JP7761135B2 - 発汗分析装置および方法 - Google Patents

発汗分析装置および方法

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Description

本発明は、人体に装着して、着用者の発汗量および汗中電解質濃度を測定する発汗分析装置および方法に関するものである。
地球温暖化に伴い、世界のほとんどの地域で、熱波の発生件数が増加している。近年の日本では、猛暑の頻度の増加に伴い、熱中症の発生率が増加している。熱中症搬送者数は２０１８年をピークに高水準を維持しており、社会問題となっている（非特許文献１参照）。
熱中症とは、高温下や激しい運動下で引き起こされる多臓器不全の状態を表している。一般的に、人の体温は、視床下部前葉による体温調節のプロセスを経て、約３７℃に維持されている。気化、熱放射、対流、熱伝導といった発汗に関連した物理現象は、体表面を冷却するために機能している。
体温が上昇すると、皮膚血管拡張により皮膚血流が増加し、温熱性発汗が開始される。皮膚血管拡張は、血管内容積の相対的な減少を引き起こし、熱失神の原因となる。汗による塩分と水分の損失は、脱水と塩分枯渇を引き起こし、熱疲労と痙攣を伴う。塩分と水分がさらに失われると、体温調節機能が低下し、続いて中枢循環から皮膚や筋肉へのシャントにより内臓の血流が低下し、臓器不全に陥り、いわゆる熱中症と呼ばれる状態となる（非特許文献２参照）。
上記のように、人の体内の水分と塩分は、体温調節に重要な役割を果たしている。熱疲労の原因となる脱水症状を防ぐには、適切な量の水分と塩分を補給することが重要である。汗に含まれる塩分濃度は、発汗量の増加と共に線形に増加することが多くの文献で報告されている。ただし、塩分濃度の増加率は、人の発汗能力や汗腺での塩分再吸収能力によって変化するため、個人差がある。また、個人の発汗能力、塩分再吸収能力は、人の暑熱順化の影響を受けて変化することも知られている。そのため、水分と塩分の損失を監視するには、人の発汗量と汗に含まれる塩分濃度の両方を連続的に監視することが有効と考えられる。
この監視を実現する先行技術として、発汗量と電解質濃度を同時計測するウェアラブルセンサが提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。
図１３は特許文献１に開示されたウェアラブルセンサの断面図、図１４は図１３の拡大図である。ウェアラブルセンサ１は、液体の流路となる貫通孔１１と貫通孔１１の出口側の端部と連通する凹部１２とを有する基材１０と、貫通孔１１の入口側の端部が開口する基材１０の面に配置された電極１４と、貫通孔１１の出口側の開口から凹部１２に流出した液体と接触するように基材１０の出口側の面（上面）に配置された吸水構造体１５と、吸水構造体１５の基材１０と向かい合う面に、貫通孔１１の出口側の開口と向かい合うように配置された吸水性の電極１６とを備えている。図１３の１３は基材１０の下面に形成された凹部、１００はウェアラブルセンサ１の着用者の皮膚、１０１は着用者の汗腺である。
ウェアラブルセンサ１を利用すれば、貫通孔１１から凹部１２に流出した汗１０２による電極１４と１６間の通電特性に基づいて、ウェアラブルセンサ１の着用者の発汗量と汗中の電解質濃度とを算出することができる。
図１５は特許文献２に開示されたウェアラブルセンサの断面図、図１６は図１５の拡大図である。ウェアラブルセンサ１ａは、貫通孔１１と凹部１２とを有する基材１０と、吸水構造体１５と、凹部１２内に配置され、基材１０の出口側の面に沿って貫通孔１１の出口側の開口上の位置を通る凹部１２内の経路に光を放射するレーザーダイオード（ＬＤ）１８と、凹部１２内に、貫通孔１１の出口側の開口上の位置を挟んでＬＤ１８と向かい合うように配置され、ＬＤ１８からの光を受光するフォトダイオード（ＰＤ）１９とを備えている。図１５の１０３はＬＤ１８から出射した光を示している。
ウェアラブルセンサ１ａを利用すれば、ＬＤ１８からの光を受光するＰＤ１９の受光特性に基づいて、ウェアラブルセンサ１ａの着用者の発汗量と汗中の電解質濃度とを算出することができる。
このように特許文献１、２に開示されたウェアラブルセンサ１，１ａによれば、着用者の発汗量と汗中の電解質濃度とを算出することができるが、発汗量が微小なケースでは、貫通孔１１から凹部１２に流出した汗の蒸発による影響が大きくなり、発汗量を少なく見積る可能性や電解質濃度を高く見積もる可能性があった。
国際公開ＷＯ２０２１／０３８７４２ 国際公開ＷＯ２０２１／０３８７５８
A. Hirata，T. Miyazawa，R. Uematsu，S. Kodera，Y. Hashimoto，K. Takagahara，Y. Higuchi，H. Togo，T. Kawahara，H. Tanaka，"Body Core Temperature Estimation Using New Compartment Model With Vital Data From Wearable Devices"，IEEE Access 2021，9，124452-124462.(DOI:10.1109/ACCESS.2021.3110252) T. Hifumi，Y. Kondo，K. Shimizu，Y. Miyake，"Heat stroke"，Journal of Intensive Care，2018，6，1-8，＜https://doi.org/10.1186/s40560-018-0298-4＞
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、汗の蒸発による影響を考慮して補正を行うことで、発汗量と電解質濃度の計測誤差を低減することができる発汗分析装置および方法を提供することを目的とする。
本発明の発汗分析装置は、着用者の皮膚から分泌される汗の発汗量と電解質濃度とに由来する電気信号を出力するように構成されたウェアラブルセンサと、前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出するように構成された発汗量算出部と、前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の汗中の電解質濃度測定値を算出するように構成された電解質濃度算出部と、前記発汗量測定値と前記電解質濃度測定値と汗の蒸発に関係する既知の物理量とに基づいて、蒸発による汗の減量の影響を補正した発汗量の真値と電解質濃度の真値とを算出するように構成された補正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、前記補正部は、汗の蒸発に関係する既知の物理量に基づいて蒸発による汗の減量分を算出し、前記発汗量測定値に前記汗の減量分を加えた値を前記発汗量の真値として算出し、前記発汗量の真値と前記発汗量測定値と前記電解質濃度測定値とに基づいて前記電解質濃度の真値を算出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構成例において、前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、前記発汗量算出部は、前記電流のピークの周期に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