特許 7586340 温度測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-11

(45)【発行日】2024-11-19

(54)【発明の名称】温度測定装置

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/01 20060101AFI20241112BHJP

   G01K 13/20 20210101ALI20241112BHJP

【ＦＩ】

A61B5/01 100

G01K13/20

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023554171

(86)(22)【出願日】2021-10-21

(86)【国際出願番号】 JP2021038900

(87)【国際公開番号】W WO2023067753

(87)【国際公開日】2023-04-27

【審査請求日】2024-02-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100121669

【弁理士】

【氏名又は名称】本山 泰

(72)【発明者】

【氏名】田中 雄次郎

(72)【発明者】

【氏名】松永 大地

【審査官】門田 宏

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１９０２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１６９５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】TANAKA, Y et al.，Robust Skin Attachable Sensor for Core Body Temperature Monitoring，IEEE Sensors Journal，IEEE，2021年04月26日，Volume.21, Issue.14，pp.16118-16123，DOI:10.1109/JSEN.2021.3075864

【文献】松永大地 外３名，体内リズムの可視化をめざしたウェアラブル深部体温センサ技術，ＮＴＴ技術ジャーナル，2021年05月01日，Vol.33，pp.22-26

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ５／０１

Ｇ０１Ｋ １３／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

周縁部が生体と接するように配置され、面内方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導異方性と柔軟性とを有する中空構造の熱伝導体と、
前記生体と前記熱伝導体との間の空間を満たすように配置された、柔軟性を有する第１の断熱材と、
前記生体から伝わる熱流の大きさを測定するように前記第１の断熱材に設けられたセンサと、
前記熱伝導体を覆うように配置された、柔軟性を有する第２の断熱材と、
前記センサによって測定された熱流の大きさに基づいて前記生体の内部温度を算出するように構成された電子回路部とを備えることを特徴とする温度測定装置。

【請求項2】

請求項１記載の温度測定装置において、
前記電子回路部は、前記第２の断熱材の内部に設けられることを特徴とする温度測定装置。

【請求項3】

請求項２記載の温度測定装置において、
前記電子回路部は、前記第２の断熱材の内部の複数箇所に分散して設けられることを特徴とする温度測定装置。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の温度測定装置において、
前記第２の断熱材の内部に空間が形成されていることを特徴とする温度測定装置。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか１項に記載の温度測定装置において、
複数の前記熱伝導体と複数の前記第２の断熱材とが交互に積層されていることを特徴とする温度測定装置。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか１項に記載の温度測定装置において、
外側の前記第２の断熱材を覆うように設けられた熱の輻射防止用のフィルムをさらに備えることを特徴とする温度測定装置。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか１項に記載の温度測定装置において、
前記センサは、
前記生体と向かい合う前記第１の断熱材の面に設けられ、前記生体の表面の温度を計測するように構成された第１の温度センサと、
前記第１の温度センサの直上の前記第１の断熱材の内部の温度を計測するように構成された第２の温度センサとから構成され、
前記電子回路部は、前記第１、第２の温度センサの計測結果に基づいて前記生体の内部温度を算出することを特徴とする温度測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、生体の内部温度を非侵襲に精度良く測定する温度測定装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

人間の持つ概日リズム、いわゆる体内時計は、睡眠、運動、仕事の質だけでなく、投薬の効果や疾患の発症など我々の体に関する様々なものと密接に関連していることが近年の時間生物学の研究からわかってきた。概日リズムは、ほぼ一定に刻まれているが、生活の中で暴露される光、運動、食生活、また、年齢や性別によっても大きく変化することが知られている。

【0003】

概日リズムを測るための指標としては深部体温が知られている。しかし、一般に深部体温を測る方法は、直腸に温度計を挿入するか、あるいは耳を密閉した状態で鼓膜の温度を測るなどの方法であり、日々の活動中や睡眠中に深部体温を測る方法としては非常にストレスがかかる方法であった。

【0004】

一方、生体の深部体温を非侵襲に測定する技術として、疑似的に熱の流れを一次元等価回路モデルに置き換えて、生体の深部体温を推定する技術が提案されている（非特許文献１参照）。

【0005】

非特許文献１に開示された方法は、図９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。生体１００の深部体温Ｔ_cbtは、生体１００の表面に、熱抵抗Ｒ_sensorを有するセンサ１０１を置いたとき、生体１００の皮膚表面の温度Ｔ_skinと、生体１００と接する面と反対側のセンサ１０１の上面の温度Ｔ_topとから、式（１）を用いて推定できる。
Ｔ_cbt＝Ｔ_skin＋α×（Ｔ_skin－Ｔ_top） ・・・（１）

【0006】

あるいは、深部体温Ｔ_cbtは、生体１００の皮膚表面の熱流束Ｈ_skinから、式（２）のように推定できる。
Ｔ_cbt＝Ｔ_skin＋α×Ｈ_skin ・・・（２）

【0007】

式（１）、式（２）におけるαは生体１００の熱抵抗Ｒ_bodyに関連する比例係数である。比例係数αは、鼓膜温や直腸温などを測定する他の測定手段により予め校正しておくことができる。

【0008】

ただし、式（１）、式（２）による深部体温Ｔ_cbtの推定方法では、外気温が変化したり生体１００に風が当たったりすると、熱の流れが１次元的でなくなり、センサ１０１に流入すべき熱が周囲へと流出し、本来測定されるべき熱流の大きさが減少して、深部体温Ｔ_cbtの推定に誤差が生じるという問題がある。このため、病院内の限られた環境での利用に制限され、日常生活の深部体温モニタへの応用が困難になる可能性があった。

【0009】

そこで、発明者らは、深部体温Ｔ_cbtの推定誤差を少なくするために、周囲の環境変化があっても１次元的な熱の流れとなるようなセンサ構造を非特許文献１において提案した。この構造では、熱伝導率が良いアルミニウムなどからなる円錐台状やドーム状の金属部材で温度センサを覆うことにより、温度センサがある中央部に対して周囲の温度を高めることで周囲への熱の流れ（損失）を低減する。これにより、深部体温Ｔ_cbtの推定誤差を低減することができる。

【0010】

しかしながら、非特許文献１に開示された方法では、金属部材を用いるために温度測定装置が形状変化を許さない固いものとなってしまい、複雑な曲面を有する人体に装着できない可能性があった。また、装着感が悪く、装置を着けた人が固い装置によって怪我をする可能性があった。さらに、アルミニウムなどの金属の場合は熱の伝わり方が等方的であるため、温度センサがある中央部から周囲への熱の輸送を抑制できないという課題があった。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0011】

【文献】Y.Tanaka，D.Matsunaga，T.Tajima，and M.Seyama，“Robust Skin Attachable Sensor for Core Body Temperature Monitoring”，IEEE SENSORS JOURNAL，VOL.21，NO.14，pp.16118-16123，JULY 15，2021

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、生体の様々な部位に装着が可能で、生体への装着感を改善することができ、生体の内部温度を精度良く測定することができる温度測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の温度測定装置は、周縁部が生体と接するように配置され、面内方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導異方性と柔軟性とを有する中空構造の熱伝導体と、前記生体と前記熱伝導体との間の空間を満たすように配置された、柔軟性を有する第１の断熱材と、前記生体から伝わる熱流の大きさを測定するように前記第１の断熱材に設けられたセンサと、前記熱伝導体を覆うように配置された、柔軟性を有する第２の断熱材と、前記センサによって測定された熱流の大きさに基づいて前記生体の内部温度を算出するように構成された電子回路部とを備えることを特徴とするものである。

