JP2012217566A - 熱流監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱中症の危険を、簡易な装置で判定して、利用者や周囲、通信網に通知する熱流監視装置を提供する。
【解決手段】熱流監視装置は、少なくとも２個以上の温度相関量検出部１，２と、温度相関量検出部１，２を内蔵した筐体と、温度相関量検出部１，２からの信号によって使用者人体の皮膚上の熱流を判定する判定部３と、判定部３からの信号によって、利用者及び周囲に通知を行う通知部４と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱流を監視する装置に関する。

炎天下のスポーツや労働時には熱中症の危険がある。最近では、屋内における熱中症事例も増加している。２０１０年５月３１日〜９月２６日までの熱中症救急搬送患者は全国で５６０６４人にのぼり、１７１人が死亡している（総務省調べ）。熱中症の予防には、各個人が熱中症を発症する状況を初期段階で知り、適切に対処することが重要である。そのために、身体に対する負荷が低く長時間装着可能であり、一般に普及できるだけの低コストな熱中症予防機器が望まれる。

熱中症を予防する機器として、特許文献１ではＧＰＳからの位置情報をもとに、ユーザーの現在位置での気象データなどの環境状態（温度・湿度）と利用者の体温、血圧、水分量などから熱中症の危険を判定し、警告を行う装置が開示されている。

また特許文献２では、利用者が身につける装置で温度と湿度を測定し、熱中症の危険状態を判定し警告を行う、又は、該装置に加えて、さらに装置により測定する体表面温度や利用者が入力する生体データを利用して熱中症の危険状態を判定し、警告を行う装置が開示されている。

特許文献３では、利用者の健常時に予め体温あるいは体温と相関のある利用者の身体温度やその他生体情報を、１日から１ヶ月分測定・記憶しておき、該測定データと利用時の測定温度を比較することで体調の変化を察知し、例えば熱中症の兆候を警告する装置が開示されている。特許文献３の開示において、外耳道内に測温部を挿入する方法は深部体温を測定するものであるが、それ以外の衣服内で測定する方法は、深部体温と相関のある身体温度を測定するものである。

特許文献４では、体表面温度と外気温から深部体温を算出し、該深部体温を主とする生体信号から得られる情報をもとに熱中症の危険を判断し、警告を行う装置が開示されている。

特許文献５では、使用者の平均体温や変動周期に基づいた人体モデルを利用し、皮膚温度や環境温度から計算した体温を主とする生体信号から得られる情報をもとに熱中症の危険を判断し、警告を行う装置が開示されている。

また、特許文献６では、小型で耳に装着可能な非接触鼓膜式体温計により、深部体温を測定し、該深部体温のデータを利用して熱中症の危険状態を判定し、警告を行う装置が開示されている。

特開２００５−３３４０２１号公報 特開２００９−３４２２３号公報 特開２００７−２２９０８０号公報 特表２００７−５３０１５４号公報 特開平８−７１０４６号公報 特開２０１０−１３１２０９号公報

しかし、上記特許文献１から５に開示される装置では、利用者の深部体温を測定することが必須であるが、上記特許文献１には具体的に該深部体温を求めるための方法が記載されておらず、上記特許文献２から５では、環境温度と利用者の皮膚温度を利用して深部体温を算出するとしている。

ここには２つの課題がある。ひとつは、環境温度と皮膚温度から深部体温を計算するためには、一般的に、複数個のセンサーを用いた温度データを用い、人体の熱モデルや多変量解析を用いる必要があり、構造やアルゴリズムが複雑になることである。もうひとつの課題は、体温測定に必要な温度センサーの誤差は±０．０５度と極めて小さく、一般的に、高精度な校正が必要となり、コストが高くなることである。

また、特許文献６においては、鼓膜の温度を非接触で測定するという構造上、測定箇所が限定されるため、利用状況が限られてしまう。さらに、非接触の温度センサーとして用いられるサーモパイルは、体温測定に必要な±０．０５度の精度を確保することが困難であり、一般的に、温度補償用に別途サーミスターが必要になるなど、コストが高くなる。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る熱流監視装置は、少なくとも２個以上の温度相関量検出部と、前記温度相関量検出部を内蔵した筐体と、前記温度相関量検出部からの信号によって使用者人体の皮膚上の熱流を判定する判定部と、前記判定部からの信号によって、利用者及び周囲に通知を行う通知部と、を有することを特徴とする。

