JP6675552B2 - Deep body temperature estimation device, method and program - Google Patents
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Description
本発明は、負荷変動する運動下での深部体温を推定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for estimating a core body temperature under a load-varying exercise.
近年、高齢者の屋内における熱中症や、クラブ活動などのスポーツ中の熱中症の発生が問題となっている。暑熱環境や高負荷の運動により人の身体深部の体温(深部体温)は上昇するが、通常、人体は体温の過度な上昇を防ぐために発汗や皮膚への血液供給などの体温調節機能より熱を体外へ放出する。しかしながら、初夏など暑さに慣れていない場合や高齢者は体温調節機能が不十分であることもしばしばあり、こういった場合に熱中症の発症リスクが高まる。そのため、深部体温を把握し、空調の調整や給水を行うことが熱中症の予防に効果的である。一般に深部体温を計測するためには直腸や鼓膜などの部位の温度を計測する必要があるが、日常生活や運動中における継続的な計測は困難である。そのため、深部体温の参考値として腋窩温度や口腔温度を計測することが一般的であるが,これらの部位の検温のためには安静条件が必須である。 BACKGROUND ART In recent years, the occurrence of heat stroke indoors of elderly people and heat stroke during sports such as club activities has become a problem. The body temperature (deep body temperature) in the deep part of a person's body rises due to the heat environment or heavy exercise, but the body usually uses heat from body temperature regulation functions such as sweating and blood supply to the skin to prevent the body temperature from rising excessively. Release to the body. However, those who are not accustomed to the heat, such as early summer, and the elderly often have insufficient thermoregulatory functions, which increases the risk of developing heat stroke. Therefore, grasping the core body temperature, adjusting the air conditioning and supplying water are effective in preventing heat stroke. Generally, in order to measure the core body temperature, it is necessary to measure the temperature of a site such as the rectum and the eardrum, but it is difficult to continuously measure the temperature in daily life and during exercise. For this reason, it is common to measure the axillary temperature and the oral cavity temperature as a reference value of the core body temperature, but resting conditions are indispensable for the temperature measurement of these sites.
一方、直腸や鼓膜温以外の深部体温の計測(推定)を行う製品として、経口カプセル式の深部体温センサ、ヘッドマウント式の額温度センサ、額貼り付け式の深部体温センサなどが存在する。しかしながら、経口式のセンサでは受信機や使い捨てカプセルに伴うコストが問題であり、ヘッドマウント式のセンサでは風や日射の影響下において深部体温の推定精度が低下することが懸念される。また、額貼り付け式のセンサは医療用であり、運動中の使用を想定していない。以上のように、運動中に利用可能かつ低コストな深部体温センサは存在しない。 On the other hand, as products for measuring (estimating) deep body temperature other than rectum and eardrum temperature, there are an oral capsule-type deep body temperature sensor, a head-mounted type forehead temperature sensor, a forehead pasting-type deep body temperature sensor, and the like. However, the cost associated with the receiver and the disposable capsule is a problem with the oral sensor, and the estimation accuracy of the core body temperature under the influence of wind and solar radiation may be reduced with the head-mounted sensor. In addition, the forehead type sensor is for medical use and is not intended for use during exercise. As described above, there is no low-cost core temperature sensor available during exercise.
ところで、運動中の深部体温を推定するものとして、例えばGaggeの2ノードモデルが知られている(非特許文献1)。すなわち、運動中に装着可能なウェアラブルセンサ、および環境に設置したセンサから得られた計測値をGaggeの2ノードモデルに適用することで運動中の深部体温を推定する。Gaggeの2ノードモデルは人体の熱の産生、体内の熱移動、体外への熱放出を物理的にシミュレーションすることが可能である。さらに、2ノードモデルの精度向上のため6種類の個人差パラメータを適用する手法が提案されている(非特許文献2)。この手法では、発汗、皮膚血流増加の2つの体温調節機能をパラメータ化し、7点の皮膚温、および直腸温度の120分間の計測に基づき個人差パラメータを最適化することによるモデルの推定精度の向上が報告されている。しかしながら、パラメータの調整のため120分間の安静状態が必要であり、ユーザの負担が大きい。また、運動中に合計8点の温度を計測することは困難であり、適用範囲が安静状態に限られる。 Incidentally, for example, a two-node model of Gagge is known as a device for estimating the core body temperature during exercise (Non-Patent Document 1). That is, the body temperature during exercise is estimated by applying the measured values obtained from the wearable sensor that can be worn during exercise and the sensor installed in the environment to the two-node model of Gagge. Gagge's two-node model can physically simulate the production of heat, heat transfer inside the body, and heat release outside the body. Furthermore, a method of applying six types of individual difference parameters to improve the accuracy of the two-node model has been proposed (Non-Patent Document 2). In this method, the estimation accuracy of the model is estimated by parameterizing the two thermoregulatory functions of sweating and increasing skin blood flow, and optimizing the individual difference parameters based on the measurements of seven points of skin temperature and rectal temperature for 120 minutes. Improvements have been reported. However, a 120-minute resting state is required for adjusting the parameters, which imposes a heavy burden on the user. Further, it is difficult to measure a total of eight temperatures during exercise, and the applicable range is limited to a resting state.
また、非特許文献1以外にも、人体の体温変化を評価するため、体内の熱産生、体内の熱移動、および体外との熱交換を物理的に定式化したモデルがこれまでにいくつか提案されている(非特許文献3,4)。非特許文献3は、25ノードモデルで、左右腕、左右脚、胴体、頭の6部位に人体を分割し、さらに各部位を深部、筋肉、脂肪、皮膚の4層に分割している。以上の24部位に血流を加えた25部位で熱計算を行う。非特許文献4は、65ノードモデルで、さらに詳細な分割により詳細な部位ごとの体温変化をシミュレートすることが可能である。分割数の多いモデルでは、より高精度な生体反応が再現可能である一方で、入力すべき情報が多いという課題がある。 In addition to Non-Patent Document 1, several models that physically formulate heat production in the body, heat transfer in the body, and heat exchange with the outside of the body have been proposed so far in order to evaluate changes in human body temperature. (Non-Patent Documents 3 and 4). Non-Patent Document 3 describes a 25-node model in which a human body is divided into six parts, that is, left and right arms, left and right legs, a torso, and a head, and each part is further divided into four layers: deep, muscle, fat, and skin. The heat calculation is performed at 25 sites obtained by adding the blood flow to the 24 sites. Non-Patent Document 4 is a 65-node model, and it is possible to simulate a detailed body temperature change for each part by more detailed division. In a model with a large number of divisions, while a more accurate biological reaction can be reproduced, there is a problem that there is much information to be input.
かかる課題に対し、発明者等はこれまでにウェアラブルセンサを用いた、運動中に適用可能な個人差パラメータの調整方式を提案した(非特許文献5,6)。この提案方式では3,200通りの個人差パラメータにおける体表温度のシミュレーションに対し、ウェアラブルセンサから得られた実測の体表温度に最もマッチするパラメータを発見することでパラメータの調整を行う。この方式により、40分程度の体表温度のモニタリングによりモデルの推定精度を高められることを確認している。 In order to solve this problem, the inventors have proposed a method of adjusting individual difference parameters that can be applied during exercise using a wearable sensor (Non-Patent Documents 5 and 6). In this proposed method, for the simulation of body surface temperature with 3,200 individual difference parameters, the parameters are adjusted by finding the parameter that best matches the measured body surface temperature obtained from the wearable sensor. It has been confirmed that this method can improve the estimation accuracy of the model by monitoring the body surface temperature for about 40 minutes.
しかしながら、非特許文献5,6に示す、体表温度に基づくパラメータ調整方式では、負荷変動する運動に対してパラメータ調整が困難であることが明らかになった。 However, it has been clarified that the parameter adjustment method based on body surface temperature shown in Non-Patent Documents 5 and 6 makes it difficult to adjust parameters for a load-varying exercise.
そこで、発明者らは、実際のスポーツ環境その他を想定し、ウォーミングアップに関連しての深部体温の断片的な計測に基づいて、負荷変動する運動に対して適用可能なパラメータ組を選出する手法を考案した。さらに、運動開始直後や休憩開始直後といった過渡期における発汗や血流の反応を再現する、熱移動の遅延を考慮した遅延パラメータも含めてモデルに適用した。 Therefore, the present inventors assumed a real sports environment and the like, and based on the fragmentary measurement of the core body temperature related to warm-up, a method of selecting a parameter set applicable to exercise with load fluctuations. Devised. In addition, the model was applied to the model, including a delay parameter that considers the delay of heat transfer, which reproduces the response of sweating and blood flow in the transition period such as immediately after the start of exercise or immediately after the start of a break.
従って、本発明は、休憩なども含めて負荷が変動する運動に対しても深部体温の推定精度を向上できる深部体温推定装置、その方法及びプログラムを提供するものである。 Accordingly, the present invention provides a deep body temperature estimating device, a method and a program thereof, which can improve the accuracy of estimating the deep body temperature even for exercise in which the load fluctuates including a break.
本発明に係る深部体温推定装置は、生体温熱モデルを用いて、センサでの測定に基づいて取得された深部での熱産生から、体内の熱移動及び体外との熱交換を熱収支計算式で繰り返し計算することによって、運動中における深部体温を推定する深部体温推定装置において、複数種類でかつ各々について複数の値が準備された個人差パラメータと、前記熱移動及び前記熱交換に対して各々複数の遅延値が準備された遅延パラメータとを設定し、かつ測定した初期深部体温と初期皮膚温とを入力して、ウォーミングアップ段階で全てのパラメータの組合せを前記熱収支計算式に適用して並列計算させるウォーミングアップ並列演算手段と、ウォーミングアップ終了時に測定した深部体温と前記並列計算の各結果とを比較して最適のパラメータ組を選出する選出手段と、前記最適のパラメータ組を適用して前記熱収支計算式を実行し、前記深部体温を算出するモニタ演算手段とを備えたものである。 The deep body temperature estimating apparatus according to the present invention uses a living body heat model, and calculates heat transfer in the body and heat exchange with the outside of the body by a heat balance calculation formula from heat production in the deep part obtained based on the measurement by the sensor. In the deep body temperature estimating apparatus for estimating the deep body temperature during exercise by repeatedly calculating, individual difference parameters in which a plurality of types and a plurality of values are prepared for each, and a plurality of individual difference parameters for the heat transfer and the heat exchange, respectively. The delay value is set to the prepared delay parameter, and the measured initial core body temperature and the initial skin temperature are input, and a combination of all the parameters is applied to the heat balance calculation formula in the warm-up stage in parallel calculation. Warm-up parallel operation means to be performed, and compare the deep body temperature measured at the end of the warm-up with each result of the parallel calculation to determine an optimal parameter set. And selecting means for output, by applying the parameter set of the optimal running the heat balance equation, in which a monitor calculation means for calculating the core temperature.
また、本発明に係る深部体温推定方法は、生体温熱モデルを用いて、センサでの測定に基づいて取得された深部での熱産生から、体内の熱移動及び体外との熱交換を熱収支計算式で繰り返し計算することによって、運動中における深部体温を推定する深部体温推定方法において、複数種類でかつ各々について複数の値が準備された個人差パラメータと、前記熱移動及び前記熱交換に対して各々複数の遅延値が準備された遅延パラメータとを設定し、かつ測定した初期深部体温と初期皮膚温とを入力して、ウォーミングアップ段階で全てのパラメータの組合せを前記熱収支計算式に適用して並列計算させるウォーミングアップ並列演算工程と、ウォーミングアップ終了時に測定した深部体温と前記並列計算の各結果とを比較して最適のパラメータ組を選出する選出工程と、前記最適のパラメータ組を適用して前記熱収支計算式を実行し、前記深部体温を算出するモニタ演算工程とを備えたものである。 Further, the method for estimating a core body temperature according to the present invention uses a body temperature model to calculate heat transfer in the body and heat exchange with the outside of the body from heat production in the deep part obtained based on the measurement by the sensor. By repeatedly calculating in the formula, in the core body temperature estimation method of estimating the core body temperature during exercise, a plurality of types and individual difference parameters prepared for a plurality of values for each, for the heat transfer and the heat exchange A plurality of delay values each set a prepared delay parameter, and input the measured initial core body temperature and the initial skin temperature, apply the combination of all parameters to the heat balance calculation formula in the warm-up stage. The warming-up parallel operation step for performing the parallel calculation, and comparing the deep body temperature measured at the end of the warming-up with each result of the parallel calculation to determine the optimal parameters. A selection step of selecting a set, by applying the parameter set of the optimal running the heat balance equation, in which a monitor calculating step of calculating the core temperature.
