JP7464137B2 - 測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、生体等の測定対象の深部温度を測定するための測定装置に関する。
従来から、生体の深部体温を非侵襲に測定する技術が知られている。例えば、特許文献1は、生体Bと、温度センサおよび熱流束センサを備える測定器50と、外気とにおける疑似的な一次元モデルを仮定して、生体の深部体温を推定する技術を開示している。
特許文献1に開示されている技術では、図8に示す生体伝熱の一次元モデルを仮定して、生体の深部体温を推定する。Tairは、外気の温度、Tbodyは、生体Bの深部体温、Hsignalは、測定器50のセンサに流入する熱流束、Rsensorは、測定器50のセンサの熱抵抗、Rbodyは、生体Bの熱抵抗、Rairは、熱流束Hsignalが外気へ移動するときの熱抵抗、Tskinは、皮膚SKに配置された温度センサと生体Bの皮膚SKの接点の温度、Ttopは、上部の温度センサの配置位置の温度である。
特許文献1では、次の関係式(1)より生体の深部体温を推定する。
深部体温(Tbody)=温度センサと皮膚の接点の温度(Tskin)+比例係数A×温度センサに流入する熱流束(Hsignal)・・・(1)
比例係数Aは、一般に別の温度センサなどのセンサを用いて測定された直腸温度や鼓膜温度を深部体温(Tbody)として与えて求めることができるので、温度センサに流入する熱流束(Hsignal)を計測することで、生体の深部体温を推定することができる。
特開2020-003291号公報
しかし、特許文献1のように、生体の伝熱モデルとして一次元モデルを仮定した場合、風の発生などにより、外気の擾乱が発生し外気からセンサへの熱の流入があると、本来はセンサに流入するべき熱流束Hsignalの一部がセンサから逸れてしまうので、正確な深部温度を測定することができなくなる。そのため、深部温度を測定する測定装置の構成としては外気の擾乱の影響を抑制するための構造を有することが望ましい。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、外気の擾乱の影響を抑制し、正確に深部体温を測定することができる構造を有する測定装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明に係る測定装置は、測定対象から輸送される熱流束を測定する測定器が設置されている熱抵抗体と、前記熱抵抗体が所定の位置に設置されている底面フレームと側面フレームを有する第1部材と、前記第1部材の底面フレームと側面フレームとから構成される筐体内に配置され、前記熱抵抗体を覆う形状を有し、熱伝導性を有する材料から構成される第2部材と、前記第2部材が配置された前記筐体の上面部を封止する第3部材とを備え、前記第1部材の前記底面フレームに設けられた貫通孔に前記第2部材に設けられた凸部または凸片部が嵌入することにより、前記筐体に対して前記第2部材が位置決めされ、前記凸部または凸片部は、前記貫通孔を介して前記底面フレームの外側に露出し、前記測定対象に接触可能に構成される。
本発明によれば、外気の擾乱の影響を抑制し、正確に深部体温を測定することができる構造を有する測定装置を提供することができる。
図1Aは、本発明の実施の形態に係る測定装置の第1部材の上面図の一例を示す図である。 図1Bは、本発明の実施の形態に係る測定装置の第1部材の側面図の一例を示す図である。 図2Aは、本発明の実施の形態に係る測定装置の第2部材の上面図の一例を示す図である。 図2Bは、本発明の実施の形態に係る測定装置の第2部材の側面図の一例を示す図である。 図2Cは、本発明の実施の形態に係る測定装置の第2部材の側面図の他の例を示す図である。 図2Dは、本発明の実施の形態に係る測定装置の第2部材の側面図の他の例を示す図である。 図2Eは、本発明の実施の形態に係る測定装置の第2部材の側面図の他の例を示す図である。 図2Fは、本発明の実施の形態に係る測定装置の第2部材の側面図の他の例を示す図である。 図3Aは、本発明の実施の形態に係る測定装置の第3部材の上面図の一例を示す図である。 図3Bは、本発明の実施の形態に係る測定装置の第3部材の側面図の一例を示す図である。 図4Aは、本発明の実施の形態に係る測定装置の側面図の一例を示す図である。 図4Bは、本発明の実施の形態に係る測定装置の寸法の一例を示す図である。 図5は、本発明の実施の形態に係る測定装置の断面図の一例を示す図である。 図6は、本発明の実施の形態に係る測定装置における深部温度の推定結果である。 図7は、本発明の実施の形態に係る測定装置のブロック図の一例である。 図8は、熱流束により深部温度を推定するための熱等価回路である。
