三個聽起來靠譜但是條件很苛刻，第四個最仿真。但是模擬的手指真的能跟真實手指比較嗎？這只能由實驗數據來證明可靠性，並且技術進步是曲折性和上升性，任何研究做不到最好只有更好。
提到標定，再說一個有意思的就是如果購買血氧儀可能會發現它有2年保質期，這儀器又不會腐敗，怎麽還有保質期呢? 這其實就是來源於儀器長期不用光源和傳感器等老化導致標定參數曲線的漂移。理論上可以重新標定，但是普通人家裏肯定沒有條件標定而且重新標定成本也太高，不如買一個新的。另外，測量時一定要遵循說明盡量保持完全靜止並且靜息，儀器分析數據時，如果一直亂動光源穿透厚度會變化，也會造成更大的誤差；另外運動也會導致的一定程度的血氧消耗下降。
原理可能大多人不願意聽，這就歸結到大家最關心的問題：究竟什麽血氧儀準？這是不是智商稅？儀器分析本身就是有一定的檢測誤差的，我們無法追求絕對精確，只能讓儀器在一定程度上符合套用場景的要求。使用二次擬合的、標定更合理的血氧儀也許能達到1%的誤差，一些粗制濫造品也許誤差更大。我們不是造儀器的人不懂技術指標，當預算充足，只有相信更貴的產品效果更好。但是，便宜貨就一無是處嗎？至少，當它真的測出90%以下的血氧，它也許能救你一命，拼多多的十元血氧儀省了錢，但是也一定要承擔預報不及時的風險，但是聊勝於無。（雖然寫這篇文章的時候，作者本人也還沒買過任何血氧儀）
最後談談手機APP血氧儀和手腕手表血氧儀。手機沒有雙波長光源，也沒有一機對一機的標定曲線，更沒有光譜分辨力。我個人認為透過手機光源和網絡攝影機捕捉的影像僅具有理論資訊攜帶但是實際技術上可行度極低。沒有相關文獻證據其可靠性，暫定智商稅。對於智能手錶呢，由於在腕部監測雙波長光照反射率，原理上即不如指尖的透射光準確[3]。脈搏導致的反射率波動監測倒是還比較準確，但是血氧值比指尖測量的誤差大。當然它也有優勢，就是指夾式不可能24h測量，但是手表式可以連續監測變化趨勢，可見兩者是擅長的套用領域不同，不可完全互相替代。血氧測量也不止在新冠感染時有用，對於有基礎疾病的人群臨床監測[4]、老年人居家監測[5]或者睡眠呼吸驟停患者來說24h監測具有重要意義。
還有一些有意思的話題，有研究者也提出血氧的光學監測，膚色對其有嚴重影響，黑人和黃種人會測量值偏高[6]，導致其異常值延誤測量，錯過醫治時間。本文僅提供科學觀點碰撞，對此資訊造成的附加政治、種族等聯想不予任何觀點討論。本文作者也不是相關領域專家也不帶貨，若有錯誤盡請指出包涵。
拓展閱讀與觀看：
【血氧飽和度測試的原理【TED】-嗶哩嗶哩】 https:// b23.tv/3nDzw9Q
【【任圃講科普】手機也能測血氧？血氧儀是什麽原理？-嗶哩嗶哩】 https:// b23.tv/7Dik8Rt
參考文獻：
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[3] 艾海明，彭福來，胡敏露，劉洪運，王國靜，王衛東. 基於PPG的腕式血氧飽和度監測儀研制 [J]. 傳感器與微系統, 2020, 第39卷(第7期): 92-4，7.
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