パルスオキシメータの原理 深堀解説
このページでは、パルスオキシメーターの測定原理の紹介ページです。赤色光と赤外光の原理を活用した測定原理を解説しています。
パルスオキシメータは血液の赤い色を見ています。
血液は一見赤い液体のように見えますが、液体成分の血漿は薄黄色で、血漿の中に無数の赤色の細胞（赤血球）が浮かんでいるため、肉眼では赤く見えるのです。この赤血球の赤色も赤血球の中のヘモグロビンという色素の色で、ヘモグロビンは酸素と結びつくと鮮やかな赤色になります。
パルスオキシメータは動脈血の赤色の度合いを見て、酸素飽和度（酸素に結びついたヘモグロビンの比率）を見ています。
以下の図は、酸素と結びついたヘモグロビン（HbO2）と、酸素を離したヘモグロビン（Hb）において、どの光を多く吸収するかを示した吸光度曲線と呼ばれるものです。色は横軸の波長で表わされます。
2本のグラフはHbO2とHbがどの波長をよく吸収し、どの波長をあまり吸収しないかを表わしています。線が下に行くほど、その波長を吸収しない（良く通す）ことを意味します。
酸素と結合したヘモグロビンは赤い色をしていますが、これは赤い色だけをあまり吸収せずに通してしまうからです。つまり、赤い色の吸光度が低いのです。
一方、酸素と解離したヘモグロビンは黒っぽい色になります。これは赤い光をよく吸収するからです。
赤色（Red : R）を血液に当てた時にヘモグロビンと酸素がより多く結びついていると、それだけ多くの光が指を通り抜るため、センサーが受け取る赤色光の量が多くなります。
赤外光（InfraRed : IR）はヘモグロビンと酸素が結びついていてもいなくてもあまり変わらず血液を通り抜けます。センサーが受け取る赤外光の量に大きな変化はでません。
HbO2が増え、Hbが減れば、センサーが受け取る赤色光（R）は多くなり、赤外光（IR）はあまり変わりません。その逆では赤色光は少なくなり、赤外光はやはりあまり変わりません。
つまり、センサーが受け取るR/IRの比率が分かれば、HbO2とHbの比率、つまり酸素飽和度が分かる事になります。
パルスオキシメータは動脈血の変動をみている
生体に照射された光は動脈血層、静脈血層、血液以外の組織を通るなかで各層で吸収を受けてセンサーに届きます。
心臓から拍出された動脈血は、脈波と呼ばれるように波のような形で血管内を移動します。
ごく短い時間の中で、厚みが変化するのは脈動をしている動脈血だけです。皮膚や肉などの組織や静脈は、ごく短時間では厚みは一定です。
厚みが変わると透過する光の量も変わり、センサーの受け取る信号も変化します。
つまり、信号の変化成分は厚みの変わった組織だけの成分、すなわち動脈血層の変化成分だけの情報となります。この変化成分を見ることで、R、IRの変化成分の比率から動脈血だけの酸素飽和度が求められます。
パルスオキシメータは脈拍数も同時に表示しますが、同様に変動を見ることで、脈拍も求められるからです。
R/IRの比率から校正定数によって血中酸素飽和度（SpO2）を求めます
赤色光（R）と赤外光（IR）の透過光量の変動成分の比率と血中酸素飽和度（SpO2）値の関係は、使用されるR、IRのLED波長によって異なり、両者の関係式を校正定数と呼びます。
校正定数は、パルスオキシメータと、同時に採血して得られたSaO2値との相関を、実験で求めることによって決定されます。
図では、RとIRの比率が同じ場合には血中酸素飽和度（SpO2）は83％、R/IRが0.4の時に血中酸素飽和度（SpO2）が 100％となるような校正定数を持つパルスオキシメータを例示しています。
1脈動あたりの各波長の透過光量の変動イメージ
