光電式容積脈波

光電式容積脈波記録法
光電式容積脈波記録法
	耳式パルスオキシメータから取得した代表的な PPG。振幅の変動は呼吸誘発性変動によるものです。
メッシュ	D017156

光電式容積脈波（PPG）は、組織の微小血管床における血液量の変化を検出するために使用できる光学的に得られる容積脈波である。 ^[1]^{[2] PPGは、}皮膚を照らして光吸収の変化を測定するパルスオキシメータを使用して得られることが多い。 ^[3]従来のパルスオキシメータは、皮膚の真皮と皮下組織への血液の灌流を監視する。

心臓は心拍ごとに末梢に血液を送り出します。この圧力脈動は皮膚に到達するまでに多少減衰しますが、皮下組織の動脈と細動脈を拡張させるには十分です。パルスオキシメーターを皮膚を圧迫せずに装着すると、静脈叢からの圧力脈動も小さな二次ピークとして確認できます。

圧力脈動による容積の変化は、発光ダイオード（LED）の光で皮膚を照らし、フォトダイオードに透過または反射された光の量を測定することによって検出されます。^{[4]図に示すように、各心拍周期はピークとして表示されます。皮膚への血流は他の複数の生理学的システムによって調整されるため、PPGは呼吸、}血液量減少、およびその他の循環状態の監視にも使用できます。^[5]さらに、PPG波形の形状は被験者ごとに異なり、パルスオキシメータが取り付けられている場所と方法によって異なります。

PPGセンサーは多くの商業および臨床アプリケーションで一般的に使用されていますが、PPG波形の形状を決定する正確なメカニズムはまだ完全には解明されていません。^[6]

PPGを測定する場所

パルスオキシメータは一般的に使用されている医療機器ですが、記録されたPPG信号が表示されることはほとんどなく、名目上は血液の酸素化と心拍数を決定するためだけに処理されます。^[2] PPGは透過吸収（指先など）または反射（額など）から取得できます。^[2]

外来診療では、パルスオキシメータは指に装着するのが一般的です。しかし、ショックや低体温などの場合には、末梢への血流が減少し、心拍が識別できないPPGとなることがあります。^[7] この場合、PPGは頭部に装着したパルスオキシメータから取得できます。最も一般的な部位は、耳、鼻中隔、額です。PPGは、マルチサイト光電式容積脈波記録法（MPPG）用に構成することもできます。たとえば、左右の耳たぶ、人差し指、親指から同時に測定することで、末梢動脈疾患、自律神経機能障害、内皮機能障害、動脈硬化が疑われる患者の評価をさらに行うことができます。MPPGは、ディープラーニングなどのデータマイニングや、その他のさまざまな革新的な脈波解析技術にも大きな可能性を秘めています。^[8]^[9]^[10]^[11]

運動アーティファクトは、運動中や自由な生活環境での正確な測定を妨げる制限要因となることが多い。^[6]

用途

心拍数と心拍周期のモニタリング

皮膚は血液が豊富に灌流されているため、心拍周期の脈動成分を検出するのは比較的簡単です。信号の DC 成分は皮膚組織のバルク吸収に起因し、AC 成分は心拍周期の圧力脈動によって生じる皮膚の血液量の変化に直接起因します。

光電式容積脈波のAC成分の高さは、動脈の収縮期血圧と拡張期血圧の差である脈圧に比例します。心室性期外収縮（PVC）を示す図に見られるように、PVCを伴う心拍周期のPPGパルスは、低振幅血圧とPPGをもたらします。心室頻拍と心室細動も検出できます。^[12]

呼吸のモニタリング

末梢血管拡張薬であるニトロプルシドナトリウム（ニプリド）が鎮静された被験者の指PPGに及ぼす影響。予想通り、PPGの振幅は注入後に増加し、さらに呼吸誘発性変動（RIV）も増強される。 ^[13]

