サーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置及び測定方法並びにこれに使用する較正器
【課題】ヒトの顔面等の温度変化を正確、迅速かつ連続的に測定し得る装置等を提供せんとする。
【解決手段】本発明のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置は、赤外線カメラ(1)と、熱伝導率の高い金属板又は金属箔(101)の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆(102)を施して成る較正器(10)と、前記赤外線カメラから出力される熱画像データをディジタル変換する変換器(2)と、前記変換器からのデータに基づき所定のプログラムにそって被験者の顔面等の温度を算出するコンピュータ(3)とを備え、前記コンピュータ(3)は、前記赤外線カメラ(1)により撮影された前記較正器の黒体被覆(102)部分の撮影データに基づいて、被験者の顔面等の温度を算出する際の較正を行うようにプログラムされていることを特徴とする。前記赤外線カメラの連写の時間間隔は、好適には、１００分の１秒以上、１秒以下に設定される。
【解決手段】本発明のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置は、赤外線カメラ(1)と、熱伝導率の高い金属板又は金属箔(101)の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆(102)を施して成る較正器(10)と、前記赤外線カメラから出力される熱画像データをディジタル変換する変換器(2)と、前記変換器からのデータに基づき所定のプログラムにそって被験者の顔面等の温度を算出するコンピュータ(3)とを備え、前記コンピュータ(3)は、前記赤外線カメラ(1)により撮影された前記較正器の黒体被覆(102)部分の撮影データに基づいて、被験者の顔面等の温度を算出する際の較正を行うようにプログラムされていることを特徴とする。前記赤外線カメラの連写の時間間隔は、好適には、１００分の１秒以上、１秒以下に設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置及び測定方法並びにこれに使用する較正器に関し、より具体的には、ヒトの顔面又は毛髪のない頭部（以下、単に「顔面」ともいう。）の動的温度変化を正確、迅速かつ連続的に測定するための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明者は、下記特許文献１に示される如く、サーモグラフィで得られるヒトの顔面温度情報に基づいて、一時的に変化する顔面温度の動きを測定することにより、ヒトの心理的若しくは精神的変化の解析を行ってきた。
近年サーモグラフィは広く普及し、サーモグラフィを使用してヒトの体温等を測定する方法も多く見られるようになってきた。然しながら、サーモグラフィによってヒトの動的な顔面温度変化を迅速かつ正確に捉えるには、技術的に困難な問題があった。即ち、サーモグラフィによって記録される放射熱を温度に換算するためには、被験者の周囲温度の影響を考慮する必要があり、特にヒトの顔面温度のような僅かな温度変化を測定する場合には、放射熱に影響する周辺温度の測定が重要になる。特に、被験者の顔面の温度変化を短い時間間隔で連続的に測定するためには、被験者周辺の温度を同時に測定しながら、随時補正をする必要がある。
然しながら、実際にはカメラから離れた所の被験者の周囲温度を常時考慮しつつ温度に換算することは容易ではない。また、赤外線カメラ自体も固有の温度特性を持っており、温度変化に影響する。また、ヒトの体温は生体機能を維持するために、特定の状態を除くと概ね一定に制御されているが、体表面放射熱に関しては周囲の温度変化に影響され易く、皮膚内血管の状態によっても変化する。
【０００３】
また、従来のサーモグラフィによる体温測定においては、赤外線カメラで撮影して得られた熱画像データを温度に換算する過程で、放射熱による温度計測のために、周辺温度としてカメラの内部温度を利用している例がある。然しながら、生体の一時的な微弱な温度変化を測定する場合、時間経過と共にカメラ内の温度は上昇するため、見かけ上、温度変化は小さくなり、周辺温度が正確には反映されないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２８６８１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、本発明者が上記特許文献１において開示した技術を更に改良することにあり、より具体的には、サーモグラフィによる温度変化測定時における前記の如き周辺温度の変化による影響を解消し、ヒトの顔面等の微小な温度変化を正確、迅速かつ連続的に測定し得るヒトの動的顔面温度変化測定のための装置及び測定方法並びにこれに使用する較正器を提供せんとするにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係るサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置は、
短時間間隔で多数回連写し得る赤外線カメラと、
熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施して成り、前記赤外線カメラにより被験者の顔面又は毛髪のない頭部と共に撮影し得る位置に配置される較正器と、
前記赤外線カメラで撮影され出力される熱画像データをディジタル変換する変換器と、
前記変換器からのデータに基づき所定のプログラムにそって被験者の顔面又は毛髪のない頭部の温度を算出するコンピュータと、
前記コンピュータの出力データを記録表示するプリンタ及びディスプレイ装置と、を備え、 前記コンピュータは、前記赤外線カメラにより撮影された前記較正器の黒体被覆部分の撮影データに基づいて、被験者の顔面又は毛髪のない頭部の温度を算出する際の較正を行うようにプログラムされていることを特徴とする。
前記ヒトの動的顔面温度変化測定のための装置の一つの望ましい実施例においては、更に心拍計又は心電計（本願において単に「心拍計」というときは「心電計」を含むものとする。）が備えられ、当該心拍計は前記コンピュータに接続され、前記コンピュータの出力データには前記心拍計の出力データも含まれることを特徴とする。
【０００７】
前記赤外線カメラの連写の時間間隔は、好適には、１００分の１秒以上、１秒以下に設定される。
前記撮影間隔を１００分の１秒以上、１秒以下とした理由は、計算結果を転送するための時間を必要とするからであり、また、実際的に１００分の１秒未満とする必要性は乏しく、更にまた、１秒を超えると、短時間で変化する顔面の温度変化を捉え損なう場合があるためである。
【０００８】
前記較正器の金属板又は金属箔の材質としては、最も好適には銅が挙げられるが、それ以外にも、アルミニウム、銀が利用でき、その他各種の熱伝導の良い金属、合金が利用できる。
また、前記較正器の金属板又は金属箔は、中央部がヒトの顔面サイズの空洞となった額縁状フレームとして形成することが推奨される。
【０００９】
前記較正器は、望ましくは、前記黒体被覆を施した領域の金属板又は金属箔の裏面に温度ゲージを取り付けて成り、当該温度ゲージの出力データに基づき前記較正器自体の較正を行い得るよう構成される。
【００１０】
また、前記目的を達成するため、本発明に係るサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための方法は、
熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施して成る較正器を、被験者の顔面又は毛髪のない頭部の近傍に配置するステップと、
赤外線カメラにより、被験者の顔面又は毛髪のない頭部を前記較正器と共に、短時間間隔で多数回連写するステップと、
前記赤外線カメラにより撮影された前記較正器の黒体被覆部分の撮影データに基づいて、コンピュータにより前記被験者の顔面又は毛髪のない頭部の撮影データからその温度を算出する際の較正を行うステップと、
を実行することを特徴とする。
【００１１】
前記目的を達成するため、前記のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定するための装置及び測定方法で使用する本発明に係る較正器は、熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施したことを特徴とする。
