ヘルステック

ウェアラブルの次なる波: スマート診断ヘルスケアを実現する超音波パッチ

公開日 2024年11月7日

更新日 2026年5月31日

著者

Gaurav Roy

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ウェアラブル技術、または「ウェアラブル」は、開発と使用の両面で大きな注目を集めています。

これらの電子デバイスは、ユーザーの体にアクセサリーとして装着できるよう設計されています。衣服に埋め込んだり、体内に埋め込むことさえ可能です。実際、先に共有したように、研究者たちがウェアラブル技術で画期的な突破口を最近達成し、動きや温度に反応するテキスタイルの作成を可能にしました。なんてワクワクすることでしょう！

しかし、ウェアラブルはどのようにそれを実現するのでしょうか？それは、ユーザーの健康、フィットネス、環境条件に関するデータを収集するセンサーが装備されており、プロセッサが計算を処理し、目的のタスクを実行できるようになっているからです。

これらのデバイスは、さらに無線技術を通じて他のデバイスと通信できるよう設計されており、データの同期やアプリを介した追加機能へのアクセスが可能です。

ウェアラブル技術には、ナビゲーション、インタラクティブゲーム、効率向上、非接触決済など、ユーザー体験全体を向上させるさまざまなユースケースがあります。

本日注目するウェアラブルの重要な実生活応用は、医療とヘルスケアです。ウェアラブルヘルスケアデバイスは実際に、コンシューマー向けウェアラブルと医療用ウェアラブルという大きく2つのカテゴリに分かれます。

時計、衣類、リングなどのコンシューマー向けウェアラブルは、歩数、消費カロリー、心拍数、酸素レベル、睡眠パターンといった指標を追跡することで、ユーザーが健康とフィットネスをモニタリングできるようにします。リアルタイムで貴重なデータにアクセスできることで、ユーザーは自分自身のケアをより良く行えるようになります。

一方、医療用ウェアラブルには血圧モニター、ECGモニター、バイオセンサー、血糖モニターが含まれ、慢性疾患の管理に役立つ貴重なデータを提供することで人気が高まっています。患者が自分自身の健康データを収集・アクセスし、報告できるようになることで、対面診療の必要性がなくなります。

これらのデバイスは、医療専門家にもリアルタイムで実用的なインサイトを提供し、遠隔でも利用可能で、よりパーソナライズされた治療を実現します。興味深いことに、近い将来、私たちは普通のスマートフォンを血糖計として使用できるかもしれません。

ウェアラブル技術の膨大な利点を考えると、スマートウェアラブルヘルスデバイスへの需要は急増しており、今後4年間で700億ドル規模になると予測されています。

コンシューマー向けウェアラブルは、入手しやすさと利用しやすさ、そしてスマートフォンの広範な普及により、ウェアラブル全体の最大シェアを占めています。一方、医療用ウェアラブルは臨床研究を経て、臨床意思決定のためのデータ収集に関して関連政府機関の承認を受ける必要があります。

ウェアラブル超音波イノベーションがヘルスケアを変革する

ウェアラブルに関するこの興奮と開発の中で、研究者たちはウェアラブル超音波デバイスを考案し、筋肉活動の無線モニタリングを実現しました。この新技術はヘルスケアやヒューマンマシンインターフェースでの応用可能性があります。

ウェアラブル筋電図（EMG）デバイスはすでに筋肉活動を特定し、健康モニタリングや身体動作の追跡が可能です。しかし、このアプローチはEMG信号が空間分解能、安定性、信号対雑音比が低いため、かなり制限されています。

複数の筋繊維からのEMG信号は混ざり合う傾向があり、特定の筋繊維の寄与を分離することが困難です。

さらに、通常の筋活動時には信号自体が本質的に弱く、これを補うために皮膚に大きな電極を装着して電気的筋活動を記録する必要があり、空間分解能が低下します。

この臨床標準への有望な代替手段はエコミオグラフィー（EcMG）で、超音波波を用いて筋肉の動きを検出できます。超音波は深部組織に浸透し、高解像度のイメージングを提供し、筋機能に関する詳細な洞察をもたらします。

