JP7435825B2

JP7435825B2 - 温度推定方法、温度推定プログラムおよび温度推定装置

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Publication number: JP7435825B2
Application number: JP2022564988A
Authority: JP
Inventors: 雄次郎田中; 大地松永
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2024-02-21
Anticipated expiration: 2040-11-30
Also published as: WO2022113331A1; JPWO2022113331A1; US20240302224A1

Description

本発明は、生体等の被検体の内部温度を推定する温度推定方法、温度推定プログラムおよび温度推定装置に関するものである。

生体の深部体温を推定する方法として、特許文献１に開示された生体内温度推定方法が知られている。特許文献１に開示された方法は、図８に示すように生体１００とセンサ１０１の熱等価回路モデルを用いて、生体１００の深部体温Ｔ_CBTを推定するものである。センサ１０１は、生体１００の皮膚表面の温度Ｔ_skinと皮膚表面の熱流束Ｈ_Sとを計測する。Ｔ_topは生体１００の皮膚と接する面と反対側のセンサ１０１の上面の温度、Ｔ_Airは外気温度、Ｒ_Bは生体１００の熱抵抗、Ｒ_Sはセンサ１０１の熱抵抗、Ｒ_Aは外気の熱抵抗である。深部体温Ｔ_CBTを推定する式は、次式のようになる。
Ｔ_CBT＝Ｔ_skin＋ＡＨ_S ・・・（１）

式（１）の比例係数Ａは、生体１００の熱抵抗Ｒ_Bによって決まる。比例係数Ａは、一般に、初期校正時に別のセンサを用いて計測された直腸温や鼓膜温を深部体温Ｔ_CBTとして、この深部体温Ｔ_CBTとセンサ１０１によって計測された温度Ｔ_skinと熱流束Ｈ_Sとを用いることにより求めることができる。
生体１００の熱抵抗Ｒ_Bは、生体１００の熱伝導率ｋ、皮膚表面から核心部までの厚さｄ、熱が伝わる面積Ｓ（センサ１０１の大きさ）によって次式のように表される。
Ｒ_B＝ｄ／ｋ／Ｓ・・・（２）

従来の方法では、生体１００の熱抵抗Ｒ_Bを一定とし、比例係数Ａも一定としていた。しかしながら、熱抵抗Ｒ_Bは、個人差があり、センサ１０１の装着場所によって変わり、さらに深部体温Ｔ_CBTの計測中の生体１００の血流の増減によって変動する。したがって、個人差やセンサ１０１の装着場所、血流の変化などにより比例係数Ａが変わってしまうので、深部体温Ｔ_CBTの推定に誤差が生じるという課題があった。

特開２０２０－３２９１号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、生体等の被検体の内部温度の推定誤差を低減することができる温度推定方法、温度推定プログラムおよび温度推定装置を提供することを目的とする。

本発明の温度推定方法は、第１の温度センサが設けられた第１の熱抵抗材が被検体と接触する前に、前記第１の熱抵抗材の温度を前記第１の温度センサによって計測する第１のステップと、前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとを前記被検体に接触させる第２のステップと、前記被検体の表面の温度を前記第１の温度センサによって計測する第３のステップと、前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとが前記被検体と接触した時刻以降について、前記被検体の表面の温度の瞬時値を前記第１の熱抵抗材の温度と前記被検体の表面の温度の整定値とによって規格化した温度を時刻毎に算出する第４のステップと、前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとが前記被検体と接触した時点から、前記規格化した温度が閾値に達するまでの時間を温度波到達時間として導出する第５のステップと、前記温度波到達時間に基づいて前記被検体の熱物性値に依存する比例係数を導出する第６のステップと、前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとを前記被検体から離す第７のステップと、前記被検体の表面の温度を、第２の熱抵抗材の被検体側の面に設けられた第２の温度センサによって計測する第８のステップと、前記被検体から遠ざかる位置の温度を、前記第２の熱抵抗材の被検体側の面と反対側の面に設けられた第３の温度センサによって計測する第９のステップと、前記第８、第９のステップの計測結果と前記比例係数とに基づいて前記被検体の内部温度を算出する第１０のステップとを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の温度推定プログラムは、前記の第４のステップ、第５のステップ、第６のステップ、第１０のステップをコンピュータに実行させることを特徴とするものである。

また、本発明の温度推定装置は、第１の熱抵抗材と、被検体と向かい合う前記第１の熱抵抗材の面に設けられた第１の温度センサと、前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとを前記被検体に接触させたり離したりすることが可能な接続・分離機構と、前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとが前記被検体と接触した後に前記第１の温度センサによって計測された前記被検体の表面の温度の瞬時値を、接触前に前記第１の温度センサによって計測された前記第１の熱抵抗材の温度と接触後の前記被検体の表面の温度の整定値とによって規格化した温度を時刻毎に算出するように構成された規格化温度算出部と、前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとが前記被検体と接触した時点から、前記規格化した温度が閾値に達するまでの時間を温度波到達時間として導出するように構成された温度波到達時間導出部と、前記温度波到達時間に基づいて前記被検体の熱物性値に依存する比例係数を導出するように構成された比例係数導出部と、前記被検体と接触する第２の熱抵抗材と、前記第２の熱抵抗材の被検体側の面に設けられ、前記被検体の表面の温度を計測するように構成された第２の温度センサと、前記第２の熱抵抗材の被検体側の面と反対側の面に設けられ、前記被検体から遠ざかる位置の温度を計測するように構成された第３の温度センサと、前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとが前記被検体から離れた後の前記第２、第３の温度センサの計測結果と前記比例係数とに基づいて前記被検体の内部温度を算出するように構成された温度算出部とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、第１の熱抵抗材と第１の温度センサとが被検体と接触した時刻以降について、被検体の表面の温度の瞬時値を接触前の第１の熱抵抗材の温度と接触後の被検体の表面の温度の整定値とによって規格化した温度を時刻毎に算出し、第１の熱抵抗材と第１の温度センサとが被検体と接触した時点から、規格化した温度が閾値に達するまでの時間を温度波到達時間として導出し、温度波到達時間に基づいて被検体の熱物性値に依存する比例係数を導出することにより、被検体の個体差や血流によって変わる比例係数を補正することができるので、被検体の内部温度の推定誤差を低減することができる。

図１は、センサと生体の温度の時間変化の例を示す図である。図２は、規格化温度の時間変化の１例を示す図である。図３は、比例係数と温度波到達時間との関係の１例を示す図である。図４は、本発明の実施例に係る温度推定装置の構成を示すブロック図である。図５は、本発明の実施例に係る温度推定装置の動作を説明するフローチャートである。図６は、本発明の実施例に係る温度推定装置によって推定した深部体温と鼓膜温度計によって計測した鼓膜温とを示す図である。図７は、本発明の実施例に係る温度推定装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。図８は、生体とセンサの熱等価回路モデルを示す図である。

［発明の原理］
熱の伝わり方は、一般に式（３）の熱伝導方程式により記述される。

式（３）におけるαは物体の固有の値である熱拡散率、Ｔは温度、ｚは深さ方向の座標、ｔは時間である。図８に示したように１次元的な熱の伝わり方を考える。図１に示すようにセンサ１０１と生体１００とが接触すると、接触界面を介してセンサ１０１と生体１００との間で熱の授受が生じ、センサ１０１の温度が変化する。図１の例では、時間ｔの経過に伴い、Ｔａで示す温度からＴｂで示す温度へと変化し、さらにＴｃで示す温度へと変化する。

式（３）より、生体１００内の温度分布Ｔ（ｚ，ｔ）は、生体１００との接触前のセンサ１０１の温度Ｔ_sens＿_stbと、センサ１０１との接触後の生体１００の表面温度の整定値Ｔ_skin＿_iとを用いると、式（４）のよう求めることができる。

生体１００の熱拡散率αは次式のようになる。
α＝ｋ／ρ／Ｃ・・・（５）
上記のとおり、ｋは生体１００の熱伝導率、ρは生体１００の密度、Ｃは生体１００の熱容量である。

ここで、式（２）に示した生体１００の熱抵抗Ｒ_Bと式（５）に示した熱拡散率αとの関係を考えてみる。式（４）より、生体１００の深さｚの部分から温度波がセンサ１０１に伝わってくるのにかかる時間は２√（αｔ）である。つまり、温度波が伝わる距離（深さｚ）は時間ｔの平方根に比例する。
ｚ∝２√（αｔ）・・・（６）

式（２）より、式（７）が得られるので、式（６）、式（７）より式（８）が得られる。
ｚ＝ｄ＝Ｒ_Bｋ／Ｓ・・・（７）
Ｒ_Bｋ／Ｓ∝２√（αｔ）・・・（８）

式（８）より、生体１００の熱抵抗Ｒ_Bは、温度波の到達時間ｔの平方根に比例することが分かる。
Ｒ_B∝√ｔ・・・（９）

つまり、生体１００の深部体温推定に必要な比例係数Ａも温度波の到達時間ｔの平方根に比例する。
生体１００の内部から伝わる熱によってセンサ１０１の温度が上昇するまでの温度波到達時間ｔを、式（４）の左辺のように規格化した温度が所定の閾値に達するまでの時間とする。規格化温度の計算では、センサ１０１によって計測された温度の瞬時値をＴ（ｚ，ｔ）、センサ１０１によって計測された温度の整定値をＴ_skin＿_iとする。図２の例では、規格化温度の閾値を０．８５としている。

