JP2017120224A - 内部温度測定装置、リスト装着型装置及び内部温度測定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明を適用した内部温度測定装置の例として、人体の内部体温を測定する内部温度測定装置について説明する。
図1〜図3は、本実施形態における内部温度測定装置10の構成例を示す図であって、図1が正面図、図2が上面図、図3が側面図に相当する。
内部温度測定装置10は、内部温度の測定機能を有したリスト装着型装置であり、被検者の手首2に装着されるウェアラブルコンピューターである。
図4は、本実施形態における内部温度測定の測定原理について説明する為の図であって、被測定体(本実施形態では手首2)に内部温度測定装置10を装着した状態の断面図と、内部温度分布のグラフとを示している。
生体の熱モデルを記述する生体熱伝導方程式として、四肢などの測定部位の形状を円柱とし、この円柱の熱伝導方程式に部位組織の代謝による産熱と、部位の中にある動脈血液から部位組織への熱流入の項と、を加えたものを考えることができる。これに基づき、生体の熱現象を定常状態とみなすと、生体熱伝導方程式は円柱座標系を用いて式(1)のように記述することができる。
θar[℃]:動脈血温度
r[m]:円柱座標系における中心軸からの距離
λ[W/(m・k)]:組織の熱伝導率
M[W/m3]:代謝による産熱量
K[W/(m3・K)]:血液流熱比例定数
cb[J/(kg・K)]:血液の定圧比熱
wb[m3/(m3・s)]:単位体積当たりの血流量
k:比例定数
そして、温度分布θ(r)を表面温度θ(R)とすると式(4)となる。
式(4)を距離rで微分し、組織の熱伝導率λを積算すると式(12)のように熱流束分布を求めることができる。
図5は、本実施形態の内部温度測定装置10における処理の流れを説明するためのフローチャートである。当該処理の流れは、制御基板30のCPU31がICメモリー32に記憶されている所定のプログラムを読み出して実行することにより実装される。なお、制御基板30は内部クロックを利用して、現在日時を計時しているものとする。
なお、内部温度測定装置10は、別途、記憶されている被測定体の厚さ「2R」の値をリセットするリセット操作を受付可能とする。
次に、本発明を適用した第2実施形態について説明する。
本実施形態は、基本的には第1実施形態と同様に実現されるが、装置の構造と、センサーモジュールの配置、及び内部温度の算出過程において違いがある。なお、以降では、主に第1実施形態との差異について述べることとし、第1実施形態と同様の構成要素には第1実施形態と同じ符号を付与して説明は省略するものとする。
内部温度測定装置10Bは、弧状の甲側測定部12Uと弧状の掌側測定部12Dとが、互いの凹部を対向させるように配置され、それらの対向する端部同士が第1伸縮部14L又は第2伸縮部14Rで連結されている。これにより、内部温度測定装置10Bは全体として正面視環状を成している。
掌側測定部12Dは、第2センサーモジュール70Bと、第4センサーモジュール70Dとを備える。
第1センサーモジュール70Aと第2センサーモジュール70Bは、第1のセンサー部ペアを構成して、第1の内部位置に位置する橈骨動脈7を挟む位置関係に配置されている。そして、第1センサーモジュール70Aは、第1表面温度θaと第1熱流束φqaとを測定し、第2センサーモジュール70Bは、第2表面温度θbと第2熱流束φqbとを測定する。
第3センサーモジュール70Cと第4センサーモジュール70Dは、第2のセンサー部ペアを構成して、第2の内部位置に位置する尺骨動脈6を挟む位置関係に配置されている。そして、第3センサーモジュール70Cは、第3表面温度θcと第3熱流束φqcとを測定し、第4センサーモジュール70Dは、第4表面温度θdと第4熱流束φqdとを測定する。
次に、本発明を適用した第3実施形態について説明する。
本実施形態は、基本的には第1実施形態と同様に実現されるが、装置の構造と、センサーモジュールの配置、及び内部温度の算出過程において違いがある。なお、以降では、主に第1実施形態との差異について述べることとし、第1実施形態と同様の構成要素には第1実施形態と同じ符号を付与して説明は省略するものとする。