出し、前記補正部は、汗の蒸発に関係する既知の物理量と前記発汗量測定値と前記電流のピークの周期とに基づいて、前記液滴の動的接触角の時間微分の式と前記電流のピーク間の期間における蒸発による汗の減量分の積分の式とを解くことにより、前記発汗量の真値を算出し、前記発汗量の真値と前記発汗量測定値と前記電解質濃度測定値とに基づいて前記電解質濃度の真値を算出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構成例において、前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、前記発汗量算出部は、前記電流のピークの周期に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出し、前記補正部は、所定の範囲内で前記発汗量の真値の推定値を複数設定し、汗の蒸発に関係する既知の物理量と前記推定値とに基づいて、前記電流のピーク間の期間における前記液滴の動的接触角を前記推定値毎に算出し、汗の蒸発に関係する既知の物理量と前記発汗量測定値と前記推定値と前記電流のピークの周期と前記動的接触角の算出結果とに基づいて、前記推定値の正しさを評価するための評価関数を前記推定値毎に算出し、最良の評価関数が得られる前記推定値を前記発汗量の真値として確定し、前記発汗量の真値と前記発汗量測定値と前記電解質濃度測定値とに基づいて前記電解質濃度の真値を算出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構成例において、前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、前記発汗量算出部は、前記電流のピークの周期に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出し、前記補正部は、汗の蒸発に関係する既知の物理量に基づいて蒸発による汗の減量分を算出し、前記発汗量測定値に前記汗の減量分を加えた値を前記発汗量の真値として算出し、所定の範囲内で前記電解質濃度の真値の推定値を複数設定し、汗の蒸発に関係する既知の物理量と前記発汗量の真値と前記推定値と前記電流のピークの周期とに基づいて、前記電解質濃度測定値に相当する理論値を前記推定値毎に算出し、前記電解質濃度測定値と前記理論値とに基づいて前記推定値の正しさを評価するための評価関数を前記推定値毎に算出し、最良の評価関数が得られる前記推定値を、前記電解質濃度の真値として確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構成例において、前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、前記発汗量算出部は、前記電流のピークの周期に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出し、前記補正部は、所定の範囲内で前記電解質濃度の真値の推定値と前記発汗量の真値の推定値との組を複数組設定し、汗の蒸発に関係する既知の物理量と前記電解質濃度の真値の推定値と前記発汗量の真値の推定値と前記電流のピークの周期とに基づいて、前記電解質濃度測定値に相当する第１の理論値と前記液滴の静的接触角に相当する第２の理論値とを前記推定値の組毎に算出し、汗の蒸発に関係する既知の物理量と前記発汗量の真値の推定値と前記第１、第２の理論値とに基づいて、前記発汗量測定値に相当する第３の理論値を前記推定値の組毎に算出し、前記電解質濃度の測定値と前記第１の理論値と前記発汗量測定値と前記第３の理論値とに基づいて、前記推定値の組の正しさを評価するための評価関数を前記推定値の組毎に算出し、最良の評価関数が得られる前記推定値の組を、前記電解質濃度の真値と前記発汗量の真値として確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構成例において、前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、前記発汗量算出部は、前記電流のピークの周期に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出し、前記電解質濃度算出部は、前記電流のピークの値に基づいて前記着用者の汗中の電解質濃度測定値を算出することを特徴とするものである。
本発明の発汗分析方法は、着用者の皮膚から分泌される汗の発汗量と電解質濃度とに由来する電気信号をウェアラブルセンサによって検出する第１のステップと、前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出する第２のステップと、前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の汗中の電解質濃度測定値を算出する第３のステップと、前記発汗量測定値と前記電解質濃度測定値と汗の蒸発に関係する既知の物理量とに基づいて、蒸発による汗の減量の影響を補正した発汗量の真値と電解質濃度の真値とを算出する第４のステップとを含むことを特徴とするものである。
本発明によれば、ウェアラブルセンサと発汗量算出部と電解質濃度算出部と補正部とを設け、蒸発による汗の減量の影響を補正した発汗量の真値と電解質濃度の真値とを補正部によって算出することにより、発汗量を少なく見積る可能性や電解質濃度を高く見積もる可能性を低減することができる。その結果、本発明では、発汗量と電解質濃度の高精度な計測を実現することができる。
図１は、ウェアラブルセンサで計測される、電極間に流れる電流値の変化の１例を示す図である。 図２は、本発明の第１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３は、本発明の第１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４は、本発明の第１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、本発明の第１の実施例に係る発汗分析装置の補正部の動作を説明するフローチャートである。 図６は、本発明の第２の実施例に係る発汗分析装置の補正部の動作を説明するフローチャートである。 図７は、本発明の第３の実施例に係る発汗分析装置の補正部の動作を説明するフローチャートである。 図８は、本発明の第４の実施例に係る発汗分析装置の補正部の動作を説明するフローチャートである。 図９は、本発明の第５の実施例に係る発汗分析装置の補正部の動作を説明するフローチャートである。 図１０は、本発明の第６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１１は、本発明の第６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１２は、本発明の第１～第６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。 図１３は、従来のウェアラブルセンサの断面図である。 図１４は、従来のウェアラブルセンサの拡大断面図である。 図１５は、従来の別のウェアラブルセンサの断面図である。 図１６は、従来の別のウェアラブルセンサの拡大断面図である。
［第１の補正方法］