前記金属板又は金属箔の材質としては、最も好適には銅が用いられるが、それ以外にも、アルミニウム、銀が利用でき、その他各種の金属、合金も利用できること、また、前記金属板又は金属箔は、その中央部がヒトの顔面サイズに適した空洞となった額縁状フレームとして形成することが推奨されることは、前記と同様である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、被験者の周囲の温度を直接測定する較正器を使用し、そこから得られるデータを使って、サーモグラフィ装置固有の特性を考慮して面積当たりの相対的放射熱量を計算し、室温変化と被験者の顔面等の温度変化を独自に計算することにより、微小でかつ急速に変化するヒトの顔面等の動的温度変化を、周囲温度の影響を排除して、正確かつ即座に測定することが可能となった。その結果、ヒトの顔面温度変化について、汎用パーソナルコンピュータにより概ね実時間で測定可能となった。
また、前記較正器は、その金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に熱吸収率の高い黒体被覆を施したことにより、黒体の一定の放射率で赤外線量を較正すると共に、当該黒体被覆領域が迅速に周囲温度と同一温度となり、その温度を、熱伝導率の高い金属板又は金属箔の裏側に設けた温度ゲージにより速やかに測定し、同時に測定された実際の温度値を知ることができるものである。周囲温度変化を予め較正可能なため、以後は同時に温度ゲージ電圧を測定しなくても補正が可能となる。このように、前記赤外線カメラにより撮影された較正器の前記黒体被覆部分の撮影データに基づき、被験者の顔面等の撮影データからその温度を算出する際の較正を行うように構成したものであるから、被験者の顔面等の周辺温度の変化による影響を受けることなく、顔面等の僅かな温度変化を正確、迅速かつ連続的に測定し得るものである。
上記の場合において、心拍計（又は心電計）を併用し、被験者の顔面等の動的温度変化と共に、心拍数のデータ（又は心電データ）を直接若しくは適宜編集を加えて表示することにより、被験者の精神的変化等を一層的確に判断可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るサーモグラフィによる動的顔面温度変化測定装置の一実施例を示すブロック図である。
【図２】周囲温度変化に対するサーモグラフィによる黒体炉の温度表示の関係を示すグラフである。
【図３】本発明に係る較正器の第１実施例のものを用いて半田ゴテの温度変化をサーモグラフィにより測定する例（測定例１）を示す説明図である。
【図４】図３に示した較正器の銅板裏面に貼られた温度ゲージからの電位変化と接触式ディジタル温度計の温度表示の関係を示すグラフである。
【図５】図３に示した測定例１における温度較正のためのプログラムの構成を示すブロック図である。
【図６】図３に示した測定例１における半田ゴテ先端部分の温度を放射熱量に換算したものと較正器赤外画像平均ＲＧＢ値の関係を示すグラフである。
【図７】補間法により推測された周囲温度における温度較正分布図である。
【図８】本発明に係る較正器の前記第１実施例のものを用いてヒトの顔面の温度変化をサーモグラフィにより測定した結果（測定例２）を、従来のサーモグラフィによる測定結果と対比して示すグラフである。
【図９】本発明に係る較正器の第２実施例のものを示す説明図である。
【図１０】本発明に係る較正器の前記第１実施例のものと第２実施例のものとを用いてヒトの顔面の温度変化を測定した結果をディスプレイ装置に表示した状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定するための装置及び測定方法並びにこれに使用する本発明に係る較正器の好ましい実施形態を図面に基いて説明するが、本発明はこれらの実施形態に限らず、本発明の技術的範囲内で、利用状況等に応じてさまざまな設計変更を行うことが可能である。
【００１５】
図１は、本発明に係るヒトの動的顔面温度変化測定するための装置の一実施例を示すブロック図であり、図中、１は温度変化を測定すべき被験者の顔面等を撮影する赤外線カメラ、２はこの赤外線カメラからの熱画像をディジタル変換する変換器、３はこの変換器からのデータによって所定のプログラムにそって被験者の顔面等の温度を算出するコンピュータ、４はコンピュータからの出力データを印刷するプリンタ、５はコンピュータからの出力データを表示するディスプレイ装置、６は心拍計（又は心電計６）、７は後述の如く銅板等の表面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施してなる較正器、Ｔは上記機器１〜５を組み合わせてなるサーモグラフィである。尚、コンピュータ３としては、パーソナルコンピュータのほか、更に大容量、高機能のワークステーションのような業務用のコンピュータを使用しても良いことは勿論である。
【００１６】
赤外線カメラ１は、その制御回路（図では省略）により、被験者の顔面等を１００分の１秒以上、１秒以下の短時間間隔で多数回連続的に撮影できるようになっている。
前記赤外線カメラの撮影間隔を１００分の１秒以上、１秒以下とした理由は、前記の如く、計算結果を転送するための時間を必要とするからであり、また、実際的に１００分の１秒未満とする必要性は乏しく、更にまた、１秒を超えると、短時間で変化する顔面の温度変化を捉えきれない場合があるためである。
心拍計６（又は心電計６）は、被験者の心拍数（又は心電データ）を測定し、その出力データはコンピュータ３に入力され、心拍数（又は心電データ）の変化は直接又は適宜編集されて被験者の顔面等の温度変化と共に、ディスプレイ装置４及びプリンタ５により表示されるようになっている。
【００１７】
コンピュータ３は、前記変換器２からのデータに基づき所定のプログラムにそって被験者の顔面又は毛髪のない頭部の温度を算出する機能を有すると共に、本発明においては、前記赤外線カメラ１により撮影された較正器７の前記黒体被覆部分の撮影データに基づいて、被験者の顔面又は毛髪のない頭部の温度を算出する際の較正を行うようにプログラムされている。
【００１８】
較正器７は、熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施すと共に、当該黒体被覆を施した領域の金属板又は金属箔の裏面に温度ゲージを取り付けて成り、前記赤外線カメラにより被験者の顔面又は毛髪のない頭部と共に撮影し得る位置に配置されるようになっている。
前記熱伝導率の高い金属板又は金属箔の材質としては、銅が最も好適に用いられるが、それ以外にも、アルミニウム、銀が利用でき、その他各種の熱伝導率の高い金属、合金も利用できることは前記の通りである。
また、前記金属板又は金属箔は、その中央部がヒトの顔面サイズの空洞となった額縁状フレームとして形成し、その空洞部分から被験者の顔面等を覗かせた状態で赤外線カメラにより連写するようにすることが推奨される。
【００１９】
尚、前記赤外線カメラ１から、変換器２、コンピュータ３、プリンタ５、ディスプレイ装置５までを組み合わせたものが、サーモグラフィＴとして市場に提供されている。
以下、更に具体的に説明する。
【００２０】
〔サーモグラフィの温度較正〕
本発明で用い得る一例としてのサーモグラフィ（ＮＥＣ三栄株式会社製：製品番号ＴＨ５１０４）の温度表示について、製品に付属の温度解析ソフト等で較正を行ったところ、図２のように、周囲温度に影響された複雑な温度指示値を示すと共に、最も日常的に使用される周囲環境温度付近で、測定誤差が大きいことが明らかになった。また、電源投入後約９０分間は温度指示値の誤差が大きく、それ以降も０．５℃程度の変動が持続していた。そのため、結果的に当該サーモグラフィを使用した本発明による生体温度の測定は困難に思われた。しかし、コンピュータの高速化を利用して画像処理などで改善できないか検討することとし、赤外線カメラの出力ＮＴＳＣ信号を利用して温度較正をやり直すことから再開した。
撮影データは、最初、動画として保存し、その動画情報を静止画に変換して開発ソフトで画像処理を行うようにした。
【００２１】
〔測定例１〕
〈温度較正〉
狭い部屋に数人の成人が居れば、数分後には周囲温度が上昇するが、カメラ筐体内部にある周囲温度測定用センサーはこれらの変化を測定できない。そこで、本発明においては、別途作成した較正器により周囲温度を検出するようにした。
【００２２】
〈較正器（周囲温度測定用較正器）の第１実施例〉
本発明に係る較正器の第１実施例のものを、例えば、図３に示す較正器７として作製した。
即ち、図示した較正器７は、熱伝導率の高い金属板（又は金属箔。以下、単に金属板という。）７１の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆７２を施すと共に、前記黒体被覆７２を施した領域の金属板の裏面に温度ゲージ７３を取り付けたものである。黒体被覆７２の領域をサーモグラフィで撮影する際に、金属板７１から周囲の反射光が入らないようにするために、黒体被覆７２の周囲を囲うように紙製等の遮光枠７４を取り付けておくことが望ましい。また、金属板７１の裏面には接触式ディジタル温度計７５も取り付けた。
前記金属板（又は金属箔）７１の材質としては、銅、アルミニウム、銀等の熱伝導率の高いものを用いるようにする。本明細書では銅板を用いる例について説明するが、必ずしもこれに限定されるものではない。
