JP2003505180A - Metabolic calorimeter using respiratory gas analysis - Google Patents

Metabolic calorimeter using respiratory gas analysis

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JP2003505180A JP2001513296A JP2001513296A JP2003505180A JP 2003505180 A JP2003505180 A JP 2003505180A JP 2001513296 A JP2001513296 A JP 2001513296A JP 2001513296 A JP2001513296 A JP 2001513296A JP 2003505180 A JP2003505180 A JP 2003505180A
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Abstract

(57)【要約】 被験者の代謝速度を測定するための間接的熱量計が提供される。これは、被験者に接触して支持されるように構成された、患者が呼吸するときに吸気および呼気を通す呼吸熱量計(10)を含む。流路(22)は、吸気ガスおよび呼気ガスを受取って通過させるように動作し、呼吸コネクタ(20)に流体連通した第一の端部、並びに呼吸ガスの供給源およびシンクに流体連通した第二の端部を有する。当該流量計は、流路を通過する吸気および呼気の瞬間的な体積流量の関数としての電気信号を発生する。成分ガス濃度センサ(84)は、呼気が流路を通過するときに、呼気中における予め定められた成分ガスの瞬間的割合としての電気信号を発生する。被験者が熱量計(10)を通して呼吸するときに、計算ユニット(96)は、流量計および成分ガス濃度センサ(84)から電気信号を受取り、少なくとも一つの呼吸パラメータを計算する。 (57) SUMMARY An indirect calorimeter is provided for measuring a subject's metabolic rate. This includes a respiratory calorimeter (10) that is configured to contact and be supported by the subject and to pass inspiration and expiration as the patient breathes. The flow path (22) is operative to receive and pass inspired and exhaled gas, a first end in fluid communication with the respiratory connector (20), and a first end in fluid communication with a source and sink of respiratory gas. It has two ends. The flow meter generates an electrical signal as a function of the instantaneous volumetric flow of inspiration and expiration through the flow path. The component gas concentration sensor (84) generates an electric signal as an instantaneous ratio of a predetermined component gas during exhalation when the exhalation passes through the flow path. As the subject breathes through the calorimeter (10), the computing unit (96) receives the electrical signals from the flow meter and the component gas concentration sensor (84) and calculates at least one respiratory parameter.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】 (技術分野) 本発明は、間接的熱量分析によって、代謝および関連の呼吸パラメータを測定
するための呼吸器具に関する (背景技術) 全て本発明の共同発明者であるMaultに付与された、合衆国特許第4,917,108号
、第5,038,792号、第5,178,155号、第5,179,958号、および第5,836,300号は、本
明細書の一部として本願に援用される。これらの特許は、間接的熱量計を通して
、代謝および関連の呼吸パラメータを測定するためのシステムを開示している。
これらの器具は、一般に、器具を通してユーザーの吸気および呼気の両方を通過
させる流量計を用い、得られた瞬間的な流量信号を積算して、合計の総容積流量
を決定する。一つの態様において、ユーザーが吐出したガスは、流量計に通され
る前に二酸化炭素スクラバーを通されるので、吸気容積と呼気容積の間の差は、
実質的に肺によって消費された酸素の測定値である。もう一つの態様では、吐出
容積をキャップノメータ (capnometer) に通し、その信号を呼気流量と共に積算
することによって、ユーザーが吐出した二酸化炭素の濃度が測定される。次いで
、吸気容積と呼気容積との差から、吐出された二酸化炭素容積を減じたものとし
て、酸素消費を計算することができる。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a respiratory device for measuring metabolic and related respiratory parameters by indirect calorimetric analysis. (Background Art) Granted to Mault, co-inventor of the present invention, US Pat. Nos. 4,917,108, 5,038,792, 5,178,155, 5,179,958, and 5,836,300 are incorporated herein by reference. These patents disclose a system for measuring metabolic and related respiratory parameters through an indirect calorimeter.
These devices typically use a flow meter that passes both the inspiration and expiration of the user through the device and integrate the resulting instantaneous flow signal to determine the total total volumetric flow. In one embodiment, the gas exhaled by the user is passed through the carbon dioxide scrubber before it is passed through the flow meter, so that the difference between inspiratory volume and expiratory volume is
It is a measure of the oxygen substantially consumed by the lungs. In another embodiment, the concentration of carbon dioxide exhaled by the user is measured by passing the exhalation volume through a capnometer and integrating the signal with the expiratory flow rate. The oxygen consumption can then be calculated as the difference between the inspiratory volume and the expiratory volume minus the exhaled carbon dioxide volume.

【0002】 これら一定のシステムと共に使用されるスクラバーは比較的嵩高く、また長期
間使用した後には補充が必要であった。二酸化炭素濃度の測定における如何なる
エラーも、結果として得られる呼気酸素濃度の決定にかなり高いエラーを生じる
ので、二酸化炭素濃度を測定するために、当該器具と共に使用されるキャップノ
メータは高度に精密でなければならず、従って高価である。
Scrubbers used with these certain systems are relatively bulky and require replenishment after extended use. The capnometer used with the instrument to measure carbon dioxide concentration is highly precise, as any error in measuring carbon dioxide concentration will result in a significantly higher error in the determination of the resulting exhaled oxygen concentration. Must be and therefore expensive.

【0003】 間接的な熱量および心拍出量をモニターするための追加のアプローチは、Maul
tの同時係属出願第09/008,435号、09/191,782号、PCT/US99/17553号、PCT/US99/
27297号、PCT/US00/12745号に開示されており、これらは本明細書の一部として
本願に援用される。
An additional approach for monitoring indirect heat and cardiac output is Maul.
Co-pending application No. 09 / 008,435, 09 / 191,782, PCT / US99 / 17553, PCT / US99 /
No. 27297, PCT / US00 / 12745, which are incorporated herein by reference.

【0004】 (発明の開示) 本発明は、被験者の代謝速度を測定するための間接的熱量計を提供する。該熱
量計は、被験者に接触して支持されて、被験者が呼吸するときに吸気ガスおよび
呼気ガスを通すように構成された呼吸コネクタを含んでいる。流路は、吸気ガス
および呼気ガスを受取って通過させるように働く。該流路の第一の端部は呼吸コ
ネクタと連通し、また第二の端部は呼吸ガスの供給源およびシンクと連通してお
り、この呼吸ガスは大気、人工呼吸機、または他のガス混合物供給源であること
ができる。流量計は、前記流路を通過する吸気ガスおよび呼気ガスの瞬間的容積
流量の関数としての、電気信号を生成する。成分ガス濃度センサは、ガスが流路
を通過するときに、吸気ガスおよび/または呼気ガスにおける予め定められた成
分ガスの瞬間的比率の関数としての電気信号を生成する。計算ユニットは、被験
者が当該熱量計を通して呼吸するときに、前記流量計および成分ガス濃度センサ
からの電気信号を受信し、該被験者について少なくとも一つの呼吸パラメータを
計算する。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention provides an indirect calorimeter for measuring the metabolic rate of a subject. The calorimeter includes a respiratory connector supported in contact with the subject and configured to allow inspiratory and expiratory gases to pass as the subject breathes. The flow path serves to receive and pass inspiratory and expiratory gases. A first end of the flow path is in communication with a respiratory connector and a second end is in communication with a source and sink of respiratory gas, the respiratory gas being atmospheric, ventilator, or other gas. It can be a mixture source. The flow meter produces an electrical signal as a function of the instantaneous volumetric flow of inspiratory and expiratory gases passing through the flow path. The constituent gas concentration sensor produces an electrical signal as the gas passes through the flow path as a function of the instantaneous ratio of a predetermined constituent gas in the inspiratory gas and / or the expiratory gas. The calculation unit receives electrical signals from the flow meter and the constituent gas concentration sensor as the subject breathes through the calorimeter and calculates at least one respiratory parameter for the subject.

【0005】 幾つかの実施例において、前記流路は、吸気ガスおよび呼気ガスが通過する流
れチューブと、前記流路の第一の端部と前記流れチューブとの間に配置されたチ
ャンバとを含んでいる。該チャンバは、前記流れチューブの一方の端部を取囲ん
で、同心円状のチャンバを形成している。
In some embodiments, the flow passage comprises a flow tube through which inspiratory gas and expiratory gas pass, and a chamber disposed between the first end of the flow passage and the flow tube. Contains. The chamber surrounds one end of the flow tube to form a concentric chamber.

【0006】 他の実施例において、前記流れチューブは前記流路の一部を形成しており、前
記流路の二つの端部の間に配置される。前記流路の第一の端部は、前記流れチュ
ーブに直交して延びる入口導管の形態を取る。
In another embodiment, the flow tube forms part of the channel and is located between the two ends of the channel. The first end of the flow path takes the form of an inlet conduit extending orthogonal to the flow tube.

【0007】 幾つかの実施例において、前記流路は、吸気ガスおよび呼気ガスが通過する一
つの細長い流れチューブを含んでいる。全理流量計は超音波流量計であり、二つ
の離間した超音波変換器を含んでいる。これら各変換器は細長い流れチューブに
対して整列しており、一般に、変換器の間で送信される超音波パルスが、該流れ
チューブ内の流体の流れに平行な経路で進行するようになっている。
In some embodiments, the flow path comprises an elongated flow tube through which inspiratory and expiratory gases pass. Omni-Flowmeter is an ultrasonic flowmeter and contains two spaced ultrasonic transducers. Each of these transducers is aligned with the elongated flow tube such that the ultrasonic pulses transmitted between the transducers generally travel in a path parallel to the fluid flow within the flow tube. There is.

【0008】 以下の説明および添付の図面には、本発明の更に別の実施例も開示される。 本発明の他の利点および適用は、添付の図面を参照して以下で述べる、本発明
の好ましい実施例の詳細な説明から明かになるであろう。
Further embodiments of the present invention are also disclosed in the following description and the accompanying drawings. Other advantages and applications of the invention will become apparent from the detailed description of the preferred embodiment of the invention, given below with reference to the accompanying drawings.

【0009】 (発明の詳細な説明) <熱量計の基本的構成> 図1および図2を参照すると、本発明による呼吸熱量計が一般に10で示されて
いる。該熱量計10は、本体12、および本体12から延びるマスク14のような呼吸コ
ネクタを含んでいる。使用の際、本体12はユーザーの手で把持され、また図1に
最も良く示されているように、マスク14は、口および鼻を取囲むようにユーザー
の顔面に接触させられる。図1には、任意の一対のストラップ15が示されている
。このストラップは、熱量計10の本体12を手で保持するための別の手段を提供す
る。その代りに、該ストラップは、マスクおよび熱量計をユーザーの顔面に接触
させて支持することができる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Basic Configuration of Calorimeter Referring to FIGS. 1 and 2, a respiratory calorimeter according to the present invention is shown generally at 10. The calorimeter 10 includes a body 12 and a respiratory connector, such as a mask 14, extending from the body 12. In use, the body 12 is grasped by the user's hand and, as best shown in FIG. 1, the mask 14 is brought into contact with the user's face so as to surround the mouth and nose. An optional pair of straps 15 is shown in FIG. This strap provides another means for holding the body 12 of the calorimeter 10 by hand. Alternatively, the strap can support the mask and calorimeter in contact with the user's face.

【0010】 マスク14を顔面に接触させた状態で、ユーザーは、熱量計10を通して一定時間
だけ普通に呼吸する。熱量計10は種々のファクターを測定し、酸素消費および代
謝速度のような一以上の呼吸パラメータを計算する。電源ボタン16が熱量計10の
頂面側に配置されており、ユーザーが熱量計の機能を制御することを可能にして
いる。別のライトが電源ボタン16の下に配置され、電源ボタン16は光パイプとし
て作用するので、ライトがオンされると該ボタンは照明される。このライトは、
好ましくは試験の前後および最中に、熱量計の状態を指示するために使用される
。マスク14とは反対側の熱量計本体12上にあるレンズ18の背後に、表示画面が配
置される。試験結果は、試験後に該画面に表示される。
With the mask 14 in contact with the face, the user normally breathes through the calorimeter 10 for a certain period of time. Calorimeter 10 measures various factors and calculates one or more respiratory parameters such as oxygen consumption and metabolic rate. A power button 16 is located on the top side of the calorimeter 10 to allow the user to control the calorimeter functions. Another light is located below the power button 16, which acts as a light pipe so that when the light is turned on, the button is illuminated. This light is
It is preferably used to indicate the status of the calorimeter before, during and after the test. A display screen is arranged behind the lens 18 on the calorimeter main body 12 on the side opposite to the mask 14. The test result is displayed on the screen after the test.

【0011】 次に、図8を参照すると、別の呼吸熱量計、および図1のマスク14ではなくマ
ウスピース20を備えた熱量計が示されている。マウスピース20は、好ましくはユ
ーザーの口に挿入され、これを通して呼吸が通過するような大きさおよび形状で
ある。このマウスピースは、シリコーンを含む種々の材料で作製すればよい。ユ
ーザーの好みに応じて、本発明による熱量計は、マスクまたはマウスピースの何
れかと共に使用すればよい。マウスピース20は、髭 (facial hair) のあるユー
ザーのような一定のユーザーのために必要とされる可能性がある。正確な結果を
得るためには、ユーザーの吸気および呼気の実質的に全部が熱量計を通過するこ
とが必要である。従って、マウスピース20を呼吸コネクタとして使用するときは
、図示しないノーズクリップを使用して、ユーザーの鼻孔を閉じるのが好ましい
Referring now to FIG. 8, there is shown another respiratory calorimeter and calorimeter with a mouthpiece 20 rather than the mask 14 of FIG. Mouthpiece 20 is preferably sized and shaped to be inserted into a user's mouth and through which breaths can pass. This mouthpiece may be made of various materials including silicone. Depending on the preference of the user, the calorimeter according to the invention may be used with either a mask or a mouthpiece. Mouthpiece 20 may be needed for certain users, such as users with facial hair. To obtain accurate results, substantially all of the user's inspiration and expiration must pass through the calorimeter. Therefore, when the mouthpiece 20 is used as a breathing connector, it is preferable to use a nose clip (not shown) to close the user's nostril.

【0012】 図8に最も良く示されるように、熱量計の本体12は、好ましくは使い捨ての流
れチューブ部分22および再使用可能な主要部分24を含んでいる。マウスピース20
のような呼吸コネクタは、使い捨ての流れチューブ部分22の側に接続される。使
用に際し、各ユーザーには適切な呼吸コネクタ14または20と共に、新鮮な使い捨
て部分22が与えられる。再使用可能な主要部分は複数のユーザーで使用してもよ
い。この再使用可能な主要部分24は、使い捨て部分22を収容するように、一方の
側部に形成された凹部26を有する。
As best shown in FIG. 8, the calorimeter body 12 preferably includes a disposable flow tube portion 22 and a reusable main portion 24. Mouthpiece 20
A breathing connector such as is connected to the side of the disposable flow tube section 22. In use, each user is provided with a fresh disposable part 22 with an appropriate breathing connector 14 or 20. The reusable main part may be used by multiple users. The reusable main part 24 has a recess 26 formed on one side to accommodate the disposable part 22.

【0013】 <基本的な機械的構成> 次に、図3および4を参照して、熱量計10の機械的構成を更に詳細に説明する
。図3は、使い捨て部分22が主要部分24の凹部26から取外された状態で、熱量計
の全ての部品を分解形態で示している。図4は、使い捨て部分22を主要部分24の
中に合体させて、組立てた状態で示す熱量計の縦断面図である。しかし、熱量計
は他の位置でも記載できるから、これらの向きでの記載は単に便宜的に使用した
に過ぎず、任意である。
<Basic Mechanical Configuration> Next, the mechanical configuration of the calorimeter 10 will be described in more detail with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 shows all the parts of the calorimeter in exploded form, with the disposable part 22 removed from the recess 26 of the main part 24. FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of the calorimeter showing the disposable part 22 assembled in the main part 24 and assembled. However, since the calorimeter can be described in other positions, the description in these orientations is merely used for convenience and is optional.

【0014】 熱量計10の使い捨て部分22は、一般に縦方向に細長く、使い捨て部分22が凹部
26の中に収容されるときに露出されたままの、一般に縦方向の外向き面28を有す
ると言える。好ましい実施例において、この外向き面は、約75 mmの高さおよび
約28 mmの幅を有する。入口導管30は、この外向き面28から外側に垂直に延びて
いる。好ましい実施例において、導管30は外向き面28から約2 mm延びており、約
19 mmの内径を有している。図4に最も良く示されているように、入口導管30の
外側端部に隣接して放射状の取りつけフランジ32が設けられており、マスクのよ
うな呼吸コネクタの取付けを提供する。呼吸コネクタは、好ましくは超音波溶接
によって、取りつけフランジ32にしっかりと取り付けられ、シールされる。
The disposable portion 22 of the calorimeter 10 is generally elongated in the longitudinal direction, and the disposable portion 22 is a concave portion.
It may be said to have a generally vertical outward facing surface 28 that remains exposed when housed in 26. In the preferred embodiment, this outward facing surface has a height of about 75 mm and a width of about 28 mm. The inlet conduit 30 extends outwardly perpendicularly from this outward facing surface 28. In the preferred embodiment, the conduit 30 extends from the outward surface 28 about 2 mm,
It has an inner diameter of 19 mm. As best shown in FIG. 4, a radial mounting flange 32 is provided adjacent the outer end of the inlet conduit 30 to provide attachment of a respiratory connector such as a mask. The breathing connector is securely attached and sealed to the mounting flange 32, preferably by ultrasonic welding.

【0015】 使い捨て部分22は概略的には外部シェル34からなり、該シェル内には、一般に
垂直な側壁および垂直の流れチューブ36が備えられている。流れチューブ36は、
好ましくは、開いた上端および下端を備えた円筒形である。好ましい実施例にお
いて、この流れチューブは約63 mmの長さ、および約12 mmの内径を有している。
定義の目的で、流れチューブ36は該チューブ36の内側に内表面38を有し、また該
チューブ36の外側に外表面40を有すると言うことができる。同様に、外側シェル
34は、該シェル内側の内表面42および該シェル外側の外表面44を有すると言うこ
とができる。図4に示すように、流れチューブ36の外表面40は外側シェル34の内
表面42から離間されており、使い捨て部分22におけるこれら二つの部品の間には
、同心円状の隙間が形成される。この隙間の幅は、該チューブの回りの異なる位
置において幾分異なる。しかし、この隙間の幅は、流れチューブ36の頂部では一
般に少なくとも5 mmであり、該チューブ36の外表面40およびシェル34の内表面は
、モールドの目的で、隙間が下方に延びるに伴って相互に僅かに先細りしている
Disposable portion 22 generally comprises an outer shell 34 within which is generally provided vertical sidewalls and vertical flow tubes 36. The flow tube 36
It is preferably cylindrical with open upper and lower ends. In the preferred embodiment, the flow tube has a length of about 63 mm and an inner diameter of about 12 mm.
For purposes of definition, flow tube 36 may be said to have an inner surface 38 on the inside of tube 36 and an outer surface 40 on the outside of tube 36. Similarly, the outer shell
34 can be said to have an inner surface 42 inside the shell and an outer surface 44 outside the shell. As shown in FIG. 4, the outer surface 40 of the flow tube 36 is spaced from the inner surface 42 of the outer shell 34 so that a concentric gap is formed between the two components of the disposable portion 22. The width of this gap is somewhat different at different locations around the tube. However, the width of this gap is generally at least 5 mm at the top of the flow tube 36, and the outer surface 40 of the tube 36 and the inner surface of the shell 34 are interdigitated as the gap extends downward for purposes of molding. It is slightly tapered.

【0016】 流れチューブ36および外側シェル34は、外側シェル34の内表面42と流れチュー
ブ36の外表面40との間に延びる環状フランジによって、相互に接続される。環状
フランジ46は、流れチューブ36および外側シェルを結合しており、また流れチュ
ーブの頂部よりも底部の方に近接して配置される。好ましい実施例において、該
フランジ46はチューブ36の頂部から約43 mmに位置する。フランジ46の上方で、
且つ流れチューブ36の外表面と外側シェル34の内表面との間に、同心円状チャン
バー48が形成されるように、フランジ46は、流れチューブ36の外表面を外側シェ
ル34の内表面に完全にシールしている。
The flow tube 36 and the outer shell 34 are interconnected by an annular flange extending between an inner surface 42 of the outer shell 34 and an outer surface 40 of the flow tube 36. An annular flange 46 joins the flow tube 36 and the outer shell and is located closer to the bottom of the flow tube than to the top. In the preferred embodiment, the flange 46 is located approximately 43 mm from the top of the tube 36. Above the flange 46,
And, the flange 46 completely connects the outer surface of the flow tube 36 to the inner surface of the outer shell 34 so that a concentric chamber 48 is formed between the outer surface of the flow tube 36 and the inner surface of the outer shell 34. It is sealed.

【0017】 図4に最も良く示されるように、入口導管30は、フランジ46の上方で外側シェ
ル34の外側面28と交差し、且つその中に侵入しているので、該導管は同心円状チ
ャンバー48と流体連通している。好ましい実施例において、入口導管30の中心は
、外側面の頂部から約25 mmである。
As best shown in FIG. 4, the inlet conduit 30 intersects and penetrates the outer surface 28 of the outer shell 34 above the flange 46 so that the conduit is concentric chambers. In fluid communication with 48. In the preferred embodiment, the center of the inlet conduit 30 is approximately 25 mm from the top of the outer surface.

【0018】 図3を再度参照すると、外側シェル34の上端は、側方に突出した一般に水平な
一対の係合レール50を有している。熱量計の再使用可能部分24の凹部26は、対応
する一対の係合スロット52(その一方のみが図示されている)を有している。使
い捨て部分22が再使用可能部分24の凹部26にドッキングされるとき、係合レール
50は係合スロット52の中に摺動されて、使い捨て部分および熱量計10の残部を安
定に固定する。バネ54は係合スロット52の一部を形成し、係合レール50の下面で
上方に押し上げる。当業者には明らかなように、使い捨て部分は種々の材料で作
成すればよい。好ましい実施例において、使い捨て部分はABSプラスチック製で
ある。
Referring again to FIG. 3, the upper end of the outer shell 34 has a pair of generally horizontal engaging rails 50 that project laterally. The recess 26 of the reusable portion 24 of the calorimeter has a corresponding pair of engagement slots 52 (only one of which is shown). When the disposable portion 22 is docked in the recess 26 of the reusable portion 24, the engagement rail
The 50 is slid into the engagement slot 52 to stably secure the disposable portion and the rest of the calorimeter 10. The spring 54 forms part of the engagement slot 52 and pushes upward on the underside of the engagement rail 50. As will be appreciated by those skilled in the art, the disposable portion may be made of a variety of materials. In the preferred embodiment, the disposable portion is made of ABS plastic.

【0019】 本発明の一実施例によれば、使い捨て部分22および再使用可能部分24は、特別
に設計された純正の使い捨て部分のみが再使用可能部分と協働するように設計さ
れる。これを達成するための種々のアプローチが、当業者に明かであろう。例え
ば、使い捨て部分は、再使用可能な主要部分によって認識されるチップまたは磁
性チップのような、純正装置を含むことができる。好ましくは、当該熱量計は、
純正の使い捨て部分が再使用可能部分にドッキングされたときにのみ動作する。
また、主要部分は、誤ってまたは不完全にドッキングされた使い捨て部分につい
ての試験を行わなくてもよいように、正しい使い捨て部分が完全にドッキングさ
れたことを物理的に「認識」する或る種のインターロックを含んでいてもよい。
或いは、再使用可能な部分が、各使い捨て部分に付随した或る種の同定コードを
認識、記録および/または送信してもよい。これは正確な記録保持を可能にする
。また、特定のユーザーに特定のコードを付与して、再使用可能部分が特定のユ
ーザーを認識することを可能にしてもよい。
According to one embodiment of the invention, the disposable part 22 and the reusable part 24 are designed so that only specially designed genuine disposable parts cooperate with the reusable part. Various approaches to achieving this will be apparent to those of skill in the art. For example, the disposable part may include a genuine device, such as a chip or magnetic chip recognized by the reusable main part. Preferably, the calorimeter is
It only works when the genuine disposable part is docked to the reusable part.
Also, the main part is some kind of physical "recognition" that the correct disposable part has been fully docked, so that it does not have to be tested for accidentally or incompletely docked disposable parts. May include an interlock of.
Alternatively, the reusable part may recognize, record and / or transmit some sort of identification code associated with each disposable part. This allows accurate record keeping. Also, a particular code may be given to a particular user to allow the reusable portion to recognize the particular user.

