WO2023073797A1 - 発汗分析装置および方法 - Google Patents

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WO2023073797A1
WO2023073797A1 PCT/JP2021/039419 JP2021039419W WO2023073797A1 WO 2023073797 A1 WO2023073797 A1 WO 2023073797A1 JP 2021039419 W JP2021039419 W JP 2021039419W WO 2023073797 A1 WO2023073797 A1 WO 2023073797A1
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WO
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perspiration
power supply
amount
calculation unit
wearable sensor
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Application number
PCT/JP2021/039419
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English (en)
French (fr)
Inventor
優生 橋本
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.)
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons

Definitions

  • the present invention relates to a perspiration analysis device and method that is worn on the human body and measures the amount of perspiration and electrolyte concentration in the wearer's sweat.
  • Heatstroke refers to a state of multiple organ failure caused by increased metabolism due to high temperature environments and intense exercise.
  • human body temperature is maintained at about 37° C. through a thermoregulatory process by the anterior hypothalamus.
  • Several mechanisms associated with perspiration serve to cool the body surface.
  • body temperature rises cutaneous vasodilation due to active sympathetic nerve activity increases blood flow in the skin, initiating thermal sweating. Cutaneous vasodilation causes a relative decrease in intravascular volume and contributes to thermal syncope. Loss of salt and water through sweat causes dehydration and salt depletion, accompanied by heat exhaustion and cramps.
  • thermoregulatory function declines, followed by the outflow of blood from the central circulation to the skin and muscles, which reduces the blood flow to the internal organs, leading to organ failure, a condition known as heat stroke.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the wearable sensor disclosed in Patent Document 1
  • FIG. 9 is an enlarged view of FIG.
  • the wearable sensor 1 includes a substrate 10 having a through hole 11 serving as a liquid flow path and a concave portion 12 communicating with an outlet side end of the through hole 11, and a base having an inlet end of the through hole 11 open.
  • an electrode 14 arranged on the surface of the material 10
  • a water absorbing structure 15 arranged on the outlet side surface of the substrate 10 so as to be in contact with the liquid flowing out from the outlet side opening of the through hole 11 into the recess 12
  • a surface of the water-absorbing structure 15 facing the base material 10 is provided with a water-absorbing electrode 16 disposed so as to face the outlet side opening of the through-hole 11 .
  • the amount of perspiration of the wearer of the wearable sensor 1 and Electrolyte concentration can be calculated.
  • the sweat droplet 102a contacts the electrode 16 current flows between the electrodes 14 and 16, and when the droplet 102a disappears, current stops flowing. As a result, the current continues to flow while the droplet 102a is present between the electrodes 14 and 16, resulting in an increase in power consumption.
  • the present invention was made to solve the above problems, and aims to provide a perspiration analysis device and method that can measure the amount of perspiration and electrolyte concentration in sweat while saving power.
  • a perspiration analyzer includes a wearable sensor configured to output an electrical signal derived from the amount of sweat secreted from the wearer's skin and an electrolyte concentration, and an electrical signal obtained by the wearable sensor. and a perspiration calculation unit configured to calculate the amount of perspiration of the wearer based on the electrical signal obtained by the wearable sensor. a power supply unit configured to supply power to the wearable sensor, the perspiration amount calculation unit, and the electrolyte concentration calculation unit; and from the power supply unit when a power supply stop condition is satisfied.
  • Power supply to the wearable sensor, the perspiration amount calculation unit, and the electrolyte concentration calculation unit is stopped, and power supply to the wearable sensor, the perspiration amount calculation unit, and the electrolyte concentration calculation unit is terminated when the power supply stop period ends.
  • a power supply control unit configured to restart supply, and a stop period calculation unit configured to calculate the power supply stop period based on the electrical signal obtained by the wearable sensor. It is something to do.
  • the electrical signal is a current that changes due to intermittent droplets generated in the wearable sensor due to perspiration of the wearer
  • the power control unit includes the It is characterized in that it is determined that the power supply stop condition is established when a predetermined time has elapsed from the time when the current started to change due to the droplet.
  • the electrical signal is a current that changes due to intermittent droplets generated in the wearable sensor due to perspiration of the wearer
  • the power control unit includes the It is characterized in that it is determined that the power supply stop condition is satisfied when the current peak occurs after power supply to the wearable sensor, the perspiration amount calculation unit, and the electrolyte concentration calculation unit is started.
  • the electric signal is a current that changes due to intermittent droplets generated in the wearable sensor due to perspiration of the wearer
  • the stop period calculation unit The time t 1 from the time when the current starts to change due to the droplet to the power supply stop time when the power supply stop condition is satisfied is the peak occurring in the current, and the known maximum perspiration of the wearer.
  • the power supply stop period t 2 is calculated so as to satisfy 0 ⁇ t 2 ⁇ t min ⁇ t 1 . be.
  • the electric signal is a current that changes due to intermittent droplets generated in the wearable sensor due to perspiration of the wearer
  • the stop period calculation unit The time from the time when the current starts to change due to the droplet to the power supply stop time when the power supply stop condition is satisfied is t 1 , the sweating amount calculated by the sweating amount calculation unit is Q, and the current is Assuming that the period corresponding to the amount of perspiration Q of the generated peak is t and the power supply interruption period is t 2 , the power supply interruption period t 2 is calculated so as to satisfy 0 ⁇ t 2 ⁇ tt 1 . It is characterized by
  • the electrical signal is a current that changes due to droplets intermittently generated in the wearable sensor due to perspiration of the wearer
  • the suspension period calculation unit t 1 is the time from the time when the current starts to change due to the droplet to the power supply stop time when the power supply stop condition is satisfied
  • Q is the sweat amount calculated by the sweat amount calculation unit
  • the wearer is the known maximum perspiration amount Qmax
  • the period of the peak occurring in the current corresponding to the maximum perspiration amount Qmax is tmin
  • the power supply stop period is t2
  • the perspiration amount Q and a predetermined value
  • the power supply stop period t 2 is calculated so as to satisfy 0 ⁇ t 2 ⁇ t min ⁇ t 1 . It is characterized by calculating the power supply stop period t2 .
  • the electrical signal is a current that changes due to intermittent droplets generated in the wearable sensor due to perspiration of the wearer
  • the perspiration amount calculation unit The amount of perspiration of the wearer is calculated based on the current peak period, and the electrolyte concentration calculation unit calculates the electrolyte concentration in sweat of the wearer based on the current peak value.
  • the perspiration analysis method of the present invention includes a first step of detecting an electrical signal derived from the amount of perspiration and electrolyte concentration of sweat secreted from the wearer's skin with a wearable sensor, and a second step of calculating an amount of perspiration of the wearer by a perspiration calculation unit based on the electrical signal; and calculating an electrolyte concentration in the sweat of the wearer based on the electrical signal obtained by the wearable sensor.
  • a third step of calculating by a unit a fourth step of stopping power supply from a power supply unit to the wearable sensor, the perspiration amount calculation unit, and the electrolyte concentration calculation unit when a power supply stop condition is satisfied; a fifth step of calculating a power supply suspension period based on the electrical signal obtained by the wearable sensor; and the wearable sensor, the perspiration calculation unit, and the electrolyte concentration calculation unit when the power supply suspension period ends. and a sixth step of resuming power supply to the.
  • the wearable sensor and the wearable sensor can be used only for the time required to calculate the amount of perspiration and the electrolyte concentration during the period in which sweat exists between the electrodes of the wearable sensor. Since power is supplied to the perspiration amount calculation unit and the electrolyte concentration calculation unit, the power consumption of the perspiration analyzer can be reduced.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of changes in the value of current flowing between electrodes, measured by a conventional wearable sensor.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the perspiration analyzer according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of the MCU section of the perspiration analyzer according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flow chart for explaining the operation of the perspiration analyzer according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the wearable sensor of the perspiration analyzer according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view in which FIG. 5 is enlarged.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view in which FIG. 5 is enlarged.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a configuration example of a computer that implements the perspiration analyzer according to the first and second embodiments of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional wearable sensor.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view in which FIG. 8 is enlarged.
