综述：脉搏血氧饱和度测定、皮肤色素沉着与儿科心脏危重症中的隐匿性低氧血症

《Pediatric Cardiology》：Pulse Oximetry, Skin Pigmentation, and Occult Hypoxemia in Pediatric Cardiac Critical Care

　　摘要
脉搏血氧饱和度（SpO?）在儿科和心脏重症监护中的氧合评估中起着核心作用。越来越多的证据表明，SpO?可能会系统性地高估动脉氧饱和度（SaO?），尤其是在皮肤色素较深的人群中，从而增加了隐性低氧血症的风险——即脉搏血氧饱和度无法检测到的动脉低氧血症。我们旨在综合当前的证据，并确定其对儿科和先天性心脏病患者群体的影响。我们对实验生理学研究、成人及儿科观察性队列研究、儿科COVID-19患者研究、ICU研究、设备比较分析、系统评价以及按种族、种族或客观测量的皮肤色素分层报告的SpO?–SaO?测量结果或验证参考标准的研究进行了叙述性回顾。数据来源包括PubMed、MEDLINE和相关研究的参考文献。实验数据显示，在低氧血症期间，SpO?的高估趋势更加明显。大规模的成人队列研究证实，皮肤色素较深的患者隐性低氧血症的发生率更高，这一发现随后在住院儿童中也得到了验证。新兴的儿科心脏重症监护数据表明，生理复杂性可能会进一步加剧SpO?–SaO?的不一致性。设备比较研究揭示了不同制造商之间的差异，这些差异受校准数据集和信号处理算法的影响。在所有群体中，错误分类在常用的阈值附近最为具有临床意义。在皮肤色素较深的人群和低氧血症期间，SpO?经常高估SaO?，增加了住院儿童和重症儿童的隐性低氧血症风险。在以狭窄饱和度阈值为指导的儿科心脏重症监护中，对脉搏血氧饱和度进行上下文相关且具有偏倚意识的解读对于支持准确决策和公平护理至关重要。

引言
脉搏血氧饱和度检测是儿科重症监护的基础，用于指导氧疗调整、呼吸支持升级和急诊科、儿科重症监护病房（PICUs）、心脏ICU以及门诊监测项目中的分诊决策。尽管普遍认为脉搏血氧饱和度检测是一种客观的方法，但它实际上是对动脉氧饱和度（SaO?）的间接、设备依赖的估计。因此，在常用决策阈值附近，小小的系统误差可能会产生临床意义。几十年来，人们一直关注脉搏血氧饱和度检测在皮肤色素较深的人群中的准确性问题。对照性脱饱和研究显示，在低氧血症期间，SpO?会显著高估SaO? [1, 2]。后续的新生儿和婴儿研究证实了NICU环境中不同设备之间的准确性差异 [3]。大规模住院队列研究显示，与白人患者相比，黑人患者在相似SpO?值时隐性低氧血症（脉搏血氧饱和度无法检测到的动脉低氧血症）的发生率更高 [4, 5]。针对儿科的具体证据也证实了住院儿童（包括重症患者和COVID-19患者）中类似的SpO?–SaO?不一致性 [6, 7, 8]。鉴于儿童的生理储备有限且依赖基于脉搏血氧饱和度的升级路径，这些发现对儿科重症监护尤为重要，尤其是在先天性心脏病患者中。因此，本叙述性回顾的目的是综合关于脉搏血氧饱和度准确性和隐性低氧血症的实验、成人及儿科证据，特别关注儿科重症监护和心脏重症监护人群，以明确SpO?–SaO?不一致性的程度和临床意义，识别错误分类风险最高的患者群体，并强调其对床边决策、升级阈值和公平护理的影响，尤其是在先天性心脏病患者中。

