WO2021176503A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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WO2021176503A1
WO2021176503A1 PCT/JP2020/008639 JP2020008639W WO2021176503A1 WO 2021176503 A1 WO2021176503 A1 WO 2021176503A1 JP 2020008639 W JP2020008639 W JP 2020008639W WO 2021176503 A1 WO2021176503 A1 WO 2021176503A1
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WO
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sweat
recess
wearable device
flow path
base material
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PCT/JP2020/008639
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English (en)
French (fr)
Inventor
優生 橋本
石原　隆子
啓 桑原
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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Publication date
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    • 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
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    • A61B5/4261—Evaluating exocrine secretion production
    • A61B5/4266—Evaluating exocrine secretion production sweat secretion
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a wearable device, a perspiration analyzer, and a perspiration analysis method.
  • Living organisms such as the human body have tissues that perform electrical activities such as muscles and nerves, and in order to keep them 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.
  • Non-Patent Document 1 as a conventional typical technique for measuring the amount of sweating, the change in the amount of water vapor during sweating is measured.
  • the amount of perspiration is estimated based on the humidity difference from the outside air, it is necessary to replace the air in the measurement system with an air pump.
  • miniaturization of the device is indispensable even when the measurement technology for monitoring the sweating amount of the user and the electrolyte concentration in the sweat is realized by the wearable device.
  • the air pump for replacing the air in the measurement system occupies a relatively large volume, so that the entire device It can be said that there is a problem in miniaturization.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a wearable device capable of measuring a physical quantity of sweat without using an air pump for replacing air in a measurement system. And.
  • the wearable device has a first surface, a base material on which the first surface is arranged in contact with the skin of a living body, and the first surface of the base material. And the first recess formed in the base material, the first end opens in the first recess, and the second end opens in the second surface of the base material opposite to the first surface.
  • a water-absorbing structure provided on the second surface and configured to absorb sweat secreted from the skin transmitted from the first recess via the flow path, and the flow path. It is provided with a sensor configured to measure a physical quantity related to the sweat flowing through the body and output a measurement signal.
  • the perspiration analyzer calculates the physical quantity related to perspiration of the living body from the frequency of occurrence of the maximum value or the minimum value of the measurement signal output from the sensor. It is provided with a first calculation circuit configured in the above and an output unit configured to output the calculated physical quantity related to the sweating.
  • sweat secreted from the skin of a living body is allowed to flow in from a first recess formed on the first surface of a base material, and the first recess is described.
  • the first step of transporting the sweat to a flow path whose first end is open inside and whose second end is open to a second surface opposite to the first surface of the base material, and the flow path.
  • From the second step of measuring the physical quantity related to the sweat transported in the sensor and outputting the measurement signal and the measurement signal output in the second step From the second step of measuring the physical quantity related to the sweat transported in the sensor and outputting the measurement signal and the measurement signal output in the second step, the physical quantity related to the sweating of the living body and the predetermined amount contained in the sweat. It is provided with a third step of calculating at least one of the concentrations of the components of the above, and a fourth step of outputting the calculation result in the third step.
  • a first concave portion formed on the first surface of a base material having a first surface in contact with the skin of a living body and having a second surface opposite to the first surface, and a first end. Absorbs sweat secreted from the skin, which is provided in the second surface and is provided in the second surface and is transported from the first recess through the flow path. It is provided with a water-absorbing structure base material configured to be used. Therefore, the physical quantity related to sweat can be measured without using an air pump.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a wearable device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the wearable device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the wearable device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a functional configuration of a sweat analysis apparatus including the wearable device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a block diagram showing an example of a hardware configuration of a sweat analysis apparatus including the wearable device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a flowchart for explaining the operation of the sweat analysis apparatus including the wearable device according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the measurement signal obtained by the wearable device according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a state of sweat in the flow path corresponding to the measurement signal of FIG. 7.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the effect of the wearable device according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the wearable device according to the first modification of the first embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the wearable device according to the first modification of the first embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the wearable device according to the first modification of the first embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the wearable device according to the second embodiment.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the wearable device according to the second embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the measurement signal obtained by the wearable device according to the second embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining a state of sweat in the flow path corresponding to the measurement signal of FIG.
  • the wearable device 1 collects the base material 10 to be attached to the user (living body) and the sweat SW secreted from the sweat glands of the user's skin SK provided on the base material 10 in a liquid state, and collects them in a liquid state at regular volume intervals. It is provided with a mechanism for discharging the sweat SW to the outside of the flow path 12.
  • the mechanism for collecting the sweat SW and discharging it to the outside of the flow path 12 is the first recess 11 formed on the first surface 10a of the base material 10 arranged in contact with the user's skin SK.
  • a flow path 12 formed in the base material 10, the first end of which opens in the first recess 11, and the second end of which opens in the second surface 10b, and the first recess 11 provided in the second surface 10b. Includes a water-absorbing structure 14 configured to absorb sweat SW secreted from the sweat glands of the skin SK transported from the skin SK via the flow path 12.
  • FIG. 1 and 2 are cross-sectional views of a configuration in which the sensor 15 included in the wearable device 1 is omitted.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the wearable device 1 including the sensor 15.
  • the wearable device 1 includes a base material 10 to be attached to the user, a first recess 11 provided in the base material 10, a flow path 12, a second recess 13, a water absorption structure 14, and a sensor 15. ..
  • the base material 10 is arranged so that the first surface 10a is in contact with the user's skin SK.
  • the base material 10 has a second surface 10b opposite to the first surface 10a.
  • the second surface 10b is a surface formed on the base material 10 at a position away from the skin SK.
  • the base material 10 has, for example, a rectangular parallelepiped outer shape.
  • a non-conductive or conductive resin, alloy, or the like can be used, but in the present embodiment, a case where a non-conductive material is used will be described as an example.
  • the first recess 11 is formed on the first surface 10a of the base material 10.
  • the first recess 11 has a shape recessed toward the second surface 10b of the base material 10.
  • the first recess 11 includes a bottom surface (bottom surface of the recess), a peripheral surface, and an inlet 11a (recess inlet) of the first recess 11 formed at the end of the peripheral surface.
  • the inlet 11a of the first recess 11 forms an opening on the first surface 10a.
  • the inlet 11a of the first recess 11 is arranged in contact with the skin SK, and sweat SW is collected from the inlet 11a.
  • the sweat SW is continuously secreted from the sweat glands of the skin SK, the water level of the liquid sweat SW reaches the bottom surface of the first recess 11.
  • the first recess 11 has, for example, a columnar or rectangular parallelepiped space.
  • the flow path 12 is formed in the base material 10, the first end opens in the first recess 11, and the second end opens in the second recess 13, which will be described later.
  • the flow path 12 is formed in a hole shape and penetrates the base material 10 from a part of the bottom surface of the first recess 11 over the second surface 10b. As shown in FIGS. 1 to 3, the flow path 12 communicates the first recess 11 with the second recess 13, which will be described later. Further, the diameter of the flow path 12 may be smaller than the diameters of the inlets 11a and 13a of the first recess 11 and the second recess 13.
  • the shape of the diameter of the flow path 12 can be, for example, a circle or a rectangle.
  • the sweat SW secreted from the sweat glands flows from the first recess 11 into the flow path 12 due to its osmotic pressure and is transported to the second recess 13, for example, as shown in FIGS. 1 to 3.
  • the capillary phenomenon may be further utilized by making the diameter of the flow path 12 sufficiently smaller than the diameter of the first recess 11.
  • the second recess 13 is formed on the second surface 10b of the base material 10 and has a shape recessed toward the first surface 10a.
  • the second recess 13 has a bottom surface (bottom surface of the recess), a peripheral surface, and a hole-shaped inlet 13a (recessed inlet) formed at the end of the peripheral surface.
  • the second recess 13 communicates with the first recess 11 by a flow path 12. For example, as shown in FIGS. 1 to 3, the flow path 12 is connected at the central portion of the bottom surface of the second recess 13.
  • the second recess 13 has a hydrophobic surface (water repellency) at least on the bottom surface where the second end of the flow path 12 opens. Further, the second recess 13 has a volume capable of holding the volume of at least one droplet formed by the sweat SW transported in the flow path 12. As shown in FIGS. 1 to 3, for example, the second recess 13 may have a columnar or rectangular parallelepiped space.
  • the first recess 11 formed in the base material 10, the flow path 12, and the second recess 13 form a hole penetrating the base material 10.
