倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2020 年度（第 52 回）助成
自然科学・工学研究部門：2 年助成（中間報告）■受領№1458

ウイルスの院内感染予防に向けた遠隔バイタル計測センサシートの開発
代表研究者

竹井邦晴

大阪公立大学教授

Wireless vital sensor sheet to prevent secondary infection of virus
Principal Researcher

Kuniharu Takei,
Osaka Metropolitan University Professor

本研究では、ウイルスの院内感染予防に向けた自宅で簡易に健康管理及びバイタルデータ計測ができる貼付型のウェアラブルセンサシートの開発を目指している。本年度は、特に心電図と蒸汗を皮膚表面から安定して計測できるフレキシブルセンサの開発を実施した。またこれまで開発してきた呼吸センサ及び温度センサを集積化させるプロセスを確立させた。更に簡易な無線システムを融合させることで、常時多種バイタルデータを計測できることを確認した。
This study aims to develop a skin-attachable wearable healthcare sensor sheet toward prevention of virusinfection. In this fiscal year (2021), an electrocardiogram sensor and a skin perspiration sensor weremainly developed, especially focusing on the stability of measurements during activity. Furthermore,
process development to integrate these sensors, respiration sensor, and temperature sensor we havealready developed previously were conducted. Finally, by incorporating a wireless circuit, we confirmedthat the sensor system can be used for continuous multimodal vital monitoring.

1．研究内容1.2 研究結果

1.1 研究目的

1.2.1 心電図センサの開発

本研究は、院内での二次感染を極力回避する遠心電図センサは心筋活動により生じる微小な電隔バイタル管理を実現するフィードバック・アラ気信号を皮膚を介して測定するものであり、電極ーム機能搭載絆創膏型ウェアラブルセンサシートのみで計測可能である。しかし簡易な計測手法での開発を実施する。目標は、中症状以下の患者にあるため、体を動かす等の活動下でも筋電による本ウェアラブル機器を装着してもらうことで、患ノイズが大きな問題となる。そこで本研究ではこ者のバイタルや身体の状態を遠隔且つ無線で簡易のノイズを出来る限り小さく、また正確な計測にに記録し、必要に応じてアラームを出すフィード向けた信号ノイズ比（SN 比）が大きくなるセンサ

バック制御型の多機能フレキシブルセンサシート構造の最適化を行った。まず皮膚とゲル電極の間の実現である。特に「心電図」「皮膚温度」「呼吸」のインピーダンス解析を行うことで界面状態の理「発汗」「活動量」を無線で同時計測できる高精度解をはかった。そしてインピーダンス値（10 Hzなバイタルセンサの開発を行う。

での計測）はゲル電極面積に反比例することがわ倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2020 年度（第 52 回）助成
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かった（図 1a-b）。次に実際にゲル電極を胸部には歩行時と軽いジョギング時の心電図計測を行い、貼付し、電極サイズ及び電極間隔を変えた際の心その結果から SN 比を算出した。結果からジョギ

電図信号の SN 比の計測を行った（図 1c-e）。まずング時は、若干ノイズレベルが上昇してしまい SN

ゲルサイズを変えても心電図で良く用いられる R比が悪化するが、電極サイズ 200mm2 以上で SN波の振幅に大きな変動は見られなかった。これは比 13 以上と比較的精度高く心電図波形を計測で心電図計測に使用したアンプの入力インピーダンきることが確認できた。これらの結果から、皮膚

スが皮膚-ゲル電極間のインピーダンス値より十に接触する導電性ゲルサイズの面積は約 200 mm2、分に高いため信号の減衰が起こらなかったためで電極間隔は 1.5 cm が最適であると結論付けた。こある。しかしノイズレベルは電極サイズが小さくのような貼付型心電図センサのサイズ依存性解析なるに伴い大きくなり、200 mm 以下では SN 比などはこれまでに報告例がなく、本研究においてが大きく減少してしまうことがわかった。また運その解析方法の提案と電極サイズの最適化手法に動時における SN 比の計測も行った（図 1f）。実験

ついて示すことができた。

2

図 1 (a) 心電図センサ解析で用いたデバイス写真、(b) 電極面積 S に対するインピーダンス計測結果、(c)計測した心電図、(d) 電極サイズに対する心電図から抽出した R 波の振幅値、(e) 電極サイズに対する SN比、(f) 歩行時及びジョギング時の電極サイズに対する SN 比

1.2.2 蒸汗センサの開発サの実現を目指した。本センサ材料は微小な ZISストレス具合や体調不良などを早期検知する目ナノシートの積層及び集合により抵抗型の湿度セ的で、皮膚表面から計測する蒸汗検出に向けた湿ンサを実現しており、この ZIS ナノシート間の界度センサの開発を行った。本研究では、特にこれ面に不安定性をだす要因があるのではと考えた。

