NUSの「電池不要」皮膚パッチ、睡眠中や運動中の血圧変化を追跡

上腕カフと手首型ウェアラブルの弱点を補う

上腕に巻くカフ式血圧計は、血圧測定の基準として広く使われている。しかし、カフの加圧は睡眠を妨げることがあり、測定中は基本的に安静にしていなければならない。一方、手首型のウェアラブル機器は装着を続けやすいものの、充電が必要で、カフを使わない血圧推定の精度については、標準的な測定法との比較検証が欠かせない。

NUSの試作機は、日常の動きに対応しながら、センサーごとに電池を載せない設計でこの両方の課題に取り組む。ただし、装着しやすいことと、臨床で使える精度が確認されていることは別の問題だ。

胸部と手首のセンサーはどう血圧を推定するのか

このシステムは、腕を締め付けて圧力を直接測るのではない。心臓の活動と脈波の到達タイミングという、関連する2種類の生体信号を組み合わせる。

1. 胸部センサーが心臓の電気活動を記録する。 乾式の白金電極が、心臓が収縮して血液を送り出す際に生じる電気的な変化を検出する。
2. 手首センサーが到達した脈波を検出する。 光学センサーが、手首付近の血液量に伴う周期的な変化を測定する。
3. 2つの信号の時間差を計算する。 心臓で生じたイベントから、脈波に伴う変化が手首に現れるまでの時間を「脈波伝播時間（pulse-transit time）」と呼ぶ。
4. その時間差から収縮期血圧を推定する。 一般に、脈波伝播時間が長いほど血圧は低い傾向がある。この関係を利用して血圧の変化を推定するが、カフ式のように圧力を直接測定するわけではない。

そのため、この装置は「カフなし血圧推定システム」と呼ぶのが正確だ。結果はセンサー信号、時間差、校正に左右されるため、さまざまな人や環境で標準的な血圧測定値と比較する必要がある。

衣服が給電とデータ通信の経路になる

試作システムでは、一般的な長袖シャツがウェアラブルネットワークの一部になる。銅とニッケルを使った導電性繊維のパターンがセンサーの設置場所をつなぎ、利用者は上腕部にスマートフォンを装着する。

通信には、役割の異なる2つの無線経路を使う。

• NFCによる13.56MHzの電力伝送： スマートフォンのコイルが磁界を発生させ、センサー側のコイルが近距離の磁界エネルギーを電流に変換する。
• 2.4GHz帯のBluetooth通信： センサーが給電されると、生体信号をスマートフォンへ送信する。

導電性テキスタイルは、近距離無線による給電とBluetoothによるデータ通信を分離するよう設計されている。つまりスマートフォンがハブとなり、皮膚上のセンサーへ電力を届けながら、測定データも受け取る。センサー自体に電池を搭載する必要がない点が特徴だ。

この発想は、身体の複数の場所に配置した電池不要のセンサーを、近距離無線に対応した衣服でつなぐ先行研究を発展させたものでもある。

研究体制と開発のきっかけ

プロジェクトは、報道によると、NUSのWireless Bioelectronics Groupで2021年に始まり、米アリゾナ大学と清華大学の研究者も協力した。成果は、連続的な収縮期血圧モニタリングを目指す電池不要の無線皮膚センサーネットワークとして、学術誌『Nature Electronics』で報告された。

開発には個人的な動機もあった。研究者のセルマン・カート氏の父親は、医療機関にいると血圧が高くなる「白衣高血圧」を経験していた。また、24時間カフを装着する検査では、睡眠中にカフが膨らむため不快感があったという。この経験が、昼夜を通じて血圧を観察しながら、日常生活への干渉を抑える方法の必要性を浮き彫りにした。

実用化までに残る課題

今後の課題は、医療面だけでなく、使い勝手や耐久性にも及ぶ。

スマートフォンでリアルタイム表示

想定されているシステムには、血圧の推定値をスマートフォン上でリアルタイムに表示するアプリが含まれる。センサー信号を、利用者が理解しやすく信頼できる情報へ変換することが、研究室の実証から日常利用へ進むための重要な条件になる。

導電性繊維の耐久性

現在の導電性繊維は、およそ10回の洗濯までは耐えられるものの、その後は電力やデータを伝える能力が低下し始める。衣服に組み込む以上、繰り返しの洗濯や日常的な着用に、より安定して耐えられる構造が必要だ。

より大規模で幅広い検証

5人を対象とした試験は、システムが動作することを示すには意味がある。しかし、幅広い集団での性能や、診断に使えることまで証明するには規模が小さすぎる。今後は、より多くの参加者を対象に、さまざまな活動や健康状態で、標準的な血圧測定法との一致度を確認しなければならない。商用の医療用途に進むには、規制当局による検証も必要になる。

結論：有望だが、まだ「血圧計」ではない

NUSの取り組みの核心は、皮膚に貼り付けるセンサー、衣服を介した電池不要の給電、スマートフォンによるデータ収集を一体化したシステム設計にある。睡眠、起床、運動、通勤など、断続的なカフ測定では状況を十分に把握しにくい時間帯の血圧パターンを観察しやすくなる可能性がある。

一方、現段階では、検証済みの上腕式血圧計に代わる製品ではない。実用化には、大規模な試験で精度を確認すること、導電性繊維の耐久性を高めること、そしてスマートフォン上で安定したリアルタイム表示を実現することが求められる。