JP7778363B2 - 深部体温計測用プローブ及び深部体温計 - Google Patents

Description

本発明は、深部体温計測用プローブ及び深部体温計に関する。

外界の影響を受けやすい皮膚温に対して、身体の中心部の温度は常に一定の範囲で安定しており、深部体温と呼ばれる。深部体温は、ISO規格や米国産業衛生専門家会議(ACGIH)でも採用されている（例えば、暑熱下作業における深部体温を３８℃以下にするよう定められている）。このことから、深部体温は健康や労働安全に有益な生体情報であり、もしこれが精度良く計測できれば、体調管理や労働安全性の向上に役立つと考えられる。
この深部体温の計測方法としては、患者（被検体）の直腸等に温度センサーを直接挿入する方法があるが、侵襲的であり患者が違和感を覚える等の問題がある。
そのため、非侵襲的な計測方法として、熱流補償法（Zero-Heat-Flow法）が提案された。この方法は、今日、心臓手術での深部体温監視等で幅広く使われているが、電子サーボ制御されたヒーターを使用するため、相当の電力を必要とする。
そこで、ヒーターを使用せずに深部体温の計測が可能な双熱流法（Dual-Heat-Flux法）が提案され、注目されている。

国際公開第２０１６／１８５９０５Ａ１号

櫻井一成「非侵襲的な深部体温計の開発及び基礎実験での検証」（奈良先端大学修士論文）2014 (NAIST-IS-MT1251109)

双熱流法は、非侵襲的であり、またヒーターが不要な点で優れているが、計測精度等の点で問題があるとされている。
双熱流法に関する非特許文献１には、双熱流法による深部体温計測用のプローブの試作、当該プローブで深部体温を計測した結果等が記載されている。この試作プローブを用いた深部体温計測では一定の測定精度が達成されているが、更なる測定精度向上が期待される。
そこで、本発明は、双熱流法を用いながら更に測定精度を向上させることが可能な深部体温計測用プローブ及び深部体温計を提供することを目的とする。

［１］本発明の深部体温計測用プローブは、
被検体から流出する第１熱流を測定可能な第１熱流測定系と、前記被検体から流出する第２熱流を測定可能な第２熱流測定系とを備えた深部体温計測用プローブであって、
前記第１熱流測定系が、前記被検体側に配置された第１入力側断熱体と、前記第１入力側断熱体に積層された第１出力側断熱体と、前記第１入力側断熱体の上流側に配置された第１入力側温度センサーと、下流側に配置された第１出力側温度センサーと、を有し、
前記第２熱流測定系が、前記被検体側に配置された第２入力側断熱体と、前記第２入力側断熱体に積層された第２出力側断熱体と、前記第２入力側断熱体の上流側に配置された第２入力側温度センサーと、下流側に配置された第２出力側温度センサーと、を有するとともに、
前記第１及び前記第２出力側断熱体が、空気とほぼ同じ熱伝導率の断熱体である
ように構成されていることを特徴とする。

本発明の深部体温計測用プローブによれば、前記第１及び第２出力側断熱体が空気とほぼ同じ熱伝導率の断熱体であること等により、第１熱流・第２熱流間の干渉が小さくなる。そのため、双熱流法を用いながら更に測定精度を向上させることが可能な深部体温計測用プローブを提供することが可能となる。
なお、発明者達は、上記した実験によって、第１及び第２出力側断熱体が空気とほぼ同じ熱伝導率の断熱体であること等により第１熱流・第２熱流間の干渉が小さくなることを発見したものである。

［７］本発明の深部体温計は、
前記深部体温計測用プローブと、
前記深部体温計測用プローブの前記第１入力側温度センサー及び前記第２入力側温度センサー、並びに、前記第１出力側温度センサー及び前記第２出力側温度センサー、の出力を用いて深部体温を推定する深部体温推定手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明の深部体温計によれば、上記深部体温計測用プローブと、深部体温推定手段と、を備え、上記深部体温計測用プローブにより、第１熱流・第２熱流間の干渉が小さくなり、深部体温推定手段により、第１入力側温度センサー等によって計測された温度を用いて高い精度で深部体温を推定することができるため、双熱流法を用いながら更に測定精度を向上させることが可能な深部体温計を提供することが可能となる。

実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２を説明するための図。 実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２を備えた深部体温計１を説明するための図。 実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２の熱等価回路を説明するための図。 実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２（深部体温計１）を比較例と比較して説明するための図。 実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２（深部体温計１）の熱伝導解析結果を比較例と比較して説明するための図。 水温（深部体温）の測定値と、実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２を用いた計算値（推測値）と、を対比して説明するための図。

以下、本発明の深部体温計測用プローブ及び深部体温計について、図１～図６を用いて説明する。なお、以下に説明する各図は、実際の形状、構造、回路等を簡略化して表した模式図である。

［実施形態１］
[深部体温計測用プローブ２及び深部体温計１]
まず、実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２及び深部体温計１について、図１～図３を用いて説明する。
図１は、実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２を説明するための図である。図２は、実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２を備えた深部体温計１を説明するための図である。図３は、実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２の熱等価回路を説明するための図である。（本明細書で「計測」と「測定」は厳密に区別されるものではなくほぼ同義である。）

図１に示されるように、実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２は、被検体９から流出する第１熱流５ａ（第１熱流束）を測定可能な第１熱流測定系５と、被検体９から流出する第２熱流６ａ（第２熱流束）を測定可能な第２熱流測定系６とを備える。双熱流法によって深部体温（ＴＢ）を測定（推定）するためである。

