生体計測学概論 1
Biometrics
bio ： 生体の metrics : 計測、測定
人体の情報を測定する医用機器の種類と原理、および診断法の概要を学ぶ。

北大病院 核医学診療科
北大保健科学研究院
加藤千恵次

講義予定
１．ME、測定基礎、単位、血圧計
２．心電計、脳波計、筋電計
３．超音波
４．眼底検査５．CT
６．MRI、核医学検査（PET）

医用機器（ME：Medical Engineering）に関係する資格があります。
第２種ME技術実力検定試験

第２種ME技術実力検定試験 （２種ME）
誰でも受験できる。合格率３０％。
詳細はホームページで確認を。

受験資格はない。試験は毎年９月。
学会認定資格（日本生体医工学会）。
学会認定資格（日本生体医工学会）
国家資格ではないが、就職に有利。
（特に病院以外の企業を希望する場合）
医用機器の仕組み、臨床的使用方などに習熟した人材として認められる。

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臨床工学技士 （CE： Clinical Engineer）
国家資格。手術室の人工心肺などの操作や透析装置の操作などを行う。

手術室で人工心肺を操作中の臨床工学技士。
業務内容の詳細は、映画「チーム バチスタの栄光」を見て下さい。

受験資格は、４年制大学の臨床工学技士専門コ ス修了者、または、士専門コース修了者、または、医療資格取得（予定）者（看護、検査、放射、理学、作業）で、大学卒業後に１年間の臨床工学技士専門コースで受験資格を得た者。
（札幌には１年間CEコースをもつ大学は無い）

医療現場では、各種医療専門の資格を持った臨床工学技士を求めている。目指せdouble license。
北大では、検査専攻卒業生の内、毎年１～２人程度、東京や大阪などでの専門コース終了後に、CE取得。
国立大卒のCEは、殆どいないので、高確率で希望する病院（東大 東北大 東女医大などの大病院）する病院（東大、東北大、東女医大などの大病院）に就職している。
北大病院のCEは５人が検査専攻の卒業生。
皆、大変優秀と好評。

医療現場では、臨床工学技士が不足している。
文部科学大臣が指定した学校又は都道府県知事が指定した臨床工学技士養成所（1年） 全国12校

臨床工学専攻科一年制は、看護師、臨床検査技師、診療放射線技師
理学・作業療法士 などの医療資格を持つ人を対象にした学科。
北里大、日本工学院、天理大、その他数校。（道内には無い）
授業料は ７０万～１３０万円 程度。

技師として数年働いた後に、１年間、東京で学生気分に戻るのも良いでしょう。臨床工学技士は就職先に困らない。（北大、東大、などの大病院や 透析センタ （透析は臨床工学技士の業務））などの大病院や、透析センター

