JPH06119B2

JPH06119B2 - 汗中有機物及び電解質検出用経皮センサ

Info

Publication number: JPH06119B2
Application number: JP60212986A
Authority: JP
Inventors: ▲吉▼雄渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-09-26
Filing date: 1985-09-26
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2009-01-05
Also published as: JPS6272321A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、汗中に含まれる有機物及び電解質を検出する
汗中有機物及び電解質検出用経皮センサに関する。

〔発明の背景〕従来の生体内グルコース濃度の連続測定では、グルコー
ス測定装置や人工膵臓のようなセンサを血管内あるいは
組織内に挿入することによつて行われている（特開昭59
-8939号，特開昭59-8969号，特開昭59-14843号，特開昭
59-14857号）。また血管内へ挿入したカテーテルから体
外へ導いた血液にセンサを接する方法（特開昭52-13559
9号，特開昭54-82885号）がある。

また、グルコース濃度の間欠的の測定は、採血後センサ
を用いて行つている。

これらの各値グルコース濃度の測定方法は、血液中グル
コース濃度（血糖値）を知り、糖尿病患者の血糖値を食
事療法，運動療法，インシユリン療法により正常に保つ
ために有効な方法となつている。しかし、他方で感染，
精神的・肉体的苦痛、失血、生体成分付着の要因に基づ
く性能劣化，間欠的測定による情報不足などの各種問題
が生じている。

そこで経皮的な血中ガス分圧の測定（特開昭50-141186
号，特開昭53-137590号，特開昭54-60788号）のよう
に、無侵襲に血中グルコース濃度を測定する方法が考え
られている。この経皮的な血中ガス分圧測定方は、測定
対象が酸素や炭素ガスなどである。酸素や炭素ガスは皮
膚を透過しやすく、無侵襲にかかる濃度を測定できる。

しかし、血中グルコースは、皮膚を透過しがたいため
に、かかる経皮的な測定法をそのまま採用することが困
難である。

このようなグルコースの問題は、他に乳酸，ピルビン
酸，尿素，尿酸などの生体内含有有機物やナトリウム，
カリウム，カルシウムなどの生体内含有電解質にも同様
に当てはまるものである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、汗中に含まれる有機物及び電解質を簡
便にかつ連続して検出する汗中有機物及び電解質検出用
経皮センサを提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明者らは、汗中に含まれる有機物、電勝質濃度と血
中有機物、電解質濃度の相関性について各種の検討を行
つた。

以下その検討を説明する。

血中有機物、電解質を無侵襲に測定する方法の一つとし
て、汗中の有機物、電解質を測定することが考えられ
る。しかし、従来から血中有機物、電解質濃度が汗中の
有機物、電解質濃度にどの程度の影響言い換えれば血中
農度と汗中濃度の相関性については明確な検討が行われ
ておらず、信頼性ある測定データが入手されるに至つて
いない。そこで本発明者は、血中グルコース濃度と汗中
のグルコース濃度との相関性を示すため、糖負荷試験で
血糖と汗のグルコース濃度変化を３０分毎に測定し、両
者の相関性データを得た。

このデータを得るための実験は、５０ｇ糖負荷試験を行
い、空腹時、投与を３０分後、６０分後、９０分後、１
２０分後に肘静脈より採血し、血中グルコース濃度を即
座にデキストロメータで測定した。

汗の採取は、採血と同時に行えなかつたので、採血用と
採汗用の糖負荷試験を３〜４日の間隔で別々に行い、各
糖負荷試験は食後１２時間経過した後に開始した。血中
グルコース濃度測定のタイミングである前記５時点を中
心にして、各７〜８分間高温サウナ（１１６℃）に入浴
し、頭部からの汗を採取した。頭部は入浴毎に必ず十分
に洗浄・乾燥させ、グルコースと水の混入を防いだ。顔
面から汗の滴を正常なアルミ箔の受皿にため、採汗後は
即座にポリプロピレン試薬瓶に汗を密封して、−８０℃
で凍結保存した。受皿は二重としその間に水を張り、受
皿を冷却することで、採取した汗からの水分の蒸発を防
いだ。また。細菌などによる分解を防ぐため−８０℃に
凍結保存した汗は、２４時間以内に高速液体クロマトグ
ラフで糖分析し、汗中のグルコース濃度を求めた。その
結果を第１図に示す。

