JP2001520068A

JP2001520068A - 呼吸分析に使用されるサンプル捕集及び検出システム

Info

Publication number: JP2001520068A
Application number: JP2000516590A
Authority: JP
Inventors: リバック、イザベラ・ティー; セッカダス、ゴビンダヌニー; ハレイ、ローレンス・ブイ
Original assignee: アイディーエス・インテリジェント・ディテクション・システムズ・インコーポレーテッド
Priority date: 1997-10-22
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 2001-10-30
Also published as: EP1024745A1; EP1024745A4; WO1999020177A1; CA2306760A1

Abstract

(57)【要約】人の口を覆って配置され、吸息及び呼息を可能とする通路（２２，２５，３０，３５）を有するマスクデバイス（１２）を具備する、目標化合物を検出するための呼吸分析器システム。第１の排気通路（２５）の入り口に配置された弁（１０２）の位置に提供された電子センサ（４０）は、第１の呼吸放出物の検出を開始させるのとともに制御信号を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本特許出願は、１９９７年１０月２２日に出願された米国仮特許出願６０／０
６２，６８３号を基礎とし且つその利益を請求する。本発明は、一般には呼吸分析器システムに係り、より詳細には、例えば特定の
身体疾患に関連する目標化合物について最適化された新規な呼吸分析器システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】

近年、医療検査の費用は非常に高い速度で増加している。この増加は、非常に
高価な機器の使用（すなわち、ＭＲＩ及びＣＡＴスキャナ）、専門の作業員にか
かる高い労務費、より高度な検査手法、及び増加した数の検査を含む幾つかの要
因のせいである。診断の段階の際に、医者は、幾つかの可能な結論を診査せねば
ならず、一連の検査により、いずれの可能性が正しいかを確証することのみが可
能である。近年の文献は、他の非侵入性（non-invasive）技術は、可能な選択肢
の数を、及び、したがって、患者及びヘルスケアシステムへの費用を減少させる
ことにおいて医師を援助するのに有用であることを示唆している。さらに、非侵
入性技術は、病院ですぐに使用され得る。

【０００３】人間の息は身体内で生じる代謝プロセスに関する膨大な量の情報を含んでいる
ので、１つの技術は呼吸分析である。しかしながら、人間の呼吸分析は、困難且
つ挑戦的な作業であり、しかも、広範な濃度幅での大量の有機化合物と同様に高
濃度の水の存在により複雑化されている。より詳細には、人間の息は、通常の息
でほぼ４００の揮発性有機化合物が単離されている（Ｐｈｉｌｌｉｐｓ１９９
２）ように同質ではない。窒素及び酸素は合わせて息の９０％より多くを構成し
ているが、高濃度の水，３７℃では４０ｍｇ／Ｌまで，も存在している。二酸化
炭素は、息の約５％を占めている。息の中の他の揮発性化合物の殆どは、ｐｐｂ
以下で存在している。特定の疾患に関連する目標化合物を含んでいるのは、この
低濃度の揮発性化合物グループである。

【０００４】ＭｉｃｈａｅｌＰｈｉｌｌｉｐｓによるＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＡｍｅｒｉ
ｃａｎ，Ｊｕｌｙ１９９２，ｐｐ．７４−７９の「ＢｒｅａｔｈＴｅｓｔｓ
ｉｎＭｅｄｉｃｉｎｅ」と題されたリファレンスは、従来の呼吸分析技術を
記載するのとともに、胃、腸、及び膵臓における疾患の検出を補助するためにト
レーサ或いはマーカ，例えば、放射性二酸化炭素¹⁴ＣＯ₂，の予備服用を必要とするシステムを記載している。特に、そのようなシステムは、大部分は据付の嵩
張るデバイスであり且つ数メートルのプラスチックチューブを必要とする呼吸放
出物捕集装置（breath exhalation collecting apparatus）を含んでいる。これ
らシステムは、ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）及び／またはイオン移動度スペク
トロメトリ（ＩＭＳ）技術を用いて後で分析される化合物を捕集するための吸着
性結合剤に加えて一連のウォータトラップを用いている。

【０００５】特定の身体疾患に関連する目標化合物を含有する呼吸放出物中に含まれるある
揮発性化合物グループの捕集及び検出を可能とするインテリジェンスを有するマ
スクコンポーネントを具備する呼吸分析システムを提供することが非常に望まれ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】