  • the water absorption structure 14 is provided on the second surface 10b of the base material 10 and absorbs sweat SW transported from the first recess 11 via the flow path 12. More specifically, the water absorbing structure 14 is provided at the inlet 13a of the second recess 13 and absorbs the sweat SW transported from the first recess 11 to the second recess 13 via the flow path 12.
  • the water-absorbing structure 14 can be realized by fibers such as cotton and silk, a porous ceramic substrate, a hydrophilic flow path, and the like. Further, the water absorption structure 14 may have a rectangular sheet-like or plate-like shape corresponding to the shape of the second surface 10b of the base material 10.
  • the sensor 15 measures the physical quantity related to the sweat SW flowing through the flow path 12 and outputs a measurement signal.
  • the sensor 15 detects an electric signal derived from a predetermined component contained in the sweat SW flowing through the flow path 12 from the first recess 11.
  • the sensor 15 outputs a measurement signal including an electric signal.
  • the senor 15 includes an electrode 15a (first electrode), 15b (second electrode), and an ammeter that detects energization between the electrodes 15a and 15b.
  • the sensor 15 may include a DC power supply.
  • an electromotive force can be generated by forming the electrodes 15a and 15b with materials having different standard electrode potentials.
  • the electrode 15a is arranged inside the base material 10 so as to be exposed on the bottom surface of the first recess 11 and come into contact with the sweat SW.
  • the electrode 15a may be exposed on the inner wall of the flow path 12 or the bottom surface of the second recess 13.
  • the electrode 15b is arranged on the base material 10 so as to be separated from the electrode 15a and in contact with the sweat SW flowing through the flow path 12 from the first recess 11. For example, as shown in FIG. 3, the electrode 15b is in contact with the inlet 13a of the second recess 13 so as not to come into contact with the electrode 15a and to face the second surface 10b of the base material 10 of the water absorbing structure 14. Is placed.
  • a mesh electrode is used for the electrode 15b.
  • a mesh electrode can be realized by a porous metal thin film formed on the surface of the water absorbing structure 14 by a plating technique.
  • the mesh electrode can be realized by the conductive polymer impregnated in the fibers of the water absorbing structure 14.
  • a mesh electrode in which a fiber coated with metal by vapor deposition or the like is woven into the water absorption structure 14 can also be used.
  • wiring is connected to each of the electrodes 15a and 15b arranged adjacent to the flow path 12. Further, the electrodes 15a and 15b, the ammeter and the DC power supply are connected in series.
  • the sweat SW secreted from the sweat glands of the skin SK forms droplets in the second recess 13, and when the sweat SW droplets come into contact with the electrode 15b as the amount of perspiration increases, sodium ions contained in the sweat SW and It is energized by an electrolyte such as potassium ion, and a current flows.
  • an electrolyte such as potassium ion
  • the sensor 15 measures the current signal detected by the ammeter and outputs it as a measurement signal.
  • the first recess 11 and the second recess 13 are formed in the rectangular parallelepiped base material 10, and then the flow path 12 that communicates the first recess 11 and the second recess 13 is formed. Further, a hole for inserting the electrode 15a is formed in the base material 10, and the electrode 15a is inserted. Finally, the wearable device 1 can be obtained by bonding the surface of the water absorbing structure 14 on which the electrode 15b, which is a mesh electrode, is formed to the second surface 10b of the base material 10.
  • the sweat analysis device 100 includes a wearable device 1, an acquisition unit 20, a first calculation circuit 21, a second calculation circuit 22, a storage unit 23, and an output unit 24.
  • the acquisition unit 20 acquires the measurement signal from the wearable device 1.
  • the acquisition unit 20 performs signal processing such as amplification of the acquired measurement signal, noise removal, and AD conversion.
  • the time-series data of the acquired measurement signal is stored in the storage unit 23.
  • the first calculation circuit 21 calculates the physical quantity related to the user's sweating from the frequency of occurrence of the maximum value of the measurement signal obtained by the wearable device 1. For example, the first calculation circuit 21 can calculate the amount of perspiration and the rate of perspiration. When calculating the amount of perspiration, the first calculation circuit 21 calculates a value obtained by multiplying the volume of the sweat SW droplets obtained in advance by the number of times of energization. When calculating the sweating rate, the first calculation circuit 21 calculates a value obtained by dividing the volume of the sweat SW droplets by the energization cycle.
  • the second calculation circuit 22 calculates the concentration of a predetermined component contained in the sweat SW from the measurement signal obtained by the wearable device 1. For example, the second calculation circuit 22 calculates the concentration of an electrolyte such as sodium ion among the components (water, sodium chloride, urea, lactic acid, etc.) contained in the sweat SW. For example, the second calculation circuit 22 calculates the average resistance value (conductivity) depending on the concentration of the electrolyte contained in the sweat SW from the applied voltage between the electrodes 15a and 15b and the current value at the time of energization.
  • an electrolyte such as sodium ion among the components (water, sodium chloride, urea, lactic acid, etc.
  • the storage unit 23 stores the time-series data of the measurement signal acquired from the wearable device 1 by the acquisition unit 20. Further, the storage unit 23 stores in advance the volume of the droplet formed by the sweat SW and the value of the applied voltage between the electrodes 15a and 15b.
  • the output unit 24 outputs the sweating amount, the sweating rate, and the electrolyte concentration calculated by the first calculation circuit 21 and the second calculation circuit 22.
  • the output unit 24 can display the calculation result on a display device (not shown), for example.
  • the output unit 24 may send the calculation result from the communication I / F 105 described later to an external communication terminal device (not shown).
  • the sweat analysis apparatus 100 is provided by, for example, a computer including an MCU 101, a memory 102, an AFE103, an ADC 104, and a communication I / F 105 connected via a bus, and a program for controlling these hardware resources. It can be realized.
  • an externally provided wearable device 1 is connected to the sweat analysis apparatus 100 via a bus.
  • the sweat analysis apparatus 100 includes a power supply 106, and supplies power to the entire apparatus other than the wearable device 1 shown in FIGS. 4 and 5.
  • the memory 102 stores in advance a program for the MCU (MicroControl Unit) 101 to perform various controls and calculations.
  • the MCU 101 and the memory 102 realize each function of the sweat analysis apparatus 100 including the acquisition unit 20, the first calculation circuit 21, and the second calculation circuit 22 shown in FIG.
  • the AFE (Analog Front End) 103 is a circuit that amplifies a measurement signal, which is a weak electric signal indicating an analog current value measured by the wearable device 1.
  • the ADC (Analog-to-Digital Converter) 104 is a circuit that converts an analog signal amplified by the AFE 103 into a digital signal at a predetermined sampling frequency.
  • the AFE 103 and the ADC 104 realize the acquisition unit 20 described with reference to FIG.
  • the memory 102 is realized by a non-volatile memory such as a flash memory or a volatile memory such as a DRAM.
  • the memory 102 temporarily stores the time series data of the signal output from the ADC 104.
  • the memory 102 realizes the storage unit 23 described with reference to FIG.
  • the memory 102 has a program storage area for storing a program for the sweat analysis apparatus 100 to perform the sweat analysis process. Further, for example, it may have a backup area for backing up the above-mentioned data, programs, and the like.
  • the communication I / F 105 is an interface circuit for communicating with various external electronic devices via the communication network NW.
  • the communication I / F105 for example, communication interfaces and antennas compatible with wired and wireless data communication standards such as LTE, 3G, 4G, 5G, Bluetooth (registered trademark), Bluetooth Low Energy, and Ethernet (registered trademark) are used. Be done.
  • the output unit 24 described with reference to FIG. 4 is realized by the communication I / F 105.
  • the sweat analysis apparatus 100 acquires time information from a clock built in the MCU 101 or a time server (not shown) and uses it as a sampling time.
  • the acquisition unit 20 acquires the measurement signal from the wearable device 1 (step S1).
  • the acquisition unit 20 amplifies the measurement signal (step S2). More specifically, the AFE 103 amplifies the weak current signal measured by the wearable device 1.
  • the acquisition unit 20 AD-converts the measurement signal amplified in step S2 (step S3).
  • the ADC 104 converts the analog signal amplified by the AFE 103 into a digital signal at a predetermined sampling frequency.
  • the time-series data of the measurement signal converted into the digital signal is stored in the storage unit 23 (step S4).
  • the time series data of the measurement signal will be described with reference to FIG. 7.
  • the vertical axis of FIG. 7 is the current value, and the horizontal axis is the time.
  • the time series data of the measurement signal has a waveform such as a periodic pulse current.