安全で多用途、かつアクセスしやすいものの、EcMGの問題は大型で複雑なトランスデューサーアレイに依存している点です。これによりユーザーの可動性が制限され、電力消費も高くなります。

そこで、カリフォルニア大学サンディエゴ校のエンジニアは、米国国立衛生研究所（NIH）の支援を受け、完全に統合されたウェアラブルエコミオグラフィーシステムを開発しました。

UCサンディエゴのエイソ・ユーフェン・リー・ファミリー化学・ナノエンジニアリング学部の教授でJacobs Faculty Scholarである徐晟（Sheng Xu）は、本研究を主導し、以前にも同様の超音波パッチを報告しています。

昨年、チームは報告しましたこのパッチでワイヤレス機能を実現したことを。研究の重要な要素は超音波回路設計でした。

この以前のデバイスでは、チームは超音波プローブに接続されていた柔軟なケーブルを取り外し、データ伝送と電力供給に使用しました。

「（この回路は）超音波データを前処理し、無線でバックエンドステーションに送信してさらなる解析を行うことができます。」

– 徐氏は当時語った

前回の研究の焦点は心血管の健康にあり、機械学習アルゴリズムが信号を自動的に処理し、頸動脈を継続的に追跡しました。これにより、パッチ装着者が動いていても超音波情報を取得できました。

「この自動追跡アルゴリズムは、医療超音波と運動生理学に前例のない機会を提供します。」

– 徐研究室の主任著者で博士課程の学生、穆陽林（Muyang Lin）

チームは3つの異なる人種グループからなる10名の健康被験者でAIモデルをクロスバリデーションし、次のステップとしてより大規模な集団でパッチを検証することを計画しています。林によれば、

「この種のデバイスにより、在宅ケアと病院診断の境界を曖昧にしたいと考えています。これらのようなワイヤレスデバイスにより、診断がいつでもどこでも可能になる未来を予見しています。」

パッチは心血管機能のモニタリングで評価されましたが、腹部や四肢にも適用でき、横隔膜や末梢動脈のモニタリングが可能です。これらは最新の研究で対象とされました。数か月前、徐研究室の楊新怡（Xinyi Yang）は実証しましたこのウェアラブル超音波パッチは頭部（こめかみ）に快適に装着でき、脳血流の3Dデータを提供できることを。

ヒューマンマシンインタラクションの可能性を解き放つ

最新の研究の主なイノベーションは、単一の超音波トランスデューサーを使用して深部の問題をより効果的に感知することでした。

この柔らかい超音波パッチは柔軟なシリコーンエラストマーケースに封入され、3つの主要要素を備えています。単一トランスデューサーで超音波波を送受信し、カスタマイズされたワイヤレス回路でデータ処理とトランスデューサー制御を行い、オンボードのリチウムポリマーバッテリーで最低3時間の電力供給が可能です。

主なイノベーションである単一超音波トランスデューサーは、制御された強度の超音波波を放射し、情報を運ぶ高周波信号を捕捉します。これにより、横隔膜の厚さ測定などの臨床応用が可能になります。

デバイスはこれらの信号を利用して高い空間分解能を実現し、特定の筋肉運動の分離に重要です。一方、カスタマイズされたディープラーニングアルゴリズムが研究者に追加の洞察を抽出させました。

AIアルゴリズムは信号を対応する筋肉分布にマッピングし、収集された信号から特定の動きを正確に検出できるようにします。

バッテリー駆動のデバイスは、接着層を用いて皮膚に装着でき、筋肉の正確な長期無線モニタリングが可能です。

「この技術は、日常生活の中で継続的かつ長期的なモニタリングのために個人が装着できる可能性があります。」

– 共著者、UCサンディエゴ材料科学・工学プログラムの博士課程学生、陳翔俊（Xiangjun Chen）

デバイスの可能性を示すため、チームは横隔膜活動を検出し、異なる呼吸モードを認識できることを実証しました。彼らは、単一トランスデューサーエコミオグラフィーシステムがサブミリメートルの分解能で横隔膜活動を追跡し、さまざまな呼吸パターンを実際に追跡・検出できることを発見しました。

