JP2014190914A - 皮膚ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】皮膚ガスを効率よく採取できる部位から採取して検出することができる、皮膚ガス検出装置を提供する。
【解決手段】皮膚ガス検出装置は、筐体と、筐体が掌と接する面に設けられ、掌から発せられる皮膚ガスを筐体内に取り込む皮膚ガス採取部１４と、筐体内に設けられて皮膚ガスを検出する検出部４０と、を有する。筐体の少なくとも一部は、掌と接して把持される中空構造の把持部とし、あるいは筐体が掌に接合される中空構造のパッド本体等とすることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、アセトンなどの皮膚ガスを検出する皮膚ガス検出装置等に関する。

過去、人類は飢饉などを経験しているため、余分なエネルギーは出来るだけ体内に蓄積するように遺伝的に組み込まれてきた。しかし、戦後物質的に豊かになり、日本人の摂取カロリーは1970年頃までは緩やかに増加傾向にあったが、それ以降は緩やかに減少傾向が続いている。それにもかかわらず、生活習慣病と言われる糖尿病や高脂血症などは増加傾向にある。その第一の原因は動物性脂肪の摂取量が戦後増加したこと、第二の原因は、週休２日制度が定着し自動車の普及率が高くなってきたことで、日常の活動量が減少してきている（例：１日の平均歩行数が減少傾向）ことである。健康に関するアンケートを取ると、関心の高い項目に男女とも「脂肪」「体重」が上げられ、ダイエットへの関心が高かまっている。又、高齢化社会の到来とともに、国民医療費が年々増加しており、これ以上の国民医療費の増加は許容できない状況になっている。その対策の１つとして、特定健診・特定保健指導（通称メタボ健診）が、２００８年４月より４０歳〜７４歳までの公的医療保険加入者全員を対象とした保健制度として始まった。以上のような背景で、脂肪燃焼量を測定するニーズは高まってきている。

現在、脂肪燃焼量を測定又は算出する方法としては、（１）呼気ガス中Ｏ_２とＣＯ_２から脂肪燃焼量に換算する呼気ガス分析法、（２）歩数や加速度計による活動量から消費カロリーを測定し、脂肪燃焼量を統計的なデータに基づいて算出する方法がある。呼気ガス分析法は、酸素消費量（ＶＯ_２）と二酸化炭素産生量（ＶＣＯ_２）とを測定し、その値からエネルギー消費量を算出することができ、比較的よく利用されている。この算出にはＷｅｉｒの公式が用いられている。それによると、安静時エネルギー消費量（REE：Resting Energy Expenditure）は、
REE（kcal/day）＝3.941×VO2（L/day）+1.106×VCO2（L/day）₋2.17×UN 式１
となる。ＵＮはたんぱく質の代謝による尿中窒素量を示す。

実際には、尿中尿素窒素排泄量を用いずに、たんぱく質の占める割合を１２．５％と仮定したＷｅｉｒの変式は、
REE（kcal/day）＝3.94×ＶＯ_２（L/day）+1.11×ＶＣＯ_２（L/day） 式２
となる。または、比較的短時間の測定の簡易式として、
REE（kcal/day）＝[3.94×VO_２（ml/min）+1.11×VCO_２（ml/min）]×1.44 式３
を用いることも多い。

炭水化物、脂質、たんぱく質は、それぞれ代謝される際に消費される酸素の量と二酸化炭素の産生量の比が異なっている。これは呼吸商（respiratory quotient:ＲＱ）と呼ばれるものである。例えばブドウ糖が代謝される場合には、
Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６＋６Ｏ_２→６ＣＯ_２＋６Ｈ_２Ｏ＋エネルギー 式４
であり、呼吸商は１．０となる。同様に、たんぱく質では０．８１、脂質では０．７１となる。従って、呼気分析法（間接熱量測定）では、呼吸商ＲＱや炭水化物と脂質の消費エネルギーも算出することができる。

この方法では、代謝物質から脂肪の消費量を測定する方法なので精度が高いが、呼気マスクやダグラスバッグというものを装着する必要があり、歩行、ジョギングなどの運動中に手軽に利用するには適していない。また、脂肪燃焼に適した運動強度は、運動習慣や元々の運動能力などの違いによる個人差があるため、年齢などから統計的に推奨条件で運動しても必ずしも最適運動条件にはなっていなかった。

次に脂肪燃焼による代謝物質であるアセトンを検出して脂肪燃焼量を測定する方法について説明する。呼気又は皮膚ガスは、体内の血液中の生体ガスが放散されるものであり、非侵襲的に代謝物質を検出するに適している。適切な運動強度を指示する方法として、呼気ガス中のアセトン量を測定し、その量から脂肪燃焼に適した運動強度を算出し指示することが特許文献１で提案されている。

特開２０１０―２６８８６４号公報

しかしながら、呼気ガス中のアセトンを検出して脂肪燃焼量を測定する方法では、一般的な運動においては、呼気採取用のマスクを装着する必要があり運動の妨げになるという課題があった。他方、皮膚ガスは呼気ガスと比較すると通常において微量である。従って、検出方法において微量の試料を採取できる方法の提供が待たれていた。

本発明の幾つかの態様は、皮膚ガスを効率よく採取できる部位から採取して検出することができる皮膚ガス検出装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の一態様は、
筐体と、
前記筐体が掌と接する面に設けられ、掌から発せられる皮膚ガスを前記筐体内に取り込む皮膚ガス採取部と、
前記筐体内に設けられ、前記皮膚ガスを検出する検出部と、
を有する皮膚ガス検出装置に関する。

皮膚から発せられるアセトンやエタノールの部位別の濃度を調べると図１の通りであり、発生部位として掌からの皮膚ガスの濃度が最も高い。よって、掌から発せられる皮膚ガスを皮膚ガス採取部にて取り込み、その皮膚ガスを検出部にて検出することで、皮膚ガスを効率よく採取して検出することができる。しかも、呼気採取用のマスクを装着する必要もなく、運動中に皮膚ガスを採取するのにも適している。