本発明では、特許文献１、２に開示された発汗分析装置によってウェアラブルセンサの着用者の発汗量と汗中の電解質濃度とを測定する。着用者の発汗量の測定値をＱ［Ｌ／ｓ］、発汗量の真値をＱ’［Ｌ／ｓ］、着用者の汗中の電解質濃度の測定値をＣ［ｍｏｌ／Ｌ］、電解質濃度の真値をＣ’［ｍｏｌ／Ｌ］とする。本発明の第１の補正方法では、発汗量の真値Ｑ’、電解質濃度の真値Ｃ’を、式（１）、式（２）のように算出することができる。
式（１）の右辺第２項は、蒸発による汗の減量分を示す項である。つまり、式（１）は、発汗量測定値Ｑに、蒸発による汗の減量分を加えた値を発汗量の真値Ｑ’とすることを意味している。
式（１）のＤ［ｍ2／ｓ］は測定された電解質濃度がＣのときの汗における水蒸気の既知の拡散係数、Ｃv,0［ｋｇ／ｍ3］は図１３～図１６の貫通孔１１の開口部に生じる汗の液滴１０２ａの気液界面近傍における水蒸気の既知の密度、Ｃv,∞［ｋｇ／ｍ3］は汗の液滴１０２ａの気液界面から十分な遠方における水蒸気の既知の密度、ρ［ｋｇ／ｍ3］は水の既知の密度である。
ｒ［ｍ］は貫通孔１１の開口部の寸法（開口部の断面が円の場合は直径）の１／２、θc［ｒａｄ］は電極１６の表面または吸水構造体１５の表面と汗の液滴１０２ａの表面とのなす角（静的接触角）である。水蒸気の拡散係数Ｄと、水蒸気の密度Ｃv,0，Ｃv,∞と、水の密度ρと、貫通孔１１の開口部の寸法の１／２の値ｒと、静的接触角θcとは、汗の蒸発に関係する既知の物理量である。
［第２の補正方法］
本発明の第２の補正方法では、式（３）、式（４）を発汗量の真値Ｑ’について解き、式（２）により電解質濃度の真値Ｃ’を算出する。
式（３）は、汗の液滴１０２ａが電極１６または吸水構造体１５に着液してから連続的に変化する状態における動的接触角θ［ｒａｄ］の時間微分の式である。Ｔ［ｓ］は図１３の電極１４と１６間に流れる電流の上向きのピークの周期の測定値、または図１５のＰＤ１９を流れる光電流の下向きのピークの周期の測定値である。式（４）は周期Ｔの期間中の蒸発による汗の減量分の積分の式である。
特許文献１に開示されたウェアラブルセンサで計測される、電極間に流れる電流値の変化の１例を図１に示す。上記で説明したとおり、図１３、図１４に示した構造では、電極１４と１６間に汗の液滴１０２ａが存在する期間、電流が流れ続けることになり、ウェアラブルセンサに流入する汗の流量、つまり発汗量の多寡に応じて通電する周期が変化し、電解質濃度の多寡に応じて通電時のピーク電流が変化する。
一方、特許文献２に開示されたウェアラブルセンサでは、汗１０２の液滴１０２ａが形成されると、ＰＤ１９の光電流が低下し、液滴１０２ａが消失すると、ＰＤ１９の光電流が増加する。つまり、発汗量の多寡に応じてＰＤ１９の光電流の下向きのピークの周期が変化し、電解質濃度の多寡に応じてピーク電流が変化する。
［第３の補正方法］
次に、本発明の第３の補正方法について説明する。時刻ｔにおける汗の液滴１０２ａの動的接触角θをθ（ｔ）とする。時刻ｔ＝０における動的接触角の初期値θ（０）として、非零の微小な値（例えば、０．１ｄｅｇや１ｄｅｇ）を設定する。さらに、発汗量の真値Ｑ’の推定値として、発汗量の測定値Ｑ以上、かつ発汗量所定値以下の範囲内の値を設定して、以下の式（５）、式（６）の計算を行う。
上記の発汗量所定値としては、蒸発の影響が無視できる発汗量、あるいは発汗量の上限値Ｑmaxがある。上限値Ｑmaxとしては、過去の測定で得られた結果から、実際に即した値を予め設定しておけばよい。
ここで、Δｔ［ｓ］は計算間隔、ｆ（Ｑ’）は発汗量の真値Ｑ’の推定値の正しさを評価するための評価関数である。式（６）は、電流ピーク周期Ｔの期間中の発汗量の真値Ｑ’の推定値の総量（＝Ｑ’Ｔ）と発汗量測定値Ｑの総量（＝ＱＴ）との差から、周期Ｔの期間中の蒸発による汗の減量分を引いた値を、評価関数ｆ（Ｑ’）とすることを意味している。
予め定められた発汗量のステップ幅（例えば、０．０１μＬ／ｍｉｎ）で真値Ｑ’の推定値を変更しながら、真値Ｑ’の推定値毎に式（５）、式（６）の計算を行う。そして、真値Ｑ’の推定値毎に算出した評価関数ｆ（Ｑ’）の２乗ｆ（Ｑ’）2が最小となる推定値を、発汗量の真値Ｑ’とする。さらに、式（２）により電解質濃度の真値Ｃ’を算出する。
［第４の補正方法］
本発明の第４の補正方法では、発汗量の真値Ｑ’を式（１）により算出する。図１４、図１６に示した汗の液滴１０２ａが形成される前の時刻を０［ｓ］とする。時刻０［ｓ］から時間がＮΔｔ（Ｎは０以上の整数）経過した際の、形成中の液滴１０２ａ内の電解質濃度ＣNΔtを、式（１）で算出した発汗量の真値Ｑ’に基づいて式（７）、式（８）により算出する。
ここで、θNΔt［ｒａｄ］は時刻ＮΔｔにおける汗の液滴１０２ａの動的接触角、Ｄ［ｘ］［ｍ2／ｓ］は汗中の電解質濃度がｘ（ｘは任意の値）のときの汗における水蒸気の既知の拡散係数、Δｔは計算間隔である。
時刻０［ｓ］における動的接触角の初期値θ0として、非零の微小な値（例えば、０．１ｄｅｇや１ｄｅｇ）を設定する。また、電解質濃度の真値の推定値Ｃ0として、濃度所定値以上、かつ電解質濃度の測定値Ｃ以下の範囲内の値を設定して、式（７）、式（８）の計算を行う。上記の濃度所定値としては、汗中の電解質濃度の下限値Ｃminがある。下限値Ｃminとしては、過去の測定で得られた結果から、実際に即した値を予め設定しておけばよい。
予め定められた電解質濃度のステップ幅（例えば、１ｍＭ）で電解質濃度の真値の推定値Ｃ0を変更しながら、推定値Ｃ0毎に式（７）、式（８）の計算を行う。なお、式（７）は、時刻０［ｓ］から時間が（Ｎ＋１）Δｔ経過した際の液滴１０２ａ内の電解質濃度Ｃ(N+1)Δtを示している。一方、実際に求めるのは、発汗量の測定値Ｑに対応する電流ピーク周期と経過時間ＮΔｔとが一致したときの電解質濃度ＣNΔtである。電解質濃度ＣNΔtは、電解質濃度の測定値Ｃに相当する理論値である。
そして、電解質濃度の測定値Ｃと理論値ＣNΔtとの差の２乗（Ｃ－ＣNΔt）2が最小となる推定値Ｃ0を、電解質濃度の真値Ｃ’とする。
［第５の補正方法］
次に、本発明の第５の補正方法について説明する。時刻０［ｓ］における動的接触角の初期値θ0として、非零の微小な値（例えば、０．１ｄｅｇや１ｄｅｇ）を設定する。また、電解質濃度の真値の推定値Ｃ0として、上記の濃度所定値以上、かつ電解質濃度の測定値Ｃ以下の範囲内の値を設定する。さらに、発汗量の真値の推定値Ｑ0として、発汗量の測定値Ｑ以上、かつ上記の発汗量所定値以下の範囲内の値を設定して、式（９）、式（１０）の計算を行う。
予め定められた電解質濃度のステップ幅（例えば、１ｍＭ）で電解質濃度の真値の推定値Ｃ0を変更し、また予め定められた発汗量のステップ幅（例えば、０．０１μＬ／ｍｉｎ）で発汗量の真値の推定値Ｑ0を変更しながら、推定値Ｑ0，Ｃ0の組毎に式（９）、式（１０）の計算を、発汗量の測定値Ｑに対応する電流ピーク周期と時間ＮΔｔとが一致するまで行う。電流ピーク周期と一致した時間ＮΔｔをＮmaxΔｔとする。
式（９）、式（１０）の計算により、時間ＮmaxΔｔよりも１Δｔ前の時点での電解質濃度Ｃ(Nmax-1)Δtと時間ＮmaxΔｔよりも１Δｔ前の時点での液滴１０２ａの動的接触角θ(Nmax-1)Δtとが、推定値Ｑ0，Ｃ0の組毎に得られる。電解質濃度Ｃ(Nmax-1)Δtは、電解質濃度の測定値Ｃに相当する理論値である。動的接触角θ(Nmax-1)Δtは、静的接触角θcに相当する理論値である。