  • the current is applied between the electrodes 15a and 15b. Begins to flow.
  • the electrode 15b becomes only the air of the second recess 13. It will come into contact and no current will flow.
  • the first calculation circuit 21 calculates the sweating amount of the user from the frequency of occurrence of the maximum value of the measurement signal (step S5). After that, the first calculation circuit 21 calculates the sweating rate from the frequency of occurrence of the maximum value of the measurement signal (step S6).
  • the second calculation circuit 22 calculates the concentration of the component contained in the sweat SW, for example, the concentration of a specific electrolyte such as sodium ion from the measurement signal (step S7). After that, when the measurement is completed (step S8: YES), the output unit 24 outputs a calculation result including the sweating amount, the sweating rate, and the component concentration (step S9). On the other hand, if the measurement is not completed (step S8: NO), the process returns to step S1.
  • the first calculation circuit 21 may be configured to calculate either the amount of perspiration or the rate of perspiration. Further, depending on the setting, it is possible to calculate one or two values of the sweating amount, the sweating rate, and the component concentration, and the order in which these values are calculated is arbitrary.
  • the measurement signal is shown in FIG.
  • the current value measured by the wearable device 1 changes at regular time intervals according to the formation of sweat SW droplets and absorption by the water absorption structure 14. It can be confirmed from the measurement result of FIG.
  • the wearable device 1 is formed in the second recess 13 by the sweat SW transported from the first recess 11 to the second recess 13 via the flow path 12.
  • a water absorbing structure 14 that absorbs sweat SW is provided for each volume of the droplet.
  • the pair of electrodes 15a and 15b are arranged on the base material 10 so as to be in contact with the sweat SW flowing through the flow path 12 from the first recess 11, so that the wearable device 1 does not use an air pump. It is possible to electrically measure the physical quantity related to sweat. Further, from the measured physical quantity related to sweat, the physical quantity related to sweating such as the amount of sweating and the sweating rate and the components contained in sweat can be measured.
  • the wearable device 1 collects the sweat SW in a liquid state without using an air pump and discharges the sweat SW in a fixed volume from the flow path 12, so that the size of the wearable device 1 is further reduced. can. As a result, the size of the perspiration analyzer 100 can be reduced.
  • the electrodes 15a and 15b are arranged so that one electrode 15a is exposed from the bottom surface of the first recess 11 and the other electrode 15b is the second electrode 15b, as described with reference to FIG.
  • the configuration arranged between the inlet 13a of the recess 13 and the water absorbing structure 14 has been described as an example.
  • the arrangement and configuration of the electrodes 15a and 15b are not limited to the above.
  • the first recess 11 and the second recess 13 are formed of an insulating material
  • the flow path 12 is surface-processed with a conductive metal
  • the entire flow path 12 is used as electrodes 15a and 15b. Sweating can be monitored electrically.
  • the base material 10 is formed of a non-conductive material has been described as an example, but the base material 10 may be made of a conductive material.
  • the base material 10 itself functions as the electrode 15a.
  • the wearable device 1 includes the second recess 13
  • the wearable device 1A according to the first modification is different from the above-described first embodiment in that the wearable device 1A does not include the second recess 13.
  • the first recess 11 is formed on the first surface 10a of the base material 10, and penetrates the base material 10 from a part of the bottom surface of the first recess 11.
  • the flow path 12 is formed.
  • An opening 12a is formed in the second surface 10b of the base material 10 by penetrating the flow path 12.
  • the opening 12a of the flow path 12 is arranged so as to be in contact with the water absorption structure 14.
  • the senor 15 has a pair of electrodes 15a and 15b arranged inside the base material 10 as in the first embodiment.
  • the electrode 15b forming the mesh electrode is provided on the surface of the water absorbing structure 14 on the second surface 10b side of the base material 10 so as to be in contact with the opening 12a of the flow path 12.
  • the sweat SW secreted from the sweat glands of the skin SK flows into the first recess 11, flows through the flow path 12 and reaches the opening 12a as the amount of perspiration increases.
  • the sweat SW that has reached the opening 12a of the flow path 12 comes into contact with the water absorption structure 14, and the sweat SW accumulated in the flow path 12 is absorbed by the water absorption structure 14 (broken line in FIG. 11). In this way, the sweat SW corresponding to the volume of the flow path 12 is absorbed by the water absorbing structure 14 at regular intervals.
  • the sensor 15 included in the wearable device 1A measures the current value flowing between the electrodes 15a and 15b while being energized, and outputs it as a measurement signal. Further, in the sweat analysis apparatus 100 including the wearable device 1A, since the volume of the flow path 12 is known in advance by design, the first embodiment is the same as that of the first embodiment from the current signal measured by the wearable device 1A. The sweating amount, the sweating rate, and the component concentration are calculated by the calculation circuit 21 and the second calculation circuit 22.
  • the physical quantity related to sweat is electrically measured without using an air pump as in the first embodiment, and the physical quantity related to sweat is measured. Based on the physical quantity, the physical quantity related to sweating including the amount of sweating and the sweating rate and the concentration of components contained in sweat can be measured.
  • the wearable device 1A according to the modification 1 has a configuration in which the second recess 13 is omitted, the configuration of the wearable device 1A can be further miniaturized.
  • the sensor 15B optically measures the physical quantity related to sweat.
  • FIG. 13 is a diagram schematically showing a cross section of the wearable device 1B according to the present embodiment.
  • the configuration of the wearable device 1B other than the sensor 15B according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • a configuration different from that of the first embodiment will be mainly described.
  • the sensor 15B includes a light source 16 and a light receiving element 17.
  • the light source 16 is composed of, for example, a laser diode or the like.
  • the light source 16 is arranged on the base material 10 and emits light from the first recess 11 in a direction intersecting the direction in which the sweat SW is transported via the flow path 12. For example, the light source 16 emits light toward the second recess 13 in which the sweat SW is transported. As shown in FIG. 13, the light source 16 is arranged on one peripheral surface or side surface along the depth direction of the second recess 13.
  • the light receiving element 17 is composed of a photodiode or the like.
  • the light receiving element 17 is arranged on the base material 10 so as to face the light source 16.
  • the light receiving element 17 receives light emitted from the light source 16 and transmitted through, for example, the second recess 13.
  • the light receiving element 17 converts the received light into an electric signal and outputs the light.
  • the light receiving element 17 is arranged on the other peripheral surface or side surface along the depth direction of the second recess 13, for example, so as to face the light source 16. In this way, the light source 16 and the light receiving element 17 are arranged so as to sandwich the second recess 13 with each other, and the optical path from the light source 16 to the light receiving element 17 intersects the second recess 13.
  • the emitted light passes through the flow path 12 in the direction orthogonal to the direction in which the sweat SW of the flow path 12 is transported.
  • the light source 16 and the light receiving element 17 are arranged so as to sandwich the flow path 12 with each other. That is, the optical path from the light source 16 to the light receiving element 17 intersects the flow path 12.
  • a waveguide may be arranged in the optical path.
  • the wearable device 1B forms, for example, a mold of a flow path 12 in which the first recess 11, the second recess 13, and the first end open in the first recess 11 and the second end opens in the second recess 13.
  • the light source 16 and the light receiving element 17 are arranged at positions sandwiching the second recess 13 or the flow path 12. After that, a resin or the like which is a material of the base material 10 can be covered on the outside of the mold of the flow path 12 in which the sensor 15B is arranged, and finally the mold can be taken out to be a wearable device 1B.
  • FIG. 15 shows an example of a measurement signal optically measured using the wearable device 1B having the configuration shown in FIG.
  • the vertical axis of FIG. 15 shows the amount of light received by the light receiving element 17 (measurement signal), and the horizontal axis shows time.
  • FIG. 16 shows the state of the sweat SW droplets formed in the second recess 13 at each time (a), (b), and (c) of FIG.
  • the time series data of the measurement signal of FIG. 15 has a waveform such as a periodic pulse waveform.
  • a waveform such as a periodic pulse waveform.
  • the light incident from the light source 16 is in the order of the air layer, the droplet layer, and the air layer of the second recess 13. The light is received by the light receiving element 17 while the medium changes.
  • the light emitted from the light source 16 is received by the light receiving element 17 only through the air layer of the second recess 13.
  • the amount of sweating occurs over a certain period of time, as shown in FIG. 16 (c) corresponding to the time (c) in FIG. 15, droplets of sweat SW are formed again in the second recess 13, and the light source 16
  • the light from the air is received by the light receiving element 17 while the medium changes in the order of the air layer, the sweat SW droplet layer, and the air layer.
