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オキシメトリー：原理はあるが理論はない

私はパルスオキシメーターが発明される前の麻酔科学を経験した世代である。青柳卓雄博士がパルスオキシメトリの原理を思い描いていた1973年から1977年まで、私は北米に留学していた。ちょうどミノルタがフィンガータイプの装置を販売し始めた頃であり、私はまだ青柳氏の存在もパルオキシメーターのアイデアも知らなかった。当時、最新の情報を入手することは困難であった。国際通話料金は3分間で8000円もかかった。（現在の5万円もしくは500米ドルに相当する）日本は「日本製 =安くて、出来が悪い」というイメージを払拭し始めたばかりであった。ヒューレット・パッカードの耳に装着する8波長型オキシメーターは、すでに研究室で使用されていた。これは正確だとは思われたが、臨床使用には面倒そうであった。

国際標準化機構の日本小委員会で青柳氏に出会ったのは、帰国してから6年後のことだった。私たちは標準化較正法の確立を試みたが、失敗に終わった。あれから36年間、私は青柳氏から学び、臨床医そして開発者として同じ時代を生きる幸運に恵まれてきた。青柳氏の偉大な発明がどのようにして生まれ発展してきたかを報告すべき責任を感じている。そこで、この機会を活かして、世界中の方々に、日本で着想を得たパルスオキシメーターの発展の経緯と未解決の問題についてお伝えしたい。

パルスオキシメーターは、肌の色、人種、年齢、体型、測定場所、装置の種類を問わず、あらゆる人々に対して使用することが可能である。スイッチを入れるだけで0〜100%の明確な数値が表示され、健康な人には「正確と思われる」数値が表示される。しかし、青柳卓雄氏によると、表示されている数字の根拠は、たまたま正確に見えるようになっているということだ。表示された数値を正しく解釈するためには、測定パラメータの精度と信頼性を見逃さないようにすること、および関連する生理学的および医学的問題を理解することが重要である。

パルスオキシメーターは呼吸ではなく酸素化を測定するが、一般の人々だけでなく、 一部の医療専門家でさえこれを見落としがちである。¹ さまざまな因子による経皮的測定であるが、体の動きがない場合や脈拍が安定している患者の場合は信頼性が高くなる。測定値が極端に低い場合は、患者の臨床症状よりも数値を信じた方がよい場合がある。² 新型コロナウイルスのパンデミックで見られたように、患者は無症状の低酸素症^3,4 を呈する可能性がある。⁵ 青柳卓雄氏は、パルスオキシメーターの測定が一般に普及する前から、パルスオキシメーターの測定に関する理解不足を懸念していた。この懸念に突き動かされて、後年、青柳氏はパルスオキシメトリの理論を確立する研究を実施するようになった。人種的な多様性に乏しい日本では、肌の色が問題になることがなくても、世界の他の地域ではそのような報告が出てくる可能性がある。⁶

パルスオキシメトリ：2つの始まり

パルスオキシメトリの発明は日本で始まり、現在では医学と世界中の一般の人々の両方で使用されている。1974年に2つの特許がほぼ同時に出願されたことは意外と知られていない。日本光電を代表する青柳卓雄氏（1974年3月29日出願）とミノルタを代表する山西昭夫氏（1974年4月24日出願）は、互いに独立してこの考えを思いついた。^7,8 最初に登場した青柳氏の装置は、耳朶で染色濃度計を用いて心拍出量を測定した。彼は、重畳した脈拍雑音を除去する実験中にこの着想を得た。光源は白熱電球、測定点は耳朶であったため、実用的な機器の開発が困難で、プロジェクトは終了した。ただ、この発明は偶然の産物で、会社の主要プロジェクトに沿うものではなかった。

青柳氏がこの発明を責任者に報告し、その責任者を訪問した医師が偶然その話を耳にし、試作の取り組みが始まった。彼らは酸素飽和度の重要性にはあまり関心がなく、主に新しい測定方法に注目していた。青柳氏は、論文が発表されると、それを臨床機器に変えることについての言及はもうないと報告した。しかし青柳氏は、研究を継続し、何年もかけて測定理論を確立した後、約10年の休止期間を経て、日本光電がこの開発を新生させた。日本光電は青柳卓雄氏に研究を最後まで遂行することを許可し、彼は同社の期待に応えた。青柳卓雄氏は、1989年に東京で開催された日本臨床麻酔学会で、彼の発明であるパルスオキシメーターを日本の麻酔科医に初めて紹介した。しかしながら、日本麻酔科学会が青柳氏の社会貢献を表彰したのは2002年になってからであり、青柳氏の名前と日本光電のパルオキシメーターが日本の麻酔科医に知れ渡るようになった。^9,10

