拯救無數新冠重症患者:源自日本、因川普確診而備受矚目的「血氧飽和儀」

拯救無數新冠重症患者:源自日本、因川普確診而備受矚目的「血氧飽和儀」
Photo Credit: Shutterstock / 達志影像

我們想讓你知道的是

新冠疫情在全世界擴大感染,使得「血氧飽和儀」這個能迅速檢測重症化指標血氧濃度的醫療儀器備受矚目。針對這款支撐著世界醫療現場的儀器,本文將以發現該儀器原理的青柳卓雄為中心,介紹其開發史。

文:福田真人

美國總統川普(Donald Trump)確診新冠病毒的新聞引發全世界關注,醫師團的說明裡提到他「血氧濃度下降兩次,曾接受輸氧措施」。用來測定血氧濃度的,便是這款名為「血氧飽和儀」的醫療儀器,儘管知道的人不多,但其與胃鏡相同,都是源自日本而普及全球的醫療技術。

將兩種不同波長的光照射到指尖,並對未被吸收而穿過手指的光線進行解析,便能立即測出「血氧飽和度」(SpO2),這個數值顯示了動脈裡血紅素的攜氧比例,若血紅素攜氧比例高,會呈現鮮豔的紅色;攜氧比例低,則呈現暗紅色。將紅色的濃度進行數值化,便能計算出血氧濃度。

現在,這個儀器已變得相當簡便,只要把像洗衣夾般的感測器夾在指尖,便能一併測量心跳數與血氧濃度,並顯示在附屬的小型液晶螢幕上。若血氧濃度充足則顯示為100%,正常值範圍為99%-96%,若數值低於90%將被診斷為發生缺氧(低氧血症),須立即採取供氧措施。

一般而言,醫院檢測病人的生命跡象,是以「血壓」、「脈搏」、「呼吸速度」、「體溫」四個項目為主,而血氧飽和儀則被認為是第5項生命跡象的指標,可見「血氧濃度」與人命多麼息息相關。

青柳發現原理,各公司開發實用儀器

早在1935年,德國學者Karl Matthes(1905-1962)便提出可以用紅綠兩個過濾儀來檢測耳朵的血氧濃度,後來發展成耳夾式血氧飽和儀,夾住耳垂便可進行測量。但這種方式在測量前易壓迫耳朵,測量中也須溫熱耳朵,對患者會造成負擔,因此並未廣為普及。

後來獨自研究發現血氧測量原理的,便是青柳卓雄(1936-2020),他於1958年從新潟大學工學院畢業,進入島津製作所工作,後於1971年換工作,進入負責製造與銷售醫療儀器的日本光電工業任職,偶然碰上了這個主題。「對患者進行觀測的終極型態,便是醫療的自動化,為了接近這個理想,開發非侵入性連續檢測的手法相當重要」,這便成了他的研究課題。講明白點,便是要試圖開發不用針頭抽血便可穩定檢測數值的儀器。

1972年,在從事由心臟送出的動脈血的檢測儀器改良作業時,青柳發現可以利用心臟的跳動(脈衝)來測量動脈血的血氧飽和度,這是製造血氧飽和儀基本原理的大發現,使得後來的儀器得以發明。

他利用這個原理製作了樣機,持續進行研究,並於1974年在學會發表,但並未受到醫學界與醫療現場的關注,很長一段時間,這項原理真正的價值沒能獲得承認,受到了冷落。

日本光電利用這個原理,於1975年推出耳夾式血氧飽和儀,但其使用燈泡作為光源,且檢測光線的感測器也性能不佳,改良餘地頗多,由於需求並未增加,只好停止開發。然而,就在1974年,收到前述樣機的北海道大學應用電氣研究所學者中島進(現森山紀念醫院院長),發表了第一篇關於血氧飽和儀的醫學論文,並被譯成了英文。

1977年,個別進行研究的美能達公司(現柯尼卡美能達)獨家推出世界第一款指夾型血氧飽和儀「OXIMET MET-1471」,其性能在美國也受到好評。透過這個儀器人們得知,臨床中缺氧導致的死亡事故其實頻繁發生,氧氣不足對預後也會產生影響,而血氧飽和儀能將血氧濃度的變化即刻顯示,因此能立刻掌握危險徵兆。

人們預測,這個儀器將對今後的醫療現場造成巨大衝擊。

1980年代,美國與日本在進行麻醉手術時,時常發生患者缺氧死亡的醫療事故,不經抽血便能測量血氧濃度的儀器需求大幅增加。當時青柳指出,要能穩定測量血氧濃度,並且在數值發生劇烈變化時能立刻進行處置,這兩項條件的並存將是永遠的課題。

