JP2014010046A - 物質検出装置、腕時計型体脂肪燃焼測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】物質検出装置1は、人の皮膚から放出される生体ガスを採取し、この生体ガスのみを透過膜で透過させ、センサー室14の内部に収容する検出試料採取部10と、採取した生体ガス中のアセトンのラマン散乱光を励起する光源100と、ラマン散乱光を局在表面プラズモン共鳴によって増強するセンサー部31と、増強されたラマン散乱光を分光する分光器60と、分光された光を電気信号に変換し、増強されたラマン散乱光のスペクトルを取得する受光素子70と、取得されたスペクトルと、予め格納されているアセトンの指紋スペクトルとを照合して採取された被検出物質であるアセトンを特定し、アセトン濃度との相関関係がある脂肪燃焼量を算出する信号処理制御回路部80と、信号処理制御回路部80によって算出された結果を表示する表示部130とを備えている。
【選択図】図1
Description
また、被検出物質の濃度と相関関係がある特定物質の量を検出することが可能である。
なお、センサー室の容積が一定で、被検出物質の濃度が分かれば、被検出物質の量(重量)を求めることができる。
他方、生体ガス中には、被検出物質のほかに水分が含まれる。センサー部に水分が付着するとラマン散乱光を局在表面プラズモン共鳴によって増強することができない。そこで、被検出物質としての生体ガスは透過し、水分は透過させない透過膜を用いることにより、ラマン散乱光を局在表面プラズモン共鳴によって高効率で増強することができる。
また、PCや携帯電話のメモリーを利用して過去の検出結果や長時間の累積値を把握することが可能となる。
なお、以下の説明で参照する図は、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
(実施形態1)
第1透過膜11と第2透過膜12とは、ケース20の人体側に取付けられ、装着ベルト120によって第1透過膜11が皮膚に密着するように取り付けられる。
なお、図1に示す物質検出装置1は、手首部に装着する場合の構成を例示している。
第2レンズ群は、レンズ41及びハーフミラー43を介してセンサー部31で増強されたラマン光を集光するレンズ44と、集光されたラマン光を平行光に変換するレンズ45とから構成されている。
2次電池の場合には、規定の電圧以下になったことを、CPU81がROM83に格納されている情報と得られた2次電池の電圧情報を比較して規定以下であれば、表示部130に充電指示を表示する。被験者は、その表示を見て、接続部(図示せず)に充電器を接続して規定の電圧になるまで、充電をすることで繰返し使用することができる。
また、生体ガスをセンサー室14から排出する排出口は、生体ガスを素早く排出させるために複数個所に設ける構造にすればなお好ましい。
また、図示は省略するが、電力供給部90の電圧に応じて、電池交換指示または充電指示を表示する。
さらに、また、時刻やカレンダーなどの時計機能をデマンド表示としてもよい。
なお、ケース20には操作部22が配置されており、検出開始、検出終了、及びリセット等の操作を行う。
脂肪燃焼量の検出原理については、図3、図4、図5を参照して後述する。
図2は、本実施形態に係る物質検出装置1の主要構成を示すブロック図である。物質検出装置1は、制御系の全体を制御する信号処理制御回路部80を有し、信号処理制御回路部80は、CPU(Central Processing Unit)81と、RAM(Random Access Memory)82と、ROM(Read Only Memory)83と、を含む。
図3は、本実施形態における物質検出の原理を模式的に示す説明図であり、(a)はラマン分光の説明図、(b)は金属ナノ粒子に光を照射した時に形成される増強電場の説明図、(c)は金属ナノ構造における表面増強ラマン散乱の説明図である。