より具体的には、図示した例の較正器７は、銅板７１の前面の一部に黒体塗料（黒艶消しの耐熱塗料、主成分シリコン樹脂：株式会社アサヒペン製）を塗布して黒体被覆７２を形成し、その黒体被覆７２の部分の銅板７１の裏面に温度ゲージ７３（株式会社共和電業製：ＴＡ−１２ＵＡ）を貼り付け、ひずみ増幅器（図では省略）を介して銅板７１の温度変化を測定するようにしたものである。温度ゲージ７３は、較正器７自体の較正のために用いるものであり、ヒトの顔面等の撮影データの取得時には用いる必要はないものである。
尚、図３に図示した較正器７において、銅板７１の横幅ａ＝２００ｍｍ、黒体被覆７２の縦及び横の長さｂ＝１１０ｍｍ、遮光枠７４の縦及び横の長さｃ＝１５０ｍｍであるが、必ずしもこれに限定されるものではない。
この較正器７から２００ｍｍ離れた位置から温風を当て、較正器７の銅板７１全体を暖め、黒体被覆７２全体に一様の温度分布を生じさせた。温風と較正器７の距離や暖める時間を変えて温度変化を起こさせた。
温度は、（１）前記温度ゲージ７３から得られる電位変化をＡ／Ｄ変換器を介して図１に示すコンピュータ３（ソニー社製、パーソナルコンピュータＶＡＩＯ−ＲＺ）にサンプリング周波数５００Ｈｚで取り込み、（２）接触式ディジタル温度計７５（ＩＷＡＴＳＵ−ＥＬＥＣＴＲＩＣ社製、ＴＤ−７０）を使用して１０秒間隔で銅板７１の裏面の温度変化（直読とアナログ電位出力可能）を取り込み、（３）前記赤外線カメラ１によっても同時に銅板７１上の黒体被覆７２部分を撮影、記録した。温度ゲージ７３の出力データに基づき較正器７自体の較正後、この較正器７を、被験者の近傍に置いて周囲温度モニター装置として使用することとした。
図４に、較正器７の銅板７１の裏面に貼られた温度ゲージ７３からの電位変化と接触式ディジタル温度計７５の温度表示の関係を示す。図のように温度と出力電位が一定の関係を示している。図中の直線は回帰直線を示すが、この直線を放射熱換算に利用した。
【００２３】
〈半田ゴテを使用した温度較正〉
図３に示す如く、半田ゴテ８（ＨＯＺＡＮ社製、Ｈ−１１０）の先端部８１付近（ｄ＝４５ｍｍ）に前述の黒体塗料を塗布し放射率を一定とした。これを被験者とみなして温度較正を行うために、電圧調整器で電圧を変えて先端部８１の黒体塗料部位の温度を２４℃〜４０℃の範囲で変化させ、同時に先端部を前述の接触型ディジタル温度計とサーモグラフィで記録し、温度較正を行った。
周囲温度が半田ゴテ測定時にどの程度影響を及ぼすのかを調べるため、エアコン付きの小部屋（４４ｍ2）にて、周囲温度を２０℃、２４℃、２８℃の室温に調節し、図３に示すように、架台９により半田ゴテ８との距離ｅ＝２００ｍｍに設置した較正器７で周囲温度を測定した。このときの半田ゴテ先端部８１の温度と平均ＲＧＢ値の関係を図６のグラフに示す。
【００２４】
〈プログラムの構成〉
上記温度較正のために、図５に示すように、サーモグラフィの赤外線カメラ１で前記半田ゴテ８の先端部８１の黒体塗料部と較正器７の銅板７１の黒体被覆７２の部分とを同時に撮影し、その出力ＮＴＳＣ信号（白黒画像）を、前記パーソナルコンピュータ３にインストールした録画ソフト（例えば、ソニー社「ＧｉｇａＰｏｃｋｅｔ（商品名）」）でＭＰＥＧ２形式にして保存した後、静止画像に変換し、「Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋」による開発ソフトで画素毎の数値に分解し、サーモグラフィが独自に、その筐体内のセンサーでの温度較正を行ったグレイスケールバーによる濃淡情報を参照して放射熱量に換算した。この時、Ｒ値（またはＧ値、Ｂ値）のみによる換算により、それらＲ、Ｇ、Ｂ３色の平均値を使用することによって、色成分の特性が良い線形が得られたため、「画素毎の平均ＲＧＢ値」とした。
サーモグラフィの性能は、焦点距離３０ｃｍから無限大まで、走査角縦２１．５°、横２１．５°、温度は２５６階調、温度分解能は０．３〜２℃、毎秒２２フレームで撮影となっている。
尚、上記換算等の処理を行うためのコンピュータプログラムとしては、市販のプログラム（例えば、デジモ社：Ｈｙｐｅｒ Ｉｍａｇｅ II）を利用することも可能である。
本例において、被験者の顔面温度変化を測定する場合は、被験者の顔面が赤外線カメラの画面にできるだけ大きく撮影されるように、赤外線カメラ１から被験者までの距離は１ｍとし、被験者の測定顔面温度範囲を２４℃〜４０℃とし、被験者の姿勢は安静座位状態で、若干動揺が生じるが、測定対象画面外にならないよう配慮する。サーモグラフィの外部出力はＮＴＳＣ信号なので、毎秒３０フレームで画像処理をすることを目標とした。
【００２５】
〈放射熱量の計算〉
前記較正器７から１ｍ離れた所に置かれたサーモグラフィで、較正器７の黒体被覆７２の部位の温度変化を記録し、指示値（℃）を物体温度変化としてステファン・ボルツマンの式に代入し、一方での単位面積当たりの物体の温度とで、単位面積当たりの放射熱量との関係を求めた。
【００２６】
（１）放射熱量
Ｑ１＝σ（Ｔ04−Ｔａ4）
Ｑ１：単位面積（ｍ２）からの放射熱量（Ｗ／ｍ２）
σ：ステファン・ボルツマンの定数
５．６７×１０−８（Ｗ／ｍ２・Ｋ４）
Ｔ１：物体表面の絶対温度（Ｋ）
Ｔａ：物体から離れた大気温度（℃）
（２）自然対流伝達熱量
Ｑ２＝Ｈｍ（ｔ０−ｔａ）
Ｑ２：単位面積（ｍ２）から放出される熱量（Ｗ／ｍ２）
（３）平均自然対流熱伝達率
Ｈｍ＝１．１７３×（ｔ０−ｔａ）−１／３
Ｈｍ：平均自然対流熱伝達率（Ｗ／ｍ２・℃）
ｔ０：物体表面の温度（℃）
ｔａ：物体から離れた大気温度（℃）
（４）全体の放射熱量
Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２
Ｑ：全体の放射熱量（Ｗ／ｍ２）
【００２７】
以上の式を用いて、対象物体から生じる全体の放射熱量を算出した。
被験者（顔面の温度変化測定を行う者）の温度較正のため、初め、恒温槽内の水と流動パラフィンで試行した。温度較正は大変良い線形特性が得られたが、温度制御が困難であること、水蒸気が発生して赤外線カメラへの悪影響があり得ること、などの問題が生じ、測定対象を半田ゴテに変更した。
【００２８】
〈半田ゴテの周囲温度による較正〉
図６に「サーモグラフィの温度情報を平均ＲＧＢ値に分解したもの」と接触型ディジタル温度計により測定された「半田ゴテ先端部分の放射熱量」との関係を示す。図６（ａ）は室内温度２０℃一定時、（ｂ）２４℃一定時、（ｃ）２８℃一定時の各分布図に対し、回帰曲線は、（ａ）相関係数０．９７７、精度±７．４４６（Ｗ／ｍ2）、
（ｂ）相関係数０．９８１９、精度±７．４４６（Ｗ／ｍ2）、
（ｃ）相関係数０．９７１、精度±５．００７（Ｗ／ｍ2）だった。
【００２９】
〈補間法による非測定部位の較正〉
周囲温度の変化は一様ではなく、環境によって複雑な温度変化をすることがあるが、周囲温度変化によって対象物体から得られる温度情報にも変化が生じてしまう。しかし、実際に全ての温度変化に対する較正は極めて効率が悪いので、図６の結果から、周囲温度２０℃、２４℃、２８℃の各放射熱量はそれぞれの回帰直線の勾配が平行に近い傾きを示しているので、２０〜２８℃の範囲内で、任意の周囲温度の補正を可能にするために、補間法により全ての周囲温度で温度較正をすることを試みた。
【００３０】
図７に、補間法によって較正した結果を示す。
図７において、（ａ）周囲温度２０℃、（ｂ）周囲温度２４℃、（ｃ）周囲温度２８℃
の周囲温度を基に、（ａ）と（ｂ）の間に周囲温度２２℃、（ｂ）と（ｃ）の間に周囲温度２６℃の温度較正図を推測した結果を示している。
この補間法によって推測された較正図の精度を確認するため、実際の周囲温度から測定された分布図と推測された分布図を比較した。その結果、周囲温度２２℃では±４．９６５（Ｗ／ｍ2）、周囲温度２６℃では±６．２３６（Ｗ／ｍ2）の許容誤差であった。
この結果から補間法を用いることにより周囲温度が２０℃〜２８℃の間であれば、その間で生じる任意の温度を推測することが可能となる。
【００３１】
〔測定例２〕
〈ヒトの顔面温度測定〉
本測定システムを使用し、ヒトの顔面温度を測定した。
被験者の同意を得た上で、被験者が安静座位の状態で姿勢を正している６０秒間についてサーモグラフィで記録し、その後一度深呼吸して随意的に３０秒間呼吸を停止するよう指示した。その後の回復過程を含めて３００秒間測定した。時間経過は予め伝えておいたが、被験者の意欲を引き起こすために１０秒前からカウントダウンを読み、事前に呼吸を停止する準備をしてもらった。これらの顔面温度を測定するため、被験者顔面の高さに赤外線カメラを合わせ、顔面の額（ひたい）部から直線距離で１ｍの位置に赤外線カメラを固定した。顔面撮影のため、被験者には頭髪が額部分にかからないようにした。周囲温度測定のための前記較正器７は被験者から０．５ｍの位置に配置し、リアルタイムで周囲温度の変化をパーソナルコンピュータに取り込んだ。
本例で作成した赤外線測定システムと、ＮＥＣ三栄株式会社が開発したＴＨ５１０７リモートプログラム（サーモグラフィ付属品）とで比較を行った。
尚、心拍計（又は心電計）６による被験者の心拍数（又は心電データ）の測定データも同時に採用する場合には、当該測定データをコンピュータ３に入力し、被験者の顔面等の温度変化と共に、ディスプレイ装置４及びプリンタ５により出力、表示するようにする。
【００３２】
ＴＨ５１０７リモートプログラムでは、サーモグラフィ内部のリアルタイムメモリ（最大で６４枚の熱画像を保存することが可能）にて秒単位で画像処理のスピードを設定することができる。本実験３００秒を全てに処理をおこなうため５秒に１枚のスピードで処理時間を設定した。測定対象範囲は額部分のみとし、額部分から生じる放射熱量の平均値を算出した。
この温度較正グラフを使用して、室内温度が１９℃〜３７℃の範囲で変化した場合、精度（偏差の最大値）±０．５８０℃で温度ゲージから得られる電圧を周囲温度に換算することができた。（但し、この較正器７を使用して周囲温度を測定する時は、実験開始前に周囲温度に１５分間以上馴染ませる必要があった。）
【００３３】
得られた結果を図８に示す。下段の実線グラフが本測定システムにより算出された放射熱量を温度情報に換算したもので、上段の点線グラフがＴＨ５１０７（ＮＥＣ三栄）リモートプログラムにて得られた温度情報である。測定結果は呼吸停止直前１０秒前の準備状態で温度が若干上昇傾向を示し、呼吸停止中はそれほど温度情報に変化は生じていないが、呼吸停止後の回復過程で、額部分の温度が低下していることが推測される。点線グラフ（ＴＨ５１０７）では温度変化に対する傾向を推測することは困難である。
【００３４】
この結果から、呼吸を停止することによる生理的機能変化が顔面部分に生じているのではないかと推測できる。呼吸を止めることにより、心拍数は低下し血圧は上昇する。この影響で一時的に上昇した血圧により顔面温度が上昇するが、呼吸開始と共に血圧が低下するため血流量が減り、その影響から顔面温度の低下が見られていると考えられる。
図８は、周囲温度測定システムにより、一例として、１０秒毎に加算平均をした温度ゲージからの電気信号を使って温度情報に換算した値であるが、５分程度の短時間の実験であるため、周囲温度の変化は全く見られない。
【００３５】
〈較正器の第２実施例〉
図９に、本発明に係る較正器の第２実施例を示す。図９では、較正器１０の正面図が中央に描かれ、その下部にＡ−Ａ線に沿った断面図、左側にＢ−Ｂ線に沿った断面図が描かれている。
この較正器１０は、図３に示す前記較正器７と同様に、熱伝導率の高い銅板等の金属板（又は金属箔）１０１の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆１０２を施すと共に、当該黒体被覆１０２を施した領域の金属板の裏面に温度ゲージ１０３を取り付けたものである。
前記較正器７との主な相違点は、前記金属板１０１の中央部をヒトの顔面サイズの空洞１０４とし、金属板１０１全体を額縁状フレームに形成したことである。この中央の空洞１０４の部分に被験者の顔面（又は毛髪のない頭部）が入るように構成されている。図示した例では、空洞１０４の下辺部分の金属板１０１の表面に黒体被覆１０２が形成されているが、黒体被覆１０２の配置や面積は、図示した例に限定されるものではない。
この較正器１０は机上据置型であり、椅子に腰掛けた被験者がその顔面又は頭部を較正器１０の中央の空洞部分から赤外線カメラへ向けて覗かせることにより、撮影と周囲温度変化の測定を正確、迅速かつ容易に行い得るようにしたものである。
この較正器１０の各部分の寸法は、例えば、ｆ＝３００ｍｍ、ｇ＝２４０ｍｍ、ｈ＝４００ｍｍ、ｉ＝３００ｍｍとされるが、必ずしもこれに限定されるものではない。
尚、前記金属板（又は金属箔）１０１の材質としては、前記第１実施例と同様に、銅、アルミニウム、銀等の熱伝導率の高いものを用いるようにし、黒体被覆１０２も、例えば黒体塗料（黒艶消しの耐熱塗料、主成分シリコン樹脂：株式会社アサヒペン製）を塗布して形成でき、裏面の温度ゲージ１０３としても第１実施例と同様のものを用い得るが、必ずしもそれらに限定されるものではない。この較正器１０を用いて行う較正の方法は、前記較正器７の場合と同様である。
【００３６】
図１０は、図９に示すような本発明に係る第２実施例の較正器１０の中央の空洞１０４から被験者が顔を覗かせ、被験者の顔面のみを撮影したサーモグラフィの画像である。この場合、顔面のすぐ下に前記黒体被覆１０２が存在し、顔面近傍の周囲温度をより正確に測定できて、かつ、画像処理のための顔面範囲設定も容易となり、一層正確、迅速に顔面の温度変化を測定することができる。本発明に係る較正器を用いて周囲温度を較正、演算した結果を図８のようにグラフで表示する。
【００３７】
尚、本発明は上記の実施例に限定されず、例えば較正器の金属板若しくは金属箔のサイズや形状、黒体被覆の配置、大きさ、形成手段、等々は本発明の目的の範囲内で適宜設計変更し得るものであり、従って、本発明は、特許請求の範囲に記載した範囲内におけるすべての変更実施例を包摂するものである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によるときは、被験者の周囲の温度を直接測定する独自の較正器を使用し、そこから得られるデータを使って、サーモグラフィ装置固有の特性を考慮して面積当たりの相対的放射熱量を計算し、室温変化と被験者の温度変化を独自に計算することにより、微小でかつ急速に変化する被験者の温度変化を即座に測定することが可能となった。その結果、ヒトの顔面温度のように僅かな温度変化についても、汎用パーソナルコンピュータにより概ね実時間で正確に測定可能となった。
【符号の説明】
【００３９】
１ 赤外線カメラ
２ 変換器
３ コンピュータ
４ ディスプレイ装置
５ プリンタ
６ 心拍計（又は心電計）
７ 較正器
７１ 金属板
７２ 黒体被覆
７３ 温度ゲージ
７４ 遮光枠
７５ 接触式ディジタル温度計
８ 半田ゴテ
９ 架台
１０ 較正器
１０１ 金属板
１０２ 黒体被覆
１０３ 温度ゲージ
１０４ 空洞
Ｔ サーモグラフィ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置及び測定方法並びにこれに使用する較正器に関し、より具体的には、ヒトの顔面又は毛髪のない頭部（以下、単に「顔面」ともいう。）の動的温度変化を正確、迅速かつ連続的に測定するための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明者は、下記特許文献１に示される如く、サーモグラフィで得られるヒトの顔面温度情報に基づいて、一時的に変化する顔面温度の動きを測定することにより、ヒトの心理的若しくは精神的変化の解析を行ってきた。
近年サーモグラフィは広く普及し、サーモグラフィを使用してヒトの体温等を測定する方法も多く見られるようになってきた。然しながら、サーモグラフィによってヒトの動的な顔面温度変化を迅速かつ正確に捉えるには、技術的に困難な問題があった。即ち、サーモグラフィによって記録される放射熱を温度に換算するためには、被験者の周囲温度の影響を考慮する必要があり、特にヒトの顔面温度のような僅かな温度変化を測定する場合には、放射熱に影響する周辺温度の測定が重要になる。特に、被験者の顔面の温度変化を短い時間間隔で連続的に測定するためには、被験者周辺の温度を同時に測定しながら、随時補正をする必要がある。
然しながら、実際にはカメラから離れた所の被験者の周囲温度を常時考慮しつつ温度に換算することは容易ではない。また、赤外線カメラ自体も固有の温度特性を持っており、温度変化に影響する。また、ヒトの体温は生体機能を維持するために、特定の状態を除くと概ね一定に制御されているが、体表面放射熱に関しては周囲の温度変化に影響され易く、皮膚内血管の状態によっても変化する。
【０００３】
また、従来のサーモグラフィによる体温測定においては、赤外線カメラで撮影して得られた熱画像データを温度に換算する過程で、放射熱による温度計測のために、周辺温度としてカメラの内部温度を利用している例がある。然しながら、生体の一時的な微弱な温度変化を測定する場合、時間経過と共にカメラ内の温度は上昇するため、見かけ上、温度変化は小さくなり、周辺温度が正確には反映されないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２８６８１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、本発明者が上記特許文献１において開示した技術を更に改良することにあり、より具体的には、サーモグラフィによる温度変化測定時における前記の如き周辺温度の変化による影響を解消し、ヒトの顔面等の微小な温度変化を正確、迅速かつ連続的に測定し得るヒトの動的顔面温度変化測定のための装置及び測定方法並びにこれに使用する較正器を提供せんとするにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係るサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置は、