【0020】 次に、図3および図4を参照すると、再使用可能な主要部分34における凹部26
の上端は、上部壁56によって決定される。使い捨て部分22における外側シェル34
の上縁部は、この上部壁56に嵌合されて、バネ54により正しい位置に保持される
。底部棚58は、一般に凹部26の下端を定める。使い捨て部分22における外側シェ
ル28の下端は、この底部棚58に対して嵌合する。従って、凹部26の上部壁56は、
使い捨て部分22が再使用可能部分とドッキングされるときに、使い捨て部分の外
側シェル34の上端をシールする。或いは、外側シェル28の上縁または上部壁56に
、シールを設けてシール性能を改善してもよい。好ましくは、使い捨て部分22の
側部もまた、凹部26の側部にピッタリ嵌め込まれる。使い捨て部分22を再使用可
能部分にドッキングするときには、使い捨て部分を通過する呼吸ガスが、使い捨
て部分22と熱量計10の残部との間の連結部分を通して、殆どまたは全く漏出しな
いのが好ましい。
Referring now to FIGS. 3 and 4, the recess 26 in the reusable main portion 34
The upper end of is determined by the upper wall 56. Outer shell 34 on disposable portion 22
The upper edge of is fitted into this upper wall 56 and is held in place by the spring 54. The bottom ledge 58 generally defines the lower end of the recess 26. The lower end of the outer shell 28 in the disposable portion 22 fits against this bottom shelf 58. Therefore, the upper wall 56 of the recess 26 is
When the disposable part 22 is docked with the reusable part, it seals the upper end of the outer shell 34 of the disposable part. Alternatively, a seal may be provided on the upper edge or upper wall 56 of the outer shell 28 to improve sealing performance. Preferably, the sides of the disposable portion 22 are also snugly fitted to the sides of the recess 26. When docking the disposable part 22 to the reusable part, it is preferred that little or no leakage gas passing through the disposable part leaks through the connection between the disposable part 22 and the rest of the calorimeter 10.

【0021】 凹部22の底部は、底部棚58によって部分的にのみ定められる。棚58の後方には
、棚58の後縁部と凹部26の背面壁62との間に、出口流路60が形成される。
The bottom of the recess 22 is only partially defined by the bottom ledge 58. An outlet channel 60 is formed behind the shelf 58 between the rear edge of the shelf 58 and the back wall 62 of the recess 26.

【0022】 流れチューブ36は、使い捨て部分22の外側シェル34のように、上方にも下方に
も延びていない。使い捨て部分22が再使用可能部分にドッキングされるとき、流
れチューブ36の上端は外側ハウジングの上端に達しないで停止し、また凹部26の
上部壁56に達せずに停止する。好ましい実施例では、流れチューブの上端と上部
壁56との間に約6 mmの隙間が残される。従って、使い捨て部分22が再使用可能部
分24にドッキングされると、流れチューブ36の内部は同心円状チャンバー48と流
体連通する。流れチューブ36の底部端もまた、凹部26の底部棚58に達しないで停
止する。好ましい実施例では、流れチューブと棚58との間に約6 mmの隙間が残さ
れる。従って、流れチューブ36の底部端は棚58によってブロックされず、流れチ
ューブ36の内部は棚58の後方にある出口流路60と流体連通する。
The flow tube 36 does not extend upward or downward like the outer shell 34 of the disposable portion 22. When the disposable part 22 is docked to the reusable part, the upper end of the flow tube 36 stops without reaching the upper end of the outer housing and also does not reach the upper wall 56 of the recess 26. In the preferred embodiment, a gap of about 6 mm is left between the upper end of the flow tube and the upper wall 56. Thus, when the disposable portion 22 is docked to the reusable portion 24, the interior of the flow tube 36 is in fluid communication with the concentric chamber 48. The bottom end of the flow tube 36 also stops without reaching the bottom ledge 58 of the recess 26. In the preferred embodiment, a gap of about 6 mm is left between the flow tube and the ledge 58. Therefore, the bottom end of the flow tube 36 is not blocked by the ledge 58, and the interior of the flow tube 36 is in fluid communication with the outlet channel 60 behind the ledge 58.

【0023】 図3および図4を参照すると、熱量計10の再使用可能な主要部分24は、複数片
で構築された外側ハウジング64を有している。半円筒形の主ハウジング部材66は
、再使用可能部分の側壁および凹部26を定める。頂部キャップ68は、主ハウジン
グ部材66の頂部を閉鎖し、電源ボタン16を収容する。通気されるボタンキャップ
70は、主ハウジング部材66の底部を閉鎖する。このボタンキャップ70は、ハウジ
ング内の出口流路60と流体連通した開放グリル72を含んでいる。従って、呼吸ガ
スおよび大気は、グリル72を通って流れることにより、熱量計10の外の領域と熱
量計の内部領域との間で流れることができる。正面キャップ74は、主ハウジング
部材66の正面を閉鎖する。ここでの正面は、マスクとは反対側を向いた熱量計の
側面として定義される。正面キャップ74はレンズ19を収容しており、また該レン
ズ19の背後にある表示画面18を見ることを可能にするために、その中に形成され
た楕円形の開口部76を有している。図示のように、主ハウジング部材66、頂部キ
ャップ68、底部キャップおよび正面キャップ74は、種々のファスナーを使用して
結合される。或いは、それらは一緒にスナップ嵌合されるように設計することが
でき、接着剤で相互に結合されてもよく、または他の方法で相互に結合されても
よい。当業者には明らかなように、外側ハウジング64を形成する部品は種々の材
料で製造すればよい。好ましい実施例において、これらの部品はABAプラスチ
ックからモールド成形される。
Referring to FIGS. 3 and 4, the reusable main portion 24 of the calorimeter 10 has an outer housing 64 constructed in multiple pieces. A semi-cylindrical main housing member 66 defines the side wall of the reusable portion and the recess 26. A top cap 68 closes the top of the main housing member 66 and houses the power button 16. Vented button cap
70 closes the bottom of the main housing member 66. The button cap 70 includes an open grill 72 in fluid communication with the outlet channel 60 in the housing. Thus, breathing gas and atmosphere can flow between the area outside the calorimeter 10 and the area inside the calorimeter by flowing through the grill 72. The front cap 74 closes the front of the main housing member 66. The front side here is defined as the side of the calorimeter facing away from the mask. The front cap 74 contains the lens 19 and has an oval opening 76 formed therein to allow viewing of the display screen 18 behind the lens 19. . As shown, the main housing member 66, top cap 68, bottom cap and front cap 74 are joined using various fasteners. Alternatively, they may be designed to snap fit together and may be glued together or otherwise joined together. Those skilled in the art will appreciate that the components forming outer housing 64 can be made of a variety of materials. In the preferred embodiment, these parts are molded from ABA plastic.

【0024】 <流路> 図4を参照して、熱量計10を通る呼吸ガスの流路を説明する。使用に際し、ユ
ーザーが息を吐出すると、その呼気は呼吸コネクタを通過し、熱量計10を通って
大気中へと出て行く。息を吸い込むと、周囲の空気が中に熱量計の中に引き込ま
れ、その中を通り、呼吸コネクタを通ってユーザーへと向かう。この呼吸ガスの
流れは、矢印A〜Gによって図示される。なお、周囲の大気の代りに、機械的ベ
ンチレータまたは別のガス供給源に熱量計を接続してもよいことがわかる。
<Flow Path> With reference to FIG. 4, a flow path of respiratory gas passing through the calorimeter 10 will be described. In use, when the user exhales, the exhaled air passes through the respiratory connector and out through the calorimeter 10 into the atmosphere. When inhaled, ambient air is drawn into the calorimeter, through it, and through the respiratory connector to the user. This flow of breathing gas is illustrated by arrows AG. It will be appreciated that the calorimeter may be connected to a mechanical ventilator or another gas source instead of the surrounding atmosphere.

【0025】 矢印Aは、ユーザーへの流れおよびユーザーからの流れ、並びに入口導管30へ
の流れおよび該入口導管からの流れを示している。入口導管30は、該入口導管か
ら流れる呼吸が流れチューブ36の外表面40に遭遇するように、同心円状チャンバ
48に接続しており、従って矢印Bで示すように、流れチューブ36の外表面を上方
、下方またはその側部回りに走らなければならない。流れ方向のこの急激な変化
は、幾つかの効果を有している。第一に、同心円状チャンバー48の下端は、唾液
トラップとして作用する。即ち、ユーザーの呼気の中の過剰な水分は、呼気流か
ら除去されて、同心円状チャンバー48の下端部に落下し易い。第二に、呼気ガス
は種々の経路を取ることができ、方向を変更して流れチューブへの渦流の導入を
補助することができる。流れチューブ36を通る渦流は、流量測定の目的のために
好ましいものである。最も重要なことは、同心円状チャンバー48が、全ての放射
状方向から流れチューブ36へと、呼吸ガスをできるだけ均一に導入するように働
くことである。これは、広範な流速範囲に亘って、流れチューブ内の流れを線形
に測定可能にすることを補助する。
Arrow A indicates the flow to and from the user, and the flow to and from the inlet conduit 30. The inlet conduit 30 is a concentric chamber so that the breath flowing from the inlet conduit encounters the outer surface 40 of the flow tube 36.
It must be connected to 48, and therefore must run the outer surface of the flow tube 36 up, down, or around its side, as shown by arrow B. This abrupt change in flow direction has several effects. First, the lower end of the concentric chamber 48 acts as a saliva trap. That is, excess water in the user's exhaled air is easily removed from the exhaled air stream and easily falls to the lower end of the concentric chamber 48. Second, exhaled gas can take various paths and can be redirected to assist in introducing vortices into the flow tube. Vortex flow through the flow tube 36 is preferred for flow measurement purposes. Most importantly, the concentric chambers 48 act to introduce respiratory gas into the flow tube 36 from all radial directions as uniformly as possible. This helps make the flow in the flow tube linearly measurable over a wide range of flow rates.

【0026】 息を吐出している間に同心円状チャンバーから流れるガスは、矢印CおよびD
に示すように、凹部26の上部壁56に遭遇して流れを略180°変え、流れチューブ3
6の内部を通って下方に流れる。流れチューブ36を通る流れは矢印Eで示されて
いる。先に述べたように、流れチューブ36の底部端は底部棚58に達せずに停止し
ている。従って、呼気の吐出の間、流れチューブ36を流下するガスは底部棚58に
遭遇し、矢印Fで示すように棚の回りを逸れて、出口流路60へと向かう。そこか
ら、矢印Gで示すように、呼気ガスはグリル72を通過して大気中へと向かう。
The gas flowing from the concentric chambers during exhalation is represented by arrows C and D.
As shown in, the flow encounters the upper wall 56 of the recess 26 and changes the flow by approximately 180 °,
Flows down through the interior of 6. The flow through the flow tube 36 is indicated by arrow E. As mentioned above, the bottom end of the flow tube 36 has stopped without reaching the bottom ledge 58. Thus, during exhalation, gas flowing down the flow tube 36 encounters the bottom ledge 58, diverges around the ledge as indicated by arrow F, and is directed to the outlet flow path 60. From there, the exhaled gas passes through the grill 72 and into the atmosphere, as indicated by arrow G.

【0027】 息を吸込むと、矢印Gで示すように、ガスは大気からグリル72を通って出口流
路60へと流れる。そこから、吸気は底部棚58の周囲を流れて、矢印Fで示すよう
に、流れチューブ36の底部端へと向かう。図示のように、追加の同心円状チャン
バー78が、流れチューブ36の外表面と外側シェル34の内表面42との間で、且つフ
ランジ46の下に形成されている。息を吸込むと、この同心円状チャンバー78は流
れに渦を形成して、全ての放射状位置から、ガスをできるだけ均一に流れチュー
ブへ導入するように作用する。次いで、吸気は矢印Eで示すように流れチューブ
36を通って流れ、また矢印CおよびDで示すように180°向きを変えて、同心円
状チャンバー48の中に向かう。ここから、吸気は矢印Bで示すように入口導管30
の中に流れ、また矢印Aで示すように呼吸コネクタの中に流れる。
Upon inhalation, gas flows from the atmosphere through the grill 72 and into the outlet channel 60, as indicated by arrow G. From there, the intake air flows around the bottom ledge 58 towards the bottom end of the flow tube 36, as indicated by arrow F. As shown, an additional concentric chamber 78 is formed between the outer surface of the flow tube 36 and the inner surface 42 of the outer shell 34 and below the flange 46. When inhaled, this concentric chamber 78 creates a vortex in the flow that acts to introduce gas from all radial positions into the flow tube as uniformly as possible. The intake air then flows as indicated by arrow E.
Flow through 36 and turn 180 ° as indicated by arrows C and D and into concentric chamber 48. From here, the intake air enters the inlet conduit 30 as indicated by arrow B.
Into the breathing connector as indicated by arrow A.

【0028】 上記で述べた熱量計10の物理的構成は、複数の、多くは反対のファクターを考
慮に入れている。吸気および呼気は、それらが熱量計を流れるときに制限されな
いのが好ましい。実験によって、吸気および呼気の流れが何等かの顕著な抵抗に
遭遇すると、呼吸はより困難になり、代謝速度は増大することが示されている。
熱量計は、流れ抵抗により人為的に亢進した代謝速度ではなく、実際の代謝速度
を測定するのが好ましい。また、流れ抵抗は熱量計を通しての圧力降下を導く。
熱量計を通しての圧力降下は、1リットル/秒(1L/s)の流速で3 cm水柱未満で
あるのが好ましい。反対のファクターとして、超音波流速測定システムを用いて
流れチューブ36を通る流速を測定できる精度は、流速が増大するに伴って高まる
。しかし、流れ抵抗は流速と共に増大する。従って、流速測定精度と流れ抵抗と
の間にはトレードオフが存在する。また、より長い流路の方が、より良好な測定
精度を可能にする。流路長さを増大すれば熱量計のサイズが増大し、また流れ抵
抗を増大させる可能性がある。上記で述べた構成は、低い流れ抵抗、正確な流速
測定、唾液除去およびコンパクトな包装の優れた組合せを提供する。
The physical configuration of the calorimeter 10 described above allows for a number of, and often the opposite, factors. Inspiration and expiration are preferably unrestricted as they flow through the calorimeter. Experiments have shown that when the inspiratory and expiratory flows encounter some significant resistance, breathing becomes more difficult and metabolic rate increases.
The calorimeter preferably measures the actual metabolic rate rather than the metabolic rate artificially enhanced by flow resistance. Flow resistance also leads to a pressure drop through the calorimeter.
The pressure drop through the calorimeter is preferably less than 3 cm water column at a flow rate of 1 liter / sec (1 L / s). As an opposite factor, the accuracy with which an ultrasonic velocimetry system can measure the flow rate through the flow tube 36 increases as the flow rate increases. However, flow resistance increases with flow velocity. Therefore, there is a tradeoff between flow velocity measurement accuracy and flow resistance. Also, longer flow paths allow better measurement accuracy. Increasing the flow path length increases the calorimeter size and may also increase flow resistance. The configuration described above provides an excellent combination of low flow resistance, accurate flow rate measurement, saliva removal and compact packaging.

【0029】 <電子部品> 図3および図4を参照すると、回路基板88は、熱量計10の再使用可能な主要部
分24における正面キャップ74の内部に垂直に装着される。この回路基板は、熱量
計の各電子部品の夫々を支持し、または接続する。酸素センサ84はこの回路基板
の下縁付近に装着され、凹部26の後壁62の直後に位置するように前方に延びてい
る。後壁62の開口部86は、流路60の中のガスが酸素センサ84に接触することを可
能にする。酸素センサを通過した呼吸ガスの漏出を防止するために、酸素センサ
84と壁62の背面との間の開口部86の回りには、ガスケット87が配置される。温度
センサ90、周囲圧センサ92、および相対湿度センサ94は全て、図示された位置で
回路基板88に装着される。明かに、これら種々のセンサは、所望であれば他の位
置に配置してもよい。当業者に明らかなように、温度、圧力および湿度を測定す
るために種々のタイプのセンサを使用すればよい。本発明の一実施例において、
温度センサは、Keystone Thermometricsから入手可能な部品番号RL1005-5744-10
3-SA等のサーミスタであり、圧力センサはMotorolaセンサ(部品番号MPX4115A)
であり、相対湿度センサは、Honeywellセンサ(部品番号HIH3605A)である。熱
量計の中央演算ユニット96およびスピーカもまた、超音波流量検知システムの一
部を形成するアプリケーション特異的集積回路(ASIC)98と共に、回路基板に装
着されるされる。表示画面18およびその関連回路は、レンズ19の後方の回路基板
正面側に装着され、また正面キャップ74の孔76と整列されて、表示画面18を見る
ことを可能にする。
Electronic Components Referring to FIGS. 3 and 4, the circuit board 88 is mounted vertically inside the front cap 74 in the reusable main portion 24 of the calorimeter 10. The circuit board supports or connects to each of the electronic components of the calorimeter. The oxygen sensor 84 is mounted near the lower edge of the circuit board and extends forward so as to be located immediately behind the rear wall 62 of the recess 26. An opening 86 in the back wall 62 allows gas in the flow path 60 to contact the oxygen sensor 84. To prevent leakage of breathing gas that has passed through the oxygen sensor, the oxygen sensor
A gasket 87 is placed around the opening 86 between the 84 and the back of the wall 62. Temperature sensor 90, ambient pressure sensor 92, and relative humidity sensor 94 are all mounted on circuit board 88 at the positions shown. Obviously, these various sensors may be placed in other locations if desired. As will be appreciated by those skilled in the art, various types of sensors may be used to measure temperature, pressure and humidity. In one embodiment of the present invention,
Temperature sensor is part number RL1005-5744-10 available from Keystone Thermometrics
It is a thermistor such as 3-SA, and the pressure sensor is a Motorola sensor (part number MPX4115A)
And the relative humidity sensor is a Honeywell sensor (part number HIH3605A). A calorimeter central processing unit 96 and a speaker are also mounted on the circuit board, along with an application specific integrated circuit (ASIC) 98 that forms part of the ultrasonic flow sensing system. The display screen 18 and its associated circuitry are mounted behind the lens 19 on the front side of the circuit board and aligned with the holes 76 in the front cap 74 to allow viewing of the display screen 18.

【0030】 上部超音波変換器80は、熱量計10の再使用可能な主要部分24における凹部26の
上部壁に配置される。これは、図示しない配線によって回路基板88に接続される
。下部超音波変換器82は底部棚58に配置され、これも図示しない配線によって回
路基板88に接続される。超音波変換器80および82は超音波流れ検知システムの一
部を形成し、これらについては以下で更に詳細に説明する。
The upper ultrasonic transducer 80 is located on the upper wall of the recess 26 in the reusable main part 24 of the calorimeter 10. This is connected to the circuit board 88 by wiring not shown. The lower ultrasonic transducer 82 is arranged on the bottom shelf 58 and is also connected to the circuit board 88 by wiring not shown. Ultrasonic transducers 80 and 82 form part of an ultrasonic flow sensing system, which are described in further detail below.

【0031】 図3および4に示した実施例において、電源コネクタ102は回路基板88上に設
けられ、熱量計10の再使用可能部分24側の孔104と整列される。この実施例では
、図示しない電力コードが電力コネクタ102に接続され、また熱量計に電力を供
給するためのプラグイン電源へと延びている。或いは、この熱量計は、電力コネ
クタの代りに、またはこれに加えて、充電可能または置換可能な内部電池を含ん
でいてもよい。また、通信コネクタ106も回路基板88に装着されて、熱量計88を
コンピュータのような外部装置に接続することを可能にする。この通信コネクタ
は幾つかの形態をとることができる。その代りに、またはこれに加えて、熱量計
は赤外線(IR)送信機および受信機、ラジオ周波数トランシーバ(Bluetooth等
)、または携帯電話もしくはモデム装置のような一以上の無線通信装置を含むこ
とができる。無線通信装置を含めることにより、この熱量計は、インターネット
経由を含めて、ローカル/遠隔コンピュータ装置との間でのデータの送信および
/または受信が可能になる。また、通信、生理学的モニタリングおよびデータ処
理に、コードレス電話を組込んでもよい。このアプローチおよび他のアプローチ
は、11/12/99に提出されたMaultの仮特許出願第60/165,166号に開示されており
、これを本明細書の一部として本願に援用する。更に別の態様として、この熱量
計は、取外し可能なメモリーカードを収容するためのスロットを含んでいてもよ
い。当該熱量計で測定または計算されたデータは、この取外し可能なメモリーカ
ードに保存し、または該メモリーから検索することができる。このカードは、デ
ータを転送および/または更に処理するために、後で取外してもう一つの計算機
の中に挿入することができる。
In the embodiment shown in FIGS. 3 and 4, the power connector 102 is provided on the circuit board 88 and is aligned with the hole 104 on the reusable portion 24 side of the calorimeter 10. In this embodiment, a power cord (not shown) is connected to the power connector 102 and extends to a plug-in power supply for powering the calorimeter. Alternatively, the calorimeter may include a rechargeable or replaceable internal battery instead of or in addition to the power connector. A communication connector 106 is also mounted on the circuit board 88 to allow the calorimeter 88 to be connected to an external device such as a computer. This communication connector can take several forms. Alternatively or additionally, the calorimeter may include infrared (IR) transmitters and receivers, radio frequency transceivers (such as Bluetooth), or one or more wireless communication devices such as cell phone or modem devices. it can. The inclusion of a wireless communication device allows the calorimeter to send and / or receive data to / from local / remote computing devices, including over the Internet. Cordless phones may also be incorporated into communications, physiological monitoring and data processing. This and other approaches are disclosed in Mault's Provisional Patent Application No. 60 / 165,166, filed on 11/12/99, which is incorporated herein by reference. As a further alternative, the calorimeter may include a slot for receiving a removable memory card. The data measured or calculated by the calorimeter can be stored in or retrieved from this removable memory card. This card can later be removed and inserted into another computer for data transfer and / or further processing.

【0032】 <間接的熱量分析のためのアプローチ> 当業者に明らかなように、上記で述べた熱量計は、従来技術よりも顕著なパッ
ケージング、空気流、および水分除去の利点を提供する。これも当業者に明らか
なように、種々の呼吸および代謝パラメータを決定するために必要な実際の測定
および計算は、多くの方法で行うことができる。上記の説明および添付の図面に
従って構築された熱量計は、以下で更に詳細に説明するように、これらアプロー
チの幾つかと共に使用するように構成してもよい。従って、以下の好ましい測定
および計算のアプローチについての説明は、説明した熱量計の物理的構成で可能
なアプローチを網羅したものではないことを理解すべきである。
Approaches for Indirect Calorimetric Analysis As will be appreciated by those skilled in the art, the calorimeters described above offer significant packaging, airflow, and moisture removal advantages over the prior art. Again, as will be apparent to those skilled in the art, the actual measurements and calculations required to determine various respiratory and metabolic parameters can be made in a number of ways. A calorimeter constructed in accordance with the above description and accompanying drawings may be configured for use with some of these approaches, as described in further detail below. Therefore, it should be understood that the following description of the preferred measurement and calculation approaches is not exhaustive of the possible approaches of the described calorimeter physical configuration.

【0033】 本発明の第一の好ましい実施例によれば、吸気容積、呼気容積および酸素濃度
と共に、周囲温度、相対湿度および圧力が測定される。残りのファクターは、必
要に応じて計算または仮定すればよい。当業者に明らかなように、これらファク
ターの夫々は、種々の方法で測定することができる。
According to a first preferred embodiment of the present invention, ambient temperature, relative humidity and pressure as well as inspiratory volume, expiratory volume and oxygen concentration are measured. The remaining factors may be calculated or hypothesized as needed. As one of ordinary skill in the art will appreciate, each of these factors can be measured in various ways.

【0034】 <流れ検知> 本発明の第一の好ましい実施例に従えば、吸気容積および呼気容積は、流れチ
ューブ36を通るガスの流速を瞬間的に測定することによって測定される。全ての
吸気および呼気がこのチューブを通過する。また、該チューブの内径は知られて
いるから、チューブ内の流速の測定によって、容積流量の計算が可能になる。本
発明によれば、流れチューブ36の中の流速は、二つの離間した超音波変換器を使
用して測定される。
Flow Sensing In accordance with the first preferred embodiment of the present invention, inspiratory volume and expiratory volume are measured by instantaneously measuring the flow rate of gas through the flow tube 36. All inspiration and expiration pass through this tube. Moreover, since the inner diameter of the tube is known, the volumetric flow rate can be calculated by measuring the flow velocity in the tube. According to the present invention, the flow velocity in flow tube 36 is measured using two spaced ultrasonic transducers.

【0035】 図4を参照すると、上部超音波変換器80は、凹部26の上部壁56に支持されてい
る。下部超音波変換器82は、凹部26の底にある底部棚58に支持されている。図示
のように、これらの変換器は、変換器30および82の間を進行する超音波パルスが
、矢印Eで示す流れチューブの中の流れに対して平行に進むように配置される。
当業者に明らかなように、流体の流れに平行な方向に伝播している超音波パルス
は、測定精度における利点を提供する。
Referring to FIG. 4, the upper ultrasonic transducer 80 is supported by the upper wall 56 of the recess 26. The lower ultrasonic transducer 82 is supported on the bottom shelf 58 at the bottom of the recess 26. As shown, these transducers are arranged such that the ultrasonic pulses traveling between transducers 30 and 82 travel parallel to the flow in the flow tube indicated by arrow E.
As will be apparent to those skilled in the art, ultrasonic pulses propagating in a direction parallel to the fluid flow provide advantages in measurement accuracy.

