JP3935915B2 - 高速精密温度測定装置の作動方法および人の体温の測定システム - Google Patents

Description

本発明は、特に、以下「物体」と称する低熱伝導性空洞（例えば、人体）の温度測定に有用な高速精密温度測定装置の作動方法および人の体温の測定システムに関するものである。更に詳しくは、本発明は、物体と第１の温度センサー位置の間、および、第１の温度センサーと第２の温度センサー位置の間で測定される熱流束から物体温度を計算する高速精密温度測定装置の作動方法および人の体温の測定システムに関するものである。

あらゆる温度測定法は、測定される物体から測定装置プローブへの熱伝達を必要とする。熱は、伝導、対流および放射の３つの方法によって伝達される。本発明の方法は、（流動する空気または液体におけるような）熱伝導および熱対流を測定するものである。精密さは、高い確実性をもって知ることのできない定数を、早期に認識することによって達成されるため、放射熱測定は精密さに欠ける。

対流または伝導を利用した多くの温度測定装置においては、温度測定センサーが、測定される物体と熱平衡となることが要求される。測定される物体が熱伝導性に乏しい場合、（温度測定センサーと）平衡に達するまでに相当の時間がかかる。この（平衡に達するまでの）測定待ち時間は、熱力学的に避けられない。この待ち時間の短縮は、常に測定精度を犠牲にする。

本発明の方法およびシステムは、この待ち時間を排除するものである。本発明の方法およびシステムは、温度を直接測定する（これは、平衡を待つ必要がある。）代わりに、温度センサーの測定値を予測することによって温度を計算する。この予測は、熱伝達方程式、好ましくは熱伝導方程式によって、（ａ）物体と第１の温度センサーとの間、および、（ｂ）第１の温度センサーと第２の温度センサーとの間で測定される熱流束によって物体温度を計算するものである。

第一に熱流束測定は熱平衡を待つ必要がなく、第二に計算自体は標準的なマイクロプロセッサにおいてリアルタイムで実施されるため、本発明の方法およびシステムによれば物体の正確な温度を速やかに知ることができる。

以下、（本発明の方法およびシステムにおけるデータ処理部において用いられるアルゴリズムの範囲で具体化した）主要な方程式の誘導について詳細に説明する。
伝導熱伝達方程式（本発明で用いる装置の加熱体は温度測定の間は動作しないため、熱源を含まない一次元）：

この方程式は、問題とされる物体の入口と出口における熱流束の差を表す。

ここで、一次元の熱流束（Ｑ）は、位置変化ｄｘに対する温度変化ｄＴの定数「ｋ」倍として定義される。

有限差を用いると、式（＊）は次のように書き表せる。

と表すことができる。

ｘ_inに配置された「Ｓ₁」と、ｘ_outに配置された「Ｓ₂」という２つの熱センサーが存在し、これらのセンサーが既知の熱伝導係数を有する有限距離（例えば、断熱部材）を介して離れており、「Ｓ₁」が物体と熱的に接触し、「Ｓ₂」が熱プローブ内に存在しており、物体がｘ_in＋Δｘに配置されるとすると、（＊＊）より次の近似が理解できる。

における温度上昇は、物体から入る熱ω_in×［（Ｔ_body）−（Ｔ_S1）］から、プローブから出る熱ω_out×［（Ｔ_S1）−（Ｔ_S2）］を差し引いたものとして定義される。

本発明の方法およびシステムは、熱平衡を待つ必要なしに、熱流束に相当する測定温度によって、この方程式を未知のＴ_body、ω_in、ω_outについて解くものである。

