Volume 7, No. 2 • June 2024   Issue PDF

パルスオキシメータ測定脈拍数：何を測定しているのか？

by Michael Vandenheuvel, MD; Patrick Wouters, MD, PhD; Luc De Baerdemaeker, MD, PhD

DEAR RAPID RESPONSE：

パルスオキシメータ：1970年代以来、パルスオキシメータ（pulse oximeter, PO）により動脈血酸素化と脈拍数の非侵襲的連続評価が可能になった。脈拍推定値はプレチスモグラフ波形から導出され、拍動性灌流の代用として機能する。可聴音はベッドサイドの臨床医がマルチタスクを行っている間の心拍数とリズムのモニタリングをサポートし、音の高低（ピッチ）を可変して酸素飽和度を反映させている。干渉によりECGに基づく心拍数モニタリングの信頼性が低下する可能性があるため、パルスオキシメ－タに基づく脈拍数モニタリングは追加の情報源となる。POモニタリングの全般的な有用性に疑問の余地はないが、基礎となるテクノロジーは複雑である。オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの異なる吸収特性と動脈拍動に基づいているため、PO測定に干渉する可能性のある要因が多数あり、有用な情報を取得するには広範なシグナル処理が必要である。本レポートは、動脈拍動が大幅に変化したにもかかわらず、PO脈拍数の測定とそれに関連する音調速度（トーンレート）が適切に変化しなかった臨床シナリオに注目する。

ここで報告された観察事項は、著者の施設のベッドサイド患者モニターの大幅な更新後に発生した。最初の観察は人工心肺（cardiopulmonary bypass, CPB）を使用している患者で発生し、2番目の観察は生命を脅かす不整脈を伴う非CPB患者で発生した。モニタリング設定はMasimo SETパルスオキシメータ（統合型SpO2 バージョン MS:DSP:V05:03.01.08）で構成され、光プローブRD SET センサーメーカー推奨（Masimo Corporation、米国カリフォルニア州アーバイン）に従って指に（今回の心静止の症例では耳に）装着し、2～4秒間または4～6秒間のデータを平均化するように設定されている。POはMindray N1モニタリングに統合されており、PO脈拍数が可聴心拍数表示の一次情報源として設定されている（Mindray Global、南山、深セン、中華人民共和国）。Masimo POのスマートトーン機能はデフォルトで有効になっており無効にすることはできない。この機能は、シグナル対ノイズ比が低い状態でも可変ピッチ酸素飽和度トーンを維持するように設計されている。ただし、CPB下では、大動脈クロスクランプ中であっても、患者の少なくとも半数で誤った脈拍数がPOによって表示される。報告された脈拍数はCPBのポンプ設定とリンクしていなかった。図1は拍動がない期間中の2つの例を示しており、POは拍動停止前のベースラインに近い60台半ばの脈拍数を表示した。モニターの可聴音は一定のペースと安定したピッチを維持した。この経験をメーカーに報告したが、同社による最初の監査では誤作動は特定されなかった。メーカーのマニュアルには、「Masimo SETは動作中と低灌流中に、プレチスモグラフ波形が最適ではない場合でも、正確な動脈血酸素飽和度と脈拍数の測定値を報告し続ける」および 「シグナルIQが低い場合でも測定は正しい可能性が高く、そうでなければシステムは値自体を表示しないことに留意することが重要である。」ということが書かれている。1 しかし、今回のようなCPB下では、アルゴリズムが現在の脈拍数を正しく反映しないことが示唆される。

図1：人工心肺（CPB）と大動脈クロスクランプ（aortic cross-clamping, AoX）中の2つの症例における動脈圧、ECG由来の心拍数（HR）およびパルスオキシメータ由来の脈拍数（PR）。2番目の例では、クランプ解除後の心室細動（VF）中にもPR検出が維持されていることに留意する。

図1：人工心肺（CPB）と大動脈クロスクランプ（aortic cross-clamping, AoX）中の2つの症例における動脈圧、ECG由来の心拍数（HR）およびパルスオキシメータ由来の脈拍数（PR）。2番目の例では、クランプ解除後の心室細動（VF）中にもPR検出が維持されていることに留意する。

