JP2020171350A - ウェアラブルセンサおよび発汗分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】汗の乾燥による成分分析への影響を低減し、汗中の成分の長時間の分析を実現する。【解決手段】ウェアラブルセンサ１は、着用者の身体に装着される基材１０と、基材１０を貫通する孔状の流路１１と、流路１１内の溶液の電気的特性に関する信号を検出するセンサ部１２と、流路１１を囲むように基材１０に配置されたヒータ１３とを備えている。【選択図】 図３

Description

本発明は、人の汗の中の成分を分析するためのウェアラブルセンサおよび発汗分析装置に関するものである。

人体には、筋肉や神経等の電気的な活動を行う組織があり、これらの組織を正常に稼働させ続けるために、主に自律神経系と内分泌系の働きにより、体内の電解質濃度を一定に保つ仕組みが備わっている。例えば、暑熱環境下への長時間の暴露や過度な運動等による発汗で体内の電解質が大量に失われ、体内の電解質濃度が正常値から外れると、熱中症に代表される様々な諸症状が生じることとなる。

近年、こうした背景から、汗中の電解質濃度をモニタリングすることで、人体の電解質異常を把握する研究が行われている。例えば非特許文献１では、汗中の電解質イオン濃度をモニタリングするウェアラブルデバイスが提案されており、本デバイスによる計測結果より、電解質イオン濃度が脱水症状のバイオマーカとして有用であることが明らかになってきた。

人体に装置を装着する形態で、汗中の電解質濃度を長時間連続測定することを考慮すると、例えば、激しい運動を一定時間実施し、その後休憩し、再度運動を実施するような場合、つまり、一定時間発汗し、その後、発汗が停止し、再度発汗した場合に、前回の発汗時の電解質イオンが乾燥して、乾燥した電解質イオンが塩としてセンサ部に固着し、その塩が再発汗時に再溶解して測定に影響を与えてしまうという課題があった。

Wei Gao，et al.，"Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis"，Nature，Vol.529，pp.509-526，2016

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、汗の乾燥による成分分析への影響を低減し、汗中の成分の長時間の分析を実現することができるウェアラブルセンサおよび発汗分析装置を提供することを目的とする。

本発明のウェアラブルセンサは、着用者の身体に装着される基材と、前記基材を貫通する孔状の流路と、前記流路内の溶液の電気的特性に関する信号を検出するように構成された第１のセンサ部と、前記流路を囲むように前記基材に配置されたヒータとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明のウェアラブルセンサの１構成例において、前記基材は、前記着用者の皮膚と向かい合うように前記着用者の身体に装着され、前記流路は、前記基材を貫通して、一方の開口が前記着用者の皮膚と向かい合うように形成され、前記第１のセンサ部は、前記流路内に配置され、前記着用者の皮膚から分泌され前記流路内に流入した汗の中の分析対象成分に由来する電気信号を検出し、前記ヒータは、前記流路の皮膚側の開口の周辺から前記流路内の第１のセンサ部の位置にかけて前記流路を囲むように前記基材に配置され、少なくとも前記流路の内壁が親水性を有することを特徴とするものである。
また、本発明のウェアラブルセンサの１構成例は、前記基材の皮膚側の表面に設けられた撥水部をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明のウェアラブルセンサの１構成例は、前記流路の、前記皮膚と反対側の開口に設けられた多孔質膜または繊維をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明のウェアラブルセンサの１構成例は、前記流路内の、前記第１のセンサ部に隣接した位置に配置された汗検出用の第２のセンサ部をさらに備えることを特徴とするものである。

