今号のハイライト ;22:3-8. 本号には相澤らの 適切な脳組織酸素飽和度を維持 するために必要な各種バイタルサインに関する研究 が掲載されている 1) 近赤外線分光法(near-infrared spectroscopy, NIRS) による脳酸素飽和度 (oxygen satura

日集中医誌 2015;22:3-8.

今号のハイライト①

はじめに

本号には相澤らの「適切な脳組織酸素飽和度を維持 するために必要な各種バイタルサインに関する研究」 が掲載されている1)_{。近赤外線分光法（near-infrared} spectroscopy, NIRS）による脳酸素飽和度（oxygen saturation in the brain, ScO2）測定は古くからあるモ

ニタリングであるが，その算出原理はベールに包まれ ており，値の解釈には注意が必要である。本稿では脳 循環代謝の基礎，脳血流量（cerebral blood flow, CBF） の 調 節 機 構，内 頸 静 脈 血 酸 素 飽 和 度（oxygen saturation in the jugular venous blood, SjO2）モニタ

リングと脳酸素需給バランスを述べた後，NIRSによ るScO2モニタリングの意義およびその値に影響する 因子をまとめ，「神経集中治療のピットフォール」とす る。

脳循環代謝の基礎，CBFの調節機構

CBFは全脳で54 ml/100 g/minであり局所差があ る2)_{。CBFは脳灌流圧（cerebral perfusion pressure,}

CPP）によって駆動され（Fig. 1），CPPはMAPと頭蓋 内圧（intracranial pressure, ICP）の差である。

　CPP＝MAP－ICP （1） CBFとCPPの関係は「CBF＝CPP/脳血管抵抗」で 表される。脳血管抵抗は，血管径（の4乗の逆数），脳 血管長（一定），血液粘度により決定される。なお，血 液粘度はHb濃度に左右される。 　CBF＝K× CPP×r_L×μ4 （2）

K, coefficient; L, vessel length; r, vessel diameter; μ, blood viscosity.

脳酸素消費量（cerebral metabolic rate for oxygen,

CMRO2）は3.6 ml/100 g/min2)で，全酸素消費量の

20％を占める。脳局所の機能が亢進すると局所の

CMRO2およびCBFが増加する3)。酸素は主にHbで

運搬されるので，溶存酸素を無視するとCMRO2は

Fickの原理で以下のように計算される。

　CMRO2＝CBF×（CaO2－CjO2）

　＝CBF×1.34×Hb×（SaO2－SjO2）（3）

CaO2, oxygen content in the arterial blood; CjO2, oxygen

content in the jugular venous blood.

脳はブドウ糖を基質として好気的なエネルギー代謝

を行い，CBFが病的に変化してもCMRO2と脳グル

コース消費量（cerebral metabolic rate for glucose, CMRglu）は脳機能を反映する。健常人では，CBF，

CMRO2，CMRgluは灰白質で高く，白質はその半分程

度である4)_{。酸素摂取率（oxygen extraction fraction,}

OEF）は全脳で均一である。CMRgluはCBFと同様の 分布を示す。 Fig. 1に脳血管の自己調節能を示す。CBFはそれを 駆動しているCPPが変動しても，脳血管径を変化させ ることによりCBFを一定に保つ作用があり，これを自 己調節能という。脳はエネルギーの貯蔵に乏しく， CBFが維持され常にブドウ糖や酸素が供給されるこ とが必要となる3)_{。自己調節能により，血圧が変動し} てもCBFが一定に保たれ脳機能が安定する。自己調 節能が障害されると，CBFが血圧に比例して変動する （Fig. 1）5)_。

SjO

2

モニタリングと脳酸素需給バランス

SjO2は内頸静脈から逆行性に球部（通常は右側）に 挿入したオキシメトリーカテーテル（4〜5.5 Fr）の先 端に組み込まれたセンサーで連続モニタリングされ る。内頸静脈には脳全体からの血液が還流するので， SjO2は全脳のモニタリングである（Fig. 2）。

Fickの原理からSjO2はSaO2に依存し，CMRO2と

「Hb×CBF」の比により変化する。 CMRO2 SjO2＝SaO2－ CBF×1.34×Hb （4） SjO2は「CBF/CMRO2」に比例し，脳代謝に見合う脳 血流が流れているかの指標である。SjO2＜50％を desaturationと称して虚血の指標である一方，SjO2＞ 90％は脳死など重症脳障害の状態を示唆する（Fig. 2）。

神経集中治療のピットフォール：近赤外線分光法による脳酸

素飽和度モニタリング

Fig. 1 Autoregulation of CBF and its disturbance

CBF, cerebral blood flow; CPP, cerebral perfusion pressure.

