パルスオキシメトリー

パルスオキシメトリーは、血中酸素飽和度を非侵襲的に連続測定するのに特に便利です。一方、血中ガス濃度は、採血した血液サンプルを用いて検査室で測定する必要があります。パルスオキシメトリーは、集中治療室、手術室、回復室、救急室、病棟、非加圧航空機のパイロットなど、患者の酸素化が不安定なあらゆる状況で、患者の酸素化を評価し、酸素補給の有効性または必要性を判断するために有用です。パルスオキシメーターは酸素化を監視するために使用されますが、酸素代謝や患者が使用する酸素量を測定することはできません。そのためには、二酸化炭素（CO2 _）濃度も測定する必要があります。また、換気異常の検出にも使用できる可能性があります。ただし、酸素補給を使用している場合は、パルスオキシメーターによる低換気の検出は困難になります。呼吸機能の異常を確実に検出できるのは、患者が室内空気を呼吸している場合のみです。したがって、患者が室内空気中で十分な酸素飽和度を維持できる場合、ルーチンで酸素補給を行うことは不必要である可能性があり、低換気が見過ごされる可能性がある。^{[ 6 ]}

パルスオキシメータは、使い方が簡単で、酸素飽和度を連続的かつ即座に測定できるため、救急医療において非常に重要であり、呼吸器系や心臓系の問題を抱える患者、特にCOPD 患者、あるいは睡眠時無呼吸や低呼吸などの睡眠障害の診断にも非常に役立ちます。^{[ 7 ] [ 8 ]}閉塞性睡眠時無呼吸の患者の場合、睡眠を試みている時間のほとんどでパルスオキシメトリーの測定値は 70～90% の範囲になります。^{[ 9 ]}

携帯型の電池式パルスオキシメーターは、補助酸素が必要な米国では高度10,000フィート（3,000m ）または12,500フィート（3,800m ）以上の非与圧航空機を操縦するパイロットにとって有用です^{[ 10 ]} 。携帯型パルスオキシメーターは、高地や運動時に酸素レベルが低下する可能性のある登山家やアスリートにも有用です。携帯型パルスオキシメーターの中には、患者の血中酸素濃度と脈拍をグラフ化するソフトウェアを採用し、血中酸素濃度をチェックするようリマインダーとして機能するものもあります。  

接続技術の進歩により、患者は病院のモニターにケーブルで接続することなく、ベッドサイドモニターや集中型患者監視システムへの患者データの流れを損なうことなく、血中酸素飽和度を継続的に監視することが可能になった。^{[ 11 ]}

COVID-19患者の場合、パルスオキシメトリーは、患者がまだ見た目も気分も快適であるにもかかわらず、SpO2が危険_{なほど低い}無症候性低酸素症の早期発見に役立ちます。^{[ 5 ]}これは、入院患者でも在宅患者でも発生します。SpO2が低い場合は_、人工呼吸器を必要とする重度のCOVID-19関連肺炎を示している可能性があります。^{[ 12 ]}

パルスオキシメトリーによる連続モニタリングは、ほとんどの患者にとって最大 8 時間まで安全であると考えられています。しかし、特定のタイプの患者では、赤外線 LED から放出される熱により、最大 43 ℃ に達し、長時間使用すると火傷を引き起こす可能性があります。さらに、パルスオキシメータは、この温度を超えて加熱する原因となる電気的故障を時折発生させます。リスクが高い患者には、乳幼児、特に未熟児、高齢者など、皮膚がデリケートまたは脆弱な患者が含まれます。損傷のリスクには、プローブが挿入されている部位の痛みに反応しない（感覚のない四肢など）、意識不明または麻酔下にある、コミュニケーションが困難であるなども含まれます。損傷のリスクが高い患者は、プローブの挿入部位を頻繁に、つまり 1 時間ごとに移動する必要がありますが、リスクが低い患者は 2～4 時間ごとに移動する必要があります。^{[ 13 ]}

パルスオキシメトリーはヘモグロビン飽和度のみを測定し、換気量は測定しないため、呼吸機能の完全な指標ではありません。塩基欠乏、二酸化炭素濃度、血液pH、重炭酸イオン（HCO ₃ ^{− ）濃度を示す情​​報がないため、検査室で検査する}血液ガスの代わりにはなりません。酸素代謝は呼気中のCO _2をモニタリングすることで容易に測定できますが、飽和度からは血液中の酸素含有量に関する情報は得られません。血液中の酸素の大部分はヘモグロビンによって運ばれます。重度の貧血では、血液中のヘモグロビン量が少なくなり、飽和していても酸素を運ぶ量が少なくなります。

パルスオキシメトリーは、循環酸素充足度を完全に測定するものではありません。血流が不十分であったり、血液中のヘモグロビンが不足している場合（貧血）、動脈血酸素飽和度が高くても組織は低酸素状態になる可能性があります。

パルスオキシメトリーは結合ヘモグロビンの割合のみを測定するため、ヘモグロビンが酸素以外の物質と結合すると、実際よりも高い値または低い値が表示されることがあります。