方法
文献检索和研究选择
我们进行了一项叙述性回顾，评估了SpO?与SaO?在种族、种族或皮肤色素方面的差异，重点关注儿科重症监护的相关性。通过2025年的数据库PubMed和MEDLINE，使用“脉搏血氧饱和度”、“SpO?”、“动脉氧饱和度”、“隐性低氧血症”、“皮肤色素”、“种族”、“儿童”、“儿科”、“重症监护”和“心脏重症监护”等关键词组合进行了搜索。关键研究和系统评价的参考列表进行了手动筛选 [1, 2, 4, 9, 10]。符合条件的研究需要满足以下条件：
1. 报告了SpO?–SaO?测量结果或相对于基于血液的参考标准的准确性；
2. 评估了脉搏血氧饱和度检测在不同种族、种族或皮肤色素下的表现；
3. 提供了系统综合分析、设备比较或监管分析。包括成人和儿科研究，以便将儿科发现置于更广泛的背景下进行理解。优先考虑儿科、ICU和心脏ICU的相关研究。叙述性回顾和监管文件也被纳入讨论，但权重不如主要数据集。重复的队列被排除在外。

数据综合
由于人群、设备和隐性低氧血症定义的异质性，结果以叙述性方式进行综合。研究被分为实验生理学研究、成人临床队列、儿科队列、设备比较研究、家庭监测研究和监管证据（图1，表1）。

图1
**阈值依赖的SpO?–SaO?错误分类**。实线：理想情况下的一致性（SpO? = SaO?）。虚线：系统性SpO?高估（皮肤色素较深）。阴影区域（SaO? < 88% 且“正常”SpO? > 92%）：隐性低氧血症

表1
关于SpO?–SaO?差异、皮肤色素和隐性低氧血症的证据

结果
**实验和生理学证据**
对照性脱饱和研究显示，在皮肤色素较深的人群中，SpO?会系统性地高估SaO?，且随着动脉饱和度的降低，这种偏差变得更加明显，这在低氧血症期间具有临床意义 [1, 2]。新生儿和婴儿中也存在与色素相关的偏差，并且这种偏差在不同设备平台间存在差异 [3]。

**成人队列**
大规模的住院队列显示，在相同SpO?值下，黑人患者的隐性低氧血症发生率更高 [4, 5, 11]。这些差异在围手术期和混合ICU人群中仍然存在，在接受ECMO支持的患者以及住院的COVID-19患者中也同样显著，错误分类与治疗延迟相关 [12, 13, 14, 15]。英国和美国退伍军人健康管理局的全国性数据集也证实了这些差异 [16, 17]。大规模电子健康记录分析证实了这些差异在日常实践中的持续存在 [18]。

**儿科队列**
儿科配对分析显示，黑人儿童的隐性低氧血症发生率更高，SpO?的系统性高估也更明显 [6, 7]。儿科COVID-19队列证实，在低氧血症期间SpO?–SaO?的不一致性具有临床意义 [8]。在儿科心脏ICU队列中，SpO?会系统性地高估SaO?，且SpO?–SaO?的不一致性随着先天性心脏病患儿的疾病严重程度和心肺复杂性的增加而增加 [19]。

**设备比较研究和更广泛的证据（系统评价、家庭监测和监管数据）**
元分析和系统评价证实，在不同设备和临床环境中，肤色较深的人群中SpO?的高估现象更为普遍 [9, 10, 20]。建模研究表明，在考虑了测试模式后，错误分类仍然存在，机制性评价描述了导致偏差的光学和校准因素 [21, 22]。使用客观皮肤色素指标的多设备实验室研究显示，在皮肤色素较深的情况下，设备性能存在显著差异，且准确性失败的情况频繁发生 [23]。在儿科心脏导管插入术队列中，当按客观测量的皮肤色素分层时，Nellcor系统的总体偏差低于Masimo系统，尽管两种平台随着色素加深都表现出更高的高估趋势 [24, 25]。在新生儿和紫绀婴儿队列中，Masimo系统的平均高估程度较低，与动脉饱和度的吻合度更高 [3]。家庭监测研究显示，在皮肤色素较深的人群中，低氧血症的假阴性检测率更高 [26]。监管评价明确承认了脉搏血氧饱和度检测在色素相关方面的局限性 [27]。