呼吸は、胸腔内圧、つまり胸壁と肺の間の圧力を変化させることで、心臓の周期に影響を与えます。心臓は肺の間の胸腔内にあるため、吸入と呼気の部分圧は、大静脈への圧力と右心房の充満に大きく影響します。

吸気時には胸腔内圧が最大4mmHg低下し、右心房が膨張して大静脈からの血液充填が速くなり、心室前負荷が増加しますが、拍出量は減少します。逆に呼気時には心臓が圧縮され、心臓効率が低下し、拍出量は増加します。呼吸の頻度と深さが増加すると、静脈還流が増加し、心拍出量が増加します。^[14]

多くの研究は、光電式容積脈波から呼吸数を推定することに焦点を当てており^[15]、また吸気時間などのより詳細な呼吸測定にも焦点を当てています^{[16] 。}

麻酔深度のモニタリング

全身麻酔下の被験者に対する切開が光電式容積脈波計 (PPG) と血圧 (BP) に与える影響。

麻酔科医は、患者が手術に十分な麻酔を受けているかどうかを主観的に判断しなければならないことがよくあります。図に示すように、患者が十分に麻酔されていない場合、切開に対する交感神経系の反応により、PPGの振幅に即時の反応が生じる可能性があります。^[13]

低血量と高血量を監視する

シャミール、アイデルマンらは、手術前の血液貯蔵のために患者の血液量の10%を除去することと吸気との相互作用を研究した。^[17]彼らは、パルスオキシメーターの光電脈波と動脈カテーテルの両方から失血を検出できることを発見した。心臓が圧迫されているときの呼気中の心臓前負荷の減少により、患者は心拍振幅の減少を示した。

血圧のモニタリング

FDAは2019年8月に光電式容積脈波記録法に基づくカフレス血圧計の承認を与えたと伝えられている。^[18]

遠隔光電式容積脈波記録

従来の画像診断

光電式容積脈波記録法は、一般的に人間の皮膚（耳、指など）との何らかの接触を必要としますが、遠隔光電式容積脈波記録法では、血流などの生理学的プロセスを皮膚に接触させずに測定することができます。これは、顔のビデオを使用して、人間の目には検出できない被験者の皮膚色の微妙な瞬間的変化を分析することによって実現されます。^[19]^[20]このようなカメラベースの血中酸素濃度測定は、従来の光電式容積脈波記録法に代わる非接触型の代替手段となります。たとえば、新生児の心拍数を監視したり、^[21] ディープニューラルネットワークで分析してストレスレベルを定量化したりすることができます。^[11]

デジタルホログラフィー

遠隔光電式容積脈波記録法は、光波の位相に敏感なデジタルホログラフィーによって実行することもできるため、サブミクロンの面外運動を明らかにすることができる。特に、血流によって引き起こされる脈動運動の広視野画像は、デジタルホログラフィーによって親指で測定することができる。その結果は、閉塞再灌流実験中に容積脈波記録法によって監視される血液脈拍に匹敵する。^{[22]このシステムの主な利点は、研究対象の組織表面領域との物理的な接触が不要なことである。このアプローチの2つの主な制限は、(i)}センサーアレイの利用可能な空間帯域幅を減少させる軸外干渉構成、および(ii)生理学的信号を除去する短時間フーリエ変換（離散フーリエ変換経由）分析の使用である。

1秒あたり約1000フレーム以上の速度で取得されたデジタル化された干渉縞から再構成されたデジタルホログラム^[23]の主成分分析により、手の表面波が明らかになりました。この方法は、軸上の干渉縞からデジタルホログラフィーを実行する効率的な方法であり、軸外構成の空間帯域幅の減少と生理学的信号のフィルタリングの両方を軽減します。空間帯域幅が大きいほど、画像の視野が広くなります。

ホログラフィック光電式容積脈波記録法の改良法であるホログラフィックレーザードップラーイメージングは、網膜、脈絡膜、結膜、虹彩の血管における非侵襲的な血流脈波モニタリングを可能にする。^[24] 特に、眼底のレーザードップラーホログラフィーでは、脈絡膜が高周波レーザードップラー信号に主に寄与する。しかし、空間的に平均化されたベースライン信号を減算することでその影響を回避し、脈動血流の高時間分解能とフルフィールドイメージング機能を実現することが可能である。

