PPG PPG 皮膚に光を当て、心拍ごとの血液の拍動を検出する光学的な方法。ほとんどの時計、リング、スマートフォンのカメラアプリが、これで心拍変動（HRV）を推定します。 PPGについてさらに詳しく （光電式容積脈波）のセンサーは、時計の裏側やリングの内側にある光です。皮膚に光を当てて、戻ってくる光の量を測ります。心拍のたびにわずかな血液が皮膚へ押し込まれ、光が一瞬弱まるため、センサーには一拍ごとに一つの波が見えます。心拍数や心拍変動（HRV）から、血中酸素、不規則なリズムの通知まで、時計が心臓について伝えることはすべて、この波のタイミングと形から始まります。
PPGセンサーのしくみ
PPGはphotoplethysmographyの略で、「photo」は光、「plethysmo」は容積を意味します。ハードウェアは小さなものです。発光ダイオード（LED）が組織に光を当て、フォトダイオードが出てくる光を測ります。血液は光を吸収するため、組織に血液が多いほど、フォトダイオードに届く光は少なくなります（Allen, 2007）。
部品の配置には二つの方法があります。
- 透過型。 LEDとフォトダイオードが、指先や耳たぶをはさんで向かい合わせに置かれます。病院のパルスオキシメーターや指に挟むクリップは、この方式です。
- 反射型。 LEDとフォトダイオードが同じ面に並んで置かれ、フォトダイオードが散乱して戻ってきた光を受けます。時計、リング、スマートフォンのカメラとフラッシュを使う方法は、この方式です（Allen, 2007）。
光の色も重要です。赤色光と赤外光は組織の深くまで届き、パルスオキシメーターに必要なのはこちらです。緑色光は血液に強く吸収され、それほど深くは届きません。そのため手首では、よりきれいな脈が得られ、動きにも強くなります。多くの時計の裏側が心拍数の測定で緑色に光り、血中酸素のときだけ赤色光と赤外光に切り替わるのはそのためです（Castanedaら, 2018、Charltonら, 2023）。
信号は二つの部分からなります。戻ってくる光の大半は一定のレベルで、DC成分と呼ばれ、皮膚、骨、常にそこにある血液で決まります。その上に、心拍ごとの小さな波打ちであるAC成分が乗っています。この波打ちは全体のわずかな割合なので、センサーの電子回路で増幅する必要があり、小さな乱れでもかき消されることがあります（Allen, 2007）。
一つの脈の形
波打ちを上下逆にして、血液が多いほど上に向くようにすると、心拍ごとの波は次のようになります。
- 収縮期ピーク
- 重複切痕
- 拡張期ピーク
- 脈と脈の間隔（収縮期ピークから次の収縮期ピークまで）
脈が2つ並んだなめらかな波です。どちらの脈も、急に立ち上がって収縮期ピークに達し、重複切痕という小さなくぼみまで下がり、再び上がって低めの拡張期ピークを作り、ベースラインに戻ります。2つの収縮期ピークの間隔は1.00秒と示されています。
拍ごとに、同じ三つの目印が描かれます（Elgendi, 2012）。
- 収縮期ピーク。 心臓が収縮して、動脈に圧力波を送り出します。皮膚の血液量は急速に増え、ピークに達します。
- 重複切痕。 大動脈弁が閉じて、心臓からの波が弱まります。血液量が減り始めます。
- 拡張期ピーク。 圧力波は、血管の分岐点や下半身で反射して戻り、血液量が落ち着く前に、二つ目の小さな山として届きます。
アルゴリズムが生の曲線をそのまま扱うことはあまりありません。曲線上の点を拾います。波が立ち上がり始める足、ピーク、最も急に立ち上がる点、切痕と拡張期ピークのタイミングと高さです。よく使われる方法の一つは、波の二次微分をとります。ゆるやかな曲がりがはっきりしたスパイクになるので、それぞれにa、b、c、d、eの記号を付け、その大きさを比べます（Elgendi, 2012、Takazawaら, 1998）。
年齢、硬さ、体力で波はどう変わるか