第１熱流測定系５は、被検体９側に配置された第１入力側断熱体１１（熱抵抗値Ｒ１）と、第１入力側断熱体１１に積層された第１出力側断熱体１２（熱抵抗値Ｒ０）と、第１入力側断熱体１１の上流側に配置された第１入力側温度センサー１５（測定する温度Ｔ１）と、下流側に配置された第１出力側温度センサー１６（測定する温度Ｔ３）と、を有する。
第２熱流測定系６は、被検体９側に配置された第２入力側断熱体１３（熱抵抗値Ｒ２）と、第２入力側断熱体１３に積層された第２出力側断熱体１４（熱抵抗値Ｒ０）と、第２入力側断熱体１３の上流側に配置された第２入力側温度センサー１７（測定する温度Ｔ２）と、下流側に配置された第２出力側温度センサー１８（測定する温度Ｔ４）と、を有する。
符号８は、深部体温計測用プローブ２の外側の空気を示す。
第１出力側断熱体１２及び第２出力側断熱体１４は、空気とほぼ同じ熱伝導率の断熱体（熱抵抗値Ｒ０）で構成されている。（本明細書では、「Ｒ０」、「Ｒ１」、「Ｒ２」、「Ｒｓ」及び「Ｒｘ」を「熱抵抗」又はその熱抵抗の「熱抵抗値」の意味で使用する。）

なお、深部体温とは、脳や内臓などの体の内部の温度であり、常に一定の範囲で安定している。これに対し、皮膚温は体の表面の温度であり、外界の影響を受けやすい。図１中、符号９は被検体（熱抵抗値Ｒｓ）を示す。符号９ａは被検体表面（皮膚）を示し、符号９ｂは被検体中間部を示し、符号９ｃは被検体深部を示す。深部体温ＴＢと温度Ｔ１、Ｔ２とは、一般に、被検体深部９ｃの深部体温ＴＢが高く、被検体表面９ａ（温度Ｔ１、Ｔ２）では低下する関係を有する。この実施態様では人を測定対象（被検体）としている。
第１熱流測定系５・第２熱流測定系６間には隙間２０（断熱層である空気の層）が設けられ、それぞれ独立した熱流（第１熱流５ａ、第２熱流６ａ）が形成される。本明細書では「熱流」は「熱流束」と同義であり、「熱流」を「熱流束」と言い換えてもよい。

Ｒｓは被検体深部９ｃ・被検体表面９a間の熱抵抗値である。第１熱流測定系５と第２熱流測定系６とが近接しているため、第１熱流測定系５側（図左側）の被検体深部９ｃ・被検体表面９a間の熱抵抗値は、第２熱流測定系６側（図右側）の被検体深部９ｃ・被検体表面９a間の熱抵抗値と同じ熱抵抗値Ｒｓで表わせる。Ｒｘは、第１熱流測定系５・第２熱流測定系６間のリーク熱抵抗（値）である。実施形態１ではリーク熱抵抗値Ｒｘは小さいため無視できる。
温度センサー（１５、１６、１７、１８）としては、例えば、熱電対、白金測温抵抗体、サーミスター等の接触式温度センサーを用いる。

実施形態１に係る上記深部体温計測用プローブ２においては、第１出力側断熱体１２及び第２出力側断熱体１４は、熱伝導率が０．０１～０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲内にあることが好ましい。
例えば、硬質ウレタンフォーム（０．０２３～０．０４Ｗ／（ｍ・Ｋ））、グラスウール（０．０３６～０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ））、羊毛（０．０３９Ｗ／（ｍ・Ｋ））、コルク（０．０４３Ｗ／（ｍ・Ｋ））、グラスウール（０．０３６～０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ））、硬質ウレタンフォーム（０．０２３～０．０４Ｗ／（ｍ・Ｋ））、一般紙（０．０５（～０．０６）Ｗ／（ｍ・Ｋ））等である。
なお、空気は０．０２４～０．０２６Ｗ／（ｍ・Ｋ）である（摂氏０度～２０度）。

実施形態１に係る上記深部体温計測用プローブ２においては、第１出力側断熱体１２及び第２出力側断熱体１４は、断熱紙を用いて構成されていることが好ましい。
このような断熱紙としては、例えば、シリカエアロゲルに繊維をプラス（混合）した廣瀬製紙株式会社製の断熱紙（熱伝導率０．０１３～０．０２７Ｗ／（ｍ・Ｋ））がある。

実施形態１に係る上記深部体温計測用プローブ２においては、第１入力側断熱体１１及び第２入力側断熱体１３は、熱伝導率が異なる断熱体であることが好ましい。
第１入力側断熱体１１及び第２入力側断熱体１３の熱伝導率が異なると、それらの熱抵抗値（Ｒ１、Ｒ２）も熱伝導率に対応した異なる値をとる。

実施形態１に係る上記深部体温計測用プローブ２においては、第１入力側断熱体１１と第２入力側断熱体１３は、熱伝導率が５～２０倍異なる断熱体であることが好ましい。
例えば、第１入力側断熱体１１を発泡スチロール（スチロールの発泡体、熱伝導率０．０１～０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ））とし、第２入力側断熱体１３を杉木材（熱伝導率０．１０５Ｗ／（ｍ・Ｋ））として、熱伝導率を約５倍異ならせる。又は、第１入力側断熱体１１を発泡スチロール（熱伝導率０．０１～０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ））とし、第２入力側断熱体１３をエチレン・プロピレンゴム（熱伝導率０．３６Ｗ／（ｍ・Ｋ））として、熱伝導率を約１８倍異ならせる。又は、第１入力側断熱体１１を発泡スチロール（熱伝導率０．０１～０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ））とし、第２入力側断熱体１３をクロロプレンゴム（熱伝導率０．２～０．２５Ｗ／（ｍ・Ｋ））として、熱伝導率を約６～１０倍異ならせる。

