特集

NTT 医療健康ビジョン――バイオデジタルツインの実現に向けて体内リズム

深部体温非侵襲

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
深部体温は医療現場でも用いられる重要なバイタルサインですが，近年，体内リズムを反映する指標としても注目されています．深部体温は体の核心部の温度であるため，測定を精確に行うためには体腔内にセンサを挿入する必要があり，負担が大きいことが課題です．
NTT 物性科学基礎研究所では，熱の流れに着目し，体にセンサを貼るだけで深部体温を測定可能とする技術の研究を行っており，本稿では現在の研究の進捗状況について紹介します．

深部体温測定が実現する
高度な健康管理深部体温は，図 ₁（a）に示すように

だいち

たなかゆうじろう松永大地 田中雄次郎

たじまたくろう

せやまみちこ田島卓郎 瀬山倫子

NTT 物性科学基礎研究所

脳や臓器など体の核心部の温度を指は熱中症や感染症などの炎症反応の結し，これらの働きを守るため外の環境果として上昇し，低体温治療や低体温の影響を受けにくく，全身でもっとも症などの発症で下降するため，医療分高い温度に保たれています．深部体温野では重要なバイタルサインとして利

正常な
体内時計

深部体温

深部体温

休息

睡眠

活動
照明・空調等の住環境制御

ずれていない体内リズム
0（a）核心部と深部体温

ずれた
体内リズム
8
生活時間

20（c）深部体温測定を用いたヘルスケアシステムの例

仕事
自宅

運転
オフィス

屋外
活動

介護

（d）深部体温測定の活用分野例

図12021.5

自動車

運動
工事現場

介護施設

データ解析

深部体温測定（時）（b）深部体温測定で可視化される体内リズム

睡眠

22

まつなが

深部体温とその活用方法

スポーツ大会特集

用されています．一方で，深部体温はリズムは，光照射をはじめとした外部きます．手術中においては，厳格な深平熱の範囲内でも約 1 日周期に 1 ℃程刺激で改善されることも知られていま

部体温の管理に向けて，センサを挿入

度の小さな変動があります．この深部す．そこで，深部体温の測定が負担なして測定する直腸温度や，カテーテル体温の変動は，体内リズムと連動してく行え，自分自身の体内リズムを手軽を挿入して肺動脈温度の測定が実施さいることが知られています ．ヒトのに把握できるようになると，図 1（c）

れています．これらの測定法は侵襲的

体内リズムは睡眠や運動の質，疾患のに示すように，個人に応じたヘルスケであるため，体温計自体は外部環境の発症等，私たちの体の状態と密接に関アシステムが構築できます．その結影響を受けにくく，測定される温度に連していることが近年の研究から明ら

果，体内リズムと関連した図 1（d）には信頼性があります．一方で，体温計かとなっています．人々の生活習慣が示す睡眠管理や，介護，労働管理などを体内に設置するため負担が大きく，多様化する現代社会においては，体内のさまざまな分野への貢献が期待され衛生面で注意が必要にもなります．

リズムと就寝・起床時刻をはじめとします．

（1）

もう 1 つは，体の表面に接触させてた生活時間との間でずれが生じやす

NTT では， 1 日のうちで 1 ℃程度測定する体温計です．衛生的ですが体く，それがさまざまな社会問題となっのわずかな深部体温の変動を見逃さな温計自体が外部環境とも接触することている疾患と関連することが知られてい，高い精度で，かつ体への負担が小から，測定面での制限が出てきます．

きています．

さい深部体温センサデバイスの開発に

腋窩体温計ではしっかり腕を閉じて 5

個人の体内リズムを把握するため取り組んできています．本稿では，ま分程度測定することで，深部体温を反に，血液を採取してホルモン成分などず深部体温の既存の測定方法を紹介