【0036】 超音波パルスを用いた流速の測定は、全てHamoncourt et al.に付与された米
国特許第5,419,326号、同第5,503,151号、同第5,645,071号および同第5,647,370
号に記載されており、これらを本明細書の一部として本願に援用する。これらの
Hamoncourt特許では、或る方向に流れる流体を通してパルスが伝達されるように
超音波変換器が配置され、該方向は前記流れ方向の成分を有する。即ち、チュー
ブを通して流体を流しながら、変換器は、超音波パルスが前記流体の流れに対し
て或る角度で伝達されるような角度で、チューブの側壁に配置される。流れと共
に伝播する超音波パルスは迅速に進行するが、流れに抗して伝播する超音波パル
スは遅く進行するという事実に基づいて、流速を計算すればよい。超音波パルス
は流れに対して或る角度で進行するとの事実について、数学的補正が行われる。
好ましくは、時間差を計算できるように、パルスは流れと同じ方向および流れと
反対方向で交互に送信される。
Flow velocity measurements using ultrasonic pulses are all made in US Pat. Nos. 5,419,326, 5,503,151, 5,645,071 and 5,647,370 issued to Hamoncourt et al.
, Which are incorporated herein by reference. these
In the Hamoncourt patent, an ultrasonic transducer is arranged such that pulses are transmitted through a fluid flowing in a direction, which direction has a component in said flow direction. That is, while flowing the fluid through the tube, the transducer is positioned on the sidewall of the tube at an angle such that the ultrasonic pulses are transmitted at an angle to the fluid flow. The flow velocity may be calculated based on the fact that the ultrasonic pulse propagating with the flow travels rapidly, while the ultrasonic pulse propagating against the flow travels slowly. A mathematical correction is made for the fact that the ultrasonic pulse travels at an angle to the flow.
Preferably, the pulses are transmitted alternately in the same direction as the flow and in the opposite direction so that the time difference can be calculated.

【0037】 本発明は、メタライズされたポリマーフィルムおよび穿孔された金属シートを
含む変換器を使用することができる。一つの好ましい実施例において、超音波流
れ測定システムは、スイス国チューリッヒのNDD社およびマサチューセッツ州のC
hemsford社によって供給される。この実施例は、超音波変換器の使用を、新規か
つ改善された構成で同軸流路と組合せる。
The present invention can use a transducer that includes a metallized polymer film and a perforated metal sheet. In one preferred embodiment, the ultrasonic flow measurement system comprises an NDD company of Zurich, Switzerland and a C of Massachusetts.
Supplied by hemsford. This embodiment combines the use of ultrasonic transducers with a coaxial flow path in a new and improved configuration.

【0038】 超音波パルスは流れに沿った方向、または流れとは逆向きの方向に送信され、
上流方向および下流方向での通過時間の測定が行われる。ガスの流速がゼロであ
れば、ガスを通る何れの方向での通過時間も同じであり、これは音波の速度およ
び進行した距離に関係する。しかし、ガスの流れが存在すれば、上流への通過時
間は下流への通過時間とは異なる。一定の流れについて、上流および下流への通
過時間はガスの流速に直接関係する。
The ultrasonic pulse is transmitted in the direction along the flow or in the direction opposite to the flow,
Passage times are measured in the upstream and downstream directions. If the gas flow rate is zero, the transit time in either direction through the gas is the same, which is related to the velocity of the sound wave and the distance traveled. However, if there is a gas flow, the transit time upstream will be different from the transit time downstream. For a given flow, the transit times upstream and downstream are directly related to the gas flow rate.

【0039】 流速は、概ね流れチューブ36で形成された流路の対向端に装着された、一対の
超音波変換器80および82を使用して測定される。超音波パルスを送るために、一
方の変換器、例えば80に高圧(略200V)を印加し、次いでこの電圧を迅速に除去
する。これにより、変換器80をその本来の周波数で共鳴させ、音波送信機として
機能させる。略100Vの電圧が他の変換器82に印加され、それが音波受信機(音波
検出器)として働くことを可能にする。受信側の変換器82には、それが最大の電
気信号を発生するように、DCバイアスを印加しなければならない。通過時間は、
変換器80からのパルスの送信と、変換器82によるパルスの検出との間の時間であ
る。次いで、反対方向に進行するパルスの通過時間を測定するために、送信機お
よび検出器の役割が逆転される。
The flow velocity is measured using a pair of ultrasonic transducers 80 and 82 mounted at opposite ends of the flow channel formed generally by the flow tube 36. A high voltage (approx. 200 V) is applied to one transducer, for example 80, in order to deliver an ultrasonic pulse, and then this voltage is rapidly removed. This causes transducer 80 to resonate at its original frequency and function as a sound wave transmitter. A voltage of approximately 100V is applied to the other transducer 82, allowing it to act as a sound wave receiver (sound wave detector). A DC bias must be applied to the receiving transducer 82 so that it produces the maximum electrical signal. Transit time is
The time between the transmission of a pulse from the converter 80 and the detection of the pulse by the converter 82. The roles of transmitter and detector are then reversed in order to measure the transit times of the pulses traveling in opposite directions.

【0040】 こうして、U1-D1-U2-D2-U3-D3の形態で一連の通過時間測定が得られる。ここ
で、UおよびDは、流れチューブを上方および下方にそれぞれ進行するパルスにつ
いての通過時間を意味し、また数字は測定の順序を意味する。(上方および下方
の用語は、図10に示した構成については適切であるが、他の実施例では、流れの
向きは水平、斜め等であってもよい)。U1およびU2を平均することによって、我
々は、線形内挿法により、時間D1が測定された時点で評価された上方時間を得る
。D1が測定された時点での通過時間の差、従って流速を得るために、我々は、D1
をU1およびU2の平均と比較する。同様に、U2が測定された時点での流速を得るた
めに、我々は、U2をD1およびD2の平均と比較する。これは、測定されたデータを
処理する一つの単純な方法に過ぎない。他のアプローチは当業者に明らかであろ
う。
Thus, a series of transit time measurements in the form of U1-D1-U2-D2-U3-D3 are obtained. Here, U and D refer to the transit times for the pulses traveling up and down the flow tube, respectively, and the numbers refer to the order of measurement. (The terms upper and lower are appropriate for the configuration shown in FIG. 10, but in other embodiments the flow direction may be horizontal, diagonal, etc.). By averaging U1 and U2, we obtain by linear interpolation the upper time estimated at the time D1 was measured. To obtain the difference in transit times at the time D1 is measured, and thus the flow velocity, we use D1
Is compared to the average of U1 and U2. Similarly, to get the flow rate at the time U2 was measured, we compare U2 to the average of D1 and D2. This is just one simple way of processing the measured data. Other approaches will be apparent to those of skill in the art.

【0041】 電子装置の概略が図11に示されている。超音波変換器80および82は、好まし
くは、変換器制御回路110を使用して、ASIC(アプリケーション特異的集積回路
)98によって制御される。ASIC 98は、超音波パルスの送信および検出を制御し
、また19.2 Kbaudで動作するシリアルUART(万能非同期受信送信機)を使用して
、熱量計のCPU(中央演算ユニット)96と通信するするために使用される。ASIC1
98により調整される従来のブーストコンバータ112を使用して、190〜230V(DC
)の範囲の高電圧が、低電圧(5V)の電源114から発生される。この高電圧は、
超音波変換器を動作させるために必要とされる。低電圧源114はまた、他の装置
要素にも電力を供給する。同様の機能を備えた他の電子制御スキームを使用して
もよい。
A schematic of the electronic device is shown in FIG. The ultrasonic transducers 80 and 82 are preferably controlled by an ASIC (application specific integrated circuit) 98 using the transducer control circuit 110. The ASIC 98 controls the transmission and detection of ultrasonic pulses and also uses a serial UART (universal asynchronous receiver transmitter) operating at 19.2 Kbaud to communicate with the calorimeter CPU (Central Processing Unit) 96. Used for. ASIC1
Using a conventional boost converter 112 regulated by 98, 190-230V (DC
) Range high voltage is generated from a low voltage (5V) power supply 114. This high voltage
Required to operate the ultrasonic transducer. Low voltage source 114 also supplies power to other device elements. Other electronic control schemes with similar functionality may be used.

【0042】 CPU 96からASIC 98へとコマンドが送られて、流れ測定が開始される。ASICは
、制御回路110を通して、200Vを一方の変換器(例えば80)に印加する。次いで
、この電圧を放電させて、略35 kHz(該変換器の共鳴周波数)のパルスを放出さ
せる。同時に、100Vが他方の変換器82に印加される。ASICに付随した結晶116に
より制御されたASIC 98内の10 MHzのクロックは100 MHzのカウンターを駆動し、
該カウンタは、パルスが送られた時間から開始して10nsの増分でカウントする。
検出用変換器82からの35kHzの信号を受信したときにカウンタは停止し、通過時
間値(10nsの時間間隔の数の形態)が、シリアル接続を使用してCPU 96に送られ
る。5ms毎に音波送信機および音波受信機の役割が切替えられ、超音波パルスは
流路に沿って反対方向に送信される。
A command is sent from the CPU 96 to the ASIC 98 to start the flow measurement. The ASIC applies 200V to one converter (eg, 80) through the control circuit 110. The voltage is then discharged and a pulse of approximately 35 kHz (resonant frequency of the transducer) is emitted. At the same time, 100V is applied to the other converter 82. A 10 MHz clock in ASIC 98 controlled by a crystal 116 associated with the ASIC drives a 100 MHz counter,
The counter counts in 10 ns increments starting from the time the pulse was sent.
Upon receiving the 35 kHz signal from the detecting transducer 82, the counter is stopped and the transit time value (in the form of a number of 10 ns time intervals) is sent to the CPU 96 using a serial connection. The roles of the sound wave transmitter and the sound wave receiver are switched every 5 ms, and the ultrasonic pulse is transmitted in the opposite direction along the flow path.

【0043】 この実施例における典型的な通過時間は、220μs、または220×10nsの時間感
覚であり、この場合にはデータバイトとして数2200がCPUに送られるであろう。
通過時間データは、UART上をASICからCPUに送られる。シリアルバイトがCPUに受
信されたときに該バイトを捕捉するために、割込みサービスルーチンが使用され
る。
A typical transit time in this example is 220 μs, or 220 × 10 ns time sense, in which case the number 2200 will be sent to the CPU as a data byte.
The transit time data is sent from the ASIC to the CPU on the UART. An interrupt service routine is used to capture the serial byte when it is received by the CPU.

【0044】 流れチューブを上方および下方に進むパルスの通過時間(上方時間および下方
時間)、および連続的な測定の間の差は、三つの別々のバッファーに保存される
。実際の流れが存在しない場合について流れの読みがゼロになるように、異なる
バッファーを使用して装置をゼロにする。また、吸気状態、呼気状態、および流
れの無い状態を検出するためにも、異なるバッファーが使用される。通過時間測
定プロセスには、追加の器具遅延時間、典型的には略20μsが存在する。これら
は、上方時間測定および下方時間測定で異なる可能性があり、また通過時間デー
タからこの遅延を差し引くことによって補償することができる。
The transit times (upper and lower times) of the pulse traveling up and down the flow tube, and the difference between successive measurements are stored in three separate buffers. Use a different buffer to zero the device so that the flow reading is zero when there is no actual flow. Different buffers are also used to detect inspiratory, expiratory, and no flow conditions. There is an additional instrument delay time in the transit time measurement process, typically around 20 μs. These can be different for the upper and lower time measurements and can be compensated for by subtracting this delay from the transit time data.

【0045】 平均方法、例えば二つの上方時間の平均を、介在する下方時間と比較する方法
(先により詳細に述べた通り)を使用して流れ値を計算するために、ソフトウエ
アプロセスが使用される。流速並びに線形化定数を得るために、この流れ値は、
チューブの断面積(現在の好ましい実施例では113 mm2)、経路長(トランスジ
ューサ感の距離、現在の好ましい実施例では76 mm)、および上方流および下方
流についてのキャリブレーションファクターと組合わされる。呼気時間および吸
気時間に亘って流速を合算し、容積流量を求める。
A software process is used to calculate the flow value using an averaging method, eg, a method of comparing the average of two upper times with an intervening lower time (as described in more detail above). It To obtain the flow velocity as well as the linearization constant, this flow value is
Combined with the cross-sectional area of the tube (113 mm 2 in the presently preferred embodiment), the path length (transducer feel distance, 76 mm in the presently preferred embodiment), and the calibration factors for upflow and downflow. The flow velocity is summed over the expiration time and the inspiration time to obtain the volumetric flow rate.

【0046】 好ましい実施例においては、別々のバッファーに保存される上方時間および下
方時間の積算を形成するために、CPUの割込みサービスルーチンが用いられる。
このソフトウエアプロセスは、これらを周期的に、例えば100ms毎にサンプリン
グする(20サンプル)。これは、流速測定値を効果的に平均化して、計算された
容積流量における高い解像度を導く。現在の好ましい実施例において、測定され
た容積流量の解像度は、個々の測定当りで略0.9 ml/s、または20回の読みの平均
については略0.045 ml/sである。
In the preferred embodiment, the CPU's interrupt service routine is used to form an accumulation of the upper and lower times stored in separate buffers.
The software process samples them periodically, eg every 100 ms (20 samples). This effectively averages the flow rate measurements, leading to high resolution in the calculated volumetric flow rate. In the presently preferred embodiment, the measured volumetric flow resolution is approximately 0.9 ml / s per individual measurement, or approximately 0.045 ml / s for an average of 20 readings.

【0047】 他の実施例が可能である。例えば、超音波流れセンサは他のソースから得ても
よい。幾つかのセンサは、流速決定のシング・アラウンド法を用いる。超音波パ
ルスは、流路に沿って一方の変換器から他方の変換器へ送信され、先のパルスが
受信されたら新たなパルスが送られる。送信されるパルスの周波数は、当該チュ
ーブに沿った通過時間に関係する。送信機および検出器の役割は、ある時間また
はある数のパルスの後に反転され、パルス列が流路に沿って反対方向に送られ、
先のパルスが検出されると新たなパルスが送られる。送信されるパルスの新たな
周波数が測定される。従って、周波数測定から同等の上方時間および下方時間が
決定され、上記で説明したように処理することができる。
Other embodiments are possible. For example, the ultrasonic flow sensor may be obtained from other sources. Some sensors use the sing-around method of flow velocity determination. The ultrasonic pulse is transmitted along the flow path from one transducer to the other, and a new pulse is delivered when the previous pulse is received. The frequency of the pulse transmitted is related to the transit time along the tube. The role of transmitter and detector is reversed after a certain time or after a certain number of pulses, the pulse train being sent in opposite directions along the flow path,
A new pulse is sent when the previous pulse is detected. The new frequency of the transmitted pulse is measured. Therefore, equivalent upper and lower times are determined from the frequency measurements and can be processed as described above.

【0048】 微細加工された超音波変換器アレイは、カリホルニア州サンノゼのSensant社
から入手可能である。これらのセンサは、低ノイズ、高周波数範囲、潜在的な低
駆動電圧の利点を有し、本発明において使用できる利点を有している。例えば、
パルス反復速度を高くすることができ、瞬間的な流速をより頻繁に(即ち、高い
解像度で)測定することを可能にし、より正確な積算容積流量を与える。微細加
工された温度センサ、圧力センサ、および湿度センサを超音波アレイの中に組込
んで、超音波変換器の特性に対するこれら環境ファクターの影響を補償させるよ
うにしてもよい。例えば、環境効果による微細加工構造体の歪みを、電気的キャ
パシタンスを使用してモニターすることができる。一つまたは多くのアレイを使
用して、流れチューブの横寸法(流れ方向に対して直交)に亘る通過時間の変動
を、測定(断面流れイメージング)および積算してもよい。平均法が必要とされ
ないように、アレイ上の異なるセンサを送信機および検出器として同時に使用し
て、上流通過時間および下流通過時間の同時測定を可能にしてもよい。
Microfabricated ultrasonic transducer arrays are available from Sensant, Inc. of San Jose, Calif. These sensors have the advantages of low noise, high frequency range, potentially low drive voltage, and can be used in the present invention. For example,
The pulse repetition rate can be increased, allowing the instantaneous flow rate to be measured more frequently (ie with higher resolution), giving a more accurate integrated volumetric flow rate. Microfabricated temperature, pressure, and humidity sensors may be incorporated into the ultrasonic array to compensate for the effects of these environmental factors on the properties of the ultrasonic transducer. For example, distortion of microfabricated structures due to environmental effects can be monitored using electrical capacitance. One or many arrays may be used to measure (cross-section flow imaging) and integrate variations in transit time across the lateral dimension of the flow tube (orthogonal to the flow direction). Different sensors on the array may be used simultaneously as transmitters and detectors to allow simultaneous measurement of upstream and downstream transit times so that averaging is not required.

【0049】 当業者に明らかなように、好ましい実施例での超音波検知の代りに、またはこ
れに加えて、流れ検知に対する他のアプローチを使用してもよい。例えば、微細
な回転翼、熱ワイヤベースのマスフロー計測器、および圧力差タイプの流量計を
流路内に使用することにより、流速を測定してもよい。当業者に明らかなように
、現在の好ましい実施例は、これらのアプローチまたは他のアプローチを流れ測
定に使用するように適合することができるであろう。
As will be appreciated by those skilled in the art, other approaches to flow sensing may be used instead of, or in addition to, ultrasonic sensing in the preferred embodiment. For example, the flow velocity may be measured by using fine rotors, hot wire based mass flow meters, and pressure differential type flow meters in the flow path. As will be apparent to those skilled in the art, the presently preferred embodiment could be adapted to use these or other approaches for flow measurement.

【0050】 <酸素センサ> 先に述べたように、本発明では呼気流の酸素濃度も測定される。即ち、瞬間的
な酸素濃度は流速の測定と同時に測定される。「瞬間的」の用語は、酸素検知が
極めて迅速な応答時間を有することを意味する。好ましくは、本発明と共に使用
するための酸素センサの応答時間は100 msec以下である。幾つかの実施例におい
て、この応答時間は30〜40 msec以下である。
<Oxygen Sensor> As described above, in the present invention, the oxygen concentration in the expiratory flow is also measured. That is, the instantaneous oxygen concentration is measured simultaneously with the measurement of the flow velocity. The term "instantaneous" means that oxygen sensing has a very fast response time. Preferably, the response time of oxygen sensors for use with the present invention is 100 msec or less. In some embodiments, this response time is 30-40 msec or less.

【0051】 酸素濃度は種々の方法で測定すればよい。本発明の現在の好ましい実施例では
、蛍光に基づく酸素センサを使用して呼気中の酸素分圧を測定する。
The oxygen concentration may be measured by various methods. In the presently preferred embodiment of the present invention, a fluorescence-based oxygen sensor is used to measure oxygen partial pressure in exhaled breath.

【0052】 図4および図5に最も良く示されているように、酸素センサ84は凹部26の後部
壁の窓86に隣接して装着される。これは、出口流路60を通過する吸気ガスおよび
呼気ガスに酸素センサ84を接触させる。この配置はまた、酸素センサをガスの渦
流に露出させるが、これは好ましいものである。
As best shown in FIGS. 4 and 5, oxygen sensor 84 is mounted adjacent window 86 in the rear wall of recess 26. This brings the oxygen sensor 84 into contact with the inspiratory and expiratory gases passing through the outlet channel 60. This arrangement also exposes the oxygen sensor to a swirl of gas, which is preferred.

【0053】 蛍光ベースの酸素センサは当該技術分野で知られており、例えば、Colvinによ
って記載されている(全て本明細書の一部として援用する米国特許第5,517,313
号、同第5,894,351号、同第5,910,661号、同第5,917,605号、およびPCT国際公開
WO 00/13003号)。センサは、典型的には、酸素指示蛍光分子が埋設された酸素
透過性膜を含んでいる。米国特許第5,517,313号および同第5,894,351号において
、Colvinはシリコーンポリマー膜を使用するするセンサを記載しており、酸素イ
ンジケータ蛍光団分子として、ルテニウム錯体である過塩素酸トリス(4,7-ジフ
ェニル-1,10-フェナントロリン)ルテニウム(II)の使用を示唆している。この
ルテニウム錯体のオレンジ/赤の蛍光は、酸素の局部的存在によって消光される
。酸素は、酸素透過性膜を覆って流れるガスから該膜の中に拡散して、蛍光の消
光を誘導する。膜の外側のガス中酸素濃度の変化に対する消光効果の時間応答は
、膜の厚さに関係している。米国特許第5,517,313号に記載されているように、
迅速な応答のためには薄い膜が好ましい。
Fluorescence-based oxygen sensors are known in the art and have been described, for example, by Colvin (US Pat. No. 5,517,313, all incorporated by reference herein).
Nos. 5,894,351, 5,910,661, 5,917,605, and PCT International Publication
WO 00/13003). The sensor typically includes an oxygen permeable membrane in which oxygen indicator fluorescent molecules are embedded. In U.S. Pat.Nos. 5,517,313 and 5,894,351, Colvin describes a sensor that uses a silicone polymer membrane, wherein the oxygen indicator fluorophore molecule is the ruthenium complex tris (4,7-diphenyl-perchlorate). The use of 1,10-phenanthroline) ruthenium (II) is suggested. The orange / red fluorescence of this ruthenium complex is quenched by the local presence of oxygen. Oxygen diffuses from the gas flowing over the oxygen permeable membrane into the membrane, inducing fluorescence quenching. The time response of the quenching effect to changes in oxygen concentration in the gas outside the membrane is related to the thickness of the membrane. As described in U.S. Pat.No. 5,517,313,
Thin membranes are preferred for rapid response.

【0054】 次に、図6および図7を参照すると、この実施例に用いられる蛍光ベースの酸
素センサが、一般に120で示されている。図6は分解図であり、図7は横断面図
である。現在の好ましいセンサは、Colvin特許に記載された技術に基づいて、Se
nsors for Medicine and Science, Inc.社により供給される。回路基板144は、
センサ120を機械的および電気的に熱量計の主回路基板88に接続するために、下
方に延びた複数のピン149を有している。LED 132が、一般には回路基板の頂部中
央に装着されている。また、一対のフォトダイオード134および136が回路基板14
4の頂部に装着されている。フォトダイオード134および136は、LED 132の反対側
において、該LEDから短い距離に装着される。光ファイバーが各フォトダイオー
ドの頂部に装着されている。フィルター138がフォトダイオード134の上に装着さ
れ、フィルター140がフォトダイオード136の上に装着されている。光ファイバー
は、光学的に透明な接着剤でフォトダイオードに結合される。
Referring now to FIGS. 6 and 7, the fluorescence-based oxygen sensor used in this embodiment is shown generally at 120. 6 is an exploded view, and FIG. 7 is a cross-sectional view. Presently preferred sensors are Se based on the technology described in the Colvin patent.
Supplied by nsors for Medicine and Science, Inc. Circuit board 144,
It has a plurality of downwardly extending pins 149 for mechanically and electrically connecting the sensor 120 to the main circuit board 88 of the calorimeter. An LED 132 is typically mounted in the top center of the circuit board. In addition, the pair of photodiodes 134 and 136 are connected to the circuit board 14
Mounted on top of 4. The photodiodes 134 and 136 are mounted on the opposite side of the LED 132 and at a short distance from the LED. An optical fiber is mounted on top of each photodiode. The filter 138 is mounted on the photodiode 134 and the filter 140 is mounted on the photodiode 136. The optical fiber is bonded to the photodiode with an optically clear adhesive.

