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                发明造福全球,发明者却鲜为人知——脉搏血氧仪及其发明者青柳卓雄

                2020/05/29
                导读
                脉搏血氧仪发明后,诸如重症肺炎、呼吸衰竭、急性哮喘等危及生命的情况便可以及时发现。

                图源:pixabay.com


                脉搏血氧仪最有价值的地方在于人体血氧饱和度是我们能实时监测的极少数数据之一,在全球饱受新冠肺炎肆虐的今天,血氧监测比以往任何时候都更加重要。医学界发现,具有轻度至中度症状的新冠肺炎患者可能具有危险的低血氧水平,这可能导致严重的并发症。脉搏血氧计可以为病情恶化但可能仍没有呼吸困难的患者提供“警告信号”。在这场没有硝烟的战斗中,血氧仪于无形中挽救了无数人的生命。


                撰文 | 寂寞帅猫
                责编 | 李珊珊


                4月18日,被誉为“现代血氧测量技术之父”的青柳卓雄(Takuo Aoyagi)在东京离世,享年84岁。他所发明的脉搏血氧仪(pulse oximeter)是以无创方式测量病人动脉血液中血氧饱和度或动脉血红蛋白氧饱和度的一种医疗设备,现已成为世界各地医院的重要设备,也是近几个月来全球对抗新型冠状病毒不可或缺的仪器。


                然而,就是这样一个惠及全球人民的工具,它的发明者却鲜为人知,直到上月他在东京去世,他的名字才在网络上被人们提及。


                每当我们想要介绍某一位科学家生平的时候,往往会发现,他们虽然著作等身、科研硕果累累,但是网络上关于他们日常的各种报道却很少。即使这样,我们仍能从这些为数不多的图文资料中窥见他们非凡的一生和伟大的灵魂。


                青柳卓雄  图源[10]



                1936年:麻醉患者福音年

                在医学上,许多临床疾病会造成患者氧气供给的缺乏,甚至导致病人因手术时缺氧而死亡,因此,动脉血氧浓度的实时监测在临床救护中非常重要。


                传统的血氧饱和度测量方法是先进行人体采血(一般采桡动脉和股动脉的动脉血),再利用血气分析仪分析并测出血氧饱和度。然而,这种反复抽血容易导致病人的假性动脉瘤,也会带来许多不必要的痛苦。最大的麻烦是,这种方法通常至少需要20-30分钟才能获得结果,不能进行实时监测,而这种延迟可能是致命的,因为低氧会在5分钟内发生严重的脑损伤。因此,当时的许多医务工作者希望能为麻醉患者充分供氧并实时监测其血氧含量,对他们而言,1936年是标志性的一年。


                这一年,神经病理学家西里尔·库维尔(Cyril Courville)在医学杂志上发表了他的里程碑式论文:《氧化亚氮麻醉导致的窒息》 (Asphyxia as a Consequence of Nitrous Oxide Anesthesia),指出了临床麻醉的风险;同年,纽约麻醉师扩大并变身为美国麻醉师学会(American Society of Anesthetists,ASA)。


                作为麻醉医师的教育性组织和学术团体,ASA致力于麻醉安全,旨在提高、维护临床麻醉的医疗实践标准,加强对病人的麻醉监测等。80年后,ASA慈善基金会支持Lifebox计划,该计划在全球范围内为“资源贫乏的国家”提供脉搏血氧仪,以实现更安全的麻醉。

                也就是在这一年,一个传奇的小男孩降生于日本西海岸新潟县的一个普通家庭:他的父亲是一位数学老师,母亲是一位家庭主妇。他便是日后优秀的生物医学工程师和现代血氧测量技术之父青柳卓雄。自青柳卓雄的
                脉搏血氧仪问世后,麻醉手术中血氧饱和度测量的一切问题都迎刃而解了。手术时,只需将测量仪套在患者的手指上,便可连续无创地进行人体血氧饱和度的测量。