参照

参考文献

^ Allen J (2007 年 3 月). 「光電式容積脈波記録法と臨床生理学的測定への応用」.生理学的測定. 28 (3): R1–39. doi :10.1088/0967-3334/28/3/R01. PMID 17322588. S2CID 11450080.
^ abc Kyriacou PA、Allen J、編（2021）。光電式容積脈波記録法：技術、信号解析および応用。エルゼビア。
^ Shelley K、Shelley S、Lake C (2001)。「パルスオキシメータ波形: 光電式容積脈波記録法」。Lake C、Hines R、Blitt C (編)。臨床モニタリング。WB Saunders Company。pp. 420–428。
^ Pelaez EA、 Villegas ER (2007)。「携帯型パルスオキシメトリーにおける LED 電力削減のトレードオフ」。2007年 29 回 IEEE 医学生物学工学国際会議。第 2007 巻。pp. 2296–2299。doi :10.1109/ IEMBS.2007.4352784。ISBN 978-1-4244-0787-3. PMID 18002450. S2CID 34626885.
^ Reisner A, Shaltis PA, McCombie D, Asada HH (2008年5月). 「循環モニタリングにおける光電式容積脈波の有用性」.麻酔学. 108 (5): 950–958. doi : 10.1097/ALN.0b013e31816c89e1 . PMID 18431132.
^ ab Charlton PH、Kyriaco PA、Mant J、Marozas V、Chowienczyk P、Alastruey J（2022年3月）。「心血管モニタリングのためのウェアラブル光電式容積脈波記録法」。IEEE 紀要。電気電子学会誌。110 （3）：355–381。doi ： 10.1109/JPROC.2022.3149785。PMC 7612541。PMID 35356509。
^ Budidha K、Kyriacou PA (2015)。「人工的に誘発された低体温条件下での外耳道と指からの光電脈波記録と動脈血酸素飽和度の調査」(PDF)。2015年37 回 IEEE 医学生物学工学協会 (EMBC) 年次国際会議。第 2015 巻。pp. 7954–7957。doi : 10.1109/EMBC.2015.7320237。ISBN 978-1-4244-9271-8. PMID 26738137. S2CID 4574235.
^ Allen J、Overbeck K、Nath AF、Murray A、Stansby G (2008 年 4 月)。「下肢末梢動脈疾患の検出と定量化のための両側光電式容積脈波記録法と足首上腕血圧指数の前向き比較」。Journal of Vascular Surgery。47 ( 4 ): 794–802。doi : 10.1016/j.jvs.2007.11.057。PMID 18381141。
^ McKay ND、Griffiths B、Di Maria C、Hedley S、Murray A、Allen J（2014年10月）。「レイノー現象および全身性硬化症患者における新しい光電式容積脈波記録法による心血管評価：パイロットスタディ」。リウマチ学。53（10）：1855–1863。doi ：10.1093/rheumatology/keu196。PMID 24850874 。
^ Mizeva I、Di Maria C、Frick P 、 Podtaev S、Allen J (2015 年 3 月)。「光電式容積脈波記録法とレーザードップラー血流測定法による微小血管低周波振動の相関関係の定量化」。Journal of Biomedical Optics。20 ( 3): 037007。Bibcode : 2015JBO....20c7007M。doi : 10.1117 / 1.JBO.20.3.037007。PMID 25764202。S2CID 206437523 。
^ ab Al-Jebrni AH、Chwyl B、Wang XY、Wong A、Saab BJ (2020-05-01)。「AI を利用した大規模なストレスのリモートおよび客観的定量化」。生物医学信号処理および制御。59 : 101929。doi : 10.1016 / j.bspc.2020.101929。ISSN 1746-8094。
^ Alian AA、Shelley KH (2014年12月)。「光電式容積脈波記録法」。ベストプラクティスと研究。臨床麻酔学。28 ( 4): 395–406。doi :10.1016/ j.bpa.2014.08.006。PMID 25480769 。
^ ab Shelley KH (2007 年 12 月). 「光電式容積脈波記録法: 動脈血酸素飽和度と心拍数の計算を超えて」.麻酔と鎮痛. 105 (6 補足): S31–S36. doi : 10.1213/01.ane.0000269512.82836.c9 . PMID 18048895. S2CID 21556782.