短時間間隔で多数回連写し得る赤外線カメラと、
熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施して成り、前記赤外線カメラにより被験者の顔面又は毛髪のない頭部と共に撮影し得る位置に配置される較正器と、
前記赤外線カメラで撮影され出力される熱画像データをディジタル変換する変換器と、
前記変換器からのデータに基づき所定のプログラムにそって被験者の顔面又は毛髪のない頭部の温度を算出するコンピュータと、
前記コンピュータの出力データを記録表示するプリンタ及びディスプレイ装置と、を備え、 前記コンピュータは、前記赤外線カメラにより撮影された前記較正器の黒体被覆部分の撮影データに基づいて、被験者の顔面又は毛髪のない頭部の温度を算出する際の較正を行うようにプログラムされていることを特徴とする。
前記ヒトの動的顔面温度変化測定のための装置の一つの望ましい実施例においては、更に心拍計又は心電計（本願において単に「心拍計」というときは「心電計」を含むものとする。）が備えられ、当該心拍計は前記コンピュータに接続され、前記コンピュータの出力データには前記心拍計の出力データも含まれることを特徴とする。
【０００７】
前記赤外線カメラの連写の時間間隔は、好適には、１００分の１秒以上、１秒以下に設定される。
前記撮影間隔を１００分の１秒以上、１秒以下とした理由は、計算結果を転送するための時間を必要とするからであり、また、実際的に１００分の１秒未満とする必要性は乏しく、更にまた、１秒を超えると、短時間で変化する顔面の温度変化を捉え損なう場合があるためである。
【０００８】
前記較正器の金属板又は金属箔の材質としては、最も好適には銅が挙げられるが、それ以外にも、アルミニウム、銀が利用でき、その他各種の熱伝導の良い金属、合金が利用できる。
また、前記較正器の金属板又は金属箔は、中央部がヒトの顔面サイズの空洞となった額縁状フレームとして形成することが推奨される。
【０００９】
前記較正器は、望ましくは、前記黒体被覆を施した領域の金属板又は金属箔の裏面に温度ゲージを取り付けて成り、当該温度ゲージの出力データに基づき前記較正器自体の較正を行い得るよう構成される。
【００１０】
また、前記目的を達成するため、本発明に係るサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための方法は、
熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施して成る較正器を、被験者の顔面又は毛髪のない頭部の近傍に配置するステップと、
赤外線カメラにより、被験者の顔面又は毛髪のない頭部を前記較正器と共に、短時間間隔で多数回連写するステップと、
前記赤外線カメラにより撮影された前記較正器の黒体被覆部分の撮影データに基づいて、コンピュータにより前記被験者の顔面又は毛髪のない頭部の撮影データからその温度を算出する際の較正を行うステップと、
を実行することを特徴とする。
【００１１】
前記目的を達成するため、前記のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定するための装置及び測定方法で使用する本発明に係る較正器は、熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施したことを特徴とする。
前記金属板又は金属箔の材質としては、最も好適には銅が用いられるが、それ以外にも、アルミニウム、銀が利用でき、その他各種の金属、合金も利用できること、また、前記金属板又は金属箔は、その中央部がヒトの顔面サイズに適した空洞となった額縁状フレームとして形成することが推奨されることは、前記と同様である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、被験者の周囲の温度を直接測定する較正器を使用し、そこから得られるデータを使って、サーモグラフィ装置固有の特性を考慮して面積当たりの相対的放射熱量を計算し、室温変化と被験者の顔面等の温度変化を独自に計算することにより、微小でかつ急速に変化するヒトの顔面等の動的温度変化を、周囲温度の影響を排除して、正確かつ即座に測定することが可能となった。その結果、ヒトの顔面温度変化について、汎用パーソナルコンピュータにより概ね実時間で測定可能となった。
また、前記較正器は、その金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に熱吸収率の高い黒体被覆を施したことにより、黒体の一定の放射率で赤外線量を較正すると共に、当該黒体被覆領域が迅速に周囲温度と同一温度となり、その温度を、熱伝導率の高い金属板又は金属箔の裏側に設けた温度ゲージにより速やかに測定し、同時に測定された実際の温度値を知ることができるものである。周囲温度変化を予め較正可能なため、以後は同時に温度ゲージ電圧を測定しなくても補正が可能となる。このように、前記赤外線カメラにより撮影された較正器の前記黒体被覆部分の撮影データに基づき、被験者の顔面等の撮影データからその温度を算出する際の較正を行うように構成したものであるから、被験者の顔面等の周辺温度の変化による影響を受けることなく、顔面等の僅かな温度変化を正確、迅速かつ連続的に測定し得るものである。
上記の場合において、心拍計（又は心電計）を併用し、被験者の顔面等の動的温度変化と共に、心拍数のデータ（又は心電データ）を直接若しくは適宜編集を加えて表示することにより、被験者の精神的変化等を一層的確に判断可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るサーモグラフィによる動的顔面温度変化測定装置の一実施例を示すブロック図である。
【図２】周囲温度変化に対するサーモグラフィによる黒体炉の温度表示の関係を示すグラフである。
【図３】本発明に係る較正器の第１実施例のものを用いて半田ゴテの温度変化をサーモグラフィにより測定する例（測定例１）を示す説明図である。
【図４】図３に示した較正器の銅板裏面に貼られた温度ゲージからの電位変化と接触式ディジタル温度計の温度表示の関係を示すグラフである。
【図５】図３に示した測定例１における温度較正のためのプログラムの構成を示すブロック図である。
【図６】図３に示した測定例１における半田ゴテ先端部分の温度を放射熱量に換算したものと較正器赤外画像平均ＲＧＢ値の関係を示すグラフである。
【図７】補間法により推測された周囲温度における温度較正分布図である。
【図８】本発明に係る較正器の前記第１実施例のものを用いてヒトの顔面の温度変化をサーモグラフィにより測定した結果（測定例２）を、従来のサーモグラフィによる測定結果と対比して示すグラフである。
【図９】本発明に係る較正器の第２実施例のものを示す説明図である。
【図１０】本発明に係る較正器の前記第１実施例のものと第２実施例のものとを用いてヒトの顔面の温度変化を測定した結果をディスプレイ装置に表示した状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定するための装置及び測定方法並びにこれに使用する本発明に係る較正器の好ましい実施形態を図面に基いて説明するが、本発明はこれらの実施形態に限らず、本発明の技術的範囲内で、利用状況等に応じてさまざまな設計変更を行うことが可能である。
【００１５】
図１は、本発明に係るヒトの動的顔面温度変化測定するための装置の一実施例を示すブロック図であり、図中、１は温度変化を測定すべき被験者の顔面等を撮影する赤外線カメラ、２はこの赤外線カメラからの熱画像をディジタル変換する変換器、３はこの変換器からのデータによって所定のプログラムにそって被験者の顔面等の温度を算出するコンピュータ、４はコンピュータからの出力データを印刷するプリンタ、５はコンピュータからの出力データを表示するディスプレイ装置、６は心拍計（又は心電計６）、７は後述の如く銅板等の表面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施してなる較正器、Ｔは上記機器１〜５を組み合わせてなるサーモグラフィである。尚、コンピュータ３としては、パーソナルコンピュータのほか、更に大容量、高機能のワークステーションのような業務用のコンピュータを使用しても良いことは勿論である。
【００１６】
赤外線カメラ１は、その制御回路（図では省略）により、被験者の顔面等を１００分の１秒以上、１秒以下の短時間間隔で多数回連続的に撮影できるようになっている。
前記赤外線カメラの撮影間隔を１００分の１秒以上、１秒以下とした理由は、前記の如く、計算結果を転送するための時間を必要とするからであり、また、実際的に１００分の１秒未満とする必要性は乏しく、更にまた、１秒を超えると、短時間で変化する顔面の温度変化を捉えきれない場合があるためである。
心拍計６（又は心電計６）は、被験者の心拍数（又は心電データ）を測定し、その出力データはコンピュータ３に入力され、心拍数（又は心電データ）の変化は直接又は適宜編集されて被験者の顔面等の温度変化と共に、ディスプレイ装置４及びプリンタ５により表示されるようになっている。
