JP7157103B2 - 温度測定装置、温度測定方法及び温度減衰測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度測定装置、温度測定方法及び温度減衰測定方法に関する。

産業分野や医療分野においては、物体の表面温度を高精度、高確度及び高速応答性をもって計測することが望まれている。

例えば、医療分野において、皮膚悪性腫瘍が疑われる場合の診断は、外見の観察と触診に始まり、患部を一部切除して病理学的に判断している。メラノーマ（悪性黒色腫）に代表される皮膚癌では初期段階で発見した場合の治癒率は高いが、進行すると生存率がきわめて低くなる。この診断には、ダーマスコープを用いて視覚的検査をすることが多いが、その診断には熟練を要する。

具体的には、皮膚悪性腫瘍が疑われる場合、皮膚生検による病理学的検査が行われるが、この皮膚生検は侵襲を伴い、検査結果が判明するまで時間を要する。また、表皮内癌である日光角化症は、時間の経過とともに有棘細胞癌に進行し、多臓器転移などの可能性が生じ、スクリーニングが必要となる場合がある。そのため、早期発見・治療が望ましく、非侵襲な皮膚癌の診断法が求められている。

このような状況下において、非侵襲な皮膚癌の診断が可能な温度測定装置が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に示された温度測定装置は、保護熱源センサを温度測定用センサと等しい温度に発熱させるものである。これにより、被測定物の表面の温度と温度測定用センサおよび保護熱源センサの温度とが等しくなるため、温度測定用センサから保護熱源センサに、また、被測定物の表面から温度測定用センサに熱が移動するのを防ぐことができる。したがって、温度測定用センサにより高精度かつ高確度で温度を測定することが可能となる。さらに特許文献１に示されたものは、測定用センサに一定の発熱量をパルス的に与えて患部の熱伝導率を測定するものである。

特開２０１６－２１７８８５号公報 特開２００６－３００７６５号公報 特許第５３２７８４０号公報

First-in-human clinical study of novel technique to diagnose malignant melanoma via thermal conductivity measurements, T. Okabe, T.Fujimura, J.Okajima, Y.Kambayashi, S.Aiba, S.Maruyama, Scientific Reports, Vol.9,(2019) Non-invasive measurement of effective thermal conductivity of human skin with a guard-heated thermistor probe,

T.Okabe, T.Fujimura, J.Okajima, S.Aiba, S.Maruyama, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.126,(2018)
Development of a guard-heated thermistor probe for the accurate measurement of surface temperature, T.Okabe, J.Okajima,

A.Komiya, S.Maruyama, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.108,(2017)

しかしながら、上記特許文献１における温度測定用センサおよび保護熱源センサは、ガラス封入型のＮＴＣサーミスタであり、熱容量が大きく温度応答性に限界があり、高速応答性を期待するのは困難である。また、原理的に被測定物の表面温度と環境温度との関係において、環境温度、つまり、温度測定用センサの温度が被測定物の表面温度より低い関係にあることが必要である。

本発明の実施形態は、被測定体の温度を高精度、高確度及び高速応答性をもって計測することができるとともに、測定用の薄膜感温素子の温度を被測定体の温度より低い関係に保持することが可能な温度測定装置、温度測定方法及び温度減衰測定方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態による温度測定装置は、温度を感知する感温部と、前記感温部を被測定体に接触させることにより、温度を測定可能な測定用の薄膜感温素子と、前記測定用の薄膜感温素子と断熱層を介して熱交換可能に配置され、前記測定用の薄膜感温素子と温度が等しくなるように制御される保護加熱用の薄膜感温素子と、前記測定用の薄膜感温素子を、前記被測定体の温度より一定温度低い温度状態にすることが可能な温度制御素子と、前記測定用の薄膜感温素子、前記保護加熱用の薄膜感温素子及び前記温度制御素子を制御する制御処理部と、を具備することを特徴とする。

かかる実施形態の温度測定装置により、被測定体の温度を高精度、高確度及び高速応答性をもって計測することができるとともに、測定用の薄膜感温素子の温度を被測定体の温度より低い関係に保持することが可能となる。なお、温度測定装置は、生体に好適に適用されるが、これに限るものではない。産業分野における物体の表面温度を測定する場合においても適用可能であり、被測定体が格別限定されるものではない。

本発明の実施形態による温度測定方法は、温度を感知する感温部と、温度を測定可能な測定用の薄膜感温素子と、前記測定用の薄膜感温素子と断熱層を介して配置された保護加熱用の薄膜感温素子と、前記測定用の薄膜感温素子の温度を制御することが可能な温度制御素子と、を備え、前記温度制御素子により前記測定用の薄膜感温素子の温度を被測定体より一定の低い温度に設定制御するステップと、前記感温部を被測定体に接触させるステップと、前記測定用の薄膜感温素子の温度と保護加熱用の薄膜感温素子との温度が等しくなるように制御するステップと、前記被測定体の温度の計測結果を出力するステップと、を具備することを特徴とする。