実施形態１に係る上記深部体温計測用プローブ２においては、第１入力側断熱体１１及び第２入力側断熱体１３の側面に、更に伝熱体１９（図１に破線で図示）を設けるようにしてもよい（伝熱体１９は設けなくてもよい）。ここで、「伝熱体」とは、「断熱体」に対比されるものである。「断熱体」が熱伝導率が小さく熱を遮断するのに対し、「伝熱体」は断熱体と比較して熱伝導率が大きく熱をよく伝える部材の趣旨である
伝熱体１９としては、例えば、アルミニウム（熱伝導率２０４Ｗ／（ｍ・Ｋ））、銅（一般品、３７２Ｗ／（ｍ・Ｋ））、純銅（３８６Ｗ／（ｍ・Ｋ））、銀（４１８Ｗ／（ｍ・Ｋ））等がある。

実施形態１に係る深部体温計１は、図２に示されるように、上記の深部体温計測用プローブ２と、深部体温計測用プローブ２の第１入力側温度センサー１５及び第２入力側温度センサー１７、並びに、第１出力側温度センサー１６及び第２出力側温度センサー１８によって計測された温度Ｔ１～Ｔ４（符号２１ａは温度情報信号）を用いて深部体温を推定する深部体温推定手段２２と、を備える。
なお、「温度センサーによって計測された温度」は、例えば「温度センサーを用いた計測温度」、「温度センサーの計測温度」、「温度センサーで計測した温度」、「温度センサーによって得られた温度」又は「温度センサーからの温度情報」と言い換えてもよい。

深部体温推定手段２２は、例えば、後述する式（１０）の演算によって深部体温ＴＢを算出して推定値とするものである。専用回路、汎用回路のどちらでも構成できる。汎用回路としては、例えば、マイクロコンピューターがある。
マイクロコンピューターは、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、これらを接続する内部バス、内部バス４５と外部バスとの間に設けられたインターフェース等で構成される（図示省略）。ＣＰＵは、ＲＯＭに格納されたプログラム、又は、外部記憶装置からＲＡＭにロードされたプログラムに従って各種の処理を実行する。ＲＡＭは、ＣＰＵが各種の処理を実行する際に必要なデータ等を適宜記憶する。マイクロコンピューターは、後述する式（１０）に温度Ｔ１～Ｔ４等を当てはめ深部体温ＴＢを算出して推定値とする。この場合、深部体温推定手段２２は、深部体温ＴＢを演算して推定するＣＰＵ（マイクロコンピューター）の機能ともいえる。

図２に示す温度計測回路２１は、温度によって物性が変化する温度センサー１５～１８の物性変化を伝える信号を解析して温度Ｔ１～Ｔ４を計測する。例えば、温度センサー１５～１８が酸化物の電気抵抗変化を利用して温度を測定するサーミスターである場合、温度によって変化するアナログ信号から温度Ｔ１～Ｔ４を計測し、デジタル変換して深部体温推定手段２２に送る。深部体温推定手段２２は、予めメモリーに記憶されている熱抵抗比（第１入力側断熱体１１と第２入力側断熱体１３との熱抵抗比）、温度計測回路２１から送られる温度Ｔ１～Ｔ４の情報等を使用して演算し深部体温ＴＢを推定する。推定した深部体温ＴＢの情報は集計用コンピューターに送られたり、表示装置に送られたりする（図示省略）。なお、バッテリー２４は深部体温推定手段２２等の電源である。

[熱等価回路]
図３は、実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２の熱等価回路を説明するための図である。図１に示す深部体温計測用プローブ２を熱等価回路で表した図である。既に述べた事柄は省略して説明する。

Ｉａは第１入力側断熱体１１を流れる熱流（値）であり、Ｉｂは第２入力側断熱体１３を流れる熱流（値）である。Ｉｃは第１熱流測定系５の被検体深部９ｃ・被検体表面９a（皮膚）間の熱抵抗Ｒｓ（熱抵抗値）を流れる熱流（値）であり、Ｉｄは第２熱流測定系６の被検体深部９ｃ・被検体表面９a（皮膚）間の熱抵抗Ｒｓ（熱抵抗値）を流れる熱流（値）である。（本明細書では、「Ｉ」を「熱流」又はその熱流の「熱流値」の意味で使用する。）

図３に示す熱等価回路から、第１熱流測定系５について次式が成立する。
Ｉａ＝（Ｔ１－Ｔ３）／Ｒ１・・・（１）
Ｉｃ＝（ＴＢ－Ｔ１）／Ｒｓ・・・（２）
Ｉａ＝Ｉｃ＝（Ｔ１－Ｔ３）／Ｒ１＝（ＴＢ－Ｔ１）／Ｒｓ・・・（３）
式（３）から
ＴＢ＝Ｔ１＋（Ｔ１－Ｔ３）×（Ｒｓ／Ｒ１）・・・（４）
同様に、第２熱流測定系６について次式が成立する。
Ｉｂ＝（Ｔ２－Ｔ４）／Ｒ２・・・（５）
Ｉｄ＝（ＴＢ－Ｔ２）／Ｒｓ・・・（６）
Ｉｂ＝Ｉｄ＝（Ｔ２－Ｔ４）／Ｒ２＝（ＴＢ－Ｔ２）／Ｒｓ・・・（７）
式（７）から
ＴＢ＝Ｔ２＋（Ｔ２－Ｔ４）×（Ｒｓ／Ｒ２）・・・（８）