  • FIG. 1 shows an example of changes in the value of current flowing between electrodes measured by the wearable sensor disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 1 shows an example of changes in the value of current flowing between electrodes measured by the wearable sensor disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 8 and 9 current continues to flow during the period when sweat droplets are present between the two electrodes, and the flow rate of sweat flowing into the sensor, that is, the amount of perspiration
  • the period of energization changes according to the amount of
  • the peak current at the time of energization changes according to the amount of electrolyte concentration.
  • the time B1 is set so that the time at which the peak current occurs is included between the time A1 and the time B1, and the sensor performs measurement only between the time A1 and the time B1.
  • the power supply is controlled so that the sensor does not perform measurement until C1).
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the perspiration analyzer according to the first embodiment of the present invention.
  • the perspiration analyzer includes a wearable sensor 1, an AFE (Analog Front End) section 2, a data recording section 3, a storage section 4, an MCU (Micro Control Unit) section 5, a communication section 6, and a power supply section 7. It has
  • the wearable sensor 1 outputs an electrical signal (for example, a waveform current shown in FIG. 1) derived from the amount of sweat secreted from the wearer's skin and the electrolyte concentration.
  • the AFE section 2 has an analog front end and amplifies weak electrical signals output from the wearable sensor 1 .
  • the data recording unit 3 includes an ADC (Analog Digital Converter), converts the analog signal amplified by the AFE unit 2 into digital data at a predetermined sampling frequency, and stores the digital data in the storage unit 4 .
  • the storage unit 4 stores digital data output from the data recording unit 3 .
  • the storage unit 4 is realized by a non-volatile memory such as 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 perspiration amount and electrolyte concentration from the digital data stored in the storage unit 4 and power control.
  • the communication unit 6 includes a circuit for wirelessly or wiredly transmitting measurement results and analysis results obtained by the MCU unit 5 to an external device (not shown) such as a smartphone.
  • Wireless communication standards include, for example, BLE (Bluetooth (registered trademark) Low Energy).
  • Wired communication standards include, for example, Ethernet (registered trademark).
  • the power supply unit 7 is a circuit that plays a role of supplying power to the perspiration analyzer.
  • wearable sensor 1 since the wearable sensor 1 in this embodiment is the same as that disclosed in Patent Document 1, the structure of the wearable sensor 1 will be briefly described with reference to FIGS. 8 and 9.
  • FIG. As described above, wearable sensor 1 includes substrate 10 , electrodes 14 and 16 , and water absorption structure 15 .
  • the base material 10 is made of, for example, a hydrophilic glass material or resin material.
  • the base material 10 may be one in which the surface of a water-repellent material and the inner surface of the through-hole 11 are subjected to a surface treatment that imparts hydrophilicity.
  • a concave portion 12 having a concave upper surface is formed on the upper surface of the base material 10 so as to communicate with the through hole 11 .
  • a concave portion 13 having a recessed shape is formed on the lower surface of the base material 10 so as to communicate with the through hole 11 .
  • the electrode 14 is made of, for example, a metal thin film formed on the surface (lower surface) of the base material 10 where the end on the entrance side of the through hole 11 opens.
  • the water absorbing structure 15 include fibers such as cotton and silk, and porous ceramic substrates.
  • the electrode 16 include a porous metal thin film formed on the surface of the water absorbing structure 15 by plating, a conductive polymer impregnated into the fibers of the water absorbing structure 15, and a woven conductive fiber. etc. can be mentioned.
  • the wearable sensor 1 is worn on the wearer's body so that the lower surface of the base material 10 faces the wearer's skin 100 as shown in FIG.
  • Reference numeral 101 in FIG. 8 denotes sweat glands of the wearer.
  • sweat 102 is introduced into the through-holes 11 from the concave portions 13 of the base material 10 by capillary action. Furthermore, due to an increase in the amount of perspiration, sweat 102 rises in through-hole 11 and reaches concave portion 12 .
  • a water-repellent portion 17 is provided on the inner surface of the concave portion 12 .
  • the water-repellent portion 17 may be formed by applying a water-repellent surface treatment to the inner surface of the concave portion 12.
  • FIG. When a water-repellent material is used for the base material 10, the water-repellent portion 17 can be provided by leaving only the inner surface of the concave portion 12 with the water-repellent material.
  • the sweat 102 When the sweat 102 reaches the concave portion 12, it becomes spherical droplets 102a as shown in FIG. Furthermore, as the amount of perspiration increases, the droplet 102a increases in diameter until it reaches the electrode 16 and the absorbent structure 15. FIG.
  • the droplets 102a that have reached the electrode 16 and the water absorbing structure 15 pass through many holes of the electrode 16 and many holes of the water absorbing structure 15 by capillary action, and evaporate while moving inside the water absorbing structure 15. As a result, the droplet 102a disappears. In this way, the formation and disappearance of the droplet 102a causes repeated energization between the electrodes 14 and 16 of the wearable sensor 1.
  • the structures of FIGS. 8 and 9 are taken as examples, but the structure is not limited to this.
  • a wearable sensor having another structure may be used as long as a current intermittently flows between the electrodes due to droplets that are intermittently generated in the wearable sensor by perspiration of the wearer.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of the MCU section 5 of this embodiment.
  • the MCU unit 5 functions as a perspiration amount calculation unit 50 , an electrolyte concentration calculation unit 51 , a stop period calculation unit 52 , and a power supply control unit 53 .
  • the perspiration amount calculation unit 50 calculates the amount of perspiration of the wearer based on the energization characteristics between the electrodes of the wearable sensor 1 .
  • the electrolyte concentration calculator 51 calculates the electrolyte concentration in the wearer's sweat based on the current-carrying characteristics between the electrodes of the wearable sensor 1 .
  • the power supply control unit 53 supplies power from the power supply unit 7 to the wearable sensor 1, the AFE unit 2, the data recording unit 3, the perspiration amount calculation unit 50, the electrolyte concentration calculation unit 51, and the communication unit 6 when the power supply stop condition is satisfied. Power supply is stopped, and power supply to wearable sensor 1, AFE unit 2, data recording unit 3, perspiration amount calculation unit 50, electrolyte concentration calculation unit 51, and communication unit 6 is resumed when the power supply stop period ends.
  • the stop period calculator 52 calculates the power supply stop period based on the current-carrying characteristics between the electrodes of the wearable sensor 1 .
  • FIG. 4 is a flow chart explaining the operation of the perspiration analyzer of this embodiment.
  • the power control unit 53 determines whether or not the power supply suspension period determined by the suspension period calculation unit 52 has ended (step S1 in FIG. 4). The details of the power supply stop period will be described later.
  • step S1 When the power control unit 53 determines that the power supply stop period has ended (YES in step S1), the power supply unit 7 communicates with the AFE unit 2, the data recording unit 3, the perspiration calculation unit 50, and the electrolyte concentration calculation unit 51.
  • the supply of power supply voltage to the unit 6 is started (step S2 in FIG. 4).
  • a voltage is applied between the electrodes 14 and 16 of the wearable sensor 1 through the AFE section 2 .
  • the process proceeds to step S2 without executing the determination of step S1.
  • the AFE section 2 detects the current flowing between the electrodes 14 and 16 of the wearable sensor 1 (step S3 in FIG. 4).
  • the data recording unit 3 converts the signal detected and amplified by the AFE unit 2 into digital data at a predetermined sampling rate (step S4 in FIG. 4), and stores the digital data in the storage unit 4 (step S5 in FIG. 4). At this time, the data recording unit 3 adds sampling time information to the digital data and stores the digital data in the storage unit 4 . In this way, the storage unit 4 stores the time-series data of the current.
  • the perspiration amount calculator 50 calculates the perspiration amount Q [L/(cm 2 ⁇ min)] of the wearer of the wearable sensor 1 (step S6 in Fig. 4). Specifically, the perspiration amount calculation unit 50 calculates the volume V [L] of the sweat droplet 102a as the period t [min] from the immediately preceding current peak to the latest current peak, By dividing by the area S [cm 2 ] of the wearer's skin 100, the amount of perspiration Q [L/(cm 2 ⁇ min)] can be calculated.