まず、図3(a)を参照してラマン分光について説明する。標的分子(被検出物質分子)に入射光(波長ν)が照射されると、多くはレイリー散乱光として波長が変化せず散乱される。一部に標的分子の分子振動の情報を含んだラマン散乱光(波長ν−ν‘)が散乱される。そのラマン散乱光から、標的分子(ここではアセトアルデヒドを例)の指紋スペクトルが得られる。この指紋スペクトルによって、検出した物質がアセトアルデヒドと特定することが可能である。しかしながら、ラマン散乱光は非常に微弱であり、微量にしか存在しない物質を検出することは困難であった。
金属ナノ構造33は、基板34上にマトリクス状に配置された柱状の構造体35の先端部に金属ナノ粒子36が形成されたものである。
ラマン散乱光が増強電場中で発生すると、増強電場の影響によってラマン散乱光が増強されるという現象が、表面増強ラマン散乱(SERS)である。図3(c)のように、基板34上に金属ナノ構造33を形成し、その間隙に増強電場を形成するように配置しておく。ここで標的分子が入り込むと、そのラマン散乱光は増強電場で増強されて強いラマン信号が得られることになる。結果として、微量に存在する標的分子であっても、ラマン分光ができることになる。このことによって、微量の標的分子(検出対象物質)を高感度に検出できる。
そこで、脂肪燃焼とアセトン検出の関係について説明する。
他方、遊離脂肪酸の多くはカルニチンと結合しアシルカルニチンとなり肝臓へ供給される。肝臓ではアシル‐CoAになって、肝臓のミトコンドリアでβ酸化され、アセチル‐CoAになる。さらにアセチル‐CoAからアセト酢酸になり、更にβヒドロキシ酪酸やアセトンになる。アセト酢酸、βヒドロキシ酪酸、アセトンを総称してケトン体と言い、アセトンのみが気体となって血液中を循環し、呼気ガスや皮膚ガスの成分として放出される。脂肪燃焼の割合から見ると、骨格筋や心臓よりも肝臓での割合が多く、脂肪燃焼とアセトンには相関がある。従って、呼気ガス中のアセトン量や皮膚ガス中のアセトン量を測定することで、脂肪燃焼量を知ることができる。
ステップ1…筋肉グリコーゲンの代謝によりATPを合成する。
ステップ2…筋肉グリコーゲンの減少に伴い、血中グルコースの利用が始まり、脂肪組織の脂肪が遊離脂肪酸として血液中に遊離する。そして、血中グルコースと遊離脂肪酸を燃料とし、酸化系の代謝によりATPを合成する。脂肪の燃焼が活発になるのは、運動開始後15〜20分以降と言われている。どんな運動強度でも脂肪燃焼が活発に行われる訳ではなく、運動強度が比較的軽い領域において、脂肪燃焼が盛んになる。運動強度が高くなると、無酸素運動となるため脂肪燃焼量は減少し、代わりにグリコーゲンが主に消費される。
図5は、アセトン濃度とアセトン信号強度の関係を示すグラフである。なお、図5は、アセトンの濃度の異なる試料ガスを調整して作製して、夫々の試料についてアセトン検出を行い、アセトンの夫々のスペクトルの内、特に強く出るピークに関してアセトン信号強度を求め、アセトン濃度とアセトン信号強度との相関を表すグラフである。図5に示すように、アセトン濃度(指数表示)とアセトン信号強度は、ほぼ直線で表すことができる。
なお、アセトン濃度は、センサー室14の容積が既知であれば、アセトン量に置き換えることができる。
次に、検出したアセトン濃度(アセトン量)から脂肪燃焼量を算出する。
呼吸商RQ=(単位時間あたりのCO2の排出量)/(単位時間あたりのO2の消費量)
脂質は、脂肪酸自体の中に酸素原子が非常に少ないため、分解するときは多くの酸素を消費しなければならない。O2消費量の割にはCO2産生量が少ないためで呼吸商は0.70と3大栄養素の中では最小である。脂肪は酸素の含有率が低く、単位重量あたりの熱量は9.3kcal/gと3大栄養素中最大である。エネルギーを保存する場合に適した栄養素であり、過食により皮下に貯蔵されるのも脂肪である。
(1)糖質が酸化される場合
C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+36ATP (657kcal)
[RQ=6CO2/6O2=1.0]
(2)脂肪が酸化される場合
C55H102O6+77.5O2→55CO2+51H2+429ATP (7,833kcal)
[RQ=55CO2/77.5O2=0.71]
(3)タンパク質が酸化される場合
C100H159O32S0.7+105.3O2→13CON2H4(urea)+87CO2+52.8H2O+0.7H2SO4+27ATP(4,948kcal)