また、本発明の発汗分析装置は、ウェアラブルセンサと、前記ウェアラブルセンサの第１のセンサ部によって検出された電気信号から前記分析対象成分の濃度を算出するように構成された成分濃度算出部と、前記分析対象成分の濃度の取得が終了したときに、前記ウェアラブルセンサのヒータに電力を供給して、前記ヒータを発熱させるように構成された電源制御部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の発汗分析装置の１構成例において、前記電源制御部は、前記分析対象成分の濃度の値が安定したときに、前記分析対象成分の濃度の取得が終了したと判定することを特徴とするものである。
また、本発明の発汗分析装置は、ウェアラブルセンサと、前記ウェアラブルセンサの第１のセンサ部によって検出された電気信号から前記分析対象成分の濃度を算出するように構成された成分濃度算出部と、前記分析対象成分の濃度の取得が終了したときに、前記ウェアラブルセンサのヒータに電力を供給して、前記ヒータを発熱させるように構成された電源制御部とを備え、前記電源制御部は、前記着用者の皮膚から分泌された汗が前記第１のセンサ部の位置まで到達したことを前記第２のセンサ部によって検出したときに、前記分析対象成分の濃度の取得が終了したと判定することを特徴とするものである。
また、本発明の発汗分析装置の１構成例は、前記成分濃度算出部によって算出された分析対象成分の濃度の値を外部装置に送信するように構成された通信部をさらに備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、流路のサイズ、流路内の第１のセンサ部の位置、および流路の内壁の親水性により、毛細管現象により第１のセンサ部の位置まで汗が達し、かつ流路の、皮膚と反対側の開口まで汗が達しないように、汗の表面張力を調整することができる。そして、本発明では、ヒータを設けたことにより、汗中の分析対象成分の濃度の取得後に、ヒータを発熱させて、皮膚と反対側の開口の方へ汗を移動させて蒸発させることができる。その結果、本発明では、ウェアラブルな形態での汗成分分析において、第１のセンサ部の表面への塩の固着を低減することができ、汗中の成分の長時間の分析を実現することができる。

図１は、本発明の実施例に係る発汗分析装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施例に係る発汗分析装置のＭＣＵ部の機能ブロック図である。 図３は、本発明の実施例に係る発汗分析装置のウェアラブルセンサの構成を示す断面図である。 図４は、本発明の実施例に係る発汗分析装置の動作を説明するフローチャートである。 図５は、本発明の実施例において着用者の汗が流路中を上昇する様子を示す断面図である。 図６は、本発明の実施例において着用者の汗が流路中を上昇してセンサ部の位置まで到達した様子を示す断面図である。 図７は、本発明の実施例において着用者の汗が皮膚と反対側に移動する様子を示す断面図である。 図８は、本発明の実施例に係る発汗分析装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る発汗分析装置の構成を示すブロック図である。発汗分析装置は、ウェアラブルセンサ１と、ＡＦＥ（Analog Front End）部２と、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）部３と、記憶部４と、ＭＣＵ（Micro Control Unit）部５と、通信部６と、電源部７とを備えている。

ウェアラブルセンサ１は、着用者の皮膚から分泌される汗の中の分析対象成分に由来する電気信号を検出する。
ＡＦＥ部２は、アナログフロントエンドを備えており、ウェアラブルセンサ１によって検出された微弱な電気信号を増幅する。

ＡＤＣ部３は、アナログ／デジタル変換器を備えており、ＡＦＥ部２によって増幅されたアナログ信号を所定のサンプリング周波数でデジタルデータに変換する。
記憶部４は、ＡＤＣ部３より出力されたデジタルデータを記憶する。記憶部４は、フラッシュメモリに代表される不揮発性メモリや、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）のような揮発性メモリ等で実現される。

ＭＣＵ部５は、記憶部４に格納されているデジタルデータから分析対象成分の濃度を算出する信号処理と、電源制御とを担っている。
図２はＭＣＵ部５の機能ブロック図である。ＭＣＵ部５は、成分濃度算出部５０と、電源制御部５１として機能する。

通信部６は、ＭＣＵ部５によって得られた分析結果を、スマートフォン等の外部装置（不図示）に無線または有線により送信する。無線通信の規格としては、例えばＢＬＥ（Bluetooth（登録商標） Low Energy）などがある。また、有線通信の規格としては、例えばイーサネット（登録商標）などがある。
電源部７は、発汗分析装置への電源供給の役割を担っている。