（２）本発明の一態様では、前記筐体の少なくとも一部は、掌と接して把持される中空構造の把持部であり、前記皮膚ガス採取部は、前記把持部が掌と接する面より前記皮膚ガスを前記把持部の中空部に取り込むことができる。

本発明の一態様によれば、把持部が把持されることで掌が把持部を覆うので、把持部が掌と接する面より皮膚ガスを把持部の中空部に確実に取り込むことができる。

（３）本発明の一態様では、前記筐体は、掌に接合される中空構造のパッド本体であり、前記皮膚ガス採取部は、前記パッド本体が掌と接する面より前記皮膚ガスを前記パッド本体の中空部に取り込むことができる。

（４）本発明の一態様では、前記中空部の一端に連通される空気取入部と、前記中空部の他端に連通される空気排出部と、前記空気取入部から前記空気排出部へと向かう空気の流れ方向にて前記検出部よりも下流側に設けられた吸引部と、をさらに有することができる。

こうすると、吸引部が吸引することで空気取入部から検出部を経て空気排出部に至る空気の流れが形成されるので、皮膚ガス採取部から採取された皮膚ガスは空気の流れに沿って検出部に導かれて検出される。なお、吸引部にて吸引しながら皮膚ガスを検出することができる。これに代えて、吸引後に吸引部の駆動を停止して皮膚ガスを検出しても良いし、吸引停止後にシャッターを閉鎖した密封状態で皮膚ガスを検出しても良い。

皮膚ガス採取部を掌と接触させる形態として、把持する形態以外では、掌にパッド本体を接合することが効果的である。パッド本体は例えば粘着シート等を介して掌に接合することができる。パッド本体と接続される機器本体部を例えば腕時計型として手首に装着すれば、パッド本体を薄くして掌の操作性を確保することができる。

（５）本発明の一態様では、前記検出部は、半導体センサーを含むことができる。半導体センサーは、感ガス材料が皮膚ガスと接触すると、皮膚ガス濃度の変化に伴ってセンサー抵抗値が変化して、皮膚ガス濃度を検出できる。

（６）本発明の一態様では、前記検出部は、水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）センサーを含むことができる。水晶振動子の周波数は、水晶振動子の両面に形成される電極上の皮膚ガスの質量に応じて変化し、付着する皮膚ガス量が増加すると周波数は減少し、付着する皮膚ガス量が減少すると周波数は増加する。よって、周波数変化量から皮膚ガスの濃度を知ることができる。

（７）本発明の一態様では、前記検出部は、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）センサーを含むことができる。ＳＥＲＳセンサーに入射光を照射した時に表面増強ラマン散乱(ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering)が生ずる。つまり、増強電場に皮膚ガスの分子が入り込むと、その標的分子によるラマン散乱光は増強電場で増強されて、ラマン散乱光の信号強度は高くなる。このような表面増強ラマン散乱では、標的分子が微量であっても、検出感度を高めることができる

（８）本発明の一態様では、前記皮膚ガス採取部は、掌で把持される中空構造のハンドルを備えた運動器具の前記ハンドルが掌と接する面に設けられ、掌から発せられる皮膚ガスを前記ハンドルの中空部に取り込むことができる。こうすると、運動器具を用いた運動期間中に皮膚ガスを検出することができる。

皮膚ガス中のアセトン及びエタノールの発生部位別の濃度を示す特性図である。 皮膚ガス検出装置の使用状態を示す図である。 皮膚ガス検出装置の正面図である。 皮膚ガス検出装置の断面図である。 皮膚ガス検出装置での空気の流れを示す図である。 試料吸引部と検出部との動作タイミングをタイミングチャートである。 図７（Ａ）（Ｂ）は半導体センサーを示す図である。 半導体センサーの抵抗値とガス濃度との関係を示す図である。 図９（Ａ）（Ｂ）はＱＣＭセンサーの一例を示す図である。 図１０（Ａ）（Ｂ）はＱＣＭセンサーの異なる例を示す図である。 ＱＣＭセンサーの周波数変化率とガス濃度との検量線を示す図である。 ＳＥＲＳセンサーの検出原理を説明するための図である。 図１３（Ａ）（Ｂ）は本発明の第２実施形態に係るパッド型の皮膚ガス検出装置を示す図である。 図１４（Ａ）（Ｂ）はパッド型の皮膚ガス検出装置の正面図及び断面図である。 本発明の第２実施形態に係る皮膚ガス検出装置が組み込まれる運動器具を示す図である。 図１５に示すハンドル部分を示す図である。 図１５に示すハンドルの握り部を示す断面図である。 運動をした時の脂肪燃焼のメカニズムを示す図である。 運動強度と呼吸商の関係を示す図である。 身体活動レベルＡＦとその状態を示す図である。 エネルギー収支を計算するためにタイムスケジュールと行動、身体活動レベル、エネルギー消費量を示す図である。 自転車エルゴメーターで運動した身体活動のメッツ（ＭＥＴｓ）を示す図である。 三大栄養素の摂取カロリーを示す図である。 基礎代謝＋活動代謝、運動代謝及び食事供給の栄養素別カロリーを示す図である。 行動別呼吸率を示す図である。 運動による呼気アセトン濃度を測定した場合のモデル例を示す図である。 運動による呼気アセトン濃度を測定した場合の他のモデル例を示す図である。 図２８（Ａ）（Ｂ）は推奨運動条件の例を示す図である。 個人情報を登録、テスト運動の実施を経て推奨運動条件を提示する動作フローチャートである。 年齢別、目標心拍数ＨＲ別の推奨運動条件を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．第１実施形態
１．１．皮膚ガス検出装置
図１には、皮膚ガス中の部位別エタノール濃度とアセトン濃度の測定例が示してある。
シリコン樹脂容器で各部位からの皮膚ガスを５分採取し、エタノールとアセトンの濃度を半導体式ガスクロセンサーで測定を行った。この時ほぼ同時に採取した呼気ガス中のアセトン濃度は５．４ｐｐｍであった。皮膚の部位として、足の裏側（通称土踏まずに相当）、二の腕の表側と裏側、手首の表側（通常腕時計を装着する部分）、掌の５ケ所を選んで比較した。アルコールとアセトンでは、傾向がことなるが、両ガスとも掌からの放散が良好であり、生体ガス採取部として適していることが分かり、掌から皮膚ガスを採取する方式を本発明では採用した。
図１に示すように、掌からの皮膚ガスの濃度が、足の裏、腕の表側、腕の裏側及び手首の表側よりも高いことに鑑み、本実施形態は図２に示すように、手１で握って携行される皮膚ガス検出装置１０を構成した。トレッドミルで歩行やジョギングをする場合や、屋外で歩行やジョギングをする場合にも、身体的な拘束が少なく手軽に測定できる形態として、掌で握るタイプの皮膚ガス検出装置１０である。

