旭川医科大学研究フォーラム 12：27 ～ 33，2011

投稿論文

旭川医大におけるパルスオキシメーターに関する研究と世界的普及の経過について中【要島進＊ 大崎能伸＊＊

旨】

指先型パルスオキシメーターは旭川医大外科病棟でその性能が検討された。その臨床成績は 1977 年のポーランドのワルシャワで開催されたヨーロッパ実験外科学会に於いて世界で初めて発表された。指先型パルスオキシメーターは脈波型イヤピースオキシメーターより、測定が簡単で安定しており、動脈血ガス分析で測定された酸素飽和度とは相関係数 0.87 で近い値を示した。
パルスオキシメーターは世界に先駆けて日本で開発及び臨床応用が行われたが日本国内では普及せず、アメリカで再開発が行われた。指先型パルスオキシメーターは現在世界の主な麻酔器、モニターに採用され、救急車、外来、病棟で使用されている。ポケットサイズの小型で非観血的に酸素飽和度が測定出来るこの装置は人類が生存している限り、使用される装置であろう。開発の経緯の一部は、Severinghaus JW によって、J Clin Monit3:135-138, 1987 に報告されている。

キーワード

酸素飽和度、指先型パルスオキシメーター、無浸襲酸素濃度測定、ポケットサイズ装置には動脈血を採取し、血液ガスを頻回に測定する事にはじめにより最も正確な情報を手に入れる事が出来る。しかパルスオキシメーターは今や爆発的に普及し、世界し刻々と変化する酸素濃度について何回も採血する事の殆どの麻酔器、生体モニター、集中治療室、救急外は患者さんへの負担になるし、設備の豊富な病院では来、救急車、外来、病棟に使用されている。看護婦さ可能であるが、例えば救急車内での判定は通常無理でんの白衣のポケットに納められ、酸素濃度の調整や呼ある。又、看護婦さんが夜間頻回に簡単に測定する事吸状態の把握に大活躍をしている。おそらく人類が生も無理である。非観血的かつ連続的酸素濃度が測定出き続けている限り、使用されるモニターであろう。こ来る方法として従来から耳介型イヤピースオキシメーの装置が日本で開発され、臨床応用が行われ、指先型ターが存在する。しかし較正が煩雑で実用には用いらパルスオキシメーターの世界最初の臨床応用が旭川医れなかった。最初に旧来のオキシメーターとパルスオ大東病棟で行われ、発表されていた事を知る人は少な

キシメーターの原理上の違いを説明し、何故、パルスいと思われ、その経過について報告する。

オキシメーターが世界的に普及しえたかを説明する

１）旧来のオキシメーターとパルスオキシメーターとの違いa）オキシメトリ―の原理
酸素飽和度を計る方法として最も簡便かつ期待されているのはオキシメトリ―法である。図１）はヘモグ

患者の呼吸状態を知る為にもっとも大事な事は刻々ロビンの吸光特性をしめす。横軸が吸収波長、縦軸がと変化する酸素濃度を連続的に知る事である。この為ヘモグロビンの光吸光係数を示す。我々が臨床上知り森山メモリアル病院＊院長＊＊

旭川医科大学呼吸器センター教授― 27 ―

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係数は判っているので、φの値を実測すれば、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンの濃度比すなわち酸素飽和度を計る事が出来る。
ｂ）Wood タイプイヤピースオキシメーターの特徴と弱点オキシメトリ―の方法を実際に生体に於いて応用する方法が長い間、研究されてきた。その代表が Wood
等によって開発されたイヤーピースオキシメーターである 1） 彼等は生体の組織を血液層と血液以外の組織の二つに分けた。外からの光はまず組織層に入って、それを通り抜けた光 I0 が血液層に入るとする。組織
図１として耳朶を考えると、組織を圧迫すれば血液層の厚ヘモグロビンの吸光特性みはゼロとなり、その透過光は I0 になる。次に圧迫を解けば、血液を透過した光 I が得られる。この様にたいのは酸化・還元のヘモグロビンの濃度比すなわちして血液による減光度 A ≡ log（I0/I} が得られると、酸素飽和度である。図１に示す様に 660nm の付近は、これを２波長で測定して、それらの比φを求める事が酸素飽和度の変化によって、ヘモグロビンの光吸収が出来、φの値が実測出来ると酸素飽和度が計算出来る大きく変化するので、酸素飽和度の測定には有利であ事になっていた。しかし、この方法には幾つかの弱点る。別に基準として酸素飽和度の変化が少ないもう一ある事がその後の臨床応用の経過で明らかになってきつの波長、例えば 800nm を基準として用いる事が出た。その一つは動脈血と静脈血とを一緒に扱っている来る。この様に、ヘモグロビンによる光吸収を測定し事、組織を圧迫する事で血液層をゼロにする事が不安て酸素飽和度をはかる方法がオキシメトリ―と言われ定である事、更に耳朶以外の組織では血液層をゼロにる。物質の光吸収特性を利用して物質の組成を測定す安定維持する事が更に困難である等の理由から Woodる基礎原理は、Lambert-Beer の法則と言われ、次の式