本適用例によれば、温度によって物理量が変化する２個以上の温度相関量検出部を用いて、人体皮膚表面上と外気の間の熱流相当量の向きを測定することで、熱中症の危険を察知してこれを利用者に通知するものであり、温度センサーの高精度な校正が必要なく、深部体温を高精度に測定する必要も無いことから、簡易な構造や、簡易なアルゴリズムで低コストな熱流監視装置を提供できる。これにより、使用者人体の皮膚上の熱流を検出することで、熱中症の危険を使用者及び周囲に通知することが可能となる。

［適用例２］上記適用例に記載の熱流監視装置において、前記判定部は、前記温度相関量検出部からの出力信号による使用者人体の皮膚上の熱流の向きに基づき、判定をすることを特徴とする。

本適用例によれば、該熱流の向きを判定することによって、使用者の人体が通常の放熱状態にあるかどうかを、容易に判断することが可能となる。

［適用例３］上記適用例に記載の熱流監視装置において、前記判定部は、前記温度相関量検出部からの信号による使用者人体の皮膚上の熱流量の推移に基づき、判定をすることを特徴とする。

本適用例によれば、該熱流量の推移を測定することで、使用者の人体が通常の状態から、熱中症の危険のある状態に変化することを、精度よく判定することが可能となる。

［適用例４］本適用例に係る熱流監視装置は、少なくとも２個以上の温度相関量検出部と、前記少なくとも２個以上の温度相関量検出部を内蔵した筐体と、前記温度相関量検出部からの信号によって使用者人体の皮膚上の熱流を判定する判定部と、前記判定部からの信号によって、利用者及び周囲に通知を行う通知部と、前記判定部からの信号によって、通信回線網に通信を行う通信部と、を有することを特徴とする。

本適用例によれば、判定部の判定結果をその場でユーザーに知らせるだけでなく、インターネットや携帯電話などの通信回線網を利用して、家族、知人、医療従事者、安全見守り業者、介護施設などに知らせる通信部により利用者が対応できない状況においても、危険を回避することができる熱流監視装置を提供できる。これにより、使用者人体の皮膚上の熱流を検出することで、熱中症の危険を使用者及び周囲に通知するとともに、通信回線網を通して、家族、知人、医療従事者、安全見守り業者、介護施設などに、利用者の危険を通知することが可能となる。

［適用例５］上記適用例に記載の熱流監視装置において、前記筐体は、人体皮膚表面上に設置することを特徴とする。

本適用例によれば、利用者皮膚表面上からの熱流を正確に測定することにより、精度よく熱中症の危険を判定することが可能となる。

第１の実施例に係る熱流装置を示すブロック図。 第１の実施例に係る熱流監視装置の筐体構造図。 第１の実施例に係る熱流監視装置を示す回路図。 第１の実施例に係る熱流監視装置の危険時の熱流の状態を示す図。 第１の実施例に係る熱流監視装置の身体と筐体との関係を示す図。 第２の実施例に係る熱流監視装置を示す回路図。 第２の実施例に係る熱流監視装置の危険時の熱流の状態を示す図。 第２の実施例に係る熱流監視装置の身体及び筐体の温度変化を示す図。 第２の実施例に係る熱流監視装置の温度変化から得られる電圧変化を示す図。 第３の実施例に係る熱流監視装置の説明図。

（第１の実施例）
以下、本実施例を図１、図２、図３、図４、及び図５を参照して説明する。
図１は、本実施例に係る熱流装置を示すブロック図である。図１において、３０は熱流監視装置の全体構成を示し、１及び２は温度相関量検出部、３は熱流判定部（判定部）、４は通知部を表す。温度相関量検出部１，２は、熱流判定部３に接続され、熱流判定部３は通知部４に接続されている。温度相関量検出部１，２は、温度によって物理量が変化する特性を有する素子であれば足り、具体的にはサーミスターや熱電対、温度検出ダイオード、サーモパイルなどを用いることができる。