^ Shelley KH、Jablonka DH、Awad AA 、 Stout RG、Rezkanna H、Silverman DG (2006 年 8 月)。「パルスオキシメータの波形に対する換気の影響を測定するのに最適な部位はどこですか?」麻酔と鎮痛。103 (2) : 372–7、目次。doi : 10.1213 /01.ane.0000222477.67637.17。PMID 16861419。S2CID 6926327 。
^ Charlton PH、Birrenkott DA、Bonnici T、Pimentel MA、Johnson AE、Alastruey J、他 (2018)。「心電図と光電式容積脈波からの呼吸数推定：レビュー」。IEEE バイオメディカルエンジニアリングレビュー。11 : 2–20。doi : 10.1109 /RBME.2017.2763681。PMC 7612521。PMID 29990026。
^ Davies HJ、Bachtiger P、Williams I、 Molyneaux PL、Peters NS、Mandic DP（2022年7月）。「ウェアラブルインイヤーPPG：詳細な呼吸変動によりCOPDの分類が可能に」。IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering。69（7）：2390–2400。doi ：10.1109/TBME.2022.3145688。hdl ： 10044 /1 / 96220。PMID 35077352。S2CID 246287257 。
^ Shamir M、Eidelman LA、Floman Y、Kaplan L 、Pizov R (1999 年 2 月)。「血液量の変化時のパルスオキシメトリープレチスモグラフィー波形」。British Journal of Anaesthesia。82 (2): 178–81。doi : 10.1093/bja/82.2.178。PMID 10364990。
^ Wendling P (2019年8月28日). 「FDAがBiobeatのカフレス血圧モニターを承認」 Medscape . 2019年9月5日閲覧。
^ Verkruysse W 、Svaasand LO、Nelson JS (2008 年 12 月)。「周囲光を使用したリモートプレチスモグラフィーイメージング」。Optics Express。16 ( 26): 21434–21445。Bibcode :2008OExpr..1621434V。doi : 10.1364 /OE.16.021434。PMC 2717852。PMID 19104573。
^ Rouast PV、Adam MT、Chiong R、Cornforth D、Lux E (2018)。「低コストのRGB顔ビデオを使用した遠隔心拍数測定：技術文献レビュー」。Frontiers of Computer Science。12 (5): 858–872。doi : 10.1007 /s11704-016-6243-6。S2CID 1483621 。
^ 非接触型モニタリングの実際の例。YouTube。2021年12月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。
^ Bencteux J、Pagnoux P、Kostas T、Bayat S 、 Atlan M (2015 年 6 月)。「脈動血流のホログラフィックレーザードップラー画像化」。Journal of Biomedical Optics。20 ( 6 ): 066006。arXiv : 1501.05776。Bibcode : 2015JBO....20f6006B。doi : 10.1117/1.JBO.20.6.066006。PMID 26085180。S2CID 20234484。
^ Puyo L、Bellonnet-Mottet L、Martin A、Te F、Paques M、Atlan M (2020)。「主成分分析による網膜のリアルタイムデジタルホログラフィー」。arXiv ： 2004.00923 [ physics.med-ph]。
^ Puyo L、Paques M、Fink M、Sahel JA 、 Atlan M (2018 年 9 月)。「ヒト網膜の生体内レーザードップラーホログラフィー」。Biomedical Optics Express。9 ( 9 ) : 4113–4129。arXiv : 1804.10066。doi : 10.1364 / BOE.9.004113。PMC 6157768。PMID 30615709。

[Allen-1] Allen J (2007 年 3 月). 「光電式容積脈波記録法と臨床生理学的測定への応用」.生理学的測定. 28 (3): R1–39. doi :10.1088/0967-3334/28/3/R01. PMID 17322588. S2CID 11450080.