反射波が興味深い部分です。弾力のある若い動脈では、圧力波がゆっくり伝わるため、反射は遅れて戻り、手前にはっきりした切痕のある、独立した拡張期の山として現れます。より硬い動脈では、波がより速く伝わり、反射がより早く戻って主波と合流し、切痕が埋まります。
医師たちは、ウェアラブルが登場するずっと前からこれに気づいていました。1973年にDawberらは、冠動脈疾患の研究で、動脈の脈波を、はっきりした切痕があるものから切痕がまったくないものまで、四つのクラスに分類しました（Dawberら, 1973）。はっきりした切痕は、動脈が健康で柔軟な人に通常みられる所見です（Elgendi, 2012）。
その後の研究で、数値で示されるようになりました。Millasseauらは、収縮期ピークから拡張期ピークまでの時間を測り、身長をその時間で割って硬さの指標を求めました。21〜68歳の症状のない成人87人で、この指標は年齢とともに上がり、大動脈に沿った圧力波の速度、つまり大きな動脈の硬さの標準的な指標と連動していました。さらに、拡張期の山の高さを収縮期ピークに対する割合で表した反射指標を示し、これは動脈の緊張を変える薬に反応します（Millasseauら, 2002、Millasseauら, 2006）。Takazawaらのチームは、代わりに二次微分を使い、aからeのスパイクを組み合わせて「加齢指標」(b − c − d − e)/aを求め、600人で年齢とともに上がることを示しました（Takazawaら, 1998）。
体力は逆に働きます。21〜96歳の健康なボランティア146人では、動脈の硬さは年齢とともに上がりましたが、どの年齢でも有酸素能力の高い人のほうが低く、持久系のトレーニングを積んだ54〜75歳の男性は、同じ年齢の運動習慣のない男性より、動脈が硬くありませんでした（Vaitkeviciusら, 1993）。別の研究では、持久系のトレーニングを積んだ中高年の男性は、同じ年齢のあまり活動的でない男性より、中心動脈の伸展性が20〜35%高く、運動習慣のない男性20人が、主にウォーキングによる定期的な有酸素運動を三か月間行ったところ、動脈の伸展性は同程度の水準まで上がりました（Tanakaら, 2000）。
注意点が二つあります。これらの体力に関する研究は、時計ではなく、首や脚で圧力センサーや超音波を使って硬さを直接測っています。また、PPGの波形に基づく指標は、動脈とは無関係な理由でも変わります。センサーを置く位置、押し当てる強さ、皮膚温、周囲の光でも動き、血管に作用する薬でも動きます（Charltonら, 2023、Millasseauら, 2006）。集団については良く説明できますが、自分の血管年齢の検査にはならず、脈の形から動脈がどのくらい鍛えられているかを時計が教えてくれることもありません。
試してみる：時計と同じように脈を読む
下のインタラクティブなグラフは、教材用のモデルであり、実際の記録ではありません。それぞれの脈は、二つの釣鐘型の曲線の合計で、一つは収縮期の波、もう一つは反射です。これは、アルゴリズムをテストするための合成PPGをつくる標準的な方法です（Tangら, 2020）。簡単な検出器がピークを見つけ、ピーク間の間隔を測り、アプリと同じようにRMSSDを計算します。
時計と同じように脈を読む
記録ではなく、学習用のモデルです
検出した間隔 1010 · 1040 · 980 · 960 · 1010 · 1040 · 980 ms
- 脈拍数
- 60 bpm
- RMSSD（測定値）
- 45 ms
- RMSSD（真の値）
- 42 ms
100 Hzではサンプルが10 ms間隔で、検出器はすべての拍を見つけているため、RMSSDは45 msで、モデルの真の値42 msとの差は3 ms以内です。
重複切痕がはっきり見え、拡張期の波も独立しています（反射指数 0.50）。弾力のある動脈に見られる波形です。
JavaScriptをオンにするとスライダーを動かせます。
