Muse 2 forehead photoplethysmography agrees with Polar H10 for heart rate but overestimates ultra-short RMSSD

人間の心臓はメトロノームのように刻むわけではありません。一つの鼓動と次の鼓動の間には、ごくわずかな、自然な時間の変動があります。この変動は「心拍変動」として知られ、健康的で反応の良い神経系のサインです。体がリラックスしているとき、心臓は呼吸に合わせて速度を落としたり速めたりし、複雑で変化するパターンを作り出します。科学者たちは、身体がストレスや休息にどのように対処しているかを理解するために、長年このパターンを利用してきました。伝統的に、これを測定するには、胸部から心臓の電気信号を直接読み取る装置である、医療グレードの心電計が必要でした。しかし、ウェアラブル技術が爆発的に普及するにつれ、人々は手首や額に置くシンプルなデバイスを使って、この同じデータを追跡したいと考えるようになりました。これらのデバイスは電気を読み取るのではなく、皮膚を流れる血液の脈動を光を使って観察します。研究者にとっての問いは、電気的な火花（心臓の電気信号）ではなく、パルス波の到達を測定するこの光学的な手法が、医療基準と同じ物語を語ることができるのかどうかという点です。

最近、『Physiological Reports』誌に発表された研究において、インドネシアのバリ島にいる研究チームが、2つの人気のあるデバイスを使用してこの問いを検証しました。高精度で心拍を記録する胸部ストラップのPolar H10と、額の脈動を測定する瞑想用ヘッドバンドのMuse 2です。研究者たちは、シンプルですが極めて重要な問いを投げかけました。「静かに座っている間に両方のデバイスを同時に装着した場合、それらは心臓のリズムの詳細について一致するか？」というものです。彼らは2つの特定の指標に焦点を当てました。第一は、単に1分間に心臓が何回鼓動するかを示す平均心拍数です。第二は、より微細な指標である「変動性」であり、これは一瞬一瞬の間隔がどのように変化するかを見るものです。この第二の指標は、人がどれほどリラックスしているかを測るためにしばつ使われますが、タイミングのわずかな誤差に対して非常に敏感でもあります。

この研究には、28人の成人が参加し、両方のデバイスを装着した状態で2分間静かに座りました。最初の1分間は目を開け、2分目は目を閉じました。その後、研究者はヘッドバンドからのデータストリームを胸部ストラップと比較しました。結果は明白であり、2つの全く異なる物語に分かれました。平均心拍数に関しては、2つのデバイスは事実上同一でした。ヘッドバンドが計算した1分間あたりの鼓動数は、その差が1拍未満であるほど正確でした。この点において、額のセンサーは完璧に機能しており、心臓がどれくらいの速さで鼓動しているかを確実に伝えることができることを裏付けました。

しかし、リズムの微細な変動に目を向けたとき、物語は完全に変わりました。ヘッドバンドは、胸部ストラップが記録したものよりも、心臓のリズムがより変動的であると一貫して報告しました。ほぼすべてのセッションにおいて、ヘッドバンドは胸部ストラップが記録したよりもはるかに大きな拍動間の差を示しました。平均して、ヘッドバンドはこの変動性を約19ミリ秒過大評価しており、これは心拍のリズムの世界では重大な差です。これを例えるなら、もし胸部ストラップがある程度のリラックス度を測定していた場合、ヘッドバンドはその人が実際よりもさらにリラックスしていると示唆していたことになります。この過大評価は非常に一貫しており、研究者たちは、ヘッドバンドの数値がケースによっては胸部ストラップの数値のほぼ2倍に達することを発見しました。データは、ヘッドバンドが毎回の鼓動において微小なタイミングのノイズを拾っており、変動性の計算は一拍ごととその次の拍との差を見るものであるため、これらの小さな誤差が積み重なって、心臓を実際よりもはるかに不規則に見せていたことを示唆していました。

研究者たちはまた、なぜこのようなことが起こるのかについても調査しました。彼らは、額の動きや皮膚を透過する光の伝わり方によって、デバイスがパルスの正確な瞬間を見つけるのに苦労しているのではないかと考えました。彼らは、エラーが1拍あたり約16ミリ秒のタイミングの不確実性と一致していることを見出しました。これは、デバイス自体の限界と、血液が心臓から額に到達するまでにわずかな時間がかかるという自然な事実（この時間は心拍ごとにわずかに変化します）の両方が混ざり合ったものと考えられます。この研究では実際の電気信号を記録していなかったため、デバイスのエラーとこの自然な生物学的遅延を分離することはできませんでした。彼らが確信していたことは、これら2つのデバイスは、この特定の測定において互換性がないということです。ヘッド、バンドは、心拍の微細な詳細を測定しようとする際の胸部ストラップの代わりにはなり得ません。

研究チームはまた、デバイスが身体の変化を追跡できるかどうかも調査しました。参加者が一般的なリラクゼーション技法である「目を閉じる」動作を行った際、胸部ストラップは心拍変動の明確な増加を示し、体が落ち着いていく様子を示しました。しかし、ヘッドバンドは、この同じ変化を確実に追跡しているという十分な証拠を示しませんでした。データは、「追跡できていない」ことから「中程度に良好に追跡している」ことまで、あらゆる可能性と矛盾しないものでした。つまり、ヘッドバンドがその変化を検知できることを確認するには証拠が足りず、一方で、それが不可能であることを証明するにも証拠が足りないという意味です。これは、ヘッドバンドが心拍数を伝えるには優れているものの、脈拍の変動に基づいてリラックスの変化を追跡できるという信頼性は確認できないことを意味しています。

研究者たちは、Muse 2ヘッドバンドは平均心拍数を測定するための信頼できるツールであるが、その心拍変動の測定値については注意して扱うべきであると結論付けました。このデバイスは胸部ストラップと同じものを測定しているのではなく、胸部ストラップには見えない余分なノイズや生物学的な遅延を含む「脈拍変動（pulse-rate variability）」を測定しているのです。精密なデータを用いて神経系の機能を把握する必要がある科学者や臨床医にとって、このヘッドバンドの数値は直接的な代用にはなりません。研究は、もしこれらのデバイスが変動性を測定するために使用されるのであれば、その結果は心拍のリズムではなく「脈拍のリズム」として報告されるべきであり、ユーザーはその数値が医療グレードのデバイスが示す数値よりも高くなる可能性があることを理解すべきであると示唆しています。このテクノロジーは有用ですが、明確な限界を持っています。それは、鼓動を数えることはできても、心臓のタイミングが織りなす繊細で変化し続けるダンスを、まだ完璧に捉えることはできないということです。