Appleは2018年9月12日、特別イベント「Apple Special Event」で、iPhone XとApple Watchの新製品を発表した。第四世代となる「Apple Watch Series 4」は、ハードウェア機構が一新され、健康管理に重点を置くウエアラブルとなった。Apple Watch Series 4はECG (Electrocardiography、心電図) を計測するセンサーを搭載し、心臓の健康状態をモニターする。

出典: Apple

ECGとは

ECGとは心臓の鼓動を電気シグナルとして測定するもので、病院で心臓疾患を検査するために使われる。この機能がApple Watch Series 4に搭載され、家庭で心臓疾患を検知できるようになった。使い方はシンプルで、指をクラウン(Digital Crown)にあてると(下の写真)、アプリ「ECG」が起動し(上の写真、左側)、30秒で心電図を測定する(上の写真、右側)。測定結果は問題が無ければ「Sinus Rhythm」と表示される。もし、心房細動(不整脈の一種)が検知されると「Atrial Fibrillation」と示される。

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Apple Healthに記録される

測定結果はAppleの健康管理アプリ「Health」に格納される(下の写真)。検査結果の判定(Classifications)だけでなく、心電図の波形(Waveform)も記録される。更に、利用者はその時の症状を入力することができる。万が一、異常が検知されると、医師に相談することになるが、その際に、Healthに格納しているECG検査結果を示し、治療判断に役立てる。

出典: Apple

ECG計測のメカニズム

Apple Watch Series 4はECGを測定するために新しいハードウェア機構を搭載した。二つのモジュールから成り、ウォッチ背後に円形電極が付加され(下の写真、外側の円)、更に、クラウンがもう一つの電極として機能する(下の写真、左側の突起)。円形電極が皮膚に触れ、指をクラウンにあてることで、心臓を含む電気回路が作られる。この回路で心臓の鼓動の電気シグナルを計測する仕組みとなる。既にFDA(アメリカ食品医薬品局)の認可を受けており、Apple Watch Series 4を医療機器として使うことができる。

出典: Apple

心拍数の計測と心臓疾患検知

Apple Watchは発売当初から心拍数を測定する機能を提供しているが(下の写真、左側)、Series 4ではセンサーが一新され(上の写真、中央部緑色の部分)、新たな機能が加わった。Apple Watch Series 4は心拍数が異常に高い時、また低い時に、警告メッセージを表示する(下の写真、右側)。更に、上記ECGに加え、心拍数から心房細動を検知するアルゴリズムが搭載され、バックグランドで心臓の健康状態をモニターする。(詳細な説明はないが、心拍シグナルをニューラルネットワークで解析し、心房細動を検知すると思われる。ECGに比べ判定精度は低いが、Apple Watch Series 4を着装している時は、連続して心臓の状態をモニターできる。) センサーは緑色のLEDライトを皮膚に照射し、血管の伸縮や容積の変化を測定する。このデータを解析することで心拍数を把握する。エクササイズ時には心拍数から消費カロリー量を算定する。

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転倒検知機能

Apple Watch Series 4に利用者が転倒したことを検知する機能が付加された。転倒を検知するとディスプレイに緊急SOS(Emergency SOS)画面が表示され(下の写真、左側)、ボタンをスワイプすると電話が発信される(下の写真、右側)。転倒を検知して６０秒間アクションが無い時は、利用者が危機的な状態にあると判断し、アプリが自動で電話を発信する。SOS電話の相手として、両親や配偶者などを事前に登録しておく。スノーボードで激しく転倒したときに、救助を求めるために使われる。また、一人暮らしの高齢者が転倒した時に、助けを求める機能としても使えそうだ。

出典: Apple

AliveCor

Apple Watch Series 4がECGを搭載したが、市場には既に多くの製品が販売されている。AliveCorというベンチャー企業は「Kardia Band」というECGモジュールを開発した。これをApple Watchに着装すると(下の写真、バンドの四角のデバイス)ECGを測定できる。このデバイスに指をあててECGを測定し、結果はApple Watchのディスプレイに表示される。Kardia BandがApple WatchでECGを測定できる最初のデバイスとなり、既にFDAの認可を取得し、医療機器として使われている。

出典: AliveCor

Cardiogram

Cardiogramというベンチャー企業は、Apple Watchで心臓疾患を検知するAIを開発した。カリフォルニア大学サンフランシスコ校との共同研究の成果で、Apple Watchで収集した心拍データをAIで解析し、不整脈の一種である心房細動を検知する。Apple Watch Series 4もこれと同じ方式で、心拍シグナルをAIで解析し、心房細動を検知するものと思われる。

健康管理プラットフォーム

Apple Watch Series 4に先立ち、ベンチャー企業で心臓疾患を検知する高度な技術が開発された。Appleはこれら先進技法を取り込み、消費者に使いやすいデザインで提供していることに特徴がある。更に、管理アプリHealthで健康管理をプラットフォームとして設計しており、病院など他のシステムとの連携が期待される。

Apple Watchは医療機器に Apple Watchは、コミュニケーション(通信機能)、エクササイズ(運動量把握)、ヘルスケア(健康管理)の三つの基軸機能を持っている。Apple Watch Series 4でECG機能が搭載され、ヘルスケア機能が大幅にに向上した。Apple Watchはバイオセンサーとして、身体情報をモニターする医療機器としての役割が鮮明になった。Apple Watchは血圧や血糖値を測定する機構を搭載するとのうわさが絶えず、次は何が登場するのか、スマートウォッチが大きく進化している。

Apple Watchは健康管理のウエアラブルとして人気が高い。ただ、センサーの機能には限界があり心拍数計測精度が不安定といわれる。このため、Apple Watchで収集する心拍数データをAIで解析し心臓の異常を検知する研究が進んでいる。病院でECG検査を受けなくても、Apple Watchで24時間連続して心臓の健康状態をモニターできる。