2番目の観察は生命を脅かす不整脈を伴う患者で起き、Masimo PO脈拍数が安定した心拍数とリズムを誤って表示した。CPB終了後に突然心室細動（ventricular fibrillation, VF）を発症した患者1人と極度の徐脈の患者2人で本インシデントに気づいた。VFは、大動脈弁置換のためのCPB後、胸骨が開いたままの外科的止血中に発生した（図2、左パネル）。その結果生じた心拍出量の低下は、低血圧と呼気終末二酸化炭素の低下によってあきらかになった。23秒後、除細動が成功し血行動態が回復した。

図2：ECG、動脈圧、呼気終末カプノグラム、およびパルスオキシメータのデータと、ECG 由来の心拍数（HR）およびパルスオキシメータ由来の脈拍数（PR）。突然発症した心室細動（左）と急性心静止（右）。血行動態への影響を伴うが、パルスオキシメータの脈拍数測定に大きな影響はない。

図2：ECG、動脈圧、呼気終末カプノグラム、およびパルスオキシメータのデータと、ECG 由来の心拍数（HR）およびパルスオキシメータ由来の脈拍数（PR）。突然発症した心室細動（左）と急性心静止（右）。血行動態への影響を伴うが、パルスオキシメータの脈拍数測定に大きな影響はない。

VF開始直後、患者は仰臥位で動かず、患者の指やPOに大きな外部の動きが加えられなかったにも関わらず、VFとその後の除細動の前後には存在しなかった不安定な振動がPOセンサーによって検知された。このエピソード中、PO脈拍数はVF開始後15秒で中等度の脈拍数の低下のみを示し、24秒後には64拍/分までしか低下しなかった。Mindrayモニターの可聴音もまた、脈拍数のこの中等度の低下を反映していた。除細動後のECG、動脈圧、プレチスモグラフ波形は、心拍数がVF前の心拍数に戻っていることを示している。ただし、ECGに基づく心拍数は二重にカウントされていたけれども、PO脈拍数は正確にVF前の心拍数に戻った。

心静止の症例で（図2、右パネル）、同様の観察が見られた。これは、CPB前、ECMOカニューレ留置のために頸静脈へワイヤーを挿入中に発生した。POプレチスモグラフ波形は、心静止が始まった直後の不安定な振動シグナルを示している。血行動態破綻を伴う突然の心静止にもかかわらず、最低PO脈拍数は67拍/分にとどまった。ピッチは酸素飽和度低下に応じて下がったが、継続的な可聴心拍数は心静止イベントと一致していなかった。

考察

患者の動きと低灌流状態が酸素飽和度測定値の信頼性に与える影響はよく知られており、対処されている。2,3しかし、PO脈拍数測定の信頼性は、特に拍動性が低いまたは拍動がない状態で可聴音が影響を受けない場合において、依然として十分に精査されていない。PO脈拍数とECG心拍数の比較のほとんどは新生児ケアの現場で行われており、パルスオキシメータが生後最初の数分間の心拍数を過小評価することが知られている。4 研究では、最大 35% の誤った徐脈測定値が報告されており5、1 分あたり100拍未満の心拍数を検出する全体の感度は（わずか）89%である。6

私たちは今回の観察と臨床的影響の重大さに関する懸念をMasimo社とMindray社の両社に報告した。注目すべきことに、同様の観察結果が2007年にもMasimoに報告されていた。7 これに基づいてMasimoはソフトウェアを調整し、スマートトーン設定を無効にできるようにした。スマートトーンは、もともとモーションアーチファクトの影響を最小限に抑えるために開発されたが、このアルゴリズムが深刻なリズム障害の場合でも誤認識される可能性があることを今回確認した。ただし、現在のMindrayモニターでは、スマートトーン機能が恒久的に有効になっている。おそらくこれが誤認識を招く可聴トーンレートの原因であり、メーカーはMindrayモニターでこの問題を解決できるように取り組んでいる。それまでの間、我々は細心の注意を払い、可能な限り脈拍数の測定源を動脈ラインにするよう調整する。この設定では、脈拍ピッチは依然としてPOシグナルから導出されるが、可聴脈拍数は実際の脈拍数を反映する。

