スマートウォッチはどうやって心拍数を測る? 光で血流を読むしくみ

身近なところでは

スマートウォッチを外して裏返すと、緑色の光がちらちらしていることがあります。走っている間に画面の心拍数が上がったり、眠っている間の心拍数がグラフになったりします。機種によっては、心電図をとる機能や、血液中の酸素の割合を測る機能もあります。どれも、手首に触れる小さなセンサーと、それを動かす半導体のチップで実現しています。

しくみ① 光で「血の量の変化」を見る

心臓は、縮むたびに血液を全身へ押し出します。そのたびに手首の皮膚の細い血管にも血が届き、血の量がわずかに増えます。Appleは、血が赤く見えるのは赤い光を返して緑の光を吸うからだ、と説明しています。つまり血が多い瞬間ほど、皮膚の中で吸われる緑の光が増えます。

時計の裏には、光を出すLEDと、届いた光の量を電気に変える部品が並んでいます。この部品をフォトダイオードと呼びます。LEDの光は皮膚の中で散らばり、一部が血に吸われ、残りがはね返ってフォトダイオードに届きます。届く光は、心臓が打つたびに少し減り、次の拍動までに戻ります。

この増減を読みとる方法を、光電式容積脈波記録法(PPG)と呼びます。届く光の大部分は、皮膚や骨などからはね返る、ほぼ一定の光です。PPGの解説論文としてよく読まれるAllen(2007年)も、信号を2つに分けています。「拍動ごとに変わる小さな部分」と「ゆっくりしか変わらない大きな部分」です。大きな光の中の小さな変化を、正確に拾うことが大切です。

なぜ緑の光なのか

緑の光は、血の赤い色素によく吸われるので、拍動による変化が大きく出ます。この色素をヘモグロビンと呼びます。Tamuraらが2014年に研究をまとめた論文によると、明るい緑のLEDの実用化で、身につける心拍計が広まりました。

緑の光は、動きの影響も受けにくいという研究があります。日本の研究チーム(前田・関根・田村、2011年)は、跳んだり腕を振ったりする実験をしました。緑の光で測った脈の方が、赤外線よりも心電図とよく一致しました。一方、目に見えない赤外線も使われます。Appleによると、どの光を使うかは、機種や、運動中か眠っているかなどで変わります。

しくみ② 光を数字に変えるチップ

フォトダイオードは、届いた光が多いほど多くの電流を流します(しくみは「ダイオードとは?」と「イメージセンサとは?」)。ただ、その電流はとても小さく、そのままでは計算に使えません。そこで、小さな電流を扱いやすい電圧に変えて大きくする回路を通します。これをトランスインピーダンスアンプと呼びます。

電圧になった信号は、1秒に数十回から数百回、数字に変えます。この回路をADコンバータと呼びます(くわしくは「アナログ半導体とは?」)。手首のすき間からは、日光や部屋の明かりも入りこみます。そこで、LEDを消している瞬間の光も測り、点けているときの値から差し引きます。

LEDを光らせる回路から数字にする回路までを、1つにまとめたチップがあります。これをアナログフロントエンド(AFE)と呼び、センサーのすぐ後ろで最初の処理を受け持ちます。例として、テキサス・インスツルメンツ(TI)の「AFE4404」があります。その資料は、周りの光だけを測る時間を設け、その分を引く方式を説明しています。

しくみ③ 波から「1分に何回」を求める

数字の列には、心拍以外のゆれも混ざっています。息をする動きや、時計の押しつけ方の変化は、ゆっくりした大きなゆれになります。回路や光の細かいざわつきは、速くて小さなゆれです。心拍のリズムだけを残すために、計算で要らないゆれを取り除きます。

いちばん簡単な取り除き方は、直近のいくつかの値を平均することです。速いざわつきは平均すると打ち消し合い、なだらかな波が残ります。この計算を移動平均フィルタと呼びます。実際の製品はもっと工夫した計算を組み合わせており、Garminは自社の計算を独自のものとしています。

整った波から、谷と次の谷の間の時間を測ります。間が1秒なら、1分(60秒)で60回です。間が0.75秒なら、60を0.75で割って、1分あたり80回になります。ここでは話を簡単にするため1拍だけで計算しましたが、実際には何拍か分をならして表示します。

しくみ④ 腕の動きを見分ける

走ったり腕を振ったりすると、時計が皮膚の上で少しずれ、押しつける強さも変わります。すると、はね返る光の量も変わり、心拍とよく似た波ができてしまいます。これが、光で測る心拍計のいちばんの悩みです。Garminも、汗や振動、温度、姿勢、皮膚との距離の変化を、信号を乱す原因に挙げています。

そこで、時計の中の加速度センサーを使います。腕がどんなリズムで動いているかを測る小さな部品です(しくみは「MEMSとは?」)。考え方を単純にすると、光の波の中に腕の振りと同じリズムがあれば、動きによるものとみなして外します。残ったリズムを、心拍として追いかけます。雑音を別に測って差し引く考え方は、「ノイズキャンセリングとは?」とも共通します。

腕の振りのリズムが心拍に近いと、見分けは難しくなります。ある研究では、加速度も使う計算で、最高で時速15 kmまで走る12人の心拍を追いました(Zhangら、2015年)。誤差は平均で1分あたり約2.3回でした。ただし、これは決まった条件での研究の結果で、製品の精度を示すものではありません。