8秒分の合成PPG信号の折れ線グラフです。心拍ごとに山が1つあり、検出された脈には短い目盛りが付いています。2つ目のグラフは、検出された脈と脈の間隔を実線で、モデルの真の間隔を破線で示します。表示欄には、脈拍数、検出した間隔のRMSSD、真のRMSSDが表示され、続けて違いを説明する文と、脈1つひとつの形を説明する文が表示されます。5本のスライダーで動脈の硬さ、心拍数、信号の強さ、動き、サンプリング周波数を設定でき、チェックボックスでサンプル間の補間をオンにできます。
次の設定を順番に試してください。「動脈の硬さ」を上げると、切痕が消えていきます。冷えた手のように、検出器が拍を見失うまで「信号の強さ」を下げてみてください。「動き」を加えると、間隔が大きく乱れます。最後に「 サンプリング周波数 サンプリング周波数 センサーが一秒間に信号を測る回数で、単位はヘルツ（Hz）。各拍をどこまで正確に計れるかを決め、1000 Hzで約±1 ms、250 Hzで±4 ms、25 Hzのカメラで±20 msです。 サンプリング周波数についてさらに詳しく 」を25 Hzにすると、どの拍も見つかるのにRMSSDが変わります。各ピークの時刻が、40 ms単位でしかわからなくなるためです。
脈拍変動（PRV）は厳密にはHRVではない
HRVは厳密には、心電図で心臓の電気信号を捉え、R波のピークの間隔として測るものです。PPGセンサーが見るのは、心拍が送り出した圧力波で、その波が手首や指に届くまでには時間がかかります。この遅れは脈波伝播時間と呼ばれ、一定ではありません。血圧、姿勢、動脈の緊張で変わり、呼吸のたびにも少し変わります。そのため、二つの脈波の間隔は、二つの心拍の間隔に伝播時間の変化を足したものになり、時計から測る変動は、HRVではなく脈拍変動（ PRV 脈拍変動（PRV） 脈拍と脈拍の間隔の変動を、時計、リング、スマートフォンのカメラが光学的に測ったもの。安静時は心拍変動（HRV）によく追従しますが、動いているときはずれていきます。 脈拍変動（PRV）についてさらに詳しく ）です（Mejía-Mejíaら, 2020、Yudaら, 2020）。
実際には、じっとしていれば両者はよく一致します。PPGと心電図を比べた研究のレビューでは、安静時にはPRVをHRVの代わりに使ってよいとされていますが、RMSSDなどの短時間の指標はやや高く読む傾向があり、著者らはこれを、呼吸が循環に作用するためだとしています。身体活動中や一部の精神的な課題では、一致がはるかに悪くなり、ときには許容できないほどになりました（SchäferとVagedes, 2013）。Yudaらはさらに進めて、PRVには血管についての追加の情報が含まれるため、HRVの代用品ではなく、独自の指標として扱うべきだと主張しています（Yudaら, 2020）。
自分の推移にとっては、二つのことを意味します。性能のよい時計、リング、カメラアプリで得た安静時の測定値は、HRVのまずまずの推定値になります。そして、時計と胸部ストラップは、同じ拍を測っても、ミリ秒単位では決して一致しません。
うまくいかないとき
PPGの数値はどれも、正しいピークを正しい時刻に見つけることに依存しています。それが失敗するよくある場合を挙げます。
動き
腕を動かすとセンサーが皮膚の上でずれ、血液も揺れるため、脈よりはるかに大きな揺れが信号に加わります。六つのデバイスを着けた53人を調べた研究では、心拍数の誤差は、安静時より活動中のほうが平均で30%大きく、活動の種類とデバイスの機種が最も大きく影響しました（Bentら, 2020）。リズミカルな動きは最悪のケースです。毎分160歩のペースは、心拍数160に見えてしまうからです（Zhangら, 2015）。
弱い脈：冷えた手と灌流不良
寒さは皮膚の小さな血管を狭くするため、センサーに届く血液が減り、波打ちは小さくなりますが、センサー自身のノイズは変わりません。Allenのレビューは、皮膚温と灌流を、脈波の大きさを変える主な要因として挙げています（Allen, 2007）。寒い部屋でカメラで測ると、まったく測れないことがあります。
