JP7111254B2

JP7111254B2 - 発汗分析装置

Info

Publication number: JP7111254B2
Application number: JP2021518246A
Authority: JP
Inventors: 優生橋本; 啓桑原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2039-05-08
Also published as: US20220196591A1; JPWO2020225870A1; WO2020225870A1

Description

本発明は、人の汗の中の成分を分析するための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素子に固着し、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発汗分析装置を提供することを目的とする。

本発明の発汗分析装置は、ウェアラブルセンサと、成分濃度算出部とを備え、前記ウェアラブルセンサは、貫通孔を有する基材と、前記貫通孔内に設けられ、前記貫通孔内の液体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のセンサ素子と、前記貫通孔の内壁のうち、前記貫通孔の一方の開口からみて前記第１のセンサ素子の位置よりも遠い部分、および前記基材の、前記一方の開口と反対側の他方の端部が開口する側の表面に配置された親水性の多孔質体と、前記貫通孔内の、前記第１のセンサ素子に隣接した位置に配置された汗検出用の第２のセンサ素子とを備え、前記貫通孔の一方の端部は、前記基材が前記ウェアラブルセンサの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たときに、前記基材の前記着用者の皮膚と向かい合う側に開口し、前記第１のセンサ素子は、前記貫通孔内に配置され、前記一方の開口から前記貫通孔内に流入した汗に含まれる分析対象成分に由来する電気信号を検出し、少なくとも前記貫通孔の内壁が親水性を有し、前記成分濃度算出部は、前記第１のセンサ素子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し、前記着用者の皮膚から分泌された汗を前記第２のセンサ素子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、前記基材の前記一方の端部が開口する側の表面に設けられた撥水部材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、貫通孔のサイズ、第１のセンサ素子と多孔質体の位置、および貫通孔の内壁の親水性により、毛細管現象により多孔質体の位置まで溶液（汗）が達するように、溶液の表面張力を調整することができる。そして、本発明では、溶液は、毛細管現象により多孔質体の多数の孔を通って、皮膚と反対側の開口の方へと移動し、皮膚と反対側の基材の表面上の多孔質体内を移動しながら蒸発する。その結果、本発明では、ウェアラブルな形態での成分分析において、第１のセンサ素子の表面への塩の固着を低減することができ、溶液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素子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流路中を上昇して多孔質体の位置まで到達した様子を示す断面図である。図８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９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回路である。

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回路である。
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を担う回路である。
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として機能する回路である。

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回路を含む。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う回路である。

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（貫通孔）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素子１２（第１のセンサ素子）と、基材１０の皮膚１００側の表面に設けられた撥水部材１３と、流路１１内の、センサ素子１２に隣接した位置に配置された水検出センサ素子１４（第２のセンサ素子）と、センサ素子１２の位置よりも皮膚１００から遠い位置の流路１１内、および皮膚１００と反対側の基材１０の表面（図３の上面）に配置された親水性の多孔質体１５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、撥水部材１３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側の表面を撥水部材１３とすることができる。図３の例では、開口１１０から離れた位置に撥水部材１３を配置しているが、開口１１０の近傍まで撥水部材１３を配置するようにしてもよい。

センサ素子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。
センサ素子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素子１２を複数設けるようにしてもよい。
親水性の多孔質体１５の例としては、ナイロンやセルロース等の親水性材料を原料とする多孔質体を挙げることができる。

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、流路１１の入口部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材１３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。そして、毛細管現象により、汗１０１は流路１１内に導入されていく（図５）。さらに、発汗量の増加により、汗１０１は、流路１１内を移動して、流路１１内のセンサ素子１２の位置に到達する（図６）。

流路１１の直径、流路１１の長さ、流路１１内のセンサ素子１２および多孔質体１５の位置、並びに流路１１の内壁の親水性（ぬれ性）は、毛細管現象により多孔質体１５の位置まで汗１０１が達するように設定すればよい。

センサ素子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、センサ素子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。

次に、成分濃度算出部５０は、例えば流路１１内の、センサ素子１２に隣接した位置に設けられた水検出センサ素子１４がセンサ素子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Ｓ６においてＹＥＳ）。あるいは、成分濃度算出部５０は、算出し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。

通信部６は、成分濃度の取得が終了したときに、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Ｓ７）。

さらに、発汗量が増加すると、汗１０１は、流路１１内を移動して、流路１１内の多孔質体１５の位置に到達する（図７）。多孔質体１５に達した汗１０１は、毛細管現象により流路１１内の多孔質体１５の多数の孔を通って、皮膚１００と反対側の開口１１１の方へと移動し、さらに皮膚１００と反対側の基材１０の表面上の多孔質体１５内を移動しながら蒸発する（図８）。多孔質体１５の孔の細さ、および多孔質体１５の親水性（ぬれ性）は、毛細管現象により皮膚１００と反対側の基材１０の表面上の領域まで汗１０１が拡散するように設定すればよい。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。

発汗分析装置は、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Ｓ８においてＹＥＳ）、ステップＳ１～Ｓ７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、センサ素子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。皮膚１００と反対側の基材１０の表面上の多孔質体１５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およびセンサ素子１２から離れた位置にあるため、基材１０の表面上の多孔質体１５に付着した塩が再発汗時に溶解してセンサ素子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、成分濃度の取得が終了する度に上記の既知の体積を加算することで、成分濃度の取得終了時点から次の成分濃度の取得終了時点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、成分濃度の取得が終了する度に、上記の既知の体積を、直前の成分濃度の取得終了時点から最新の成分濃度の取得終了時点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９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…センサ素子、１３…撥水部材、１４…水検出センサ素子、１５…多孔質体、５０…成分濃度算出部、１００…皮膚、１０１…汗、１１０，１１１…開口。

Claims

ウェアラブルセンサと、
成分濃度算出部とを備え、
前記ウェアラブルセンサは、
貫通孔を有する基材と、
前記貫通孔内に設けられ、前記貫通孔内の液体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のセンサ素子と、
前記貫通孔の内壁のうち、前記貫通孔の一方の開口からみて前記第１のセンサ素子の位置よりも遠い部分、および前記基材の、前記一方の開口と反対側の他方の端部が開口する側の表面に配置された親水性の多孔質体と、
前記貫通孔内の、前記第１のセンサ素子に隣接した位置に配置された汗検出用の第２のセンサ素子とを備え、
前記貫通孔の一方の端部は、前記基材が前記ウェアラブルセンサの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たときに、前記基材の前記着用者の皮膚と向かい合う側に開口し、
前記第１のセンサ素子は、前記貫通孔内に配置され、前記一方の開口から前記貫通孔内に流入した汗に含まれる分析対象成分に由来する電気信号を検出し、
少なくとも前記貫通孔の内壁が親水性を有し、
前記成分濃度算出部は、前記第１のセンサ素子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し、前記着用者の皮膚から分泌された汗を前記第２のセンサ素子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。
請求項１記載の発汗分析装置において、
前記基材の前記一方の端部が開口する側の表面に設けられた撥水部材をさらに備えることを特徴とする発汗分析装置。
請求項１または２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。