JP2019154677A - ウェアラブル検知デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】発汗された時点の汗に含まれるイオン濃度をより正確に測定できるウェアラブル検知デバイスを提供する。【解決手段】吸引流路１０５は、可撓性を有する樹脂から構成されて基部１０１に形成されている。吸引流路１０５は、上述した検出電極に接触した汗を吸引する。吸引流路１０５は、よく知られた微細な流路による表面張力を利用して吸引口１０５ａより内部に液体を吸引する。汗に含まれているイオンを検出するための検出電極であるナトリウムイオン検出電極１０２、カリウムイオン検出電極１０３、参照電極１０４は、吸引流路１０５の流路１５１の内壁に形成されている。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、汗に含まれるイオンを検出するウェアラブル検知デバイスに関する。

脱水症は、一般に熱中症といわれる高体温障害において発生することが多い症状である。熱中症は、夏場の暑い時期の発生件数が増えるものであるが、国内での発生場所としては「住宅」が多く、次いで「作業中」、「運動中」となる。性別・年齢別で見ると、高齢者の「住宅」での発生が多く、若年層では男女ともに「運動中」、そして高温環境下での活動が多いと考えられる成人の男性が「作業中」に発生する。重度の熱中症となると、死に至り、気温の下がる冬季でも、脱水症状を起こして緊急搬送されるケースがある。これら、脱水症状は、本人の状態が把握でき、周辺環境や飲食物などを正しく調整することにより、発生を抑えることができる症状である。

高齢者の発生が屋内で発生している割合が多いのは、加齢に伴い、体の変化に対して鈍感になっており、自分で気づけない状況であることが考えられる。これは、けい椎などを損傷して体温調節機能に障害を持つ人にも共通する課題である。また、自身の変化に対する意思を示しにくい乳幼児も、付添人がいたとしても、気づかないうちに脱水症状が進行している場合がある。作業を実施している労働者においては、作業の進行を妨げないように、効率的に必要なタイミングで、確実な飲み水や冷却といった対応を実施することが望まれる。そこで、簡易的に脱水症状を測定できるセンサデバイスがあれば、脱水症状の発生を未然に抑え、危機的状況を引き起こす前に対応することができるようになる。

脱水症状かどうかを簡易的に測定する一般的な方法として、肌から蒸散あるいは流れ出てくる汗の量を測定する技術がある。この技術は、ろ紙などに汗を吸着させ、水があれば発色する色素を導入したろ紙などを用い、汗が吸着することによる発色する色の判断で、汗における水の量を判断する。この方法では、発汗量を認識し、それに応じた飲み水の摂取を促すことはできるものの、本当に脱水症状になりかかった際、すなわち、汗が出にくくなっている現象を把握するのは難しいものと考えられる。

脱水症状において、汗の量と同じく重要な指標となるのは、ナトリウムイオンおよびカリウムイオンの濃度である。人の細胞内液には、カリウムがイオンとして存在し、細胞外液にはナトリウムがイオンとして存在している。これらのイオン濃度差で生じる浸透圧に応じ、細胞内液の水が細胞外液に移動することで、人の血液量は概して体重の１／１３程度に維持されている。脱水が起こり始めると、血液量の１０％が喪失されると軽度の脱水症状と考えられ、３０％喪失した状態は、危険を伴う可能性がある脱水症状に相当するといわれる。

高温環境下で大量に汗が出た場合には、細胞内液から細胞外液に水分が出にくくなるため、カリウム濃度が変化しない中で、ナトリウム濃度が上がる状況となる。この場合、細胞外液の塩濃度は上がることから、浸透圧の差が出なくなり、細胞外液の量も上がらず、血液量が上がらない。血液には、循環させることで体温を下げるラジエータ機能があるが、血液量が上がらなくなることで、体温を下げる効果も得られなくなる。

上述したような熱中症への対策として、イオンセンサを搭載したウェアラブル機器を用いた汗中のイオン濃度についての報告がある（非特許文献２）。

なお、汗中のイオン濃度には個人差があり、特にナトリウムイオンについては、上記のように脱水の状況や、脱水が始まるまでの状態によっても大きく変わる。例えば、非特許文献２には、高温環境下で採取された人の汗中のイオン濃度について、５人の被験者に対し、Ｎａイオンでは、２９−３７，５６−１０１，５５−１０７，７５−１１７，６７−１２７（ｍＥｑ／Ｌ），Ｋイオンは、２．８−３．７、３．１−４．６、３．６−５．１、４．７−５．９、４．４−５．３ ｍＥｑ／Ｌとある。

カリウムイオンは、細胞内液に存在が多く、血漿中において、カリウムイオン濃度も変動はするが、その濃度変動はナトリウムに比べるとはるかに小さい。ここで、Ｅｑ（ミリ当量）は電解質量を表す単位であり、物質量（ｍｏｌ）×イオンの価数で表す。ＮａおよびＫは、いずれも１価のイオンであり、上記単位は、ｍｏｌと等価である。

W. Gao et al., "Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis", NATURE, vol. 529, pp. 509-514, 2016. L. B. Baker, et al., "Comparison of regional patch collection vs. whole body washdown for measuring sweat sodium and potassium loss during exercise", J. Appl. Physiol., vol. 107, pp. 887-895, 2009.