図３に示すように、皮膚ガス検出装置１０は、筐体１２の表面１２Ａに試料採取部１４、表示部１６、操作部１８を備えている。図２に示すように、試料採取部１４を覆って筐体１２の把持部を左手１で握ると、操作部１８が右手で操作でき、表示部１６が見えるようになっている。試料採取部１４を覆って筐体１２を右手で覆う場合には、表示部１６の天地を逆に表示すれば見難くない。

図４に示すように、筐体１２の内部には、表示部１６と対向する位置に信号処理部２０、電源部２２等を搭載している。筐体１２に設けられた試料採取部１４は例えばメッシュであり、掌と接触して皮膚ガスを取り込む。筐体１２が試料採取部１４と対向する内部は中空部１２Ｃとされ、筐体１２に設けられた隔壁１２Ｄ〜１２Ｆにより中空部１２Ｃが仕切られて流路が形成される。

中空部１２Ｃにて形成される流路の一端は、裏面１２Ｂに開口する空気取入部３０と連通する。流路の他端は、裏面１２Ｂに開口する空気排出部３２と連通する。流路途中には、例えば隔壁１２Ｆに支持された検出部４０が設けられている。また、空気取入部３０から空気排出部３２へと向かう空気の流れ方向にて検出部４０よりも下流側に吸引部３４が設けられている。

試料吸引部３４は、ファンモータ又はチューブポンプ等で形成される。チューブポンプは弾性変形するチューブに対して回転リングを回転させることで回転ローラがチューブを押しつぶす位置が変わっていくことで気体が外部へ排出されることになる。試料吸引部３４が駆動されると、試料排出部３２及び試料吸引部３４側が負圧になり、図５に破線で経路を示すように、空気取入部３０から入った空気は流路を経由して空気排出部３２から排出される。その際、試料採取部１４のメッシュは掌と連通しており、掌表面から放散されてメッシュを通過して入ってきた皮膚ガスは空気に巻き込まれ、検出部４０へ導入される。なお、図５では手１の掌と試料採取部１４とは離れているが、試料採取時には密着される。

皮膚ガス成分は検出部４０で検出される。図６に示すように、試料吸引部３４での吸引開始後から時間ｔ１経過して、空気取入部３０から入った空気が検出部４０へ到達する場合には、時間ｔ1より少し長い時間ｔ2後に検出部４０での検出が開始される。図６の例では、試料吸引部３４にて吸引しながら検出部４０にて皮膚ガスを検出することができる。検出終了後皮膚ガスが排出された後に、試料吸引部３４が停止される。これに代えて、吸引後に試料吸引部３４の駆動を一旦停止して、皮膚ガスを検出しても良いし、吸引停止後に図示しないシャッターを閉鎖した密封状態で皮膚ガスを検出しても良い。この場合、標的物質の検出を終了すると、皮膚ガスを積極的に排出するため、試料吸引部３４で排出する。

検出部４０からの検出信号の処理や、試料吸引部３４や検出部４０の制御を信号処理制御部２０で行う。個人の認証データ、運動日時、運動条件を含む検出結果のデータを図示しない記憶部に記憶し、必要に応じて表示部１６に表示する。

この皮膚ガス検出装置１０は携帯型であるので、電源部２２には１次電池又は２次電池が使用することができる。１次電池の場合には筐体１２の裏面１２Ｂに電池交換用の開口部があり、表示部１６に電池切れが表示されたら、電池を交換することができる。２次電池の場合には表示部１６に電池切れが表示されたら、筐体１２の裏面１２Ｂに接続部があり、充電器を接続することで２次電池が充電され、充電終了が表示されたら、充電器をはずして再度使用することができる。

１．２．検出部
１．２．１．半導体センサー
図４に示す検出部４０として、図７（Ａ）（Ｂ）に示す半導体センサー５０を挙げることができる。半導体センサー５０の基板５１の表面５１Ａには、図７（Ａ）に示すように、感ガス材料板５２Ａ〜５２Ｄと、各感ガス材料板５２Ａ〜５２Ｄに接続された２つの電極５３Ａ，５３Ｂとを有する。基板５１の裏面５１Ｂには、図７（Ｂ）に示すように、ヒーター５４と、それに接続された電極５５Ａ，５５Ｂとを有する。感ガス材料板５２Ａ〜５２Ｄには、酸化スズＳｎＯ_２、アンチモン添加酸化スズＳｂ：ＳｎＯ_２、酸化亜鉛ＺｎＯ、酸化タングステンＷＯ_３、インジウムスズ酸化物、酸化チタンＴｉＯ_２、ニオブ添加酸化チタンＮｂ：ＴｉＯ_２などがあり、これらの複合材や他の添加剤を含めることも可能である。

ヒーター５４により加熱された感ガス材料板５２Ａ〜５２Ｄに還元性ガスが曝露されると、感ガス材料板５２Ａ〜５２Ｄの表面に吸着されていた酸素が減少してポテンシャル障壁が下がり、電子が動きやすくなって電気抵抗が減少する。例えば皮膚ガスであるエタノールの濃度とセンサー抵抗比（Ｒｓ／Ｒ０）との相関が図８に示されている。よって、半導体センサー５０の出力から皮膚ガスであるエタノールの濃度を検出できる。