  • the electrolyte concentration calculator 51 calculates the electrical resistivity ⁇ of sweat that varies depending on the electrolyte concentration CSW in sweat of the wearer, and calculates the electrolyte concentration CSW in the sweat from this electrical resistivity ⁇ (step S7 in FIG. 4). . Specifically, the electrolyte concentration calculation unit 51 calculates the value of the known voltage applied between the electrodes 14 and 16 by the AFE unit 2 as the current peak value at the time of the latest energization indicated by the digital data stored in the storage unit 4.
  • the electrolyte concentration calculator 51 calculates the electrical resistivity ⁇ based on the resistance, the known distance between the electrodes 14 and 16 , and the cross-sectional area of sweat between the electrodes 14 and 16 .
  • the cross-sectional area of sweat a specified value may be used when the cross-sectional area of sweat between the electrodes 14 and 16 is assumed to be constant.
  • the electrolyte concentration calculator 51 calculates the electrolyte concentration CSW from the electrical resistivity ⁇ based on the known relationship between the electrical resistivity ⁇ and the electrolyte concentration CSW.
  • the communication unit 6 transmits the calculation result of the perspiration calculation unit 50 and the calculation result of the electrolyte concentration calculation unit 51 to an external device (not shown) such as a smartphone (step S8 in FIG. 4).
  • the power control unit 53 determines whether or not the power supply stop condition is satisfied (step S10 in FIG. 4).
  • the time from the time when the current starts to flow between the electrodes 14 and 16 of the wearable sensor 1 to the time when the power supply stop condition is met is defined as t1 .
  • the time from A1 to B1 and the time from A2 to B2 are t1 .
  • the length of t 1 can change from current peak to current peak. There are, for example, the following two methods for determining the power supply stop condition.
  • the first determination method assumes that the time t 3 required from the start of the current flow between the electrodes 14 and 16 to the occurrence of the current peak is known in advance.
  • the power supply control unit 53 may determine that the power supply stop condition has been satisfied when a certain period of time has passed since the latest time when the current started to flow between the electrodes 14 and 16 .
  • the fixed time at this time is t1 , which is set in advance as a value equal to or longer than time t3 .
  • the length of time t 1 can vary from current peak to current peak.
  • the power supply control unit 53 determines that the power supply stop condition is satisfied when a current peak occurs after the supply of the power supply voltage is started in the previous step S2. In this case, the time from when the current starts to flow between the electrodes 14 and 16 to when the current peak occurs is t 1 .
  • step S10 the power supply unit 7 communicates with the AFE unit 2, the data recording unit 3, the perspiration calculation unit 50, and the electrolyte concentration calculation unit 51.
  • the supply of power supply voltage to the unit 6 is stopped (step S11 in FIG. 4). Since the supply of the power supply voltage to the AFE section 2 is stopped, the voltage application between the electrodes 14 and 16 is also stopped.
  • the stop period calculator 52 calculates the time t2 from the power supply stop time to the power supply restart time (step S12 in FIG. 4).
  • the power supply stop time is B1
  • the power supply restart time is C1.
  • t 1 [sec] be the time from the latest time when the current started to flow between the electrodes 14 and 16 to the power supply stop time when the power supply stop condition is satisfied in step S10.
  • t min [sec] be the cycle of the current peak corresponding to the wearer's maximum perspiration amount Q max .
  • the suspension period calculator 52 calculates the time t 2 [sec] so as to satisfy the following formula (1). 0 ⁇ t2 ⁇ tmin - t1 (1)
  • the amount of perspiration is calculated from the volume of sweat droplets, the current peak period, and the area of the wearer's skin covered with the wearable sensor 1. Therefore, the current peak period corresponding to the maximum amount of perspiration Q max It is possible to obtain t min in advance. A known value obtained from past measurements may be used as the maximum amount of perspiration Q max .
  • the stop period calculator 52 may set t 2 to the longest period of time that satisfies the condition of formula (1).
  • the stop period calculator 52 may set t 2 to be the longest time in the range that satisfies the condition of formula (2).
  • the predetermined value .DELTA.Q (.DELTA.Q>0) is a parameter related to the rate of increase in the amount of perspiration of the wearer, and may be preset based on the results obtained in past measurements.
  • the stop period calculator 52 may set t2 to be the longest time in the range that satisfies the condition of formula (3). Further, when the sum Q+ ⁇ Q of the latest perspiration amount Q and the predetermined value ⁇ Q is equal to or greater than the maximum perspiration amount Q max (Q+ ⁇ Q ⁇ Q max ), the stop period calculation unit 52 calculates the time t so as to satisfy the above equation (1). 2 Calculate [sec].
  • the perspiration analyzer repeats the processes of steps S1 to S8 and S10 to S12 until, for example, the wearer gives an instruction to end the measurement (YES in step S9 in FIG. 4).
  • the power supply control unit 53 determines in the next step S1 that the elapsed time from the power supply stop time at which the power supply stop condition is satisfied in the immediately preceding step S10 is less than t2 calculated by the stop period calculation unit 52, , waits while the power supply is stopped.
  • the power control unit 53 determines that the power supply stop period has ended when the elapsed time from the power supply stop time is t2 or longer.
  • the wearable sensor 1, the AFE unit 2, the data recording unit 3, the sweat amount calculation unit 50, and the electrolyte concentration calculation unit are operated for the time required to calculate the amount of perspiration and the electrolyte concentration. Since the power supply voltage is supplied to 51 and the communication unit 6, it is possible to measure biometric information such as the amount of perspiration and electrolyte concentration while saving power.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the wearable sensor 1 of this embodiment
  • FIG. 6 is an enlarged view of FIG.
  • the wearable sensor 1 includes a substrate 10 having a through hole 11 serving as a liquid flow path and a recess 12 communicating with the outlet side end of the through hole 11, and the liquid flows out from the outlet side opening of the through hole 11 to the recess 12.
  • a water absorbing structure 18 arranged on the outlet side surface (upper surface) of the base material 10 so as to be in contact with the liquid that has been applied;
  • a laser diode (LD) 19 that emits light to a path in the recess 12 that passes through the position above the opening on the exit side, and a laser diode (LD) 19 that faces the LD 19 in the recess 12 across the position above the opening on the exit side of the through hole 11 .
  • PD photodiode
  • Examples of the water absorbing structure 18 include fibers such as cotton and silk, and porous ceramic substrates.
  • the water absorbing structure 18 does not need to cover the entire surface of the outlet side opening of the through hole 11 and the concave portion 12, and is arranged so as to be able to come into contact with droplets flowing out from the outlet side opening of the through hole 11 into the concave portion 12. It is good if there is.
  • the wearable sensor 1 is worn on the wearer's body so that the lower surface of the base material 10 faces the wearer's skin 100 as shown in FIG.
  • sweat 102 is introduced into the through-holes 11 from the concave portions 13 of the base material 10 by capillary action. Furthermore, due to an increase in the amount of perspiration, sweat 102 rises in through-hole 11 and reaches concave portion 12 provided on the upper surface of base material 10 so as to communicate with through-hole 11 (FIG. 6).
  • a water-repellent portion 17 is provided on the inner surface of the recess 12 as in the first embodiment.
  • the sweat 102 reaches the concave portion 12, it becomes spherical droplets 102a as shown in FIG. Further, as the amount of perspiration increases, the droplets 102a increase in diameter until they reach the absorbent structure 18 .
  • the droplets 102a reaching the water absorbing structure 18 pass through many holes of the water absorbing structure 18 due to capillary action and evaporate while moving inside the water absorbing structure 18 . As a result, the droplet 102a disappears.
  • a PD 20 as a light receiving element receives light from the LD 19 .
  • the light 103 emitted from the LD 19 propagates through each medium in the order of the air in the recess 12, the droplet 102a, and the air in the recess 12, and enters the PD 20.
  • the droplet 102 a disappears, the light 103 propagates through the air inside the recess 12 and enters the PD 20 .
  • the droplet 102a is formed again, the light 103 propagates through each medium in the order of the air in the recess 12, the droplet 102a, and the air in the recess 12, and enters the PD20. In this way, the difference in the medium through which the light 103 propagates is reflected in the amount of light received by the PD 20 . That is, the photocurrent flowing through the PD 20 changes due to the formation and disappearance of the droplet 102a.
  • the configuration of the AFE section 2, the data recording section 3, the storage section 4, the MCU section 5, the communication section 6, and the power supply section 7 of the perspiration analyzer is the same as that of the first embodiment.
