JP4927260B2 - プローブを加熱するための閉ループシステム - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般的には、体温計の改良に関し、更に詳細には、素早く正確な体温測定値を得る電子体温計に関する。
【０００２】
（背景技術）
一般的に、医療分野では患者の体温は体温感知手段によって測定され、体温を測定するだけでなくその体温を表示することも行われている。そのような体温測定は、病院や診察室では日常的に行われている。その装置の１つとして、較正温度スケール近傍で膨張収縮する熱反応水銀柱を組み込んだガラス球体温計がある。通常、ガラス体温計は、患者に挿入され、十分な時間間隔の間挿入したままにして患者の体温で体温計の温度を安定させ、その後、医療職員がそれを取り出して温度を読み取る。この時間間隔は普通３分から８分である。
【０００３】
電子体温計の場合には、予測モードでは１分以上、モニタ又は直接測定モードでは５分以上の時間を要する。電子式予測体温計は、予測モードにおいて体温測定に要する時間が水銀体温計よりも遥かに短いことから普及してきた。多忙な看護婦にとっては、時間が最も重要である。体温測定に要する時間は、５分かかるよりも１分で済む方がはるかに望ましい。高速の体温測定手段を用いるとより多くの患者の要求にかない看護婦の仕事の効率がはるかに良くなる。
【０００４】
更に、体温を測定するためにプローブを患者の口の中に長時間挿入すればする程、プローブを正規の位置に保持しておくのが難しくなる。このことは我慢強くない傾向の若い人たちに特にあてはまる。（例えば年齢や病気のために）体温計を必要な時間、適切に体内に挿入しておくことができない患者のために、医療職員は測定時間中、長時間在席する必要が出てくる。若い患者の体温を１分で測定することは５分で測定するよりもはるかに望ましい。つまり、予測式体温計は、温度測定の技術を大いに進歩させた。
【０００５】
前述の点に加え、別の患者に素早く再利用することも１つの目標である。しかし、再利用による患者同士の相互の汚染の可能性を避けるよう注意する必要がある。従って、体温計のプローブに使用する保護カバーが設計されている。保護カバーは、患者に接触する体温計部位を完全に包み込むように設計される。体温計を使用した後は保護カバーを取り外すことができ、保護カバーによって体温計が患者と接触するのを防ぐので、体温計は別の保護カバーを装着するだけで即座に再利用できる。
【０００６】
プローブ保護カバーは、長い間予測電子式体温計用に使用されており、このカバーを適切に使用すると体温計は即座に再利用可能となる。しかし、保護カバーは、体温計のプローブ中の温度センサと熱源即ち患者との間に物質を付加する。患者とセンサとの間に物質を付加すると、患者の熱はセンサに到達する前に最初にプローブカバーを通過する必要があり、患者の体温を測定するプロセスを鈍化させるはずである。使い捨てプローブカバーの使用により即座に体温計を再利用できる利点は、その同じプローブカバーが原因で読み取りに要する時間が長くなるので相殺されてしまう。
【０００７】
電子式体温計の本来の特徴は、それらが使用される場所の温度を瞬時に測定することではない。温度感知装置がその場所の温度に安定するまでにかなりの時間がかかり、体温計が表示する温度は、測定する体温又は場所の実際の温度の代表値である。このタイムラグは、体又は場所の表面から温度センサへの熱の流れを妨げる、測定システムの種々の要素によってもたらされる。その要素の一部としてセンサチップ、体の組織、及び測定対象間の汚染を防止するために使用される衛生用プローブカバーがある。
【０００８】
電子式体温計で患者の体温を正確に読み取るのに必要な時間を短縮する１つの方法は、体温計のプローブチップ温度を患者の予測体温に近い温度まで予熱することである。そのようなプローブチップヒータは以前から公知である。しかし、プローブカバーをプローブチップと共に素早く昇温するには十分な出力が必要である。更に、プローブカバーは、構成物の材料に依存して、それを昇温するヒータ部分に大きな出力を必要とする、高い熱容量を持つように配慮する必要がある。十分な出力のヒータを配置しないと、プローブカバーの昇温が遅くなってしまう。
【０００９】
プローブカバーに十分な熱を供給してプローブカバーを昇温し患者の体温近くの温度レベルにすると、プローブチップの温度と患者の体温との間の温度差が小さくなるので測定に要する時間が短くなる。患者の体温を測定する時間を短縮することにより、患者が全ての測定時間にわたってプローブを正規位置に保持しないリスクが軽減され、医療職員が付き添う時間が短縮される。更に、データ処理と解析をより正確に行うことができるので、体温の測定精度が大幅に改善される。この方法も同様に体温測定技術の進歩に大いに貢献してきた。
【００１０】
プローブを予熱するのに必要な時間も更に配慮されている。患者の体温を測定するために十分に予熱するまでの実質的な時間の前にプローブをプローブ収納部から取り出すのは好ましくない。プローブを予熱している間に患者の口中に挿入されない点はある面で有利であるが、やはりプローブが予熱されるまで保持しておく時間が医療職員に必要である。
【００１１】
電子式体温計によって体温測定技術が進歩し、体温計を予熱することはよく知られているが、チップを予熱する速度を大きくすることが望ましい。これにより患者の体温をより速く測定することが可能になる。本発明は、前述又は他のニーズを満たすものである。
【００１２】
（発明の開示）
本発明は、一般的には、体温計のプローブを加熱するための閉ループシステム及びその方法を提供することを目的としている。より詳細な態様において、本発明は、
プローブに取り付けられ、プローブの温度を検出し、プローブの温度に応じて時間変化温度信号を供給するように構成されたセンサと、
プローブに取り付けられ、ヒータ制御信号に応答してプローブを加熱するヒータと、
電源と、
プローブを加熱するための閉ループシステムをもたらすよう電源、センサ、及びヒータに接続される処理装置と、
を備えるプローブを加熱するための閉ループ加熱システムであって、
処理装置は、電源からのエネルギー駆動レベルをヒータに付与してヒータがプローブを加熱するようにして、ヒータへ駆動レベルに対応するオフセット値を印加するようになっており、オフセット値は、外気温度及び前記電源電圧の関数である非ゼロ値であり、プローブを安定制御状態で目標温度まで急速に加熱するようになっている加熱システムを提供する。
【００１３】
更に詳細な態様では、処理装置は、プローブの温度を検出して、プローブの温度が第１のしきい値未満の場合は、ヒータに高いレベルの駆動エネルギーを印加してプローブを急速に加熱し、第１のしきい値に到達すると、ヒータへのバッテリエネルギー駆動を比例方式で低減するようになっており、しきい値は、駆動レベルオフセット値に依存している。
【００１４】
本発明の態様による方法は、プローブの温度を検出して、プローブの温度に応答して時間変化温度信号を供給する段階と、ヒータ制御信号に応答してプローブを加熱する段階と、プローブの温度を検出して、閉ループ方式でヒータ制御信号を印加する段階とを含む閉ループ方式でプローブを加熱する方法であって、ヒータ制御信号は、駆動レベルで前記ヒータに印加され、ヒータへ駆動レベルに対応するオフセット値を印加する段階を含み、オフセット値は、外気温度及び前記電源電圧の関数である非ゼロ値であり、プローブを安定制御状態で目標温度まで急速に加熱するようになっている、閉ループ方式でプローブを加熱する方法を提供する。
【００１５】
本発明の前述の及び他の特徴と利点は、本発明の原理を説明する例示的な以下の詳細な説明と添付図面とにより理解できる。
【００１６】
（発明を実施するための最良の形態）
以下の説明において、異なる図面の同じ符号は同一又は対応する構成要素を表している。
図１を参照すると、本発明の実施形態による体温計プローブ１０及びプローブカバー１２組立体が示されており、プローブハウジング１６に取り付けられた細長い体温計プローブシャフト１４と電気ケーブル１８とを備えており、電気ケーブル１８は、プローブ１０内に配置された温度感知手段によって検出された温度を測定して２１に表示するために、シャフト（図示せず）の先端チップ内に配置された温度感知要素からシャフトを通って延び、体温計のデータ処理部１９（便宜上ブロック図で示す）に収容されている。シャフト１４は、ハウジング１６内に取り付けられる近位端２０と、プローブチップ２４を備える先端部２２とを有する。細長いプローブカバー１２は、プローブシャフト１４に適する形状及び寸法であり、プローブシャフトをプローブカバー内に受け入れる開口端部２６と、プローブチップ２４へぴったりとしっかり嵌め込まれる先端チップ２８とを有する。
【００１７】
図２の端面図を参照すると、先端チップ２４が示されている。仮想線で示すように、プローブチップヒータ３０とプローブチップセンサ３２は、プローブチップに取り付けられている。プローブチップセンサ３２はプローブチップヒータ３０と物理的に接触しておらず、本実施形態において両者は正反対に離れているが他の配置も可能である。