Fig. 2 Monitoring and interpretation of SjO2

CaO2, oxygen content in the arterial blood; CBF, cerebral blood flow; CjO2, oxygen content in the jugular venous blood; CMRO2, cerebral metabolic rate for oxygen, OEF, oxygen extraction fraction; SjO2, oxygen saturation in the jugular venous blood.

重症脳障害においては，CMRO2がきわめて低い，ある いはCMRO2に比してCBFが相対的に高い，さらに脳 ヘルニアの場合CBFが流れず頭蓋外血流が内頸静脈 球部に逆流する，などの理由によりSjO2がきわめて高 く な る 可 能 性 が あ る。 低 体 温 療 法（therapeutic hypothermia, TH）あるいはバルビツレート療法では CMRO2が低下するためSjO2は上昇する6)。

1

）

Hb

と

SjO

2 Hbが増加すればSjO2は上昇する（式4）が，一方で 血液粘度が上昇すればCBFが低下し（式2）SjO2は低 下する。したがってHb変動のSjO2への影響は一様で なく，SjO2モニタリングの際にはHb変動は少ない方

が よ い。 心 停 止 後 症 候 群（post cardiac arrest syndrome, PCAS）の心拍再開（return of spontaneous circulation, ROSC）後TH施行時において，血液粘度が 上昇すれば中大脳動脈血流速度（middle cerebral artery flow velocity, MCAFV）が低下することが報告

され7)_{，ROSC後には血液粘度を適正することがCBF} Brain CBF SaO₂ SjO₂ Ischemia Ischemia suspected Normal Hyperemia Brain death ＜50 50∼60 60∼80 80∼90 90＜ SjO（％）₂

＝CMRO₂ / oxygen delivery

＝CMRO₂ / （CBF×CaO₂） ＝1−CjO₂ / CaO₂ ＝1−SjO₂ / SaO₂ ＝SaO₂−SjO₂ OEF（normal 35％） SjO₂ monitor CPP 50 150 （mmHg） Cerebral vasoconstriction Cerebral vasodilation 100 0 Autoregulation: normal Autoregulation: disturbed Cerebral vasodilation Cerebral vasoconstriction Breakpoint Breakpoint Normal Disturbed CBF（％）

の維持，ひいては二次性の脳損傷の予防につながると 考察されている。重症頭部外傷治療・管理のガイドラ イン8)_{ではHb＞10 g/dlが推奨されている。}

2

）

PaCO

2と

SjO

2 PaCO2を低下させると脳血管は収縮する（Fig. 3）。 CBFは血管内径の4乗に比例して変化するので（式 2），PaCO2を低下させるとCBFは低下し，その結果 SjO2も低下する（式4）。一方，CBFの低下により脳血

液量〔cerebral blood volume, CBV（＝CBF×平均通 過時間）〕の減少を介してICPが低下した場合には CPPが上昇する（式1）ことになるため，自己調節能が 障害されている場合（Fig. 1）ではむしろCBFが上昇 しSjO2の上昇を引き起こす可能性もある。したがっ てPaCO2のSjO2への影響も一様ではない。 過換気療法ではCBF低下による脳虚血の危険性が あるので，重症脳障害に対して過換気療法をルーチン に行うことは推奨されていない。SjO2モニタリング により脳虚血を避けて過換気療法を行うことは理論上 可能であるが，上述の推定からもその方法に決まった ものはない9)_{（Fig. 2）。}

3

）

MAP

と

SjO

2 MAPが上昇した場合，脳血管の自己調節能が正常 であればCBFは変化せず（Fig. 1），SjO2の変化はな い。自己調節能が障害されている状態において，脳酸 素化を改善しようとしてCPPを上昇させるとCBFが 上昇し（式2），結果としてSjO2が上昇していく（式4）。 一方，自己調節能が障害されている状態では，血圧が 上昇するとCBFが増加することでCBVが増加するた め，脳の容積が増えてICPが上昇してしまう。その結 果，かえってCPPが低下してCBF低下が起こり，SjO2 が低下する可能性もある。したがってMAPのSjO2へ の影響も一様ではない。