まで開発してきた ZnIn2S4 (ZIS) ナノシートを溶

まず界面数を極力減らす目的で、ZIS の抵抗変化液で多層形成した湿度センサの安定性解析を行うを読みだすレーザー誘起で形成したグラフェン電ことで、⻑時間安定且つ高精度に計測できるセン極の距離を変化させた（0.1 mm から 1.1 mm）（図倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2020 年度（第 52 回）助成
自然科学・工学研究部門：2 年助成（中間報告）2a）。図 2b-d にその結果を示す。結果から電極間ナノシートの界面が安定性に悪影響を及ぼしてい距離が大きくなるにつれて湿度を変える計測を繰る可能性を示唆することができた。現状、膜厚にり返す毎に抵抗値が変化してしまうことが分かっ

関しては安定した薄膜形成に 2.5 μm 以上が必要た。その一方、電極間距離を 0.1 mm にすることであり、また電極間距離も使用しているレーザーで、その抵抗値のバラつきが極力抑えることがで加工機の解像度の問題で 0.1 mm が最小距離であき、ヒステリシスもほとんど無視できるレベルでる。今後、プロセス技術を発展させることができあった。次に、ZIS 膜厚依存性（2.5 μm から 15 μれば、更に安定した湿度センサが実現できる可能m）についても解析を行った。その結果を図 2e-g性がある。に示す。こちらも膜厚が厚くなることで繰り返しこれらの最適化させたセンサ構造を用いて、環測定において抵抗値のバラつきが大きくなってい境オーブン内で湿度を 40 %から 75 %程度まで繰ることがわかる。本結果も膜厚が増えることで電り返し変化させる実験を行った。図 2h に示すよう気のパスが広くなる、すなわち界面数が多くなのに、150 時間以上安定して ZIS 湿度センサで湿度ことに起因しているものであると考えられる。

を計測可能であることを確認できた。現在は、本これらの結果から、まだ断定は出来ないが ZIS
ナノシートの多層膜を用いた湿度センサは、ZISセンサを用いて人に貼付することで蒸汗を計測する実験を開始している。

図 2 (a) 湿度センサのデザイン、電極間距離 (b) 0.1 mm、(c) 0.2 mm、(d) 0.4 mm における繰り返し湿度を変化させた際の ZIS センサの抵抗値計測結果、ZIS 膜厚 (e) ~2.5 μm、(f) ~5 μm、(g) ~15 μm における繰り返し湿度を変化させた際の ZIS センサの抵抗値計測結果、(h) 150 時間以上の連続湿度センサの計測結果

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1.2.3 集積化センサシステム
本研究で開発した心電図センサと湿度センサを、実験中ということもあり示すことは出来ないが、
図 3 に示すような無線システム、そしてアプリ開

これまで開発してきた温度センサ、呼吸センサと発を行い、実際にフレキシブルセンサからの出力集積化させるプロセス開発を行った。またそれらをリアルタイム計測且つ保存できるようになってを無線通信するシステム及びそれを無線計測する

きている。

アプリ開発を実施した。現状、その詳細な結果は、

図 3 開発した無線回路システムとセンサ出力を表示・計測するスマートフォンアプリ

2．発表（研究成果の発表）
国内外の学会誌、学会講演会等における発表があれば５件程度記載。
記載内容：氏名、題目、誌名、巻、号、頁（年次）、学会名（場所、年次）
1. Y. Xuan, H. Hara, S. Honda, Y. Li, Y. Fujita, T.
Arie, S. Akita, K. Takei, “Wireless, minimized,stretchable, and breathable electrocardiogram sensorsystem”, Applied Physics Reviews, Vol. 9, p. 011425(2022). DOI: 10.1063/5.0082863.
2. 招待講演 K. Takei, “Human-interactive multimodalwearable sensor sheet”, Online Conference:
Nanomaterials & Electronics for Wearable
Implantable Devices & Applications (NEWIDEA2021), 2021年12月6日オンライン
3. 招待講演 K. Takei, “Heterogeneous material-integrated
multi-functional flexible healthcare sensors”, 京都大学 iCeMSセミナー, 2021年11月29日（京都大学）
4. 招待講演 K. Takei, “Multimodal flexible sensor
system with wireless feedback alarm function”, 240th
ECS meeting, 2021年10月10日-14日オンライン

5. 招待講演 K. Takei, “Multimodal flexible sensor
sheets for feedback wearable applications ” , 6thInternational Conference on Advanced Electromaterials(ICAE 2021), 2021年11月9日-12日オンライン