１．２．２．水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）センサー
ＱＣＭセンサー６０は、図９（Ａ）（Ｂ）または図１０（Ａ）（Ｂ）に示すように、水晶振動子６１の両面に配置した電極６２Ａ，６２Ｂを配置し、電極６２Ａ，６２Ｂに接続されるリード線６３Ａ，６３Ｂを基板６４に固定している。図９（Ｂ）ではリード線６３Ａ，６３Ｂは基板６４と平行に配置される一方で、図１０（Ｂ）ではリード線６３Ａ，６３Ｂは基板６４と垂直に配置される。図１０（Ａ）（Ｂ）の方が空気の流れは良く、水晶振動子６１の両面に皮膚ガスが接触し易い。

水晶振動子６１の周波数は、電極６２Ａ，６２Ｂ上の物質の質量に応じて変化し、周波数の変化量と付着物質の質量との関係は、Sauerbrey式と呼ばれる。付着物質量が増加すると周波数は減少し、付着物質量が減少すると周波数は増加する。図１１に示す検量線を予め作成しておくことで、周波数変化量から標的物質の濃度を知ることができる。

１．２．３．ＳＥＲＳセンサー
図１２に示すように、ＳＥＲＳセンサー７０では、皮膚ガスが導入される流路に臨んでセンサー基板７１が配置され、光源からの励起光（振動数ν）がセンサー基板７１に照射される。励起光の多くは、レイリー散乱光として散乱され、レイリー散乱光の振動数ν又は波長は入射光に対して変化しない励起光の一部は、ラマン散乱光として散乱され、ラマン散乱光の振動数（ν−ν’及びν＋ν’）又は波長は、皮膚ガスの分子の振動数ν’（分子振動）が反映される。つまり、ラマン散乱光は、検査対象の皮膚ガス分子を反映した光である。皮膚ガス分子の振動エネルギーがラマン散乱光の振動エネルギー又は光エネルギーに付加されることもある。このような振動数のシフト（ν’）をラマンシフトと呼ぶ。

図１２に示すセンサー基板７１に形成された金属ナノ粒子７２に入射光が入射される領域では、隣り合う金属ナノ粒子７２間のギャップに、増強電場７３が形成される。特に、入射光の波長よりも小さな金属ナノ粒子７２に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属ナノ粒子７２の表面に存在する自由電子に作用し、共鳴を引き起こす。これにより、自由電子による電気双極子が金属ナノ粒子７２内に励起され、入射光の電場よりも強い増強電場７３が形成される。これは、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）とも呼ばれる。この現象は、入射光の波長よりも小さな１〜５００ｎｍのサイズを有する金属ナノ粒子７２等の電気伝導体に特有の現象である。

図１２では、センサー基板７１に入射光を照射した時に表面増強ラマン散乱(ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering)が生ずる。つまり、増強電場７３に皮膚ガスの分子７４が入り込むと、その標的分子７４によるラマン散乱光は増強電場７３で増強されて、ラマン散乱光の信号強度は高くなる。このような表面増強ラマン散乱では、標的分子７４が微量であっても、検出感度を高めることができる。

２．第２実施形態
図１３（Ａ）（Ｂ）に示す第２実施形態に係る皮膚ガス検出装置１００は、第１実施形態の筐体１２が携帯機器であったのに対して、例えば左手１の掌１Ａに接合されるパッド本体１０２を筐体としている。皮膚ガス検出装置１００は、パッド本体１０２とケーブル１１１を介して接続される機器本体部１１０を例えば腕時計型として左手１の手首に装着して、パッド本体１０２を薄くして掌１Ａの操作性を確保している。機器本体１１０には表示部１１２や信号処理部（図示せず）等が設けられる。

図１４（Ａ）（Ｂ）に示すように、パッド本体１０２は、掌１Ａと接する面にメッシュ状の試料採取部１０４を有する。試料取部１０４は、パッド本体１０２が掌１Ａと接する面より皮膚ガスをパッド本体１０２の中空部１０２Ａ内に取り込むことができる。試料採取部１０２を掌と接触させる形態として、図２のように把持する形態以外では、図１３（Ｂ）に示すように掌１Ａにパッド本体１０２を接合することが効果的である。パッド本体１０２は例えば粘着シート１０６を介して掌１Ａに接合することができる。パッド本体１０２には、支柱１０８により検出部４０が固定されている。なお、図４にて説明した空気取入部３０、空気排出部３２及び試料吸引部３４は、パッド本体１０２にも適用することができる。

３．第３実施形態
図１５には、本発明の第３実施形態に係る皮膚ガス検出装置１２０が組み込まれる運動器具１３０が示されている。運動器具１３０は、筐体１３２に対して走行移動するベルト１３４上で歩行やジョギングを行うトレッドミルである。トレッドミル１３０には、筐体１３２の一部としてハンドル（把持部）１３６を有する。また、筐体１３２には表示部１３８が設けられる。トレッドミル１３０は、人の皮膚表面から放散される皮膚ガスを採取する機能を持ち、運動中に皮膚ガス中のアセトンなどの成分を検出して、アセトン濃度から脂肪燃焼量を算出する運動器具である。

図１６及び図１７には、皮膚ガス検出装置１２０が示されている。図１６に示すハンドル１３６の両手の握り部１３６Ａには、図１７に示すように掌１Ａと接する面に開口を有する試料採取部１２２が設けられている。ハンドル１３６は中空であるので、皮膚ガスは試料採取部１３６を介して中空部１３６Ａに入る。

トレッドミル１３０の筐体１３２には、検出部４０が臨む流路１２５が設けられ、流路１２５の一端は空気取入部１２４となり、他端の空気排出部126付近に吸引部１２８が設けられる。ハンドル１３６の中空部１３６は連通口１３６Ｂを介して流路１２５と連通している。よって、流路１２５に空気の流れが生ずると、ハンドル１３６の中空部１３６Ａ内の皮膚ガスは流路１２５側に吸引されて検出部４０と接触される。
身体（この例では掌）から放散された生体ガスがトレッドミルのハンドル部へ入る。ハンドル部に入った生体ガスは、トレッドミルの本体部に内蔵された生体ガス検出部に導入される。

