最近由于新冠疫情的迅猛发展，大家对自己和家人的身体健康愈发地关注。血氧仪作为一种方便、快捷、无损的仪器分析手段对于肺炎向重症转化的及时预警十分热门。目前有一些家用无创血氧检测手段如指夹式血氧仪、智能手环血氧检测、手机摄像头app血氧检测等（图1，来自网络检索），不禁令人疑惑：哪个方法更准确？它们使用了什么样的原理实现？在研究血氧仪之前，我甚至一直误解血氧仪是ICU级别的精密昂贵仪器，也有很多人以为血氧仪需要针扎采样才能分析。但是当下的便携式无损血氧仪简洁度超出了我的预料：它是完全无创、便捷快速的，成本可能仅数十元，arduino也有很多开源项目以供自制。那么，它是如何用简单器件实现功能的呢？这是一个很有意思的话题。
简单搜索了一下文献和科普资料，首先谈谈最大众化也是较为精确的指夹式血氧仪。它的核心原理是基于光吸收的朗伯-比尔定律。没错，学习过分析化学-仪器分析课程的同学肯定很熟悉的分光光度法。而且，是一种「双波长」分光光度法，这让我更加感兴趣了，因为如果学过的同学一定知道在紫外可见吸收光谱仪上，基体效应和检测条件的波动会造成很强的干扰（通俗来讲，就是非待测组分对光吸收的干扰、温度和位置对光吸收的干扰）。如果把手指当做一个「比色皿」去检测，这其中的误差难道不会很大吗?
首先通俗地解释一下血氧浓度和吸收光的关系。人体中血氧浓度的高低用血氧饱和度来描述，血液中的血红蛋白（Hb）可以与氧气结合，形成HbO2来给全身输送氧气。HbO2更加鲜红，而Hb相对来说是暗红色，（也对应了动脉血的鲜红色和动脉血的暗红色）这说明了两种物质对不同颜色光的吸收响应不同（图2，来自拓展阅读第二条）。
从同一种物质来看，其吸收强度也和浓度有关，浓度越大，吸收越强。血氧饱和度要测量的是血液中Hb和HbO2两种物质的比例而不是绝对浓度，这使得定量要求有所降低。血氧的光学分析方法来自于对红光和红外光两种不同颜色（波长）的光被血液吸收后的光强测量。用手机的手电筒照射指尖，你也能看到红色光穿透手指从另一面透射出来（图3）。基于此，指尖血氧仪就是两种颜色的LED灯、一个光电转换器，处理器，屏幕。硬件上就是这么个结构（图4［2］），所以成本低廉，真正的价值在于算法和背后的原理。
根据复杂的修正公式，同时考虑脉搏导致的血液穿透厚度周期性变化（这个周期性变化就是测心率的原理，因此血氧仪一般同时给出心率值）等，光传感器接受的光强与血氧浓度近似呈正比[1]（或更精确的二次模型[2]）。问题来了，如何求解方程的未知系数？仪器分析惯用的手段是设置浓度梯度的标准曲线，也就是让你的血氧从0%到10%、20%、直到100%，然后来线性拟合参数，无疑是最准确的，但是这现实吗？不同的人手指颜色、厚度、血管粗细都不一样，这样的参数可以放之四海而皆准吗?