• ヘモグロビンは酸素よりも一酸化炭素に対する親和性が高い。そのため、一酸化炭素中毒の場合、ヘモグロビンの大部分は酸素ではなく一酸化炭素と結合している可能性がある。パルスオキシメーターはヘモグロビンの大部分が結合していると正しく報告するが、それでも患者は低酸素血症、ひいては低酸素症（細胞内酸素レベルの低下）の状態にあることになる。
• シアン化物中毒では、動脈血からの酸素抽出が減少するため、測定値が高くなります。この場合、測定値は誤りではありません。シアン化物中毒の初期段階では、動脈血酸素濃度は実際に高くなります。つまり、患者は低酸素血症ではなく、低酸素状態にあるのです。
• メトヘモグロビン血症の特徴として、パルスオキシメトリーの測定値が80台半ばになる。
• COPD（特に慢性気管支炎）は誤った測定値を引き起こす可能性があります。^{[ 14 ]}

異常ヘモグロビンを連続的に測定できる非侵襲的な方法として、2005年にMasimo社が開発したパルスCOオキシメーターがある。 ^{[ 15 ]}追加の波長を使用することで、^{[ 16 ]}臨床医は総ヘモグロビンに加えて異常ヘモグロビン、カルボキシヘモグロビン、メトヘモグロビンを測定することができる。 ^{[ 17 ]}

パルスオキシメータは健康な被験者向けに校正されているため、重症患者や早産児では精度が低い。^{[ 1 ]}誤って低い値を示す原因としては、モニタリングに使用されている四肢の低灌流（多くの場合、四肢が冷えているか、血管収縮剤の使用による二次的な血管収縮が原因）、センサーの不適切な装着、皮膚の高度な胼胝、または動き（震えなど）、特に低灌流時のものなどが挙げられる。精度を確保するには、センサーが安定した脈拍および/または脈波を返す必要がある。パルスオキシメトリー技術は、動きや低灌流の条件下で正確なデータを提供する能力が異なる。^{[ 18 ] [ 19 ]}肥満、低血圧、および一部のヘモグロビン変異体は、結果の精度を低下させる可能性がある。^{[ 8 ]}家庭用パルスオキシメータの中にはサンプリングレートが低いものがあり、血中酸素濃度の低下を著しく過小評価する可能性がある。^{[ 8 ]} パルスオキシメトリーの精度は、80% 未満の測定値では著しく低下します。^{[ 9 ]}研究では、一般的なパルスオキシメータ機器のエラー率は、肌の色が濃い成人で高くなる可能性があることが示唆されており、米国のような多民族人口を抱える国では、体系的な人種差別が組み込まれているとの主張につながっています。^{[ 20 ] [ 21 ]}このトピックに関する最も初期の研究の 1 つは 1976 年に行われ、肌の色が濃い患者で低い血中酸素飽和度を反映した読み取りエラーが報告されました。^{[ 22 ]}さらに研究によると、肌の色が濃い場合、高い健康な飽和度レベルでは精度は良好ですが、一部の機器は低いレベルで飽和度を過大評価するため、低酸素症が検出されない可能性があります。^{[ 23 ]}パルスオキシメーターの測定値が酸素飽和度92%から96%を示しているにもかかわらず、動脈血ガス測定で酸素飽和度が88%未満であることが判明した潜在性低酸素血症の数千例をレビューした研究では、黒人患者は白人患者に比べて、パルスオキシメーターで低酸素飽和度が見逃される可能性が3倍高いことがわかりました。^{[ 24 ]}別の研究では、COVID-19で入院している患者を調査し、潜在性低酸素血症は黒人患者の28.5%で発生したのに対し、白人患者ではわずか17.2%であったことがわかった。^{[ 25 ]}黒人のCOVID-19患者は、酸素補給を適時に受ける可能性が29%低く、低酸素血症になる可能性が3倍高いことを示す研究がある。^{[ 26 ]}パルスオキシメータの測定値と血液サンプルで検出された酸素飽和レベルの両方を含むMIMIC-IV集中治療データセットを使用した別の研究では、黒人、ヒスパニック、アジア人の患者は、血液サンプルで測定された特定の血液酸素飽和レベルに対して、白人患者よりもSp O _{2の測定値が高かったことが示された。} ^{[ 27 ]}その結果、黒人、ヒスパニック、アジア人の患者は、白人患者よりも酸素補給を受ける割合も低かった。^{[ 27 ]}メラニンは、人の指から測定されることが多い酸素化血液のレベルを測定するために使用される光の吸収を妨げる可能性があると示唆されている。^{[ 27 ]}さらなる研究とコンピュータシミュレーションによると、肌の色が濃い人に多く見られるメラニンの量の増加は、パルスオキシメータで使用される光子を散乱させ、測定の精度を低下させます。デバイスの校正に使用される研究では、通常、肌の色が薄い人を過剰にサンプリングするため、パルスオキシメータのパラメータは、多様な肌の色を考慮して公平にバランスが取れていない情報に基づいて設定されます。^{[ 28 ]}この不正確さにより、治療が必要な人を見逃す可能性があります。パルスオキシメトリーは、睡眠時無呼吸やその他の睡眠呼吸障害のスクリーニングに使用されますが、^{[ 8 ]}これらは米国では少数民族の間でより蔓延している状態です。^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}このバイアスは重大な懸念事項です。2%の低下は、呼吸リハビリテーション、睡眠時無呼吸の研究、および運動を行うアスリートにとって重要であり、患者に深刻な合併症を引き起こし、外部酸素供給や入院が必要になる可能性があります。^{[ 32 ]}