４．第４実施形態
４．１．運動解析とその評価データ
図１８に、運動をした時の脂肪燃焼のメカニズムを示す。運動をするとアドレナリンが出て、白色脂肪細胞中のホルモン感受性リパーゼが活性化され、中性脂肪の分解が促進され、脂肪酸とグリセロールになる。脂肪酸のままでは血液中に循環できないため、アルブミンと結合して遊離脂肪酸となって血液中を循環する。その内の一部は、心筋や骨格筋に供給され、β酸化の後アセチル-ＣｏＡになり、ＴＣＡ回路（通称クエン酸回路）を経て最終的には二酸化炭素（ＣＯ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）になる。骨格筋では、解糖系が主体となってグリコーゲン、グルコースが主にエネルギーとして消費され、遊離脂肪酸の消費は少ない。心筋では約７０％が脂肪燃焼で、残りが糖質燃焼と言われている。

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（β酸化）。更にアセチルＣｏＡはアセト酢酸になり、3-ヒドロキシ酪酸とアセトンになる。アセト酢酸、3-ヒドロキシ酪酸、アセトンの３つを総称してケトン体というが、この内アセトンのみが気体となる。アセトンは血液中に循環し、肺でガス交換され呼気として排出され、或いは掌などの皮膚近傍の毛細血管から皮膚ガスとして放出されることになる。運動強度が５０％程度未満では、糖質と脂質の燃焼比が約５０：５０であるが、運動強度が高くなるにつれ、糖質の燃焼比が高くなる。しかし、グルコースや筋グリコーゲン、肝グリコーゲンが不足してくると、脂肪燃焼の比率を高め、既にあるケトン体を利用するようになる。例えば、マラソンのような長距離走では、脂肪燃焼をうまく利用できないと３０〜３５ｋｍ位でばてることになる。

次に、運動や食事を考慮して皮膚から放散されたアセトン量がどれくらい出るのかを算出する。三大栄養素は糖、脂質、タンパク質であり、それぞれ炭素原子、酸素原子、水素原子などの構成割合が異なる。そのため、内呼吸のとき、どの栄養素が分解しているかにより，消費されるＯ_２と産生されるＣＯ_２の割合が異なる。体細胞全体である栄養素が主に代謝されているとき、その割合は呼吸にも反映されるはずである．それを表現したのが呼吸商ＲＱ（Respiratory Quotient）であり、下記の式で表される。

呼吸商ＲＱ＝（単位時間あたりのＣＯ_２の排出量）/（単位時間あたりのＯ_２の消費量）
式５
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。Ｏ_２消費量の割にはＣＯ_２産生量が少ないため，呼吸商は０．７０と三大栄養素の中では最小である。脂肪は、酸素の含有率が低いので，重量あたりの熱量は９．３kcal/gと三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質である。

糖類の代表であるグルコースの原子の割合はＣ_６Ｈ_１２Ｏ_６である。酸素原子が多く含まれているため、酸素消費量は少なくても分解できる。呼吸商は１．００と三大栄養素の中では最大である。逆に，酸素の含有が高いので，重量あたりの熱量は４．１kcal/gと三大栄養素中最小である。

タンパク質は、原子の割合は脂質と糖質の中間であり，呼吸商は０．８５、熱量は５．３kcal/ｇである。理論的には、呼吸商ＲＱが１以上にもなり得るが、実際には呼吸商ＲＱが１を超えることは条件が限られる。一方、呼吸商ＲＱが０．７のときは脂肪利用を示し、呼吸商ＲＱが０．７以下の際は飢餓状態でケトン体産生（ケトーシス）であることを示す。ごく最近では、安静時では呼吸商ＲＱがほぼ一定であると考えてよく、個人の呼吸商のばらつきも０．７８〜０．８７の範囲であることが知られている。図１９に運動強度と呼吸商の関係を示す。

図１９には、Astrand & Rodahl ,Textbook of physiology , McGraw-Hill Book Company , 1986 による運動強度と非蛋白呼吸商の関係を示してある。非蛋白呼吸商が１の時には糖質の燃焼が１００％となり、非蛋白呼吸商が０．７１の時には脂質の燃焼が１００％となる。運動強度は、酸素摂取量又は心拍数（脈拍数）から求めることができる。安静時から運動強度５０％程度までの範囲では、糖質と脂質の燃焼割合はだいだい半々であるが、運動強度が高くなるにつれて糖質の燃焼割合が増加し運動強度１００％で糖質の燃焼割合がほぼ１００％になる。

三大栄養素が酸化される時に、生じるエネルギーは次の通りである。
１）糖質が酸化される場合
Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６＋６Ｏ_２→６ＣＯ_２＋６Ｈ_２Ｏ＋３６ＡＴＰ （６５７kcal）
［ＲＱ＝６ＣＯ_２/６Ｏ_２＝１．０］
２）脂肪が酸化される場合
Ｃ_５５Ｈ_１０２Ｏ_６＋77.5Ｏ_２→55ＣＯ_２＋51Ｈ_２＋429ＡＴＰ （７，８３３kcal）
［ＲＱ＝５５ＣＯ_２/７７．５Ｏ_２＝０．７１］
３）タンパク質が酸化される場合
Ｃ_１００Ｈ_１５９Ｏ_３２Ｓ_０．７＋１０５．３Ｏ_２→
13ＣＯＮ_２Ｈ_４（urea）＋87ＣＯ_２＋52.8Ｈ_２Ｏ＋0.7Ｈ_２ＳＯ_４＋27ＡＴＰ
（４，９４８kcal） ［ＲＱ＝８７ＣＯ_２/１０５．３Ｏ_２＝０．８３］
計算例として、年齢をＹ（歳）、体重をＷ（ｋｇ）、身長をＨ（ｃｍ）とし、基礎エネルギー消費ＢＥＥ（Ｂａｓａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｘｐｅｎｄｉｔｕｒｅ）は、ハリスベネディクト（Ｈａｒｒｉｓ−Ｂｅｎｅｄｉｃｔ）の式から
男性：ＢＥＥ＝66.4730＋13.7516Ｗ＋5.0033Ｈ−6.7550Ｙ 式６
女性：ＢＥＥ＝655.0955＋9.5634Ｗ＋1.8496Ｈ−4.6756Ｙ 式７
となる。