式（１１）により、発汗量の測定値Ｑに相当する理論値Ｑ”を算出することができる。式（１１）は、発汗量の真値の推定値Ｑ0から、蒸発による汗の減量分を引いた値を、理論値Ｑ”とすることを意味している。
そして、電解質濃度の測定値Ｃと理論値ＣNmaxΔtとの差を測定値Ｃで割った値の２乗｛（Ｃ－ＣNmaxΔt）／Ｃ｝2と、発汗量の測定値Ｑと理論値Ｑ”との差を測定値Ｑで割った値の２乗｛（Ｑ－Ｑ”）／Ｑ｝2との和｛（Ｃ－ＣNmaxΔt）／Ｃ｝2＋｛（Ｑ－Ｑ”）／Ｑ｝2が最小となる推定値Ｑ0，Ｃ0の組を求め、このときの推定値Ｑ0を発汗量の真値Ｑ’とし、推定値Ｃ0を電解質濃度の真値Ｃ’とする。
［第１の実施例］
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２は本発明の第１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、データ記録部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発汗量と電解質濃度とに由来する電気信号（例えば図１に示した波形の電流）を出力する。
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から出力された微弱な電気信号を増幅する。
データ記録部３は、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）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して記憶部４に格納する。
記憶部４は、データ記録部３から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発汗量および電解質濃度を算出する信号処理を担う回路である。
通信部６は、ＭＣＵ部５によって得られた計測結果および分析結果を、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。
本実施例におけるウェアラブルセンサ１は、特許文献１に開示されたものと同じなので、図１３、図１４を用いてウェアラブルセンサ１の構造について説明する。
ウェアラブルセンサ１は、貫通孔１１と貫通孔１１の出口側の端部と連通する凹部１２とを有する基材１０と、貫通孔１１の入口側の端部が開口する基材１０の面に配置された電極１４と、貫通孔１１の出口側の開口から凹部１２に流出した液体と接触するように基材１０の出口側の面（上面）に配置された吸水構造体１５と、吸水構造体１５の基材１０と向かい合う面に、貫通孔１１の出口側の開口と向かい合うように配置された吸水性の電極１６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貫通孔１１の内面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の上面には、上面を窪ませた形状の凹部１２が貫通孔１１と連通するように形成されている。反対に、基材１０の下面には、下面を窪ませた形状の凹部１３が貫通孔１１と連通するように形成されている。
電極１４は、例えば貫通孔１１の入口側の端部が開口する基材１０の面（下面）に形成された金属薄膜からなる。吸水構造体１５の例としては、綿、絹等の繊維や、多孔質セラミック基板等を挙げることができる。電極１６の例としては、吸水構造体１５の表面に例えばめっき技術によって形成した多孔質金属薄膜や、導電性高分子を吸水構造体１５の繊維に含浸させたもの、導電繊維を編みこんだもの等を挙げることができる。
ウェアラブルセンサ１は、図１３に示すように基材１０の下面が着用者の皮膚１００と向かい合うように着用者の身体に装着される。図１３の１０１は着用者の汗腺である。
着用者が発汗すると、汗１０２は、毛細管現象により基材１０の凹部１３内から貫通孔１１内に導入されていく。さらに、発汗量の増加により、汗１０２は、貫通孔１１内を上昇して、凹部１２に到達する。
図１４の拡大図で示すように、凹部１２の内面には撥水部１７が設けられている。基材１０に親水性の材料を用いる場合には、凹部１２の内面に撥水性の表面処理を施すようにして、撥水部１７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、凹部１２の内面のみ撥水性の材料のままとすることにより、撥水部１７を設けることができる。
汗１０２は、凹部１２に到達すると、図１４に示すように球状の液滴１０２ａとなる。さらに、発汗量が増加すると、液滴１０２ａは、その直径が増して、遂には電極１６と吸水構造体１５とに到達する。電極１６と吸水構造体１５とに到達した液滴１０２ａは、毛細管現象により電極１６の多数の孔および吸水構造体１５の多数の孔を通って、吸水構造体１５内を移動しながら蒸発する。これにより、液滴１０２ａが消失する。こうして、液滴１０２ａの形成と消失により、ウェアラブルセンサ１の電極１４と１６間の通電が繰り返し発生する。
なお、本実施例では、ウェアラブルセンサ１の構造として、図１３、図１４の構造を例に挙げて説明しているが、これに限るものではない。着用者の発汗によってウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により電極間に断続的に電流が流れるものであれば、他の構造のウェアラブルセンサを用いてもよい。
図３は本実施例のＭＣＵ部５の機能ブロック図である。ＭＣＵ部５は、発汗量算出部５０と、電解質濃度算出部５１と、補正部５２として機能する。
発汗量算出部５０は、ウェアラブルセンサ１の電極間の通電特性に基づいて着用者の発汗量の測定値Ｑを算出する。
電解質濃度算出部５１は、ウェアラブルセンサ１の電極間の通電特性に基づいて着用者の汗中の電解質濃度の測定値Ｃを算出する。
補正部５２は、発汗量の測定値Ｑと電解質濃度の測定値Ｃと汗の蒸発に関係する既知の物理量とに基づいて、蒸発による汗の減量の影響を補正した発汗量の真値Ｑ’と電解質濃度の真値Ｃ’とを算出する。
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。ＡＦＥ部２は、ウェアラブルセンサ１の電極１４と１６間に流れる電流を検出する（図４ステップＳ１）。
データ記録部３は、ＡＦＥ部２によって検出され増幅された信号を所定のサンプリングレートでデジタルデータに変換して（図４ステップＳ２）、記憶部４に格納する（図４ステップＳ３）。このとき、データ記録部３は、デジタルデータにサンプリング時刻の情報を付加して記憶部４に格納する。こうして、記憶部４には、電流の時系列データが記憶される。
発汗量算出部５０は、記憶部４に格納されたデジタルデータに基づいて、ウェアラブルセンサ１の着用者の発汗量の測定値Ｑ［Ｌ／ｓ］を算出する（図４ステップＳ４）。具体的には、発汗量算出部５０は、汗の液滴１０２ａの体積Ｖ［Ｌ］を、直前の電流ピークから最新の電流ピークまでの周期Ｔ［ｓ］で除することにより、発汗量の測定値Ｑ［Ｌ／ｓ］を算出することができる。
特許文献１に記載されているとおり、ウェアラブルセンサ１の電極１４と１６間に生じる汗の液滴１０２ａの体積Ｖは、実際に即した値を予め求めておくことが可能である。
電解質濃度算出部５１は、着用者の汗中の電解質濃度Ｃ［ｍｏｌ／Ｌ］により変化する汗の電気抵抗率Ｒρを算出し、この電気抵抗率Ｒρから汗中の電解質濃度の測定値Ｃ［ｍｏｌ／Ｌ］を算出する（図４ステップＳ５）。