タイプのイヤピースオキシメーターは臨床に応用されで示される。

たが較正が困難などの理由で、広範な普及には至らなＡ≡かった。

log(I0/I) = ECD

入射光強度を I0, 透過光強度を I、とした場合に、両者の比の対数は、光散乱がない場合は吸光度

absor-ｃ）パルスオキシメーターの原理と特徴

bance と呼ばれ A で表わされる。Ａは光散乱が無い場

組織中の血液を動脈血と静脈血に分けて、静脈血合は E,C,D, の積に等しい。D は試料の厚み、C は光は血液以外の組織中に含める。組織中の動脈血は脈吸収物質固有の吸収物質の濃度、E は光吸収物質固有動しているから、その厚みが⊿ D だけ増え、透過光の光吸収係数である。もし試料の物質が a ,b の二つ（例は⊿ I だけ減少したとする。この厚みの成分についてえば酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン）であり、Lambert-Beer の法則を適応すれば次の式を得る事が出それぞれの吸光係数が Ea, Eb, またそれぞれの濃度が来る。

Ca, Cb であるならば、次の様な式になる。

φ≡ ΔA1 = Ea2Ca+EbaCb
Ea2Ca+EbaCb
ΔA2A ≡ log(I0/I) = (EaCa+EbCb)D
もし２波長λ 1、λ 2 で absorbance を測定してその比φ

この方法では Wood タイプのオキシメーターと違い、を求めれば、D が消去されて次の様な式になる。

血液層をゼロにする為の煩雑な駆血操作を行う必要がなく、２波長について、変化分だけの実測値を計算す

φ≡ A1 = Ea1Ca+Eb1Cb = Ea1Ca/Cb+Eb1
Ea2Ca+Eb2Cb Ea2Ca/Cb+Eb2
A2ればφの値を確定することが可能となる。この脈動波

従って、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンの吸光を利用する方法は臨床応用上、次の様な大変好都合な― 28 ―

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特徴を有する事が推定される。①：27 ～ 33，2011

駆血など組織を圧て、新型のパルスオキシメーターは自動的に基線が復迫する必要性が無い事、耳朶以外の手指等も利用出来帰し、一回毎に較正を必要としない可能性を示した事るであった。
（図２）この事は理論的に想定されたパル②

プローグの装着部位がずれても直ぐに正しい測定に戻る事が出来る。③

動脈血だけを選択的に測スオキシメトリ―の特徴が生体でも実証された事を意定するので臨床上我々が知りたい動脈血酸素飽和度を味した。ついで性能実験を施行した。実験犬を用い、より正しく測定する事が出来る。これがパルスオキシ

呼気ガスの酸素濃度は当時世界最新のグロー放電式呼メーターの基本的なアイデアで、その構想は 1973 年

気ガス測定装置で計り、動脈中の酸素分圧は応用電気

当時の日本光電に勤務していた青柳等によって、第研究所が得意とする Pt 電極を大腿動脈に直接挿入す2）

13 回日本 ME 学会の予稿集に発表されている。

る形で連続記録した。更に常備されていた窒素ガスを用いて吸入気の酸素濃度を調節し、パルスオキシメー

１）国立第２療養所（簾舞）に於ける臨床用イヤピー

ターの出力も同時連続記録した。医用質量分析装置がスパルスオキシメーターの試作及び評価と世界初め普及していない当時としては世界最高水準の比較実験ての臨床応用だったと思われる。図３に示す如く、窒素ガスを使っ中島等は 1973 年当時、国立第２療養所（簾舞）にて酸素濃度を下げた時に、犬が苦しがって外気を吸っ勤務し、厚生省が全国の主要な寮養所に IRCU（呼吸た際に生じた吸入気酸素濃度の上昇を、２段目のパル集中管理室）を作る事になり、簾舞寮養所が選ばれた