或いは、国立健康・栄養研究所の式（Ganpule et al., EJCN, 2007）によれば、男性を１、女性を２とする係数Ａを用いて、
ＢＥＥ＝（0.0481Ｗ+0.0234Ｈ−0.0138Ｙ−0.5473Ａ＋0.1238）×1000÷4.186 式８
と表される。

全エネルギー消費量ＴＥＥ（Ｔｏｔａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｘｐｅｄｉｔｕｒｅ）は、図２０に示す身体活動レベルＡＦを用いて
ＴＥＥ＝ＢＥＥ×ＡＦ 式９
と表すことができる（ここでは、ストレス因子を除いた）。

以下に、基礎エネルギー消費量ＢＥＥの計算例を示す。男性、年齢Ｙ＝４０（歳）、体重Ｗ＝６５（ｋｇ）、身長Ｈ＝１７２（ｃｍ）の場合の基礎エネルギー消費量ＢＥＥは、
（１）ハリスベネディクトの式からＢＥＥは１，５５１（ｋｃａｌ/日）または６４．６（ｋａｃｌ／時）となる。
（２）国立健康・栄養研究所の式からＢＥＥは１，４７５（ｋａｃｌ/日）または６１．５（ｋｃａｌ／時）となる。

ここでは、日本人に適している国立健康・栄養研究所の式を採用する。身体活動レベルが普通であれば、図１９のグラフよりエネルギー消費は、糖質と脂質の比はほぼ５０：５０位と推定される。

午前中に運動を行った時のエネルギー収支を計算するために、前日の夕食から運動当日の朝食（直前の食事）までを考える。図２１に一例として、タイムスケジュールと行動、身体活動レベル、エネルギー消費量を示してある。図２１において、運動前日の夕食から運動直前までの消費カロリーの計は、２７７＋４７４＋３６９＝１，１２０（ｋｃａｌ）となる。

ここで、自転車エルゴメーター（負荷８０Ｗで１００分間）による運動時エネルギー消費量を計算する。運動時心拍数ＨＲ１２０で、１００分間運動したので、心拍数から運動強度を求める。最大心拍数ＨＲｍａｘは、年齢をＹ（歳）として、
ＨＲｍａｘ＝２２０−Ｙ 式１０
と表される。安静時の心拍数をＨＲ０として、運動強度Ｓ（％）は、
Ｓ＝（ＨＲ−ＨＲ０）÷（ＨＲｍａｘ-ＨＲ０）×１００ 式１１
となる。年齢Ｙ＝４０（歳）、安静時心拍数ＨＲ０＝８０の場合には、
ＨＲｍａｘ＝２２０−４０＝１８０となり、
Ｓ＝（１２０−８０）÷（１８０−８０）×１００＝４０（％） となる。
すると、図１９から運動強度４０（％）の時の、エネルギー消費の比率は５０：５０位と推定される。

運動によるエネルギー消費量の算出には、独理行政法人 国立健康・栄養研究所 健康増進プログラム エネルギー代謝プロジェクト 「身体活動のメッツ（ＭＥＴｓ）表」から求める。この表から、自転車エルゴメーターで運動した場合には、図２２に示すようになる。図２２をグラフにして、プロットされた曲線の近似式を求めると、
ＭＥＴｓ＝0.0466×（負荷W）＋0.7619 （相関係数Ｒ2＝0.9914） 式１２
となるので、自転車エルゴメーターにはこの式１２を利用しても良い。この式から自転車エルゴメーターの負荷（Ｗ）に対するＭＥＴｓは、
ＭＥＴｓ＝０．０４６６×８０（W）＋０．７６１９≒４．５
が分かるので、次の式からエネルギー消費量を求めることができる。運動時間をｔｅ（ｈ）、体重をＷ（ｋｇ）として、
エネルギー消費量（ｋｃａｌ）
＝１．０５×（ＭＥＴｓ）×ｔｅ×Ｗ
＝１．０５×４．５（ＭＥＴｓ）×１．６７（ｈ）×６５（ｋｇ）＝５１２（ｋｃａｌ）
この式の（ＭＥＴｓ）は運動に安静時エネルギー消費量を含めてある。運動によるエネルギー消費量のみの場合には、（ＭＥＴｓ）⇒（ＭＥＴｓ−１）とする。

また、運動が歩行やジョギングの場合には、川久保 清, 内藤 義彦, 吉武 裕, 李 廷秀, 大場 美穂, 野田 奈津実, 柏崎 浩,「身体活動量評価法の開発に関する研究」体力科学 (2007) 56, 25-26に、歩行又はジョギングの速度とＭＥＴｓの関係が次の式で表されることが報告されている。
歩行のＭＥＴｓ＝0.62×歩速(ｋｍ/時)＋１ 式１３
ジョギングのＭＥＴｓ＝0.79×歩速(ｋｍ/時)＋１ 式１４
このＭＥＴｓが分かると、消費カロリーを計算することができる。歩行とジョギングの違いは、両足が同時に地面から離れる瞬間を持たないのが歩行である。消費カロリーは、ＭＥＴｓを使って次のように表される。
消費カロリー（kcal）
＝１．０５×Mets×運動時間（Hour）ｔ×体重（kg） 式１５
例えば、体重６５（ｋｇ）の人が、歩速８（ｋｍ／時）で１時間ジョギングをした場合には、消費カロリー＝1.05×（0.79ｘ8+1）×1×65≒500(kcal)となる。