本発明の目的は、受け入れられた呼吸サンプルの全体積を同時に吸着媒体中に
呼吸サンプルを捕集しつつ測定することにより呼吸放出物中に含まれる目標化合
物を検出するための携帯型であり且つ小型の機器及び方法論を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

本発明の原理によれば、人の口を覆って配置され前記人の呼吸放出物を受け取
るためのマスクデバイスを具備する呼吸分析装置が提供される。第１の排気通路
（passageway）の入り口に配置された弁の位置に提供された電子センサは、呼吸
放出物の検出を開始し、制御信号を発生する。制御信号を受信すると、制御デバ
イスは、測定サイクルの第１の部分で所定体積の呼吸放出物に前記第１の通路を
通過させること、及び、測定サイクルの第２の部分の間における第２の通路中に
配置された呼吸吸着媒体による受け取りのために呼吸放出物の残りの部分に第２
の通路を通過させることを含む呼吸体積測定及び捕集サイクルを開始する。第１
及び第２の測定サイクルは、所望体積の放出された息が標本抽出されるまで繰り
返される、その次に、吸着媒体により捕集された息の成分は、イオン移動度分光
計或いは一体型ガスクロマトグラフィックＧＣ／ＩＭＳデバイスにより分析され
る。

【０００８】本発明のさらなる特徴及び利益は、本発明の好ましい態様を具体的に示し添付
する図面を参照することにより明らかとされる以下の詳細な記載の考慮からより
容易に明白となるであろう。

【０００９】

【発明の実施の形態】

本発明の呼吸分析機器は、以下の基本的方法論：１）サンプルの捕集、２）サ
ンプルの準備（preparation）、及び３）サンプルの分析、を実行する。サンプルの捕集については、そのデバイスは、患者の息を標本抽出し、分析されるべき
有機化合物をトラップする。好ましくは、機器１０は、呼吸の力学を考慮に入れ
て設計される。

【００１０】例えば、標準的な７０ｋｇの大人は安静時に約７．５Ｌ／分で呼吸する。本プ
ロセスに対する責任を負うサイクルは４つのステージ：（安静、吸息の間）、吸
息を終了した（平衡）、（呼息の間）、及び（呼息）からなる。空気を肺の中に
入れるために、それぞれの呼吸で入れられる及び出て行く空気の量は一回呼吸量
と呼ばれ、通常、それは約５００ｍｌである。７．５Ｌ／分を用いると、これは
凡そ１５呼吸／分となる。そのうえ、どの呼息の最初の１５０ｍｌも、ガスの入
れ替わりが全く起こらない気管上方からの「死腔」空気からなる。この体積は、
肺の中でのガスの入れ替えに寄与せす、その結果、目標化合物を含有しないので
浪費される。これは、全ての呼吸で、３５０ｍｌの空気のみが捕集及び分析に適
当であることを意味している。それゆえ、例えば、１００ｐｐｔの濃度の目標化
合物を検出するのにどれくらいのサンプルを捕集するかを決定するためには、捕
集されねばならない有効な空気の総体積が決定されねばならない。それぞれの呼
吸の１５０ｍｌは浪費されるので、それぞれの呼吸の３５０ｍｌのみが有効であ
る。１５呼吸／分では、１分間に総体積で５２５０ｍｌの有効な空気が呼息され
る。１００ｐｐｔの濃度では、目標化合物の体積の計算による見積もりは（例え
ば、分子量が１５０で６ナノグラムの質量を有するとして）７７５０ｍｌである
。５２５０ｍｌ／分及び７７５０ｍｌの総体積を用いると、捕集時間は約１．５
分となるであろう。これら計算に基づくと、推定呼吸サンプリング時間は１〜３
分であろう。上記情報及び計算結果を用いて、本発明の呼吸分析デバイスは、患
者から正確な量の有効な空気を自動的に捕集する。

【００１１】図１は、マスクコンポーネント１２を含む本発明の呼吸分析器システム１０を
描く概略的なダイアグラムである。図１に示すように、マスクコンポーネント１
２は、患者が通常に呼吸するのに伴って有効な空気を効果的に捕集するように予
めプログラムされたシーケンスを実行する全てのエレメント及びオンボード電子
回路（electronics）を含んでいる。特に、より詳細に記載されるように、本発明は、以下のモードの操作：１）スタンバイ及び２）サンプル捕集に対応してい
る。「スタンバイモード」の間、マスクは呼吸放出物を受け取るために患者の顔
を覆って配置されサンプル「トラップ」はマスクから取り除かれているか、或い
は、マスクは患者の顔から取り除かれている。サンプル捕集モードの操作の間、
患者が通常に呼吸するのに伴って規定体積の有効な空気が捕集される。