また、本発明の実施形態による温度減衰測定方法は、温度を感知する感温部と、温度を測定可能な測定用の薄膜感温素子と、前記測定用の薄膜感温素子と断熱層を介して配置された保護加熱用の薄膜感温素子と、前記測定用の薄膜感温素子の温度を制御することが可能な温度制御素子と、を備え、前記温度制御素子により前記測定用の薄膜感温素子の温度を被測定体より一定の低い温度に設定制御するステップと、前記感温部を被測定体に接触させるステップと、前記測定用の薄膜感温素子に一定電力の第１の熱パルスを印加するステップと、前記第１の熱パルスの印加停止後の一定時間に前記測定用の薄膜感温素子の温度減衰特性を検出するステップと、前記測定用の薄膜感温素子に前記第１の熱パルスより時間幅の長い一定電力の第２の熱パルスを印加するステップと、前記第２の熱パルスの印加停止後の一定時間に前記測定用の薄膜感温素子の温度減衰特性を検出するステップと、を具備することを特徴とする。

かかる実施形態の温度減衰測定方法により、例えば、生体の表皮部分から真皮中に至るまでの温度減衰特性を検出して熱伝導率を算出することにより、非侵襲で患部の診断を行うことができる。

本発明の実施形態によれば、被測定体の温度を高精度、高確度及び高速応答性をもって計測することができるとともに、測定用の薄膜感温素子の温度を被測定体の温度より低い関係に保持することが可能な温度測定装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る温度測定装置を示す縦断面図である。 （ａ）は図１中、Ａ－Ａ線に沿う断面図であり、（ｂ）は図１中、Ｂ－Ｂ線に沿う断面図であり、（ｃ）は図１中、Ｃ－Ｃ線に沿う断面図である。 薄膜感温素子を示す断面図である。 薄膜感温素子の基本的な接続状態を示す結線図である。 温度測定装置を示すブロック構成図である。 温度測定装置の適用例を示す説明図である。 温度測定の概要を示すフローチャートである。 温度減衰測定における熱パルス発生のイメージを示すタイムチャートである。 温度減衰測定の概要を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る温度測定装置を模式的に示す説明図である。

［第１の実施形態］

以下、本発明の第１の実施形態に係る温度測定装置について図１乃至図６を参照して説明する。図１及び図２は、温度測定装置を模式的に示す縦断面図及び横断面図であり、図３は、薄膜感温素子を示す断面図であり、図４は、薄膜感温素子の基本的な接続状態を示す結線図である。また、図５は、温度測定装置を示すブロック構成図であり、図６は、温度測定装置の適用例を示す説明図である。なお、各図では、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している場合がある。また、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の温度測定装置は、カテーテルに好適に組み込まれるように構成されていて、被測定体としての生体の温度を高精度、高確度及び高速応答性をもって計測することができる。図１は、温度測定装置１０をカテーテルＣｔの先端部に組み込んだ状態を示しており、図２（ａ）はＡ－Ａ線に沿う断面図、（ｂ）はＢ－Ｂ線に沿う断面図、（ｃ）はＣ－Ｃ線に沿う断面図である。なお、図１及び図２においては、リード線等の配線関係の図示は省略している。

図１及び図２に示すように温度測定装置１０は、測定用の薄膜感温素子１と、保護加熱用の薄膜感温素子２と、温度制御素子３と、これら各構成要素が収容されるパイプ状の外郭４と、各構成要素を制御する制御処理部５（図５参照）とを備えている。

本実施形態では、外郭４はカテーテルＣｔのチューブ状のシャフトであり、このシャフトは長尺状であって管腔が形成されていて、適度の剛性と可撓性を有している。また、管腔内には、中空状のリード線挿通チューブが長手方向に沿って配設されている。シャフトを構成する材料には、例えば、ポリウレタン、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエーテルポリアミドなどの合成樹脂を用いることができる。また、シャフトの外径寸法は、８フレンチ以下であり、長さ寸法は、９００ｍｍ～１１００ｍｍに形成されている。

したがって、外郭４であるカテーテルＣｔの先端部には、測定用の薄膜感温素子１、保護加熱用の薄膜感温素子２及び温度制御部３が収容されて組み込まれていて、カテーテルＣｔの先端部は温度を感知する感温部４１でありプローブとして機能するようになっている。