【0014】

また、本発明の温度測定装置の１構成例において、前記電子回路部は、前記第２の断熱材の内部に設けられることを特徴とするものである。
また、本発明の温度測定装置の１構成例において、前記電子回路部は、前記第２の断熱材の内部の複数箇所に分散して設けられることを特徴とするものである。
また、本発明の温度測定装置の１構成例は、前記第２の断熱材の内部に空間が形成されていることを特徴とするものである。
また、本発明の温度測定装置の１構成例は、複数の前記熱伝導体と複数の前記第２の断熱材とが交互に積層されていることを特徴とするものである。
また、本発明の温度測定装置の１構成例は、外側の前記第２の断熱材を覆うように設けられた熱の輻射防止用のフィルムをさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の温度測定装置の１構成例において、前記センサは、前記生体と向かい合う前記第１の断熱材の面に設けられ、前記生体の表面の温度を計測するように構成された第１の温度センサと、前記第１の温度センサの直上の前記第１の断熱材の内部の温度を計測するように構成された第２の温度センサとから構成され、前記電子回路部は、前記第１、第２の温度センサの計測結果に基づいて前記生体の内部温度を算出することを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、熱伝導体を設けることにより、外気の対流状態が変化する場合でも生体の内部温度を精度良く測定することができる。また、本発明では、熱伝導体と第１、第２の断熱材に柔軟性をもたせることにより、温度測定装置を生体の様々な部位に装着することが容易となる。また、生体への装着感を改善することができ、生体が固い装置によって怪我をする可能性を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、本発明の第１の実施例に係る温度測定装置の構成を示す図である。

【図2】図２は、本発明の第１の実施例に係る温度測定装置の動作を説明するフローチャートである。

【図3】図３は、本発明の第１の実施例に係る温度測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4】図４は、本発明の第１の実施例に係る温度測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の時間変化を示す図である。

【図5】図５は、本発明の第２の実施例に係る温度測定装置の構成を示す図である。

【図6】図６は、本発明の第３の実施例に係る温度測定装置の構成を示す図である。

【図7】図７は、本発明の第４の実施例に係る温度測定装置の構成を示す図である。

【図8】図８は、本発明の第１～第４の実施例に係る温度測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9】図９は、生体とセンサの熱等価回路モデルを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

［第１の実施例］
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１は本発明の第１の実施例に係る温度測定装置の構成を示す図である。温度測定装置は、生体１００から伝わる熱流の大きさを測定するセンサ部１と、測定された熱流の大きさに基づいて生体１００の深部体温Ｔ_cbtを算出する電子回路部２とから構成される。

【0018】

センサ部１は、周縁部が生体１００と接するように配置され、面内方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導異方性と柔軟性とを有する中空構造の熱伝導体１０と、生体１００と熱伝導体１０との間の空間を満たすように配置された、柔軟性を有する断熱材１１と、生体１００と向かい合う断熱材１１の面に設けられ、生体１００の皮膚表面の温度Ｔ_skinを計測する温度センサ１２と、温度センサ１２の直上の断熱材１１の内部の温度Ｔ_topを計測する温度センサ１３と、熱伝導体１０を覆うように配置された、柔軟性を有する断熱材１４とを備えている。

【0019】

電子回路部２は、データの記憶のための記憶部２０と、温度センサ１２，１３の測定結果に基づいて生体１００の深部体温Ｔ_cbtを算出する演算部２１と、深部体温Ｔ_cbtのデータを外部端末に送信する通信部２２と、記憶部２０へのデータの読み書きや通信を制御する制御部２３とを備えている。

【0020】

センサ部１は、断熱材１１，１４と熱伝導体１０とが生体１００の皮膚と接触するように装着される。例えば生体適合性に優れた両面テープやシリコンラバーを用いてセンサ部１を生体１００に装着することが望ましい。

【0021】

熱伝導体１０は、外形が例えばドーム状や円錐台状の中空構造の部材である。熱伝導体１０は、周縁部が生体１００と接するように配置される。熱伝導体１０は、厚さ方向と垂直な面内方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導異方性と、柔軟性とを有する。このような熱伝導体１０は、例えば高分子フィルムの面内に黒鉛を単結晶に近い構造に配向させることで実現できる。配向方向ではアルミニウム等に対して数倍高い熱伝導性を有する。

【0022】

また、厚さ数μｍ程度の金属薄膜や金属繊維は柔軟性を有する。そこで、熱伝導体１０として、金属薄膜または金属繊維層と高分子フィルムとを交互に積層したものを用いてもよい。金属繊維層は、金属繊維が互いに絡み合いながら面内方向を向くように層状に成型されたものである。金属薄膜または金属繊維層と高分子フィルムとを交互に積層することにより、熱伝導異方性と柔軟性とを実現することができる。金属薄膜を用いる場合には、一部を除去するパターニングを施し、さらに柔軟性を高めるようにしてもよい。

【0023】

薄膜の熱伝導体１０は柔らかい。このため、熱伝導体１０のみでセンサ部１の全体の形状を保持することは困難である。そこで、中空構造の熱伝導体１０の内部の空間には、この空間を満たすように断熱材１１が配置される。温度センサ１２は、断熱材１１の生体側の面に設けられる。温度センサ１３は、温度センサ１２の直上の断熱材１１の内部に設けられる。温度センサ１２，１２としては、例えば、サーミスタ、熱電対、白金抵抗体、ＩＣ（Integrated Circuit）温度センサなどを用いることができる。

【0024】

断熱材１１は、温度センサ１２，１３を保持し、且つ温度センサ１２，１３に流入する熱に対する抵抗体となる。断熱材１１の材料としては、温度センサ１２，１３を保持しつつ生体１００の形状に合わせて変形することが求められ、高分子弾性繊維や発泡高分子等を用いることができる。

【0025】

さらに、熱伝導体１０の外側には断熱材１４が配置される。断熱材１４は、センサ部１の形状保持と、不必要な熱の流れの遮断と、熱伝導体１０の保護のために設けられる。断熱材１１と同様に、断熱材１４の材料としては高分子弾性繊維や発泡高分子等を用いることができる。

【0026】

以上のようにセンサ部１は、断熱材１１と熱伝導体１０と断熱材１４とを積層した構造からなる。熱伝導体１０が温度センサ１２，１３に対して十分に大きい場合、生体１００と接する熱伝導体１０の周縁部が温度センサ１２，１３から十分に離れた位置に配置されるので、温度センサ１２，１３の外側において生体１００からの熱流束が熱伝導体１０によって集められ、熱伝導体１０の天面に輸送される。このように、熱伝導体１０は、温度センサ１２，１３の外側において生体１００からの熱流束を効率良く上方に輸送することで、温度センサ１２，１３から逸れて外気へ流出する熱流束を抑制する機能を果たす。また、熱伝導体１０は、面内方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導異方性を有する。このため、熱伝導体１０から周囲への熱の輸送を抑制することができる。

【0027】

さらに、断熱材１１，１４と熱伝導体１０とは、柔軟性を有するため、生体１００の形状に合わせて変形することが可能である。このため、センサ部１を生体１００に装着することが容易となる。また、生体１００への装着感を改善することができ、生体１００が固い装置によって怪我をする可能性を低減することができる。

【0028】

温度センサ１２，１３と電子回路部２との間は配線３によって接続されている。図２は本実施例の温度測定装置の動作を説明するフローチャートである。温度センサ１２は、生体１００の皮膚表面の温度Ｔ_skinを計測する。温度センサ１３は、生体１００から遠ざかる位置の断熱材１１の内部の温度Ｔ_topを計測する（図２ステップＳ１００）。温度センサ１２，１３の計測データは記憶部２０にいったん格納される。

【0029】

演算部２１は、温度Ｔ_skin，Ｔ_topと予め定められた比例係数αとに基づいて、生体１００の深部体温Ｔ_cbt（内部温度）を例えば式（１）により算出する（図２ステップＳ１０１）。

【0030】

通信部２２は、深部体温Ｔ_cbtのデータを例えばＰＣやスマートフォン等からなる外部端末に送信する（図２ステップＳ１０２）。外部端末は、温度測定装置から受信した深部体温Ｔ_cbtの値を表示する。

【0031】

温度測定装置は、以上のステップＳ１００～Ｓ１０２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２ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、一定時間毎に実施する。

【0032】

図３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）Ｔ_eとを示す。図３の３０，３１，３２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。また、図４に本実施例で推定した深部体温Ｔ_cbtと鼓膜温Ｔ_eの時間変化を示す。図３、図４によれば、鼓膜温Ｔ_e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。

【0033】

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図５は本発明の第２の実施例に係る温度測定装置の構成を示す図である。本実施例の温度測定装置は、センサ部１と、電子回路部２と、センサ部１と電子回路部２とを覆う輻射防止用フィルム４とから構成される。

【0034】

本実施例では、電子回路部２を、センサ部１の熱伝導体１０を覆う断熱材１４の内部に設けている。また、センサ部１からの熱の輻射と外部からの熱の吸収とを抑えるためにセンサ部１と電子回路部２とを覆うように輻射防止用フィルム４を設けている。

【0035】

輻射防止用フィルム４としては、熱の輻射率が小さく、日光に含まれる波長の光に対する反射率の大きな薄膜素材を用いることが望ましく、例えばアルミニウムの薄膜を用いることができる。アルミニウムの薄膜を保護するために表面を高分子薄膜で保護してもよい。

【0036】

本実施例では、第１の実施例のようにセンサ部１と電子回路部２を分ける構成と比較して、温度測定装置の、生体１００への装着面積を低減することができる。

【0037】

［第３の実施例］
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図６は本発明の第３の実施例に係る温度測定装置の構成を示す図である。本実施例の温度測定装置は、センサ部１と、電子回路部２－１，２－２と、センサ部１と電子回路部２－１，２－２とを覆う輻射防止用フィルム４とから構成される。

【0038】

本実施例では、第２の実施例と同様に電子回路部２－１，２－２を断熱材１４の内部に設けている。第２の実施例との相違は、電子回路部を複数箇所に分散して設けたことと、断熱材１４に空間１５を形成したことにより、断熱材１４のより大きな変形を可能にしている点である。

【0039】

図６の例では、電子回路部２－１に演算部２１と通信部２２を設け、電子回路部２－２に記憶部２０と制御部２３を設けている。この図６の例の分割の仕方は１例であって、別の分け方にしてもよい。また、電子回路部を３つ以上に分割してもよい。

【0040】

［第４の実施例］
次に、本発明の第４の実施例について説明する。図７は本発明の第４の実施例に係る温度測定装置の構成を示す図である。本実施例の温度測定装置は、センサ部１ａと、電子回路部２とから構成される。

【0041】

本実施例のセンサ部１ａは、熱伝導体１０と、断熱材１１と、温度センサ１２，１３と、断熱材１４と、熱伝導体１６と、熱伝導体１６を覆うように配置された、柔軟性を有する断熱材１７とを備えている。

【0042】

熱伝導体１６は、熱伝導体１０と同じ材料からなる。熱伝導体１６は、周縁部が生体１００と接し、断熱材１４を覆うように配置される。
このように、本実施例のセンサ部１ａは、断熱材１１と熱伝導体１０と断熱材１４と熱伝導体１６と断熱材１７を積層した構造からなる。断熱材１１，１４，１７と熱伝導体１０，１６を交互に積層したことにより、熱伝導体１０，１６から周囲への熱の輸送をさらに抑制することができる。図７の例では、熱伝導体１０，１６を２層、断熱材１４，１７を２層設けているが、それぞれを３層以上設けてもよい。

【0043】

電子回路部２の構成は第１の実施例と同じである。本実施例に第２、第３の実施例の構成を適用してもよい。この場合には、断熱材１７の内部に電子回路部２，２－１，２－２および空間１５を設けることになる。

【0044】

また、第１～第４の実施例において、電子回路部２，２－１，２－２の基板にポリイミドなどのフレキシブル材料を用いることにより、電子回路部２，２－１，２－２の変形を可能にすることができる。

【0045】

第１～第４の実施例で説明した記憶部２０と演算部２１と通信部２２と制御部２３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８に示す。

【0046】

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１２，１３、通信部２２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、本発明の温度測定方法を実現させるためのプログラムは、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第１～第４の実施例で説明した処理を実行する。

【産業上の利用可能性】

【0047】

本発明は、生体の内部温度を非侵襲に測定する技術に適用することができる。

【符号の説明】

【0048】

１，１ａ…センサ部、２，２－１，２－２…電子回路部、３…配線、４…輻射防止用フィルム、１０，１６…熱伝導体、１１，１４，１７…断熱材、１２，１３…温度センサ、１５…空間、２０…記憶部、２１…演算部、２２…通信部、２３…制御部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】