数字がずれることがある理由

各社の公式の説明をまとめると、ずれの主な原因は次の4つです。

• 着け方: ゆるいと、すき間から光がもれたり、動くたびにずれたりします。Fitbitは、運動中は手首の骨から指2〜3本分上に、きつすぎないように着けるよう勧めています。
• 動き: Appleによると、ランニングや自転車のような規則正しい動きの方が、テニスやボクシングより良い結果になります。
• 寒さ: 寒いと皮膚を流れる血が減り、変化が小さくなります。Garminは、寒い場所では屋内で体を温めてから始めるよう勧めています。
• タトゥー: Appleによると、インクの色や模様、濃さによっては、センサーの光がさえぎられます。

肌の色の影響は、まだ議論が続いています。米デューク大学などの2020年の研究は、53人で6機種の心拍数を調べました。肌の色による誤差の差は、偶然とは言えないほどの大きさ(統計的に意味のある差)では見られませんでした。一方、運動中の誤差は安静時より平均で約3割大きく、機種による差もありました。

この結果には、人数の少なさや、見た目で肌の色を分ける尺度の問題を挙げて、注意を促す意見が出ています。元の研究者も、1つの研究で「差がない」とは言い切れず、さらに調べる必要があると答えています。Appleは2022年の資料で、肌の色素は時計の使う光をよく吸うと書いています。そのため、LEDの電流や受け取る側の増幅を調整するそうです。

Appleによると、信号が弱いときは、LEDを明るくし、測る回数を増やして補います。手首での測定が安定しないときは、Bluetoothでつなぐ胸ベルト型の心拍計を使う方法も案内しています。Apple・Fitbit・Garminはどれも、正しく測るための工夫として、まず着け方を挙げています。

心電図(ECG): 光ではなく電気を測る

心臓の筋肉は、電気の合図で縮みます。この合図は体の表面にもわずかな電圧として伝わり、それを記録したものが心電図(ECG)です。PPGが「拍動の結果として増える血」を見るのに対し、心電図は「拍動を起こす電気」そのものを見ます。

Apple Watchでは、裏面と横のつまみ(デジタルクラウン)に、電気を受け取る金属の部分(電極)があります。反対の手の指でつまみに触れると、心臓をはさんだ左右の腕の間の電圧を測れます。この状態で30秒間記録します。Appleは、記録の間は腕を机やひざに置き、動かさないよう案内しています。

電極が受け取る電圧はとても小さく、周りの電気の雑音も乗ります。そこで心電図の回路では一般に、2つの電極の電圧の差だけを大きくし、両方に同じように乗る雑音を打ち消します。この回路を差動増幅回路と呼びます。

病院では、12通りの向きから心臓の電気を見る心電図を使います。時計の記録は、そのうちの1つの向き(第I誘導)に近いものです。米国食品医薬品局(FDA)は2018年、このアプリを、医師の処方なしで使える心電図ソフトウェアとして認めました。日本では2020年に「家庭用心電計プログラム」として厚生労働大臣の承認を受け、2021年1月から使えるようになりました。

それでも、時計の心電図は診断そのものではありません。Appleは、このアプリでは心臓発作や血のかたまり(血栓)、脳卒中はわからないとしています。そのうえで、胸の痛みなどで心臓発作かもしれないと思うときは、すぐに救急に連絡するよう案内しています。厚生労働省も2021年1月27日、これらのプログラムの「適正使用について」という通知を都道府県に出しています。

血中酸素(SpO2): 赤と赤外線を比べる

酸素と結びついたヘモグロビンと、結びついていないヘモグロビンでは、赤い光と赤外線の吸われ方が違います。そこで2種類の光を当て、拍動による変化の大きさを比べると、酸素と結びついている割合を推定できます。この割合をSpO2と呼びます。

血中酸素を測れるApple Watchの機種も、緑のほかに赤と赤外線のLEDを持ち、この方法で測ります。拍動を使って酸素の割合を測る原理は、日本光電の青柳卓雄さんが見つけ、1974年に学会で発表しました。指先に挟むパルスオキシメータにも使われている方法です。

ただし、Appleは血中酸素の機能を、医療用ではなく、フィットネスと健康管理のためのものとしています。FDAも、一般の健康用として売られる酸素の計測器は、FDAが審査していないと説明しています。FDAは、肌の色、血の巡りの悪さ、皮膚の温度、マニキュアなどが測定に影響しうることも挙げています。

中に入っているチップと、電池の工夫

時計の電池は小さいので、どの部品も電気をなるべく使わないように作られています。LEDは光り続けるのではなく、ごく短い時間だけ光っては消えます。アナログ・デバイセズのAFE「MAX86141」では、点灯の時間を選べます。長く光らせると届く光が増えて測りやすく、短くすると電気を節約できます。TIのAFE4404の資料では、PPGの信号をとる間の平均の電流は200マイクロアンペア(0.2ミリアンペア)未満です。

計算をするマイコンは、仕事のない間は回路を止めて眠ります。この状態をスリープモードと呼びます。スマホへ送るときも、短く送って長く休む省電力のBluetoothを使います。この方式には、心拍計の値を送るための決まりも用意されています。

よくある誤解

数字で見る

心拍数が1分に70回なら、1日では70 × 60 × 24で約10万回です。時計は、その1回1回で起きる光のわずかな変化を、手首の上で拾い続けています。

もっと詳しく学ぶ

• 違いを表で見る: FIRフィルタとIIRフィルタの違い(波を整える計算の2つの型)、Wi-Fi・Bluetooth・LPWAの違い
• 計算で試す: ADCのSN比と有効ビット数の計算ツール(数字にするときの細かさ)
• 次の一歩の用語: オペアンプ(電流を電圧に変える回路の土台)、暗電流(光がなくても流れる電流)、FIRフィルタ
• 関連する記事: 「オペアンプとは?」、「スマホの中にはどんな半導体が入っている?」