【００１２】図１に示すように、サンプルマスクは、第１の吸気通路２２及び排気通路２５
，３０及び３５を提供されている。排気通路３０は、前記呼息された息の構成成
分を捕集するための媒体を有するサンプル捕集チャンバ４５を含んでいる。通路
２２，２５及び３０に対応して３つの弁１０１，１０２及び１０３が提供されて
おり、それらは患者の吸息及び呼息と連鎖して動作する。例えば、患者が吸息す
る間は、弁１０１は開放して人が通路２２を介して吸息するのを可能としている
が、弁１０２〜１０３は閉鎖されたままであり、患者が呼息する間は、弁１０１
及び１０３は閉鎖され、弁１０２が開放される。

【００１３】その操作用シーケンスは以下の通りである。まず、スタートボタン２０が選択
され、オンボード制御用マイクロプロセッサ５０により実行される操作シーケン
スを開始する。そのマイクロプロセッサは、弁１０２に取り付けられた電子セン
サ４０からの信号を待っている。患者が呼息するのに伴って、弁１０１は閉じ、
シャント弁１０３は開く。電子センサ４０からの信号がマイクロプロセッサ５０
により受信され、測定シーケンスを開始する。

【００１４】特に、約１５０ｍｌの空気がシャント弁１０２を通って流量センサ４２により
測定された後、マイクロプロセッサは弁１０２を閉鎖するように命じるのと同時
に弁１０３を開放するように命じ、残りの呼息された呼吸がサンプルトラップ６
０を通過するのを可能とする。好ましい態様においては、トラップ６０は、適当
な高表面積の吸着（adsorbant）材料，例えば、Ｔｅｎａｘ−ｐｏｌｙｍｅｒｉｃのような疎水性吸着媒，を含有する。流量センサ７０は、その後、有効な空気
の体積を測定する。患者はどのような特別な命令もなく吸息及び呼息するので、
マイクロプロセッサは、弁１０３を通過する有効な空気の全体積の考慮を維持す
る。適切な体積が呼息されると（５０００〜１０，０００ｍｌ）、マイクロプロ
セッサ５０は弁１０３を閉鎖し、そのプロセスが終了したという信号を送る。

【００１５】最後に、吸着された呼吸サンプルを含むサンプルコレクタ６０が、例えばロボ
ットインターフェースデバイスにより取り除かれ、分析器中に配置される。

【００１６】結果を得るため及び化学的精度を維持するために必要な時間を減少させるため
に、その呼吸分析器システム１０は、ＧＣ／ＩＭＳ分析デバイスでの処理のため
のサンプルを準備するロボットインターフェースを備えた改良されたＧＣ／ＩＭ
Ｓ系機器８０を含んでおり、それは、例えば、米国特許第５，１８９，３０１号
、第５，４６５，６０７号、及び第５，５８５，５７５号に記載されたシステム
と類似の改良されたバージョンのＯＲＩＯＮ可燃性ガス検出器システム（explos
ive detection system：本発明の譲受人であるＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＤｅｔ
ｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ社により製造されている）を具備してもよく、そ
れらのそれぞれの内容及び開示は参照によりここに完全に示されるが如く組み込
まれる。それら変形は、様々な目標化合物に対応するように最適化された分析コ
ンポーネントを含み、そのリストは付録Ａに見出される。好ましくは、分析時間
は、１５乃至２０秒を超えるべきではない。

【００１７】上記記載は、単に本発明の原理を例証するに過ぎない。当業者は、ここでは明
白には記載されても示されてもいないが本発明の原理を具体化し且つ本発明の真
意及び範囲内にある様々な変形を案出することができるであろう。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】

