WO2022013914A1 - 測定装置 - Google Patents

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WO2022013914A1
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measuring device
heat flux
temperature
measuring
measurement
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雄次郎 田中
大地 松永
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日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • G01K7/427—Temperature calculation based on spatial modeling, e.g. spatial inter- or extrapolation
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    • A61B2560/04—Constructional details of apparatus
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    • A61B2562/04—Arrangements of multiple sensors of the same type

Definitions

  • the present invention relates to a measuring device for measuring the deep temperature of a measurement target such as a living body.
  • Patent Document 1 discloses a technique for estimating the core body temperature of a living body by assuming a pseudo one-dimensional model of a living body B, a measuring instrument 40 including a temperature sensor and a heat flux sensor, and outside air. There is.
  • the core body temperature of the living body is estimated by assuming the one-dimensional model of the biological heat transfer shown in FIG.
  • Tair is the temperature of the outside air
  • Tbody is the core body temperature of the living body B
  • Hsignal is the heat flux flowing into the sensor of the measuring instrument 40
  • Rbody is the heat resistance of the living body B
  • Rair is the heat flux Hsignal moving to the outside air.
  • the heat resistance at the time, Tskin is the temperature of the contact point between the temperature sensor placed on the skin SK and the skin SK of the living body B
  • Tt is the temperature at the position where the temperature sensor is placed on the upper part.
  • Core body temperature (Tbody) temperature of contact point between temperature sensor and skin (Tskin) + proportionality coefficient (Rsenser) ⁇ heat flux flowing into the temperature sensor (Hsignal) ... (1)
  • the proportionality coefficient (Rsenser) can be obtained by giving the rectal temperature and the tympanic membrane temperature measured by using a sensor such as another temperature sensor as the core body temperature (Tbody), the heat flux flowing into the temperature sensor (Hsignal) can be obtained. ), It is possible to estimate the core body temperature of the living body.
  • Patent Document 1 when a one-dimensional model is assumed as a heat transfer model of a living body, there is an inflow of heat from the outside air to the sensor due to the generation of wind or the like, as shown in FIG. A part of the heat flux Hsignal that should flow into the sensor deviates from the sensor.
  • Fig. 12 shows this with a heat equivalent circuit.
  • Rbody is the thermal resistance of the living body
  • RLeak is the thermal resistance when the heat flows to the outside air due to wind or the like and moves away from the original heat flow
  • the leaking heat flux is HLeak.
  • Rair and R'air are thermal resistances when Hsignal and HLeak move to the outside air, respectively.
  • the thermal resistance between the sensor and the outside air changes due to the wind and a heat flux HLeak that leaks away from the sensor is generated, the heat flux Hsignal originally measured is reduced by that amount to become H'signal.
  • the effect of HLeak on Hsignal is evaluated by the ratio of HLeak to HSignal, Leak Ratio.
  • Leak Ratio is represented by
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and even when wind or the like is generated around the sensor, the change in thermal resistance between the sensor and the outside air is suppressed, and the deep part is accurately formed. It is an object of the present invention to provide a measuring device capable of measuring body temperature.
  • the measuring device has a measuring device configured to measure the heat flux transported from the measurement target, a hollow structure, and the measuring device inside.
  • the third member is provided with a third member that transports the heat flux from the measurement target outside the first member to the upper part of the second member.
  • a first member having a measuring instrument and a second member forming an air layer between the first member are provided, and further, a second member is provided between the first member and the second member. Since it is provided with a third member that transports the heat flux from the measurement target on the outside of the first member to the upper part of the second member, the thermal resistance between the sensor and the outside air even when wind is generated around the sensor. It is possible to provide a measuring device capable of suppressing the change in the core body temperature and accurately measuring the core body temperature.
  • FIG. 1 is an example of a cross-sectional view of a measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is another example of a cross-sectional view of the measuring device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the second and third members of the measuring device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a third member of the measuring device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a cross-sectional view of a third member of the measuring device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a temperature field and heat flux in the vicinity of the measuring device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing the heat equivalent circuit of FIG.
  • FIG. 8 is a measurement result of the measurement error of the deep temperature according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an example of a block diagram of the measuring device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a heat equivalent circuit for estimating the deep temperature by the heat flux.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the leak heat flux when estimating the deep temperature by the heat flux.
  • FIG. 12 is a heat equivalent circuit diagram when leak heat flux occurs.
  • the measurement target is a living body
  • the measurement surface on which the measuring device is arranged is the surface of the skin of the living body to be measured.
  • the measuring device of the present invention includes a first member having a hollow structure having a measuring device for measuring heat flux inside, and a second member having a hollow structure forming an air layer between the first members, and further.
  • a third member is provided between the first member and the second member to transport the heat flux from the measurement target outside the first member to the upper part of the second member.
  • the second member collects the heat flux from the measurement target.
  • the temperature of the upper part of the measuring instrument can be raised, so that the heat between the measuring instrument and the outside air is generated even when wind is generated around the measuring instrument. It is possible to suppress the change in resistance, suppress the leak heat flux that causes the measurement error of the deep temperature, and reduce the Leak Radio.