一方で、山西昭夫のグループは新しいLED技術を利用して指先プレチスモグラフィーを開発しており、パルスオキシメーターの開発は彼らの主要なプロジェクトの1つであった。彼らは世界初の指先パルスオキシメーターの開発に成功した。吉谷生人氏（当時大阪大学麻酔学教授）と島田靖弘氏（同大学助教授）が関わっていたが、彼らの貢献は分析による精度の改善に限られた。¹¹ ミノルタは、1977年6月に持田製薬を通じて装置（OXIMET 1471）の販売を開始したが、光源としてLEDを使用するのではなく、タングステンと光ファイバーケーブルを組み合わせて使用​​したため、装置は使用可能であったが操作が困難であった。当時のLEDの赤色スペクトルが不十分であった可能性がある。

日本では認識されなかった臨床的意義

1977年に発売されたOXIMET1471パルスオキシメーターは、日本の大学の麻酔科医数名により評価されたようだ。¹² しかし、この装置は研究用の測定装置としては有用であると判断されたものの、臨床用の装置としては普及しなかった。総販売数はわずか200台に過ぎなかった。諏訪邦夫（東京大学麻酔科准教授）は1992年に自らの意志で試用してみたが、^11-13 残念ながら、当時も現在と同じように日本の医療機器産業に官僚主義がはびこり、イノベーションの発展を遅らせていた。

パルスオキシメトリに関する最初の科学会議は、1985年にロンドン郊外のチャートリッジで開催され、日本で最初のパルスオキシメトリに関する国際新生児小児科会議は1987年に東京郊外の箱根で開催された（図1）。

研究測定装置および臨床用モニタリング装置

ミノルタOXIMET-1471初期バージョンでは、患者の指にプローブを装着した直後に酸素化値が約90%から120%まで任意に表示された。^12,13 病床で適切な調整ができるよう、機器にはデジタル数値を調整できるキャリブレーションノブが装備されていた。測定開始時の患者の酸素化に一致するように血液ガス値を設定すると、その後は正しい値が表示される。開発者は、ディスプレイに100%が表示される場合、酸素飽和濃度が本当に100%だと確信できると言うだろう。ディスプレイには、心拍ごとに小数点以下1桁までの非常に具体的な値も表示された（たとえば、95.6%）。しかし実際には、機器を患者の血液ガス値に較正した後に100％以上の数字が表示されることも珍しくなく、臨床医らを困惑させた。それでも、さらに改良を加えれば、モニターとして大きな可能性を秘めた装置であった。

日本における麻酔から集中治療まで：

日本麻酔科学会は、最初の安全ガイドライン（安全な麻酔のためのモニター指針）を作成し、麻酔中のパルスオキシメーターの使用を推奨した。これは、ASAが1986年に米国で最初の麻酔モニタリングガイドラインを発表してから7年後のことであった。¹⁴ 麻酔に従事する医師の半数は、所属機関でパルスオキシメーターを1台も利用することができなかった。国内競争は事実上存在しなかった。麻酔科領域においてパルスオキシメーターに対する関心が急速に高まったが、患者が動かない麻酔時から、回復室、ICU、一般病棟へと使用が拡大されるようになると、身体動作による誤警報にどう対処するかが大きな課題として浮上した。静脈波が脈波に重畳すると、全ての脈動が動脈のものであるというパルスオキシメーターの都合の良い仮定が崩れてしまう。誤警報を減らすために、警報情報の一時的な凍結、データの移動平均時間の延長、心電図との同期中の動脈波形の抽出など、多くの戦略が試みられたが、これらはいずれも根本的な解決策にはならなかった（図2 ）。

体動による誤警報に対する解決策の登場

鈴木康之氏と私は、東京の国立小児病院の小児ICUおよび在宅小児患者の呼吸療法における呼吸モニターの信頼性と誤警報問題を研究していた。¹⁵ また、小児麻酔および小児ICUのアラーム疲労の問題に対処するために、「サウンドオブサイレンス」と呼ばれるプロジェクトを導入し、すべてのアラームが3回以内に消音されるようにした。これにより、パルスオキシメーターと患者から長時間に及ぶ生データと動画録画を取得することができた。これは比較研究ではなく発表しなかったが、日本の小児ICU患者に関するこのデータは、体動、ひいては成人の低灌流に対処する戦略の強化に役立った。^16,17

パルスオキシメトリ：多波長と精度の問題

多波長の理論（5波長）は2008年に提案され、¹⁸ 2015年に青柳氏により提唱されたが、検証活動が長引いたため、製品化されることはなかった。2020年には、人種差（肌の色）による測定差の臨床的意義⁶ の話題が出たが、理論がなく、標準化されたキャリブレーションを使用する数値を比較する方法がなかったため、論議の基になるものがほとんどなかった。ただし、肌の色、人種、成人、乳幼児、体型、測定場所の違いは無視できない。標準化できない（標準化できるのはキャリブレーションしかない）ヒトにおける実測値を使用して、メーカーと装置間、異なるプローブ間などのキャリブレーションを標準化することは不可能である。青柳氏が切り拓いた道は、特にSpO₂値の低い範囲で1〜2%の差を許容していたという行き詰まりを打開し、パルスオキシメトリの基本理論を確立する上で大変意義深いものとなった。

