马修·d·凯勒和布兰登·哈里森-史密斯:脉搏血氧测量误差会影响患者的预后

脉搏血氧计是一种通过照射人的组织(通常是指尖或耳垂)来估计人的氧饱和度水平的设备，这是一种测量血液中氧浓度的方法(图1)。正如COVID-19大流行所强调的那样，准确的脉搏血氧计读数对临床决策至关重要，特别是在无法进行动脉血气测试(确定氧饱和度的金标准)时。但对于皮肤黝黑的人来说，这些设备给出的读数往往不太准确，这一缺陷导致医疗实践只会加剧这个问题，使脉搏血氧饱和度测量法成为医学中更广泛的种族偏见问题的象征。解决方案的第一步必须涉及那些设计、使用和监管这些设备的人的协调努力。

图1

脉搏血氧饱和度测量的准确性随肤色而变化。一个脉搏血氧计通过指尖照射红光和红外线来估计一个人血液中的氧浓度。含氧血红蛋白吸收红外光比吸收红光更有效，而脱氧血红蛋白则相反。b这些信号受到黑色素的影响，黑色素分布在皮肤的结构中，这种结构被称为黑素小体，由黑素细胞产生。深色皮肤中的黑素小体比浅色皮肤中的黑素小体更大，数量也更多。长期存在的血氧测定理论并不能完全解释光子被生物分子含量和组织结构散射的方式，因此不能精确地修正色素沉着的影响。校准研究加剧了这个问题，因为它们通常让浅肤色的人过量使用。这导致了对一些黑人血液中氧浓度的过高估计，因此漏诊了危险的低氧水平。

受大流行早期临床经验的推动，Sjoding等．1发表了一份回顾性报告，显示脉搏血氧计高估了黑人的真实氧饱和度。这种不准确性意味着，黑人患者被诊断出低氧血症(血液中氧含量低的情况)的可能性是白人患者的三倍。当动脉血气测试显示氧饱和度低于88%(即低氧血症)时，被误诊的患者被称为隐性低氧血症，尽管脉搏血氧计测量的健康氧合超过92%。

自Sjoding和同事的报告以来，几项大型回顾性研究已经证实，肤色较深的人(那些自认为是黑人、亚洲人、西班牙人或这些人的组合)比白人更容易患隐性低氧血症2- - - - - -5．在一项针对COVID-19患者的研究中，35%自认为是黑人的人被推迟了接受氧气治疗的资格，甚至完全错过了，而有记录的白人只有20%2．在另一项研究中，黑人接受的治疗用氧气少于拥有同等动脉血气值的白人3.．一项更全面的分析表明，即使考虑到基线健康状况，患有隐匿性低氧血症的人也容易出现器官功能障碍和住院死亡率，这一群体中的黑人器官功能障碍最严重5．

尽管在COVID-19大流行之前，脉搏血氧测量中肤色偏差的临床报告并不普遍，但有关这一问题的证据已经积累了几十年6，7．今年2月的一项比较报告发现，9种仪器对深肤色人群的脉搏血氧计读数始终低于浅肤色人群8．但该研究还发现，在严格控制的实验室条件下对健康个体进行检测，发现隐性低氧血症的病例比在医院测量的要少。事实上，在作者测试的491人中，没有一个人的读数与隐性低氧血症相符，而Sjoding和他的同事从1609名住院患者的队列中统计了3527个测量结果中的187个病例。这种差异凸显了了解脉搏血氧饱和度测量误差在现实生活中是如何加剧的需要。

所有这些发现都反映了卫生保健系统对某些工具和风险公式使用固定的种族抵消的悠久历史，这些工具和公式现在被认为可能加剧而不是减轻卫生不平等9．例如，一种常用来评估心力衰竭风险的算法go.nature.com/3mw3zda)的最初设计是为了系统地增加非黑人的得分(从而增加感知风险)。这种补偿因为提高了对待黑人的门槛而受到审查，现在是计算器的一个可选功能。

在脉搏血氧饱和度测量中，基于种族的调整(而不是有效的设备设计和校准)可以纠正过高估计误差的想法似乎也不合适。尽管这种高估并不是造成患者-结果差异的唯一原因，例如在COVID-19大流行期间出现的差异，但纠正这种高估的努力至关重要。这是因为越来越明显的是，关于医疗设备的偏见的报道可能会加剧黑人社区和医学界之间本已复杂的历史关系。

Sjoding和同事的发现促使美国食品和药物管理局(FDA)在2021年2月发布了一份安全通报，强调脉搏血氧仪的局限性(见go.nature.com/3wkgket）;很可能很少有卫生保健工作者，甚至更少的病人意识到这些缺陷。上个月，FDA宣布医疗器械咨询委员会将于11月召开会议，收集有关该问题的所有可用证据，并确定提高脉搏血氧仪准确性的方法。妥善解决这一问题需要研究人员、卫生保健工作者、设备制造商和FDA的协调努力。