 

Michael Vandenheuvel, MDは、ゲント大学病院（ベルギー）麻酔・周術期医学科のスタッフ麻酔科医である。

Patrick Wouters, MD, PhDは、ゲント大学病院（ベルギー）麻酔・周術期医学科の教授兼研究責任者である。

Luc De Baerdemaeker, MD, PhDは、ゲント大学病院（ベルギー）麻酔・周術期医学科の教授兼科長である。

著者らに開示すべき利益相反はない。

参考文献

  1. Masimo Inc. Masimo Signal I.Q. whitepaper. 2010. www.asa-abstracts.com. Accessed September 4, 2023.
  2. Louie A, Feiner JR, Bickler PE, et al. Four types of pulse oximeters accurately detect hypoxia during low perfusion and motion. Anesthesiology. 2018;128:520–530. PMID: 29200008.
  3. Giuliano KK, Bilkovski RN, Beard J, Lamminmäki S. Comparative analysis of signal accuracy of three SpO2 monitors during motion and low perfusion conditions. J Clin Monit Comput. 2023:1–11. PMID: 37266709.
  4. Anton O, Fernandez R, Rendon-Morales E, et al. Heart rate monitoring in newborn babies: a systematic review. Neonatology. 2019;116:199–210. PMID: 31247620.
  5. Khoury R, Klinger G, Shir Y, et al. Monitoring oxygen saturation and heart rate during neonatal transition. comparison between two different pulse oximeters and electrocardiography. J Perinatol. 2021;41:885–890. PMID: 33250516.
  6. Kamlin COF, Dawson JA, O’Donnell CPF, et al. Accuracy of pulse oximetry measurement of heart rate of newborn infants in the delivery room. J Pediatr. 2008;152:756–760. PMID: 18492509.
  7. Forde RER, DeBros FM, Guimaraes EL, Sandberg WS. Misleading behavior of Masimo pulse oximeter tone during profound bradycardia. Anesthesiology. 2007;107:1038–1039. PMID: 18043086.

 

生理的脈拍がないときに表示されるパルスオキシメータからの脈拍数と可聴音 – Masimo 応答

回答：

MasimoはVandenheuveらのレポートを精査し、読者と共有すべき重要な洞察を明らかにした。APSFへのレポート提出に加え、UZ GhentはMasimoに連絡し、MindrayモニターのMasimo SETボードからの脈拍数（PR）測定とそれに関連する可変ピッチトーンが、人工心肺 (CPB) 中と、無脈性不整脈（心室細動VFと心静止）を伴う非 CPB症例の2件で、実際の脈拍数を示さなかった症例を報告した。Masimoには、心静止の症例で使用されたパルスオキシメータ （PO）センサー（RD SET E1 耳センサー）、Mindrayモニターからのデジタルデータセット、アラーム メッセージ（図 3、上部パネルにプロット）が提出された。VFとCPB症例では、限られたMindrayデータセット（センサーは除く）のみ入手できた。APSFへのレポートに提示された圧縮生理学的波形もMasimoに転送された。

図3：上パネル：表示されたSpO<sub>2</sub>、PO PR、ECG HRデータと、心静止症例中に起きた技術的なアラーム メッセージ（説明、タイミング、期間） のプロット。データセット期間中を通して「SpO<sub>2</sub>信号状況不良」が表示され、「SpO<sub>2</sub>低値 <83」のアラームは心静止イベント開始から13～16秒の間に発生し、「SpO<sub>2</sub>異常 <80」のアラームは心静止イベントの16秒目から表示されデータセットの終わりまで続いたことに留意する。<br />下パネル：Vandenheuvelらによる心静止症例データ。心静止中期 の心拍は紫色の四角形で強調され注釈が付けられている（圧縮されたECG波形と動脈ライントレースの圧脈動の同時「スパイク」）。