以下の説明において、同じ要素は同じ符号を用いることとする。

図２は、本実施例に係る熱流監視装置の筐体構造図である。図２（Ａ）に人体皮膚表面上に設置する筐体５の構造を示す。筐体５には図２（Ｂ）の筐体断面に示すように、少なくとも温度相関量検出部１，２が埋め込まれており、熱流判定部３及び通知部４を搭載することもできる。筐体５の材質はかぶれないなど人体との親和性がよく、ある程度の熱抵抗を持ったものを用いる。例えば筐体５として熱抵抗が０．０５（Ｗ／ｍ・Ｋ）で厚みが３ｍｍの医療用シリコンゴムを用いることができるが、筐体５の材質としては、シリコン以外にスポンジゴムや断熱材などを用いることができ、厚み及び熱抵抗も、温度相関量検出部１，２の出力の間に差が生じるものであれば良い。

図３は、本実施例に係る熱流監視装置を示す回路図である。ここでは温度相関量検出部１，２は、温度上昇により抵抗値が高くなるサーミスターを用いるとして説明する。温度相関量検出部１は抵抗７とサーミスター８とからなり、抵抗７とサーミスター８とは図示しない電源と接地との間に直列に接続されている。同様に、温度相関量検出部２は抵抗９とサーミスター１０とからなり、抵抗９とサーミスター１０とは電源と接地との間に直列に接続されている。また、具体的には、温度相関量を検出するために、該温度相関量を検出する場所、例えば図２の温度相関量検出部１，２の部分に埋め込むのは、温度相関量検出部全体ではなく、サーミスター素子のみとすることもできる。

熱流判定部３はコンパレーター１１で構成されている。通知部４はＮＭＯＳ１２とＬＥＤ１３とで構成されており、ＮＭＯＳ１２とＬＥＤ１３とは電源と接地間に直列に接続されている。

次に、当該回路図の接続方法を示す。温度相関量検出部１によって測定された温度と相関を持つ電圧信号とは抵抗７とサーミスター８との接続点から出力され、コンパレーター１１のプラス側の入力端子に入力される。温度相関量検出部２によって測定された温度と相関を持つ電圧信号とは抵抗９とサーミスター１０との接続点から出力され、コンパレーター１１のマイナス側の入力端子に入力される。コンパレーター１１の出力は、通知部４のＮＭＯＳ１２のゲートに入力される。

図４は、本実施例に係る熱流監視装置の危険時の熱流の状態を示す図であり、図５は、本実施例に係る熱流監視装置の身体と筐体との関係を示す図である。
加えて図４と図５とを参照して、本実施例の動作を説明する。図４において、人体１８断面の上部での、つまり皮膚表面１８ａでの熱流の大きさを矢印で表している。ここで、通常時の身体では上向きの矢印つまり放熱量が、下向きの矢印つまり吸熱量を上回っており、体内の深部体温部１９の温度を一定に保つように働くが、外気温が上昇したり、加えて湿度が高くなったりすると、最終的に図４のように吸熱量が放熱量を上回ることになり、深部体温部１９の温度が上昇する。

皮膚表面１８ａにおける熱交換の状況、すなわち熱流の状況を検出するために、図５のように、本実施例の筐体５を皮膚表面１８ａに設置する。筐体５中の温度相関量検出部１は外気側、温度相関量検出部２は皮膚側に配置されており、温度に比例した電圧を出力するものとする。通常時は温度相関量検出部２の出力電圧が温度相関量検出部１の出力電圧よりも高く、コンパレーター１１の出力はＬＯＷ（接地電圧）であるが、吸熱量が放熱量よりも大きくなると、温度相関量検出部２の出力電圧が温度相関量検出部１の出力電圧よりも低くなり、コンパレーター１１の出力電圧はＨＩ（電源電圧）へと変化する。コンパレーター１１の出力が接続されたＮＭＯＳ１２は、ゲートの電圧がＨＩになると電流を流すため、ＬＥＤ１３が点灯する。