一方で、汗に含まれるイオン濃度は、個人の血中イオン濃度に依存する。従って、生理的に正常範囲にあっても、数十ｍＭのレベルで濃度に個人差があることが予想される。これらのことより、上述したような脱水症状判断においては、発汗時の汗に含まれるイオンの濃度を正確に測定することが重要となる。これに対し、上述した従来のウェアラブル機器を用いた技術では、発汗による汗が、経時とともにイオンセンサの箇所に蓄積されていく。このため、上述した技術では、検出されるイオンの濃度は、蓄積されている汗におけるものであり、検出時に発汗された汗に含まれているイオン濃度とは異なる。

上述したように、汗に含まれるイオンの濃度を測定することで、熱中症などの人体の状態を把握することが可能になるものと考えられるが、従来の技術では、発汗された時点の汗に含まれるイオンの濃度が正確に測定できないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、発汗された時点の汗に含まれるイオンの濃度がより正確に測定できるようにすることを目的とする。

本発明に係るウェアラブル検知デバイスは、可撓性を有する樹脂から構成されたシート状の基材と、可撓性を有する樹脂から構成されて基材に形成され、基材に形成された吸引口より汗を吸引する吸引流路と、吸引口より吸引した汗に接触可能とされて汗に含まれているイオンを検出するための検出電極と、検出電極を用いた電気化学測定によりイオンの濃度測定を行うための計測チップと、計測チップの電源となる電池とを備える。

上記ウェアラブル検知デバイスにおいて、吸引流路の吸引口より所定の距離離れた吸引流路内に配置され、水の接触により発色する指示薬を備え、基材および吸引流路は、透明な樹脂から構成されている。

上記ウェアラブル検知デバイスにおいて、吸引流路は、基材に一体に形成されている。

上記ウェアラブル検知デバイスにおいて、検出電極は、ナトリウムイオンを検出するためのナトリウムイオン検出電極と、カリウムイオンを検出するためのカリウムイオン検出電極から構成されている。

上記ウェアラブル検知デバイスにおいて、計測チップは、測定した結果を送信するための通信機能を備える。

上記ウェアラブル検知デバイスにおいて、計測チップおよび電池は、基材に形成されている。

以上説明したように、本発明によれば、吸引流路を設けるようにしたので、発汗された時点の汗に含まれるイオンの濃度がより正確に測定できるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態におけるウェアラブル検知デバイス１００の構成を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるウェアラブル検知デバイス１００の一部構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態におけるウェアラブル検知デバイス１００の一部構成を示す斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態におけるウェアラブル検知デバイス１００の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態おけるウェアラブル検知デバイス１００について図１Ａ，図１Ｂを参照して説明する。ウェアラブル検知デバイス１００は、基材１０１、ナトリウムイオン検出電極１０２、カリウムイオン検出電極１０３、参照電極１０４、吸引流路１０５、計測チップ１０６、電池１０７を備える。なお、図１Ａは、図１Ｂのａａ’線の断面を示している。

基材１０１は、可撓性を有する樹脂から構成され、シート状に形成されている。基材１０１は、例えば、前腕部、上腕部、手首などに巻き付けることが可能とされている。基材１０１の接触面１０１ａが、人体の皮膚に接触する面となる。基材１０１は、接触面１０１ａを人体の皮膚に接触させて人体に装着する。

ナトリウムイオン検出電極１０２、カリウムイオン検出電極１０３、参照電極１０４は、吸引流路１０５の吸引口１０５ａより吸引された汗に接触可能とされ、この汗に含まれているイオンを検出するための検出電極である。

吸引流路１０５は、可撓性を有する樹脂から構成されて基材１０１に形成されている。吸引流路１０５は、装着される対象となる人体の皮膚における汗腺より分泌された汗を吸引する。吸引流路１０５は、基材１０１に一体に形成されている。吸引流路１０５は、よく知られた微細な流路による表面張力を利用し、基材１０１の接触面１０１ａに形成されている吸引口１０５ａより内部に液体を吸引する。流路の幅、高さなどの設計により、汗の吸引速度を調整することが可能である。