図3：上パネル：表示されたSpO2、PO PR、ECG HRデータと、心静止症例中に起きた技術的なアラーム メッセージ（説明、タイミング、期間） のプロット。データセット期間中を通して「SpO2信号状況不良」が表示され、「SpO2低値 <83」のアラームは心静止イベント開始から13～16秒の間に発生し、「SpO2異常 <80」のアラームは心静止イベントの16秒目から表示されデータセットの終わりまで続いたことに留意する。
下パネル：Vandenheuvelらによる心静止症例データ。心静止中期 の心拍は紫色の四角形で強調され注釈が付けられている（圧縮されたECG波形と動脈ライントレースの圧脈動の同時「スパイク」）。

Masimoは耳センサーをテストしたが、作動は仕様内であった。心静止の症例のパラメータとアラームデータは、ECG、動脈圧、EtCO2、SpO2プレチスモグラフ波形（pleth）、ECGに基づく心拍数（HR）とプレチスモグラフィ―に基づくPRと比較された。

調査結果：

  • UZ Ghentチームによると、心静止はCPB前ECMOワイヤー/カニューレを頸静脈に挿入しようとしている時に始まり、挿入をやめた26秒後に終了した。
  • 圧縮波形は、ECG、動脈、プレチスモグラフ波形での心静止イベント中の数拍動を示している。
  • Mindrayモニター（Masimo SET使用）は、イベントのかなり前と後に、SpO2シグナル品質が低いことを伝えていた。シグナル品質が低いとタイムリーで正確な測定が損なわれる可能性があるため、これは重要である。
  • プレチスモグラフ波形は、心静止が始まった直後に振動シグナルを記録した。POセンサーが耳に装着されたことを考慮すると、ECMOワイヤー/カニューレの挿入中と抜去中に頭/首/耳の近くで医師が行った動作が意図しない動きを引き起こし、その結果としてプレチスモグラフ波形上のアーチファクトが発生し、POに基づいたPR測定に影響を与えた可能性は十分にある。Masimo SETは、モーションアーチファクトがない場合、心静止の8秒未満でアラームをトリガーするように設計されている。POによる心静止イベントのタイムリーな認識は、プレチスモグラフ信号の振動アーチファクトとECG波形と動脈波形の両方に見られる心静止中期心拍によって妨げられた可能性があり（図 3 の紫色のボックスを参照）、PR推定の精度に影響を与えた。
  • Mindrayデータは、SpO2が85%から 67%に低下し、心静止開始から約13秒後に低SpO2アラームが発生したことを示している。

UZ GhentはVF症例で使用されたセンサーをMasimoに提出しなかった。ただし、圧縮パラメータ波形と1 Hzパラメータ データは送信した。アラームメッセージデータは送信しなかった。このデータの精査から得られた主な所見は次のとおりである。

  • 心室細動は約24秒続き、除細動して収まった。
  • 圧縮波形には、VF開始数秒後に不安定な振動シグナルがプレチスモグラフに現れるまで、目に見えるアーチファクトは示されていない。
  • このアーチファクトはVFエピソード前後には存在しなかったため、不安定なプレチスモグラフシグナルは、除細動の準備中と実施中に臨床医によって引き起こされたモーションアーチファクトを反映している可能性がある。

さまざまな生理学的モニタリングパラメータが独自の精度、安定性、信頼性、交絡因子特性を持っていることはよく知られている。たとえば、VF症例での除細動後のHRは、ECGモニタリングのシグナルベースの限界を浮き彫りにしている。ECGトレースは、HRがVF前の78～80BPMの心拍数に戻っていることを示している。ただし、除細動後のECGでおそらく顕著な「T」波または「P」波がHRをダブルカウントしたが、PO由来のPRは正確にVF前の脈拍数に戻った。

同様に、センサー経路内の光密度の変化を測定するプレチスモグラフ波形にはシグナル発生源に基づく制限がある。具体的には、真の動脈圧拍動が存在しない場合、真のプレチスモグラフィー（臨床医/動作または装置によって引き起こされる）の形状を模倣する可能性のある交絡振動シグナルがECG由来のHRとは違うPRを表示する可能性がある。

Masimoのプレチスモグラフ波形は、光センサーによって記録された生のシグナルを反映していることに留意することが重要である。波形の形状は光シグナルの真の変化を表す。Masimo SET独自のシグナル処理アルゴリズムは、動作時と低灌流時の脈拍数とオキシヘモグロビン飽和度を正確に推定するように設計されている。ただし、真の動脈圧拍動が存在せず、交絡因子により振動するプレチスモグラフシグナルが存在する心静止の症例のシナリオは、一般的に、パルスオキシメトリー技術の限界を表している。

