フジタ技術研究報告㻌第㻡㻤号㻌 㻌 㻞㻜㻞㻞年㻌㻌㻌

熱中症対策ヘルメットデバイスの開発㻌 㻙頭部発汗量から全身発汗量の推定㻙㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌

皆内㻌 佳奈子㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌概㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 要㻌㻌
建設現場で着用義務のあるヘルメットに着目し、熱中症対策として熱中症の危険性を検知するウェアラブルデバイスを開発した。熱中症の危険性を早期に発見するために、暑熱下で作業する作業者の発汗量を計測する。本デバイスは、作業者の頭部発汗量をリアルタイムに計測し、そこから全身発汗量を推定する。暑熱環境下において開発したウェアラブルデバイスを装着しながら歩行実験を行い、頭部発汗量を計測した。その結果、頭部発汗量と全身発汗量の相関が強いことを確認した。また、本デバイスで推定される全身発汗量は、熱中症疾患の判断に有効な指標である深部体温上昇よりも、早い段階で熱中症の危険性を推定できる指標として使用できる可能性も確認できた。㻌
㻌㻌㻌㻌

Development of Helmet Devices to Combat Heat Stroke- Estimation of total body sweat from the amount of head sweat -㻌㻌Abstract
Focusing on helmets that are obligatory to wear at construction sites, we have developed a wearable device
that detects the risk of heat stroke as a preventive countermeasure. To detect the risk of heat stroke at anearly stage, the amount of sweat of workers working in the heat is measured. Our device measures theamount of head sweat of the worker in real time and estimates the amount of total body sweat from there. Awalking experiment was conducted while wearing a wearable device developed in a hot environment, and theamount of head sweat was measured. As a result, it was confirmed that the correlation between the amountof head sweat and the amount of total body sweat was strong. In addition, it was confirmed that the amountof total body sweat estimated by this device can be used as an index that can estimate the risk of heat strokeat an early stage rather than the increase in core body temperature, and total body sweat amount is aneffective index for determining heat stroke condition.
㻌キーワード：㻌熱中症対策、ヘルメット㻌

㻌

発汗量、センシング㻌㻌㻌㻌−49−㻌㻌

フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻤号㻌§１．㻌 はじめに㻌㻌㻌㻞㻚㻝㻌 頭部発汗量計測の原理㻌㻝㻚㻝㻌 背景㻌

先行研究において、発汗量の計測方法として、局所を計年々、熱中症対策に関する意識は高くなっており、測する換気カプセル法を拡張し、より広域の頭部全体を対様々な対策が講じられているにも拘らず、未だに熱中症

象に計測可能な手法が構築された5)1)。これによると、図㻝のを原因とする死者及び休業 4 日以上の被災者は絶えるこように風量F（m3/sec）による空気の流入、流出を伴う空間系とがない。2021 年は過去 3 年の状況と比較すると死傷者を考え、X1を系に流入する水分量、X2を系から流出する水数、死亡者数ともに下回った

1)

が、2022 年は梅雨明けが分量と し、系内で発生する 単位時間当たり の 水分量Y

早く、身体が暑熱に順応していない状態で猛暑となった（g/sec）を系のMass Balanceより式(1)で表す。

こともあり、厚生労働省の速報値によると 7 月の時点で死𝑌𝑌(g⁄sec) = 𝐹𝐹 × (𝑋𝑋2 − 𝑋𝑋1 )

傷者数、死亡者ともに過去 5 年間の最多を記録した 2)。

(1)

熱中症予防の為、アメリカ産業衛生専門家会議

この時、e(hPa)はTemesの式7)よりある温度t(℃)における（ACGIH）は、暑熱な作業に従事する労働者の体調を観飽和水蒸気圧を近似し（式（2））、相対湿度RH（％）から単察し、体重が 1.5%以上減少した場合には作業を中止しな位体積当たりの空気中水分量はXとして式(3)で求める。

ければならないとしている 3)。またこの知見に基づいて、

𝑋𝑋1,2 (g⁄m3 ) =厚労省も同様に、作業開始前より 1.5％を超えて体重が減少した場合、暑熱な作業を中止させ作業前の状態に𝑅𝑅𝑅𝑅1,2217 × 𝑒𝑒1,2×273.15 + 𝑡𝑡1,2 100