デバイスのテスト中、肋骨上に装着して横隔膜の厚さと動きをモニタリングし、呼吸器の健康評価に役立てました。

厚さは横隔膜機能不全の評価や人工呼吸器患者の予後予測に使用されます。筋肉の動きを分析することで、さまざまな呼吸パターンを検出でき、肺炎、喘息、慢性閉塞性肺疾患（COPD）などの呼吸不規則性に関連する疾患の診断に役立ちます。

小規模な試験では、デバイスは健康な被験者とCOPD患者の呼吸パターンをうまく区別し、呼吸ケアにおけるデバイスの可能性を示しました。

「横隔膜活動を追跡することで、この技術は呼吸器疾患の患者や人工呼吸に依存する患者を支援できる可能性があります。」

– 研究の共著者、UCサンディエゴエイソ・ユーフェン・リー・ファミリー化学・ナノエンジニアリング学部のジョセフ・ワン教授

その後、デバイスは前腕に装着され、手と手首の筋活動を検出しました。単一チャンネルの高周波超音波信号から前腕筋肉の手勢を正確に認識できることが判明しました。

カスタマイズされたディープラーニングアルゴリズムにより、チームは超音波信号だけでさまざまな手勢をより正確に検出できました。合計13関節の手関節が平均誤差7.9°で認識できることが報告されました。

この動き検出は10本の指関節と3つの手首回転角度を含み、システムが微細な指や手首の動きを高感度で捉えられることを示しています。このテストは、デバイスをヒューマンマシンインターフェースとして仮想ゲームをプレイしたり、ロボットアームを制御したりする可能性を示しています。

UCサンディエゴ同部門の博士課程学生、岳文通（Wentong Yue）によれば、

「これらの実証は、義肢、ゲーム、その他のヒューマンマシンインターフェース応用における技術の可能性を強調しています。」

今後のステップでは、研究者はエネルギー効率、携帯性、精度、計算能力をさらに向上させることを目指します。

ウェアラブル超音波の台頭が医療の未来を切り開く

ウェアラブル超音波は医療のブレークスルーであり、ヘルスケアを革命的に変える可能性があります。この進歩はすでにしばらく続いており、長年にわたり科学者はさまざまな課題に取り組み、患者の重要な生理機能を遠隔でより良くモニタリングするために異なるウェアラブル超音波を開発してきました。

Source: Wiley Online Library

今年初め、研究者たちは発見しました超音波システムのトランスデューサーが直面する音響インピーダンス問題を克服する液体金属を。通常、この問題はマッチング層で対処されますが、ウェアラブルデバイスに使用されるほとんどの材料は硬すぎました。

より柔軟で機能的なマッチング層を設計するため、研究者は軟らかいシリコーンにさまざまなサイズと体積のガリウムベースのドロップレットを使用しました。シリコーンを約70%のドロップレットで飽和させることで、マッチング層の密度が向上し、音響インピーダンスが400%以上改善されました。伸張時でもインピーダンス低下はわずか13%にとどまりました。

チームは伸縮性のあるマッチング層をウェアラブル超音波プロトタイプに統合し、シミュレートされた動きを成功裏に記録し、診断デバイスとしての可能性を示しました。

数年前、MITの趙玄和博士が率いるNIH資金提供の研究チームは、乾湿両環境で皮膚に貼り付けられる、厚手の切手サイズのウェアラブル超音波パッチを開発しました。

テストでは、パッチは少なくとも48時間快適に装着でき、筋肉、血管、心臓、横隔膜、肺、胃の連続イメージングを提供できました。しかし、パッチは集中的なデータ処理のためにコンピュータシステムに接続される必要がありました。ですが、最新の進歩はこれらの制限を取り除き、システムをより効果的にすることに焦点を当てています。

