JP7101968B2

JP7101968B2 - 携帯型の発散物モニタリング装置

Info

Publication number: JP7101968B2
Application number: JP2018068622A
Authority: JP
Inventors: 博能勢; 静江増木; 雄小川
Original assignee: 特定非営利活動法人熟年体育大学リサーチセンター
Priority date: 2017-04-21
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: JP2018185298A

Description

本発明は、皮膚などの測定対象の面から汗などの発散物の発散量をモニタリングする装置に関するものである。

臨床的に発汗機能を調べる場合や、角質層から蒸散する水分量を調べ、皮膚の性状を評価したり、保湿剤等が皮膚に及ぼす影響を調べる場合、あるいは目の乾燥状態を調べる場合等に、皮膚表面（粘膜を含む）から蒸散する水分量の測定が行われている。この水分蒸散量の測定方法の一つに換気カプセル法がある。換気カプセル法は、皮膚の測定部位にカプセルを被せてカプセル内に湿度が既知のガスを流入させ、カプセルにガスが流入する前及びカプセルにガスが流入した後のガスの湿度を測定し、双方の湿度の差に基づいて皮膚表面からの水分蒸散量を求める方法である。

換気カプセル法で水分蒸散量を測定する装置構成は、一般に、ガス供給源として、乾燥窒素、乾燥空気等の乾燥ガスが充填されたガスボンベ、ガスボンベから供給されたガスの流量を調整する流量計、内部に湿度センサを有するカプセル、湿度検出部及び演算装置からなる。カプセルには、ガスの流入孔と流出孔が設けられており、カプセルを皮膚に被せ、カプセル内にガスを流入させ、そのガスの流入前後の湿度を湿度センサで測定する。そして、この測定値のガスの流入前後の差に基づいて、演算装置で水分蒸散量を算出する。

特開２００１－１９０５０２

従来の換気カプセル法で用いられている装置は、ガスボンベのような乾燥ガスの供給源が必要であり、実験室内で発汗量の測定は可能であるが、フィールドで測定しようとするとガスボンベを持ち歩くような装置が必要となり、実際に測定することが難しい。

本発明の一態様は、吸着物質を収納した第１のカプセルと、第１のカプセルの吸着物質を介して空気が循環する第２のカプセルと、測定対象の面に、外気の侵入を防いだ状態で装着される第１の開口と第２のカプセルとに連通した測定対象の発散物の導入路と、導入路内または出口近傍に配置された測定対象の発散物の量を測定するセンサーとを有する携帯型の発散物のモニタリング装置である。吸着物質を介して空気を循環させることにより、測定対象の発散物の濃度の低い空気を自給することが可能となる。例えば、発汗を計測する場合は、このモニタリング装置においては、低湿度の乾燥空気を自給することが可能となり、ガスボンベなどの乾燥空気を供給する機器を持ち歩く必要がなくなる。このため、携帯型で持ち運びが容易な、発散物のモニタリング装置を提供できる。さらに、人体などに装着したまま持ち運びができるような小型のモニタリング装置を提供できる。

また、このモニタリング装置においては、センサーを導入路内または出口近傍に配置している。センサーを導入路内または導入路に接近した状態で配置することにより、第２のカプセルを循環する空気の影響を受けにくい状態で測定対象の面から発散する発散物の量（発散量、濃度）およびその変化を精度よく測定できる。第１の開口は、測定対象の面、例えば、人間の皮膚に、開口の周囲が密着するように若干突き出たものであってもよく、円形や方形で中央が開いたシールあるいはリングを介して皮膚に取り付けて外気の侵入を防止するようになっていてもよい。

モニタリング装置は、第１のカプセル、第２のカプセルおよび導入路が積層されたものであってもよい。第１のカプセル、第２のカプセルおよび導入路が一体化され、さらに携帯に適したモニタリング装置を提供できる。積層タイプのモニタリング装置において、第１のカプセルは、第２のカプセルの側に配置された吸着物質を含む第１の層と、第１の層を挟んで第２のカプセルと反対側に配置された吸着物質を含まない第２の層とを含んでもよい。空気は、第２のカプセルと第２の層とを第１の層を介して循環でき、循環する空気と吸着物質との接触効率を向上できる。このため、例えば、発汗量を測定する装置においては、よりドライな空気を第２のカプセルに循環させることができる。