スオキシメーターと３段目の Pt 酸素電極は明確に捉ので、その機種選定を行っていた。その中で無浸襲でえており、パルスオキシメーターの方が Pt 酸素電極

連続的に患者さんの酸素濃度を監視するシステムを構より応答が早い。その後自動的に平衡状態に達した。

築する必要性を感じ、日本光電の研究所にいた青柳

これらの基礎実験の後に、初めての臨床応用が慢性呼氏等の仕事に注目し、臨床用の装置の試作を要請し吸不全の患者さんに対して行われた。
（写真１） このた。数ヵ月後、世界発の脈波型イヤピースオキシメーターの臨床用試作品が作られ、簾舞寮養所に送られて来た。この装置を療養所内の検査室及び北大応用電気研究所で Wood タイプのイヤピースオキシメーターとの性能比較実験及び性能テストを行った。最も驚いた
事は旧来の Wood タイプのオキシメーターがイヤピースを少しずらすと基線がずれ元に戻らないのし反し

図３

北大応用電気研究所で行われた耳介型パルスオ
キシメーターの性能実験

図２

イヤピースをずらした際に生じた基線の復帰状

上段からグロー放電式呼気ガス分析装置による

況

吸入気酸素濃度の連続記録

上段は Pulse oximeter、下段は Wood type oxim-

中段はパルスオキシメーターの出力

eter Pulse oximeter は自動的に元の基線レベル

下段は酸素 Pt 電極の出力 （大腿動脈に直接刺に戻る入）― 29 ―

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写真１

簾舞療養所の病室で行われた耳介型パルスイ：27 ～ 33，2011

写真２

ヤピースオキシメーターの臨床応用

旭川医科大学 9 階東病棟で行われた指尖型パルスオキシメーターの臨床応用

対象は結核の治療後に発生した呼吸不全患者

対象は食道腫瘍の術後放射線治療後に低酸素さん血症が発生した患者さん

患者さんは結核治療の為に胸郭形成術を受けた患者さその装置（OXIMET）が写真２に示されているものでんで、空気呼吸下で、酸素分圧は 60mgHg 以下、炭酸ある。旭川医大 9 階東病棟に入院していた食道腫瘍のガス分圧が 48mgHg と典型的な呼吸不全の患者さんで患者さんで、術前に放射線照射療法を行い、手術後低あった。この患者さんに対して、酸素濃度は耳介型パ酸素血症に陥り、苦労した患者さんであった。この患

ルスオキシメーターで、炭酸ガス分圧は赤外線型カプ者さんの管理にこの装置は見事に活躍した。何よりもノグラフで呼気終末炭酸ガス濃度を連続モニターし、耳介型より、簡便で、出力も安定していた。正常人及酸素吸入後の炭酸ガス濃度の上昇傾向、軽い運動の影び低酸素血症に陥った患者さん 20 名に血液ガスで測響、ダイアモックス投与後の影響などを調べた。こう定した酸素飽和度と指先型パルスオキシメーターで測した基礎的、臨床応用の結果を 1975 年に呼吸と循環、定した酸素飽和度との相関を調べた結果では相関係数３）

耳介型パルスオキシメー0.87 の値を得る事が出来た。この臨床成績は 1977 年

ターに関する論文は後に麻酔科学会誌、14 巻２号にポーランドのワルシャワで開かれた第 12 回ヨーロッ

札幌医科大学麻酔科の浅利正明、劔持修先生の名前でパ実験外科学会で、中島進、久保良彦、鮫島夏樹の連「脈波型イヤーピースオキシメーターの麻酔科領域に名で発表された。5） これが指尖型パルスオキシメーおける応用」として発表されている。4） この論文のターの世界初めての臨床応用報告である。この装置に引用論文の１）は中島等の呼吸と循環の論文が引用さついては 1978 年、麻酔学会誌の 17 巻 6 号に指尖脈波れている。