𝑒𝑒1,2 (hPa) = 6.11 × 10(7.5𝑡𝑡1,2 ⁄(𝑡𝑡1,2+237.3))

戻るまで休憩を取らせる必要がある、と指導している 4)。
作業中に体重が減少する主な要素は発汗であり、本研

(2)
(3)

風量F(m3/sec)が既知である場合、系に流入および流出

究では、熱中症を予防するための指標として発汗量に着する空気の温度及び相対湿度を温湿度センサで計測する目した。作業員の発汗量をリアルタイムに計測して体重減ことで、単位体積当たりの空気中の水分量X1、 X2を求め式

少量を把握することができれば、熱中症の危険性を一早(1)に代入すれば、この空間系内で発生する単位時間当たく検知して適切な休憩、塩分補給が可能となり、熱中症りの発汗相当量Yを計算で求めることができる。すなわち、疾患を未然に防ぐことができると考える。近年、バイタルセ

頭部発汗量が計測できることになる。

ンシング可能なデバイスの形状として、リストバンド型やウェア型などが様々な形状があるが、作業の邪魔にならず、装着忘れがないように、我々は、建設現場で着用義務のあるヘルメットでセンシング可能なデバイスを開発した。
㻝㻚㻞㻌 熱中症と発汗量について㻌
人は身体を動かすと、体内で熱が作られて体温が上昇する。また、身体を動かしていない場合においても暑熱下図㻝㻌 頭部発汗量計測の原理

や日差し、地面からの照り返しによって体温が上昇することがある。体温が上昇した場合、汗をかいたり、体の表面に流㻞㻚㻞 ヘルメットデバイスによる発汗量計測の原理検証実れる血液の量が増えたりして、体内の熱を体の外に逃がし験やすくすることで、体温を調整する。しかし、高温、高湿度先行研究において、ファン付きヘルメットの空気流入と流の環境下で運動や作業を長時間継続すると、体内の熱の出部にそれぞれ温湿度センサを取り付けたウェアラブルデ

上昇が止まらず、発汗により体内の水分が減り、血液の流バイスを作成した図㻞5)6)。作成したウェアラブルデバイスのれも悪くなる。そのため、体の表面から熱を逃がすことがで仕様について表㻌 㻝に示す。2か所に設置した温湿度センサ

きなくなり、熱中症を発症する。

は、それぞれ小型PCのRaspberyy Pi zero Wに接続され、デ

このことから、熱中症の機序として、発汗量の増加、心拍の上昇、深部体温の上昇が考えられるので、我々は、熱中ータが蓄積される。また、計測データを外部PCに伝送するために、小型の無線伝送モジュールを設置している。
このヘルメットデバイスを用いて、頭部発汗量計測の原症の初期症状を一早く発見するために発汗量に着目し、これを計測することにした。㻌

理を検証するための実験を行った結果、ヘルメットデバイス

㻌で頭部発汗相当量の水分量が計測できることを確認し、先§２．㻌 発汗量計測について㻌述した原理が実証された5)。㻌
−50−－㻞－㻌熱中症対策ヘルメットデバイスの開発㻌 㻙頭部発汗量から全身発汗量の推定㻙㻌㻞㻚㻟㻌 安静時ヒト検証実験による全身発汗量の推定（１）㻌 検証実験概要㻌
㻌 前述より原理検証ができたヘルメットデバイスを用いて、安静時のヒトに対し、頭部発汗量から全身発汗量が推定できるかどうかの実験を行った㻡㻕㻢㻕。㻌
被験者は、のべ㻝㻤名（㻺㻩㻝㻜）、男性㻞㻜～㻞㻞歳、頭髪は坊主刈りから長髪の者まで含む。被験者には30±1℃の実験環境において㻟㻜分間体を環境に適応後、ヘルメットデバイスを装着して㻟㻜分間計測する。体重減少量は、精密電子台
秤で㻡分毎に計測した。計測誤差の大きな要因と考えられる体表面の無効発汗の影響を最小限にするために、被験者は実験用シャツとズボンには木綿性を着用し、体重測定時にはそれらを脱ぎ、体表面の汗をぬぐってから体重を計測した。ヘルメットデバイスで計測される頭部発汗量相当量は㻝分毎に㼃㼕㻙㻲㼕を経由して、外部㻼㻯にデータを記録する。安静時ヒト検証実験の実験フローを図㻟に示す。なお、㼃㻮㻳㼀図㻞㻌 頭部発汗量計測ヘルメットデバイス構成図㻌

