Volume 4, No. 3 • October 2021   Issue PDF

脉搏血氧饱和度仪：改变了全世界患者安全模式的发明—一个日本人的心路历程

Katsuyuki Miyasaka, MD, PhD

脉搏血氧饱和度仪：

请阅读由APSF主办的关于脉搏血氧测量和 Takuo Aoyagi 博士遗产的特别文集中的更多文章。

血氧测定法：原则上可行，但尚无理论

在血氧饱和度仪发明之前，我们这一代人已经对麻醉学有了丰富的经验，我就是其中的一员。1973–1977 年，我远赴北美求学，在此期间，Takuo Aoyagi 博士提出了脉搏血氧饱和度仪的原理。这正好是美能达公司 (Minolta) 开始销售一种手指式设备的时候，我对 Aoyagi 的存在或脉搏血氧饱和度仪的想法还一无所知。那时，我很难获得最新的信息。国际电话三分钟的费用是 8,000 日元（相当于现在的 50,000 日元或 500 美元）。日本刚刚开始摆脱日本制造，即廉价和劣质的形象。Hewlett Packard 8-波长耳氧测定仪已经开始在一家研究实验室中使用。虽然它看起来十分精确，但对于临床使用来说似乎很麻烦。

直到回到日本六年后，我才在国家标准化组织的日本分委会上遇到了 Aoyagi。我们尝试建立标准化的校准方法，但并未成功。在此后的 36 年里，作为一名临床医生和开发人员我有幸向他学习，同时我也感到有责任报告他的伟大发明是如何诞生和发展的。因此，我希望借此机会让全世界的人们了解脉搏血氧饱和度仪是如何在日本诞生和发展的，以及还有哪些问题有待解决。

脉搏血氧饱和度仪适用于所有人，不论他们的肤色、种族、年龄、体型、测量地点或设备类型如何。只要打开开关，就会显示一个 0-100% 的清晰数字，在健康人群中，会显示一个“似乎正确”的数字。然而，Takuo Aoyagi 表示，数值显示原理恰好让它们看起来正确。重要的是不要忽视测量参数的精度和可靠性，同时也要了解所涉及的生理和医学问题，以便正确解释显示的数字。

脉搏血氧饱和度仪可测量氧合程度，而不是呼吸，但普通人，甚至一些医疗专业人士往往会忽视这一点。1 它是一种受各种因素影响的经皮测量方法，在无体动和脉搏良好时，结果则十分可靠。在测量值极低的情况下，有时相信数字会比相信患者的临床表现更好。2 正如在 COVID-19 全球大流行期间，患者可能表现为沉默性低氧血症3,4，没有任何临床症状。5Takuo Aoyagi 担心人们对脉搏血氧饱和度仪的测量方法缺乏了解，即使是在这种仪器普及之前。这种担忧促使他晚年对建立脉搏血氧饱和度仪的理论展开研究。虽然在几乎无种族多样性问题的日本，肤色在日本并不是问题，但在世界其他地区有可能出现这类问题。6

脉搏血氧饱和度仪：两个开端

脉搏血氧饱和度仪的发明始于日本，现在已用于医学和世界各地的普通人。令人惊讶的是，在 1974 年，两项专利几乎同时被申请。代表日本 Kohden 公司（1974 年 3 月 29 日申请专利）的 Takuo Aoyagi 和代表美能达公司（1974 年 4 月 24 日申请专利）的 Akio Yamanishi 各自独立地提出了这个思路。7,8 Aoyagi 的设备率先问世，它通过在耳垂上使用染料密度计来测量心输出量。他的这个思路是在一次消除叠加脉动噪声的实验中产生的。在他的设计中光源为白炽灯，测量点是耳垂，这两个因素都让他很难开发出实用的设备，项目也就戛然而止。有可能是因为这项发明是一个副产品，且与公司的主要项目不一致，所以没有进一步研究。

