JP2023070518A - 生体の深部体温測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】高精度で、かつ自己および通信機能のための電源を供給できる、簡単な構成からなるウェアラブル可能な生体の深部体温測定システムを提供する。【解決手段】生体の深部体温測定システムは、プリント基板２と、プリント基板２に搭載され、複数のｐ型熱電素子チップ５３及びｎ型熱電素子チップ５４が交互に直列接続された熱電変換モジュール４と、プリント基板に搭載された温度センサ６とを備え、プリント基板を生体表面に接触させて配置し、熱電変換モジュールにおける起電力、及び温度センサで測定された生体の表面温度を測定することにより、生体の深部体温を測定する。【選択図】図１

Description

本発明は、生体の深部体温の測定システムに関する。

近年、熱中症予防の観点から、通常の体温（皮膚直下の温度）だけでなく、生体の深部体温の測定の重要性が指摘されている。さらに、測定したデータを医療機関に通信することも重要である。そのため、測定、通信だけでなく、それらを駆動する電源もウェアラブル化する必要がある。

ウェアラブル・デバイスを駆動する電源として、従来は、小型電池が検討されている。しかしながら、電池の交換コストが大きな課題になっており、生体の発熱を活かしたエネルギー・ハーベスティング技術による自立電源の開発要望も強い。

特許文献１に、２組の熱流検出系を備えた深部体温計が開示されている。図６は、特許文献１に開示された深部体温計の構成を示した断面図である。図６に示すように、深部体温計１００は、被検体からの熱が入力され、第１熱流と第２熱流とを分流して流出する熱入力端子１０１を備え、第１入力側温度センサ１０２と第１出力側温度センサ１０３とを用いて、第１熱流を測定し、第２入力側温度センサ１０５と第２出力側温度センサ１０６とを用いて、第２熱流を測定する。熱入力端子１０１と第１入力側温度センサ１０２との間には、第１熱抵抗体１０８が設けられ、熱入力端子１０１と第２入力側温度センサ１０５との間には、第２熱抵抗体１０９が設けられている。深部体温は、被検体から流出する第１熱流と第２熱流とに基づいて測定される。

特表２０１６－１８５９０５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された深部体温計では、積層体に埋め込まれた４個の温度センサが必要であるため、構成が複雑となり、また、深部体温計と通信手段を駆動する電源が充電池であるため、ウェアラブル・デバイスとして、大きな課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その主な目的は、高精度で、かつ自己および通信機能のための電源を供給できる、簡単な構成からなるウェアラブル可能な生体の深部体温計測システムを提供することにある。

本発明に係る生体の深部体温測定システムは、プリント基板と、プリント基板に搭載され、複数のｐ型熱電素子チップ及びｎ型熱電素子チップが交互に直列接続された熱電変換モジュールと、プリント基板に搭載された温度センサとを備え、プリント基板を生体表面に接触させて配置し、熱電変換モジュールにおける起電力、及び温度センサで測定された生体の表面温度を測定することにより、生体の深部体温を測定することを特徴とする。

本発明に係る他の生体の深部体温測定システムは、プリント基板と、プリント基板に搭載され、複数のｐ型熱電素子チップ及びｎ型熱電素子チップが交互に直列接続された２個の熱電変換モジュールと、プリント基板に搭載され、各熱電変換モジュールの近傍に配置された２個の温度センサとを備え、プリント基板を生体表面に接触させて配置し、各温度センサで測定された生体の表面温度、大気側の温度、及び各熱電変換モジュールの生体に接触する面と大気側の面との間の熱抵抗を測定することにより、生体の深部温度を測定することを特徴とする。

本発明によれば、高精度で、かつ自己および通信機能のための電源を供給できる、簡単な構成からなるウェアラブル可能な生体の深部体温測定システムを提供することができる。

本発明の一実施形態における深部体温測定システムの構成を模式的に示した原理図である。 本発明の一実施形態における熱電変換モジュールの構成図である。 本発明の一実施形態における熱電変換モジュールの他の構成図である。 本発明の他の実施形態における深部体温測定システムの構成を模式的に示した原理図である。 本発明の深部体温測定システムのブロック構成の一例の図である。 従来の深部体温計の構成を示した断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で適宜変更は可能である。

図１は、本発明の一実施形態における生体の深部体温測定システムの構成を模式的に示した原理図である。図１に示すように、プリント基板２上に実装された熱電変換モジュール４が、生体表面１に接して配置される。熱電変換モジュール４の一部は、温度センサ６として用いる。また、熱電変換モジュール４の周りには、低放射断熱材１１が設けられている。

図２は、熱電変換モジュール４の構成の一例を示した図である。

図２に示すように、熱電変換モジュール４は、プリント基板５１（２）上の配線ランド５２に、ｐ型熱電素子チップ５３、ｎ型熱電素子チップ５４が実装され、上部配線基板５５に形成されている上部接続配線５６により、交互に直列接続されている。熱電変換モジュール４は、生体表面に接するプリント基板５１の底面の温度と、上部配線基板５５の外側の環境温度（Ｔａ）との温度差で発電でき、その電力は、電源取出し電極５７aと５７bから取出すことができる。

