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臨床工学技士国家試験
解説
観血式血圧計の測定系は、カテーテル・延長チューブ・フラッシュ装置・トランスデューサからなる力学系であり、固有振動数と減衰(ダンピング)の影響を強く受ける。誤差を増やす要因は、圧力伝達を阻害したり静水圧差やゼロ点ドリフトを生じさせるもの(凝固、気泡、トランスデューサ高さずれ、ウォームアップ不足など)である。一方、カテーテルを短く硬くすることは系のコンプライアンスを下げ固有振動数を高め、波形歪みやオーバー/アンダーシュートを抑えるため、測定誤差を減少させる。したがって「短くて硬い材質のカテーテルの使用」は“誤差を増加させない要因”に該当する。
選択肢別解説
カテーテル内で血液が凝固すると内腔が狭窄・閉塞し、圧力伝達が遅延・減衰(過減衰)して収縮期血圧は低め、拡張期は高めに出るなどの系統誤差が増える。臨床では持続フラッシュやヘパリン化生食で凝固を防ぐ。よって誤差は増加する要因である。
電源投入直後はストレインゲージ式トランスデューサの温度・ゼロ点・感度が安定せず、ゼロ点ドリフトや感度変化が起こりやすい。ゼロ補正も不十分になり得るため、直後の測定開始は誤差増大につながる。
トランスデューサの高さが基準(右心房レベル)からずれると静水圧差がそのままオフセット誤差となる。高さ差hに対し圧力差は $\Delta P=\rho g h$ で、10 cmの高さ差は約7.4~7.5 mmHgの誤差(1 cmH2O$\approx$0.74 mmHg)を生む。よって誤差増大要因である。
短くて硬いカテーテルはコンプライアンスを下げ固有振動数を高め、適正な減衰比の下で波形の歪みや共振・オーバーシュートを抑えられるため、測定誤差を減少させる要因である。設問は「誤差を増加させない要因」を問うため本肢が該当する。
カテーテル内への気泡混入は系のコンプライアンスを増大させ、固有振動数を低下させるとともに減衰特性を変化させ、波形の振幅低下や位相遅れなどの歪みを招く。結果として収縮期低め・拡張期高めなどの誤差が増加する。
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解説
心拍出量(CO)は、指示薬希釈(熱・色素)、超音波(断層+ドプラ)や血圧波形解析(パルスコンター)などで測定・推定できる。一方、脈波伝搬速度(PWV)は心臓から末梢へ伝わる脈波速度を測る指標で、主用途は血管の硬さ(動脈硬化)評価であり、COを算出する方法ではない。したがって「心拍出量の計測ができない」は脈波伝搬速度法である。熱・色素の希釈法はStewart–Hamilton式によりCOを求め、超音波では流路断面積と時間速度積(VTI)から一回拍出量(SV)を算出しCO=SV×HRで求める。血圧波形解析は動脈圧波形からSVをモデル化してCOを連続推定する。
選択肢別解説
$熱希釈法はスワン \cdot ガンツカテーテルを用い、冷却指示薬を右心系へ注入し、肺動脈での温度変化時間曲線からStewart–Hamilton式でCOを求める。一般形は CO=\frac{I}{\int_0^{\infty} C(t)\,dt}(Iは指示量、C(t)は検出信号に相当)で、臨床で広く用いられるため「計測できない」には該当しない。$
色素希釈法は色素(例:インドシアニングリーン)を注入し、動脈側での濃度時間曲線からStewart–Hamilton式でCOを算出する。指示薬希釈法の代表であり、COを計測できるため不適切ではない。
脈波伝搬速度法(PWV)は心拍に伴う圧波の伝搬速度を測定し、血管スティフネス(動脈硬化度)の評価に用いる指標で、COを算出する手法ではない。したがって本問で「計測ができない」方法として該当する。
$超音波断層法(心エコー)では左室流出路(LVOT)径から断面積 CSA=\pi (D/2)^2 を求め、パルスドプラで得た時間速度積(VTI)と組み合わせて SV=CSA\times VTI、CO=SV\times HR と計算できる。よってCO計測が可能であり、「計測できない」には該当しない。$
$血圧波形解析法(パルスコンター法)は観血的または非観血的に得た動脈圧波形から、動脈コンプライアンス等のモデルを用いて一回拍出量(SV)を推定し、CO=SV\times HRとして連続的にCOを推定する。臨床機器として普及しており、CO計測が可能である。$
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解説