出典: Cardiogram

Cardiogramというベンチャー企業

この技術を開発したのはサンフランシスコに拠点を置くCardiogramというベンチャー企業だ。同名のCardiogramというアプリがApple Watchで測定した身体データを解析し心臓の動きを把握する (上の写真)。デバイスと連動し心拍数がエクササイズにどう反応するかを把握する。また、平常時の心拍数をモニターし、身体がストレスや食事などにどう反応するかも理解する。更に、心拍数を解析し心臓疾患を検知する研究が進められている。

Apple HealthKitと連動

Cardiogramは健康管理のアプリとしてiOS向けに開発された。Cardiogramの特徴は身体情報をApple Watchで収集することにある。Appleは健康管理アプリ開発基盤「HealthKit」を展開している。Apple Watchで計測した身体データは利用者の了解のもとHealthKitに集約される。CardiogramはHealthKit経由で利用者の身体情報にアクセスし、これらデータを解析し健康に関する知見を得る。具体的には、Apple Watch利用者の心拍数、立っていた時間、消費カロリー量、エクササイズ時間、歩数などを可視化して分かりやすく示す (下の写真)。

出典: VentureClef

Evidence-Based Behavior

Cardiogramは「Evidence-Based Behavior」という手法を使って心臓の挙動を把握する技術を開発している。この手法は日々の行動やエクササイズがバイオマーカーにどう影響するかを検証する。例えば14日間ジョギングをすると、これが心拍数にどう影響するかを解析する。これで心拍数が7%低下すると、この行動は健康に効果があると判定する。Cardiogramは健康管理に役立つエビデンスを特定して利用者に示す。ジョギングの他に自転車、瞑想、ヨガ、睡眠時間などのプログラムが揃っている。また、スマホを絶つと健康にプラスに作用するのかを検証するメニューもある。

Apple Watchで不整脈を検知する研究

CardiogramはApple Watchを使って心臓の状態をモニターし、AIで異常を検知する研究を進めている。これはUC San Francisco (カリフォルニア大学サンフランシスコ校) との共同研究で「mRhythm Study」と呼ばれている。6185人を対象にApple Watchで収集した心拍データを解析し不整脈の一種である心房細動 (Atrial Fibrillation) を検出する。臨床試験の結果、判定精度は高く97%の確率で心房細動を検知できたと報告している。

心房細動を検知するアルゴリズム

Apple Watchで収集したシグナルから心房細動を検知するアルゴリズムにAIが使われた。アルゴリズムはConvolutional LayerとLSTM Layerを組み合わせた四階層の構造を取る (下のダイアグラム)。アルゴリズムに心拍数を入力するとタイムステップ毎にスコアを出力する。スコアは心房細動が発生している確率で、これを各時間ごとに見ることができる。つまり、Apple Watchを着装しているあいだ、いつ心房細動が起こったかを把握できる。病院のECGを使わなくても市販のウエアラブルにAIを組み合わせることで心臓疾患を把握できることが証明され、その成果に注目が集まっている。

出典: Cardiogram

データ収集が課題

同時にこの研究で課題も明らかになった。アルゴリズムを教育するためにはタグ付きのデータが数多く必要となる。このケースではApple Watchで収集した心拍シグナルとECGで計測した心電図のデータを大量に必要とする。特に、患者が心房細動を発症した時の両者のシグナルの紐づけがカギとなる。しかし、これらのデータは病院における心臓疾患患者のECG検査で得られ、その数は限られている。このため、この研究ではモバイル形式のECG測定デバイス「Kardia Mobile」が使われた。

Kardio Mobileとは

Kardia Mobileとはスマートフォンと連動して機能する心電図計測デバイスである。Kardia Mobileには電極が二点あり、被験者はここに指をあててて心電図を計測する (下の写真下段)。測定時間は30秒で、結果はスマートフォンのディスプレイに表示される (下の写真上段)。ガジェットのように見えるが既にFDA (米国食品医薬品局) の認可を受けており、医療システムとして病院や家庭で使われている。研究ではこのKardio Mobileが使われ、6,338件のデータを収取し、これらが教育データとして使われた。因みにKardio MobileがFDA認可を受けた最初のモバイルECGで小さなデバイでも心電図を高精度に測定できる。デバイスの価格は99ドルで、簡単に心電図を測定できるため米国の家庭で普及が始まった。

出典: AliveCor

GoogleのBaseline Project

Googleもウエアラブルを使って心臓の状態をモニターする研究を進めている。Alphabet配下のデジタルヘルス部門Verilyは人体のバイオデータを解析し、健康状態を把握することを目標にしている。これは「Baseline Project」と呼ばれ健康な人体を定義し、ここから逸脱すると「未病」と判定し、利用者に警告メッセージを発信する。Verilyは2017年4月、リストバンド型のバイオセンサー「Study Watch」を発表した (下の写真)。ECG、心拍数、活動状態をモニターでき、Study Watchを使った大規模なフィールド試験が始まった。

出典: Verily

健康管理に役立つウエアラブル

実はここ最近Apple WatchやFitbitなど健康管理のウエアラブルは販売が低迷している。Fitbitは大規模なレイオフを実施し事業を再構築している。消費者は健康管理のためにウエアラブルを買うが、センサーの機能と精度は限定的で思ったほど役立たないというのが共通した声だ。市場は高精度・高機能のウエアラブルを求めており、Apple Watchなどは対応を迫られている。その一つの解がAIで、既存センサーをアルゴリズムで補完することで機能を強化する。Cardiogramがその実例で健康管理に役立つことが証明された。本当に健康管理に役立つウエアラブルが求められておりAIの果たす役割が広がってきた。