具体的には、電解質濃度算出部５１は、ＡＦＥ部２が電極１４と１６間に印加する既知の電圧の値を、記憶部４に格納されたデジタルデータが示す最新の通電時の電流ピーク値で除することにより、抵抗を算出する。そして、電解質濃度算出部５１は、抵抗と、電極１４と１６間の既知の距離と、電極１４と１６間の汗の断面積とに基づいて電気抵抗率Ｒρを算出する。汗の断面積については、電極１４と１６間の汗の断面積を一定とみなしたときの規定値を使用すればよい。
汗の電気抵抗率Ｒρと汗中の電解質濃度Ｃ（主としてＮａＣｌの濃度）との間には直線的な関係があることが知られている。電解質濃度算出部５１は、電気抵抗率Ｒρと電解質濃度Ｃとの既知の関係に基づいて、電気抵抗率Ｒρから電解質濃度の測定値Ｃ［ｍｏｌ／Ｌ］を算出する。
次に、補正部５２は、発汗量算出部５０によって算出された発汗量の測定値Ｑと、電解質濃度算出部５１によって算出された電解質濃度の測定値Ｃとを補正する（図４ステップＳ６）。図５は補正部５２の動作を説明するフローチャートである。
補正部５２は、電解質濃度算出部５１によって算出された電解質濃度がＣのときの汗における水蒸気の既知の拡散係数Ｄと、ウェアラブルセンサ１の貫通孔１１の開口部に生じる汗の液滴１０２ａの気液界面近傍における水蒸気の既知の密度Ｃv,0と、液滴１０２ａの気液界面から十分遠方における水蒸気の既知の密度Ｃv,∞と、水の密度ρと、貫通孔１１の開口部の寸法（開口部の断面が円の場合は直径）の１／２の値ｒと、液滴１０２ａの既知の静的接触角θcとに基づいて、蒸発による汗の減量の影響を補正した発汗量の真値Ｑ’を式（１）により算出する（図５ステップＳ１００）。静的接触角θcとしては、例えば事前の実験によって求めた値を設定しておけばよい。また、水蒸気の密度は、厳密には温度に応じて変化するが、想定利用環境である高温多湿環境下で、実測値に最も近くなるように値を設定しておけばよい。
さらに、補正部５２は、発汗量の真値Ｑ’と発汗量の測定値Ｑと電解質濃度の測定値Ｃとに基づいて、蒸発による汗の減量の影響を補正した電解質濃度の真値Ｃ’を式（２）により算出する（図５ステップＳ１０１）。
通信部６は、発汗量算出部５０の算出結果と電解質濃度算出部５１の算出結果と補正部５２の補正結果と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）。
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、説明したように、本実施例によれば、補正部５２を設けることにより、発汗量の真値と電解質濃度の真値とを算出することができ、発汗量を少なく見積る可能性や電解質濃度を高く見積もる可能性を低減することができる。
［第２の実施例］
第１の実施例では、第１の補正方法に基づいて発汗量と電解質濃度とを補正した。本発明の第２の実施例では、第２の補正方法に基づいて発汗量と電解質濃度とを補正する。本実施例と第１の実施例との違いは補正部５２の動作である。本実施例の補正部５２の動作を図６を用いて説明する。
補正部５２は、発汗量測定値Ｑと、電解質濃度がＣのときの汗における水蒸気の拡散係数Ｄと、ウェアラブルセンサ１の貫通孔１１の開口部に生じる汗の液滴１０２ａの気液界面近傍における水蒸気の密度Ｃv,0と、液滴１０２ａの気液界面から十分遠方における水蒸気の密度Ｃv,∞と、水の密度ρと、貫通孔１１の開口部の寸法の１／２の値ｒと、発汗量算出部５０が発汗量測定値Ｑの算出に用いた電流ピーク周期Ｔとに基づいて、汗の液滴１０２ａの動的接触角θの時間微分の式（３）と周期Ｔの期間中の蒸発による汗の減量分の積分の式（４）とをＱ’について解くことにより、発汗量の真値Ｑ’を算出する（図６ステップＳ２００）。
さらに、補正部５２は、発汗量の真値Ｑ’と発汗量の測定値Ｑと電解質濃度の測定値Ｃとに基づいて、電解質濃度の真値Ｃ’を式（２）により算出する（図６ステップＳ２０１）。
発汗分析装置の他の構成は第１の実施例と同じである。
［第３の実施例］
本発明の第３の実施例では、第３の補正方法に基づいて発汗量と電解質濃度とを補正する。本実施例と第１の実施例との違いは補正部５２の動作である。本実施例の補正部５２の動作を図７を用いて説明する。
補正部５２は、時刻ｔ＝０における汗の液滴１０２ａの動的接触角の初期値θ（０）として非零の微小な値を設定する（図７ステップＳ３００）。また、補正部５２は、発汗量の真値Ｑ’の推定値として、発汗量の測定値Ｑ以上、かつ予め定められた発汗量所定値以下の範囲内の値を設定する（図７ステップＳ３０１）。
補正部５２は、動的接触角の初期値θ（０）と、発汗量の真値Ｑ’の推定値と、電解質濃度がＣのときの汗における水蒸気の拡散係数Ｄと、汗の液滴１０２ａの気液界面近傍における水蒸気の密度Ｃv,0と、液滴１０２ａの気液界面から十分遠方における水蒸気の密度Ｃv,∞と、水の密度ρと、貫通孔１１の開口部の寸法の１／２の値ｒとに基づいて、発汗量算出部５０が発汗量測定値Ｑの算出に用いた電流ピーク周期Ｔの期間における液滴１０２ａの動的接触角θを式（５）により計算間隔Δｔ毎に算出する（図７ステップＳ３０２）。
続いて、補正部５２は、発汗量測定値Ｑと、発汗量の真値Ｑ’の推定値と、発汗量算出部５０が発汗量測定値Ｑの算出に用いた電流ピーク周期Ｔと、ステップＳ３０２の算出結果とに基づいて、式（６）のように、電流ピーク周期Ｔの期間中の真値Ｑ’の推定値の総量（＝Ｑ’Ｔ）と発汗量測定値Ｑの総量（＝ＱＴ）との差から、周期Ｔの期間中の蒸発による汗の減量分を引いた値を、発汗量の真値Ｑ’の推定値の正しさを評価するための評価関数ｆ（Ｑ’）として算出する（図７ステップＳ３０３）。
補正部５２は、発汗量の真値Ｑ’の推定値の全てについてステップＳ３０２，Ｓ３０３の算出処理を終えていない場合（図７ステップＳ３０４においてＮＯ）、ステップＳ３０１に戻り、発汗量の真値Ｑ’の推定値を変更する。上記のとおり、補正部５２は、予め定められた発汗量のステップ幅で推定値を変更する。こうして、補正部５２は、発汗量の真値Ｑ’の複数の推定値のそれぞれについて評価関数ｆ（Ｑ’）を算出する。
補正部５２は、予め定められた個数の推定値についてステップＳ３０２，Ｓ３０３の算出処理を終えた時点、あるいは発汗量測定値Ｑから開始した推定値が予め定められた発汗量所定値（例えば上限値Ｑmax）に達した時点で、ステップＳ３０２，Ｓ３０３の算出処理終了と判定する。
補正部５２は、発汗量の真値Ｑ’の推定値毎に算出した評価関数ｆ（Ｑ’）のうち、最良の評価関数ｆ（Ｑ’）が得られる推定値を、発汗量の真値Ｑ’として確定する（図７ステップＳ３０５）。具体的には、補正部５２は、評価関数ｆ（Ｑ’）の２乗ｆ（Ｑ’）2が最小となる推定値を、発汗量の真値Ｑ’とする。
さらに、補正部５２は、発汗量の真値Ｑ’と発汗量の測定値Ｑと電解質濃度の測定値Ｃとに基づいて、電解質濃度の真値Ｃ’を式（２）により算出する（図７ステップＳ３０６）。
発汗分析装置の他の構成は第１の実施例と同じである。
［第４の実施例］
本発明の第４の実施例では、第４の補正方法に基づいて発汗量と電解質濃度とを補正する。本実施例と第１の実施例との違いは補正部５２の動作である。本実施例の補正部５２の動作を図８を用いて説明する。
