排便検知システムのための温度センサの開発 −使い捨て可能な温度センサの開発− 米澤保人* 筒口善央* 寝たきり認知症老人の排便検知のため，おむつ内に設置する使い捨て温度センサを開発した。エポキ シ樹脂板上に銅の薄膜を作製することで使い捨てを可能にし，抵抗の温度変化により温度を検出できた。 ま た ， 抵 抗 変 化 を 電 圧 に 変 換 し ， AD 変 換 後 に 無 線 で 送 信 す る こ と で ， よ り 実 用 に 近 い シ ス テ ム を 試 作 し ， 0.1℃ 以 下 の 温 度 分 解 能 が 得 ら れ た 。 キーワード：排便検知，使い捨て，温度センサ Development of the Disposable Thermometer for Detection of Defecation Yasuto YONEZAWA and Yoshiteru DOGUCHI A disposable thermometer for use in the diaper of bedridden elderly people was developed for the purpose of detecting defecation. A thin copper film laminated onto an epoxy resin plate makes the thermometer disposable, and a change in resistance indicates a temperature change. The resistance change is converted into voltage. After conversion to digital data, wireless signals are transmitted. A temperature resolution of 0.1℃ or less was achieved. Keywords： defecation detection, disposable thermometer １．緒 言 寝たきりの認知症老人や障害者の排泄処理は，被 ム の 開 発 を 試 み て い る が 1) ， 排 便 検 知 に は 温 度 セ ン サ のみで検知できる可能性がある。 介護者にとっても介護者にとっても，肉体的，精神的 本研究では，下痢便等の排便を検知するシステム なストレスをもたらす。排泄のうち，尿に関しては吸 開発のため，おむつとともに使い捨て可能な温度セン 収機能，消臭機能の優れたおむつの開発により，不快 サを開発し，温度信号を無線で送信するシステムの試 感が軽減されてきているが，排便はおむつを交換しな 作を行った。 い限り，不快感から解放されない。特に下痢便の場合 には，不快感を与えるだけでなく，皮膚かぶれ等の障 ２．使い捨て可能な温度センサの開発 害を起こす原因となる。皮膚障害を起こせば，被介護 ２．１ 者にも介護者にもさらに身体的，精神的，経済的負担 ２．１．１ が増えることにもなる。そのため，下痢便排泄後は速 温度センサには種々の方式があるが，本研究では， 使い捨て温度センサ 温度センサの選択 やかにおむつを交換し，皮膚の清潔を保つ必要がある。 以下の事項を考慮した，開発の基本条件とした。 また，下痢便でない場合でも，認知症高齢者等は排便 1)使 い 捨 て 可 能 の不快感から無意識に便を手で触り，衣服やベッド等 2)製 作 が 容 易 で コ ス ト が 低 い の汚染につながることがある。 3)絶 対 的 温 度 精 度 は 不 必 要 これに対して施設等では，定期的なおむつ交換を その結果，温度センサは金属膜を用いることにした。 行っているが，根本的な解決にはなっていないため， センサは小型であることが望ましいが，電極部の接 下痢便等の排便を検知するシステムの開発が必要とな 合 や マ ス ク 作 製 の 制 約 か ら ， 5∼ 10mm 角 と し た 。 基 る。排便直後におむつ交換が可能となれば，被介護者 材は，剛性がないと歪みによる抵抗変化が生じるた だけでなく介護者の負担も軽減できる。当場では，こ め ， 厚 さ 1mm の エ ポ キ シ 樹 脂 板 材 を 用 い た 。 金 属 膜 れまでに，においセンサと温度センサを用いたシステ は，抵抗温度係数が大きいことが望ましい。表 1 に 示 さ れ る 係 数 の 最 も 高 い 鉄 (Fe) を 選 び ， 電 子 ビ ー ム * 電子情報部 (EB)蒸 着 で 膜 を 作 製 し た と こ ろ ， 膜 に 亀 裂 が 発 生 し ， れ ら の 制 限 か ら ， マ ス ク (電 極 パ タ ー ン )の 形 状 を 決 め ， 安定した抵抗値が得られなかった。