明治国際医療大学

1. ウェアラブルディバイスと医療
2. 健康維持のための活動量計測
3. 心拍の計測
4. 呼吸のモニタ
5. 睡眠深度のモニタ
6. 体温計測
7. 血圧計測
8. 生体組成計測

　

9. スマートウォッチ比較

ウェアラブルディバイスと医療

ウェアラブルディバイスは一般に身につけるディバイスです。iPhoneとのインターフェイスとしても利用できるApple Watchは大変注目を集めました。ソフトウエアもapple watchのwatchOSというソフトウエアでiOSやiPadOSとの連携で他のウェアラブルディバイスを引き離しています。GoogleもFitbitを買収し成長を続けています。G-shockを生んだカシオもついにSmart Outdoor Watch 「WSD-F10」を2016年に投入することを発表しました。OSはandroid wareで、Android端末やiOS端末に連携可能のようです。気圧センサーや方位磁気センサーを備えたトレッキングシーンなどを想定したディバイスです。一方、Apple Watchは多彩なアプリもさることながら、心拍をモニターセンサーを装備しており、iOSのアプリであるヘルスケア(helth care)と連動して健康管理の利用を目指しているようです。もともiPhoneは5からモーションセンサーを備えており、iPhoneの持つGPSなどと併せて活動量を計測できます。これに心拍計測を平行しておこなうことができるようになれば、活動量から負荷を計算し、その時の心拍数をモニターすることができるようになると考えられます。こうした活動量や心拍をモニターするディバイスは現在JabraやEPSONなど数多くのメーカーが発売しています。こうした目覚ましい発展お一方で、IoT(もののイターネット)で懸念されている個人情報の流出の懸念されています。詳細は2022年3月の角川アスキー研究所の記事を参考にしてください。

健康維持のための活動量計測と生活活動量のロガー

現在の多くのウェアラブルディバイスはGPSや加速度センサーを内蔵した活動量計です。なかには　メモリを備えており、スマートフォンにあとからデータを送ることができます。これらは2013年ごろから発売された商品群があり、Jawbone社(製造元-jawbone)のリストバンド型活動量計はアメリカでよく売れたようですが、現在では製造していません。そのほかにFitbit社(fitbit)も発売しています(fitbitのデータをwebで確認する方法(download)はここから)。さらに、ボタン一つの小さな装置が、一人暮らしの生活者の日常を見守る”Amulyte“というディバイスもあります。Amulyteは、”amulet”(お守り)に由来するようです。記事によると”セルラー無線、WiFi、GPS、加速度計、そして全体をコントロールするマイコンを搭載しており、しかも電池は一週間もつ。”ようです。お守りと言うだけあって、緊急時に信号を出すようになっています。また、2016年のAmazonで”ウェアラブルディバイス”で検索すると実に多くの活動量計がヒットします。その多くは心拍計測の機能も備えているようです。
　2022年にRune Labs社(英文)はApple watchの記録を利用してパーキンソン病患者(難病情報センターの解説)からデータを収集することについてFDAから510(K)の認可を得たようです。データを統合するStrivePDソフトウェアエコシステムは、自己申告の症状情報を脳画像、電気生理学、遺伝子およびその他の臨床データなどを組み合わせる機能を持つようです。(rune labsの英文広報記事)(2022.06.16)

心拍の計測と生体電気信号の取得

健康管理として一番期待されるのが心拍計測です。心拍計測の多くはApple Watchに代表されるように腕の脈を光学式でモニターします。このタイプはEPSON社のPULSENSEや、<a title="Fitbit社のCharge-心拍計" href="https://www.fitbit.com/jp/charge” target=”_blank”>Fitbit社のCharge、や2016年に発売された，Polar社のA360などがあります。