吸引流路１０５は、図２に示すように、吸引口１０５ａ、流路１５１，分岐流路１５２，吸引部１５３ａ，１５３ｂを備える。吸引口１０５ａは、接触面１０１ａに開口している。流路１５１は、吸引口１０５ａと分岐流路１５２とを連通する。分岐流路１５２は、流路１５１と吸引部１５３ａ，１５３ｂとを連通する。実施の形態において、吸引口１０５ａと吸引部１５３ａ，１５３ｂとが、流路１５１および分岐流路１５２により連通している。また、吸引部１５３ａ，１５３ｂには、この床面と天井面とをつなげる複数の柱状部１５４が形成されている。

ここで、流路１５１、分岐流路１５２は、液体に対して毛細管現象が発現する範囲の断面寸法とされている。また、吸引部１５３ａ，１５３ｂの床面と天井面との間隔は、吸引部１５３ａ，１５３ｂに浸入した液体が、両面に同時に接触可能な状態とされている。また、吸引部１５３ａ，１５３ｂの隣り合う柱状部１５４の間隔は、吸引部１５３ａ，１５３ｂに浸入した液体が、両者に同時に接触可能な状態とされている。

上述した吸引流路１０５によれば、吸引口１０５ａに到達した汗は、毛細管現象により、流路１５１，分岐流路１５２を経て吸引部１５３ａ，１５３ｂに吸い取られるようになる。ここで、ナトリウムイオン検出電極１０２、カリウムイオン検出電極１０３、参照電極１０４は、流路１５１の内壁に形成されている。吸引口１０５ａより流路１５１に取り込まれた汗は、ナトリウムイオン検出電極１０２、カリウムイオン検出電極１０３、参照電極１０４に接触して通過していくことになる。

吸引部１５３ａ，１５３ｂは、２つに限らず、より多くの吸引部を連結した構造として容量をより大きくすることにより、より長時間、汗を吸引し続けることが可能になる。また、実施の形態では、柱状部１５４の高さ（床面と天井面との間隔）によって吸引速度が変えられる。また、吸引口１０５ａ部から、吸引部１５３ａ，１５３ｂには連通しない溝を形成してもよい。この溝により、大量の発汗があり、測定には余剰となる汗について、迅速に外部へ流出でするようにしてもよい。

計測チップ１０６は、検出電極を用いた電気化学測定によりイオンの濃度測定を行う。また、実施の形態において、計測チップ１０６は、測定した結果を送信するための通信機能を備える。実施の形態において、計測チップ１０６は、基材１０１に接して形成（実装）されている。

電池１０７は、計測チップ１０６の電源となる。電池１０７は、例えば、空気電池から構成されている。実施の形態において、電池１０７は、基材１０１に接して形成されている。例えば、使用前のウェアラブル検知デバイス１００を保護するための被服層が、使用のために除去されることにより、被服層により封止されていた電池１０７と空気との接触が起こり、発電が開始され、計測チップ１０６への給電が開始される。

電池１０７より給電が開始されて動作状態となった計測チップ１０６は、例えば、無線通信のための接続要求信号が発信される。この接続要求信号は、例えば、図示しない携帯端末装置により受信され、この結果、計測チップ１０６と携帯端末装置との間の無線接続が確立される。

また、動作状態となった計測チップ１０６は、吸引口１０５ａより流路１５１に取り込まれた汗が、ナトリウムイオン検出電極１０２、カリウムイオン検出電極１０３、参照電極１０４に到達したことにより検出されたナトリウムイオン、カリウムイオンの濃度を求める。また、計測チップ１０６は、求めた各イオンの濃度の値を、携帯端末装置に送信する。測定された各イオンの濃度の値を受信した携帯端末装置では、導入されているアプリケーションソフトの動作により、各イオンの濃度値と、基準となる濃度値との比較などにより、音や表示などにより脱水症状に関する警報を発令する。

上述した実施の形態によれば、発汗により汗腺より分泌されて吸引口１０５ａに到達した汗は、吸引流路１０５の流路１５１を経由して吸引部１５３ａ，１５３ｂに吸い取られるので、汗が大量に発生しても、検出電極の箇所にとどまって蓄積することがない。このため、実施の形態によれば、検出電極に接触する汗を、発汗（分泌）された直後の汗のみとすることが可能となる。この結果、実施の形態によれば、発汗された時点（直後）の汗に含まれるイオンの濃度がより正確に測定できるようになる。また、実施の形態によれば、発汗による汗の成分の、時系列的な変化を観測することが可能となる。