は、㼃㼑㼠㻌㻮㼡㼘㼎㻌㻳㼘㼛㼎㼑㻌㼀㼑㼙㼜㼑㼞㼍㼠㼡㼞㼑（暑さ指数）である。㻌

表㻝㻌 開発したヘルメットデバイスの仕様㻌
型番・特徴・仕様
ヘルメットメーカ ： （株）トーヨーセフティー
型番 ： 394F Windy Helmet㻌
重量 ： 567g
送風機内蔵ヘルメット（ファンモーター採用）

流入・流出

メーカ ： アルプスアルパイン（株）

温湿度

型番 ： HSHCAL㻌 101B

センサ

・静電容量式デジタル温湿度センサ
・センサ出力の揃ったペアセンサを採用
・最も再現性の得られる場所にセンサを配置
・センサ出力方式はノイズに強いI2C
バス出力方式を選択

高精度

メーカ:新光電子（株）

電子台秤

型番 ： FJ-150K
最小表示 ： 1g

PC

図㻟㻌 安静時ヒト発汗量計測実験フロー

機器 ： Raspberry Pi zero㻌 W
重量 ： 16g（２）㻌 安静時ヒト検証実験結果㻌
一例として、㻝名の積算体重減少量とヘルメットデバイス

無線方式 ： Wi-Fi
電源単三電池3本による頭部発汗積算相当量の計測結果の時間変化を図㻠（ヘルメットのファン電源と共用）に示す。図㻠に示すように、積算体重減少量とヘルメットデバイスによる頭部発汗積算相当量は、時間とともに徐々に増加する結果が得られた。他の被験者も同じ上昇傾向にあ−51−－㻟－㻌フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻤号㻌§３．㻌 実環境下での全身発汗量の推定実験㻌㻌㻌㻟㻚㻝 実環境での歩行実験
実験場所は、フジタ技術センターの実験ヤードで実施した。ヤード上部及び側面からは、部分的に日光が入り、窓が解放されているので、温湿度環境は概ね室外の環境と同じである。実験は㻤月に実施し、実験時の環境温度は、㻟㻜～㻟㻠℃、㼃㻮㻳㼀は㻞㻣～㻞㻥℃、湿度㻡㻟～㻣㻟㻑で、無風だった。㻌
被験者は、のべ㻝㻡名（㻺㻩㻥）、男性㻞㻢～㻢㻡歳、頭髪は坊主刈りから短髪のものを含み、作業着と開発したヘルメットデバイスを着用し、㻟㻜分間実験場の周回コースを歩行する。
図㻠㻌 安静時ヒト発汗実験における㻌

歩行速度は、通常歩行に相当する㻝㻚㻠㻟±㻜㻚㻝㼙㻛㼟（㻞㻚㻤㻹㻱㼀㼟

時間経過に伴う体重減少量と頭部発汗量に相当）になるようにした。ヘルメットデバイスで計測される頭部発汗相当量は、㻝分毎に㼃㼕㻙㻲㼕経由で外部㻼㻯に記録さった。㻌

れる。また、歩行開始前と歩行開始から㻝㻜分毎に、高精度

この実験結果をもとに、積算体重減少量と頭部発汗積算電子台秤で被験者の体重を計測して体重減少量を把握し相当量について、全データにおいて、回帰分析を行い、そた。体重計測時は、作業着は着脱し、頭部以外の汗をタオの結果を図㻡に示す。㻌

ルで拭いて、無効発汗の影響を最小とした上で、下着とヘルメットデバイスだけの状態で計測した。実験の様子を図㻢に、実験フローを図㻣に示す。㻌

図㻢㻌 実環境での歩行実験の様子㻌

図㻡㻌 安静時ヒト発汗実験における㻌
㻌

積算体重減少量と頭部発汗積算相当量㻌㻟㻚㻞 実験結果
積算体重減少量は全身発汗量に相当すると考えるの

㻌 図㻤に被験者の積算体重減少量とヘルメットデバイスによで、図㻡のグラフの傾きより、本実験の環境下において、全る頭部発汗積算相当量の関係を示す。グラフの傾きより、全身発汗量㻼㻌㻔㼓㻕は頭部発汗相当量㻽㻌㻔㼓㻕と式㻔㻠）の関係がある