本発明に係るプログラムは、生体温熱モデルを用い、コンピュータによって、センサでの測定に基づいて取得された深部での熱産生から体内の熱移動及び体外との熱交換を熱収支計算式で繰り返し計算することによって、運動中における深部体温を推定するプログラムにおいて、複数種類でかつ各々について複数の値が準備された個人差パラメータと、前記熱移動及び前記熱交換に対して各々複数の遅延値が準備された遅延パラメータとを設定し、かつ測定した初期深部体温と初期皮膚温とを入力して、ウォーミングアップ段階で全てのパラメータの組合せを前記熱収支計算式に適用して並列計算させるウォーミングアップ並列演算手段、ウォーミングアップ終了時に測定した深部体温と前記並列計算の各結果とを比較して最適のパラメータ組を選出する選出手段、および前記最適のパラメータ組を適用して前記熱収支計算式を実行し、前記深部体温を算出するモニタ演算手段、として前記コンピュータを機能させるものである。 The program according to the present invention uses a living body heat model, and by a computer, repeatedly calculates heat transfer in the body and heat exchange with the outside from the heat production in the deep part obtained based on the measurement by the sensor using a heat balance calculation formula. By doing so, in a program for estimating core body temperature during exercise, a plurality of types of individual difference parameters are prepared for each, and a plurality of delay values are prepared for the heat transfer and the heat exchange. Warming-up parallel computing means for setting the set delay parameters and inputting the measured initial core body temperature and initial skin temperature, and applying a combination of all parameters to the heat balance calculation formula in the warming-up stage to perform parallel calculations. , Comparing the core body temperature measured at the end of the warm-up with each result of the parallel calculation and the optimal parameters Selecting means for selecting a and the by applying the optimal set of parameters to perform the heat balance equation, a monitor calculation means for calculating the core temperature, in which causes the computer to function as.
これらの発明によれば、ウォーミングアップ期間を利用して、深部体温の推定値と真値との比較評価を行って、遅延パラメータを含む多数の個人差パラメータの組合せから最適のパラメータ組を選出するようにしたので、その後の運動中の深部体温の推定において、運動時点での各状況が反映され、推定精度が向上する。また、遅延パラメータを採用し、かつ運動時点での各状況が同様に反映されるので、負荷変動のある運動や休憩を含む場合でもより推定精度が向上する。 According to these inventions, by using the warm-up period, the estimated value and the true value of the core body temperature are compared and evaluated, and the optimal parameter set is selected from a combination of a large number of individual difference parameters including the delay parameter. Therefore, in the subsequent estimation of the core body temperature during exercise, each situation at the time of exercise is reflected, and the estimation accuracy is improved. In addition, since the delay parameter is adopted and each situation at the time of the exercise is similarly reflected, the estimation accuracy is further improved even when the exercise or the rest with the load fluctuation is included.
また、心拍数情報から熱産生情報を算出する計算手段を備え、前記センサは、人体に装着され、心拍数を測定して、前記計算手段に出力するものであることを特徴とする。この構成によれば、ユーザは心拍数を測定するセンサを装着するだけでよいため、運動への支障が小さい。 In addition, there is provided calculation means for calculating heat production information from heart rate information, wherein the sensor is mounted on a human body, measures a heart rate, and outputs the measured heart rate to the calculation means. According to this configuration, since the user only needs to wear the sensor for measuring the heart rate, there is little hindrance to the exercise.
また、前記センサは、測定結果を無線で前記計算手段に送信するものであることを特徴とする。この構成によれば、センサは深部体温推定装置とは切り離して使用されるので、ユーザの運動に影響しない。 Further, the sensor transmits the measurement result to the calculation means wirelessly. According to this configuration, since the sensor is used separately from the deep body temperature estimation device, it does not affect the user's exercise.
また、前記モニタ演算手段で算出された深部体温が、所定レベルを超えた場合、警告を発する警告部を備えたことを特徴とする。この構成によれば、実測に最も近いパラメータ組を選択して実際の反応を再現するので、精度の高い予測警告が可能となる。 Further, the core body temperature that is calculated by the monitor Starring Santé stage, if it exceeds a predetermined level, characterized by comprising a warning unit for issuing a warning. According to this configuration, since the parameter set closest to the actual measurement is selected to reproduce the actual reaction, a highly accurate prediction warning can be performed.
本発明によれば、休憩なども含めて負荷が変動する運動に対しても深部体温の推定精度を向上できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the estimation accuracy of core body temperature can be improved also with respect to the exercise | movement whose load fluctuates including a break.
(1.提案手法の概要)
まず、生体温熱モデルによる体温シミュレーションについて説明する。
(1. Outline of the proposed method)
First, a body temperature simulation using a body temperature model will be described.
図1に、生体温熱モデルの一実施形態として適用されるGaggeの2ノードモデルの概要を示す。2ノードモデルでは人体を球とみなし、内側の深部層coreと外側の皮膚層skinの2層で人体を表す。2ノードモデルでは、深部層core、皮膚層skin、および外気の間の熱移動を逐次的に計算し、深部体温(深部層coreの温度)と皮膚温(皮膚層skinの温度)をシミュレーションする。シミュレーションは、運動開始前(ウォーミングアップ前)に計測した深部体温、および皮膚温を初期値として設定し、その後、人体に装着可能なウェアラブルセンサ20(図5参照)で計測した心拍数と、環境センサ12(図5参照)で計測した気温、湿度などとをモデルに入力し、単位時間あたりの熱計算を繰り返すことで深部体温及び皮膚温の内、少なくとも深部温度の時間変化を推定するようにしたものである。この計算の際には、体重、皮膚の総面積、運動種、衣服の熱抵抗を与えることが好ましい。 FIG. 1 shows an outline of a two-node model of Gagge applied as an embodiment of a living body thermal model. In the two-node model, the human body is regarded as a sphere, and the human body is represented by two layers, an inner deep layer core and an outer skin layer skin. In the two-node model, heat transfer between the deep layer core, the skin layer skin, and the outside air is sequentially calculated, and the deep body temperature (the temperature of the deep layer core) and the skin temperature (the temperature of the skin layer skin) are simulated. In the simulation, the deep body temperature and skin temperature measured before the start of exercise (before warming up) are set as initial values, and thereafter, the heart rate measured by the wearable sensor 20 (see FIG. 5) that can be worn on the human body, and the environmental sensor The temperature, humidity, and the like measured in Step 12 (see FIG. 5) are input to the model, and heat calculation per unit time is repeated to estimate at least the temporal change of at least the core temperature among the core body temperature and skin temperature. Things. In this calculation, it is preferable to give the weight, the total skin area, the exercise type, and the thermal resistance of the clothes.
2ノードモデルは、最も単純な生体温熱モデルであるが、6種類の個人差パラメータを最適化することで高精度な深部体温の推定が可能である(非特許文献2)。すなわち、2ノードモデルでは、基準となる深部体温及び皮膚温からの体温の上昇度合いに応じて発汗量、皮膚血流量が増加するが、さらに個人差を考慮するため発汗量、皮膚血流増加量の増減度合いを表す係数をモデル式に組み込んでいる。そして、この個人差パラメータにより、従来の2ノードモデルを用いる場合よりも深部体温の推定精度が向上することが報告されている。 Although the two-node model is the simplest biological heat model, it is possible to estimate the core body temperature with high accuracy by optimizing six types of individual difference parameters (Non-Patent Document 2). That is, in the two-node model, the amount of sweating and the amount of skin blood flow increase in accordance with the rise in body temperature from the reference core body temperature and skin temperature, but the amount of sweating and the amount of increase in skin blood flow also take into account individual differences. A coefficient that represents the degree of increase or decrease in is incorporated into the model formula. It is reported that the individual difference parameter improves the estimation accuracy of the core body temperature as compared with the case where the conventional two-node model is used.
本発明に係る深部体温推定装置1(図5参照)も同様に、個人差パラメータを実測の深部体温に基づき調整することにより深部体温推定精度の向上を図る。深部体温推定装置1は、運動(各種のスポーツの他、日常及び現場での各種作業などを含めてもよい。)中のユーザ(体温監視対象者)の深部体温を推定するため、運動中に、身体に装着可能なウェアラブルセンサ20より代謝量を、環境に設置した環境センサ12より気温、湿度(少なくとも気温)をそれぞれ取得し、モデルに逐次入力として与える。さらに、運動の種類によって代謝量のうち体外へ仕事として放出されるエネルギーが異なるため、入力部11(図5参照)を介して仕事として使用されるエネルギーの割合(外的仕事率)を運動種ごとに与える。また、熱の発生や放出はユーザの身体の体重、皮膚の総面積に比例して増減するため、入力部11を介して、運動開始前にユーザの体重と皮膚総面積をモデルに与える。加えて、深部体温、皮膚温の推定の初期値とし、例えば赤外線式の鼓膜温度計である深部体温センサ31(図5参照)より取得した深部体温、ならびにウェアラブルセンサ20より取得した皮膚温の実測値を2ノードモデルに与える。なお、ウェアラブルセンサ20が温度計を装備している態様では、この温度計を利用して皮膚温を測定し、測定結果を通信部201(図5参照)を介してモデルに送信する態様でもよいが、これに代えて体温計で温度測定し、入力部11から入力する態様でもよい。 Similarly, the deep body temperature estimating apparatus 1 (see FIG. 5) according to the present invention improves the deep body temperature estimation accuracy by adjusting the individual difference parameter based on the actually measured deep body temperature. The deep body temperature estimating apparatus 1 estimates the deep body temperature of a user (body to be monitored for body temperature) during exercise (in addition to various sports, various daily and on-site work may be included). The metabolic rate is acquired from the wearable sensor 20 that can be worn on the body, and the temperature and humidity (at least the temperature) are acquired from the environment sensor 12 installed in the environment, and are sequentially input to the model. Further, since the energy released as work out of the body among the metabolic amounts varies depending on the type of exercise, the ratio of the energy used for work (external power) via the input unit 11 (see FIG. 5) is determined as the exercise type. Give each. Further, since the generation and release of heat increase and decrease in proportion to the body weight of the user's body and the total area of the skin, the user's weight and the total skin area are given to the model via the input unit 11 before the start of exercise. In addition, as the initial values for estimating the core body temperature and skin temperature, actual measurement of the core body temperature obtained from the core body temperature sensor 31 (see FIG. 5), which is an infrared type eardrum thermometer, and the skin temperature obtained from the wearable sensor 20 Give the value to the two-node model. Note that, in a mode in which the wearable sensor 20 is equipped with a thermometer, a mode in which the skin temperature is measured using the thermometer and the measurement result is transmitted to the model via the communication unit 201 (see FIG. 5) may be used. Alternatively, a mode in which the temperature is measured by a thermometer and input from the input unit 11 may be used.
さらに個人差パラメータ調整のため、ウォーミングアップ終了時や休憩時に深部体温センサ31により深部体温を計測する。計測した深部体温に対し、実測とシミュレーションの誤差を最も小さくするパラメータ組を選択する。この方式により、運動中に深部体温を常時計測する必要なく個人差やその日のコンディションを反映したパラメータを決定することが可能である。 Further, for adjusting individual difference parameters, the core body temperature sensor 31 measures the core body temperature at the end of the warm-up or at the time of a break. For the measured core body temperature, a parameter set that minimizes the error between the actual measurement and the simulation is selected. With this method, it is possible to determine parameters that reflect individual differences and the condition of the day without having to constantly measure the core body temperature during exercise.
