NASA支援スマートウォッチ「EmbracePlus」、宇宙飛行士と患者に医療グレード監視を提供

NASA支援コンソーシアムからの資金で開発されたEmbracePlusは、医療グレードの能力と精度を、コンシューマー製品のルックス、感触、快適さと融合させています。（画像：Empatica Inc.）

アルテミス計画での宇宙飛行士の厳しいスケジュールと睡眠課題

国際宇宙ステーションでの宇宙飛行士の生活は、ミッションが多くの目標とマイルストーンを短期間に圧縮していたスペースシャトル時代に比べれば、大部分はそれほど負担が大きくありませんでした。しかし、アルテミス計画で月面へ向かう最初の宇宙飛行士たちにとってはそうはいきません、と宇宙飛行士のウェルビーイングとパフォーマンスを担当するNASA科学者のアレクサンドラ・ホイットマイア氏は言います。

「アルテミスミッションは非常に野心的で、クルーは多くのタスクを、時には長時間労働や夜間シフトをまたいで実行しなければなりません」と同氏。「彼らのスケジュールは睡眠パターンを乱す可能性が高く、シャトル時代に経験したことに似ています。」

NASA人間研究プログラムの5要素とウェアラブルデバイスの必要性

NASAジョンソン宇宙センターの人間研究プログラムにおける人間要因と行動パフォーマンス要素のサイエンスマネージャーとして、ホイットマイア氏は宇宙飛行士の睡眠を監視・支援し、安全とパフォーマンスを確保する最良の方法を模索しています。彼女の要素は、ジョンソン宇宙センターの人間研究プログラムの5要素のうちの一つに過ぎません。他には、宇宙飛行士の運動と医療ニーズ、放射線など宇宙環境のハザードから健康を守ることなどが担当されています。

プログラムのほとんどの取り組みは、宇宙飛行士の生理学を多様な方法で測定しフィードバックを提供できるウェアラブルデバイスの恩恵を受けられます。そのため2020年、ホイットマイア氏はケンブリッジ（マサチューセッツ州）の医療ウェアラブル技術企業エンパティカ社の最新成果を目の当たりにしました。

TRISH助成金で開発された5センサ搭載スマートウォッチ

NASAの支援と同機関のニーズを視野に入れて、同社は小型・快適・魅力的なデザインに5つのセンサを詰め込んだスマートウォッチを開発しました。これが現在商業販売されているEmbracePlusです。

デバイスのプロトタイプ開発は、宇宙飛行士の長期ミッションリスク軽減を目指す研究コンソーシアム「宇宙健康翻訳研究所（TRISH）」からの助成金によって一部資金提供されました。TRISHはジョンソン宇宙センターとベイラー医科大学から資金提供を受けています。

従来製品の長所を融合：E4の能力とEmbrace2のデザイン

エンパティカ社は以前、主に学術研究と臨床試験用のサイエンスグレードスマートウォッチ「E4」、てんかん発作を検知して介護者に警告する魅力的で日常使用向けのデザインのスマートウォッチ「Embrace2」を商業化していました。

EmbracePlusでは、Embrace2の心地よいルックスとフィール、E4の能力を融合させることを目指しました。E4の能力には、動きを検知する加速度計、温度センサ、心拍・呼吸活動を監視する赤外線センサ、皮膚の電気活動を検知するセンサ（神経系活動と相関）が含まれていました。EmbracePlusにはさらに、より洗練された動き検知のためのジャイロスコープが追加されています。

「EmbracePlusはEmbrace2の美しいデザインとE4のデータ収集能力を融合させたもので、日常生活で容易に着用できる医療機器です」とエンパティカ社CTOのシモーネ・トニエッティ氏。

TRISH資金で実現したエンジニアリング機能

TRISH資金による開発には、心拍数と酸素流量検知用の様々なセンサ評価、重要機能の試験、全コンポーネントとデザイン要素の統合、最も快適なフォームファクタの決定、ディスプレイ選択などが含まれていました。

「資金により、電気皮膚活動センサを快適で取り外し可能なストラップに配置するなど、重要なエンジニアリング機能を実装できました」とトニエッティ氏（皮膚の電気活動センサについて）。「これは製造、電気接続、様々な構造における信号品質への影響についての多くのR&Dの結果でした。」