図３はウェアラブルセンサ１の構成を示す断面図である。ウェアラブルセンサ１は、ウェアラブルセンサ１の着用者の皮膚１００と向かい合うように着用者の身体に装着される基材１０と、基材１０を貫通して、一方の開口１１０が着用者の皮膚と向かい合うように形成された孔状の流路１１と、流路１１内に配置され、着用者の皮膚１００から分泌され流路１１内に流入した汗の中の分析対象成分に由来する電気信号を検出するセンサ部１２（第１のセンサ部）と、流路１１の皮膚１００側の開口１１０の周辺から流路１１内のセンサ部１２の位置にかけて流路１１を囲むように基材１０に配置されたヒータ１３と、基材１０の皮膚１００側の表面に設けられた撥水部１４と、流路１１内の、センサ部１２に隣接した位置に配置された汗検出用のセンサ部１５（第２のセンサ部）とを備えている。

基材１０としては、例えば親水性のガラス材料または親水性の樹脂材料からなるものがある。また、撥水性の材料の表面および流路１１の内壁に親水性を付与する表面処理が施されたものを基材１０としてもよい。基材１０に形成された流路１１の直径は、例えば数ｍｍ程度である。

基材１０に親水性の材料を用いる場合には、基材１０の皮膚１００側の表面（図３の下面）に撥水性の表面処理を施すようにして、撥水部１４を形成すればよい。基材１０に撥水性の材料を用いる場合には、皮膚１００と反対側の基材１０の表面（図３の上面）および流路１１の内壁に親水性の表面処理を施し、基材１０の皮膚１００側の表面のみ撥水性の材料のままとすることにより、この皮膚１００側の表面を撥水部１４とすることができる。

センサ部１２の例としては、非特許文献１で使用されているイオン選択性電極、酵素電極、イオン感応性電界効果トランジスタ等の電気化学センサを挙げることができる。
センサ部１２は、例えば流路１１の内壁面に形成される。なお、汗中の複数の成分を分析するため、対象成分の選択性を有するセンサ部１２を複数設けるようにしてもよい。

ヒータ１３は、流路１１の皮膚１００側の開口１１０の周辺から流路１１内のセンサ部１２の位置にかけて流路１１を囲むように基材１０に配置されている。ヒータ１３としては、例えば白金等からなる金属発熱体、炭化けい素等からなる非金属発熱体、金属発熱体または非金属発熱体の表面を例えばガラス等の保護膜で覆った発熱体がある。後述のようにヒータ１３の電力は電源部７から供給される。

なお、図３の例では、ヒータ１３が基材１０の皮膚１００側の表面および流路１１の壁面に露出する例を示しているが、ヒータ１３の表面を親水性のガラスまたは親水性の樹脂で覆うことにより、ヒータ１３が基材１０の皮膚１００側の表面および流路１１の壁面に露出しない形態としてもよい。露出しているヒータ１３の表面が撥水性を有する場合には、少なくとも流路１１の内壁が親水性を有するように、ヒータ１３の表面を親水性の材料で覆うことが望ましい。

図４は本実施例の発汗分析装置の動作を説明するフローチャートである。測定開始時には、毛細管現象および流路１１の親疎水性パターン（流路１１の内壁が親水性でその周辺の撥水部１４が撥水性というパターン）により、着用者の皮膚１００と流路１１間に汗の液滴を形成させる。汗の分泌量増加と共に、汗と空気との界面が流路１１内のみで移動し、図５に示すように、汗１０１は流路１１内に導入されていく。そして、図６に示すように、汗１０１は流路１１内のセンサ部１２の位置に到達する。

流路１１の直径、流路１１の長さ、流路１１内のセンサ部１２の位置、および流路１１の内壁の親水性（ぬれ性）は、毛細管現象によりセンサ部１２の位置まで汗１０１が達し、かつ流路１１の、皮膚１００と反対側の開口１１１まで汗１０１が達しないように設定すればよい。

センサ部１２は、汗１０１中の分析対象成分に由来する電気信号を検出する（図４ステップＳ１）。
ＡＦＥ部２は、センサ部１２によって検出された微弱な電気信号を増幅する（図４ステップＳ２）。