ここで、式（４）と（８）を用いてＲｓを除去する等して深部体温ＴＢを求める方法がある。しかし、発明者等が実験してみると正確な深部体温を求めることが難しかった。

そこで、発明者等は別の方法で深部体温ＴＢを求めることとした。
まず、図３の熱等価回路から、第１熱流測定系５と第２熱流測定系６の熱抵抗比Ｋを次のように定義する。
Ｋ＝[（ＴＢ－Ｔ２）（Ｔ１－Ｔ３）] ／[（ＴＢ－Ｔ１）（Ｔ２－Ｔ４）]
・・・（９）
すると、式（９）は、深部体温ＴＢを求める次式に変形できる。
ＴＢ＝Ｔ１＋（Ｔ１－Ｔ２）（Ｔ１－Ｔ３）
／[Ｋ（Ｔ２－Ｔ４）－（Ｔ１－Ｔ３）］ ・・・（１０）
発明者等は、この発想に基づき、予備実験し、式（９）の関係を用いて熱抵抗比Ｋを決定した。そして、式（１０）の関係を用いて、予備実験で決定した熱抵抗比Ｋと、温度センサー（１５、１６、１７、１８）によって計測された温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４）をもとに深部体温ＴＢを算出（推定）した。実験してみると正確な深部体温を求めることができた。
なお、熱抵抗比Ｋは、例えば、温度０℃～４０℃では一定の定数と考えることができる。

つまり、実施形態１に係る深部体温計１は、
深部体温をＴＢとし、
第１入力側温度センサー１５及び第２入力側温度センサー１７、並びに、第１出力側温度センサー１６及び第２出力側温度センサー１８によって計測された温度をそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４としたとき、
深部体温推定手段２２は、
前記第１熱流測定系と前記第２熱流測定系の熱抵抗比Ｋについて
Ｋ＝[（ＴＢ－Ｔ２）（Ｔ１－Ｔ３）] ／[（ＴＢ－Ｔ１）（Ｔ２－Ｔ４）]
の関係を用いて予め決定した前記熱抵抗比Ｋ、並びに計測された前記温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４を、
ＴＢ＝Ｔ１＋（Ｔ１－Ｔ２）（Ｔ１－Ｔ３）
／[Ｋ（Ｔ２－Ｔ４）－（Ｔ１－Ｔ３）］
の関係に当てはめることによって深部体温ＴＢを推定するように構成されている。

[比較実験]
図４は、実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２（深部体温計１）を比較例と比較して説明するための図である。左側が比較例の説明図で、右側が実施形態１の説明図である。

[比較実験に用いた深部体温計測用プローブ２]
図４（ａ）は深部体温計測用プローブの構造を説明するための図である。実施形態１（右側）の深部体温計測用プローブ２は、比較例（左側）の深部体温計測用プローブ９０２と対比させるために示す図であり、図１で説明した構造と同様である。
比較実験に用いた深部体温計測用プローブ２では、第１熱流測定系５及び第２熱流測定系６（第１入力側断熱体１１及び第２入力側断熱体１３）の側面にアルミニウムの伝熱体１９を設けている。第１入力側断熱体１１には発泡スチロール（熱伝導率０．０１～０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ））を用い、第２入力側断熱体１３にはクロロプレンゴム（熱伝導率０．２～０．２５Ｗ／（ｍ・Ｋ））を用いた。第１出力側断熱体１２と第２出力側断熱体１４には断熱紙（熱伝導率０．０１３～０．０２７Ｗ／（ｍ・Ｋ））を用いた。

第１熱流測定系５（第１入力側断熱体１１）と第２熱流測定系６（第２入力側断熱体１３）は、共に同じ円筒形の形状をしており、隙間２０によって隔てられている。それらの断面積（第１熱流５ａの進行方向と垂直方向の断面積と、第２熱流６ａの進行方向と垂直方向の断面積）は同じである。また、それらの厚さ（図上、上下方向の長さ）は同じである。

温度センサー１５～１８としてはサーミスターを用いた。温度センサー１５～１８・温度計測回路２１（図２参照）間の配線は図示を省略した（図４の他の図面でも同様）。
第１入力側温度センサー１５を被検体表面９ａ・第１入力側断熱体１１間に配置した。具体的には、第１入力側断熱体１１の、被検体表面９ａと接する箇所に設けられた凹部に配置した。
同様に、第２入力側温度センサー１７を被検体表面９ａ・第２入力側断熱体１３間に配置した。具体的には、第１入力側断熱体１１の、被検体表面９ａと接する箇所に設けられた凹部に配置した。

第１出力側温度センサー１６を第１入力側断熱体１１・第１出力側断熱体１２間に配置し、同様に、第２出力側温度センサー１８を第２入力側断熱体１３・第２出力側断熱体１４間に配置した。具体的には、第１入力側断熱体１１（第２入力側断熱体１３）の、第１出力側断熱体１２と接する箇所に設けられた凹部に配置した。

[比較実験に用いた深部体温計測用プローブ９０２]
図４（ａ）左側には比較実験に用いた深部体温計測用プローブ９０２を示している。これは、非特許文献１に記載されたプローブ構造を模したものである。深部体温計測用プローブ９０２は、段差がある円筒形状をしている。中央部の厚い円筒形状部分は第１熱流測定系９０５として用い、その外側の薄い同心円の円筒形状部分は第２熱流測定系９０６として用いる。全体が、（発泡）クロロプレンゴムの断熱体９１１で構成され、その上面と側面がアルミニウムカバー９１９で覆われている。なお、符号９０５ａは第１熱流を示し、符号９０５ｂは第２熱流を示す。

各温度センサー１５～１８については、第１入力側温度センサー１５と第１出力側温度センサー１６の対を断熱体９１１が厚い箇所の両端に配置し、第２入力側温度センサー１７と第２出力側温度センサー１８の対を断熱体９１１が薄い箇所の両端に配置した。第１入力側温度センサー１５及び第２入力側温度センサー１７の配置位置は、上記した深部体温計測用プローブ２と同様である。第１出力側温度センサー１６及び第２出力側温度センサー１８は、断熱体９１１・アルミニウムカバー９１９間に配置した。具体的には、断熱体９１１の、アルミニウムカバー９１９と接する箇所に設けられた凹部に配置した。

[実験系]
図４（ｂ）は、深部体温計測用プローブ２（実施形態１）と、深部体温計測用プローブ９０２（比較例）と、を比較実験した実験系を説明するための図である。
被検体深部９ｃ（生体深部）の代わりに、熱容量の大きいウォーターバス１３０を用い、これを恒温恒湿槽（図示せず）内に配置した。熱容量の大きいウォーターバス１３０を、被検体深部９ｃ（生体深部）の代わりとして用いたものである。恒温恒湿槽内の温度（環境温度）を１０℃～３０℃間で所定の温度とした。水温（深部体温ＴＢ）は、ほぼ一定（約３７℃）となるようにした。ウォーターバス１３０にアルミニウム桶１３３を浮かべて深部体温ＴＢ（深部体温ＴＢに相当する水温）を計測（推定した）。
符号１０９は代用被検体（被生体を模したもの）を示し、代用被検体表面１０９ａ（生体皮膚を模した代用皮膚。天然ゴムシートよりなる）、代用被検体深部１０９ｃ（生体深部）及びそれらの中間部である代用被検体中間部１０９ｂからなる。符号１３１ａは、温度センサー１３１を支える支持棒である。

深部体温計測用プローブ２を用いた深部体温推定について説明すると、アルミニウム桶１３３の上に、深部体温計測用プローブ２又は９０２を置いた。温度センサー１５～１８でセンスされた温度は、温度計測回路２１で計測され、深部体温推定手段２２に出力される。そして、深部体温推定手段２２で深部体温ＴＢを演算（推定）した。深部体温推定については詳しく後述する。
実際の深部水温（深部体温ＴＢ）は、ウォーターバス１３０内に配置された温度センサー１３１（サーミスター）で計測した。
そして、推測温度と実際の温度とを比較した。

比較例の深部体温計も、深部体温計測用プローブ９０２以外は実施形態１に係る深部体温計１と同様に構成されている。実施形態１と同様に深部水温（深部体温ＴＢ）を演算（推測）した。
このような実験系で実験し（シュミレーションし）、実施形態１と比較例の深部体温計測用プローブ２、９０２（及び深部体温計）を比較した。

なお、実験で使用した深部体温計測用プローブ２は、第１入力側断熱体１１として発泡スチロール（熱伝導率０．０１～０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ））、第２出力側断熱体１４として、クロロプレンゴム（熱伝導率０．２～０．２５Ｗ／（ｍ・Ｋ））を用いた。これらは、同じ円筒形状をしている（直径２９．９６ｍｍ、厚さ１１．９６ｍｍ）。
第１出力側断熱体１２及び第２出力側断熱体１４は、共に同じ円盤形状（直径３０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）の断熱紙（熱伝導率０．０２０Ｗ／（ｍ・Ｋ））を用いた。伝熱体１９としては厚さ０．７６ｍｍのアルミニウム板を用いた。
比較例の深部体温計測用プローブ９０２は、断熱体９１１として、第２出力側断熱体１４と同じクロロプレンゴムを用いた。断熱体９１１は段差のある円筒形状をしている。下部円柱部は、直径４４ｍｍ、厚さ５ｍｍであり、上部円柱部は、直径２６ｍｍ、厚さ３ｍｍである。アルミニウムカバー９１９は厚さ１ｍｍである。

[熱伝導解析]
図５は、実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２（深部体温計１）の熱伝導解析結果を比較例と比較して説明するための図である。シミュレーションによる熱解析結果を示している。深部体温計測用プローブ２、９０２の上から（円筒長軸方向の上から）見た熱伝導解析結果（円筒の長軸に垂直な短軸方向、つまり図５の平面方向の解析結果）を示している。定常解析（時間が十分経過した後の、温度が時間変化しない状態での解析）したものである。熱流束（単位時間に単位面積を横切る熱量）を示している。ベクトルの方向は熱流速の方向を示し、ベクトルの長さは熱流束の大きさを示す。図面右上には熱流束（単位：Ｗ／ｍ^２）の大きさとそれに対応して描かれた色（特許図面上では白黒表示）を示している。

右側に示す実施形態１の深部体温計測用プローブ２は、左側に示す比較例の深部体温計測用プローブ９０２に対し、短軸方向の熱流ベクトル（熱流束ベクトル）が小さく、殆ど無視できる程度の大きさである。また、第１熱流５ａ・第２熱流６ａ間で干渉する熱流ベクトルも、第１熱流９０５ａ・第２熱流９０６ａ間で干渉する熱流ベクトルに比べて小さく、殆ど無視できる程度の大きさである。
従って、深部体温計測用プローブ２においては、第１熱流５ａ及び第２熱流６ａの方向が殆ど長軸方向であり、理想的な双熱流となった。換言すると、実施形態１では双熱流法の計測原理の理想条件に近い状態となった。