食事については、厚生労働省の「日本人の食事摂取基準」に男女別、年齢別に摂取基準が示されている。また摂取した食事のカロリーについては、文部科学省の「日本食品標準成分表」、又は「食品標準成分表（2012） 最新版（全国調理師養成施設協会、全国調理師養成施設協会、調理栄養教育公社）」、「調理のためのベーシックデータ5訂増補（女子栄養大学出版部）」に多くの食品の栄養成分が示されているので、図２３のように計算することができる。

基礎代謝に活動代謝を考慮した消費カロリー（Ａ）、自転車エルゴメーターによる運動代謝の消費カロリー（Ｂ）、運動前日の夕食と当日の朝食の摂取カロリー（Ｃ）を、夫々糖質と脂質に分けて計算したものが図２４になる。

運動後に、飲食などのエネルギー供給がない状態を想定すると、カロリー収支は−５０５（ｋｃａｌ）となる。これらの不足分は、糖質としては筋グリコーゲンや肝グリコーゲンから、脂質としては体内に蓄積されている体脂肪を分解して補うと考えられる。以下では、脂肪（トリアシルグリセロール）は、脂肪酸の種類が複数あるが、ここでは代表的なパルミチン酸として計算を進める。

体脂肪1gは9kcalに相当するので、４０９÷９＝４５．４gの脂肪に相当する。肝臓で、パルミチン酸は Ｃ_１６Ｈ_３２Ｏ_２＋７Ｏ_２→４アセト酢酸＋４Ｈ_２Ｏ＋３３ＡＴＰ に変わる。４つのアセトン酢酸から仮に２アセトンが生成すると仮定すれば、脂肪はグリセロール＋３パルミチン酸の構成だから、グリセロールＣ_３Ｈ_５Ｏ_３（177）とパルミチン酸Ｃ_１６Ｈ_３１Ｏ_２（482）＋７Ｏ_２の1molは177+482x3＝1977gとなる。運動で４５．４ｇの脂肪が減少すれば、４５．４/１９７７＝０．０２３（ｍｏｌ）、パルミチン酸は３倍で２つのアセトンに相当するから０．０２３×６＝０．１３８（ｍｏｌ）のアセトンが生成する。１（ｍｏｌ）の気体は0℃、1気圧で２２．４（Ｌ）だから室温２３℃では０．１３８×２２．４×（２７３＋２３）／２７３＝３．３５（Ｌ）のアセトンが総量として発生する。

人の単位時間当たりの呼吸量（＝呼吸率）については、放射線医学総合研究所 ラドン濃度測定・線量評価委員会（１９８８）で、行動別の日本人男女平均呼吸率が示されており、Snyder, W.S. et al. （１９７５）に示されている行動別呼吸率に０．９乗じた値となっている。図２５にその値を示してある。

図２５から呼吸率を算出する。自転車エルゴメーターによる運動（１００分）を「VI：速やかな歩行」とし、運動後（３４０分）は「III：立姿勢での活動」として求めた。
運動１．９３ｍ^３/h×１．６７h＋運動後０．９１ｍ^３/h×５．６７h＝３．２２＋５．１６＝８．３８（ｍ^３）
運動平均アセトン濃度上昇＝３．３５（Ｌ）÷(８．３８×１０^６Ｌ)
＝０．４（ｐｐｍ）
と概略の呼気の平均アセトン濃度上昇を算出することができる。以上は、呼気ガスの計算例であるが、皮膚ガスの場合には更にアセトン濃度が低下する。皮膚ガス中（掌の場合）のアセトンと呼気ガス中のアセトンの割合は、約１：２０であった。

４．２．運動によるアセトン濃度の変化（モデル例）
図２６及び図２７は、運動による呼気アセトン濃度を測定した場合のモデル例を示す。運動は自転車エルゴメーター、脈拍１２０で１００分間行い、その後３４０分間経過を測定した。呼気アセトン濃度の測定は、半導体式ガスクロセンサーを用いて、１０分毎に測定した。呼気ガスの採取は、サンプル袋に呼気をゆっくり息が切れるまで吹き入れ（できるだけ死腔ガスの影響を少なく）、そのサンプル袋からシリンジで一部分を取り、半導体式ガスクロセンサーの試料部へ供給した。被験者は日頃運動習慣のない男性である。

図２６の場合には、食事から３時間経過してから運動を開始し、運動中にアセトン濃度が運動前に比較してゆっくり上昇し、６０分を過ぎたころからアセトン濃度の上昇が少し多くなり、運動終了後１００分からは更にアセトン濃度の上昇があり、その後１６０分までほぼ安定したアセトン濃度となり、４４０分ころには安静時のレベルに落ち着いた。

図２７には、同じ被験者で炭水化物の比較的多い食事の後３０分から運動を開始した例や、別な被験者について測定した結果から、代表的なモデルケースを３つ例示した。
ａ：初期値が高く、運動後も上昇
ｂ：初期値は低く、運動後は上昇
ｃ：初期値は低く、運動後の上昇も小さい
ａの場合は日頃から運動を行っている例で、脂肪を燃焼し易い体質になっていると推定され、アセトン濃度の初期値は比較的高く、運動後のアセトン濃度上昇も大きい。ｂの場合は日頃あまり運動する習慣はなくアセトン濃度の初期値は比較的低いが、運動後のアセトン濃度は上昇した。ｃの場合は、ｂと同じ被験者で食事の後３０分程度で血糖値が高く脂肪燃焼が亢進しない状況で運動を開始し、運動中も運動後もアセトン濃度の上昇は小さかった。運動の強度がゆっくりした歩行程度の場合にも、ｃのようなパターンになる。