身発汗量㻼㻌㻔㼓㻕は頭部発汗相当量㻽㻌 㻔㼓㻕と式㻔㻡㻕の関係で表さことが分かった。㻌

れることが分かった。この時の相関係数㼞は㼞㻩㻜㻚㻤㻣であり、十𝑃𝑃(g) = 20.4 × 𝑄𝑄(4)㻌分な相関関係が得られた。㻌
𝑃𝑃(g) = 23.1 × 𝑄𝑄

この場合の相関係数㼞は、㼞㻩㻜㻚㻣㻡であり、両者において十分な相関関係が認められた。㻌

(5)㻌

㻌 安静時の実験から求めた全身発汗量と頭部発汗相当量以上の結果から、ヒトの全身発汗量を頭部発汗量から推の関係式㻔㻠㻕と行動下の実験から求めた関係式㻔㻡㻕の係数を定できることが分かったので、次に実作業環境かつ行動下比べると、行動下の実験の方が大きかった。これは、暑熱下で同様の結果が得られるかどうか実験を行った。㻌

での歩行による運動で、発汗が安定し、また呼吸量が増加−52−－㻠－㻌熱中症対策ヘルメットデバイスの開発㻌 㻙頭部発汗量から全身発汗量の推定㻙㻌

表㻞㻌 重回帰分析結果

図㻣㻌 実環境でのヒト発汗量計測実験フロー㻌

響すること㻤㻕や温度が発汗量に影響している㻥㻕ことが知られており、それを裏付ける結果となった。㻌
重回帰式から予測される推定積算体重減少量と実際の積算体重減少量との相関係数㼞は、㼞㻩㻜㻚㻥㻣であり、この結果からもより高精度で頭部発汗相当量から全身発汗量に相当する積算体重減少量を推定できる事が分かった（図㻥）。㻌
㻌図㻤㻌 行動下における積算体重減少量と頭部発汗積算㻌相当量㻌することで、呼吸水分放出量が増加したことが要因の一つとして考えられる。また、安静時に対し、積算体重減少量と頭部発汗積算相当量がそれぞれ倍以上に増加しており、これについても安定した発汗継続により、歩行時の相関係数の方が高くなったものと考える。㻌
さらに、積算体重減少量に強く影響する要因を分析するために、積算体重減少量に対する各種要因の重回帰分析を行った。想定し得る各種要因と分析結果を表㻞に示す。分析結果から、有意㻲が㻜㻚㻜㻡以下であり、重回帰式によって求まる積算体重減少量推定値は統計的にも説明できると検定された。さらに、積算体重減少量は頭部発汗積算相当量以

図㻥㻌 重回帰式による積算体重減少量推定結果

外に、経過時間、温度が強く影響していると判定された。このことは、先行研究によって行動時経過時間が発汗量に影−53−－㻡－㻌フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻤号㻌

§４． 発汗量変化と深部体温変化についての考察見せる一方、発汗量の増加は歩行開始直後から増加して㻌いた。このことから、熱中症の症状を早期発見する指標とし 㻠㻚㻝㻌 発汗量変化と深部体温変化の関係て、発汗量を計測することは有効であると考えられる。㻌

熱中症指標の重要な指標と言われている深部体温変化

その後、建設現場において実作業者にヘルメットデバイと発汗量変化の関係を調べるために、前述の実環境でのスを装着して㻝時間通常作業をしてもらい、今回の実験同様歩行実験時に㻤名について深部体温も同時に計測した。深に頭部発汗量と体重減少量の計測実験を行った。その結部体温の計測には、アフォードセンス社の㼂㼕㼠㼍㼘㼓㼞㼍㼙®㻯㼀㻞を果、立ち止まっての作業が多い場合、現行の温度・湿度セ推奨装着部である肋骨下の左わき腹に装着して計測した。