内部温度測定装置10Cは、基本的には第1実施形態の内部温度測定装置10と比べると第2センサーモジュール70Bが省略されている。
第1実施形態では、内部温度測定装置10を手首に嵌めたままにしておけば、自動的に内部温度が測定され記憶された。しかし本実施形態では、ユーザーが内部温度測定タイミングの都度、第1センサーモジュール70Aの被測定体に対する相対的な配置位置を変更するように内部温度測定装置10Cの装着姿勢の反転作業をする。
すなわち、第2実施形態において掌側測定部12Dへの第2センサーモジュール70B及び第4センサーモジュール70Dの搭載を省略する。そして、ステップS32では第1センサーモジュール70Aと第3センサーモジュール70Cとのそれぞれで測定を実行し、ステップS34では第1センサーモジュール70Aによる測定結果を第1表面温度θa及び第1熱流束φqaとし、第3センサーモジュール70Cによる測定結果を第3表面温度θc及び第3熱流束φqcとして記憶する。ステップS38では、再び第1センサーモジュール70Aと第3センサーモジュール70Cとのそれぞれで測定を実行し、ステップS34では第1センサーモジュール70Aによる測定結果を第4表面温度θd及び第4熱流束φqdとし、第3センサーモジュール70Cによる測定結果を第2表面温度θb及び第2熱流束φqbとして記憶する。そして、ステップS44では、第2実施形態と同様にして、第1表面温度θa・第1熱流束φqa・第2表面温度θb・第2熱流束φqbから第1の暫定内部温度を算出し、第3表面温度θc・第3熱流束φqc・第4表面温度θd・第4熱流束φqdから第2の暫定内部温度を算出する。そして、これらから最終的な内部温度を算出する構成とすればよい。
次に、本発明を適用した第4実施形態について説明する。
本実施形態は、基本的には第1実施形態と同様に実現されるが、内部温度の算出を外部装置で行う点が異なる。なお、以降では、主に第1実施形態との差異について述べることとし、第1実施形態と同様の構成要素には第1実施形態と同じ符号を付与して説明は省略するものとする。
装着機器11と、本体装置1500は互いに通信を確立する(ステップS2〜S4)。
通信が確立されると、本体装置1500がステップS10〜S16を実行する一方、装着機器11は、第1センサーモジュール70A及び第2センサーモジュール70Bによる表面温度と熱流束の測定を開始し(ステップS32)、本体装置1500への測定データの送信を開始する(ステップS34)。なお、データの送信は新たな測定値が得られる都度、逐一送信する方式でも良いし、一定期間分をICメモリー32に記憶してまとめて送信する方式でもよい。
以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、適宜構成要素の追加・省略・変更をすることができる。
例えば、上記実施形態のセンサーモジュールには、温度センサー80と熱流センサー82とを搭載する構成であったが、図13に示すように、熱流センサー82に代えて、温度センサー80よりも被測定体から離れた位置に第2の温度センサー84を搭載し、温度センサー80で測定した温度θin(被測定体の表面温度)と、第2の温度センサー84で測定した温度θoutとから、式(19)で熱流束φqを算出する構成としてもよい。
勿論、この場合も、センサーモジュールが温度と熱流束とを測定することは同じである。
また、上記実施形態に、内部温度θ(0)に基づいて基礎代謝を算出する機能を付加することができる。具体的には、人の体温は約37℃に保たれているが、一般に人の活動する環境の外気温は20℃〜28℃程度と体温より低い。このため、人の体温と環境温度には温度差があり、人から環境にはつねに熱が放出されている。この熱放出に対し、人体は体温を維持するために熱産生を行っている。この体温を維持するための熱産生分の代謝を基礎代謝と言う。このことから、基礎代謝を測定するには人体から外環境に放出される熱量を測定すればよいことになる。
φq[W/m2]:熱流束
BSA[m2]:体表面積
また、内部温度分布関数θ(r)の求め方は、上記実施形態の例に限らず適宜設定可能である。例えば、変形ベッセル関数を用いて求めるとしてもよい。