Aoyagi 向他导师报告了该发明，而他导师拜访的一位医生碰巧听说了这件事，于是有关原型机的工作就开始了。他们对氧饱和度的意义不感兴趣，主要关注新的测量方法。Aoyagi 报告称，论文发表后，就再也没有人提到将其用于临床器械的研发。然而，多年来，Aoyagi 一直继续他的研究，以建立一个测量理论，在中断了大约 10 年之后，日本光电株式会社 (Nihon Kohden) 重新对其进行了开发。他们允许 Takuo Aoyagi 继续他的研究，直到完成，他也不负众望。Takuo Aoyagi 于 1989 年在日本东京举行的日本临床麻醉协会学术会议上首次向日本麻醉医师展示了他的发明 – 脉搏血氧饱和度仪。然而，直到 2002 年，当日本麻醉医师协会为他对社会的贡献授予奖项时，他的名字和日本光电的脉搏血氧饱和度仪才被日本的麻醉医师所熟知。9,10

另一方面，Akio Yamanishi 的研究团队正在利用新的 LED 技术开发指夹式容积描记器，而脉搏血氧饱和度仪的开发是他们的主要项目之一。他们成功地开发了世界上第一台指夹式脉搏血氧饱和度仪。Ikuto Yoshiya（时任大阪大学的麻醉学教授）和 Yasuhiro Shimada（同一所大学的助理教授）也参与了研究，但他们的贡献仅限于通过分析提高精确度。111977 年 6 月，美能达公司开始通过 Mochida Pharmaceuticals 公司销售他们的设备 (oxiemet 1471)，但他们没有使用 LED 作为光源，而是使用了钨和光纤电缆的组合，因此该设备虽然可用，但操作起来十分困难。有可能是当时 LED 中的红色光谱不足。

其临床意义在日本尚未被充分认识

1977 年上市的 OXIMET 1471 型脉搏血氧饱和仪似乎已经获得日本几所大学的麻醉学专家的认可。12 然而，尽管该设备被认为是一种有用的研究测量设备，但它并没有成为一种临床测量设备。总共只售出了 200 台。1992年，Kunio Suwa（日本东京大学的麻醉学副教授）自愿进行了试验，11-13但不幸的是，就像现在一样，当时的日本医疗器械行业仍存在官僚主义，阻碍了创新的发展。

1985 年，第一届脉搏血氧饱和度仪科学会议在伦敦郊外的 Chartridge 举行，1987 年，第一届国际新生儿和儿科脉搏血氧饱和度仪会议在日本东京郊外的箱根举行（图 1）。

图 1：上左： 1985 年 5 月在伦敦郊外 Chartridge 报告厅举行的国际会议，参会者有 50 人 - SpO<sub>2</sub> 的定义，有关如何考虑氧饱和度的讨论。下左：出版的 Chartridge 会议论文集。上右：1987 年 5 月，位于日本神奈川县的箱根富士屋酒店 - 有关新生儿和儿科患者的国际会议，大约有 20 名与会者 - 从 TcPO<sub>2</sub> 到 SpO<sub>2</sub>。下右：出版的新生儿和儿科应用箱根会议论文集。

图 1：上左：1985 年 5 月在伦敦郊外 Chartridge 报告厅举行的国际会议，参会者有 50 人 – SpO2 的定义，有关如何考虑氧饱和度的讨论。下左：出版的 Chartridge 会议论文集。上右：1987 年 5 月，位于日本神奈川县的箱根富士屋酒店 – 有关新生儿和儿科患者的国际会议，大约有 20 名与会者 – 从 TcPO2 到 SpO2。下右：出版的新生儿和儿科应用箱根会议论文集。

研究测量仪器和临床监测仪器

在美能达公司早期版本的 OXIMET-1471 设备中，将探针连接到患者手指上后，氧合值会在 90% – 120% 之间任意显示。12,13该设备有一个校准旋钮，可以调节数值，从而使适当的床旁调整成为可能。在开始测量时，您可以设置血气值来匹配患者的氧合值，以便此后显示正确的值。开发人员表示，如果显示器显示 100%，那么你就可以相信它真的是 100%。在每次心跳时，显示屏还显示了非常具体的值，精确到一位小数（比如 95.6%）。然而，在实际使用中，将该设备校准到患者的血气水平后，看到 100% 或更高数字的情况并不罕见，这让临床医生感到困惑。尽管如此，随着进一步的改进，它仍然是一个极有可能作为监测仪的设备。