以降、2章ではGaggeの2ノードモデル、および個人差パラメータ調整方式について説明し、3章では想定シナリオにおけるモデルへの入力方法、個人差パラメータ調整方法を具体的に説明する。4章では、図5〜図7を参照して、深部体温推定装置1の機能構成とその処理を説明する。さらに5章では2ノードモデルをスポーツ環境に適応させるために行ったモデル式の改良について述べる。そして、6章では実験を行い、そのデータに基づく評価を行う。 Hereinafter, Chapter 2 describes a two-node model of Gagge and an individual difference parameter adjustment method, and Chapter 3 specifically describes an input method to a model and an individual difference parameter adjustment method in an assumed scenario. In Chapter 4, the functional configuration and processing of the core body temperature estimation device 1 will be described with reference to FIGS. Chapter 5 describes the improvement of the model formula that was made to adapt the two-node model to the sports environment. Then, in Chapter 6, an experiment is performed and an evaluation based on the data is performed.
(2.Gaggeの2ノードモデル)
(概要)
2ノードモデルでは時刻tからt+1への体温変化を、時刻tにおける深部体温Tcore t、皮膚温Tskin t、および時刻tに得られたウェアラブルセンサ20からの入力値により、各層と外気間の熱交換を計算することにより、時刻tにおける深部体温Tcore t、皮膚温Tskin tの変化量ΔTcore t、ΔTskin tをそれぞれ得る。得られた変化量に基づき、時刻t+1の体温を次式(A)により計算する。
(2. Gagge 2-node model)
(Overview)
The temperature change from time t to t + 1 is a two-node model, core temperature T core t at time t, the input value from the wearable sensor 20 obtained at the skin temperature T skin t, and time t, the layers with the outside air by calculating the heat exchange between obtain core temperature T core t at time t, skin temperature T skin t of variation [Delta] T core t, the [Delta] T skin t respectively. Based on the obtained change amount, the body temperature at time t + 1 is calculated by the following equation (A).
以上の計算を時刻0から時刻t-1まで繰り返すことにより、時刻tまでの深部体温、皮膚層の推定系列Tcore t、Tskin tを得る。初期値Tcore 0、Tskin 0はそれぞれ運動前に計測した実測値を入力する。以降では、時刻tにおける熱収支計算方法を説明するため時刻を表すtを省略する。 By repeating the above calculation from time 0 to time t−1, the core body temperature and skin layer estimated series T core t and T skin t up to time t are obtained. As the initial values T core 0 and T skin 0 , actual measured values measured before exercise are input. Hereinafter, t representing time is omitted to explain the heat balance calculation method at time t.
(深部層における熱計算) (Heat calculation in deep layer)
表1は、深部層における熱計算式を表す。深部層では代謝により熱が発生し、その熱が伝導、血流により皮膚層へ伝搬したり、呼吸や運動(仕事)により体外へ放出される過程を表中の式により再現している。深部体温の変化量ΔTcoreは熱収支Qcore、深部層の質量mcore、比熱ccoreを用いて、表1中の式(a)により計算する。さらに、式(b)で示す通り、深部層の熱収支Qcore は、総代謝量M、外的仕事W、呼吸による熱損失qres、皮膚層への伝導熱qcond、および血流によって皮膚層へ運ばれる熱qbloの合計で計算する。通常、運動時は、代謝量が熱放出を上回るためQcoreは正の値となるが、休憩時などは負の値となり、式(a)より体温が低下する。なお、式(c)から式(f)で示すそれぞれの熱計算式の詳細は知られている(非特許文献1)。各計算式では表2に示す定数を用いる。 Table 1 shows a thermal calculation formula in the deep layer. In the deeper layer, heat is generated by metabolism, the heat is transmitted to the skin layer by conduction and blood flow, and the process of being released outside the body by respiration and exercise (work) is reproduced by the formulas in the table. The core body temperature change amount ΔT core is calculated by the equation (a) in Table 1 using the heat balance Q core , the deep layer mass m core , and the specific heat c core . Further, as shown in equation (b), the heat balance Q core of the deep layer is determined by the total metabolism M, the external work W, the heat loss q res due to respiration, the heat conduction q cond to the skin layer, and the blood flow to the skin. Calculated as the sum of the heat q blo delivered to the layer. Normally, during exercise, the metabolic amount exceeds heat release, so Q core has a positive value. However, at the time of a break or the like, the core value has a negative value, and the body temperature decreases from the equation (a). The details of the respective heat calculation formulas represented by the formulas (c) to (f) are known (Non-Patent Document 1). Each calculation formula uses the constants shown in Table 2.
(皮膚層における熱計算)
表3に皮膚層の熱計算式を示す。皮膚層では深部層と異なり熱の発生は起こらず、深部層から受け取った熱を放出する過程を計算している。深部層から直接伝導、および血流によって伝わった熱qcond、qbloは、皮膚表面での発汗qrsw、水分蒸発qdiff、空気との熱交換qconv、熱放射qradによって空気中へ放出される。以上の熱収支Qskinは、表3中の式(h)によって得られる。皮膚層での熱収支Qskinに基づき、皮膚層の質量mskin、比熱ccoreより皮膚温の変化量ΔTskinを得る(式(g))。なお、個別の計算式は知られている(非特許文献1)。
(Calculation of heat in the skin layer)
Table 3 shows the formula for calculating the heat of the skin layer. Unlike the deep layer, no heat is generated in the skin layer, and the process of releasing the heat received from the deep layer is calculated. The heat q cond and q blo transmitted directly from the deep layer and transmitted by the blood flow are released into the air by sweating q rsw on the skin surface, water evaporation q diff , heat exchange with air q conv , and heat radiation q rad . Is done. The above heat balance Q skin is obtained by equation (h) in Table 3. Based on the heat balance Q skin in the skin layer, the skin temperature change amount ΔT skin is obtained from the skin layer mass m skin and the specific heat c core (equation (g)). Note that individual calculation formulas are known (Non-Patent Document 1).
(可変パラメータを用いた個人差の考慮)
2ノードモデルでは深部体温や皮膚温の上昇に伴い、血流量や発汗量を増加させ体外への熱放出を行う(表1の式(f)、表3の式(k))。これらの体温調節反応は基準となる体温との偏差によって増減する。これにより、体温が上昇するにつれ発汗量や皮膚血流量が増加するという人体の反応を再現する。この体温調節反応式にさらに個人差を反映するパラメータを組み込むことで、より正確な体温変化の再現が可能である。個人差パラメータを組み込んだ発汗量、皮膚血流量の計算式を、式(B)に示す。
(Consideration of individual differences using variable parameters)
In the two-node model, as the core body temperature and skin temperature rise, the blood flow and the amount of perspiration are increased to release heat outside the body (Equation (f) in Table 1 and Equation (k) in Table 3). These thermoregulatory responses increase or decrease due to deviation from the reference body temperature. This reproduces the human body's reaction that the amount of perspiration and the amount of skin blood flow increase as the body temperature rises. By incorporating parameters that reflect individual differences into the body temperature regulation reaction equation, more accurate changes in body temperature can be reproduced. Formula (B) shows a formula for calculating the amount of perspiration and the amount of skin blood flow incorporating the individual difference parameter.
式(B)中、Vblo t,mrsw tは、それぞれ時刻tにおける皮膚血流量、総発汗量を表し、α1からα4はそれぞれ個人差パラメータである。α1、α2は、それぞれ皮膚血流量の初期値、体温上昇による増加率を表し、α3、α4は、運動時特有の発汗係数、運動時・安静時に共通の発汗係数をそれぞれ表す。α3は、Gaggeの2ノードモデルで提唱された式を参考に独自に組み込んだパラメータである。また、Gaggeの2ノードモデルでは、基準となる体温を一律に定めているが、ここでは基準体温についても個人差や体調による差が存在すると考え、その日の運動開始前の実測の体温Tcore 0、Tskin 0をそれぞれ基準体温として式に与える。以上の個人差パラメータに対し、これまでに定めてきた各パラメータの範囲を表4に示す。すなわち、4種のパラメータに対し、合計3,200通りの組み合わせが存在する。 Wherein (B), V blo t, m rsw t the skin blood flow at time t, respectively, represent the total amount of sweat, the α4 from α1 is an individual difference parameter, respectively. α1 and α2 represent the initial value of the skin blood flow and the rate of increase due to an increase in body temperature, respectively, and α3 and α4 represent the perspiration coefficient specific to exercise and the common perspiration coefficient during exercise and at rest, respectively. α3 is a parameter that is uniquely incorporated with reference to the equation proposed by Gagge's two-node model. Further, in the two-node model Gagge, but defines a body temperature as a reference uniformly, where considered difference due individual difference and physical condition exists for the reference body temperature, body temperature T core 0 motion before the start of the actual measurement of the day , T skin 0 are given to the formula as reference body temperatures. Table 4 shows the ranges of the parameters determined so far for the individual difference parameters described above. That is, there are a total of 3,200 combinations for the four parameters.
(3. 運動中の深部体温推定法)
(入力の取得方法)
(3. Method for estimating core body temperature during exercise)
(How to get input)
前章で述べた2ノードモデルによる体温シミュレーションのために、(1)体重などのユーザ情報、(2)初期体温、(3)代謝量、および(4)環境条件の4種類の入力が必要である。必要な全ての入力内容を表5に示す。ここでは、これらの入力値をモデルにおける熱計算式に適用する方法について述べる。各入力の変換に用いる式を表6に示す。 For the body temperature simulation using the two-node model described in the previous chapter, four types of inputs are required: (1) user information such as weight, (2) initial body temperature, (3) metabolic rate, and (4) environmental conditions. . Table 5 shows all necessary input contents. Here, a method of applying these input values to the heat calculation formula in the model will be described. Table 6 shows equations used for conversion of each input.
身長、体重などのユーザ情報は、深部層・皮膚層の質量mcore、mskinや皮膚総面積Abodyの推定に用いる。各層の質量の比は、95:5であることが知られており(非特許文献4)、式(1)、(2)よりそれぞれ求める。皮膚総面積は、身長と体重を用いて式(3)より推定する。さらに初期深部体温Tcore 0、および初期皮膚温Tskin 0は、それぞれ赤外線放射式鼓膜温度計MC-510(OMRON製)を深部体温センサ31として、および腕時計型ウェアラブルセンサBasis Peak(Basis製)をウェアラブルセンサ20として用い、計測を行う。 User information such as height and weight is used for estimating the masses m core and m skin of the deep layer / skin layer and the total skin area A body . It is known that the mass ratio of each layer is 95: 5 (Non-Patent Document 4), which is determined by the equations (1) and (2), respectively. The total skin area is estimated from formula (3) using height and weight. Further, the initial core body temperature T core 0 and the initial skin temperature T skin 0 are respectively provided by an infrared radiation type eardrum thermometer MC-510 (manufactured by OMRON) as the core body temperature sensor 31 and a wristwatch-type wearable sensor Basis Peak (manufactured by Basis). Measurement is performed using the wearable sensor 20.
モデルにおける総代謝熱Mは、酸素消費量に基づき推定する。式(4)で示す通り、代謝熱を安静時代謝熱(基礎代謝)Mrestと運動による代謝熱Mexの和として考える。各代謝熱[W]は、式(5)、(6)により計算する。これらの式中の、3.5・weight,(VO2−3.5)・weightの項は、それぞれ安静状態、運動による酸素消費量[ml/min]を表す。酸素消費1リットルあたり5キロカロリーのエネルギーを生じるとして、酸素消費量に1000分の5を掛け合わせ代謝によるエネルギーを算出する。さらに、2ノードモデルで用いるワット単位に変換するため、キロカロリー毎分をジュール毎秒に変換している。 The total metabolic heat M in the model is estimated based on oxygen consumption. As shown by equation (4), the metabolic heat is considered as the sum of resting metabolic heat (basal metabolism) M rest and metabolic heat M ex due to exercise. Each metabolic heat [W] is calculated by equations (5) and (6). The terms 3.5 · weight and (VO2−3.5) · weight in these equations represent the resting state and oxygen consumption by exercise [ml / min], respectively. Assuming that 5 kilocalories of energy are generated per liter of oxygen consumption, multiply the oxygen consumption by 5/1000 to calculate the energy by metabolism. In addition, kilocalories per minute is converted to joules per second to convert to watts used in the two-node model.