【００１７】
コンピュータ３は、前記変換器２からのデータに基づき所定のプログラムにそって被験者の顔面又は毛髪のない頭部の温度を算出する機能を有すると共に、本発明においては、前記赤外線カメラ１により撮影された較正器７の前記黒体被覆部分の撮影データに基づいて、被験者の顔面又は毛髪のない頭部の温度を算出する際の較正を行うようにプログラムされている。
【００１８】
較正器７は、熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施すと共に、当該黒体被覆を施した領域の金属板又は金属箔の裏面に温度ゲージを取り付けて成り、前記赤外線カメラにより被験者の顔面又は毛髪のない頭部と共に撮影し得る位置に配置されるようになっている。
前記熱伝導率の高い金属板又は金属箔の材質としては、銅が最も好適に用いられるが、それ以外にも、アルミニウム、銀が利用でき、その他各種の熱伝導率の高い金属、合金も利用できることは前記の通りである。
また、前記金属板又は金属箔は、その中央部がヒトの顔面サイズの空洞となった額縁状フレームとして形成し、その空洞部分から被験者の顔面等を覗かせた状態で赤外線カメラにより連写するようにすることが推奨される。
【００１９】
尚、前記赤外線カメラ１から、変換器２、コンピュータ３、プリンタ５、ディスプレイ装置５までを組み合わせたものが、サーモグラフィＴとして市場に提供されている。
以下、更に具体的に説明する。
【００２０】
〔サーモグラフィの温度較正〕
本発明で用い得る一例としてのサーモグラフィ（ＮＥＣ三栄株式会社製：製品番号ＴＨ５１０４）の温度表示について、製品に付属の温度解析ソフト等で較正を行ったところ、図２のように、周囲温度に影響された複雑な温度指示値を示すと共に、最も日常的に使用される周囲環境温度付近で、測定誤差が大きいことが明らかになった。また、電源投入後約９０分間は温度指示値の誤差が大きく、それ以降も０．５℃程度の変動が持続していた。そのため、結果的に当該サーモグラフィを使用した本発明による生体温度の測定は困難に思われた。しかし、コンピュータの高速化を利用して画像処理などで改善できないか検討することとし、赤外線カメラの出力ＮＴＳＣ信号を利用して温度較正をやり直すことから再開した。
撮影データは、最初、動画として保存し、その動画情報を静止画に変換して開発ソフトで画像処理を行うようにした。
【００２１】
〔測定例１〕
〈温度較正〉
狭い部屋に数人の成人が居れば、数分後には周囲温度が上昇するが、カメラ筐体内部にある周囲温度測定用センサーはこれらの変化を測定できない。そこで、本発明においては、別途作成した較正器により周囲温度を検出するようにした。
【００２２】
〈較正器（周囲温度測定用較正器）の第１実施例〉
本発明に係る較正器の第１実施例のものを、例えば、図３に示す較正器７として作製した。
即ち、図示した較正器７は、熱伝導率の高い金属板（又は金属箔。以下、単に金属板という。）７１の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆７２を施すと共に、前記黒体被覆７２を施した領域の金属板の裏面に温度ゲージ７３を取り付けたものである。黒体被覆７２の領域をサーモグラフィで撮影する際に、金属板７１から周囲の反射光が入らないようにするために、黒体被覆７２の周囲を囲うように紙製等の遮光枠７４を取り付けておくことが望ましい。また、金属板７１の裏面には接触式ディジタル温度計７５も取り付けた。
前記金属板（又は金属箔）７１の材質としては、銅、アルミニウム、銀等の熱伝導率の高いものを用いるようにする。本明細書では銅板を用いる例について説明するが、必ずしもこれに限定されるものではない。
より具体的には、図示した例の較正器７は、銅板７１の前面の一部に黒体塗料（黒艶消しの耐熱塗料、主成分シリコン樹脂：株式会社アサヒペン製）を塗布して黒体被覆７２を形成し、その黒体被覆７２の部分の銅板７１の裏面に温度ゲージ７３（株式会社共和電業製：ＴＡ−１２ＵＡ）を貼り付け、ひずみ増幅器（図では省略）を介して銅板７１の温度変化を測定するようにしたものである。温度ゲージ７３は、較正器７自体の較正のために用いるものであり、ヒトの顔面等の撮影データの取得時には用いる必要はないものである。
尚、図３に図示した較正器７において、銅板７１の横幅ａ＝２００ｍｍ、黒体被覆７２の縦及び横の長さｂ＝１１０ｍｍ、遮光枠７４の縦及び横の長さｃ＝１５０ｍｍであるが、必ずしもこれに限定されるものではない。
この較正器７から２００ｍｍ離れた位置から温風を当て、較正器７の銅板７１全体を暖め、黒体被覆７２全体に一様の温度分布を生じさせた。温風と較正器７の距離や暖める時間を変えて温度変化を起こさせた。
温度は、（１）前記温度ゲージ７３から得られる電位変化をＡ／Ｄ変換器を介して図１に示すコンピュータ３（ソニー社製、パーソナルコンピュータＶＡＩＯ−ＲＺ）にサンプリング周波数５００Ｈｚで取り込み、（２）接触式ディジタル温度計７５（ＩＷＡＴＳＵ−ＥＬＥＣＴＲＩＣ社製、ＴＤ−７０）を使用して１０秒間隔で銅板７１の裏面の温度変化（直読とアナログ電位出力可能）を取り込み、（３）前記赤外線カメラ１によっても同時に銅板７１上の黒体被覆７２部分を撮影、記録した。温度ゲージ７３の出力データに基づき較正器７自体の較正後、この較正器７を、被験者の近傍に置いて周囲温度モニター装置として使用することとした。
図４に、較正器７の銅板７１の裏面に貼られた温度ゲージ７３からの電位変化と接触式ディジタル温度計７５の温度表示の関係を示す。図のように温度と出力電位が一定の関係を示している。図中の直線は回帰直線を示すが、この直線を放射熱換算に利用した。
【００２３】
〈半田ゴテを使用した温度較正〉
図３に示す如く、半田ゴテ８（ＨＯＺＡＮ社製、Ｈ−１１０）の先端部８１付近（ｄ＝４５ｍｍ）に前述の黒体塗料を塗布し放射率を一定とした。これを被験者とみなして温度較正を行うために、電圧調整器で電圧を変えて先端部８１の黒体塗料部位の温度を２４℃〜４０℃の範囲で変化させ、同時に先端部を前述の接触型ディジタル温度計とサーモグラフィで記録し、温度較正を行った。
周囲温度が半田ゴテ測定時にどの程度影響を及ぼすのかを調べるため、エアコン付きの小部屋（４４ｍ2）にて、周囲温度を２０℃、２４℃、２８℃の室温に調節し、図３に示すように、架台９により半田ゴテ８との距離ｅ＝２００ｍｍに設置した較正器７で周囲温度を測定した。このときの半田ゴテ先端部８１の温度と平均ＲＧＢ値の関係を図６のグラフに示す。
【００２４】
〈プログラムの構成〉
上記温度較正のために、図５に示すように、サーモグラフィの赤外線カメラ１で前記半田ゴテ８の先端部８１の黒体塗料部と較正器７の銅板７１の黒体被覆７２の部分とを同時に撮影し、その出力ＮＴＳＣ信号（白黒画像）を、前記パーソナルコンピュータ３にインストールした録画ソフト（例えば、ソニー社「ＧｉｇａＰｏｃｋｅｔ（商品名）」）でＭＰＥＧ２形式にして保存した後、静止画像に変換し、「Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋」による開発ソフトで画素毎の数値に分解し、サーモグラフィが独自に、その筐体内のセンサーでの温度較正を行ったグレイスケールバーによる濃淡情報を参照して放射熱量に換算した。この時、Ｒ値（またはＧ値、Ｂ値）のみによる換算により、それらＲ、Ｇ、Ｂ３色の平均値を使用することによって、色成分の特性が良い線形が得られたため、「画素毎の平均ＲＧＢ値」とした。
サーモグラフィの性能は、焦点距離３０ｃｍから無限大まで、走査角縦２１．５°、横２１．５°、温度は２５６階調、温度分解能は０．３〜２℃、毎秒２２フレームで撮影となっている。
尚、上記換算等の処理を行うためのコンピュータプログラムとしては、市販のプログラム（例えば、デジモ社：Ｈｙｐｅｒ Ｉｍａｇｅ II）を利用することも可能である。
本例において、被験者の顔面温度変化を測定する場合は、被験者の顔面が赤外線カメラの画面にできるだけ大きく撮影されるように、赤外線カメラ１から被験者までの距離は１ｍとし、被験者の測定顔面温度範囲を２４℃〜４０℃とし、被験者の姿勢は安静座位状態で、若干動揺が生じるが、測定対象画面外にならないよう配慮する。サーモグラフィの外部出力はＮＴＳＣ信号なので、毎秒３０フレームで画像処理をすることを目標とした。
【００２５】
〈放射熱量の計算〉
前記較正器７から１ｍ離れた所に置かれたサーモグラフィで、較正器７の黒体被覆７２の部位の温度変化を記録し、指示値（℃）を物体温度変化としてステファン・ボルツマンの式に代入し、一方での単位面積当たりの物体の温度とで、単位面積当たりの放射熱量との関係を求めた。
【００２６】
（１）放射熱量
Ｑ１＝σ（Ｔ04−Ｔａ4）
Ｑ１：単位面積（ｍ２）からの放射熱量（Ｗ／ｍ２）
σ：ステファン・ボルツマンの定数
５．６７×１０−８（Ｗ／ｍ２・Ｋ４）
Ｔ１：物体表面の絶対温度（Ｋ）
Ｔａ：物体から離れた大気温度（℃）
（２）自然対流伝達熱量
Ｑ２＝Ｈｍ（ｔ０−ｔａ）
