皮膚の色素沈着バイアスの挑戦：組織酸素測定における時域近赤外分光技術の応用

背景と研究動機

近年、光学技術は医療診断と治療における利用が急速に進んでいます。しかし、皮膚の色素沈着レベル（皮膚中のメラニンの含有量）の違いが光学デバイスの精度に著しく影響を及ぼす可能性があります。たとえば、COVID-19パンデミック中、複数の臨床医が報告したように、脈拍血中酸素飽和度計（SpO2）は低酸素状態にある肌の色が濃い患者に対して十分に正確な結果を示せませんでした。この問題は研究界において光学デバイスの多様な患者層への対応能力を再評価するきっかけとなりました。しかし、異なる光学デバイスに対する皮膚の色素沈着の影響に関する研究は依然として非常に限られています。特に新たに登場した時域近赤外分光技術（Time-Domain Near-Infrared Spectroscopy、以下TD-NIRS）に関してはそうです。

TD-NIRSは、短パルスレーザー、高速光電検出器、およびタイミング電子技術に基づく光学技術であり、光子が組織内を伝播する時間分布を高精度に測定できる点が特徴です。これにより、吸収係数や還元散乱係数といった組織の光学パラメータを定量的に分析することができます。この技術の潜在的な利点のひとつは、浅い層（たとえば、表皮のメラニン変化）への感度が低いことで、多種多様な肌の色を持つ人々における酸素測定ツールとして信頼性が高い可能性です。この論文は、皮膚の色素沈着がTD-NIRSによる測定に与える影響を系統的に調査し、この新技術のポテンシャルを明らかにすることを目的としています。

出典

この研究は、Optica Publishing Groupの《Biomedical Optics Express》2025年16巻2号に「Challenging the skin pigmentation bias in tissue oximetry via time-domain near-infrared spectroscopy」というタイトルで掲載されました。研究チームは、Politecnico di Milano、Consiglio Nazionale delle Ricerche、Buzzi Children’s Hospitalなど、複数の機関から構成されており、主要研究者はAlessandro Torricelli氏です。

研究プロセス

研究は、実験室内の模擬実験、静的および動的な健康な被験者の測定、さらに小児患者での臨床試験を含む複数のステップで行われ、それぞれ皮膚の色素沈着がTD-NIRS測定に与える影響に焦点を当てています。

1. 皮膚ファントムの作成と基礎実験による検証

研究チームはまず、さまざまな色素濃度の皮膚環境を模擬するための一連の皮膚ファントムを設計しました。これらのファントムの材料には、シリコーン（silicone elastomer Sylgard 184）、二酸化チタン（TiO2、散乱剤）および、エタノールに溶解したニグロシン（Nigrosine、吸光剤）が含まれます。ファントムのメラノソーム体積濃度（Melanosome Fraction、以下MF）は、0%、2%、6%、14%、30%、43%に調整されました。最終的にファントムの厚さは約270±10μm、直径は60mmとなり、構造的に自然な皮膚を模倣できる設計となっています。

次に、これらの皮膚ファントムを、既知の光学特性を持つ2種類の固体組織ファントム（Bulk Phantom、B6およびC4）に重ねてテストを行い、異なる皮膚ファントムが光の吸収係数（µa）と散乱係数（µ′s）に与える影響を測定しました。実験結果によると、MFが43%に増加しなければ、620～1100nmの光スペクトル範囲においてµaとµ′sの変化は非常に小さいことが示されました。この結果は、TD-NIRSが浅層の皮膚の色素変化に対して低感度であることを裏付けるものでした。

2. 健康な被験者における静的な体内測定

実験室で得られた結果を体内測定にも適用可能であるかを検証するため、チームは6名の異なる皮膚色素レベルを持つ健康な被験者に対して静的な測定を行いました。測定部位には前腕、額、腹部が含まれ、それぞれ自然な皮膚の上に異なる色素レベルの皮膚ファントムを配置して測定を行いました。

実験結果では、すべての測定部位でMFの変化がµaに与える影響はほとんど誤差範囲内であることが示されました（絶対偏差は0.005cm-1を超えない）。µ′sの変化の幅はやや大きいものの、依然として受容可能な範囲内でした。この結果は、TD-NIRSが皮膚色素沈着の影響に耐性があることをさらに強固なものとしています。

3. 健康な被験者を対象とした動的測定：動脈閉塞試験

研究ではさらに、動脈閉塞試験をデザインし、臨床での酸素変化を再現しました。6名の被験者は手動気袖（圧力250mmHg）を装着し、前腕の動脈閉塞を行いました。閉塞中に、TD-NIRSを用いて組織酸素飽和度（StO2）と総ヘモグロビン濃度（tHb）の動的変化をモニタリングしました。

結果では、tHbの測定はMFの異なる皮膚ファントムによって若干の影響を受けましたが、StO2の測定値はほぼ一致しました。偏差分析では、StO2の絶対偏差が1%未満であることが示され、極めて高い安定性が確認されました。一方、tHbの偏差は主にプローブの位置変更や被験者の生理的な違いに関連することが分かりました。

4. 小児患者を対象とした臨床測定

TD-NIRSの適用可能性をより広い集団で評価するため、352名の小児患者を対象に臨床試験を実施しました。患者はFitzpatrickスキンタイプに基づいて分類され、全ての色素範囲をカバーしました。測定部位は左前頭側頭皮質（脳前部領域）および左上腕（骨格筋領域）で行われました。統計分析では、StO2とtHbの測定値がFitzpatrick分類において有意な変化がないことが示され、TD-NIRSの高い耐性が再確認されました。

研究結論と意義

この研究では、以下の主な結論が得られました：

1. 高い耐性：他の光学装置（たとえば、連続波近赤外分光技術 CW-NIRSまたは光音響イメージング技術）と比較して、TD-NIRSは皮膚色素沈着に対する感度が著しく低いことが判明しました。
2. 臨床での強力な適用性：静的および動的測定環境において、さまざまなMFの皮膚ファントムや自然な皮膚は共にTD-NIRSによる組織酸素飽和度測定にほとんど干渉しませんでした。
3. 新技術の優位性：TD-NIRSは時域特性を活用して、光子飛行時間分布を用いて深部情報を解読することで、表層の皮膚変化の影響を大幅に低減しました。

この研究は、TD-NIRS技術のさまざまな臨床シナリオにおける応用を支えるだけでなく、将来の光学診断標準の制定に向けた重要な基盤を提供します。

研究の注目点

• 化学的に制御可能な人工皮膚モデルを革新的に使用し、厳密な実験条件を達成。
• TD-NIRS技術の静的および動的性能を包括的に分析し、デバイス最適化へのデータ提供。
• 全色素範囲にわたる対象人群での信頼性を検証し、公衆衛生分野での適用可能性を提示。

今後の研究としては、サンプル数を拡大し、より複雑な光学干渉環境をシミュレートすることで、TD-NIRS技術の商業化および臨床転換を加速することが期待されます。