JP2019154678A - ウェアラブル検知デバイス - Google Patents

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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】基材１０１は、可撓性を有する樹脂から構成され、中空部１１１を備えて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。吸汗部１０２は、複数の繊維から構成され、中空部１１１に配置されて吸引口１２１より取り込んだ汗を吸い取る。吸汗部１０２は、例えば、セルロースからなる紙から構成されている。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は、吸汗部１０２の吸引口１２１より吸引されて吸汗部１０２に吸い取ら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。【選択図】図１Ａ

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。
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て中空とされたシート状の基材と、基材の一方の面に形成されて発汗した汗を基材の中空部に取り込むための吸引口と、中空部に配置されて吸引口より取り込んだ汗を吸い取る複数の繊維から構成された吸汗部と、吸引口より吸引されて吸汗部に吸い取られ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、吸汗部は、紙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、基材の他方の面に形成された接続孔を備え、電池は、水電池であり、電池の正極は、接続孔を介して吸汗部に接して形成され、吸汗部に吸い取られた汗に接触可能とされている。
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、計測チップは、基材に形成（実装）されている。
以上説明したように、本発明によれば、吸汗部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、中空とされた基材１０１、吸汗部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、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、中空部１１１を備えて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の一方の面１０１ａが、人体の皮膚に接触する面となる。基材１０１は、一方の面１０１ａを人体の皮膚に接触させて人体に装着する。また、基材１０１は、一方の面１０１ａに、ウェアラブル検知デバイス１００が装着された人体の皮膚において、汗腺より分泌された汗を基材１０１の中空部１１１に取り込むための吸引口１２１を備える。
吸汗部１０２は、複数の繊維から構成され、中空部１１１に配置されて吸引口１２１より取り込んだ汗を吸い取る。吸汗部１０２は、例えば、セルロースからなる紙から構成されている。ここで、吸引口１２１の部分は、親水性とし、基材１０１の他の領域は、疎水性とするとよい。一方の面１０１ａが接する人体の皮膚の汗腺より分泌された汗は、疎水性とされている一方の面１０１ａでははじかれ、親水性とされている吸引口１２１に連続的に供給されるようになる。
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は、吸汗部１０２の吸引口１２１より吸引されて吸汗部１０２に吸い取ら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。
実施の形態において、吸引口１２１に到達した汗は、紙などから構成されている吸汗部１０２の毛細管現象により、吸汗部１０２に吸い取られる。ここで、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は、中空部１１１の内壁に形成され、吸汗部１０２に接触している。吸引口１２１に取り込まれて吸汗部１０２に吸い取られた汗は、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に接触して通過していくことになる。
吸汗部１０２は、疎水性セルロース(例えば、セルロースアセテート)および親水性セルロース(例えば、ニトロセルロース)から構成するとよい。疎水性セルロースと親水性セルロースの混合比を調整することで、汗の吸収速度が調整できる。
計測チップ１０６は、検出電極を用いた公知の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の他方の面１０１ｂ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、水電池から構成されている。実施の形態において、電池１０７は、汗（水）を活性物質として用いる正極が、接続孔１２２を介して吸汗部１０２に接して形成されている。接続孔１２２は、基材１０１の他方の面１０１ｂに貫通して形成されている。水電池である電池１０７の正極は、接続孔１２２を介して吸汗部１０２に吸い取られた汗に接触可能とされている。
例えば、対象となる人の前腕部にウェアラブル検知デバイス１００を装着し、接触している箇所の皮膚において発汗し、発生した汗が吸引口１２１より取り込まれる。取り込まれた汗は、吸汗部１０２に吸い取られ、接続孔１２２を介して電池１０７の正極に接する状態となる。この結果、電池１０７では、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１２１より取り込まれた汗が、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。
ここで、例えば、ＰＩＮ（Personal Identification Number）コードなどの個人を識別する情報を用いることで、送信先となる携帯端末装置の認証を行うようにしてもよい。例えば、ウェアラブル検知デバイス１００の基材１０１に記載されているＰＩＮコードを、携帯端末装置に入力することで、携帯端末装置側の認証を行う。
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、発汗により発生して吸引口１２１に到達した汗は、吸汗部１０２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。
［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），ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ），あるいは生物分解性ポリ乳酸などのプラスチック製の支持シートを用意する。
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１０３、カリウムイオン検出電極１０４、参照電極１０５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、例えば、吸引口１２１が配置される領域の近傍に形成する。
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１０３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１０４とする。残りの１つの電極パターンは、参照電極１０５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１０３，カリウムイオン検出電極１０４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。
なお、支持シートの電極形成面に対向する面が、他方の面１０１ｂとなり、計測チップ１０６および電池１０７が実装される。電池１０７が実装される箇所において、支持シートに接続孔１２２を形成しておく。
次に、上述したプラスチック製の中空部形成用シートを形成する。例えば、中空部１１１となる領域を備える箱状に中空部形成用シートを形成すればよい。また、中空部形成用シートには、吸引口１２１を形成しておく。このように形成した中空部形成用シートと、上記支持シートとを貼り合わせることで、中空部１１１を備える基材１０１とする。
次に、各検出電極および吸汗部１０２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の一方の面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１２１に到達すると、吸汗部１０２に吸い取られ、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に接触する状態となる。また、吸汗部１０２に吸い取られた汗は、接続孔１２２を介して電池１０７の正極に接触する状態となる。
なお、ウェアラブル検知デバイス１００は、図２に示すように、カバー１０９に覆った状態で皮膚１１２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１１２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、一方の面１０１ａを皮膚１１２の汗が出る部分に装着する。装着した後、分泌された汗が、吸汗部１０２に吸い取られ、接続孔１２２を介して電池１０７の正極に到達すると、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１２１に到達して吸汗部１０２吸い取られ、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、吸汗部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。
１０１…基材、１０１ａ…一方の面、１０１ｂ…他方の面、１０２…吸汗部、１０３…ナトリウムイオン検出電極、１０４…カリウムイオン検出電極、１０５…参照電極、１０６…計測チップ、１０７…電池、１１１…中空部、１１２…皮膚、１２１…吸引口、１２２…接続孔。

Claims (6)

  1. 可撓性を有する樹脂から構成されて中空とされたシート状の基材と、
    前記基材の一方の面に形成されて発汗した汗を前記基材の中空部に取り込むための吸引口と、
    前記中空部に配置されて前記吸引口より取り込んだ前記汗を吸い取る複数の繊維から構成された吸汗部と、
    前記吸引口より吸引されて前記吸汗部に吸い取られ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、
    前記吸汗部は、紙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、
    前記基材の他方の面に形成された接続孔を備え、
    前記電池は、水電池であり、前記電池の正極は、前記接続孔を介して前記吸汗部に接して形成され、前記吸汗部に吸い取られた前記汗に接触可能とされている
    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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