運動時の酸素消費量VO2は、式(7)により推定する。式(7)では、ユーザの体重1kgあたりの最大酸素消費量VO2maxに対し、予備酸素摂取量に対する酸素消費量%VO2R(酸素摂取能力の何%を使用しているか)を掛け合わせることで、酸素消費量を求める。VO2maxは、ユーザの最大心拍数maxHR、安静時心拍数restHRによって求める(式(8))。また、心拍数から%VO2Rを推定するため、予備心拍数に対する現在の心拍数%HRR(最大心拍数に対しどの程度上昇しているか)を用いて、式(9)により変換する。%HRRは、式(10)で示すカルボーネン法より計算する。また、最大心拍数は、ユーザの年齢を基に推定する(式(11))。以上の方式により、ユーザの心拍数、安静時心拍数、体重、年齢を基に代謝熱Mを推定する。 The oxygen consumption VO2 during exercise is estimated by equation (7). In equation (7), the oxygen consumption is calculated by multiplying the maximum oxygen consumption VO2max per kg of the user's body weight by the oxygen consumption% VO2R (what percentage of the oxygen intake capacity is used) with respect to the reserve oxygen intake. Find consumption. VO2max is obtained from the user's maximum heart rate maxHR and resting heart rate restHR (Equation (8)). Further, in order to estimate% VO2R from the heart rate, the conversion is performed by the equation (9) using the current heart rate% HRR with respect to the reserve heart rate (how much the maximum heart rate is increased). % HRR is calculated by the Carbonene method shown in equation (10). The maximum heart rate is estimated based on the age of the user (Equation (11)). With the above method, metabolic heat M is estimated based on the user's heart rate, resting heart rate, weight, and age.
また、外的仕事によるエネルギー損失Wは、式(12)で示す通り、運動代謝に対し、係数Δeff を掛け合わせることで得る。Δeff は、歩行、走行、自転車運動などの基本的な運動種について知られている。そこで、Δeff=0.40(歩行時)、Δeff=0.44〜0.54(走行時)、Δeff=0.23(自転車運動時)とそれぞれ定める。走行時には速さによってエネルギー効率が変化するため、ユーザの速度に応じて、0.44〜0.54の値を与える。環境条件は、環境に設置したセンサWBGT-203B(Kyoto Electronics Manufacturing Co製)を環境センサ12として用い、計測を行う。 Further, the energy loss W due to external work is obtained by multiplying the exercise metabolism by a coefficient Δeff, as shown in Expression (12). Δeff is known for basic exercise types such as walking, running, cycling and the like. Therefore, Δeff = 0.40 (during walking), Δeff = 0.44 to 0.54 (during running), and Δeff = 0.23 (during cycling), respectively. During traveling, the energy efficiency changes depending on the speed, so a value of 0.44 to 0.54 is given according to the speed of the user. The environmental conditions are measured using a sensor WBGT-203B (manufactured by Kyoto Electronics Manufacturing Co) installed in the environment as the environment sensor 12.
(ウォーミングアップに基づくパラメータ調整)
発明者らは、これまでに運動中に計測可能な体表温度を用いた個人差パラメータの調整方式を提案した(非特許文献6)。この方式ではリアルタイムに体表温度を収集可能である一方で、40分間の観測が最低限必要であり、さらに負荷変動する運動に対する深部体温の推定が難しく精度の向上は最大12%に留まっていた。本発明では、深部体温センサ31を利用した断片的な深部体温の計測値に基づき、個人差パラメータを調整する。想定環境では時刻0からtまでのセンサデータが得られ、個人差パラメータ組θiのもとでの時刻tまでの深部体温の推定系列(C)として、
(Parameter adjustment based on warm-up)
The inventors have proposed an adjustment method of an individual difference parameter using a body surface temperature that can be measured during exercise (Non-Patent Document 6). While this method can collect body surface temperature in real time, it requires a minimum of 40 minutes of observation, and it is difficult to estimate deep body temperature for exercises that fluctuate in load, and the accuracy improvement has been limited to a maximum of 12%. . In the present invention, the individual difference parameter is adjusted based on the fragmentary measured body temperature using the core body temperature sensor 31. In the assumed environment, sensor data from time 0 to t is obtained, and as an estimated series (C) of deep body temperature up to time t under the individual difference parameter group θi,
を得る。時刻twは、ユーザがウォーミングアップ運動を終え、深部体温センサ31で深部体温を計測した時刻とする。この際に、時刻twにおいて計測した深部体温の真値
Tcore ∧twを利用し、最適な個人差パラメータθoptを、以下の式(D)で求める。
Get. Time tw is the time when the user has finished the warm-up exercise and measured the core body temperature with the core body temperature sensor 31. At this time, the true value of the core body temperature measured at time tw
Using T core ∧tw , an optimum individual difference parameter θopt is obtained by the following equation (D).
以上の式(D)によって得られたθopt、およびTcore ∧twを入力として与え、再び時刻tw+1以降のシミュレーションを行うことで、今回の改良手法による深部体温の推定結果Tcore t(θopt)を得る。 By giving θopt and T core ∧tw obtained by the above equation (D) as inputs, and performing simulation again from time tw + 1 onward, the core body temperature estimation result T core t (θopt ).
(4.ノードモデルの改良)
この章では、Gaggeの2ノードモデルを実際の運動、例えばスポーツ環境に適用するために行った4種類のモデル改良について述べる。ここでは、例えば夏季の屋外環境において体温変化に大きな影響を与えると考えられる日射、風、飲水の影響の考慮、および実データより観察された深部体温の初期降下や休憩時におけるモデルと実測との反応の差異の考慮を行う。以上のモデル改良式を表7に示す。
(4. Improvement of node model)
This chapter describes four types of model improvements made to apply the two-node model of Gagge to actual exercise, for example, a sports environment. Here, for example, the effects of solar radiation, wind, and drinking water, which are considered to have a large effect on changes in body temperature in the outdoor environment in the summer, are considered. Take into account the differences in response. Table 7 shows the above model improvement formula.
(日射熱の考慮)
屋外環境では日射によって皮膚が強い熱エネルギーを受け、皮膚温が上昇する。しかしながら、従来の2ノードモデルでは日射熱の影響を考慮していない。ここでは、図2に示す通り、環境に設置した環境センサ12に含まれる日射計の計測値やユーザの皮膚総面積、衣服を入力とし、ユーザが受ける直達日射熱qdnを推定し、皮膚層での熱収支計算に組み込んだ。qdnは以下の式(E)で求める。
(Considering solar heat)
In an outdoor environment, the sun receives strong thermal energy from the sun and the skin temperature rises. However, the conventional two-node model does not consider the influence of solar radiation heat. Here, as shown in FIG. 2, the measured value of the pyranometer included in the environment sensor 12 installed in the environment, the total skin area of the user, and clothing are input, and the direct solar radiation qdn received by the user is estimated. Was incorporated into the heat balance calculation. qdn is obtained by the following equation (E).
aは、皮膚の太陽光吸収率、Apは、人の投影面積、Jdnは、日射センサの観測値をそれぞれ表す。ここでは、a=0.6とする。また、第二式では、人の面積Abody、着衣による非被覆率fcl、有効放射面積係数feff、投影面積係数fpの掛け合わせにより日射に垂直な方向に対する人の投影面積を求める。立位時の係数値としてfp=0.85、feff=0.725とそれぞれ定義する。さらに、fclは、衣服条件として定める値、例えば0.4が採用可能である。以上の内容を2ノードモデルに組み込むことで日射熱を考慮する。 a represents the solar absorptivity of the skin, Ap represents the projected area of a person, and Jdn represents the observation value of the solar radiation sensor. Here, a = 0.6. In the second formula, the projected area of the person in the direction perpendicular to the solar radiation is obtained by multiplying the area Abody of the person, the uncovered ratio fcl by clothing, the effective radiation area coefficient feff, and the projection area coefficient fp. The coefficient values at the time of standing are defined as fp = 0.85 and feff = 0.725, respectively. Further, fcl can adopt a value determined as a clothing condition, for example, 0.4. By incorporating the above contents into the two-node model, solar radiation heat is considered.
(風の考慮)
屋外環境では風により単位時間あたりに皮膚に触れる空気の量が増加し、その結果、発汗による熱放散の効率が上昇する。2ノードモデルでは体温の上昇に伴う発汗量の増加は再現できるものの、風による発汗効率の向上は再現できない。モデルでは蒸発しなかった汗は流れ落ち、熱放出に寄与しないものとみなされる(無効発汗)。実際に屋外ウォーキング・ジョギング運動を行い、収集したデータでシミュレーションを行ったところ、3571分の運動時間のうち、1727分間で無効発汗が起こることを確認した。しかしながら、実際には自然風や走っていることによって生じる相対風が存在するため、実際の発汗効率はさらに良いはずである。一方で、屋外環境では建物などの影響によりユーザが受けている自然風を正確に観測することは困難である。そこで、ここではユーザが動いている場合に生じる相対風をモデルに組み込むことで、発汗による熱損失量をより正確に推定する。
(Considering wind)
In an outdoor environment, the wind increases the amount of air that touches the skin per unit time due to the wind, and as a result, the efficiency of heat dissipation due to perspiration increases. In the two-node model, the increase in the amount of perspiration due to the rise in body temperature can be reproduced, but the improvement in perspiration efficiency due to the wind cannot be reproduced. Sweat that did not evaporate in the model runs off and is considered not to contribute to heat release (ineffective sweating). We performed outdoor walking and jogging exercises and performed simulations using the collected data. As a result, it was confirmed that invalid sweating occurred in 1727 minutes of the exercise time of 3571 minutes. However, in reality, there is a natural wind and a relative wind generated by running, so that the actual sweating efficiency should be even better. On the other hand, in an outdoor environment, it is difficult to accurately observe a natural wind received by a user due to an influence of a building or the like. Therefore, here, the amount of heat loss due to perspiration is more accurately estimated by incorporating the relative wind generated when the user is moving into the model.
モデルにおける対流熱伝達係数hconvは、人の速さによって増減することから、今回は下記の式(F) Since the convective heat transfer coefficient h conv in the model increases and decreases depending on the speed of the person, this time the following equation (F)
によってユーザの移動による発汗効率の上昇を考慮する。式中vは速度[m/s]を表す。今回の運動における歩行速度、走行速度は、それぞれ1.4[m/s]、2.5[m/s]であったため、上式(F)に適用することにより、hconvはそれぞれ標準値(4.3)と比べ、386%、547%に修正される。これにより、発汗によって体外へ放出することのできる熱の総量Emax(表3中の式(l),l:エル)が増加し、発汗熱損失量が増加する。 Thus, the increase in the sweating efficiency due to the movement of the user is considered. In the equation, v represents the speed [m / s]. Since the walking speed and running speed in this exercise were 1.4 [m / s] and 2.5 [m / s], respectively, by applying to the above equation (F), h conv was set to the standard value (4.3), respectively. In comparison, it is revised to 386% and 547%. As a result, the total amount of heat E max (formulas (l) and l: L in Table 3) that can be released from the body by perspiration increases, and the heat loss due to perspiration increases.
(水分摂取による深部体温低下)
運動中に水分を摂取した場合としない場合とにおける体温変化に差異が生じることが明らかにされており、安全のためには水分摂取が欠かせない。水分補給は水分の冷たさ自体による体温の低下効果に加え、発汗機能を正常に維持する役割がある。2ノードモデルでは、発汗機能は常時正常に機能している前提で計算を行うため、後者の機能を考慮することは不要である。一方で、体温よりも低い水分を大量に摂取した場合、大幅な体温低下効果が期待できる。そこで、モデルの計算式に水分と人体の温度差による熱移動を追加する。
(Deep body temperature decrease due to water intake)
It has been shown that there is a difference in body temperature change between when water is taken during exercise and when it is not, and water intake is indispensable for safety. Hydration, in addition to the effect of lowering body temperature due to the coldness of water itself, has a role in maintaining normal sweating function. In the two-node model, since the calculation is performed on the assumption that the sweating function always functions normally, it is unnecessary to consider the latter function. On the other hand, when a large amount of water lower than the body temperature is taken, a significant effect of lowering the body temperature can be expected. Therefore, heat transfer due to the temperature difference between moisture and the human body is added to the calculation formula of the model.