センサ１０１の熱透過率が生体１００の熱透過率√（ρＣｋ）と同程度であれば、温度波はセンサ１０１へ滑らかに伝わり、図３のような比例係数Ａと温度波到達時間ｔとの関係が得られる。

［実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図４は本発明の実施例に係る温度推定装置の構成を示すブロック図である。温度推定装置は、生体１００（被検体）の皮膚表面の温度Ｔ_Skinを計測する温度センサ１と、生体１００から遠ざかる位置の温度Ｔ_topを計測する温度センサ２と、温度センサ１，２を保持する熱抵抗材３と、生体１００との接触前の温度Ｔ_sens＿_stbと接触後の生体１００の皮膚表面の温度Ｔとを計測する温度センサ４と、温度センサ４を保持する熱抵抗材５と、熱抵抗材５と温度センサ４とを生体１００の皮膚表面と熱的に接続したり分離したりすることが可能な接続・分離機構６と、接続・分離機構６を制御する制御部７と、温度波到達時間ｔの平方根に対応する比例係数Ａが登録された校正テーブルを予め記憶する記憶部８と、熱抵抗材５と温度センサ４とが生体１００と接触した後に温度センサ４によって計測された生体１００の表面の温度の瞬時値を、接触前の熱抵抗材５の温度と接触後の生体１００の表面の温度の整定値とによって規格化した温度を算出する規格化温度算出部９と、規格化した温度に基づいて温度波到達時間ｔを導出する温度波到達時間導出部１０と、温度波到達時間ｔに基づいて比例係数Ａを導出する比例係数導出部１１と、温度センサ１，２の計測結果と比例係数Ａとに基づいて生体１００の深部体温Ｔ_CBT（内部温度）を算出する温度算出部１２と、深部体温Ｔ_CBTの算出結果を外部端末１４に送信する通信部１３とを備えている。

温度推定装置は、熱抵抗材３が生体１００の皮膚と接触するように配置される。温度センサ１は、熱抵抗材３の生体側の面に設けられる。温度センサ２は、熱抵抗材３の生体側の面と反対側の面に、空気と触れるように設けられる。熱抵抗材３は、温度センサ１と温度センサ２とを保持し、且つ温度センサ１に流入する熱に対する抵抗体となる。

一方、温度センサ４は、熱抵抗材５の生体側の面に設けられる。熱抵抗材５は、熱抵抗材３と同等の熱特性を有する。接続・分離機構６は、例えばモータの力によって熱抵抗材５を上下動させることにより、熱抵抗材５と温度センサ４とを生体１００に接触させたり離したりすることができるようになっている。
温度センサ１，２，４としては、例えば公知のサーミスタや、熱電対を用いたサーモパイルなどを用いることができる。熱抵抗材３，５としては、シリコンゴムなどの樹脂を用いることができる。

図５は本実施例の温度推定装置の動作を説明するフローチャートである。温度推定装置のユーザは、熱抵抗材３と生体１００とを接触させる。生体１００との接触前の状態では、温度センサ１によって計測される温度と温度センサ２によって計測される温度とがほぼ等しくなっていることが望ましい。熱抵抗材３と生体１００とが接触した初期の状態において、接続・分離機構６は、熱抵抗材５と温度センサ４とを生体１００から離した状態としている。
温度センサ４は、生体１００との接触前の熱抵抗材５の温度Ｔ_sens＿_stbを計測する（図５ステップＳ１００）。温度センサ４の計測データは記憶部８に格納される。

次に、制御部７は、接続・分離機構６を制御して、熱抵抗材５と温度センサ４とを生体１００に接触させる（図５ステップＳ１０１）。
温度センサ４は、生体１００の皮膚表面の温度Ｔを計測する（図５ステップＳ１０２）。温度センサ４の計測データは記憶部８に格納される。

規格化温度算出部９は、生体１００との接触後に温度センサ４によって計測された温度Ｔの瞬時値をＴ（ｚ，ｔ）、温度センサ４によって計測された温度Ｔの整定値をＴ_skin＿_iとし、熱抵抗材５と温度センサ４とが生体１００と接触した時刻以降について、式（４）の左辺の規格化温度（Ｔ（ｚ，ｔ）－Ｔ_sens＿_stb）／（Ｔ_skin＿_i－Ｔ_sens＿_stb）を時刻毎に算出する（図５ステップＳ１０３）。