第１のカプセルと第２のカプセルの境界部分は多孔性であってもよく、境界部分を空気の循環路の一部に使用できる。空気の循環用のファンは、空気の循環経路のいずれか１ヶ所または複数ヶ所に設置してもよく、導入路の直上の第１のカプセルおよび第２のカプセルの境界部分に配置してもよい。導入路内の発散物の滞留を抑制でき、さらに精度よく発散物の発散量を測定できる。

導入路は第２のカプセル内に形成されてもよく、第２のカプセルの外面を測定対象の面に装着できる。測定対象の面の一例はユーザーの皮膚であり、測定対象の発散物は汗である。

発汗計の平面図。発汗計のＩＩ－ＩＩ断面図。発汗計のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図。従来のカプセル換気法と発汗計とを用いた測定の一例を示す図。カプセル換気法の測定値と発汗計の測定値との相関を示す図。食道温と発汗量との関係を説明する図。食道温とカプセル換気法の測定値との関係（図７（ａ））と、食道温と発汗計の測定値からの推定値との関係（図７（ｂ））の一例を示す図。カプセル換気法から求められた食道温の閾値と、推定値から求められた食道温の閾値との相関を示す図（図８（ａ））と、Ｂｌａｎｄ－Ａｌｔｍａｎ解析の結果（図８（ｂ））とを示す図。カプセル換気法から求められた傾きと、推定値から求められた傾きとの相関を示す図（図９（ａ））と、Ｂｌａｎｄ－Ａｌｔｍａｎ解析の結果（図９（ｂ））とを示す図。

図１に、携帯型の発散物のモニタリング装置の一例を平面図により示している。このモニタリング装置（モニタリングユニット、モニター、計測装置、測定装置）１は、皮膚からの発汗量を測定する発汗計であり、全体が直径約５０ｍｍ、厚さ約２０ｍｍ程度の円形のディスク状のハウジング３と、ハウジング３の側面に取り付けられた制御ユニット５０とを含む。図２に、ＩＩ－ＩＩ方向から見た断面を示し、図３にＩＩＩ－ＩＩＩ方向から見た断面を示し、これらの図により発汗計１の内部の概略構成を示している。なお、図３は、発汗計１をユーザーの皮膚９に装着した状態を示し、内部の空気５の流通状態を合わせて示している。

発汗計１のハウジング３の内部は、皮膚９に面して装着される開口（第１の開口）３１を除き密閉されている。ハウジング３の上半部３ａは吸着物質１３を収納した第１のカプセル１０を構成し、下半部３ｂは、吸着物質１３を介して空気５が循環する第２のカプセル２０を構成している。発汗計１は、さらに、第１の開口３１と第２のカプセル２０の内部空間２１と連通し、測定対象の発散物である汗を導入するための導入路３０を含む。この発汗計１においては、導入路３０が第２のカプセル２０の中心に接続され、導入路３０が第２のカプセル２０の内部空間２１に組み込まれている。すなわち、第２のカプセル２０の下側（皮膚９の側）を構成する下壁２２の中心に第１の開口３１が形成されており、第２のカプセル２０の内部空間２１の、第１の開口３１の周囲に、下壁２２から上側に向かって立ち上がった円筒状の壁３２を有する。円筒状の壁３２の内部が、開口３１と内部空間２１とを連通する導入路３０となっている。発汗計１は、さらに、導入路３０の上端３３の近傍から導入路３０の内部に入るように設置された温湿度センサー３５を含む。