第１図（Ａ）は、血中グルコース濃度を示し、（Ｂ）図
は汗中グルコース濃度を示す。第１図において（１）は
所懐の試験結果を示し、（２）は１週間後の試験結果を
示す。このように（１）と（２）でグラフの形態がほぼ
等しくなることから試験結果の再現性は十分あるものと
推察される。

このように第１図から血中グルコース濃度と汗中グルコ
ース濃度を比較することにより、両者の間で相関性を示
すデータを得ることができる。したがつて、汗中のグル
コース濃度を測定し、この測定値に相関性データに基づ
いた補正を加えることにより、血中グルコース濃度を知
ることが可能となる。このようにすれば、血中グルコー
ス濃度を無侵襲に測定することが可能となり、患者に与
える負担をなくすことが可能となる。そしてこのような
相関性は、グルコース以外の各種血中有機物、また無機
物について個々に試験を行うことにより得ることが可能
となる。

本発明はこのような知見によつてなされたものであり、
本願発明は、測定用センサの感応膜の外側表面に感応膜
の占有面積より大きく周辺端面が開放されている厚みが
１から１０μｍの多孔質膜を設け、この多孔質膜と感応
膜の間に妨害物質除去膜を配置し、多孔質膜を皮膚に固
定して測定用センサに配置した温度制御機構により測定
部に限定して発汗を促し、皮膚表面から浸出した汗を多
孔質膜で保持し、汗中の有機物、電解質濃度を連続して
妨害物質を除去しながら測定し、汗中の有機物、電解質
濃度と血中の有機物、電解質濃度との相関データから血
中の有機物、電解質濃度を推定する汗中有機物及び電勝
質検出用経皮センサである。

〔発明の実施例〕

次に本発明の実施例を添付図面に従つて詳説する。

第２図は、本発明に係る経皮センサの一実施例の基本的
な厚生を示す概略断面図である。

第２図において、有機物、電解質測定用の生化学センサ
１の皮膚３側には、多孔質物質で構成された多孔質膜２
が設けられている。この多孔質膜２はいわゆるスポンジ
みたいなもので構成されている。この多孔質膜２の周辺
端面はセンサ１によつて覆われず解放された構造となつ
ている。

センサ１の多孔質膜２は、両面テープ，サージカルテー
プなどで皮膚３表面に固定される。

皮膚３表面から浸出された汗は、多孔質膜２内に吸収さ
れる。多孔質膜２の周辺端面から汗が蒸発するために、
皮膚３から連続して浸出される汗が多孔質膜２内を還流
する。この結果センサ１の感応面には新鮮な汗が連続的
に供給され、汗中の有機物、電解質測定を連続的に行う
ことができる。

多孔質膜２を設けると、多孔質膜２が一時的に皮膚３表
面から離れても、皮膚３から浸出される汗を保持するた
めセンサ１で汗中の有機物、電解質を連続的に測定する
ことが可能である。

このような多孔質物質を使用しない場合は、センサ１が
皮膚３に常時固定されるような方法を取らなければなら
ない。このためには、センサ中央部を周辺部より突出し
た構造にし、これをテープ等で皮膚に固定するか、また
はバネの反発力を用いてセンサ１を皮膚に密着させる等
の方法をとることができる。

このようにセンサ１と皮膚３の間に多孔質膜２が設けて
ある結果、体動などにより皮膚３表面とセンサ１感応面
の接触状態が変化しても、センサの出力が変動するのを
防止することができ、安定した測定値を得ることができ
る。

多孔質膜２が接触された皮膚３表面で発汗を起こさせる
ためには、サウナ等を利用する。

次に皮膚加温機構を備えた検出センサの実施例について
説明する。第３図は、その基本的な構成を示した概略断
面図である。

本実施例に係る経皮センサでは、センサ１周囲にヒータ
４を設け、このヒータ４にはモータを制御して適温に保
つためのサーミスタなどの温度センサ５が備えられてい
る。このセンサ１、ヒータ４、サーミスタ５は、熱を外
気中に逃がさないために断熱材６で被覆とてある。多孔
質膜２はセンサ１の感応面より大きく構成され、ほぼ外
側の断熱材６と同様な大きさで構成され、周辺部は解放
されている。