[RQ=87CO2/105.3O2=0.83]
(4)脂肪からケトン体が産生される場合
0.176g(脂質)+0.437LO2→1g(ケトン体)+0.11LCO2+0.129H2O
+2,039kcal[RQ=0.111LCO2/0.437LO2=0.25]
脂肪燃焼率(g/min)=酸素摂取量(l/min)×酸素1lあたりの熱量(kcal/l)×脂質の燃焼比率(%)×脂質の熱量相当の重量(g/kcal)
こうして得られた脂肪燃焼率と1分間当たりの皮膚から放散されたアセトン量の相関を予め測定対比しておき、測定された1分間当たりの皮膚から放散されたアセトン量から脂肪燃焼率を算出することができる。
図6は、一体型の物質検出装置1の装着位置を例示する説明図である。図6に示すように、物質検出装置1は、手首部、腕部、胸部、腰部、脚部等に装着することが可能である。この際、検出試料採取部10が皮膚に密着するように装着できれば、装着位置は特に限定されないが、手首部に装着すれば、腕時計の装着感覚で、しかも、物質検出装置1を装着した状態で表示部130を被験者(装着者)自身が視認しやすいことから、常時、脂肪燃焼量を認知することが可能で、利便性が高い。
(実施形態2)
図7は、実施形態2に係る物質検出装置2を示し、(a)は全体構成説明図、(b)は本体部200の断面図である。図7(a)に示すように、物質検出装置2は、本体部200と検出部250とから構成されている。本体部200と検出部250とは、増強されたラマン散乱光を検出部250へ搬送する光ファイバー210と、電力供給部90から本体部に電力を供給し、また、検出部250によって処理された電気信号を本体部200に入力するケーブル220と、によって接続されている。
第1透過膜11と第2透過膜12とは、ケース20の人体側に取付けられ、装着ベルト120によって第1透過膜11が皮膚に密着するように取り付けられる。
なお、表示部130が液晶表示装置や有機EL装置のような電気光学表示装置の場合には、表示用ドライバーが設けられる。
次に、本体部200の平面外観を図8に例示し説明する。
(実施形態3)
図9は、実施形態3に係る物質検出装置3を示し、(a)は全体構成説明図、(b)は本体部202を示す断面図である。
センサー室14内の生体ガスは、実施形態2と同様に採取試料排出手段110によって外部に排出させる。
(実施形態4)
図10は、実施形態4に係る物質検出装置4の構成説明図であり、(a)は検出装置本体部400を腕部に装着した場合、(b)は検出装置本体部400を腹部に装着した場合である。物質検出装置4は、検出装置本体部400と表示部410とから構成されている。検出装置本体部400は、検出試料採取部10と検出部30とから構成され、実施形態1(図1(a),(b)、参照)から表示部130を取り除いた構成である。よって、視認可能な構成とすることは必要ないことから、検出装置本体部400は、生体ガスを取り入れることが可能な身体の任意の位置に装着することが可能である。従って、検出装置本体部400及び表示部410には、アンテナや無線通信回路が備えられている。
図11は、運動強度、脈拍数と脂肪燃焼量の関係を示し、(a)は運動強度と脂肪燃焼量の関係を示すグラフ、(b)は脈拍数と脂肪燃焼量の関係を示すグラフである。
図11(a)に示すように、脂肪燃焼率(単位時間当たりの脂肪燃焼量)が最大になるのは、男女、年齢、運動習慣などによって異なっており、一般の人では運動強度が約40%前後の時に、運動選手では運動強度が約50%前後の時に、脂肪燃焼率が最大になっている。従って、効率的に脂肪燃焼を行うには、個人毎に運動強度を適切に管理する必要がある。つまり、個人毎に脂肪燃焼率が最大になる運動強度を測定しておき、その運動強度を心拍数や脈拍数など運動中にも容易に管理できる数値で指示して運動を行えばよい。
例えば、図11(b)に示す例では、脈拍数110以下が弱い運動、110〜140の範囲が脂肪燃焼ゾーン、140以上がオーバーペースとなる人は、脈拍数が110〜140の範囲の運動強度によって脂肪燃焼効率を高めることができる。このことから、適切な運動強度に従って運動を一定時間行い、その効果を確認することができたら、運動を継続するモチベーションが高まり、継続的な効果が期待できる。