本発明は、ａ）身体に適用するための端を備えた温度プローブと、
ｂ）前記プローブの前記端付近の表面下に配置された第１の温度センサーと、
ｃ）前記プローブ内に、前記第１の温度センサーに対して平行に配置された少なくとも１つの第２の温度センサーと、
ｄ）前記第１の温度センサーと前記第２の温度センサーとの間に配置された断熱部材と、
ｅ）前記第１および第２の温度センサーと接続されたデータ処理部と、
ｆ）前記データ処理部と接続されたデータ表示部とを含む高速精密温度測定装置の作動方法であって、
前記データ処理部が、前記第１温度センサーおよび前記第２温度センサーを、連続した時間間隔で、読み取る工程、
前記データ処理部が、前記温度センサーからの前記読み取り値を用いて、身体と前記第１の温度センサーとの間の熱流束、および、前記第１の温度センサーと前記第２の温度センサーとの間の熱流束に基づく非定常状態の熱伝達方程式を数学的に解いて予想温度を得る工程、ならびに
前記データ表示部が、前記予想温度を人の体温として表示する工程を含む作動方法に関する。

また、本発明の方法は、前記高速精密温度測定装置が、更に、前記温度プローブ内に配置された加熱素子を含み、前記加熱素子が、前記プローブを所定の温度に予熱する工程を更に含むのが好ましい。

また、本発明の方法は、前記高速精密温度測定装置が、前記プローブ内に第１の温度センサーに対して平行に配置された第３の温度センサーを更に含み、前記第３の温度センサーが前記データ処理部に接続され、前記データ処理部が、前記第３の温度センサーを、連続した時間間隔で、読み取る工程をさらに含み、前記非定常状態の前記熱伝導方程式を数学的に解く工程が、前記第３の温度センサーの前記読み取り値をさらに用いて、前記第１の温度センサーと前記第３の温度センサーとの間の熱流束にさらに基づく前記非定常状態の前記熱伝達方程式を数学的に解くことにより行われるのが好ましい。

さらに、本発明は、ａ）身体に適用するための端を備えた温度プローブと、
ｂ）前記プローブの前記端付近の表面下に配置された第１の温度センサーと、
ｃ）前記プローブ内に、前記第１の温度センサーに対して平行に配置された少なくとも１つの第２の温度センサーと、
ｄ）前記第１の温度センサーと前記第２の温度センサーとの間に配置された断熱部材と、
ｅ）前記第１および第２の温度センサーと接続されたデータ処理部と、
ｆ）前記データ処理部と接続されたデータ表示部とを含む高速精密温度測定装置を含む、人の体温の測定システムであって、
前記データ処理部が、前記第１温度センサーおよび前記第２温度センサーを、連続した時間間隔で、読み取り、前記温度センサーからの前記読み取り値を用いて、身体と前記第１の温度センサーとの間の熱流束、および、前記第１の温度センサーと前記第２の温度センサーとの間の熱流束に基づく非定常状態の熱伝達方程式を数学的に解いて予想温度を得、
前記データ表示部が、前記予想温度を人の体温として表示する人の体温の測定システムである。

また本発明のシステムは、前記高速精密温度測定装置が、更に、前記温度プローブ内に配置された加熱素子を含み、前記加熱素子が、前記プローブを所定の温度に予熱するのが好ましい。

また、本発明のシステムは、前記高速精密温度測定装置が、前記プローブ内に第１の温度センサーに対して平行に配置された第３の温度センサーを更に含み、前記第３の温度センサーが前記データ処理部に接続され、前記データ処理部が、前記第３の温度センサーを、連続した時間間隔で、さらに読み取り、前記第３の温度センサーの前記読み取り値をさらに用いて、前記第１の温度センサーと前記第３の温度センサーとの間の熱流束にさらに基づく前記非定常状態の前記熱伝達方程式を数学的に解くのが好ましい。

本発明は、特に人の体温測定に有用な高速精密温度測定装置を用いる人の体温の測定方法および測定システムに関する。本発明で用いる装置は、動物の体温測定およびあらゆる低熱伝導性空洞の温度測定にも有用である。