                从二战到今天

                在第二次世界大战期间,美国的一位名叫Glenn Allen Millikan的年轻生理学家开发了一种耳部血氧计,用于监控军事飞行员的缺氧状况。然而,这种固定在耳朵上的设备监测结果并不精准。

                1958年,22岁的青柳卓雄从新潟大学工学部电气工学专业毕业后进入京都的一家科学仪器公司工作。1971年,他转入日本一家名为Nihon Kohden的医疗设备公司,开始从事医疗器械的开发工作。

                当年轻的青柳卓雄就职于Nihon Kohden之时,已有能监测人体血氧含量的早期设备问世,但这些设备体积笨重,读数也不够精准。青柳卓雄便开始寻找一种更为轻便和准确,无需抽血便能检测出人体的血氧饱和度的方法。

                开始从事脉搏血氧仪的研究工作之初,二战时期的耳部血氧计便引起了青柳卓雄的注意,他开始研究这一仪器背后的秘密:承担血液中氧气输送功能的血红蛋白与氧气结合时吸收光线的方式不同,而这一设备正是利用了这一点,使用两种不同波长的光(红色光和红外光)来测量飞行员的血氧含量。

                受这个方法的启发,3年后,这个日本青年便研究出了不需要采血、只需将光线照射到指尖血管便可进行人血氧含量测定的血氧仪,当时,他38岁。


                1972年,在研究以染料稀释法(即将无毒的染料作为指示剂注入患者体内)来测量人体心脏泵血量时,青柳卓雄发现人体血液流动时会产生一种干扰染料稀释曲线的“噪音”,这种噪音中携带着动脉血液氧合的重要信息。他利用创新技术消除了这种噪音,从而可以清晰读取氧气含量。这使他发现了利用两种不同波长的光信号进行脉搏血氧测定的方法。


                1974年4月26日,青柳卓雄向日本医学电子与生物逻辑工程学会(MEBE)报告了他的脉搏血氧测定法,并与合作者,也是同事的木井一夫(Michio Kishi)一起创建了一个脉搏血氧计原型,1974年他们的公司提交了一份专利申请,将两人列为发明人。5年后,这项发明被授予专利。


                1975年,第一个利用青柳卓雄的方法做的商用脉搏血氧计面世。这款血氧仪由一个包含发光装置的探针和两个光电探测器组成,可以由两个波长的光通过耳垂到达光电探测器,根据动脉血的脉动来测量每个波长的吸光度变化。该设备能够快速、无创地评估患者的氧合,使临床医生能更早地发现血流动力学和呼吸的异常情况,避免患者受到伤害,并实时评估临床干预的效果。


                此后,青柳卓雄又继续推动氧气监测技术的发展,刺激了世界各地的血氧仪设备技术创新。他的原理和发明在1978年左右被相关医疗器械公司采用,加以改进后生产出了商用血氧仪并在市场上成功销售。1986年,美国麻醉医师学会建议将脉搏血氧仪用于监测接受麻醉的病人。从那时起直到今天,血氧仪的体积越来越小,技术越来越成熟,更重要的是,成本也越来越低,这使得它走进全世界的病房和手术室,也走进我们每一个普通人的家中。


                近年来,青柳卓雄的发明越来越受到人们的认可。这项发明得到了世界卫生组织的大力支持,尤其适用于处于麻醉手术状态的病人。在医疗技术发达的今天,许多公司都在出售血氧仪,形态多样,功能齐备,但所有的脉搏血氧仪,都是基于青柳卓雄最初的脉搏血氧测定原理。


                现代脉搏血氧仪 (图源:pixabay)
                脉搏血氧仪的工作原理:使用波长660 nm的红光和940 nm的近红外光作为射入光源,测定通过组织床的光传导强度,来计算血红蛋白浓度及血氧饱和度(SpO2),仪器即可显示人体血氧饱和度。一般情况下,正常人体动脉血的血氧饱和度≥98%,大于95%的氧饱和度被认为是正常读数,90%以下被认为是供氧不足。