4

）

SjO

2の現在の立ち位置 SjO2モニタリングは最近報告が少ない。上述した ように各因子が複雑に影響していることもその原因で あろう。またSjO2カテーテルが血管壁に当たったり して値を連続的にうまく表示できないこともある。さ らに1日に数回採血して値を較正する必要があり，面 倒であることも使用されなくなった理由と思われる。 しかしSjO2は脳酸素需給バランスの標準的な評価法 である。 実は過換気療法においてSjO2が正常であっても虚 血領域が拡大しているという報告10)_{があるが，これは} SjO2が脳局所ではなく全脳のモニタリングであるこ と（＝局所変化を反映できない）を図らずも示してい る。逆に言えば，PCASなどのびまん性脳障害におい ては，「脳局所を反映できないSjO2」であっても，その 能力を素直に発揮できるはずである。SjO2はそれ単 独ではなく，他のモニタリングパラメータを組み合わ せて判断することが推奨される。また脳血管の自己調 節能あるいは脳血流のCO2反応性などを同時に評価 することも推奨される。

ScO

2

モニタリングと脳酸素需給バランス

1

）

NIRS

の算出原理 近赤外線は骨を含めた組織を通過できる。ScO2の 算出には，酸素ヘモグロビン（oxyhemoglobin, HbO2） と還元ヘモグロビンで近赤外線の周波数帯域によりそ の吸光度が異なることを利用する。実際には2〜3波 長の異なる近赤外線を使用して吸光度の差を測定し ScO2が算出される。この基本原理に関してScO2と SpO2は同様である。

Fig. 3 CBF and PaO2, PaCO2 CBF, cerebral blood flow. CBF（％） 50 0 50 100 150 200 150 （mmHg） PaO₂ PaCO₂

SpO2は2波長を利用し拍動成分から動脈血のHbO2 を算出するシステムであり，プローブは指先なので発 光部と受光部が近く，光は直進して受光部に達するの で定量的にも安定している。したがってSpO2は絶対 値が信用できるので，危険値（閾値）を設定し解析する ことができる。ScO2ではこれらが複雑である。

2

）

Modified Beer-Lambert

法による

HbO

2濃度変

化の測定 NIRSでのHbO2の算出には仮定が含まれる。しか し新生児に用いた場合は，頭蓋骨は薄く，脂質成分で あるミエリン鞘が薄いために，光は受光器に直進でき る。したがって新生児でのNIRSによるHbO2は，信 用できる測定値と考えられる。 一方，成人でのNIRSによるHbO2においては，近赤 外線の通過を頭蓋骨，ミエリン鞘が邪魔するために， 拡散，吸収，散乱が繰り返し起こり，光路は発光部と 受光部の間で総じて弓状の軌跡をとる。したがって， 拡 散，吸 収，散 乱 の 計 算 に 必 要 なmodified Beer- Lambert法は以下のような式になる。 　ΔA＝ε×L×ΔC （5） L, 平均光路長；ΔA, 光吸収変化量；ΔC, 濃度変化量；ε, モル吸光係数． 濃度変化量つまりHbO2濃度変化量は光吸収変化量 などから算出されることになる。ただし，発光部から 出た光は拡散，吸収，散乱によりすべてが受光部には 戻らない。したがって，この場合全体の平均として何 cmの道筋を近赤外線が通ったかを考え，これを平均 光路長とする方法が用いられている。計算上，平均光 路長は固定値とされている装置が多い。実は平均光路 長が固定値であることは，算出されるHbO2濃度変化 量が過大評価され，その絶対値を信用できない最大の 理由である。 （1）Hb濃度の平均光路長への影響 Hb濃度が低いとHb分子の隙間が開いてくるので， 遠くまで近赤外光は到達する。したがってHb濃度は 平 均 光 路 長 に 影 響 す る。 位 相 分 解 分 光 法（phase resolved spectroscopy, PRS），つまり強度を変調した 近赤外線を発光して，位相のずれから光路長の測定し た報告11)_{においては，人工心肺中で血液希釈により} Hb濃度が低下すると光路長が長くなることが確認さ れている。 （2）頭蓋骨の厚みの平均光路長への影響 動物（ブタ）実験においては，プローブ直下の頭蓋骨 の厚みおよび骨直下の髄液層もchannelとなって平均 光路長に影響することが報告されている12)_。

