Пульсоксиметр – медицинский прибор на основе японских технологий

Сатурация как значимый показатель состояния организма человека

Когда президент США Дональд Трамп заболел COVID-19, об этом быстро узнал весь мир. Группа врачей сообщила, что Трампу была проведена кислородная терапия, потому что уровень кислорода в крови дважды понижался. Упомянутый врачами показатель определяется с помощью медицинского прибора – пульсоксиметра. К сожалению, мало кто знает, что широко известные во всём мире пульсоксиметр и эндоскоп основаны на изобретённых в Японии медицинских технологиях.

Уровень насыщения крови кислородом (SpO₂) измеряется с помощью двух видов световых волн разной длины. Анализируя прошедшие сквозь палец лучи света, пульсоксиметр определяет цвет гемоглобина в крови. Хорошо насыщенный кислородом гемоглобин ярко-красный, но при низком уровне кислорода он приобретает тёмно-красный цвет. Пульсоксиметр оцифровывает интенсивность красного цвета и подсчитывает уровень кислорода в крови.

Современный пульсоксиметр – это простой в эксплуатации аппарат в виде надеваемой на палец прищепки с сенсором. Он одновременно измеряет частоту сердечных сокращений и уровень кислорода в крови и отображает результаты на крошечном жидкокристаллическом табло. Полная сатурация составляет 100%, показатель от 99% до 96% считается в пределах нормы. Падение уровня кислорода в крови ниже 90% называется гипоксией и требует немедленного проведения кислородной терапии.

Стационарным пациентам обычно измеряют 4 жизненных показателя – кровяное давление, пульс, частота дыхания и температура тела, однако уровень кислорода в крови, измеряемый с помощью пульсоксиметра, фактически является пятым жизненным показателем. Иными словами, уровень сатурации напрямую связан с жизнью человека.

Открытие Аояги и его коммерческое примерение

В 1935 году немецкий врач Карл Матес (1905-1962) разработал методику измерения уровня кислорода в крови с помощью проходящих через ухо красных и зелёных лучей. Однако перед измерением ухо сдавливалось, а в процессе измерения нагревалось, пациент подвергался дополнительной нагрузке, поэтому аппарат не получил широкого применения.

В 1970-е годы японский инженер Аояги Такуо (1936-2020) открыл другой способ измерения уровня кислорода в крови. В 1958 году Аояги закончил обучение на технологическом факультете университета Ниигата и устроился на работу в Shimazu Corporation. В 1971 году Аояги перешёл в компанию Nihon Koden, занимающуюся производством и продажей медицинского оборудования. Перед ним была поставлена следующая задача: «Оптимальная форма мониторинга пациентов – это автоматизация процесса. Для этого необходимо разрабатывать неинвазивные приборы, обеспечивающие непрерывное снятие данных». Таким образом, Аояги предстояло разработать прибор, способный стабильно снимать показатели без забора крови с помощью шприца. В 1972 году в процессе модернизации прибора для измерения движущейся от сердца артериальной крови Аояги открыл способ измерения уровня кислорода в артериальной крови с помощью пульсации сердца. Это открытие легло в основу технологии современного пульсоксиметра.

Аояги Такуо в лаборатории Nihon Koden (1994)

Аояги создал прототип аппарата, провёл ряд исследований и опубликовал своё изобретение на заседании научного сообщества в 1974 году, однако медицинские круги не проявили интереса к изобретению и на протяжении многих лет он пребывал в забытьи. В 1975 году компания Nihon Koden выпустила в продажу ушной оксиметр на базе технологии Аояги, однако ввиду ряда несовершенств, включая использование электролампы в качестве источника света и низкую эффективность улавливающего свет сенсора, прибор не пользовался спросом, и разработки были прекращены. В 1974 году доктор Накадзима Сусуму из Института прикладной электроэнергетики университета Хоккайдо (в настоящее время – главврач больницы Морияма), получивший прототип аппарата, опубликовал первую научную статью о пульсоксиметре. Впоследствии эта статья была переведена на английский язык.

В 1977 году Conica Minolta впервые в мире выпустила в продажу надевающийся на палец пульсоксиметр Oximet MET-1471. Функциональные характеристики разработанного компанией прибора получили высокую оценку в Соединённых Штатах. Применение пульсоксиметра выявило высокую частоту смертельных случаев в результате нехватки кислорода, продемонстрировало возможность влияния нехватки кислорода на жизнеспособность пациента, а также помогло мгновенно распознавать опасные симптомы с помощью изменений уровня кислорода в крови. Прибору прочили большое будущее в клинической медицине

В 1980-е годы в США и Японии возросло количество медицинских происшествий, когда находящийся под наркозом пациент умирал от нехватки кислорода во время операции. Это увеличило потребность в приборе, способном оперативно измерять уровень сатурации без забора крови. Аояги отмечал, что прибор должен соответствовать двум условиям – стабильность измерений и способность адаптироваться к резким изменениям показателей.