  • the AFE section 2 may amplify the output signal (photocurrent) of the PD 20 .
  • the photocurrent of the PD 20 decreases, and when the droplet 102a disappears, the photocurrent of the PD 20 increases. Therefore, instead of the time when the current starts to flow between the electrodes 14 and 16 in the first embodiment, the time when the photocurrent of the PD 20 starts to change due to the droplet 102a may be used.
  • the stop period calculation unit 52 and the power supply control unit 53 determine the time when the photocurrent of the PD 20 changes from exceeding the current threshold to below the current threshold as the time when the photocurrent starts to change (first embodiment). time at which the current starts to flow).
  • the upward peak of the current between the electrodes 14 and 16 is detected to determine whether the power supply stop condition is met or not, and the power supply stop period t 2 , the amount of perspiration Q, and the electrolyte concentration CSW. is calculated.
  • the downward peak of the photocurrent of the PD 20 is detected to determine whether the power supply stop condition is met or not, and the power supply stop period t 2 , the amount of perspiration Q, and the electrolyte concentration CSW are calculated. should be done.
  • the power control unit 53 communicates with the LD 19 and PD 20 of the wearable sensor 1, the AFE unit 2, the data recording unit 3, the perspiration calculation unit 50, and the electrolyte concentration calculation unit 51 from the power supply unit 7 in step S2.
  • step S11 power supply voltage is applied from the power supply unit 7 to the LD 19, the PD 20, the AFE unit 2, the data recording unit 3, the perspiration calculation unit 50, the electrolyte concentration calculation unit 51, and the communication unit 6.
  • step S11 power supply voltage is applied from the power supply unit 7 to the LD 19, the PD 20, the AFE unit 2, the data recording unit 3, the perspiration calculation unit 50, the electrolyte concentration calculation unit 51, and the communication unit 6.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • a wearable sensor as described in Patent Document 1 and International Publication WO2021/038758 detects an electrical signal derived from the amount of perspiration and electrolyte concentration of the user, and detects the electrical signal.
  • An example of controlling the timing of stopping and restarting power supply based on time-series data of signals has been described.
  • the present invention can also be applied to the case where wearable sensors measure the user's electrocardiogram waveform, respiratory motion, pulse wave, and other periodic biological information, and calculate feature quantities such as heart rate, respiration rate, and pulse rate. It is possible.
  • the data recording unit 3, the storage unit 4, the MCU unit 5, and the communication unit 6 described in the first and second embodiments are a computer having a CPU (Central Processing Unit), a storage device, and an interface, and these hardware It can be implemented by a program that controls resources.
  • a configuration example of this computer is shown in FIG.
  • the computer comprises a CPU 200 , a storage device 201 and an interface device (I/F) 202 .
  • the I/F 202 is connected to the hardware such as the ADC of the data recording unit 3, the hardware of the communication unit 6, the power supply unit 7, and the like.
  • a program for implementing the perspiration analysis method of the present invention is stored in storage device 201 .
  • the CPU 200 executes the processes described in the first and second embodiments according to programs stored in the storage device 201 .
  • the present invention can be applied to techniques for analyzing the amount of perspiration and electrolyte concentration in sweat.

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Abstract

発汗分析装置は、着用者の皮膚から分泌される汗の発汗量と電解質濃度とに由来する電気信号を出力するウェアラブルセンサと、着用者の発汗量を算出する発汗量算出部（５０）と、着用者の汗中の電解質濃度を算出する電解質濃度算出部（５１）と、電源供給停止条件が成立したときにウェアラブルセンサと発汗量算出部（５０）と電解質濃度算出部（５１）への電源供給を停止し、電源供給停止期間が終了したときに電源供給を再開する電源制御部（５３）と、ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて電源供給停止期間を算出する停止期間算出部（５２）を備える。

Description

発汗分析装置および方法