都道府県

学校・学科

所在地

東京都

首都医校

160-0023

新宿区西新宿1-7-3

東京都

帝京短期大学

151-0071

渋谷区本町6-31-1

東京都

日本工学院専門学校

144-8655

大田区西蒲田5-23-22

新潟県

北里大学保健衛生専門学院

949 7241949-7241

南魚沼市黒土新田500

石川県

小松短期大学923-8511

小松市四丁町ヌ１-３

愛知県

名古屋医専

450-0002

名古屋市中村区名駅4-27-1

京都府

京都保健衛生専門学校

602-8155

京都市上京区千本通竹屋町東入主税町910

大阪府

大阪ハイテクノロジー専門学校

532-0003

大阪市淀川区宮原1-2-43

大阪府

大阪医専

531-0076

大阪市北区大淀中1-10-3

日本メディカル福祉専門学校

533-0015

大阪市東淀川区大隅1-3-14

兵庫県

神戸総合医療専門学校

654-0142

神戸市須磨区友が丘7-1-21

宮崎県

九州保健福祉大学 臨床工学別科 882-8508

大阪府

延岡市吉野町1714-1

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生体計測 Bio-metrics とは

測定値には、必ず誤差（error）がある。

人体から、計測したい量を、装置（センサー）をerror 【名詞】 誤り，間違い，過失，失策，誤差

用いて、間接的に物理的手法で測定すること。

誤差 = 測定値 ー 真の値

単純な値（スカラー）の測定

正しい測定装置ほど、正確な測定ができる。

（身長 体重 血圧 血中酸素飽和率 など）（身長、体重、血圧、血中酸素飽和率

正しい測定方法ほど 精密な測定ができる
正しい測定方法ほど、精密な測定ができる。

１次元的な値（＝曲線）の測定

正確 accurate：（心電図、脳波、筋電図 など）

真の値と比べ、かたよりが少ないこと

２～３次元的な値（＝画像）の測定

精密 precise：（エコー、ＣＴ、ＭＲＩ、ＰＥＴ、眼底検査 など）

真の値と比べ、ばらつきが少ないこと

正確かつ精密な測定。

誤差を含む測定値の表示

測定値の平均が真の値で、平均±標準偏差 ｍ±σ

測定値のばらつきも少ない。

分散（標準偏差σ の ２乗）

正確でない測定。
かたよりがある。
かたよりがある装置の調整、校正が不良。
精密でない測定。
ばらつきがある。
測定の方法が不良、雑。

誤差を含む測定値の表示

有効数字＝{（測定値１－平均）＋（測定値２－平均）

２２＋ ‥‥
２＋ （測定値n－平均） } ／ ｎσ = √Σ（Xｎ ー m）２／ ｎ標準偏差 σ は、ばらつきを示す指標。

誤差を含む測定値の計算

平均が １.６ で 標準偏差が ０.３７ の場合、誤差 a, b を 含む 値 A, B の 和 C 、差 D は、正しい表示法は、 １.６ ± ０.３７ ではなく、（ A ± a と B ± b の 和 C、 差 D は ）１.６ ± ０.４ である。 有効数字の桁を揃える。
１.６ という値は、概ね １.５６～ １.６４ 程度と解釈すると、標準偏差 ０.３７ の ０.０７ はあまり意味がないので、四捨五入する。

和 C = （A＋B）± √ a2 ＋ b2
差 D = （AーB）± √ a2 ＋ b2

和 、 差 の 誤差和 は ピタゴラスと覚えましょう。

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これは理解できなくても結構です。

誤差伝搬の法則（誤差を含む値の和、差）偏微分による誤差の加算誤差を含む測定値の計算
誤差 a, b を 含む 値 A, B の 積 E、商 F は、
（ A ± a と B ± b の 積 E、商 F は ）積 E = （A x B）± √ （Ba）2 ＋ （Ab）2
商 F = （A / B）± √ （a / B）2 ＋ （（A / B2）b）2

積 、 商 の 誤差和 は 難しいので覚えなくてよいです（参考程度）。

誤差伝搬の法則（誤差を含む値の積、商）

例題
誤差1％の 300 Ω と 400 Ω の抵抗を直列接続したときの合成抵抗値は。
A = 300 ± 3、 B = 400 ± 4
A + B = 700 ± √ 9 + 16
= 700 ± 5 （Ω）

4オームの法則
抵抗の単位 ： オーム（Ω）
中学、高校では、オームの法則とはR（Ω）の抵抗に I （A）の電流が流れると、抵抗にI R （V）の電圧が生じる、と習ったと思いますが、この記述は間違い。（抵抗の意味が分からない。）
正しいオームの法則は正しいオ
ムの法則は、 １Ω の抵抗の意味を定義。の抵抗の意味を定義
１Ω とは、１（A）の電流 Ｉ が流れている所に１（V）の電圧 E を生じさせる抵抗値。 だから E＝ＩR となる。
電流の流れにくい所は電圧（電流の圧力）が生じる。

１８年国家試験

解答 １，２

国際単位系 SI単位
The International System of Units、略称SI

放射能の強さの単位 Bq （ベクレル）

MKS単位系（長さの単位にメートル（m）、質量の単位にキログラム（kg）、時間の単位に秒（s）を用い、この3つの単位の組み合わせで作られたいろいろな量の単位。
量の単位

１秒間に１個のガンマ線や電子線などが出る(１秒間に１個の原子核が崩壊する）放射能の強さ

ジュール J , ワット W ,ベクレル Bq , グレイ Gy など.

Bq は SI単位系

１ベクレル（Bq） ＝ １ decay per second (dps)( decay : 崩壊、壊変）
Ｃｉ （キュリー）は、昔の放射能の単位。

( mmHg、 ｇ、 Ｃｉ などは SI単位ではない。)

ラジウム１ｇの放射能 ＝ 3.7 x 1010 Bq

エネルギーの大きさの単位 Ｊ （ジュール）

温度の単位 K （ケルビン kelvin ）Ｊ は SI単位系
１Ｊ ＝ １ Ｗ x １ｓ ＝ １ N x 1 m

K は、メートルやキログラムや秒のMKS基本単位と次元が異なる単位だが、国際単位系の基本単位（SI単位系）とされている。

Cal （カロリー）は、SI単位ではない。

すべての分子の運動が停止する絶対零度をすての分子の運動が停止する絶対零度を0 ケルビン（K） と定義。

１ cal = 4.19 J℃ （セルシウス度、摂氏）は K – 273.15

1ｇ の水の温度を１℃上げるエネルギー。

K は、温度の単位。
℃ は、水が凍る温度を基準とした 温度の尺度。

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圧力の大きさの単位 mmHg
（水銀柱ミリメートル、ミリエイチジー、 略称 トル Torr ）血圧など、生体内の圧力を表す単位として医療分野で多用される圧力の単位。
SI単位系ではない。
圧力の SI単位は、Pa（パスカル）
１Pa ＝ １ N / m2
1 mmHg = 133.3 Pa
水銀を１mm 押し上げる圧力。