В 1980 году компания Biox выпустила пульсоксиметр на световых диодах, стабильность которого обеспечивалась за счёт соединения с компьютером. Анестезиолог Вильям Нью (1942-2017) выполнил оценку прибора в университете Стэнфорд и сыграл значимую роль в его распространении. Убедившись в эффективности пульсоксиметра, врач решил развивать его применение, основал компанию Nellcor, в 1982 году выпустил модель пульсоксиметра для операционных N-100 и стал продавать её в США и других странах мира.

Всемирное признание

Аояги публиковал научные статьи о своём изобретении только на японском языке. Это обычное явление для технологий, открытых, разработанных и доведённых до совершенства в Японии. Однако если информация не выходит за пределы Японии, даже самое уникальное изобретение не будет оценено по достоинству, его могут превзойти учёные из других стран, а идея может быть скопирована.

К счастью для Аояги, появился человек, проливший свет на его изобретение. Слухи о достижениях Аояги дошли до всемирно известного американского физиолога Джона Северингхауса (1922-). В 1987 году он приехал в Японию, встретился с Аояги и опубликовал на английском языке статью о его исследованиях. Так Аояги обрёл всемирную известность в качестве изобретателя пульсоксиметра.

Аояги (в центре) и Северингхаус (слева) (1987)

В 1950-е годы частота смертельных случаев во время анестезии составляла один на 2000. Благодаря внедрению пульсоксиметра в наши дни этот показатель снизился до 1 на 100 000. В год в Японии делается около 2 миллионов анестезий, поэтому число смертельных случаев сократилось с 1000 до 20. Нельзя считать это исключительно заслугой пульсоксиметра, однако роль этого прибора достаточно велика.

Применение пульсоксиметра не только снизило смерность во время операций во всём мире, но и внесло значительный вклад в спасение людей в экстренной медицине. Сейчас пульсоксиметр есть в любой маленькой частной клинике, а диапазон применения расширился от диагностики пациентов с симптомами простуды и заболеваниями дыхательной системы до мониторинга состояния после медикаментозного лечения. Часы Applе Watch, вышедшие в сентябре 2020 года, оснащены приложением для изменения уровня кислорода в крови. Часы нааправляют зелёные, красные и инфракрасные светодиодные лучи на кровеносные сосуды запястья, считывают отражаемый свет с помощью светодиода, а затем определяют уровень сатурации по цвету крови с помощью современного алгоритма. Эта технология не настолько совершенна, чтобы применять её в медицине, однако вполне подходит для измерения колебаний уровня кислорода в крови во время занятий спортом. Пульсоксиметр стал неотъемлемым спутником нашего времени.

В 1997 году по приглашению Японского общества педиатрической анестизологии Японию посетил шведский учёный Стен Линдэлл, специалист по оксигенной биологии и член Нобелевского комитета по медицине. Прочитав лекцию, он сообщил: «Есть человек, которого я хотел бы порекомендовать в качестве кандидата на Нобелевскую премию. Это Аояги Такуо – изобретатель технологии, на основе которой разработан пульсоксиметр». Если бы пульсоксиметр действительно удостоился Нобелевской премии, её лауреатами могли стать автор открытия Аояги и доктор Нью, модернизировавший прибор для применения в клинической практике и распространивший его по всему миру.

20 июня 2015 года американский Институт электрической и электронной инженерии (IEEE) наградил Аояги медалью за инновации в сфере технологий здравоохранения. По мнению Института, «изобретение пульсоксиметра изменило современную хирургию», а Аояги стал первым японцем, удостоившимся данной премии.

Аояги на церемонии награждения в IEEE (2015)

Спасение жизней в эпоху пандемии

Аояги скончался 18 апреля 2020 года, когда эпидемия COVID-19 только начиналась в Японии. Он прекратил работать над усовершенствованием пульсоксиметра и обучение молодого поколения всего за полтора года до смерти.

Затянувшаяся пандемия способствовала повышению интереса к пульсоксиметру. Появилось множество пациентов со скрытой пневмонией, которая сначала протекает бессимптомно, а затем наступает резкое ухудшение, сопровождающееся дыхательной недостаточностью, поэтому измерение уровня кислорода в крови стало неотъемлемой частью диагностики и лечения. Когда в японских новостях рассказали, что пульсоксиметры вместе с термометрами выдают лёгким пациентам, размещаемым на изоляцию в гостиницах, чтобы те самостоятельно измеряли уровень кислорода в крови и сообщали показатели медработникам, пульсоксиметры быстро исчезли из продажи. Без прибора, способного мгновенно измерить такой значимый показатель тяжести заболевания, как уровень кислорода в крови, количество смертельных случаев могло быть намного больше.

Выдающееся открытие, сделанное Аояги Такуо почти полвека назад, продолжает приносить пользу людям во всём мире.

История создания пульсоксиметра

Фотография к заголовку: наконечник пульсоксиметра на пальце и портативный монитор SpO₂ (все фотографии © Nihon Koden)