このように熱流の向きが、放熱量＞吸熱量ではＬＥＤ１３が消灯、放熱量＜吸熱量ではＬＥＤ１３が点灯する。本実施例では通知部４としてＬＥＤを用いているが、ブザーやバイブレーションなど他の通知部を用いることもできる。

次に、本実施例を用いて熱中症を防止する概要を説明する。人体の熱収支の式は、以下で表される。
Ｍ＝Ｓ＋Ｅ＋Ｒ＋Ｃ・・・（１）
ここで、Ｍは発熱量、Ｓは蓄熱量（体温上昇）、Ｅは蒸発による放熱量、Ｒは放射による放熱量、Ｃは対流による放熱量である。

人体は体内で発生する熱量Ｍと体外へ放射する熱量Ｅ＋Ｒ＋Ｃとのバランスにより深部体温を一定に保とうとする。体温が上昇すると、体表面の血流が増え体表面からの熱の放射が増加し、さらに、汗の気化による放熱も行われる。

通常状態では、体内で生産される熱は絶えず外気に放出されており、体温は一定に保たれているが、外気温が高くなると放熱量が減少することにより発熱量が放熱量を上回り、体温が上昇する。この状態が長く続くと、熱中症などの症状が現れる。特に、梅雨から夏にかけては湿度が高くなることで放熱量が減少し、熱中症になりやすくなる。

本実施例では、利用者の皮膚表面上に筐体を貼り付けることで、皮膚表面と外気間の熱流の向きを検出し、吸熱量が放熱量を上回る場合に利用者にＬＥＤやブザーなどで通知を行い、危険であることを知らせる。

従来の方式では深部体温を正確に測定し、その値を利用者の体温トレンドなどと比較して判定処理することで、熱中症の危険を知らせるが、高精度な温度センサーは高精度な校正が必要であることから高コストである。さらに本質的な問題として深部体温を体表面から正確に測定することは困難であり、複数の測定部を用いるなど複雑なセンサー構造や深部体温算出アルゴリズムが必要となる。また、さらには外部環境などを測定するセンサーが必要となる。

本実施例は、温度によって物理量が変化する２個のセンサーのみを用いて、人体皮膚表面上と外気の間の熱流相当量の向きを測定することで、熱中症の危険を察知してこれを利用者に通知するものであり、温度センサーの高精度な校正が必要なく、深部体温を高精度に測定する必要も無いことから、簡易な構造や、簡易なアルゴリズムで低コストに製造することが可能となる。

（第２の実施例）
図６は、本実施例に係る熱流監視装置を示す回路図である。
以下、図６を参照して本実施例を説明する。以下、第１の実施例と同じ符号は、同じ要素を表すものとする。本実施例のブロック図は、第１の実施例を示す図１の構成と同様であり、説明は省略する。本実施例の筐体構造は、第１の実施例を示す図２の構成と同様であり、説明は省略する。

図６に示すように、ここでは温度相関量検出部１，２は、温度上昇により抵抗値が高くなるサーミスターを用いるものとして説明する。温度相関量検出部１は抵抗７とサーミスター８とからなり、抵抗７とサーミスター８とは図示しない電源と接地との間に直列に接続されている。同様に、温度相関量検出部２は抵抗９とサーミスター１０とからなり、抵抗９とサーミスター１０とは電源と接地との間に直列に接続されている。熱流判定部３はスイッチ１４、アナログデジタル変換器１５、ＣＰＵ１６、及びＲＡＭ１６ａで構成されている。通知部４は第１の実施例と同じ構成でもよいし、ブザーやバイブレーションなど他の通知部でも良い。

次に、当該回路図の接続方法を示す。温度相関量検出部１によって測定された温度と相関を持つ電圧信号とは抵抗７とサーミスター８との接続点から出力され、スイッチ１４の入力端子に入力される。温度相関量検出部２によって測定された温度と相関を持つ電圧信号とは抵抗９とサーミスター１０との接続点から出力され、スイッチ１４の入力端子に入力される。スイッチ１４で選択された信号は、アナログデジタル変換器１５の入力端子に入力される。アナログデジタル変換器１５の出力はＣＰＵ１６の入力端子に入力される。ＣＰＵ１６の出力は、通知部４を構成する回路１７の入力端子に入力される。また、ＣＰＵ１６はＲＡＭ１６ａと接続されている。