                手术期间最重要检测指标之一

                多年来,体温、脉搏、呼吸频率和血压一直被医学界视为病人的四种主要生命体征,但直到上世纪80年代末,青柳卓雄开创的脉搏血氧测定技术开始被广泛接受之后,血氧饱和度才有了实时检测的可能,从而被医学界纳入了病人的“第五生命体征”——这是氧气是否从肺和心脏输送到病人身体其他部位的关键指标。


                据报道,脉搏血氧仪发明前,全世界每年都有2000-10000名病人因未曾检测到的低氧血症而死亡。在脉搏血氧仪发明后,诸如重症肺炎、呼吸衰竭、急性哮喘等危及生命的情况便可以及时发现。如今,血氧饱和度测量几乎涵盖了医学实践的所有领域,也成了当今全身麻醉病人的“标配”。


                不仅如此,许多慢性病患者也可以使用脉搏血氧仪在家里监测自己的血氧含量,从而更好地了解自己的身体状况。而这种便利,在20世纪70年代早期血氧测量技术发明之前的几十年里,是无法想象的。


                2007年,世界卫生组织(WHO)认可脉搏血氧饱和度测定法是手术期间最重要的检测指标之一。自那时起,世卫组织启动了“全球脉搏血氧饱和度项目”,以确保每位接受手术的患者均接受脉搏血氧饱和度监测。


                2015年,美国电气和电子工程师协会(IEEE)授予青柳卓雄医疗技术创新奖章,并宣布他的研究已导致“麻醉死亡率降低了四倍”。每年,这项殊荣都会授予在医学、生物学和医疗保健技术领域做出杰出贡献或创新的个人和团队。青柳卓雄因对脉搏血氧仪的开拓性贡献而获此殊荣,他是首位荣获该奖项的日本人。


                2015年,青柳卓雄(左2)获得美国电气和电子工程师协会(IEEE)授予的医疗技术创新奖章。图源[6]



                健康贴士
                · 血氧水平,是一个人综合身体素质的反应,血氧饱和度要在95%以上才是人体的正常水平。
                · 血氧不足对人体的危害:头晕易困,精神不振。如果长期血氧含氧量不足,大脑皮层会受到伤害,容易出现心跳骤停、心肌衰竭、血液循环衰竭等一系列严重后果。
                · 哪些人需要关注血氧水平:心脑血管患者、呼吸系统疾病患者、60岁以上的老年人、高强度运动人群、每天工作/学习超过12小时的人等。




                参考资料:

                1.https://anesthesiology.pubs.asahq.org/article.aspx?articleid=2583677

                2.https://journal.chestnet.org/article/S0012-3692(16)30698-5/fulltext

                3.https://healthmanagement.org/c/icu/leadingpeople/nihon-kohden-s-dr-takuo-aoyagi-receives-2015-ieee-medal-for-innovations-in-healthcare-technology

                4.https://www.researchgate.net/publication/5798912_Takuo_Aoyagi_Discovery_of_Pulse_Oximetry

                5.https://www.businesswire.com/news/home/20150624005442/en/Nihon-Kohden%E2%80%99s-Dr.-Takuo-Aoyagi-Receives-2015

                6.https://www.ieee.org/about/awards/bios/healthcare-recipients.html

                7.https://www.amperordirect.com/pc/help-pulse-oximeter/z-pulse-oximeter-history.html

                8.https://www.contemporarypediatrics.com/modern-medicine-feature-articles/pulse-oximetry-fifth-vital-sign

                9.https://www.google.com/amp/s/www.washingtonpost.com/local/obituaries/takuo-aoyagi-whose-pulse-oximeter-helps-hospitals-fight-coronavirus-dies-at-84/2020/05/03/685b3ec6-8d45-11ea-a0bc-4e9ad4866d21_story.html%3FoutputType%3Damp

                10.https://ethw.org/Takuo_Aoyagi

                https://www.legacy.com/news/celebrity-deaths/takuo-aoyagi-1936-2020-pulse-oximeter-inventor/



                制版编辑|王乐佳

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