Ｑ２：単位面積（ｍ２）から放出される熱量（Ｗ／ｍ２）
（３）平均自然対流熱伝達率
Ｈｍ＝１．１７３×（ｔ０−ｔａ）−１／３
Ｈｍ：平均自然対流熱伝達率（Ｗ／ｍ２・℃）
ｔ０：物体表面の温度（℃）
ｔａ：物体から離れた大気温度（℃）
（４）全体の放射熱量
Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２
Ｑ：全体の放射熱量（Ｗ／ｍ２）
【００２７】
以上の式を用いて、対象物体から生じる全体の放射熱量を算出した。
被験者（顔面の温度変化測定を行う者）の温度較正のため、初め、恒温槽内の水と流動パラフィンで試行した。温度較正は大変良い線形特性が得られたが、温度制御が困難であること、水蒸気が発生して赤外線カメラへの悪影響があり得ること、などの問題が生じ、測定対象を半田ゴテに変更した。
【００２８】
〈半田ゴテの周囲温度による較正〉
図６に「サーモグラフィの温度情報を平均ＲＧＢ値に分解したもの」と接触型ディジタル温度計により測定された「半田ゴテ先端部分の放射熱量」との関係を示す。図６（ａ）は室内温度２０℃一定時、（ｂ）２４℃一定時、（ｃ）２８℃一定時の各分布図に対し、回帰曲線は、（ａ）相関係数０．９７７、精度±７．４４６（Ｗ／ｍ2）、
（ｂ）相関係数０．９８１９、精度±７．４４６（Ｗ／ｍ2）、
（ｃ）相関係数０．９７１、精度±５．００７（Ｗ／ｍ2）だった。
【００２９】
〈補間法による非測定部位の較正〉
周囲温度の変化は一様ではなく、環境によって複雑な温度変化をすることがあるが、周囲温度変化によって対象物体から得られる温度情報にも変化が生じてしまう。しかし、実際に全ての温度変化に対する較正は極めて効率が悪いので、図６の結果から、周囲温度２０℃、２４℃、２８℃の各放射熱量はそれぞれの回帰直線の勾配が平行に近い傾きを示しているので、２０〜２８℃の範囲内で、任意の周囲温度の補正を可能にするために、補間法により全ての周囲温度で温度較正をすることを試みた。
【００３０】
図７に、補間法によって較正した結果を示す。
図７において、（ａ）周囲温度２０℃、（ｂ）周囲温度２４℃、（ｃ）周囲温度２８℃
の周囲温度を基に、（ａ）と（ｂ）の間に周囲温度２２℃、（ｂ）と（ｃ）の間に周囲温度２６℃の温度較正図を推測した結果を示している。
この補間法によって推測された較正図の精度を確認するため、実際の周囲温度から測定された分布図と推測された分布図を比較した。その結果、周囲温度２２℃では±４．９６５（Ｗ／ｍ2）、周囲温度２６℃では±６．２３６（Ｗ／ｍ2）の許容誤差であった。
この結果から補間法を用いることにより周囲温度が２０℃〜２８℃の間であれば、その間で生じる任意の温度を推測することが可能となる。
【００３１】
〔測定例２〕
〈ヒトの顔面温度測定〉
本測定システムを使用し、ヒトの顔面温度を測定した。
被験者の同意を得た上で、被験者が安静座位の状態で姿勢を正している６０秒間についてサーモグラフィで記録し、その後一度深呼吸して随意的に３０秒間呼吸を停止するよう指示した。その後の回復過程を含めて３００秒間測定した。時間経過は予め伝えておいたが、被験者の意欲を引き起こすために１０秒前からカウントダウンを読み、事前に呼吸を停止する準備をしてもらった。これらの顔面温度を測定するため、被験者顔面の高さに赤外線カメラを合わせ、顔面の額（ひたい）部から直線距離で１ｍの位置に赤外線カメラを固定した。顔面撮影のため、被験者には頭髪が額部分にかからないようにした。周囲温度測定のための前記較正器７は被験者から０．５ｍの位置に配置し、リアルタイムで周囲温度の変化をパーソナルコンピュータに取り込んだ。
本例で作成した赤外線測定システムと、ＮＥＣ三栄株式会社が開発したＴＨ５１０７リモートプログラム（サーモグラフィ付属品）とで比較を行った。
尚、心拍計（又は心電計）６による被験者の心拍数（又は心電データ）の測定データも同時に採用する場合には、当該測定データをコンピュータ３に入力し、被験者の顔面等の温度変化と共に、ディスプレイ装置４及びプリンタ５により出力、表示するようにする。
【００３２】
ＴＨ５１０７リモートプログラムでは、サーモグラフィ内部のリアルタイムメモリ（最大で６４枚の熱画像を保存することが可能）にて秒単位で画像処理のスピードを設定することができる。本実験３００秒を全てに処理をおこなうため５秒に１枚のスピードで処理時間を設定した。測定対象範囲は額部分のみとし、額部分から生じる放射熱量の平均値を算出した。
この温度較正グラフを使用して、室内温度が１９℃〜３７℃の範囲で変化した場合、精度（偏差の最大値）±０．５８０℃で温度ゲージから得られる電圧を周囲温度に換算することができた。（但し、この較正器７を使用して周囲温度を測定する時は、実験開始前に周囲温度に１５分間以上馴染ませる必要があった。）
【００３３】
得られた結果を図８に示す。下段の実線グラフが本測定システムにより算出された放射熱量を温度情報に換算したもので、上段の点線グラフがＴＨ５１０７（ＮＥＣ三栄）リモートプログラムにて得られた温度情報である。測定結果は呼吸停止直前１０秒前の準備状態で温度が若干上昇傾向を示し、呼吸停止中はそれほど温度情報に変化は生じていないが、呼吸停止後の回復過程で、額部分の温度が低下していることが推測される。点線グラフ（ＴＨ５１０７）では温度変化に対する傾向を推測することは困難である。
【００３４】
この結果から、呼吸を停止することによる生理的機能変化が顔面部分に生じているのではないかと推測できる。呼吸を止めることにより、心拍数は低下し血圧は上昇する。この影響で一時的に上昇した血圧により顔面温度が上昇するが、呼吸開始と共に血圧が低下するため血流量が減り、その影響から顔面温度の低下が見られていると考えられる。
図８は、周囲温度測定システムにより、一例として、１０秒毎に加算平均をした温度ゲージからの電気信号を使って温度情報に換算した値であるが、５分程度の短時間の実験であるため、周囲温度の変化は全く見られない。
【００３５】
〈較正器の第２実施例〉
図９に、本発明に係る較正器の第２実施例を示す。図９では、較正器１０の正面図が中央に描かれ、その下部にＡ−Ａ線に沿った断面図、左側にＢ−Ｂ線に沿った断面図が描かれている。
この較正器１０は、図３に示す前記較正器７と同様に、熱伝導率の高い銅板等の金属板（又は金属箔）１０１の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆１０２を施すと共に、当該黒体被覆１０２を施した領域の金属板の裏面に温度ゲージ１０３を取り付けたものである。
前記較正器７との主な相違点は、前記金属板１０１の中央部をヒトの顔面サイズの空洞１０４とし、金属板１０１全体を額縁状フレームに形成したことである。この中央の空洞１０４の部分に被験者の顔面（又は毛髪のない頭部）が入るように構成されている。図示した例では、空洞１０４の下辺部分の金属板１０１の表面に黒体被覆１０２が形成されているが、黒体被覆１０２の配置や面積は、図示した例に限定されるものではない。
この較正器１０は机上据置型であり、椅子に腰掛けた被験者がその顔面又は頭部を較正器１０の中央の空洞部分から赤外線カメラへ向けて覗かせることにより、撮影と周囲温度変化の測定を正確、迅速かつ容易に行い得るようにしたものである。
この較正器１０の各部分の寸法は、例えば、ｆ＝３００ｍｍ、ｇ＝２４０ｍｍ、ｈ＝４００ｍｍ、ｉ＝３００ｍｍとされるが、必ずしもこれに限定されるものではない。
尚、前記金属板（又は金属箔）１０１の材質としては、前記第１実施例と同様に、銅、アルミニウム、銀等の熱伝導率の高いものを用いるようにし、黒体被覆１０２も、例えば黒体塗料（黒艶消しの耐熱塗料、主成分シリコン樹脂：株式会社アサヒペン製）を塗布して形成でき、裏面の温度ゲージ１０３としても第１実施例と同様のものを用い得るが、必ずしもそれらに限定されるものではない。この較正器１０を用いて行う較正の方法は、前記較正器７の場合と同様である。
【００３６】
図１０は、図９に示すような本発明に係る第２実施例の較正器１０の中央の空洞１０４から被験者が顔を覗かせ、被験者の顔面のみを撮影したサーモグラフィの画像である。この場合、顔面のすぐ下に前記黒体被覆１０２が存在し、顔面近傍の周囲温度をより正確に測定できて、かつ、画像処理のための顔面範囲設定も容易となり、一層正確、迅速に顔面の温度変化を測定することができる。本発明に係る較正器を用いて周囲温度を較正、演算した結果を図８のようにグラフで表示する。
【００３７】
尚、本発明は上記の実施例に限定されず、例えば較正器の金属板若しくは金属箔のサイズや形状、黒体被覆の配置、大きさ、形成手段、等々は本発明の目的の範囲内で適宜設計変更し得るものであり、従って、本発明は、特許請求の範囲に記載した範囲内におけるすべての変更実施例を包摂するものである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によるときは、被験者の周囲の温度を直接測定する独自の較正器を使用し、そこから得られるデータを使って、サーモグラフィ装置固有の特性を考慮して面積当たりの相対的放射熱量を計算し、室温変化と被験者の温度変化を独自に計算することにより、微小でかつ急速に変化する被験者の温度変化を即座に測定することが可能となった。その結果、ヒトの顔面温度のように僅かな温度変化についても、汎用パーソナルコンピュータにより概ね実時間で正確に測定可能となった。