映した温度が測定できます（3）．しかの時間変化を調べる方法が確立されてし，NTT が取り組む非侵襲な深部体し，その状態を長時間維持することはいますが，それ以外では深部体温の測温の原理について述べ，現在の研究の困難です．そこで，体に張り付け，外定が有効な方法です．図 1（b）に示す進捗状況について紹介します．

部環境に体温計が晒される状態にあっように，体内リズムと生活時間にずれがない場合，深部体温は睡眠の数時間

既存の深部体温の測定法と課題ても，深部体温を推定する手法として，熱流補償法を用いたセンサが知ら前から下降し始め，睡眠後半からは上深部体温の測定方法は，その侵襲性れています．額部にセンサを張り付昇に転じます．しかし，不規則な生活によって大きく 2 つに分類できます．

け，体内から表面への熱の流れ（熱流などで体内リズムと生活時間での睡1 つは，体腔内に温度計を挿入して測束）をキャンセルするように，センサ眠・覚醒タイミングとのずれが生じて定する方法です．舌下温度計は，呼吸内のヒータで熱を加えることで深部体いる場合，睡眠の質が悪化します．こや食事の影響を受けないよう口を閉じ温を測定します．この熱流補償法のセのような状態はソーシャルジェットラて保った状態を一定時間，維持するこンサは，生体の加熱を伴うため原理的グと呼ばれ，時差ボケのような状態にとで深部体温が測定できます．鼓膜温に比較的大きな電力が必要です．まなります．これが続くと，寝付きが悪度計は，耳穴へ挿入したセンサで鼓膜た，利用の際の環境にも制限があり，い・眠りが浅い・朝起きるのがつらい・から放射される赤外線を計測して鼓膜手術中の深部体温の管理に用いられる日中眠くなるといった睡眠障害につな温度を測定します．鼓膜温度は，近傍ものです．そこで，低電力で利用環境がり，心身の健康および社会的活動ににある頸動脈の温度を反映することかにも制限が少ない方法として，体の表悪影響を及ぼします ．一方で，体内ら，深部体温相当を測定することがで面に張り付けて熱流束を測定し，加熱（2）2021.523

特集

NTT 医療健康ビジョン――バイオデジタルツインの実現に向けてNTT独自の熱損失抑制構造

熱等価回路
RAir

深部体温センサ
測定

RSensor

熱流束素子

熱損失

RAir

RSensor

熱損失

生体

RBody

・風で変化しない・小さい測定
RBody’
熱損失

熱流束
RBody Rsensor

α=1+（RBody’ + 2RBody）+ RBody’ RBody
RAir

シミュレーションに基づく深部体温推定誤差
30（℃）
0.620
10002.51020（W/m2K）
熱伝達率（対流状態）（a）従来構造の深部体温センサ．補正係数αは外気の対流状態RAirの影響を受ける

図2

RBody

RBody：生体の熱抵抗
RSensor：センサの熱抵抗
RAir：外気への熱抵抗（対流状態）

Rsensor
RBody

シミュレーションに基づく深部体温推定誤差
（℃）
40

外気温

外気温

（℃）
4030（℃）
0.620
1000
2.51020（W/m2K）
熱伝達率（対流状態）（b）NTTの深部体温センサ．補正係数αは外気の対流状態RAirの影響を受けにくい

深部体温センサの構造と推定誤差を伴わず深部体温を推定するセンサの示します．深部体温は，体の核心部にれます（₄）．これまでの熱流束法を用い技術が重要となります．しかし，熱流ある深部体温領域から生体組織を経てた深部体温センサ研究例では，図 2（a）束を測定するセンサでは，風のような皮膚温度として現れます．この皮膚温の従来構造の概略図とシミュレーショ