接触圧と周囲の光
センサーは平らにしっかり当てる必要があります。ゆるすぎると、LEDの光が漏れ、日光が入り込み、バンドがずれるにつれて信号がドリフトします。きつすぎると、圧力で小さな血管が圧迫されて、脈が平らになります（Allen, 2007、Charltonら, 2023）。
肌の色とタトゥー
メラニンは光を吸収するため、肌の色が濃いほど、戻ってくる光は少なくなります。これが測定値を変えるかどうかは、心拍数についてもっとも研究されていますが、エビデンスは一致していません。上で挙げた53人の研究は肌の色を測定し、心拍数の精度に肌の色による統計的に有意な差を見いだしませんでした（Bentら, 2020）。2023年のシステマティックレビューでは、合計469人を対象とした十件の研究が見つかりました。四件はより濃い肌色で精度が低いと報告し、四件は影響なし、二件は結果がまちまちで、もっとも濃い肌色の人はほとんど調べられていませんでした（Koerberら, 2023）。血中酸素については、もっと明確です。米国の一つの病院の記録では、パルスオキシメーターが92〜96%を示したとき、血液検査で酸素が88%を下回っていたのは、黒人の患者の測定の11.7%、白人の患者の測定の3.6%でした。複数の病院のデータセットでは、17.0%と6.2%でした（Sjodingら, 2020）。時計のSpO2はおおまかな目安として扱い、心拍数のほうを、より信頼できる数値と考えてください。
濃い色のタトゥーのインクも光を吸収します。Apple自身の案内では、タトゥーのインク、模様、濃さによっては、センサーの光を遮り、測定値が信頼できなくなることがあるとされています（Apple Support）。
サンプリング周波数と補間
センサーは、毎秒決まった回数だけ光を読み取ります。毎秒25回のサンプリングでは、ピークの位置を40 ms単位でしか決められませんが、HRVは数十ミリ秒の差から組み立てられます。10 kHzのPPG記録をダウンサンプリングした予備的な研究では、PRVの指標は25 Hz以上では心電図のHRVと有意な差がなく、RMSSDは15 Hz以下で差が出始めました（ChoiとShin, 2017）。57件の五分間の記録を調べた2021年の研究では、限界はもっと高いところにありました。SDNNとRMSSDは、補間しない場合は毎秒50回までは1 kHzの値の5%以内にとどまり、サンプル間でピーク位置を補間した場合は、毎秒10回、20回まで下げてもそうでした（BérèsとHejjel, 2021）。センサーのサンプリング頻度を公表しているメーカーは多くありません。
余分な拍と心房細動
期外収縮の拍は、通常の拍より送り出す血液が少ないため、その脈波は小さく、検出器が見逃すことがよくあります。すると記録には、二つの短い間隔ではなく、一つの長い間隔が残ります。欧州心臓病学会と北米ペーシング・電気生理学会のタスクフォースによるHRVの基準は、余分な拍とその前後の間隔を、HRVの数値を計算する前に取り除くよう求めています（Task Force, 1996）。拍一つの位置のずれだけで、結果が変わりうるためです（Labordeら, 2017）。心房細動では、間隔が拍ごとに不規則になり、PRVは通常の意味を持たなくなります。後述する時計の通知が探しているのは、その不規則さです。
時計がPPGから求めるもの
一つの信号から、多くの数値が得られます。以下のアルゴリズムは、それぞれ独自の方法と限界を持っています。
拍の検出と心拍数。 もっとも単純な方法は、ピークまたは足を一つずつ見つけて数えます。運動中は、周波数に基づく方法に切り替える時計が多くあります。数秒間の信号の中でもっとも強い規則的なリズムを探し、加速度センサーを使って、歩調に一致するリズムを打ち消します。この種のよく知られた方法であるTROIKAは、時速15 kmまでで走る12人で、平均誤差が毎分2.34拍でした（Zhangら, 2015）。心拍数は、PPGの数値のなかでもっとも大きく外れにくいものです。ピークが一つ誤っていても、10秒間の平均はほとんど動かないからです。