一些文献指出，标定方法有[2]：临床用更精确的仪器和血氧不正常的病人标定；动物实验强制降低其血氧来标定；实验室模拟血循环标定；有脉搏和血氧的假手指标定。前两个一听就很离谱，第三个听起来靠谱但是条件很苛刻，第四个最仿真。但是模拟的手指真的能跟真实手指比较吗？这只能由实验数据来证明可靠性，并且技术进步是曲折性和上升性，任何研究做不到最好只有更好。
提到标定，再说一个有意思的就是如果购买血氧仪可能会发现它有2年保质期，这仪器又不会腐败，怎么还有保质期呢? 这其实就是来源于仪器长期不用光源和传感器等老化导致标定参数曲线的漂移。理论上可以重新标定，但是普通人家里肯定没有条件标定而且重新标定成本也太高，不如买一个新的。另外，测量时一定要遵循说明尽量保持完全静止并且静息，仪器分析数据时，如果一直乱动光源穿透厚度会变化，也会造成更大的误差；另外运动也会导致的一定程度的血氧消耗下降。
原理可能大多人不愿意听，这就归结到大家最关心的问题：究竟什么血氧仪准？这是不是智商税？仪器分析本身就是有一定的检测误差的，我们无法追求绝对精确，只能让仪器在一定程度上符合应用场景的要求。使用二次拟合的、标定更合理的血氧仪也许能达到1%的误差，一些粗制滥造品也许误差更大。我们不是造仪器的人不懂技术指标，当预算充足，只有相信更贵的产品效果更好。但是，便宜货就一无是处吗？至少，当它真的测出90%以下的血氧，它也许能救你一命，拼多多的十元血氧仪省了钱，但是也一定要承担预报不及时的风险，但是聊胜于无。（虽然写这篇文章的时候，作者本人也还没买过任何血氧仪）
最后谈谈手机APP血氧仪和手腕手表血氧仪。手机没有双波长光源，也没有一机对一机的标定曲线，更没有光谱分辨力。我个人认为通过手机光源和摄像头捕捉的图像仅具有理论信息携带但是实际技术上可行度极低。没有相关文献证据其可靠性，暂定智商税。对于智能手表呢，由于在腕部监测双波长光照反射率，原理上即不如指尖的透射光准确[3]。脉搏导致的反射率波动监测倒是还比较准确，但是血氧值比指尖测量的误差大。当然它也有优势，就是指夹式不可能24h测量，但是手表式可以连续监测变化趋势，可见两者是擅长的应用领域不同，不可完全互相替代。血氧测量也不止在新冠感染时有用，对于有基础疾病的人群临床监测[4]、老年人居家监测[5]或者睡眠呼吸骤停患者来说24h监测具有重要意义。
还有一些有意思的话题，有研究者也提出血氧的光学监测，肤色对其有严重影响，黑人和黄种人会测量值偏高[6]，导致其异常值延误测量，错过医治时间。本文仅提供科学观点碰撞，对此信息造成的附加政治、种族等联想不予任何观点讨论。本文作者也不是相关领域专家也不带货，若有错误尽请指出包涵。
拓展阅读与观看：
【血氧饱和度测试的原理【TED】-哔哩哔哩】 https:// b23.tv/3nDzw9Q
【【任圃讲科普】手机也能测血氧？血氧仪是什么原理？-哔哩哔哩】 https:// b23.tv/7Dik8Rt
参考文献：
[1] 孙卫新，金捷，汪家旺，杨新平，陈健. 脉搏血氧仪的研制和定标方法探讨 [J]. 西安交通大学学报(医学版),
1995, 第2期): 218-21.
[2] 张历，段发阶，李超. 基于iOS平台的脉搏血氧仪设计与实现 [J]. 计算机工程与应用, 2015, 第8期): 53-60.
[3] 艾海明，彭福来，胡敏露，刘洪运，王国静，王卫东. 基于PPG的腕式血氧饱和度监测仪研制 [J]. 传感器与微系统, 2020, 第39卷(第7期): 92-4，7.
[4] 王东琴，沈倪美，王晓燕，周素芳，高峰，汪旭，达鹏，吴昊. 腕带式血氧仪在OSAHS 临床诊断初筛中的应用价值研究 [J]. 交通医学, 2020, 第34卷(第3期): 287-8，91.
[5] 昝佳，赖红波. 「物联网+健康」下老年人可穿戴智能产品交互设计研究——以「喜荷」血压血氧心电智能手表为例 [J]. 设计, 2021, 第34卷(第8期): 148-51.
[6] SOHN R. 脉搏血氧仪的致命缺陷 [J]. 科技纵览, 2022, 第9期: 13.