【００１８】
図３を参照すると、図２の線３−３に沿う断面図であり、ヒータ３０とセンサ３２は、対応する導線３４及び３６を備えている。これらの導線は、プローブ先端２２において本体の導線４０と接続する接続部３８を形成する。本実施形態において、センサ３０は基本的にプローブ１０の先端部２４に取り付けられ、ヒータ３０は基本的に先端部の壁４２に取り付けられる。この構成により、先端部において両素子が互いに接触しない十分な空間を確保できる。別の構成も可能である。
【００１９】
図４を参照すると、図３と同様の図が示されているが、追加の構成要素であるプローブカバー１２が取り付けられている。図示のように、ヒータ３０及びセンサ３２は、プローブカバー１２と接触する先端チップ２２の壁に配置されている。前述のように、プローブカバー１２は患者と温度センサとの間に配置されるのでヒータ３０によって予熱する必要がある。
【００２０】
図５を参照すると、ブロック図は、概して電子体温計４２の主要な電子部品を示す。温度センサ３２は、測定中に検出した温度に対応する温度信号を供給する。温度センサにサーミスタを使用する場合、この信号はサーミスタの抵抗値を示すアナログ電圧又は電流値であり、検出温度を示す。この値は、後の処理のためにアナログ／デジタル変換器４４によってデジタル形式に変換される。アナログ／デジタル変換器４４は処理装置４６に接続されており、処理装置４６はデジタル温度信号を受信して処理し測定対象の温度を決定する。
【００２１】
タイマ４８は、温度信号の処理に使用される時間信号を処理装置４６へ供給する。メモリ５０は、その後に解析できるよう、温度及び時間信号データを記憶する。更に、メモリ５０は、ヒータ３０を制御して温度を計算するために処理装置４０が使用する、経験的に導き出された定数を記憶する。一旦信号が処理されると、処理装置４６は表示装置５２に信号を送り温度が表示される。スイッチ５４をオンすることにより体温計４２の温度測定機能が有効になる。このスイッチは、プローブを取り出したときに測定機能が有効になるように、プローブ収納部１７に取り付けるのが好ましい。バッテリ等の電源５６は処理装置に接続されている。処理装置は、ヒータ３０への電源供給又はヒータの駆動レベルを制御するが、それについては以下に説明する。
【００２２】
図６を参照すると、ヒータの駆動レベル６０のグラフが示されている。グラフは、駆動レベル軸とプローブ温度軸とを含んでいる。本実施形態において、９４°Ｆにおいて駆動レベルはゼロとなり、この温度に達するとヒータに供給される電力が切断されることを意味する。本実施形態において、低い温度ではヒータの駆動レベルが０．４に設定され、以下に説明するように特定の温度に達するように駆動レベルが低減される。
【００２３】
本発明の態様によれば、加熱要素に供給される電力量は、予め定められた「対象物」の温度（９４°Ｆ）とチップ温度との差の関数である。フィードバック制御ループの基本的な設計は、「比例積分偏差（ＰＩＤ）」システムであるが、この設計を改良する新規の方法が組み込まれている。
【００２４】
ＰＩＤヒータ制御システムにおいて、「Ｐ」要素は温度誤差（目標値−実際値）に比例する駆動レベルを計算する。チップ温度が目標値に近い（誤差が小さい）場合、「Ｐ」要素は小さい。チップ温度が目標からかけ離れている（誤差が大きい）場合、駆動レベルの「Ｐ」要素は大きい。チップ温度が目標温度である場合、誤差はゼロであり駆動レベルの「Ｐ」要素はゼロになる。しかし、通常の条件下では、非ゼロの駆動レベルを維持してチップ温度を目標温度又はその近傍に保つ必要がある。従って、実在の条件下でゼロ誤差を維持するために、「Ｐ」要素にオフセット値を付加する必要がある（例えば、冷たい部屋では大きなオフセット値が必要である）。条件の変動（例えば室温、器具要素の変動性等）に応じてゼロ誤差を維持するために、オフセットを微調整できるようにしておく必要がある。オフセット値の調整が誤差に比例する場合、調整値の合計値であるオフセット値は、基本的に誤差の「積分」に比例する。これがＰＩＤの「Ｉ」部分である。
【００２５】
「Ｄ」要素はチップ温度の変化率に比例する。その目的はチップ温度が急激に上昇又は下降する場合に、駆動レベルを調整することによって安定性を改善することにある。特定のシステム構成では「Ｄ」要素がオーバーシュートを最小にする。
【００２６】