また2020年同じWWDCでWatchOS 7でApple Watchで睡眠記録が確認できるようにななりました。でもAuto sleepで確認する方が情報が多い気がします。(2020.09.28)
慶応大学病院ではapple storeからdownloadできるアプリを利用してApple watchの睡眠機能を利用した大規模な研究を開始したようです。Apple watch 4以降でwatchOS 7.0以降、iOS 14以降を持つ日本語のわかる人が条件です。簡単質問と睡眠記録を7日間報告するようです(実際には6日?)。興味のある人は参加してみてください(研究協力なので診断などの受益は期待できませんが医療の進歩のためですし、日本のapple watchユーザーが恩恵にあずかれる日が来るかもしれません。研究のホームページ「Apple watch heart study」)。

2021年9月下旬に発売が予定されているcharge5は、今はなきJawbone社のUP3に採用されていたバイオインピーダンスと同じEDA(ElectrodermalActivity:皮膚電気信号)のセンサーを持ち、ECG(心電図:日本ではまだ利用できない)、および皮膚温センサ−、酸素濃度モニター(SpO2センサー)が搭載されるようです(Fitbit社の英語ページ、 Fitibtの日本サイト)。EDAはストレスモニターにも利用され、皮膚温センサーと併せて睡眠モニターの機能向上が期待できそうです。ただし、アプリケーション上のいくつかの機能は有料です(プレミアム)。
EDAについては、Analog Device社のEDA解説ページを参考にしてください。

Jawbone社のUP3は生体インピーダンス法で（bioinpedance:生体抵抗, 微弱な電流を流して心拍を計測,関連英文論文)、電池寿命を伸ばすことに成功しています。GPS付きハートレートセンサーHacalo!（CS010BLE）のように胸に巻いて電気信号を心筋の出す電気信号を直接計測する装置もあります。Hacalo!はボタン電池で800時間持続可能とされています。心拍数は脈拍計測と比較してほぼ正確です。

こうしたタイプには他にPolar社の心拍センサーがありますが、Ploar社は最近光学式センサーを搭載したリストバンド型活動量計(A360)も出しています。この活動量計は、一日1時間のトレーニングを含む24時間のモニターで12日の電池寿命とされています。活動量に依存してサンプリングのタイミングを変化させているようです。
Apple Watchにも心拍を計測する機能があります。また、心電図を計測するディバイスを追加して心電図を計測するツールも販売されています。AliveCor社が販売しているApple Watch専用のバンド「Kardia Band (alivecor)」もその一つです。2017年3月にオムロンが出資し提携が報じられています(2017年3月)。(2017.12.04)

AppleWatachのバンド部分に取り付け、反対側の手の指で30秒ほど電極を触れると心電図を計測するようです。(https://store.alivecor.comの利用法説明画像より)

2018年8月についにApple Watch4本体での心電図の計測が可能になりました。方法はAliveCore社の心電図計測バンドと同じです。左手首にしたApple Watchのスクリューヘッド部分を右で触って計測する様子がApple社(アメリカサイト)にありました。このECG計測はアメリカの食品医薬品局FDAの認可があり、アメリカ国内ではすぐに利用できますが、日本ではまだ計測できません。

watchOS 5.1.2でApple Watch 4で心電図が表示されてるアプリケーションをサポート開始(Apple iTunestore)されました。30秒の計測で心臓が正常なパターンで鼓動しているか、心房細動の兆候がないかが判定されるようです。日本での利用開始が待ち望まれます。この昨日で安心する人や病院での検査を受け発作を未然に防げるとといいと思います。(2018.12.7)(Apple Watch4による心電図の計測(2018年9月12日))
watchOS 5.2がリリースされ心電図計測可能な地域が広がりました。(2019.3.27)
2021年1月22日に日本でのapple watchで心電図計測ができる予告がApple社から発表されました。(2021.01.22)
ついにiOS_14.4とWatchOS_7.3で心電図計測が可能になりました！Apple Watchにある心電図アプリを起動してデジタルスクリューを指で触ると心電図計測が始まり30秒計測します。

さらにiPhoneのヘルスケア→ブラウズ→心臓→心電図とすると過去のデータを確認できます。

(2021.01.27)

また、自律神経に関連する心拍変動についてもiOSなどのヘルスケアアプリの中に表示されるようになりました。ヘルスケアアプリ->ブラウズ->心臓->心拍変動として表示されます。コロナウィルス感染と発症と心拍変動の関連も研究(Med IT Techの記事, 英語論文)されているようです。
心拍変動の見方は以下のとおりです。