HRV、実際にはPRV。 アプリはピーク間の間隔を並べ、おかしく見える間隔を除き、RMSSDなどの式を適用します。ピークが一つずれるとRMSSDが大きく変わるため、多くのメーカーは睡眠中に測り、動きのある区間は除外します。計算式については、HRVの測り方：センサー・タイミング・精度をご覧ください。
血中酸素（SpO2）。 酸素を多く含む血液と少ない血液は、赤色光と赤外光の吸収が異なります。センサーは二つの色での脈の波打ちの大きさを比べ（「比の比」）、ボランティアで求めた曲線を使って、それを百分率に換算します（Allen, 2007）。上で挙げた肌の色による偏りは、この段階に潜んでいます。
呼吸数 呼吸数 1分あたりの呼吸の回数。呼吸数だけでもHRVは動きます。呼吸がゆっくり深くなると拍ごとの揺れが大きくなり、1分あたり約9回を下回ると、揺れはHF帯からLF帯へ移ります。 呼吸数についてさらに詳しく 。 呼吸はPPGに三つの痕跡を残します。信号の基線が上下に揺れる、脈が大きくなったり小さくなったりする、脈の間隔が長くなったり短くなったりする、の三つです。アルゴリズムはこのうち一つ以上を取り出して、周期を数えます。動きやセンサーの接触不良は、アルゴリズムが頼る信号を壊し、日常生活を送っている人のデータで検証されたものは、ほとんどありません（Charltonら, 2018）。
不規則なリズムの通知。 時計はバックグラウンドで、脈の間隔に心房細動に特有の乱れたパターンがないかを調べ、何度かの確認が一致すると通知を出します。Apple Heart Studyでは、419,297人のうち0.52%が、中央値117日の間に通知を受けました。その後、読み取り可能な心電図パッチを返却した450人のうち、34%でパッチに心房細動が記録され、パッチの装着中に新たな通知が出たときは、その時点で心電図に心房細動が84%の確率で見られました（Perezら, 2019）。Fitbit Heart Studyでは、455,699人のうち1%が検出を受けました。読み取り可能なパッチを返却した1,057人のうち、32.2%でパッチに心房細動が記録され、パッチ装着中の新たな検出は、98.2%の確率で心電図の心房細動と一致しました（Lubitzら, 2022）。通知は心電図を受けるきっかけであり、診断ではありません。通知がないからといって、問題なしとは限りません。
カフなし血圧測定。 方法は二つあります。一つは、胸の心電図のスパイクと手首のPPGのピークなど、二点の間で圧力波のタイミングを測る方法です。硬く圧力の高い動脈ほど波を速く伝えるため、伝播時間が短いほど血圧が高いことを示唆しますが、個人ごとにカフでの較正が必要で、デバイスも時々較正し直さなければなりません（Mukkamalaら, 2015）。もう一つは、PPGの一つの波の形を読む方法です。カフなしデバイスのIEEE規格は2014年からあり（IEEE 1708）、血圧の上昇と下降にわたるテストを求めていますが、専門家は、その変化をどのように起こすかが定義されていないため、重要な種類の変化を追えることを示さなくても合格できると指摘しています（Mukkamalaら, 2021）。欧州高血圧学会は、これらのデバイスは、適切な検証に合格するまでは、臨床判断に使うべきではないとしています（Stergiouら, 2022）。
「血管年齢」とストレススコア。 一部のアプリは、硬さの指標、反射指標、二次微分の加齢指標を血管年齢に変換したり、PRVをほかの信号と混ぜてストレススコアにしたりしています。上の研究が示すように、これらの指標は集団では年齢と連動します。しかし、ある人のスコアに意味があるかどうかは検証されておらず、同じ人でも、センサーをより強く押し当てたり、手を温めたりすることで、別の血管年齢が出ることがあります。興味本位で読むものと考えてください。