CPBの例では、どちらの場合もCPB中の平均動脈圧の大きな変動を示している。最初の症例では、心臓が拍動していない時にECG 由来の HRとPO由来のPRの両方が上昇している。非生理学的プレチスモグラフ波形は、CPBローラーポンプによって生じる小さな脈圧によるものと考えられる。この現象は、心臓麻酔の専門家には以前より知られている。1 Masimo SETは多くの場合にこれらの脈動を検出できるが1、CPB中はPOが信頼できない。確かに、ReichらはPOデータが少なくとも10分間信頼できなかった症例のうち、CPBが30%以上を占めたと報告した。2

最後に、Vandenheuvelらの考察で著者らは「Masimoのスマートトーンはもともとモーションアーチファクトの影響を最小限に抑えるために開発された」と誤って述べている。 Masimoのスマートトーン機能は、シグナル対ノイズ比が低い状態で可変ピッチトーンを有効にするかどうかのみを決定する。スマートトーンが有効な場合、PR周波数を反映したトーンとSpO2%を反映したピッチが発せられる。スマートトーンが無効になっている場合、シグナル対ノイズ比が低い状態で拍動トーンは発せられない。低シグナル状態で可変の酸素飽和度ピッチとPR周波数を聞く機能は、アーチファクトが一般的で患者を一貫して看視する医療現場では好評であるが、これらの状態が一般的ではない医療領域ではあまり適していない。

スマートトーン機能は Masimoモニターで構成可能な設定であり、ユーザーがその仕組みを理解せず使用症例の状況に応じて「オン」または「オフ」にする方法を知らないのにスマートトーンが有効になる可能性を最小限に抑えるために、デフォルトで「オフ」に設定されている。ただし、Mindrayモニター上の現在の展開ではスマートトーンはデフォルトで「オン」になっており「オフ」にすることができない。UZ Ghentでの経験を学んだ後、Mindrayは臨床的および技術的問題を謙虚に検討し、スマートトーンを構成可能な設定にしてデフォルトは「オフ」にすることに同意した。

要約すると、UZ Ghentの医師が取り上げた症例は、POに基づいたPRとECGに基づいたHR測定に影響を与える可能性がある交絡状態について、またマルチパラメータモニターのスマートトーン機能の独自展開による臨床応用における潜在的なマイナス面について、臨床医に洞察と警告を与えている。MasimoとMindrayは、UZ Ghent医師との協力によるMindrayモニタースマートトーン展開の計画的変更に示されているように、当社製品のユーザー満足度を高める潜在的な機会への重要なインプットとして、顧客からのフィードバックを活用している。

敬具

 

Vikrant Sharma, PhD
Masimo Corp（カリフォルニア州アーバイン）、Optical Sciencesの副本部長

Steven J. Barker, PhD, MD
Masimo Corp（カリフォルニア州アーバイン）、チーフサイエンスオフィサー

Rick Fishel
Masimo Corp（カリフォルニア州アーバイン）、World Wide OEM and Strategic Business Developmentの部門長
カリフォルニア州アーバイン

Daniel Cantillon, MD
Masimo Corp（カリフォルニア州アーバイン）、チーフメディカルオフィサー

William C. Wilson, MD, MA
Masimo Corp（カリフォルニア州アーバイン）、Clinical Operationsの副本部長

情報開示：Vikrant Sharma、Rick Fishel、Daniel CantillonとWilliam C. WilsonはMasimoの正社員である。Steven J. BarkerはMasimoのパートタイム従業員である。 

参考文献

  1. Irita K, Kai Y, Akiyoshi K, et al. Performance evaluation of a new pulse oximeter during mild hypothermic cardiopulmonary bypass. Anesth Analg. 2003;96:11–14. PMID: 12505915.
  2. Reich DL, Timcenko A, Bodian CA, et al. Predictors of pulse oximetry data failure. Anesthesiology.
    1996;84:859–64. PMID: 8638840.

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