ＡＤＣ部３は、ＡＦＥ部２によって増幅されたアナログ信号をデジタルデータに変換する（図４ステップＳ３）。ＡＤＣ部３から出力されたデジタルデータは、記憶部４に格納される（図４ステップＳ４）。

成分濃度算出部５０は、記憶部４に格納されているデジタルデータから分析対象成分の濃度を算出する（図４ステップＳ５）。汗１０１中の成分濃度の例としては、例えば乳酸濃度、グルコース濃度、ナトリウムイオン濃度、カリウムイオン濃度などがある。なお、非特許文献１から明らかなように、成分濃度を算出する技術は周知であるので、詳細な説明は省略する。

通信部６は、成分濃度算出部５０によって算出された成分濃度の値をスマートフォン等の外部装置（不図示）に送信する（図４ステップＳ６）。
次に、電源制御部５１は、例えば流路１１内の、センサ部１２に隣接した位置に設けられた水検出センサ部１５がセンサ部１２の位置まで汗１０１が到達したことを検出したときに、成分濃度の取得が終了したと判定する（図４ステップＳ７においてＹＥＳ）。

あるいは、電源制御部５１は、成分濃度算出部５０によって算出された成分濃度の値の単位時間あたりの変化量が所定の閾値以下のとき、成分濃度の値が安定したと判定し、成分濃度の取得が終了したと判定してもよい。

電源制御部５１は、成分濃度の取得が終了したと判定したとき、電源部７からヒータ１３に電力を供給させて、ヒータ１３を発熱させる（図４ステップＳ８）。ヒータ１３の発熱（ヒータＯＮ）により流路１１の皮膚側からセンサ部１２にかけての位置が加熱されると、汗１０１は、熱毛管現象およびマランゴニ効果により流路１１中を、ヒータ１３が設置されていない低温側の開口１１１（皮膚１００と反対側の開口１１１）の方へと移動し、開口１１１とその周辺の基材１０の表面とから蒸発する（図７）。こうして、汗１０１をウェアラブルセンサ１から排除することができる。

なお、開口１１１に、メンブレンフィルタ等の多孔質膜や、レーヨン、シルク、綿等の吸水性及び放湿性の高い繊維を配置してもよい。これにより、成分濃度測定済みの汗１０１を開口１１１で排除および乾燥させる効率を上げることが可能である。

電源制御部５１は、ヒータ１３への電力供給開始時点から一定時間が経過したときに（図４ステップＳ９においてＹＥＳ）、ヒータ１３への電力供給を停止する（図４ステップＳ１０）。ヒータ１３の発熱が停止（ヒータＯＦＦ）したことにより、汗１０１の流路１１内への導入が再開される。
こうして、例えば着用者から測定終了の指示があるまで（図４ステップＳ１１においてＹＥＳ）、ステップＳ１〜Ｓ１０の処理を繰り返し実行する。

以上、本実施例により、ウェアラブルな形態での汗成分分析において、センサ部１２の表面への塩の固着を低減することができ、汗中の成分の長時間の分析を実現することができる。流路１１の開口１１１の周辺の基材１０の表面には、乾燥した電解質イオンに由来する塩が付着する可能性があるが、皮膚１００およびセンサ部１２から離れた位置にあるため、基材１０の表面に付着した塩が再発汗時に溶解してセンサ部１２に到達する可能性は低い。

また、本実施例では、着用者の皮膚１００と流路１１との間に生じる汗１０１の液滴の体積と、この液滴と接触する領域のウェアラブルセンサ１の表面積とを予め見積もることができれば、着用者の単位面積あたりの発汗速度および累積発汗量を算出することができる。

すなわち、成分濃度算出部５０は、ヒータ１３がＯＮになる度に上記の既知の体積を加算することで、ヒータＯＦＦから次のヒータＯＮまでの経過時間の総計における着用者の累積発汗量を算出することができる。
また、成分濃度算出部５０は、ヒータ１３がＯＮになる度に、上記の既知の体積を、直前のヒータＯＦＦからヒータＯＮまでの経過時間と上記の表面積とで除することにより、着用者の単位面積あたりの発汗速度を算出することができる。