  • the amount of light received by the light receiving element 17 is reduced when the sweat SW droplets are transmitted, as compared with the case where only the air layer is transmitted.
  • the sweat analysis apparatus 100 including the wearable device 1B according to the present embodiment is realized by the same configuration as that of the first embodiment (FIGS. 4 and 5). More specifically, the sweat analysis apparatus 100 includes a wearable device 1B, an acquisition unit 20, a first calculation circuit 21, a second calculation circuit 22, a storage unit 23, and the same as the functional block shown in FIG. It includes an output unit 24.
  • the acquisition unit 20 acquires a measurement signal indicating the amount of light received by the wearable device 1B.
  • the time series data of the acquired measurement signal is stored in the storage unit 23.
  • the first calculation circuit 21 calculates the physical quantity related to sweating from the frequency of occurrence of the minimum value of the measurement signal. For example, the first calculation circuit 21 sweats by multiplying the volume of sweat SW droplets obtained in advance from the time-series data of the measurement signal by the number of droplet formations (the number of peaks in FIG. 15). Calculate the amount.
  • the first calculation circuit 21 can calculate the sweating rate per unit area by dividing the volume of the sweat SW droplets by the droplet formation cycle and the skin area covered by the sensor 15B. can.
  • the laser wavelength of the light source 16 is set as the absorption wavelength of the component of the specific sweat SW, and the amount of light received by the light receiving element 17 when the droplets of the sweat SW are generated is used to determine the specific sweat.
  • the component concentration can be calculated.
  • the output unit 24 can send the sweating amount, the sweating rate, and the component concentration calculated by the first calculation circuit 21 and the second calculation circuit 22 to, for example, an external communication terminal device (not shown).
  • the sensor 15B including the light source 16 and the light receiving element 17 is arranged so as to sandwich the flow path 12 or the second recess 13, and the flow path 12 or the second.
  • the amount of received light transmitted through the sweat SW flowing in the recess 13 is measured as a measurement signal. Therefore, the physical quantity related to perspiration can be optically measured without using an air pump, and the physical quantity related to perspiration and the component contained in sweat can be measured from the measurement signal.
  • 1 ... wearable device 10 ... base material, 10a ... first surface, 10b ... second surface, 11 ... first recess, 11a, 13a ... inlet, 12 ... flow path, 13 ... second recess, 14 ... water absorbing structure , 15 ... sensor, 15a, 15b ... electrode, 20 ... acquisition unit, 21 ... first calculation circuit, 22 ... second calculation circuit, 23 ... storage unit, 24 ... output unit, 100 ... sweat analyzer, 101 ... MCU, 102 ... Memory, 103 ... AFE, 104 ... ADC, 105 ... Communication I / F, 106 ... Power supply, SW ... Sweat, SK ... Skin.

Abstract

ウェアラブルデバイス（１）は、第１面（１０ａ）を有し、第１面（１０ａ）が生体の皮膚（ＳＫ）に接して配置される基材（１０）と、基材（１０）の第１面（１０ａ）に形成された第１凹部（１１）と、基材（１０）に形成され、第１端が第１凹部（１１）内に開口し、第２端が基材（１０）の第１面（１０ａ）と反対側の第２面（１０ｂ）に開口する流路（１２）と、第２面（１０ｂ）に設けられ、第１凹部（１１）から流路（１２）を介して輸送される皮膚（ＳＫ）から分泌された汗（ＳＷ）を吸収するように構成された吸水構造体（１４）と、流路（１２）を流れる汗（ＳＷ）に関する物理量を測定し、測定信号を出力するように構成されたセンサ（１５）と、を備える。

Description

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
　本発明は、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に関する。
　人体などの生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、人体が暑熱環境に長時間にわたって暴露されたり、過度な運動等を行うと、発汗で体内の水分が大量に失われ、電解質濃度が正常値から外れることが生じ得る。このような場合、熱中症に代表されるさまざまな諸症状が人体に生じることとなる。そのため、身体の脱水状況を把握する上では、発汗量や汗の中の電解質濃度をモニタリングすることは、有益な手法の１つといえる。
　例えば、非特許文献１では、従来の代表的な発汗量の計測技術として、発汗時の水蒸気量の変化を計測している。非特許文献１に記載の技術では、外気との湿度差に基づいて発汗量が推定されるため、エアーポンプを用いて計測系の空気を入れ替える必要がある。
　ところで、近年、ＩＣＴ産業の発展やコンピュータの小型化および軽量化により、ユーザに装着されるウェアラブルデバイスが普及しつつある。ウェアラブルデバイスは、ヘルスケアやフィットネス分野での活用が注目されている。