一旦清楚地了解血氧饱和度过高的机制，就有可能使这一关键的医疗设备公平地为所有人工作。这可能涉及改变脉搏血氧计校准和临床研究程序，采用客观的肤色指标，而不是使用自我识别的种族或色素沉着的主观评估。一个理想的解决方案可能涉及新一代的设备，可以客观地感知和解释病人的肤色，以及任何其他可能影响脉搏血氧饱和度测量的因素。

Chetan patil和Mohammed shahriar arefin:脉搏血氧测量中偏差的基础

现代手指夹式脉搏血氧仪是在20世纪70年代发展起来的，在过去的50年里，通过能够快速识别急性呼吸窘迫，彻底改变了患者监测。然而，设备本身和校准的方式都有与人的皮肤色素有关的偏差。这些因素综合起来的结果是血氧饱和度测量中明显的种族偏见，这无疑是它的发明者无意的。克服这些技术问题是一个多方面的挑战，需要仔细分析，并对临床试验的设计方式进行严格审查。

该装置的工作原理是测量由红光和红外光与血液灌注的组织相互作用产生的时变光信号10(图1)。光如何与组织相互作用，导致光子被血红蛋白、黑色素、脂质和水等分子吸收或散射11．

脉搏血氧测量是可能的，因为含氧血红蛋白吸收红外光比吸收红光更有效，而脱氧血红蛋白则相反。该设备通过人的皮肤发出红光和红外光，检测到的光产生振荡信号，因为组织中的血量随每次心跳而波动。这种振荡信号的平均值通常用来表示组织中所有生物分子的总吸光度，而它的振幅量化了整个心脏周期中含氧血红蛋白浓度的波动。

通过计算此振幅与红光平均值的比值，并将其与红外光的相同比值归一化，就得到了与动脉血氧饱和度测量值线性相关的血氧测量参数。通过校准研究，将氧饱和度测量参数值与用气体分析仪测量的血液样本中的氧含量进行比较，从而对特定设备的这种关系进行精确确定。

血氧测定中一个长期存在的误解是，认为个体生物分子组成的变化——包括，例如，他们的黑色素水平——都被考虑在内，因为血氧测定的参数是由红色和红外信号检测到的光的平均值归一化的。这一观点得到了有限理论分析结果的支持12该理论认为手指是一种均匀的吸收材料，没有考虑到光的散射随波长的不同而不同的事实。这种散射效应在具有多层解剖结构的组织中非常明显，例如手指(图1b)。

光如何与组织相互作用的计算模型提供了一个健壮的理论框架，通过该框架可以重新审视与血氧测定中使用的简化概念框架相关的假设13．这些研究包括散射，以及与组织解剖和传感器配置相关的几何因素。脉搏血氧测量的模拟表明，增加的色素沉着降低了光信号的整体强度，这可能导致信噪比下降，从而解释了在深色皮肤的人中测量变异性增加的观察结果14．其他模拟与广泛使用的校准参数不受色素沉着影响的传统信念相矛盾，支持了表明色素沉着增加降低归一化比率的经验发现15．

目前，来自FDA的血氧测定仪准确度测试注册指南建议，研究应至少涉及10人，其中至少2人应该是“深色肤色”(见go.nature.com/3rc1whx)．然而，一个人色素沉着的深浅是一个固有的主观标准，可能导致研究设计的不一致。从测量和模拟的证据来看，传统血氧饱和度计使用的参数依赖于色素，因此有理由质疑FDA的指导意见，即在这些研究中，只有20%的被测试者必须是深色皮肤才能获得公平的校准。计算研究模拟了校准研究的预期结果，其中20%的人是“深色肤色”，支持回顾性临床研究的发现，揭示了美国黑人氧饱和度测量的高估偏见16．

结合理论分析和临床发现将最终加强我们对脉搏血氧测量提出的挑战性问题的理解;这些影响包括色素沉着的影响，以及通过人体组织的血液灌注不足、一氧化碳中毒和贫血的影响17．脉搏血氧测定仪作为一种实时低成本的监测人的心肺状态的工具，它的成功导致了它的广泛使用，而该技术的流行反过来也突出了不准确发生的情况。显然，过去几年的临床发现为开发和验证不依赖色素沉着的血氧测定仪提供了必要条件。这些研究也强调了仔细重新考虑校准研究的报名标准的重要性，以便测试参与者的皮肤色素均衡，并使用客观的测量方法确定。