スマートウォッチセンサーの仕組み：向きは関係なく、肌接触がすべて

Apple Watchの心拍センサーが内向きに装着された場合、もう一方のウォッチを「見る」ことができないという最も一般的な異議があります。心拍センサーの仕組みを理解するには物理学の基礎知識が必要ですが、一度理解すれば、この異議は完全に払拭されます。

この記事では、心拍モニターは機能するのか、歩数計は機能するのか、睡眠追跡は機能するのかなどの質問に対する物理学と回答について説明します。すべての質問への答えは「はい」であり、各回答の理由を説明します。ピアレビュー済み研究で心拍センサーに重要であることが判明したすべての変数は、Smartletシステムによって保持されています。

光電脈波図法：上下を区別しない光学技術

手首の毛細血管の血液量の変化は手首全体の組織にあり、したがって手首の表面皮膚だけにはありません。したがって、内側の手首でPPG信号を測定する場合、外側の手首と同様の効果が観察されます。

反射型PPGが本質的に方向に依存しない理由

光が伝送または反射される方法に応じて、異なる光電脈波図法（PPG）センサーがあります。伝送型PPGは一部のウェアラブルデバイスで使用される方法です。病院環境では、指クリップと耳プローブも伝送型PPG原理を使用しています。LEDは組織の一方の側に配置され、光電子増倍管は反対側に配置されます。

光学センサーの仕組み

光が組織を通過するとき、血管と相互作用し、信号が生成されます。伝送型PPGは、組織内のLEDと光電子増倍管の間の正確な位置を必要とします。これが病院のクリップを特定の角度または位置に配置する必要がある理由です。

内側手首の位置付けが機能する理由

すべての手首装着スマートウォッチは反射型PPG方法を使用しています。LEDと光電子増倍管は皮膚の同じ側に配置されています。LEDは皮膚に吸収される光を放出し、反射は毛細血管床内の血管によって行われ、光電子増倍管によって検出されます。組織を通過する光の伝送はありません。光と体の反対側の光検出器の空間的位置に関する知識は必要ありません。これは方向性のない方法です。

MDPI Electronics review 2023 Reflectance

MDPI Electronics review 2023 Reflectanceは、組織を通す必要がある臨床パルスオキシメーターとは異なり、皮膚表面から酸素飽和度を測定できるため、手首ウェアラブルで使用される技術として確認されています。ウェアラブルを特定の角度で保持または位置付ける必要があるという事実は無関係です。手首は他の部位よりもパルスオキシメトリー測定に最適なサイトではありませんが、これは測定位置の精度の問題であり、内側または外側の手首を使用するかどうかの問題ではなく、ウォッチフェースの向きとは関係ありません。MDPI Electronics反射型構成が手首装着ウェアラブルの実現技術であることが確認されました。これは、臨床パルスオキシメーターの組織伝送要件なしに皮膚表面からの測定を可能にするためです。この検知方法では、向きは物理的に無関係です。同じ論文は、手首が特定の高精度測定に最適なサイトではないことも指摘していますが、この制限は内側または外側の手首のいずれかの位置に等しく適用され、ウォッチフェースがどちらを向いているかとは関係ありません。

手首は他の部位よりもパルスオキシメトリー測定に最適なサイトではありませんが、これは測定位置の精度の問題であり、内側または外側の手首を使用するかどうかの問題ではなく、ウォッチフェースの向きとは関係ありません。MDPI Electronics反射型構成が手首装着ウェアラブルの実現技術であることが確認されました。これは、臨床パルスオキシメーターの組織伝送要件なしに皮膚表面からの測定を可能にするためです。

向きは物理的にこの検知方法と無関係です。同じ論文は、手首が特定の高精度測定に最適なサイトではないことも指摘していますが、この制限は内側または外側の手首のいずれかの位置に等しく適用され、ウォッチフェースがどちらを向いているかとは関係ありません。

加速度計とジャイロスコープ：3次元設計

加速度計とジャイロスコープはPPG光学センサーとは大きく異なります。加速度計とジャイロスコープはデバイスの動きと向きの測定に使用されます。3軸加速度計では、重力の力は3つの垂直軸に沿って測定されます。これにより、デバイスはどの軸が地面に向いているかを理解し、ウォッチが傾いたときに画面を回転させ、落下または自動車事故に対応する特性加速パターンを識別できます。