【００２１】

【図面の簡単な説明】

【図１】マスクコンポーネントを含む本発明の呼吸分析器システムを描く概略的なダイ
アグラム。

【符号の説明】

１２…マスクコンポーネント１０…呼吸分析器システム２０…ボタン２２，２５，３０，３５…通路４０…電子センサ４２，７０…流量センサ４５…サンプル捕集チャンバ５０…マイクロプロセッサ６０…サンプルトラップ８０…ＧＣ／ＩＭＳ系機器１０１〜１０３…弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者セッカダス、ゴビンダヌニーカナダ国、ケー２ビー、６エム７、オンタリオ、ネピーン、イー・ベイショア・ドライブ 51 (72)発明者ハレイ、ローレンス・ブイカナダ国、ケー１ジー、４ティー７、オンタリオ、オタワ、マンジュ・ストリート１Ｆターム(参考） 2G045 AA25 CB22 JA07 4C038 SS00 ST00 SU17 SX01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】呼吸分析器システムであって、人の口を覆って配置され前記人の呼吸放出物を受け取るためのマスクデバイス
，前記マスクデバイスは少なくとも１つの通路及び放出された呼吸を前記システ
ムの中へと送り出すための弁を具備する，と、呼吸のサンプルを受け取るための第１の通路に配置された呼吸サンプル捕集チ
ャンバと、第２の通路の入り口に配置された弁の位置に提供された電子センサ，前記セン
サは呼吸放出物の検出を開始させ且つ第１の制御信号を発生する，と、前記第１の制御信号に応じて呼吸体積測定及び捕集サイクルを開始させる制御
デバイス，前記測定及び捕集サイクルは、前記測定サイクルの第１の部分で所定
体積の呼吸放出物に前記第２の通路を通過させること及び前記測定サイクルの第
２の部分の間における前記呼吸サンプル捕集チャンバによる受け取りのために前
記呼吸放出物の残りの部分を前記第１の通路へと送り出すことを含む，と、前記サンプル捕集チャンバ中の前記放出された呼吸の内容物を求めるための分
析器デバイスとを具備するシステム。
【請求項２】前記第１の通路への入り口に配置され、前記測定サイクルの
前記第２の部分の間に前記呼吸放出物を前記第１の通路に通過させる前記制御デ
バイスの制御下で開く第１の弁機構と、前記測定サイクルの前記第２の部分の間に受け取られる放出された呼吸の体積
を測定する流量センサデバイスとをさらに具備する請求項１に記載の呼吸分析器システム。
【請求項３】前記サンプル捕集チャンバは、前記放出された呼吸の構成成
分を吸着する吸着材料を含む請求項１に記載の呼吸分析システム。
【請求項４】前記分析器デバイスは、イオン移動度分光計を含む請求項１
に記載の呼吸分析システム。
【請求項５】前記第２の通路の入り口に配置され、前記測定サイクルの前
記第１の部分の間に前記所定体積の呼吸放出物を前記第２の通路に通過させる前
記制御デバイスの制御下で開き、前記測定サイクルの前記第２の部分のために閉
じる第２の弁機構と、前記第２の通路に提供され、前記測定サイクルの前記第１の部分の間に放出さ
れた呼吸の前記所定体積を測定する流量センサとをさらに具備する請求項２に記載の呼吸分析システム。
【請求項６】前記第２の通路に配置された前記流量センサは、前記制御手
段に、前記所定体積の放出された呼吸に達した後に前記第２の通路の前記第２の
弁機構を閉じさせ且つ前記第１の通路の前記第１の弁を開かせるための制御信号
を生成する請求項５に記載の呼吸分析システム。
【請求項７】人の呼吸の構成成分を分析する方法であって、ａ）人の口を覆って前記人の呼吸放出物を受け取るためのマスクデバイスを配
置する工程，前記マスクデバイスは少なくとも１つの通路と放出された呼吸を前
記システムの中へと送り出すための弁とを具備する，と、ｂ）前記人の呼吸放出プロセスの開始を検出し且つ第１の弁を開いて放出され
た呼吸を第１の通路に通過させる工程と、ｃ）前記第１の通路を通過する放出された呼吸の所定体積を測定する工程と、ｄ）前記所定体積の呼吸を受け取った後に前記第１の弁を閉じ、それと同時に
、第２の弁を開いて残りの放出された呼吸を第２の通路に通過させる工程と、ｆ）前記残りの放出された呼吸を前記第２の通路に配置された呼吸吸着媒体に
より捕集する工程とを具備する方法。
【請求項８】捕集する工程ｆ）は、前記第２の通路を通って受け取られた
前記残りの放出された呼吸の体積を測定する工程をさらに含む請求項７に記載の
方法。
【請求項９】工程ｂ）乃至ｆ）を、人の放出された呼吸の所望体積が受け
取られるまで繰り返すこと，前記所望体積は前記呼吸中の規定の分子量及び質量
の目標成分を検出するのに有効である，をさらに含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】前記吸着された呼吸のサンプルを分析して前記人の呼吸の
構成成分を求める工程をさらに含む請求項７に記載の方法。