1980年,美國的Biox公司以發光二極體(LED)連接電腦,推出可穩定使用的商業用血氧飽和儀。在史丹佛大學對該儀器進行評估的麻醉醫師William New(1942-2017)也對這個儀器的實用化作出了大貢獻,他為了推廣該儀器,讓大眾認知到儀器的有用性,於是自己創設Nellcor公司,於1982年推出血氧飽和儀「N-100」,不僅在美國,更銷售到全世界。

綜上所述,血氧飽和儀是由青柳發現原理,由美能達公司想出透過指尖測量的方式,由Biox公司製造出高穩定度的機器,並由Nellcor公司開發出適用於臨床的儀器,才得以廣為普及、開展。

334703
美國電機電子工程師學會(IEEE)頒獎典禮會場(2015年)|Photo Credit: 日本光電工業 / nippon.com

被認知為血氧飽和儀的發明者

青柳雖將自己的發現寫成日文論文發表,但並未翻成英文。起源於日本的發現、發明、創意等有許多這樣的例子,即便是獨步全球的獨創性發明或發現,若沒有向國外發表的手段,往往得不到正當的評價而被其它國家超越,甚至被模仿製造。

但在血氧飽和儀上,出現了一個關鍵人物,就是呼吸生理學的世界權威,美國的John W. Severinghaus教授(1922-)。就在青柳的高能力逐漸獲得認知後,他也得知了青柳的存在,1987年來日本時便與青柳見面,其後又以英文論文介紹其功績,這才使得青柳作為血氧飽和儀的發明者,獲得世界的廣泛認知。

在1950年代,致命麻醉事故的發生率約為2000分之1;在此儀器引進的現代,則減少至10萬分之1。日本的麻醉件數一年約200萬件,計算下來,死亡人數從一年1000人減少至20人。雖然這並不全然是血氧飽和儀的功勞,但這台儀器的貢獻不可忽視。

血氧飽和儀除了讓全世界的手術現場因麻醉造成缺氧死的事故數量劇減外,也對提高急救現場存活率做出了莫大貢獻。隨著儀器的小型化,也普及至一般小型診所,受到廣泛活用,例如對具有感冒症狀或呼吸系統疾病的患者進行診斷,或是投藥治療後觀察效果時,都派得上用場。

1997年,來日本小兒麻醉學會進行演講的瑞典Sten Lindahl教授,據說在演講後曾說出「有個人我很想推薦給諾貝爾獎,就是發現血氧飽和儀的青柳卓雄。」Sten Lindahl是隸屬於諾貝爾委員會生理學或醫學組的氧氣生物學專家,若諾貝爾獎真頒給了血氧飽和儀,那麼獲獎的大概便是發現其原理的青柳,以及進行改良使其能進行臨床使用,並普及至世界的William New。

青柳卓雄後來因其業績而獲得美國電機電子工程師學會(IEEE)健康技術改良獎,頒獎典禮於2015年6月20日在紐約舉辦,頒獎理由為「對醫療品質提升做出莫大貢獻的血氧飽和儀為一先進發明」。青柳是首位榮獲該獎的日本人。

拯救許多新冠重症患者的性命

2020年4月青柳過世時,正是新冠疫情在日本開始爆發之時。青柳直至過世前一年半,都孜孜不倦地指導後進,並從事血氧飽和儀的改良研究。

湊巧的是,新冠疫情的流行使得血氧飽和儀再次受到矚目。許多患者都在沒有自覺症狀的情況下,突然陷入呼吸衰竭的重症,這種「沉默的肺炎」案例在全世界發生,因此診察時,血氧濃度的測量便成了必經手續。

在日本,住進飯店療養的輕症患者也會收到體溫計與血氧飽和儀,必須自行測量並呈報。經過新聞報導後,據說家電量販店的血氧飽和儀陸續出現售罄的情形。如果我們沒有能輕鬆檢測血氧飽和濃度此一重症化指標的儀器,想必患者死亡數將達到難以想像的數字。

另外,今(2020)年9月推出的Apple Watch Series 6搭載「血氧濃度app」,可以從手腕測量血液裡的氧氣含量,這是以綠色與紅色LED及紅外線LED照射手腕血管,並用光電二極體讀取反射光量,透過先進演算法來計算血液顏色,血液顏色就代表了體內氧氣濃度。雖然該產品無法用於醫療,但似乎可用來確認運動中血氧濃度的變化。青柳所開闢出的道路,至今仍持續拓展。

作者介紹:醫學史專家。專事疾病文化史研究。名古屋外語大學世界教養學部長、教授。名古屋大學名譽教授。出生於京都市。東京大學研究所畢業。曾任牛津大學維爾康醫學史研究中心客座研究員、德里大學和東華大學客座教授。著作有《北里柴三郎:若有熱血和赤誠》(MINERVA書房,2008年)、《結核的文化:疾病比較文化史》(中公新書,2001年)、《結核文化史》(名古屋大學出版會,1995年)等。

本文經《nippon.com 繁體字》授權轉載,原文發表於此

責任編輯:羅元祺
核稿編輯:翁世航


Tags: