JP6826667B2 - 深部体温推定システム、ヒートストレス警報システム、及び、深部体温推定方法 - Google Patents

深部体温推定システム、ヒートストレス警報システム、及び、深部体温推定方法 Download PDF

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Description

本発明は、深部体温推定システム、ヒートストレス警報システム、及び、深部体温推定方法に関する。
消火活動を実施する消防士や炎天下で作業する作業者などのユーザが熱中症になることを防止することは重要である。熱中症を防止するためには、例えば、熱中症を引き起こすヒートストレスを検出し、この検出結果に応じて警報を発する方法が考えられる。
例えば、特許文献1には、温度センサにより検出された防護装備の内側温度に基づいて、ヒートストレス状況を把握する技術が記載されている。特許文献1に記載された技術では、防護装備の内側温度を把握することで熱中症の予測ができるという前提のもと、温度センサにより防護装備の内側温度を検出している。
特開2004−30180号公報
ところで、熱中症と深部体温との間には関係があることは知られている。すなわち、深部体温は熱中症をはじめとする、人体が感じるヒートストレスの危険性を示す指標となりうるものである。しかし、先行技術では深部体温を直接予測するものではなく、熱中症の予測精度としては十分なものではなかった。また、深部体温を測定するためには温度測定プローブを口腔、耳、あるいは肛門より体内に挿入する必要があり、ユーザの作業中に深部体温を測定することは困難であった。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ユーザの深部体温を精度良く推定することが可能な深部体温推定システム、ヒートストレス警報システム、及び、深部体温推定方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係る深部体温推定システムは、
ユーザが着用する衣服の内側の温度である衣服内温度を測定する温度センサと、
前記ユーザに加わる加速度を検出する加速度センサと、を備え、
前記ユーザの体内の温度である深部体温を推定する。
前記温度センサにより測定された衣服内温度と前記加速度センサにより検出された加速度とに基づいて、前記深部体温を推定する深部体温推定手段を更に備えていてもよい。
前記加速度センサにより検出された加速度に基づいて、前記ユーザの体内で産出される熱量である産熱量を推定する産熱量推定手段を更に備え、
前記深部体温推定手段は、前記温度センサにより測定された衣服内温度と前記産熱量推定手段により推定された産熱量とに基づいて、前記深部体温を推定してもよい。
前記深部体温推定手段は、前記衣服内温度と前記産熱量と前記深部体温との対応関係を示す数理モデルを用いて、前記深部体温を推定してもよい。
前記数理モデルは、
前記ユーザの筋肉が有する熱量である第1の熱量の変化量を、前記産熱量と前記ユーザの筋肉から前記ユーザの血液に供給される熱流量である第1の熱流量との差で示す第1の式と、
前記ユーザの血液が有する熱量である第2の熱量の変化量を、前記第1の熱流量と前記ユーザの血液から前記衣服の内側に供給される熱流量である第2の熱流量との差で示す第2の式と、
前記第1の熱流量を、前記ユーザの筋肉から前記ユーザの血液への熱抵抗値である第1の熱抵抗値に対する、前記ユーザの筋肉の温度である第1の温度の変化量と前記ユーザの血液の温度である第2の温度の変化量との差の割合で示す第3の式と、
前記第2の熱流量を、前記ユーザの血液から前記衣服の内側への熱抵抗値である第2の熱抵抗値に対する、前記第2の温度の変化量と前記衣服内温度の変化量との差の割合で示す第4の式と、
前記第1の温度の変化量を、前記ユーザの筋肉が有する熱容量である第1の熱容量に対する前記第1の熱量の割合で示す第5の式と、
前記第2の温度の変化量を、前記ユーザの血液が有する熱容量である第2の熱容量に対する前記第2の熱量の割合で示す第6の式と、を含む連立微分方程式により表され、
前記深部体温推定手段は、前記第2の温度を前記深部体温として推定してもよい。
前記第1の熱容量と前記第2の熱容量とは、前記ユーザの身体上の特徴に基づく値であり、
前記第1の熱抵抗値と前記第2の熱抵抗値とは、予め定められた値であってもよい。
前記ユーザの周囲の気圧を検出する気圧センサを更に備え、
前記産熱量推定手段は、前記加速度センサにより検出された加速度と前記気圧センサにより検出された気圧とに基づいて、前記産熱量を推定してもよい。
前記ユーザに加わる角速度を検出する角速度センサと、
前記ユーザの周囲の磁場の方向を検出する磁気センサと、を更に備え、
前記加速度センサと前記角速度センサと前記磁気センサとは、相互に固定されており、
前記産熱量推定手段は、前記加速度センサにより検出された加速度と前記角速度センサにより検出された角速度と前記磁気センサにより検出された方向とに基づいて、前記産熱量を推定してもよい。
前記深部体温推定手段により推定された深部体温に基づいて、前記ユーザの異常を報知する報知手段を更に備えてもよい。
前記衣服が、遮熱効果を有する衣服であってもよい。
前記遮熱効果が、ISO9151に準拠した方法で測定されるHTI24が3秒以上であることを満たしてもよい。
前記衣服が、JIS L 1096に準拠した方法であってフラジール形試験機を用いた方法で測定される通気度の値が1.0cm/cm/s以下であってもよい。
前記衣服が、JIS L 1099に準拠した方法であってカップ法により測定される透湿度の値が1000g/m/h以下であってもよい。
前記衣服の熱伝導率が、1kcal/h/m/℃以下であってもよい。
上記目的を達成するために、本発明の第2の観点に係るヒートストレス警報システムは、
ユーザが着用する衣服の内側の温度である衣服内温度と前記ユーザに加わる加速度とに基づいて、前記ユーザの体内の温度である深部体温を推定する深部体温推定手段と、
前記深部体温推定手段により推定された深部体温に基づいて、警報を発する警報手段と、を備える。
上記目的を達成するために、本発明の第3の観点に係る深部体温推定方法は、
ユーザが着用する衣服の内側の温度である衣服内温度を測定し、
前記ユーザに加わる加速度を検出し、
前記測定された衣服内温度と前記検出された加速度とに基づいて、前記ユーザの体内の温度である深部体温を推定する。
本発明によれば、ユーザの深部体温を精度良く推定することができる。
本発明の実施形態に係る深部体温推定システムの構成図 本発明の実施形態に係る処理装置の構成図 各モジュールの格納場所を示す図 数理モデルの説明図 本発明の実施形態に係る処理装置が実行する深部体温推定処理を示すフローチャート 被験者の基本データを示す図 実施例1の結果データを示す図 実測値と算出値との関係を示す図 実施例2の結果データを示す図 実施例3の結果データ1を示す図 体重とC1との関係を示す図 実施例3の結果データ2を示す図 実施例4の結果データ1を示す図 実施例4の結果データ2を示す図 実施例5の結果データを示す図 実施例の最終結果データを示す図
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図中において、同一又は対応する部分には、同一の符号を付す。
(実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る深部体温推定システム1000の構成図である。深部体温推定システム1000は、ユーザの体の中心部の体温(以下「深部体温」という。)を推定するシステムである。より詳細には、深部体温推定システム1000は、ユーザの動作により発生する熱量(以下「産熱量」という。)と、ユーザとユーザが着用する衣服との間の空間の温度(以下「衣服内温度」という。)と、を用いた数理モデルを用いて、ユーザの深部体温を推定するシステムである。
また、深部体温推定システム1000は、深部体温を推定する機能に加え、深部体温から熱中症のおそれがある場合に警報を発する機能を有する。本実施形態では、ユーザは、消防活動を実施する消防士であり、衣服として防火服を着用しているものとする。ただし、ユーザは、消防士ではなく、炎天下で作業する作業者であってもよい。また、ユーザが着用する衣服は、防火服に限定されない。ただし、ユーザが着用する衣服は、一般の衣服よりも、遮熱効果が高い衣服であることが望ましい。
ここで言う遮熱効果の指標である遮熱性とは、例えば衣服に用いられている布帛が、ISO9151に準拠した方法により、規定の火炎に暴露し、温度上昇が24℃に達するまでの時間(HTI24)が3秒以上であることを満たすことが挙げられるが、これに限定されない。
また、遮熱効果が高い衣服としては、例えば特開2014−091307号公報や特開2011−106069号公報に記載された多層構造布帛を有する衣服が挙げられる。すなわち、外層および内層の2層以上からなる積層布帛を有する衣服であることが好適である。積層布帛の各層の厚みは、遮熱性に大きく影響する。このため、例えば、特開2010−255124号公報に記載されているように、表地層の厚みと内層の厚みは、下記式を満足する布帛を用いた衣服であることが好ましいが、これに限定されない。
5.0mm≧遮熱層厚み(mm)≧−29.6×(表地層厚み(mm))+14.1(mm)
多層構造布帛においては、火炎暴露下において定常時と布帛形態が変化するものであっても良い。例えば、火炎暴露下において布帛厚みが増加することが考えられる。また、衣服を構成する布帛の遮熱性は、ISO9151に準拠した方法で測定してHTI24が3秒以上であることが好ましい。HTI24は、規定の火炎に暴露した場合において、温度上昇が24℃に達するまでの時間である。
また、多層構造布帛においては、上記温度センサを保護する為、難燃性の高い繊維素材であることが好ましい。例えば、多層構造布帛を構成する繊維の限界酸素指数(LOI)が21以上であり、好ましくは24以上である。限界酸素指数とは燃焼継続するのに必要な雰囲気の酸素濃度(%)であり、21以上であると通常の空気中では燃焼が継続せずに自己消火することを意味し、高い耐熱性を発揮することができる。ここで、限界酸素指数(LOI)は、JIS L1091(E法)により測定された値である。
このように、最外層が限界酸素指数(LOI)21以上の繊維を用いることにより、高い耐熱性を発揮することができる。上記繊維としては、例えば、メタ型アラミド繊維、パラ型アラミド繊維、ポリベンゾイミダゾール繊維、ポリイミド繊維、ポリアミドイミド繊維、ポリエーテルイミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、ノボロイド繊維、ポリクラール繊維、難燃アクリル繊維、難燃レーヨン繊維、難燃ポリエステル繊維、難燃綿繊維、難燃ウール繊維などを挙げることができる。
特に、ポリメタフェニレンイソフタルアミドなどのメタ系アラミド繊維や、織物や編物強度を向上させる目的でパラ系のアラミド繊維、すなわち、ポリパラフェニレンテレフタルアミド、あるいは、これに第3成分を共重合した繊維などを用いることが有用である。ポリパラフェニレンテレフタルアミド共重合体の一例として、コポリパラフェニレン・3.4’−オキシジフェニレンテレフタルアミドが例示される。ただし、難燃性を阻害しない範囲で、ポリエステル繊維やポリアミド繊維、ナイロン繊維、アクリル繊維などの易撚素材を混用しても構わない。また、繊維は原着繊維であっても、後染め繊維であっても構わない。また、必要に応じて、布帛を製織後に難燃加工を付与しても構わない。
上述した繊維には、長繊維または短繊維を用いてもよい。また、上記繊維を2種類以上混繊または混紡して用いてもよい。特に、外層に用いられる布帛として、本発明において、メタ系アラミド繊維とパラ系アラミド繊維はフィラメントあるいは混紡して紡績糸の形態で使用するものが好ましく例示される。使用される紡績糸はシングルプライ、ダブルプライであってもよい。該パラ系のアラミド繊維の混合比率としては、布帛を構成する全繊維に対して5重量%以上が好ましいが、パラ系のアラミド繊維は、フィブリル化を起こしやすいため、混合比率を60重量%以下に抑えることが好ましい。
上記布帛は、織物、編物、不織布などの形態で用いてもよいが、特に織物が好ましい。また、織物としては、平織、綾織、朱子織など、どのような織組織であってもよい。また、織物、編物では、2種類の繊維を用い、交織、交編させてもよい。なお、最外層(表地層)に用いる布帛は、目付けが、好ましくは140〜500g/m、より好ましくは160〜400g/m、さらに好ましくは200〜400g/mの範囲にあるものを使用することが好ましい。上記目付けが140g/m未満の場合には、十分な耐熱性能が得られないおそれがあり、一方該目付けが500g/mを超える場合には、遮熱活動服にした場合の着用感が阻害されるおそれがある。
多層構造布帛においては、内層が、引張弾性率が80〜800cN/dtex、該布帛の熱伝導率が6.0W・m−1・k−1以下、好ましくは5.0W・m−1・k−1以下、かつ密度が3.0g/cm以下の繊維で構成された布帛であり、800〜3000nmの波長の電磁波の透過率が10%以下であり、かつ目付けが60〜500g/mであることが好ましい。
また、繊維の引張弾性率は、80〜800cN/dtex(より好ましくは80〜500cN/dtex、さらに好ましくは120〜500cN/dtex)であることが好ましい。引張弾性率が80cN/dtex未満の場合、遮熱活動服などとして使用する場合に、着用者の動きや姿勢によっては一部の部位で繊維が伸びて、布帛が薄くなり十分な遮熱効果が得られない場合がある。また、引張弾性率が800cN/dtexを超える場合、いわゆる「突っ張る」着用感を与える場合がある。紡績糸を用いることによりこれを避けることも可能な場合もあるが、十分な効果を発揮するには引張弾性率が800cN/dtex以下であることが好ましい。
多層構造布帛において、布帛の目付けは60〜500g/m(より好ましくは80〜400g/m、さらに好ましくは100〜350g/m)であることが好ましい。目付けが60g/mより低いと電磁波の透過を十分に防ぐことができない場合がある。一方、目付けが500g/mより高いと、熱を溜め込む傾向が顕著になり遮熱性を阻害するおそれがあり、軽量性も損なわれるおそれがある。
上記の多層構造布帛を構成する繊維には、特に限定を受けるものではない。電磁波の吸収や反射を向上させるために、金属やカーボンなどを練り込んだり、表面付着させたりしたものを用いることも可能である。上記繊維としては、炭素繊維を用いることもができるが、アラミド繊維、ポリベンゾイミダゾール繊維、ポリイミド繊維、ポリアミドイミド繊維、ポリエーテルイミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、ノボロイド繊維、ポリクラール繊維、難燃アクリル繊維、難燃レーヨン繊維、難燃ポリエステル繊維、難燃綿繊維、難燃ウール繊維などの有機高分子からなる繊維(以下、有機高分子繊維と称することがある)を好適に挙げることができる。
多層構造布帛においては、電磁波吸収率と熱伝導率の改良のため、カーボン、金、銀、銅、アルミニウムなどの微粒子を、有機高分子繊維に含有させたり、有機高分子繊維の表面に付着させたりすることができる。この際、カーボン等は、これを含有する顔料または塗料として有機高分子繊維に含有または表面に付与等してもよい。これらの微粒子の有機高分子繊維の全重量に対する含有率または付着率は、微粒子の比重等にもよるが、好ましくは0.05〜60重量%、より好ましくは0.05〜40重量%である。また、カーボン微粒子の場合は、好ましくは0.05重量%以上、より好ましくは0.05〜10重量%、さらに好ましくは0.05重量%以上5重量%未満である。さらに、アルミニウム微粒子の場合は、好ましくは1重量%以上、より好ましくは1〜20重量%、さらに好ましくは1〜10重量%である。
また、上記微粒子の数平均粒子径は、好ましくは10μm以下(より好ましくは0.01〜1μm)である。炭素繊維や金属繊維など、それ自体が上記のLOI値や熱伝導性等の要件を満たせば、微粒子を練り込んだりすることなく、そのまま用いることもできる。特に、内層を構成する繊維としては、炭素繊維や金属繊維の含有率が好ましくは50重量%以上、より好ましくは80重量%以上、さらに好ましくは100重量%からなる布帛を例として挙げることができる。
多層構造布帛には、上記の外層と内層の間に、中間層として、LOI値が25以上の繊維からなる布帛に透湿防水性フィルムを積層固着したものを配することも可能である。これにより布帛構造体としての快適性を保持したまま外からの水の浸入を抑えることができるため、放水などが行われる消防活動を行う消防隊員用の防護服としてより好適である。用いる中間層の目付けは、50〜200g/mの範囲にあるものを使用することが好ましい。目付が50g/m未満の場合には、十分な遮熱性能が得られない恐れがあり、一方該目付けが200g/mを超える場合には、遮熱活動服にした場合の着用感が阻害されるおそれがある。
この布帛は、透湿防水性のあるポリテトラフルオロエチレン等からなる薄膜フィルムをラミネート加工されていることが好ましく、これにより透湿防水性や耐薬品性が向上し、着用者の汗の蒸散を促進することができ、着用者のヒートストレスを減少することができる。上記の中間層にラミネート加工する薄膜フィルムの単位面積あたりの目付けは10〜50g/mの範囲とすることが好ましい。なお、このように中間層の布帛に薄膜フィルムをラミネート加工する場合でも、該加工を施した中間層の布帛の目付けが前述した50〜200g/mの範囲にあることが好ましい。
さらに、本実施形態においては通気度の低い生地を用いられていることが望ましい。望ましくはJIS L 1096(フラジール形試験機)で測定した値が1.0cm/cm/s以下であり、さらに望ましくは0.01cm/cm/s以下である。
さらに、本実施形態においては透湿度の低い生地を用いられていることが望ましい。望ましくはJIS L 1099(カップ法)で測定した値が1000g/m/h以下であり、さらに望ましくは10g/m/h以下である。
さらに、本実施形態においては熱伝導率の低い生地を用いられていることが望ましい。望ましくは1kcal/h/m/℃以下であり、さらに望ましくは1cal/h/m/℃以下である。
図1に示すように、深部体温推定システム1000は、処理装置100と、温度センサ210と、加速度センサ220と、気圧センサ230と、角速度センサ240と、磁気センサ250と、ブザー300と、端末装置400と、を備える。処理装置100と各種のセンサ(温度センサ210、加速度センサ220、気圧センサ230、角速度センサ240、磁気センサ250)とは相互に接続される。また、処理装置100とブザー300とは相互に接続され、処理装置100と端末装置400とは図示しないネットワークを介して相互に接続される。
処理装置100は、深部体温推定システム1000の中核をなすモジュールである。処理装置100は、例えば、マイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータである。処理装置100は、予め定められた数理モデルを用いて、各種のセンサから取得した情報からユーザの深部体温を推定する。また、処理装置100は、ユーザが熱中症になる可能性が高いと判別した場合、つまり、推定した深部体温が異常であると判別した場合、音、光、画面表示により警報を発する。処理装置100は、自ら警報を発してもよいし、ブザー300や端末装置400に警報を発させてもよい。以下、図2を参照して、処理装置100の構成について説明する。
図2に示すように、処理装置100は、CPU(Central Processing Unit)11、ROM(Read Only Memory)12、RAM(Random Access Memory)13、フラッシュメモリ14、RTC(Real Time Clock)15、タッチスクリーン16、第1の通信インターフェース17、第2の通信インターフェース18を備える。処理装置100が備える各構成要素は、バスを介して相互に接続される。
CPU11は、処理装置100の全体の動作を制御する。なお、CPU11は、ROM12に格納されているプログラムに従って動作し、RAM13をワークエリアとして使用する。ROM12には、処理装置100の全体の動作を制御するためのプログラムやデータが記憶される。RAM13は、CPU11のワークエリアとして機能する。つまり、CPU11は、RAM13にプログラムやデータを一時的に書き込み、これらのプログラムやデータを適宜参照する。深部体温推定手段の機能と産熱量推定手段の機能とは、例えば、CPU11がRAM13をワークエリアとして使用してROM12に格納されたプログラムを実行することにより実現される。
フラッシュメモリ14は、各種の情報を記憶する不揮発性メモリである。RTC15は、計時用のデバイスである。RTC15は、例えば、電池を内蔵し、処理装置100の電源がオフの間も計時を継続する。RTC15は、例えば、水晶発振子を備える発振回路を備える。タッチスクリーン16は、ユーザによりなされたタッチ操作を検知し、検知の結果を示す信号をCPU11に供給する。また、タッチスクリーン16は、CPU11から供給された画像信号に基づく画像を表示する。このように、タッチスクリーン16は、処理装置100のユーザインターフェースとして機能する。
第1の通信インターフェース17は、処理装置100を、図示しないネットワーク(例えば、インターネット)に接続するためのインターフェースである。処理装置100は、図示しないネットワークを介して端末装置400と通信する。第1の通信インターフェース17は、例えば、無線LAN(Local Area Network)用のインターフェースである。
第2の通信インターフェース18は、処理装置100を、各種のセンサやブザー300と接続するためのインターフェースである。第2の通信インターフェース18は、図示しない通信ケーブルを介して各種のセンサやブザー300に接続されてもよいし、無線通信により各種のセンサやブザー300に接続されてもよい。第2の通信インターフェース18は、無線LAN用のインターフェースであってもよいし、USB(Universal Serial Bus)やRS−232(Recommended Standard 232)に準拠したインターフェースであってもよい。
温度センサ210は、周囲の温度を測定するセンサである。温度センサ210は、例えば、衣服の内部に配置され、衣服内温度を測定する。温度センサ210は、測定した衣服内温度を示す情報(以下「温度情報」という。)を処理装置100に供給する。温度センサ210は、例えば、水銀式温度計、アルコール式温度計、サーミスタ式温度計、赤外線式温度計、測温抵抗体、CMOS(ComplememyaryMOS)温度センサである。
加速度センサ220は、加速度センサ220に加わる加速度を測定するセンサである。加速度センサ220は、ユーザや衣服に装着され、ユーザに加わる加速度、つまり、ユーザの動作により加速度センサ220に生じる加速度を測定する。加速度センサ220は、XYZ軸の3軸の加速度を測定する加速度センサであるものとする。加速度センサ220は、X軸の加速度とY軸の加速度とZ軸の加速度とを示す情報(以下「加速度情報」という。)を、処理装置100に供給する。加速度センサ220は、例えば、半導体方式の加速度センサ、機械的変位測定方式の加速度センサ、光学的方式の加速度センサである。半導体方式の加速度センサは、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いた加速度センサであり、例えば、静電容量型の加速度センサ、ピエゾ抵抗型の加速度センサ、ガス温度分布型の加速度センサである。
気圧センサ230は、周囲の気圧を測定するセンサである。気圧センサ230は、例えば、衣服の外部に配置され、ユーザの周囲の気圧を測定する。気圧センサ230は、測定した気圧を示す情報(以下「気圧情報」という。)を処理装置100に供給する。気圧センサ230は、例えば、半導体を用いた電気式気圧センサであり、静電容量式の気圧センサ、振動式のセンサである。
角速度センサ240は、角速度センサ240に加わる角速度を測定するセンサである。角速度センサ240は、例えば、ユーザや衣服に装着され、ユーザに加わる角速度、つまり、ユーザの動作により角速度センサ240に生じる角速度を測定する。角速度センサ240は、XYZ軸の3軸の加速度を測定する加速度センサであるものとする。角速度センサ240は、測定した角速度を示す情報(以下「角速度情報」という。)を、処理装置100に供給する。角速度センサ240は、例えば、水晶発振子や圧電セラミック素子を用いて、コリオリの力によって生じるひずみを電気信号として取り出すジャイロセンサである。
磁気センサ250は、周囲の磁場の大きさや方向を検出するセンサである。磁気センサ250は、例えば、ユーザや衣服に装着され、地磁気(地球により生じる磁場)を検出し、方角を検出する。磁気センサ250は、検出した方角を示す情報(以下「方角情報」という。)を、処理装置100に供給する。磁気センサ250は、例えば、ホール素子、磁気抵抗効果素子、磁気インピーダンス素子を備える。
ブザー300は、処理装置100による制御に従って、警報を発する。この警報は、例えば、推定された深部体温が予め定められた閾値よりも高い場合、あるいは、推定された深部体温が予め定められた値を超えて上昇した(例えば、1.5℃以上)場合、ユーザが熱中症になる可能性があることをユーザに知らせる音である。ブザー300は、電磁石と振動板とを備え、処理装置100から供給された電気信号に従って、音を発する。警報手段の機能は、例えば、処理装置100とブザー300とが協働することにより実現される。
端末装置400は、処理装置100のユーザインターフェースとして機能する装置である。端末装置400は、例えば、処理装置100による制御に従って、音又は画面表示により警報を発する。端末装置400は、例えば、図示しない、CPU、ROM、RAM、フラッシュメモリ、通信インターフェースを備える。端末装置400は、例えば、スマートフォン、タブレット端末、スマートウォッチ、ヘッドマウントディスプレイである。
次に、図3を参照して、処理装置100、各種のセンサ、ブザー300の配置例について説明する。図3は、処理装置100、各種のセンサ、ブザー300が、衣服500に装着されている様子を示す図である。図3には、衣服500が、裏地510と表地520とを備え、裏地510と表地520との間に、空間530を有する例が示されている。衣服500は、空間530を有することにより、衣服500の内側の空間(衣服500とユーザが着用する下着600との間の空間)である空間540と、衣服500の外側の空間である空間550との間の断熱性を高めている。また、表地520は、断熱性の高い素材で構成される。
裏地510には、内ポケット511が設けられ、表地520には、外ポケット521が設けられている。処理装置100、各種のセンサ、ブザー300は、例えば、内ポケット511と外ポケット521とのいずれか一方に収容される。温度センサ210は、衣服内温度を測定するために、内ポケット511に収容される。気圧センサ230は、衣服500の内側の気圧よりも衣服500の外側の気圧を測定する方が好ましいため、外ポケット521に収容される。ブザー300は、警報がユーザに伝わりやすいように、外ポケット521に収容される。
処理装置100と加速度センサ220と角速度センサ240と磁気センサ250とは、内ポケット511と外ポケット521とのいずれに収容されてもよい。ただし、加速度センサ220により検出される加速度の軸や角速度センサ240により検出される角速度の軸は、磁気センサ250により検出された方向を基準として決定される。このため、加速度センサ220と角速度センサ240と磁気センサ250とは、互いの位置関係が変化しないように、互いに固定される。本実施形態では、処理装置100と温度センサ210と加速度センサ220と角速度センサ240と磁気センサ250とが、互いの位置関係が変化しないように、互いに固定されるものとする。
次に、図4を参照して、深部体温の推定に用いられる数理モデルについて説明する。数理モデルは、以下に示す式(1)から式(6)までの6つの式により構成される連立微分方程式により表現される。第1の式は、例えば、式(1)に対応する。第2の式は、例えば、式(2)に対応する。第3の式は、例えば、式(3)に対応する。第4の式は、例えば、式(4)に対応する。第5の式は、例えば、式(5)に対応する。第6の式は、例えば、式(6)に対応する。
dQ1/dt=F0−F1 式(1)
dQ2/dt=F1−F2 式(2)
F1=(T1−T2)/R1 式(3)
F2=(T2−T3)/R2 式(4)
T1=Q1/C1 式(5)
T2=Q2/C2 式(6)
式(1)は、第1の熱量の変化量を、産熱量と第1の熱流量との差で表す式である。第1の熱量は、ユーザの筋肉が有する熱量である。第1の熱流量は、ユーザの筋肉からユーザの血液に供給される熱流量である。Q1は、第1の熱量であり、dQ1/dtは、単位時間当たりの第1の熱量の変化量である。単位時間は、例えば、1分間、10秒間、1秒間である。以下、単位時間は、1分間を意味するものとする。F0は、産熱量である。産熱量に関しては、後述する。F1は、第1の熱流量である。式(1)は、筋肉が有する熱量の変化量は、筋肉に入ってくる熱流量である産熱量と、筋肉から血液に出ていく熱流量との差で定義されることを示している。
式(2)は、第2の熱量の変化量を、第1の熱流量と第2の熱流量との差で表す式である。第2の熱量は、ユーザの血液が有する熱量である。第2の熱流量は、ユーザの血液から衣服500の内側に供給される熱流量である。Q2は、第2の熱量であり、dQ2/dtは、単位時間当たりの第2の熱量の変化量である。F2は、第2の熱流量である。式(2)は、血液が有する熱量の変化量は、筋肉から血液に入ってくる熱流量と、血液から衣服500の内側に出ていく熱流量との差で定義されることを示している。
式(3)は、第1の熱流量を、第1の熱抵抗値に対する、第1の温度の変化量と第2の温度の変化量との差の割合で表す式である。第1の熱抵抗値は、ユーザの筋肉からユーザの血液への熱抵抗値であり、筋肉から血液への熱の伝わりにくさを示す値である。第1の温度は、ユーザの筋肉の温度である。第2の温度は、ユーザの血液の温度である。R1は、第1の熱抵抗値である。T1は、単位時間当たりの第1の温度の変化量である。T2は、単位時間当たりの第2の温度の変化量である。式(3)は、筋肉から血液に流れる熱流量が、筋肉の温度の変化量と血液の温度の変化量との差と、筋肉から血液への熱の伝わりにくさとの比で定義されることを示している。
式(4)は、第2の熱流量を、第2の熱抵抗値に対する、第2の温度の変化量と衣服内温度の変化量との差の割合で表す式である。第2の熱抵抗値は、ユーザの血液から衣服500の内側への熱抵抗値であり、血液から衣服の内側への熱の伝わりにくさを示す値である。R2は、第2の熱抵抗値である。T3は、単位時間当たりの衣服内温度の変化量である。式(4)は、筋肉から血液に流れる熱流量が、筋肉の温度の変化量と血液の温度の変化量との差と、筋肉から血液への熱の伝わりにくさとの比で定義されることを示している。
式(5)は、第1の温度の変化量を、第1の熱容量に対する第1の熱量の割合で示す式である。第1の熱容量は、ユーザの筋肉が有する熱容量である。C1は、第1の熱容量である。式(5)は、筋肉の温度変化が、筋肉の熱容量と筋肉が有する熱量との比で定義されることを示している。
式(6)は、第2の温度の変化量を、第2の熱容量に対する第2の熱量の割合で示す式である。第2の熱容量は、ユーザの血液が有する熱容量である。C2は、第2の熱容量である。式(6)は、血液の温度変化が、血液の熱容量と血液が有する熱量との比で定義されることを示している。
図4は、筋肉において産熱量(F0)の熱が発生すると、第1の熱抵抗値(R1)に応じた速度で、筋肉から血液に向けて第1の熱流量(F1)の熱が流れ、第2の熱抵抗値(R2)に応じた速度で、血液から衣服500の内側に向けて第2の熱流量(F2)の熱が流れる様子を示している。ここで、産熱量と衣服内温度とに基づいて、第2の温度が推定され、第2の温度が深部体温として推定される。つまり、本実施形態では、ユーザの血液の温度である第2の温度が、ユーザの深部体温と見做される。
なお、本実施形態では、F0が加速度情報と気圧情報とから求められ、T3が温度情報から求められ、R1、R2、C1、C2が固定値であり、Q1、Q2、F1、F2、T1、T2が変数であるものとする。上記固定値は、例えば、深部体温の算出値の時間変化を示す算出値波形と、深部体温の実測値の時間変化を示す実測値波形との相関係数が、最も1に近いときの値により決定される。或いは、この固定値は、この相関係数が最も1に近い時の値と、ユーザの身体上の特徴に基づく値、例えば、ユーザの体重などに基づく値との相関式により算出することも可能である。
ここで、産熱量を求める手法について説明する。産熱量は、基本的に、運動時におけるユーザの加速度から求めることができる。ただし、産熱量は、ユーザの加速度だけではなく、ユーザの高さ方向における移動量も考慮した方が、正確に求めることが期待できる。そこで、本実施形態では、産熱量を、ユーザの加速度とユーザの高さ方向における移動量とから求める手法について説明する。この手法に関しては、特開2008−220517号公報に詳細に説明されているため、ここでは、要約して説明する。産熱量は、例えば、以下に示す式(7)から式(10)の4つの式から求められる。
VM=Σ√(x+y+z) 式(7)
VO=0.044×VM+1.365×Hu+0.553×Hd 式(8)
EE=VO2×4.825×BW/1000 式(9)
F0=EE×0.8 式(10)
式(7)において、VMは、ユーザの加速度の大きさを示す。厳密には、VMは、単位時間に亘ってユーザに課された加速度の累積値である累積加速度の大きさを示す。VMの単位は、mGである。xは、x軸方向における加速度の瞬時値である。yは、y軸方向における加速度の瞬時値である。zは、z軸方向における加速度の瞬時値である。VMは、加速度センサ220から処理装置100に供給される加速度情報に基づいて算出される。具体的には、VMは、予め定められたサンプリング周期(例えば、0.1秒)毎に取得される加速度情報により示される加速度の瞬時値を、単位時間に亘って累積することにより求められる。以下、サンプリング周期は、0.1秒を意味するものとする。なお、重力加速度は、酸素消費量や産熱量に影響を与えないと考えられる。従って、上述した加速度の瞬時値は、重力加速度を除外した値であるものとする。例えば、z軸方向が鉛直方向である場合、z軸方向における加速度の瞬時値から重力加速度を除外した値が、式(7)においてzとして採用される。
式(8)において、VOは、単位時間当たり、単位体重(例えば、1kg)当たりの酸素消費量である。VOの単位は、mL/kg/minである。Huは、単位時間当たりの累積上昇量である。Hdは、単位時間当たりの累積下降量である。Hu、Hdの単位は、m/minである。Hu、Hdは、予め定められたサンプリング周期毎に取得される気圧情報により示される気圧の変化量から算出可能である。なお、ユーザが高さ方向に移動した場合、気圧が変化することを利用する。つまり、ユーザが上方向に移動した場合、気圧が低下し、ユーザが下方向に移動した場合、気圧が上昇することを利用する。
式(9)において、EEは、総エネルギー消費量を示す。EEの単位は、kcal/minである。4.825は、予め定められた定数であり、単位は、kcal/Lである。BWは、体重である。BWの単位は、kgである。1000は、予め定められた定数であり、単位は、mL/Lである。
