AirPodsは「あなたの脳を読む」ことができるのか？あるいは汗中の乳酸濃度も監視できるタイプ｜ネイチャー

AirPods は脳の信号を監視できますか? ！

それともアルツハイマー病やパーキンソン病を予測できるようなものでしょうか?

最近、インイヤーセンサーが Nature に掲載されました。

AirPodsなどのヘッドホンに「貼り付ける」ことで、装着者の脳波をモニタリングできるだけでなく、汗の中の乳酸濃度もモニタリングできる。

このようにして得られたデータは、てんかんやアルツハイマー病などの神経変性疾患の早期診断に使用することができます。

ポイントは、非常に小さく、耳に挿入してもほとんど目立たないこと、また、柔軟な素材で作られており、装着感が非常に快適であることです。

研究者らは、センサーから得たデータを市販の脳波計や乳酸を含む血液サンプルから得たデータと比較した。

結果から、このセンサーを使用して収集されたデータは、既存の方法で検出された結果と基本的に一致していることが確認されました。

実際、Appleは数か月前に、EEG、EMG、ECGなどの生体信号のモニタリングを目的として、AirPodsのデザイン特許を申請していました。

しかし意外なことに、Apple が何らかの行動を起こす前に、関連する調査はすでに行われていました。

それで、このセンサーはどのようなものなのでしょうか?

快適に着用でき、さまざまな耳の形にフィットします

これまでの臨床データでは、乳酸などの代謝産物のレベルを監視および制御することで、脳機能の改善、神経可塑性の強化、血管新生の増加が可能であることが実証されています。

しかし、現在のところ、EEG 信号と代謝レベル監視を単一のウェアラブル センサー デバイス、特にヘッドセットほど小型のデバイスに統合する研究はほとんど行われていません。

これは主に、異なる検知モードを持つセンサー間でクロストークが発生し、それが測定信号の精度に影響を与えるためです。

身体上で最適な「共感覚」位置を見つけることも重要です。

上記の問題を解決するために、カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究チームは耳の内部の機能構造を研究し、特殊なレイアウト設計、材料、製造プロセスを使用して、この統合型インイヤーセンサーを作成しました。

耳の内部は、中枢神経系、主要な血管系、聴覚皮質に近いだけでなく、エクリン汗腺が多数存在し、固定構造と機械的安定性を備えているため、自然に「共感覚」に最適な場所の 1 つです。

しかし、耳の中のスペースは非常に限られており、人によって解剖学的構造が大きく異なるため、ユニバーサルなインイヤーセンサーの開発は依然として大きな課題となっています。

研究者がどのように設計したかを見てみましょう。

まず、最良の統合効果を実現するために、研究者は外耳道内での機能に応じてセンサーのレイアウトを設定しました。

研究者らは、耳の汗の分布テストを参加者に受けさせ、外耳道内で汗腺の分泌量が多い領域を特定した。

次に、電気化学電極（汗中の乳酸濃度を監視するもの）をこれらの領域に向けて配置しました。電気生理学的電極（脳波を監視するもの）は、EEG 信号の発生源に近い側頭葉領域に向けられます。

△白い破線は電気化学電極（左）と電気生理学的電極（右）の位置を示しています

構造的には、脳波をモニターする部分には3Dデザインと「時計仕掛け」のサポート構造が採用されており、さまざまな耳の形状にフィットするだけでなく、外耳道の皮膚との接触面積がさらに増加し​​、より強力で安定したEEG信号が得られます。

乳酸濃度をモニターする表面の一部は、親水性で多孔質の構造を持ち、汗を効果的に吸収・蓄積できるPVAゲル層で覆われており、乳酸検出の感度と安定性が向上します。

さらに、センサーの製造に使用される材料は、ほとんどが化学的耐性と伸縮性を備えており、蛇行した回路設計により延性がさらに向上し、横方向に 20% 伸びても正常な動作を維持できます。

ほとんどのヘッドホン用シリコンイヤーマフと統合できるように、センサーの底部には粘着層が付いた平らな部分があります。全体の構造は次のようになります。

△中央部にもSEBS素材の絶縁層を内蔵

製造プロセスでは、高速かつ低コストのプリント・ボンド・アセンブリプロセスが採用されています。

△センサー印刷と電子機器との組み立て

センサーを搭載したヘッドホンが完成したので、性能テストの結果を見てみましょう。

EEGと乳酸のデュアルモードによる正確なモニタリング

まずは脳波の感知性能を見てみましょう。

研究者らはインピーダンステストを実施し、センサーと外耳道のインターフェースのインピーダンスが良好であることを発見しました。また、DCバイアステストの結果からも、センサーのバイアス電圧分布が正常であることが示されました。

眼電図テストでは、センサーを使用して眼電図信号を検出できることが証明されています。また、聴覚定常応答テストでも、センサーを使用して聴覚 EEG 信号を検出できることが示されています。

乳酸感知性能に関しては、研究者らはセンサーの線形範囲、選択性、安定性などの指標をテストし、結果も優れていた。

さらに、タンデムテストでは、2 つのセンシング モードを同時に動作させ、一時的なクロストークを排除できることが示されました。

その後、研究者らは人体実験を実施し、5人の参加者に有酸素運動をさせて、脳波と乳酸の変化をモニタリングした。

結果は、運動前と運動後に脳波周波数帯域と乳酸濃度が一貫して増加および減少したことを示しており、これは 2 つのモードの継続的かつ同期した感知が達成されたことを意味します。

一般的に、このセンサーは既存の技術と比較してフォームファクタが小さく、装着感も快適で、日常的な健康モニタリングに使用できます。

しかし研究者らは、この研究にはいくつかの限界もあると指摘した。

例えば、この実験では 20 分間の急性運動を 1 回だけテストし、長期にわたる継続的なモニタリングは行わなかったため、長期的な影響を観察することは不可能でした。また、この研究は健康な人のみを対象としており、特定の患者グループにおけるセンサーのモニタリング効果は検証されていませんでした。この研究では、2 つのセンシング モードを同時に使用できることが示されましたが、クロストークの影響が完全に排除されたわけではありませんでした。

さらに研究者らは、低電力集積回路と組み合わせることで携帯性をさらに向上できるとも指摘した。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41551-023-01095-1