図７は、本実施例に係る熱流監視装置の危険時の熱流の状態を示す図である。
加えて図７を参照して、本実施例の動作を説明する。図７において、人体１８断面の上部での、つまり皮膚表面１８ａでの熱流の大きさを矢印で表している。ここで、通常時の身体では、図７中の左側の大きな上矢印で示すように、体内の発熱量と等しい放熱量があり、体内の深部体温部１９の温度を一定に保つように働くが、外気温が上昇したり、加えて湿度が高くなったりすると、図７中の右側の小さな上矢印のように放熱量が減少し、深部体温部１９の温度が上昇する。

皮膚表面１８ａにおける熱交換の状況、すなわち熱流の状況を検出するために、図５のように、本実施例の筐体５を皮膚表面１８ａに設置する。筐体５中の温度相関量検出部１は外気側、温度相関量検出部２は皮膚側に配置されており、温度に比例した電圧を出力するものとする。

図６に示すように、温度相関量検出部１，２から出力される電圧を、スイッチ１４を切り替えることで、アナログデジタル変換器１５に取り込む。スイッチ１４を切り替えるタイミングは、アナログデジタル変換器１５のサンプリング速度以下とする。

アナログデジタル変換器１５で、デジタル信号に変換された、温度相関量検出部１，２から出力された電圧値は、ＣＰＵ１６で処理され、ＲＡＭ１６ａに記録される。ＣＰＵ１６は、記録された電圧値の推移を解析し、危険を判定し、通知部４へ出力する。

次に、本実施例を用いて熱中症を防止する概要を説明する。人体の熱収支及び人体の熱バランスの説明は第１の実施例と同様であるので省略する。

本実施例では、利用者の皮膚表面上に筐体を貼り付けることで、皮膚表面と外気間の熱流相当量を測定し、該熱流熱相当量の推移を検出し、該熱流相当量の推移が危険であると判断された場合、に利用者に通知を行い、危険であることを知らせる。

さらに詳細を、図５、図６、図７、図８、及び図９を参照して表す。

本実施例の熱流監視装置３２として、図５に示すように、筐体５を皮膚表面１８ａに設置する。図５中の温度相関量検出部１の温度を図８中の温度Ｔａとし、図５中の温度相関量検出部２の温度を図８中の温度Ｔｂとし、図５中の深部体温部１９の温度を図８中の温度Ｔｃとする。

図８は、本実施例に係る熱流監視装置の身体及び筐体の温度変化を示す図である。
図８は、各温度の時間的推移を表しており、横軸は経過時間、縦軸は温度である。図８は、外気温が高く、時間の経過とともに人体の深部温度Ｔｃが高くなってゆく場合を示している。時間ｔ１以前の状態では、各温度がほぼ一定であり、つまり、皮膚表面１８ａからの放熱量もほぼ一定である。時間ｔ１以後、温度Ｔａが高くなるに従い、ＴｂとＴｃの温度も上昇する。外気温が低い場合は、Ｔａの温度が低く保たれるため、Ｔｂ―Ｔａに比例する放熱量が高く、結果としてＴｃの温度が抑えられるが、図８の時間ｔ１以降の状態として例示するように、外気温が高く放熱しにくい場合、Ｔａの温度が上昇することから、Ｔｂ−Ｔａに比例する放熱量が少なく、結果としてＴｃの温度が上昇する。この状態が続くと熱中症を起こす危険が増加する。