これは，膜厚が 設 定 膜 厚 を 20nm と す る こ と で ， 抵 抗 値 と し て 1kΩ ± 数 10nm と 薄 く ， Fe の 融 点 が 1 気 圧 (atm)で 1808K 20%が 得 ら れ た 。 と高いため，高温で膜が堆積し，基材との熱膨張の センサと送信機を結ぶおむつ内の配線も使い捨て 差により亀裂が発生したと考えられる。そこで，金 可能の必要がある。配線には導電性布テープを用い， 属 膜 と し て は ， 融 点 が 1atm で 1356K と 比 較 的 低 く ， 温度センサの電極と接触部には機械的に圧力を加え 機 械 的 に も 柔 軟 で ， 抵 抗 の 温 度 係 数 が 0.44%/℃ と 比 た。しかし，導電性布テープには弾性があるため， 較 的 高 い 銅 (Cu)を 用 い る こ と に し た 。 圧力が十分でないと接触抵抗が変動してしまう。そ の た め ， 図 2 に 示 す よ う に 基 材 (セ ン サ )と ポ リ カ ー ２．１．２ 温度センサの作製 ボネイトで導電性布テープを挟み，エポキシ樹脂で 温度センサの抵抗値は，消費電力の観点からは大 固定する構造でセンサを作製し，接触抵抗の低減と きい方が望ましいが，あまり大きいとノイズに弱く 安定化を図った。図 3 に図 2 の構造で作製した温度 なる。また，後述するパターン形成のためのマスク センサを示す。 作 製 に お け る 線 幅 や 膜 厚 の 制 限 か ら ， 1kΩ を 目 標 値 とした。 ２．１．３ 温度センサの特性 金 属 膜 の パ タ ー ン 形 成 は ， 厚 さ 0.5mmの ス テ ン レ ス 前節で作製した温度センサを恒温槽に設置し，抵 板でマスクを作製し，蒸着時に基材の上に設置して行 抗の温度依存性を評価した。センサの抵抗変化は図 っ た 。 マ ス ク は レ ー ザ 加 工 機 (コマツエンジニアリング製 4 に示す評価回路で行った。抵抗値の代わりに，温 YAG 2×2)で 電 極 パ タ ー ン に 加 工 し た 。 加 工 し た マ ス 度センサと直列に基準抵抗を接続し，定電圧を印可 ク の 例 を 図 1に 示 す 。 パ タ ー ン の 線 幅 は ， 狭 い 方 が 望 して，温度センサ両端の電圧値を計測した。図 4 か ま し い が ， あ ま り 狭 く す る と ， 0.5mmの 板 厚 と の 関 係 ら，出力電圧は から陰になって膜が堆積しない。また，マスクを残す r+ Δ r 箇所もあまり細くすると加工時に変形してしまう。こ Vout 表1 = R+r+ Δ r (1) V0 金 属 の 室 温 付 近 の 抵 抗 の 温 度 係 数 (%/℃ ) 2 ) Al 0.42 Au 0.35 Ag 0.40 Sn 0.37 Cu 0.44 Fe 0.65 注 )0℃ と 100℃ の 抵 抗 値 か ら 算 出 し た 。 ポ リ カ ー ボ ネ イ ト (PC)板 エポキシ樹脂 エポキシ基材 導電性布テープ 銅薄膜 図2 使い捨て温度センサ断面構造模式図 図3 作製した温度センサ部 図1 電極パターン形成用マスク と な る 。 式 (2)の 第 1 項 は 一 定 で あ る た め ， 上 式 か ら 4 の 回 路 で R=r=1 kΩと す る と ， 式 (2)か ら 8mV/℃ と 基準抵抗 R 450 定 電 圧 源 V0 y = -12.8 x + 712 。 出 力 (mV) 出 力 Vout 400 センサ r+ Δ r 。 図4 温度センサ評価回路図 350 300 22 24 26 28 30 32 温 度 (℃) と 表 さ れ る 。 こ こ で ， Δr は セ ン サ 抵 抗 の 変 化 分 で あ り ， Δ r<<R,r で あ る 。 従 っ て ， Δr R Vout ∼ + R+r 図5 センサ評価回路出力の温度特性 な り ， 0.17 ℃ の 分 解 能 が あ る こ と に な る 。 し か し ， (2) V0 R+r 温 度 セ ン サ の 抵 抗 の ば ら つ き や ， 温 度 分 解 能 を 0.1℃ 確 保 し ， AD 変 換 器 を 含 む 送 信 機 の 消 費 電 力 を 抑 え るために基準抵抗を大きな値にすることを考慮する と ， 図 4 の 回 路 の 出 力 を そ の ま ま AD 変 換 し た の で Vout は Δ r に 比 例 す る こ と が 分 か る 。 は，十分な分解能が得られない。そこで，温度セン 図 5 にセンサ出力電圧の温度特性を示す。温度セ サ を 駆 動 し ， 増 幅 し た 信 号 を AD 変 換 器 に 入 力 す る ン サ の 出 力 は 増 幅 器 で 増 幅 し た が (２ ． ２ 参 照 )， 極 回路を当場のプリント基板試作システムにより作製 性を反転させたため，温度に対して出力電圧が逆比 し た (図 7)。 