[Kyriacou-2] Kyriacou PA、Allen J、編（2021）。光電式容積脈波記録法：技術、信号解析および応用。エルゼビア。

[Shelley-3] Shelley K、Shelley S、Lake C (2001)。「パルスオキシメータ波形: 光電式容積脈波記録法」。Lake C、Hines R、Blitt C (編)。臨床モニタリング。WB Saunders Company。pp. 420–428。

[Aguilar-4] ^ Pelaez EA、 Villegas ER (2007)。「携帯型パルスオキシメトリーにおける LED 電力削減のトレードオフ」。2007年 29 回 IEEE 医学生物学工学国際会議。第 2007 巻。pp. 2296–2299。doi :10.1109/ IEMBS.2007.4352784。ISBN 978-1-4244-0787-3. PMID 18002450. S2CID 34626885.

[5] Reisner A, Shaltis PA, McCombie D, Asada HH (2008年5月). 「循環モニタリングにおける光電式容積脈波の有用性」.麻酔学. 108 (5): 950–958. doi : 10.1097/ALN.0b013e31816c89e1 . PMID 18431132.

[Charlton-2022-6] Charlton PH、Kyriaco PA、Mant J、Marozas V、Chowienczyk P、Alastruey J（2022年3月）。「心血管モニタリングのためのウェアラブル光電式容積脈波記録法」。IEEE 紀要。電気電子学会誌。110 （3）：355–381。doi ： 10.1109/JPROC.2022.3149785。PMC 7612541。PMID 35356509。

[7] Budidha K、Kyriacou PA (2015)。「人工的に誘発された低体温条件下での外耳道と指からの光電脈波記録と動脈血酸素飽和度の調査」(PDF)。2015年37 回 IEEE 医学生物学工学協会 (EMBC) 年次国際会議。第 2015 巻。pp. 7954–7957。doi : 10.1109/EMBC.2015.7320237。ISBN 978-1-4244-9271-8. PMID 26738137. S2CID 4574235.

[8] Allen J、Overbeck K、Nath AF、Murray A、Stansby G (2008 年 4 月)。「下肢末梢動脈疾患の検出と定量化のための両側光電式容積脈波記録法と足首上腕血圧指数の前向き比較」。Journal of Vascular Surgery。47 ( 4 ): 794–802。doi : 10.1016/j.jvs.2007.11.057。PMID 18381141。

[9] McKay ND、Griffiths B、Di Maria C、Hedley S、Murray A、Allen J（2014年10月）。「レイノー現象および全身性硬化症患者における新しい光電式容積脈波記録法による心血管評価：パイロットスタディ」。リウマチ学。53（10）：1855–1863。doi ：10.1093/rheumatology/keu196。PMID 24850874 。

[10] ^ Mizeva I、Di Maria C、Frick P 、 Podtaev S、Allen J (2015 年 3 月)。「光電式容積脈波記録法とレーザードップラー血流測定法による微小血管低周波振動の相関関係の定量化」。Journal of Biomedical Optics。20 ( 3): 037007。Bibcode : 2015JBO....20c7007M。doi : 10.1117 / 1.JBO.20.3.037007。PMID 25764202。S2CID 206437523 。

[Abdulrhman_H_2020-11] Al-Jebrni AH、Chwyl B、Wang XY、Wong A、Saab BJ (2020-05-01)。「AI を利用した大規模なストレスのリモートおよび客観的定量化」。生物医学信号処理および制御。59 : 101929。doi : 10.1016 / j.bspc.2020.101929。ISSN 1746-8094。

[pmid25480769-12] Alian AA、Shelley KH (2014年12月)。「光電式容積脈波記録法」。ベストプラクティスと研究。臨床麻酔学。28 ( 4): 395–406。doi :10.1016/ j.bpa.2014.08.006。PMID 25480769 。

[pmid18048895-13] Shelley KH (2007 年 12 月). 「光電式容積脈波記録法: 動脈血酸素飽和度と心拍数の計算を超えて」.麻酔と鎮痛. 105 (6 補足): S31–S36. doi : 10.1213/01.ane.0000269512.82836.c9 . PMID 18048895. S2CID 21556782.