【0055】 熱放散器142、即ち、好ましくは下方に折り曲げた縁部を有する薄い銅製シー
トが、回路基板の頂部に装着される。この熱放散器は、その四隅に下方に延びる
脚部143を有しており、その夫々は回路基板144の孔145に係合する。熱放散器142
の脚部143および下方に曲げられた縁部は、熱放散器142の中央部分を回路基板14
4の上に短い距離で支持し、両者の間に隙間を形成する。LED 132、フォトダイオ
ード134および136、フィルター138および140は、回路基板144と放散器142の間の
この隙間に配置される。二つの円形孔146が熱放散器に穿孔され、フォトダイオ
ード134および136の夫々の直上に一つの孔が配置される。二つのガラス基板128
および130が熱放散器142の頂部に装着され、各孔146の頂部の直上に一つガラス
基板が装着される。図示のように、これらガラス基板128および130は矩形である
。円形の蛍光膜が、各ガラス基板の頂部に形成される。即ち、ガラス基板128上
には円形膜122が形成され、ガラス基板130上には円形膜124が形成される。ガス
不透過性のガラスカバー126が円形膜124の上に配置され、エポキシ樹脂125でガ
ラス基板130に結合される。従って、円形膜124は、上部のカバー126および縁部
のエポキシ樹脂125によって内部にシールされる。これによって、一方の円形膜1
22が大気中に露出される一方、他方の円形膜124はシールされて露出されない結
果になる。従って、円形膜124は酸素濃度の変化に反応しないのに対して、円形
膜122は反応する。円形膜122は検知領域と称され、円形膜124は参照領域と称さ
れる。
A heat dissipator 142, ie a thin copper sheet, preferably with a downwardly bent edge, is mounted on top of the circuit board. This heat dissipator has legs 143 extending downward at its four corners, each of which engages with a hole 145 in the circuit board 144. Heat dissipator 142
The legs 143 and the downwardly bent edges of the heatsink dissipate the central portion of the heat dissipator 142 on the circuit board 14.
Support a short distance above 4 and form a gap between them. The LED 132, photodiodes 134 and 136, filters 138 and 140 are located in this gap between the circuit board 144 and the dissipator 142. Two circular holes 146 are drilled in the heat dissipator, one hole being located directly above each of the photodiodes 134 and 136. Two glass substrates 128
And 130 are mounted on top of the heat dissipator 142 and one glass substrate is mounted just above the top of each hole 146. As shown, these glass substrates 128 and 130 are rectangular. A circular phosphor film is formed on top of each glass substrate. That is, the circular film 122 is formed on the glass substrate 128, and the circular film 124 is formed on the glass substrate 130. A gas impermeable glass cover 126 is placed over the circular membrane 124 and bonded to the glass substrate 130 with epoxy resin 125. Therefore, the circular membrane 124 is internally sealed by the upper cover 126 and the edge epoxy resin 125. This allows one circular membrane 1
While the 22 is exposed to the atmosphere, the other circular membrane 124 is sealed and unexposed. Therefore, the circular film 122 does not react to the change in oxygen concentration, whereas the circular film 122 does. Circular membrane 122 is referred to as the sensing area and circular membrane 124 is referred to as the reference area.

【0056】 図7を再度参照すると、回路基板144と熱放散器142との間の隙間、および孔14
6は、光学的に透明な導波材料141で充填される。導波材料141は、LED 132をガラ
ス基板128および130に光学的に結合するように働き、ガラス基板を導波路の一体
化された一部にする。また、導波材料は、検知領域122および参照領域124を、フ
ィルター138および140並びにフォトダイオード134および136に光学的に結合する
。その結果、これら部品を光学的に結合する連続的な光導波路が形成される。適
切な導波材料は、ニュージャージー州New BrunswickのNorland Products社およ
びマサチューセッツ州BilericaのEpoxy Technoloty社によって製造されており、
後者はEPOTEK(登録商標)として販売されている。
Referring again to FIG. 7, the gap between the circuit board 144 and the heat spreader 142, and the hole 14
The 6 is filled with an optically transparent waveguiding material 141. The waveguiding material 141 serves to optically couple the LED 132 to the glass substrates 128 and 130, making the glass substrate an integral part of the waveguide. The waveguiding material also optically couples the sensing region 122 and the reference region 124 to the filters 138 and 140 and the photodiodes 134 and 136. The result is a continuous optical waveguide that optically couples these components. Suitable waveguiding materials are manufactured by Norland Products of New Brunswick, NJ and Epoxy Technoloty of Bilerica, MA,
The latter is sold as EPOTEK®.

【0057】 検知領域122および参照領域124上に形成される凝集の問題を回避するために、
好ましくは、熱放散器142を使用してこれら領域の両者を加温する。この目的の
ために、抵抗器を含む小さなヒータ148が、夫々の脚部装着孔145に隣接して回路
基板144の上に装着される。熱放散器の脚部143は、熱放散器へと熱が移動される
ように、孔45の中およびヒータ148に半田付けされる。サーミスタ147は、センサ
が組立てられたときに熱放散器142の下方に曲げられた縁部の一つに接触するよ
うな位置において、回路基板144に装着される。サーミスタを前記縁部に半田付
けして、熱移動を改善してもよい。次いで、サーミスタ147を用いて熱放散器142
の温度をモニターし、またヒータ148を制御して、一般に一定の温度を維持する
。酸素センサのためのキャリブレーションデータを含むEEPROM 155が、回路基板
144の下面に装着される。
To avoid the problem of agglomeration formed on the sensing area 122 and the reference area 124,
Preferably, heat dissipator 142 is used to warm both of these areas. For this purpose, a small heater 148 including a resistor is mounted on the circuit board 144 adjacent to each leg mounting hole 145. The heat dissipator legs 143 are soldered into the holes 45 and to the heater 148 so that heat is transferred to the heat dissipator. The thermistor 147 is mounted on the circuit board 144 in a position such that it contacts one of the downward bent edges of the heat spreader 142 when the sensor is assembled. A thermistor may be soldered to the edge to improve heat transfer. Then, using the thermistor 147, the heat dissipator 142
Temperature is monitored and the heater 148 is controlled to maintain a generally constant temperature. EEPROM 155 containing calibration data for oxygen sensor on circuit board
It is attached to the bottom surface of 144.

【0058】 蛍光膜122および124は、ルテニウム錯体のような酸素指示蛍光分子を含む酸素
透過性膜によって形成される。現在の好ましい実施例において、この酸素透過性
膜は、ゾル/ゲルのような多孔性ガラスである。
Fluorescent films 122 and 124 are formed by oxygen permeable films containing oxygen indicator fluorescent molecules such as ruthenium complexes. In the presently preferred embodiment, the oxygen permeable membrane is a porous glass such as a sol / gel.

【0059】 LED 132、好ましくは青色光を放出するダイオード(LED)からの光放射は、光
導波材料141によって、検知領域122および参照領域124に伝達される。LED 132の
発行波長は、蛍光膜の領域122および124から蛍光を誘導するように選択される。
他の蛍光団の場合には他の波長を使用してもよい。検知領域および参照領域から
のオレンジ/赤の蛍光発光は、二つのフォトダイオードによって検出される。フ
ォトダイオード134は参照領域124からの蛍光を検出し、フォトダイオード136は
検知領域122からの蛍光を検出する。フォトダイオードの出力は、以下で述べる
ように高速相互コンダクタンス増幅器に供給される。光フィルター138および140
はフォトダイオードの上に重なって、オレンジ/赤の蛍光放射線を通過させる一
方、他の波長、特にLEDからの青色の放射線を拒絶する。光フィルター128および
140は、エポキシコーティング、ガラスフィルター、またはポリマーベースのシ
ート材料で製造すればよい。好ましくは、予め製造されたポリマーベースのシー
ト材料が用いられる。LED 132からの発光、並びに膜122および124からの蛍光発
光は、プレート142の中の孔146を通過する。好ましくは、円形膜122および124、
孔146、並びにフォトダイオード134および136の活性領域は、全て同じ直径の円
形である。
Light radiation from an LED 132, preferably a diode (LED) that emits blue light, is transmitted by a light guiding material 141 to a sensing region 122 and a reference region 124. The emission wavelength of LED 132 is selected to induce fluorescence from regions 122 and 124 of the phosphor film.
Other wavelengths may be used for other fluorophores. The orange / red fluorescence emission from the detection area and the reference area is detected by two photodiodes. The photodiode 134 detects the fluorescence from the reference region 124, and the photodiode 136 detects the fluorescence from the detection region 122. The output of the photodiode is provided to a high speed transconductance amplifier as described below. Optical filters 138 and 140
Overlies the photodiode and passes orange / red fluorescent radiation while rejecting other wavelengths, especially blue radiation from the LED. Optical filter 128 and
140 may be made of epoxy coating, glass filter, or polymer-based sheet material. Preferably, prefabricated polymer-based sheet material is used. Emissions from the LED 132 and fluorescent emissions from the membranes 122 and 124 pass through holes 146 in the plate 142. Preferably circular membranes 122 and 124,
The hole 146 and the active areas of the photodiodes 134 and 136 are all circular with the same diameter.

【0060】 酸素検知測定の際、基板128および130、並びに検知領域122および参照領域124
は、水分の凝集に伴う問題を低減するために、略45℃に維持される。基板の加熱
は、表面装着された四つの抵抗体148に電流を通すことによって達成される。抵
抗体を通る加熱電流および温度を調節することを可能にするために、銅プレート
142の温度をサーミスター147によってモニターする。幾つかの手段、例えば化学
乾燥、水吸収/吸着物質、膜、フィルター、発泡体シート等によってガス流から
水分が除去され、または或る種の表面処理(酸素透過性疎水性膜または他のアプ
ローチ)によって蛍光膜上での凝集が防止されれば、酸素センサを加熱する必要
はない。加熱によって温度安定性は改善されるが、酸素感度は低温の方が良好で
ある。
During oxygen sensing measurements, substrates 128 and 130, as well as sensing area 122 and reference area 124.
Is maintained at approximately 45 ° C. to reduce problems with water aggregation. Heating of the substrate is accomplished by passing current through four surface mounted resistors 148. Copper plate to allow to adjust the heating current and temperature through the resistor
The temperature of 142 is monitored by thermistor 147. Moisture is removed from the gas stream by several means, such as chemical drying, water absorbing / adsorbing materials, membranes, filters, foam sheets, or some type of surface treatment (oxygen permeable hydrophobic membranes or other approaches). It is not necessary to heat the oxygen sensor as long as the agglomeration on the phosphor screen is prevented by). Heating improves temperature stability, but oxygen sensitivity is better at low temperatures.

【0061】 LEDの発光出力は、好ましくは、電気的に調節された駆動電流を使用して調節
される。現在の好ましい実施例では2kHzの調節周波数が使用される。1〜10kHzの
ような他の調節周波数を使用してもよい。現在の実施例では蛍光強度測定に基づ
いて酸素分圧が測定され、ここでは酸素の消光による蛍光強度の減少が測定され
る。存在する酸素が少ないほどより大きな蛍光が検出され、酸素が多いほど蛍光
は小さい。LED 132が照射される毎に蛍光応答が存在し、その強度は、存在する
酸素の量に応じて変化する。当業者に知られているように、蛍光応答は即時的で
はなく、LED 132による照射に応答して蛍光材料が蛍光を発するまでの時間遅れ
が存在する。同様に、LED 32がオフされた時点と蛍光が停止される時点との間に
も遅れが存在する。これは減衰時間として知られている。好ましくは、適用され
る調節の時間は、蛍光減衰時間よりも有意に大きくなるように選択される。図1
2は、可能な蛍光応答信号(丸くなった信号152)と共に、印加された放射強度
vs. 時間信号(矩形波信号150)の可能な例を概略的に示している。現在の実施
例において、矩形波の時間は約0.50 msecであるのに対して、蛍光減衰時間は約3
μsec(0.003 msec)である。酸素濃度を測定するための別のアプローチは、例
えば励起信号に対する蛍光信号の位相遅延の測定を使用して、蛍光減衰時間の変
化を検出することに基づいている。例えば、図12において、蛍光減衰の位相遅
延が「a」で示す期間に対応するように測定すればよい。この位相遅延は酸素濃
度と共に変化し、従って、酸素濃度のインジケータとして使用することができる
。このような蛍光減衰測定においては、より高い調節周波数が用いられる。LED
出力の強度調節もまた正弦波的であってよい。蛍光膜の厚さおよび多孔性を調節
して、拡散に律速された蛍光信号応答時間を制御してもよい。
The emission output of the LED is preferably regulated using an electrically regulated drive current. In the presently preferred embodiment, a regulation frequency of 2 kHz is used. Other tuning frequencies may be used, such as 1-10 kHz. In the present example, the oxygen partial pressure is measured based on fluorescence intensity measurement, where the decrease in fluorescence intensity due to quenching of oxygen is measured. The less oxygen present, the greater the fluorescence detected, and the more oxygen present, the less fluorescence. There is a fluorescent response each time the LED 132 is illuminated and its intensity varies depending on the amount of oxygen present. As is known to those skilled in the art, the fluorescent response is not immediate, and there is a time delay before the fluorescent material fluoresces in response to illumination by LED 132. Similarly, there is a delay between when the LED 32 is turned off and when the fluorescence is stopped. This is known as the decay time. Preferably, the time of adjustment applied is selected to be significantly greater than the fluorescence decay time. Figure 1
2 is the applied radiant intensity along with the possible fluorescence response signal (rounded signal 152)
A possible example of a vs. time signal (square wave signal 150) is schematically shown. In the present example, the square wave time is about 0.50 msec, while the fluorescence decay time is about 3 msec.
It is μsec (0.003 msec). Another approach to measuring oxygen concentration is based on detecting changes in fluorescence decay time, for example using the measurement of the phase delay of the fluorescence signal relative to the excitation signal. For example, in FIG. 12, the measurement may be performed such that the phase delay of fluorescence decay corresponds to the period indicated by “a”. This phase delay changes with oxygen concentration and can therefore be used as an indicator of oxygen concentration. Higher tuning frequencies are used in such fluorescence decay measurements. led
The intensity adjustment of the output may also be sinusoidal. The thickness and porosity of the phosphor film may be adjusted to control the diffusion limited fluorescence signal response time.

【0062】 フォトダイオード136からの信号(検知領域信号)およびフォトダイオード134
からの信号(参照領域信号)は、両領域からの蛍光強度に対応したDC信号を得る
ために、同様の増幅段階、フィルター段階および復調段階に通される。酸素濃度
ゼロにおいて参照信号および検知信号が異なるレベルであれば、増幅段階におけ
るそれらの夫々の利得を調節して補償すればよい。増幅およびDCへの変換の後に
、検知領域信号および参照領域信号を比較して、理論的に温度変化、LED強度変
化などのエラー源から独立した信号を得る。現在の実施例において、この比較は
次式の形態を取る。
A signal from the photodiode 136 (detection area signal) and the photodiode 134
Signal (reference region signal) is passed through similar amplification, filtering and demodulation stages to obtain a DC signal corresponding to the fluorescence intensity from both regions. If the reference signal and the detection signal are at different levels at zero oxygen concentration, their respective gains in the amplification stage may be adjusted to compensate. After amplification and conversion to DC, the sense region signal and the reference region signal are compared to theoretically obtain a signal independent of error sources such as temperature changes, LED intensity changes, etc. In the current example, this comparison takes the form:

【0063】 信号 = 検知領域 − K*(参照領域−参照基底ライン) ここで、Kは実験的に決定される定数である。或いは、二つの信号の比を取って
もよい。
Signal = Detection Area−K * (Reference Area−Reference Baseline) Here, K is a constant determined experimentally. Alternatively, the ratio of the two signals may be taken.

【0064】 図13は、フォトダイオード136からの信号処理の概略図を示している。156に
入ってくる信号は、DCおよび低周波数の周囲光で発生した信号(例えば、電灯か
らの低周波数の迷光)を除去するために、高パスフィルター158に通され、また
転倒型AC増幅段階160に通される。このAC信号は、もう一つの高パスフィルター1
62に通され、もう一つの増幅段階164に通される。次いで、増幅されたAC信号は
、アナログスイッチ166(アナログ装置チップADG71BRMに基づくものであるが、
他の装置を用いてもよい)を使用して復調される。このスイッチは、信号LEDが
オンしている時の信号と、LEDがオフである時の一定の参照電圧(増幅段階のた
めの仮想接地として使用される、168での入力を示す)との間で交番する。以下
の増幅段階170は、0.5および-0.5の利得の間で交番し、信号を復調させる。つい
で、この信号は更なる増幅段階172および低パスフィルター174を通される。とき
には同期増幅器、またはロックイン増幅器と称されるこのようなスキームの使用
は、信号/ノイズ比を顕著に改善する。これは従来の技術であり、他のスキーム
を使用してもよい。
FIG. 13 shows a schematic diagram of signal processing from the photodiode 136. The signal entering 156 is passed through a high pass filter 158 to remove signals generated by DC and low frequency ambient light (eg, low frequency stray light from a lamp) and also an inverted AC amplification stage. Passed through 160. This AC signal is another high pass filter 1
It is passed through 62 and through another amplification stage 164. The amplified AC signal is then based on the analog switch 166 (based on the analog device chip ADG71BRM,
Other devices may be used). This switch is between the signal when the signal LED is on and a constant reference voltage when the LED is off (used as a virtual ground for the amplification stage, showing the input at 168). Alternate with. The following amplification stage 170 alternates between gains of 0.5 and -0.5 to demodulate the signal. This signal is then passed through a further amplification stage 172 and a low pass filter 174. The use of such a scheme, sometimes referred to as a synchronous amplifier, or lock-in amplifier, significantly improves the signal / noise ratio. This is conventional technology and other schemes may be used.

【0065】 酸素センサによる実際の信号を計算するために、LEDをオフにした状態での基
底ライン測定が最初に行われる。LEDをオンにした(調節された)状態で得られ
た信号を読み、基底ラインから差し引いて、最終の酸素センサ信号を求める。
To calculate the actual signal from the oxygen sensor, a baseline measurement with the LED off is first taken. The signal obtained with the LED turned on (conditioned) is read and subtracted from the baseline to determine the final oxygen sensor signal.

【0066】 <電気回路および部品> 図14は、電気的構成に関する熱量計の単純化されたスキームを示している。
当該熱量計は、装置の全体の動作を制御する中央演算ユニット(CPU)96を有し
ている。
Electrical Circuits and Components FIG. 14 shows a simplified scheme of the calorimeter for electrical configuration.
The calorimeter has a central processing unit (CPU) 96 that controls the overall operation of the device.

【0067】 一般に120で示す酸素センサは、青色LED 132、蛍光消光酸素検知領域122、蛍
光参照領域124、サーミスタ147、ヒータ148、およびセンサ120のためのキャリブ
レーションデータを含むEEPROM 155を備えている。LED 132は、発振器/変調器1
53によって制御された駆動電流を受取る。
The oxygen sensor, generally designated 120, comprises a blue LED 132, a fluorescence quenching oxygen sensing area 122, a fluorescence reference area 124, a thermistor 147, a heater 148, and an EEPROM 155 containing calibration data for the sensor 120. . LED 132 is an oscillator / modulator 1
Receives drive current controlled by 53.

【0068】 超音波変換器80および82は、信号および高電圧源112からの高電圧をセンサに
向け、且つ検出された超音波パルスをASIC 98に通す制御回路110を使用して、AS
IC 98によって制御される。ASIC 98およびCPU 96は、シリアルUARTによって接続
される。
The ultrasonic transducers 80 and 82 use the control circuit 110 to direct high voltage from the signal and high voltage source 112 to the sensor and pass detected ultrasonic pulses to the ASIC 98.
Controlled by IC 98. ASIC 98 and CPU 96 are connected by a serial UART.

【0069】 装置がオンされると、スイッチ178を押すことにより、CPUはヒータ148に命令
して蛍光領域を略45℃に加温する。指示ライト176はウオーミングアップ状態を
示す。酸素センサの温度はサーミスタ147によってモニターされる。この期間の
間に、該ユニットは酸素センサをキャリブレートして、後述のように流れゼロ試
験が行われる。サーミスタの読みから、該センサ温度が安定化されたことをCPU
が決定したときに、ライト176は装置が準備できたことを示す。
When the device is turned on, by pressing the switch 178, the CPU commands the heater 148 to heat the fluorescent region to approximately 45 ° C. The indicator light 176 indicates a warm-up state. The temperature of the oxygen sensor is monitored by the thermistor 147. During this period, the unit calibrates the oxygen sensor and a zero flow test is performed as described below. From the thermistor reading, the CPU indicates that the sensor temperature has stabilized.
, The light 176 indicates that the device is ready.

【0070】 装置が呼吸分析を開始する準備ができたら、人間は該装置を通して呼吸し、吸
気ガスおよび呼気ガスの流れが超音波変換器80および82によってモニターされる
。当該ユニットを通る流れがデータ記録をトリガーする。容積流量は、CPUによ
って、ASICから受信されるシリアルデータから計算される。ASICは、一方の変換
器からのパルス送信と、他方の変換器を用いた受信との間の時間を決定する。
When the device is ready to begin a respiratory analysis, a human breathes through the device and the inspiratory and expiratory gas flows are monitored by ultrasonic transducers 80 and 82. Flow through the unit triggers data recording. The volumetric flow rate is calculated by the CPU from the serial data received from the ASIC. The ASIC determines the time between transmitting a pulse from one transducer and receiving with the other transducer.

【0071】 酸素センサは、フォトダイオード134および136からの二つの電気信号を提供し
、その両者はLED 132と同じ周波数で調節される。フォトダイオード134からの信
号は、参照領域124からの蛍光に起因して、参照領域上を流れるガス中の酸素分
圧に依存する。酸素検知領域122によるフォトダイオード136からの信号は、検知
領域における酸素の存在によって強度が低下する(消光される)。二つのフォト
ダイオードからの信号は、同様のフィルター段階、増幅段階、および復調段階18
0および182に通されて、二つの夫々のDC電圧値を与え、アナログ/デジタルコン
バータ(ADC)を介してCPUに通される。この二つの信号の比較は、環境効果(た
とえば温度、LED強度)を排除し、CPUによる酸素濃度の決定に使用される。
The oxygen sensor provides two electrical signals from photodiodes 134 and 136, both tuned at the same frequency as LED 132. The signal from the photodiode 134 depends on the partial pressure of oxygen in the gas flowing over the reference region due to the fluorescence from the reference region 124. The signal from the photodiode 136 by the oxygen sensing area 122 is reduced in intensity (quenched) by the presence of oxygen in the sensing area. The signals from the two photodiodes have similar filter, amplification and demodulation stages.
It is passed through 0 and 182 to give two respective DC voltage values, which are passed through the analog / digital converter (ADC) to the CPU. The comparison of the two signals eliminates environmental effects (eg temperature, LED intensity) and is used by the CPU to determine oxygen concentration.

【0072】 計算された容積流量および酸素濃度を使用して、人間の酸素消費速度がCPUに
よって計算される。これから人間の代謝速度がKcal/day形で計算され、LCD制御
回路184を使用して液晶ディスプレー18の上に表示される。
Using the calculated volumetric flow rate and oxygen concentration, the human oxygen consumption rate is calculated by the CPU. From this the human metabolic rate is calculated in Kcal / day form and displayed on the liquid crystal display 18 using the LCD control circuit 184.

【0073】 CPUはまた環境センサ、即ち、温度センサ90、圧力センサ92、および温度セン
サ94から電圧信号を検索する。以下で説明するように、これらの信号もまた計算
に使用される。
The CPU also retrieves voltage signals from environmental sensors, namely temperature sensor 90, pressure sensor 92, and temperature sensor 94. These signals are also used in the calculations, as described below.

【0074】 <代謝パラメータの計算> 当業者に明らかなように、VO2(消費された酸素の容積)およびRMR(静止代謝
速度)のような代謝パラメータを決定するための多くの方法がある。先に述べた
ように、代謝パラメータを測定するための現在の好ましいアプローチは、吸気容
積、呼気容積、および呼気中の酸素濃度と共に、周囲温度、圧力および湿度の測
定値を使用する。
Calculation of Metabolic Parameters As will be apparent to those skilled in the art, there are many methods for determining metabolic parameters such as VO 2 (volume of oxygen consumed) and RMR (quiescent metabolic rate). As mentioned previously, the presently preferred approach for measuring metabolic parameters uses ambient temperature, pressure and humidity measurements, as well as inspiratory volume, expiratory volume, and oxygen concentration in exhaled breath.

【0075】 初期考慮要件: VO2、即ち、消費された酸素の量は、吸込まれた酸素の量と吐出された酸素の
量との間の差である。また、VCO2を決定するのも望ましい。VCO2は、身体によっ
て生成された二酸化炭素の容積であり、吐出された二酸化炭素の量と吸込まれた
二酸化炭素の量との間の差である。VO2およびVCO2が分かったら、RMRを計算する
ことができる。或いは、VO2およびVCO2の比に関して一定の仮定がなされて、VO2 単独からRMRの計算が可能になる。従って、本発明の主な目的は、VO2を決定する
ことである。これは、吸込まれた酸素の量および吐出された酸素の量の両方を決
定することを必要とする。VCO2をも決定することは、他の代謝パレメータの決定
を可能にするので好ましい。VCO2を決定するためには、吸込まれた二酸化炭素の
量および吐出された二酸化炭素の量の両方を測定または計算することを必要とす
る。本発明の第一の好ましい実施例に使用される方法および計算は、図15およ
び図16に概略的に表されている。
Initial consideration: VO 2 , ie the amount of oxygen consumed, is the difference between the amount of oxygen inhaled and the amount of oxygen expelled. It is also desirable to determine VCO 2 . VCO 2 is the volume of carbon dioxide produced by the body and is the difference between the amount of carbon dioxide exhaled and the amount of carbon dioxide inhaled. Once VO 2 and VCO 2 are known, the RMR can be calculated. Alternatively, certain assumptions are made regarding the ratio of VO 2 and VCO 2 , allowing calculation of RMR from VO 2 alone. Therefore, the main purpose of the present invention is to determine VO 2 . This requires determining both the amount of oxygen drawn and the amount of oxygen expelled. Determining VCO 2 is also preferred as it allows the determination of other metabolic parameters. To determine VCO 2 , it is necessary to measure or calculate both the amount of carbon dioxide inhaled and the amount of carbon dioxide exhaled. The methods and calculations used in the first preferred embodiment of the present invention are schematically represented in FIGS.

【0076】 吸気: 吸込まれる酸素の容積、ViO2は、吸込まれた空気の容積に空気の酸素画分を乗
じることによって計算すればよい。乾燥空気の酸素画分は、位置によって極く僅
かに変化するに過ぎず、従って20.946と仮定することができる。しかし、我々が
呼吸する実際の空気は乾燥空気ではなく、種々の水蒸気部分を含んでいる。吸込
まれた空気の酸素部分を決定するためには、水蒸気に帰すべき吸気容積を決定し
て差し引き、乾燥空気測定値を得なければならない。先に述べたように、温度セ
ンサ90、相対湿度センサ94、および大気圧センサ92は全て、熱量計10の再使用可
能な主要部分24におけるケース内の円形ボード88に装着される。理論的には、こ
れらはユーザーが吸込んだ空気の温度、圧力および湿度についての値を提供する
はずである。しかし、幾つかの条件の下では、再使用可能な主要部分24のケース
内の温度は、周囲温度とは異なるかもしれない。これは、ユーザーの手によるケ
ースの加温、内部電子部品による加熱、および呼気から吸収された熱によるもの
である可能性がある。従って、周囲温度センサ90から受取った温度値に補正を行
うのが好ましい。相対湿度センサ96が実際に周囲空気中に配置されたとすれば、
その出力は、ケースの内部の代りに周囲の空気中の相対湿度を反映するであろう
。相対湿度センサ94は上昇した温度にある可能性があるから、その出力は真の周
囲条件ではなく、この上昇した温度での相対湿度を示す。ケースは溶接シールさ
れていないから、ケース内の水分圧は周囲の大気中の水分圧と同じである。水蒸
気の分圧、ppH2Oは、以下の関係式から計算することができる。
Inspiration: The volume of oxygen drawn in, V i O 2 , may be calculated by multiplying the volume of air drawn in by the oxygen fraction of air. The oxygen fraction of dry air varies only slightly with position and can therefore be assumed to be 20.946. However, the actual air we breathe is not dry air, but contains various water vapor moieties. In order to determine the oxygen portion of the inhaled air, the intake volume attributable to water vapor must be determined and subtracted to obtain a dry air reading. As mentioned above, the temperature sensor 90, the relative humidity sensor 94, and the atmospheric pressure sensor 92 are all mounted on a circular board 88 in the case of the reusable main part 24 of the calorimeter 10. Theoretically, these should provide values for the temperature, pressure and humidity of the air inhaled by the user. However, under some conditions, the temperature within the case of the reusable main portion 24 may differ from ambient temperature. This may be due to the heating of the case by the user's hand, the heating by internal electronic components, and the heat absorbed from the exhaled breath. Therefore, it is preferable to correct the temperature value received from the ambient temperature sensor 90. If the relative humidity sensor 96 were actually placed in ambient air,
The output will reflect the relative humidity in the ambient air instead of inside the case. Since the relative humidity sensor 94 may be at an elevated temperature, its output does not indicate true ambient conditions, but rather the relative humidity at this elevated temperature. Since the case is not weld-sealed, the water pressure inside the case is the same as the water pressure in the surrounding atmosphere. The partial pressure of water vapor, ppH 2 O, can be calculated from the following relational expression.

【0077】 ppH2O = RH × VpH2O(t) (a) ここで、RHはパーセントで表した相対湿度であり、VpH2Oは水の蒸気圧であり、
tは温度である。VpH2Oは温度の関数であり、照合テーブルから、または経験的
な適合曲線を使用して得ることができる。従って、大気中の水蒸気の分圧ppH2O
は、ケース内部の既知の相対湿度および温度から計算することができる。
PpH 2 O = RH × VpH 2 O (t) (a) where RH is the relative humidity in percent, VpH 2 O is the vapor pressure of water,
t is the temperature. VpH 2 O is a function of temperature and can be obtained from a look-up table or using empirical fitting curves. Therefore, the partial pressure of atmospheric water vapor ppH 2 O
Can be calculated from the known relative humidity and temperature inside the case.

【0078】 図16を参照すると、典型的な750 mLの総呼気容積がチャートの最も左側に示
されている。この容積は水蒸気を含んでいる。吸気中の水蒸気容積は、下記の式
に従って決定すればよい。
Referring to FIG. 16, a typical total exhaled volume of 750 mL is shown on the far left of the chart. This volume contains water vapor. The water vapor volume in intake air may be determined according to the following formula.

【0079】 VH2O =(ppH2O/Pamb)× Vtotal (b) ここで、VH2Oは水蒸気の容積であり、ppH2Oは水蒸気の分圧であり、Pambは周囲
圧力であり、Vtotalは吸気の総容積である。図16に示した例において、周囲温
度、圧力および湿度(ATP)は、温度23℃、圧力755 mmHg、相対湿度35パーセン
トである。上記式を使用して、水蒸気の総容積はテーブル中で照合してもよく、
または750 mLの吸込まれた総容積から7.28 mLと計算してもよい。次いで、吸気
中の水蒸気の量が総容積から差し引かれて、742.72 mLの乾燥容積が与えられる
VH 2 O = (ppH 2 O / Pamb) × Vtotal (b) where VH 2 O is the volume of water vapor, ppH 2 O is the partial pressure of water vapor, Pamb is the ambient pressure, Vtotal is the total volume of intake air. In the example shown in FIG. 16, the ambient temperature, pressure and humidity (ATP) are 23 ° C. temperature, 755 mmHg pressure, and 35% relative humidity. Using the above equation, the total volume of water vapor may be checked in a table,
Alternatively, 7.28 mL may be calculated from the total inhaled volume of 750 mL. The amount of water vapor in the inspiration is then subtracted from the total volume to give a dry volume of 742.72 mL.

【0080】 乾燥空気のパーセンテージは、CO2、O2、窒素および他のガスに帰すべき乾燥
空気ン尾パーセンテージは種々の文献から知られており、その例が下記のチャー
トに与えられている。 成 分 乾燥空気の% その他(アルゴン) 0.937 CO2 0.033 O2 20.946 N2 78.084 これらのパーセンテージに乾燥空気の総容積を乗じることにより、夫々の成分ガ
スの容積を計算でき、図16の左側の棒に示した値が得られる。
The percentage of dry air, attributed to CO 2 , O 2 , nitrogen and other gases, is known from various sources, examples of which are given in the chart below. By multiplying the total volume of dry air% Others (argon) 0.937 CO 2 0.033 O 2 20.946 N 2 78.084 These percentages Ingredients dry air, to calculate the volume of each of the component gases, the left bar of FIG. 16 The values shown in are obtained.

【0081】 図16の例について示したように、大気条件で吸込まれた酸素の容積は155.57 mLである。しかし、これは大気条件におけるものであり、位置および時間によ
って変化する。したがって、夫々の成分ガスの容積を標準の温度、圧力および湿
度、STPD(標準の温度および圧力、乾燥)に変換することが必要である。RMRの
ために典型的に使用される計算は、0℃、760 mmHgのSTPD、および0パーセントの
相対湿度を仮定している。
As shown in the example of FIG. 16, the volume of oxygen taken in under atmospheric conditions is 155.57 mL. However, this is at atmospheric conditions and varies with location and time. Therefore, it is necessary to convert the volume of each component gas to standard temperature, pressure and humidity, STPD (standard temperature and pressure, drying). The calculations typically used for RMR assume 0 ° C, 760 mmHg STPD, and 0 percent relative humidity.

【0082】 当業者に既知のように、1気圧条件ともう一つの条件との間の変換は、温度お
よび圧力に基づく単純な比の問題である。しかし、この場合は、温度センサが上
昇した温度にあるから、実際の大気圧は知られていない。当業者に既知のように
、音波の速度は周囲温度、水蒸気モル分率、周囲圧力およびCO2モル分立の関数
である。この関係は、The Journal of the Acoustical Society of America, Vo
l.93, No.5, May 1993, pp. 2510-2516に開示されており、その内容は本明細書
の一部として本願に援用する。その式は下記の形態をとる: c=a0+a1t+a2t2+(a3+a4t+a5t2)xw+(a6+a7t+a8t2)p +(a9+a10t+a11t2)xc+a12 xw 2+a13 p2+a14 xc 2+a15 xwpxc (c) ここで、計数は下記の表に定義されている。
As is known to those skilled in the art, the conversion between one atmospheric pressure condition and another condition is a simple ratio problem based on temperature and pressure. However, in this case, the actual atmospheric pressure is not known because the temperature sensor is at an elevated temperature. As known to those skilled in the art, the speed of sound waves is a function of ambient temperature, water vapor mole fraction, ambient pressure and CO 2 mole fraction. This relationship is related to The Journal of the Acoustical Society of America, Vo
l.93, No. 5, May 1993, pp. 2510-2516, the contents of which are incorporated herein by reference. Its expression takes the form of the following: c = a 0 + a 1 t + a 2 t 2 + (a 3 + a 4 t + a 5 t 2) x w + (a 6 + a 7 t + a 8 t 2) p + (a 9 + a 10 t + a 11 t 2 ) x c + a 12 x w 2 + a 13 p 2 + a 14 x c 2 + a 15 x w px c (c) where the counts are defined in the table below.

【0083】 計数 a0 331.5024 a1 0.603055 a2 -0.000528 a3 51.471935 a4 0.1495874 a5 -0.000782 a6 -1.82×10-7 a7 3.73×10-8 a8 -2.9.3×10-10 a9 -85.20931 a10 -0.228525 a11 5.91×10-5 a12 -2.835149 a13 -2.15×10-13 a14 29.179762 a15 0.000486 また、cは音波の速度であり、tは周囲温度であり、xwは水蒸気モル分率であ
り、pは周囲圧力であり、xcはCO2モル分率である。幾つかのこれら変数は既知
の値を有する。周囲空気におけるCO2モル分率は、その標準値が既知であり、ま
た位置によって僅かしか変化しないので、仮定すればよい。周囲圧力は、熱量計
ケースの中の周囲圧力センサによって高精度で測定すればよい。また、音波の速
度は、吸気の際に流量計によって測定すればよい。
[0083] count value a 0 331.5024 a 1 0.603055 a 2 -0.000528 a 3 51.471935 a 4 0.1495874 a 5 -0.000782 a 6 -1.82 × 10 -7 a 7 3.73 × 10 -8 a 8 -2.9.3 × 10 -10 a 9 -85.20931 a 10 -0.228525 a 11 5.91 × 10 -5 a 12 -2.835149 a 13 -2.15 × 10 -13 a 14 29.179762 a 15 0.000486 Also, c is the velocity of the sound wave, t is the ambient temperature, x w is the water vapor mole fraction, p is the ambient pressure, and x c is the CO 2 mole fraction. Some of these variables have known values. The CO 2 mole fraction in ambient air can be assumed, as its standard value is known and changes only slightly with position. The ambient pressure may be measured with high accuracy by an ambient pressure sensor inside the calorimeter case. Further, the velocity of the sound wave may be measured by a flow meter during inspiration.

【0084】 好ましくは本発明と共に使用される超音波流量計は、上流方向および下流方向
の両方で超音波パルスを送信するので、周囲空気中の通過時間は、周囲空気の吸
込みの際の上流通過時間および下流通過時間を平均することによって、流速から
独立して測定することができる。次いで、音波の速度は次式に従って計算すれば
よい。
Preferably, the ultrasonic flowmeter used with the present invention transmits ultrasonic pulses in both the upstream and downstream directions so that the transit time in ambient air is the upstream transit time during the intake of ambient air. By averaging time and downstream transit time, it can be measured independently of flow rate. Then, the speed of the sound wave may be calculated according to the following equation.

【0085】[0085]

【数1】 ここで、cは音波の速度であり、Lは変換器の間の距離であり、tuは上方向で
の通過時間であり、tdは下方向での通過時間である。 これは、実質的に二つの変数、即ち、周囲温度および水蒸気含量を残す。相対
湿度および周囲温度は、式(a)によって相互に関連付けられる。相対湿度につ
いて変形して解くことににより、次式が得られる。
[Equation 1] Where c is the velocity of the sound wave, L is the distance between the transducers, t u is the transit time in the upward direction and t d is the transit time in the downward direction. This leaves essentially two variables: ambient temperature and water vapor content. Relative humidity and ambient temperature are correlated by equation (a). By transforming and solving for relative humidity, the following equation is obtained.

【0086】[0086]

【数2】 この時点において、水の分圧ppH2Oは、湿度センサ94の出力と、該分圧はケース
の内外で同じであるとの仮定に基づいて知られる。しかし、式(c)は相対湿度
ではなく、水蒸気モル分率xwで表されている。従って、三つの追加の式が必要
とされる。水蒸気のモル分率は次式のように計算すればよい。
[Equation 2] At this point, the partial pressure of water, ppH 2 O, is known based on the output of the humidity sensor 94 and the assumption that the partial pressure is the same inside and outside the case. However, the equation (c) is expressed by the water vapor mole fraction x w , not the relative humidity. Therefore, three additional equations are needed. The water vapor mole fraction may be calculated by the following equation.

【0087】[0087]

【数3】 ここで、RHは分率で表した相対湿度であり、fは増強ファクターであり、psv
空気中の水蒸気の飽和蒸気圧である:
[Equation 3] Where RH is the relative humidity in fractions, f is the enhancement factor, and p sv is the saturated vapor pressure of water vapor in the air:

【0088】[0088]

【数4】 および[Equation 4] and

【0089】[0089]

【数5】 式(c)(e)(f)(g)および(h)を組合せると、これは二つの未知変数
、すなわち温度および相対湿度を残す。当業者に知られているように、これらの
式は、二つの残りの変数について種々の方法で解くことができる。現在の好まし
い一つのアプローチによれば、これらの式は反復プロセスによって解くことがで
きる。
[Equation 5] Combining equations (c) (e) (f) (g) and (h), this leaves two unknown variables: temperature and relative humidity. As known to those skilled in the art, these equations can be solved in various ways for the two remaining variables. According to one presently preferred approach, these equations can be solved by an iterative process.

【0090】 最初に、初期温度予測を行う。温度センサによって指示された温度を出発点と
して使用すればよい。次に、式(e)に従って相対湿度を決定する。次に、計算
したばかりの相対湿度を式(c)に使用して温度を計算する。この計算された温
度を式(e)に戻して、新たな相対湿度を計算する。計算値が収束するまでこの
プロセスを繰り返すが、典型的には数回の反復の後に収束が生じる。
First, initial temperature prediction is performed. The temperature indicated by the temperature sensor may be used as a starting point. Next, the relative humidity is determined according to equation (e). The temperature is then calculated using the just calculated relative humidity in equation (c). The calculated temperature is returned to the equation (e) to calculate a new relative humidity. This process is repeated until the calculated values converge, but typically after a few iterations convergence occurs.

【0091】 このプロセスの終点において、吸込まれている空気の実際の周囲温度が知られ
る。今や、周囲圧力の測定と共に周囲条件が知られる。次いで、成分ガスの夫々
の容積がSTPDに変換される。上記アプローチの代りに、またはこれに加えて、周
囲温度または流れチューブ内の温度を、何れかのタイプの適切な温度センサを使
用して直接測定してもよい。一例として、温度センサは熱量計のケースの内部に
装着されてもよく、また正確な読みが得られるように、小さなファンを使用して
周囲空気を連続的に移動させ、センサを通過させてもよい。他のアプローチは当
業者に明らかであろう。
At the end of this process, the actual ambient temperature of the air being drawn is known. The ambient conditions are now known along with the ambient pressure measurements. Then, each volume of the component gas is converted to STPD. Alternatively or in addition to the above approaches, the ambient temperature or the temperature in the flow tube may be measured directly using any type of suitable temperature sensor. As an example, the temperature sensor may be mounted inside the case of the calorimeter, and a small fan may be used to continuously move ambient air through the sensor to ensure accurate readings. Good. Other approaches will be apparent to those of skill in the art.

【0092】 STPDに変換されると、吸込まれたガスの容積は、図16の第二の棒に示す値を
有する。図示のように、吸込まれた酸素の補正された容積ViO2は143.48 mLであ
り、また吸引された二酸化炭素の補正された容積ViCO2は、0.23 mLである。
When converted to STPD, the volume of gas drawn in has the value shown in the second bar of FIG. As shown, the corrected volume of absorbed oxygen, V i O 2, is 143.48 mL, and the corrected volume of drawn carbon dioxide, V i CO 2, is 0.23 mL.

【0093】 <酸素センサのキャリブレーション> 先に述べたように、吸込まれた空気中の酸素のパーセントが測定され、または
仮定される。上記の説明において、酸素の濃度またはパーセンテージは仮定され
る。何故なら、この値は位置によって僅に変化するに過ぎないからである。しか
し、酸素センサ84は吸気中の酸素の存在に応答する。従って、吸込みの際の酸素
センサ出力を使用して、各吸込みの度毎に酸素センサをキャリブレートすればよ
い。理論では、理想的な酸素センサは酸素濃度の変化に応答してのみその出力を
変化させ、温度、湿度および全圧のような他のパラメータの変化には応答しない
。しかし、実際の酸素センサは、他のパラメータの変化に対して完全に免疫性で
はない。
Calibration of Oxygen Sensor As mentioned above, the percentage of oxygen in the inhaled air is measured or assumed. In the above description, oxygen concentrations or percentages are assumed. This is because this value only changes slightly with position. However, oxygen sensor 84 responds to the presence of oxygen in the inspiratory air. Therefore, the oxygen sensor output at the time of suction may be used to calibrate the oxygen sensor for each suction. In theory, an ideal oxygen sensor would change its output only in response to changes in oxygen concentration and not changes in other parameters such as temperature, humidity and total pressure. However, real oxygen sensors are not completely immune to changes in other parameters.

【0094】 図17は、酸素分圧および任意の第二ファクターの変化に対する、酸素センサ
の電圧出力の変化を表す一連の湾曲した表面を示している。この図は説明の目的
のためだけものであり、従って、第二ファクターは当該センサが実際に応答する
他のパラメータの何れか、または全てを表すものと考えることができる。酸素の
濃度、並びに湿度、温度および圧力のような他のパラメータの値は吸込みの際に
知られるから、点190は、既知の酸素分圧および他のファクターの組合せを表す
ようにプロットすることができる。この点から上方に伸ばすと、酸素センサにつ
いての理論出力または試験された出力曲線192は、点194に対応した出力電圧を予
測することが分かるであろう。これら既知条件下での酸素センサの実際の電圧出
力がこの値と異なれば、その差を補正するために、該出力曲線に補正を加えれば
よい。例えば、酸素センサが実際に点196に対応する電圧を出力すれば、利得フ
ァクターが主出力曲線192に適用されて、該曲線が198で示す曲線に「移動」され
る。これは、その後の呼気測定の際の精度を改善するために、酸素センサの出力
の継続的な微調整を可能にする。
FIG. 17 shows a series of curved surfaces representing changes in the oxygen sensor voltage output with changes in oxygen partial pressure and any second factor. This figure is for illustration purposes only, and thus the second factor can be considered to represent any or all of the other parameters to which the sensor actually responds. Since the concentration of oxygen and the values of other parameters such as humidity, temperature and pressure are known during inspiration, point 190 can be plotted to represent a known combination of oxygen partial pressure and other factors. it can. It will be seen that extending upwards from this point, the theoretical output or tested output curve 192 for the oxygen sensor predicts the output voltage corresponding to point 194. If the actual voltage output of the oxygen sensor under these known conditions is different from this value, a correction may be added to the output curve to correct the difference. For example, if the oxygen sensor actually outputs a voltage corresponding to point 196, the gain factor is applied to the main output curve 192, which "moves" it to the curve shown at 198. This allows for continuous fine tuning of the oxygen sensor output to improve accuracy in subsequent breath measurements.

【0095】 <呼気> 吐出の間、それぞれ流量計および酸素センサを使用して、総容積および酸素分
圧が測定される。当業者に知られているように、吐出された息の温度および湿度
は、個人差はなく適度に一定である。即ち、殆どの健康な個人について、口での
呼気の温度は平均34.5度である。また、吐出された息は100%の水蒸気で飽和さ
れており、100%の相対湿度を与える。本発明での実験により、流れチューブ36
の中点での吐出された息の温度は平均で略32.5℃であることが確立された。流れ
チューブ内の圧力は、熱量計に存在する低い抵抗に起因して、実質的に周囲圧力
と同一である。吐出された息の条件は、飽和呼気温度圧力(ETPS)と称する。ET
PSでの酸素の容積を決定するために、以下の式が用いられる。
Expiration During exhalation, total volume and oxygen partial pressure are measured using a flow meter and an oxygen sensor, respectively. As known to those skilled in the art, the temperature and humidity of exhaled breath are reasonably constant without individual differences. That is, for most healthy individuals, the temperature of breath exhalation averages 34.5 degrees. Also, the exhaled breath is saturated with 100% steam, giving 100% relative humidity. Experiments with the present invention show that the flow tube 36
It was established that the exhaled breath temperature at the midpoint of the was about 32.5 ° C on average. The pressure in the flow tube is substantially the same as ambient pressure due to the low resistance present in the calorimeter. The exhaled breath condition is called the saturated expiratory temperature pressure (ETPS). ET
The following equation is used to determine the volume of oxygen at PS.

【0096】[0096]

【数6】 ここで、VEO2は吐出された酸素の容積であり、ppO2は酸素の分圧であり、Pambは
周囲圧力であり、Vtotalは総呼気容積である。図16に示した例では、総呼気容
積は800 mL、酸素の分圧は121.6 mmHg、周囲圧力は755 mmHgである。これは、12
8.05 mLのETPSでの呼気酸素容積を与える。RMR計算を行うためには、この値をST
PDに変換することが必要である。
[Equation 6] Where V E O 2 is the volume of exhaled oxygen, ppO 2 is the partial pressure of oxygen, Pamb is the ambient pressure, and Vtotal is the total expiratory volume. In the example shown in FIG. 16, the total expiratory volume is 800 mL, the partial pressure of oxygen is 121.6 mmHg, and the ambient pressure is 755 mmHg. This is 12
Give an expiratory oxygen volume at 8.05 mL ETPS. This value is ST
Need to convert to PD.

【0097】 ETPSでの呼気O2容積は、温度および圧力における差についてスケーリングする
ことによって、STPDに変換すればよい。これは114.43 mLのSTPDにおけるO2容積
を与える。単回呼吸の間にユーザーが消費するO2容積は、吸込まれた酸素容積か
ら吐出された酸素容積を差し引くことによって計算される。1分間の呼吸回数を
乗じることによって、1分間に消費された酸素の量が与えられる。
Exhaled O 2 volume at ETPS may be converted to STPD by scaling for differences in temperature and pressure. This gives an O 2 volume in STPD of 114.43 mL. The O 2 volume consumed by the user during a single breath is calculated by subtracting the exhaled oxygen volume from the inhaled oxygen volume. Multiplying the number of breaths per minute gives the amount of oxygen consumed per minute.

【0098】 好ましくは、CO2の生成もまた決定される。これを行うためには追加の計算が
必要とされる。第一に、呼気の温度および湿度に関して一定の仮定が行われる。
呼気中の水蒸気の容積は、仮定された相対湿度および温度、並びに測定された容
積流量から決定すればよい。水蒸気を除去して乾燥空気に変換することにより、
761.68 mLの総容積が得られる。また、窒素(N2)および痕跡ガスが肺の中に保
持されると仮定する。従って、吸込まれた窒素および痕跡ガスは、STPDにおいて
吐出された窒素および他のガスの容積に等しい。この仮定は、データが多くの呼
吸について合算されるに伴って改善される。
Preferably CO 2 production is also determined. Additional calculations are needed to do this. First, certain assumptions are made regarding the temperature and humidity of exhaled breath.
The volume of water vapor in the exhaled breath may be determined from the assumed relative humidity and temperature and the measured volumetric flow rate. By removing water vapor and converting it to dry air,
A total volume of 761.68 mL is obtained. Also assume that nitrogen (N 2 ) and trace gases are retained in the lungs. Therefore, the nitrogen and trace gases inhaled are equal to the volume of nitrogen and other gases expelled in the STPD. This assumption improves as the data is summed over many breaths.