　例えば、ユーザの発汗量や汗の中の電解質濃度をモニタリングする測定技術をウェアラブルデバイスで実現する場合においても、デバイスの小型化は必要不可欠である。例えば、非特許文献１に記載されている発汗量の測定技術をウェアラブルデバイスで実現しようとした場合、計測系の空気を入れ替えるためのエアーポンプが比較的大きな体積を占めてしまうため、装置全体の小型化に課題があるといえる。
鶴岡　典子，河野　隆宏，松永　忠雄，永富　良一，芳賀　洋一，"小型発汗計の開発とストレス負荷及び温熱負荷時の発汗計測"，生体医工学，５４巻５号，ｐｐ．２０７－２１７，２０１６．
　本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、計測系の空気を入れ替えるためのエアーポンプを用いることなく、汗の物理量を測定することができるウェアラブルデバイスを提供することを目的とする。
　上述した課題を解決するために、本発明に係るウェアラブルデバイスは、第１面を有し、前記第１面が生体の皮膚に接して配置される基材と、前記基材の前記第１面に形成された第１凹部と、前記基材に形成され、第１端が前記第１凹部内に開口し、第２端が前記基材の前記第１面と反対側の第２面に開口する流路と、前記第２面に設けられ、前記第１凹部から前記流路を介して輸送される前記皮膚から分泌された汗を吸収するように構成された吸水構造体と、前記流路を流れる前記汗に関する物理量を測定し、測定信号を出力するように構成されたセンサとを備える。
　上述した課題を解決するために、本発明に係る発汗分析装置は、上記前記センサより出力された前記測定信号の極大値または極小値の発生の頻度より、前記生体の発汗に関する物理量を算出するように構成された第１算出回路と、算出された前記発汗に関する物理量を出力するように構成された出力部とを備える。
　上述した課題を解決するために、本発明に係る発汗分析方法は、生体の皮膚から分泌された汗を、基材の第１面に形成された第１凹部から流入させて、前記第１凹部内に第１端が開口し、かつ、第２端が前記基材の前記第１面と反対側の第２面に開口する流路に、前記汗を輸送させる第１ステップと、前記流路で輸送される前記汗に関する物理量をセンサで測定し、測定信号を出力する第２ステップと、前記第２ステップで出力された前記測定信号から、前記生体の発汗に関する物理量および前記汗に含まれる所定の成分の濃度の少なくともいずれかを算出する第３ステップと、前記第３ステップでの算出結果を出力する第４ステップとを備える。
　本発明によれば、第１面が生体の皮膚に接して配置され、第１面とは反対側の第２面を有する基材の第１面に形成された第１凹部と、第１端が第１凹部内に開口し、第２端が第２面に開口する流路と、第２面に設けられ、第１凹部から流路を介して輸送される皮膚から分泌された汗を吸収するように構成された吸水構造体基材とを備える。そのため、エアーポンプを用いることなく、汗に関する物理量を測定できる。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るウェアラブルデバイスの断面図である。 図２は、第１の実施の形態に係るウェアラブルデバイスの断面図である。 図３は、第１の実施の形態に係るウェアラブルデバイスの断面図である。 図４は、第１の実施の形態に係るウェアラブルデバイスを備えた発汗分析装置の機能構成を示すブロック図である。 図５は、第１の実施の形態に係るウェアラブルデバイスを備えた発汗分析装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 図６は、第１の実施の形態に係るウェアラブルデバイスを備えた発汗分析装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図７は、第１の実施の形態に係るウェアラブルデバイスで得られた測定信号を説明するための図である。 図８は、図７の測定信号に対応する流路内の汗の状態を説明するための図である。 図９は、第１の実施の形態に係るウェアラブルデバイスの効果を説明するための図である。 図１０は、第１の実施の形態の変形例１に係るウェアラブルデバイスの断面図である。 図１１は、第１の実施の形態の変形例１に係るウェアラブルデバイスの断面図である。 図１２は、第１の実施の形態の変形例１に係るウェアラブルデバイスの断面図である。 図１３は、第２の実施の形態に係るウェアラブルデバイスの断面図である。 図１４は、第２の実施の形態に係るウェアラブルデバイスの断面図である。 図１５は、第２の実施の形態に係るウェアラブルデバイスで得られた測定信号を説明するための図である。 図１６は、図１５の測定信号に対応する流路内の汗の状態を説明するための図である。
　以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図１６を参照して詳細に説明する。
　［発明の概要］
　まず、本発明の実施の形態に係るウェアラブルデバイス１の概要について、図１および図２を参照して説明する。
　図１および図２は、ウェアラブルデバイス１の断面を模式的に示した図である。ウェアラブルデバイス１は、ユーザ（生体）に装着される基材１０と、基材１０に設けられた、ユーザの皮膚ＳＫの汗腺から分泌された汗ＳＷを液体の状態で回収し、一定体積ごとに汗ＳＷを流路１２の外へ排出する機構とを備える。
　本実施の形態において、汗ＳＷを回収して、流路１２の外へ排出する機構は、ユーザの皮膚ＳＫに接して配置される基材１０の第１面１０ａに形成された第１凹部１１と、基材１０に形成され、第１端が第１凹部１１内に開口し、第２端が第２面１０ｂに開口する流路１２と、第２面１０ｂに設けられ、第１凹部１１から流路１２を介して輸送される皮膚ＳＫの汗腺から分泌された汗ＳＷを吸収するように構成された吸水構造体１４とを含む。
　［第１の実施の形態］
　次に、本発明の第１の実施の形態について図１から図９を参照して説明する。
　図１および図２は、ウェアラブルデバイス１が備えるセンサ１５を省略した構成の断面図である。図３は、センサ１５を備えるウェアラブルデバイス１の断面の模式図である。
　ウェアラブルデバイス１は、ユーザに装着される基材１０と、基材１０に設けられた第１凹部１１と、流路１２と、第２凹部１３と、吸水構造体１４と、センサ１５とを備える。
　基材１０は、第１面１０ａがユーザの皮膚ＳＫに接して配置される。基材１０は、第１面１０ａとは反対側の第２面１０ｂを有する。第２面１０ｂは、基材１０において、皮膚ＳＫから遠ざかる位置に形成された面である。基材１０は、例えば、直方体の外形を有する。基材１０の材料としては、非導電性あるいは導電性の樹脂、合金などを用いることができるが、本実施の形態では、非導電性の材料を用いる場合を例に挙げて説明する。
　第１凹部１１は、基材１０の第１面１０ａに形成されている。第１凹部１１は、基材１０の第２面１０ｂに向かって凹んだ形状を有する。第１凹部１１は、底面（凹部底面）と周面と、周面の端部に形成された第１凹部１１の入口１１ａ（凹部入口）とを備える。第１凹部１１の入口１１ａは、第１面１０ａに開口を形成している。
　第１凹部１１の入口１１ａは、皮膚ＳＫに接して配置され、入口１１ａから汗ＳＷが収集される。皮膚ＳＫの汗腺から継続的に汗ＳＷが分泌されると、液体の汗ＳＷの水位が第１凹部１１の底面にまで到達する。図１から図３に示すように、第１凹部１１は、例えば、円柱状や直方体の空間を有する。
　流路１２は、基材１０に形成され、第１端が第１凹部１１内に開口し、第２端が後述の第２凹部１３に開口する。流路１２は、孔状に形成され、第１凹部１１の底面の一部の領域から、第２面１０ｂにわたって基材１０を貫通する。図１から図３に示すように、流路１２は、第１凹部１１と後述の第２凹部１３とを連通する。また、流路１２の径は、第１凹部１１および第２凹部１３の入口１１ａ、１３ａの径よりも小さい径としてもよい。流路１２の径の形状は、例えば、円形、矩形などとすることができる。
　より具体的には、汗腺から分泌された汗ＳＷは、その浸透圧により第１凹部１１から流路１２内を流れ、第２凹部１３へ輸送されるが、例えば、図１から図３に示すように、流路１２の径を、第１凹部１１の径に対して十分に小さくすることで、毛細管現象をさらに利用してもよい。
　第２凹部１３は、基材１０の第２面１０ｂに形成され、第１面１０ａに向かって凹んだ形状を有する。第２凹部１３は、底面（凹部底面）と周面と、周面の端部に形成された孔状の入口１３ａ（凹部入口）とを有する。第２凹部１３は、流路１２によって、第１凹部１１と連通している。例えば、図１から図３に示すように、流路１２は、第２凹部１３の底面の中心部分で接続している。
　第２凹部１３は、少なくとも、流路１２の第２端が開口する底面は疎水性表面（撥水性）を有する。また、第２凹部１３は、流路１２で輸送された汗ＳＷが形成する液滴の少なくとも１滴分の体積を保持することができる容積を有する。図１から図３に示すように、例えば、第２凹部１３は、円柱状や直方体の空間を有していてもよい。
　このように、基材１０に形成された第１凹部１１と、流路１２と、第２凹部１３とによって、基材１０を貫通する孔が形成される。