[実験系での深部体温ＴＢの推定]
[熱抵抗比Ｋの決定]
予め実験（事前実験）して、式（９）を用いて、熱抵抗比Ｋを決定した。
(1)事前実験をし、深部体温ＴＢを計測すると共に、温度センサー（１５～１８）で温度Ｔ１～Ｔ４を計測して、深部体温計測用プローブ２（図４に示す実験系で熱平衡となった状態）の熱抵抗比Ｋを式（９）の関係に当てはめて出すことを複数回繰り返した。
(2)複数の熱抵抗比Ｋの平均値を求めた。
(3)水温（深部体温ＴＢ）の測定値と、式（１０）の関係に、熱抵抗比Ｋの平均値及び温度Ｔ１～Ｔ４を当てはめて出した水温（深部体温ＴＢ）の推定値（算出値）とを比較して、両者の差（誤差）が小さくなったか否かをチェックした。誤差が大きい場合には、再度上記作業(1)～(3)を繰り返した。
そして、誤差が小さくなる熱抵抗比Ｋを決定した。

[深部体温ＴＢの推定]
熱抵抗比Ｋの数値をメモリー２３（図２参照）に格納した。温度センサー（１５等）と温度計測回路２１を用いて温度を計測し、深部体温推定手段２２で式（１０）の演算をして深部体温を算出（推定）した。

[シュミレーション結果]
図６は、水温（深部体温）の測定値と、実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２を用いた計算値（推測値）と、を対比して説明するための図である。水温を深部体温に近い約３７℃に保ち、環境温度を１０℃、２０℃、３０℃に変化させたときの、水温の測定値（実測値）と、深部体温計測用プローブ２を用いた計算値（推測値）の経時変化（環境温度設定後６０分まで）をプロットした図である。

環境温度を１０℃、２０℃又は３０℃にする直前の環境温度は２５℃前後（２４．５～２７℃）である。経過時間０分は、環境温度を１０℃、２０℃又は３０℃としたときである。そして、温度Ｔ１～Ｔ４に基づいて水温（深部体温ＴＢに相当）を計算（演算）してその計算値（推定値）を経過時間に沿って出すと、計算値は、経過時間０分では約２５～２６℃であり、その直後に３７℃を越えるように急激に大きくなる。その後、３分経過後には、定常状態となり、計算値と、測定した温度（実際の温度）との差（誤差）は±０．３℃以下となった。
これに対し、深部体温計測用プローブ９０２を用いた場合には、計算値のカーブは、深部体温計測用プローブ２を用いたカーブと同様のカーブとなり、１０分経過後には、定常状態となった。しかし、計算値と、測定した温度（実際の温度）との差（誤差）は±０．５℃以下であった。
実施形態１の方が、比較例より、誤差を小さくできた。

[実施形態１の効果]
実施形態１に係る深部体温計測用プローブ２によれば、第１熱流測定系５と第２熱流測定系６とを備え、第１熱流測定系５が被検体９側の第１入力側断熱体１１等を有し、第２熱流測定系６が被検体９側の第２入力側断熱体１３等を有し、第１出力側断熱体１２及び第２出力側断熱体１４が空気とほぼ同じ熱伝導率の断熱体であるように構成されているため、第１熱流５ａ・第２熱流６ｂ間の干渉が小さくなる。そのため、双熱流法を用いながら更に測定精度を向上させることが可能な深部体温計測用プローブ２を提供することが可能となる。
なお、発明者達は、上記したように、実験によって、第１出力側断熱体１２及び第２出力側断熱体１４が空気とほぼ同じ熱伝導率の断熱体であること等により第１熱流５ａ・第２熱流６ａ間の干渉が小さくなることを発見したものである。

深部体温計測用プローブ２を用いることにより、ウェアラブルで小型、高性能で深部体温ＴＢで測ることができ、無拘束非侵襲に熱中症の早期発見や乳幼児の体調管理などに役立つことが可能となる。深部体温ＴＢの常時モニタリングは健康や労働安全に有益な生体情報であり、連続で計測することにより、ヒトの体調管理や労働安全性の向上に役立てることが可能となる。

また、実施形態１に係る上記深部体温計測用プローブ２によれば、第１出力側断熱体１２及び第２出力側断熱体１４が、熱伝導率が０．０１～０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲内にあると、第１出力側断熱体１２及び第２出力側断熱体１４の熱伝導率を、空気の熱伝導率とほぼ同じにすることが可能となる。

また、実施形態１に係る上記深部体温計測用プローブ２によれば、第１出力側断熱体１２及び第２出力側断熱体１４を断熱紙を用いて構成すると、第１出力側断熱体１２及び第２出力側断熱体１４を容易に構成することが可能となる。

また、実施形態１に係る上記深部体温計測用プローブ２によれば、第１入力側断熱体１１及び第２入力側断熱体１３が、熱伝導率が異なる断熱体であると、第１入力側断熱体１１及び第２入力側断熱体１３の熱伝導率が同じ断熱体である場合に比べて、深部体温計測用プローブ２を小さくすることが可能となる。両者の断面積が同じときにそれらの熱抵抗を異ならせるには、それらの熱伝導率が同じだと一方の高さを熱伝導率に対応して高くする必要があるが、熱伝導率が異なると熱伝導率が高い断熱体を用いることにより熱伝導率に対応して高くする必要がないからである。

