SpO₂ は大文字の S と O、小文字の p、下付きの 2 で書く。S は saturation（飽和度）、p は pulse（脈拍）で、パルスオキシメータで測った飽和度という意味だ。前の文字は重要で、SaO₂ は同じ量を分析装置で動脈血から測ったもの、ScvO₂ は中心静脈血から測ったもので、数値はそれぞれ異なる。
酸素飽和度は、酸素と結合したヘモグロビンの割合であって、血液中の酸素の量ではない。貧血では SpO₂ が 99 % でも組織には酸素が足りないことがある。また mmHg で表す酸素分圧 PaO₂ とも別物で、両者は S 字形の曲線で結ばれ、飽和度 97 % のとき PaO₂ は約 90 mmHg になる。
左では、爪のある指先が発光ダイオードとフォトダイオードの間に挟まれている。660 nm の赤色光と 940 nm の赤外光が交互に光って指を通り抜け、指の中の動脈は心拍に合わせて脈打つ。右の小さな画面では脈波の掃引が流れ、拍動のマークが点滅し、下の目盛りのスライダーは 97 % まで進む。海面レベルの健康な人のふつうの飽和度だ。
単位シート
酸素化ヘモグロビンの割合 · 脈拍 第 1/1 葉 · 改訂 2026-09パルスオキシメトリ SpO₂ · % · min⁻¹
無次元量 · 拍動する動脈血中の酸素化ヘモグロビンの割合、%。脈拍は毎分の拍動数
血液を透かして見る二つの光
1972 年、東京の日本光電（Nihon Kohden）の技術者、青柳卓雄は、色素が血液中で薄まっていく様子から心拍出量を測ろうとしていて、ある雑音に悩まされていた。耳を透過した光の信号が脈に合わせて揺れるのだ。彼はその揺れこそが贈り物だと気づいた。拍動するのは動脈血だけなので、二色の光のうち揺れ動く部分だけを見れば、皮膚も骨も静脈もおのずと計算から消える。
こうしてパルスオキシメータが生まれた。動脈のヘモグロビンの何パーセントが酸素を運んでいるかを数秒で示すクリップである。1980 年代の終わりには麻酔中の必須モニターとなり、2020 年のパンデミックでは何百万人もの家庭の機器になった。そしてそのとき、肌の色が濃い人では、酸素がすでに少ないのに正常値を示すことが多いと明らかになった。
このシートは指に光を通し、二つの脈波から百分率がどう得られるかを示し、誤差がどこから来て規制当局がそれにどう対処しているかを解き明かす。
01 · 定義
二つの光 · 比 R · 校正SpO₂ は、酸素を運べるヘモグロビンのうち酸素化ヘモグロビンが占める割合を、組織を透過した光で測ったものだ。酸素化ヘモグロビンは鮮やかな赤色で、660 nm の赤色光はあまり吸収しないが、940 nm の赤外光はより多く吸収する。還元ヘモグロビンはその逆である。二つの吸収の比が、どれだけのヘモグロビンが酸素と結合しているかを教えてくれる。
皮膚、骨、静脈血を除くため、装置は色ごとに信号の拍動成分 AC だけを取り出して定常成分 DC で割り、さらに赤の比を赤外の比で割る。こうして無次元の数 R、つまり「比の比」が得られ、これが大きいほど飽和度は低い。
指の中での光の散乱は複雑すぎて、物理から R の値を理論的に百分率へ換算することはできない。そこで関係は実験で求める。ボランティアに酸素の少ない混合ガスを吸ってもらい、動脈血を採取して、「R — SaO₂」の点の集まりから装置に組み込む校正曲線を作る。単純化すれば、これは直線 SpO₂ ≈ 110 − 25·R に近い。
装置に見えるもの、見えないもの
左は本物の指先パルスオキシメータで、モンク・スキントーン・スケールで色を付けた指に挟まれている。上蓋の画面には飽和度と脈拍が光り、筐体の切り欠きからは、赤色と赤外の発光ダイオードが交互に指先を照らし、拍動する動脈を通ってフォトダイオードに届く様子が見える。右はベッドサイドモニターで、フォトダイオードが捉えた二つの脈波を表示する。振れ幅が AC、基線のずれが DC だ。スライダーで動脈血の本当の飽和度、皮膚の色素、灌流、脈拍を設定すると、装置は自分の数値を示し、シートがそれを真の値と比べる。
色白のボランティアでの校正
メラニンは赤色光を赤外光よりかなり強く吸収するため、濃い色の肌では拍動する動脈まで届いて戻ってくる赤色光が少なくなり、信号は弱く、偏ったものになる。校正曲線を主に色白のボランティアで作っていれば、装置はこの偏りを考慮せず、飽和度を高く見積もる。しかも誤差がいちばん危険な低い値で、その過大評価は最も大きい。2020 年に NEJM に載った研究では、隠れた低酸素血症、つまり SpO₂ が 92—96 % なのに真の SaO₂ が 88 % 未満という状態が、黒人患者では白人患者の三倍多く見られた。
02 · 換算
曲線 · 精度 · 高度百分率から酸素分圧へ
飽和度、酸素分圧、または比 R を入力すると、シートはヘモグロビンの酸素解離曲線に沿ってそれらを相互に換算し、装置の許容誤差の範囲で真の SaO₂ がどこにありうるか、そして高地ではどの程度の飽和度が見込まれるかを示す。
覚え方：飽和度 90 % はおよそ酸素分圧 60 mmHg にあたり、この点より下では曲線が急に落ち込む。