　本発明は、人体に装着して、着用者の発汗量および汗中電解質濃度を測定する発汗分析装置および方法に関するものである。
　地球温暖化に伴い、世界のほとんどの地域で、熱波の発生件数が増加している。猛暑の頻度の増加に伴い、熱中症の罹患率も増加している。日本においても、近年の熱中症搬送者数は２０１８年をピークに高水準を維持しており、社会問題となっている。
　熱中症とは、高温環境や激しい運動による代謝の増加によって引き起こされる多臓器不全の状態を表している。一般的に、人の体温は、視床下部前葉によって体温調節のプロセスを経て、約３７℃に維持されている。発汗に関連したいくつかのメカニズム（気化、放射、対流、伝導等）は、体表面を冷却するために機能する。体温が上昇すると、活発な交感神経の働きによる皮膚血管拡張によって皮膚の血流が増加し、温熱性発汗が開始される。皮膚血管拡張は、血管内容積の相対的な減少を引き起こし、熱失神の原因となる。汗による塩分と水分の損失は、脱水と塩分枯渇を引き起こし、熱疲労と痙攣を伴う。塩分と水分がさらに失われると、体温調節機能が低下し、続いて中枢循環から皮膚や筋肉への血液の流出により内臓の血流が低下し、臓器不全に陥り、いわゆる熱中症と呼ばれる状態となる。
　上記のように、人の体内の水分と塩分は、体温調節に重要な役割を果たしている。熱疲労の原因となる脱水症状を防ぐには、適切な量の水分と塩分を補給することが重要である。汗に含まれる塩分濃度は、発汗量の増加と共に線形に増加することが多くの文献で報告されている。ただし、塩分濃度の増加率は、人の発汗能力や汗腺での塩分再吸収能力によって変化するため、個人差がある。また、個人の発汗能力、塩分再吸収能力は、暑熱順化の影響を受けて変化することも知られている。そのため、水分と塩分の損失を監視するには、発汗量と汗に含まれる塩分濃度の両方を連続的に監視することが有効と考えられる。
　この監視を実現する先行技術として、発汗量と電解質濃度を同時計測するウェアラブルセンサが提案されている（特許文献１参照）。
　図８は特許文献１に開示されたウェアラブルセンサの断面図、図９は図８の拡大図である。ウェアラブルセンサ１は、液体の流路となる貫通孔１１と貫通孔１１の出口側の端部と連通する凹部１２とを有する基材１０と、貫通孔１１の入口側の端部が開口する基材１０の面に配置された電極１４と、貫通孔１１の出口側の開口から凹部１２に流出した液体と接触するように基材１０の出口側の面に配置された吸水構造体１５と、吸水構造体１５の基材１０と向かい合う面に、貫通孔１１の出口側の開口と向かい合うように配置された吸水性の電極１６とを備えている。
　図８、図９に示したウェアラブルセンサ１を利用すれば、貫通孔１１から凹部１２に流出した汗１０２による電極１４と１６間の通電特性に基づいて、ウェアラブルセンサ１の着用者の発汗量と電解質濃度を算出することができる。
　ただし、図８、図９に示した構造では、汗の液滴１０２ａが電極１６に接触すると、電極１４と１６間が通電し、液滴１０２ａが消失すると、電流が流れなくなる。そのため、電極１４と１６間に液滴１０２ａが存在する期間、電流が流れ続けることになり、消費電力が大きくなるという課題があった。
国際公開ＷＯ２０２１／０３８７４２
　本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、発汗量と汗中電解質濃度の測定を省電力化して実施することが可能な発汗分析装置および方法を提供することを目的とする。
　本発明の発汗分析装置は、着用者の皮膚から分泌される汗の発汗量と電解質濃度とに由来する電気信号を出力するように構成されたウェアラブルセンサと、前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の発汗量を算出するように構成された発汗量算出部と、前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の汗中の電解質濃度を算出するように構成された電解質濃度算出部と、前記ウェアラブルセンサと前記発汗量算出部と前記電解質濃度算出部へ電源供給を行うように構成された電源部と、電源供給停止条件が成立したときに前記電源部から前記ウェアラブルセンサと前記発汗量算出部と前記電解質濃度算出部への電源供給を停止し、電源供給停止期間が終了したときに前記ウェアラブルセンサと前記発汗量算出部と前記電解質濃度算出部への電源供給を再開するように構成された電源制御部と、前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記電源供給停止期間を算出するように構成された停止期間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、前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、前記電源制御部は、前記液滴により前記電流に変化が現れ始めた時刻から一定時間が経過したときに前記電源供給停止条件が成立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、前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、前記電源制御部は、前記ウェアラブルセンサと前記発汗量算出部と前記電解質濃度算出部への電源供給を開始した後に前記電流のピークが発生したときに前記電源供給停止条件が成立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、前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、前記停止期間算出部は、前記液滴により前記電流に変化が現れ始めた時刻から前記電源供給停止条件が成立した電源供給停止時刻までの時間をｔ1、前記電流に生じるピークの、前記着用者の既知の最大発汗量に相当する周期をｔmin、前記電源供給停止期間をｔ2としたとき、０＜ｔ2＜ｔmin－ｔ1を満たすように前記電源供給停止期間ｔ2を算出することを特徴とするものである。
　また、本発明の発汗分析装置の１構成例において、前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、前記停止期間算出部は、前記液滴により前記電流に変化が現れ始めた時刻から前記電源供給停止条件が成立した電源供給停止時刻までの時間をｔ1、前記発汗量算出部によって算出された発汗量をＱ、前記電流に生じるピークの、前記発汗量Ｑに相当する周期をｔ、前記電源供給停止期間をｔ2としたとき、０＜ｔ2＜ｔ－ｔ1を満たすように前記電源供給停止期間ｔ2を算出することを特徴とするものである。
　また、本発明の発汗分析装置の１構成例において、前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、前記停止期間算出部は、前記液滴により前記電流に変化が現れ始めた時刻から前記電源供給停止条件が成立した電源供給停止時刻までの時間をｔ1、前記発汗量算出部によって算出された発汗量をＱ、前記着用者の既知の最大発汗量をＱmax、前記電流に生じるピークの、前記最大発汗量Ｑmaxに相当する周期をｔmin、前記電源供給停止期間をｔ2としたとき、前記発汗量Ｑと所定値ΔＱとの和Ｑ＋ΔＱが前記最大発汗量Ｑmaxより少ないときには、前記電流に生じるピークの、発汗量Ｑ＋ΔＱに相当する周期ｔ*を算出して、０＜ｔ2＜ｔ*－ｔ1を満たすように前記電源供給停止期間ｔ2を算出し、前記発汗量Ｑと所定値ΔＱとの和Ｑ＋ΔＱが前記最大発汗量Ｑmax以上のときには、０＜ｔ2＜ｔmin－ｔ1を満たすように前記電源供給停止期間ｔ2を算出することを特徴とするものである。
　また、本発明の発汗分析装置の１構成例において、前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、前記発汗量算出部は、前記電流のピークの周期に基づいて前記着用者の発汗量を算出し、前記電解質濃度算出部は、前記電流のピークの値に基づいて前記着用者の汗中の電解質濃度を算出することを特徴とするものである。
　また、本発明の発汗分析方法は、着用者の皮膚から分泌される汗の発汗量と電解質濃度とに由来する電気信号をウェアラブルセンサによって検出する第１のステップと、前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の発汗量を発汗量算出部によって算出する第２のステップと、前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の汗中の電解質濃度を電解質濃度算出部によって算出する第３のステップと、電源供給停止条件が成立したときに電源部から前記ウェアラブルセンサと前記発汗量算出部と前記電解質濃度算出部への電源供給を停止する第４のステップと、前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて電源供給停止期間を算出する第５のステップと、前記電源供給停止期間が終了したときに前記ウェアラブルセンサと前記発汗量算出部と前記電解質濃度算出部への電源供給を再開する第６のステップとを含むことを特徴とするものである。
　本発明によれば、電源制御部と停止期間算出部とを設けることにより、ウェアラブルセンサの電極間に汗が存在する期間のうち、発汗量と電解質濃度の算出に必要な時間だけ、ウェアラブルセンサと発汗量算出部と電解質濃度算出部への電源供給を行うので、発汗分析装置の消費電力を低減することができる。
