Введение
Все, кто ставил прививку от COVID-19, помнят, как им на палец надевали странный прибор, который показывал какие-то цифры, потом врач говорил что-то вроде «нормально» и вы шли ставить прививку. Дак вот, этот странный прибор называется датчик кислорода, в статье doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-03161-1 разбирается вопрос, как цвет кожи влияет на точность этих измерении, и почему это важно.
Зачем это все нужно?
Датчик кислорода (или по-научному пульсоксиметр) пропускает свет через ткань (палец или мочку уха), после чего фиксирует сколько света прошло, а сколько поглотилось. В ковидную эпоху это стало особенно актуально, так как точные показания пульсоксиметра позволяют вовремя определить низкое содержание кислорода в крови. Есть, конечно, более точный метод – это анализ артериальной крови, однако, чаще всего, он недоступен.
Было замечено, что у темнокожих показания сильно неточны. С чем это может быть связано? Таким вопросом задались Мэтью Д. Келлер с коллегами. Изучено, что пульсоксиметры завышают истинное значение насыщения кислородом крови у чернокожих. Таким образом, чернокожие в 3 раза чаще получают гипоксемию, чем белые, несмотря на то, что пульсоксиметр показывает оксигенацию не менее 90%. И тут уже запахло расизмом, однако, причина кроется в физике. Было проведено еще несколько ретроспективных исследований (анализ ранее накопленных данных), которые свидетельствуют о том, что чернокожие, азиаты, латиноамериканцы чаще, чем белы испытывают гипоксемию.
Пульсоксиметр был разработан в 1970-х годах и за последние 50 лет произвел своего рода революцию, так как он экспрессный, достаточно точный и компактный. Тем не менее, это устройство нужно откалибровать, то есть сопоставить сигнал, полученный от пульсоксиметра с реальной концентрацией кислорода крови, полученной, например, с помощью более точного анализа крови (о чем было сказано выше). Но цвет кожи людей отличается, свет от пульсоксиметра будет рассеиваться кожными покровами по-разному.
Как в целом это работает?
Прибор измеряет во времени оптический сигнал, который получается при взаимодействии красного и инфракрасного света с тканью, заполненной кровью (Рис.1, a). Свет взаимодействует с тканью, это приводит к тому, что фотоны (кванты электромагнитного излучения) либо поглощаются, либо рассеиваются молекулами гемоглобина, меланина, липидов и воды. Известно, что оксигенированный гемоглобин (то есть тот, который «несет» с собой молекулу кислорода) поглощает ИК-излучение, а красный свет почти не поглощает, в то время как для дезоксигенированного гемоглобина все наоборот. Получается, что чем больше красного света прошло через ткань и не поглотилось, тем больше оксигенированного гемоглобина, а равно и больше кислорода в крови.
Дак, что же не так?
Калибровка прибора производится на заводе, при этом калибруется он по некоторым «средним значениям». То есть мы измерили концентрацию кислорода у нескольких людей с помощью прибора, тут же взяли у них кровь на анализ, сопоставили эти данные, нашли среднее значение для «среднего» человека. Ключевая проблема в «среднем человеке». Размер пальцев, цвет кожи, плотность межклеточного вещества внутри пальца, все это может влиять на рассеяние света (см. Рис.1, b).
Эти все факторы были исследованы, на основании чего руководство FDA (как ФБР только для еды и медикаментов) постановило, что в калибровке пульсоксиметров должно принимать участие не менее десяти человек, двое из которых должны иметь «темную пигментацию кожи».
Такие дела, вот вам и Oxxxyметрия.