温度波到達時間導出部１０は、熱抵抗材５と温度センサ４とが生体１００と接触した時点から規格化温度（Ｔ（ｚ，ｔ）－Ｔ_sens＿_stb）／（Ｔ_skin＿_i－Ｔ_sens＿_stb）が所定の閾値に達するまでの時間を温度波到達時間ｔとして導出する（図５ステップＳ１０４）。

記憶部８には、比例係数Ａが温度波到達時間ｔの平方根√ｔ毎に登録された校正テーブルが予め記憶されている。
比例係数導出部１１は、温度波到達時間導出部１０によって導出された温度波到達時間ｔの平方根√ｔに対応する比例係数Ａの値を記憶部８の校正テーブルから取得することにより、比例係数Ａを導出する（図５ステップＳ１０５）。

比例係数Ａの導出後、制御部７は、接続・分離機構６を制御して、熱抵抗材５と温度センサ４とを生体１００から離す（図５ステップＳ１０６）。

本実施例において、生体１００の深部体温Ｔ_CBTを推定する式は、次式のようになる。
Ｔ_CBT＝Ｔ_skin＋Ａ（Ｔ_skin－Ｔ_top）・・・（１０）

図３にプロットされた比例係数Ａの実験値を求めるには、予め熱拡散率が既知のポリマー等の疑似生体サンプルを被検体としてステップＳ１００～Ｓ１０４の手順により温度波到達時間ｔを導出する。熱抵抗材５と温度センサ４とを生体１００から離した後に、疑似生体サンプルの表面の温度Ｔ_skinを温度センサ１によって計測し、疑似生体サンプルから遠ざかる位置の温度Ｔ_topを温度センサ２によって計測する。さらに熱抵抗材３の周囲の部位における疑似生体サンプルの内部温度Ｔ_CBTを例えば熱流補償法によって計測すれば、式（１０）により比例係数Ａを算出することができる。こうして、１つの疑似生体サンプルについて比例係数Ａと温度波到達時間ｔとの関係を求めることができる。

このような比例係数Ａと温度波到達時間ｔの実験値を、熱拡散率が異なる多種の疑似生体サンプルについて求めることにより、校正テーブルを予め作成することができる。あるいは、比例係数Ａと温度波到達時間ｔの平方根√ｔとの関係を数値計算により求めるようにしてもよい。

次に、温度センサ１は、生体１００の皮膚表面の温度Ｔ_Skinを計測する（図５ステップＳ１０７）。温度センサ２は、生体１００から遠ざかる位置の温度Ｔ_topを計測する（図５ステップＳ１０８）。温度センサ１，２の計測データは記憶部８に格納される。

温度算出部１２は、温度センサ１，２によって計測された温度Ｔ_Skin，Ｔ_topと、比例係数導出部１１によって導出された比例係数Ａとに基づいて、生体１００の深部体温Ｔ_CBTを式（１０）により算出する（図５ステップＳ１０９）。なお、式（１０）のようにＴ_Skin－Ｔ_topを算出することは、式（１）の熱流束Ｈ_Sを算出することに相当する。

通信部１３は、温度算出部１２の算出結果を外部端末１４に送信する（図５ステップＳ１１０）。ＰＣ（Personal Computer）やスマートフォン等からなる外部端末１４は、温度推定装置から受信した深部体温Ｔ_CBTの値を表示する。

温度推定装置は、以上のステップＳ１０１～Ｓ１１０の処理を、例えばユーザから計測終了の指示があるまで（図５ステップＳ１１１においてＹＥＳ）、一定時間毎に実施する。

図６に本実施例で推定した深部体温Ｔ_CBTと、比較のために鼓膜温度計によって計測した深部温度（鼓膜温）とを示す。図６の６０，６１，６２，６３は、それぞれ異なる生体１００を対象とする結果を示している。図６によれば、鼓膜温に近い推定結果が本実施例によって得られていることが分かる。

本実施例で説明した制御部７と記憶部８と規格化温度算出部９と温度波到達時間導出部１０と比例係数導出部１１と温度算出部１２と通信部１３とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図７に示す。

コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、温度センサ１，２，４や接続・分離機構６、通信部１３のハードウェア等が接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の温度推定方法を実現させるための温度推定プログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、生体等の被検体の内部温度を推定する技術に適用することができる。