図１は、従来のウェアラブルセンサで計測される、電極間に流れる電流値の変化の１例を示す図である。 図２は、本発明の第１の実施例に係る発汗分析装置の構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の第１の実施例に係る発汗分析装置のＭＣＵ部の機能ブロック図である。 図４は、本発明の第１の実施例に係る発汗分析装置の動作を説明するフローチャートである。 図５は、本発明の第２の実施例に係る発汗分析装置のウェアラブルセンサの断面図である。 図６は、図５を拡大した断面図である。 図７は、本発明の第１、第２の実施例に係る発汗分析装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。 図８は、従来のウェアラブルセンサの断面図である。 図９は、図８を拡大した断面図である。
［発明の原理］
　本発明の原理の説明のため、特許文献１に開示されたウェアラブルセンサで計測される、電極間に流れる電流値の変化の１例を図１に示す。上記で説明したとおり、図８、図９に示した構造では、２つの電極間に汗の液滴が存在する期間、電流が流れ続けることになり、センサに流入する汗の流量、つまり発汗量の多寡に応じて通電する周期が変化し、電解質濃度の多寡に応じて通電時のピーク電流が変化する。
　例えば、２つの電極間の通電が始まった時刻をＡ１，Ａ２，・・・・とする。本発明では、時刻Ａ１と時刻Ｂ１間にピーク電流が発生する時刻が含まれるように時刻Ｂ１を設定し、時刻Ａ１とＢ１間だけセンサでの計測を行い、以降はあらかじめ設定した時刻（図１中のＣ１）まで、センサでの計測を行わないように電源を制御する。以降は同様に、センサでの計測を行う期間と行わない期間を設定して電源制御を行うことで、発汗量および電解質濃度の算出に必要な時間だけセンサでの計測を行い、消費電力を低減する。
［第１の実施例］
　以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図２は本発明の第１の実施例に係る発汗分析装置の構成を示すブロック図である。発汗分析装置は、ウェアラブルセンサ１と、ＡＦＥ（Analog Front End）部２と、データ記録部３と、記憶部４と、ＭＣＵ（Micro Control Unit）部５と、通信部６と、電源部７とを備えている。
　ウェアラブルセンサ１は、着用者の皮膚から分泌される汗の発汗量と電解質濃度とに由来する電気信号（例えば図１に示した波形の電流）を出力する。
　ＡＦＥ部２は、アナログフロントエンドを備えており、ウェアラブルセンサ１から出力された微弱な電気信号を増幅する。
　データ記録部３は、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）を備えており、ＡＦＥ部２によって増幅されたアナログ信号を所定のサンプリング周波数でデジタルデータに変換して記憶部４に格納する。
　記憶部４は、データ記録部３から出力されたデジタルデータを記憶する。記憶部４は、フラッシュメモリに代表される不揮発性メモリや、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）のような揮発性メモリ等で実現される。
　ＭＣＵ部５は、記憶部４に格納されているデジタルデータから発汗量および電解質濃度を算出する信号処理と、電源制御とを担う回路である。
　通信部６は、ＭＣＵ部５によって得られた計測結果および分析結果を、スマートフォン等の外部装置（不図示）に無線または有線により送信する回路を含む。無線通信の規格としては、例えばＢＬＥ（Bluetooth（登録商標） Low Energy）などがある。また、有線通信の規格としては、例えばイーサネット（登録商標）などがある。
　電源部７は、発汗分析装置への電源供給の役割を担う回路である。
　本実施例におけるウェアラブルセンサ１は、特許文献１に開示されたものと同じなので、図８、図９を用いてウェアラブルセンサ１の構造について簡単に説明する。
　上記のとおり、ウェアラブルセンサ１は、基材１０と、電極１４，１６と、吸水構造体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樹脂材料からなるものがある。また、撥水性の材料の表面および貫通孔１１の内面に親水性を付与する表面処理が施されたものを基材１０としてもよい。基材１０の上面には、上面を窪ませた形状の凹部１２が貫通孔１１と連通するように形成されている。反対に、基材１０の下面には、下面を窪ませた形状の凹部１３が貫通孔１１と連通するように形成されている。
　電極１４は、例えば貫通孔１１の入口側の端部が開口する基材１０の面（下面）に形成された金属薄膜からなる。吸水構造体１５の例としては、綿、絹等の繊維や、多孔質セラミック基板等を挙げることができる。電極１６の例としては、吸水構造体１５の表面に例えばめっき技術によって形成した多孔質金属薄膜や、導電性高分子を吸水構造体１５の繊維に含浸させたもの、導電繊維を編みこんだもの等を挙げることができる。
　ウェアラブルセンサ１は、図８に示すように基材１０の下面が着用者の皮膚１００と向かい合うように着用者の身体に装着される。図８の１０１は着用者の汗腺である。
　着用者が発汗すると、汗１０２は、毛細管現象により基材１０の凹部１３内から貫通孔１１内に導入されていく。さらに、発汗量の増加により、汗１０２は、貫通孔１１内を上昇して、凹部１２に到達する。
　図９の拡大図で示すように、凹部１２の内面には撥水部１７が設けられている。基材１０に親水性の材料を用いる場合には、凹部１２の内面に撥水性の表面処理を施すようにして、撥水部１７を形成すればよい。基材１０に撥水性の材料を用いる場合には、凹部１２の内面のみ撥水性の材料のままとすることにより、撥水部１７を設けることができる。
　汗１０２は、凹部１２に到達すると、図９に示すように球状の液滴１０２ａとなる。さらに、発汗量が増加すると、液滴１０２ａは、その直径が増して、遂には電極１６と吸水構造体１５とに到達する。電極１６と吸水構造体１５とに到達した液滴１０２ａは、毛細管現象により電極１６の多数の孔および吸水構造体１５の多数の孔を通って、吸水構造体１５内を移動しながら蒸発する。これにより、液滴１０２ａが消失する。こうして、液滴１０２ａの形成と消失により、ウェアラブルセンサ１の電極１４と１６間の通電が繰り返し発生する。
　なお、本実施例では、ウェアラブルセンサ１の構造として、図８、図９の構造を例に挙げて説明しているが、これに限るものではない。着用者の発汗によってウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により電極間に断続的に電流が流れるものであれば、他の構造のウェアラブルセンサを用いてもよい。
　図３は本実施例のＭＣＵ部５の機能ブロック図である。ＭＣＵ部５は、発汗量算出部５０と、電解質濃度算出部５１と、停止期間算出部５２と、電源制御部５３として機能する。
　発汗量算出部５０は、ウェアラブルセンサ１の電極間の通電特性に基づいて着用者の発汗量を算出する。
　電解質濃度算出部５１は、ウェアラブルセンサ１の電極間の通電特性に基づいて着用者の汗中の電解質濃度を算出する。
　電源制御部５３は、電源供給停止条件が成立したときに電源部７からウェアラブルセンサ１とＡＦＥ部２とデータ記録部３と発汗量算出部５０と電解質濃度算出部５１と通信部６への電源供給を停止し、電源供給停止期間が終了したときにウェアラブルセンサ１とＡＦＥ部２とデータ記録部３と発汗量算出部５０と電解質濃度算出部５１と通信部６への電源供給を再開する。
　停止期間算出部５２は、ウェアラブルセンサ１の電極間の通電特性に基づいて電源供給停止期間を算出する。
　図４は本実施例の発汗分析装置の動作を説明するフローチャートである。まず、電源制御部５３は、停止期間算出部５２によって定められた電源供給停止期間が終了したかどうかを判定する（図４ステップＳ１）。電源供給停止期間の詳細については後述する。
　電源制御部５３は、電源供給停止期間が終了したと判定した場合（ステップＳ１においてＹＥＳ）、電源部７からＡＦＥ部２とデータ記録部３と発汗量算出部５０と電解質濃度算出部５１と通信部６への電源電圧供給を開始させる（図４ステップＳ２）。ウェアラブルセンサ１の電極１４と１６間には、ＡＦＥ部２を通じて電圧が印加される。
　なお、初期状態では、電源供給停止期間が設定されていないため、ステップＳ１の判定を実施せずにステップＳ２に進む。
　ＡＦＥ部２は、ウェアラブルセンサ１の電極１４と１６間に流れる電流を検出する（図４ステップＳ３）。
　データ記録部３は、ＡＦＥ部２によって検出され増幅された信号を所定のサンプリングレートでデジタルデータに変換して（図４ステップＳ４）、記憶部４に格納する（図４ステップＳ５）。このとき、データ記録部３は、デジタルデータにサンプリング時刻の情報を付加して記憶部４に格納する。こうして、記憶部４には、電流の時系列データが記憶される。
　発汗量算出部５０は、記憶部４に格納されたデジタルデータに基づいて、ウェアラブルセンサ１の着用者の発汗量Ｑ［Ｌ／（ｃｍ2・ｍｉｎ）］を算出する（図４ステップＳ６）。具体的には、発汗量算出部５０は、汗の液滴１０２ａの体積Ｖ［Ｌ］を、直前の電流ピークから最新の電流ピークまでの周期ｔ［ｍｉｎ］と、ウェアラブルセンサ１で覆われた着用者の皮膚１００の面積Ｓ［ｃｍ2］とで除することにより、発汗量Ｑ［Ｌ／（ｃｍ2・ｍｉｎ）］を算出することができる。
　特許文献１に記載されているとおり、ウェアラブルセンサ１の電極１４と１６間に生じる汗の液滴１０２ａの体積Ｖは、実際に即した値を予め求めておくことが可能である。また、ウェアラブルセンサ１で覆われた着用者の皮膚１００の面積Ｓも既知の値である。