具体的には、式(1)は温度に関する微分方程式であり、この微分方程式を解くことで生体内の組織の温度を求めることができる。より具体的には、式(1)式の変数に関して、動脈血温度θarは体温(=約37℃)とほぼ等しいことが知られている。また、組織の代謝による産熱Mもほぼ変動しない。よって、この2つを定数a及び定数bとしておくと式(1)の解は変形ベッセル関数を用いて式(25)で表すことができる。
a(=K)[W/(m3・K)]:血液流熱比例定数
b(=M+Kθar)[W/m3]:産熱定数
I0:0次の第1種変形ベッセル関数
K0:0次の第2種変形ベッセル関数
C1,C2:未知定数
θ(r)[℃]:距離rにおける温度
λ[W/(m・K)]:組織の熱伝導率
I1:1次の第1種変形ベッセル関数
K1:1次の第2種変形ベッセル関数
すなわち、血液流熱比例定数a(=K)は、血液密度ρbと、定圧比熱Cbと、単位体積当たりの血流量wbとの積で表すことができることからも分かるように血流量に比例する。そして、皮膚の単位体積当たりの血流量wbと皮膚温度は相関関係にある事が知られており、皮膚温度を測定することで皮膚の単位体積当たりの血流量wbを、予め測定された図15に示す対応表から演算することができる。そして、対応表から求めた単位体積当たりの血流量wbを用いて、血液流熱比例定数a[W/(m3・K)]=ρb×Cb×wbで求めることができる。
また、内部温度分布関数θ(r)の求め方は、上記実施形態の例に限らず適宜設定可能である。例えば、円柱座標系の円柱軸からの距離についての多項式に近似させることで求めるとしてもよい。
また、上記実施形態では、被測定体に装着する部分を、1つの測定部12と伸縮部14で構成するか、又は、2つの甲側測定部12U及び掌側測定部12Dと2つの伸縮部14で構成したが、これらの構成に限らない。例えば図16に示す内部温度測定装置10Eのように、巻き回し部分(第1実施形態の測定部12及び伸縮部14に相当する部位)を、腕時計の金属バンド製のコマのように、複数のリンク46の連結により実現してもよい。この場合、複数のリンク46のなかから、略対向する位置にあるリンク46に、第1センサーモジュール70Aと第2センサーモジュール70Bとを設ける構成とすることができる。
また更には、被測定体の装着部分の長さ調整をユーザー自らが調整できる構成であれば伸縮部14を省略することもできる。例えば、図17に示す内部温度測定装置10Fのように、ベルト長を細かく調整できる弾性樹脂製ベルト47R,47Lに、第1センサーモジュール70A又は第2センサーモジュール70Bを設ける構成も可能である。
また、上記実施形態では、測定に使用するセンサーモジュールは予め決まっているが、多数のセンサーモジュールの中から測定に適したペアを選択する構成も可能である。
例えば、図18に示すように、内部温度測定装置10Gに、被測定体の表面に内部位置を囲むように、3以上の複数のセンサーモジュール70G1,70G2,…を周状に配置する。図18の例は、時計型の内部温度測定装置を想定しているので、巻き回し部分を腕時計の金属バンド製のコマのように複数のリンク46の連結により実現し、リンク46別にセンサーモジュール70G1,70G2,…70G14を搭載する。勿論、搭載するセンサーモジュールの数は図示の例に限らず適宜設定可能である。また、第1実施形態や第2実施形態をベースとするならば、甲側測定部12U及び掌側測定部14Dにそれぞれ複数のセンサーモジュールを搭載する構成としてもよい。
すなわち、以下の手順を実行する。内部温度測定装置10Gは、ステップS60に次いで、センサーモジュール70G1,70G2,…70G14の中から候補ペアを作成し、作成した候補ペア毎に被測定体の厚さ「2R」が記録されているか確認する(ステップS61)。もし、記憶されていなければ(ステップS61のNO)、被測定体の厚さ「2R」の入力の受付処理を実行し(ステップS62)、入力された値を被測定体の厚さ「2R」として記憶する(ステップS63)。次に、候補ペア毎に、内部温度の算出を開始する(ステップS67)。次いで、候補ペア別の内部温度を候補値として、当該候補値のうちから所定条件(当該構成では最大となる)を満たす候補値を最終的な内部温度として記録する処理を開始する(ステップS68)。
Claims (12)