型オキシメーターの使用経験という論文を東大麻酔科

23 巻８号に発表した。

２）旭川医大に於ける指尖型パルスオキシメーターの臨床応用と世界初めの臨床応用報告
前述した様にパルスオキシメーターは脈波を利用しの鈴川正之先生が発表している。6） その引用論文の 1番目にはオキシメーターの元祖である、Wood , EH の論文が引用され、2 番目には中島等の「呼吸と循環」の論文が引用されている。その後、旭川医大での臨床応用例が増えてきたので、外科学会誌の 41 巻 1 号ている為に、駆血操作を必要としない。従って、脈波（1979）に中島を測定出来る指先、小児であれば足背での測定も可能

竹内克彦、池田浩之、熱田友義、田村正秀、久保良彦、である。1977 年に旭川医大の第一外科の医局に持田鮫島夏樹と当時の旭川医大第一外科のスタッフ連名で製薬のプロパーさんがミノルタカメラの技術者と共に「新脈波型オキシメーターの使用経験―術後呼吸不全現れ、実は今度指先で酸素飽和度を測定出来る装置をの動態監視の為に」を発表した。7） この論文は後に制作したので臨床で評価して欲しいとの依頼があった。

持田製薬によって英語に翻訳され、OXIMET のアメ― 30 ―進、池田康一郎、西岡洋、笹嶋唯博、

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リカでの販売の際、参考文献として配られた。この英はパルスオキシメーターの原理の発見者は青柳貞雄氏

語論文が後のアメリカでのパルスオキシメーターの爆で、耳介型、指先型パルスオキシメーター共に最初の発的な普及の一因になったとされる。日本光電及びミ臨床応用を行ったのは中島であるとの事になっていノルタカメラ（持田製薬）両者共、日本国内での販売

る。 8） 青柳氏は当時色素を使った心拍出量測定装置を行ったが成功しなかった。の開発にあたっていた。その色素希釈曲線上に生体の

３）千葉大学呼吸生理学本田良行教授からの一通の手紙と Severinghaus 教授の来日脈波が観察され、それが測定精度を減じていた。既にオキシメトリ―の原理の項で述べた様に酸素飽和度を測定するにはφの値を実測して確定する事が必要と1986 年の暮れ、呼吸生理で著名な千葉大学の本田なっている。今までは耳介の虚血操作によりこの値を教授から突然の手紙が中島の所に届いた。実は本田教得ようとしてきたが、不安定でこれがオキシメーター授が同じ年の 7 月にカナダのバンクーバー市で開かれの不安定性の原因とされてきた。これを実際に測定可た国際生理学会に出席した際、旧知のカルフォル二ア

能な脈波を利用して問題を解決させる事が出来る事を大学の麻酔科のセべリングハウス教授からパルスオキ発見したのは青柳氏の素晴らしいアイデアであった。

シメーターの起源について調べているので協力して欲日本におけるパルスオキシメーターの開発と臨床応用しいとの申し出があったとの事であった。その際、パについてのこれらの経過は図４にしめす如く、1987

ルスオキシメーターを発見したミノルタカメラの中島

年の J. of Clinical Monitoring Vol 3, No2 ,April に当時のという人を探したい。その人の論文は麻酔関係の雑誌カルフォル二ア大学麻酔科のセべリングハウス教授にに見つける事が出来ると言われたそうである。そこでよって論文として発表されている。8） パルスオキシ

本田教授は呼吸と循環の論文を探し出し連絡してきたメーターは主としてアメリカでその後の改良と小型化との事であった。この過程の中で呼吸と循環の論文のがすすめられ、世界的に爆発的な普及が行われた。パ

引用文献の 4 番目に日本 ME 学会の予稿集の形で発表

ルスオキシメーターを制作、販売している会社は世界された日本光電の青柳氏の名前がある事から、現在でで 20 社を超え、その中には麻酔器で有名なオ―メダ社、シーメンス社などの名前がある。写真３は東京ヒルトンホテルでセべリングハウス教授が来日した際撮影したものである。左からセべリングハウス教授、本田良行教授、青柳貞雄氏、中島である。セべリングハ
ウス教授の精力的なパルスオキシメーターのルーツ探図４

カルフォル二ア大学

Severinghaus 教授が発表

写真３したパルスオキシメーターの開発の歴史の論
文の一部

Severinghaus 教授の来日の際の写真
左から Severinghaus 教授、本田教授、青柳氏、
中島― 31 ―

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しなしでは世界に先駆けた日本におけるパルスオキシ

この研究の経過は一つの研究が世界的に普及するにメーターの開発と臨床応用の評価は無かったと思われはかなりの時間と粘り強い改良の積み上げが必要である。

る事も我々に示している。

終わりに

引用文献

パルススオキシメーターは今や世界的に普及し、酸１）Wood,E.H. and J.E.Geraci: Photo electric determina-

素濃度の調整や呼吸状態の把握に臨床の多くの分野で

tion of arterial oxygen saturation in man. J.Lab.Clin.