本実施例で説明した記憶部４とＭＣＵ部５とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図８に示す。コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、ＡＤＣ部３と通信部６と電源部７等が接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の発汗分析方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、人の汗の中の成分を分析する技術に適用することができる。

１…ウェアラブルセンサ、２…ＡＦＥ部、３…ＡＤＣ部、４…記憶部、５…ＭＣＵ部、６…通信部、７…電源部、１０…基材、１１…流路、１２…センサ部、１３…ヒータ、１４…撥水部、１５…水検出センサ部、５０…成分濃度算出部、５１…電源制御部、１００…皮膚、１０１…汗、１１０，１１１…開口。

Claims (9)

1. 着用者の身体に装着される基材と、
   前記基材を貫通する孔状の流路と、
   前記流路内の溶液の電気的特性に関する信号を検出するように構成された第１のセンサ部と、
   前記流路を囲むように前記基材に配置されたヒータとを備えることを特徴とするウェアラブルセンサ。
2. 請求項１記載のウェアラブルセンサにおいて、
   前記基材は、前記着用者の皮膚と向かい合うように前記着用者の身体に装着され、
   前記流路は、前記基材を貫通して、一方の開口が前記着用者の皮膚と向かい合うように形成され、
   前記第１のセンサ部は、前記流路内に配置され、前記着用者の皮膚から分泌され前記流路内に流入した汗の中の分析対象成分に由来する電気信号を検出し、
   前記ヒータは、前記流路の皮膚側の開口の周辺から前記流路内の第１のセンサ部の位置にかけて前記流路を囲むように前記基材に配置され、
   少なくとも前記流路の内壁が親水性を有することを特徴とするウェアラブルセンサ。
3. 請求項２記載のウェアラブルセンサにおいて、
   前記基材の皮膚側の表面に設けられた撥水部をさらに備えることを特徴とするウェアラブルセンサ。
4. 請求項２または３記載のウェアラブルセンサにおいて、
   前記流路の、前記皮膚と反対側の開口に設けられた多孔質膜または繊維をさらに備えることを特徴とするウェアラブルセンサ。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載のウェアラブルセンサにおいて、
   前記流路内の、前記第１のセンサ部に隣接した位置に配置された汗検出用の第２のセンサ部をさらに備えることを特徴とするウェアラブルセンサ。
6. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載のウェアラブルセンサと、
   前記ウェアラブルセンサの第１のセンサ部によって検出された電気信号から前記分析対象成分の濃度を算出するように構成された成分濃度算出部と、
   前記分析対象成分の濃度の取得が終了したときに、前記ウェアラブルセンサのヒータに電力を供給して、前記ヒータを発熱させるように構成された電源制御部とを備えることを特徴とする発汗分析装置。
7. 請求項６記載の発汗分析装置において、
   前記電源制御部は、前記分析対象成分の濃度の値が安定したときに、前記分析対象成分の濃度の取得が終了したと判定することを特徴とする発汗分析装置。
8. 請求項５記載のウェアラブルセンサと、
   前記ウェアラブルセンサの第１のセンサ部によって検出された電気信号から前記分析対象成分の濃度を算出するように構成された成分濃度算出部と、
   前記分析対象成分の濃度の取得が終了したときに、前記ウェアラブルセンサのヒータに電力を供給して、前記ヒータを発熱させるように構成された電源制御部とを備え、
   前記電源制御部は、前記着用者の皮膚から分泌された汗が前記第１のセンサ部の位置まで到達したことを前記第２のセンサ部によって検出したときに、前記分析対象成分の濃度の取得が終了したと判定することを特徴とする発汗分析装置。
9. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載の発汗分析装置において、
   前記成分濃度算出部によって算出された分析対象成分の濃度の値を外部装置に送信するように構成された通信部をさらに備えることを特徴とする発汗分析装置。