  • FIG. 1 shows an example of a cross-sectional view of the measuring device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a configuration example of a first member having a measuring instrument 40 inside, a second member covering the first member, and a third member arranged in a space between the first member and the second member. It is a thing.
  • the measuring instrument 40 arranged inside the first member includes a sensor for measuring the heat flux transported from the living body B.
  • the measuring device 1 includes, in addition to the configuration of the measuring device 1 in FIG. 1, an arithmetic circuit for estimating the deep temperature of the living body B and the like.
  • the measuring device 1 of FIG. 1 has a hollow structure in which an air layer is formed between the first member 10 having a hollow structure for holding the measuring device 40 inside and the first member 10 covering the first member 10.
  • a third member 30 having a hollow shell structure and having a truncated cone shape is provided in the space between the second member 20 and the second member 20 and the first member 10.
  • the truncated cone-shaped upper surface portion of the third member 30 is in contact with the upper surface portion of the second member 20 from the inside of the second member 20. Further, the truncated cone-shaped third member 30 is provided with a hole portion 31 penetrating the third member 30 on the upper surface portion thereof.
  • the measuring instrument 40 arranged inside the first member 10 is located at a position directly above the temperature sensor 40a (first temperature sensor) configured to measure the temperature of the skin SK which is the measuring surface and the temperature sensor 40a.
  • a temperature sensor 40b (second temperature sensor) arranged so as to face the temperature sensor 40a is provided.
  • the heat flux is measured using the temperature difference between the temperature Tskin measured by the temperature sensor 40a and the temperature Tt measured by the temperature sensor 40b.
  • the first member 10 has a hollow structure, and the inside thereof is filled with air. It is desirable that the second member 20 is filled with a material having a large thermal resistance, and a cavity such as air can be used.
  • the first member 10 and the second member 20 a material (about 0.1 mm) having a small thermal resistance and a thin thickness is desirable, and polyethylene terephthalate (PET) or the like can be used.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the material constituting the truncated cone-shaped third member 30 having a hollow shell structure it is desirable that the material has a high thermal conductivity in order to efficiently transport the heat flux.
  • the third member 30 can be configured by using a thin film such as aluminum.
  • the first member 10 is arranged on the skin SK of the living body B, which is the measurement surface.
  • the first member 10 has a hollow structure formed of a thin film, and may have an outer shape of a cylinder, for example.
  • the second member 20 covers the first member 10 and is arranged on the skin SK of the living body B which is a measurement surface, and forms an air layer between the second member 20 and the first member 10.
  • the second member 20 has a hollow structure formed of a thin film and can have a cylindrical outer shape.
  • the outer shape of the first member 10 and the second member 20 is not limited to a cylindrical shape, and may be, for example, a rectangular parallelepiped shape having a hollow structure.
  • the diameters D of the cylindrical shape of the first member 10 and the cylindrical shape of the second member 20 can be, for example, 20 mm and 30 mm, respectively.
  • the height t of the second member 20 with respect to the skin SK, which is the measurement surface can be, for example, about 6 mm.
  • the height of the first member 10 with respect to the skin SK, which is the measurement surface can be, for example, about 3 mm.
  • an air layer formed by the first member 10 and an air layer between the first member 10 and the second member 20 outside the first member 10 are formed, and the first member 10 and the second member 20 are each formed. It is configured so that the air inside does not move.
  • the third member 30 is arranged between the first member and the second member, and the upper surface portion thereof is brought into contact with the upper surface portion of the second member 20, so that the heat flow from the living body B is outside the first member.
  • the bundle is configured to be transported to the upper part of the second member.
  • the second member since the truncated cone-shaped third member 30 has a hole portion 31 penetrating the third member 30 on the upper surface portion thereof, the second member is provided in the peripheral portion of the hole portion 31 on the upper surface portion. It is in contact with the upper surface portion of 20.
  • the temperature sensor 40a is arranged on the inner surface of the bottom surface portion where the cylindrical first member 10 is in contact with the skin SK, which is the measurement surface.
  • the temperature sensor 40b is arranged at a position directly above the temperature sensor 40a so as to face the temperature sensor 40a.
  • the heat flux H's signal is measured by the temperature difference between the pair of temperature sensors 40a and 40b.
  • the temperature sensor 40a is arranged so as to be in contact with the surface of the skin SK of the living body B, which is the measuring surface, and measures the temperature Tskin (temperature of the measuring surface) which is the temperature of the contact point with the living body B.
  • the temperature sensor 40b measures the temperature Tt at the arrangement position of the inner surface of the first member 10.
  • a thermistor, a thermocouple, a platinum resistor, an IC temperature sensor, or the like can be used as the temperature sensors 40a and 40b.
  • the heat flux H's signal is measured by a pair of temperature sensors 40a and 40b, but as shown in FIG. 2, the temperature Tskin of the measurement surface is measured by the temperature sensor 40a.
  • the heat flux sensor 40c may be configured to measure the heat flux H's signal.
  • the heat flux sensor 40c is a sensor that detects heat transfer per unit area for a unit time, and measures the heat flux H'signal [W / m 2] flowing from the living body B into the heat flux sensor 40c. do.
  • the heat flux sensor 40c for example, a laminated structure, a plane expansion type actuating thermopile, or the like can be used.
  • the heat flux sensor 40c is arranged so as to be in contact with the surface of the skin SK of the living body B, which is the measurement surface.
  • the temperature sensor 40a is arranged in contact with the skin SK, which is the measurement surface, and measures the epidermis temperature Tskin, which is the temperature of the contact point with the living body B, as in FIG.
  • the temperature sensor 40a is arranged adjacent to the heat flux sensor 40c along the measurement surface.
  • FIGS. 3 and 4 show a configuration example of the third member 30.
  • a cylindrical second member 20 is arranged so as to cover the truncated cone-shaped third member 30, and the upper surface portion of the truncated cone-shaped third member 30 is a cylindrical second member 20. It is configured to be in contact with the upper surface of the.
  • the truncated cone-shaped third member 30 is provided with a circular hole portion 31 penetrating the third member 30 on the upper surface portion thereof.
  • the third member 30 is arranged in the space between the first member 10 and the second member 20, and transports the heat flux from the measurement target to the upper surface portion of the second member outside the first member. It is a member that raises the temperature of the upper surface of the second member, that is, the temperature of the upper part of the measuring instrument 40, thereby suppressing the leak heat flux HLeak and lowering the Leak Ratio.
  • the configuration of the third member 30 various configurations can be adopted as long as the shape is such that this function can be exhibited.
  • the third member when it is arranged between the first member and the second member having a cylindrical shape, it can be configured to have a circular thrust shape.
  • the third member By forming the third member into a cone shape, the heat flux from the measurement target is transported to the upper surface of the second member on the outside of the first member without affecting the heat flux flowing into the measuring instrument 40. Is possible. It can also be configured to have a truncated cone shape as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the configuration of the third member 30 is not limited to the conical shape or the truncated cone shape, and other cone shapes can be adopted.
  • the third member 30 can have a pyramid shape or a frustum shape corresponding to the rectangular parallelepiped shape.
  • the truncated cone-shaped third member 30 may be configured to include a circular hole portion 31 penetrating the third member 30 on the upper surface portion thereof.
  • a circular hole portion 31 penetrating the third member 30 on the upper surface portion thereof.
  • FIG. 5 is an example of a cross-sectional view of a truncated cone-shaped third member 30 having a hole 31 on the upper surface.
  • the diameter d is about 1 mm to 3 mm.
  • it is desirable that the thicknesses t1 and t2 of the third member 30 are, for example, about 0.3 mm to 1 mm.
  • FIG. 6 is a diagram showing a temperature field and heat flux in the vicinity of the measuring device.
  • the heat flux Hplus is a heat flux transported from the living body B to the vicinity of the central portion of the upper part of the second member 20 on the outside of the first member 10 via the third member 30 having a truncated cone shape.
  • HSignal is a heat flux transported from the deep part of the living body B
  • H'sinal is a heat flux separated from HSignal and flows into a central temperature sensor
  • HLeak is separated from HSignal and deviates from the measuring instrument 40. It is a leak heat flux that escapes to the outside.
  • the ratio Leak atio of HLeak to Hsignal is represented by
  • the heat equivalent circuit of FIG. 6 is shown in FIG.
  • Rstructure is the thermal resistance of the truncated cone-shaped third member 30, and R'body is the thermal resistance when heat is transferred from the deep part to the truncated cone-shaped third member 30.
  • HLeak Is the thermal resistance when moving to the outside air.
  • Rair and R'air are the thermal resistance when heat is transported to the outside air through the measuring instrument 40 and the thermal resistance when the heat is transported to the outside air deviating from the measuring instrument 40, respectively.
  • the end portion of the bottom surface of the third member 30 having a truncated cone shape is arranged at a position sufficiently distant from the measuring instrument 40, so that the first outer surface is formed.
  • the heat flux from the living body B is collected by the third member 30 and transported to the upper surface portion of the second member 20.
  • the heat flux Hplus collected and transported by the truncated cone-shaped third member 30 raises the temperature of the upper surface portion of the second member 20 without affecting Hsignal, and as a result, the outside of the measuring instrument 40.
  • the temperature can be raised.
  • the heat flux Hplus flows into the R'air the temperature outside the measuring instrument rises, and the effect of suppressing the leak heat flux HLeak, which causes an error, and lowering the Leak Ratio. Can be caused.
  • the third member 30 having a truncated cone shape is covered with the second member 20, and the distance from the outside air becomes smaller toward the center where the measuring instrument 40 is arranged, and the center where the measuring instrument 40 is arranged. It becomes almost zero near the part.
  • the closer to the central portion the greater the effect of suppressing the inflow of heat from the outside air to the sensor, and the highest effect of reducing Leak Ratio can be obtained in the vicinity of the central portion where the measuring instrument 40 is arranged.
  • the difference between the heat flux H'signal measured by the temperature sensor or the heat flux sensor and the Hsignal originally desired to be measured can be reduced, and the measurement error can be reduced.
  • FIG. 8 shows the measurement result of the measurement error of the deep temperature in the measuring device 1.
  • FIG. 8 shows the relationship between the wind speed and the measurement error when the wind is applied to the measuring device 1.
  • the present invention in the figure is a measurement result in the configuration of FIG. 1, and the prior art is a measurement result in the configurations of FIGS. 10 and 11.
  • the maximum wind speed given to the measuring device 1 is 5 m / s, and it is assumed that jogging is performed at about 18 km / h. According to the measuring device of the present embodiment, it can be confirmed that the measurement error of the deep temperature can be suppressed to 0.1 ° C. or less.
  • the first member 10 having a measuring instrument for measuring heat flux and the second member 20 forming an air layer between the first member 10 are provided, and further, the first member. Since a third member for transporting the heat flux from the measurement target outside the first member to the upper surface portion of the second member is provided between the second member and the second member, the heat flow transported to the upper surface portion of the second member is provided.
  • the bundle can suppress the change in thermal resistance between the sensor and the outside air even when the temperature outside the measuring instrument rises and wind is generated around the measuring instrument, which causes measurement error. By suppressing the leak heat flux and lowering the Leak Radio, it is possible to reduce the measurement error when measuring the deep temperature.
  • the measuring device 1 includes the configuration of the measuring device 1 described with reference to FIG. 1, an arithmetic circuit 50 for estimating core body temperature, a memory 60, a communication circuit 70, and a battery 80.
  • the measuring device 1 is, for example, on a sheet-shaped base material 90, a measuring instrument 40, an arithmetic circuit 50, a memory 60, a communication circuit 70 functioning as an I / F circuit with the outside, and an arithmetic circuit 50 and a communication circuit 70. It is equipped with a battery 80 that supplies electric power to such a device.
  • the arithmetic circuit 50 calculates an estimated value of the core body temperature Tc from the temperatures Tskin and Tt measured by the temperature sensors 40a and 40b included in the measuring instrument 40 using the equation (1).
  • the arithmetic circuit 50 is of the core body temperature Tc using the equation (1) from the heat flux Hsignal and the skin temperature Tskin measured by the heat flux sensor 40c and the temperature sensor 40a included in the measuring instrument 40. Calculate the estimated value.
  • the memory 60 stores information on a one-dimensional heat transfer model based on the above equation (1) and an estimation result of core body temperature.
  • the memory 60 can be realized by a predetermined storage area in a rewritable non-volatile storage device (for example, a flash memory) provided in the measurement system.
  • the communication circuit 70 outputs the time-series data of the core body temperature Tc of the living body B generated by the arithmetic circuit 50 to the outside.
  • a communication circuit 70 is an output circuit to which a USB or other cable can be connected when outputting data or the like by wire.
  • a wireless communication circuit compliant with Bluetooth (registered trademark), Bluetooth Low Energy, or the like. May be used.
  • the sheet-shaped base material 90 functions as a base for mounting the measuring device 1 including the measuring instrument 40, the arithmetic circuit 50, the memory 60, the communication circuit 70, and the battery 80, and electrically mounts these elements. It has wiring (not shown) to connect. Assuming that the measuring device 1 is connected on the epidermis of a living body, it is desirable to use a deformable flexible substrate for the sheet-shaped base material 90.
  • an opening is provided in a part of the sheet-shaped base material 90, and the temperature sensor 40a and the heat flux sensor 40c provided in the measuring instrument 40 are attached to the base material 90 so as to be in contact with the measurement surface of the skin SK of the living body B from the opening. It will be placed.
  • the measuring device 1 is realized by a computer.
  • the arithmetic circuit 50 processes various data according to a program stored in a storage device such as a ROM, a RAM, and a flash memory including a memory 60 provided in the measuring device 1 by a processor such as a CPU or DSP. It is realized by executing.
  • the above program for operating the computer as the measuring device 1 can be recorded on a recording medium or provided through a network.
  • the configuration of the measuring device 1 including the measuring instrument 40 described with reference to FIG. 1 is integrally configured with other configurations including the arithmetic circuit 50, but the configuration of FIG. May have a configuration separated from the arithmetic circuit 50, the memory 60, the communication circuit 70, and the battery 80.
  • the configuration of the measuring device 1 and the other arithmetic circuit 50 and the like may be connected via wiring (not shown).

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Abstract

測定装置（１）は、測定器（４０）を有する第１カバー部材（１０）と、第１カバー部材（１０）との間に空気層を形成する第２カバー部材（２０）と、第１のカバー部材（１０）と第２のカバー部材（２０）との間に、第１のカバー部材（１０）の外側における測定対象からの熱流束を第２のカバー部材（２０）の上部に輸送する第３のカバー部材（３０）とを備える。測定装置（１）に風があたった場合でも、測定器（４０）と外気との間の熱抵抗の変化を抑制し、正確に測定対象の深部温度を測定することができる。

Description

測定装置
　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４０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１０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４０のセンサに流入する熱流束、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、Ｔｔ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（Ｒｓｅｎｓｏｒ）×温度センサに流入する熱流束（Ｈｓｉｇｎａｌ）・・・（１）
　比例係数（Ｒｓｅｎｓｏｒ）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、外気からセンサへの熱の流入があると、図１１に示すように、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。
　これを熱等価回路で示すと図１２のようになる。Ｒｂｏｄｙは、生体の熱抵抗、ＲＬｅａｋは、風などにより外気へ熱が流れるときに本来通る熱の流れを逸れて移動する際の生体熱抵抗であり、そのリークする熱流束は、ＨＬｅａｋである。ＲａｉｒおよびＲ’ａｉｒは、それぞれ、ＨｓｉｇｎａｌおよびＨＬｅａｋが外気へ移動するときの熱抵抗である。風によりセンサと外気との間の熱抵抗が変化し、センサから逸れてリークする熱流束ＨＬｅａｋが発生すると本来測定される熱流束Ｈｓｉｇｎａｌは、その分だけ減少しＨ’ｓｉｇｎａｌとなる。ここで、Ｈｓｉｇｎａｌに対するＨＬｅａｋの影響は、Ｈｓｉｇｎａｌに対するＨＬｅａｋの割合Ｌｅａｋ　Ｒａｔｉｏで評価される。Ｌｅａｋ　Ｒａｔｉｏは、｜ＨＬｅａｋ｜／Ｈｓｉｇｎａｌで表される。
　そのため、風などが発生している場合には、Ｌｅａｋ　Ｒａｔｉｏが大きくなり、Ｈｓｉｇｎａｌに上記の一次元モデルはもはや成立せず、従来の深部体温の測定技術では、センサの周囲に風などが発生すると誤った深部体温を測定するという問題があった。
　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、センサの周囲に風などが発生している場合でも、センサと外気との間の熱抵抗の変化を抑制し、正確に深部体温を測定することができ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ように構成された測定器と、中空構造を有し、内部に前記測定器を有する第１部材と、中空構造を有し、前記第１部材を覆って前記第１部材との間に空気層を形成する第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との間に配置され、前記第１部材の外側における前記測定対象からの熱流束を前記第２部材の上部に輸送する第３部材とを備える。
　本発明によれば、測定器を有する第１部材と、第１部材との間に空気層を形成する第２部材とを備え、さらには、第１部材と第２部材との間に、第１部材の外側における測定対象からの熱流束を第２部材の上部に輸送する第３部材とを備えるので、センサの周囲に風が発生している場合でも、センサと外気との間の熱抵抗の変化を抑制し、正確に深部体温を測定することができる測定装置を提供することができる。
図１は、本発明の実施の形態に係る測定装置の断面図の一例である。 図２は、本発明の実施の形態に係る測定装置の断面図の他の例である。 図３は、本発明の実施の形態に係る測定装置の第２、第３部材の一例を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る測定装置の第３部材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第３部材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近傍の温度場と熱流束を示す図である。 図７は、図６の熱等価回路を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る深部温度の測定誤差の測定結果である。 図９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１０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。 図１１は、熱流束により深部温度を推定する際のリーク熱流束を説明するための図である。 図１２は、リーク熱流束が発生した場合の熱等価回路図である。
　以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、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。
＜本発明の概要＞
　本発明の測定装置は、内部に熱流束を測定する測定器を有する中空構造の第１部材と、第１部材との間に空気層を形成する中空構造の第２部材とを備え、さらには、第１部材と第２部材との間に、第１部材の外側における測定対象からの熱流束を第２部材の上部に輸送する第３部材とを備える。
　本発明の測定装置では、熱流束を測定する測定器を有する第１部材と、第１部材との間に空気層を形成する第２部材に加えて、測定対象からの熱流束を第２部材の上部に輸送する第３部材を備えることにより、測定器の上部の温度を上昇させることができるので、測定装置の周囲に風が発生している場合でも、測定器と外気との間の熱抵抗の変化を抑制し、深部温度の測定誤差を生み出す原因となるリーク熱流束を抑制させ、Ｌｅａｋ　Ｒａｔｉｏを低減することができる。以下、本実施の形態の測定装置の具体的構成について説明する。
＜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１に示す。図１は、内部に測定器４０を備えた第１部材と、第１部材を覆う第２部材と、第１部材と第２部材の間の空間に配置された第３部材の構成例を示したものである。第１部材の内部に配置された測定器４０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。尚、本図では図示しないが、測定装置１は、図１の測定装置１の構成に加えて、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。
　図１の測定装置１は、測定器４０を内部に保持する中空構造の第１部材１０と、前記第１部材１０を覆って前記第１部材１０との間に空気層を形成する中空構造の第２部材２０と、第２部材２０と第１部材１０との間の空間に配置された中空シェル構造の円錐台形状の第３部材３０を備える。
　図１の構成例では、第３部材３０の円錐台形状の上面部が第２部材２０の内部から第２部材２０の上面部に接触している。また、円錐台形状の第３部材３０は、その上面部に第３部材３０を貫通する穴部３１を備えている。第３部材３０の上面部を第２部材２０の上面部に接触させることで、第１部材１０の外側における生体Ｂからの熱流束を第２部材２０の上面部に輸送するように構成されている。
　第１部材１０の内部に配置された測定器４０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４０ａ（第１温度センサ）と、温度センサ４０ａの直上の位置に温度センサ４０ａと向かい合うように配置される温度センサ４０ｂ（第２温度センサ）を備える。図１の構成例では、温度センサ４０ａで測定した温度Ｔｓｋｉｎと温度センサ４０ｂで測定した温度Ｔｔの温度差を用いて熱流束を測定する。
　第１部材１０は、中空構造を有し、その内部は空気で満たされている。第２部材２０は、熱抵抗の大きな材料で充填されていることが望ましく、空気などの空洞を利用することができる。
　第１部材１０と第２部材２０は、熱抵抗が小さく、厚さを薄くできる材料（０．１ｍｍ程度）が望ましくポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）などを用いることができる。中空シェル構造の円錐台形状の第３部材３０を構成する材料としては、熱流束を効率良く輸送するために熱伝導率が高いものが望ましい。例えば、第３部材３０は、アルミニウムなどの薄膜を用いて構成することができる。
　第１部材１０は、測定面である生体Ｂの皮膚ＳＫに配置される。第１部材１０は、薄膜で形成された中空構造を有し、例えば、円柱の外形とすることができる。第２部材２０は、第１部材１０を覆って測定面である生体Ｂの皮膚ＳＫに配置され、第１部材１０との間に空気層を形成する。第２部材２０は、第１部材１０と同様に、薄膜で形成された中空構造を有し、円柱の外形とすることができる。尚、第１部材１０、第２部材２０の外形は、円柱形状に限らず、例えば、中空構造の直方体形状などであってもよい。
　第１部材１０の円柱形状および第２部材２０の円柱形状の直径Ｄは、それぞれ、例えば、２０ｍｍ、３０ｍｍとすることができる。測定面である皮膚ＳＫを基準とした第２部材２０の高さｔは、例えば、６ｍｍ程度とすることができる。測定面である皮膚ＳＫを基準とした第１部材１０の高さは、例えば、３ｍｍ程度とすることができる。
　このように、第１部材１０により形成される空気層、および第１部材１０とその外側の第２部材２０との間の空気層が形成され、第１部材１０、第２部材２０の夫々の内部の空気が移動しないように構成する。
　さらに、第３部材３０を、第１部材と第２部材との間に配置し、その上面部を第２部材２０の上面部に接触させることで、第１部材の外側において生体Ｂからの熱流束を第２部材の上部に輸送するように構成している。図１の例では、円錐台形状の第３部材３０は、その上面部に第３部材３０を貫通する穴部３１を備えているので、上面部の穴部３１の周辺部分において、第２部材２０の上面部に接触している。
＜測定器におけるセンサの構成＞
　円柱形状の第１部材１０が測定面である皮膚ＳＫに接する底面部の内面には、温度センサ４０ａが配置される。第１部材１０の上面部の内面には、温度センサ４０ａの直上の位置に温度センサ４０ａと向かい合うように温度センサ４０ｂが配置される。図１の構成例では、１対の温度センサ４０ａ、４０ｂの温度差により熱流束Ｈ’ｓｉｇｎａｌを測定する
　図１において、温度センサ４０ａは、測定面である生体Ｂの皮膚ＳＫの表面に接するように配置され、生体Ｂとの接点の温度である温度Ｔｓｋｉｎ（測定面の温度）を測定する。温度センサ４０ｂは、第１部材１０の内面の配置位置における温度Ｔｔを測定する。温度センサ４０ａ、４０ｂ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１の構成例では、１対の温度センサ４０ａ、４０ｂにより熱流束Ｈ’ｓｉｇｎａｌを測定するように構成したが、図２に示すように、温度センサ４０ａにより測定面の温度Ｔｓｋｉｎを測定し、熱流束センサ４０ｃにより熱流束Ｈ’ｓｉｇｎａｌを測定するように構成してもよい。
　図２において、熱流束センサ４０ｃは、単位時間、単位面積当たりの熱の移動を検知するセンサであり、生体Ｂから熱流束センサ４０ｃに流入する熱流束Ｈ’ｓｉｇｎａｌ［Ｗ／ｍ２］を測定する。熱流束センサ４０ｃとしては、例えば、積層構造や平面展開型の作動型サーモパイルなどを用いることができる。熱流束センサ４０ｃは、測定面である生体Ｂの皮膚ＳＫの表面に接するように配置される。