　電解質濃度算出部５１は、着用者の汗中の電解質濃度ＣＳＷにより変化する汗の電気抵抗率ρを算出し、この電気抵抗率ρから汗中の電解質濃度ＣＳＷを算出する（図４ステップＳ７）。具体的には、電解質濃度算出部５１は、ＡＦＥ部２が電極１４と１６間に印加する既知の電圧の値を、記憶部４に格納されたデジタルデータが示す最新の通電時の電流ピーク値で除することにより、抵抗を算出する。そして、電解質濃度算出部５１は、抵抗と、電極１４と１６間の既知の距離と、電極１４と１６間の汗の断面積とに基づいて電気抵抗率ρを算出する。汗の断面積については、電極１４と１６間の汗の断面積を一定とみなしたときの規定値を使用すればよい。
　汗の電気抵抗率ρと汗中の電解質濃度ＣＳＷ（主としてＮａＣｌの濃度）との間には直線的な関係があることが知られている。電解質濃度算出部５１は、電気抵抗率ρと電解質濃度ＣＳＷとの既知の関係に基づいて、電気抵抗率ρから電解質濃度ＣＳＷを算出する。
　通信部６は、発汗量算出部５０の算出結果と電解質濃度算出部５１の算出結果と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Ｓ８）。
　次に、電源制御部５３は、電源供給停止条件が成立したかどうかを判定する（図４ステップＳ１０）。本実施例では、ウェアラブルセンサ１の電極１４と１６間に電流が流れ始めた時刻から電源供給停止条件が成立した時刻までの時間をｔ1とする。図１の例では、Ａ１からＢ１までの時間、およびＡ２からＢ２までの時間がｔ1である。ただし、ｔ1の長さは、電流ピーク毎に変わることが有り得る。電源供給停止条件の判定方法としては、例えば以下の２つの方法がある。
［第１の判定方法］
　第１の判定方法では、電極１４と１６間に電流が流れ始めてから電流ピークが発生するまでに要する時間ｔ3が予め分かっていることが前提となる。この場合、電源制御部５３は、電極１４と１６間に電流が流れ始めた最新の時刻から一定時間が経過したときに電源供給停止条件が成立したと判定すればよい。このときの一定時間がｔ1であり、時間ｔ3以上の値として予め設定されている。
［第２の判定方法］
　第２の判定方法では、時間ｔ1の長さが電流ピーク毎に変わることが有り得る。具体的には、電源制御部５３は、直前のステップＳ２で電源電圧供給を開始した後に電流ピークが発生したときに電源供給停止条件が成立したと判定する。この場合は、電極１４と１６間に電流が流れ始めた時刻から電流ピークが発生した時刻までの時間がｔ1となる。
　電源制御部５３は、電源供給停止条件が成立したと判定した場合（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、電源部７からＡＦＥ部２とデータ記録部３と発汗量算出部５０と電解質濃度算出部５１と通信部６への電源電圧供給を停止させる（図４ステップＳ１１）。ＡＦＥ部２への電源電圧供給が停止したことにより、電極１４と１６間への電圧印加も停止する。
　次に、停止期間算出部５２は、電源供給停止時刻から電源供給再開時刻までの時間ｔ2を算出する（図４ステップＳ１２）。図１の例では、例えば電源供給停止時刻がＢ１であり、電源供給再開時刻がＣ１である。時間ｔ2（電源供給停止期間）の算出方法としては、例えば以下の３つの方法がある。
［第１の算出方法］
　上記のとおり、電極１４と１６間に電流が流れ始めた最新の時刻からステップＳ１０で電源供給停止条件が成立した電源供給停止時刻までの時間をｔ1［ｓｅｃ］とする。また、電流ピークの、着用者の最大発汗量Ｑmaxに相当する周期をｔmin［ｓｅｃ］とする。停止期間算出部５２は、以下の式（１）を満たすように時間ｔ2［ｓｅｃ］を算出する。
　０＜ｔ2＜ｔmin－ｔ1　　　　　　　　　　　　　　　　 ・・・（１）
　上記のとおり、発汗量は、汗の液滴の体積と電流ピーク周期とウェアラブルセンサ１で覆われた着用者の皮膚の面積とから算出されるので、最大発汗量Ｑmaxに相当する電流ピーク周期ｔminを予め求めておくことが可能である。最大発汗量Ｑmaxとしては、過去の測定で得られた既知の値を使用すればよい。停止期間算出部５２は、式（１）の条件を満たす範囲で最も長い時間をｔ2とすればよい。
［第２の算出方法］
　ステップＳ６において発汗量算出部５０によって算出された最新の発汗量をＱ、電流ピークの、発汗量Ｑに相当する周期をｔ［ｓｅｃ］とする。電流ピーク周期ｔ［ｓｅｃ］は、ステップＳ６の発汗量Ｑの算出において使用された値である。停止期間算出部５２は、以下の式（２）を満たすように時間ｔ2［ｓｅｃ］を算出する。
　０＜ｔ2＜ｔ－ｔ1　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２）
　式（１）の場合と同様に、停止期間算出部５２は、式（２）の条件を満たす範囲で最も長い時間をｔ2とすればよい。
［第３の算出方法］
　上記のとおり、発汗量算出部５０によって算出された最新の発汗量をＱ、着用者の既知の最大発汗量をＱmaxとする。停止期間算出部５２は、最新の発汗量Ｑと所定値ΔＱとの和Ｑ＋ΔＱが最大発汗量Ｑmaxより少ないときには（Ｑ＋ΔＱ＜Ｑmax）、電流ピークの、発汗量Ｑ＋ΔＱに相当する周期ｔ*［ｓｅｃ］を算出して、以下の式（３）を満たすように時間ｔ2［ｓｅｃ］を算出する。
　０＜ｔ2＜ｔ*－ｔ1　　　　　　　　　　　　　　　　　 ・・・（３）
　所定値ΔＱ（ΔＱ＞０）は、着用者の発汗量の増加率に関係するパラメータであり、過去の測定で得られた結果から、実際に即した値を予め設定しておけばよい。式（１）の場合と同様に、停止期間算出部５２は、式（３）の条件を満たす範囲で最も長い時間をｔ2とすればよい。
　また、停止期間算出部５２は、最新の発汗量Ｑと所定値ΔＱとの和Ｑ＋ΔＱが最大発汗量Ｑmax以上のときには（Ｑ＋ΔＱ≧Ｑmax）、上記の式（１）を満たすように時間ｔ2［ｓｅｃ］を算出する。
　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Ｓ９においてＹＥＳ）、ステップＳ１～Ｓ８，Ｓ１０～Ｓ１２の処理を繰り返し実行する。
　電源制御部５３は、次のステップＳ１の判定において、直前のステップＳ１０で電源供給停止条件が成立した電源供給停止時刻からの経過時間が、停止期間算出部５２によって算出されたｔ2未満のときには、電源供給停止状態のまま待機する。電源制御部５３は、電源供給停止時刻からの経過時間がｔ2以上のときに、電源供給停止期間が終了したと判定する。
　以上、説明したように、本実施例によれば、発汗量と電解質濃度の算出に必要な時間だけ、ウェアラブルセンサ１とＡＦＥ部２とデータ記録部３と発汗量算出部５０と電解質濃度算出部５１と通信部６への電源電圧供給を行うので、発汗量と電解質濃度等の生体情報の測定をより省電力化して実施することが可能である。
［第２の実施例］
　次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例では、ウェアラブルセンサ１として国際公開ＷＯ２０２１／０３８７５８に開示されたものを用いる。
　図５は本実施例のウェアラブルセンサ１の断面図、図６は図５の拡大図である。ウェアラブルセンサ１は、液体の流路となる貫通孔１１と貫通孔１１の出口側の端部と連通する凹部１２とを有する基材１０と、貫通孔１１の出口側の開口から凹部１２に流出した液体と接触するように基材１０の出口側の面（上面）に配置された吸水構造体１８と、凹部１２内に配置され、基材１０の出口側の面に沿って貫通孔１１の出口側の開口上の位置を通る凹部１２内の経路に光を放射するレーザーダイオード（ＬＤ）１９と、凹部１２内に、貫通孔１１の出口側の開口上の位置を挟んでＬＤ１９と向かい合うように配置され、ＬＤ１９からの光を受光するフォトダイオード（ＰＤ）２０とを備えている。
　吸水構造体１８の例としては、綿、絹等の繊維や、多孔質セラミック基板等を挙げることができる。なお、吸水構造体１８は、貫通孔１１の出口側の開口と凹部１２の全面を覆う必要はなく、貫通孔１１の出口側の開口から凹部１２に流出した液滴に接触できるように配置されていればよい。
　ウェアラブルセンサ１は、図５に示すように基材１０の下面が着用者の皮膚１００と向かい合うように着用者の身体に装着される。
　着用者が発汗すると、汗１０２は、毛細管現象により基材１０の凹部１３内から貫通孔１１内に導入されていく。さらに、発汗量の増加により、汗１０２は、貫通孔１１内を上昇して、貫通孔１１と連通するように基材１０の上面に設けられた凹部１２に到達する（図６）。
　第１の実施例と同様に、凹部１２の内面には撥水部１７が設けられている。汗１０２は、凹部１２に到達すると、図６に示すように球状の液滴１０２ａとなる。さらに、発汗量が増加すると、液滴１０２ａは、その直径が増して、遂には吸水構造体１８に到達する。吸水構造体１８に到達した液滴１０２ａは、毛細管現象により吸水構造体１８の多数の孔を通って、吸水構造体１８内を移動しながら蒸発する。これにより、液滴１０２ａが消失する。
　発光素子であるＬＤ１９は、発汗量の計測時に、図５、図６に示すように基材１０の出口側の面（上面）に沿って貫通孔１１の出口側の開口上の位置を通る凹部１２内の経路に光を放射する。
　受光素子であるＰＤ２０は、ＬＤ１９からの光を受光する。
　汗１０２の液滴１０２ａが形成されると、ＬＤ１９から出射した光１０３は、凹部１２内の空気、液滴１０２ａ、凹部１２内の空気という順番で各媒質中を伝搬しＰＤ２０に入射する。液滴１０２ａが消失すると、光１０３は、凹部１２内の空気中を伝搬してＰＤ２０に入射する。液滴１０２ａが再び形成されると、光１０３は、凹部１２内の空気、液滴１０２ａ、凹部１２内の空気という順番で各媒質中を伝搬しＰＤ２０に入射する。こうして、光１０３が伝搬する媒質の違いがＰＤ２０での受光量に反映される。すなわち、液滴１０２ａの形成と消失により、ＰＤ２０を流れる光電流が変化する。
　発汗分析装置のＡＦＥ部２とデータ記録部３と記憶部４とＭＣＵ部５と通信部６と電源部７の構成は第１の実施例と同様である。
　ＡＦＥ部２は、ＰＤ２０の出力信号（光電流）を増幅すればよい。