在日本，从麻醉到重症监护：

日本麻醉医师协会制定了他们的第一版安全指南（麻醉安全监测指南），并建议在麻醉期间使用脉搏血氧饱和度仪。这距离 ASA 于 1986 年在美国发布其第一版麻醉监测指南已经过去了 7 年。14半数从事麻醉的医生在他们的医疗机构中甚至连一台脉搏血氧饱和度仪也没有。国内竞争几乎不存在。在麻醉领域，对脉搏血氧饱和度仪的兴趣迅速增长，但当它的使用范围扩展到麻醉期（患者还未进入苏醒室、ICU 和普通病房）之外时，如何应对因体动而产生的假警报就成了一个大问题。当静脉波叠加在脉搏波上时，脉搏血氧饱和仪理所当然认为所有的脉动都是动脉脉动的假设就不再成立了。为了减少误报，我们尝试了许多策略，如暂时冻结警报信息，延长数据的平均时间，以及在与心电图同步期间提取动脉波形，但这些都不是根本的解决方案（图 2）。

Aoyagi 博士正在使用移动假人向来自夏威夷大学的 Byron Aoki 博士展示其工作（在作者的办公室，当时（2002 年）他是位于日本东京的国家儿童健康与发展中心 ICU 负责人）

图 2：Aoyagi 博士正在使用移动假人向来自夏威夷大学的 Byron Aoki 博士展示其工作（在作者的办公室，当时（2002 年）他是位于日本东京的国家儿童健康与发展中心 ICU 负责人）

解决因体动而产生错误警报的方案应运而生

那时，Yasuyuki Suzuki 和我正在研究东京国立儿童医院儿科 ICU以及家庭护理儿科患者的呼吸治疗中，呼吸监测仪的可靠性和误报问题。15我们还引入了一个名为“寂静之声”的项目，以解决儿科麻醉和儿科 ICU 中存在的警报疲劳问题，以使所有警报在 3 次哔哔声后保持静音。因此，我们能够从脉搏血氧饱和度和患者中获得数小时的原始数据和视频记录。这不是一项比较研究，也没有发表，但这些关于日本儿科 ICU 患者的数据有助于找到应对体动的策略，并因此有助于处理成人的低灌注状态。16,17

脉搏血氧饱和度仪：多波长和精密度问题

多波长（5种波长）理论于 2008 年提出18，并由 Aoyagi 于 2015 年建立，但由于验证活动时间过长，尚未生产出产品。2020 年，提出了由于种族差异（肤色）6而可能导致测量差异的临床问题，但是，由于没有理论，也没有用标准化校准来比较数字的方法，因此几乎没有讨论的基础。但是，我们不能忽视肤色、种族、成人、婴儿、体型和设备测量地点存在的差异。在制造商和设备以及不同的探头等之间，使用人体实际测量结果（无法标准化，只有校准才能标准化）是不可能实现标准化校准的。Aoyagi 为我们开辟的道路具有重要意义，有助于我们打破接受 1-2% 差异的僵局（特别是在低的 SpO2 范围内），及建立脉搏血氧饱和度仪的基础理论。

多波长研究

ISO 的体外校准方法从未建立过19，这也等于说该理论尚未建立。最新版 ISO 标准已经制定完成，强制要求使用在经历过非生理水平缺氧的健康成年人中抽取的血样来进行经验性校准。因此，当前可用的脉搏血氧饱和度仪的精确性忽略了某些因素，如种族、年龄（成人或儿童）或设备差异等。Hironami Kubota 质疑普通家用设备是否真的需要经历如此复杂的校准过程。这是一个非常复杂的问题。

Takuo Aoyagi 开始进行一系列理论研究，在通过实验验证了多波长模拟模型（该模型考虑了光散射和脉动，以及周围组织的影响）以后，他在监测灌注、氧合与通气的创新和应用 (IAMPOV) 会议（2015，日本东京）上报告了他的工作（图 3）。20研究中使用多波长的主要原因是希望提高精密度。但由于他没有考虑异常血红蛋白等因素，因此他的研究可能没有被认为重要到足以进行产品开发的程度。