また、吸引流路１０５の吸引口１０５ａより所定の距離離れた吸引流路内に、水の接触により発色する指示薬を担持した指示薬層１０８を備えるようにしてもよい。指示薬層１０８は、吸引流路１０５で吸引する液体（汗）が最後に到達する箇所に配置すればよい。指示薬は、例えば、塩化コバルトである。この場合、基材１０１および吸引流路１０５は、透明な樹脂から構成する。吸引流路１０５により吸引した汗が、指示薬層１０８に到達すると、指示薬層１０８が発色（色が変化）する。この指示薬層１０８の発色の確認により、所定量の発汗が発生したことが、把握可能となる。

［実施例］
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。はじめに、ウェアラブル検知デバイス１００の作製について、簡単に説明する。まず、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から構成された支持シートを用意する。支持シートは、例えば、親水性のＰＤＭＳから構成すればよい。次に、支持シートの電極形成面の、ナトリウムイオン検出電極１０２、カリウムイオン検出電極１０３、参照電極１０４を形成する箇所に、Ａｕからなる電極パターンを形成する。例えば、ステンシルマスクなどを用いたスパッタリング法などにより、Ａｕを堆積することで、上記電極パターンを形成する。電極パターンは、吸引流路１０５の流路１５１が配置される箇所に形成する。

次に、形成した電極パターンの上に、銀塩化銀層を形成する。次に、３つの電極パターンの１つに、ナトリウムイオンのイオノフォア（ionophore）を含む塩化ビニル母体のカクテルを滴下して乾燥させることで、ナトリウムイオン検出電極１０２とする。また、残りの２つの電極パターンの一方に、カリウムイオンのイオノフォアを含む塩化ビニル母体のカクテルを滴下して乾燥させることで、カリウムイオン検出電極１０３とする。残りの１つの電極パターンは、参照電極１０４とする。このように各電極を形成した時点で、ナトリウムイオン検出電極１０２，カリウムイオン検出電極１０３に擬似汗成分を接触させ、これら検出電極の表面のコンディショニングを行ってもよい。

次に、ＰＤＭＳからなる流路シートを形成する。例えば、吸引流路１０５とする部分の流路構造を備える型を形成し、この型に、親水性ＰＤＭＳの膜を形成（塗布）し、所定の加熱条件で加熱して硬化（固化）し、型より離型することで、流路シートとすればよい。流路シートには、各流路や吸引部１５３ａ，１５３ｂとなる溝構造、および柱状部１５４が形成されている。このように形成した流路シートと、上記支持シートとを貼り合わせることで、吸引流路１０５が一体に形成された基材１０１とする。支持シートの電極形成面の接着面と、流路シートの溝形成側の接着面とを貼り合わせる。

流路シートの溝構造が形成されている側に、支持シートを貼り合わせる。この貼り合わせにおいて、各貼り合わせ面に、疎水性ＰＤＭＳによる層を形成しておくとよい。この貼り合わせは、ＰＤＭＳの自己接着力により各々の接着面同士を接着させることができる。なお、支持シートには、あらかじめ、吸引口１０５ａを形成しておく。

上述した基材１０１によれば、皮膚に接触する面および吸引流路１０５の各流路内は、親水性となるので、汗がはじかれることがなく、吸引流路１０５においては、毛細管力を利用した汗の吸引が効率よく実施できる。また、貼り合わせ面は疎水性としているので、各吸引流路に吸引された汗が、貼り合わせの界面より漏れ出すことが抑制できるようになる。

次に、各検出電極および吸引流路１０５を備える基材１０１を形成した後、前述同様のスパッタリング法などによって、所定の配線パターンも形成し、形成した配線パターンに、例えば、金属コロイド溶液を用いることで、計測チップ１０６および電池１０７との配線を実施する。

上述した基材１０１の接触面１０１ａを肌に接触させて基材１０１を人体に取り付ける。発汗により発生した汗が吸引口１０５ａに到達すると、流路１５１に取り込まれて、ナトリウムイオン検出電極１０２、カリウムイオン検出電極１０３、参照電極１０４に到達する。次いで、汗は、流路１５１および分岐流路１５２の内部を毛細管力によって進行し、吸引部１５３ａ，１５３ｂに到達する。吸引部１５３ａ，１５３ｂに到達した汗は、例えば、直径１００μｍ，高さ数１００μｍ程度（例えば３００μｍ）とされた複数の柱状部１５４の間に吸い込まれていく。

