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測定するために、1940年代にミリカンによって発明された。ヨンカー では、指先パルスオキシメーターの仕組みについて説明しますか？
生体組織のスペクトル吸収特性：生体組織に光が照射されると、生体組織が光に及ぼす影響は、吸収、散乱、反射、蛍光の4つのカテゴリーに分類できます。散乱を除けば、光が生体組織を通過する距離は主に吸収によって決まります。光が透明な物質（固体、液体、気体）を透過すると、特定の周波数成分が吸収されるため、光の強度が著しく低下します。これが物質による光の吸収現象です。物質がどれだけの光を吸収するかを、その物質の光学密度、または吸光度と呼びます。
物質による光吸収の概略図は、光伝搬の全過程において、物質が吸収する光エネルギーの量は、光強度、光路距離、光路の断面上の光吸収粒子の数の 3 つの要因に比例します。均質な物質を前提として、光路断面上の光吸収粒子の数は、単位体積あたりの光吸収粒子、すなわち物質の吸光粒子濃度とみなすことができ、ランバート・ベールの法則が得られます。これは、単位体積あたりの光密度の物質濃度と光路長として解釈でき、物質の吸光能力は物質の吸光の性質に反応します。言い換えれば、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濃度の違いによってのみ変化しますが、相対位置は変わりません。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発生し、吸収物質は互いに無関係であり、蛍光化合物は存在せず、光放射による媒体の特性の変化現象はありません。したがって、N個の吸収成分を含む溶液の場合、吸光度は加算性を示す。吸光度の加算性は、混合物中の吸収成分を定量的に測定するための理論的根拠となる。
生体組織光学において、600～1300nmのスペクトル領域は一般的に「生体分光法の窓」と呼ばれ、この帯域の光は、既知および未知の多くのスペクトル療法やスペクトル診断において特別な意味を持つ。赤外線領域では、水が生体組織における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良く得るためには、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る。したがって、600～950nmの近赤外線スペクトル範囲では、光吸収能力を持つヒト指先組織の主な成分は、血液中の水、O2Hb（酸素化ヘモグロビン）、RHb（還元ヘモグロビン）、末梢皮膚メラニンなどの組織である。
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の濃度が分かれば、酸素飽和度が分かるのです。酸素飽和度 SpO2酸素結合酸素化ヘモグロビン (HbO2) の血液中の体積の割合を総結合ヘモグロビン (Hb) の割合で表したもので、血液中の酸素濃度です。では、なぜパルスオキシメータと呼ばれるのでしょうか? ここで新しい概念があります: 血流量脈波。心臓の各サイクル中、心臓の収縮により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、心臓の拡張により大動脈根の血管内の血圧が低下し、血管壁が収縮します。心臓サイクルが連続的に繰り返されると、大動脈根の血管内の血圧の絶え間ない変化が、それに接続されている下流の血管、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が形成されます。つまり、心臓の周期的な拍動によって大動脈に脈波が発生し、それが動脈系全体の血管壁に沿って波紋のように伝播します。心臓が拡張・収縮するたびに、動脈系の圧力変化によって周期的な脈波が生じます。これが脈波と呼ばれるものです。脈波は、心拍数、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。
医学において、脈波は通常、圧力脈波と容積脈波の2種類に分類されます。圧力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。圧力脈波と比較して、容積脈波は人間の血管や血流など、より重要な心血管情報を含んでいます。典型的な血流容積脈波の非侵襲的検出は、光電容積脈波追跡によって実現できます。特定の波長の光を用いて身体の測定部位を照射し、反射または透過後に光電センサーに到達させます。受信された光は、容積脈波の有効な特性情報を伝達します。血液量は心臓の拡張と収縮に伴って周期的に変化するため、心臓拡張期には血液量が最小となり、血液による光の吸収が抑制され、センサーは最大の光強度を検出します。心臓収縮期には血液量が最大となり、センサーが検出する光強度は最小となります。血流容積脈波を直接測定データとして用いる指先の非侵襲的検出においては、スペクトル測定部位の選択は以下の原則に従う必要があります。
1. 血管の静脈をより多く含め、スペクトル中の全物質情報におけるヘモグロビンやICGなどの有効情報の割合を向上させる必要がある。
2. 血流量の変化を効果的に捉え、容積脈波信号を収集する明確な特性を備えている。
3. 再現性と安定性に優れたヒトスペクトルを得るためには、組織特性が個人差の影響を受けにくいことが重要です。
4. スペクトル検出が容易であり、被験者にも受け入れられやすいため、ストレス感情による心拍数の増加や測定位置の動き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。腕の位置では脈波をほとんど検出できないため、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、圧力脈波信号が強く、皮膚が機械的振動を起こしやすいため、検出信号に体積脈波に加えて皮膚反射脈波情報も含まれる可能性があり、血流量変化の特性を正確に特徴付けることが難しく、測定位置として適していません。手のひらは一般的な臨床採血部位の1つですが、骨が指よりも厚く、拡散反射によって収集された手のひらの体積脈波振幅は低くなります。図2-5は手のひらの血管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あり、人体のヘモグロビン含有量を効果的に反映できることがわかります。さらに、この位置は血流量変化の明確な特性があり、体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です。さらに、指先は測定が容易で、被験者に心理的な負担がかからないため、安定した高信号対雑音比のスペクトル信号を得るのに適しています。人間の指は、骨、爪、皮膚、組織、静脈血、動脈血で構成されています。光との相互作用の過程で、指の末梢動脈の血流量は心拍とともに変化し、その結果、光路測定値が変化します。一方、その他の構成要素は、光の全過程において一定です。
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（光路が一定）と動的物質（光路が物質の体積に応じて変化する）の2つの部分からなる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、透過光が光検出器によって検出されます。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って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構築されます。
適任者：
指先パルスオキシメーター子供、大人、高齢者、冠状動脈性心疾患、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、あらゆる年齢層の人々に適しています。
投稿日時：2022年6月17日
