为血氧测量这个肤浅的问题设计解决方案
在COVID-19大流行的早期，许多人第一次了解到一种名为脉搏血氧计的小型医疗设备。该设备夹在指尖上，几秒钟内就能测量出一个人血液中的氧含量。脉搏血氧计在大流行期间变得越来越受欢迎，因为越来越多的人对监测自己的氧含量下降感兴趣，这是COVID-19的一种症状，需要立即就医。
加州大学圣地亚哥分校的纳米工程教授杰西·乔克斯特也有一份脉冲他实验室里有血氧测定仪，但原因不同。他对该设备的兴趣源于一个非常肤浅的问题:脉搏血氧仪在肤色较深的情况下可能不太准确。
最近的研究已经表明，对肤色较深的患者——特别是亚洲人、黑人和西班牙人——进行的血氧测量测试通常会产生错误的高血氧测量值。因此，这些患者通常比具有相似真血氧水平的白人患者接受的补充氧更少。补充氧气对于治疗以低血氧水平为特征的心肺疾病至关重要，如先天性心脏病、肺水肿和慢性阻塞性肺病。更多的研究表明，管理失败补充氧气或者由于血氧读数不准确而完全错过了这些诊断，都加剧了医疗保健中存在的种族不平等。
这些不准确的原因是脉搏血氧计依赖于光来测量氧含量。这个装置发光发亮。束光穿过皮肤进入血液。反射到设备上的光量与人的血液有关氧水平．检测到的光线越多，说明该部位的血氧含量越高。但如果有什么东西阻碍了这种光，比如黑色素(皮肤中的一种色素)，就会降低测量的准确性。黑色素通过两种方式影响阅读:它阻止一些光线穿透更深的组织，同时，它将光线反射回设备。
Jokerst解释说，这就像试图看到一个人戴着反光太阳镜时的眼睛。这很困难，因为太阳镜是通过反射进来的光来保护人的眼睛，而不是让太多的光穿过。
“现在想象你的皮肤就像那些太阳镜，”Jokerst说。“肤色越深，就会有越多的黑色素来阻挡和反射光线，就像一副额外的太阳镜。血氧测定仪中越来越多的光线会被过滤出来并反弹回来。”这导致了不太准确的解读。”
因此，较暗的肤色会导致皮肤表面血氧含量过高。
Jokerst指出，肤色和血氧读数准确性之间的差异是光与皮肤色素相互作用的物理限制。这种限制促使光学成像专家Jokerst设计了一种解决方案。
Jokerst是越来越多致力于解决血氧测量中肤色问题的科学家中的一员。各种研究小组都专注于解决脉搏血氧计的问题，但Jokerst采取了一种略有不同的方法。在这种情况下，他专注于解决一种叫做光声血氧测定法的血氧测定法的问题。
光声血氧仪和脉搏血氧仪
光声血氧仪正在成为脉搏血氧仪的替代方案。它目前被用于临床的设置以及测量血氧水平的临床前研究。它类似于脉搏血氧测量法，它通过皮肤发送一束光来测量皮肤下的氧含量或图像特征。但光声血氧仪检测的是组织发出的声波，而不是像脉冲血氧仪那样检测反射回来的光的数量。这就产生了血液中氧浓度的空间图像或地图，而不是像脉搏血氧测定仪那样的单一数字读数。
这使得光声血氧测量法成为一种更强大的方法，因为它可以提供更深层次组织的完整图像和身体任何部位血氧含量的空间地图。医生和研究人员可以使用它来更准确地测量特定区域的血氧水平，比如伤口附近或心脏处。与此同时，脉搏血氧测定仪是有限的，因为它只测量放置部位的氧浓度，通常是指尖、脚趾或耳朵。
尽管光声血氧测定法有很多优点，但它也和脉搏血氧测定法一样，存在一个肤浅的问题:在肤色较深的人身上，光声血氧测定法会高估皮肤表面的氧含量。此外，它还可能低估这些人皮肤深处组织中的血氧读数。这是因为它仍然依赖于通过皮肤发送光。皮肤上层的黑色素会反射血氧测定仪的光线，阻止它到达更深的组织。由于皮肤表面反射了太多的光，很少有光能穿透更深的血管或组织，这意味着组织发出的声波更少。这反过来又使得在这些身体部位拍摄高分辨率的血氧含量图像变得困难，并导致更深的血管或组织中的氧含量被低估。
改善卫生保健公平的一步
Jokerst项目的领头学生Yash Mantri最近在加州大学圣地亚哥分校获得了纳米工程博士学位，他在这个项目中直接观察到了这种差异。他招募了9名不同肤色的健康受试者，并在实验室中使用光声血氧仪对他们前臂上的桡动脉进行成像。他发现，与肤色较浅的受试者相比，肤色较深的受试者的深层血管中的氧信号要低得多，而皮肤表面的氧信号则要高得多。
Jokerst和Mantri看到了一个机会，可以帮助消除这种差异，使生物医学成像更加公平。Jokerst说:“我们认为光声血氧测量是一种广泛适用的技术，我们正努力确保每个人都能受益，而不仅仅是一小部分患者。”
该团队开发了一个方程来校正肤色的差异。首先，研究人员比较了光声血氧仪和脉搏血氧仪的血氧读数。他们利用这些数据来修正深肤色个体深层血管中检测到的人工低氧水平。然后，研究人员建立了深色肤色与较深血管中较低血氧水平之间的线性关系。由此得出的公式能够对肤色较深的人的血氧水平进行更高、更精确的测量。
为了验证这个方程，Mantri测量了另外两名受试者桡动脉的氧含量，他们的肤色在最初的9名受试者之间，并应用了校正因子。该方法在光声血氧仪读数中解释了较低的氧信号，与脉搏血氧仪相比误差小于3%。在新受试者中，调节光声血氧测量读数的简单方程是准确的，并且可以扩展到其他肤色。研究人员在杂志上发表了他们的发现生物医学光学表达．
Jokerst和Mantri希望他们的工作能激励其他工程师在开发新的医疗设备和技术时考虑到肤色。他们在论文中指出，为了设计出在医疗保健中具有公平结果的设备，必须在开发过程中考虑到患者肤色的差异，而不是在开发之后。
在进一步反思这项工作时，Mantri说:“作为工程师，我们的部分责任是发现问题并设计解决方案，以便他们能够更好地服务于所有人，无论如何肤色．这项工作是朝着这个目标迈出的一小步。”
进一步探索