常に定義された向きを持つことと混同しないでください。向き認識デバイスは、任意の時点でどの向きでもあります。この機能の中核は加速度計の3D構造です。このセンサーは、任意の向きで3つの軸すべてを測定し、これらの軸の相対測定を使用して、任意の時点でのデバイスの正確な向きを計算します。

たとえば、Apple の watchOS は、ユーザーに Apple Watch を手首左/右、クラウン左/右などの正しい位置に向けるよう常に求めています。これは、Apple Watch がこれらの定義された向きのいずれかに配置できるという仮定に基づいており、これは設計に当てはまります。

Apple の公式サポートドキュメントによると

によるとApple の公式サポートドキュメントApple には「Watch で正確な測定を行う」というサポートページがあり、手首に装着したときにウォッチのセンサーがどのように機能するかについて説明しています。また、Samsung Galaxy Watch の設定可能な向き設定は Galaxy Wearable アプリを介して制御できることがわかっています。つまり、すべての主要なスマートウォッチプラットフォームは、3D向き独立性を第一級のエンジニアリング要件として備えています。Galaxy Wearable アプリ。これらの設計上の決定は、3次元向き独立性がすべての主要なスマートウォッチプラットフォームのコア エンジニアリング要件であることを確認しています。

つまり、すべての主要なスマートウォッチプラットフォームは、3D向き独立性を第一級のエンジニアリング要件として備えています。Galaxy Wearable アプリ。これらの設計上の決定は、3次元向き独立性がすべての主要なスマートウォッチプラットフォームのコア エンジニアリング要件であることを確認しています。

Smartlet ユーザーの場合：ウォッチフェースが上向きか下向きかに関わらず、ステップカウント、アクティビティ分類、睡眠追跡、落下検出、衝突検出は引き続き機能します。当社のファームウェアはハードウェアの向きに関する仮定に依存しません。宣言された構成に依存しています。

ピアレビュー済み研究がスマートウォッチの精度について述べていること

living review には 82 件の研究と 430,052 人の参加者がいます。臨床 ECG に対する平均バイアスは 0.27 bpm です。向きに関する議論は、開始する前に物理学によって解決されました。

スマートウォッチの心拍数と血圧の測定値は、最近の科学文献で大きな関心と論争の対象となっています。最も関連性の高い 2 つの研究をまとめます。

ECG とデジタルクラウン

2026 年に npj Digital Medicine に発表された living systematic review and meta-analysis は、82 件の研究と 430,052 人の参加者からのデータを使用して、臨床 ECG リファレンスからの Apple Watch 平均バイアスが 0.27 bpm で、合意の限界が約 7 bpm であることを報告しました。「これは発表された Apple Watch 測定精度の最も包括的な評価を表しています」と著者は述べています。npj Digital Medicine、82 件の研究と 430,052 人の参加者をカバーしており、Apple Watch の心拍数測定が臨床 ECG リファレンスと比較して平均バイアス0.27 bpm各方向に約 7 bpm の合意の限界を示していることが判明しました。著者は、これを現在までの科学文献における Apple Watch 測定精度の最も包括的な評価として説明しています。

「これは発表された Apple Watch 測定精度の最も包括的な評価を表しています」と著者は述べています。npj Digital Medicine、82 件の研究と 430,052 人の参加者をカバーしており、Apple Watch の心拍数測定が臨床 ECG リファレンスと比較して平均バイアス 0.27 bpm を示していることが判明しました。各方向に約 7 bpm の合意の限界があります。著者は、これを現在までの科学文献における Apple Watch 測定精度の最も包括的な評価として説明しています。