測定用の薄膜感温素子１は、後述する保護加熱用の薄膜感温素子２と基本的に同じ仕様及び特性を有している。測定用の薄膜感温素子１は、カテーテルＣｔのシャフトの最先端であって、内径部位に配設されている。

図３を併せて参照して示すように、測定用の薄膜感温素子１は、薄膜サーミスタであり、基板１１と、この基板１１上に形成された導電層１２と、薄膜素子層１３と、保護絶縁層１４とを備えている。

基板１１は、カテーテルＣｔの内径部分に嵌合可能なように略円形状をなしていて、絶縁性のアルミナ材料で形成されている。なお、基板１１を形成する材料は、窒化アルミニウム、ジルコニア等のセラミックス又は半導体のシリコン、ゲルマニウム等の材料を用いてもよい。この基板１１の一面（図示上、上側）上には、絶縁性薄膜がスパッタリング法等によって成膜して形成されている。基板１１は極薄で厚さ寸法が２００μｍ以下で、具体的には５０μｍ～２００μｍ、好ましくは１５０μｍ以下に形成されている。
このような極薄の基板１１を薄膜サーミスタに用いることで、熱容量が小さくなり高感度で、かつ熱応答性の優れた感温素子の実現が可能となる。

導電層１２は、配線パターンを構成するものであり、基板１１上に形成されている。導電層１２は、金属薄膜をスパッタリング法等によって成膜して形成されものであり、その金属材料には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属やこれらの合金、例えば、Ａｇ－Ｐｄ合金等が適用される。また、基板１１の両端部には、導電層１２と一体的に、導電層１２と電気的に接続された一対の電極部１２ａが形成されている。

薄膜素子層１３は、サーミスタ組成物であり、負の温度係数を有する酸化物半導体から構成されている。薄膜素子層１３は、前記導電層１２の上に、スパッタリング法等によって成膜して導電層１２と電気的に接続されている。なお、薄膜素子層１３は、正の温度係数を有する酸化物半導体から構成してもよい。

前記薄膜素子層１３は、例えば、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）等の遷移金属元素の中から選ばれる２種又はそれ以上の元素から構成されている。保護絶縁層１４は、薄膜素子層１３及び導電層１２を被覆するように形成されている。保護絶縁層１４は、ホウケイ酸ガラスによって形成された保護ガラス層である。

また、前記電極部１２ａには、金属製のリード線１２ｂが溶接によって接合されて電気的に接続されている。具体的には、リード線１２ｂは、例えば、コンスタンタンやハステロイ（登録商標）のような熱伝導率が低い材料から形成されていて、その熱伝導率は５Ｗ/ｍ・Ｋ～２５Ｗ/ｍ・Ｋが好ましい。これらは半田等のろう材を使うことによって、又は、レーザー溶接によって接続することができる。さらに、リード線１２ｂの線径は、φ２０μｍ～φ１００μｍ程度であることが好ましい。このようにリード線１２ｂを構成することで、リード線１２ｂによるサーミスタの熱容量及び熱放散量を小さくし、高感度で、かつ熱応答性を向上することができる。

なお、基板１１の他面側（図示上、下側の被測定体側）を保護膜で被覆するように構成してもよい。この場合、測定用の薄膜感温素子１は、保護膜を介して被測定体に接触するようになる。

また、基板１１の他面側に薄膜素子層１３が配置されるように、測定用の薄膜感温素子１をカテーテルＣｔの内径部位に配設するようにしてもよい。この場合、測定用の薄膜感温素子１の薄膜素子層１３側がさらに保護膜で被覆され、保護膜を介して測定用の薄膜感温素子１、具体的には、薄膜素子層１３側が被測定体に接触するように構成される。

保護加熱用の薄膜感温素子２は、測定用の薄膜感温素子１と同じ素子であり、同じ仕様及び特性を有している。したがって、測定用の薄膜感温素子１と同一又は相当部分には同一又は相当の符号を付し、詳細な説明は省略する。

主として図２（ｃ）に示すように、保護加熱用の薄膜感温素子２は、薄膜素子層２３を有し、基板２１の周縁には、リード線の通過孔２１ａが複数個、具体的には８個形成されている。この通過孔２１ａには、測定用の薄膜感温素子１や保護加熱用の薄膜感温素子２のリード線が挿通されて制御処理部５側へ導出されるようになっている。また、通過孔２１ａは、線対称的に形成されている。したがって、熱的なバランスを良好に保つことが可能となる。

再び、図１に示すように、保護加熱用の薄膜感温素子２は、測定用の薄膜感温素子１と断熱層Ｓ_１を介して熱交換可能にカテーテルＣｔの長手方向に沿って配置されている。また、測定用の薄膜感温素子１と保護加熱用の薄膜感温素子２とは、薄膜素子層１３、２３側が相互に対向するように配置されている。

断熱層Ｓ_１は気体層であり、具体的には空気層であり、測定用の薄膜感温素子１と保護加熱用の薄膜感温素子２との間に設けられたリング状の断熱スペーサ１５によって、その間隔が保持されるようになっている。断熱層Ｓ_１の層厚寸法は０．０５ｍｍ～１ｍｍの微小間隔に設定されている。このように層厚寸法を設定することにより、測定用の薄膜感温素子１からの熱が保護加熱用の薄膜感温素子２に伝わるのを抑制して、適度な断熱性能を保ちつつ、測定用の薄膜感温素子１と保護加熱用の薄膜感温素子２との熱交換を可能にして双方の温度を等しくすることができる。
なお、断熱層Ｓ_１は、空気層が好ましいが、窒素やアルゴン等の気体層であってもよく、また、断熱材によって構成することもできる。

温度制御素子３は、熱電素子でありペルチェ素子である。ペルチェ素子は、ペルチェ効果を利用するものであり、直流電流を流すことにより一方の面が吸熱面となり、他方の面が放熱面となる半導体素子である。電流の向きを逆転させることにより吸熱面と放熱面とが反転する。

温度制御素子３は、測定用の薄膜感温素子１及び保護加熱用の薄膜感温素子２の後端側に配設されている。また、温度制御素子３の先端側には、ヒートシンク３１、温度制御素子用の薄膜感温素子３２が設けられ、後端側には放熱フィン３３が配設されている。

図２（ｂ）を併せて参照して示すように、ヒートシンク３１は、熱伝導性が良好な金属、例えば、銅、アルミニウム、真鍮や鉄の材料で短円筒状に形成されており、ペルチェ素子の面と熱的に結合されて配置されている。

また、ヒートシンク３１には、温度制御素子用の薄膜感温素子３２が熱的に結合するように配置されている。温度制御素子用の薄膜感温素子３２は、ヒートシンク３１の温度を感知して温度制御素子３としてのペルチェ素子から構成されるペルチェモジュールの温度を制御するように機能する。したがって、ヒートシンク３１を一定の低い温度にして、環境温度を低下させ、延いては測定用の薄膜感温素子１を被測定体の温度より一定温度低い温度状態に保つことが可能となる。

なお、ヒートシンク３１の周縁には、リード線の通過孔３１ａが複数個、具体的には４個形成されている。また、この通過孔３１ａと連通するように温度制御素子用の薄膜感温素子３２の基板の周縁に、図示しない通過孔が形成されている。したがって、これら通過孔３１ａ及び温度制御素子用の薄膜感温素子３２の基板の通過孔には、測定用の薄膜感温素子１、保護加熱用の薄膜感温素子２及び温度制御素子用の薄膜感温素子３２のリード線が例えば、２本ずつ挿通されて制御処理部５側へ導出されるようになっている。また、これら前記通過孔は、保護加熱用の薄膜感温素子２における通過孔２１ａと同様に線対称的に形成されているので、熱的なバランスを良好に保つことが可能となる。

温度制御素子用の薄膜感温素子３２は、基本的には測定用の薄膜感温素子１と同様な構成であるが、仕様及び特性は同じであっても異なっていてもよく、適宜設計及び選定することができる。

また、温度制御素子用の薄膜感温素子３２と前記保護加熱用の薄膜感温素子２との間には断熱層Ｓ_２が介在している。断熱層Ｓ_２は、前述の断熱層Ｓ_１と略同様に構成されていて、空気層であり、保護加熱用の薄膜感温素子２と温度制御素子用の薄膜感温素子３２との間に設けられたリング状の断熱スペーサ２５によって、その間隔が保持されるようになっている。断熱層Ｓ_２の層厚寸法は１ｍｍ～３ｍｍの間隔に設定されている。断熱層Ｓ_１の層厚寸法より大きく形成されている。なお、断熱層Ｓ_２は、空気層が好ましいが、窒素やアルゴン等の気体層であってもよく、また、断熱材によって構成してもよい。

放熱フィン３３は、温度制御素子３と熱的に結合されているとともに電気的に接続されている。詳しくは、熱伝導性が良好で導電性を有する材料、例えば銅やアルミニウムによって、温度制御素子３から長手方向へ延出するように細長の円筒状をなして一対形成されている。したがって、放熱フィン３３は、温度制御素子３から発生する熱を放熱するとともに温度制御素子３の電極としての機能を併せ持っている。
また、一対の放熱フィン３３の中央部には、これら電極兼用の放熱フィン３３を電気的に絶縁する絶縁隔壁３４が配設されている。
以上のような温度測定装置１０は、好ましくはその外郭４（カテーテルＣｔのシャフト）の外径寸法が１ｍｍ～２ｍｍに形成されている。

図４は、薄膜感温素子Ｒthの基本的な接続状態を示しており、測定用の薄膜感温素子１、保護加熱用の薄膜感温素子２及び温度制御素子用の薄膜感温素子３２の温度測定のための結線図である。電源Ｖに直列に薄膜感温素子Ｒthと制限抵抗器としての固定抵抗器Ｒとが接続され、薄膜感温素子Ｒthと固定抵抗器Ｒとの中間に出力端子が接続されている。出力端子の電圧を出力電圧Ｖoutとして測定し、この測定結果に基づいて薄膜感温素子Ｒthが感知した温度を計測する。
次に、図５を参照して温度測定装置１０のブロック構成について説明する。

本実施形態では、全体の制御を制御処理部５であるマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」という）が所定のプログラムを実行して情報を処理するようになっている。マイコンは、概略的には、演算部及び制御部を有するＣＰＵ５１と、記憶手段であるＲＯＭ５２及びＲＡＭ５３と、入出力制御手段５４とから構成されている。そして、入出力制御手段５４には、電源回路５５が接続されている。また、電源回路５５には、図４に示す回路が接続されている。

電源回路５５は、前記電源Ｖを含んでいて、電源Ｖの電圧を各薄膜感温素子Ｒthに印加して薄膜感温素子Ｒthに電力を供給制御する機能を有している。また、電源回路５５には、温度制御素子３に電力を供給制御する電源が設けられている。

具体的には、マイコンの記憶手段に格納されたプログラムによって電源回路５５における電源からの供給電力が制御される。出力電圧Ｖoutは、マイコンに入力され、演算処理されて電源回路５５へフィードバックされたり、計測出力として計測出力部O/Pに出力されたりして処理される。計測出力部O/Pは、表示手段や印刷手段である。さらに、入出力制御手段５４には、入力部I/Pが接続されている。入力部I/Pは、例えばスイッチやキーボード等の入力手段であり、必要に応じ温度、電圧値や時間等の情報を入力して設定できるようになっている。

次に、図６を参照して温度測定装置１０の適用例について説明する。人体内部を観察する内視鏡に適用する例を示している。施術者Ｔｍが内視鏡スコープＥｓの先端を患者Ｐｔの口から挿入し臓器を観察し検査する。ここで、内視鏡スコープＥｓの管路Ｐには上述のカテーテルＣｔが挿通されていて、プローブとしての感温部４１が管路Ｐから延出されるようになっている。内視鏡スコープＥｓの先端には対物レンズＯ及び照明用レンズＬが設けられており、また、先端付近には図示しない撮像素子が装備されている。撮像素子によって撮像された撮像画像は表示され施術者Ｔｍが観察できる。

したがって、内視鏡の検査において、詳細を後述するように、温度測定装置１０の感温部４１を患者の患部に接触させることにより、患部の温度を測定し、また、患部の熱応答探査を行って、例えば腫瘍の診断に貢献することが可能となる。

なお、本実施形態の温度測定装置は、カテーテルに組み込まれる場合に限定されるものではない。温度測定装置として独立的に構成して、皮膚温度、体温や産業分野における物体の表面温度を測定することができる。

続いて、温度測定装置１０の動作を、被測定体の温度を測定する場合及び温度の減衰を測定する場合について、図７乃至図９を参照して説明する。図７は温度測定の概要を示すフローチャートである。図８は温度減衰測定における熱パルス発生のイメージを示すタイムチャートであり、横軸は測定時間（秒）、縦軸は測定用の薄膜感温素子の測定温度（℃）を示しており、図９は温度減衰測定の概要を示すフローチャートである。これらの動作は主として図５に示す制御処理部５のプログラムによって実行される。
＜温度測定＞

図７に示すように、電源を投入して温度測定装置１０を起動し、内視鏡スコープＥｓとともにプローブである感温部４１を人体内部に挿入する（ステップＳ１）。次いで、温度制御素子３、ヒートシンク３１及び温度制御素子用の薄膜感温素子３２によって、環境温度を被測定体より一定の低い温度に設定制御する（ステップＳ２）。例えば、被測定体としての患部の温度が３７℃であれば環境温度は、それより０．５℃～１０℃低い温度、好ましくは２℃～３℃低い温度に設定する。

温度測定装置１０の使用において、原理的に環境温度、つまり、少なくとも測定用の薄膜感温素子１が被測定体の温度より低い必要がある。腹腔や内視鏡手術の臓器などの環境下では、被測定体としての患部と周囲環境が同一温度なので、高精度及び高確度で患部の温度を計測するのは難しくなる。

本実施形態では、温度制御素子３としてのペルチェ素子によって、ヒートシンク３１を低温化し、測定用の薄膜感温素子１の温度を被測定体の温度より若干低い温度とすることができる。ヒートシンク３１は、温度制御素子用の薄膜感温素子３２でモニターしながら温度制御素子３によって温度制御し、被測定体より一定温度（数℃）低い温度に保ち、保護加熱用の薄膜感温素子２を自己発熱させて、測定用の薄膜感温素子１と保護加熱用の薄膜感温素子２との熱交換を可能にして双方の温度を等しくできるようにする。温度制御素子３から発生する熱は放熱フィン３３によって放熱される。

なお、ヒートシンク３１は、被測定体の温度が環境温度より常に高い場合は省略することができる。しかしながら、ヒートシンク３１を設けることにより、安定的に、より高精度の温度測定が期待できる。

続いて、感温部４１（測定用の薄膜感温素子１）を被測定体の患部に接触させる（ステップＳ３）。この状態で測定用の薄膜感温素子１の温度をモニタリング（ステップＳ４）しながら、測定用の薄膜感温素子１の温度と保護加熱用の薄膜感温素子２との温度が等しくなるように制御する（ステップＳ５）。

すなわち、測定用の薄膜感温素子１を被測定体に接触させたとき、保護加熱用の薄膜感温素子２の電気抵抗を、測定用の薄膜感温素子１の電気抵抗と等しくなるように制御処理部５により制御する。そして、保護加熱用の薄膜感温素子２を、測定用の薄膜感温素子１の温度と等しい温度に発熱させる。これにより、被測定体としての患部の表面の温度と測定用の薄膜感温素子１の温度と保護加熱用の薄膜感温素子２との温度とが等しくなるため、測定用の薄膜感温素子１から保護加熱用の薄膜感温素子２に、また、患部の表面から測定用の薄膜感温素子１へ熱が移動するのを防ぐことができる。

このように、温度測定装置１０は、測定用の薄膜感温素子１に対する保護加熱用の薄膜感温素子２を適切な層厚寸法の断熱層Ｓ_１を介して設け、被測定体の表面から測定用の薄膜感温素子１及びリード線等へ沿って流入する熱を相殺し、損失する熱量を最小限に抑えることが可能となり、被測定体の状態を変化させることなく温度を測定することができる。

次いで、測定用の薄膜感温素子１の温度と患部の温度とが熱平衡状態になったことを検出し（ステップ６）、被測定体としての患部の温度の計測結果を表示したり記録したりして出力する（ステップ７）。

以上の温度測定方法の主要な工程は、環境温度を被測定体より一定の低い温度に設定制御するステップと、感温部４１を被測定体に接触させるステップと、測定用の薄膜感温素子１の温度と保護加熱用の薄膜感温素子２との温度が等しくなるように制御するステップと、被測定体の温度の計測結果を出力するステップと、を含んでいる。

このような温度測定装置１０の温度測定方法によれば、被測定体の温度を高精度及び高確度で測定することができる。また、前記薄膜感温素子は熱容量が小さいので高感度で、かつ短時間でｍｓオーダーの高速応答性をもって測定することが可能となる。

なお、上記環境温度を被測定体より一定の低い温度に設定制御する上記ステップ２に関し、産業分野において、周囲温度が１５℃の環境下であって、被測定体としての部材の表面温度が冷却状態で１０℃に想定される場合、環境温度を被測定体より一定の低い温度、例えば８℃に設定制御することにより、被測定体の高精度の温度測定が期待できる。
＜温度減衰測定＞

一例として、被測定体の生体組織における皮膚癌や臓器癌の状態を診断する温度減衰測定方法について図８及び図９を参照して説明する。温度の減衰測定は、いわゆる熱パルス減衰法によって被測定体の熱伝導率を推定するものである。

本実施形態では、一定電力の短時間熱パルスと長時間熱パルスとの時間が異なる複数の熱パルスを測定用の薄膜感温素子１に供給し、所定の温度で発熱させる。その後、測定用の薄膜感温素子１で被測定体の表面の温度変化を測定し、その加熱後の温度減衰から熱伝導率を算出する。なお、この場合、保護加熱用の薄膜感温素子２も測定用の薄膜感温素子１と同様に発熱させる。