外部環境の変化や，人の発汗の状態の度は，深部体温と比較すると，通常のン結果に示すように，風が全くないよ

変化により測定誤差が生じやすい課題

快適な環境下では，外気への熱の放散

うな実験環境下においては，深部体温があります．そこで NTT では，体のによって低くなっています．体の表面を正確に推定することができます．

表面に貼るだけで負担が少なく，非侵で測定した皮膚温度から深部体温へ換

一方で，実際の生活環境では無風と襲的な測定方法で上記の課題の解決を算するためには，体の中の深部体温がいうことはほとんどなく，対流が存在図っています．

存在する領域から深部体温センサが貼しています．体の表面に深部体温センり付けられている体の表面までの温度サを設置すると，センサが被覆した部分布を求めます．つまり皮膚温度が深分の皮膚温度は，被覆されないセンサ

部体温からどれだけ冷えたかを算出

周囲の皮膚温度と比べると高くなりま体の表面に貼るだけで，非侵襲で深し，深部体温の真の値を推定して測定す．そのため図 2（a）の矢印で示すよ部体温を測定する方法の概要を図 ₂ にします．この方法は，熱流束法と呼ばうに，熱がセンサ周辺に流出してしま

非侵襲での深部体温測定とNTT センサの特徴

2₄

測定
RBody

熱流束
α=1+

RAir

熱流束素子

熱損失・風で変化する・大きい

生体

深部体温センサ

測定
RBody’

RBody

熱等価回路

2021.5

特集う現象がおきます．この “ 熱損失 ” はセンシング部分で計測できない熱となるため，図 2（a）のシミュレーションに示すように，深部体温の推定の誤差の原因となります．この “ 熱損失 ” に30 mm

ついて，あらかじめ熱流束センサで測ロガー

センサ

定される熱流束と熱損失の比として事前に補正係数αを校正し，深部体温を推定する方法があります（5）．しかし，（b）センサを貼り付けた様子（a）測定用アプリの画面

図3

この補正係数αもまた対流状態の変化（c）NTTセンサ

NTTが研究開発を行う深部体温センサによって影響を受け，測定誤差が生じます．
そこで NTT では，補正係数αが対流状態の影響を受けにくいセンサ構造を考案しました（₆）．その概要を図 2（b）に示します．従来構造では，漏れた熱安静

流束はセンサを介さずそのまま外気へ
（℃）
39.0

る熱流束と漏れた熱流束の比である補ことで，漏れた熱流束は高熱伝導材を伝わり，熱流束センサで測定された熱流束と合流して外気へ放散します．これにより補正係数αは対流状態に依存

扇風機 自転車

安静

38.0

深部体温

囲を熱が通りやすい高熱伝導材で覆う（℃）
39.0

安静
深部体温

NTT のセンサ構造では，センサの周自転車（a）測定プロトコルと放散され，熱流束センサで測定され正 係 数 は 対 流 状 態 に 依 存 し ま す．

扇風機

37.036.0

扇風機 自転車

38.0

NTTセンサ
参照鼓膜温度37.0NTTセンサ
参照鼓膜温度
0306090120150180 （分）36.00306090120150180 （分）時間時間（b）実験参加者 1 の結果（c）実験参加者 2 の結果※（b）,（c）は異なる実験参加者による結果せず，深部体温の推定誤差を低減することができます．この構造を熱損失抑図4

深部体温測定の例

制構造と呼んでいます．NTT では熱損失抑制構造の形状を最適化し，熱損果に示すように，エアコンの風よりも失自体も小さく抑えることで，センサ

強い 5 m/s の風が吹いた場合でも，の小型化と精度向上の両方を実現して深部体温の推定誤差を0.1 ℃以内に抑います．この最適化したセンサを用い制できることになります．

ると，図 2（b）のシミュレーション結NTT の深部体温センサと測定結果の例
最適化した熱損失抑制構造を有するセンサからなる深部体温センサを図 ₃2021.52₅