体内に摂取された水分は、いずれ人体と同じ温度まで上昇する。従って水分摂取によって低下する深部体温ΔTwaterを式(16)で表す通り、水、深部層のそれぞれの温度、質量、比熱に基づき計算する。この式(16)を水分補給があった時点に適用することにより、水分による深部体温の低下を考慮する。 The water taken into the body will eventually rise to the same temperature as the human body. Accordingly, the core body temperature ΔT water that decreases due to water intake is calculated based on the respective temperatures, masses, and specific heats of water and the core, as represented by equation (16). By applying the equation (16) to the point of time when hydration is performed, a decrease in core body temperature due to moisture is considered.
(熱遅延の考慮)
発明者らは、休憩を含む歩行、走行により収集したデータより、実際の深部体温とシミュレーションによる深部体温の推定に差異が生じる場合があることを発見した。その一例を、図3に示す。モデルでは、代謝量の計算をウェアラブルセンサ20で計測した心拍数に基づいて行っているため、運動開始後すぐに心拍が上昇することにより深部体温も上昇する。また、休憩を始めると、心拍数が低下するため深部体温もそれに伴い低下する。一方で、図3より、実際の深部体温の反応はシミュレーションに対して遅れており、運動を開始してもすぐに体温が上昇しないし、休憩を始めてもしばらく体温が低下しないといった傾向が見られる。
(Consideration of thermal delay)
The inventors have found that there is a case where a difference may occur between the actual core body temperature and the simulation of the core body temperature by simulation from data collected by walking and running including a break. An example is shown in FIG. In the model, since the metabolic rate is calculated based on the heart rate measured by the wearable sensor 20, the heart temperature rises immediately after the start of exercise, so that the core body temperature also rises. Further, when a break is started, the heart rate decreases, and the core body temperature also decreases accordingly. On the other hand, from FIG. 3, the reaction of the actual core body temperature is delayed with respect to the simulation, and there is a tendency that the body temperature does not immediately rise even when the exercise is started, and the body temperature does not decrease for a while even after the break is started. .
また、図3より、運動開始直後、深部体温は初期値よりも低下していることが分かる。同様の現象は他でも報告されている。この原因は未だ定かではないが、運動開始前に筋肉に溜まっている血液の温度は核心部の血液温度より低く、運動開始直後にその血液が身体を循環するため平均血液温度が低下する可能性があると言われている。一方で、収集したサンプルの中には深部体温の初期降下が起こらないサンプルも数多く見られた。従って、深部体温の初期降下を生理的に定義し、モデルに組み込むことは困難である。そこで、ここでは、シンプルな遅延パラメータを用いることで深部体温の初期降下、および先述の深部体温のシミュレーションに対する遅延を考慮した。 FIG. 3 also shows that immediately after the start of exercise, the core body temperature is lower than the initial value. Similar phenomena have been reported elsewhere. Although the cause is still unclear, the temperature of the blood accumulated in the muscle before the start of exercise may be lower than the temperature of the blood at the core, and the blood may circulate immediately after the start of exercise, which may lower the average blood temperature. It is said that there is. On the other hand, many of the collected samples did not show an initial drop in core body temperature. Therefore, it is difficult to define the initial drop in core body temperature physiologically and incorporate it into the model. Therefore, here, the initial drop of the core body temperature and the delay for the simulation of the core body temperature described above were considered by using a simple delay parameter.
この遅延方式では、例えば2種類の遅延パラメータβ1,β2により、2ノードモデルにおける熱計算を遅延させる。β1は、代謝によって発生する熱Mの伝搬速度を制御することで深部体温の初期降下を考慮し、さらに休憩時における体温低下を遅延させる。β1は、スライディングウィンドウのサイズとしてモデルに組み込まれ、大きくなるほど代謝による熱の伝搬速度が低下する。β2は、体温上昇に対する体温調節反応の遅れを表す。従来のモデルでは体温の上昇に対し即座に発汗、血流が反応するが、実際の反応には遅延があると考えられる。例えば、激しい運動の後しばらく汗が止まらず吹き出てくることが挙げられる。よって、発汗、血流の計算に現在の体温ではなく、β2分前の体温を用いることにより体温調節反応をβ2分間遅延させる。以上の遅延パラメータを表7の式(b’)、(17)、(f’)、(k’)の通り、モデルに組み込むことにより、深部体温の推定性能の向上を図る。 In this delay method, the heat calculation in the two-node model is delayed by, for example, two types of delay parameters β1 and β2. By controlling the propagation speed of heat M generated by metabolism, β1 takes into account the initial drop in core body temperature and further delays the decrease in body temperature during a break. β1 is incorporated in the model as the size of the sliding window, and the larger the value, the lower the speed of metabolic heat propagation. β2 represents a delay in the thermoregulatory response to an increase in body temperature. In the conventional model, sweating and blood flow immediately respond to an increase in body temperature, but the actual response is considered to be delayed. For example, sweat may come out without stopping for a while after intense exercise. Therefore, the body temperature regulation reaction is delayed by β2 minutes by using the body temperature before β2 minutes instead of the current body temperature in the calculation of perspiration and blood flow. By incorporating the above delay parameters into the model as shown in equations (b '), (17), (f'), and (k ') in Table 7, the estimation performance of the core body temperature is improved.
さらに、これらの遅延パラメータβ1,β2はユーザごとに異なり、体調による影響も受けると考えられるため、個人差パラメータと同様に毎回の運動においてパラメータ調整を行う必要がある。そこで、適切なパラメータ範囲を決定するため、まず、β1について[1,15]、β2について[0,10]と初期範囲を定め、合計165通りの組み合わせについて実測に基づきパラメータ調整を行った。なお、この際、個人差パラメータα1からα4は、標準値で固定した。この結果、34個のサンプルに対し、最適なβ1、β2の値の分布はそれぞれ、図4に示す通り、得られた。 Furthermore, since these delay parameters β1 and β2 are different for each user and are considered to be affected by physical condition, it is necessary to perform parameter adjustment in each exercise similarly to the individual difference parameter. Therefore, in order to determine an appropriate parameter range, first, [1,15] was set for β1 and [0,10] for β2, and parameter adjustment was performed based on actual measurements for a total of 165 combinations. At this time, the individual difference parameters α1 to α4 were fixed at standard values. As a result, optimal distributions of β1 and β2 were obtained for 34 samples, respectively, as shown in FIG.
パラメータの探索範囲は、広い方が高い精度が望める一方で個人差パラメータと合わせると膨大なパラメータの組み合わせ数になるため、計算時間を考慮したパラメータ範囲を決定する必要がある。従って、この分布より、80%以上の最適解を網羅する区間としてβ1については[1,12]、β2については[0,5]とした。この72通りの組み合わせについて、3節の(ウォーミングアップに基づくパラメータ調整)で述べたように、4個の個人差パラメータと同時に2個の遅延パラメータの調整を行う。 Since the parameter search range can be expected to have higher accuracy when it is wider, the number of parameter combinations becomes enormous when combined with the individual difference parameter. Therefore, it is necessary to determine the parameter range in consideration of the calculation time. Therefore, based on this distribution, [1,12] is set for β1 and [0,5] for β2 as sections covering the optimal solution of 80% or more. As described in section 3 (parameter adjustment based on warm-up), two delay parameters are adjusted simultaneously with the four individual difference parameters for the 72 combinations.
以上の4章で述べた改良式をモデルに適用する。具体的には、Gaggeの2ノードモデルにおける式(a)、(b)、(f)、(h)、(k)を、表7に示す式(a’)、(b’)、(f’)、(h’)、(k’)でそれぞれ置換する。以降の6章での評価では、改良したモデルを改良モデルと呼び、通常の2ノードモデルを通常モデルと呼ぶ。 Apply the improved equation described in Chapter 4 to the model. Specifically, the equations (a), (b), (f), (h), and (k) in the two-node model of Gagge are converted into the equations (a ′), (b ′), and (f) shown in Table 7. '), (H'), and (k '). In the evaluation in the following six chapters, the improved model is called an improved model, and a normal two-node model is called a normal model.
以上によれば、この改良手法では、運動開始前の深部体温を初期値としてモデルに与え、心拍数や気温、湿度などの時間変化をモデルに入力することで深部体温を推定する。さらに、遅延パラメータも含めて230,400通りの個人差パラメータ組についてウォーミングアップ中の深部体温のシミュレーション結果を(並列計算して)網羅的に生成し、ウォーミングアップ終了後に赤外線鼓膜温度計などにより得られた深部体温の計測値と各パラメータにおける深部体温の推定値を比較することで、実測に最も近いパラメータ組を選択することにより実際の反応を再現する。加えて、スポーツ環境に2ノードモデルを適用するため、日射、風、飲水のそれぞれによる熱の移動、および運動開始直後や休憩開始直後といった過渡期における発汗や血流の反応を再現する遅延パラメータを2ノードモデルに組み込んだ。 As described above, in this improved method, the core body temperature before the start of exercise is given to the model as an initial value, and the core body temperature, temperature, humidity, and other temporal changes are input to the model to estimate the core body temperature. Furthermore, simulation results of deep body temperature during warming-up are generated comprehensively (by parallel calculation) for 230,400 individual difference parameter sets including delay parameters, and deep body temperature obtained by an infrared tympanic thermometer etc. after warming-up is completed. The actual response is reproduced by selecting the parameter set closest to the actual measurement by comparing the measured value of the above with the estimated value of the core body temperature in each parameter. In addition, in order to apply the two-node model to the sports environment, heat transfer by solar radiation, wind, and drinking water, and delay parameters that reproduce the response of sweating and blood flow during transitional periods, such as immediately after starting exercise and immediately after taking a break, must be set. Incorporated in a two-node model.
(5.実施例)
図5は、本発明に係る深部体温推定装置の一実施形態を示す機能構成図であり、図6は、本発明に係る深部体温推定の概要を説明する図であり、図7は、深部体温推定処理のフローチャートである。
(5. Example)
FIG. 5 is a functional configuration diagram showing one embodiment of a deep body temperature estimating apparatus according to the present invention, FIG. 6 is a diagram for explaining an outline of deep body temperature estimation according to the present invention, and FIG. It is a flowchart of an estimation process.
深部体温推定装置1は、コンピュータで構成される制御部10を備えると共に、制御部10に接続された入力部11、環境センサ12、出力部13、ワークエリアとしてのRAM14、および制御プログラム等を記憶した記憶部15を備える。入力部11は、外部から各種の情報が入力可能なテンキーやマウス、あるいはタッチパネルなどで構成される。出力部13は、必要に応じて設けられるもので、例えば画像を表示する表示器、あるいは音声発生器などである。出力部13は警告用としてもよい。環境センサ12は、無線あるいは有線で制御部10に接続され、各種の測定情報を通信部121を介して周期的に制御部10に送信する。記憶部15は、制御プログラムの他、制御プログラムの実行に必要となる、採用する生体温熱モデルの情報、モデルに適用される各種の情報、温度推定のための各熱収支計算式、および各種のパラメータ類が記憶されている。 The deep body temperature estimation device 1 includes a control unit 10 configured by a computer, and stores an input unit 11, an environment sensor 12, an output unit 13, a RAM 14 as a work area, a control program, and the like connected to the control unit 10. The storage unit 15 is provided. The input unit 11 includes a numeric keypad, a mouse, a touch panel, and the like to which various kinds of information can be input from the outside. The output unit 13 is provided as needed, and is, for example, a display for displaying an image, a sound generator, or the like. The output unit 13 may be used for a warning. The environment sensor 12 is connected to the control unit 10 wirelessly or by wire, and periodically transmits various types of measurement information to the control unit 10 via the communication unit 121. The storage unit 15 stores, in addition to the control program, information on a biological temperature model to be used, various information applied to the model, various heat balance calculation formulas for temperature estimation, and various types of information necessary for execution of the control program. Parameters are stored.