発汗計１において、第２のカプセル２０に積層された第１のカプセル１０は、ドライエア（乾燥空気）などの発散物を採取するために適したガス（空気）を、再生して第２のカプセル２０に供給（自給）する機能を含む。第１のカプセル１０の内部の第１の空間１１と、第２のカプセル２０の内部の第２の空間２１とはそれぞれ円筒状の空間である。それぞれの空間１１および２１の一例は、第１の空間１１は直径が約４６ｍｍ、高さが約７ｍｍであり、第２の空間２１は直径が約４０ｍｍ、高さが約８ｍｍである。第１の空間１１と第２の空間２１とは、第１のカプセル１０と第２のカプセル２０との境界を形成する多孔性の壁体１９、具体的にはメッシュ状の素材、例えば網により区切られ、第１の空間１１および第２の空間２１とは空気５が流通可能な状態で連通している。カプセル１０および２０の形状は円筒形に限らず、方形であってもよく、上下に積層されておらず、水平（横方向）に連続した構成であってもよく、ホースなどにより連通された複数のカプセルで構成してもよい。

第１のカプセル１０の内部の第１の空間１１は、多孔性の素材、例えばメッシュ（網）１７により区切られた２つ層（空間）１５および１６を含む。第２の空間２１に面した下側の層（第１の層）１５には吸着物質１３が充填され、第１の層１５を挟んで第２のカプセル２０と反対側に配置された上側の層（第２の層）１６には吸着物質１３が充填されておらず、空気５が自由に流通する空間となっている。

吸着物質１３の一例はシリカゲルであり、モレキュラシーブ、ゼオライト、多孔性ガラスなどの他の吸着物質であってもよい。吸着物質１３の材料および孔径は測定対象の発散物、例えば汗（水分）、二酸化炭素、その他の体調あるいは病歴を示す有機物などに適したものであってもよい。

第１のカプセル１０の内部を、少なくとも吸着物質１３が充填された第１の層１５と、充填されていない層１６とに分けることにより、第１のカプセル１０の内部で空気５を強制循環させて、吸着物質１３を複数回通過して対象物、例えば水分を除去した乾燥空気５を再生（生成）し、第２のカプセル２０に供給することができる。したがって、発散物の少ない、または含まない空気、本例では汗（水分）を採取するために適した乾燥空気５を、第１のカプセル１０を設けることにより自給可能となる。このため、ボンベやその他のガス供給装置が不要となり、携帯型で、人体に無理なく装着できるような小型の発汗計１を提供できる。

強制循環用の機器、典型的にはファンの設置位置はカプセル１０および２０の形状などにより適宜決定できる。本例の発汗計（モニタリングユニット）１においては、導入路３０に面した、導入路３０の直上に当たる第１のカプセル１０と第２のカプセル２０との境界部分１９に強制循環用の小型ファン６１および６２が積層された状態で配置されている。複数の小型ファン６１および６２を積層する構成は、コンパクトなファンで騒音を抑制しながら十分な循環量を確保するために適しているが、十分なファン容量と風圧とを確保できる場合は、ファンは１台であってもよい。

第２のカプセル２０の内部領域２１においては、第１のカプセル１０において生成されたドライエアー５が循環し、乾燥または低湿度の環境となる。したがって、皮膚９の表面の発汗による湿分が、皮膚９に密着した開口（第１の開口）３１と導入路３０を介して、乾燥した雰囲気の第２のカプセル２０の空間２１に拡散する。導入路３０または導入路３０の出口３３の近傍、すなわち、導入路３０と第２の空間２１との境界部分に、湿分を測定するセンサー、本例においては温湿度センサー３５を配置することにより、拡散雰囲気における湿分（水分）を測定できる。すなわち、導入路３０を構成する壁面３２により第２のカプセル２０の空間２１を循環するドライエアー５がセンサー３５の周囲に直に流れ込むのを阻止または抑制でき、センサー３５により、皮膚９から拡散した水分量をより精度よく測定できる。したがって、第２のカプセル２０の内部２１をドライな雰囲気に保ちながら、その一方で、センサー３５に対するドライエアー５の影響を抑制できる。このため、モニタリング装置１においては、皮膚９の表面において汗が発散される条件に近い状態で、皮膚９の表面から発散される水分の量（発汗量）を精度よく測定できる。