補正部５２は、電解質濃度算出部５１によって算出された電解質濃度がＣのときの汗における水蒸気の拡散係数Ｄと、汗の液滴１０２ａの気液界面近傍における水蒸気の密度Ｃv,0と、液滴１０２ａの気液界面から十分遠方における水蒸気の密度Ｃv,∞と、水の密度ρと、貫通孔１１の開口部の寸法の１／２の値ｒと、液滴１０２ａの静的接触角θcとに基づいて、蒸発による汗の減量の影響を補正した発汗量の真値Ｑ’を式（１）により算出する（図８ステップＳ４００）。
補正部５２は、時刻０［ｓ］における動的接触角の初期値θ0として、非零の微小な値を設定する（図８ステップＳ４０１）。また、補正部５２は、電解質濃度の真値の推定値Ｃ0として、予め定められた濃度所定値以上、かつ電解質濃度の測定値Ｃ以下の範囲内の値を設定する（図８ステップＳ４０２）。
補正部５２は、発汗量の真値Ｑ’と、動的接触角の初期値θ0と、電解質濃度の真値の推定値Ｃ0と、水蒸気の密度Ｃv,0，Ｃv,∞と、水の密度ρと、貫通孔１１の開口部の寸法の１／２の値ｒと、汗中の電解質濃度がｘ（ｘはＣ0，ＣΔt，ＣNΔtのいずれか）のときの汗における水蒸気の既知の拡散係数Ｄ［ｘ］とに基づいて、汗の液滴１０２ａ内の電解質濃度ＣNΔtを算出する式（７）と液滴１０２ａの動的接触角θを算出する式（８）とにより、液滴１０２ａが形成される前の時刻０［ｓ］から電流ピーク周期Ｔ＝ＮΔｔが経過したときの電解質濃度ＣNΔtを算出する（図８ステップＳ４０３）。電解質濃度ＣNΔtは、電解質濃度の測定値Ｃに相当する理論値である。
補正部５２は、電解質濃度の真値の推定値Ｃ0の全てについてステップＳ４０３の算出処理を終えていない場合（図８ステップＳ４０４においてＮＯ）、ステップＳ４０２に戻り、推定値Ｃ0を変更する。上記のとおり、補正部５２は、予め定められた電解質濃度のステップ幅で推定値Ｃ0を変更する。こうして、補正部５２は、複数の推定値Ｃ0のそれぞれについて理論値ＣNΔtを算出する。
補正部５２は、予め定められた個数の推定値Ｃ0についてステップＳ４０３の算出処理を終えた時点、あるいは予め定められた濃度所定値（例えば下限値Ｃmin）から開始した推定値Ｃ0が電解質濃度の測定値Ｃに達した時点で、ステップＳ４０３の算出処理終了と判定する。
そして、補正部５２は、電解質濃度の測定値Ｃと理論値ＣNΔtとに基づいて、電解質濃度の真値の推定値Ｃ0の正しさを評価するための評価関数を推定値Ｃ0毎に算出し、最良の評価関数が得られる推定値Ｃ0を、電解質濃度の真値Ｃ’として確定する（図８ステップＳ４０５）。具体的には、補正部５２は、電解質濃度の測定値Ｃと理論値ＣNΔtとの差の２乗（Ｃ－ＣNΔt）2が最小となる推定値Ｃ0を、電解質濃度の真値Ｃ’とする。
発汗分析装置の他の構成は第１の実施例と同じである。
［第５の実施例］
本発明の第５の実施例では、第５の補正方法に基づいて発汗量と電解質濃度とを補正する。本実施例と第１の実施例との違いは補正部５２の動作なので、本実施例の補正部５２の動作を図９を用いて説明する。
補正部５２は、時刻０［ｓ］における動的接触角の初期値θ0として非零の微小な値を設定する（図９ステップＳ５００）。また、補正部５２は、電解質濃度の真値の推定値Ｃ0として、予め定められた濃度所定値以上、かつ電解質濃度の測定値Ｃ以下の範囲内の値を設定する（図９ステップＳ５０１）。さらに、補正部５２は、発汗量の真値の推定値Ｑ0として、発汗量の測定値Ｑ以上、かつ予め定められた発汗量所定値以下の範囲内の値を設定する（図９ステップＳ５０２）。
補正部５２は、動的接触角の初期値θ0と、電解質濃度の真値の推定値Ｃ0と、発汗量の真値の推定値Ｑ0と、水蒸気の密度Ｃv,0，Ｃv,∞と、水の密度ρと、貫通孔１１の開口部の寸法の１／２の値ｒと、汗中の電解質濃度がｘ（ｘはＣ0，ＣΔt，ＣNΔtのいずれか）のときの汗における水蒸気の既知の拡散係数Ｄ［ｘ］とに基づいて、汗の液滴１０２ａ内の電解質濃度ＣNΔtを算出する式（９）と液滴１０２ａの動的接触角θを算出する式（１０）とにより、時刻０［ｓ］からの経過時間が電流ピーク周期Ｔ＝ＮΔｔに達する直前の電解質濃度Ｃ(Nmax-1)Δtと動的接触角θ(Nmax-1)Δtとを算出する（図９ステップＳ５０３）。電解質濃度Ｃ(Nmax-1)Δtは、電解質濃度の測定値Ｃに相当する理論値である。動的接触角θ(Nmax-1)Δtは、静的接触角θcに相当する理論値である。
補正部５２は、発汗量の真値の推定値Ｑ0と、水蒸気の密度Ｃv,0，Ｃv,∞と、水の密度ρと、貫通孔１１の開口部の寸法の１／２の値ｒと、汗中の電解質濃度がＣ(Nmax-1)Δtのときの汗における水蒸気の既知の拡散係数Ｄ［Ｃ(Nmax-1)Δt］と、液滴１０２ａの動的接触角θ(Nmax-1)Δtとに基づいて、発汗量の測定値Ｑに相当する理論値Ｑ”を式（１１）により算出する（図９ステップＳ５０４）。
補正部５２は、電解質濃度の真値の推定値Ｃ0と発汗量の真値の推定値Ｑ0の全ての組み合わせについてステップＳ５０３，Ｓ５０４の算出処理を終えていない場合（図９ステップＳ５０５においてＮＯ）、ステップＳ５０１に戻り、電解質濃度の真値の推定値Ｃ0と発汗量の真値の推定値Ｑ0のうち少なくとも一方を変更する。
上記のとおり、補正部５２は、予め定められた電解質濃度のステップ幅で推定値Ｃ0を変更し、予め定められた発汗量のステップ幅で推定値Ｑ0を変更する。こうして、補正部５２は、推定値Ｑ0，Ｃ0の複数の組のそれぞれについて理論値ＣNmaxΔt，θ(Nmax-1)Δt，Ｑ”を算出する。補正部５２は、推定値Ｃ0，Ｑ0がとり得る全ての組み合わせについてステップＳ５０３，Ｓ５０４の処理を終えた時点で、算出処理終了と判定する。
そして、補正部５２は、電解質濃度の測定値Ｃと理論値ＣNmaxΔtと発汗量の測定値Ｑと理論値Ｑ”とに基づいて、電解質濃度の真値の推定値Ｃ0と発汗量の真値の推定値Ｑ0の正しさを評価するための評価関数を推定値Ｑ0，Ｃ0の組毎に算出し、最良の評価関数が得られる組み合わせの推定値Ｑ0を発汗量の真値Ｑ’とし、最良の評価関数が得られる組み合わせの推定値Ｃ0を電解質濃度の真値Ｃ’として確定する（図９ステップＳ５０６）。
具体的には、補正部５２は、電解質濃度の測定値Ｃと理論値ＣNmaxΔtとの差を測定値Ｃで割った値の２乗｛（Ｃ－ＣNmaxΔt）／Ｃ｝2と、発汗量の測定値Ｑと理論値Ｑ”との差を測定値Ｑで割った値の２乗｛（Ｑ－Ｑ”）／Ｑ｝2との和｛（Ｃ－ＣNmaxΔt）／Ｃ｝2＋｛（Ｑ－Ｑ”）／Ｑ｝2が最小となる推定値Ｑ0，Ｃ0の組を求め、このときの推定値Ｑ0を発汗量の真値Ｑ’とし、推定値Ｃ0を電解質濃度の真値Ｃ’とする。
発汗分析装置の他の構成は第１の実施例と同じである。
［第６の実施例］
図１０は本発明の第６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１ａと、ＡＦＥ部２と、データ記録部３と、記憶部４と、ＭＣＵ部５ａと、通信部６と、電源部７とを備えている。
本実施例におけるウェアラブルセンサ１ａは、特許文献２に開示されたものと同じなので、図１５、図１６を用いてウェアラブルセンサ１ａの構造について説明する。
ウェアラブルセンサ１ａは、貫通孔１１と凹部１２とを有する基材１０と、吸水構造体１５と、凹部１２内に配置され、基材１０の出口側の面に沿って貫通孔１１の出口側の開口上の位置を通る凹部１２内の経路に光を放射するＬＤ１８と、凹部１２内に、貫通孔１１の出口側の開口上の位置を挟んでＬＤ１８と向かい合うように配置され、ＬＤ１８からの光を受光するＰＤ１９とを備えている。