式(10)において、F0は、単位時間当たりの産熱量である。F0の単位は、kcal/minである。0.8は、予め定められた定数である。0.8は、総消費エネルギーのうち、運動による消費分が20%であり、熱に変換される分が80%であることを示している。
以上説明したように、ユーザの産熱量は、ユーザに加わる加速度とユーザの上下方向の移動量とから算出可能である。つまり、ユーザの産熱量は、加速度情報と気圧情報とから求めることができる。なお、ユーザの上下方向の移動量が小さい場合、ユーザの産熱量は、ユーザに加わる加速度から算出可能であり、気圧情報は不要である。
また、角速度センサ240により供給される角速度情報に基づいて、ユーザの動きを正確に特定し、ユーザの産熱量の算出精度を向上させることができる。また、磁気センサ250により供給される方角情報に基づいて、ユーザの動きを正確に特定し、ユーザの産熱量の算出精度を向上させることができる。
次に、図5を参照して、本実施形態に係る処理装置100が実行する深部体温推定処理について説明する。深部体温推定処理は、例えば、処理装置100の電源が投入されたことに応答して実行される。
まず、CPU11は、衣服内温度の初期値を測定する(ステップS101)。例えば、CPU11は、温度センサ210から温度情報を取得し、取得した温度情報を衣服内温度の初期値を示す情報としてフラッシュメモリ14に記憶する。
CPU11は、ステップS101の処理を完了すると、加速度を測定する(ステップS102)。例えば、CPU11は、加速度センサ220から加速度情報を取得し、フラッシュメモリ14に記憶する。
CPU11は、ステップS102の処理を完了すると、気圧を測定する(ステップS103)。例えば、CPU11は、気圧センサ230から気圧情報を取得し、フラッシュメモリ14に記憶する。
CPU11は、ステップS103の処理を完了すると、深部体温の推定タイミングであるか否かを判別する(ステップS104)。深部体温の推定タイミングは、単位時間毎に到来するタイミングであり、例えば、1分毎に到来するタイミングである。CPU11は、RTC15から供給される情報に基づいて、深部体温の推定タイミングであるか否かを判別する。CPU11は、深部体温の推定タイミングでないと判別すると(ステップS104:NO)、ステップS102に処理を戻す。なお、ステップS102の処理とステップS103の処理とは、サンプリング周期毎、例えば、0.1秒毎に実行されるものとする。
CPU11は、深部体温の推定タイミングであると判別すると(ステップS104:YES)、衣服内温度を測定する(ステップS105)。例えば、CPU11は、温度センサ210から温度情報を取得し、取得した温度情報を衣服内温度を示す情報としてフラッシュメモリ14に記憶する。
CPU11は、ステップS105の処理を完了すると、累積加速度を算出する(ステップS106)。例えば、CPU11は、式(7)を用いて、ステップS102で測定された加速度から累積加速度を算出する。
CPU11は、ステップS106の処理を完了すると、高さ方向の移動量を算出する(ステップS107)。例えば、CPU11は、ステップS103で測定された気圧から高さ方向の移動量を算出する。高さ方向の移動量は、累積上昇量と累積下降量とである。
CPU11は、ステップS107の処理を完了すると、産熱量を算出する(ステップS108)。例えば、CPU11は、ステップS106で算出した累積加速度と、式(8)と、式(9)と、式(10)とを用いて、産熱量を算出する。
CPU11は、ステップS108の処理を完了すると、深部体温を推定する(ステップS109)。例えば、CPU11は、ステップS105で測定した衣服内温度と、ステップS108で算出した産熱量と、式(1)から式(6)までの連立微分方程式とを用いて、深部体温を推定する。なお、連立微分方程式から算出されるのは、深部体温の変化量であるが、予め定められた深部体温の基準値(例えば、37度)に深部体温の変化量を加えることにより、深部体温を算出することができる。なお、深部体温を推定することは、基本的に、深部体温の変化量を推定することと同義である。
CPU11は、ステップS109の処理を完了すると、深部体温が異常であるか否かを判別する(ステップS110)。例えば、CPU11は、深部体温が閾値を超えた場合(例えば、39度)を超えた場合や、深部体温が予め定められた値を超えて上昇した(例えば、1.5度)場合、深部体温が異常であると判別する。CPU11は、深部体温が異常でないと判別すると(ステップS110:NO)、ステップS102に処理を戻す。
一方、CPU11は、深部体温が異常であると判別すると(ステップS110:YES)、警報を発する(ステップS111)。例えば、CPU11は、ブザー300から警報を応じた音声を出力させる。CPU11は、ステップS111の処理を完了すると、深部体温推定処理を終了する。
本実施形態では、ユーザの衣服内の温度である衣服内温度とユーザの体内で産出される熱量である産熱量との対応関係を示す連立微分方程式が用いられて、衣服内温度と産熱量とから深部体温が推定される。従って、本実施形態によれば、ユーザの深部体温を精度良く推定することができる。
また、本実施形態によれば、深部体温を精度よく推定することができる。このため、推定された深部体温は、熱中症をはじめとする、人体が感じるヒートストレスの危険性の指標としても使用することができる。
また、本実施形態では、ユーザの血液の温度が、ユーザの深部体温と見做されて推定される。ここで、血液の温度は、例えば、直腸の温度よりも、深部体温に近いと考えられる。このため、本実施形態によれば、ユーザの深部体温を精度良く推定することができる。また、本実施形態では、測定対象の温度は、衣服内温度である。従って、例えば、直腸の温度を測定する場合に比べ、温度の測定が容易である。
本実施形態では、6つの式により構成される連立微分方程式により定義される数理モデルが、産熱量と衣服内温度とから深部体温を精度良く求めることができる前提で説明した。以下、実施例1から実施例3では、この数理モデルの妥当性の検証結果や、この数理モデルで用いるパラメータの決定方法について説明する。
(実施例1)
まず、実施例1における条件について説明する。実施例1では、衣服500を着用した被験者に、深部体温としての食道温を実測するためのプローブ式深部体温測定装置(図示せず)と、衣服内温度を測定する温度センサ210と、加速度センサ220と、気圧センサ230と、角速度センサ240と、磁気センサ250とを装着させた。また、カプセル式発汗量測定装置、マスク型酸素摂取量測定装置なども使用した。被験者は、S、H、M、Y、K、Uにより示される6人とした。プローブ式深部体温測定装置のプローブは、被験者の食道に装着された。温度センサ210と加速度センサ220と角速度センサ240と磁気センサ250とは、衣服500が備える内ポケット511内に配置された。気圧センサ230は、衣服500が備える外ポケット521内に配置された。
被験者が着用する衣服500は、特開2014−091307号公報の比較例4に記載された衣服であるものとする。この衣服500は、多層構造布帛であり、消防用防護服(防火服)の形状に縫合されたものである。具体的には、最外層には、ポリメタフェニレンイソフタルアミド繊維(帝人社製、商標名:コーネックス)と、コポリパラフェニレン・3、4’−オキシジフェニレンテレフタルアミド繊維(帝人テクノプロダクツ社製、商標名:テクノーラ)とを、混合比率が90:10となる割合で混合した耐熱繊維からなる紡績糸(番手:40/2)を用いて、平織リップストップに構成した布帛を製織した。この表地層の目付けは、380g/mであった。
中間層には、ポリメタフェニレンイソフタルアミド繊維(帝人社製、商標名:コーネックス)と、コポリパラフェニレン・3、4’−オキシジフェニレンテレフタルアミド繊維(帝人テクノプロダクツ社製、商標名:テクノーラ)とを、混合比率が95:5となる割合で混合した耐熱繊維からなる紡績糸(番手:40/−)を用いて平織に織成した織布(目付:80g/m)に、ポリテトラフルオロエチレン製の透湿防水性フィルム(ジャパンゴアテックス社製)をラミネートしたものを採用した。遮熱層(内層)には、コポリパラフェニレン・3、4’−オキシジフェニレンテレフタルアミド繊維ヤーン(帝人テクノプロダクツ社製、商標名:テクノーラ)からなる総繊度1670dtexのフィラメントを用いて、平織に構成した布帛を製織した。遮熱層の目付は210g/mであった。
被験者を歩行させるトレッドミルの傾斜角度は5%に設定され、トレッドミルの運転速度を、段階的に早くした。具体的には、運転速度は、測定開始からの経過時間が0分から3分までの3分間は0km/hとし、経過時間が3分から12分までの9分間は1.5km/hとし、経過時間が12分から21分までの9分間は3.0km/hとし、経過時間が21分から30分までの9分間は4.5km/hとし、経過時間が30分以後は6.0km/hとした。なお、安全のため、心拍数180以上、あるいは、食道温38.5度に達した時点で評価を終了した。