なお、ウェアラブル検知デバイス１００は、図３に示すように、カバー１０９に覆った状態で皮膚１１１の表面に装着してもよい。カバー１０９は、周縁部に設けた接着層１１０により皮膚１１１の表面に貼り付ける。使用前は、図示しない剥離紙にウェアラブル検知デバイス１００を貼り付けておき、剥離紙とカバー１０９とでウェアラブル検知デバイス１００を包んでおく。

使用に際し、剥離紙からウェアラブル検知デバイス１００を剥がし、接触面１０１ａを皮膚１１１の汗が出る部分に装着する。電池１０７が空気電池の場合、剥離紙からの離型において、空気電池の空気極を封止しているカバーが同時に剥がれるようにしてもよい。これにより、剥離紙からウェアラブル検知デバイス１００を剥がすと、前述したように、電池１０７からの給電が開始され、計測チップ１０６が動作を開始し、計測状態となる。

発汗した汗が吸引口１０５ａに到達して吸引され、流路１５１に設けられたナトリウムイオン検出電極１０２、カリウムイオン検出電極１０３、参照電極１０４に到達し、この量が十分（約０．７μＬ）になると、汗に含まれるイオン濃度の計測が可能になる。この計測において、携帯端末装置には、計測されたイオン濃度が表示されるようになる。

例えば、測定開始から約２０分程度は、調整時間とし、調整時間の後に、測定結果を用いた、例えば、脱水症状の判定状態となる。例えば、測定される各イオンの濃度が、設定されている正常状態をはずれた場合、脱水症状と判定する。また、測定されるナトリウムイオン濃度が１０ｍＥｑ／Ｌ相当以下であった場合には、低ナトリウム症状などが疑われることから、この警報を発令するようにしてもよい。

警報が発令された場合には、脱水状態などの異常な状態となっているリスクがあることから、ただちに冷暗所への移動、活動の停止、あるいは、飲料水の摂取などを行うことが望まれる。また、低ナトリウム症状が疑われる場合には、塩分を含む飲料の摂取が望まれる。

以上に説明したように、本発明によれば、吸引流路を設けるようにしたので、発汗された時点の汗に含まれるイオンの濃度がより正確に測定できるようになる。本発明のウェアラブル検知デバイスによれば、例えば、人が活動している状態で汗をかき、その汗の成分のイオン濃度を元に、脱水状態の危険性を知らせることができるようになる。これによって、ウェアラブル検知デバイスを取り付けている本人が気づかないうちに起こしている脱水状態への気づきだけでなく、付き添っている別の人や、遠隔にいる人にも、脱水状態の危険があることを通知することができる。また、脱水状態の危険をいち早く知ることで、重い症状に至る前に、予防策を講じることができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１００…ウェアラブル検知デバイス、１０１…基材、１０１ａ…接触面、１０２…ナトリウムイオン検出電極、１０３…カリウムイオン検出電極、１０４…参照電極、１０５…吸引流路、１０５ａ…吸引口、１０６…計測チップ、１０７…電池、１０８…指示薬層、１５１…流路、１５２…分岐流路、１５３ａ，１５３ｂ…吸引部、１５４…柱状部。

Claims (6)

1. 可撓性を有する樹脂から構成されたシート状の基材と、
   可撓性を有する樹脂から構成されて前記基材に形成され、前記基材に形成された吸引口より汗を吸引する吸引流路と、
   前記吸引口より吸引した前記汗に接触可能とされて前記汗に含まれているイオンを検出するための検出電極と、
   前記検出電極を用いた電気化学測定により前記イオンの濃度測定を行うための計測チップと、
   前記計測チップの電源となる電池と
   を備えることを特徴とするウェアラブル検知デバイス。
2. 請求項１記載のウェアラブル検知デバイスにおいて、
   前記吸引流路の前記吸引口より所定の距離離れた前記吸引流路内に配置され、水の接触により発色する指示薬を備え、
   前記基材および前記吸引流路は、透明な樹脂から構成されていることを特徴とするウェアラブル検知デバイス。
3. 請求項１または２記載のウェアラブル検知デバイスにおいて、
   前記吸引流路は、前記基材に一体に形成されていることを特徴とするウェアラブル検知デバイス。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のウェアラブル検知デバイスにおいて、
   前記検出電極は、ナトリウムイオンを検出するためのナトリウムイオン検出電極と、カリウムイオンを検出するためのカリウムイオン検出電極から構成されていることを特徴とするウェアラブル検知デバイス。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のウェアラブル検知デバイスにおいて、
   前記計測チップは、測定した結果を送信するための通信機能を備えることを特徴とするウェアラブル検知デバイス。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のウェアラブル検知デバイスにおいて、
   前記計測チップおよび前記電池は、前記基材に形成されていることを特徴とするウェアラブル検知デバイス。

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