癌組織は、代謝や血流等の生物活性が健常組織より大きく、熱を与えたときに奪われるエネルギーが増えるので、見かけ上測定される熱伝導率が高くなり、癌組織の体積が大きくなるほど見かけ上の熱伝導率が高くなることが確認されている。したがって、患部の温度減衰より推定した見かけ上の熱伝導率を測定することにより腫瘍の診断が可能となる。具体的には、短時間熱パルスを患部に与え、その温度減衰より推定した見かけ上の熱伝導率から表皮部分の癌活性の状態を測定し、同様に長時間熱パルスを患部に与え、その温度減衰による熱伝導率から真皮中の癌活性の状態を測定する。真皮中の癌活性の状態の測定では、熱浸透深さが大きくなったとしても、表皮の影響は大きいので、より深部の組織の情報を含む見かけ上の熱伝導率を測定するようにする。

このように短時間熱パルスで、初期段階の皮膚癌の診断に大きく貢献することが期待できる。また、長時間熱パルスに加え、短時間熱パルスを同時に与えるので、生体内部の深さ方向の熱物性を同定することが可能となり、皮膚表面から真皮深さまでの生体表面近傍における熱的性質の探査を行うことができる。

図８及び図９に示すように、測定用の薄膜感温素子１に、第１の熱パルスとして時間幅数ミリ秒の一定電力の短時間熱パルス（ショートパルス）を印加する（ステップＳ１）。印加停止後の一定時間、すなわち、数秒間、測定用の薄膜感温素子１をモニタリングして温度減衰特性を検出して熱伝導率を計算する（ステップＳ２）。次いで、第２の熱パルスとして、前記第１の熱パルスより時間幅の長い時間幅の一定電力の長時間熱パルス（ロングパルス）を印加する（ステップＳ３）。印加停止後の一定時間、すなわち、数秒間、測定用の薄膜感温素子１をモニタリングして温度減衰特性を検出して熱伝導率を計算する（ステップＳ４）。ステップＳ２及びステップＳ４の熱伝導率の計算結果やその熱伝導率に基づく診断結果を出力する（ステップＳ５）。

したがって、温度減衰測定方法の主要な工程は、感温部を被測定体に接触させるステップと、測定用の薄膜感温素子に一定電力の第１の熱パルスを印加するステップと、第１の熱パルスの印加停止後の一定時間に測定用の薄膜感温素子の温度減衰特性を検出するステップと、測定用の薄膜感温素子に前記第１の熱パルスより時間幅の長い一定電力の第２の熱パルスを印加するステップと、第２の熱パルスの印加停止後の一定時間に前記測定用の薄膜感温素子の温度減衰特性を検出するステップと、を備えている。

以上のような温度減衰測定方法によれば、生体の表皮部分から真皮中に至るまでの温度減衰特性を検出して熱伝導率を算出することにより、非侵襲で患部の診断を行うことができる。
［第２の実施形態］

次に、本発明の第２の実施形態に係る温度測定装置について図１０を参照して説明する。図１０は温度測定装置のイメージを示し、計測状態の模式的な説明図である。なお、第１の実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態は、基本的な構成は第１の実施形態と同様である。温度測定装置１０をペンシル型のホルダー６に組み込んで構成したものである。外郭４は摺動ロッドであり、この摺動ロッドが摺動可能にホルダー６に収容されている。摺動ロッドの先端部は、温度を感知するプローブとしての感温部４１となっている。

また、摺動ロッドの後端部には、弾性体としてコイルバネ６１が配設されている。コイルバネ６１は、感温部４１を先端方向へ突出、すなわち、被測定体（例えば皮膚表面）方向へ突出するように弾性的に付勢している。したがって、測定に際し、感温部４１の被測定体への押し付け圧力が一定となり、測定精度の向上が期待できる。なお、ホルダー６の後端からはリード線６２が導出され、制御処理部に接続されるようになっている。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、被測定体、例えば皮膚の表面や物体の表面の温度を高精度、高確度及び高速応答性をもって計測することができるとともに、測定用の薄膜感温素子の温度を被測定体の温度より低い関係に保持することが可能な温度測定装置、温度測定方法及び温度減衰測定方法を提供することができる。加えて、感温部４１の被測定体への押し付け圧力を一定とすることが可能となる。

なお、前述してきた本発明の温度測定装置、温度測定方法及び温度減衰測定方法は、体温計など生体の測定に好適に適用されるが、これに限るものではない。産業分野における物体の表面温度を測定する場合においても適用可能である。

