人間の皮膚の水分量と体の発汗量をその場で継続的にモニタリングするための SmartWatch のマルチスペクトル センサー フュージョン

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13371 (2023) この記事を引用

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パンデミック後の医療活動が近い将来に現実となり、ウェアラブルに関する議論が高まっています。 ウェアラブル ヘルス ソリューションは、ウェルネスとヘルスケアの間のギャップを埋めるために、この機会を効果的に展開し、活用するにはどうすればよいでしょうか? 本稿では、光多波長センサーフュージョンを使用した肌の水分量のモニタリングに特に焦点を当てた、ウェアラブルヘルスケア診断について説明します。 人間の皮膚の水分補給を継続的にモニタリングすることは、フィットネス愛好家にとって、また肌の美しさ、健全性、体全体の健康にとっても水分損失のダイナミクスを維持する上で最も重要な仕事です。 適切なレベルの水分補給を維持すると、体重の安定が保証され、心理状態にプラスの影響を与え、老化プロセスを遅らせながら血圧と「悪玉」コレステロールのレベルを低下させることが証明されています。 皮膚の水分量の状態を測定する従来の方法では、消費者、臨床、化粧品のさまざまな用途で必要とされる継続的かつ非侵襲的なモニタリングができません。 私たちは、皮膚の水和現象とそれに関連する変化を捕捉、モデリング、分析するための新しいセンシング技術とパイプラインを紹介します。 SmartWatch センサーに組み込まれたセンシング機能を拡張し、それらを高度なモデリングおよび機械学習 (ML) アルゴリズムと組み合わせることで、皮膚水分量の動態に対応する光電脈波 (PPG) 信号とスペクトル感度のいくつかの重要な特性を特定しました。 ハードウェア面では、970nmと1450nmの波長を備えた赤外線光源によるSmartWatch機能の拡張を新たに提案します。 PPG センサーの精度と特性の評価は、モンテカルロ シミュレーションを使用した生物医学光学ベースのシミュレーション フレームワークで実行されています。 私たちは、実験研究と臨床研究を使用して、開発されたテクノロジーの厳密な検証を実行しました。 開発されたパイプラインは、次世代の光センシング技術の進行中の研究におけるツールとして機能します。

1977 年に、胸部ストラップ送信機と手首装着型受信機で構成される世界初のワイヤレス心拍数 (HR) モニターが PolarElectroto1 によって導入され、アスリートに「運動中のリアルタイム フィードバック」を提供して以来、ウェアラブル テクノロジーにおける数々の注目すべき成果が生まれてきました。作られました。 過去 10 年間、サムスンは、ウェアラブル デバイスの体脂肪、骨格筋量、心拍数 (HR)、心拍リズム、皮膚温度、ストレス レベルを測定するシステム オン チップ (SoC) である高度なスマート バイオ プロセッサを導入しました2。現在、スマート ウォッチには Samsung の BioActive Sensor3 が搭載されており、これははるかに高度で小型のテクノロジーに進化しており、心拍数、歩数、カロリーを「単に」カウントできるだけでなく、睡眠の監視、血圧の測定などもできます4,5。 ,6,7,8 この注目すべき成功のバックボーンであり、主な原動力となっているのは PPG テクノロジーです。この技術は現在、手首のスマートウォッチ/フィットネス ブレスレットにセンサーが配置されているため 9 、健康状態の継続的なモニタリングに広く使用されています 10。 健康とフィットネスのモニタリングのための PPG の利用は、過去数年にわたって消費者の大きな関心を集めてきました。 現在、スマートウォッチやフィットネストラッカーなどのウェアラブルデバイスは、PPG信号を定期的に監視/分析し、最近追加された体温、血中酸素濃度（SpO2）などの監視機能を備えた前述の人間の健康指標の非侵襲的な情報を提供します11、 12. PPG 信号は、ストレスと睡眠パターンを評価するために使用されます13。 現在、心房細動 (A-fib) は、スマート ウォッチの PPG を使用して日常的に検出できます14。 スマートフォン アプリケーションが動脈硬化の増加に伴う血管老化の判定をどのように支援できるかが実証されています 15。 一方で、消費者の基本的な生理学的パラメーターの知識を必要とする特定のフィットネス プログラムの計画と実行に関しては、SmartWatch を利用して顕著な進歩が見られます。 たとえば、脈拍ゾーンに関する情報により、循環系を介して運動する筋肉への酸素供給の効率を評価することができます。 ユーザーのワークアウトを長期的に監視することで、SmartWatch は効果的な個人トレーニング プランを作成できます。 ユーザーの運動習慣を継続的に追跡することで、SmartWatch アプリケーションが効率的で個人化されたフィットネス プランを作成できるようになります。 このような場合、PPG 信号を継続的に監視し、パルス ゾーンの指定された境界を超えたときにすぐに通知を受け取ることが重要です。