　図２において、温度センサ４０ａは、図１と同様に、測定面である皮膚ＳＫに接して配置され、生体Ｂとの接点の温度である表皮温度Ｔｓｋｉｎを測定する。温度センサ４０ａは、測定面に沿って熱流束センサ４０ｃに隣接して配置される。
＜第３部材の構成例＞
　図３、４に、第３部材３０の構成例を示す。図３、４では、円錐台形状の第３部材３０を覆うように、円柱形状の第２部材２０が配置され、円錐台形状の第３部材３０の上面部が、円柱形状の第２部材２０の上面部に接触するように構成されている。また、円錐台形状の第３部材３０は、その上面部に第３部材３０を貫通する円形の穴部３１を備えている。
　第３部材３０は、第１部材１０と第２部材２０の間の空間内に配置され、第１部材の外側において、測定対象からの熱流束を第２部材の上面部に輸送することで、第２部材の上面部の温度、すなわち測定器４０の上部の温度を上昇させるものであり、それによりリーク熱流束ＨＬｅａｋを抑制し、Ｌｅａｋ　Ｒａｔｉｏを低下させる機能を果たす部材である。第３部材３０の構成としては、この機能を発揮できる形状であれば、様々な形状の構成を採用することができる。
　例えば、円柱形状の第１部材と第２部材の間に配置する場合には、円推形状を有するように構成することができる。第３部材を錐形状とすることにより、第１部材の外側において、測定器４０に流入する熱流束に影響を与えることなく、測定対象からの熱流束を第２部材の上面部に輸送することが可能となる。図３、４に示すような円錐台形状を有するように構成することもできる。
　また、第３部材３０の構成としては、円錐形状や円錐台形状に限られず、他の錐体形状を採用することができる。例えば、第２部材２０が直方体形状の場合には、それに対応させて、第３部材３０を角錐形状や角錐台形状とすることができる。第３部材を錐台形状とすることで、測定器４０に流入する熱流束に影響を与えることなく、第２部材に対してより多くの熱流束を輸送し、温度上昇の効果を高めることができる。
　また、図１～図４で例示したように、円錐台形状の第３部材３０は、その上面部に第３部材３０を貫通する円形の穴部３１を備えるように構成してもよい。この円形の穴部３１の大きさを適宜調整することにより、生体Ｂの深部温度を測定する場合において測定する深さを調整することが可能となる。
　図５は、上面部に穴部３１を有する円錐台形状の第３部材３０の断面図の一例である。本実施の形態における第３部材３０のサイズの例としては、第２部材２０の直径Ｄ＝３０ｍｍで、高さｔ＝５ｍｍの場合、上面部の半径Ｌは、３ｍｍから６ｍｍ、穴部３１の直径ｄは、１ｍｍから３ｍｍ程度となる。また、第３部材３０の厚さｔ１とｔ２は、例えば、０．３ｍｍから１ｍｍ程度が望ましい。
＜本実施の形態における温度場と熱流束＞
　図６は、測定装置近傍の温度場と熱流束を示す図である。熱流束Ｈｐｌｕｓは円錐台形状の第３部材３０を介して、第１部材１０の外側において、生体Ｂから第２部材２０の上部の中央部付近に輸送される熱流束である。
　図６において、Ｈｓｉｇｎａｌは、生体Ｂの深部から輸送される熱流束、Ｈ’ｓｉｇｎａｌは、Ｈｓｉｇｎａｌから分離して中央の温度センサに流れ込む熱流束、ＨＬｅａｋは、Ｈｓｉｇｎａｌから分離して測定器４０から逸れて外側へ逃げていくリーク熱流束である。図１１と同様に、この場合、Ｈｓｉｇｎａｌに対するＨＬｅａｋの割合Ｌｅａｋ　Ｒａｔｉｏは、｜ＨＬｅａｋ｜／Ｈｓｉｇｎａｌで表される。
＜本実施の形態の熱等価回路＞
　図６の熱等価回路を図７に示す。Ｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、円錐台形状の第３部材３０の熱抵抗、Ｒ’ｂｏｄｙは、深部から円錐台形状の第３部材３０に熱輸送されるときの熱抵抗であり、図１２で説明したようにＨＬｅａｋが外気へ移動するときの熱抵抗である。ＲａｉｒおよびＲ’ａｉｒは、それぞれ測定器４０を通り外気へ熱輸送されるときの熱抵抗、測定器４０から逸れて外気へ熱輸送されるときの熱抵抗である。
　ここで、円錐台形状の第３部材３０が十分に大きい場合、円錐台形状の第３部材３０の底面の端部が、測定器４０から十分に離れた位置に配置されるので、第１外側において、生体Ｂからの熱流束が第３部材３０によって集められ、第２部材２０の上面部に輸送される。
　円錐台形状の第３部材３０により集められ、輸送される熱流束Ｈｐｌｕｓは、Ｈｓｉｇｎａｌへ影響を与えることなく、第２部材２０の上面部の温度を上昇させ、その結果、測定器４０の外側の温度を上昇させることができる。図７の熱等価回路においては、Ｒ’ａｉｒに熱流束Ｈｐｌｕｓが流れ込むことで測定器の外側の温度が上昇し、誤差を生み出す原因となるリーク熱流束ＨＬｅａｋを抑制し、Ｌｅａｋ　Ｒａｔｉｏを低下させる効果を生じさせることができる。
　円錐台形状の第３部材３０は、第２部材２０で覆われており、測定器４０が配置されている中央部付近に行くほど外気との距離が小さくなり、測定器４０が配置された中央部付近でほぼゼロとなる。これにより、中央部付近に近いほど、外気からセンサへの熱の流入の抑制効果が大きくなり、測定器４０が配置された中央部付近において最も高いＬｅａｋ　Ｒａｔｉｏを低減効果を得ることができる。その結果、温度センサあるいは熱流束センサによって測定される熱流束Ｈ’ｓｉｇｎａｌと本来計測したいＨｓｉｇｎａｌの差を低減し、測定誤差を低減することができる。
＜測定誤差の比較結果＞
　図８に、測定装置１における深部温度の測定誤差の測定結果を示す。図８は、測定装置１に対して風を与えた場合の風速と測定誤差の関係を表したものである。図中における本発明は、図１の構成における測定結果であり、従来技術は、図１０、１１の構成における測定結果である。測定装置１に対して与える風は、最大で風速５ｍ／ｓとし、１８ｋｍ／ｈ程度でジョギングをした場合を想定している。本実施の形態の測定装置によれば、深部温度の測定誤差を０．１℃以下に抑えられることが確認できる。
＜本実施の形態の効果＞
　本実施の形態によれば、熱流束を測定する測定器を有する第１部材１０と、第１部材１０との間に空気層を形成する第２部材２０とを備え、さらには、第１部材と第２部材との間に、第１部材の外側における測定対象からの熱流束を第２部材の上面部に輸送する第３の部材を備えるので、第２部材の上面部に輸送される熱流束により、測定器の外側の温度が上昇し、測定装置の周囲に風が発生した場合でも、センサと外気との間の熱抵抗の変化を抑制することができ、測定誤差を生み出す原因となるリーク熱流束を抑制し、Ｌｅａｋ　Ｒａｔｉｏを低下させることで深部温度を測定する際の測定誤差を低減することが可能となる。
　＜測定装置の構成例＞
　図９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９に示すように、測定装置１は、図１で説明した測定装置１の構成と、深部体温を推定する演算回路５０と、メモリ６０と、通信回路７０と、電池８０とを備える。
　測定装置１は、例えば、シート状の基材９０の上に、測定器４０、演算回路５０、メモリ６０、外部とのＩ／Ｆ回路として機能する通信回路７０、および演算回路５０や通信回路７０などに電力を供給する電池８０を備える。
　図１の構成例では、演算回路５０は、測定器４０が備える温度センサ４０ａ、４０ｂで測定された温度Ｔｓｋｉｎ、Ｔｔから、式（１）を用いて深部体温Ｔｃの推定値を算出する。
　図２の構成例では、演算回路５０は、測定器４０が備える熱流束センサ４０ｃおよび温度センサ４０ａで測定されたで熱流束Ｈｓｉｇｎａｌおよび表皮温度Ｔｓｋｉｎから、式（１）を用いて深部体温Ｔｃの推定値を算出する。
　メモリ６０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６０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７０は、演算回路５０によって生成された生体Ｂの深部体温Ｔｃの時系列データを外部に出力する。このような通信回路７０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９０は、測定器４０、演算回路５０、メモリ６０、通信回路７０、および電池８０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９０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。
　また、シート状の基材９０の一部には開口が設けられて測定器４０が備える温度センサ４０ａ、熱流束センサ４０ｃは開口から生体Ｂの皮膚ＳＫの測定面に接するように基材９０に載置される。
　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５０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６０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。
　なお、図９において、測定装置１は、図１で説明した測定器４０を含む測定装置１の構成は、演算回路５０を含む他の構成と一体的に構成されているが、図１の構成は、演算回路５０、メモリ６０、通信回路７０、および電池８０とは分離された構成であってもよい。例えば、図示されない配線を介して測定装置１とそれ以外の演算回路５０等の構成が接続されていてもよい。
＜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、２０…第２部材、３０…第３部材、３１…穴部、４０…測定器、４０ａ、４０ｂ、…温度センサ、４０ｃ…熱流束センサ、５０…演算回路、６０…メモリ、７０…通信回路、８０…電池、９０…基材。

Claims (7)

  1. 　測定対象から輸送される熱流束を測定するように構成された測定器と、
    　中空構造を有し、内部に前記測定器を有する第１部材と、
    　中空構造を有し、前記第１部材を覆って前記第１部材との間に空気層を形成する第２部材と、
    　前記第１部材と前記第２部材との間に配置され、前記第１部材の外側における前記測定対象からの熱流束を前記第２部材の上部に輸送する第３部材と
    　を備える測定装置。
  2. 　請求項１に記載の測定装置において、
    　前記第３部材は、錐形状を有し、前記第３部材の前記錐形状の上部は、前記第２部材の内面から前記第２部材の上部に接触するように構成される
    　測定装置。
  3. 　請求項２に記載の測定装置において、
    　前記第３部材は、錐台形状を有し、前記第３部材の前記錐台形状の上面部は、前記第２部材の内面から前記第２部材の上部に接触するように構成される
    　測定装置。
  4. 　請求項３に記載の測定装置において、
    　前記第２部材は、円柱形状を有し、
    　前記第３部材は、円錐台形状を有し、前記第３部材の前記円錐台形状の上面部は、前記第２部材の内面から前記第２部材の円柱形状の上面部に接触するように構成される
    　測定装置。
  5. 　請求項４に記載の測定装置において、
    　前記第３部材は、前記円錐台形状の上面部に当該第３部材を貫通する穴部を備える
    　測定装置。
  6. 　請求項１～５の何れか１項に記載の測定装置において、
    　前記測定器は、
    　前記測定対象の測定面に配置された第１温度センサと、前記第１部材の内部に、前記第１温度センサと向かい合って配置される第２温度センサとを備える
    　測定装置。
  7. 　請求項１～５の何れか１項に記載の測定装置において、
    　前記測定器は、
    　前記測定対象の測定面に配置された温度センサと、熱流束センサと
    　を備える測定装置。
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