　本実施例では、汗１０２の液滴１０２ａが形成されると、ＰＤ２０の光電流が低下し、液滴１０２ａが消失すると、ＰＤ２０の光電流が増加する。
　そこで、第１の実施例の電極１４と１６間に電流が流れ始めた時刻の代わりに、液滴１０２ａによりＰＤ２０の光電流に変化が現れ始めた時刻を採用すればよい。
　上記のように、液滴１０２ａが形成されると、ＰＤ２０の光電流が低下して電流閾値以下となる。反対に、液滴１０２ａが消失すると、ＰＤ２０の光電流が増加して電流閾値を超える。停止期間算出部５２と電源制御部５３とは、ＰＤ２０の光電流が電流閾値を超えている状態から電流閾値以下となった時刻を、光電流に変化が現れ始めた時刻（第１の実施例における電流が流れ始めた時刻）とすればよい。
　また、第１の実施例では、電極１４と１６間の電流の上向きのピークを検出して電源供給停止条件の成立／不成立の判定と、電源供給停止期間ｔ2、発汗量Ｑ、電解質濃度ＣＳＷの算出とを行っている。これに対して、本実施例では、ＰＤ２０の光電流の下向きのピークを検出して電源供給停止条件の成立／不成立の判定と、電源供給停止期間ｔ2、発汗量Ｑ、電解質濃度ＣＳＷの算出を行うようにすればよい。
　また、本実施例では、電源制御部５３は、ステップＳ２において電源部７からウェアラブルセンサ１のＬＤ１９とＰＤ２０とＡＦＥ部２とデータ記録部３と発汗量算出部５０と電解質濃度算出部５１と通信部６への電源電圧供給を開始させ、ステップＳ１１において電源部７からＬＤ１９とＰＤ２０とＡＦＥ部２とデータ記録部３と発汗量算出部５０と電解質濃度算出部５１と通信部６への電源電圧供給を停止させるようにすればよい。その他の構成は第１の実施例と同じである。
　第１、第２の実施例では、特許文献１、国際公開ＷＯ２０２１／０３８７５８に記載されているようなウェアラブルセンサによって、ユーザの発汗量と電解質濃度とに由来する電気信号を検出して、その電気信号の時系列データを基に、電源供給停止と再開のタイミングを制御する例について説明した。
　しかし、ウェアラブルセンサがユーザの心電図波形、呼吸運動、脈波などの周期性を有する生体情報を測定して、心拍数、呼吸数、脈拍数などの特徴量を算出する場合についても本発明を適用可能である。
　第１、第２の実施例で説明したデータ記録部３と記憶部４とＭＣＵ部５と通信部６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図７に示す。コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、データ記録部３のＡＤＣ等のハードウェアと、通信部６のハードウェアと、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第１、第２の実施例で説明した処理を実行する。
　本発明は、発汗量と汗中電解質濃度を分析する技術に適用することができる。
　１…ウェアラブルセンサ、２…ＡＦＥ部、３…データ記録部、４…記憶部、５…ＭＣＵ部、６…通信部、７…電源部、１０…基材、１１…貫通孔、１２，１３…凹部、１４，１６…電極、１５…吸水構造体、１７…撥水部、１８…吸水構造体、１９…レーザーダイオード、２０…フォトダイオード、５０…発汗量算出部、５１…電解質濃度算出部、５２…停止期間算出部、５３…電源制御部。

Claims (8)

  1. 　着用者の皮膚から分泌される汗の発汗量と電解質濃度とに由来する電気信号を出力するように構成されたウェアラブルセンサと、
    　前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の発汗量を算出するように構成された発汗量算出部と、
    　前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の汗中の電解質濃度を算出するように構成された電解質濃度算出部と、
    　前記ウェアラブルセンサと前記発汗量算出部と前記電解質濃度算出部へ電源供給を行うように構成された電源部と、
    　電源供給停止条件が成立したときに前記電源部から前記ウェアラブルセンサと前記発汗量算出部と前記電解質濃度算出部への電源供給を停止し、電源供給停止期間が終了したときに前記ウェアラブルセンサと前記発汗量算出部と前記電解質濃度算出部への電源供給を再開するように構成された電源制御部と、
    　前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記電源供給停止期間を算出するように構成された停止期間算出部とを備えることを特徴とする発汗分析装置。
  2. 　請求項１記載の発汗分析装置において、
    　前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、
    　前記電源制御部は、前記液滴により前記電流に変化が現れ始めた時刻から一定時間が経過したときに前記電源供給停止条件が成立したと判定することを特徴とする発汗分析装置。
  3. 　請求項１記載の発汗分析装置において、
    　前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、
    　前記電源制御部は、前記ウェアラブルセンサと前記発汗量算出部と前記電解質濃度算出部への電源供給を開始した後に前記電流のピークが発生したときに前記電源供給停止条件が成立したと判定することを特徴とする発汗分析装置。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発汗分析装置において、
    　前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、
    　前記停止期間算出部は、前記液滴により前記電流に変化が現れ始めた時刻から前記電源供給停止条件が成立した電源供給停止時刻までの時間をｔ1、前記電流に生じるピークの、前記着用者の既知の最大発汗量に相当する周期をｔmin、前記電源供給停止期間をｔ2としたとき、０＜ｔ2＜ｔmin－ｔ1を満たすように前記電源供給停止期間ｔ2を算出することを特徴とする発汗分析装置。
  5. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発汗分析装置において、
    　前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、
    　前記停止期間算出部は、前記液滴により前記電流に変化が現れ始めた時刻から前記電源供給停止条件が成立した電源供給停止時刻までの時間をｔ1、前記発汗量算出部によって算出された発汗量をＱ、前記電流に生じるピークの、前記発汗量Ｑに相当する周期をｔ、前記電源供給停止期間をｔ2としたとき、０＜ｔ2＜ｔ－ｔ1を満たすように前記電源供給停止期間ｔ2を算出することを特徴とする発汗分析装置。
  6. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発汗分析装置において、
    　前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、
    　前記停止期間算出部は、前記液滴により前記電流に変化が現れ始めた時刻から前記電源供給停止条件が成立した電源供給停止時刻までの時間をｔ1、前記発汗量算出部によって算出された発汗量をＱ、前記着用者の既知の最大発汗量をＱmax、前記電流に生じるピークの、前記最大発汗量Ｑmaxに相当する周期をｔmin、前記電源供給停止期間をｔ2としたとき、前記発汗量Ｑと所定値ΔＱとの和Ｑ＋ΔＱが前記最大発汗量Ｑmaxより少ないときには、前記電流に生じるピークの、発汗量Ｑ＋ΔＱに相当する周期ｔ*を算出して、０＜ｔ2＜ｔ*－ｔ1を満たすように前記電源供給停止期間ｔ2を算出し、前記発汗量Ｑと所定値ΔＱとの和Ｑ＋ΔＱが前記最大発汗量Ｑmax以上のときには、０＜ｔ2＜ｔmin－ｔ1を満たすように前記電源供給停止期間ｔ2を算出することを特徴とする発汗分析装置。
  7. 　請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発汗分析装置において、
    　前記電気信号は、前記着用者の発汗によって前記ウェアラブルセンサ内に断続的に生じる液滴により変化する電流であり、
    　前記発汗量算出部は、前記電流のピークの周期に基づいて前記着用者の発汗量を算出し、
    　前記電解質濃度算出部は、前記電流のピークの値に基づいて前記着用者の汗中の電解質濃度を算出することを特徴とする発汗分析装置。
  8. 　着用者の皮膚から分泌される汗の発汗量と電解質濃度とに由来する電気信号をウェアラブルセンサによって検出する第１のステップと、
    　前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の発汗量を発汗量算出部によって算出する第２のステップと、
    　前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて前記着用者の汗中の電解質濃度を電解質濃度算出部によって算出する第３のステップと、
    　電源供給停止条件が成立したときに電源部から前記ウェアラブルセンサと前記発汗量算出部と前記電解質濃度算出部への電源供給を停止する第４のステップと、
    　前記ウェアラブルセンサによって得られた電気信号に基づいて電源供給停止期間を算出する第５のステップと、
    　前記電源供給停止期間が終了したときに前記ウェアラブルセンサと前記発汗量算出部と前記電解質濃度算出部への電源供給を再開する第６のステップとを含むことを特徴とする発汗分析方法。
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