ンサの位置について、課題が出た。現在、これについては行動経過時間と計測した積算体重減少量、深部体温の経解決済みなので、次回報告する。㻌

時変化を図㻝㻜に示す。㻌

また、今後は現場での実運用を考慮した小型化および軽量化、静音化を実現させ、使い勝手の良いセンシングデバ
イスの開発を目指していく。㻌
㻌謝辞㻌 本開発は、公立諏訪東京理科大学および株式会社
高環境エンジニアリングとの共同研究によって実施された。
また、本実験は、公立諏訪東京理科大学倫理審査委員会の承認（承認番号㻌 㻺㼛㻝㻢㻘㻝㻤）を受けて実施した。㻌
㻌参㻌 考㻌 文㻌 献㻌図㻝㻜㻌 積算体重減少量と深部体温の経時変化結果
先行研究によると、発汗量は運動と同時に増加しているのに対し、皮膚温や深部体温は㻝㻜分程度上昇がみられず、運動開始時は深部体温や皮膚温の上昇に先立ち、発汗活動は極めて短い潜時で増加することが報告㻤㻕されている。本実験における㻟㻜分の計測結果においても、頭部発汗量が運動開始直後から増加しているのに対し、深部体温は歩行開始時㻝㻜分ほど増加が見られず、それ以降徐々に上昇していき、先行研究と同様の傾向を確認することができた。㻌
従来、熱中症の疾患指標として、重度の熱中症発症時には深部体温の著しい上昇が報告㻝㻜㻕されているが、今回の実験結果より、発汗量の増加が深部体温の上昇より早く計測できることができるので、熱中症を早期に予測する指標として有効な指標となり得る可能性があると考えられる。㻌
㻌1)

厚生労働省労働基準局安全衛生部労働衛生課: “令和3年 職場における熱中症による死傷災害の発生状況（確定値）”, 2022年5月31日公表
2) 日刊建設工業新聞, 2面, 2022.8.22
3) 堀江正知: “熱中症を防ごう”, 中央労働災害防止協会,20174) 厚生労働省労働基準局安全衛生部労働衛生課: “職場における熱中症予防対策マニュアル”, 2021年4月改定
5) Tukasa Kosuda, Yoshiaki Nakajo, Konosuke Sasagawa, Yuto
Nishikai, Shunji Shimizu, Yoshinori Kumita, Toshihiko Kondo,Nobuaki Hashimoto: “Development of helmet-type wearable device
capable of measuring perspiration during various activities”, ICEP2019 Proceedings, TB3-3.
6) Tukasa Kosuda, Konosuke Sasagawa, Kanako Minauchi, Nobuaki
Hashimoto: “Estimation of whole-body perspiration using aperspiration measurement helmet”, Transactions of The Japan
Institute of Electronics Packaging Vol.13, E20-002-1-E20-002-4,
20207) O. Tetens: “Uber einige meteorologische begriffe”, Zeitschrift furGeophysik, Vol. 6, pp.297-309, 19308) 小川徳雄: “運動と発汗”, 体力科学, Vol.45, pp.387-394, 19969) 張静風, 田村照子: “環境温度が人体に与える暑熱ストレスに関する基礎研究”, 繊消誌 Vol.55, No.10, pp.756-765, 201410) 山越 健弘, 松村 健太, 山越 康弘, 廣瀬 元, 高橋 規一, PeterROLFE: “高温熱ストレス環境下におけるレーシングドライバー深部体温の連続計測と解析”, 生体医工学, Vol.48, No.3, pp.269280, 2010

㻌
ひとこと

§５. まとめ

現場で働く方が、安全で快適にかつ効率的に作業できるような㻌 暑熱下で作業する作業者の熱中症対策として、頭部発汗システムを開発していきたい。

量をリアルタイムに計測するヘルメットデバイスを開発した。
安静時、行動下における発汗量計測実験を行い、頭部発汗量と体重減少量の相関が強いことが分かり、頭部発汗量から体重減少量すなわち全身発汗量を推定する式を導き
皆内 佳奈子出した。㻌
また、深部体温を同時に計測したところ、深部体温が歩㻌

行開始後㻝㻜分程度は上昇せず、その後徐々に上昇傾向を−54−－㻢－㻌