[14] ^ Shelley KH、Jablonka DH、Awad AA 、 Stout RG、Rezkanna H、Silverman DG (2006 年 8 月)。「パルスオキシメータの波形に対する換気の影響を測定するのに最適な部位はどこですか?」麻酔と鎮痛。103 (2) : 372–7、目次。doi : 10.1213 /01.ane.0000222477.67637.17。PMID 16861419。S2CID 6926327 。

[15] ^ Charlton PH、Birrenkott DA、Bonnici T、Pimentel MA、Johnson AE、Alastruey J、他 (2018)。「心電図と光電式容積脈波からの呼吸数推定：レビュー」。IEEE バイオメディカルエンジニアリングレビュー。11 : 2–20。doi : 10.1109 /RBME.2017.2763681。PMC 7612521。PMID 29990026。

[16] ^ Davies HJ、Bachtiger P、Williams I、 Molyneaux PL、Peters NS、Mandic DP（2022年7月）。「ウェアラブルインイヤーPPG：詳細な呼吸変動によりCOPDの分類が可能に」。IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering。69（7）：2390–2400。doi ：10.1109/TBME.2022.3145688。hdl ： 10044 /1 / 96220。PMID 35077352。S2CID 246287257 。

[pmid10364990-17] ^ Shamir M、Eidelman LA、Floman Y、Kaplan L 、Pizov R (1999 年 2 月)。「血液量の変化時のパルスオキシメトリープレチスモグラフィー波形」。British Journal of Anaesthesia。82 (2): 178–81。doi : 10.1093/bja/82.2.178。PMID 10364990。

[18] Wendling P (2019年8月28日). 「FDAがBiobeatのカフレス血圧モニターを承認」 Medscape . 2019年9月5日閲覧。

[19] ^ Verkruysse W 、Svaasand LO、Nelson JS (2008 年 12 月)。「周囲光を使用したリモートプレチスモグラフィーイメージング」。Optics Express。16 ( 26): 21434–21445。Bibcode :2008OExpr..1621434V。doi : 10.1364 /OE.16.021434。PMC 2717852。PMID 19104573。

[20] Rouast PV、Adam MT、Chiong R、Cornforth D、Lux E (2018)。「低コストのRGB顔ビデオを使用した遠隔心拍数測定：技術文献レビュー」。Frontiers of Computer Science。12 (5): 858–872。doi : 10.1007 /s11704-016-6243-6。S2CID 1483621 。

[21] 非接触型モニタリングの実際の例。YouTube。2021年12月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。

[22] ^ Bencteux J、Pagnoux P、Kostas T、Bayat S 、 Atlan M (2015 年 6 月)。「脈動血流のホログラフィックレーザードップラー画像化」。Journal of Biomedical Optics。20 ( 6 ): 066006。arXiv : 1501.05776。Bibcode : 2015JBO....20f6006B。doi : 10.1117/1.JBO.20.6.066006。PMID 26085180。S2CID 20234484。

[23] Puyo L、Bellonnet-Mottet L、Martin A、Te F、Paques M、Atlan M (2020)。「主成分分析による網膜のリアルタイムデジタルホログラフィー」。arXiv ： 2004.00923 [ physics.med-ph]。

[24] ^ Puyo L、Paques M、Fink M、Sahel JA 、 Atlan M (2018 年 9 月)。「ヒト網膜の生体内レーザードップラーホログラフィー」。Biomedical Optics Express。9 ( 9 ) : 4113–4129。arXiv : 1804.10066。doi : 10.1364 / BOE.9.004113。PMC 6157768。PMID 30615709。