大活躍をしている。指先型パルスオキシメーターは大Med., 34:387, 1949

幅な改良がなされ、写真４に示す如く、旭川医大で世２）青柳卓雄、岸道男、山口一夫、他：イヤピースオ

界で最初に臨床報告された装置に比べて、大きさはキシメーターの改良

100 分の１以下に小型化され、性能も安定性も増して91, 1973

いる。おそらく人類が生き続けている限り、使用され第 13 回 ME 学会予稿集、90-３）新脈波型パルスオキシメーターの性能－非観血的るモニターであろう。何故にこの様な広範な普及を見連続酸素濃度監視をめざしてー中島

たのかは、人間の生存に必須な酸素濃度をある確かさ

彦、青柳卓雄、他

23 巻 8 号

で、低価格で、簡単に無浸襲で使用出来る事が要因だ

1975

呼吸と循環進、久世彰
41-45,

４）脈波型イヤピースオキシメーターの麻酔科領域にろう。

おける応用

パルスオキシメーターは日本で開発され、臨床応用

２が行われた。しかし、残念な事に日本では評価されず

浅利正明、剱持

修

麻酔

16 巻

206-208, 1977に普及する事は無かった。我々の努力不足もあるが、

５）Clinical application of a new (fingertip type) pulse

他の理由の一つは日本人は日本人のやってきた研究に

wave oximeter-For dynamic monitoring of postoperative

ついて評価をしない癖があるという事がある。外国でrespiratory failure- Nakajima, S, Kubo,Y, and Samejima,評価されて初めて再評価を行う事がしばしば見受けら

N. Read before the 12th congress of the European Soci-れる。日本の若い研究者は自分の仕事が日本の学会でety for Surgical Research, Warshaw, Poland,評価されないからと言って気を落とす必要はない。世1977

６） 指尖脈波型パルスオキシメーターの使用経験
鈴川正之、藤沢味代、諏訪邦夫、他界に向かって発言すれば良いと思う。

麻酔

17 巻、

6 600-605, 1978
７）新脈波型パルスオキシメーター（指先型）の使用
経験－術後呼吸不全の動態監視の為に－進、久保良彦、鮫島夏樹 他

外科

41 巻

中島157-61 1979
８） History of blood gas analysis, Ⅴ Ⅱ . Pulse oximetry
Severinghaus JW, Honda Y. J Clin Monit , 3: 135-138
1987

写真４

開発当初旭川医大病院で使われていた指尖型パルスオキシメーター OXIMET（箱形の装置）
現在臨床で使用されている装置（オニックス社）― 32 ―

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Study of finger-tip pulse oximeter at Asahikawa Medical
University and the history of its worldwide acceptance
NAKAJIMA Susumu*, OSAKI Yoshinobu**
Summary
Asahikawa Medical University studied the performance of ﬁnger-tip pulse oximeter in its surgery ward. Clinical results
were presented for the ﬁrst time in the world in 1977 at the European Society for Surgical Research held in Warsaw, Poland. Measurements with the ﬁnger-tip pulse oximeter were easier and more stable than pulse-wave earpiece oximeter. Its
measurements showed a correlation coefﬁcient of 0.87 and were close to oxygen saturation measured in arterial blood gas
analysis. Japan developed and clinically applied the pulse oximeter ahead of the rest of the world, but it failed to become
widely used in Japan. Instead, it was redeveloped in the U.S. The ﬁnger-tip pulse oximeter is currently used in key anesthesia
apparatuses and monitors in ambulances, outpatient clinics and wards around the world. The small pocket-sized device canmeasure oxygen saturation non-invasively and is certain to continue to be used as long as the human race exists. See J Clin
Monit 3:135-138 , 1987 by Severinghaus, JW for the history of its development.

Key words oxygen -saturation, ﬁnger-tip pulse oximeter, non-invasive oxygen monitor small pocket-sized device* Director of Moriyama Memorial Hospital** Professor. Respiratory Center of Asahikawa Medical University― 33 ―