一酸化炭素はヘモグロビンと結合して一酸化炭素ヘモグロビンになる。これは 660 nm ではほぼ酸素化ヘモグロビンのように見えるので、中毒ではパルスオキシメータが正常な 98 % を示すのに、血液の酸素は足りていない。メトヘモグロビンは逆に、真の飽和度がいくつであっても表示を 85 % 付近に引き寄せる。どちらの場合も、真の値を示すのは血液ガス分析装置の CO-オキシメータだけだ。
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04 · 測定器
耳 · クリップ · 腕時計 · CO-オキシメータ血液の色を見る四つの方法
酸素マスクを着けないパイロットのための装置
戦時中、グレン・ミリカンは高空での酸素不足をパイロットに警告するため、耳オキシメータを作った。耳たぶを温めて中の血液をほぼ動脈血に近づけ、装置は赤と緑の光を比べた。動きはしたものの扱いにくく、一人ひとりに校正が必要だった。信号の拍動成分を取り出す方法がまだなかったからである。
青柳のクリップ
クリップの中では二つの発光ダイオードが交互に点灯し、ときには消灯の間をはさんで、その間にフォトダイオードが室内の背景光を測る。こうして装置は三つの信号を毎秒数百回受け取る。赤と赤外の波から拍動成分を取り出して R を計算し、数秒間で平均して校正表により百分率に換算する。波の周期からは脈拍が得られる。
通り抜けない光
腕時計は手首を光で透かすことができないので、発光ダイオードとフォトダイオードを並べて置き、皮下から後ろへ散乱して戻る光を捉える。脈拍はこの方法で確実に測れ、多くは緑色の光を使うが、飽和度の精度は劣る。信号が弱く、手首は動き、しかもこうした機器の大半は医療機器ではない。
クリップを裁く基準
血液ガス分析装置では、動脈血を溶血させてキュベットに入れ、数十の波長の光を当てる。これにより装置は酸素化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、一酸化炭素ヘモグロビン、メトヘモグロビンを別々に見分ける。その SaO₂ こそが真の値で、パルスオキシメータの校正と検証に使われる。判断に迷うとき、医師はクリップを信じるのではなく動脈から採血する。
05 · 表記の規則
Sp と Sa · パーセント · 酸素O₂ の前の文字が装置を示す
飽和度は、測定元の記号、整数のパーセント、そして条件――空気を吸っているのか酸素投与中なのか――を添えて書く。
右の一行目は大文字・小文字、下付き文字、パーセント記号を失っている。二行目は飽和度と酸素分圧を取り違え、三行目はクリップと血液ガス分析装置を等号で結んでいるが、装置の許容誤差は数パーセントある。四行目は結合したヘモグロビンの割合を酸素の量と呼び、五行目は装置にない小数第一位までの精度を与え、六行目は脈拍をヘルツで書いている。毎分 72 回は 1.2 Hz である。
06 · 隣り合う単位
圧力 · 波長 · 周波数SpO₂ の隣には、血液中の酸素分圧を測る水銀柱ミリメートル、ヘモグロビンどうしが色で区別される波長を表すナノメートル、そして同じ装置が脈波から数える毎分の拍動数がある。
ヘモグロビンの S 字形の解離曲線で飽和度と結ばれている。
660 と 940 nm は、ヘモグロビンどうしの違いが最も大きいところに選ばれている。
脈波の周期から求めた脈拍で、心臓と同じ周波数。
07 · 歴史の部
アーカイブ · 耳たぶから FDA まで雑音が主役の信号になるまで
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装置はどれほど酸素不足を見逃していたか
棒の高さは、SpO₂ が 92—96 % なのに真の SaO₂ が 88 % 未満だった測定ペアの割合で、Sjoding らの研究（NEJM 2020）の白人患者と黒人患者について示す。目盛りはゼロから 12 % まで。枠が棒を囲む。
画面の数字は同じなのに三倍の差。この研究をきっかけに、規制当局は試験の要件を見直した。
人で校正される装置
パルスオキシメータには、クリップに挟める標準器がない。校正曲線は機種ごとに生身の人間で取る。研究室で少しずつ酸素を減らしながら、同時に動脈血を採るのだ。ISO 80601-2-61 規格は、十人以上の健康なボランティアと、70 から 100 % の範囲で数百組のデータ点を求め、精度は二乗平均平方根の差 Arms で表す。規制当局が認めるのは三〜四パーセントまでである。
弱点は、この十人の顔ぶれにあった。古い規則では肌の色が濃いボランティアは数人いればよく、試験を通った装置はそうした人々でほとんど確かめられていなかった。グループ全体の平均誤差は小さく見え、一部の人に生じる系統的なずれはその中に溶け込んでいた。
2020—2022 年の研究を受けて、FDA は諮問委員会を招集し、色素沈着の全範囲にわたる人々で装置を試験すること、色素は問診票ではなく皮膚の色で客観的に評価すること、そしてグループごとに精度を別々に報告することを提案した。こうして公平さの問題が初めて計量学の問題になった。校正は誰のために行われたのか、という問題である。
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