　吸水構造体１４は、基材１０の第２面１０ｂに設けられ、第１凹部１１から流路１２を介して輸送される汗ＳＷを吸収する。より詳細には、吸水構造体１４は、第２凹部１３の入口１３ａに設けられて、第１凹部１１から流路１２を介して第２凹部１３に輸送される汗ＳＷを吸収する。吸水構造体１４は、綿や絹などの繊維、多孔質セラミック基板、親水性の流路などで実現することができる。また、吸水構造体１４は、基材１０の第２面１０ｂの形状に対応する、例えば、矩形のシート状あるいは板状の形状とすることができる。
　図１に示すように、皮膚ＳＫの汗腺から汗ＳＷが分泌されると、汗ＳＷは第１凹部１１から流路１２へ流入し、さらに汗ＳＷが流路１２の出口（第２端の開口）より第２凹部１３に流出する。すると、汗ＳＷは第２凹部１３で液滴を形成する。ユーザの発汗量の増加とともに、液滴の体積は増加し、最終的に汗ＳＷの液滴は、吸水構造体１４に接触する。
　その後、図２に示すように、汗ＳＷの液滴が吸水構造体１４に接触すると、図２の破線の位置に形成されていた汗ＳＷの液滴が吸水構造体１４に吸収される。その後、ユーザの発汗量の増加とともに、再び第２凹部１３で汗ＳＷの液滴が形成され（図１）、吸水構造体１４に液滴が接触すると、汗ＳＷの液滴は、吸水構造体１４に吸収され（図２）、ユーザの発汗量に応じてこのサイクルが繰り返される。
　センサ１５は、流路１２を流れる汗ＳＷに関する物理量を測定し、測定信号を出力する。本実施の形態では、センサ１５は、第１凹部１１から流路１２を流れる汗ＳＷに含まれる所定の成分に由来する電気信号を検出する。センサ１５は、電気信号を含む測定信号を出力する。
　より詳細には、センサ１５は、電極１５ａ（第１電極）、１５ｂ（第２電極）、および電極１５ａ、１５ｂ間での通電を検知する電流計を備える。例えば、図３に示すように、センサ１５は、直流電源を備えていてもよい。あるいは、電極１５ａ、１５ｂを標準電極電位の異なる材料で構成することで、起電力を発生させることもできる。
　電極１５ａは、例えば、図３に示すように、第１凹部１１の底面に露出して汗ＳＷと接触するように基材１０の内部に配置される。なお、電極１５ａは、流路１２の内壁あるいは第２凹部１３の底面に露出して配置されていてもよい。
　電極１５ｂは、電極１５ａと離間して、第１凹部１１から流路１２を流れる汗ＳＷと接触するように基材１０に配置される。例えば、図３に示すように、電極１５ｂは、電極１５ａと接触しないように、かつ、吸水構造体１４の基材１０の第２面１０ｂと向かい合うように、第２凹部１３の入口１３ａに接して配置される。
　電極１５ｂは、例えば、メッシュ電極が用いられる。例えば、吸水構造体１４の表面にめっき技術により形成された多孔質金属薄膜によりメッシュ電極を実現することができる。あるいは、吸水構造体１４の繊維に含侵させた導電性高分子によりメッシュ電極を実現することもできる。あるいは、繊維に金属を蒸着などによりコーティングしたものを吸水構造体１４に編み込んだメッシュ電極を用いることもできる。
　また、図３に示すように、流路１２に隣接して配置された電極１５ａ、１５ｂのそれぞれに配線が接続されている。また、電極１５ａ、１５ｂと、電流計と直流電源とは直列に接続されている。皮膚ＳＫの汗腺より分泌された汗ＳＷが、第２凹部１３で液滴を形成し、発汗量の増加に伴い、汗ＳＷの液滴が電極１５ｂに接触すると、汗ＳＷに含まれるナトリウムイオンやカリウムイオンなどの電解質により通電し、電流が流れる。汗ＳＷの液滴が吸水構造体１４に吸収されると、電極１５ｂは、空気のみと接触することになり、電流は流れなくなる。センサ１５は、電流計で検知される電流信号を測定し、測定信号として出力する。
　上述したウェアラブルデバイス１は、例えば、直方体の基材１０に第１凹部１１および第２凹部１３を形成し、その後、第１凹部１１と第２凹部１３とを連通する流路１２を形成し、さらに、電極１５ａを挿入する孔を基材１０に形成して電極１５ａを挿入する。最後に、メッシュ電極である電極１５ｂが形成された吸水構造体１４の面を基材１０の第２面１０ｂと貼り合わせることで、ウェアラブルデバイス１とすることができる。
　［発汗分析装置の機能ブロック］
　次に、上述したウェアラブルデバイス１を備える発汗分析装置１００の機能構成について、図４のブロック図を参照して説明する。
　発汗分析装置１００は、ウェアラブルデバイス１と、取得部２０と、第１算出回路２１と、第２算出回路２２と、記憶部２３と、出力部２４とを備える。
　取得部２０は、測定信号をウェアラブルデバイス１から取得する。取得部２０は、取得した測定信号の増幅、ノイズの除去、ＡＤ変換などの信号処理を行う。取得された測定信号の時系列データは、記憶部２３に蓄積される。
　第１算出回路２１は、ウェアラブルデバイス１で得られた測定信号の極大値の発生の頻度より、ユーザの発汗に関する物理量を算出する。例えば、第１算出回路２１は、発汗量や発汗速度を算出することができる。発汗量を算出する場合には、第１算出回路２１は、予め求められている汗ＳＷの液滴の体積に、通電回数を乗じた値を算出する。発汗速度を算出する場合には、第１算出回路２１は、汗ＳＷの液滴の体積を通電周期で除した値を算出する。
　第２算出回路２２は、ウェアラブルデバイス１で得られた測定信号から、汗ＳＷに含まれる所定の成分の濃度を算出する。例えば、第２算出回路２２は、汗ＳＷに含まれる成分（水、塩化ナトリウム、尿素、乳酸など）のうち、ナトリウムイオンなどの電解質の濃度を算出する。例えば、第２算出回路２２は、電極１５ａ、１５ｂ間の印加電圧と、通電時の電流値から汗ＳＷに含まれる電解質濃度に依存した平均抵抗値（導電率）を算出する。
　記憶部２３は、取得部２０によってウェアラブルデバイス１から取得された測定信号の時系列データを記憶する。また、記憶部２３には、汗ＳＷが形成する液滴の体積、および電極１５ａ、１５ｂ間の印加電圧の値が予め記憶されている。
　出力部２４は、第１算出回路２１および第２算出回路２２で算出された発汗量、発汗速度、および電解質濃度を出力する。出力部２４は、例えば、図示されない表示装置に算出結果を表示することができる。あるいは、出力部２４は、後述の通信Ｉ／Ｆ１０５より、図示されない外部の通信端末装置に算出結果を送出してもよい。
　［発汗分析装置のハードウェア構成］
　次に、上述した機能を有するウェアラブルデバイス１を備える発汗分析装置１００を実現するハードウェア構成の一例について、図５を参照して説明する。
　図５に示すように、発汗分析装置１００は、例えば、バスを介して接続されるＭＣＵ１０１、メモリ１０２、ＡＦＥ１０３、ＡＤＣ１０４、通信Ｉ／Ｆ１０５を備えるコンピュータと、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。発汗分析装置１００には、例えば、外部に設けられたウェアラブルデバイス１がバスを介して接続されている。また、発汗分析装置１００は、電源１０６を備え、図４および図５に示すウェアラブルデバイス１以外の装置全体への電源供給を行う。
　メモリ１０２には、ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）１０１が各種制御や演算を行うためのプログラムが予め格納されている。ＭＣＵ１０１とメモリ１０２とによって、図４に示した取得部２０、第１算出回路２１、第２算出回路２２を含む発汗分析装置１００の各機能が実現される。
　ＡＦＥ（Ａｎａｌｏｇ　Ｆｒｏｎｔ　Ｅｎｄ）１０３は、ウェアラブルデバイス１で測定されたアナログの電流値を示す微弱な電気信号である測定信号を増幅する回路である。
　ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１０４は、ＡＦＥ１０３で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信号に変換する回路である。ＡＦＥ１０３およびＡＤＣ１０４は、図４で説明した取得部２０を実現する。
　メモリ１０２は、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリや、ＤＲＡＭなどの揮発性メモリなどで実現される。メモリ１０２は、ＡＤＣ１０４より出力された信号の時系列データを一時的に記憶する。メモリ１０２は、図４で説明した記憶部２３を実現する。
　また、メモリ１０２は、発汗分析装置１００が発汗分析処理を行うためのプログラムを格納するプログラム格納領域を有する。さらには、例えば、上述したデータやプログラムやなどをバックアップするためのバックアップ領域などを有していてもよい。
　通信Ｉ／Ｆ１０５は、通信ネットワークＮＷを介して各種外部電子機器との通信を行うためのインターフェース回路である。
　通信Ｉ／Ｆ１０５としては、例えば、ＬＴＥ、３Ｇ、４Ｇ、５Ｇ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　Ｌｏｗ　Ｅｎｅｒｇｙ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）などの有線や無線によるデータ通信規格に対応した通信インターフェースおよびアンテナが用いられる。通信Ｉ／Ｆ１０５によって、図４で説明した出力部２４が実現される。
　なお、発汗分析装置１００は、ＭＣＵ１０１に内蔵されている時計、あるいは、図示されないタイムサーバから時刻情報を取得してサンプリング時刻として用いる。
　［発汗分析方法］
　次に、上述した構成を有するウェアラブルデバイス１を備えた発汗分析装置１００の動作について、図６のフローチャートを用いて説明する。事前にウェアラブルデバイス１がユーザに装着されて、電源１０６がＯＮとなり発汗分析装置１００が起動すると、以下の処理が実行される。
