WO2020225870A1 - ウェアラブルセンサおよび発汗分析装置 - Google Patents

ウェアラブルセンサおよび発汗分析装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2020225870A1
WO2020225870A1 PCT/JP2019/018364 JP2019018364W WO2020225870A1 WO 2020225870 A1 WO2020225870 A1 WO 2020225870A1 JP 2019018364 W JP2019018364 W JP 2019018364W WO 2020225870 A1 WO2020225870 A1 WO 2020225870A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sweat
component
hole
sensor element
concentration
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/018364
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
優生 橋本
啓 桑原
Original Assignee
日本電信電話株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電信電話株式会社 filed Critical 日本電信電話株式会社
Priority to JP2021518246A priority Critical patent/JP7111254B2/ja
Priority to US17/598,765 priority patent/US20220196591A1/en
Priority to PCT/JP2019/018364 priority patent/WO2020225870A1/ja
Publication of WO2020225870A1 publication Critical patent/WO2020225870A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/333—Ion-selective electrodes or membranes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/14507—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue specially adapted for measuring characteristics of body fluids other than blood
    • A61B5/14517—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue specially adapted for measuring characteristics of body fluids other than blood for sweat
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0002—Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3271—Amperometric enzyme electrodes for analytes in body fluids, e.g. glucose in blood
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/14532—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue for measuring glucose, e.g. by tissue impedance measurement
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/14546—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue for measuring analytes not otherwise provided for, e.g. ions, cytochromes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1486—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using enzyme electrodes, e.g. with immobilised oxidase