Claims (9)
- 人の皮膚から放出される生体ガスを採取し、センサー室の内部に収容する検出試料採取部と、
採取した前記生体ガス中の被検出物質のラマン散乱光を励起する光源と、
前記ラマン散乱光を局在表面プラズモン共鳴によって増強するセンサー部と、
増強された前記ラマン散乱光を分光する分光器と、
分光された光を電気信号に変換し、増強された前記ラマン散乱光のスペクトルを取得する受光素子と、
取得された前記スペクトルと、予め格納されている前記被検出物質の指紋スペクトル、とを照合して前記被検出物質を特定し、前記被検出物質の濃度と、前記被検出物質の濃度との相関関係がある特定物質の量と、を算出する信号処理制御回路部と、
前記信号処理制御回路部によって算出された結果を表示する表示部と、
を備え、
前記検出試料採取部は前記人の皮膚に密着し、該検出試料採取部は前記生体ガスを前記センサー部に透過させる透過膜を備えていること、
を特徴とする物質検出装置。 - 前記センサー部は、前記光源が射出する光の波長より小さい金属ナノ構造を有するセンサーチップを備えていること、
を特徴とする請求項1に記載の物質検出装置。 - 前記センサー室の内部に収容された前記生体ガスを前記センサー室の外部に排出する採取ガス排出手段をさらに備えていること、
を特徴とする請求項1または請求項2に記載の物質検出装置。 - 前記検出試料採取部と、前記光源と、前記センサー部と、前記分光器と、前記受光素子と、前記信号処理制御回路部と、前記表示部と、が一体化されて身体に装着可能であること、
を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の物質検出装置。 - 前記検出試料採取部と、前記光源と、前記センサー部と、前記表示部とが、一体に収納された本体部と、
前記分光器と、前記受光素子と、前記信号処理制御回路部とが、一体に収納された検出部と、に分離され、
当該本体部と当該検出部とが、増強された前記ラマン散乱光を搬送する光ファイバーと、電力供給及び電気信号を伝達するケーブルで接続されていること、
を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の物質検出装置。 - 前記検出試料採取部が、前記光源と前記センサー部と前記表示部とが一体に収納された本体部から分離され、
前記検出試料採取部と前記センサー室とが生体ガス導入チューブで連通されていること、
を特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の物質検出装置。 - 前記検出試料採取部と、前記光源と、前記センサー部と、前記分光器と、前記受光素子と、前記信号処理制御回路部と、が一体に収納された検出装置本体部から分離された表示部を備え、
前記検出装置本体部と当該表示部とが通信手段で接続されていること、
を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の物質検出装置。 - 前記被検出物質がアセトンであり、前記特定物質が体脂肪であって、
前記信号処理制御回路部で、検出された前記アセトンの量から前記体脂肪の燃焼量を算出し、
前記表示部で前記体脂肪の燃焼量を表示すること、
を特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の物質検出装置。 - 腕時計型の筐体の外面に設けられる表示部と、
プラズモン共鳴を利用して被験者から放出される生体ガスの中の標的物質を検知するセンサー部と、
前記センサー部にレーザー光を照射し、ラマン散乱光を励起する光源部と、
前記標的物質の検出濃度に応じて体脂肪の燃焼を演算し、前記表示部に当該演算結果を表示する制御部と、
前記生体ガスを透過させる透過膜を備え、前記被検者の腕の一部に密着可能である密着部と、
前記密着部を前記被検者の腕に装着可能とするリストバンドと、
を備え、
前記表示面と前記レーザー光の出射方向と前記透過膜とは、互いに平行であること
を特徴とする腕時計型体脂肪燃焼測定装置。
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