また、熱電変換モジュール４は、図中の最上部の一列を、温度センサ６として用いる。すなわち、電源取出し電極５７aと温度センサ用取出し電極５７ｃの間の起電力、あるいは、抵抗、好ましくは交流ＡＣ抵抗の温度依存性により、プリント基板５１の底面の温度、すなわち、プリント基板５１の底面と接する皮膚温度を測ることができる。

なお、ここでは、熱電変換モジュール４の一部を皮膚温度の測定に用いているが、通常のサーミスタ、熱電対、白金抵抗温度センサ等を用いてもよい。この場合、薄いシート状の熱電対等を用いて、皮膚と熱電変換モジュール４の間に挿入すると、比較的正確に皮膚温度が測定できる。なお、熱流が変化して、測定誤差が大きくならないよう、皮膚と熱電変換モジュール４との接触をよくすることが好ましい。

また、図３に示すように、温度センサ６として、サーミスタチップ５９をプリント基板５１に実装しても良い。これにより、製作プロセスが簡単になり、生体への装着も簡単になる。

また、プリント基板５１は、熱伝導率が大きい材料からなり、また、その厚みは薄いことが好ましい。これにより、熱抵抗が小さくなり、皮膚温度をより正確に測定することができる。また、プリント基板５１は、フレキシブルであることが好ましい。これにより、生体表面のような、曲面で、変形しやすいところに、より密着して装着することができる。

図１に示した深部体温測定システムにおいて、熱電変換モジュール４の周りには低放射断熱材１１が設けられているので、生体深部（温度：Ｔｘ）からの熱流Ｑは、熱電変換モジュール４を通って外部に放出される。従って、［深部温度（Ｔｘ）－表面（皮膚）温度（Ｔ１）］は、熱流Ｑに比例する。また、熱電変換モジュール４の熱起電力は、熱流Ｑに比例する。従って、［深部温度（Ｔｘ）－表面（皮膚）温度（Ｔ１）］は、熱電変換モジュール４の熱起電力（Ｖ）に比例し、以下の式（１）が成立する。

Ｔｘ－Ｔ１＝ａ×Ｖ＋ｂ・・・（１）
ここで、定数ａ、ｂは、深部温度計での実測値を用いて、実験的に求めることができる。また、表面（皮膚）温度（Ｔ１）は、温度センサ６により測定することができる。

上記の式（１）に基づいて、熱電変換モジュール４の熱起電力（Ｖ）と、表面（皮膚）温度（Ｔ１）とを測定することにより、生体の深部温度（Ｔｘ）を求めることができる。

（他の実施形態）
図４は、他の実施形態における生体の深部体温測定システムの構成を模式的に示した原理図である。図４に示すように、プリント基板２上に２つの熱電変換モジュール４、５が搭載されている。熱電変換モジュール４、５の周りには、低放射断熱材１１が設けられているので、生体深部（温度Ｔｘ）からの熱流Ｑ_１、Ｑ_２は、それぞれ、熱電変換モジュール４、５を通って外部に放出される。熱流Ｑ_１、Ｑ_２において、生体内の熱抵抗をＲ_１、Ｒ_２、熱電変換モジュール４、５の熱抵抗をＲ_Ｍ１、Ｒ_Ｍ２とすると、以下の式（２）、（３）が成り立つ。なお、熱抵抗Ｒ_Ｍ１、Ｒ_Ｍ２は、熱電変換モジュール４、５の生体に接触する面と大気側の面との間の熱抵抗である。

Ｑ_１＝（Ｔ１－Ｔａ）／Ｒ_Ｍ１＝（Ｔｘ－Ｔ１）／Ｒ_１ ・・・（２）
Ｑ_２＝（Ｔ２－Ｔａ）／Ｒ_Ｍ２＝（Ｔｘ－Ｔ２）／Ｒ_２ ・・・（３）
ここで、Ｔａは、熱電変換モジュール４、５の外側の環境温度、Ｔ１は、熱電変換モジュール４近傍の表面（皮膚）温度、Ｔ２は、熱電変換モジュール５近傍の表面（皮膚）温度である。なお、表面（皮膚）温度Ｔ１、Ｔ２は、それぞれ、熱電変換モジュール４、５の近傍に配置された温度センサ６、７によって測定される。

熱電変換モジュール４、５の構成及び面積が同じであれば、Ｒ_１≒Ｒ_２と考えるため、上記の式（２）、（３）は、２つの未知数（Ｔｘ、Ｒ_１（≒Ｒ_２））からなる連立方程式となる。従って、式（２）、（３）に基づいて、表面（皮膚）温度（Ｔ１、Ｔ２）、大気側の温度Ｔａ、及び熱電変換モジュール４、５の熱抵抗をＲ_Ｍ１、Ｒ_Ｍ２を、それぞれ測定することにより、生体の深部温度（Ｔｘ）を求めることができる。