　まず、取得部２０は、ウェアラブルデバイス１から測定信号を取得する（ステップＳ１）。次に、取得部２０は、測定信号を増幅する（ステップＳ２）。より詳細には、ＡＦＥ１０３は、ウェアラブルデバイス１で測定された微弱な電流信号を増幅する。
　次に、取得部２０は、ステップＳ２で増幅された測定信号をＡＤ変換する（ステップＳ３）。具体的には、ＡＤＣ１０４が、ＡＦＥ１０３で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信号に変換する。デジタル信号に変換された測定信号の時系列データは記憶部２３に記憶される（ステップＳ４）。
　ここで、図７を参照して測定信号の時系列データについて説明する。図７の縦軸は、電流値であり、横軸は時間を示す。測定信号の時系列データは、周期的なパルス電流のような波形を有する。図７に示す時刻（ａ）では、図８の（ａ）に示すように、ウェアラブルデバイス１において、汗ＳＷの液滴が、電極１５ｂに接触した際に電極１５ａ、１５ｂ間で通電し、電流が流れ始める。その後、図７の時刻（ｂ）では、図８の（ｂ）に示すように、汗ＳＷの液滴が吸水構造体１４で吸収されると、電極１５ｂは、第２凹部１３の空気のみと接触することになり、電流は流れなくなる。
　図７の時刻（ｃ）では、図８の（ｃ）に示すように、ユーザの皮膚ＳＫの汗腺からの分泌される汗ＳＷが増加することに伴い、再び汗ＳＷの液滴が一定の時間をかけて第２凹部１３で形成され、電極１５ｂに接触すると、再び通電し、電流が流れる。
　図６のフローチャートに戻り、第１算出回路２１は、測定信号の極大値の発生の頻度より、ユーザの発汗量を算出する（ステップＳ５）。その後、第１算出回路２１は、測定信号の極大値の発生の頻度より発汗速度を算出する（ステップＳ６）。
　次に、第２算出回路２２は、測定信号から、汗ＳＷに含まれる成分濃度、例えば、ナトリウムイオンなど特定の電解質濃度を算出する（ステップＳ７）。その後、測定が終了すると（ステップＳ８：ＹＥＳ）、出力部２４は、発汗量、発汗速度、および成分濃度を含む算出結果を出力する（ステップＳ９）。一方、測定が終了していない場合には（ステップＳ８：ＮＯ）、処理は、ステップＳ１に戻される。
　なお、第１算出回路２１は、発汗量および発汗速度のいずれかを算出する構成としてもよい。また、設定により、発汗量、発汗速度、および成分濃度のうちのいずれか１つあるいは２つの値を算出する構成とすることもでき、これらの値が算出される順番は任意である。
　ここで、本実施の形態に係るウェアラブルデバイス１を用いて、汗ＳＷのモデル液（ＮａＣｌ水溶液，１５０ｍＭ）をウェアラブルデバイス１内に一定流量（２μＬ／ｍｉｎ）流した際に測定された出力電流（測定信号）を図９に示す。
　図７および図８で模式的に説明したように、ウェアラブルデバイス１で測定された電流値は、汗ＳＷの液滴の形成および吸水構造体１４での吸収に応じて一定の時間間隔で変化していることが図９の測定結果からも確認できる。
　以上説明したように、第１の実施の形態によれば、ウェアラブルデバイス１は、第１凹部１１から流路１２を介して第２凹部１３に輸送された汗ＳＷによって第２凹部１３で形成される液滴の体積ごとに汗ＳＷを吸収する吸水構造体１４を備える。ウェアラブルデバイス１は、一対の電極１５ａ、１５ｂを、第１凹部１１から流路１２を流れる汗ＳＷに接触するように互いに離間して基材１０に配置することで、エアーポンプを用いることなく、電気的に汗に関する物理量を測定することができる。また、測定された汗に関する物理量から、発汗量や発汗速度などの発汗に関する物理量や汗に含まれる成分を測定できる。
　第１の実施の形態に係るウェアラブルデバイス１は、エアーポンプを用いることなく汗ＳＷを液体の状態で回収し、一定体積ごとに流路１２から排出するので、ウェアラブルデバイス１のサイズをより小型化できる。また、その結果として、発汗分析装置１００のサイズを小型化することができる。
　なお、説明した実施の形態では、電極１５ａ、１５ｂは、図５で説明したように、一方の電極１５ａが第１凹部１１の底面から露出するように配置され、他方の電極１５ｂが、第２凹部１３の入口１３ａと、吸水構造体１４との間に配置される構成を例に挙げて説明した。しかし、電極１５ａ、１５ｂの配置や構成は上記に限定されない。例えば、第１凹部１１および第２凹部１３を絶縁性の材料で形成し、流路１２を導電性の金属で表面加工し、流路１２全体を電極１５ａ、１５ｂとすることで同様にユーザの発汗を電気的にモニタすることができる。
　また、説明した実施の形態では、基材１０が非導電性の材料で形成されている場合を例に挙げて説明したが、基材１０は、導電性材料で構成されていてもよい。導電性の基材１０を用いた場合、基材１０自体が電極１５ａとして機能する。
　［変形例１］
　次に、上述した第１の実施の形態の変形例１に係るウェアラブルデバイス１Ａについて、図１０から図１２の断面図を参照して説明する。なお、以下の説明では、上述した第１の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
　第１の実施の形態では、ウェアラブルデバイス１が第２凹部１３を備える構成について説明した。これに対し、変形例１に係るウェアラブルデバイス１Ａは、第２凹部１３を備えていない点において上述した第１の実施の形態と構成が異なる。
　図１０から図１２に示すように、ウェアラブルデバイス１Ａは、第１凹部１１が基材１０の第１面１０ａに形成され、第１凹部１１の底面の一部の領域から基材１０を貫通する流路１２が形成されている。基材１０の第２面１０ｂには、流路１２が貫通することで開口１２ａが形成されている。本変形例では、流路１２の開口１２ａが吸水構造体１４に接するように配置される。
　なお、センサ１５は、図１２に示すように、第１の実施の形態と同様に、一対の電極１５ａ、１５ｂが基材１０の内部に配置される。メッシュ電極を形成する電極１５ｂは、流路１２の開口１２ａに接するように、吸水構造体１４の基材１０の第２面１０ｂ側の面に設けられる。
　ウェアラブルデバイス１Ａにおいて、皮膚ＳＫの汗腺より分泌された汗ＳＷは、第１凹部１１に流入し、発汗量の増加に伴い、流路１２を流れて開口１２ａに到達する。流路１２の開口１２ａに到達した汗ＳＷは、吸水構造体１４に接触して、流路１２に溜まっていた汗ＳＷが吸水構造体１４に吸収される（図１１の破線）。このように、流路１２の体積分の汗ＳＷが一定の間隔で吸水構造体１４に吸収される。
　ウェアラブルデバイス１Ａが備えるセンサ１５は、電極１５ａ、１５ｂ間が通電して流れる電流値を測定し、測定信号として出力する。また、ウェアラブルデバイス１Ａを備える発汗分析装置１００は、流路１２の体積は予め設計により既知であるため、ウェアラブルデバイス１Ａで測定される電流信号から、第１の実施の形態と同様に、第１算出回路２１および第２算出回路２２によって発汗量、発汗速度、および成分濃度が算出される。
　以上説明したように、変形例１に係るウェアラブルデバイス１Ａを用いた場合にも、第１の実施の形態と同様に、エアーポンプを用いることなく、電気的に汗に関する物理量を測定し、汗に関する物理量に基づいて、発汗量や発汗速度を含む発汗に関する物理量および汗に含まれる成分濃度を測定することができる。
　また、変形例１に係るウェアラブルデバイス１Ａは、第２凹部１３を省略した構成であるため、ウェアラブルデバイス１Ａの構成をより小型化することができる。
　［第２の実施の形態］
　次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第１の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
　第１の実施の形態では、電極１５ａ、１５ｂを備えるセンサ１５によって、汗に関する物理量が電気的に測定される場合について説明した。これに対し、第２の実施の形態では、センサ１５Ｂが光学的に汗に関する物理量を測定する。
　図１３は、本実施の形態に係るウェアラブルデバイス１Ｂの断面を模式的に示した図である。なお、本実施の形態に係るウェアラブルデバイス１Ｂのセンサ１５Ｂ以外の構成については、第１の実施の形態と同様である。以下、第１の実施の形態と異なる構成を中心に説明する。
　センサ１５Ｂは、光源１６と受光素子１７とを備える。
　光源１６は、例えば、レーザダイオードなどで構成される。光源１６は、基材１０に配置され、第１凹部１１から流路１２を介して汗ＳＷが輸送される方向と交差する方向に光を出射する。例えば、光源１６は、汗ＳＷが輸送される第２凹部１３に向けて光を出射する。光源１６は、図１３に示すように、第２凹部１３の深さ方向に沿った一方の周面あるいは側面に配置される。
　受光素子１７は、フォトダイオードなどで構成される。受光素子１７は、光源１６と向かい合うように基材１０に配置される。受光素子１７は、光源１６から出射され、例えば、第２凹部１３を透過した光を受光する。受光素子１７は、受光した光を電気信号に変換して出力する。受光素子１７は、図１３に示すように、例えば、光源１６と向かい合うように、第２凹部１３の深さ方向に沿った他方の周面あるいは側面に配置される。このように、光源１６と受光素子１７とは、互いに第２凹部１３を挟んで配置され、光源１６から受光素子１７までの光路は第２凹部１３を交差する。