また、制御部10には、深部体温センサ31が必要に応じて接続される。深部体温センサ31は、有線あるいは無線でもよく、測定結果を制御部10に取り込む際に接続される。あるいは、測定結果は入力部11を介してマニュアル入力されてもよい。ウェアラブルセンサ20は、運動中のユーザの心拍数を継続的に測定し、通信部201を介して無線で制御部10に送信する。なお、深部体温推定装置1がユーザに直接装着される態様では、有線式であってもよい。また、ウェアラブルセンサ20は、心拍数を出力するものの他、代謝量に換算して制御部10に出力する態様としてもよい。 Further, a deep body temperature sensor 31 is connected to the control unit 10 as necessary. The core temperature sensor 31 may be wired or wireless, and is connected when the measurement result is taken into the control unit 10. Alternatively, the measurement result may be manually input via the input unit 11. Wearable sensor 20 continuously measures the user's heart rate during exercise, and wirelessly transmits to control unit 10 via communication unit 201. Note that in a mode in which the deep body temperature estimation device 1 is directly worn by a user, a wired type may be used. In addition, the wearable sensor 20 may output the heart rate, or may output the heart rate to the control unit 10 in the form of a metabolic rate.
深部体温推定装置1は、生体温熱モデルを用いて、ウェアラブルセンサ20での心拍数の測定に基づいて算出された深部での熱産生(代謝)から、体内の熱移動及び体外との熱交換を熱収支計算式で繰り返し計算することによって、運動中における深部体温を推定するものである。制御部10は、制御プログラムをRAM14に読み出して実行することによって、入力受付部101、ウォーミングアップ並列演算部102、パラメータ組選出部103、モニタ演算部104、および必要に応じて設けられる警告処理部105として機能する。 The deep body temperature estimating apparatus 1 performs heat transfer in the body and heat exchange with the outside of the body from heat production (metabolism) in the deep part calculated based on the measurement of the heart rate by the wearable sensor 20 using the body temperature model. The body temperature during exercise is estimated by repeatedly calculating the heat balance formula. The control unit 10 reads out the control program into the RAM 14 and executes the control program, whereby the input reception unit 101, the warm-up parallel operation unit 102, the parameter set selection unit 103, the monitor operation unit 104, and the warning processing unit 105 provided as necessary Function as
入力受付部101は、入力部11の他、温度計付きのウェアラブルセンサ20、深部体温センサ31、および環境センサ12より測定情報を取り込むものである。入力受付部101は、ウォーミングアップ開始前にウェアラブルセンサ20および深部体温センサ31から皮膚温と深部体温を取り込み、初期皮膚温、初期深部体温として設定する。また、入力受付部101は、ウォーミングアップ終了後の運動中に、ウェアラブルセンサ20から心拍数を継続的に取り込む。 The input receiving unit 101 receives measurement information from the wearable sensor 20 with a thermometer, the deep body temperature sensor 31, and the environment sensor 12 in addition to the input unit 11. The input receiving unit 101 takes in the skin temperature and the deep body temperature from the wearable sensor 20 and the deep body temperature sensor 31 before starting the warm-up, and sets them as the initial skin temperature and the initial deep body temperature. Further, the input receiving unit 101 continuously captures the heart rate from the wearable sensor 20 during the exercise after the warm-up is completed.
ウォーミングアップ並列演算部102は、複数種類でかつ各々について複数の値が準備された個人差パラメータ(α1,α2,α3,α4)と、熱移動及び熱交換に対して各々複数の遅延値が準備された遅延パラメータ(β1,β2)とを設定し、かつ測定した初期深部体温と初期皮膚温とを入力して、ウォーミングアップ段階で全てのパラメータの組合せθi(α1,α2,α3,α4,β1,β2)を熱収支計算式に適用して、並列計算を繰り返し実行する。 The warming-up parallel operation unit 102 prepares a plurality of types of individual difference parameters (α1, α2, α3, α4) for which a plurality of values are prepared, and a plurality of delay values for heat transfer and heat exchange, respectively. The delay parameters (β1, β2) are set, and the measured initial core body temperature and initial skin temperature are input, and all the parameter combinations θ i (α1, α2, α3, α4, β1, Apply β2) to the heat balance equation and execute the parallel calculation repeatedly.
パラメータ組選出部103は、ウォーミングアップ終了時に測定した真値である深部体温と、全てのパラメータの組合せθi(α1,α2,α3,α4,β1,β2)の各熱収支計算結果とを式(D)に適用して(計算して)、個人差パラメータの最適化、例えば差分が最小となるような、最適のパラメータ組θoptを選出する。 The parameter set selection unit 103 calculates the deep body temperature, which is the true value measured at the end of the warm-up, and the heat balance calculation results of all the parameter combinations θ i (α1, α2, α3, α4, β1, β2) using an expression ( Applying (calculating) to D), the individual difference parameter is optimized, for example, the optimal parameter set θ opt that minimizes the difference is selected.
モニタ演算部104は、シミュレーション演算を行うもので、ウォーミングアップ終了後の運動中、選出された最適のパラメータ組θoptを熱収支計算式に適用して熱収支計算を繰り返し実行して、深部体温を推定算出する。なお、モニタ演算部104は、必要に応じて皮膚温を推定演算してもよい。 The monitor calculation unit 104 performs a simulation calculation. During the exercise after the warming-up, the selected optimal parameter set θ opt is applied to the heat balance calculation formula, and the heat balance calculation is repeatedly executed to calculate the core body temperature. Estimate and calculate. The monitor calculation unit 104 may estimate and calculate the skin temperature as needed.
警告処理部105は、ウォーミングアップ終了後からの運動中に、例えば計算中の深部体温が熱中症判断の閾値まで上昇した場合に、警告(表示、警告音、ガイドなど)を出力して監視対象者に報知する。なお、閾値は、固定値でもよいが、設定されている遅延パラメータに応じた遅れを考慮して設定してもよいし、あるいは深部体温の変化勾配などを総合的に考慮して設定してもよい。 The warning processing unit 105 outputs a warning (display, warning sound, guide, or the like) and outputs a warning (e.g., a display, a warning sound, or a guide) when, for example, the core body temperature being calculated has risen to the threshold value for heat stroke determination during exercise after the end of the warm-up, for example, when the calculated core body temperature rises to a threshold value for heat stroke determination. To inform. The threshold value may be a fixed value, or may be set in consideration of a delay according to the set delay parameter, or may be set in consideration of a change gradient of a deep body temperature or the like. Good.
図7のフローチャートに示すように、深部体温推定処理のモードは、ステップS1〜S13までが、ウォーミングアップ期間中、すなわち最適のパラメータ組θoptの選出期間であり、ステップS15以降が、運動の監視(モニタ)期間である。 As shown in the flowchart of FIG. 7, in the mode of the deep body temperature estimation processing, steps S1 to S13 are during the warm-up period, that is, the selection period of the optimal parameter set θ opt , and after step S15, the exercise monitoring ( Monitor) period.
まず、ウォーミングアップ開始直前に測定した初期深部体温及び初期皮膚温の取り込みが行われる(ステップS1)。次いで、ウォーミングアップ期間中、全てのパラメータの組合せθi(α1,α2,α3,α4,β1,β2)について各熱収支計算、すなわち並列演算が実行される(ステップS3,S5)。なお、ウォーミングアップ期間は、運動種等に応じて予め設定されていてもよく、あるいはその都度適宜に設定することができる。 First, an initial core body temperature and an initial skin temperature measured immediately before the start of warming-up are taken (step S1). Next, during the warm-up period, each heat balance calculation, that is, a parallel operation is executed for all parameter combinations θ i (α1, α2, α3, α4, β1, β2) (steps S3 and S5). Note that the warming-up period may be set in advance according to the exercise type or the like, or may be appropriately set each time.
そして、ウォーミングアップ期間が終了すると(ステップS5でYes)、深部体温の測定が実行され、測定された深度温度の取り込みが行われる(ステップS7)。次いで、比較評価、すなわち測定された真値である深部体温と、並列演算された全てのパラメータの組合せθi(α1,α2,α3,α4,β1,β2)の熱収支計算結果から推定された各深部体温とが式(D)に適用されて、比較評価され(ステップS9)、その結果、最適のパラメータ組θoptの選出が行われる(ステップS11)。そして、選出された最適のパラメータ組θoptが熱収支演算式に設定される(ステップS13)。 Then, when the warming-up period ends (Yes in step S5), the measurement of the deep body temperature is performed, and the measured depth temperature is captured (step S7). Then, it was estimated from the comparative evaluation, that is, the heat balance calculation result of the measured deep body temperature and the combination θ i (α1, α2, α3, α4, β1, β2) of all the parameters calculated in parallel. Each core body temperature is applied to equation (D) and compared and evaluated (step S9). As a result, an optimal parameter set θ opt is selected (step S11). Then, the selected optimum parameter set θ opt is set in the heat balance calculation equation (step S13).
続いて、運動中において、深部体温の推定演算(モニタ演算)が実行され(ステップS15)、一方で、深部体温が閾値を超えたか否かが監視され(ステップS17)、超えなければ、運動の継続中は(ステップS19でNo)、ステップS15に戻って同様の繰り返し演算を継続する。一方、深部体温が閾値を超えたのであれば、警告が行われる(ステップS21)。なお、警告後に休憩したなどによって推定深部体温が警告状態から脱して(低下して)、再び運動に復帰する場合にも同様にモニタ処理は継続する(ステップS15〜ステップS19でNo)。 Subsequently, during exercise, a deep body temperature estimation calculation (monitor calculation) is executed (step S15), while whether or not the deep body temperature exceeds a threshold is monitored (step S17). During the continuation (No in Step S19), the process returns to Step S15 to continue the same repeated calculation. On the other hand, if the core body temperature has exceeded the threshold, a warning is issued (step S21). The monitoring process is also continued when the estimated deep body temperature escapes (decreases) from the warning state due to a break after the warning and returns to exercise again (No in steps S15 to S19).
このように、ウォーミングアップ期間を利用して、深部体温の推定値と真値との比較評価を行って、多数の個人差パラメータの組合せθi(α1,α2,α3,α4,β1,β2)から最適のパラメータ組θoptを選出するようにしたので、その後の運動中の深部体温の推定において、運動時点での各状況が反映され、推定精度が向上する。また、遅延パラメータを採用し、かつ運動時点での各状況が同様に反映されるので、負荷変動のある運動や休憩を含む場合でもより推定精度が向上する。遅延パラメータは体内の熱移動及び体外との熱交換に関連して採用したが、まとめて1種類としてもよい。また、生体温熱モデルは2ノードモデルに限定されず、熱収支計算式が採用し得る範囲で、各種のモデルが採用可能である。この場合でも、遅延パラメータは1種類あるいは複数種類を採用してもよい。 As described above, the estimated value of the core body temperature and the true value are compared and evaluated using the warm-up period, and the combination θ i (α1, α2, α3, α4, β1, β2) of a large number of individual difference parameters is obtained. Since the optimal parameter set θ opt is selected, in the subsequent estimation of the core body temperature during exercise, each situation at the time of exercise is reflected, and the estimation accuracy is improved. In addition, since the delay parameter is adopted and each situation at the time of the exercise is similarly reflected, the estimation accuracy is further improved even when the exercise or the rest with the load fluctuation is included. Although the delay parameter is employed in connection with heat transfer inside the body and heat exchange with the outside of the body, it may be a single type. Further, the living body heat model is not limited to the two-node model, and various models can be adopted as long as the heat balance calculation formula can be adopted. Even in this case, one kind or plural kinds of delay parameters may be adopted.
なお、深部体温推定装置1を運動(各種のスポーツや作業含む)者に装着するタイプの場合、ウェアラブルセンサ20は有線式でもよい。また、複数の運動者をモニタリングする場合にも、監視側すなわち制御部10側が1台で、各運動者に対して識別情報を付与して対応することも可能となり、効果的な健康集中管理にも好適となる。 In the case of a type in which the deep body temperature estimation device 1 is worn by a person exercising (including various sports and work), the wearable sensor 20 may be a wired type. Also, when monitoring a plurality of exercisers, the monitoring side, that is, the control unit 10 side is one, and it is possible to provide identification information to each exerciser and cope with the exercisers. Is also suitable.
また、ウォーミングアップには、文字通りのウォーミングアップの他、運動の初期期間などであってもよい。 The warm-up may be an initial period of exercise or the like in addition to the literal warm-up.