图 3：2015 东京 IAMPOV 研讨会（最后一天，圣卢克国际大学礼堂） - 关于循环、氧合和呼吸相关性患者监测设备和技术的国际研讨会。左侧红色圆圈：Takuo Aoyagi. 中间区域，前排，从左到右：P. Bickler (UCSF), S. Weininger (FDA), S. Barker (Masimo) K. Miyasaka (St. Luke’s), P. Kyriacou (U. London), B. Kopotic (Edwards), K. Shelley (Yale).

图 3：2015 东京 IAMPOV 研讨会（最后一天，圣卢克国际大学礼堂） – 关于循环、氧合和呼吸相关性患者监测设备和技术的国际研讨会。左侧红色圆圈：Takuo Aoyagi。中间区域，前排，从左到右：P. Bickler (UCSF)、S. Weininger (FDA)、S. Barker (Masimo) 、K. Miyasaka (St. Luke’s)、P. Kyriacou (U. London)、B. Kopotic (Edwards)、K. Shelley (Yale)。

脉搏血氧饱和度仪在社会上的推广和涉及的问题

Aoyagi 担心，如果没有理论支持，脉搏血氧饱和仪显示的数字可能会威胁患者生命，特别是随着它的广泛使用。该设备可有效监测 COVID-19患者，而令人担忧的是，脉搏血氧饱和仪不仅用于手术室患者，还可用于所有人，而这些人可能尚未准确理解读数含义。作为电子设备，脉搏血氧饱和度仪造成的伤害很小，但如果数值被误解，可能会造成严重伤害。目前保护用户免受这类伤害的监管体系并不完善。

临床医生应该帮助人们了解这些设备可能带来的危险，并教会他们如何解读显示的数字。在目前无法保证脉搏血氧饱和仪合理的情况下，只要读数看起来是正确的，人们甚至无法判断这个设备是否制作精良。即使有危险情况，只要数值在“正常”范围内，就没有人会注意到问题。

虽然有必要就如何正确理解数字对用户开展教育，但在日本，要求对普通民众进行适当教育的法规却很模糊。尽管这些设备附带的使用手册上写着“如有问题，请征求医生的意见”，但这一警告对普通大众来说毫无用处，因为他们没有办法知道是否有问题。因此，用户在没有充分了解设备的情况下就会相信设备，同时包括公司或政府在内的任何人都不会对设备的误用担责。

尽管主管当局可能会关注电子产品的安全性，但他们可能对人们如何解读显示的数值或医疗设备的安全性并不感兴趣。临床医生参与产品检验的案例较少。我们的使命是只要有机会对公众进行教育，并为他们提供评估医疗质量和非医疗质量产品相结合的产品所需的知识。

结论

得益于Takuo Aoyagi 的发明，很多人的生命得以挽救，未来该发明还会挽救更多人的生命。

1974 年，Takuo Aoyagi 首次报告了他的脉搏血氧饱和度仪工作原理。本次报告会由该领域内的著名科学家 Tatsuo Togawa （东京医科和牙科大学的医学工程教授）主持。Togawa 在 2011 年提出，脉搏血氧饱和度仪的发展已经远远超过了当时从 Aoyagi 报告中所能想象到的程度。21使用多波长脉搏血氧饱和度仪的可能性很大，包括建立一种标准的校准方法，在低灌注或身体移动过程中提高测量精度，以及包含对其他物质或代谢情况的测量等。它甚至有可能像脉搏分光光度测定法那样发挥作用，通过扩展至氧合作用以外的测量，如血糖水平（现有的测量方式具有侵入性）。22 ，由衷的感谢Takuo Aoyagi在这一领域做出的巨大贡献，这对临床医生来说可能并不容易，同时我们也将希望寄托于Takuo Aoyagi 之后的科学家身上。

 

Katsuyuki Miyasaka（医学博士，哲学博士）是和洋女子大学 (Wayo Women’s University) 的院长执行顾问，同时也是圣卢克国际大学（St. Luke’s International University, 日本东京）的名誉教授。