本発明で用いる装置は、下記の部材を含む。
（ａ）長形温度プローブ。このプローブは、体腔（本発明において「体腔」という用語は、腋の下、口腔および直腸をも意味する。）に挿入するためのものである。プローブは、デリケートな体腔へ安全に挿入するために、丸みを帯びた挿入端を有する。
（ｂ）第１の温度センサー。この第１のセンサーは、（挿入深さを最小にするため、）挿入端付近のプローブ表面下に配置される。
（ｃ）少なくとも１つの第２の温度センサー。この第２のセンサーはプローブ内に配置され、第１のセンサーに対して平行である。
（ｄ）断熱部材。この部材は、第１のセンサーと第２のセンサーとの間に配置される。センサーおよび断熱部材の全体構造は好ましくは巻回されているということが、（後述するように）強調される。
（ｅ）データ処理部。このデータ処理部は、第１および第２の温度センサーと接続されている。データ処理部は、（ｉ）物体と第１のセンサーとの間、および、（ｉｉ）第１のセンサーと第２のセンサーとの間で測定された熱流束によって物体温度を計算する。
（ｆ）データ表示部。このデータ表示部はデータ処理部と接続され、データ処理部で計算された物体温度を表示する。データ表示部は、メッセージ（例えば、測定エラー）を表示してもよい。

本発明で用いる装置の好ましい形態によれば、加熱素子が温度プローブ内に配置されている。この加熱素子は、プローブを所定の値（人の体温測定においては、約３４〜３８℃）まで予熱する。このようにプローブが予熱されると、室温のプローブを用いた場合よりも、測定値の高次外挿が実施されるのに要する時間が短縮される（背景欄に記載した熱伝達方程式を参照のこと。）。

温度測定値の計算速度および正確さを改善するため、随意に追加的な第２のセンサー（以下、「第３のセンサー」とする。）をデータ処理部によって使用することができる。第３のセンサーは（温度）プローブ内に配置され、第１のセンサーに対して平行である。第３のセンサーもデータ処理部に接続される。これにより、データ処理部は、更に、第１のセンサーと第３のセンサーとの間で測定される熱流束によって物体温度を計算する。

測定される温度範囲を限定することによって感度が高まるため、予熱工程は随意ではあるものの重要である。

更に、本発明で用いる装置の好ましい形態によれば、第１のセンサー、第２のセンサーおよび加熱素子は、単一のフレキシブル基板（プリント回路板）上にフォトエッチングされている。そして、この基板は、センサー同士間に配置された断熱部材とともに、（２つのセンサー（または３つのセンサー）を平行に配列させるように）巻回または折畳まれる。巻回される場合、基板自身が断熱媒介体となる。

このように配列されたセンサー（およびそれらの断熱媒介体）は長形プローブ内に挿入され、それによって（必要とされる２つ（または３つ）の流束測定値が容易に得られるような）配列に保持される。

本発明で用いる装置の長形プローブは、金属またはその他の熱伝導率の高い材料で作製される。長形プローブの材料選択は、（医療上の使用の場合）容易な洗浄または滅菌など、使用時の衛生的要因にも関係する。

２つ（または３つ）のセンサーおよび加熱素子を含むモジュールは、安価で、製造が容易であり、製造に手動の労働を必要とせず、センサーを相互に調整する必要がないという利点を有する。

本発明で用いる装置は、図１〜３によって更に詳細に記述され、明確にされる。これらの図面は、本発明の好ましい形態を示すことを意図するものにすぎず、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

図１は、挿入されたプローブの概略断面図を示している。人の体腔（２）内に挿入されたメタルケース温度プローブ（１）が示されている。３部品組立体は、第２のセンサー（４）から断熱部材（５）を介して離間させた第１のセンサー（３）を含む。この３部品組立体は、第１のセンサーの一側面が温度プローブのメタルケースと熱的に接触し、第２のセンサーがプローブの中心線付近に存在するように、プローブの挿入端付近に配置される。加熱（コイル）素子（６）は断熱部材内に配置される。更に、随意の第３のセンサー（７）が示されている。