なお、熱電変換モジュール４、５の熱抵抗Ｒ_Ｍ１、Ｒ_Ｍ２が同じになると、Ｔ１＝Ｔ２となり、上記の２つの式（２）、（３）は同じになるため、Ｒ_Ｍ１、Ｒ_Ｍ２は異なるものである必要がある。熱電変換モジュール４、５の熱抵抗Ｒ_Ｍ１、Ｒ_Ｍ２は、熱電素子チップ５３、５４の部分が大きく占めるため、熱抵抗Ｒ_Ｍ１、Ｒ_Ｍ２が異なるようにするためには、熱電素子チップ５３、５４の高さ（Ｈ）（図２を参照）を変えるのが簡便である。あるいは、熱電変換モジュールを複数枚重ねて熱抵抗を変えてもよい。

本実施形態において、２つの熱電変換モジュール４、５は、共通のプリント基板５１に搭載されていることが好ましい。これにより、製作プロセスが簡単になり、生体への装着も簡単になる。

図５は、深部体温測定システムのブロック構成図である。図５に示すように、深部体温測定システムは、各温度センサ６、７及び環境温度センサ８の信号を受け、深部体温を演算する処理装置３１、及び、演算したデータを送信する無線通信装置３２を備えている。また、熱電変換モジュール４、５の発電出力を、処理装置３１及び無線通信装置３２の電源として供給するためのＤＣ－ＤＣコンバータ３３を備えている。

熱電変換モジュール４、５の一部を、温度センサ６、７として用いた場合、起電力から温度に換算する際、起電力が小さいため、電圧増幅アンプ３４、３５を設けることが好ましい。なお、交流ＡＣ抵抗値からの換算値を用いる場合には、電圧増幅アンプ３４、３５は不要であり、処理装置３１にその機能を持たせればよい。

なお、図５では、２つの熱電変換モジュール４、５を示したが、勿論、図１に示したように、熱電変換モジュール４は１つであってもよい。

１ 生体表面
２ プリント基板
４、５ 熱電変換モジュール
６、７ 温度センサ
８ 環境温度センサ
１１ 低放射断熱材
３１ 処理装置
３２ 無線通信装置
３３ ＤＣ－ＤＣコンバータ
３４、３５ 電圧増幅アンプ
５１ プリント基板
５２ 配線ランド
５３ ｐ型熱電素子チップ
５４ ｎ型熱電素子チップ
５５ 上部配線基板
５６ 上部接続配線
５７ａ、５７ｂ、５７ｃ 電極
５９ サーミスタチップ

Claims (10)

1. プリント基板と、
   前記プリント基板に搭載され、複数のｐ型熱電素子チップ及びｎ型熱電素子チップが交互に直列接続された熱電変換モジュールと、
   前記プリント基板に搭載された温度センサと
   を備え、
   前記プリント基板を生体表面に接触させて配置し、前記熱電変換モジュールにおける起電力、及び前記温度センサで測定された生体の表面温度を測定することにより、生体の深部体温を測定する、生体の深部体温測定システム。
2. プリント基板と、
   前記プリント基板に搭載され、複数のｐ型熱電素子チップ及びｎ型熱電素子チップが交互に直列接続された２つ熱電変換モジュールと、
   前記プリント基板に搭載され、前記各熱電変換モジュールの近傍に配置された２つの温度センサと
   を備え、
   前記プリント基板を生体表面に接触させて配置し、前記各温度センサで測定された生体の表面温度、大気側の温度、及び前記各熱電変換モジュールの前記生体に接触する面と大気側の面との間の熱抵抗を測定することにより、生体の深部温度を測定する、生体の深部体温測定システム。
3. 前記各熱電変換モジュールの熱抵抗は、互いに異なる、請求項２に記載の生体の深部体温測定システム。
4. 前記熱電変換モジュールは、体温と外気温との温度差で発電する、請求項１～３の何れかに記載の生体の深部体温測定システム。
5. 前記熱電変換モジュールで発電された電力は、通信機能を含む深部体温計測システムの電源に用いられる、請求項１～４の何れかに記載の生体の深部体温測定システム。
6. 前記熱電変換モジュールの一部分が、交流抵抗値から換算される温度センサとして使われる、請求項１～５の何れかに記載の生体の深部体温測定システム。
7. 前記２つの熱電変換モジュールの底面の面積が同じである、請求項２～６の何れかに記載の生体の深部体温測定システム。
8. 前記２つの熱電変換モジュールのプリント基板が共通である、請求項２～７の何れかに記載の生体の深部体温測定システム。
9. 前記２つの熱電変換モジュールは、前記熱電素子チップの高さが異なる、または複数の熱電変換モジュールを重ねることで熱抵抗が互いに異なっている、請求項３に記載の生体の深部体温測定システム。
10. 前記熱電変換モジュールの周囲が、低放射断熱材で囲まれている、請求項１～９の何れかに記載の生体の深部体温測定システム。

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