- 被測定体の一方側面側の一方側温度及び一方側熱流束と、前記被測定体の他方側面側の他方側温度及び他方側熱流束とを取得する取得部と、
前記一方側温度、前記一方側熱流束、前記他方側温度および前記他方側熱流束を用いて前記被測定体の内部温度を演算する演算部と、
を備えた内部温度測定装置。 - 前記被測定体の前記一方側面側に前記一方側温度及び前記一方側熱流束を測定するための一方側センサー部と、前記被測定体の前記他方側面側に前記他方側温度及び前記他方側熱流束を測定するための他方側センサー部とを有する測定部を更に備え、
前記取得部は、前記一方側センサー部と前記他方側センサー部とによる測定結果を取得する、
請求項1に記載の内部温度測定装置。 - 前記一方側センサー部は複数の温度センサーを有し、
前記他方側センサー部は複数の温度センサーを有し、
前記取得部は、前記一方側センサー部で測定された複数の温度から前記一方側熱流を取得し、前記他方側センサー部で測定された複数の温度から前記他方側熱流を取得する、
請求項2に記載の内部温度測定装置。 - 前記測定部は、
前記被測定体の第1の内部位置を挟むようにして設けられた第1のセンサー部ペアと、
前記被測定体の第2の内部位置を挟むようにして設けられた第2のセンサー部ペアと、
を有し、
前記演算部は、前記第1のセンサー部ペアによる測定結果を用いて第1の内部温度を推定し、前記第2のセンサー部ペアによる測定結果を用いて第2の内部温度を推定し、前記第1の内部温度及び前記第2の内部温度を用いて最終的な前記内部温度を決定する、
請求項2又は3に記載の内部温度測定装置。 - 前記被測定体の表面を囲むように周状に配置される、温度及び熱流束を測定するためのN個(N≧3)のセンサー部を有する測定部を更に備え、
前記取得部は、前記N個のセンサー部のうちから前記一方側面側のセンサー部と前記他方側面側のセンサー部との組み合わせでなる複数のセンサー部ペアを選択して、各センサー部ペアによる測定結果を取得し、
前記演算部は、前記センサー部ペア毎に、前記取得部により取得された当該センサー部ペアの測定結果を用いて前記内部温度の候補を推定し、当該候補のうちから所定条件を満たす候補を最終的な前記内部温度として決定する、
請求項1〜3の何れか一項に記載の内部温度測定装置。 - 温度及び熱流束を測定するためのセンサー部を、前記一方側面側及び前記他方側面側に配置変更可能に備え、
前記取得部は、前記センサー部が前記一方側面側に配置されたときの測定結果を前記一方側温度及び前記一方側熱流束として取得し、前記他方側面側に配置されたときの測定結果を前記他方側温度及び前記他方側熱流束として取得する、
請求項1〜3の何れか一項に記載の内部温度測定装置。 - 前記演算部は、前記被測定体の中の温度を示す所定の温度分布を用いて前記被測定体の内部温度を演算する、
請求項1〜6の何れか一項に記載の内部温度測定装置。 - 前記温度分布は、前記被測定体の内部温度を温度ピークとするN次関数(N≧2)で表された、
請求項1〜7の何れか一項に記載の内部温度測定装置。 - 前記被測定体は人体の四肢であり、
前記演算部は、更に、前記一方側熱流束及び前記他方側熱流束を用いて基礎代謝を演算する、
請求項1〜8の何れか一項に記載の内部温度測定装置。 - 前記被測定体は人体の四肢であり、
前記測定部は、環状形状を有して前記四肢に装着される装着機器に内蔵されており、
前記取得部及び前記演算部は、本体装置に内蔵されており、
前記装着機器と前記本体装置とが通信接続されて構成された、
請求項2〜9の何れか一項に記載の内部温度測定装置。 - 請求項1〜10の何れか一項に記載の内部温度測定装置を具備し、前記被測定体を人体の手首とし、環状形状を有して前記手首に装着されるリスト装着型装置。
- コンピューターによる演算処理によって被測定体の内部温度を測定する方法であって、
前記被測定体の一方側面側の一方側温度及び一方側熱流束と、前記被測定体の他方側面側の他方側温度及び他方側熱流束とを取得することと、
前記一方側温度、前記一方側熱流束、前記他方側温度および前記他方側熱流束を用いて前記被測定体の内部温度を演算することと、
を含む内部温度測定方法。
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