「体の異なる部位にいくつかのパッチを貼り付け、パッチが携帯電話と通信し、AIアルゴリズムが必要に応じて画像を解析する未来を想像しています。」

– 趙氏は当時語った

これは現在現実になりつつあり、スコットランドのヘルステック企業Novosoundが取得しました今年初めにウェアラブル超音波の特許を取得しました。デバイスは患者の血流と圧力を常にモニタリングし、体に装着してモバイルデバイスに画像を生成します。

「これにより、スマートウォッチパートナーと技術を統合・ライセンスし、体内部をより深く観察し、光学・電気センサーが提供する測定を強化し、手首での24時間血圧モニタリングという聖杯を実現できます。」

– Novosound CEO兼共同創業者、デイブ・ヒューズ博士

この特許は、同社に技術の販売と主要機関とのパイロットプロジェクトの独占権を与えるだけでなく、消費者向けデジタルヘルスアプリケーションのR&D契約にも関与しています。Novosoundはすでにテキサス医療センターと提携し、超音波ウェアラブルのユースケースを開発しています。

ヘルスケアウェアラブルに関連する企業

ウェアラブル技術は成長中のセクターで、AppleApple (AAPL ) のようなテック大手が、コンシューマー向けウェアラブルApple Watchを通じて健康関連アプリケーションを探求しています。

しかし、我々は医療分野に積極的に関与している企業に焦点を当てます。以下は、ウェアラブル超音波などのイノベーションから恩恵を受ける可能性のある2つの有力企業です。

1. Medtronic (MDT )

世界的な医療機器リーダーであるMedtronic Public Limited Companyは、幅広いヘルスケア技術ソリューションを提供し、遠隔診断や健康モニタリングを含むウェアラブルの開発にも取り組んでいます。

2022年、Medtronicは提携しました BioIntelliSenseと共に、1日あたり最大1,440回のバイタルサイン測定が可能なBioButtonウェアラブルを提供しています。心拍数、皮膚温度、呼吸数などを測定します。今年はAIに注力しており、全ての部門に技術活用で生産性向上のアイデアを求めています。

時価総額1155.6億ドルで、Medtronic株は現在90.11ドルで取引され、今年は9.38%上昇しています。EPS（TTM）は2.97、P/E（TTM）は30.31で、配当利回りは3.11%です。

(MDT )

2025会計年度第1四半期（2024年7月26日終了）において、Medtronicは報告しました売上高79億ドルで、2.8%増加しました。「当社の基礎市場は健全で、運営の厳格さを推進し、新製品イノベーションが主要ヘルステック市場での多様な成長を促進しています」とCEOのGeoff Marthaは述べました。

この四半期では、心血管ポートフォリオの売上が5.5%増の30億ドル、神経科学ポートフォリオが4.4%増の23億ドル、糖尿病部門が11.8%増の6億4700万ドルとなり、医療外科ポートフォリオは0.4%減の19億9600万ドルでした。

2. GE HealthCare Technologies (GEHC )

同社は医療技術企業で、画像診断、医薬品診断（PDx）、患者ケアソリューション（PCS）に加えて、革新的な超音波ソリューションを提供しています。超音波ソリューションに注力しているため、GE HealthCareは診断イメージング向けにウェアラブル技術を統合できる可能性があります。

今年、同社は協力しています Biofourmisと、患者モニタリング技術を家庭に拡大するために。BiofourmisはAIアルゴリズムを組み合わせたバーチャル専門ケアプラットフォームで、急性期および退院後患者の遠隔モニタリングを支援します。

数年前、GE Healthcareは導入しました無線・ポータブルセンサーを、患者が入院中に装着できるようにし、臨床医が定期的なチェックインなしでバイタルサインを追跡できるようにしました。

(GEHC )

時価総額396.4億ドルで、GE HealthCare株は現在86.78ドルで取引され、今年は12.23%上昇しています。EPS（TTM）は3.65、P/E（TTM）は23.77で、配当利回りは0.14%です。

2024年第3四半期に、GE HealthCareは報告しました売上高49億ドルで、前年同期比1%増加しましたが、米国での好調な売上は中国市場の継続的な低迷で相殺されました。純利益は4億7000万ドル、営業活動によるキャッシュフローは7億4200万ドル、フリーキャッシュフローは6億5100万ドルでした。