４．３．皮膚ガス検出に基づく推奨運動条件の提示
図２８（Ａ）は、個人毎の適正な運動条件を決めるために、予め用意してある推奨運動条件の例である。図２８には、トレッドミルでジョギングを行う時の比較的運動時間の短い３０分の場合の例を示してある。始めは１分刻みで走行速度を段階的に増していき、ステップ１、ステップ２、ステップ３、ステップ４の例えば４段階を用意しておく。夫々のステップを順番に走行して、皮膚ガス中のアセトン濃度を測定する。例えば、ステップ１とステップ２の時には、運動中も運動後もアセトン濃度の上昇が小さく、ステップ３になって運動中及び運動後のアセトン濃度上昇が大きくなった場合には、この人にとっての脂肪燃焼を目的としたトレッドミルの運動条件としては、ステップ３を推奨運動条件として、記憶する。この推奨運動条件は、性別、年齢、運動習慣によって異なっている。一般的には、性別については男性の方が女性より運動強度が少し高くなり、成人では年齢が増すにつれて運動強度は低くなり、運動習慣のある人は運動強度が高くなる傾向にある。
図２８（Ｂ）には、トレッドミルでジョギングを行う時の比較的運動時間の長い６０分の場合の例を示してある。始めは３分刻みで走行速度を段階的に増していき、ステップ１、ステップ２、ステップ３、の例えば３段階を用意しておく。図２８（Ａ）の場合と同様に順番に運動を行って、アセトン濃度の上昇の程度から、その人の推奨運動条件を求める。

図２９には、本発明の実施例のフローチャートの例を示している。ステップＳ１０００〜Ｓ１３００では個人データが登録される。続いてテスト運動を実施する場合は（ステップＳ１４００がＹＥＳ）、運動前の食事のカロリーが入力され（ステップＳ１５００）、初期化が実施された後に（ステップＳ１６００，Ｓ１７００）、運動の推奨条件が読み出されて表示される。ここで、年齢、体重、身長。運動前の食事カロリーに基づいて、例えば図２８（Ａ）（Ｂ）の推奨運動条件や、あるいは図３０に示す目標心拍数ＨＲの中から選択して、図３の表示部１６、図１３（Ｂ）の機器本体部１１０の表示部１１２あるいは図１５の表示部１３８に表示した後、運動条件を設定する（ステップＳ２１００）。図３０の例では、最大心拍数(拍/分)ＨＲmax＝２２０−年齢（ＡＧＥ）、安静時心拍数（拍/分）ＨＲrestとし、運動強度Ｓ（％）＝（ＨＲａ−ＨＲｒｅｓｔ）/（ＨＲｍａｘ−ＨＲｒｅｓｔ）×１００で求められる。目標心拍数ＨＲｔａｒｇｅｔ＝（ＨＲｍａｘ−ＨＲｒｅｓｔ）ｘＳ＋ＨＲｒｅｓｔから求められる。

次に、引き続いてテスト運動を開始する場合には（ステップＳ２２００がＹＥＳ）、テスト運動中にて皮膚ガスが測定され、記録される（ステップＳ２３００，Ｓ２４００）。テスト運動が終了アすると（ステップＳ２５００がＹＥＳ）、脂肪燃焼最適条件が判定されて登録される（ステップＳ２６００，Ｓ２７００）。

テスト運動がすべて終了したら（ステップＳ２８００がＹＥＳ）、脂肪燃焼最適条件が図３の表示部１６、図１３（Ｂ）の機器本体部１１０の表示部１１２あるいは図１５の表示部１３８に表示される（ステップＳ３０００）。ここでは図２７のアセトン濃度のグラフを例にとると、例えばｂパターンは、アセトン濃度が高まっており良い条件と判定し、ｃパターンはその人の運動能力や運動習慣から不十分と判定する。よって、脂肪燃焼最適条件としてパターンｂを表示する。

その後運動が開始されれば（ステップＳ３１００がＹＥＳ）、測定データが記録され（ステップＳ３２００）、全てが終了することで（ステップＳ３３００がＹＥＳ）で動作停止となる。

本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、皮膚ガス検出装置１０，１００，１２０、検出部４０，５０，６０，７０等の構成及び動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。

１０，１００，１２０ 皮膚ガス検出装置、４０，５０，６０，７０ 検出部、４０半導体センサー、５０ 水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）センサー、６０ 表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）センサー、１２，１０２，１３２ 筐体、１４，１０４，１２２ 試料採取部、１２Ｃ，１０２Ａ，１３６Ａ 中空部、３０，１２４ 空気取入部、３２，１２６ 空気排出部、３４，１２８ 試料吸引部、１０２ パッド本体、１３０ 運動器具、１３６ ハンドル（把持部）

Claims (8)

1. 筐体と、
   前記筐体が掌と接する面に設けられ、掌から発せられる皮膚ガスを前記筐体内に取り込む皮膚ガス採取部と、
   前記筐体内に設けられ、前記皮膚ガスを検出する検出部と、
   を有することを特徴とする皮膚ガス検出装置。
2. 請求項１において、
   前記筐体の少なくとも一部は、掌と接して把持される中空構造の把持部であり、
   前記皮膚ガス採取部は、前記把持部が掌と接する面より前記皮膚ガスを前記把持部の中空部に取り込むことを特徴とする皮膚ガス検出装置。
3. 請求項１において、
   前記筐体は、掌に接合される中空構造のパッド本体であり、
   前記皮膚ガス採取部は、前記パッド本体が掌と接する面より前記皮膚ガスを前記パッド本体の中空部に取り込むことを特徴とする検出装置。
4. 請求項２または３において、
   前記中空部の一端に連通される空気取入部と、
   前記中空部の他端に連通される空気排出部と、
   前記空気取入部から前記空気排出部へと向かう空気の流れ方向にて前記検出部よりも下流側に設けられた吸引部と、
   をさらに有することを特徴とする皮膚ガス検出装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項において、
   前記検出部は、半導体センサーを含むことを特徴とする皮膚ガス検出装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項において、
   前記検出部は、水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）センサーを含むことを特徴とする皮膚ガス検出装置。
7. 請求項１乃至４のいずれか１項において、
   前記検出部は、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）センサーを含むことを特徴とする皮膚ガス検出装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項において、
   前記皮膚ガス採取部は、掌で把持される中空構造のハンドルを備えた運動器具の前記ハンドルが掌と接する面に設けられ、掌から発せられる皮膚ガスを前記ハンドルの中空部に取り込むことを特徴とする皮膚ガス検出装置。