**讨论**
本回顾表明，在皮肤色素较深的人群中，脉搏血氧饱和度检测更频繁地高估SaO?，增加了隐性低氧血症的风险。这种偏差具有方向性、阈值依赖性和情境敏感性，这在儿科重症监护中尤为重要，因为升级决策通常依赖于狭窄的SpO?临界值。实验研究解释了为什么在低氧血症阈值附近，即使是小幅度的平均误差也会导致不成比例的错误分类 [1, 2]。成人队列一致显示隐性低氧血症的发生率更高，在某些研究中还与不良后果相关 [4, 13, 15]。儿科数据证实这些发现也适用于儿童，包括重症患者和COVID-19患者 [6, 8]。在先天性心脏病患者中，复杂的生理机制可能会加剧SpO?–SaO?的不一致性 [19]。设备比较研究表明，不同制造商之间的偏差存在差异，这表明校准数据集和算法以及光学限制也是导致偏差的原因 [23]。随着门诊监测范围的扩大，这种偏差在家庭监测中的问题也日益突出 [26]。监管机构的认可代表了进展，但现行标准可能无法充分捕捉特定阈值下的错误分类 [27]。从方法学角度来看，将种族作为皮肤色素的替代指标是一个重要的局限性 [23]。然而，最近使用客观色素测量指标的研究证实，观察到的偏差主要是由于光学特性而非社会构建，这加强了因果推断 [23]。

**对PICU和心脏ICU实践的临床影响**
脉搏血氧饱和度检测应被视为一种情境相关的生理信号，而不是动脉氧饱和度的绝对替代指标，特别是在常用的升级阈值附近。实验生理学研究表明，在皮肤色素较深的人群中，SpO?会系统性地高估SaO?，且这种不对称的误差在低氧血症期间具有临床意义 [1, 2]。大规模的住院和ICU队列证实，这种偏差导致在决策阈值附近频繁出现低氧血症的错误分类，此外设备间的差异和监管机构对色素相关限制的认可也有体现 [4, 5, 9, 23, 27]。在先天性心脏病儿童中，SpO?通常用于检测与导管依赖性和紫绀性心脏病变相关的低氧血症，是心脏护理路径中的核心生理信号；然而，单独使用脉搏血氧饱和度检测的敏感性有限，无法识别所有具有临床重要性的先天性心脏疾病，这强调了在心脏人群中进行情境相关解读的必要性 [19]。在当代儿科心脏重症监护队列中，脉搏血氧饱和度检测被证明会高估动脉氧饱和度，并在先天性心脏病儿童中显示出临床显著的SpO?–SaO?不一致性，提供了心脏ICU特定环境下的测量局限性直接证据 [19]。SpO?值与临床表现之间的不一致应促使进行动脉或静脉血氧饱和度检测的确认。儿科配对SpO?–SaO?研究显示，令人安心的SpO?值可能无法检测到临床上显著的动脉低氧血症，尤其是在住院儿童和重症儿童中 [4, 6, 7, 8]。皮肤色素较深、患有先天性心脏病、严重呼吸衰竭或分流生理机制的儿童属于隐性低氧血症的高风险群体。儿科住院和COVID-19队列显示，黑人儿童的SpO?–SaO?不一致性发生率更高，而ICU和ECMO研究则表明疾病严重程度会加剧错误分类的风险 [6, 7, 8, 11, 13, 14]。新兴的儿科心脏ICU数据表明，生理复杂性进一步增加了隐性低氧血症的风险 [19]。最后，基于SpO?的刚性升级协议可能会无意中延迟对临床恶化的识别。在住院和重症人群中的研究表明，隐性低氧血症、治疗延迟资格延迟和死亡率增加之间存在关联，这凸显了仅依赖脉搏血氧饱和度检测的潜在临床后果 [4, 5, 13, 15]。