【0099】 図16に示すように、窒素および痕跡ガスの容積はSTPDからETPSに変換されて
、605.74 mLの容積を与える。この点において、水蒸気、酸素、窒素、および痕
跡ガスの容積は、ETPSにおいて既知である。また、総容積も既知である。従って
、水蒸気、酸素、窒素、および痕跡ガスで占められない容積は、CO2に帰される
べきものである。これは、ETPSで27.89 mLのCO2容積を与える。次いで、この値
はSTPDに変換されて、STPDで24.92 mLの呼気二酸化炭素容積を与える。単回呼吸
の間にユーザーが生成したCO2は、呼気中の二酸化炭素容積から、吸気中の二酸
化炭素容積を差し引くことによって計算される。1分間の呼吸回数を乗じること
によって、1分間に生成した二酸化炭素の量が与えられる。
As shown in FIG. 16, the nitrogen and trace gas volumes are converted from STPD to ETPS, giving a volume of 605.74 mL. In this regard, the volumes of water vapor, oxygen, nitrogen, and trace gases are known in ETPS. The total volume is also known. Therefore, the volume not occupied by water vapor, oxygen, nitrogen, and trace gases should be attributed to CO 2 . This gives a CO 2 volume of 27.89 mL at ETPS. This value is then converted to STPD to give a breath carbon dioxide volume of 24.92 mL at STPD. User-generated CO 2 during a single breath is calculated by subtracting the volume of carbon dioxide during inspiration from the volume of carbon dioxide during expiration. Multiplying the number of breaths per minute gives the amount of carbon dioxide produced per minute.

【0100】 <静止代謝速度の計算> 当業者に知られているように、静止代謝速度(RMR)は種々の方法で計算する
ことができる。一つの公知で且つ許容されているアプローチは、de Weir式によ
って与えられ、この式は次式の形を取る。
<Calculation of Resting Metabolic Rate> As is known to those skilled in the art, the resting metabolic rate (RMR) can be calculated by various methods. One known and accepted approach is given by the de Weir equation, which takes the form:

【0101】 RMR = 1.44(3.581×VO2+1.448×VCO2)− 17.73 ここで、VO2は mL/minでの消費された酸素容積であり、VCO2は mL/minでの生
成されたCO2の量であり、RMRは Kcal/dayでの静止代謝速度である。即ち、呼吸
商は次式で与えられる。
[0102] RMR = 1.44 (3.581 × VO 2 + 1.448 × VCO 2) - 17.73 where, VO 2 is oxygen consumed volume in mL / min, VCO 2 was produced in mL / min It is the amount of CO 2 , and RMR is the quiescent metabolic rate at Kcal / day. That is, the respiratory quotient is given by the following equation.

【0102】 RQ= VCO2/VO2 ここで、RQは呼吸商を表す。呼吸商は、ユーザーの身体により代謝される保存
エネルギー源の種類に応じて、典型的には0.7〜1.1の範囲である。静止代謝速度
の計算に際し、RQは、典型的なユーザーについては0.85と仮定される。従って、
この比を用い、VCO2を置換して次式が得られる。
RQ = VCO 2 / VO 2 where RQ represents the respiratory quotient. The respiratory quotient typically ranges from 0.7 to 1.1, depending on the type of stored energy source metabolized by the user's body. In calculating resting metabolic rate, RQ is assumed to be 0.85 for a typical user. Therefore,
Using this ratio, substituting VCO 2 , the following equation is obtained.

【0103】 RMR = 6.929 × VO2− 17.73 ここで、RMRはKcal/dayでの静止代謝速度であり、またVO2はユーザーが消費する
mL/minでの酸素の容積である。好ましくは、熱量計によって測定される種々のパ
ラメータを複数の呼吸に亘って合算または平均することにより、改善された精度
が与えらられる。
RMR = 6.929 × VO 2 −17.73 where RMR is the quiescent metabolic rate in Kcal / day, and VO 2 is consumed by the user.
Oxygen volume in mL / min. Preferably, summing or averaging the various parameters measured by the calorimeter over multiple breaths provides improved accuracy.

【0104】 別の方法として、CO2濃度を計算するのではなく直接測定するように、熱量計
の中にCO2センサを組込んでもよい。これは、RMRの計算ならびにRQの更に正確な
計算を可能にする。
Alternatively, the CO 2 sensor may be incorporated into the calorimeter so that the CO 2 concentration is measured directly rather than calculated. This allows the calculation of RMR as well as the more accurate calculation of RQ.

【0105】 <熱量計の使用> 始めに熱量計をオンにすると、該ユニットはウオーミングアップおよびキャリ
ブレーション期間を経過する。その間に、酸素センサヒータがオンされ、酸素セ
ンサが定常状態値にまで加温される。酸素センサが定常状態に達したら、流れゼ
ロ試験が行われる。流れゼロ試験の際に、流れセンサは、流れチューブを通る流
速を測定する。この段階で熱量計は使用されていないから、流量計を通る流れは
ゼロのはずである。しかし、流量計が何れかの方向の僅かな流れを示したら、ゼ
ロを再樹立するようにオフセットを与える。このゼロ設定のために種々のアプロ
ーチを用いることができるが、オフセットファクターを適用する前に複数回の読
みを行うのが好ましい。また、実際の試験の際には、流れゼロの既知期間で、流
量計をダイナミックに再度ゼロ調節してもよい。
<Use of Calorimeter> When the calorimeter is first turned on, the unit goes through the warm-up and calibration period. Meanwhile, the oxygen sensor heater is turned on, and the oxygen sensor is warmed up to the steady state value. When the oxygen sensor reaches steady state, a zero flow test is performed. During the zero flow test, the flow sensor measures the flow rate through the flow tube. Since no calorimeter was used at this stage, there should be zero flow through the flow meter. However, if the flow meter shows a slight flow in either direction, it is offset to reestablish zero. Various approaches can be used for this zeroing, but it is preferable to take multiple readings before applying the offset factor. Also, during actual testing, the flowmeter may be dynamically rezeroed for a known period of zero flow.

【0106】 熱量計を使用して被験者の静止代謝速度(RMR)を計算するために、被験者は
快適な位置で着座またはリラックスし、次いで、先に述べたように熱量計をオン
してウオームアップおよび自己キャリブレートさせた後に、呼吸コネクタをその
顔面または口に着用する。次いで、数分間の間、被験者は熱量計を通して普通に
呼吸をする。典型的には、ユーザーは、呼吸および測定された代謝速度が安定化
するまでに幾らかの時間を要する。従って、初期のデータは、静止代謝速度を示
すものとして使用しないのが好ましい。当業者に明らかなように、熱量計が正確
な静止代謝速度を測定することを可能にする種々のアプローチが存在する。一つ
の好ましいアプローチによると、熱量計が該熱量計を通る息の流れを検出したら
、30秒間待ってから記録する。しかし、この時間は増減することがある。記録が
開始されたら、熱量計は、流れ、酸素濃度、および音波速度の測定を行う。酸素
分圧は1/10秒毎に測定され、流速および音波速度は1秒間に200回測定される。
容積計算のために1/10秒毎の値を得るために、流速および音波速度の測定は平均
化される。熱量計は、吸気容積、呼気容積、吸気酸素濃度(キャリブレーション
目的のため)、呼気酸素濃度、周囲温度、周囲湿度、および周囲圧力を計算する
ために、このデータを集積する。次いで、一つの呼吸ブロックを得るために10回
の呼吸を平均化する。呼吸ブロックの終点で、該ブロックについてVO2を計算す
る。定常状態を決定するために、三つのブロックをチェックして、それらが相互
に一定のパーセンテージ内にあるかどうかを調べる。例えば、先の二つのブロッ
クの両方が現在のブロックの7パーセント以内であれば、該ブロックには定常状
態のフラッグが付される。一定の数の連続的なブロック、例えば4または5の呼吸
ブロックに定常状態のフラッグが付されたときに定常状態に達したと決定され、
次いで、VO2およびVCO2を使用してRMRが計算され、これがディスプレー18に表示
される。典型的には、1分間当り8〜10の呼吸が用いられ、従って一つの呼吸ブロ
ックの長さは約1分である。明かに、他の方法でデータを処理してもよい。また
、一定のエラー状態が指示されてもよい。例えば、呼吸が速すぎたり遅すぎると
きに、エラー信号で指示してもよい。また、流速が高すぎる場合、許容範囲外の
RMR、ハードウエアエラー、または他の理由についてのエラーを指示してもよい
To calculate a subject's resting metabolic rate (RMR) using a calorimeter, the subject sits or relaxes in a comfortable position, then turns on the calorimeter and warms up as described above. And after self-calibration, wear the respiratory connector on its face or mouth. The subject then breathes normally through the calorimeter for a few minutes. Typically, the user takes some time for the breathing and measured metabolic rate to stabilize. Therefore, the initial data is preferably not used as an indication of quiescent metabolic rate. As will be apparent to those skilled in the art, there are various approaches that allow calorimeters to measure accurate quiescent metabolic rates. According to one preferred approach, if the calorimeter detects a breath flow through the calorimeter, wait 30 seconds before recording. However, this time may increase or decrease. Once recording is initiated, the calorimeter makes measurements of flow, oxygen concentration, and sonic velocity. The oxygen partial pressure is measured every 1/10 second, and the flow velocity and sonic velocity are measured 200 times per second.
Flow rate and sonic velocity measurements are averaged to obtain 1 / 10th second values for volume calculation. The calorimeter integrates this data to calculate inspiratory volume, expiratory volume, inspiratory oxygen concentration (for calibration purposes), expiratory oxygen concentration, ambient temperature, ambient humidity, and ambient pressure. Then 10 breaths are averaged to obtain one breath block. At the end of the breath block, calculate VO 2 for that block. To determine the steady state, check the three blocks to see if they are within a certain percentage of each other. For example, if both of the previous two blocks are within 7 percent of the current block, the block is flagged as steady state. It is determined that a steady state has been reached when a steady number of consecutive blocks, for example 4 or 5 breathing blocks, are flagged as steady state,
The RMR is then calculated using VO 2 and VCO 2 and displayed on the display 18. Typically, 8-10 breaths per minute are used, so the length of one breath block is approximately 1 minute. Obviously, the data may be processed in other ways. Also, a constant error condition may be indicated. For example, an error signal may indicate when breathing is too fast or too slow. Also, if the flow velocity is too high, it will be out of the allowable range.
It may indicate an RMR, a hardware error, or an error for other reasons.

【0107】 先に述べたように、殆どのユーザーは、呼吸を安定化させて静止代謝速度を示
すために幾らかの時間を必要とする。しかし、本発明のもう一つの側面によれば
、定常状態期間におけるデータを予測するために、「沈静(settling down)期間
」の間のデータを用いてもよい。
As mentioned above, most users need some time to stabilize their breathing and exhibit a quiescent metabolic rate. However, according to another aspect of the invention, the data during the "settling down period" may be used to predict the data during the steady state period.

【0108】 測定される代謝速度が静止代謝速度であるために、人間は完全にリラックスし
ているべきである。しかし、人の呼吸は、特に鼻および口の上にマスクを配置し
た直後の期間には、マウスピースまたはマスクの存在によって屡々影響されるで
あろう。正確な測定は、マウスピースが適正な位置に置かれた後に一定の期間、
例えば2分だけ遅くなり、その期間の後に正常に復帰する可能性がある。しかし
、マウスを長時間着用すると、人は快適さを感じないかもしれない。
Humans should be completely relaxed because the metabolic rate measured is a resting metabolic rate. However, a person's breathing will often be affected by the presence of a mouthpiece or mask, especially immediately after placing the mask over the nose and mouth. Accurate measurements are taken for a period of time after the mouthpiece is placed in the proper position,
For example, it may be delayed by 2 minutes and then return to normal after that period. However, if the mouse is worn for a long time, the person may not feel comfortable.

【0109】 人間の代謝速度の正確な値を決定するための必要な時間を減少させるために、
静止時の値に向かっているデータから、静止時レベルのVO2を抽出するためのア
ルゴリズムを用いてもよい。図18は、間接熱量計を使用して得られた、VO2
定(従って測定された退社速度)vs.時間の可能なデータの組を図示している。
酸素消費は時間の関数として、例えば呼吸毎または一定の数(例えば10)の呼吸
のブロックの関数として測定される。図18において、実線で示される測定され
た酸素消費は、時間が経過するに伴って、破線で示す真の静止代謝速度に対応し
た値に近づく。人の実際の代謝速度は、初期には呼吸の異常のために高いが、測
定の間は一定であることができ、他の場合には、代謝速度自身が真の静止代謝速
度の値に向かって徐々に低くなることがある。両方の場合についてモデル化する
ことができる。得られたデータは、静止代謝速度を含む多くのパラメータの形で
、数式(例えば多項式、指数関数、対数関数、他の関数等)に適用される。静止
代謝速度はデータへの適合から決定され、この測定におけるエラーはデータへの
適合の質から評価される。このプロセスは、呼吸分析の進行と共にリアルタイム
で連続的に実行することができるので、正確な測定が行われたら測定を停止し、
マウスピースを取外すことができる。或いは、データを保存して、試験が完了し
た後に数値解析を行うことができる。
In order to reduce the time required to determine the exact value of human metabolic rate,
An algorithm may be used to extract quiescent level VO 2 from data heading for the quiescent value. FIG. 18 illustrates a possible data set of VO 2 measurement (and thus exit rate measured) vs. time obtained using an indirect calorimeter.
Oxygen consumption is measured as a function of time, for example as a function of breaths or a fixed number (eg 10) of blocks of breathing. In FIG. 18, the measured oxygen consumption shown by the solid line approaches the value corresponding to the true quiescent metabolic rate shown by the broken line as time passes. The person's actual metabolic rate is initially high due to respiratory abnormalities but can be constant during the measurement, in other cases the metabolic rate itself tends towards the true resting metabolic rate value. May gradually decrease. It can be modeled for both cases. The data obtained is applied to mathematical equations (eg polynomials, exponentials, logarithms, other functions, etc.) in the form of many parameters, including quiescent metabolic rate. The resting metabolic rate is determined from the fit to the data and the error in this measurement is evaluated from the quality of the fit to the data. This process can be performed continuously in real time as the breath analysis progresses, so when accurate measurements are taken, stop the measurements,
The mouthpiece can be removed. Alternatively, the data can be saved and the numerical analysis performed after the test is complete.

【0110】 使用されるデータ適合の正確な形態は、マウスピースおよび他の試験条件に対
する人間の反応に依存する。この例では、図18に例示した場合について、デー
タは次式に適合され得る。 VO2=A+B exp(-t/C) ここで、Aは真の静止代謝速度に対応するVO2の容積であり、Bは試験開始時
の呼吸異常の尺度であり、Cは試験の開始後に呼吸が如何に迅速に正常に復帰す
るかの尺度である。人に対して多くの初期試験を行った後に、その人の試験に対
する呼吸反応をモデル化する適切な式を選択することができる。或いは、その人
に関する年齢または他の人工統計的データに基づいて、モデルを選択してもよい
。適合性を改善するために、最初の呼吸または最初の数回の呼吸をデータから捨
象してもよい。 その後の呼吸分析は、この分析、例えば下記の方法または他の方法を使用して
、短縮してもよい。
The exact form of data fitting used depends on the human response to the mouthpiece and other test conditions. In this example, for the case illustrated in FIG. 18, the data may be fit into: VO 2 = A + B exp (-t / C) where A is the volume of VO 2 corresponding to the true quiescent metabolic rate, B is the measure of respiratory abnormality at the start of the test, and C is after the start of the test. It is a measure of how quickly breathing returns to normal. After a number of initial tests have been performed on a person, an appropriate equation can be selected that models the respiratory response to that person's test. Alternatively, the model may be selected based on age or other demographic data about the person. The first breath or the first few breaths may be subtracted from the data to improve fit. Subsequent respiratory analysis may be shortened using this analysis, eg, the method described below or other methods.

【0111】 (a)初期試験の後、呼吸が低下して正常に近づくための時間を決定し、これ
を使用して試験の長さを決定することができる。試験の最初の部分からのデータ
排除して、残りの測定を平均化することができる。例えば、上記式が適用可能で
あれば、数倍(整数または分数)のCが通過する前に得られたデータを捨象して
もよい(例えば、C=10秒であれば、試験の最初の30秒の間に取られたデータを
捨象して、残りのデータを平均化すればよい)。
(A) After the initial test, the time for hypopnea to approach normal can be determined and used to determine the length of the test. The data from the first part of the test can be excluded and the remaining measurements averaged. For example, if the above equation is applicable, data obtained before several multiples (integer or fraction) of C may pass (eg, C = 10 seconds, the first The data taken during 30 seconds can be discarded and the remaining data can be averaged).

【0112】 (b)試験からのデータがリアルタイムで分析されれば、この試験は、データ
への許容可能な適合が得られたときに終了させることができる。
(B) If the data from the test is analyzed in real time, the test can be terminated when an acceptable fit to the data is obtained.

【0113】 (c)試験を進行させながら専門家によってデータを検討してもよく、充分な
品質のデータが測定されたと専門家が判断したときに試験を停止すればよい。こ
の判断は経験に基づくであろう。
(C) The data may be examined by an expert while the test is in progress, and the test may be stopped when the expert determines that data of sufficient quality has been measured. This decision will be empirical.

【0114】 本発明の熱量計を通して呼吸をする人について、データは熱量計時間によって
保存され、次いで表示、分析等のためにもう一つの電子装置に送信される。また
、データは、試験が進行中に(即ち、「リアルタイム」で)もう一つの電子装置
に送信されてもよい。熱量計からもう一つの装置へのデータ転送は、フラッシュ
カード(メモリーカード)、無線送信(例えば、Bluetooth)、ケーブル、IR送
信、または他の電磁気的または電気的方法を使用して行ってもよく、または熱量
計を他の装置に差込むことによって行ってもよい。フラッシュカードの使用は、
2000年1月19日に提出されたMaultの仮特許出願第60/177,009号に詳細に開示され
ている。更に、当該熱量計はデータ分析を行うための計算手段を備えていてもよ
い。
For a person breathing through the calorimeter of the present invention, the data is stored by calorimeter time and then sent to another electronic device for display, analysis, etc. The data may also be sent to another electronic device while the test is in progress (ie, "real time"). Data transfer from the calorimeter to another device may be done using flash card (memory card), wireless transmission (eg Bluetooth), cable, IR transmission, or other electromagnetic or electrical methods. , Or by inserting the calorimeter into another device. The use of flash cards
Details are disclosed in Mault's provisional patent application No. 60 / 177,009, filed January 19, 2000. Furthermore, the calorimeter may be equipped with calculation means for performing data analysis.

【0115】 一定の状況下において、ユーザーは、試験の間に定常状態に達することができ
ない。これらの状況下において、熱量計は読取りが不可能であること、および定
常状態値が推定され得ることを指示する。一つのアプローチに従えば、ユーザー
が定常状態に近いと思われるときには、試験の終わりに向かうブロックに幾らか
の追加の重み付けを与えて、試験の際の呼吸ブロックを平均化してもよい。明か
に、熱量計によって記録された詳細なデータを、経験を積んだ専門家が観察して
該データの信頼性を決定してもよい。例えば、熱量計をデスクトップコンピュー
タに接続してもよく、該コンピュータは測定毎または呼吸毎のベースでデータを
記録および/または表示する。この方法において、専門家は、被験者が定常状態
に達するためには問題を有していることを観察し、当該装置とより良く付合うた
めの方法に関して相談し、示差を与えることができる。また、詳細なデータは、
被験者についての価値ある他の指示を提供することができる。
Under certain circumstances, the user cannot reach steady state during the test. Under these circumstances, the calorimeter indicates that it is not readable and that steady state values can be estimated. According to one approach, when the user appears to be near steady state, the blocks towards the end of the test may be given some additional weighting to average out the respiratory blocks during the test. Clearly, the detailed data recorded by the calorimeter may be observed by an experienced professional to determine the reliability of the data. For example, the calorimeter may be connected to a desktop computer, which records and / or displays data on a per-measurement or on a breath-by-breath basis. In this way, the expert can observe that the subject has a problem to reach a steady state, consult on how to better interact with the device and give a difference. Also, detailed data is
Other valuable instructions about the subject can be provided.

【0116】 <衛生を改善した熱量計の実施例> 本発明による熱量計は、一人のユーザーから他のユーザーへと病原体を伝播す
る過度の危険を伴わずに、複数のユーザーが安全に使用することが可能である。
先に述べた本発明の好ましい実施例において、個々のユーザーには、その呼吸コ
ネクタと共に自分用の使い捨て部分が与えられる。フィットネス施設または医者
は、再使用可能な部分を保有する。あるいは、個々の夫々のユーザーが完全な熱
量計を保有してもよく、使い捨て部分を洗浄目的のために取り換えるだけでもよ
い。しかし、熱量計は、病原体が一人のユーザーから他のユーザーに容易に伝達
されないように設計するのが好ましい。本発明の幾つかの改良された衛生バージ
ョンが図19〜図26に開示されており、酸素センサの別の構成が図9に示され
ている。
Example of a Calorimeter with Improved Hygiene The calorimeter according to the present invention can be safely used by multiple users without the undue risk of transmitting the pathogen from one user to another. It is possible.
In the preferred embodiment of the invention described above, each user is provided with their own disposable part along with their breathing connector. The fitness facility or doctor owns the reusable part. Alternatively, each individual user may own a complete calorimeter and only replace the disposable part for cleaning purposes. However, the calorimeter is preferably designed so that the pathogen is not easily transmitted from one user to another. Some improved sanitary versions of the present invention are disclosed in Figures 19-26, and another configuration of the oxygen sensor is shown in Figure 9.

【0117】 先ず図19を参照すると、本発明による熱量計が一般に210で示されている。
この熱量計は、先に述べた再使用可能な主要部分24と同様の、再使用可能な主用
部分212を有している。しかし、図3および図4に示した実施例の場合、ユーザ
ーの吸気および呼気は超音波変換器80および82、酸素センサ84、および出口流路
60の表面に接触するに至る。これらは再使用可能部分の一部を形成しており、従
って使い捨てされたり、またはユーザー毎に変更されたりはしない。図19の実
施例は、ユーザーの息が変換器および酸素センサに接触するのを防止するように
変更されている。使い捨て部分214は、外側シェルの上端を閉鎖する天井216、お
よび外側シェル218の下端を閉鎖する床220を有している。天井216の孔222は、上
方の超音波変換器224に整列し、孔222の中に配置された細菌バリア材料片を有し
ている。このバリア材料は、病原体の通過を阻止するが超音波パルスを通過させ
るような、如何なる種類の材料であってもよい。同様に、下方の超音波変換器に
整列した孔228が、床220に形成されている。この孔228にも細菌バリア材料片232
が配置されている。この実施例における酸素センサ234は、先に開示した実施例
に比較して、上方に幾分移動されている。主要部分21における凹部の後壁236に
は開口部238が形成され、該開口部238は酸素センサの前方検知表面と整列してい
る。使い捨て部分214の外側シェル218は、この開口部238を通過して下方に延び
、使い捨て部分214の床220に結合される後部壁240を有している。この高部へき2
40には開口部242が形成されており、該開口部を横切って膜244が配置されている
。この膜はを酸素を自由に通過させるが、病原体は通過させない。使い捨て部分
214の床220には通路246が切られており、再使用可能部分に形成された出口通路
の中へと流れを通過させる。この通路248は大きく、吸気および呼気の流れを容
易にするための滑らかな側面を有している。この通路248の側面を抗菌剤および
/または高ウイルス物質でコーティングして、汚染を防止するようにしてもよい
。或いは、使用と使用との間でこの通路を洗浄してもよい。更に別の方法として
、使い捨て部分における床の開口部に係合する使い捨てのスリーブを、この通路
の中に挿入してもよい。該スリーブは、使用の度毎に取外して廃棄すればよい。
Referring first to FIG. 19, a calorimeter according to the present invention is shown generally at 210.
The calorimeter has a reusable main portion 212 similar to the reusable main portion 24 described above. However, in the case of the embodiment shown in FIGS. 3 and 4, the user's inspiration and expiration is due to the ultrasonic transducers 80 and 82, the oxygen sensor 84, and the outlet flow path.
It comes in contact with 60 surfaces. They form part of the reusable part and are therefore not disposable or changed from user to user. The embodiment of FIG. 19 has been modified to prevent the user's breath from contacting the transducer and oxygen sensor. The disposable portion 214 has a ceiling 216 closing the upper end of the outer shell and a floor 220 closing the lower end of the outer shell 218. A hole 222 in the ceiling 216 is aligned with the ultrasonic transducer 224 above and has a piece of bacterial barrier material disposed in the hole 222. The barrier material may be any type of material that blocks the passage of pathogens but allows the passage of ultrasonic pulses. Similarly, a hole 228 aligned with the lower ultrasonic transducer is formed in the floor 220. Also in this hole 228 is a piece of bacterial barrier material 232
Are arranged. The oxygen sensor 234 in this embodiment has been moved somewhat upwards as compared to the previously disclosed embodiment. An opening 238 is formed in the rear wall 236 of the recess in the main portion 21 and is aligned with the front sensing surface of the oxygen sensor. The outer shell 218 of the disposable portion 214 has a rear wall 240 extending downwardly through the opening 238 and coupled to the floor 220 of the disposable portion 214. This high part 2
An opening 242 is formed in 40, and a membrane 244 is disposed across the opening. This membrane allows oxygen to pass freely, but not pathogens. Disposable part
The floor 220 of 214 has a passage 246 cut into it to allow flow into the outlet passage formed in the reusable portion. The passage 248 is large and has smooth sides to facilitate inspiratory and expiratory flow. The sides of the passageway 248 may be coated with an antimicrobial and / or high viral material to prevent contamination. Alternatively, this passage may be cleaned between uses. As a further alternative, a disposable sleeve that engages a floor opening in the disposable portion may be inserted into this passage. The sleeve may be removed and discarded after each use.