【符号の説明】
【００３９】
１ 赤外線カメラ
２ 変換器
３ コンピュータ
４ ディスプレイ装置
５ プリンタ
６ 心拍計（又は心電計）
７ 較正器
７１ 金属板
７２ 黒体被覆
７３ 温度ゲージ
７４ 遮光枠
７５ 接触式ディジタル温度計
８ 半田ゴテ
９ 架台
１０ 較正器
１０１ 金属板
１０２ 黒体被覆
１０３ 温度ゲージ
１０４ 空洞
Ｔ サーモグラフィ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
短時間間隔で多数回連写し得る赤外線カメラと、
熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施して成り、前記赤外線カメラにより被験者の顔面又は毛髪のない頭部と共に撮影し得る位置に配置される較正器と、
前記赤外線カメラで撮影され出力される熱画像データをディジタル変換する変換器と、
前記変換器からのデータに基づき所定のプログラムにそって被験者の顔面又は毛髪のない頭部の温度を算出するコンピュータと、
前記コンピュータの出力データを記録表示するプリンタ及びディスプレイ装置と、を備え、 前記コンピュータは、前記赤外線カメラにより撮影された前記較正器の黒体被覆部分の撮影データに基づいて、被験者の顔面又は毛髪のない頭部の温度を算出する際の較正を行うようにプログラムされていることを特徴とする、サーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置。
【請求項２】
更に心拍計を備え、当該心拍計は前記コンピュータに接続され、前記コンピュータの出力データには前記心拍計の出力データも含まれることを特徴とする、請求項１に記載のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置。
【請求項３】
前記赤外線カメラの連写の時間間隔が１００分の１秒以上、１秒以下である、請求項１又は２に記載のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置。
【請求項４】
前記較正器の金属板又は金属箔の材質が、銅、アルミニウム又は銀のいずれかである、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置。
【請求項５】
前記較正器の金属板又は金属箔を、中央部が空洞となった額縁状フレームとして形成したことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置。
【請求項６】
前記較正器が、前記黒体被覆を施した領域の金属板又は金属箔の裏面に温度ゲージを取り付けて成り、当該温度ゲージの出力データに基づき前記較正器自体の較正を行い得るよう構成されたことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置。
【請求項７】
熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施して成る較正器を、被験者の顔面又は毛髪のない頭部の近傍に配置するステップと、
赤外線カメラにより、被験者の顔面又は毛髪のない頭部を前記較正器と共に、短時間間隔で多数回連写するステップと、
前記赤外線カメラにより撮影された前記較正器の黒体被覆部分の撮影データに基づいて、コンピュータにより前記被験者の顔面又は毛髪のない頭部の撮影データからその温度を算出する際の較正を行うステップと、
を実行することを特徴とする、サーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための方法。
【請求項８】
熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施したことを特徴とする、サーモグラフィによる温度変化測定のための較正器。
【請求項９】
前記金属板又は金属箔の材質が、銅、アルミニウム又は銀のいずれかである、請求項８に記載の較正器。
【請求項１０】
前記金属板又は金属箔を、中央部が空洞となった額縁状フレームとして形成したことを特徴とする、請求項８又は９に記載の較正器。
【請求項１】
短時間間隔で多数回連写し得る赤外線カメラと、
熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施して成り、前記赤外線カメラにより被験者の顔面又は毛髪のない頭部と共に撮影し得る位置に配置される較正器と、
前記赤外線カメラで撮影され出力される熱画像データをディジタル変換する変換器と、
前記変換器からのデータに基づき所定のプログラムにそって被験者の顔面又は毛髪のない頭部の温度を算出するコンピュータと、
前記コンピュータの出力データを記録表示するプリンタ及びディスプレイ装置と、を備え、 前記コンピュータは、前記赤外線カメラにより撮影された前記較正器の黒体被覆部分の撮影データに基づいて、被験者の顔面又は毛髪のない頭部の温度を算出する際の較正を行うようにプログラムされていることを特徴とする、サーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置。
【請求項２】
更に心拍計を備え、当該心拍計は前記コンピュータに接続され、前記コンピュータの出力データには前記心拍計の出力データも含まれることを特徴とする、請求項１に記載のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置。
【請求項３】
前記赤外線カメラの連写の時間間隔が１００分の１秒以上、１秒以下である、請求項１又は２に記載のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置。
【請求項４】
前記較正器の金属板又は金属箔の材質が、銅、アルミニウム又は銀のいずれかである、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置。
【請求項５】
前記較正器の金属板又は金属箔を、中央部が空洞となった額縁状フレームとして形成したことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置。
【請求項６】
前記較正器が、前記黒体被覆を施した領域の金属板又は金属箔の裏面に温度ゲージを取り付けて成り、当該温度ゲージの出力データに基づき前記較正器自体の較正を行い得るよう構成されたことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のサーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための装置。
【請求項７】
熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施して成る較正器を、被験者の顔面又は毛髪のない頭部の近傍に配置するステップと、
赤外線カメラにより、被験者の顔面又は毛髪のない頭部を前記較正器と共に、短時間間隔で多数回連写するステップと、
前記赤外線カメラにより撮影された前記較正器の黒体被覆部分の撮影データに基づいて、コンピュータにより前記被験者の顔面又は毛髪のない頭部の撮影データからその温度を算出する際の較正を行うステップと、
を実行することを特徴とする、サーモグラフィによるヒトの動的顔面温度変化測定のための方法。
【請求項８】
熱伝導率の高い金属板又は金属箔の片面の少なくとも一部領域に黒体被覆を施したことを特徴とする、サーモグラフィによる温度変化測定のための較正器。
【請求項９】
前記金属板又は金属箔の材質が、銅、アルミニウム又は銀のいずれかである、請求項８に記載の較正器。
【請求項１０】
前記金属板又は金属箔を、中央部が空洞となった額縁状フレームとして形成したことを特徴とする、請求項８又は９に記載の較正器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２５４２２２（Ｐ２０１２−２５４２２２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２９５５７（Ｐ２０１１−１２９５５７）
【出願日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【出願人】（５９７０２３５５８）学校法人帝京平成大学 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【出願人】（５９７０２３５５８）学校法人帝京平成大学 (1)
【Ｆターム（参考）】
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