「Ｐ」及び「Ｉ」要素の考察に戻ると、「Ｐ」要素は、チップ温度と目標温度とが実質的に異なる場合に、チップ温度を目標温度まで急速に駆動する役割を果たす。「Ｉ」要素は、条件がゆっくりと変化している間にチップ温度を目標温度又はその近傍に微調整する役割を果たす。「Ｉ」要素は、室温、バッテリ電圧、構成要素の公差等の変動を補償するアルゴリズムの「適応（ａｄａｐｔｉｖｅ）」部とみなすことができる。
【００２７】
患者用の体温計は、プローブチップをできるだけ迅速に加熱する必要がある。多くの場合、組織接触は、チップが目標温度に到達する前に行われる。プローブを迅速に加熱できればできる程、予測温度をそれだけ早く計算できる。
【００２８】
制御方法において、激しいオーバーシュートなしにチップを急速に加熱するためには、駆動オフセット値を直ちに正しい値又はその近傍に設定する必要がある。ゆっくりした適応「Ｉ」要素にとって、その正しい値に駆動するための時間は十分にない。本発明によれば、適切な駆動オフセット値を外気温度とバッテリ電圧との関数として経験的に決定した。つまり、経験的に導き出した関数に基づいてオフセット初期値を設定したので、通常のＰＩＤ制御のようにゼロに初期化されることは全くなかった。更に、プローブチップが加熱中であるが目標温度からかけ離れている場合、アルゴリズムの「Ｉ」要素は駆動オフセット値の調整を行わない。すでに駆動オフセット値は最適値に設定されており、チップ温度が目標値に近づくまでは変更されるべきではない。従って、ＰＩＤアルゴリズムの「Ｉ」要素によるオフセット値の調整は、誤差が予め定めた範囲内にある場合に限られる。これによって、誤差が大きく、アルゴリズムの「Ｐ」要素がチップ温度を目標温度へ急速に駆動している間は、アルゴリズムがオフセット値を操作することを阻止できる。一旦チップ温度が目標値に近づき、組織接触がまだ行われていない場合、アルゴリズムの「Ｉ」要素は、現在の状況に適合するようにオフセットの微調整を行うことができる。
【００２９】
ヒータ駆動レベルの変化と温度センサでの結果の検出との間には大きな遅延時間が存在する。「Ｐ」又は「Ｉ」要素に関するループ利得は、ループの安定性を保つために小さくしておく必要がある。プローブを素早く加熱するのが目的なので、標準的なＰＩＤ手法では不十分である。前述したように、駆動オフセット値は予め計算した値に初期化する必要があり、適応「Ｉ」要素は瞬時に無効になる。更に、「Ｐ」要素は、ループ安定性を保ちながら素早く加熱するための新規なカスタマイズを必要とする。安定性を保つために、「Ｐ」要素に関連するループ利得は厳密に制限する必要がある。しかし、予め定められた範囲外の誤差によってループ利得は非常に大きくなる。利得が大きくなると、大きな誤差に対応してヒータ駆動も大きくなり、チップを素早く加熱する。一旦チップが目標温度に近づくと、誤差は「制御領域」６２に入り、利得が小さくなってループの安定性が保たれる。利得量は、バッテリ電圧の関数として予め定められている。更に、最大許容駆動レベル６０は、バッテリ電圧の関数として予め定められている。駆動レベル６０が非常に大きな値になり得る場合、蓄積エネルギー及び熱遅延によってチップ温度は目標温度を大幅にオーバーシュートしてしまう。
【００３０】
図６に示す実施形態において、駆動レベル６０は、一旦制御領域６２に達すると変更される。駆動レベルが変更される温度はオフセット値によって制御される。図６の場合、制御領域６２の外側での駆動レベルは０．４に設定される。一旦制御領域に入ると、駆動レベルは第１区域６４で急速に小さくなる。第２区域６６において、その傾きは第１区域に対して約１／４であり、温度に対する駆動レベルの変化が小さくなる。第３区域及び最終区域６８において、駆動レベルの傾きは再び４倍大きい値に戻る。本駆動レベルの制御方法において、駆動レベルは連続的に変化するのではなく段階的に変更される。しかし、別の方法も可能である。
【００３１】
最後に図７を参照すると、ヒータ制御のフローチャートが示されている。本フローチャートにおいて、開始ステップ７０に続いて、ルーティンはＡ／Ｄ変換器から０．１秒毎に次回の温度を取得するステップ７２へ進む。次に、これがセッションの最初の温度か否かを決定するステップ７４へ進む。最初の温度であれば、ヒータオフセット初期値が周囲温度とバッテリ電圧の関数として設定されるステップ７６へ進む。
【００３２】
本発明の１つの形態が図示され説明されているが、本発明の範囲から逸脱することなく、更なる変更又は改良を本明細書に開示された装置及び方法に行い得ることを理解されたい。従って、本発明は請求範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態による、温度センサ及びプローブチップヒータを有するプローブチップが組み込まれた電子体温計プローブ及びプローブカバー組立体を示す概略図である。