１，２，４…温度センサ、３，５…熱抵抗材、６…接続・分離機構、７…制御部、８…記憶部、９…規格化温度算出部、１０…温度波到達時間導出部、１１…比例係数導出部、１２…温度算出部、１３…通信部、１４…外部端末。

Claims

第１の温度センサが設けられた第１の熱抵抗材が被検体と接触する前に、前記第１の熱抵抗材の温度を前記第１の温度センサによって計測する第１のステップと、
前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとを前記被検体に接触させる第２のステップと、
前記被検体の表面の温度を前記第１の温度センサによって計測する第３のステップと、
前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとが前記被検体と接触した時刻以降について、前記被検体の表面の温度の瞬時値を前記第１の熱抵抗材の温度と前記被検体の表面の温度の整定値とによって規格化した温度を時刻毎に算出する第４のステップと、
前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとが前記被検体と接触した時点から、前記規格化した温度が閾値に達するまでの時間を温度波到達時間として導出する第５のステップと、
前記温度波到達時間に基づいて前記被検体の熱物性値に依存する比例係数を導出する第６のステップと、
前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとを前記被検体から離す第７のステップと、
前記被検体の表面の温度を、第２の熱抵抗材の被検体側の面に設けられた第２の温度センサによって計測する第８のステップと、
前記被検体から遠ざかる位置の温度を、前記第２の熱抵抗材の被検体側の面と反対側の面に設けられた第３の温度センサによって計測する第９のステップと、
前記第８、第９のステップの計測結果と前記比例係数とに基づいて前記被検体の内部温度を算出する第１０のステップとを含むことを特徴とする温度推定方法。
請求項１記載の温度推定方法において、
前記第４のステップは、前記第１の温度センサによって計測された前記被検体の表面の温度の瞬時値と前記第１の熱抵抗材の温度との差を、前記第１の温度センサによって計測された前記被検体の表面の温度の整定値と前記第１の熱抵抗材の温度との差で割ることにより、前記規格化した温度を算出するステップを含むことを特徴とする温度推定方法。
請求項１または２記載の温度推定方法において、
前記第６のステップは、前記第５のステップで導出した温度波到達時間に対応する比例係数の値を予め記憶された校正テーブルから取得することにより、前記比例係数を導出するステップを含むことを特徴とする温度推定方法。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の第４のステップ、第５のステップ、第６のステップ、第１０のステップをコンピュータに実行させることを特徴とする温度推定プログラム。
第１の熱抵抗材と、
被検体と向かい合う前記第１の熱抵抗材の面に設けられた第１の温度センサと、
前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとを前記被検体に接触させたり離したりすることが可能な接続・分離機構と、
前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとが前記被検体と接触した後に前記第１の温度センサによって計測された前記被検体の表面の温度の瞬時値を、接触前に前記第１の温度センサによって計測された前記第１の熱抵抗材の温度と接触後の前記被検体の表面の温度の整定値とによって規格化した温度を時刻毎に算出するように構成された規格化温度算出部と、
前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとが前記被検体と接触した時点から、前記規格化した温度が閾値に達するまでの時間を温度波到達時間として導出するように構成された温度波到達時間導出部と、
前記温度波到達時間に基づいて前記被検体の熱物性値に依存する比例係数を導出するように構成された比例係数導出部と、
前記被検体と接触する第２の熱抵抗材と、
前記第２の熱抵抗材の被検体側の面に設けられ、前記被検体の表面の温度を計測するように構成された第２の温度センサと、
前記第２の熱抵抗材の被検体側の面と反対側の面に設けられ、前記被検体から遠ざかる位置の温度を計測するように構成された第３の温度センサと、
前記第１の熱抵抗材と前記第１の温度センサとが前記被検体から離れた後の前記第２、第３の温度センサの計測結果と前記比例係数とに基づいて前記被検体の内部温度を算出するように構成された温度算出部とを備えることを特徴とする温度推定装置。
請求項５記載の温度推定装置において、
前記規格化温度算出部は、前記第１の温度センサによって計測された前記被検体の表面の温度の瞬時値と前記第１の熱抵抗材の温度との差を、前記第１の温度センサによって計測された前記被検体の表面の温度の整定値と前記第１の熱抵抗材の温度との差で割ることにより、前記規格化した温度を算出することを特徴とする温度推定装置。
請求項５または６記載の温度推定装置において、
前記温度波到達時間に対応する前記比例係数が温度波到達時間毎に登録された校正テーブルを予め記憶するように構成された記憶部をさらに備え、
前記比例係数導出部は、前記温度波到達時間導出部によって導出された温度波到達時間に対応する比例係数の値を前記校正テーブルから取得することにより、前記比例係数を導出することを特徴とする温度推定装置。