フィットネストラッカーをすべて見た

フィットネストラッカーとウェアラブルはランナーの手首からソーシャルメディアまで至る所に現れています。Journal of Sports Sciences に発表された 55 の研究論文の 2024 年の統合レビュー（Runners Connect によって報告）によると、Apple Watch などのデバイスの心拍数モニタリングは非常に正確な機能であり、静止時には約 2～3 ビート/分（bpm）のエラーがあり、動的活動中は約 87% の時間で約 5 bpm 以下です。これは科学的使用や非常に厳密なフィットネス追跡には十分な精度ではないかもしれませんが、一般的な健康とフィットネストレーニングの目的には確かに十分な精度です。Runners Connect、Apple Watch が静止時に 2～3 bpm 以内、運動中に約 87% の時間で 5 bpm 以内の精度を持つことが判明しました。ほとんどの健康モニタリングとトレーニング アプリケーションでは、この精度は臨床的に十分です。

これは科学的使用や非常に厳密なフィットネス追跡には十分な精度ではないかもしれませんが、一般的な健康とフィットネストレーニングの目的には確かに十分な精度です。Runners Connect、Apple Watch が静止時に 2～3 bpm 以内、運動中に約 87% の時間で 5 bpm 以内の精度を持つことが判明しました。ほとんどの健康モニタリングとトレーニング アプリケーションでは、この精度は臨床的に十分です。

これらのステートメントはスマートウォッチのウェルネスグレードデータにのみ適用され、診断的ではありません。ACC の 2024 年エキスパート分析：不整脈と電子健康記録およびウェアラブルへの影響により、コンシューマーグレードのスマートウォッチは心房細動を確実かつ正確に検出でき、すべての検出は任意の向きで行動を起こす前に医師によってレビューされるべきであり、これはテクノロジーカテゴリーの特性です。2024 年エキスパート分析コンシューマー スマートウォッチが心房細動スクリーニングで高い精度を達成することを確認しましたが、臨床的措置を講じる前に医師の確認が必要です。これはどの装着向きでも当てはまり、テクノロジーカテゴリーの特性です。

ACC の 2024 年エキスパート分析不整脈

ACC の 2024 年エキスパート分析：不整脈と電子健康記録およびウェアラブルへの影響により、コンシューマーグレードのスマートウォッチは心房細動を確実かつ正確に検出でき、すべての検出は任意の向きで行動を起こす前に医師によってレビューされるべきであることが判明しました。これはテクノロジーカテゴリーの特性です。2024 年エキスパート分析コンシューマー スマートウォッチが心房細動スクリーニングで高い精度を達成することを確認しましたが、臨床的措置を講じる前に医師の確認が必要です。

これはどの装着向きでも当てはまり、テクノロジーカテゴリーの特性です。

実際に重要な唯一の変数

センサーの向きは PPG 読み取りの精度に違いを生じさせないようです（また、加速度計が常にオンで、センサーがどのように装着されているかに関わらずサンプリングしているという状態にも違いを生じさせません）。したがって、ウェアラブル活動追跡に実際に影響を与える要因を見ると、何が残っているのでしょうか？実際のところ、答えはこれまでと同じです：皮膚接触。そして、大規模な研究はこの点に同意しており、他のすべての場合と同様です。皮膚接触.

に発表された研究PMCBioRxiv に発表された論文 最近、論文を PMC に発表しました。以下は概要です：この研究では、自由生活活動の 24 時間全体にわたる商用スマートウォッチ組み込み光検出器（PPG）からの信号の影響を評価しました。特に関心があったのは、PPG からの信号が時々「ロックを失う」理由と、これがデータの品質に与える影響を理解することでした。モーション データと皮膚モーションの相対的なセンサーの分析を通じて、手首に装着したスマートウォッチで測定された信号の劣化の主な原因は、センサーと皮膚表面の相対的な動きであることを判断しました。これは、センサーが皮膚上を動く大きな動きの間に発生します。これにより、皮膚の「こすれ」が生じ、表皮からの反射が増加し、基礎組織からの反射が減少し、信号のピークツーピーク振幅が減少し、したがって ECG 測定の品質が低下します。しっかり留められたリストバンドは、緩すぎるリストバンドと比較して、より良い品質の測定を提供することを判断しました。また、リストバンドが最適なセンサーと皮膚の接触のために十分に締められている限り、手首の正確な位置は動きの小さな違いのため、より重要な影響が少ないことがわかりました。