(6. 性能評価:実験)
(評価環境)
実験は、改良モデルの評価のため、歩行、走行、エアロバイク(登録商標)運動、テニスの4種の運動において行った。収集した実験データに対し深部体温の推定を行った結果について、以下述べる。全ての実験において被験者は心拍数、初期皮膚温の取得のために前述の腕時計型ウェアラブルセンサBasis Peakを手首に装着した。さらに、深部体温の真値の計測のため、歩行、走行、エアロバイク(登録商標)といった被験者同士の接触が無く安全な運動種では、耳に挿入して連続的に鼓膜温度を計測できる前述の赤外線鼓膜温度計DBTL-2を用いた。一方、接触の危険を伴うテニスにおいては、休憩時に被験者自身で鼓膜温度を計測可能な前述の赤外線鼓膜温度計MC-510を用いた。さらに、気温、湿度の計測のために前述のWBGT-203B、日射量の計測のためML-01(EKO Instruments製)をそれぞれ環境に設置した。被験者は同じ衣服を着用し、衣服の熱抵抗は、Clo=0.6とみなした。2ノードモデルによる体温推定の単位時間は1分とした。
(6. Performance evaluation: experiment)
(Evaluation environment)
The experiments were performed in four types of exercise: walking, running, exercise bike (registered trademark) exercise, and tennis to evaluate the improved model. The results of estimating core body temperature for the collected experimental data are described below. In all experiments, the subject wore the above-mentioned wristwatch-type wearable sensor Basis Peak to obtain heart rate and initial skin temperature. Furthermore, for the measurement of the true value of the core body temperature, in the case of exercise that is safe without contact between subjects such as walking, running, and exercise bike (registered trademark), the eardrum temperature can be continuously measured by inserting it into the ear. An infrared tympanic thermometer DBTL-2 was used. On the other hand, in tennis involving danger of contact, the aforementioned infrared tympanic thermometer MC-510, which can measure the eardrum temperature by the subject himself during a break, was used. Further, the above-mentioned WBGT-203B for measuring the temperature and humidity and the ML-01 (manufactured by EKO Instruments) for measuring the amount of solar radiation were installed in the environment. The subject wore the same clothes, and the heat resistance of the clothes was regarded as Clo = 0.6. The unit time for estimating body temperature using the two-node model was 1 minute.
性能の指標として、本研究では以下の式で示すウォーミングアップ終了時のtwから運動終了時tまでの平均絶対誤差を用いた。平均絶対誤差は下記の式(G)で表される。 In this study, the average absolute error from tw at the end of warm-up to t at the end of exercise was used as an index of performance. The average absolute error is represented by the following equation (G).
式(G)中、Tcore ∧iは、時刻iにおける実測の深部体温を表す。式(G)で示す指標は実際の深部体温と推定した深部体温の系列が平均的に何度(℃)離れているかを表す。 In the equation (G), T core ∧i represents the measured core body temperature at time i. The index represented by the equation (G) indicates how many degrees (° C.) the series of the actual core body temperature and the estimated core body temperature are apart on average.
さらに、比較手法としてDEF、OPTの2つの方法を考えた。DEFは、通常モデル、および標準の個人差パラメータを用いて推定を行う方式であり、OPTは、改良モデルに対し、実測の深部体温に対し平均推定誤差が最も小さくなるようなパラメータを選択する方式である。すなわち、OPTは、今回の改良手法によるパラメータ調整による誤差低減の性能限界を表す。なお、ウォーミングアップ終了時点の深部体温1点のみを用いてパラメータ調整を行う提案手法をPROPとする。 Furthermore, two methods, DEF and OPT, were considered as comparison methods. DEF is a method of estimating using the normal model and standard individual difference parameters, and OPT is a method of selecting a parameter that minimizes the average estimation error with respect to the measured core body temperature for the improved model. It is. That is, OPT represents the performance limit of error reduction by parameter adjustment according to the present improved method. Note that PROP is a proposed method of performing parameter adjustment using only one core body temperature at the end of warm-up.
また、計算時間の評価のため、30分間のウォーミングアップに対し、個人差パラメータと遅延パラメータを合わせた230,400通りのパラメータから誤差最小のパラメータを探索する際の平均計算時間を求めた。シミュレーションにはCPUクロック周波数2.66GHz、23.6GBメモリ搭載の計算機を用いた。その結果、平均50秒でパラメータ調整が可能であることを確認した。 In addition, in order to evaluate the calculation time, the average calculation time for searching for the parameter with the minimum error from 230,400 parameters including the individual difference parameter and the delay parameter was calculated for a warm-up of 30 minutes. For the simulation, a computer equipped with a CPU clock frequency of 2.66 GHz and a memory of 23.6 GB was used. As a result, it was confirmed that parameter adjustment was possible in an average of 50 seconds.
(歩行・走行における深部体温推定誤差) (Deep body temperature estimation error in walking and running)
屋外環境においてウォーキング、およびランニングを合計60時間以上行い、のべ34人分のサンプルを収集し平均誤差の評価を行った。実験環境を表8に示す。被験者は男性6名で、年齢、身長、体重の平均値と標準偏差はそれぞれ22.8± 0.8、173.5± 4.1[cm]、68.7± 8.1[kg]であった。さらに、被験者は個々の体調に応じて、図8に示すスケジュールでウォーキングとランニングのいずれかの運動を行った。実際に走行したコースは、ほぼ平地で1周850mの周回路である。ウォーキングではコース3周を3セット行い、ランニングではコース3周を4セット行った。いずれの運動も、各セット間に10分間の休憩を実施し、休憩中に被験者は必要であれば毎回最大250[ml]の水分補給を行った。摂取した水の温度は室温相当(約30℃)であった。以降の評価では、最初のセットと休憩を合わせてウォーミングアップとみなし、それ以降の運動・休憩に対して深部体温の推定精度を評価した。 Walking and running in the outdoor environment were performed for a total of 60 hours or more, and samples of a total of 34 people were collected and the average error was evaluated. Table 8 shows the experimental environment. The subjects were six males, whose mean, standard and standard deviations of age, height and weight were 22.8 ± 0.8, 173.5 ± 4.1 [cm] and 68.7 ± 8.1 [kg], respectively. Further, the subject performed one of walking and running exercises according to the schedule shown in FIG. 8 according to the individual physical condition. The course that actually traveled was a circuit with a circumference of 850 m on almost flat ground. In walking, three sets of three laps of the course were performed, and in running, four sets of three laps of the course were performed. In each of the exercises, a break of 10 minutes was performed between each set, and during the break, the subject hydrated up to 250 [ml] every time if necessary. The temperature of the ingested water was equivalent to room temperature (about 30 ° C.). In the subsequent evaluations, the first set and the rest were regarded as warming up, and the estimation accuracy of the core body temperature was evaluated for the subsequent exercise and rest.
図9、図10に、それぞれウォーキング運動、ランニング運動における平均絶対誤差を示す。両結果より、改良手法によって、DEFより推定精度が向上していることが分かる。さらに、ランニング時の誤差が全体的にウォーキング時よりも大きいことが分かる。この理由は、ランニングの方が運動負荷が高く、深部体温の変動がより激しかったからであると考えられる。DEFに対し、改良手法による誤差の減少率はウォーキング時で13%、ランニング時で30%であり、通常モデルでは比較的負荷の小さいウォーキングに対してはある程度再現可能であるものの、高負荷のランニングにおいて平均推定誤差が0.4℃を超え、推定が困難であることが示唆されている。 9 and 10 show the average absolute error in the walking exercise and the running exercise, respectively. From both results, it can be seen that the improved method improves the estimation accuracy over DEF. Further, it can be seen that the error at the time of running is generally larger than that at the time of walking. It is considered that the reason for this is that the exercise load was higher in running and the core body temperature fluctuated more drastically. Compared to DEF, the reduction rate of the error by the improved method is 13% during walking and 30% during running. In the normal model, it can be reproduced to some extent for walking with relatively small load, but running with high load In, the average estimation error exceeds 0.4 ° C, suggesting that estimation is difficult.
さらに時系列的な誤差の変化を、図11、図12に示す。各図の横軸は運動の経過、縦軸は区間内の平均絶対誤差を表す。例えば、Rest2は2回目の休憩、Walk3は3セット目のウォーキングを表す。この結果から、DEFでは、ほぼ毎回誤差が最大となっていることが分かる。さらに、休憩時に特に誤差が大きくなっている。この理由として、通常モデルでは休憩直後の体温の変化を再現することが困難であったことが挙げられる。一方、PROP,OPTでは運動時よりも休憩時の誤差が小さくなる傾向が見られる。これは、遅延パラメータの導入により休憩に入った際の体温低下の遅れを適切に考慮できた結果であると考えられる。しかしながら、PROPでは運動中にOPTよりも誤差が大きくなっている。この結果は、ウォーミングアップ終了時点の1点の深部体温を計測することにより大まかなパラメータの傾向は一致させられる一方で、体温の上昇を精度よく推定するためにはさらに多くの深部体温を計測する必要があることを示唆している。 FIGS. 11 and 12 show the change of the time-series error. In each figure, the horizontal axis represents the progress of the exercise, and the vertical axis represents the average absolute error in the section. For example, Rest2 represents the second break, and Walk3 represents the third set of walking. From this result, it can be seen that the error is almost always maximum in DEF. In addition, the error is particularly large during a break. The reason for this is that it was difficult to reproduce the change in body temperature immediately after a break in the normal model. On the other hand, PROP and OPT tend to have smaller errors at rest than at exercise. This is considered to be a result of appropriately considering the delay in lowering the body temperature when the user enters a break by introducing the delay parameter. However, PROP has a larger error than OPT during exercise. This result indicates that while measuring the deep body temperature at one point at the end of warming-up can roughly match the tendency of the parameters, it is necessary to measure more deep body temperature in order to accurately estimate the rise in body temperature. There is a suggestion.
(エアロバイク(登録商標)運動における深部体温推定誤差) (Estimation error of core body temperature in exercise bike (registered trademark) exercise)
さらに、屋内でエアロバイク(登録商標)を用いて表9に示す条件の下、負荷が細かく変動する場合におけるデータ収集を行った。7人の被験者が1時間のエアロバイク(登録商標)運動を6回ずつ行い、のべ42時間のデータセットを収集した。運動負荷は2.4[W],4.8[W],7.2[W]の3段階の変化を5分ごとに切り替えることで負荷の増減を再現した。エアロバイク(登録商標)では休憩を行わなかったため、前半の25分間を擬似的にウォーミングアップとみなし、以降の35分間を評価用データセットとした。また、全ての実験において水分摂取は行わなかった。 Further, data was collected indoors using an exercise bike (registered trademark) under the conditions shown in Table 9 when the load fluctuated finely. Seven subjects performed six 1-hour aerobike® exercises, collecting a total of 42 hours of data sets. Exercise load reproduced the increase and decrease of the load by switching the three-step change of 2.4 [W], 4.8 [W], 7.2 [W] every 5 minutes. In the exercise bike (registered trademark), a break was not performed, so that the first 25 minutes were regarded as a pseudo warm-up, and the subsequent 35 minutes were used as an evaluation data set. Water was not taken in all experiments.
図13にエアロバイク(登録商標)運動における平均絶対誤差を示す。結果より、改良手法によって平均誤差0.20℃で深部体温を推定可能であり、DEFよりも誤差を低減できることが示されている。この理由として、実測の深部体温1点を計測することにより、エアロバイク(登録商標)の負荷変動に対する深部体温の追随の遅れや個人差パラメータを適切に定めることができたからであると考えられる。また、ウォーキング(図9)と同様に、ランニング(図10)よりも平均誤差が総じて小さい。この結果から、歩行やエアロバイク(登録商標)のような比較的負荷の小さい運動においては通常モデルでも0.3℃未満の誤差で深部体温を推定可能である一方で、負荷が大きい場合には個人差パラメータの調整が効果的であることが分かった。 FIG. 13 shows the average absolute error in the exercise bike (registered trademark) exercise. The results show that the improved method can estimate core body temperature with an average error of 0.20 ° C, and can reduce the error compared to DEF. It is considered that the reason for this is that, by measuring one point of the measured core body temperature, a delay in tracking the core body temperature with respect to the load fluctuation of the exercise bike (registered trademark) and the individual difference parameter could be appropriately determined. Also, as in walking (FIG. 9), the average error is generally smaller than in running (FIG. 10). From these results, it is possible to estimate the core body temperature with an error of less than 0.3 ° C. even in a normal model for exercise with a relatively small load such as walking and a stationary bike (registered trademark), but when the load is large, individual differences may occur. Adjustment of the parameters was found to be effective.