Definitions

  • the present invention relates to a wearable sensor and a perspiration analyzer for analyzing components in human sweat.
  • the human body has tissues that perform electrical activities such as muscles and nerves, and in order to keep these tissues operating normally, the concentration of electrolytes in the body is kept constant mainly by the functions of the autonomic nervous system and endocrine system. There is a mechanism to keep it. For example, when a large amount of electrolytes in the body are lost due to long-term exposure to a hot environment or sweating due to excessive exercise, and the electrolyte concentration in the body deviates from the normal value, various symptoms such as heat stroke occur. It will occur.
  • Non-Patent Document 1 proposes a wearable device for monitoring the electrolyte ion concentration in sweat, and it has become clear from the measurement results by this device that the electrolyte ion concentration is useful as a biomarker for dehydration. It was.
  • the electrolyte concentration in sweat is continuously measured for a long time in the form of attaching the device to the human body, for example, when strenuous exercise is performed for a certain period of time, then a break is performed, and the exercise is performed again, that is, If you sweat for a certain period of time, then stop sweating, and then sweat again, the electrolyte ions from the previous sweating will dry, and the dried electrolyte ions will stick to the sensor element as salt, and the salt will reappear when you sweat again. There was a problem that it melted and affected the measurement.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and is a wearable sensor and a perspiration analyzer capable of reducing the influence of sweat drying on component analysis and realizing long-term analysis of components in sweat.
  • the purpose is to provide.
  • the wearable sensor of the present invention includes a base material having a through hole, a first sensor element provided in the through hole and configured to detect a signal relating to the electrical characteristics of the liquid in the through hole.
  • a portion farther from the position of the first sensor element when viewed from one opening of the through hole, and the other end of the base material opposite to the one opening are open. It is characterized by having a hydrophilic porous body arranged on the surface on the side of the surface.
  • one end of the through hole is a base when the base material is attached to the wearer's body so as to face the wearer's skin.
  • the material is opened on the side facing the wearer's skin, and the first sensor element is arranged in the through hole, and the component to be analyzed contained in the sweat flowing into the through hole from the one opening. It is characterized in that it detects an electric signal derived from it and at least the inner wall of the through hole has hydrophilicity.
  • one configuration example of the wearable sensor of the present invention is further provided with a water-repellent member provided on the surface of the base material on the side where the one end is opened.
  • the sweat analysis apparatus of the present invention comprises a wearable sensor and a component concentration calculation unit configured to calculate the concentration of the component to be analyzed from an electric signal detected by the first sensor element of the wearable sensor. It is characterized by being prepared. Further, in one configuration example of the sweat analysis apparatus of the present invention, the component concentration calculation unit determines that the acquisition of the concentration of the analysis target component is completed when the concentration value of the analysis target component becomes stable. It is characterized by. Further, in one configuration example of the sweat analysis apparatus of the present invention, the wearable sensor further includes a second sensor element for sweat detection arranged at a position adjacent to the first sensor element in the through hole.
  • the component concentration calculation unit is characterized in that when the sweat secreted from the wearer's skin is detected by the second sensor element, it is determined that the acquisition of the concentration of the component to be analyzed has been completed. Is what you do. Further, one configuration example of the sweat analysis apparatus of the present invention is further provided with a communication unit configured to transmit the value of the concentration of the analysis target component calculated by the component concentration calculation unit to the external device. Is what you do.
  • the size of the through hole, the position of the first sensor element and the porous body, and the hydrophilicity of the inner wall of the through hole allow the solution (sweat) to reach the position of the porous body by capillarity.
  • the surface tension of the solution can be adjusted.
  • the solution moves through a large number of pores of the porous body to the opening on the opposite side of the skin by capillarity, and the solution in the porous body on the surface of the base material on the opposite side of the skin. Evaporates while moving.
  • the component analysis in the wearable form it is possible to reduce the adhesion of the salt to the surface of the first sensor element, and it is possible to realize the long-term analysis of the components in the solution. ..
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a sweat analysis apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a functional block diagram of the MCU section of the sweat analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of a wearable sensor of the sweat analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating the operation of the sweat analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing how the sweat of the wearer rises in the flow path in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which the wearer's sweat rises in the flow path and reaches the position of the sensor element in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing how the sweat of the wearer ascended in the flow path and reached the position of the porous body in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing how the wearer's sweat moves to the side opposite to the skin in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a configuration example of a computer that realizes the sweat analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a sweat analysis apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the sweat analysis device includes a wearable sensor 1, an AFE (Analog Front End) unit 2, an ADC (Analog Digital Converter) unit 3, a storage unit 4, an MCU (Micro Control Unit) unit 5, and a communication unit 6. It is provided with a power supply unit 7.
  • AFE Analog Front End
  • ADC Analog Digital Converter
  • MCU Micro Control Unit
  • the wearable sensor 1 detects an electric signal derived from an analysis target component in sweat secreted from the wearer's skin.
  • the AFE unit 2 is provided with an analog front end, and is a circuit that amplifies a weak electric signal detected by the wearable sensor 1.
  • the ADC unit 3 is provided with an analog / digital converter, and is a circuit that converts an analog signal amplified by the AFE unit 2 into digital data at a predetermined sampling frequency.
  • the storage unit 4 stores the digital data output from the ADC unit 3.
  • the storage unit 4 is realized by a non-volatile memory typified by a flash memory, a volatile memory such as a DRAM (Dynamic Random Access Memory), or the like.
  • the MCU unit 5 is a circuit responsible for signal processing for calculating the concentration of the analysis target component from the digital data stored in the storage unit 4.
  • FIG. 2 is a functional block diagram of the MCU unit 5.
  • the MCU unit 5 is a circuit that functions as a component concentration calculation unit 50.
  • the communication unit 6 includes a circuit that wirelessly or wiredly transmits the analysis result obtained by the MCU unit 5 to an external device (not shown) such as a smartphone.
  • wireless communication standards include BLE (Bluetooth (registered trademark) Low Energy).
  • wired communication there is, for example, Ethernet (registered trademark).
  • the power supply unit 7 is a circuit that plays a role of supplying power to the perspiration analyzer.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the wearable sensor 1.