本例の発汗計１においては、第２のカプセル２０の内部空間２１に、導入路３０を構成する周壁３２が形成され、空間２１に導入路３０が畳み込まれた状態となっている。したがって、第２のカプセル２０の開口３１が形成された外側の面２３をほぼ平面としたり、皮膚９に接触しやすい曲面にすることが可能であり、第１のカプセル１０および第２のカプセル２０が一体化された発汗計１を一体で、皮膚９に装着するように構成できる。皮膚９と、発汗計１の外面２３とは直に接してもよく、開口３１を除いて通気性あるいは密着性を確保するようなシートを介して接していてもよい。開口３１は、外気が侵入しない状態で皮膚９に装着できればよく、皮膚９に密着されたり、圧着されるものであってもよい。開口３１の周囲に皮膚９に向かって突き出た部分を設けて外気の侵入を防いでもよく、上述したようにシールやリングを開口３１またはその周囲と皮膚９との間に介在させて、外気の侵入を防止または抑制してもよい。

発汗計１は、ハウジング３の側面にコントロールユニット５０が装着されている。コントロールユニット５０は、ファン６１および６２に電力を供給するバッテリー５１と、温湿度センサー３５により測定された湿度（水分量、発汗量）と、温度とを表示する計測ユニット５２と、計測された諸データを外部の機器に伝達する通信ユニット５３とを含む。通信ユニット５３は、近距離無線通信、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、あるいは携帯通信網を介して外部の機器、例えば、ユーザーのスマートホンあるいはクラウド上の健康管理サーバーシステムなどに発汗計１により測定されたデータを提供する。コントロールユニット５０は、ハウジング３に一体化されていなくてもよく、有線で接続され、発汗計１とは別に、ユーザーの適当な個所に取り付けられるようにしてもよい。

次に、本例の発汗計１と、従来のカプセル換気法（換気カプセル法）とによる測定を行い、両者の測定結果を比較した。左胸に従来のカプセル換気法による測定装置（Ｖｅｎｔ）を装着し、右胸に本例の発汗計（ポータブルカプセル、ＰＤ）を装着した複数人により、周囲温度（気温）３０℃、相対湿度５０％の環境下、ピーク酸素消費量６５％の運動強度で２０～３０分間のサイクリング運動を行った。被験者は合計１８名であり、内訳は男性７名と女性１１名とであり、年齢５７歳±１９歳、体重６３ｋｇ±７ｋｇ、身長１６３ｃｍ±８ｃｍである。

発汗量（ＳＲ）は、従来のカプセル換気法においては乾燥空気を流速毎分１．５リットルで供給し、測定した。なお、カプセルが接している皮膚の表面積は１２．６ｃｍ²であり、以降において測定量をＳＲｖｅｎｔ（ｍｇ／ｍｉｎ／ｃｍ²）で示す。本例の発汗計１においては、第２のカプセル２０の内部空間２１の容量（体積）が８．４ｃｍ³、第１のカプセル１０の充填されたシリカゲル（吸収剤）１３は４．８ｇであり、ファン６１および６２を駆動して発汗量を測定した。この発汗計１により測定された発汗量を以降においてＳＲｐｄ（ｍｍＨｇ）で示す。発汗量の測定と同時に、脳温に最も近いとされる食道温（Ｔｅｓ）を熱電対により測定した。

図４に、上記の被験者の一人の測定値を一例として示す。測定は、１０分間の休憩と、その後の３０分間のサイクリング運動中に行った。安静時３６．６度だった食道温Ｔｅｓは運動終了時に１．１度上昇した。発汗量ＳＲｖｅｎｔは約０．８ｍｇ/ｍｉｎ/ｃｍ²上昇し、発汗量ＳＲｐｄは約１．７ｍｍＨｇに増加した。