つまり、Ｔｂ−Ｔａに比例する物理量である熱流を監視することで、熱中症の危険を判断できる。

図９は、本実施例に係る熱流監視装置の温度変化から得られる電圧変化を示す図である。
次に図９を用いて、本実施例の動作について説明する。図９は、図６の温度相関量検出部１，２の出力電圧をそれぞれＶａ、Ｖｂで表したグラフであり、横軸は経過時間、縦軸は電圧である。また図９は図８の温度変化と対応している。電圧Ｖａと電圧Ｖｂとは、時間ｔ１以前ではほぼ一定であるが、時間ｔ１以後は温度に比例して増加する。Ｖｂ−ＶａはＴｂ−Ｔａに比例した量である。つまり、Ｖｂ−Ｖａは皮膚表面からの放熱量に比例している。図８から分かるように、温度が上昇しているにもかかわらず、Ｔｂ−Ｔａの変化が無いか、少ない場合、深部温度Ｔｃが上昇している可能性が高い。これをＶｂ−Ｖａの推移をモニターすることにより検出することができる。電圧Ｖｂ及び電圧Ｖａが上昇している状態で、一定の時間が経過し、さらにＶｂ―Ｖａにほぼ変化が無い場合、例えば時間ｔｅ点で警告を発する。

これらの処理は、アナログデジタル変換器１５で電圧Ｖｂ及び電圧Ｖａを取り込めば、ＣＰＵを用いて簡単なアルゴリズムで実現可能であり、ＲＡＭ１６ａを用いることで、熱流相当量の推移を記録し、これを判定に用いることができる。また、経過時間を設定したり警告にいたる温度上昇の度合いなどを調整したりすることもできる。

本実施例では、第１の実施例に対して、熱流の向きだけでなく熱流量の推移を検出することから、より高精度な熱中症予防が可能である。回路構成はやや複雑になり、判定アルゴリズムが必要となるが、体温測定のように、高精度な温度が必要では無く、また、深部体温を高精度に測定する必要も無いことから、従来例に比べて、回路構成、アルゴリズムは簡易で足り、容易に実現できる。

（第３の実施例）
図１０は、本実施例に係る熱流監視装置の説明図である。
以下本実施例を図１０を参照して説明する。図１０において、温度相関量検出部１，２、熱流判定部３、通知部４の構成と接続は第１及び第２の実施例と同じであるので説明を省略する。３４は熱流監視装置の全体構成を示し、２０は通信部を表す。通信部２０は、熱流判定部３の判定結果をその場でユーザーに知らせるだけでなく、インターネットや携帯電話などの通信回線網２１を利用して、家族、知人、医療従事者、安全見守り業者、介護施設などに知らせる。通信部２０により利用者が対応できない状況においても、危険を回避することができる。通信回線網２１の例としてインターネットや携帯電話以外にも、無線ＬＡＮや微弱無線、特小無線など様々な無線ネットワークを利用することもできる。

１，２…温度相関量検出部 ３…熱流判定部（判定部） ４…通知部 ５…筐体 ７…抵抗 ８…サーミスター ９…抵抗 １０…サーミスター １１…コンパレーター １２…ＮＭＯＳ １３…ＬＥＤ １４…スイッチ １５…アナログデジタル変換器 １６…ＣＰＵ １６ａ…ＲＡＭ １７…回路 １８…人体 １８ａ…皮膚表面 １９…深部体温部 ２０…通信部 ２１…通信回線網 ３０，３２，３４‥熱流監視装置。

Claims (5)

1. 少なくとも２個以上の温度相関量検出部と、
   前記温度相関量検出部を内蔵した筐体と、
   前記温度相関量検出部からの信号によって使用者人体の皮膚上の熱流を判定する判定部と、
   前記判定部からの信号によって、利用者及び周囲に通知を行う通知部と、
   を有することを特徴とする熱流監視装置。
2. 前記判定部は、前記温度相関量検出部からの出力信号による使用者人体の皮膚上の熱流の向きに基づき、判定をすることを特徴とする、請求項１記載の熱流監視装置。
3. 前記判定部は、前記温度相関量検出部からの信号による使用者人体の皮膚上の熱流量の推移に基づき、判定をすることを特徴とする、請求項１記載の熱流監視装置。
4. 少なくとも２個以上の温度相関量検出部と、
   前記少なくとも２個以上の温度相関量検出部を内蔵した筐体と、
   前記温度相関量検出部からの信号によって使用者人体の皮膚上の熱流を判定する判定部と、
   前記判定部からの信号によって、利用者及び周囲に通知を行う通知部と、
   前記判定部からの信号によって、通信回線網に通信を行う通信部と、
   を有することを特徴とする熱流監視装置。
5. 前記筐体は、人体皮膚表面上に設置することを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の熱流監視装置。