  • the wearable sensor 1 penetrates the base material 10 mounted on the wearer's body so as to face the wearer's skin 100 of the wearable sensor 1 and the base material 10, and one of the openings 110 faces the wearer's skin. It is derived from the pore-shaped flow path 11 (through hole) formed as described above and the component to be analyzed in the sweat that is arranged in the flow path 11 and is secreted from the wearer's skin 100 and flows into the flow path 11.
  • a sensor element 12 (first sensor element) for detecting an electric signal, a water-repellent member 13 provided on the surface of the base material 10 on the skin 100 side, and a position in the flow path 11 adjacent to the sensor element 12.
  • the arranged water detection sensor element 14 (second sensor element), the inside of the flow path 11 located farther from the skin 100 than the position of the sensor element 12, and the surface of the base material 10 on the side opposite to the skin 100 (FIG. 3). It is provided with a hydrophilic porous body 15 arranged on the upper surface of the body.
  • the base material 10 includes, for example, a hydrophilic glass material or a hydrophilic resin material. Further, the base material 10 may be a material in which the surface of the water-repellent material and the inner wall of the flow path 11 are surface-treated to impart hydrophilicity.
  • the diameter of the flow path 11 formed on the base material 10 is, for example, about several mm.
  • the water-repellent member 13 may be formed by applying a water-repellent surface treatment to the surface (lower surface of FIG. 3) of the base material 10 on the skin 100 side. ..
  • a water-repellent material is used for the base material 10
  • the surface of the base material 10 (upper surface in FIG. 3) opposite to the skin 100 and the inner wall of the flow path 11 are subjected to a hydrophilic surface treatment, and the base material 10 is subjected to a hydrophilic surface treatment.
  • the surface on the skin 100 side can be made into the water-repellent member 13.
  • the water-repellent member 13 is arranged at a position away from the opening 110, but the water-repellent member 13 may be arranged close to the opening 110.
  • Examples of the sensor element 12 include electrochemical sensors such as an ion-selective electrode, an enzyme electrode, and an ion-sensitive field-effect transistor used in Non-Patent Document 1.
  • the sensor element 12 is formed, for example, on the inner wall surface of the flow path 11.
  • a plurality of sensor elements 12 having selectivity of the target component may be provided.
  • the hydrophilic porous body 15 a porous body made of a hydrophilic material such as nylon or cellulose can be mentioned.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating the operation of the sweat analysis apparatus of this embodiment.
  • the sweat 101 is introduced into the flow path 11 due to the capillary phenomenon (FIG. 5). Further, as the amount of perspiration increases, the sweat 101 moves in the flow path 11 and reaches the position of the sensor element 12 in the flow path 11 (FIG. 6).
  • the diameter of the flow path 11, the length of the flow path 11, the positions of the sensor element 12 and the porous body 15 in the flow path 11, and the hydrophilicity (wetting property) of the inner wall of the flow path 11 are determined by the capillary phenomenon.
  • the sweat 101 may be set to reach the position of 15.
  • the sensor element 12 detects an electric signal derived from the analysis target component in the sweat 101 (step S1 in FIG. 4).
  • the AFE unit 2 amplifies a weak electric signal detected by the sensor element 12 (step S2 in FIG. 4).
  • the ADC unit 3 converts the analog signal amplified by the AFE unit 2 into digital data (step S3 in FIG. 4).
  • the digital data output from the ADC unit 3 is stored in the storage unit 4 (step S4 in FIG. 4).
  • the component concentration calculation unit 50 calculates the concentration of the component to be analyzed from the digital data stored in the storage unit 4 (step S5 in FIG. 4).
  • Examples of the component concentration in sweat 101 include, for example, lactic acid concentration, glucose concentration, sodium ion concentration, potassium ion concentration and the like.
  • Non-Patent Document 1 since the technique for calculating the component concentration is well known, detailed description thereof will be omitted.
  • the component concentration calculation unit 50 detects that the sweat 101 has reached the position of the sensor element 12 by the water detection sensor element 14 provided at a position adjacent to the sensor element 12 in the flow path 11, for example. In addition, it is determined that the acquisition of the component concentration is completed (YES in step S6 of FIG. 4). Alternatively, when the amount of change in the calculated component concentration value per unit time is equal to or less than a predetermined threshold value, the component concentration calculation unit 50 determines that the component concentration value is stable and determines that the acquisition of the component concentration is completed. You may.
  • the communication unit 6 transmits the value of the component concentration calculated by the component concentration calculation unit 50 to an external device (not shown) such as a smartphone (step S7 in FIG. 4).
  • the sweat 101 moves in the flow path 11 and reaches the position of the porous body 15 in the flow path 11 (FIG. 7).
  • the sweat 101 that has reached the porous body 15 moves through a large number of holes of the porous body 15 in the flow path 11 toward the opening 111 on the opposite side of the skin 100 due to the capillary phenomenon, and further moves to the opening 111 on the opposite side of the skin 100. It evaporates while moving in the porous body 15 on the surface of the base material 10 on the opposite side (FIG. 8).
  • the fineness of the pores of the porous body 15 and the hydrophilicity (wetting property) of the porous body 15 are set so that the sweat 101 diffuses to the region on the surface of the base material 10 opposite to the skin 100 by the capillary phenomenon. do it. In this way, the sweat 101 can be excluded from the wearable sensor 1.
  • the sweat analyzer repeatedly executes the processes of steps S1 to S7 until, for example, the wearer gives an instruction to end the measurement (YES in step S8 of FIG. 4).
  • salts derived from dried electrolyte ions may adhere to the porous body 15 on the surface of the base material 10 on the opposite side of the skin 100, but because they are located away from the skin 100 and the sensor element 12. It is unlikely that the salt adhering to the porous body 15 on the surface of the base material 10 will dissolve at the time of recurrent sweating and reach the sensor element 12.
  • the volume of the droplet of sweat 101 generated between the wearer's skin 100 and the flow path 11 and the surface area of the wearable sensor 1 in the area in contact with the droplet can be estimated in advance.
  • the sweating rate and cumulative sweating amount per unit area of the wearer can be calculated.
  • the component concentration calculation unit 50 adds the above-mentioned known volume each time the acquisition of the component concentration is completed, so that the total elapsed time from the end of the acquisition of the component concentration to the end of the acquisition of the next component concentration is totaled.
  • the cumulative sweating amount of the wearer in the above can be calculated.
  • the above-mentioned known volume is added to the elapsed time from the immediately preceding component concentration acquisition end point to the latest component concentration acquisition end time and the above-mentioned. By dividing by the surface area, the sweating rate per unit area of the wearer can be calculated.
  • the storage unit 4 and the MCU unit 5 described in this embodiment can be realized by a computer provided with a CPU (Central Processing Unit), a storage device, and an interface, and a program for controlling these hardware resources.
  • a configuration example of this computer is shown in FIG.
  • the computer includes a CPU 200, a storage device 201, and an interface device (hereinafter, abbreviated as I / F) 202.
  • the ADC unit 3, the communication unit 6, the power supply unit 7, and the like are connected to the I / F 202.
  • a program for realizing the sweat analysis method of the present invention is stored in the storage device 201.
  • the CPU 200 executes the process described in this embodiment according to the program stored in the storage device 201.
  • the present invention can be applied to a technique for analyzing components in human sweat.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)