(テニスにおける深部体温推定誤差) (Estimation error of core body temperature in tennis)
実際のスポーツにおける適用例として、2日間で被験者6人が合計20時間のテニスの練習を行った際のデータを収集した。それぞれの日の実験環境を表10に示す。全ての被験者のテニス経験は5年以上であり、両日とも合計3時間以上のテニスの基礎練習、および試合を行った。各日程における練習メニューは図14に示す通りである。両日とも始めに基礎練習を行ったため、この基礎練習をウォーミングアップ期間とみなし、以降の試合の期間を評価のためのデータセットとした。被験者には自由に休憩、給水を行うように指示し、1日一人あたり平均1475[ml]の水分を補給した。また運動開始前、および休憩中に赤外線鼓膜温度計を用いて深部体温を計測した。計測したタイミングは図14内に、×印で示した。 As an application example in actual sports, data was collected when six subjects practiced tennis for a total of 20 hours in two days. Table 10 shows the experimental environment for each day. All subjects had at least five years of tennis experience, and had a total of three hours or more of basic tennis practice and games on both days. The practice menu for each schedule is as shown in FIG. Since the basic practice was performed on both days at the beginning, this basic practice was regarded as a warm-up period, and the period of the subsequent game was used as a data set for evaluation. The subjects were instructed to freely take a break and supply water, and rehydrated on average 1475 [ml] per person per day. The core body temperature was measured using an infrared tympanic thermometer before the start of exercise and during a break. The measured timing is indicated by a cross in FIG.
さらに、運動に伴う外的仕事率を推定するため、靴に加速度センサSpeed Cell(adidas製)を装着した。このセンサでは5秒間ごとの平均速度を取得することができるため、被験者が静止しているか動いているかの判別が可能である。ここでは、5[km/hour]以上の速さである場合を走っているものとみなし、それ未満の場合に静止しているものとみなした。得られた5秒ごとの速度に対し、速度に応じた外的仕事率を求め、得られた外的仕事率の1分間の平均値を求めることでその時点での外的仕事率Δeff を求めた。 Furthermore, in order to estimate the external work rate due to exercise, an acceleration sensor Speed Cell (made by adidas) was attached to the shoes. Since this sensor can acquire an average speed every 5 seconds, it is possible to determine whether the subject is stationary or moving. Here, it was considered that the vehicle was running when the speed was 5 [km / hour] or more, and it was considered that the vehicle was stationary when the speed was lower than 5 [km / hour]. For the obtained speed every 5 seconds, the external power according to the speed is obtained, and the average value of the obtained external power for one minute is obtained to obtain the external power Δeff at that time. Was.
図15、および図16に両日の深部体温の平均推定誤差を示す。前記(評価環境)で述べたとおり、テニスでは深部体温を常時計測することが困難であるため、図14に示す計測タイミングにおける深部体温の誤差を評価する。結果より、提案手法による平均推定誤差が0.28℃,0.30℃となっており、OPTと同等の精度が得られていることが分かる。DEFと比較すると誤差の減少率はそれぞれ58%,42%であり、改良手法のパラメータ調整方式、および改良モデルの有効性を確認できた。一方、DEFではウォーキング、ランニング、エアロバイク(登録商標)運動と比較して誤差が非常に大きい。この結果より、通常モデルでは複雑な負荷変動や水分補給、風などを含む複雑な運動における深部体温推定が困難であることが分かった。 15 and 16 show the average estimation error of the core body temperature on both days. As described in the above (evaluation environment), since it is difficult to constantly measure the core body temperature in tennis, the error of the core body temperature at the measurement timing shown in FIG. 14 is evaluated. The results show that the average estimation errors by the proposed method are 0.28 ° C and 0.30 ° C, and that the same accuracy as OPT is obtained. Compared with DEF, the reduction rate of error was 58% and 42%, respectively, confirming the parameter adjustment method of the improved method and the effectiveness of the improved model. On the other hand, DEF has a much larger error than walking, running, and exercise bike (registered trademark) exercises. From these results, it was found that it is difficult to estimate the core body temperature in complex exercises including complicated load fluctuation, hydration, wind, etc. with the normal model.
さらに両日の被験者の深部体温の推定例を、図17、図18に示す。各図では横軸が時間経過を示し、赤外線鼓膜温度計で計測した深部体温を点(REAL)で示す。この結果より、休憩に入ると体温が低下するといった傾向はDEFにおいても再現しているものの、パラメータ調整により絶対値が実測により近づいていることが分かる。以上の結果より、改良手法によりモデルのパラメータを調整したことが高精度な深部体温推定に有効であったといえる。 17 and 18 show examples of estimating the core body temperature of the subject on both days. In each of the figures, the horizontal axis represents the passage of time, and the core body temperature measured by an infrared tympanic thermometer is indicated by a point (REAL). From this result, it can be understood that the tendency that the body temperature decreases when the user enters a break is reproduced in the DEF, but the absolute value is closer to the actual measurement due to the parameter adjustment. From the above results, it can be said that the adjustment of the model parameters by the improved method was effective for highly accurate estimation of the core body temperature.
本実施形態では、Gaggeの2ノードモデルを用いて運動中の深部体温を推定する手法を示した。かつ、さらに高精度な推定のため、ウォーミングアップ終了時に計測した深部体温の値に基づく個人差パラメータ調整方式、およびモデル式の改良を行った。のべ120時間超の運動データにより改良手法を評価した結果、1点のみの深部体温の観測によって、より推定誤差の小さい個人差パラメータを選択できることが分かった。さらに、休憩などを含めて負荷変動のある複雑な運動においても、改良手法によって従来のモデルより高精度に深部体温を推定可能であることを確認した。 In the present embodiment, a method of estimating the core body temperature during exercise using the two-node model of Gagge has been described. In addition, for more accurate estimation, the individual difference parameter adjustment method based on the value of the core body temperature measured at the end of warming-up and the model formula were improved. As a result of evaluating the improved method using exercise data for a total of more than 120 hours, it was found that individual difference parameters with smaller estimation errors can be selected by observing only one core temperature. Furthermore, it was confirmed that the improved technique can estimate the core body temperature more accurately than conventional models even in complex exercises with load fluctuations including breaks.
1 深部体温推定装置
10 制御部(計算手段)
102 ウォーミングアップ並列演算部(ウォーミングアップ並列演算手段)
103 パラメータ組選出部(選出手段)
104 モニタ演算部(モニタ演算手段)
12 環境センサ
20 ウェアラブルセンサ(センサ)
31 深部体温センサ
1 deep body temperature estimation device 10 control unit (calculation means)
102 Warming-up parallel operation unit (warming-up parallel operation means)
103 Parameter set selection section (selection means)
104 monitor operation unit (monitor operation means)
12 environment sensor 20 wearable sensor (sensor)
31 deep body temperature sensor
Claims (6)
複数種類でかつ各々について複数の値が準備された個人差パラメータと、前記熱移動及び前記熱交換に対して各々複数の遅延値が準備された遅延パラメータとを設定し、かつ測定した初期深部体温と初期皮膚温とを入力して、ウォーミングアップ段階で全てのパラメータの組合せを前記熱収支計算式に適用して並列計算させるウォーミングアップ並列演算手段と、
ウォーミングアップ終了時に測定した深部体温と前記並列計算の各結果とを比較して最適のパラメータ組を選出する選出手段と、
前記最適のパラメータ組を適用して前記熱収支計算式を実行し、前記深部体温を算出するモニタ演算手段とを備えた深部体温推定装置。 Using the body heat model, the heat transfer in the body and the heat exchange with the outside of the body are repeatedly calculated by the heat balance calculation formula from the heat production in the deep part obtained based on the measurement with the sensor, and the deep part during exercise is calculated. In a deep body temperature estimation device for estimating body temperature,
Initial difference body temperature in which a plurality of types and a plurality of individual values are prepared for each parameter, and a plurality of delay values are prepared for the heat transfer and the heat exchange. And initial skin temperature, warming-up parallel operation means for performing a parallel calculation by applying a combination of all parameters to the heat balance calculation formula in the warming-up stage,
Selection means for selecting the optimal parameter set by comparing the core body temperature measured at the end of the warm-up and each result of the parallel calculation,
A deep body temperature estimating apparatus comprising: a monitor calculating means for executing the heat balance calculation formula by applying the optimum parameter set and calculating the deep body temperature.
前記センサは、人体に装着され、心拍数を測定して、前記計算手段に出力するものであることを特徴とする請求項1に記載の深部体温推定装置。 A calculation unit for calculating heat production information from the heart rate information,
The deep body temperature estimation device according to claim 1, wherein the sensor is mounted on a human body, measures a heart rate, and outputs the heart rate to the calculation means.
複数種類でかつ各々について複数の値が準備された個人差パラメータと、前記熱移動及び前記熱交換に対して各々複数の遅延値が準備された遅延パラメータとを設定し、かつ測定した初期深部体温と初期皮膚温とを入力して、ウォーミングアップ段階で全てのパラメータの組合せを前記熱収支計算式に適用して並列計算させるウォーミングアップ並列演算工程と、
ウォーミングアップ終了時に測定した深部体温と前記並列計算の各結果とを比較して最適のパラメータ組を選出する選出工程と、
前記最適のパラメータ組を適用して前記熱収支計算式を実行し、前記深部体温を算出するモニタ演算工程とを備えた深部体温推定方法。 Using the body heat model, the heat transfer in the body and the heat exchange with the outside of the body are repeatedly calculated by the heat balance calculation formula from the heat production in the deep part obtained based on the measurement with the sensor, and the deep part during exercise is calculated. In a core body temperature estimation method for estimating body temperature,
Initial difference body temperature in which a plurality of types and a plurality of individual values are prepared for each parameter, and a plurality of delay values are prepared for the heat transfer and the heat exchange. And an initial skin temperature, and a warm-up parallel operation step of performing a parallel calculation by applying a combination of all parameters to the heat balance calculation formula in the warm-up stage,
A selection step of selecting an optimal parameter set by comparing the core body temperature measured at the end of the warm-up and each result of the parallel calculation,
A monitor calculation step of executing the heat balance calculation formula by applying the optimal parameter set and calculating the core body temperature.
複数種類でかつ各々について複数の値が準備された個人差パラメータと、前記熱移動及び前記熱交換に対して各々複数の遅延値が準備された遅延パラメータとを設定し、かつ測定した初期深部体温と初期皮膚温とを入力して、ウォーミングアップ段階で全てのパラメータの組合せを前記熱収支計算式に適用して並列計算させるウォーミングアップ並列演算手段、
ウォーミングアップ終了時に測定した深部体温と前記並列計算の各結果とを比較して最適のパラメータ組を選出する選出手段、および
前記最適のパラメータ組を適用して前記熱収支計算式を実行し、前記深部体温を算出するモニタ演算手段、として前記コンピュータを機能させるプログラム。 Using a body temperature model, the computer repeatedly calculates the heat transfer in the body and the heat exchange with the outside from the heat production in the deep part obtained based on the measurement with the sensor by the computer using the heat balance calculation formula. In a program that estimates core body temperature,
Initial difference body temperature in which a plurality of types and a plurality of individual values are prepared for each parameter, and a plurality of delay values are prepared for the heat transfer and the heat exchange. And initial skin temperature, warming-up parallel calculation means for performing a parallel calculation by applying a combination of all parameters to the heat balance calculation formula in the warming-up stage,
Selecting means for selecting an optimum parameter set by comparing the core body temperature measured at the end of the warm-up with each result of the parallel calculation, and executing the heat balance calculation formula by applying the optimum parameter set, A program for causing the computer to function as monitor calculation means for calculating body temperature.
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