増 幅 し た 信 号 を AD 変 換 後 の 出 力 の 温 例となり，温度と抵抗変化が線形であることが確認 度 依 存 性 は 前 出 の 図 5 の 通 り で ， 12.8mV/℃ で 目 標 と できた。 し た 0.1℃ 以 下 の 分 解 能 が 得 ら れ た 。 無 線 シ ス テ ム か ら の デ ー タ は RS-232C で PC(パ ソ ２．２ 無線による温度センサシステムの作製 コ ン )に 取 り 込 み 、 デ ー タ を 蓄 積 し た 。 温度センサを排便検知に応用する場合，センサの ３．排便検知の臨床実験 データを無線で送信することが望ましい。そのため， 市 販 の AD 変 換 器 付 き の 無 線 送 受 信 ユ ニ ッ ト 寝たきりの認知症老人に対して，開発した温度セ (WELLPINE COMM.製 WP-205)を 用 い た 。 図 6 に 本 ンサシステムを用いて，おむつ内の温度データ収集 システムのブロック図を示す。 試験を行った。 無 線 送 受 信 シ ス テ ム の キ ャ リ ア は 314.5MHz で 微 お む つ 内 の セ ン サ は ， 予 め 行 っ た 千 木 病 院 の 31 名 弱電波を使用しているため，無線免許は不要である。 の患者の排便位置調査から特定した位置に設置した。 ま た ， 12 ビ ッ ト の AD 変 換 器 を 搭 載 し て お り ， 最 大 臨床データ収集実験は，同病院で浣腸を施した直後 電 圧 入 力 は 4.095V で あ る こ と か ら ， 電 圧 の 分 解 能 は の 6 名の患者に対して行った。6 名の内、1 名はセン 1mV/bit で あ る 。 一 方 ， 温 度 セ ン サ の 出 力 は ， 仮 に 図 サ設置直後に排便があり，データ取得できなかった。 使い捨て センサ駆動及び 温度センサ プリアンプ部 AD変 換 器 無 線 送 信 機 受信機 微弱電波 導電性布テープ 図6 排便検知システムブロック図 パ ソ コ ン (PC) RS-232C 830 出 力 (mV) 820 810 800 790 0 100 200 300 時 間 (s) 図7 センサ駆動及びプリアンプ部 図8 臨床データ取得例 また、1 名は 3 時間以上排便がなく，排便時の温度 変化データが得られなかった。4 名については排便 また、本開発システムは，送信機部分は使い捨て が観測され，最終的にセンサに排便が接触したこと でないため，センサと送信機の着脱作業が必要で， から、前述の排便位置調査が有効であったといえる。 介護者にとって負担を増やすことになる。これらの 図 8 に 温 度 デ ー タ 取 得 例 を 示 す 。 10mV は 約 1℃ に 相 負担増の少ないシステムへの改良が必要と考えられ 当 す る 。 図 8 で は ， 矢 印 の 箇 所 で 約 1℃ の 温 度 上 昇 が る。 観測され，おむつ内を確認したところ，排便があった。 謝 また，スパイク状の信号が見られているが，これは通 信の文字化けによるものであることが分かっており， 辞 本研究の遂行に当たり，助言を頂いた金沢大学大 学院助教授北川章夫氏に，無線システムの構築に協 今後，除去する必要がある。 他の 3 名のデータも同様に温度上昇が観測され，排 便が確認できたことから，本開発システムが排便検知 に応用可能であることが示唆された。 力 頂 い た 金 沢 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 有 賀 健 太 氏 (現 富 士 通 ㈱ )に 感 謝 し ま す 。 また，臨床試験や排便位置調査に助言並びに協力 頂 い た 金 沢 大 学 医 学 部 助 手 紺 家 千 津 子 氏 ， (社 )浅 の ４．結 言 川千木病院看護部長田端恵子氏に謝意を表します。 使い捨て温度センサ及び無線による排便検知シス テムを試作し，臨床試験を行った。その結果，十分 参考文献 な温度分解能を持ち，排便検知に応用可能なシステ 1) 筒 口 善 央 ， 米 澤 保 人 ， 山 田 有 河 ． 排 便 検 知 シ ス テ ムであることが確認できた。しかし、今回の臨床試 ム の 開 発 . 石 川 県 工 業 試 験 場 研 究 報 告 . Vol.10, No. 験では，排尿時のデータが得られなかったため，排 49, 2000, p.5-10. 便との区別のためには，今後さらに臨床データの収 集が必要である。 2) 国 立 天 文 台 編 . 理 科 年 表 .東 京 ． 丸 善 ． 1999, p.482.
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