本実施例では温度制御機構を備えているために、炎症を
起こさない範囲例えば４３℃程度までの皮膚表面を加温
することができる。この結果、皮膚３表面から汗が強制
的に浸出され、サウナ等を用いなくても血中有機物、電
解質濃度を測定することができる。この結果、汗中の電
解質、有機物の測定を簡易に行うことが可能である。

次に上記第２図，第３図で説明した経路センサをグルコ
ース測定用経路センサに発展させた一実施例について説
明する。第４図は、その実施例の基本的な構成を示す断
面図である。

本実施例では、グルコースセンサとして、ポーラログラ
フイの原理に基づく過酸化水素電極を用いている。

過酸化水素電極は、白金などで構成された陽極７と銀な
どで構成された陰極８とエポキシ樹脂などの絶縁物質槽
１１から構成されている。過酸化水素電極の皮膚３側表
面には、皮膚３の側から浸出する汗を吸収、還流する多
孔質膜２と固定化グルコースオキシダーゼ膜９と過酸化
水素・酸素・水・塩類を通すが、妨害物質である還元性
物質を除去する機能をもつ妨害物質除去膜１０が張られ
ている。また、温度補償用にサーミスタなどの温度セン
サ５が絶縁物質槽１１内に設けられている。そして、こ
れらの各装置はカバー１２で覆われ、電極に電圧を印加
し、出力電流を得るためのリード線１３が設けられてい
る。なお、リード線１４は温度センサ５に用いられるも
のである。

上記妨害物質除去膜１０は、細孔を有するアセチルセル
ロースで構成され、分子量の大きい妨害物質を除去する
ポーラスなものとなつている。

本実施例に係る経皮グルコースセンサは、局所または全
身加温や運動などによる温熱性発汗時に胸部，背部，前
額、頚部などに装着して浸出する汗を多孔質膜２に吸
収、還流させ、血糖値と相関して変化する汗中のグルコ
ース濃度を体表面上のグルコースセンサで測定する。こ
れにより無侵襲に血中グルコース濃度（血糖値）を知る
ことができる。多孔質膜２に含有される汗中のグルコー
ス（Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６）、酸素、水は固定化グルコースオ
キシダーゼ膜９の中で、酸素の働きにより以下の化学反
応をおこしグルクロン酸（Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_７）と過酸化水
素（Ｈ_２Ｏ_２）を生ずる。

本実施例では、（１）式により発生した過酸化水素を測
定するが、消費される酸素あるいは生成されるグルクロ
ン酸濃度を検出し、グルコース濃度を得ることも可能で
ある。なお、妨害物質除去膜１０では、尿素、アスコル
ビン酸などの還元性物質を透過しない反面、過酸化水
素，酸素，水，塩類を通すことができるため、過酸化水
素を陽極７および陰極８に導くことができる。

過酸化水素電極の陰極８と陽極７との間に０．７〜０．
８Ｖの電圧を印加すると、陽極７上では過酸化水素が次
式により酸化され、２Ｈ_２Ｏ_２→４Ｈ+＋２Ｏ_２＋４ｅ- ……(2) となり、陰極８上では酸素が次式により還元され、４Ｈ+＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ−４ｅ- ……(3) となる。したがつて汗中のグルコース濃度に比例した電
流が両電極間を流れる。なお、妨害物質除去膜１０と固
定化グルコースオキシダーゼ膜９は米国特許第4307195
号に詳しく報じされているように、一体のアセチルセル
ロースを用い妨害物質除去膜１０側を細孔のものとし、
固定化グルコースオキシダーゼ膜側を粗孔としかかる粗
孔にグルコースオキシダーゼを固定化することにより一
体化することができる。

次に、多孔質膜２について詳しく説明する。

皮膚３表面から浸出した汗は、多孔質膜２を透過して経
皮センサの端面４１から蒸発する。蒸発量は経皮センサ
温度、大気の温度と湿度により変化するので、多孔質物
質２の周辺部と汗のグルコース濃度も影響を受けること
になる。そこで、この影響を取り除くため、多孔質膜２
の面積をグルコースセンサの反応面すなわち固定化グル
コースオキシダーゼ膜９の占有面積よりも広く取る必要
がある。