　なお、図１４に示す第１の実施の形態の変形例１に係るウェアラブルデバイス１Ａにおいても同様に、流路１２の汗ＳＷが輸送される方向に直交する方向に出射光が流路１２を透過するように、光源１６および受光素子１７は互いに流路１２を挟んで配置される。つまり、光源１６から受光素子１７までの光路は、流路１２を交差する。
　また、図１３および図１４に示すウェアラブルデバイス１Ｂのいずれにおいても、光路中に導波路を配置してもよい。
　ウェアラブルデバイス１Ｂは、例えば、第１凹部１１、第２凹部１３、および第１端が第１凹部１１に開口し、第２端が第２凹部１３に開口する流路１２の型を形成し、光源１６および受光素子１７を第２凹部１３あるいは流路１２を挟む位置に配置する。その後、センサ１５Ｂを配置した流路１２の型の外部に基材１０の材料となる樹脂などを覆い、最後に型を取り出してウェアラブルデバイス１Ｂとすることができる。
　ここで、図１５および図１６を参照して、ウェアラブルデバイス１Ｂで光学的に検出される測定信号について説明する。
　図１５は、図１３で示した構成を有するウェアラブルデバイス１Ｂを用いて光学的に測定された測定信号の例を示している。図１５の縦軸は受光素子１７によって受光された光の受光量（測定信号）を示しており、横軸は時間を示す。また、図１６は、図１５の各時刻（ａ）、（ｂ）、（ｃ）での第２凹部１３に形成される汗ＳＷの液滴の状態を示している。
　図１５の測定信号の時系列データは、周期的なパルス波形のような波形を有する。図１５に示す時刻（ａ）では、図１６の（ａ）に示すように、ウェアラブルデバイス１Ｂにおいて、第２凹部１３で汗ＳＷの液滴が形成され、光源１６からの光は、第２凹部１３を透過する際に、汗ＳＷを透過し、受光素子１７で受光される。
　発汗量の増加に応じて、汗ＳＷの液滴が吸水構造体１４と接触する際に、光源１６から入射される光が、第２凹部１３の空気層、液滴層、空気層の順に、媒質が変化しながら受光素子１７で受光される。
　図１５の時刻（ｂ）では、図１６の（ｂ）に示すように、光源１６から出射された光は、第２凹部１３の空気層のみを介して受光素子１７で受光される。その後、一定の時間にわたって発汗量が生ずると、図１５の時刻（ｃ）に対応する図１６の（ｃ）に示すように、再び汗ＳＷの液滴が第２凹部１３で形成され、光源１６からの光が空気層と汗ＳＷの液滴層、さらに空気層の順に媒質が変化しながら受光素子１７で受光される。
　このように、受光素子１７で受光される光の受光量は、汗ＳＷの液滴を透過する場合には、空気層のみを透過した場合と比較して受光量（光強度）が減少する。
　また、本実施の形態に係るウェアラブルデバイス１Ｂを備える発汗分析装置１００は、第１の実施の形態と同様の構成により実現される（図４、図５）。より詳細には、発汗分析装置１００は、図４に示す機能ブロックと同様に、ウェアラブルデバイス１Ｂと、取得部２０と、第１算出回路２１と、第２算出回路２２と、記憶部２３と、出力部２４とを備える。
　取得部２０は、ウェアラブルデバイス１Ｂで得られた光の受光量を示す測定信号を取得する。取得された測定信号の時系列データは記憶部２３に記憶される。
　第１算出回路２１は、測定信号の極小値の発生の頻度より発汗に関する物理量を算出する。例えば、第１算出回路２１は、測定信号の時系列データから、予め求められている汗ＳＷの液滴の体積に、液滴の形成回数（図１５のピークの数）を乗ずることで、発汗量を算出する。
　また、第１算出回路２１は、汗ＳＷの液滴の体積を、液滴の形成周期と、センサ１５Ｂで覆われた皮膚面積で除することで、単位面積当たりの発汗速度を算出することができる。
　第２算出回路２２は、光源１６のレーザ波長を特定の汗ＳＷの成分の吸収波長とし、汗ＳＷの液滴が生成される際の受光素子１７での光の受光量から、特定の汗の成分濃度を算出することができる。
　出力部２４は、第１算出回路２１および第２算出回路２２で算出された発汗量、発汗速度、および成分濃度を、例えば、図示されない外部の通信端末装置などに送出することができる。
　以上説明したように、第２の実施の形態によれば、光源１６と受光素子１７とを含むセンサ１５Ｂが、流路１２または第２凹部１３を挟むように配置され、流路１２または第２凹部１３内を流れる汗ＳＷを透過した光の受光量を測定信号として測定する。そのため、エアーポンプを用いることなく、光学的に発汗に関する物理量を測定し、測定信号から発汗に関する物理量や汗に含まれる成分を測定できる。
　以上、本発明の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における実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。
１…ウェアラブルデバイス、１０…基材、１０ａ…第１面、１０ｂ…第２面、１１…第１凹部、１１ａ、１３ａ…入口、１２…流路、１３…第２凹部、１４…吸水構造体、１５…センサ、１５ａ、１５ｂ…電極、２０…取得部、２１…第１算出回路、２２…第２算出回路、２３…記憶部、２４…出力部、１００…発汗分析装置、１０１…ＭＣＵ、１０２…メモリ、１０３…ＡＦＥ、１０４…ＡＤＣ、１０５…通信Ｉ／Ｆ、１０６…電源、ＳＷ…汗、ＳＫ…皮膚。

Claims (8)

  1. 　第１面を有し、前記第１面が生体の皮膚に接して配置される基材と、
    　前記基材の前記第１面に形成された第１凹部と、
    　前記基材に形成され、第１端が前記第１凹部内に開口し、第２端が前記基材の前記第１面と反対側の第２面に開口する流路と、
    　前記第２面に設けられ、前記第１凹部から前記流路を介して輸送される前記皮膚から分泌された汗を吸収するように構成された吸水構造体と、
    　前記流路を流れる前記汗に関する物理量を測定し、測定信号を出力するように構成されたセンサと
    　を備えるウェアラブルデバイス。
  2. 　請求項１に記載のウェアラブルデバイスにおいて、
    　前記基材の前記第２面に形成された第２凹部をさらに備え、
    　前記流路の前記第２端は、前記第２凹部に開口し、
    　前記吸水構造体は、前記第２凹部の凹部入口に設けられて、前記第１凹部から前記流路を介して前記第２凹部に輸送される前記汗を吸収する
    　ことを特徴とするウェアラブルデバイス。
  3. 　請求項２に記載のウェアラブルデバイスにおいて、
    　前記第２凹部が備える少なくとも凹部底面は、疎水性表面を有する
    　ことを特徴とするウェアラブルデバイス。
  4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載のウェアラブルデバイスにおいて、
    　前記センサは、
    　前記第１凹部から前記流路を介して輸送される前記汗と接触するように前記基材に配置された第１電極と、
    　前記第１電極と離間して、前記第１凹部から前記流路を介して輸送される前記汗と接触するように前記基材に配置された第２電極と
    　を備え、
    　前記センサは、前記第１電極と前記第２電極とを用いて、前記第１凹部から前記流路を介して輸送される前記汗に含まれる所定の成分に由来する電気信号を検出し、前記電気信号を含む前記測定信号を出力するように構成されている
    　ことを特徴とするウェアラブルデバイス。
  5. 　請求項１から３のいずれか１項に記載のウェアラブルデバイスにおいて、
    　前記センサは、
    　前記基材に配置され、前記第１凹部から前記流路を介して前記汗が輸送される方向と交差する方向に光を出射するように構成された光源と、
    　前記光源と向かい合うように前記基材に配置され、前記光源から出射された前記光を受光して、受光した前記光を電気信号に変換するように構成された受光素子と
    　を有し、
    　前記センサは、前記受光素子で受光された前記光を示す前記電気信号を含む前記測定信号を出力するように構成されている
    　ことを特徴とするウェアラブルデバイス。
  6. 　請求項１から５のいずれか１項に記載のウェアラブルデバイスと、
    　前記センサより出力された前記測定信号の極大値または極小値の発生の頻度より、前記生体の発汗に関する物理量を算出するように構成された第１算出回路と、
    　算出された前記発汗に関する物理量を出力するように構成された出力部と
    　を備える発汗分析装置。
  7. 　請求項６に記載の発汗分析装置において、
    　前記センサより出力された前記測定信号から、前記汗に含まれる所定の成分の濃度を算出するように構成された第２算出回路をさらに備え、
    　前記出力部は、前記第２算出回路で算出された前記濃度を出力するように構成されている
    　ことを特徴とする発汗分析装置。
  8. 　生体の皮膚から分泌された汗を、基材の第１面に形成された第１凹部から流入させて、前記第１凹部内に第１端が開口し、かつ、第２端が前記基材の前記第１面と反対側の第２面に開口する流路に、前記汗を輸送させる第１ステップと、
    　前記流路で輸送される前記汗に関する物理量をセンサで測定し、測定信号を出力する第２ステップと、
    　前記第２ステップで出力された前記測定信号から、前記生体の発汗に関する物理量および前記汗に含まれる所定の成分の濃度の少なくともいずれかを算出する第３ステップと、
    　前記第３ステップでの算出結果を出力する第４ステップと
    　を備える発汗分析方法。
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