(2021.01.25)
UP3やCharge2、Apple Watchの心拍測定機能は、UP3が安静時心拍と睡眠の質を重視し、Charge2は心拍数の変化から活動量計測を重視、Apple WatchはiOSとのヘルスケアやその他の関連するアプリの豊富さが特徴かもしれません。また、Charge2の防水機能はUP3より高い一方で、ベルトは少しはめにくい材質です。UP3はバッテリー寿命が特徴かもしれません。(UP3は2017年に製造中止になっています)

こうした心拍センサーはたいていiOSのヘルスブックに同期してデータを集めることができるようになっています。一方、心筋の電気信号を得るために必要な電極を装着するストレスをなくす技術として、東レが作成しNTTと共同で発表した心拍計のための電動線維hitoeがあります。これは、肌着の生地に導電線維を織り込むことで心拍電極の接触を意識させないようになります。東レとNTTは2014年1月30日、着衣するだけで心拍数や心電波形といった生体情報を取得できる高機能素材「hitoe(NTTdocomo)」(TORAYのページ)を開発し、量産化に成功したと発表したと発表しました。hitoeはPEDOT-PSS(“PEDOT-PSS“)という導電性高分子を、東レが開発した700nmという細さのナノファイバーに浸透させて作成しているようです。このため繊維は肌に密着しやすく伸縮性も生まれ、電極の位置がずれることなく信号をしっかり検出でき、銀を織り込んだ糸で配線された小型端末からBluetoothでスマートフォンに信号を送り心電図を計測することができます。NTTのページにはhitoeの紹介動画があります。

(画像参照元は現在削除されています。http://www.hitoe-toray.comを参照, https://www.nttdocomo.co.jp/info/news_release/2014/01/30_00.html)
(2014.02.02)(2014.02.08)
その他に、2016年1月にNECとグンゼが同様のコンセプトの発表を行っています(NECの報道発表, グンゼの報道発表)

最近では伸び縮みする素材でできたシール型電子タトゥー(国内のブログ,イリノイ大学の科学雑誌Scienceの投稿-英文)も報告されています。
(参照元:https://news.illinois.edu/blog/view/6367/205260#image-3)

また、最近ではJabra社よりイヤフォンで心拍数をモニターするインイヤー型心拍数モニターも発売されています。また、Intel社からはスマートフォンからの給電で稼働するタイプのEarbudsと呼ばれる同様の商品が発売されています。これらは将来血圧計測にも応用可能な光学式センサーを利用して外耳道内の毛細血管から脈拍変動を計測していると考えらhれます。
2020年5月にApple社はリストバンド型の血圧計の特許を取りました(US Patent No 10,646,121 ここ(英文))。トノメトリの理論を利用することでカフを利用せずに血圧が計測できるとのことです。日本語の記事はここ(Forbes)を参照してください。

呼吸のモニタ

2016年に発売されたFitbit社のでは心拍の他に活動、睡眠を記録できます。また、リラックス機能では2分と5分の呼吸モードがあります。呼吸指導しているあいだはインジケータの山が上下します。これは、心拍変動（HRV）と呼ばれる、心臓の鼓動の時間間隔である心拍間隔の変化を表しているようです。

Charge2のインジケータ画像:Youtube動画に移動

光の色変化解析が進めば酸素濃度変化も分かるかもしれません。この機能はGooleの研究所の画像技術者のマイケル・ルービンスタイン（Michael Rubinstein）さんが開発した技術では、画像から呼吸による皮膚の色の変化を読み出す技術などが応用されているのかもしれません。
(2017.02.05)

FitBit社が発表したCharge3・4では2波長光とSpO2センサー(relative SpO2 sensor)を備えており推定酸素変動量を確認できます。睡眠時の無呼吸症を知ることが可能です。(fitbit社解説:日本語)FitBit社　Charge3の英語ページ