パルスオキシメトリーのバイアスに関するもう1つの懸念は、保険会社や病院システムがこれらの数値を意思決定にますます利用していることです。パルスオキシメトリーの測定値は、償還対象者を特定するために使用されます。^{[ 33 ]}同様に、パルスオキシメトリーのデータは、臨床医向けのアルゴリズムに組み込まれています。患者の臨床状態を分析し、必要に応じて臨床医に警告するための記録を提供する早期警告スコアは、パルスオキシメトリー情報を含むアルゴリズムを組み込んでおり、誤った患者記録につながる可能性があります。^{[ 33 ]}

一般的なパルスオキシメータは、電子プロセッサと、患者の体の半透明部分（通常は指先または耳たぶ）を通してフォトダイオードに面する一対の小型発光ダイオード（LED）を使用します。一方のLEDは波長660 nmの赤色で、もう一方は波長940 nmの赤外線です。これらの波長における光の吸収は、酸素を多く含んだ血液と酸素を欠乏した血液で大きく異なります。酸素化ヘモグロビンはより多くの赤外線を吸収し、より多くの赤色光を透過させます。脱酸素化ヘモグロビンはより多くの赤外線を透過させ、より多くの赤色光を吸収します。LEDは、1秒間に約30回、片方を点灯、次に他方を点灯、そして両方とも消灯というサイクルを繰り返します。これにより、フォトダイオードは赤色光と赤外線に個別に反応し、周囲の光のベースラインも調整できます。^{[ 39 ]}  

透過した光量（つまり、吸収されなかった光量）が測定され、各波長ごとに正規化された信号が個別に生成されます。これらの信号は、存在する動脈血の量が心拍ごとに増加する（文字通り脈打つ）ため、時間とともに変動します。各波長の透過光から最小透過光を差し引くことで、他の組織の影響が補正され、脈動する動脈血の連続信号が生成されます。^{[ 40 ]}次に、プロセッサによって赤色光測定値と赤外線測定値の比率が計算され（これは酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの比率を表します）、この比率は、Beer-Lambertの法則^{[ 39 ]}に基づくルックアップテーブル^{[ 40 ]}を介してプロセッサによってSp O ₂に変換されます。Beer -Lambertの法則は、ヘモグロビンの濃度と光が進む距離が光の吸収に比例することも示しています。この原理は、この装置のモデルとなったUV-Vis分光法でよく用いられます。信号分離は他の目的にも役立ちます。脈動信号を表す容積脈波（「脈波」）は、脈動と信号品質を視覚的に示すために通常表示され、^{[ 4 ]}脈動吸光度とベースライン吸光度の数値比（「灌流指数」）を使用して灌流を評価することができます。^{[ 41 ]}

$${\displaystyle {\ce {SpO2}}={\frac {{\ce {HbO2}}}{{\ce {{HbO2}+Hb}}}}}$$

ここで、HbO ₂は酸素化ヘモグロビン（オキシヘモグロビン）であり、Hb は脱酸素化ヘモグロビンである。

皮膚の血流量の変化により、オキシメータのセンサーが受信する光信号（透過率）に容積脈波の変化が見られます。この変化は周期関数として記述でき、さらに直流成分（ピーク値）^{[ a ]}と交流成分（ピークマイナストラフ）^{[ 42 ]}に分解できます。交流成分と直流成分の比率をパーセントで表したものが、脈拍の（末梢）灌流指数（Pi）として知られており、通常0.02%から20%の範囲です。^{[ 43 ]}以前のパルスオキシメトリー容積脈波（POP）と呼ばれる測定では、 「交流」成分のみを測定し、モニターのピクセルから手動で導出されます。^{[ 41 ] [ 44 ]}

脈波変動指数（PVI）は、呼吸サイクル中に発生する灌流指数の変動の尺度です。数学的には、（Pi _max − Pi _min）/Pi _max × 100%として計算され、最大および最小の Pi 値は 1 つまたは複数の呼吸サイクルから得られます。^{[ 42 ]}これは、輸液管理を受けている患者の持続的な輸液反応性の有用な非侵襲的指標であることが示されています。^{[ 41 ]}パルスオキシメトリー容積脈波振幅（ΔPOP）は、手動で導出された POP に使用する類似の以前の手法であり、（POP _max − POP _min）/（POP _max + POP _min）×2として計算されます。^{[ 44 ]}