血圧測定でカフ圧を収縮期血圧以上にすると動脈がふさがって血流が止まります。

血圧測定

血圧の単位は mmHg

通常は、上腕にカフ（圧迫帯）を巻いて 左室の収縮期血圧を超える圧力で上腕動脈を圧迫する。その末梢側に聴診器をあて、カフ圧を収縮期圧以下にすると動脈血流が出現し、拍動音（拍動音（コロトコフ音）が聞こえる。
ト フ音）が聞こえる
拡張期血圧までカフ圧を下げる間は動脈は圧迫されているので通常の状態より動脈壁が振動して血流が通るので、拍動音は拡張期血圧のカフ圧に下がるまで聞こえる。

現在普及している血圧計は水銀を用いていない。
（水銀Hg は環境汚染物質なので使用制限あり）

血圧測定でカフ圧を収縮期血圧以下にするとふさがった動脈内腔が開いて動脈血流が出現します。
血圧測定でカフ圧を拡張期血圧以下にすると動脈内腔が完全に開いて、動脈拍動血流が動脈壁にあたって生じる動脈音が消えます。

6血圧測定頻度が高いと、誤差を生じます。
最低血圧を検出してからカフの空気を急排気するまでの間、血液が静脈に貯留し、静脈圧や毛細血管の圧が上昇する鬱血(うっけつ)が起きます。
このために、血管の状態が回復するには約2～3分間必要です。したがって、間隔を置かずに連続して頻回に血圧測定をすると、正しい測定ができない場合がありますので注意が必要です。

２０１４年 検査技師国家試験

解答 １

パルスオキシメータのプローブは発光部（ＬＥＤ）と受光部（フォトダイオード）で構成されている。
発光部は赤色光と赤外光を発し、これらが指先（爪）を透過または反射した光を受光部で測定。
血液中のヘモグロビンは酸素との結合の有無により赤色光と赤外光の吸光度が 異なるので、センサーで透過光を測定して血中酸素飽和度
SpO2 を測定できる。
正常血中酸素飽和度 SpO2 98%（動脈血中の赤血球の９８％が酸素を運んでいる）

１７年国家試験SI（国際単位系）接頭辞
1015
1012
109106103102101
100
10−1
10−2
10−3
10−6
10−910−12

ペタ (peta)
テラ (tera)
ギガ (giga)
メガ (mega)
キロ (kilo)
ヘクト (hecto)
デカ (deca)

PTGM
khda

デシ (deci)
センチ (centi)
ミリ (milli)
マイクロ (micro)
ナノ (nano)
ピコ (pico)

dcmµnp千兆
一兆十億百万千百十一一分一厘
一毛一微一塵一漠

1 000 000 000 000 000
1 000 000 000 000
1 000 000 000
1 000 000
1 0001001010.1
0.01
0.001
0.000 001
0.000 000 001
0.000 000 000 001

7電流の種類

直流 DC ：

直流 ： 電池など

電流の大きさと向きが、時間経過で変動しない。

交流 ： コンセントの電源（商用交流）など
脈流 ： 体表で計測される心電図や脳波など交流 AC ：

Direct Current

Alternating Current

電流の大きさと向きが、時間経過で変動する。
（電流の向きが、頻繁に逆転する。）

脈流： Pulsating Current

電流の大きさは変動するが、向きは変動しない。

電流 Electric current とは、右ねじの法則

電線や導体中の電子の流れによるエネルギー。

電線に電流が流れると電線周囲の空間に、直流は、一定速度で電子が同じ方向へ移動。

電線を取り巻くように電流の進行方向に対して交流は、向きが往復する電子の移動。

右回りの磁力線が生じる

脈流は、向きは変わらないが、速度が変化する。と習ったと思いますが、しかし、電子はマイナスの電荷をもつ粒子で、本当は、電線周囲の電子は自力では動かない。

空間に電磁波が生じて電子には、能動的に電線や導体（人体など）のその電磁力で電線の中中を移動する機能、性質はない。の電子が受動的に動く。

電力（電気エネルギー）は、電線の中を電子が流れて運ばれるという考えは間違い。

電磁波（Ｘ線、ガンマ線、光線、電波など）
は、空間の振動エネルギー。
空間 (Universe) とは何もない所ではない。
空間とは、物理的実在物（構造物）である。
空間構造の振動が、Ｘ線、ガンマ線、可視光線、電波 などの電磁波になる。