吸水構造体１５の例としては、綿、絹等の繊維や、多孔質セラミック基板等を挙げることができる。なお、吸水構造体１５は、貫通孔１１の出口側の開口と凹部１２の全面を覆う必要はなく、貫通孔１１の出口側の開口から凹部１２に流出した液滴に接触できるように配置されていればよい。
ウェアラブルセンサ１ａは、図１５に示すように基材１０の下面が着用者の皮膚１００と向かい合うように着用者の身体に装着される。
着用者が発汗すると、汗１０２は、毛細管現象により基材１０の凹部１３内から貫通孔１１内に導入されていく。さらに、発汗量の増加により、汗１０２は、貫通孔１１内を上昇して、貫通孔１１と連通するように基材１０の上面に設けられた凹部１２に到達する。
図１６の拡大図で示すように、凹部１２の内面には撥水部１７が設けられている。汗１０２は、凹部１２に到達すると、図１６に示すように球状の液滴１０２ａとなる。さらに、発汗量が増加すると、液滴１０２ａは、その直径が増して、遂には吸水構造体１５に到達する。吸水構造体１５に到達した液滴１０２ａは、毛細管現象により吸水構造体１５の多数の孔を通って、吸水構造体１５内を移動しながら蒸発する。これにより、液滴１０２ａが消失する。
発光素子であるＬＤ１８は、発汗量の計測時に、図１５、図１６に示すように基材１０の出口側の面（上面）に沿って貫通孔１１の出口側の開口上の位置を通る凹部１２内の経路に光を放射する。
受光素子であるＰＤ１９は、ＬＤ１８からの光を受光する。
汗１０２の液滴１０２ａが形成されると、ＬＤ１８から出射した光１０３は、凹部１２内の空気、液滴１０２ａ、凹部１２内の空気という順番で各媒質中を伝搬しＰＤ１９に入射する。液滴１０２ａが消失すると、光１０３は、凹部１２内の空気中を伝搬してＰＤ１９に入射する。液滴１０２ａが再び形成されると、光１０３は、凹部１２内の空気、液滴１０２ａ、凹部１２内の空気という順番で各媒質中を伝搬しＰＤ１９に入射する。こうして、光１０３が伝搬する媒質の違いがＰＤ１９での受光量に反映される。すなわち、液滴１０２ａの形成と消失により、ＰＤ１９を流れる光電流が変化する。
発汗分析装置のＡＦＥ部２とデータ記録部３と記憶部４と通信部６と電源部７の構成は第１の実施例と同様である。ＡＦＥ部２は、ＰＤ２０の出力信号（光電流）を増幅すればよい。
図１１は本実施例のＭＣＵ部５ａの機能ブロック図である。ＭＣＵ部５ａは、発汗量算出部５０ａと、電解質濃度算出部５１ａと、補正部５２ａとして機能する。
発汗量算出部５０ａは、ＰＤ１９の受光特性に基づいて着用者の発汗量の測定値Ｑを算出する。
電解質濃度算出部５１ａは、ＰＤ１９の受光特性に基づいて着用者の汗中の電解質濃度の測定値Ｃを算出する。
補正部５２ａは、発汗量の測定値Ｑと電解質濃度の測定値Ｃと汗の蒸発に関係する既知の物理量とに基づいて、蒸発による汗の減量の影響を補正した発汗量の真値Ｑ’と電解質濃度の真値Ｃ’とを算出する。
本実施例の発汗分析装置の処理の流れは第１の実施例と同様であるので、図４を用いて発汗分析装置の動作を説明する。
ＡＦＥ部２は、ウェアラブルセンサ１ａのＰＤ１９の光電流を検出する（図４ステップＳ１）。
データ記録部３は、ＡＦＥ部２によって検出され増幅された信号を所定のサンプリングレートでデジタルデータに変換して（図４ステップＳ２）、記憶部４に格納する（図４ステップＳ３）。
発汗量算出部５０ａは、記憶部４に格納されたデジタルデータに基づいて、ウェアラブルセンサ１ａの着用者の発汗量の測定値Ｑを算出する（図４ステップＳ４）。具体的には、発汗量算出部５０は、汗の液滴１０２ａの体積Ｖを、直前の電流ピークから最新の電流ピークまでの周期Ｔで除することにより、発汗量の測定値Ｑを算出する。
本実施例では、凹部１２内に汗の液滴１０２ａが形成されると、ＰＤ１９の光電流が低下し、液滴１０２ａが消失すると、ＰＤ１９の光電流が増加する。したがって、発汗量算出部５０ａは、ＰＤ１９の光電流の下向きのピークの周期Ｔを用いて、発汗量の測定値Ｑを算出する。
電解質濃度算出部５１ａは、ＰＤ１９の受光量に基づいて着用者の汗中の電解質濃度の測定値Ｃを算出する（図４ステップＳ５）。本実施例では、ＬＤ１８のレーザー波長は、汗中の特定の成分の吸収波長に設定されている。これにより、電解質濃度算出部５１ａは、極小値となったときの、ＰＤ１９の受光量に基づいて電解質濃度の測定値Ｃを算出することが可能である。
補正部５２ａは、発汗量算出部５０ａによって算出された発汗量の測定値Ｑと、電解質濃度算出部５１ａによって算出された電解質濃度の測定値Ｃとを補正する（図４ステップＳ６）。本実施例では、第１の補正方法によって補正を行う。補正部５２ａの動作は、第１の実施例の補正部５２と同じである。
通信部６は、発汗量算出部５０ａの算出結果と電解質濃度算出部５１ａの算出結果と補正部５２ａの補正結果とをスマートフォン等の外部装置に送信する（図４ステップＳ７）。
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。
こうして、本実施例では、第１の実施例と同様に、発汗量を少なく見積る可能性や電解質濃度を高く見積もる可能性を低減することができる。
本実施例では、第１の補正方法に基づいて発汗量と電解質濃度とを補正したが、第２の補正方法に基づいて補正を行ってもよい。この場合、補正部５２ａの動作は、第２の実施例の補正部５２と同様の動作となる。補正部５２と違う点は、補正部５２ａは、電極１４と１６間に流れる電流のピークの周期の代わりに、ＰＤ１９の光電流の下向きのピークの周期Ｔを用いて発汗量の真値Ｑ’を算出することである。
また、第３の補正方法に基づいて発汗量と電解質濃度とを補正してもよい。この場合、補正部５２ａの動作は、第３の実施例の補正部５２と同様の動作となる。補正部５２と違う点は、補正部５２ａは、電極１４と１６間に流れる電流のピークの周期の代わりに、ＰＤ１９の光電流の下向きのピークの周期Ｔを用いて評価関数ｆ（Ｑ’）を算出することである。
また、第４の補正方法に基づいて発汗量と電解質濃度とを補正してもよい。この場合、補正部５２ａの動作は、第４の実施例の補正部５２と同様の動作となる。補正部５２と違う点は、補正部５２ａは、電極１４と１６間に流れる電流のピークの周期の代わりに、ＰＤ１９の光電流の下向きのピークの周期Ｔを用いて電解質濃度ＣNΔtを算出することである。
また、第５の補正方法に基づいて発汗量と電解質濃度とを補正してもよい。この場合、補正部５２ａの動作は、第５の実施例の補正部５２と同様の動作となる。補正部５２と違う点は、補正部５２ａは、電極１４と１６間に流れる電流のピークの周期の代わりに、ＰＤ１９の光電流の下向きのピークの周期Ｔを用いて電解質濃度Ｃ(Nmax-1)Δtと動的接触角θ(Nmax-1)Δtとを算出することである。
第１～第６の実施例で説明したデータ記録部３と記憶部４とＭＣＵ部５，５ａと通信部６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１２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（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、データ記録部３のＡＤＣ等のハードウェアと、通信部６のハードウェア等が接続される。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第１～第６の実施例で説明した処理を実行する。
