汗の蒸発潜熱を利用した新規発汗計測原理の創出とウェアラブル化の試み

Research Project

Project/Area Number	19K22958
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
Research Institution	Kanazawa University
Principal Investigator	田中志信金沢大学, フロンティア工学系, 教授 (40242218)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	野川雅道公立小松大学, 保健医療学部, 准教授 (40292445) 内藤尚金沢大学, フロンティア工学系, 准教授 (40392203)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help	¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000) Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000) Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords	発汗計測 / 皮膚温 / 蒸発潜熱 / 精神性発汗 / 温熱性発汗
Outline of Research at the Start	発汗は体内の熱を放散し体温の恒常性を維持するために重要な生理現象である．近年増加している独居高齢者の熱中症予防などのためには、この「発汗機能」を実験室などの限られた場所だけでなく通常の生活をしながら「無拘束的」に計測することが極めて重要である。しかしこれまでに考案・開発されてきた発汗計測法は定量性に欠けたり，装置が大掛かりで「無拘束計測」に対応できなかった．そこで本研究ではこれらの問題を解決すべく、メカニカルな駆動部分が全く無い新規原理に基づく発汗量計測法として「潜熱補償型発汗量計測法」を提案しこの原理に基づくプロトシステムを開発する。
Outline of Annual Research Achievements	ウェアラブルな新規発汗計測システムの具現化を最終目標として、初年度においては研究協力者の戸川達男が発案した「潜熱補償法」による発汗計測法の原理検証実験を行った。この方法は皮膚の二点の温度、すなわち発汗による水分蒸発を許す領域の皮膚温：Toと、防水フィルムで水分蒸発を防いだ領域の皮膚温：Tcを計測する。そしてこれらの差をTo近傍に設けたヒータによりTc=Toとなるよう温度補償することで、これに要したヒータ消費電力と水の潜熱値（約2500J/g）から発汗量を推定するものである。その基本原理を検証するために、Tc およびTo計測用の二つのプローブを試作した。各プローブ共にハウジング（外径：30ｍｍ）は３Dプリンタにより作成し、温度センサには超小型のサーミスタ（PB-74　芝浦電子）を使用した。なおTo計測用プローブのサーミスタ周囲にはアルミ製のヒータリングを設置し、同リング内側の蒸散領域は直径10mmの円形とした。またToプローブ内には蒸発した水分を吸収するためのシリカゲルを所定量充填した。これら試作プローブを用いて以下に示すin vitro試験を行った。吸水材（発泡フェノール、空孔率：98.5%）の上面からのみ蒸発を許すよう、円柱状の吸水材（Φ30mm×10mm）を樹脂製ホルダーに充填し、下部を恒温水槽により一定温（37℃）に保温した。蒸発面にToプローブを、蒸発面を薄フィルムで覆った面にTcプローブをそれぞれ装着し、所定時間放置した後にヒータ消費電力値から蒸発量推定値Weを求めた。また放置前後の吸水材とホルダー全体重量の減少量を電子天秤で計測し、蒸発量実測値Wmを求めた。これらWeとWmを比較したところ、Wmに対するWeの誤差は10％以下であり、一般的な市販発汗計の計測誤差（±10%未満）と同等の精度で発汗量を推定可能であることが確認された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 「研究実績の概要」欄に示した通り、当初予定していた「潜熱補償法」による発汗量計測原理の検証実験は順調に進み、さらに現在はToとTｃのプローブを「一体化」した改良版プローブの試作に取り掛かっている。また当初2年目に予定していた市販発汗計の購入を1年前倒しし、改良型プローブとの同時計測に向けての事前準備を進めており、「おおむね順調に進展している」と判断した。
Strategy for Future Research Activity	１．To、Tc一体型プローブの試作：前年度試作したin vitro試験用のシステムではToとTcをそれぞれ別個のプローブで計測した。しかし実使用時には可能な限りTc、Toセンサの温度出力に差が生じないようにプローブ構造を考慮する必要がある。例えばセンサ間距離を可能な限り縮めた近傍二点での皮膚温計測や、サーミスタセンサ周囲の伝熱状態等を極力同一にすることが重要である。そこでこれらの課題に対応すべく、ToおよびTcの計測センサを同一ハウジング内に収めた「一体型プローブ」を試作する。具体案として、直径30mmのハウジング内にTcとToセンサを設置し、センサ間距離は最大でも10mm程度に抑える。またサーミスタ背部の空間は伝熱の偏りが生じないように同一の空間を共有する構造とする。なお蒸散領域は、掌や前額部での計測を想定し極力小型化を目指して、直径7mm程度の円形状とする。２．試作プローブによる温度計測精度確認実験：新たに試作した一体型プローブに対して、現有設備の高精度サーモプレートを用いてTcおよびTo計測用サーミスタ回路の温度計測精度を確認する。具体的には、同プレート表面に熱容量薄板（ゴム板等）を設置し、その温度を所定値±0.1℃程度に高精度に制御する。この薄板表面に試作プローブを密着させ表面温を計測し温度計測精度を検証する。３．市販発汗計との同時計測実験：上記検証を経た試作プローブに対して、備品購入済の市販発汗計との同時計測を行い、本装置により発汗の発現や発汗量計測が可能かどうか検証する。具体的には健常成人を対象に前額部あるいは左前腕部等に試作プローブと市販発汗計を極力近接して装着し、10分間程度の安静時データを取得する。その後、運動負荷として例えばエルゴメータにより100W程度の運動を数分程度行い、両装置による発汗量データを比較し試作装置の性能評価を行う。