NASA要件：小型・軽量・快適・省エネ・堅牢

宇宙飛行士が宇宙でも地上研究でも使用するデバイスへの人間研究プログラムのニーズも、ウォッチを形作りました。ホイットマイア氏は、小型・軽量・快適なデザインが宇宙計画に不可欠だと指摘します。「邪魔にならず、負担にならない、それ自体がストレス要因にならないデバイスが本当に必要です」と同氏。

トニエッティ氏によると、NASAはまた、技術が省エネで、使いやすく、過酷な宇宙環境で動作できるほど堅牢であることも要求しました。「データ収集をバッテリー寿命で最適化するカスタマイズ可能なハードウェアモード、低接続時でも55日分のデータを保存できる内蔵メモリ、トラブルシューティングにも役立つ低消費電力ディスプレイを備えています」と同氏。

自動データ収集・クラウド連携・FDA認証

一方、デバイスは自動的かつ継続的にデータを収集し、Bluetoothでコンパニオンアプリにストリーミング、そこからクラウドへプッシュされます。「ユーザーがすることは、デバイスが充電され接続されていることを確認するだけです」と同氏。アプリはこれらのステップもリマインドします。

EmbracePlusは2021年に量産開始。米国FDAから、エンパティカ健康監視プラットフォームのキーーコンポーネントとして認証済みです。トニエッティ氏は、機械学習アルゴリズムが異なるタイプのセンサからの同時データストリームを分析し、健康の様々な側面を検知・監視できるプラットフォームだと説明します。EmbracePlusセンサデータは新しい方法で組み合わせられ、異なる状態を特定できます。例えばCOVID-19パンデミック中、同社は症状呈示前に呼吸器感染を検知するアルゴリズムを開発しました。

大規模臨床試験と学術研究での採用実績

「ウェアラブルはすでに大規模臨床試験と学術研究で使用されています」とトニエッティ氏。顧客には世界最大手の製薬企業や主要研究プロジェクトが含まれます。後者には、EU資金による2つのイニシアチブがあります。機械学習で睡眠時無呼吸症候群の診断・治療を目指す「Sleep Revolution」プロジェクト、注意欠如・多動症と糖尿病・心血管疾患のような状態の交差点を調べ、治療の最適化と個別化を目指す「TIMESPAN」プロジェクトです。

研究と臨床試験では、「参加者の自宅やオフィスからゴールドスタンダード測定を得られ、自己報告や週次のサイト訪問によるスナップショット指標に100%依存しなくて済むことは、より高品質なデータと、参加者への負担大幅軽減を意味します」と同氏。

将来展望：院外患者監視の標準ツールへ

将来、トニエッティ氏はエンパティカ健康監視プラットフォーム（EmbracePlusを含む）を「院外患者健康監視の定番ツール」にしたいと考えています。

ジョンソン宇宙センターに戻ると、ホイットマイア氏はEmbracePlusが宇宙飛行と地上研究でのバイタルサインと睡眠覚醒活動測定の候補デバイスの一つだと述べます。彼女のグループが最も関心を持っているのは、睡眠覚醒サイクルを特定するために使用できる加速度計ですが、他のセンサも人間研究プログラムの他要素で関心を持たれる可能性があると指摘しています。

宇宙飛行士がデータ収集に使用していた腕時計型デバイスは生産終了予定で、EmbracePlusは快適性と接続性など、前デバイスのいくつかの制約（特にリアルタイムデータストリーミングができない点）に対処できると同氏。

医療以外への応用：トラック・鉄道業界の疲労管理

睡眠監視では、EmbracePlusのようなデバイスが医療以外の分野でも応用可能だとホイットマイア氏は考えています。トラック輸送、鉄道、その他の業界には、自己報告に大きく依存する疲労管理システムがあると指摘します。「睡眠不足がパフォーマンスに与える影響を過小評価するという確立された研究があります」と同氏。「これらのデバイスは研究のために重要であると同時に、応用現場では客観的フィードバックを提供する能力により、多くの業界で安全性を向上させ、長時間労働や夜間シフトで働く人々のケアを促進する可能性があります。」

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