図6に、被験者の基本データを示す。基本データは、年齢、性別、身長(cm)、体重(kg)、BMI、体表面積(cm)、測定時間(min)、運動後体重(kg)、体重差(kg)を含む。BMIは、体重/身長により示される。体表面積は、体重0.444×身長0.663×88.83/10000により示される。体重差は、体重(運動前体重)から運動後体重を減じた値である。
産熱量は、実施形態で説明した手法により算出した。ただし、産熱量は、特開2008−220517号公報に記載された手法や、特許第3571272号公報に記載された手法を採用してもよい。衣服内温度は、温度センサ210により測定された温度である。図7に、実施例1の結果データを示す。図8に、実測値と算出値との関係を示す。なお、実施例1は、全パラメータを個別に算出する実施例である。パラメータは、式(1)から式(6)までの6つの式を含む連立微分方程式における、C1、C2、R1、R2の4つである。
図8に示すように、深部体温の実測値は、時間の経過とともに上昇する。なお、理解を容易にするため、深部体温は、測定開始時の深部体温を基準とした温度変化量(深部体温上昇度)により示している。ここで、上述した連立微分方程式により表される数理モデルが適切である場合、数理モデルを用いて算出された深部体温の時間変化と、実測された深部体温の時間変化との差が小さいはずである。つまり、深部体温の算出値の時間変化を示す算出値波形と、深部体温の実測値の時間変化を示す実測値波形との相関係数が、1に近いはずである。そこで、被験者毎に、C1、C2、R1、R2のそれぞれを切り替えながら、深部体温の算出値を求めて算出値波形を取得する。そして、算出値波形と実測値波形との相関係数が、最も1に近いときのパラメータ(C1、C2、R1、R2)を特定した。図7は、被験者毎に相関係数が最大となるパラメータ(C1、C2、R1、R2)を示している。
なお、相関係数が1から0.7の間であることは、強い正の相関があることを意味する。相関係数が0.7から0.4の間であることは、中程度の正の相関があることを意味する。相関係数が0.4から0.2の間であることは、弱い正の相関があることを意味する。相関係数が0.2から−0.2の間であることは、ほとんど相関がないことを意味する。相関係数が−0.2から−0.4の間であることは、弱い負の相関があることを意味する。相関係数が−0.4から−0.7の間であることは、中程度の負の相関があることを意味する。相関係数が−0.7から−1の間であることは、強い負の相関があることを意味する。
Slopeは、算出値を横軸、実測値を縦軸として、1分毎の深部体温の変化量をプロットした場合において、プロットされた点により近似される直線の傾きである。なお、この直線は、例えば、最小二乗法により求めることができる。Interceptは、この直線の切片である。AVGは、平均値を示す。SDは、標準偏差、つまり、ばらつきを示す。SEは、標準誤差、つまり、推定量の推定誤差を示す。
図7に示すように、被験者毎に、C1、C2、R1、R2を調整した場合、どの被験者についても、相関係数がほぼ0.97以上となった。つまり、実施例1によれば、上述した数理モデルが尤もらしいと考えられる。
(実施例2)
実施例2では、実施例1の結果データを踏まえて、パラメータの一般化を試みた。具体的には、実施例2では、実施例1で求められた被験者毎のパラメータの平均値を採用した。図9に、実施例2の結果データを示す。
図9に示すように、全パラメータ(C1、C2、R1、R2)に平均値を採用した場合、どの被験者についても、相関係数がほぼ0.97以上となった。つまり、実施例2によれば、上述した数理モデルにおいて、全パラメータ(C1、C2、R1、R2)に予め定められた値(つまり、平均値)を採用しても、数理モデルが成立すると考えられる。
(実施例3)
実施例3では、実施例1の結果データを踏まえて、パラメータがユーザの体重と相関関係があるか検証した。具体的には、実施例3では、まず、全パラメータ(C1、C2、R1、R2)について、体重との間に相関があるか否かを検証した。図10に、実施例3の結果データ1を示す。
図10において、相関係数は、各パラメータと体重との相関係数である。図11を参照して、各パラメータと体重との相関係数を求める手法について説明する。図11は、体重とC1との関係を示す図であり、体重を横軸、C1を縦軸にしたときの各被験者の散布図である。図11において、PSは、Sにより示される被験者(以下、単に「S」という。他の被験者についても同様。)の体重と、Sの実施例1による調整後のC1とにより特定される点を示す。PHは、Hの体重と、Hの調整後のC1とにより特定される点を示す。PMは、Mの体重と、Mの調整後のC1とにより特定される点を示す。PYは、Yの体重と、Yの調整後のC1とにより特定される点を示す。PKは、Kの体重と、Kの調整後のC1とにより特定される点を示す。PUは、Uの体重と、Uの調整後のC1とにより特定される点を示す。
ここで、体重とC1との相関係数であるrは、全被験者の体重を順に並べたときの体重波形と、全被験者のC1を順に並べたときのC1波形との相関係数である。ここで、r=0.754、r=0.568となった。体重とC1との相関係数は、0.754であることから、体重とC1とは正の相関が強いと考えられる。つまり、体重を指標としてC1を設定することは、有効であると考えられる。そこで、体重とC1との対応関係を特定することを試みる。まず、L1は、PS、PH、PM、PY、PK、PUを近似する直線を示す。L1は、例えば、最小二乗法により特定される。ここで、体重をBWとすると、C1=0.1234×BW+13.062となる。
体重とC2との関係、体重とR1との関係、体重とR2との関係についても、体重とC1との関係と同様に、相関係数を求めることにより検証することができる。体重とC2との相関係数は0.555であることから、体重とC2とは正の相関がある程度あると考えられる。そこで、体重とC2との対応関係を求めると、C2=0.0887×BW+15.963となる。一方、体重とR1との相関係数は0.356であることから、体重とR1とはあまり相関がないと考えられる。同様に、体重とR2との相関係数は0.039であることから、体重とR2とはあまり相関がないと考えられる。
そこで、実施例3では、C1とC2とは、体重を用いた相関式で求め、R1とR2とは、平均値を採用する。図12に、実施例3の結果データ2を示す。図12に示すように、C1とC2とを体重を用いて特定し、R1とR2とに平均値を採用すると、どの被験者についても、相関係数がほぼ0.97以上となった。つまり、実施例3によれば、上述した数理モデルにおいて、C1とC2とを体重を用いて特定し、R1とR2とに予め定められた値(つまり、平均値)を採用しても、数理モデルが成立すると考えられる。
(実施例4)
実施例4では、実施例1の結果データを踏まえて、パラメータがユーザの体表面積と相関関係があるか検証した。具体的には、実施例4では、まず、全パラメータ(C1、C2、R1、R2)について、体表面積との間に相関係数があるか否かを検証した。図13に、実施例4の結果データ1を示す。
図13において、相関係数は、各パラメータと体表面積との相関係数である。各パラメータと体表面積との相関係数を求める手法は、基本的に、各パラメータと体重との相関係数を求める手法と同様である。図13に示す例では、C1に関しては、r=0.844、r=0.712である。体表面積とC1との相関係数は、0.844であることから、体表面積とC1とは正の相関が強いと考えられる。つまり、体表面積を指標としてC1を設定することは、有効であると考えられる。そこで、体表面積とC1との対応関係を特定することを試みる。体表面積をBSAとすると、C1=0.0010×BSA+0.7450となる。
体表面積とC2との関係、体表面積とR1との関係、体表面積とR2との関係についても、体表面積とC1との関係と同様に、相関係数を求めることにより検証することができる。体表面積とC2との相関係数は0.680であることから、体表面積とC2とは正の相関がある程度あると考えられる。そこで、体表面積とC2との対応関係を求めると、C2=0.0009×BSA+5.7360となる。一方、体表面積とR1との相関係数は0.429であることから、体表面積とR1とはあまり相関がないと考えられる。同様に、体表面積とR2との相関係数は0.125であることから、体表面積とR2とはあまり相関がないと考えられる。
そこで、実施例4では、C1とC2とは、BSAを用いた式で求め、R1とR2とは、平均値を採用する。図14に、実施例4の結果データ2を示す。図14に示すように、C1とC2とをBSAを用いて特定し、R1とR2とに平均値を採用すると、どの被験者についても、相関係数がほぼ0.97以上となった。つまり、実施例4によれば、上述した数理モデルにおいて、C1とC2とをBSAを用いて特定し、R1とR2とに予め定められた値(つまり、平均値)を採用しても、数理モデルが成立すると考えられる。