3

）空間分解分光法（

spatial resolved

spectrosco-py, SRS

）による

ScO

2の測定

メーカー2社により，算出アルゴリズムが異なる

NIRO®_{（浜松ホトニクス）とINVOS™（Somanetics,}

USA）というScO2モニタリングがそれぞれ発売され

ている。NIRO®_{では組織酸素飽和度（tissue}

oxygen-ation index, TOI），INVOS™では局所混合血酸素飽和 度もしくは組織酸素飽和度（regional saturation of

oxygen, rSO2）というScO2が算出される。

（1）TOI SRS法を採用し，受光部のプローブを複数配置し， 距離が異なる検出部位での受光強度差からHbO2濃度 を計算することで光路長の影響をキャンセリングして いる13)_{。したがってTOIは平均光路長に影響されな} い。またTOIの計算アルゴリズムは公開されている。 （2）rSO2 rSO2もSRSで算出されているが，その計算アルゴ リズムは非公開である。しかし臨床ではrSO2はHbの 影響を受ける，すなわちHbとrSO2には正の相関があ ることが報告されている14)_{。また，股関節全置換術中} の検討においても，Hbが徐々に減少すると（最低Hb 7.0 g/dl）rSO2が減少するが，同時に測定したSjO2お よび脳OEFは変化していないことも報告されてい る15)_{。これは，rSO2がSjO2と異なり，脳酸素需給バ} ランスを必ずしも反映していないことを示唆する。 rSO2とSjO2とは健常人ボランティアにおいて脳内動 脈血液量25％，静脈血液量75％という仮定の下では よく相関することが報告されている16)_{。しかし，} PCAS昏睡患者においてはSjO2≦60％ではrSO2はむ しろ高値，SjO2＞60％ではrSO2はむしろ低値となり， rSO2とSjO2とは相関しないとの報告もある17)。 脳CT画像から判断したプローブ直下の頭蓋骨の厚 み，および骨直下の髄液層面積，Hb，平均血圧のrSO2 およびTOIへの影響を検討した報告では，rSO2には これらすべてが有意に影響しているが，TOIはこれら には全く影響されない18)_。 元来，頭蓋骨の厚み，髄液層面積，Hbは光路長に影 響する因子である。以上からrSO2はアルゴリズムと して光路長に関連する因子を含んでいる，すなわち， 光路長が固定値あるいは光路長の影響がキャンセリン グされていないことが推定される。rSO2は多因子か ら影響を受けていると考えねばならない。 （3）頭蓋外血流のScO2への影響 TOIおよびrSO2は程度の差はあれ，CBFに加えて 頭蓋外血流量に影響される。頭部をバンドで締めてプ ローブへの血流を減少させた研究においては，rSO2の

減少が示されている19)_{。ただし，この報告ではTOI} は検討されていない。

4

）

ScO

2の絶対値と相対値（基準値からの変化率） ScO2が反映するのはプローブ直下（前額部）の脳局 所の情報であり，全脳のそれではない。トレンデレン ブルグ体位で頭を下げると脳内静脈血量が増えて rSO2が低下することは経験されることであるが， ScO2は上述したようにSjO2ほどには脳酸素需給バラ ンスを反映しないと思われる（Fig. 2）。 以上からScO2は絶対値そのものよりも基準値から の変化率（量）を統計評価した方がよい。そしてTOI とrSO2とでは測定精度が異なると考えられ，特に rSO2は算出方法が不明で影響する因子も多いために， 絶対値で評価した場合の結果の解釈には注意が必要で ある。 さらに，変化率で比較した検討においても，頸動脈 内膜剥離術でのScO2からみた虚血閾値（基準値から の変化率）は，17％（脳波変化で評価）20)_{，11.7％（術後} の神経症状で評価）21）_{，30％（術中虚血症状，たとえば} 痙攣，多弁などの有無で評価，局所麻酔下）22)_とばら ばらである。さらにsystematic reviewにおいて，成 人心臓手術中のScO2低値と術後神経傷害との関係に