特集

NTT 医療健康ビジョン――バイオデジタルツインの実現に向けてに示します．センサ部（白いプローブ）

より，体内リズムを適切に保つアプリ

は直径30 mm，厚み 5 mm で，ペッケーションの実装が期待されます．

トボトルの蓋の厚みを 3 分の 1 にした日常生活における長期間のモニタリものと同程度のサイズです．センサでングでは，装着性や連続計測等のユー測定された皮膚温度と熱流束は，ロザビリティや，データを収集・可視化

ガ ー 部 で デ ジ タ ル 変 換 さ れ，Blue­するスマートフォンとの連携も重要でtooth で測定用アプリに転送，記録さす．今後はセンサとロガーを一体化しれます．

たデバイスによる長期間の連続測定にこの深部体温センサを用いて生体適用実験を行った測定結果の例を図 4 に示します．実験参加者の前額部にセンサを装着し，扇風機で風を当てる実験と，低強度の運動（自転車をこぐ）を行った実験を実施しました．どちらの場合でも，精度良く参照温度（市販の鼓膜センサの温度）へ追従することを確認しました．これらの結果から，エアコンなどで対流が存在する環境においても，高精度に深部体温を測定可能であることを実証しました．

今後の展望
本稿では，体の表面に貼るだけの非侵襲な深部体温計の実現に向け，熱流束を用いて深部体温を推定する技術について紹介しました．従来では困難であった，日常生活での高精度な深部体温測定が実現すると，健康管理システ
ムへの応用や，時間薬理学といった新たな医療への応用が期待されます．さらに，深部体温の変動から体内リズムを可視化し，生活リズムとのずれを把握することができるようになると，スマートホーム等と連携した環境制御に

26

2021.5向け，研究開発に取り組んでいきます．
■参考文献（1） A. Cagnacci, J.A. Elliott, and S.S.Yen:“Melatonin: a major regulator of thecircadian rhythm of core temperature inhumans,” Journal of Clin Endocrinol Metab,Vol. 75, No. 2, pp. 447-452, August 1992.
（2） 橋本 ・ 本間 ・ 本間：“ 睡眠と生体リズム，”
日薬理誌，Vol. 129, No. 6, pp. 400-403, 2007.
（3） J.Y. Lefrant, L. Muller, J.E. Coussaye, M.
Benbabaali, C. Lebris, N. Zeitoun, C. Mari,G. Saïssi, J. Ripart, and J.J. Eledjam:“Temperature measurement in intensive
care patients: comparison of urinary bladder,oesophageal, rectal, axillary, and inguinal
methods versus pulmonary artery core
method,” Intensive Care Med, Vol. 29, No. 3,pp. 414-418, Feb. 2003.
（4） K. Kitamura, X. Zhu, W. Chen, and T.
Nemoto: “Development of a new method forthe noninvasive measurement of deep bodytemperature without a heater,” Med. Eng.
Phys., Vol. 32, No. 1, pp. 1-6, Jan. 2010.
（5） J. Feng, C. Zhou, C. He, Y. Li, and X. Ye:“Development of an improved wearable
device for core body temperature monitoring
based on the dual heat flux principle,” Med.
Eng. Phys., Vol. 38, No. 4, pp. 652-668,
April 2017.
（6） D. Matsunaga, Y. Tanaka, M. Seyama，andK. Nagashima: “Non-invasive and wearable
thermometer for continuous monitoring ofcore body temperature under various convec­
tive conditions,” Proc. of EMBC, pp. 43774380, July 2020.

（上段左から）松永  大地/ 田中  雄次郎
（下段左から）田島  卓郎/ 瀬山  倫子
今回紹介した非侵襲での深部体温測定以外にもさまざまな物理現象や生理現象に着目し，新たな生体センサの研究開発を進めています．これらのセンサを活用し，より高度な健康管理アプリケーションによる高付加価値なサービス創出をめざしていきます．

◆問い合わせ先NTT 物性科学基礎研究所
バ イオメディカル情報科学研究センタ
TEL 046-240-2819
FAX 046-240-4728
E-mail daichi.matsunaga.ye

hco.ntt.co.jp