HRVの測定：PPG、心電図、胸部ストラップ
| 手首またはリングのPPG | スマホカメラのPPG | 胸部ストラップ（ 心電図 心電図 皮膚に付けた電極で記録する、心臓の電気的な活動の記録。心電図に基づくRR間隔は、HRVを測るうえでの参照基準です。 心電図についてさらに詳しく ） | |
|---|---|---|---|
| 何のタイミングを測るか | 皮膚の脈波 | 指先の脈波 | 心臓の電気的なR波のピーク |
| 指標 | PRV | PRV | HRV |
| 測るとき | 睡眠中、または単発の測定 | 自分で開始した測定 | 自分で開始した測定 |
| 毎秒のサンプル数 | ほとんど公表されていない | カメラのフレームレート。通常30または60 | 250〜1,000。心電図の基準が勧める範囲 |
| 安静時 | 心電図に近い | 29人の研究では心電図に近い | 自宅での基準 |
| 動いているとき | 信頼できない | 使えない | 良好。ストラップが濡れていて、ぴったり着いている場合 |
| 余分な拍 | 見逃されやすい | 見逃されやすい | 見える。除去できる |
心電図の基準は、毎秒250〜500サンプル以上を求めており、それより低い周波数は補間する場合に限って認めています（Task Force, 1996）。カメラの数値は、スマートフォンの一般的なフレームレートで、安静時の29人を調べた研究では、カメラアプリのRMSSDは心電図とよく一致しました（Plewsら, 2017）。複数の誘導をとる臨床の心電図は、この三つのどれにとっても基準であり続けます。デバイスごとのエビデンスは、Oura・WHOOP・Garmin・AppleのHRVにあります。
光学式の方法にどのくらい代償があるかは、数値によって異なります。一拍ごとの小さなタイミングの誤差は、 RMSSD RMSSD 隣接するNN間隔の差の二乗平均平方根。1拍ごとの心拍間隔が次の拍とどれだけ違うかをミリ秒で表すHRV指標で、主に迷走神経の活動を反映します。 RMSSDについてさらに詳しく 、 pNN50 pNN50 隣り合うNN間隔の差が50ミリ秒を超える組の割合。RMSSDと同じく、迷走神経が生む速い変化を追いますが、大きさではなく割合で表します。 pNN50についてさらに詳しく 、HFパワーなどの拍ごとの指標には積み重なりますが、平均心拍数はほとんど動きません。腕時計か胸部ストラップか：PPGがHRVに与える影響では、誤差の要因を一つずつ説明し、指標ごとの表を示しています。同じ拍を心電図とPPGセンサーで測って比べるインタラクティブなグラフもあります。
自分の測定値にとっての意味
- PPGデバイスは、そのデバイス自身とだけ比べます。そのHRVはPRVで、独自のスケジュールと独自のフィルターで測られているため、ストラップや別の時計とは一致しません。例は、レッスンデバイスどうしでHRVが合わない理由で説明しています。
- 自分で開始する測定では、じっとして、体を温かくします。ストラップは、メーカーの案内どおり、ぴったり着けても、きつくは締めません（Apple Support）。手順は、HRVを正しく測るにはにあります。
- 日中の単発の測定より、睡眠中の測定を信頼します。じっとしている時間のほうが、検出器にとって最も条件が良いからです。
- 一度だけ変な値が出たら、まずセンサーの問題を疑います。動き、冷えた手、見逃した拍で、大半は説明がつきます。
- 心拍数は信頼して使い、HRVは推移として見て、SpO2はおおまかな目安とし、血管年齢とストレススコアは興味本位で読みます。
- 不規則なリズムの通知が出たら、心電図を受けるために医師のもとへ行きます。症状があるのに、通知がないことを安心材料にしないでください。
- 自宅で心電図レベルのHRVを得たいなら、胸部ストラップと無料のアプリで可能です。手首のHRVは胸部ストラップと同じくらい正確？とスマートフォンのカメラでHRVは測れる？をご覧ください。