指先パルスオキシメーターは、COVID-19の重症度を示す重要な指標である動脈血中の酸素濃度をモニターするために、1940年代にミリカンによって発明された。ヨンカー 指先パルスオキシメーターの仕組みを説明します。
生物組織の分光吸収特性：光が生物組織に照射された場合、生物組織が光に及ぼす影響は、吸収、散乱、反射、蛍光の4つに分けられます。散乱を除けば、光が生物組織を通過する距離は主に吸収によって決まります。光が一部の透明物質（固体、液体、気体）を透過すると、特定の周波数成分が標的となって吸収されるため、光の強度が大幅に低下します。これは物質による光の吸収現象です。物質が吸収する光の量を光学密度、つまり吸光度と呼びます。
物質による光吸収の模式図。光伝播の全過程において、物質に吸収される光エネルギー量は、光の強度、光路長、光路断面上の光吸収粒子数の3つの因子に比例します。均質な物質を前提とすると、光路断面上の光吸収粒子数は、単位体積あたりの光吸収粒子数、すなわち物質の光吸収粒子濃度とみなすことができ、ランバート・ビールの法則が得られます。つまり、物質濃度と単位体積あたりの光路長は光学密度と解釈でき、物質の光吸収能力は、物質の光吸収の性質に対応します。つまり、同じ物質の吸収スペクトル曲線の形状は同じであり、吸収ピークの絶対位置は異なる濃度によってのみ変化し、相対位置は変化しません。吸収過程において、物質の吸収はすべて同じ断面の体積内で起こり、吸収物質は互いに無関係であり、蛍光化合物は存在せず、光照射によって媒質の性質が変化する現象もありません。したがって、N個の吸収成分を含む溶液の場合、光学密度は加法性を持ちます。光学密度の加法性は、混合物中の吸収成分の定量測定の理論的根拠となります。
生物組織光学において、600～1300nmのスペクトル領域は通常「生物分光学の窓」と呼ばれ、この帯域の光は多くの既知および未知のスペクトル治療やスペクトル診断にとって特別な意義を持っています。赤外線領域では、水が生物組織の主要な光吸収物質となるため、対象物質の光吸収情報をより適切に取得するために、システムが採用する波長は水の吸収ピークを避ける必要があります。そのため、600～950nmの近赤外線スペクトル領域において、人間の指先組織で光吸収能を持つ主な成分は、血液中の水分、O2Hb（酸化ヘモグロビン）、RHb（還元ヘモグロビン）、末梢皮膚のメラニンなどの組織です。
したがって、発光スペクトルのデータを解析することで、組織中の測定対象成分の濃度に関する有効な情報を得ることができます。つまり、O2HbとRHbの濃度がわかれば、酸素飽和度がわかります。酸素飽和度SpO2は、血液中の酸素と結合した酸化ヘモグロビン（Hb）の体積の割合として、血液中の酸素脈の濃度です。では、なぜパルスオキシメータと呼ばれるのでしょうか？ここに新しい概念があります：血流量脈波。各心拍中に、心臓が収縮すると、大動脈根の血管内の血圧が上昇し、血管壁が拡張します。逆に、心臓が拡張すると、大動脈根の血管内の血圧が低下し、血管壁が収縮します。心拍周期が連続的に繰り返されるにつれて、大動脈根の血管内の血圧の一定した変化が、それに接続された下流の血管、さらには動脈系全体に伝達され、動脈血管壁全体の連続的な拡張と収縮を形成します。つまり、心臓の周期的な鼓動は大動脈に脈波を生み出し、それが血管壁に沿って動脈系全体に波及します。心臓が拡張と収縮するたびに、動脈系内の圧力変化によって周期的な脈波が発生します。これが脈波と呼ばれるものです。脈波は心臓、血圧、血流など、多くの生理学的情報を反映することができ、人体の特定の物理的パラメータを非侵襲的に検出するための重要な情報を提供します。
医学では、脈波は通常、圧脈波と容積脈波の2種類に分けられます。圧脈波は主に血圧の伝達を表し、容積脈波は血流の周期的な変化を表します。圧脈波と比較して、容積脈波は人体の血管や血流など、より重要な心血管情報を含んでいます。典型的な血流量の容積脈波の非侵襲検出は、光電容積脈波追跡によって達成できます。特定の光波を使用して体の測定部分を照射し、ビームは反射または透過後に光電センサーに到達します。受信されたビームは容積脈波の有効な特性情報を運びます。血液量は心臓の拡張と収縮とともに周期的に変化するため、心臓が拡張しているときは血液量が最小で、血液が光を吸収し、センサーは最大光強度を検出します。心臓が収縮しているときは体積が最大で、センサーが検出する光強度は最小です。血流量脈波を直接測定データとして指先の非侵襲検出を行う場合、スペクトル測定部位の選択は以下の原則に従うべきである。
1.血管の静脈をより豊富にし、スペクトル中の全物質情報におけるヘモグロビンやICGなどの有効な情報の割合を向上させる必要がある。
2. 血流量の変化が明らかな特徴を持ち、容積脈波信号を効果的に収集します。
3. 再現性と安定性に優れた人体スペクトルを得るために、組織特性は個人差の影響を受けにくくなります。
4. スペクトル検出が容易で、被験者に受け入れられやすいため、ストレス感情による心拍数の上昇や測定位置の移動などの干渉要因を回避できます。
人間の手のひらの血管分布の模式図 腕の位置は脈波を検出しにくいため、血流量脈波の検出には適していません。手首は橈骨動脈に近く、圧脈波信号が強く、皮膚が機械的振動を起こしやすいため、検出信号が容積脈波に加えて皮膚反射脈波情報も運ぶ可能性があり、血液量変化の特徴を正確に特徴付けることが難しく、測定位置としては適していません。手のひらは一般的な臨床採血部位の1つですが、手のひらの骨は指よりも厚く、拡散反射で集めた手のひら容積の脈波振幅は低くなります。図2-5は手のひらの血管の分布を示しています。図を見ると、指の前部に毛細血管網が豊富に存在し、人体のヘモグロビン含有量を効果的に反映していることがわかります。さらに、この位置は血流量変化の特徴が明らかで、容積脈波の理想的な測定位置です。指の筋肉と骨組織は比較的薄いため、背景干渉情報の影響は比較的小さい。さらに、指先は測定が容易で、被験者に心理的負担がかからず、安定した高信号対雑音比のスペクトル信号を得るのに有利である。人間の指は、骨、爪、皮膚、組織、静脈血、動脈血から構成されている。光との相互作用過程において、指の末梢動脈内の血液量は心拍に合わせて変化し、光路測定結果に変化をもたらす。一方、その他の構成要素は光の全過程において一定である。
特定の波長の光を指先の表皮に照射すると、指は静的物質（光路は一定）と動的物質（光路は物質の体積によって変化する）の2つの部分を含む混合物とみなすことができます。光が指先の組織に吸収されると、透過光は光検出器によって受信されます。センサーによって収集される透過光の強度は、人間の指の様々な組織成分の吸収性により明らかに減衰します。この特性に基づいて、指の光吸収の等価モデルが確立されます。
適した人:
指先パルスオキシメーター子供、大人、高齢者、冠状動脈疾患、高血圧、高脂血症、脳血栓症などの血管疾患の患者、喘息、気管支炎、慢性気管支炎、肺性心疾患などの呼吸器疾患の患者など、あらゆる年齢の人々に適しています。
投稿日時: 2022年6月17日