**不同设备的影响**
儿科实践中常用的脉搏血氧饱和度检测仪包括Medtronic Nellcor系统（如集成在Philips IntelliVue等床边监测仪中的OxiMax平台）、Masimo系统（包括Radical-7和医院集成的Masimo SET模块，使用新生儿和儿科包裹传感器）、Philips独立脉搏血氧饱和度检测解决方案及集成床边监测仪；在更有限的儿科环境中还包括Nonin设备。尽管这些系统都使用类似的光学原理报告外周氧饱和度，但它们在传感器设计、波长选择、校准数据集和专有信号处理算法方面存在显著差异。因此，特别是在生理变异性大、皮肤色素差异明显和决策阈值狭窄的儿科患者中，这些系统不应被视为可互换的技术。在儿科人群中，最有力的设备偏好证据来自儿科心脏导管插入术相关的研究，其中同时进行的动脉血氧饱和度检测提供了一个涵盖广泛年龄范围、诊断类型和氧饱和度值的严格参考标准。在这种背景下，当按客观测量的皮肤色素分层时，Medtronic Nellcor系统始终表现出较低的总体偏差和更好的整体准确性 [24, 25]。随着皮肤颜色的加深，两种设备都显示出动脉氧饱和度的高估趋势以及误差范围的扩大，但Nellcor设备的这一现象较为轻微。在最深色皮肤类型的分类中，Nellcor设备的平均偏差和整体误差均低于Masimo设备，尽管两种平台都存在动脉低氧血症检测漏诊的情况，但Nellcor设备中的漏诊率更低[24, 25]。这些发现的重要性不在于任一系统在绝对性能上表现优异，而在于它在整个皮肤色素范围中都表现出持续的相对优势，这一点在真实的儿科临床环境中尤为明显。该导管化研究群体的特殊性在于它避开了许多削弱其他儿科脉搏血氧仪研究的局限性，例如依赖种族来替代皮肤颜色、缺乏配对的动脉测量数据，或局限于特定的生理条件。通过使用分光光度法进行皮肤颜色分类并同时使用两种设备进行测量，可以将性能差异归因于设备本身的特性，而不仅仅是患者群体的差异[24, 25]。相比之下，针对新生儿和青紫婴儿的小规模研究结果差异较大。在因先天性心脏病导致低氧血症的婴儿中，Masimo系统的平均高估程度较低，与动脉饱和度的吻合度更高，而在这一特定生理范围内，皮肤色素的影响也不那么明显[3]。综合这些数据可以看出，即使有动脉参考测量数据，相对性能差异也可能受到年龄、生理状态和临床环境的强烈影响。因此，必须强调不能将性能差异视为固定不变的普遍规律。脉搏血氧仪的性能与专有算法、传感器设计和固件紧密相关，而这些因素会随时间发展变化，因此相对优势可能是周期性的而非永久性的。同时，儿科相关数据仍然有限且分散，主要集中在少数几个单中心研究中，这限制了其普遍适用性。实际应用中应针对具体情境来解读脉搏血氧仪的结果，而不能假设其在不同设备或环境中的表现都相同。当氧饱和度值接近临床决策阈值时，临床医生必须考虑患者的生理状况、皮肤色素以及所使用监测仪和传感器的性能特征。儿科文献支持在具体情境下谨慎解读脉搏血氧仪数据，而非依赖品牌间的等同性或单一数值的精确度。

**结论：**
脉搏血氧仪并非适用于所有儿科患者的通用测量工具。在肤色较深的儿童中，系统性地高估SaO?水平会增加隐匿性低氧血症的风险，尤其是对于重症患者和心脏重症监护病房（ICU）的患者。特别是在接近临界阈值时，对SpO?数据进行有偏见的解读对于公平的儿科重症监护至关重要。

**未来研究方向：**
儿科重症监护研究的关键重点包括：
1. 开展包含客观皮肤色素测量的前瞻性儿科研究；
2. 提供针对不同年龄组和临床环境的具体设备准确性报告；
3. 在心脏重症监护病房患者中深入研究，因为该群体的生理复杂性增加了风险；
4. 将考虑偏倚因素的阈值整合到临床决策支持系统中；
5. 评估儿科家庭监测项目，特别是在先天性心脏病和慢性呼吸系统疾病患者中的应用。