多孔質膜の膜厚については、厚いとセンサの応答性が遅
くなり急激な出力変化に追従できないことになる。一
方、膜厚が薄いと破損や測定に必要な量の汗を保持でき
ないことになる。連続加温が可能な体表面温度約４３℃
以下での発汗速度は、０．１〜１０μｌ／min・cm²であ
り、汗の出始めを除けば毛管現象はあり得ないので、汗
は１〜100μｍ／minの速度で多孔質材料に入り込む。そ
こで、応答速度と多孔質材料の強度を考慮に入れれば、
多孔質材料は１〜１００μｍ、好ましくは１〜１０μｍ
の厚さが望ましい。

なお、グルコースオキシダーゼ膜９は多孔質であるた
め、多孔質膜２の機能を兼ねることができ、多孔質膜２
を省略することもできる。しかし、多孔質膜２は第４図
で示すようにグルコースオキシダーゼ膜９より大きい面
積となつているため、コスト的にあまり有効なものとは
言えない。

本実施例では、グルコース経皮センサについて説明した
が、汗中電解質を経皮的に測定する場合は、ガラスが構
成されたセンサを用いる。このセンサの表面は多孔質で
ないため、多孔質物質などの汗を維持するとともに汗を
還流できるものが必要となる。

次に第４図で示したグルコース経皮センサに温度制御機
構を有するグルコース経皮センサの実施例について説明
する。第５図はその一実施例を示す断面構成図である。

第５図において、絶縁物質１１は熱の良導体１７で覆わ
れ、この熱の良導体１７は断熱材１６で覆われている。
熱の良導体１７と断熱材１６の間には一対の空間部が設
けられ、この空間部内にヒータ４が備えられている。こ
のヒータ４にはリード線１５が接続され、ヒータ４を加
熱できるようになつている。

本実施例のグルコース経皮センサでは、サーミスタなど
の温度センサ５とヒータ４を含む温度制御回路によつて
一定温度に設定保持され、皮膚は炎症を生じない温度
（皮膚表面で約４３℃以下）に加温されて、常時皮膚表
面から発汗が生ずる。熱の良導体１７は皮膚３への熱伝
導を良好にし、断熱材１６は熱を外気中に逃がさず有効
に皮膚３に伝導させる。その他の構成は第４図で示す実
施例と同様である。

本実施例では、グルコース経皮センサに加温機構が内臓
されているので、局所または全身加温や運動の必要がな
く、通常の状態で血糖の無侵襲測定が可能となり、血糖
側定装置や人工膵臓のセンサとして利用することが可能
である。

以上各実施例においては生化学センサとしてグルコース
センサを利用しているが、他の有機物や電解質を測定す
るセンサも同様に経皮センサとして利用することが可能
である。また、生化学センサの数は１個のみならず複数
個でも経皮センサとして用いることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、温度制御機構により測定部に限定して
発汗を促し、多孔質膜により浸出した汗を保持すること
により連続して汗中の有機物、電解質濃度を測定でき
る。

また、汗中の有機物、電解質濃度と血中の有機物、電解
質濃度との相関データから血中の有機物、電解質濃度を
連続して推定することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は血中グルコースおよび汗中グルコース濃度の経
時変化を示すグラフ、第２図は本発明に係る経皮センサ
の一実施例を示す基本的断面構成図、第３図は第２図に
温度制御機構が設けられた実施例を示す基本的断面構成
図、第４図は本発明に係る経皮センサの一実施例である
グルコース経皮センサの一実施例断面構成図、第５図は
第４図に温度制御機構が設けられた実施例を示す断面構
成図である。１…グルコースセンサ、２…多孔質物質、４…ヒータ、
５…温度センサ、７…陽極、８…陰極、９…固定化グル
コースオキシダーゼ膜、１０…妨害物質除去膜、１１…
絶縁物質、１６…断熱材、１７…熱の良導体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】汗中の有機物、電解質濃度測定用センサの
感応膜の外側表面に該感応膜の占有面積より大きく周辺
端面が開放されている厚みが１から１０μｍの多孔質膜
と、該多孔質膜と前記感応膜の間に配置した測定の妨害
となる物質を除去する妨害物質除去膜と、前記測定用セ
ンサの周囲に配置したヒータと前記多孔質膜の温度を検
出する温度センサとを有する温度制御機構とを設けてな
ることを特徴とする汗中有機物及び電解質検出用経皮セ
ンサ。