図５に、発汗量ＳＲｖｅｎｔと発汗量ＳＲｐｄとの相関を５秒毎に得られたデータで示している。発汗量ＳＲｐｄ（ｘ軸）と発汗量ＳＲｖｅｎｔ（ｙ軸）とはすべての被験者においてほぼ比例関係にあり、相関が高いということが分かった。発汗量ＳＲｐｄ（ｘ軸）と発汗量ＳＲｖｅｎｔ（ｙ軸）との回帰直線の傾きは、相関係数ｒが０．９９以上、危険率Ｐが０．０００１以下で、０．４９±０．０５（ｍｇ/ｍｉｎ/ｃｍ²/ｍｍＨｇ）、切片は０．０１±０．００（ｍｇ/ｍｉｎ/ｃｍ²）であった。

図６に示すように、人体の体温調整能として、本願の発明者らにより、発汗量ＳＲと、食道温Ｔｅｓとの間で、食道温Ｔｅｓが所定の値（閾値）ＴＨを超えると、一定の食道温Ｔｅｓの範囲おいて発汗量ＳＲが食道温Ｔｅｓに対してリニアに上昇すること（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙがあること、比例区間）が提唱されている。

図７（ａ）に示すように、今回の測定においても、測定された発汗量ＳＲｖｅｎｔと食道温Ｔｅｓとの間に、比例区間と閾値ＴＨとがあることが認められた。また、図７（ｂ）に示すように、測定された発汗量ＳＲｐｄに基づいて、回帰直線により求められた係数により発汗量ＳＲｖｅｎｔに換算された推定ＳＲ値（ＥｓｔｉｍａｔｅｄＳＲ）においても比例区間と閾値ＴＨとが認められ、それぞれにおいて高い相関があることが分かった。

図８（ａ）に、発汗量ＳＲｖｅｎｔから求められた食道温Ｔｅｓの閾値ＴＨｖｅｎｔ（ｘ軸）と、発汗量ＳＲｐｄの推定値から求められた食道温Ｔｅｓの閾値ＥｓｔｅｍａｔｅｄＴＨ（ｙ軸）との相関を示している。これらの閾値ＴＨの間には高い相関が認められ、相関係数０．９８で回帰直線の傾きは０．９０、切片は３．７２であった。また、図８（ｂ）に、Ｂｌａｎｄ－Ａｌｔｍａｎ解析の結果を示しており、ほとんどの値が９５％（２×標準偏差）の範囲に入ることがわかる。同様に、発汗量ＳＲｐｄの傾き（感度、ΔＳＲｐｄ/ΔＴｅｓ)から求められた閾値ＴＨｐｄと、発汗量ＳＲｖｅｎｔの傾き（感度、ΔＳＲｖｅｎｔ/ΔＴｅｓ）から求められた閾値ＴＨｖｅｎｔとの間の相関も確認され、回帰直線の傾きは１．１１、切片は３．９９、相関係数（ｒ）は０．９８、危険率Ｐは０．０００１以下であった。

図９（ｂ）に、発汗量ＳＲｖｅｎｔと食道温Ｔｅｓとの傾き（感度、ΔＳＲｖｅｎｔ/ΔＴｅｓ）（ｘ軸）と、発汗量ＳＲｐｄの推定値と食道温Ｔｅｓとの傾き（感度、ΔＥｓｔｉｍａｔｅｄＳＲ/ΔＴｅｓ）（ｙ軸）との相関を示している。これらの感度の間には高い相関が認められ、相関係数０．９１で回帰直線の傾きは０．８７、切片は０．１３であった。また、図９（ｂ）に、Ｂｌａｎｄ－Ａｌｔｍａｎ解析の結果を示しており、ほとんどの値が９５％（２×標準偏差）の範囲に入ることがわかる。