$心拍出量測定には複数の原理があり,典型例として(1)熱希釈法:スワンガンツカテーテル(肺動脈カテーテル)を用い,右房側から約0〜4 ℃に冷却した生理食塩液や5%ブドウ糖液を急速注入し,肺動脈側のサーミスタで得られる温度変化曲線(熱希釈曲線)の面積からStewart–Hamiltonの原理でCOを算出する(注入液は氷冷が一般的)。(2)色素希釈法:インドシアニングリーン(ICG)などの指示薬を注入し,動脈側の吸光度変化から希釈曲線を作成してCOを求める(測るのは色素濃度でありオキシヘモグロビンではない)。(3)フィック法:酸素消費量と動静脈血の酸素含量差を用いて CO = \\frac{V\\!O_2}{C_{aO_2}-C_{vO_2}} で算出する(標準は酸素指標)。(4)超音波法:左室流出路径とVTIから一回拍出量を求めるなど,左室(心室)由来のパラメータで推定する。(5)血圧波形解析法:動脈圧波形から拍出量を推定するもので,必要なのは動脈ライン(方法により校正や他カテーテルを併用)でありスワンガンツは不要。以上より,正しいのは熱希釈法の注入液温に関する記述である。$
選択肢別解説
正しい。熱希釈法では信号対雑音比を高めるため,約0〜4 ℃に冷却した指示薬(生理食塩液や5%ブドウ糖液)を右房側から急速注入し,肺動脈のサーミスタで温度希釈曲線を得て心拍出量を算出する。
誤り。色素希釈法で測定するのはインドシアニングリーン(ICG)など指示薬の濃度(吸光度変化)であり,オキシヘモグロビン量ではない。ICGは近赤外(約805 nm)で吸収を示し,その希釈曲線からCOを求める。
$誤り。標準的なフィック法は酸素消費量と動静脈酸素含量差を用いる(CO = \\frac{V\\!O_2}{C_{aO_2}-C_{vO_2}})。二酸化炭素ベースの"CO2フィック"を応用する装置もあるが,古典的 \cdot 代表的定義は酸素指標である。$
誤り。超音波断層法によるCO推定は左室由来の指標を用いる(例:左室流出路径とVTIから一回拍出量を算出し心拍数を乗ずる,または左室容積の変化から求める)。心房容積からCOを計算する方法ではない。
誤り。血圧波形解析法は動脈圧波形からCOを推定するもので,基本は動脈カテーテルを用いる。スワンガンツカテーテル(肺動脈カテーテル)は熱希釈法に用いられる機器であり,本法の必須ではない。
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解説
超音波はヒトの可聴上限である約20kHzを超える周波数の音波を指す。音速は媒質固有で、波の基本関係式は $v=\lambda f=\frac{\lambda}{T}$ であるため、「速度は波長と周期の積」は誤り。直進性(指向性・回折の少なさ)は波長が短いほど良く、開口径 $D$ の送受波器に対し回折角は概ね $\theta\approx1.22\,\frac{\lambda}{D}$ に比例するので、波長が長いほど直進性は悪くなる。生体軟部組織での超音波減衰は周波数にほぼ比例(係数 $\alpha\propto f$)し、周波数が高いほど減衰が大きい。伝搬に伴う振幅は $A(x)=A_0 e^{-\alpha x}$、強度は $I(x)=I_0 e^{-\mu x}$(定義によっては $\mu=2\alpha$)のように距離に対して指数関数的に減少する。以上より、1と5が正しい。
選択肢別解説
正しい。超音波はヒトの可聴域上限(約20kHz)を超える周波数の音波と定義される。したがって「振動が20kHz以上の音波である」は適切。
誤り。波の速度は $v=\lambda f=\frac{\lambda}{T}$ で表され、波長と周期の『積』ではなく、『商』(または波長と周波数の積)で与えられる。
誤り。直進性(指向性)は波長が短いほど良くなる。開口径 $D$ に対する回折角は概ね $\theta\approx1.22\,\frac{\lambda}{D}$ に比例し、波長が長いほど回折が大きくビームが広がり直進性は低下する。
誤り。生体組織中の減衰は周波数にほぼ比例し(減衰係数 $\alpha\propto f$)、周波数が高いほど減衰が大きい。よって「周波数が低くなると減衰が大きくなる」は逆。
正しい。伝搬に伴う減衰は吸収や散乱により生じ、振幅は $A(x)=A_0 e^{-\alpha x}$、強度は $I(x)=I_0 e^{-\mu x}$ のように距離に対して指数関数的に減少する。
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解説
誤っているのは選択肢4。血液粘度は赤血球の体積分率(ヘマトクリット)に強く依存し、Hctが上がると粘度は増す。赤血球は直径約7〜8μmで、毛細血管(約4〜5μm)を通過する際には膜骨格の柔軟性により変形して通過する。脈波伝搬速度(PWV)は血管壁の実効弾性(インクリメンタル弾性率)に依存し、血圧が高いほど血管が伸展され硬くなるためPWVは大きくなる(例:$PWV=\sqrt{\frac{E h}{\rho D}}$)。一方、体動脈の最高血圧(収縮期圧)は中枢から橈骨動脈などの末梢に向かうと波反射とコンプライアンス低下の影響で増幅しやすく、単調に低下するわけではない。その後、小動脈・細動脈以遠で散逸が大きくなると低下していく。コロトコフ音は聴診法による非侵襲的血圧測定に用いられる。