本発明は、人の発汗量と汗中電解質濃度を分析する技術に適用することができる。
１，１ａ…ウェアラブルセンサ、２…ＡＦＥ部、３…データ記録部、４…記憶部、５，５ａ…ＭＣＵ部、６…通信部、７…電源部、１０…基材、１１…貫通孔、１２，１３…凹部、１４，１６…電極、１５…吸水構造体、１７…撥水部、１８…レーザーダイオード、１９…フォトダイオード、５０，５０ａ…発汗量算出部、５１，５１ａ…電解質濃度算出部、５２，５２ａ…補正部。

Claims (8)

  1. 着用者の皮膚から分泌される汗の発汗量と電解質濃度とに由来する電気信号を出力するように構成されたウェアラブルセンサと、
    前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出するように構成された発汗量算出部と、
    前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の汗中の電解質濃度測定値を算出するように構成された電解質濃度算出部と、
    前記発汗量測定値と前記電解質濃度測定値と汗の蒸発に関係する既知の物理量とに基づいて、蒸発による汗の減量の影響を補正した発汗量の真値と電解質濃度の真値とを算出するように構成された補正部とを備えることを特徴とする発汗分析装置。
  2. 請求項１記載の発汗分析装置において、
    前記補正部は、汗の蒸発に関係する既知の物理量に基づいて蒸発による汗の減量分を算出し、前記発汗量測定値に前記汗の減量分を加えた値を前記発汗量の真値として算出し、前記発汗量の真値と前記発汗量測定値と前記電解質濃度測定値とに基づいて前記電解質濃度の真値を算出することを特徴とする発汗分析装置。
  3. 請求項１記載の発汗分析装置において、
    前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、
    前記発汗量算出部は、前記電流のピークの周期に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出し、
    前記補正部は、汗の蒸発に関係する既知の物理量と前記発汗量測定値と前記電流のピークの周期とに基づいて、前記液滴の動的接触角の時間微分の式と前記電流のピーク間の期間における蒸発による汗の減量分の積分の式とを解くことにより、前記発汗量の真値を算出し、前記発汗量の真値と前記発汗量測定値と前記電解質濃度測定値とに基づいて前記電解質濃度の真値を算出することを特徴とする発汗分析装置。
  4. 請求項１記載の発汗分析装置において、
    前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、
    前記発汗量算出部は、前記電流のピークの周期に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出し、
    前記補正部は、所定の範囲内で前記発汗量の真値の推定値を複数設定し、汗の蒸発に関係する既知の物理量と前記推定値とに基づいて、前記電流のピーク間の期間における前記液滴の動的接触角を前記推定値毎に算出し、汗の蒸発に関係する既知の物理量と前記発汗量測定値と前記推定値と前記電流のピークの周期と前記動的接触角の算出結果とに基づいて、前記推定値の正しさを評価するための評価関数を前記推定値毎に算出し、最良の評価関数が得られる前記推定値を前記発汗量の真値として確定し、前記発汗量の真値と前記発汗量測定値と前記電解質濃度測定値とに基づいて前記電解質濃度の真値を算出することを特徴とする発汗分析装置。
  5. 請求項１記載の発汗分析装置において、
    前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、
    前記発汗量算出部は、前記電流のピークの周期に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出し、
    前記補正部は、汗の蒸発に関係する既知の物理量に基づいて蒸発による汗の減量分を算出し、前記発汗量測定値に前記汗の減量分を加えた値を前記発汗量の真値として算出し、所定の範囲内で前記電解質濃度の真値の推定値を複数設定し、汗の蒸発に関係する既知の物理量と前記発汗量の真値と前記推定値と前記電流のピークの周期とに基づいて、前記電解質濃度測定値に相当する理論値を前記推定値毎に算出し、前記電解質濃度測定値と前記理論値とに基づいて前記推定値の正しさを評価するための評価関数を前記推定値毎に算出し、最良の評価関数が得られる前記推定値を、前記電解質濃度の真値として確定することを特徴とする発汗分析装置。
  6. 請求項１記載の発汗分析装置において、
    前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、
    前記発汗量算出部は、前記電流のピークの周期に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出し、
    前記補正部は、所定の範囲内で前記電解質濃度の真値の推定値と前記発汗量の真値の推定値との組を複数組設定し、汗の蒸発に関係する既知の物理量と前記電解質濃度の真値の推定値と前記発汗量の真値の推定値と前記電流のピークの周期とに基づいて、前記電解質濃度測定値に相当する第１の理論値と前記液滴の静的接触角に相当する第２の理論値とを前記推定値の組毎に算出し、汗の蒸発に関係する既知の物理量と前記発汗量の真値の推定値と前記第１、第２の理論値とに基づいて、前記発汗量測定値に相当する第３の理論値を前記推定値の組毎に算出し、前記電解質濃度の測定値と前記第１の理論値と前記発汗量測定値と前記第３の理論値とに基づいて、前記推定値の組の正しさを評価するための評価関数を前記推定値の組毎に算出し、最良の評価関数が得られる前記推定値の組を、前記電解質濃度の真値と前記発汗量の真値として確定することを特徴とする発汗分析装置。
  7. 請求項１記載の発汗分析装置において、
    前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、
    前記発汗量算出部は、前記電流のピークの周期に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出し、
    前記電解質濃度算出部は、前記電流のピークの値に基づいて前記着用者の汗中の電解質濃度測定値を算出することを特徴とする発汗分析装置。
  8. 着用者の皮膚から分泌される汗の発汗量と電解質濃度とに由来する電気信号をウェアラブルセンサによって検出する第１のステップと、
    前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の発汗量測定値を算出する第２のステップと、
    前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の汗中の電解質濃度測定値を算出する第３のステップと、
    前記発汗量測定値と前記電解質濃度測定値と汗の蒸発に関係する既知の物理量とに基づいて、蒸発による汗の減量の影響を補正した発汗量の真値と電解質濃度の真値とを算出する第４のステップとを含むことを特徴とする発汗分析方法。
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