図２は、配列されたセンサーの等角投影断面図を示している。湾曲した３部品組立体（これが挿入されるプローブの湾曲に適合した形状−図１を参照のこと。）は、平行な第２のセンサー（４）（方程式において「Ｔ_S2」として示される。）から幅「Ｘ」の断熱部材（５）を介して離間した第１のセンサー（３）（方程式において「Ｔ_S1」として示される。）を含む。従って、方程式Ｑ＝ｋ（ｄＴ／ｄＸ）（背景欄を参照のこと。）において、「ｄＴ」は（Ｔ_S2−Ｔ_S1）またはＴ_body−Ｔ_S1に等しく、「ｄＸ」は「Ｘ」軸に沿った最終的な距離である。

第１のセンサーは、コンタクト（８）および（９）によって、データ処理部の回路に接続されている。第２のセンサーは、コンタクト（１０）および（１１）によって、データ処理部の回路に接続されている。データ処理部（必要とされるアナログ−デジタル変換回路、電源（例えば電池）を含む。）は、データ表示部に接続されている。

図３は、高速精密温度測定装置において用いられる操作手順のフローチャートである。装置がプローブ内の加熱素子を起動させると、加熱素子がプローブを（人の体温測定においては）約３４〜３８℃に予熱し（１２）、２つのセンサーからデータが約３〜４秒間読み取られ（１３）、これらの測定値からデータ処理部が一定範囲のε限界値に収束した物体温度を算出する（１４）。算出された物体温度が物体温度として許容される範囲内にない場合（１５）は、追加的な温度測定値が２つのセンサーから約０．５秒間読み取られ、計算工程（１４）が反復される。

算出された物体温度が許容範囲内にある場合（１６）は、算出された物体温度がデータ表示部に表示される（１７）。

本発明で用いられる装置は、アナログおよびデジタル回路を有する。アナログ回路の目的は、温度をサンプリングすることと、加熱素子を起動することである。この回路は、２つのセンサー（および随意の第３のセンサー）と加熱素子とに接続されており、データサンプルを中継してデータをデジタル処理するために、デジタル回路と接続されている。各センサーは個別の回路を有する。各センサーの信号は、非常に低い電圧（合計で１００μＶ）であるが、ノイズフィルタに中継される。次に、信号は、アナログ回路セグメントの出口に中継される。

デジタル回路の目的は、予熱およびアナログセグメントの起動の全動作を制御すること、測定値を生成すること、増幅されてフィルタにかけられた信号をアナログ回路セグメントから受け取ること、それを２値（デジタル値）に変換すること、必要とされる数学的計算を行うこと、および、算出された温度を表示することである。

伝送制御部は、アナログ回路からアナログデータを受け取り、電圧を２値（デジタル値）に量子化するＡ／Ｄ変換器に逐次伝送する。マイクロプロセッサは温度を計算し、プログラムの回路の流れを制御する。また、この回路は、表示部とマイクロプロセッサに対して安定した電気的動作環境を供給する他の回路素子を含む。

データ処理部は適当なコンタクトに取付けることができる。そして、２つのセンサーが平行に配列し、センサー同士間に断熱部材が配置されるように、基板が巻回される（または折畳まれる）。このように配列されたセンサーは、断熱部材とともに長形プローブに挿入され、これによって配列が保持される。そして、データ処理部、データ表示部、電池並びに適当なホルダおよびコネクタが、プローブの挿入端から離れた領域に挿入され、特に人の体温測定に有用な温度測定装置としての衛生的使用に適当なように、プローブが封止される。

本発明で用いられるプローブは、人の体温測定、動物の体温測定およびあらゆる低熱伝導性空洞の温度測定にも有用である。

図１は、挿入されたプローブの概略断面図を示す。 図２は、配列されたセンサーの等角投影断面図を示す。 図３は、高速精密温度測定装置において用いられる操作手順のフローチャートである。

符号の説明

１・・・・温度プローブ
２・・・・体腔
３・・・・第１のセンサー
４・・・・第２のセンサー
５・・・・断熱部材
６・・・・加熱素子
７・・・・第３のセンサー
８・・・・コンタクト
９・・・・コンタクト
１０・・・・コンタクト
１１・・・・コンタクト