(2018.9.17更新)
Apple Watch series 6では2波長光(赤と赤外)による血中酸素濃度SpO2計測を実装をすることが発表されました(Apple社のイベント2020.9.16)。
血中酸素濃度は赤血球中のヘモグロビンは酸素運搬の担い手ですが、酸素を結合したヘモグロビンと結合していないヘモグロビンは、波長の異なる光の吸収に差があります。この差を利用して酸素を持つヘモグロビンの血中濃度を計測する技術です。(詳細は解説PDF(JSTAGE)を参照)

睡眠深度のモニタ

睡眠は健康維持に大切なテーマです。睡眠を計測するディバイスやソフトウエアがいくつか提案されています。本来睡眠は脳波による研究でレム睡眠とノンレム睡眠などの区別が行われています（日本睡眠学会の脳波による睡眠の分類)。ただ、脳波計測は頭に電極のたくさんついたキャップをかぶります。このため日常的に睡眠を計測するには向いていません。
日本ではTANITA社が以前より睡眠中の動きを計測して睡眠を調べるディバイスを発売しています。これはセンサーを持ったマットの上に寝て、睡眠中の動きを記録するタイプです。
　近年、睡眠時の脳のリフレッシュについての報告がされています。WWDC2020では時期WatchOS7で睡眠追跡機能が追加されることが報告されました。また、OURAは睡眠解析に力をいれた指輪型のディバイスです。計測データの解析からアプリを通じて睡眠方法の提案を行うようです。OURAは体動、心拍に加えて体温の変化を計測し睡眠状態をチェックしているようです。小さな指輪で一つで良い睡眠が取れるのはありがたいですね。ただ、まだかなり高額で、アメリカでも299ドル、日本ではそれ以上の価格になっています。

(2020.08.07)

近年心拍数の変動から睡眠状態を推定する研究が進んでいます。ウェアラブルディバイスのいくつかはそうした原理を利用していると考えられます。心拍計測機能を持ったディバイスのいくつかはアプリケーション上で睡眠状態を分析する機能を備えています。Apple WatchでもAutoSleepなどのAppsを利用して睡眠深度や時間などを記録することが可能です。(2017.11.23)
以下はAutoSleepの表示画面です。

(2017.11.23)
以下はUP3の解析結果です。
睡眠と安静時心拍に関して解析が行われています。睡眠に関してはレム睡眠、深い睡眠など3段階で表示され、うたた寝でも睡眠を計測できます。活動量もついていますが、主に活動していないときのモニターに利用されているようです。また安静時心拍数については、アメリカの心臓協会(AHA)の記事を参考にしてください。
* 重要: UP3用のiPhoneのAppsは2015年からアップデートが止まり、2017年に製造が中止されたようです。(2019.08.05)

先にあげたPolar社のA360(動きで睡眠状態を検出)や、Fitbit社のCharge(動きから睡眠率などを計測)なども睡眠解析機能があります。Charge2にも睡眠モードがありますが、UP3のように睡眠深度を計測するのではなく、睡眠時間と寝返りのタイミングのみ記録されます。

体温計測などのその他計測

体温計測は簡単なようですが、実際にはまだ製品は多くありません。特に女性の体温をモニターするディバイスがいくつか開発されています。一つは、Yono（ヨーノ)などがあります。同様な目的にRan’s Nightがあります。解説によればセンサーを衣服に挟んで利用するタイプです。
海外では酸素濃度や心拍、体温をモニターし、スマートフォンと連携してリアルタイムで乳幼児のモニターするOwlet(赤ちゃんモニター、原文 )が発売されています。(2013.08.26)

同様な商品にMIMOなどがあります。これは体温や動きをモニターします。シーツにセンサーを仕掛けると動きを感知して睡眠状態をモニターできるようです。また、Sproutlingも同様のコンセプトです。

深部体温計測について
　深部体温を計測する方法については熱流から求める方法が検討されてきました。従来のセンサーの外側をヒーターで暖める必要のない双熱流法を北村が提案し、労働安全衛生研究所が村田製作所との共同研究で製品化を進めていると発表しています。双熱流法については柳井の修士論文(奈良先端科学技術大学院大学)に詳細の記述があります。(2019.04.16)