(実施例5)
実施例5では、実施例3及び実施例4の結果データを踏まえて、C1を体重により特定し、C2を体表面積により特定し、R1及びR2として平均値を採用した。つまり、実施例5では、C1=0.1234×BW+13.062、C2=0.0009×BSA+5.7360、R1=2.4、R2=24.2を採用した。図15に、実施例5の結果データを示す。
図15において、T値は、統計検定量である。T値は、T=r×(√(N−2))/(√1−r)により表現される。なお、Nは、データ数である。また、P値は、T分布の両側確率である。図15に示すように、C1をBWを用いて特定し、C2をBSAを用いて特定し、R1とR2とに平均値を採用すると、どの被験者についても、相関係数がほぼ0.97以上となった。つまり、実施例5によれば、上述した数理モデルにおいて、C1をBWを用いて特定し、C2をBSAを用いて特定し、R1とR2とに予め定められた値(つまり、平均値)を採用しても、数理モデルが成立すると考えられる。
図16に、実施例1から実施例5に基づく、最終結果データを示す。図16には、4つの条件において、相関係数と、SLOPEと、Interceptとを示している。4つの条件は、体重によりC1を特定し体表面積によりC2を特定する第1の条件と、体重によりC1を特定しC2として平均値を採用する第2の条件と、体重によりC1とC2とを特定する第3の条件と、体表面積によりC1とC2とを特定する第4の条件と、を含む。なお、いずれの条件においても、R1とR2とに予め定められた値(つまり、平均値)を採用している。また、第1の条件は実施例5に対応し、第3の条件は実施例3に対応し、第4の条件は実施例4に対応する。
図16に示すように、C1とC2とをユーザの身体上の特徴に基づく値(例えば、体重や体表面積)により特定し、R1とR2とに予め定められた値(つまり、平均値)を採用すれば、数理モデルが成立すると考えられる。なお、相関係数と、SLOPEと、Interceptとを考慮すると、第1の条件(実施例5)のように、体重によりC1を特定し、体表面積によりC2を特定し、R1とR2とに予め定められた値(つまり、平均値)を採用すると、最も好ましいと考えられる。
(変形例)
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明を実施するにあたっては、種々の形態による変形及び応用が可能である。
本発明において、上記実施形態において説明した構成、機能、動作のどの部分を採用するのかは任意である。また、本発明において、上述した構成、機能、動作のほか、更なる構成、機能、動作が採用されてもよい。また、上述した実施形態は、適宜、自由に組み合わせることができる。また、本発明において採用可能な素材、サイズ、電気的特性などが、上記実施形態において示したものに限定されないことは勿論である。
上記衣服内温度は、衣服と人体との間の空気温度、最外層に着用している衣服とその内側の衣服との間の空気温度、衣服に覆われている人体の皮膚温度、などが挙げられるがこれに限定されるものではない。
上記ユーザの身体上の特徴とは体重や身長、BMI、体脂肪率、発汗量、呼吸量、体表面積、筋肉量などが挙げられるが、これに限定されない。
上記報知手段は、例えば、上記深部体温が予め定められた閾値を超える場合、あるいは上記深部体温の上昇度合いが予め定められた上昇限界度合いを超える場合に報知するが、これに限定されない。
実施形態1では、処理装置100が有する機能を多くがソフトウェア(又は、ファームウェア)により実現される例、つまり、処理装置100が有する機能を多くがプロセッサによるプログラムの実行により実現されるについて説明した。本発明において、このような機能は、ハードウェアにより実現されてもよい。この場合、例えば、処理装置100は、CPU11に代えて、処理回路を備える。この処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、又はこれらの組合せにより構成される。
本発明に係る処理装置100の動作を規定する動作プログラムを既存のパーソナルコンピュータや情報端末装置に適用することで、当該パーソナルコンピュータを本発明に係る処理装置100として機能させることも可能である。また、このようなプログラムの配布方法は任意であり、例えば、CD−ROM(Compact Disk Read-Only Memory)、DVD(Digital Versatile Disk)、メモリカードなどのコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布してもよいし、通信ネットワーク(例えば、インターネット)を介して配布してもよい。
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
本出願は、2017年7月31日に出願された日本国特許出願特願2017−147355号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願2017−147355号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
11 CPU、12 ROM、13 RAM、14 フラッシュメモリ、15 RTC、16 タッチスクリーン、17 第1の通信インターフェース、18 第2の通信インターフェース、100 処理装置、210 温度センサ、220 加速度センサ、230 気圧センサ、240 角速度センサ、250 磁気センサ、300 ブザー、400 端末装置、500 衣服、510 裏地、511 内ポケット、520 表地、521 外ポケット、530,540,550 空間、600 下着、1000 深部体温推定システム。

Claims (17)

  1. ユーザが着用する衣服の内側の温度である衣服内温度を測定する温度センサと、
    前記ユーザに加わる加速度を検出する加速度センサと、
    前記加速度センサにより検出された加速度に基づいて、前記ユーザの体内で産出される熱量である産熱量を推定する産熱量推定手段と、
    前記温度センサにより測定された衣服内温度と前記産熱量推定手段により推定された産熱量とに基づいて、前記ユーザの体内の温度である深部体温を推定する深部体温推定手段と、を備え、
    前記深部体温推定手段は、前記衣服内温度と前記産熱量と前記深部体温との対応関係を示す数理モデルを用いて、前記深部体温を推定し、
    前記数理モデルは、
    前記ユーザの筋肉が有する熱量である第1の熱量の変化量を、前記産熱量と前記ユーザの筋肉から前記ユーザの血液に供給される熱流量である第1の熱流量との差で示す第1の式と、
    前記ユーザの血液が有する熱量である第2の熱量の変化量を、前記第1の熱流量と前記ユーザの血液から前記衣服の内側に供給される熱流量である第2の熱流量との差で示す第2の式と、
    前記第1の熱流量を、前記ユーザの筋肉から前記ユーザの血液への熱抵抗値である第1の熱抵抗値に対する、前記ユーザの筋肉の温度である第1の温度の変化量と前記ユーザの血液の温度である第2の温度の変化量との差の割合で示す第3の式と、
    前記第2の熱流量を、前記ユーザの血液から前記衣服の内側への熱抵抗値である第2の熱抵抗値に対する、前記第2の温度の変化量と前記衣服内温度の変化量との差の割合で示す第4の式と、
    前記第1の温度の変化量を、前記ユーザの筋肉が有する熱容量である第1の熱容量に対する前記第1の熱量の割合で示す第5の式と、
    前記第2の温度の変化量を、前記ユーザの血液が有する熱容量である第2の熱容量に対する前記第2の熱量の割合で示す第6の式と、を含む連立微分方程式により表され、
    前記深部体温推定手段は、前記第2の温度を前記深部体温として推定する、
    深部体温推定システム。
  2. 前記第1の熱容量と前記第2の熱容量とは、前記ユーザの身体上の特徴に基づく値であり、
    前記第1の熱抵抗値と前記第2の熱抵抗値とは、予め定められた値である、
    請求項に記載の深部体温推定システム。
  3. ユーザが着用する衣服の内側の温度である衣服内温度を測定する温度センサと、
    前記ユーザに加わる加速度を検出する加速度センサと、
    前記ユーザの周囲の気圧を検出する気圧センサと、
    前記加速度センサにより検出された加速度と前記気圧センサにより検出された気圧とに基づいて、前記ユーザの体内で産出される熱量である産熱量を推定する産熱量推定手段と、
    前記温度センサにより測定された衣服内温度と前記産熱量推定手段により推定された産熱量とに基づいて、前記ユーザの体内の温度である深部体温を推定する深部体温推定手段と、を備え