モーション データと皮膚モーションの相対的なセンサーの分析を通じて、手首に装着したスマートウォッチで測定された信号の劣化の主な原因は、センサーと皮膚表面の相対的な動きであることを判断しました。これは、センサーが皮膚上を動く大きな動きの間に発生します。

結果「こすれ」皮膚

これにより、皮膚の「こすれ」が生じ、表皮からの反射が増加し、基礎組織からの反射が減少し、信号のピークツーピーク振幅が減少し、したがって ECG 測定の品質が低下します。

しっかり留められたリストバンドは、緩すぎるリストバンドと比較して、より良い品質の測定を提供することを判断しました。また、リストバンドが最適なセンサーと皮膚の接触のために十分に締められている限り、手首の正確な位置は動きの小さな違いのため、より重要な影響が少ないことがわかりました。

良いストラップを選ぶのと同じルール。Scientific Data（Nature）は、手首の姿勢の変化（向きではなく、手首が曲がるときの接触圧力の変化）が PPG 波形品質の測定可能な変化を生じさせることを具体的に文書化しました。この研究からの推奨事項：循環を制限しないように接触を維持するのに十分なほど密着してデバイスを着用してください。これは任意の品質ストラップの同じフィッティング ガイダンスです。

Apple のサポートドキュメント正確な測定について Apple Watch は皮膚と接触し、ワークアウト中に体に密着する必要があります。Smartlet はこれを実現するように設計されています。ポッドは Apple Watch を抱きかかえ、手首の内側の皮膚と継続的に接触させます。適切なフィットにより、センサー アレイはワークアウト中のすべての動きの範囲で手首の皮膚との接触を維持します。

Smartlet ポッドは、ピアレビュー済み文献で PPG 読み取りの精度に影響を与えると引用されている唯一の変数である内側手首領域の皮膚との継続的な接触を保ちます。

実践におけるSmartletとセンサーのパフォーマンス

実用的な概要は 3 つの領域をカバーしています。

この質問をよく聞きます。つまり、人々は正確な読み取りのためにディスプレイが外向きに面する必要があるという考えを持っています。それで彼らはそれを外向きに試してから内向きに試し、ディスプレイが内向きに面しているときの変動がはるかに少ないことに気付きます。また、外側のウォッチフェースは、腕を曲げるときに手首をわずかに上げるのを防ぎます。これは PPG が測定するものです。

はい、これは一般的な誤解であり、非常に理解できるものですが、残念ながら正しくありません。この背後にある PPG 科学は完璧に機能し、Smartlet を内向きに着用することは完全に問題ありません。皮膚と Smartlet の間の接触は非常に良好であるため、内向きまたは外向きに着用することによる利点または欠点は無視できます。

心拍数およびすべての PPG ベースのメトリック：心拍数およびその他すべての PPG ベースのメトリック 手首の内側の光は、手首の外側の光と同じ反射原理に従います。微小血管の血液量の脈動は両方の表面に存在します。これは単に皮膚接触の問題であり、向きではありません。

モーション ベースのメトリック：加速度計ジャイロスコープ モーション ベースのメトリック

モーション ベースのメトリック：加速度計とジャイロスコープ モーション ベースのメトリック 加速度計とジャイロスコープは 3 次元センサーであり、向き独立です。つまり、デバイスのどの向きでも機能します。したがって、ステップ カウント、アクティビティ認識、睡眠検出、落下検出、衝突検出などの機能は、ウォッチ フェースが上向きか下向きかに関わらず機能します。WatchOS と Wear OS、および Garmin Connect およびその他の主要なスマートウォッチ プラットフォームもすべて向き独立です。

データグレード：スマートウォッチを異常な角度で着用しているにもかかわらず、収集されたデータのウェルネス グレードは悪影響を受けません。データには引き続き、トレンド、リスク通知、ウェルネス測定が含まれます。Smartlet はスマートウォッチを医療診断デバイスに変換しません。これは、スマートウォッチを異常な角度で着用してより多くのデータを収集する場合でも当てはまります。