本発明は、上記各実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１・・・・・・測定用の薄膜感温素子
２・・・・・・保護加熱用の薄膜感温素子
３・・・・・・温度制御素子
４・・・・・・外郭
５・・・・・・制御処理部
６・・・・・・ペンシル型のホルダー
１１・・・・・基板
１２・・・・・導電層
１３・・・・・薄膜素子層
１４・・・・・保護絶縁層
１２ａ・・・・電極部
１２ｂ・・・・リード線
１５、２５・・断熱スペーサ
３１・・・・・ヒートシンク
３２・・・・・温度制御素子用の薄膜感温素子
３３・・・・・放熱フィン
３４・・・・・縁隔壁
４１・・・・・感温部
５１・・・・・ＣＰＵ
５２・・・・・ＲＯＭ
５３・・・・・ＲＡＭ
５４・・・・・入出力制御手段
５５・・・・・電源回路
６１・・・・・コイルバネ
６２・・・・・リード線
Ｃｔ・・・・・カテーテル
Ｓ_１、Ｓ_２・・・断熱層

Claims (11)

1. 温度を感知する感温部と、
   前記感温部を被測定体に接触させることにより、温度を測定可能な測定用の薄膜感温素子と、
   前記測定用の薄膜感温素子と断熱層を介して熱交換可能に配置され、前記測定用の薄膜感温素子と温度が等しくなるように制御される保護加熱用の薄膜感温素子と、
   前記測定用の薄膜感温素子を、前記被測定体の温度より一定温度低い温度状態にすることが可能な温度制御素子と、
   前記測定用の薄膜感温素子、前記保護加熱用の薄膜感温素子及び前記温度制御素子を制御する制御処理部と、
   を具備することを特徴とする温度測定装置。
2. 前記測定用の薄膜感温素子及び保護加熱用の薄膜感温素子は、薄膜サーミスタであることを特徴とする請求項１に記載の温度測定装置。
3. 前記測定用の薄膜感温素子及び保護加熱用の薄膜感温素子は、基板と、この基板上に形成された導電層及び薄膜素子層とを有し、前記基板の厚さ寸法は２００μｍ以下に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の温度測定装置。
4. 前記測定用の薄膜感温素子及び保護加熱用の薄膜感温素子は、同じ仕様及び特性のものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の温度測定装置。
5. 前記温度制御素子は、ペルチェ素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の温度測定装置。
6. 前記断熱層は、空気層であり、層厚寸法は０．０５ｍｍ～１ｍｍに形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の温度測定装置。
7. 前記測定用の薄膜感温素子、保護加熱用の薄膜感温素子及び温度制御素子は、カテーテルの先端部に組み込まれていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の温度測定装置。
8. 前記測定用の薄膜感温素子、保護加熱用の薄膜感温素子及び温度制御素子は、ペンシル型のホルダーに組み込まれていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の温度測定装置。
9. 前記制御処理部は、前記測定用の薄膜感温素子に一定電力の第１の熱パルスを印加するとともに前記測定用の薄膜感温素子に前記第１の熱パルスより時間幅の長い一定電力の第２の熱パルスを印加するように制御することを特徴とする請求項１乃至請求８のいずれか一項に記載の温度測定装置。
10. 温度を感知する感温部と、温度を測定可能な測定用の薄膜感温素子と、前記測定用の薄膜感温素子と断熱層を介して配置された保護加熱用の薄膜感温素子と、前記測定用の薄膜感温素子の温度を制御することが可能な温度制御素子と、を備え、
    前記温度制御素子により前記測定用の薄膜感温素子の温度を被測定体より一定の低い温度に設定制御するステップと、
    前記感温部を被測定体に接触させるステップと、
    前記測定用の薄膜感温素子の温度と保護加熱用の薄膜感温素子との温度が等しくなるように制御するステップと、
    前記被測定体の温度の計測結果を出力するステップと、
    を具備することを特徴とする温度測定方法。
11. 温度を感知する感温部と、温度を測定可能な測定用の薄膜感温素子と、前記測定用の薄膜感温素子と断熱層を介して配置された保護加熱用の薄膜感温素子と、前記測定用の薄膜感温素子の温度を制御することが可能な温度制御素子と、を備え、
    前記感温部を被測定体に接触させるステップと、
    前記温度制御素子により前記測定用の薄膜感温素子の温度を被測定体より一定の低い温度に設定制御するステップと、
    前記測定用の薄膜感温素子に一定電力の第１の熱パルスを印加するステップと、
    前記第１の熱パルスの印加停止後の一定時間に前記測定用の薄膜感温素子の温度減衰特性を検出するステップと、
    前記測定用の薄膜感温素子に前記第１の熱パルスより時間幅の長い一定電力の第２の熱パルスを印加するステップと、
    前記第２の熱パルスの印加停止後の一定時間に前記測定用の薄膜感温素子の温度減衰特性を検出するステップと、
    を具備することを特徴とする温度減衰測定方法。

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