また、実施形態１に係る上記深部体温計測用プローブ２によれば、第１入力側断熱体１１（第１熱流測定系５）と第２入力側断熱体１３（第２熱流測定系６）とが熱伝導率が５～２０倍異なる断熱体であると、計測精度と小型化とを程よく調和させることが可能となる。例えば、熱伝導率が５倍を大きく下回る１．１倍程度であると、第１入力側断熱体１１の熱抵抗と、第２入力側断熱体１３の熱抵抗の大きさが同程度であるため、双熱流の熱抵抗の差が小さく、計測精度を出しづらい。一方、熱伝導率が２０倍を大きく上回る１００倍程度であると、第１入力側断熱体１１と第２入力側断熱体１３の両者中の一方の厚さが他方の厚さより大きくなりすぎ、深部体温計測用プローブ２全体としては小型化が困難（厚い方の厚さで全体の厚さが決まるため）となるためである。

また、実施形態１に係る上記深部体温計測用プローブ２によれば、側面に熱伝導率の大きい（高い）伝熱体１９が設けられていると、目的とする縦方向への熱流（熱流束）が一層に形成されやすくなる。換言すると、第１熱流５ａ・第２熱流６ａ間の干渉を一層小さくすることが可能となる。

実施形態１に係る深部体温計１によれば、上記深部体温計測用プローブ２と、深部体温推定手段２２と、を備え、上記深部体温計測用プローブ２により、第１熱流５ａ・第２熱流６ａ間の干渉が小さくなり、深部体温推定手段２２により、第１入力側温度センサー１５等によって計測された温度を用いて高い精度で深部体温を推定することができるため、双熱流法を用いながら更に測定精度を向上させることが可能な深部体温計１を提供することが可能となる。

また、実施形態１に係る深部体温計１によれば、
深部体温をＴＢとし、
第１入力側温度センサー１５及び第２入力側温度センサー１７、並びに、第１出力側温度センサー１６及び第２出力側温度センサー１８によって計測された温度をそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４としたとき、
深部体温推定手段２２を、
第１熱流測定系５と第２熱流測定系６の熱抵抗比Ｋについて
Ｋ＝[（ＴＢ－Ｔ２）（Ｔ１－Ｔ３）] ／[（ＴＢ－Ｔ１）（Ｔ２－Ｔ４）]
の関係を用いて予め決定した熱抵抗比Ｋ、並びに計測された温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４を、
ＴＢ＝Ｔ１＋（Ｔ１－Ｔ２）（Ｔ１－Ｔ３）
／[Ｋ（Ｔ２－Ｔ４）－（Ｔ１－Ｔ３）］ ・・・（１０）
の関係に当てはめることによって深部体温ＴＢを推定するように構成すると、一層正確な精度の深部体温ＴＢを推定することが可能となる。

［深部体温推定方法の実施形態］
深部体温推定方法としては、例えば次のような実施態様がある。
深部体温計測用プローブ２を準備する工程と、
深部体温計測用プローブ２の第１入力側温度センサー１５及び第２入力側温度センサー１７、並びに、第１出力側温度センサー及び第２出力側温度センサーによって計測された温度を用いて深部体温を推定する深部体温推定工程と、を含む、深部体温推定方法。

第１熱流測定系５と第２熱流測定系６の熱抵抗比Ｋを、
Ｋ＝[（ＴＢ－Ｔ２）（Ｔ１－Ｔ３）] ／[（ＴＢ－Ｔ１）（Ｔ２－Ｔ４）]
但し、ＴＢ：深部体温
Ｔ１：第１入力側温度センサー１５によって計測された温度
Ｔ２：第２入力側温度センサー１７によって計測された温度
Ｔ３：第１出力側温度センサー１６よって計測された温度
Ｔ４：第２出力側温度センサー１８よって計測された温度
の関係を用いて予め決定する熱抵抗比決定工程と、
決定された前記熱抵抗比Ｋを用いて、前記温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３及びＴ４を
ＴＢ＝Ｔ１＋（Ｔ１－Ｔ２）（Ｔ１－Ｔ３）
／[Ｋ（Ｔ２－Ｔ４）－（Ｔ１－Ｔ３）］
の関係に当てはめることによって前記深部体温ＴＢを推定する深部体温推定工程と、
を含む、深部体温推定方法。

［変形例］
以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において変えることが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。

（１）上記実施形態では計測対象を人の深部体温としたが、計測対象は人の深部体温に限られるものではない。例えば、犬、猫、馬、牛、マウス等の動物の深部体温を計測対象としてもよい。

（２）上記実施形態では温度センサー１５～１８としてサーミスターを用いたが、温度センサー１５～１８はサーミスターに限られるものではない。例えば、抵抗値変化が温度に対してほぼ直線性を有する、白金、ニッケル、銅等の金属を使用した測温抵抗体を用いてもよい。また、抵抗値が温度に対してほぼ直線的に増加する、ニッケルやパラジウムの合金を使用したリニア抵抗器を用いてもよい。

（３）上記実施形態では温度センサー１５～１８と温度計測回路２１（図２参照）とを別々に設けたが、温度センサー１５～１８はこのような形態に限られるものではない。例えば、温度センサー１５～１８が温度計測回路２１を内蔵し、計測した温度をデジタル出力するもの（温度センサーモジュールやデジタルＩＣ温度センサー）であってもよい。
あるいは温度計測回路２１に相当する温度計測手段をマイクロコンピューターで構成してもよい。この場合、温度計測手段は、例えば、温度センサー１５～１８の温度信号（アナログ信号）をデジタルの温度計測信号に変換する。