多波長に関する研究

ISOのin vitroキャリブレーション方法¹⁹ は確立されていないが、これは理論が確立されていないと言っているのと同じである。最新ISO規格は、非生理学的レベルの低酸素環境にさらされた健康な成人の採血を使用した実証キャリブレーションを義務付けることになった。したがって、現在利用可能なパルスオキシメーターの精度は、人種、年齢（大人または子供）、個々の装置などの要因による影響を受けることはない。久保田博南氏は、通常の家庭用機器にもこのような複雑なキャリブレーションプロセスを行う必要があるのか疑問を投げかけている。これは非常に複雑な問題である。

青柳卓雄氏は完全な理論の構築に着手し、光散乱法と脈動、および周囲の組織の影響を考慮した多波長シミュレーションモデルでの実験で検証した後、2015年に東京で開催された「循環・酸素化・換気モニター技術の開発と適用（nnovations and Applications of Monitoring Perfusion, Oxygenation and Ventilation, IAMPOV）」会議で彼の研究を発表した（図3）。²⁰ 多波長を使用した彼の研究の主な理由は、精度を向上させることであった。しかし、彼は異常なヘモグロビンなどの要因を調べていなかったため、彼の研究が製品開発につながるほど重要であるとは見なされていなかった可能性がある。

社会におけるパルスオキシメーターの普及と関連する問題

青柳氏は、パルスオキシメーターの普及とともに、パルスオキシメーターの表示数値が理論の裏付けなく独り歩きする可能性を危惧していた。この機器の新型コロナウイルス（COVID-19）に対する大きな有用性の陰には、パルオキシメーターが手術室の患者のみならず、数値の意味を正しく理解していない一般の人々にも使用されるという懸念がある。パルスオキシメーターは電子機器としてはほとんど害を及ぼさないが、数値が誤って解釈されると、重大な害が生じる可能性がある。現時点では、こうした被害からユーザーを保護する制御システムが不十分である。

臨床医は、これらの装置から起こりうる危険を人々に知らせ、表示された数値の解釈方法について教育するのを助けるべきである。パルスオキシメーターの適切な使用が保証されていない現状では、数値が正しく見える限り、人々は機器の性能の良し悪しを判断することができない。危険な状態であったとしても、その数値が「正常」の範囲内であれば誰も問題に気付かないだろう。

数値を正しく理解するためにユーザーを教育する必要があるが、一般の人々に対する適切な教育を要請する規制が曖昧である。機器に添付されるマニュアルには「問題がある場合は医師に相談するように」と記載されているが、素人である一般人には問題の有無を知る手立てがないため、こうした警告は無意味である。したがって、使用者は十分に理解せず装置を信じたままとなり、機器を誤用しても企業も政府も誰も責任を負うことがない。

担当当局は電子製品の安全性に関心があるかもしれないが、表示された数値がどのように解釈されるか、また医療機器の安全性にはそれほど関心がないかもしれない。臨床医が製品検査に関与することはほとんどない。私たちの使命は、機会があればいつでも一般の人々を教育し、医療用機器と非医療用機器が混在している場合は、製品評価に必要な知識を提供することである。

結論

青柳卓雄氏の発明により多くの人々の命が救われ、今後もさらに多くの命が救われるだろう。

青柳卓雄氏は、1974年に初めてパルスオキシメーターの原理を発表した。セッションは、この分野の著名な科学者である戸川達男氏（東京医科歯科大学生体材料工学研究所教授）が議長を務めた。2011年に、戸川氏は、パルスオキシメーターが青柳氏の発表時から想像以上に発展したと述べた。²¹ 多波長を使用したパルスオキシメトリの可能性は多くある。これには、標準的キャリブレーション方法の確立、低灌流または体動時の測定精度の向上、および他の物質や代謝状況の測定が含まれる。また、パルスオキシメーターは、現在、侵襲的に測定されている血糖値など酸素化以外の測定にも拡大することで、パルススペクトロフォトメトリとして機能する可能性もある。²² これは臨床医にとっては簡単なことではないかもしれないが、青柳卓雄氏に続く科学者たちに期待を込めて、この分野での彼の多大な貢献に感謝の意を表したいと思う。

 

宮坂勝之（MD、PhD）は、和洋女子大学学長補佐および聖路加国際大学名誉教授である。

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著者に開示すべき利益相反はない。

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