Smartlet 対応ウェアラブル デバイスで追跡される健康信号の幅の点で比類のない：- Apple Watch Series 10 & Apple Watch Ultra 2（PPG（光電脈波図法）信号を通じた心拍数と RR 変動性、ECG（心電図）信号、SpO2（動脈血中の酸素飽和度）パルスオキシメトリー、体温、落下検出、衝突検出）- Garmin Fenix 8 Pro（PPG（光電脈波図法）信号を通じた心拍数と RR 変動性、パルスオキシメトリーを通じた SpO2、心拍数と RR 変動性追跡）- Withings ScanWatch Nova（革新的なアナログ ウォッチ スタイル ハイブリッド ECG 継続信号、SpO2）Apple Watch Series 10 and Ultra 2（PPG、ECG、SpO2、温度、落下検出、衝突検出）、Garmin Fenix 8 Pro（PPG、SpO2、パルスオキシメトリー、HRV、衛星通信）、およびWithings ScanWatch Nova（ハイブリッド アナログ ウォッチ フォーム ファクターでの継続 ECG、SpO2）。

互換性のある構成を探索

、完全なスマートウォッチインデックス完全なスマートウォッチ インデックスはここにあります。機械式時計のペアリングについては、Seiko ブランド ページ、Hamilton ブランド ページ、Tudor Black Bay モデル ページを参照しています。これにより、ヨーロッパ、アジア、北米で最も人気のあるコレクター セグメントについて良い考えが得られます。Seiko ブランド ページ、Hamilton ブランド ページ、およびTudor Black Bay モデル ページヨーロッパ、アジア、北米で最も人気のあるコレクター セグメントの有用なリファレンスです。

よくある質問

はい。反射型 PPG は、皮膚の同じ側に LED と光電子増倍管を使用しています。手首の毛細血管微小血管からの血液量の変化は、手首の組織に分散した血管系が原因です。内側の手首でも機能します。重要なのは皮膚接触であり、角度ではありません。ソース：Charlton and Marozas、NIH/PMC、2021。Charlton and Marozas、NIH/PMC、2021.

はい。加速度計は 3 つの軸に沿って重力加速度を同時に記録できます。Apple には手首とクラウンの向き設定もあり、すべての条件をカバーする必要があります。Apple はこれを公式サポート ドキュメントで確認しました。3D 向き独立性は iPhone 4 の設計目標でした。Apple のサポートドキュメント.

Smartlet で落下検出は引き続き機能しますか？

はい。落下は、制御されていない落下の独特なマルチ軸加速パターンに基づいて検出され、スマートウォッチの 3 軸加速度計とジャイロスコープによって登録されます。センサーは向き独立であるため、ウォッチ フェースをどちらの側に保持しているかは関係ありません。

スマートウォッチの健康データは信頼できるほど正確ですか？

スマートウォッチ データはウェルネス グレードです。npj Digital Medicine living review のスマートウォッチ ECG と心拍変動性は、ウェルネス グレード スマートウォッチ測定の臨床精度を決定するために 26 件の研究を検討し、Apple Watch 心拍数モニタリングがウェルネス グレード レベルで臨床的に正確であることを発見しました。

JACC Advances の他の Apple Watch 研究の 5 件の研究のメタ分析では、心房細動検出の Apple Watch アルゴリズムの感度が 95%、特異度が 97% であることが判明しました。スマートウォッチ データは医師の診察をトリガーできるフラグまたはアラートですが、医学的診断に使用することは意図されていません。当社のスマートウォッチはどの装着向きでも機能します。

Smartlet 互換のスマートウォッチで最も完全なセンサー スイートを備えているのはどれですか？

心臓と呼吸、動き、緊急検出の場合：Apple Watch Ultra 2 と Apple Watch Series 10（互換性ページ）トレーニング用のバイオメトリクスの場合：Garmin Fenix 8 Pro（互換性ページ）スリムなフォーム ファクターでの継続 ECG の場合：Withings ScanWatch Nova（互換性ページ）互換性ページ）。トレーニング重視のバイオメトリクスの場合：Garmin Fenix 8 Pro（互換性ページ）。スリムなフォーム ファクターでの継続 ECG の場合：Withings ScanWatch Nova（互換性ページ).

反射型 PPG は上下を区別しません。皮膚接触が唯一重要な変数です。Smartlet はセンサーを内側の手首に押し付けます。これは最高のパフォーマンスを発揮する場所です。