[Independent verification] Can the blood oxygen measurement of Apple Watch Series 6 be used?

▼ What is a blood oxygen wellness? └ Differences in measurement principles from pulse oximeter

▼ Fluctuation of blood oxygen concentration confirmed from the log ├ Continuous measurement and comparison in a short time ├ It is necessary to recognize that it is not a medical diagnostic device ├ Measure the accurate value with a smart watch measured with your wrist.unreasonableness?└ Reasons for large errors, difficult to correct software

▼ Effective use of blood oxygen wellness

What is blood oxygen wellness?

Apple Watch Series 6 can measure the level of oxygen taken into the blood and understand the percentage of oxygen transported throughout the body by red blood cells, a blood oxygen concentration measurement function "blood oxygen wellness".。We checked the log of blood oxygen wellness in the healthcare app, estimated an error compared to the pulse oximeter, and what causes errors, and examined useful use.

パルスオキシメーターとの測定原理の違い

パルスオキシメーターにおける血中酸素濃度（経皮的血中酸素飽和度：SpO2）の測定は、指先にセンサーを装着し、赤色光と赤外光を透過させて動脈血のヘモグロビンの吸光度を、透過した光の信号レベルと脈波から算出することで行っています。 Apple Watch Series 6には緑色と赤色のLEDが搭載され、手首の血管を照射してその反射光の量をフォトダイオードが読み取り、酸素レベルを算出します。 両製品では、下記のように測定原理が全く異なります。

Changes in blood oxygen concentration for one week confirmed from the log

血中酸素ウェルネスによる血中酸素濃度の測定結果を、ヘルスケア・アプリの「取り込まれた酸素のレベル」で確認してみました。筆者の測定結果は、「81%〜100％」でした。一般財団法人 日本呼吸器学会は血中酸素飽和度に関し、「一般的に96%〜99%が標準時の値で、90％以下の場合は十分な酸素を全身の臓器に送れなくなった状態（呼吸不全）になっている可能性がある」と記しています。 血中酸素ウェルネスの測定結果から鑑みれば筆者は、「呼吸不全に陥っているケースがこの1週間で何度もあった」状態になっています。しかし、直近の健康診断でも異常は指摘されていません。 また、同じ期間で1日2回、パルスオキシメーターで血中酸素飽和度を測定しましたが、97%〜99%の結果が得られていましたのでやはり、健康上の問題はないと考えられました。

短時間に連続測定して比較

In order to align the measurement conditions of blood oxygen concentration using a blood oxygen wellness and pulse oximeter as much as possible, it was measured 16 times in a row from 19:30 on September 25, 2020 for a short time.Since the tightening of the belt is expected to affect the measurement results, "the usual way of tightening (normally)", "How to tighten looseness (loose)", "How to tighten the tightness (knocking)"I tried ").In any case, we do not tighten the measurement error with blood oxygen wellness.The results compared to the pulse oximeter are shown in the following graph (tapping the image displays a large image).

今回の連続比較テストから、血中酸素ウェルネスはAppleの説明通り、「医療用ではなく、一般的なフィットネスとウェルネスの目的でのみ設計されている」として参考にすべきと考えられました。

医療用診断機器ではないとの認識が必要

The Washington Postは、「Apple Watch Series 6で血中酸素濃度を測定したら、100%と示された時もあれば、肺に病気を抱えた場合のようなとても低い測定結果が示された時もあった」と報告しています。 同メディアは、「Apple Watch Series 6とFitbitを使って血中酸素濃度測定を行ったが、両モデルで測定値が異なり、どちらも医療用としては用をなさない」ことも伝えています。 Appleは血中酸素ウェルネスの使用目的を、「医療用ではなく、一般的なフィットネスとウェルネスの目的でのみ設計されている」、Fitbitは、「病状の診断や治療を目的としたものではない」と説明しています。 両製品ともに医療用に設計されたものではないため、使用目的を正しく理解する必要があります。

手首で測定するスマートウォッチで正確な値を測るのは無理？

Linker Max Wineback reports that the measured value of blood oxygen concentration (blood oxygen saturation) using Galaxy Watch3 was 15%different from the pulse oximeter measured value.In the current blood oxygen concentration measurement method, it seems that a major error occurs not only in Apple Watch but also in other smartwatches.

誤差が大きい理由、ソフトウェア補正は困難

医療用血液検査装置などでは、設置型とポータブル型の間で測定方法が異なるため、双方の測定結果を参照し正しい値に補正する計算式が、測定精度に劣るポータブル型の内部プログラムに組み込まれています（多少乱暴な説明ですが、正しい値を示すと確認されている設置型の装置による測定値に、ポータブル型の測定値を合わせるように補正します）。 これらの補正、校正は同じ血液検体を用いて行われています。Apple Watch Series 6で同じような補正を行うのは困難と予想されます。Apple Watch Series 6とパルスオキシメーターでは、血中酸素濃度を測定する方式、部位が異なります。手首は、医療診断レベルの血中酸素濃度の測定部位として適切な部位ではありません。 血中酸素ウェルネスによる血中酸素濃度測定が指先で行われたものなら、リファレンス用のパルスオキシメーターの数値と比較して補正することも可能かもしれませんが、測定部位も測定方法も異なることから、正しい値に補正することは出来ないと考えられます。 「Appleはパルスオキシメーターとの測定誤差を解消するために機械学習（ML）を活用し、改善することを検討している」と予想しているTwitterユーザーがいますが、測定部位、測定原理が異なるので補正で改善できる問題ではないこと、今回示したとおり、同じ条件で連続測定しても結果にかなりのばらつきがあることから、現在の搭載センサー類のままでは改善できない可能性が高そうです。 また、医療機器に該当する場合は「心電図アプリ」のように、医療機器としての認可を取得しなければりませんが、血中酸素ウェルネスは医療用に用いることを目的としていません。

Effective use of blood oxygen wellness

パルスオキシメーターとの比較では誤差が大きすぎると感じた血中酸素ウェルネスですが、運動や就寝時に、血中酸素濃度がどのように変動しているかを確認するのに役立ちそうです。 血中酸素飽和度（SpO2）の計測目的としては不完全ですが、運動中や就寝中に自身の血中酸素濃度がどのように変化しているかを確認する指標としては使えそうです。1時間のウォーキング中にどのように数値が変化するか確認しましたが、2％〜3％の範囲で一定の値を示しました（連続テストと比べて誤差が小さい理由は不明です）。 今後、ランニング、スイミング、サイクリングなど多くの環境で試し、血中酸素ウェルネスの数値変動を確認し、活用方法を模索したいと考えています。 血中酸素ウェルネスは、15秒という比較的短時間で測定結果が得られますので、フィットネス中のインターバルでの計測が楽しくなる新機能です。 本記事内の誤差発生原因の検討は、公開された医療機器情報、医学論文・資料をもとに独自に予想した内容であるため、実際の補正方式、補正係数とは異なる可能性があります。Source:フクダコーリン, 日本光電, The Washington Post, Wccftech, 一般財団法人 日本呼吸器学会, コニカミノルタ, ResearchGate, Apple(FT729)