心拍数と血中酸素飽和度を測定する光学式センサは、血液の、正確には血液中のヘモグロビンの光吸収を利用しています。

心拍数モニタリング

光が生体組織に照射されると、透過、吸収、反射されます(図1)― 照射された血液量が多いほど、反射される光が少なくなります。心拍周期に応じた動脈中の血液量変動に伴う、検出される信号の周期性が、心拍数を算定します(図2)。この血管中の血液量変動の光学測定は、光電容積脈波法(PPG)と呼ばれます。実際には、光源と検出装置を並置したセンサが、手首や指先などの皮膚に直接設置されます。設置の位置によって測定波長は異なり― 緑色光は手首に最適とされ、赤色および赤外光は指先に向きます。

パルスオキシメトリ

血中酸素飽和度は、赤外光と赤色光の同時照射により測定されます(図3)。このいわゆるパルスオキシメトリは、ヘモグロビン(Hb)が酸素と結合すると(オキシヘモグロビン HbO2)、吸光度が変化するという事実に基づいています。この2種のヘモグロビン濃度が、2つの異なる波長により測定可能です、これが血中酸素飽和度の測定となります。この場合、2種のヘモグロビン分子による吸光度が最も異なる赤色光(660 nm)と赤外光 (940 nm) が最適の選択です。吸光度の相対的変動だけを考慮すればよいパルス測定と違い、ここでは動脈血の吸光を絶対的に測定する必要があります。血中酸素飽和度は、実際には各波長で検出した信号の最小値と最大値の比率(Imin/Imax)で表されます。

生体情報の光学測定

図1

SFH 7050センサが緑色、赤色または赤外光を発光、皮膚や組織を照射し、吸収または反射されます。検知器が記録する反射光の量は、動脈の血液量により変化します(光電容積脈波法)。測定は緑色光により手首で、赤色または赤外光により指先で行われます。

心拍数測定

図2

検出器が受取る信号Iの周期性は、動脈の血液量による脈動に一致します。この信号の最小値と最大値の比率(Imin/Imax)は、血中酸素飽和度の測定に適切です(パルスオキシメトリ)。

血中酸素飽和度測定

図3

血液の― 正式には血色素(ヘモグロビン、Hb)の― 吸光度は、酸素摂取により変化します(オキシヘモグロビン、HbO2)。赤色光と赤外光の吸収度を測定することで、血中酸素飽和度が決定できます。