【0118】 図20を参照すると、本発明による熱量計のもう一つ別の改善された衛生バー
ジョンが、250で一般的に示されている。先に説明したバージョンと同様に、熱
量計250の使い捨て部分252は、外側シェルの上端を閉鎖する天井254、および下
端の殆どを閉鎖する床258を含んでいる。このバージョンでは、薄い微細加工さ
れた超音波変換器260が、使い捨て部分の一部を形成する流れチューブ262の上端
の直上にある、使い捨て部分252の天井254の下側に装着される。この薄い超音波
変換器は、先の実施例で述べた大きな超音波変換器を置換するものである。この
変換器は、微細加工された超音波変換器アレイ、例えばカリフォルニア州サンノ
ゼのSensant社によって製造されるものであればよい。
Referring to FIG. 20, another improved sanitary version of a calorimeter according to the present invention is shown generally at 250. Similar to the version described above, the disposable portion 252 of the calorimeter 250 includes a ceiling 254 that closes the top of the outer shell and a floor 258 that closes most of the bottom. In this version, a thin micromachined ultrasonic transducer 260 is mounted beneath the ceiling 254 of the disposable portion 252, just above the upper end of the flow tube 262 forming part of the disposable portion. This thin ultrasonic transducer replaces the large ultrasonic transducer described in the previous embodiment. The transducer may be a micromachined ultrasonic transducer array, such as that manufactured by Sensant, Inc. of San Jose, CA.

【0119】 電気接点264が、変換器260の直ぐ後方にある使い捨て部分の後壁266に配置さ
れており、例えば配線268によって、変換器260に電気的に接続されている。対応
する電気接点270が、熱量計250の再使用可能部分274における凹部の後壁に配置
され、使い捨て部分252の接点264と整列される。再使用可能部分の接点270は、
主回路基板に配線で接続されている。従って、使い捨て部分252が熱量計の再使
用可能部分にドッキングされると、薄い超音波変換器260は主回路基板276と電気
的に導通する。しかし、薄い変換器260およびその付属配線は使い捨て部分252に
装着されているから、全体の変換器は使い捨て部分の残部と共に配置されてもよ
い。これにより、ユーザーの息と変換器との接触に関する如何なる問題も防止さ
れる。或いは、使い捨て部分を、変換器を傷付けない特別の洗浄方法に従って洗
浄されるように設計してもよい。
Electrical contacts 264 are located on the rear wall 266 of the disposable portion immediately behind the converter 260 and are electrically connected to the converter 260 by, for example, wiring 268. A corresponding electrical contact 270 is located on the back wall of the recess in the reusable portion 274 of the calorimeter 250 and is aligned with the contact 264 of the disposable portion 252. The contact point 270 of the reusable part is
It is connected to the main circuit board by wiring. Thus, the thin ultrasonic transducer 260 is in electrical communication with the main circuit board 276 when the disposable portion 252 is docked to the reusable portion of the calorimeter. However, since the thin transducer 260 and its associated wiring are mounted on the disposable portion 252, the entire transducer may be placed with the rest of the disposable portion. This prevents any problems with the contact of the user's breath with the transducer. Alternatively, the disposable part may be designed to be cleaned according to a special cleaning method that does not damage the transducer.

【0120】 下方の薄い超音波変換器278は、使い捨て部分252の床258の上面に配置され、
流れチューブ262と整列されて、流れチューブを通る流れを測定するために、上
方の変換器260と協働する。上方の変換器260と同様に、下方の変換器278は、凹
部の後壁272に配置された電気接点282に隣接した電気的接点280に配線される。
使い捨て部分との間で吸気および呼気を流すように、使い捨て部分252の床258に
は通路284が形成されている。この通路は、熱量計の再使用可能部分274における
底部の大きな流れ領域と連通している。別の態様として、使い捨て部分の床にお
ける通路が、その直下に再使用部分の一部をもたないように、再使用可能部分の
全体の下方部分を移動させてもよい。この方法では、該通路を通って流れる吸気
および呼気が、再使用可能部分の如何なる部分とも接触することなく、周囲の大
気へ又は周囲の大気から直接流れる。
The lower thin ultrasonic transducer 278 is located on the upper surface of the floor 258 of the disposable part 252,
Aligned with the flow tube 262 and cooperates with the upper transducer 260 to measure the flow through the flow tube. Similar to upper transducer 260, lower transducer 278 is wired to electrical contact 280 adjacent electrical contact 282 located on the rear wall 272 of the recess.
A passageway 284 is formed in the floor 258 of the disposable portion 252 to allow inspiration and expiration to flow to and from the disposable portion. This passage communicates with the large flow area at the bottom of the reusable portion 274 of the calorimeter. Alternatively, the entire lower portion of the reusable portion may be moved so that the passageway in the floor of the disposable portion does not have a portion of the reusable portion beneath it. In this way, inspiratory and expiratory air flowing through the passages will flow directly into or out of the ambient atmosphere without contacting any of the reusable portions.

【0121】 熱量計のこの実施例はまた、別のバージョンの酸素センサ288を使用する。こ
のバージョンにおいて、酸素センサのLEDおよびフォトダイオード部分は、凹部
の上端と下端の略中間において凹部の後壁に配置されたセンサパッケージ290の
中に組込まれる。酸素センサ288の残部は使い捨て部分252の一部を形成し、蛍光
部分292と称される。この蛍光部分292は、センサパッケージ290に隣接した外側
シェル256の後表面から、流れチューブ262の壁298の中に延びる光パイプ294から
なっている。蛍光材料300は、流れチューブ262を通して流れるガスと接触するよ
うに、光パイプ294の端部に配置される。光パイプ294は、蛍光材料300との間で
進行する光を伝導する。この構成は、ユーザーの域と接触するに至る酸素センサ
288の一部の使い捨てを可能にする。図示のように、蛍光材料300は流れチューブ
262の略中間に配置される。これは、酸素センサによって検知される流れ部分が
、流速について測定されている流れ部分の略中点にあるという利点を提供する。
これは、より良好な、流れおよび酸素濃度測定の時間相関を可能にする。
This embodiment of the calorimeter also uses another version of the oxygen sensor 288. In this version, the LED and photodiode portions of the oxygen sensor are incorporated into a sensor package 290 located on the back wall of the recess, approximately midway between the top and bottom of the recess. The remainder of the oxygen sensor 288 forms part of the disposable portion 252 and is referred to as the fluorescent portion 292. The fluorescent portion 292 comprises a light pipe 294 extending from the rear surface of the outer shell 256 adjacent the sensor package 290 into the wall 298 of the flow tube 262. Fluorescent material 300 is placed at the end of light pipe 294 so that it is in contact with the gas flowing through flow tube 262. The light pipe 294 conducts light traveling to and from the fluorescent material 300. This configuration is an oxygen sensor that comes into contact with the user's area.
Allows a portion of the 288 to be disposable. As shown, the fluorescent material 300 is a flow tube.
It is arranged substantially in the middle of 262. This provides the advantage that the flow section sensed by the oxygen sensor is approximately at the midpoint of the flow section being measured for flow rate.
This allows for better time correlation of flow and oximetry measurements.

【0122】 図9を参照すると、もう一つ別のバージョンの酸素センサ302が開示されてい
る。このバージョンでは、センサパッケージ304が円形ボード304に接続されてい
る。センサパッケージ304は、発光ダイオードLEDおよび先に述べた実施例のフォ
トダイオードを含んでいる。蛍光材料片308は、その一部が図示されている流れ
チューブ312の壁の中に配置される。光は小さな隙間を横切って、センサパッケ
ージ304と蛍光材料308との間を進行する。明かに、この構成は流れチューブの異
なる構造を必要とする。しかし、それは使い捨て部分を備えた酸素センサの単純
且つコンパクトな構成を可能にする。
Referring to FIG. 9, another version of oxygen sensor 302 is disclosed. In this version, the sensor package 304 is connected to the circular board 304. The sensor package 304 includes a light emitting diode LED and the photodiode of the previously described embodiment. A piece of fluorescent material 308 is placed in the wall of the flow tube 312, a portion of which is shown. The light travels across the small gap between the sensor package 304 and the fluorescent material 308. Clearly, this configuration requires a different construction of the flow tube. However, it allows a simple and compact construction of the oxygen sensor with a disposable part.

【0123】 開示された使い捨て部分を備えた酸素センサの重要なファクターは、キャリブ
レーションである。ここに記載されたタイプの蛍光を消光する酸素センサは、典
型的に、使用する化学についての注意深いキャリブレーションを必要とする。し
かし、蛍光材料の高度に正確で且つ反復可能な適用は、個別化されたキャリブレ
ーションの必要性を少なくする。その代り、使い捨ての蛍光材料を用いて正確な
酸素濃度測定がなされ得るように、センサパッケージは蛍光材料の数理的モデル
を含むことができる。先に述べたように、吸気の際の酸素センサのキャリブレー
ションは精度を更に改善する。
An important factor for the disclosed oxygen sensor with a disposable part is calibration. Fluorescence quenching oxygen sensors of the type described herein typically require careful calibration of the chemistry used. However, the highly accurate and repeatable application of fluorescent materials reduces the need for personalized calibration. Alternatively, the sensor package can include a mathematical model of the fluorescent material so that accurate oxygen concentration measurements can be made using the disposable fluorescent material. As mentioned earlier, calibration of the oxygen sensor during inspiration further improves accuracy.

【0124】 次に、図21を参照すると、本発明による熱量計と共に使用する衛生を改善す
るための別のアプローチが図示されている。本発明の何れかの実施例による熱量
計本体が、320で一般的に示されている。殺菌フィルターモジュール322が、熱量
計320の入口導管324と、ここではマウスピース326として示す呼吸コネクタとの
間を接続している。図21および図22を参照すると、モジュール322は、一方
の側に形成された熱量計ポート330および他方の側に形成された呼吸ポート332を
備えたフィルターハウジング328を有している。熱量計ポート330は熱量計の入口
導管324と嵌合する一方、呼吸ポート332は呼吸コネクタと嵌合する。ハウジング
328は、図21に示された一般に矩形の形状を含む種々の形状であってよい。3
M社から入手可能なFiltrete(登録商標)のような一片の生物学的フィルター材
料334がハウジング328内で延びており、呼吸ポート332と熱量計ポート330との間
を流れる空気は、該フィルター材料を通過しなければならないようになっている
。このフィルター材料は病原体を除去するように働くことにより、病原体が呼吸
コネクタから熱量計の中に流れるのを防止する。この方法において、熱量計は使
用中も衛生的なままである。その後の各ユーザーは新たなフィルターモジュール
322を使用し、使用されたモジュールはユーザーが保持するか、または廃棄する
Referring now to FIG. 21, another approach for improving hygiene for use with a calorimeter according to the present invention is illustrated. A calorimeter body according to any embodiment of the present invention is shown generally at 320. A sterilization filter module 322 connects between the inlet conduit 324 of the calorimeter 320 and a respiratory connector, shown here as a mouthpiece 326. With reference to FIGS. 21 and 22, the module 322 has a filter housing 328 with a calorimeter port 330 formed on one side and a breathing port 332 formed on the other side. The calorimeter port 330 mates with the calorimeter inlet conduit 324, while the respiratory port 332 mates with the respiratory connector. housing
328 may have a variety of shapes, including the generally rectangular shape shown in FIG. Three
A piece of biological filter material 334, such as Filtrete® available from Company M, extends within the housing 328, and air flowing between the breathing port 332 and the calorimeter port 330 allows the filter material to pass through the filter material. You have to go through. This filter material acts to remove pathogens, thus preventing them from flowing from the respiratory connector into the calorimeter. In this way, the calorimeter remains hygienic during use. Each subsequent user has a new filter module
322 is used and the used module is either retained by the user or discarded.

【0125】 図22を再度参照すると、モジュール322は、側壁336を相互に結合する外周縁
338を備えた、二つの一般的に平行で離間された側壁336を有することが分かる。
フィルター材料は、一般に側壁336に平行で、外周縁338の間に延びている。図2
2に最もよく示されているように、唾液保持壁340が、呼吸コネクタ326に最も近
接したフィルター材料の側で、フィルター材料334に隣接した底部縁から上方に
延びている。特に、マウスピースを用いて熱量計を使用している最中に、唾液が
呼気中に随伴されるが、好ましくは熱量計中には導入されない。随伴される唾液
の多くは、呼吸ポート332の下縁に沿って側壁336の内側を流れ落ち、図示のよう
に、唾液保持壁340と側壁336との間の領域に集まるであろう。また、幾らかの随
伴した唾液はフィルター材料に接触して下方に落下し、唾液トラップの中に集め
られる。この構成は、熱量計の使い捨て部分における先に述べた唾液トラップの
必要性を回避するが、それは他の目的で保持されてもよい。
Referring again to FIG. 22, the module 322 includes an outer peripheral edge that joins the sidewalls 336 together.
It can be seen that it has two generally parallel and spaced side walls 336 with 338.
The filter material is generally parallel to the sidewalls 336 and extends between the outer perimeter edges 338. Figure 2
2, the saliva retaining wall 340 extends upwardly from the bottom edge adjacent the filter material 334, on the side of the filter material closest to the respiratory connector 326. In particular, while using a calorimeter with a mouthpiece, saliva is entrained in the exhaled breath, but preferably not introduced into the calorimeter. Much of the entrained saliva will run down the inside of the sidewall 336 along the lower edge of the breathing port 332 and collect in the area between the saliva retaining wall 340 and the sidewall 336 as shown. Also, some entrained saliva contacts the filter material and falls down and is collected in the saliva trap. This configuration avoids the previously mentioned need for a saliva trap in the disposable part of the calorimeter, but it may be retained for other purposes.

【0126】 次に、図23および図24を参照すると、別の衛生バリア構成が図示されてい
る。図23および図24の構成では、マウスピースの代りにマスク342が設けら
れる。この場合、マスク432は、熱量計348の入口導管346に結合する半剛性の外
側シェル344からなっている。マスクシェル344は、ポリスチレンを含む種々の材
料の何れで製造されてもよい。このマスクシェル344は、好ましくは、熱量計の
使い捨て部分の入口導管346に超音波結合されて、気密シールを提供する。使い
捨てマスクライナー350が、マスクシェル344の中に挿入される。このマスクライ
ナー350は、マスクシェル344の一部の上に重なるライナーシェル352、マスク342
をユーザーの顔面にシールするためのフェースシール354、および熱量計の中に
流入および流出する全てのガスをフィルターする衛生バリア356を含んでいる。
ここでも、衛生バリア356は3M社のEltrete(登録商標)のような材料である。
フェースシール354は、好ましくは、容易にユーザーの顔面形状に成形されて確
実なシールを与える膨張シール膜である。このフェースシール354は、例えばセ
メントボンドによって、好ましくは真空成形されたプラスチックのライナーシェ
ル352に確実に取り付けられる。衛生バリア356は、例えば超音波結合によってラ
イナーシェル352に結合される。
Referring now to FIGS. 23 and 24, another sanitary barrier configuration is illustrated. In the configurations of FIGS. 23 and 24, a mask 342 is provided instead of the mouthpiece. In this case, the mask 432 consists of a semi-rigid outer shell 344 that couples to the inlet conduit 346 of the calorimeter 348. Mask shell 344 may be made of any of a variety of materials, including polystyrene. The mask shell 344 is preferably ultrasonically coupled to the inlet conduit 346 of the disposable portion of the calorimeter to provide a hermetic seal. The disposable mask liner 350 is inserted into the mask shell 344. The mask liner 350 includes a liner shell 352 and a mask 342 that overlap a portion of the mask shell 344.
Includes a face seal 354 to seal the to the user's face, and a sanitary barrier 356 to filter all gases in and out of the calorimeter.
Again, the sanitary barrier 356 is a material such as 3M's Eltrete®.
Face seal 354 is preferably an inflatable seal membrane that is easily molded into the user's facial shape to provide a secure seal. The face seal 354 is securely attached to the liner shell 352, which is preferably vacuum formed plastic, such as by cement bonding. The sanitary barrier 356 is bonded to the liner shell 352, for example, by ultrasonic bonding.

【0127】 今度は図25および図26を参照すると、別のフィルターマスク設計360が開
示されている。先のバージョンと同様に、半剛性マスクシェル362は、熱量計368
の使い捨て部分366における入口導管364に結合される。マスクライナー370は該
シェルの中に挿入され、また使い捨て可能である。マスクライナー370は、Fitre
te(登録商標)のような衛生バリア材料片372を含んでおり、これは例えば挿入
モールドによってライナーシェル374に結合され、次いでエラストマー材料の射
出モールド型フェースシール376と共にモールドされる。該フェースシール376は
、ユーザーの顔面に強固にシールされることによって漏れを防止する。
Referring now to FIGS. 25 and 26, another filter mask design 360 is disclosed. Similar to the previous version, the semi-rigid mask shell 362 has a calorimeter 368.
Is coupled to the inlet conduit 364 in the disposable portion 366 of the. The mask liner 370 is inserted into the shell and is disposable. Mask Liner 370 is Fitre
It includes a piece of sanitary barrier material 372, such as te®, which is bonded to the liner shell 374 by, for example, insert molding and then molded with an injection molded face seal 376 of elastomeric material. The face seal 376 prevents leakage by firmly sealing the face of the user.

【0128】 ユーザーの顔は寸法および形状が変化するから、マスクシェルおよび/または
マスクライナーは、種々のユーザーに適するように種々の寸法および形状で提供
される。また、当業者に明らかなように、息がフィルターされる他の設計のマス
クおよびフィルターハウジングを使用してもよい。本発明によれば、衛生バリア
材料片を横切る圧力降下を防止するように、比較的大きな衛生バリア材料片が用
いられる。この方法において、該バリア材料は熱量計を通る流れの抵抗を顕著に
増大せず、それによって熱量計を使用する際に追加のエネルギー消費を生じさせ
ない。
Because the user's face varies in size and shape, mask shells and / or mask liners are provided in different sizes and shapes to suit different users. Also, masks and filter housings of other breath-filtering designs may be used, as will be apparent to those skilled in the art. According to the invention, a relatively large piece of sanitary barrier material is used so as to prevent a pressure drop across the piece of sanitary barrier material. In this way, the barrier material does not significantly increase the resistance of the flow through the calorimeter, thereby causing no additional energy consumption when using the calorimeter.

【0129】 代替として、本発明によるマスクは、ユーザーの鼻孔を開くことによって、マ
スクを通しての呼吸に伴う労力を低減するために、外鼻孔拡張器を含んでいても
よい。一つのアプローチとして、粘着パッドをマスクの鼻部分の内側に設けても
よい。このパッドは、ユーザーの鼻に圧接され、また開放されたときに、マスク
は鼻孔通路を開く。
Alternatively, a mask according to the present invention may include a nostril dilator to open the user's nostrils to reduce the effort associated with breathing through the mask. As one approach, an adhesive pad may be provided inside the nose of the mask. The pad presses against the user's nose and when opened, the mask opens the nostril passage.

【0130】 <他の代替設計> 上記で述べた本発明の実施例は、本発明の範囲または教示を逸脱することなく
、種々の方法で変更してもよい。以下の説明は、好ましい実施例に対する多くの
代替設計および変更である。
Other Alternative Designs The embodiments of the invention described above may be modified in various ways without departing from the scope or teaching of the invention. The following description is of many alternative designs and modifications to the preferred embodiment.

【0131】 本発明の好ましい実施例は蛍光ベースの酸素センサを利用するが、他のアプロ
ーチを使用してもよい。他の可能な酸素検知方法は、迅速応答に適合されるので
あれば、酸化ジルコニウムを用いた固体酸化物センサ又は他の電気化学センサを
含む。分子蛍光、例えばレーザ誘導蛍光を使用してもよい。例えば、流路に沿っ
てレーザ放射を送り、流路の側部のセンサを使用して蛍光を検出し、または光ガ
イドを使用して、蛍光を装置の再使用可能な本体の中の検出器に伝達することが
できる。同様に、非線型ラマン分光器を含むラマン分光器を使用してもよい。レ
ーザビームは流路に沿って通過し、該ビームに対して或る角度方向で検出される
。位相感受性検出がそうであるように、レーザ放射を除去する狭バンドフィルタ
ーは検出を補助するであろう。他の酸素検出技術には、レーザ吸収;クロマトグ
ラフィー法;膜を通しての拡散速度に基づくセンサ;または迅速応答熱量センサ
、例えば、酸素の存在下における遷移金属錯体のような膜の光吸収または光反射
の変化が含まれる。振動で励起された分子からのIR放出を検出してもよい。分子
を選択的に振動させ、またはバイブロニックに励起させるために、レーザ放射を
使用してもよい。また、例えばA. Mills, Platinum Metals Review, June 1997;
米国特許第5119463号などに記載されているように、蛍光化合物(例えば、白金
および金の錯体)は酸素検出のために有用である。分子の選択的な(例えばレー
ザ)光イオン化と、これに続く光イオンおよび電子の検出は、分子濃度に比例し
た光電流を与えることができる。また、吐出されたガスの超音波スペクトルは、
特に広域スペクトル応答(10 MHz以下および更に高い周波数)の微細加工された
超音波変換器を使用するときには、濃度に関する分子情報を含んでいる可能性が
ある。
Although the preferred embodiment of the present invention utilizes a fluorescence-based oxygen sensor, other approaches may be used. Other possible oxygen sensing methods include solid oxide sensors using zirconium oxide or other electrochemical sensors if adapted for rapid response. Molecular fluorescence, such as laser induced fluorescence, may be used. For example, sending laser radiation along the flow path, using a sensor on the side of the flow path to detect the fluorescence, or using a light guide to detect the fluorescence in the reusable body of the device. Can be transmitted to. Similarly, Raman spectrometers, including non-linear Raman spectrometers, may be used. The laser beam passes along the flow path and is detected at an angle to the beam. As with phase sensitive detection, a narrow band filter that rejects laser radiation will aid in detection. Other oxygen detection techniques include laser absorption; chromatographic methods; sensors based on diffusion rates through membranes; or fast response calorimetric sensors, such as light absorption or reflection of membranes such as transition metal complexes in the presence of oxygen. Changes in IR emissions from vibrationally excited molecules may be detected. Laser radiation may be used to selectively vibrate or vibronicly excite molecules. Also, for example, A. Mills, Platinum Metals Review, June 1997;
Fluorescent compounds (eg, platinum and gold complexes) are useful for oxygen detection, as described in US Pat. No. 5,119,463 and the like. Selective (eg, laser) photoionization of molecules followed by detection of photoions and electrons can provide a photocurrent that is proportional to molecule concentration. Also, the ultrasonic spectrum of the discharged gas is
It may contain molecular information about concentration, especially when using microfabricated ultrasonic transducers with broad spectrum response (10 MHz and below and higher frequencies).

【0132】 先に述べたように、本発明の好ましい酸素検知能力は、二酸化炭素センサの追
加によって補強することができる。他のガスを同様に検知してもよい。酸素セン
サ、二酸化炭素センサ、並びに他のガスセンサを、ここでは成分ガス濃度センサ
と総称する。二酸化炭素検知は種々の方法で達成すればよい。二酸化炭素濃度は
、Maultの先の特許および出願の幾つかに記載されているように、容積測定と組
合せて、二酸化炭素スクラバーを使用することにより測定することができる。ま
た、Maultの先の特許および出願に記載されているように、酸素の測定を伴わず
に、二酸化炭素の測定に基づく代謝計算を行ってもよい。本発明による熱量計は
、酸素センサを用いずに、キャップノメータのような種々の二酸化炭素の何れか
と共に構築することができる。二酸化炭素は、強いカルボニル吸収を用いたIR吸
収、または酸素について先に列記した他の分析技術を使用して測定してもよい。
二酸化炭素センサおよび酸素センサは、例えば、選択的透過膜または蛍光化合物
を使用した、組合せ蛍光消光センサのための同じパッケージの中に組合せてもよ
い。
As mentioned previously, the preferred oxygen sensing capabilities of the present invention can be augmented by the addition of carbon dioxide sensors. Other gases may be detected as well. The oxygen sensor, the carbon dioxide sensor, and other gas sensors are collectively referred to as a component gas concentration sensor here. Carbon dioxide sensing may be accomplished in various ways. Carbon dioxide concentration can be measured by using a carbon dioxide scrubber in combination with volumetric measurements, as described in some of Mault's previous patents and applications. Also, as described in Mault's earlier patents and applications, metabolic calculations based on carbon dioxide measurements may be performed without oxygen measurements. The calorimeter according to the invention can be constructed without any oxygen sensor and with any of a variety of carbon dioxide such as capnometers. Carbon dioxide may be measured using IR absorption with strong carbonyl absorption or other analytical techniques listed above for oxygen.
The carbon dioxide sensor and the oxygen sensor may be combined in the same package for a combined fluorescence quenching sensor, for example using selectively permeable membranes or fluorescent compounds.