はlow level evidenceがあるものの，術後脳卒中や認

知障害発生を回避するためにScO2閾値やScO2を増加

させる方法について結論を出すにはデータ不足である

と報告されている23)_。

5

）

NIRS

と脳血流

PaCO2を 変 化 さ せ て 経 頭 蓋 ド ッ プ ラ ー 法

（transcranial Doppler, TCD）によるMCAFV，TOI，

rSO2の変化を測定した報告がある24)。TCD測定ター ゲ ッ ト と な るMCA部 位 の 径 は 変 化 し な い の で， MCAFV（cm/sec）の変化はCBFの変化と相関する。 こ の 報 告 で はnormocapniaに 比 し てhypocapnia （PaCO2 30 mmHg）ではMCAFV，TOI，rSO2は約 10 ％ 減 少 し，normocapniaに 比 し てhypercapnia （PaCO2 50 mmHg）ではそれぞれ約10％増加してい る。つまりTOI，rSO2はある程度CBFを反映してい る。

6

）時間分解分光法（

time resolved spectroscopy,

TRS

）：絶対値が実測できる

ScO

2測定法 光パルスを発射してパルス光の広がりを評価し，吸 収係数，散乱係数，拡散係数，光路長を分光計測する 方法である。TRSを使用すると，頭蓋骨がある場合に 比して頭蓋骨がない場合，光は多く吸収され吸収係数 は増加，骨による散乱は少なくなり散乱係数は減少， 光路長は短縮することが予想される。頭蓋骨の厚さが ScO2に影響することを示すことができる方法でもあ る。 TRSでは生体内のHbO2などが実測でき，アルゴリ ズムの信頼性は高く絶対値が信用できる。頸動脈内膜 剥離術の遮断前，遮断中，遮断後において，TRSによ

るScO2とSjO2が比較されている25)。Bland-Altman

分析において，bias－1.3％，precision 9.7％であり， 従来の報告よりもTRSはやや精度が高いと報告され ている。従来法でみられた前頭部での左右差もTRS では少ないようである。TRSを使用したNIRO®_は近 く製品化される。

7

）相澤論文について 相澤ら1)_{は，ScO2は標準値が規定されていないため} 数値の解釈は個々の患者ごとの検討が必要であること に言及した上で，結果としてrSO2はPaO2もしくはHb とは正の相関，体温とは負の相関が著明であり，さら にPaCO2あるいは混合静脈血酸素飽和度との相関も 報告している。脳ヘルニアあるいはCBFの自己調節 が著明に障害された状態の症例は含まれていないと考 えられるので，これらの結果は，上述したようにrSO2 が脳酸素需給バランスをある程度反映していることと 矛盾しない。ただHbは脳酸素需給バランスの反映と は異なり，測定原理の点でrSO2に影響していること になる。

まとめ

TOIは光路長には影響されないが頭蓋外血流には影 響される。rSO2は光路長因子（頭蓋骨の厚み，頭蓋骨 直下髄液層面積，Hb），頭蓋外血流，すべてに影響さ れる。ただ，NIRSの多くの機器の中でとくにTOIが 優れているという論調ではない23)_{のはこれらが相対} 値であることによるのであろう。解決すべき項目は多 い26)_。 本稿の著者には規定されたCOIはない。 黒田　泰弘 香川大学医学部救急災害医学 （〒761-0793　香川県木田郡三木町池戸1750-1） 文 献 1) 相澤　純，永田博文，山田直人，他．適切な脳組織酸素飽 和度を維持するために必要な各種バイタルサインに関する 研究．日集中医誌 2015;22:17-22. 2) 黒田泰弘，山下　進，中村丈洋，他．蘇生後脳症における 脳循環代謝．日救急医会誌 2006;17:167-76.

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受付日2014年 8 月15日 採択日2014年 8 月26日

Pitfall in neurocritical care: near-infrared

spectroscopy for monitoring of oxygen

saturation in the brain

Key words: ①near-infrared spectroscopy, ②oxygen

satura-tion in the brain, ③cerebral oxygen supply and demand, ④oxygen saturation in the jugular venous blood, ⑤ hemoglobin

Yasuhiro Kuroda

Department of Emergency, Disaster, and Critical Care Medicine, Faculty of Medicine, Kagawa University

（1750-1 Ikenobe, Miki, Kita-gun, Kagawa 761-0793, Japan）