また、発汗量ＳＲｐｄの傾き（感度、ΔＳＲｐｄ/ΔＴｅｓ)の平均は、１．７±０．３（ｍｍＨｇ／℃）であり、発汗量ＳＲｖｅｎｔの傾き（感度、ΔＳＲｖｅｎｔ/ΔＴｅｓ）の平均は、０．９±０．２（ｍｇ／ｍｉｎ／ｃｍ²／℃）であり、それらの間に高い相関が確認され回帰直線の傾きは０．８２、切片は０．４７、相関係数（ｒ）は０．９０、危険率Ｐは０．０００８以下であった。

このように、本発明に係る携帯型の発汗計（ポータブルデバイス）１は、暑熱環境下の発汗量ＳＲの測定に使用することができ、フィールド試験に適していることがわかる。さらに、カプセル換気法により測定される発汗量ＳＲｖｅｎｔとの間に高い相関が認められ、従来の実験室における測定結果との間に相関がある。このため、従来の実験室における測定値に加えて、本発明の発汗計１による測定値を用いて、人体の体温制御能力などの解析を進めることができる。

なお、以上においては、皮膚９からの発散物として汗（水分）を計測する発汗計１をもとに本発明を説明しているが、発散物はその他のガス、例えば皮膚呼吸において発散される炭酸ガスや、皮膚呼吸に含まれる有機物、例えばアルコール、アセトアルデヒド、アセトンなどの発散量を検出するモニタリング装置として提供することも可能である。

１発汗計（モニタリング装置）

Claims

吸着物質を収納した第１の空間を含む第１のカプセルと、
前記第１のカプセルの前記吸着物質を介して空気が循環する第２の空間であって、前記第１の空間とは多孔性の壁体により区切られ空気が流通可能な状態で連通している第２の空間を含む第２のカプセルと、
測定対象の面に外気の侵入を防いだ状態で装着される第１の開口と前記第２の空間とに連通した測定対象の発散物の導入路と、
前記導入路内または出口近傍に配置された前記測定対象の発散物の量を測定するセンサーとを有し、
前記第１の開口、前記導入路、前記第２のカプセルおよび前記第１のカプセルがこの順番で積層され、
前記第１の空間は、多孔性の素材により区切られ前記吸着物質を収納し前記第２の空間に面した下側の空間と、前記下側の空間を挟んで前記第２の空間と反対側に配置され、前記吸着物質が充填されておらず空気が自由に流通する上側の空間とを含み、
前記第１の空間内で空気を強制循環し、前記下側の空間を前記上側の空間を介して前記吸着物質を複数回通過させて再生された空気を前記第２の空間に供給する循環用のファンを有する、携帯型の発散物のモニタリング装置。
請求項１において、
前記循環用のファンは、前記導入路の直上の前記第１のカプセルおよび前記第２のカプセルの境界部分に配置されている、モニタリング装置。
請求項１または２において、
前記導入路は前記第２のカプセル内に形成されており、前記第２のカプセルの外面が前記測定対象の面に装着される、モニタリング装置。
測定対象の面に装着される第１の開口を除き密閉されているハウジングを有する携帯型の発散物のモニタリング装置であって、
前記ハウジングは、吸着物質を収納した第１の空間を含む上半部と、
前記第１の空間とは多孔性の壁体により区切られ、空気が流通可能な状態で連通している第２の空間を含む下半部と、
前記下半部の下側の下壁に設けられた前記第１の開口と前記第２の空間とに連通した測定対象の発散物の導入路と、
前記導入路内または前記導入路と前記第２の空間との境界部分に配置された前記測定対象の発散物の量を測定するセンサーとを含み、
前記第１の空間は、多孔性の素材により区切られ前記吸着物質を収納し前記第２の空間に面した下側の空間と、前記下側の空間を挟んで前記第２の空間と反対側に配置され、前記吸着物質が充填されておらず空気が自由に流通する上側の空間とを含み、さらに、
前記第１の空間内で空気を強制循環し、前記下側の空間を前記上側の空間を介して前記吸着物質を複数回通過させて再生された空気を前記第２の空間に供給する循環用のファンを有する、モニタリング装置。
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記測定対象の面はユーザーの皮膚であり、前記測定対象の発散物は汗である、モニタリング装置。