血圧計測

血圧計測はさらに高度な技術が必要です。現在は腕に巻くタイプが海外で発売されています。iHealth社のワイヤレス血圧計や、”H2“とされれる血圧モニターが発表されています（商品化は未確認)。Apple社はEarPods（イヤホン）で血圧を計測する特許を出しています(英文のニュース記事)。この特許によれば血圧の他、心拍数、体温、発汗なども計測可能のなようです。日本ではNTTが同様の特許を出しています。Vogelらの論文では外耳道に入れたmicro-optic remission/reflection sensor (MORES)（微小光学式の散乱/反射センサー)を利用して毛細血管の血液計測から心拍、酸素飽和度(SpO₂)や呼吸を計測できるとしており、これらを応用して計測するものと考えられます。また日本においても外耳道を密閉型の圧力センサーを利用し、外耳道内の圧力変動から右心室機能計測を行う研究が報告されています。
2018年にASUSから発売予定のVivoWatch BP (HC-A04)は、光学センサーで取得する脈流波とECGから血圧を計測できるようです(英文論文)。
(ASUSのページより)

(2018.06.15)
オムロンヘルスケア(株)がウェアラブル血圧計(リストバンド型の血圧計) HeartGuide(ハートガイド)を アメリカで販売(ITmediaニュース(2019.01.11)したようです。簡単なレポート(ギズモードの記事/2019.04.05)も紹介されています。アメリカのオムロンのページで499ドルと表示されています。オムロンヘルスケアのイノベーションのページにはHeartGuide(ハートガイド)の測定原理の動画に示されています。(2019.4.15)

(オムロンの腕同形型血圧計/オムロンヘルスケア アメリカ法人のページより)

オムロンヘルスケアからウェアラブル血圧系がついに日本でも2019年12月3日に発売されました。少し価格は高めですがいつでも計測可能で、脈波と心電図から計算する方式とは異なる方式です。不規則脈波表示や睡眠評価が可能なようです。１回の充電でどれくらい持つのかなどの詳細は記されていません。アメリカで先行して発売され、評価についてはこの(英語)ページが参考になるかもしれません。(2019.12.09)

生体組成計測

。ボタン一つの小さな装置が、一人暮らしの生活者の日常を見守るそうです。名前は”Amulyte“で、”amulet”(お守り)に由来するようです。記事によると”セルラー無線、WiFi、GPS、加速度計、そして全体をコントロールするマイコンを搭載しており、しかも電池は一週間もつ。”ようで、見張り番としてはコンパクトで役に立ちそうです。
(2013.08.18)

こうしたライフロガー(生態記録)に欠かせないのが電源ですね。CPUもどんどん低消費電力化してきているので生体で発電するか非常に効率よいもしくは安全な物質を用いた燃料電池が望まれるところです。

iPhone5sの新しい省電力機能
iPhone5sは発売されてから何かと話題になっています。gold色は特に人気でソフトバンクでは28日待ちだそうです(2013.10.23現在)。そのiphone5sに搭載されているM7コプロセッサというチップは動きの感知に特化した機能を持っていて、ライフレコーディングに利用できるようです。このプロセッサーの優れたところは利用していない時間は機能オフにする省電力機能です。このM7を用いたモーションレコーディングアプリが紹介されています。”setting”→”Motion Activity with M7″をonにするだけで記録を続けるようです。この機能をサポートするアプリがでています。(2013.10.23)

NTTでもウェアラブル電極を作っていたのですね。NTT物性科学基礎研究所では肌着の繊維に導電高分子を混ぜて作ったTシャツを着た職員が、シャツの導電体繊維でとった心電図をスマフォで見せてくれるようです。2014年に実用化されるようです。心臓が気になる人にはいいですね。
(2013.1122)

なんでも計測するターミナルがあれば生活状態をモニターできるかもしれません。そんな予感のするQuirkyとGE共同開発のスマートホーム商品はマートディバイスを共同開発しました。spotterは温度などの環境計測の多目的ディバイスです。