選択肢別解説
正しい。血液粘度は赤血球濃度(ヘマトクリット)に依存し、Hctが高いほど赤血球同士の相互作用が増えて粘度が上昇する。血液はせん断速度依存の非ニュートン流体だが、同一条件下ではHct上昇で粘度は増加する。
正しい。赤血球(約7〜8μm)は直径がより小さい毛細血管(約4〜5μm)を通過する際、膜骨格の可撓性により形を変えて通過する。これは微小循環を成立させる重要な性質である。
正しい。脈波伝搬速度(PWV)は血管壁の弾性に依存し、血圧上昇で血管が伸展されると実効弾性率が高まりPWVは増加する。近似的に $PWV=\sqrt{\frac{E h}{\rho D}}$ と表され、圧が高いほどE(インクリメンタル弾性率)が大きくなるためPWVは変化(増大)する。
誤り。収縮期圧は中枢大動脈から末梢動脈(例:橈骨)に向かうと波反射・コンプライアンス低下の影響で増幅しやすく、むしろ高くなる傾向がある。その後、小動脈・細動脈以遠で減衰して低下するため、「末梢に行くにしたがって単調に低下」は不適切。
正しい。コロトコフ音は上腕カフで動脈を部分閉塞した際に生じる乱流音で、聴診法により収縮期血圧・拡張期血圧の判定に用いられる。
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解説
呼吸流量は流速と断面積の積で定義される($Q = vA$)。フライシュ型呼吸流量計(フライシュ型ニューモタコグラフ)は多孔(多数の細管)を抵抗体として前後の差圧を測定し、層流条件ではハーゲン・ポアズイユの法則により差圧と流量が比例する関係から流量を求める。肺コンプライアンスは体積変化を圧力変化で割った値($C = \\frac{\\Delta V}{\\Delta P}$)であり、流量は定義に含まれない。呼吸機能計測に用いる圧力計測は一般に差圧トランスジューサ(半導体ピエゾ抵抗型、ストレインゲージ型、容量型など)で行い、ホール素子(磁場センサ)は通常用いない。熱線型呼吸流量計は加熱した白金線などの温度依存抵抗変化を用いて気流による冷却量から流量を求める。
選択肢別解説
正しい。流量 $Q$ は流速 $v$ と断面積 $A$ の積($Q = vA$)で定義される。単位は L/min や mL/s などで表され、同一流路(一定断面)では流速と流量は比例関係にある。
正しい。フライシュ型流量計は多数の細管(キャピラリ)を並列に配置した抵抗体を通過する気流の前後差圧を差圧センサで測定し、層流条件下でハーゲン・ポアズイユの法則に基づいて流量を算出する。細管は流れを整流化し、差圧と流量の直線性を確保する役割を持つ。
誤り。肺コンプライアンスは体積変化を圧力変化で割った値で、$C = \\frac{\\Delta V}{\\Delta P}$(単位:mL/cmH2O)で定義される。体積と流量の積(体積×時間あたり体積)は次元的にも不適切で、コンプライアンスの定義ではない。
誤り。呼吸機能計測での圧力・差圧検出には主として半導体ピエゾ抵抗型やストレインゲージ型、容量型の差圧トランスジューサが用いられる。ホール素子は磁場検出用であり、圧力センサとして一般的ではない。
正しい。熱線型呼吸流量計(熱線風速計)は加熱した白金線(またはタングステン線など)の温度依存抵抗変化を利用する。気流により熱が奪われ抵抗が変化し、その変化量(定温度方式や定電流方式のブリッジ出力)から流量に換算する。
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解説
ストレインゲージ式血圧トランスデューサでは、血圧(圧力)が受圧膜(ダイアフラム)で機械的変位に変換され、その変位で生じるひずみをストレインゲージの抵抗変化として検出する。微小な抵抗変化はホイートストンブリッジで電圧変化として高感度に読み出し、必要に応じてダンパで測定系の振動・共振を抑えて波形の忠実性を高める。半導体ストレインゲージは高感度だが温度依存性が大きいため、温度補償(ブリッジ構成や補償回路)が用いられる。誤りは選択肢3で、ストレインゲージの抵抗変化率はひずみに比例し、反比例ではない($\Delta R / R = K \\epsilon$)。
選択肢別解説
正しい。半導体ストレインゲージは感度(ゲージ率)が高い一方で温度係数が大きく、温度変化でも抵抗が変動するため、ブリッジ構成やダミーゲージ、補償素子を用いた温度補償が行われる。
正しい。カテーテル-トランスデューサ系は共振により波形の振動(リンギング)を生じ得る。適切なダンパ(制動)を付加することで過度の振動を抑え、波形の忠実度を改善できる。