Abstract

ウェアラブルセンサ（１）は、流路（１１）を有する基材（１０）と、流路（１１）内に設けられ、流路（１１）内の液体の電気的特性に関する信号を検出するセンサ素子（１２）と、流路（１１）の内壁のうち、流路（１１）の一方の開口からみてセンサ素子（１２）の位置よりも遠い部分、および基材の、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（１５）とを備える。

Description

ウェアラブルセンサおよび発汗分析装置
　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、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、前記貫通孔の一方の端部は、前記基材が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するように構成された成分濃度算出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、前記成分濃度算出部は、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の１構成例において、前記ウェアラブルセンサは、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のセンサ素子をさらに備え、前記成分濃度算出部は、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 (7)

  1. 　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、
    　前記貫通孔の一方の端部は、前記基材が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と、
    　前記ウェアラブルセンサの第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するように構成された成分濃度算出部とを備えることを特徴とする発汗分析装置。
  5. 　請求項４記載の発汗分析装置において、
    　前記成分濃度算出部は、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。
  6. 　請求項４記載の発汗分析装置において、
    　前記ウェアラブルセンサは、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のセンサ素子をさらに備え、
    　前記成分濃度算出部は、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。
  7. 　請求項４乃至６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。
PCT/JP2019/018364 2019-05-08 2019-05-08 ウェアラブルセンサおよび発汗分析装置 WO2020225870A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021518246A JP7111254B2 (ja) 2019-05-08 2019-05-08 発汗分析装置
US17/598,765 US20220196591A1 (en) 2019-05-08 2019-05-08 Wearable Sensor and Perspiration Analisys Device
PCT/JP2019/018364 WO2020225870A1 (ja) 2019-05-08 2019-05-08 ウェアラブルセンサおよび発汗分析装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2019/018364 WO2020225870A1 (ja) 2019-05-08 2019-05-08 ウェアラブルセンサおよび発汗分析装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020225870A1 true WO2020225870A1 (ja) 2020-11-12