また卵計測ケースは、残り少なくなったらメールで知らせるそうです。その他3品。これからも期待できそうです。

(2013.11.30)

導電ペイントは以前からありました。こんな商品はありませんでした。導電インクを利用したペンです。まだ企画段階のようです。でも何に使うのかはよくわかりませんが、ウェアラブルコンピュータには欠かせませんね。

Bluethooth SIGよりBluethooth 4.1が発表されました。Bluethooth smart技術が新しくなったようです(原文)。特にウェアラブルディバイスへ応用に対する機能拡張に重点が置かれているようです。Bruethooth機器ハブとして機器を利用できることで心電図などの計測も利用しやすくなるようです。
(2013.12.13)

測定機能付きコンタクトレンズの開発が発表されました。1月16日（米国時間）にGoogle Xが発表したコンタクトレンズは、装着者の涙から自動的に血糖値を測定し、血糖値が上下した場合は警告を出すことができる、スマートコンタクトレンズを開発することを目指し、すでに必要な医学的研究を行ってきたとのことです。

(画像参照元　http://googleblog.blogspot.jp/2014/01/introducing-our-smart-contact-lens.html)
(2014.01.25)

Apple Watchで血糖連続計測
Dexcom社は微小なセンサーを皮膚に差し込み持続的に血糖値を計測するディバイス(CGM:Continuous Glucose Monitor)を開発しています。同社はこれまでにDexcom SEVEN® Plusという製品を発表し、微小センサーを皮下に留置し細胞間質液のglucose量を計測する方法を提案してきました。同社のG5という製品は小型で7日間駆動し情報をApple WatchやiPhoneに送信可能で、Apple Watchの付属装置として利用できるようです。しかし、AppleのCEOであるTim Cookは、2017年2月にグラスゴー大学で講演した際に血糖値を計測するディバイスを試していたと話しています。このディバイスはApple社制のプロットタイプ(英文記事)で非侵襲(光学的に計測(英文))で計測できるディバイスでDextor社のもとのと異なると報道されています。(和文記事)(2017.5.20)
血糖値を光学的に計測する方法については幾つかの開発がありますが、ラマン散乱などを使う方法(PDF)が提案されています。(2018.1.26)
株式会社クォンタムオペレーションは2021年に非侵襲血糖測定センサーによるリストバンド型センサーを発表しています。

IntelはInternet Of Things(IoT)を今後発展するとして新しいIoT部門を設立するとのことです。これと連動する製品として、IntelはCESでSDカードに低消費電力型チップのQuark Processorを組み込んだEdisonを発表しました。ブースでは子供服に温度センサーを組み込んで、Edisonがウェアラブルディバイスとして利用できることを示したようです。(2014.01.26)

汗から体組成を分析するウェアラブルディバイス
UCバークレー校がリストバンド型汗センサーを発表した。このリストバンド型の汗分析センサーは乳酸やグルコース、ナトリウム、カリウムを計測することができます。ウェアラブルディバイスなのでリアルタイムな計測が期待できます。(Wei Gao, et al.,Nature 529, 509–514 (28 January 2016) 画像は論文より引用)

(2017.06.25)

スマートウォッチ比較

　スマートウォッチは、Apple社のApple watchシリーズ、Fitbit社、Garmin社などが次々と新機種を市場投入しています。2020年は新型コロナウイルスの感染拡大もあり、健康への関心が一段と高まったのも一つの理由かもしれません。特に呼吸機能評価に繋がるSpO2計測が投入され、ビッグデータとなってAI解析により新しい動きが出るかもしれません。AppleとGoogleは感染確認アプリで協働しているので今後の展開が気になります。
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(2020.10.08)

エプソンがARメガネを発表>/strong>
エプソンが発表したMOVERIO BT-200AV」「BT-200」メガネ型のヘッドセットとコントローラーからなり、映像はシースルーで、映像を見ながら周囲の状況も確認できる。シースルー画面とセンサーを利用して、現実の風景に情報を重ねるAR（拡張現実）を実現するという。(2014.01.31)