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態において、測定対象は生体であり、測定装置が配置される測定面は、測定対象である生体の皮膚の表面である。
<本発明の実施形態の概要>
本発明の測定装置は、測定対象から輸送される熱流束を測定する測定器である温度センサが設置されている熱抵抗体が設置されている第1部材、第1部材の底面フレームと側面フレームとから構成される筐体内に配置され、外気流や温度の変化による測定器に対する熱の伝わり方の擾乱の影響を抑制する第2部材、および第1部材の上面部を封止する第3部材により構成されている。
第1部材の底面フレームには、貫通孔が設けられており、第2部材には、第1部材の貫通孔13に嵌入させるための凸部または凸片部が設けられている。第1部材の底面フレームに設けられた貫通孔に第2部材に設けられた凸部または凸片部が嵌入することにより、第1部材の底面フレームと側面フレームとから構成される筐体に対して第2部材が位置決めされ、これにより、第1部材に対する第2部材20の相対的な位置を固定することができる。
第2部材の凸部または凸片部は、第1部材の貫通孔を介して底面フレームの外側に露出し、その少なくとも一部が測定対象に接触可能に構成されている。これにより、熱抵抗体の外側における測定対象からの熱流束を熱抵抗体の上部に輸送し、熱抵抗体に対する外気の擾乱の影響を抑制するための内部構造を構成することができる。
本実施形態の測定装置によれば、簡便な構造の部材の組み合わせにより、測定装置の筐体、外気の擾乱の影響を抑制するための内部構造、温度センサが設置される熱抵抗体が、相対的に位置決め固定された構造を有する測定装置を構成することができ、外気の擾乱の影響を抑制し、正確に深部体温を測定することができる構造を有する測定装置を提供することができる。
また、測定装置の筐体を構成する第1部材と深部温度を推定するためのセンサを備えた熱抵抗体を一体成型するように構成すれば、筐体と熱抵抗体の相対位置を固定することができる。
さらに、熱抵抗体に温度センサを熱抵抗体の所定の位置に設置するための孔部を備えるように構成すれば、熱抵抗体の温度センサと筐体の相対位置を固定することができる。
以下、本実施の形態の測定装置を構成する部材の具体例について説明する。図1A、1Bは、第1部材10の構成例、図2A~2Fは、第2部材20の構成例、図3A、3Bは、第3部材30の構成例である。以下に説明する第1部材10、第2部材20、第3部材30が組み合わされて、図4Aの測定装置の構造が構成される。
<第1部材10>
図1A、1Bは、第1部材10の構成例である。第1部材10は、熱抵抗体40を設置するための底面フレーム11と、熱抵抗体40のセンサ等を保護するための側面フレーム12を有する。第1部材10の底面フレーム11と側面フレーム12により測定装置の筐体が構成される。
第1部材10は、測定対象である生体の皮膚よりも熱容量が小さい材料で構成される。例えば、ポリエチレンテレフタラート(PET)やアクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)といった材料で構成することができる。
尚、第1部材10の外形は、図1A、1Bに示す円柱形状に限らず、例えば、角柱形状などであってもよい。熱抵抗体40、第2部材20、第3部材30の外形についても、第1部材の形状に対応させて、様々な形状の構成を採用することができる。
第1部材10の底面フレーム11には、生体の深部温度を推定するため温度センサが設置される熱抵抗体40が所定の位置に一体成型されている。熱抵抗体40は、所定の熱抵抗を有する材料から構成される。熱抵抗体40は、熱抵抗体40の所定の位置に温度センサを固定するための孔部41を備えている。この孔部41に温度センサを挿入することにより、温度センサを熱抵抗体40の所定の位置に固定することができる。
熱抵抗体40の温度センサを固定するための孔部41は、温度センサの温度測定部が熱抵抗体40の中心に配置されるような深さを有している。孔部41の断面図は、熱抵抗体の下側、すなわち底面フレーム11の方向に向かって幅が小さくなる断面を有するように構成してもよい。このような構成により、温度センサの温度測定部が熱抵抗体40の中心に配置されるように構成することができる。
第1部材10の底面フレーム11には、第2部材20の凸片部24を嵌入するための貫通孔13が設けられている。第1部材10の底面フレーム11は、貫通孔13の間に配置されているビーム14により側面フレーム12と連結されている。この貫通孔13に第2部材20に設けられた凸片部24が嵌入することにより、第1部材10の筐体に対して第2部材20の半径方向の相対的な位置が位置決めされる。
貫通孔13の形状は、嵌入される凸片部24の形状に対応して定められている。図1Aの構成例では、扇形状を有する凸片部24の形状に対応して、貫通孔13の形状も扇形状を有している。貫通孔13に嵌入した第2部材20の凸片部24は、第1部材10の貫通孔13を介して底面フレーム11の外側に露出し、凸片部24の少なくとも一部が、貫通孔13を介して測定対象に接触可能に構成されている。
尚、図1Aでは、第1部材10の底面フレーム11に、扇形状を有する貫通孔13が4つ設けられた構成が例示されている。この貫通孔13の形状、大きさ、数は、図1Aに例示したものに限定されるものではなく、本発明の作用効果を奏する限りにおいて、様々な形状、大きさ、数を採用することができる。例えば、扇形状の径方向の長さを変更してもよいし、扇形状の周方向の長さを変更して、それに応じて貫通孔13の間のビーム14の幅を変更してもよい。
第1部材10の側面フレーム12には、熱抵抗体40の温度センサにサーミスタや測温抵抗体などの有線のものを用いる場合に、電気的な配線を筐体外部に引き出すための配線スリット15を設けるように構成してもよい。
<第2部材20>
図2A、2Bは、第2部材20の構成例である。第2部材20は、第1部材10の底面フレーム11と側面フレーム12とから構成される筐体内に配置され、外気流や温度の変化による外気の擾乱の影響を熱抵抗体40の温度センサに与えないようにするための内部構造である。第2部材20は、第1部材10の所定の位置に設置された熱抵抗体40を覆う形状を有し、熱伝導性を有する材料、例えば、アルミニウム等から構成される。
第2部材20の形状は、第1部材10の筐体の形状に対応して定められる。図2Aの第2部材20は、図1Aの形状に対応した円形状を有している。図2A、2Bの構成例では、第2部材20は、その一部に熱抵抗体40を覆うための円錐台形状を有し、その円錐台形状のテーパ部21の円形の縁部に、テーパ部21の外側に向かって扇形状を有する4つの凸片部24が形成されている。凸片部24の形状は、嵌入される貫通孔13の形状に対応して定められている。図2Aの構成例では、扇形状を有する貫通孔13の形状に対応して、凸片部24も扇形状を有している。
図2Aの構成例では、凸片部24の間は、第1部材10のビーム14が嵌入するように貫通構造のスリット25が形成されている。凸片部24の間の構造は、第1部材10のビーム14が嵌入する構造であれば、他の構成を採用することもできる。例えば、第1部材10のビーム14が嵌入する貫通構造を有しない溝により構成してもよい。
第2部材20の円錐台形状の円錐台22には、第2部材20を貫通する穴部23を設けてもよい。この第2部材20を貫通する穴部23の大きさを適宜調整することにより、生体の深部温度を推定する場合において推定する深さを調整することが可能となる。
第2部材20には、温度センサにサーミスタや測温抵抗体などの有線のものを用いる場合に電気的な配線を筐体外部に引き出すための配線スリット26を設けるように構成してもよい。
第2部材20の凸片部24の構成は、図2A、2Bの構成に限定されるものではない。例えば、図2Cに示すように、円錐台形状のテーパ部21の円形の縁部に、テーパ部21の内側に向かう複数の凸片部24の構成を採用してもよい。
図2Dに示すように、第2部材20全体を円錐台形状で構成し、この円錐台形状のテーパ部21の縁部に第1部材10の底面フレーム11の方向に向かって凸部27を形成し、その凸部27を底面フレーム11の貫通孔13に陥入するようにしてもよい。この場合の第1部材10の貫通孔13は、凸部27に対応した形状と寸法を有するように構成される。
第2部材20の形状としては、熱抵抗体40を覆うための機能を発揮できる形状であれば、円錐台形状に限らず、他の錐形状や錐台形状等、様々な形状の構成を採用することができる。例えば、図2E、図2Fに示すように、第2部材20の形状としてドーム形状や球面形状を採用し、その内部に熱抵抗体40を配置するように構成してもよいし、第1部材が角柱形状の場合に、角錐形状の構成を採用することもできる。
第2部材20では、の凸片部24が第1部材10の貫通孔13に嵌入して、第1部材10の筐体に対して第2部材20の半径方向の相対位置が位置決めされ、貫通孔13を介して底面フレーム11の外側に露出することで、熱的に測定対象と接触することができる。このような構成により、熱抵抗体40の外側における測定対象からの熱流束を熱抵抗体40の上部に輸送し、熱抵抗体40の温度センサに対する外気の擾乱の影響を抑制するための内部構造を構成することができる。
図2Aでは、第2部材20の底面フレーム11に、扇形状を有する凸片部24が4つ設けられた構成が例示されている。この凸片部24の形状、大きさ、数は、図2Aに例示したものに限定されるものではなく、本発明の作用効果を奏する限りにおいて、様々な形状、大きさ、数を採用することができる。例えば、扇形状の径方向の長さを変更してもよいし、周方向の長さを変更して、それに応じて凸片部24の間のスリットの幅を変更してもよい。
<第3部材30>
図3A、3Bは、第3部材30の構成例である。第3部材30は、第2部材20が配置された第1部材10の筐体の上面部を封止するものであり、シート状の構造を有する。第3部材30の形状は、第1部材10の筐体の形状に対応して定められる。図3Aの第3部材30は、図1A第1部材10の円柱形状に対応して、円形状を有している。第3部材30は、第1部材10と同様に、測定対象である生体の皮膚よりも熱容量が小さい材料で構成され、例えば、ポリエチレンテレフタラート(PET)やアクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)といった材料で構成することができる。
<測定装置の構造>
図4Aは、図1A、1Bの第1部材10、図2A~2Bの第2部材20、図3A、3Bの第3部材30を組み合わせて構成された測定装置の構造の構成例である。
本実施形態の測定装置によれば、簡便な構造の部材の組み合わせにより、測定装置の筐体、外気の擾乱の影響を抑制するための内部構造、温度センサが設置される熱抵抗体が、相対的に位置決め固定された構造を有する測定装置を構成することができ、外気の擾乱の影響を抑制し、正確に深部体温を測定することができる構造を有する測定装置を提供することができる。
図4Bは、本発明の実施の形態に係る測定装置の側面図の寸法の一例を示す図である。図4Bは、測定装置の寸法の一例を示したものであり、本発明の測定装置の構成が、図4Bに例示した数値に限定されることを意図したものでない。
第1部材10は円柱形状を有し、底面フレーム11の厚さは1mm、側面フレーム12の外径は、30mmで、厚さ1mmである。底面フレーム11に設けられている貫通孔13の径方向の長さは、4mm、貫通孔13の間のビーム14の幅は、1mm、長さ4mmである。熱抵抗体40は、円柱形状を有し、測定対象と接触する底面フレーム11から見て高さ4mm、外径は、8mmである。
第2部材20は、円錐台形状を有し、円錐台22の高さは、5mm、外径は、第2部材20が配置される第1部材10の外形に対応する寸法を有する。円錐台22上面部の外径は、12mm、円錐台形状のテーパ部21の厚さは、0.5mmである。円錐台22に設けられる穴部23の外形は、2mmである。円錐台形状のテーパ部21の円形の縁部に形成されている凸片部24は、第1部材10の貫通孔13に対応する形状と寸法を有する。
第3部材30の厚さは、0.1mmで、外径は、第1部材10の側面フレーム12の外径に対応する形状と寸法を有する。
<測定装置の構成>
本発明の実施の形態に係る測定装置の断面図の一例を図5に示す。図5は、内部に測定器50を備えた熱抵抗体40と、熱抵抗体40が設置された第1部材10、熱抵抗体40を覆う第2部材、第1部材10の上部を封止する第3部材30から構成される測定装置の断面図を示したものである。
熱抵抗体40の内部に配置された測定器50は、生体Bから輸送される熱流束を測定するセンサを備える。熱抵抗体40を覆う円錐台形状の第2部材20は、第1部材10の外側における生体Bからの熱流束を熱抵抗体40の上面部に輸送するように構成されている。尚、本図では図示しないが、測定装置1は、図5の測定装置1の構成に加えて、センサにおける測定結果を用いて生体Bの深部温度を推定するための演算回路等を備えている。
<測定器におけるセンサの構成>
熱抵抗体40の内部に配置された測定器50は、測定面である皮膚SKの温度を測定するように構成された温度センサ50aと、温度センサ50aの直上の位置に温度センサ50aと向かい合うように配置される温度センサ50bを備える。
図5の構成例では、温度センサ50aで測定した温度Tskinと温度センサ50bで測定した温度Ttopの温度差を用いて熱流束Hsignalを測定する。温度センサ50a、50bとしては、例えば、サーミスタ、熱電対、白金抵抗体、IC温度センサなどを用いることができる。
図5の構成例では、1対の温度センサ50a、50bにより熱流束Hsignalを測定するように構成したが、温度センサ50aにより測定面の温度Tskinを測定し、熱流束センサにより生体Bの皮膚SKにおける熱流束Hsignalを測定するように構成してもよい。
<深部温度の推定結果>
図6は、本発明の実施の形態に係る深部温度の推定結果である。図6は、本実施形態の測定装置を利用して推定した深部体温と鼓膜で測定した深部温度の実測値を比較した結果を表したものである。図6によれば、本実施の形態の測定装置によれば、深部温度の測定誤差の少ない深部温度の推定結果を得ることが確認できる。
<本実施の形態の効果>
本実施の形態の測定装置によれば、測定対象から輸送される熱流束を測定する測定器である温度センサが設置されている熱抵抗体40が設置されている第1部材10と、第1部材10の底面フレーム11と側面フレーム12とから構成される筐体内に配置され、外気流や温度の変化による熱の伝わり方の擾乱の影響を抑制する第2部材、第1部材10の上面部を封止する第3部材30により構成されている。このような簡便な構造の部材の組み合わせにより、測定装置の筐体、外気の擾乱の影響を抑制するための内部構造、温度センサが設置される熱抵抗体40が、相対的に位置決め固定された構造を有する測定装置を構成することができ、外気の擾乱の影響を抑制し、正確に深部体温を測定することができる構造を有する測定装置を提供することができる。
<測定装置の構成例>
図7を参照して、本実施の形態に係る測定装置1の構成について説明する。図7に示すように、測定装置1は、測定装置1の構成と、深部体温を推定する演算回路60と、メモリ70と、通信回路80と、電池90とを備える。
測定装置1は、例えば、シート状の基材100の上に、測定器50、演算回路60、メモリ70、外部とのI/F回路として機能する通信回路80、および演算回路60や通信回路80などに電力を供給する電池90を備える。
演算回路60は、測定器50が備える温度センサ50a、50bで測定された温度Tskin、Ttopから、式(1)を用いて深部体温Tbodyの推定値を算出する。
メモリ70は、上述した式(1)に基づく一次元の生体伝熱モデルに関する情報と深部体温の推定結果を記憶している。メモリ70は、測定システム内に設けられた書き換え可能な不揮発性の記憶装置(例えば、フラッシュメモリなど)における所定の記憶領域によって実現することができる。
通信回路80は、演算回路60によって生成された生体Bの深部体温Tbodyの時系列データを外部に出力する。このような通信回路80としては、有線でデータなどを出力する場合は、USBその他のケーブルが接続できる出力回路となるが、例えば、Bluetooth(登録商標)、Bluetooth Low Energy等に準拠した無線通信回路を用いてもよい。
シート状の基材100は、測定器50、演算回路60、メモリ70、通信回路80、および電池90を含む測定装置1を載置するための土台として機能する他、これらの要素を電気的に接続する配線(図示しない)を備えている。測定装置1を生体の表皮上に接続することを想定すると、シート状の基材100には、変形可能なフレキシブル基板を用いることが望ましい。
ここで、測定装置1は、コンピュータによって実現される。具体的には、演算回路60は、例えばCPUやDSPなどのプロセッサが測定装置1内に設けられたメモリ70を含むROM、RAM、およびフラッシュメモリなどの記憶装置に格納されたプログラムに従って各種データ処理を実行することによって実現される。コンピュータを測定装置1として機能させるための上記プログラムは、記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
<実施の形態の変形>
以上、本発明の測定装置における実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。
1…測定装置、10…第1部材、11…底面フレーム、12…側面フレーム、13…貫通孔、14…ビーム、15…配線スリット、20…第2部材、21…テーパ部、22…円錐台、23…穴部、24…凸片部、25…スリット、26…配線スリット、27…凸部、30…第3部材、40…熱抵抗体。

Claims (8)

  1. 測定対象から輸送される熱流束を測定する測定器が設置されている熱抵抗体と、
    前記熱抵抗体が所定の位置に設置されている底面フレームと側面フレームを有する第1部材と、
    前記第1部材の底面フレームと側面フレームとから構成される筐体内に配置され、前記熱抵抗体を覆う形状を有し、熱伝導性を有する材料から構成される第2部材と、
    前記第2部材が配置された前記筐体の上面部を封止する第3部材と
    を備え、
    前記第1部材の前記底面フレームに設けられた貫通孔に前記第2部材に設けられた 凸部または凸片部が嵌入することにより、前記筐体に対して前記第2部材が位置決めされ、前記凸部または凸片部は、前記貫通孔を介して前記底面フレームの外側に露出し、前記測定対象に接触可能に構成される
    測定装置。
  2. 請求項1に記載の測定装置において、
    前記熱抵抗体は、前記第1部材の前記底面フレームの所定の位置に一体成型されている
    測定装置。
  3. 請求項2に記載の測定装置において、
    前記熱抵抗体は、前記測定器を、前記熱抵抗体の所定の位置に設置するための孔部を備える
    測定装置。
  4. 請求項3に記載の測定装置において、
    前記孔部は、前記熱抵抗体が設置されている前記底面フレームに向かって幅が小さくなる断面を有する
    測定装置。
  5. 請求項1~4の何れか1項に記載の測定装置において、
    前記第2部材の少なくとも一部は、錐形状を有し、前記熱抵抗体の外側における前記測定対象からの熱流束を前記熱抵抗体の上部に輸送するように構成される
    測定装置。
  6. 請求項5に記載の測定装置において、
    前記第2部材の少なくとも一部は、錐台形状を有し、前記錐台形状のテーパ部の縁部に、複数の前記凸部または凸片部が形成されている
    測定装置。
  7. 請求項6に記載の測定装置において、
    前記熱抵抗体は、円柱形状を有し、
    前記第2部材の少なくとも一部は、円錐台形状を有し、前記円錐台形状のテーパ部の円形の縁部に、扇形状を有する複数の前記凸片部が形成されている
    測定装置。
  8. 請求項7に記載の測定装置において、
    前記第2部材は、前記円錐台形状の上面部に当該第2部材を貫通する穴部を備える
    測定装置。
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