【図２】 プ図１に示す体温計プローブの先端チップの端面図であり、ローブカバーが取り外されている。
【図３】 本発明の実施形態による、図２の線３−３に沿う、図１及び２に示す体温計プローブの先端チップの横断面図であり、温度センサ、プローブチップヒータ及び配線接続を有するプローブチップの内部構成要素を示す。
【図４】 図１のプローブ及びプローブカバーの断面図であり、プローブに取り付けられたプローブカバー、温度センサ及びプローブチップヒータを示す。
【図５】 本発明の実施形態による、プローブ温度制御システムの一部を構成する処理装置を組み込んだ体温測定システムのブロック図である。
【図６】 プローブチップヒータに印加される駆動レベルを示すグラフである。
【図７】 図３に示すプローブチップヒータに対する駆動レベルについてのフローチャート又はデータチャートである。

Claims (7)

1. プローブに取り付けられ、前記プローブの温度を検出し、前記プローブの温度に応じて時間変化温度信号を供給するように構成されたセンサと、
   前記プローブに取り付けられ、ヒータ制御信号に応答して前記プローブを加熱するヒータと、
   電源と、
   前記プローブを加熱するための閉ループシステムをもたらすよう前記電源、前記センサ、及び前記ヒータに接続される処理装置と、
   を備える医療用体温計のプローブを加熱するための閉ループ加熱システムであって、
   前記処理装置は、前記電源からのエネルギーの駆動レベルを前記ヒータに付与して前記ヒータが前記プローブを加熱するようにして、前記駆動レベルに対応するオフセット値であって、外気温度及び前記電源電圧の関数である非ゼロ値のオフセット値を印加して、前記プローブを安定制御状態で目標温度まで急速に加熱するようになっており、
   かつ前記処理装置は、前記プローブの温度を検出して、前記プローブの温度が第１のしきい値未満の場合は、前記ヒータにより高い駆動レベルのエネルギーを印加してプローブを急速に加熱し、前記第１のしきい値に到達すると、前記ヒータへのバッテリエネルギー駆動を比例方式で低減するようになっており、前記しきい値は、前記オフセット値に依存していることを特徴とする加熱システム。
2. 前記処理装置は、前記ヒータに付加される前記駆動レベルの適用を前記電源電圧の関数として予め設定されている最大値にすることを許容する請求項１に記載の加熱システム。
3. 前記処理装置は、前記オフセット値を印加して前記プローブを前記目標温度に維持するようになっており、前記処理装置は前記プローブの温度と前記目標温度との間の誤差の関数として及び電源電圧の関数として前記オフセット値を評価するようになっていることを特徴とする請求項１記載の加熱システム。
4. 前記第１のしきい値に到達したとき、前記処理装置が、非連続的な方法によって、前記駆動レベルを低下させることを特徴とする請求項１の記載の加熱システム。
5. 前記第１のしきい値に到達したとき、前記処理装置が、電力レベルを段階的に減少させることによって、前記駆動レベルを低下させることを特徴とする請求項１の記載の加熱システム。
6. 請求項１の加熱システムを備えた医療用体温計。
7. 閉ループ方式で医療用体温計のプローブを加熱する方法であって、
   前記プローブの温度を検出して、前記プローブの温度に応答して時間変化温度信号を供給する段階と、
   ヒータ制御信号に応答してプローブを加熱する段階と、
   前記プローブの温度を検出して閉ループ方式で前記ヒータ制御信号を印加する段階であって、前記ヒータ制御信号は、駆動レベルで前記ヒータに印加されるようになっている段階と、
   外気温度及び電源電圧の関数である非ゼロ値のオフセット値を前記駆動レベルに印加して、前記プローブを安定制御状態で目標温度まで急速に加熱する段階と、
   前記プローブの温度を感知し、もし前記プローブの温度が第１のしきい値より、低い場合には、前記ヒータにより大きな駆動レベルを印加して前記プローブの加熱を促進する段階と、
   前記オフセットに依存する前記第１のしきい値に到達したとき、比例的な方法で前記ヒータへの電池エネルギー駆動を低下させる段階と、を備えたことを特徴とする方法。

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