    深部体温推定システム。
  4. ユーザが着用する衣服の内側の温度である衣服内温度を測定する温度センサと、
    前記ユーザに加わる加速度を検出する加速度センサと、
    前記ユーザに加わる角速度を検出する角速度センサと、
    前記ユーザの周囲の磁場の方向を検出する磁気センサと、
    前記加速度センサにより検出された加速度と前記角速度センサにより検出された角速度と前記磁気センサにより検出された方向とに基づいて、前記ユーザの体内で産出される熱量である産熱量を推定する産熱量推定手段と、
    前記温度センサにより測定された衣服内温度と前記産熱量推定手段により推定された産熱量とに基づいて、前記ユーザの体内の温度である深部体温を推定する深部体温推定手段と、を備え
    深部体温推定システム。
  5. 前記加速度センサと前記角速度センサと前記磁気センサとは、相互に固定されている、
    請求項4に記載の深部体温推定システム。
  6. 前記深部体温推定手段により推定された深部体温に基づいて、前記ユーザの異常を報知する報知手段を更に備える、
    請求項からの何れか1項に記載の深部体温推定システム。
  7. 前記衣服が、遮熱効果を有する衣服である、
    請求項1からの何れか1項に記載の深部体温推定システム。
  8. 前記遮熱効果が、ISO9151に準拠した方法で測定されるHTI24が3秒以上であることを満たす、
    請求項に記載の深部体温推定システム。
  9. 前記衣服が、JIS L 1096に準拠した方法であってフラジール形試験機を用いた方法で測定される通気度の値が1.0cm/cm/s以下である、
    請求項1からの何れか1項に記載の深部体温推定システム。
  10. 前記衣服が、JIS L 1099に準拠した方法であってカップ法により測定される透湿度の値が1000g/m/h以下である、
    請求項1からの何れか1項に記載の深部体温推定システム。
  11. 前記衣服の熱伝導率が、1kcal/h/m/℃以下である、
    請求項1から10の何れか1項に記載の深部体温推定システム。
  12. ユーザが着用する衣服の内側の温度である衣服内温度を測定する温度センサと、
    前記ユーザに加わる加速度を検出する加速度センサと、
    前記加速度センサにより検出された加速度に基づいて、前記ユーザの体内で産出される熱量である産熱量を推定する産熱量推定手段と、
    前記温度センサにより測定された衣服内温度と前記産熱量推定手段により推定された産熱量とに基づいて、前記ユーザの体内の温度である深部体温を推定する深部体温推定手段と、
    前記深部体温推定手段により推定された深部体温に基づいて、警報を発する警報手段と、を備え、
    前記深部体温推定手段は、前記衣服内温度と前記産熱量と前記深部体温との対応関係を示す数理モデルを用いて、前記深部体温を推定し、
    前記数理モデルは、
    前記ユーザの筋肉が有する熱量である第1の熱量の変化量を、前記産熱量と前記ユーザの筋肉から前記ユーザの血液に供給される熱流量である第1の熱流量との差で示す第1の式と、
    前記ユーザの血液が有する熱量である第2の熱量の変化量を、前記第1の熱流量と前記ユーザの血液から前記衣服の内側に供給される熱流量である第2の熱流量との差で示す第2の式と、
    前記第1の熱流量を、前記ユーザの筋肉から前記ユーザの血液への熱抵抗値である第1の熱抵抗値に対する、前記ユーザの筋肉の温度である第1の温度の変化量と前記ユーザの血液の温度である第2の温度の変化量との差の割合で示す第3の式と、
    前記第2の熱流量を、前記ユーザの血液から前記衣服の内側への熱抵抗値である第2の熱抵抗値に対する、前記第2の温度の変化量と前記衣服内温度の変化量との差の割合で示す第4の式と、
    前記第1の温度の変化量を、前記ユーザの筋肉が有する熱容量である第1の熱容量に対する前記第1の熱量の割合で示す第5の式と、
    前記第2の温度の変化量を、前記ユーザの血液が有する熱容量である第2の熱容量に対する前記第2の熱量の割合で示す第6の式と、を含む連立微分方程式により表され、
    前記深部体温推定手段は、前記第2の温度を前記深部体温として推定する、
    ヒートストレス警報システム。
  13. ユーザが着用する衣服の内側の温度である衣服内温度を測定する温度センサと、
    前記ユーザに加わる加速度を検出する加速度センサと、
    前記ユーザの周囲の気圧を検出する気圧センサと、
    前記加速度センサにより検出された加速度と前記気圧センサにより検出された気圧とに基づいて、前記ユーザの体内で産出される熱量である産熱量を推定する産熱量推定手段と、
    前記温度センサにより測定された衣服内温度と前記産熱量推定手段により推定された産熱量とに基づいて、前記ユーザの体内の温度である深部体温を推定する深部体温推定手段と、
    前記深部体温推定手段により推定された深部体温に基づいて、警報を発する警報手段と、を備える、
    ヒートストレス警報システム。
  14. ユーザが着用する衣服の内側の温度である衣服内温度を測定する温度センサと、
    前記ユーザに加わる加速度を検出する加速度センサと、
    前記ユーザに加わる角速度を検出する角速度センサと、
    前記ユーザの周囲の磁場の方向を検出する磁気センサと、
    前記加速度センサにより検出された加速度と前記角速度センサにより検出された角速度と前記磁気センサにより検出された方向とに基づいて、前記ユーザの体内で産出される熱量である産熱量を推定する産熱量推定手段と、
    前記温度センサにより測定された衣服内温度と前記産熱量推定手段により推定された産熱量とに基づいて、前記ユーザの体内の温度である深部体温を推定する深部体温推定手段と、
    前記深部体温推定手段により推定された深部体温に基づいて、警報を発する警報手段と、を備える、
    ヒートストレス警報システム。
  15. ユーザが着用する衣服の内側の温度である衣服内温度を測定し、
    前記ユーザに加わる加速度を検出し、
    前記検出された加速度に基づいて、前記ユーザの体内で産出される熱量である産熱量を推定し、
    前記測定された衣服内温度と前記推定された産熱量とに基づいて、前記ユーザの体内の温度である深部体温を推定し、
    前記衣服内温度と前記産熱量と前記深部体温との対応関係を示す数理モデルを用いて、前記深部体温を推定し、
    前記数理モデルは、
    前記ユーザの筋肉が有する熱量である第1の熱量の変化量を、前記産熱量と前記ユーザの筋肉から前記ユーザの血液に供給される熱流量である第1の熱流量との差で示す第1の式と、
    前記ユーザの血液が有する熱量である第2の熱量の変化量を、前記第1の熱流量と前記ユーザの血液から前記衣服の内側に供給される熱流量である第2の熱流量との差で示す第2の式と、
    前記第1の熱流量を、前記ユーザの筋肉から前記ユーザの血液への熱抵抗値である第1の熱抵抗値に対する、前記ユーザの筋肉の温度である第1の温度の変化量と前記ユーザの血液の温度である第2の温度の変化量との差の割合で示す第3の式と、
    前記第2の熱流量を、前記ユーザの血液から前記衣服の内側への熱抵抗値である第2の熱抵抗値に対する、前記第2の温度の変化量と前記衣服内温度の変化量との差の割合で示す第4の式と、
    前記第1の温度の変化量を、前記ユーザの筋肉が有する熱容量である第1の熱容量に対する前記第1の熱量の割合で示す第5の式と、
    前記第2の温度の変化量を、前記ユーザの血液が有する熱容量である第2の熱容量に対する前記第2の熱量の割合で示す第6の式と、を含む連立微分方程式により表され、
    前記第2の温度を前記深部体温として推定する、
    深部体温推定方法。
  16. ユーザが着用する衣服の内側の温度である衣服内温度を測定し、
    前記ユーザに加わる加速度を検出し、
    前記ユーザの周囲の気圧を検出し、
    前記検出された加速度と前記検出された気圧とに基づいて、前記ユーザの体内で産出される熱量である産熱量を推定し、
    前記測定された衣服内温度と前記推定された産熱量とに基づいて、前記ユーザの体内の温度である深部体温を推定する、
    深部体温推定方法。
  17. ユーザが着用する衣服の内側の温度である衣服内温度を測定し、
    前記ユーザに加わる加速度を検出し、
    前記ユーザに加わる角速度を検出し、
    前記ユーザの周囲の磁場の方向を検出し、
    前記検出された加速度と前記検出された角速度と前記検出された方向とに基づいて、前記ユーザの体内で産出される熱量である産熱量を推定し、
    前記測定された衣服内温度と前記推定された産熱量とに基づいて、前記ユーザの体内の温度である深部体温を推定する、
    深部体温推定方法。
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