電力は、電線周囲の空間に発生する電磁波（正確な表現は、ポインティングベクトル）によって運ばれる。
電線は、電磁波（ポインティングベクトル）が進む方向を支えるレールの役目をする。
強い電力は、電線の支えがなくても空間を伝わる （これを一般的に、電波という）。

（電流と電磁波の関係）

電磁波の名称と波長Ｘ線,ガンマ線：10 ピコ～10ナノ メートル可視光線 ： ４００～８００ ナノ メートルマイクロ波,電波： 数マイクロ～ メートル

8Maxwellの式

光、Ｘ線、電波など 電磁波の速度を数式化

真空中の電磁波の速さ ｃ = 1/ √ μo εo = 秒速３０万km( μo : 真空の透磁率 εo : 真空の誘電率）
真空（=空間）は、透磁率や誘電率を持つ構造物である。

地上から太陽が見えるのは、太陽と地球の間にある空間が、太陽から出た電磁波（可視光線、紫外線等）を通すため。

＝空間は物理的構造物である。 空間構造の振動が電磁波。

空間に何もないと、空間に光などの電磁波が伝わらないので地上から太陽は見えないはず。

空間に構造がなければ 、真空中の透磁率
真空中の透磁率 μo （磁力線の空間（宇宙空間）には、電磁波を通す何らかの物理的構
造がある （その構造は まだ発見されていません ）造がある。（その構造は、まだ発見されていません。）

生じやすさ） と 真空中の誘電率 εo （電界の生じやすさ）は０ のはず。 μo =０、 εo =０ ならば、真空中の電磁波速度はｃ = 1/ √ μo εo から無限大になるはずで、現実と矛盾する。

空間の構造は、まだ解明されていません。
誰か解明して下さい。発見すればノーベル賞確実です。

水中での可視光線の速度は、秒速約２３万km （２５％減速）
そのために、光は水面で屈折する。水中ではμo、 εo が空中より大きいために、光の速度は、空中より遅くなる。

空間の構造は、３次元ではなく、９次元以上と考えられています。

宇宙膨張説は正しいとされている。地球から遠い星ほど赤く見える。これは、ドップラー現象で、遠い星ほど高速度で遠ざかっているためである。（高速度で過ぎ去る救急車のサイレンの音は低く聞こえるのと同じ現象。）（赤色は周波数の低い光。周波数の高い光は青や紫。）（地球に近いシリウスは青く見える。）
宇宙膨張説が正しいならば、この世には宇宙ではない場所があると考えざるを得ない。この世がすべて宇宙空間で満たされているならば、宇宙は膨張しない。宇宙の外側には、宇宙ではない場所がある。宇宙と宇宙外は物理的に区別できるはず。空間のある場所が宇宙（宇宙空間）で、その外側には空間が無いと解釈できる。つまり空間とは、何もない所ではなく、物理的に構造がある実在物である。

空間の構造の振動が、光やX線などの電磁波である。
空間に構造がある間接的な証明として、重い星の近傍では光が屈折する現象が観測されている。つまり空間に構造があり、それが重い質量で歪んでいるために光が直進しない現象が、空間に構造があることを証明している。

有名な実験： マイケルソン ・ モーレーの実験

光やX線など電磁波の速度が、常に秒速３０万kmで一定なのは、一見、奇妙に感じるが、空間の構造の振動で電磁波が伝わると理解すれば、それは空間の構造で決まる物理的な一定値であって、光源の初速度とは無関係であると理解して下さい。

地球は左回りに１日１回転しているので、赤道（１周4万km）近くでは、東向きの光は、初速度4万 km / 24時間で、西向きの光（初速度 -4万 km / 24時間）より速いはず、と予想した。

空間の歪みが 重力の生じる原因と考えられている空間の歪みが、重力の生じる原因と考えられている。
光や重力が届く速度は、秒速３０万ｋｍで、人間の感覚ではとても速く感じるが、仮に、太陽系全体を見渡せる神、または巨人がいたら、太陽から地球に光が届く時間が８分もかかるのは、とても遅いと思うだろう。つまり空間の構造は、巨視的には、かなり粘度の高い、ネバネバしたものと予想される。

そこで、西向きの光を鏡で反射させて、東向きの光とそこで西向きの光を鏡で反射させて 東向きの光と並べて、きわめて高速度で回転する歯車の歯の遮蔽板をおいて、光の切れ目の長さの差を精密に測定したが、西向きの光と、東向きの光の速度は、差がなかった。
この結果から、アインシュタインは、光、電磁波の速度は、空間の構造により一定では、と考えた。（特殊相対性理論）。

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