作者没有利益冲突。

参考文献

  1. Fu ES, Downs JB, Schweiger JW, et al. Supplemental oxygen impairs detection of hypoventilation by pulse oximetry. Chest. 2004; 126:1552-8.
  2. Death of a male patient under observation at home. Local governor apologized. (In Japanese). https://www3.nhk.or.jp/news/html/20210109/k10012805851000.html. Accessed on Jan 9, 2021.
  3. Wilkerson RG, Adler JD, Shah NG, et al. Silent hypoxia: a harbinger of clinical deterioration in patients with COVID-19. Am J Emerg Med. 2020;38:2243.e5–2243.e6.
  4. Jouffroy R, Jost D, Prunet B: Prehospital pulse oximetry: a red flag for early detection of silent hypoxemia in COVID-19 patients. Crit Care. 2020;24:313. doi: 10.1186/s13054-020-03036-9.
  5. Miyasaka K: Possibility of silent hypoxia without dyspnea: Use of pulse oximeters. Yomiuri Newspaper. May 21, 2020 (In Japanese)
  6. Sjoding MW, Dickson RP, Iwashyna TJ, et al. Racial bias in pulse oximetry measurement. N Engl J Med. 2020; 383:2477–2478.
  7. Aoyagi T, Kishi M, Yamaguchi K, et al. Improving ear oximeters. JSMBE. 1974;13:90–91 (In Japanese).
  8. Miyasaka K. Anesthesiology and dawn of the pulse oximeter. Masui. 2018;67:S245–251 (In Japanese).
  9. Severinghaus JW, Honda Y. History of blood gas analysis. VII. Pulse oximetry. J Clin Monit. 1987;135–138
  10. Severinghaus JW: Takuo Aoyagi. Discovery of pulse oximetry. Anesth Analg. 2007; 105(6 Suppl):S1-4
  11. Yoshiya I, Shimada Y, Tanaka K, et al. New noninvasive oxygen saturation measurement (OXIMET): Its measurement principle and performance. ICU and CCU. 1978;2:455–460 (In Japanese).
  12. Suzukawa M, Fujisawa M, Matsushita F, et al. Our experience with a fingertip wave type oximeter. Masui. 1978; 27:600–606 (In Japanese).
  13. Suwa K (ed). Pulse Oximeters. Igakutosho Shuppan, Tokyo 1992 (In Japanese).
  14. Japanese Society of Anesthesiologists English Website, Standards & Guidelines, https://anesth.or.jp/users/english/news/detail/605bee53-44c0-4042-9fb0-113b9dcdd4c6#login-form-top. Accessed July 10, 2021.
  15. Miyasaka K, Kondo Y, Suzuki Y, et al. Toward better home respiratory monitoring: a comparison of impedance and inductance pneumography. Acta Paediatr Jpn. 1994; 36:307–310.
  16. Miyasaka KW, Suzuki Y, Miyasaka K. Unexpectedly severe hypoxia during sprint swimming. Anesth. 2002;16:90–91.
  17. Barker SJ. “Motion-resistant” pulse oximetry: a comparison of new and old models. Anesth Analg. 2002;95:967–972.
  18. Aoyagi T, Fuse M, Kobayashi N, et al: Multiwavelength pulse oximetry: theory for the Future. Anesth Analg. 2008;105:S53–S58.
  19. International Standard. ISO 80601-2-61:2017. Medical electrical equipment—Part 2–61: particular requirements for basic safety and essential performance of pulse oximeter equipment. 2017.
  20. Aoyagi T, Fuse M, Ueda Y, et al. Improving precision of pulse oximetry. The 4th International Symposium on Innovations and Applications of Monitoring Perfusion, Oxygenation and Ventilation (IAMPOV) 2015, Tokyo. https://iampov.org/2015-symposium/
  21. Togawa T. Father of the pulse oximeter. JSMBE. 2011;49:310–312 (In Japanese).
  22. Aoyagi T, Miyasaka K. The theory and applications of pulse spectrophotometry. Anesth Analg. 2002;94:S93–S95.
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