Family

ID=73050693

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/018364 WO2020225870A1 (ja) 2019-05-08 2019-05-08 ウェアラブルセンサおよび発汗分析装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20220196591A1 (ja)
JP (1) JP7111254B2 (ja)
WO (1) WO2020225870A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112315464A (zh) * 2020-11-25 2021-02-05 东莞华贝电子科技有限公司 穿戴设备和电解质含量的检测方法
KR20230011166A (ko) 2021-07-13 2023-01-20 한양대학교 산학협력단 땀 센서 패치

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10221221A (ja) * 1997-02-04 1998-08-21 Nec Corp 液体採取装置
JP2015158393A (ja) * 2014-02-24 2015-09-03 拓也 新川 診断支援装置、変化情報出力方法、及びプログラム
JP2017080245A (ja) * 2015-10-30 2017-05-18 セイコーエプソン株式会社 液体採取装置および測定装置
JP3212682U (ja) * 2017-06-22 2017-09-28 味の素株式会社 体液受入れ構造体およびそれを有する体液分析装置
JP2017198577A (ja) * 2016-04-28 2017-11-02 セイコーエプソン株式会社 生体情報計測装置
WO2019031256A1 (ja) * 2017-08-08 2019-02-14 ソニー株式会社 情報処理装置、及び、情報処理装置の通気方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10221221A (ja) * 1997-02-04 1998-08-21 Nec Corp 液体採取装置
JP2015158393A (ja) * 2014-02-24 2015-09-03 拓也 新川 診断支援装置、変化情報出力方法、及びプログラム
JP2017080245A (ja) * 2015-10-30 2017-05-18 セイコーエプソン株式会社 液体採取装置および測定装置
JP2017198577A (ja) * 2016-04-28 2017-11-02 セイコーエプソン株式会社 生体情報計測装置
JP3212682U (ja) * 2017-06-22 2017-09-28 味の素株式会社 体液受入れ構造体およびそれを有する体液分析装置
WO2019031256A1 (ja) * 2017-08-08 2019-02-14 ソニー株式会社 情報処理装置、及び、情報処理装置の通気方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112315464A (zh) * 2020-11-25 2021-02-05 东莞华贝电子科技有限公司 穿戴设备和电解质含量的检测方法
KR20230011166A (ko) 2021-07-13 2023-01-20 한양대학교 산학협력단 땀 센서 패치

Also Published As

Publication number Publication date
US20220196591A1 (en) 2022-06-23
JPWO2020225870A1 (ja) 2020-11-12
JP7111254B2 (ja) 2022-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dam et al. Toward wearable patch for sweat analysis
US7383072B2 (en) Sweat sensor system and method of characterizing the compositional analysis of sweat fluid
Guinovart et al. A potentiometric tattoo sensor for monitoring ammonium in sweat
WO2021038742A1 (ja) ウェアラブルセンサ、発汗分析装置および方法
Matzeu et al. An integrated sensing and wireless communications platform for sensing sodium in sweat
WO2020225870A1 (ja) ウェアラブルセンサおよび発汗分析装置
US20180256137A1 (en) Fluid sensing devices with concentration regulation
WO2020209061A1 (ja) ウェアラブルセンサおよび発汗分析装置
EP3515295A1 (en) Accurate enzymatic sensing of sweat analytes
JP4916748B2 (ja) 分析装置および分析方法
WO2012078650A4 (en) Transdermal sampling and analysis device
EP3500160A1 (en) Biofluid sensing devices with temperature regulation
WO2020099220A1 (en) Device, system and method for estimating an analyte concentration in sweat as released by a sweat gland
WO2021038758A1 (ja) ウェアラブルセンサ、発汗分析装置および方法
US20210282671A1 (en) Humidity-based sweat rate sensing devices
US10888244B2 (en) Sweat sensing with chronological assurance
Hossain et al. A wearable and multiplexed electrochemical sensor suite for real-time sweat ionic content and pH monitoring with IoT integration
WO2023073797A1 (ja) 発汗分析装置および方法
WO2021176503A1 (ja) ウェアラブルデバイス、発汗分析装置、および発汗分析方法
JP6538554B2 (ja) 分析物の累積測定
JP7486674B2 (ja) 汗パラメータの決定
WO2023233568A1 (ja) 発汗分析装置および方法
JP7420212B2 (ja) 発汗分析装置、および発汗分析方法
KR20240026957A (ko) 대상체의 땀 내의 화학종의 검출
WO2023195068A1 (ja) 発汗分析装置および方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19927586

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021518246

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19927586

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1