（４）上記実施形態は、温度センサー１５～１８を温度計測回路２１を内蔵し、計測した温度をデジタル出力するもの（温度センサーモジュールやデジタルＩＣ温度センサー）で構成し、深部体温推定手段２２をマイクロコンピューターで構成して式（１０）をデジタル信号で処理し演算することによって、深部体温ＴＢを算出し推定値を出すような実施対応としてもよい。

１…深部体温計、２…深部体温計測用プローブ、１１…第１入力側断熱体、１２…第１出力側断熱体、１３…第２入力側断熱体、１４…第２出力側断熱体、１５…第１入力側温度センサー、１６…第１出力側温度センサー、１７…第２入力側温度センサー、１８…第２出力側温度センサー、１９…伝熱体、５…第１熱流測定系、５ａ…第１熱流、６…第２熱流測定系、６ａ…第２熱流、８…空気、９…被検体、９ａ…被検体表面、９ｂ…被検体中間部、９ｃ…被検体深部、２０…隙間、２１…温度計測回路、２１ａ…温度情報信号、２２…深部体温推定手段、２３…メモリー、２４…バッテリー、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４…温度、ＴＢ…深部体温、Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒｓ，Ｒｘ…熱抵抗（熱抵抗値）、Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ…熱流（熱流値）、Ｋ…熱抵抗比、１０９…代用被検体、１０９ａ…代用被検体表面（代用皮膚）、１０９ｂ…代用被検体中間部、１０９ｃ…代用被検体深部（生体深部）、１３０…ウォーターバス、１３１…温度センサー、１３１ａ…支持棒、１３３…アルミニウム桶、９０２…深部体温計測用プローブ、９０５…第１熱流測定系、９０５ａ…第１熱流、９０６…第２熱流測定系、９０６ａ…第２熱流、９１１…断熱体、９１９…アルミニウムカバー

Claims (7)

1. 被検体から流出する第１熱流を測定可能な第１熱流測定系と、前記被検体から流出する第２熱流を測定可能な第２熱流測定系とを備えた深部体温計測用プローブであって、
   前記第１熱流測定系が、前記被検体側に配置された第１入力側断熱体と、前記第１入力側断熱体に積層された第１出力側断熱体と、前記第１入力側断熱体における前記第１熱流の上流側に配置された第１入力側温度センサーと、下流側に配置された第１出力側温度センサーと、を有し、
   前記第２熱流測定系が、前記被検体側に配置された第２入力側断熱体と、前記第２入力側断熱体に積層された第２出力側断熱体と、前記第２入力側断熱体における前記第２熱流の上流側に配置された第２入力側温度センサーと、下流側に配置された第２出力側温度センサーと、を有するとともに、
   前記第１熱流測定系と前記第２熱流測定系との間には、それぞれ独立した熱流が形成されるように隙間が設けられ、
   前記第１出力側断熱体及び前記第２出力側断熱体は、熱伝導率が０．０１～０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲内にある断熱体であり、
   前記第１出力側温度センサーは前記第１入力側断熱体と前記第１出力側断熱体との間に配置され、前記第２出力側温度センサーは前記第２入力側断熱体と前記第２出力側断熱体との間に配置される、ように構成されている
   ことを特徴とする深部体温計測用プローブ。
2. 請求項１に記載の深部体温計測用プローブにおいて、
   当該深部体温計測用プローブは、前記第１熱流の殆どが前記被検体から前記第１入力側断熱体を通って前記第１出力側断熱体に向かい、前記第２熱流の殆どが前記被検体から前記第２入力側断熱体を通って前記第２出力側断熱体に向かう、双熱流法の計測原理の理想条件に近い状態となるように構成されている
   ことを特徴とする深部体温計測用プローブ。
3. 請求項１又は２に記載の深部体温計測用プローブにおいて、
   深部体温計測時に、前記第１入力側温度センサーは前記被検体と前記第１入力側断熱体との間に配置され、前記第２入力側温度センサーは前記被検体と前記第２入力側断熱体との間に配置される、ように構成されている
   ことを特徴とする深部体温計測用プローブ。
4. 請求項１～３のいずれかに記載の深部体温計測用プローブにおいて、
   前記第１出力側断熱体及び前記第２出力側断熱体は、断熱紙を用いて構成されている
   ことを特徴とする深部体温計測用プローブ。
5. 請求項４に記載の深部体温計測用プローブにおいて、
   前記断熱紙は、シリカエアロゲルに繊維を混合したものである
   ことを特徴とする深部体温計測用プローブ。
6. 請求項１～５のいずれかに記載の深部体温計測用プローブにおいて、
   前記第１入力側断熱体及び前記第２入力側断熱体の側面に、前記第１入力側断熱体及び前記第２入力側断熱体よりも熱伝導率が高い伝熱体が設けられている
   ことを特徴とする深部体温計測用プローブ。
7. 請求項１～６のいずれかに記載の深部体温計測用プローブと、
   前記第１入力側温度センサー及び前記第２入力側温度センサー、並びに、前記第１出力側温度センサー及び前記第２出力側温度センサーに接続され、各前記センサーからの温度情報に基づきそれぞれの温度を計測する温度計測回路と、
   前記温度計測回路で計測された温度を用いて深部体温を推定する深部体温推定手段と、を備える
   ことを特徴とする深部体温計。