Claims (6)

1. ａ）身体に適用するための端を備えた温度プローブと、
   ｂ）前記プローブの前記端付近の表面下に配置された第１の温度センサーと、
   ｃ）前記プローブ内に、前記第１の温度センサーに対して平行に配置された少なくとも１つの第２の温度センサーと、
   ｄ）前記第１の温度センサーと前記第２の温度センサーとの間に配置された断熱部材と、
   ｅ）前記第１および第２の温度センサーと接続されたデータ処理部と、
   ｆ）前記データ処理部と接続されたデータ表示部とを含む高速精密温度測定装置の作動方法であって、
   前記データ処理部が、前記第１温度センサーおよび前記第２温度センサーを、連続した時間間隔で、読み取る工程、
   前記データ処理部が、前記温度センサーからの前記読み取り値を用いて、身体と前記第１の温度センサーとの間の熱流束、および、前記第１の温度センサーと前記第２の温度センサーとの間の熱流束に基づく非定常状態の熱伝達方程式を数学的に解いて予想温度を得る工程、ならびに
   前記データ表示部が、前記予想温度を人の体温として表示する工程を含む作動方法。
2. 前記高速精密温度測定装置が、更に、前記温度プローブ内に配置された加熱素子を含み、
   前記加熱素子が、前記プローブを所定の温度に予熱する工程を更に含む請求項１に記載の作動方法。
3. 前記高速精密温度測定装置が、前記プローブ内に第１の温度センサーに対して平行に配置された第３の温度センサーを更に含み、前記第３の温度センサーが前記データ処理部に接続され、
   前記データ処理部が、前記第３の温度センサーを、連続した時間間隔で、読み取る工程をさらに含み、
   前記非定常状態の前記熱伝導方程式を数学的に解く工程が、前記第３の温度センサーの前記読み取り値をさらに用いて、前記第１の温度センサーと前記第３の温度センサーとの間の熱流束にさらに基づく前記非定常状態の前記熱伝達方程式を数学的に解くことにより行われる請求項１または２に記載の作動方法。
4. ａ）身体に適用するための端を備えた温度プローブと、
   ｂ）前記プローブの前記端付近の表面下に配置された第１の温度センサーと、
   ｃ）前記プローブ内に、前記第１の温度センサーに対して平行に配置された少なくとも１つの第２の温度センサーと、
   ｄ）前記第１の温度センサーと前記第２の温度センサーとの間に配置された断熱部材と、
   ｅ）前記第１および第２の温度センサーと接続されたデータ処理部と、
   ｆ）前記データ処理部と接続されたデータ表示部とを含む高速精密温度測定装置を含む、人の体温の測定システムであって、
   前記データ処理部が、前記第１温度センサーおよび前記第２温度センサーを、連続した時間間隔で、読み取り、前記温度センサーからの前記読み取り値を用いて、身体と前記第１の温度センサーとの間の熱流束、および、前記第１の温度センサーと前記第２の温度センサーとの間の熱流束に基づく非定常状態の熱伝達方程式を数学的に解いて予想温度を得、
   前記データ表示部が、前記予想温度を人の体温として表示する人の体温の測定システム。
5. 前記高速精密温度測定装置が、更に、前記温度プローブ内に配置された加熱素子を含み、
   前記加熱素子が、前記プローブを所定の温度に予熱する請求項４に記載の測定システム。
6. 前記高速精密温度測定装置が、前記プローブ内に第１の温度センサーに対して平行に配置された第３の温度センサーを更に含み、前記第３の温度センサーが前記データ処理部に接続され、
   前記データ処理部が、前記第３の温度センサーを、連続した時間間隔で、さらに読み取り、前記第３の温度センサーの前記読み取り値をさらに用いて、前記第１の温度センサーと前記第３の温度センサーとの間の熱流束にさらに基づく前記非定常状態の前記熱伝達方程式を数学的に解く請求項４または５に記載の測定システム。

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