誤り。ストレインゲージの抵抗変化率はひずみに比例する。一般式は $\Delta R / R = K \\epsilon$(K: ゲージ率)であり、「反比例」は不適切。
正しい。受圧膜(ダイアフラム)が圧力を機械的変位(たわみ)に変換し、その結果生じるひずみをゲージで検出するのが基本構造である。
正しい。ストレインゲージの微小な抵抗変化はホイートストンブリッジで差動電圧として検出される。ブリッジは感度向上に加え、温度ドリフトの相殺にも有用である。
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解説
パルスオキシメータは、赤色光(約660 nm)と赤外光(約940 nm)の2波長を用い、拍動性(動脈)成分の透過光変動から比(ratio-of-ratios)を求め、経験的な校正曲線に当てはめてSpO2(末梢動脈血酸素飽和度)を算出する。比を用いるため測定時のユーザ校正は不要である。測定は指尖に限らず、耳朶・足趾・前額など脈波が得られる部位で可能である。一方、心原性ショックなどの末梢循環不全では脈波が微弱または消失し、測定不能・不安定になりやすい。原理的にはオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの吸光度差(ランバート・ベールの法則)を利用する。なお比の定義の一例は $R=\frac{(AC/DC)_{660}}{(AC/DC)_{940}}$。
選択肢別解説
正しい。パルスオキシメータは赤色光と赤外光の吸光度比(ratio-of-ratios)からSpO2を求めるため、光源の絶対光量や組織厚などの影響を相対化でき、使用時の現場校正(キャリブレーション)は不要である(機器は製造時に校正曲線が組み込まれている)。
誤り。測定は指先以外でも可能で、耳朶、足趾、新生児の足底、前額など脈波が検出できる部位に対応した各種プローブが存在する。
誤り。心原性ショックでは末梢循環が低下し、動脈拍動成分(AC成分)が得られにくくなるため、測定不能または値が不安定になりやすい。
誤り。用いるのは赤色光(可視光)と赤外光の2波長であり、赤外線2波長のみではない。代表的には約660 nm(赤)と約940 nm(赤外)を用いる。
正しい。オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンで吸光度が異なる性質(ランバート・ベールの法則)を利用し、動脈拍動成分の吸光度比から酸素飽和度を算出する。
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解説
誤っているのは選択肢3。超音波診断は、組織間の音響インピーダンス差による反射エコーを受信し、往復時間(飛行時間)から深さ情報(距離)を求めて断層像を描出する。軸方向(距離)分解能はパルス幅・波長に依存し、周波数が高いほど波長が短くパルス長が短くなるため向上する。一方、軟部組織中の減衰係数は周波数にほぼ比例(約0.5 dB/cm/MHz 程度)し、低周波ほど減衰は小さい。方位(横方向)分解能はビーム幅に依存し、ビームが狭いほど高い。
選択肢別解説
正しい。反射エコーの受信時刻から深さを算出する飛行時間法を用いる。音速を一定(例:軟部組織で約1,540 m/s)と仮定し、往復時間から深さ d を推定する(概念的に $t \approx 2d/c$)。これにより各走査線上の画素位置が決まる。
正しい。距離(軸方向)分解能は空間パルス長 SPL に依存し、概ね 1本のパルスに含まれるサイクル数 n と波長 $\lambda$ に対し $\mathrm{SPL}=n\lambda$、軸方向分解能は $\mathrm{SPL}/2$ 程度。周波数上昇で $\lambda$ が短くなり SPL が短縮するため分解能が向上する。
誤り。軟部組織での超音波減衰は周波数にほぼ比例し、低周波ほど減衰は小さく深部まで到達しやすい。したがって「周波数が低いほど減衰が大きい」は逆の記述。
正しい。超音波は音響インピーダンス $Z=\rho c$ の異なる境界で反射し、その反射波を画像化に利用する。平面境界の正入射での反射係数は $R=\left(\frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}\right)^2$ で表され、インピーダンス差が大きいほど反射が強い。
正しい。方位(横方向)分解能はビーム幅に依存し、ビームを狭く(集束させて)指向性を高めるほど、隣接構造を分離して描出できる。ただし焦点深度などとのトレードオフは存在する。
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