【0133】 間接的熱量測定に対する他のアプローチとして、本明細書の一部として援用す
るMaultのPCT WO 00/07498に開示されたアプローチを、本発明に従って構築され
る熱量計の中に組込んでもよい。即ち、酸素センサを省略して、WO 00/07498に
おける何れかのアプローチに基づいてマスフローを決定することができるであろ
う。これは、酸素センサに付随するコストを回避する。或いは、マスフローに基
づくアプローチを、一以上のガス濃度センサの補強として使用してもよい。
As an alternative approach to indirect calorimetry, the approach disclosed in Mault's PCT WO 00/07498, incorporated herein by reference, may be incorporated into a calorimeter constructed in accordance with the present invention. Good. That is, the oxygen sensor could be omitted and the mass flow determined based on any of the approaches in WO 00/07498. This avoids the costs associated with oxygen sensors. Alternatively, a mass flow based approach may be used as a reinforcement for one or more gas concentration sensors.

【0134】 間接的熱量測定に対する更にもう一つのアプローチとしては、二酸化炭素スク
ラバーを使用して、吸気流および/または呼気流から実質的に全ての二酸化炭素
を除去し、容積流量の差を測定して、生成された二酸化炭素の量を決定してもよ
い。これから代謝速度を決定してもよい。これは、成分ガス濃度センサの必要性
を回避する。その代りに、スクラバーおよび二方向流量計のみが必要とされる。
このアプローチは、Maultの米国特許番号5,179,958に更に開示されている。本発
明の上記実施例は、このアプローチを利用するように容易に構成することができ
る。例えば、スクラバーモジュールを、図21の衛生フィルターモジュールの一
部として、またはその代りに、使い捨て部分と呼吸コネクタとの間の流路に挿入
すればよい。或いは、延びた流路の中にスクラバー材料を含めるように、使い捨
て部分を設計してもよい。
Yet another approach to indirect calorimetry is to use a carbon dioxide scrubber to remove substantially all carbon dioxide from the inspiratory and / or expiratory flow and measure the difference in volumetric flow. May determine the amount of carbon dioxide produced. From this the metabolic rate may be determined. This avoids the need for component gas concentration sensors. Instead, only a scrubber and a two-way flow meter are needed.
This approach is further disclosed in Mault US Pat. No. 5,179,958. The above embodiments of the present invention can be readily configured to utilize this approach. For example, a scrubber module may be inserted as part of, or instead of, the sanitary filter module of Figure 21 in the flow path between the disposable portion and the respiratory connector. Alternatively, the disposable portion may be designed to include the scrubber material within the extended flow path.

【0135】 例えば、流路中の物体の冷却速度または熱散逸を使用した、他の流れ検知法が
可能である。半導体(例えばシリコン)、セラミックス等を使用したアナログ装
置、例えば熱薄膜半導体センサと共に、熱ワイヤ質量センサが当該技術において
公知である。他の方法には、タービンもしくは羽根車;障害物の回りまたは孔を
通るガス流のノイズレベル;例えばレーザ反射を使用して高精度でモニターでき
る、例えば、夫々の側の圧力差による孔または膜の歪み;または流路に置かれた
他の構造体、例えば微細加工された棒の歪み;および熱電気的ガス流センサが含
まれる。例えば、微細加工された圧力センサを流路の両端に使用することにより
、直接的な圧力差測定を用いてもよい。他の構成の超音波変換器も可能である。
例えば、三つの変換器をガス流路の縁部に装着して、V字形状の構成を形成して
もよい。このV字中央の変換器は、流路の反対側で中央の変換器の両側に等距離
で離間して装着された他の二つの変換器に送信するであろう。二つの送信時間の
差はガスの流速に関係する。他の流れ測定技術には、流路の熱撮像の後の画像分
析;送信された超音波信号のドップラーシフト;または、例えばレーザ放射を使
用して測定したときの、分子もしくは原子の吸光もしくは発光帯のドップラーシ
フトまたは広がりが含まれる。
Other flow sensing methods are possible, for example using the cooling rate or heat dissipation of objects in the flow path. Thermal wire mass sensors are known in the art, as well as analog devices using semiconductors (eg silicon), ceramics etc., eg thermal thin film semiconductor sensors. Other methods include turbines or impellers; noise levels of gas flow around obstacles or through holes; can be monitored with high precision, eg using laser reflection, eg holes or membranes due to pressure differences on each side. Strain; or other structures placed in the flow path, such as micromachined rod strain; and thermoelectric gas flow sensors. For example, direct pressure differential measurements may be used by using microfabricated pressure sensors at both ends of the flow path. Other configurations of ultrasonic transducers are possible.
For example, three transducers may be mounted at the edges of the gas flow path to form a V-shaped configuration. This V-centered transducer will transmit to two other transducers mounted equidistantly on opposite sides of the flow path on either side of the central transducer. The difference between the two transmission times is related to the gas flow rate. Other flow measurement techniques include thermal imaging followed by image analysis; Doppler shift of the transmitted ultrasonic signal; or absorption or emission of molecules or atoms as measured using, for example, laser radiation. Includes Doppler shift or spread of the band.

【0136】 水分に関する問題は、酸素センサを水分から保護し、または空気流から水分を
除去することによって減少させることができる。例えば、水分の除去は、呼気ガ
スを発泡体シート(乾燥機構を含むように製造される);ゼオライト;分子篩;
膜;化学乾燥剤(例えばシリカゲル)に通すことを含んでもよい。これらの水分
除去手段は、容易な取換えのために、取り外し可能な部分内に装着するのがよい
であろう。酸素センサは、酸素センサを覆って配置された水不透過性で且つ酸素
透過性の膜、または該センサを覆って配置された疎水性膜を使用して、水分の影
響から保護することができる。
Moisture problems can be reduced by protecting the oxygen sensor from moisture or removing moisture from the air stream. For example, moisture removal may include exhaled gas, foam sheets (manufactured to include a drying mechanism); zeolites; molecular sieves;
Membrane; may include passing through a chemical desiccant (eg, silica gel). These moisture removal means may be mounted in the removable part for easy replacement. The oxygen sensor can be protected from the effects of moisture using a water impermeable and oxygen permeable membrane placed over the oxygen sensor or a hydrophobic membrane placed over the sensor. .

【0137】 ガス流の温度を測定するための他の方法には、光学的または電気的方法を使用
して、流路内の微細加工された構造体(例えば多層膜)の熱歪みを検出すること
;または温度依存性の分子的もしくは原子的性質(例えば発光波長もしくは吸光
波長)をモニターすることが含まれる。呼吸された空気が装置を通過するときの
該空気温度のコンピュータモデリングを、スポット温度測定と組合せて詳細な温
度分布を得てもよい。熱電気的センサ、サーミスタ、ピロ電気センサ、サーモパ
イル等を使用してもよい。吸気の超音波スペクトルにおける温度依存性をモニタ
ーしてもよい。流路の熱的イメージングも有用であり得る。
Other methods for measuring the temperature of the gas stream use optical or electrical methods to detect the thermal strain of microfabricated structures (eg multilayers) in the flow path. Or monitoring temperature-dependent molecular or atomic properties (eg emission or absorption wavelengths). Computer modeling of breathed air as it passes through the device may be combined with spot temperature measurements to obtain a detailed temperature distribution. Thermoelectric sensors, thermistors, pyroelectric sensors, thermopiles and the like may be used. The temperature dependence of the inspiratory ultrasound spectrum may be monitored. Thermal imaging of the flow channel may also be useful.

【0138】 現在の実施例に加えて、有用であり得る本発明(以下では「当該装置」と称す
ることがある)の他の多くの適応が存在する。例えば、当該装置の通気孔は、呼
気を更なる分析のために他の分析装置に送るように適合されたコネクタで置き換
えてもよい。他のガスセンサを流路に含めてもよい。問題の呼吸成分には、酸素
および二酸化炭素(先に述べたとおり)、窒素酸化物、他のラジカル、ケトン類
(例えばアセトン)、アルデヒド類(例えばアセトアルデヒド)、アルカン類(
例えばペンタン)、他の炭化水素、エステル、硫化水素、肺疾患または癌の指示
薬、他の揮発性有機化合物、バクテリアにより産生されるガス(例えばスルフィ
ド類)が含まれる。定量的肺機能試験のために、不活性ガス(例えばキセノン)
の放射性アイソトープ用検出器を含めてもよい。
In addition to the current embodiments, there are many other adaptations of the invention (sometimes referred to below as “the device”) that may be useful. For example, the vent of the device may be replaced with a connector adapted to direct exhaled breath to another analysis device for further analysis. Other gas sensors may be included in the flow path. Respiratory components of interest include oxygen and carbon dioxide (as described above), nitrogen oxides, other radicals, ketones (eg acetone), aldehydes (eg acetaldehyde), alkanes (
For example pentane), other hydrocarbons, esters, hydrogen sulphide, indicators of lung disease or cancer, other volatile organic compounds, gases produced by bacteria (eg sulphides). Inert gas (eg xenon) for quantitative lung function tests
A detector for radioactive isotopes may be included.

【0139】 ここまで説明してきた本発明の実施例は、大気ガスの吸込みを仮定している。
しかし、本発明は、呼吸ガス供給源からの他のガス混合物の吸い込みにも同等に
適用可能である。例えば、熱量計が大気以外の呼吸ガスの供給源および/または
シンクに接続され得るように、通気孔に加えて、またはその代わりに、熱量計の
底にコネクタを設けてもよい。このようなアプローチの一つの応用は、麻酔学ま
たは呼吸補助装置における、本発明による熱量計の使用である。熱量計を通る流
れは、何れの方向および大気以外の圧力においても補助され得る。代謝速度およ
び他の呼吸ファクターの適切な計算がなされ得るように、センサ類はこれら非大
気条件をモニターするために使用されることが明らかである。機械的換気装置の
一部としての本発明による熱量計の使用に関する追加の側面は、本明細書の一部
として援用する2000年2月2日に提出されたMaultの仮特許出願番号60/179,906お
よび2000年2月3日に提出された60/179,961の検討から明かになるであろう。
The embodiments of the present invention described so far assume the intake of atmospheric gas.
However, the invention is equally applicable to the inhalation of other gas mixtures from respiratory gas sources. For example, a connector may be provided on the bottom of the calorimeter in addition to, or instead of, the vent so that the calorimeter may be connected to a source and / or sink of respiratory gas other than atmospheric. One application of such an approach is the use of the calorimeter according to the invention in anesthesia or respiratory assistance devices. Flow through the calorimeter can be assisted in any direction and at pressures other than atmospheric. It is clear that the sensors are used to monitor these non-atmospheric conditions so that appropriate calculations of metabolic rate and other respiratory factors can be made. Additional aspects relating to the use of a calorimeter according to the present invention as part of a mechanical ventilator are described in Mault's Provisional Patent Application No. 60 / 179,906, filed February 2, 2000, which is incorporated by reference herein. And will be apparent from the review of 60 / 179,961 submitted on February 3, 2000.

【0140】 呼吸プロファイル分析は、例えば末端換気量を正確に決定するために、または
例えば閉塞による呼吸異常を調べるために使用することができる。当該装置は、
例えばデータ送信、データ分析、表示、フィードバック、または他の使用のため
に、他の生理学的センサと通信し、および/または他の電子装置と通信してもよ
い。本発明を使用して得られる肺活量測定/関節熱量測定からのデータは、分析
のために、他の生理学的または環境的データと組合せてもよい。当該装置は、試
験中の人間の身体に埋設された生理学的センサ、例えば、肺、動脈または静脈の
近くに配置された微細加工された超音波流れセンサに、エネルギーを供給するた
めの電磁気放射を生成してもよい。また、本発明による熱量計は、他のセンサま
たは生理学的モニターを含んでもよい。例えば、GPS、遠隔測定、携帯電話信号
その他に基づく位置決め装置を組込んで、ユーザーの位置に関する情報を提供し
てもよい。次いで、当該熱量計は、移動を必要とする運動セッションの際に使用
でき、熱量計が代謝情報を与える一方、位置システムは位置に関する情報を与え
て、相関および分析を可能にするであろう。
Respiratory profile analysis can be used, for example, to accurately determine terminal ventilation, or to examine respiratory abnormalities due to, for example, obstruction. The device is
It may communicate with other physiological sensors and / or with other electronic devices, eg, for data transmission, data analysis, display, feedback, or other use. The data from spirometry / joint calorimetry obtained using the present invention may be combined with other physiological or environmental data for analysis. The device emits electromagnetic radiation to provide energy to a physiological sensor implanted in the human body under test, such as a micromachined ultrasonic flow sensor located near the lungs, arteries or veins. May be generated. The calorimeter according to the invention may also include other sensors or physiological monitors. For example, positioning devices based on GPS, telemetry, mobile phone signals, etc. may be incorporated to provide information regarding the user's location. The calorimeter can then be used during exercise sessions that require locomotion, while the calorimeter will provide metabolic information while the location system will provide location information to enable correlation and analysis.

【0141】 本発明は、好ましくは、代謝速度のような呼吸パラメータの測定に向けられて
いるが、本発明の単純な流量計バージョンもまた長所を有する。酸素センサを除
去し、また他の方法で単純化すると、本発明は、例えば肺容積試験における流速
および容積を測定するための優れた流量計を提供する。また、この流量計は他の
用途にも使用できるであろう。
Although the present invention is preferably directed to measuring respiratory parameters such as metabolic rate, the simple flow meter version of the present invention also has advantages. Eliminating the oxygen sensor and otherwise simplifying it, the present invention provides an excellent flow meter for measuring flow rate and volume in, for example, lung volume testing. Also, the flow meter could be used for other applications.

【0142】 本発明による熱量計は、体重または健康管理システムの中に組み込んでもよく
、該システムはデータ入力のためのパーソナルデジタル補助具(PDA)、通信、
生理学的モニター、フィードバック、およびデータ処理を含んでいてもよい。本
発明のこの用途および他の用途は、Maultの1999年11月17日に提出された仮出願6
0/165988号、1999年11月24日に提出された60/167,276号、2000年1月19日に提出
された60/177,016号に開示されている。
A calorimeter according to the present invention may be incorporated into a weight or health care system, which system includes a personal digital assistant (PDA) for data entry, communication,
It may include physiological monitoring, feedback, and data processing. This and other uses of the present invention are described in Mault's provisional application filed November 17, 1999.
No. 0/165988, 60 / 167,276 filed November 24, 1999, and 60 / 177,016 filed January 19, 2000.

【0143】 本発明の範囲または教示を逸脱することなく、他の物理的構成が可能である。
例えば、代謝パラメータを表示するためのディスプレーの位置を変え、構成を変
え、または補充してもよい。試験中に被験者がディスプレーを設定できるような
位置に、該ディスプレーを移動してもよいであろう。或いは、熱量計から配線ま
たは無線でデータを受信する別のディスプレーを設け、試験の最中にユーザーが
容易に見られる場所にディスプレーを配置できるようにしてもよい。これに加え
て、或いはその代りに、健康専門家のような他の人がディスプレーを見るように
してもよい。試験の最中にディスプレーを見ることは、ユーザーが自分の活動レ
ベル、リラックスレベル、または他の理由による変化に起因した代謝変化を目撃
することを可能にする。例えば、当該熱量計およびディスプレー、または他のフ
ィードバック装置は、人が一定レベルのリラックスに到達するのを補助するため
のバイオフィードバックを使用することができるであろう。また、当該熱量計を
使用して呼吸療法およびトレーニングを与え、呼吸の速度、容積および他のファ
クターをモニターすることもできるであろう。
Other physical configurations are possible without departing from the scope or teachings of the invention.
For example, the position of the display for displaying metabolic parameters may be repositioned, reconfigured, or supplemented. The display could be moved to a position that allows the subject to set the display during the test. Alternatively, a separate display may be provided that receives data from the calorimeter, either hard-wired or wirelessly, allowing the display to be placed where the user can easily see it during the test. Additionally or alternatively, another person, such as a health professional, may view the display. Viewing the display during the test allows the user to witness metabolic changes due to changes in their activity level, relaxation level, or for other reasons. For example, the calorimeter and display, or other feedback device, could use biofeedback to help a person reach a certain level of relaxation. The calorimeter could also be used to provide respiratory therapy and training to monitor respiratory rate, volume and other factors.

【0144】 更にもう一つ別の態様として、当該熱量計と共に使用するために、またはその
一部として人工「鼻」を設けてもよい。人工「鼻」は、湿度または温度を制御す
るように、吸気および/または呼気を調節する。これは幾つかの応用にとって利
点であり得る。
As yet another alternative, an artificial "nose" may be provided for use with or as part of the calorimeter. An artificial "nose" regulates inhalation and / or exhalation to control humidity or temperature. This can be an advantage for some applications.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 図1は、ユーザーが使用している状態で示された、熱量計を備えた本発明の第
一の実施例による呼吸熱量計の斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view of a respiratory calorimeter according to a first embodiment of the present invention including a calorimeter, shown in use by a user.

【図2】 図2は、本発明の第一の実施例を示す斜視図である。[Fig. 2]   FIG. 2 is a perspective view showing the first embodiment of the present invention.

【図3】 図3は、本発明の第一の実施例を示す分解斜視図である。[Figure 3]   FIG. 3 is an exploded perspective view showing the first embodiment of the present invention.

【図4】 図4は、図2の4−4線に沿って示す本発明の第一の実施例の断面図である。[Figure 4]   FIG. 4 is a sectional view of the first embodiment of the present invention taken along line 4-4 of FIG.

【図5】 図5は、図4の5−5線に沿って示す本発明の第一の実施例の断面図である。[Figure 5]   FIG. 5 is a sectional view of the first embodiment of the present invention taken along the line 5-5 of FIG.

【図6】 図6は、本発明と共に使用するための、酸素センサの一態様を示す分解斜視図
である。
FIG. 6 is an exploded perspective view of one embodiment of an oxygen sensor for use with the present invention.

【図7】 図7は、本発明と共に使用するための、組立てられた酸素センサを示す断面図
である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an assembled oxygen sensor for use with the present invention.

【図8】 図8は、再使用可能な部分から取外された使い捨て部分を示す、別のマウスピ
ースを備えた本発明の斜視図である。
FIG. 8 is a perspective view of the present invention with another mouthpiece showing the disposable part removed from the reusable part.

【図9】 図9は、本発明と共に使用する酸素センサを構築するための、別のアプローチ
を示す断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing another approach for constructing an oxygen sensor for use with the present invention.

【図10】 図10は、本発明による流れチューブおよび超音波センサの一般的構成を示す
図である。
FIG. 10 is a diagram showing a general configuration of a flow tube and an ultrasonic sensor according to the present invention.

【図11】 図11は、本発明と共に使用できる超音波流れ検知システムの一態様と共に使
用するための、電気回路を概略的に示す図である。
FIG. 11 is a schematic diagram of an electrical circuit for use with one aspect of an ultrasonic flow sensing system that can be used with the present invention.

【図12】 図12は、本発明で使用する蛍光ベースの酸素センサについて、駆動信号およ
び蛍光応答信号を概略的に示す図である。
FIG. 12 is a diagram schematically showing a drive signal and a fluorescence response signal for the fluorescence-based oxygen sensor used in the present invention.

【図13】 図13は、本発明で使用するための、蛍光ベースの酸素検知システムの電気的
構成を示す概略図である。
FIG. 13 is a schematic diagram showing the electrical configuration of a fluorescence-based oxygen sensing system for use with the present invention.

【図14】 図14は、本発明の好ましい実施例における電子部品を示す概略図である。FIG. 14   FIG. 14 is a schematic diagram showing an electronic component according to a preferred embodiment of the present invention.

【図15】 図15は、呼吸パラメータの決定および代謝速度の計算への好ましいアプロー
チを一般的に示す図である。
FIG. 15 is a diagram generally illustrating a preferred approach to respiratory parameter determination and metabolic rate calculation.

【図16】 図16は、一回の吸気および呼気についてのガス交換の一例を示す棒グラフで
ある。
FIG. 16 is a bar graph showing an example of gas exchange for one inspiration and one exhalation.

【図17】 図17は、酸素分圧および任意の第二ファクターの変化に関して、酸素センサ
の電圧出力の変化を表す一連の湾曲面を示すグラフである。
FIG. 17 is a graph showing a series of curved surfaces representing changes in the oxygen sensor voltage output with respect to changes in oxygen partial pressure and any second factor.

【図18】 図18は、被験者について計算された代謝速度が、試験の間に如何に変化する
かの一例を示すグラフである。
FIG. 18 is a graph showing an example of how the calculated metabolic rate for a subject changes during the study.

【図19】 図19は、衛生を改善するために構成された、本発明の第二の実施例を示す断
面図である。
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the present invention configured to improve hygiene.

【図20】 図20は、衛生を改善するための別の構成をもった、本発明の第二の実施例を
示す断面図である。
FIG. 20 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the present invention having another configuration for improving hygiene.

【図21】 図21は、本発明による呼吸熱量計および該熱量計と共に使用するための、衛
生フィルターモジュールを示す一部分解斜視図である。
FIG. 21 is a partial exploded perspective view of a respiratory calorimeter according to the present invention and a hygienic filter module for use with the calorimeter.

【図22】 図22は、図21のフィルターモジュールの断面図である。FIG. 22   22 is a cross-sectional view of the filter module of FIG.

【図23】 図23は、衛生バリアを組込んだマスクの別の態様を備えた、本発明による呼
吸熱量計の一部分解斜視図である。
FIG. 23 is a partially exploded perspective view of a respiratory calorimeter according to the present invention with another aspect of a mask incorporating a hygiene barrier.

【図24】 図24は、図23のマスクの使い捨て部分を示す分解斜視図である。FIG. 24   24 is an exploded perspective view showing a disposable portion of the mask of FIG. 23.

【図25】 図25は、衛生バリアを組込んだマスクの第二の態様を備えた、本発明による
呼吸熱量計を示す一部分解斜視図である。
FIG. 25 is a partially exploded perspective view of a respiratory calorimeter according to the present invention with a second embodiment of a mask incorporating a hygiene barrier.

【図26】 図26は、図25のマスクの使い捨て部分を示す一部分解斜視図である。FIG. 26   FIG. 26 is a partially exploded perspective view showing a disposable part of the mask of FIG. 25.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 60/218,863 (32)優先日 平成12年7月18日(2000.7.18) (33)優先権主張国 米国(US) (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ,UG ,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD, RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,BZ,C A,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK,DM ,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE,GH, GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,K E,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS ,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK,MN, MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,RO,R U,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM ,TR,TT,TZ,UA,UG,UZ,VN,YU, ZA,ZW (72)発明者 バーバー セオドア ダブリュー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94002 ベルモント ヴァリー ヴュー アヴェニュー 1716 (72)発明者 ローレンス クレイグ エム アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94025 メンロ パーク イースト オキ ーフェ ストリート 165 #22 (72)発明者 プラチャー ティモシー ジェイ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94301 パロ アルト アディソン アヴ ェニュー 521 (72)発明者 ウェイントラウブ ジェフリー シー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95110 サン ホセ ホーソーン ウェイ 42 (72)発明者 ネイソン ケヴィン エス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94041 マウンテン ヴュー レインボウ ドライヴ 600 #222 Fターム(参考) 2G045 CB22 DB30 FA33 FA34 GC18 JA01 4C038 SS04 SU01 SU18 SU19 SX01─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (31) Priority claim number 60 / 218,863 (32) Priority date July 18, 2000 (July 18, 2000) (33) Priority claiming countries United States (US) (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ , CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, K E, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ, UG , ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, BZ, C A, CH, CN, CR, CU, CZ, DE, DK, DM , DZ, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, K E, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS , LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NO, NZ, PL, PT, RO, R U, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM , TR, TT, TZ, UA, UG, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Barber Theodore W             United States California             94002 Belmont Valley View             Avenue 1716 (72) Inventor Lawrence Craig M             United States California             94025 Menlo Park East Oki             Super Street 165 # 22 (72) Inventor Pracha Timothy Jay             United States California             94301 Palo Alto Addison Av             521 (72) Inventor Wayne Trough Jeffrey C             United States California             95110 San Jose Hawthorne Way               42 (72) Inventor Nason Kevin S             United States California             94041 Mountain View Rainbow               Drive 600 # 222 F term (reference) 2G045 CB22 DB30 FA33 FA34 GC18                       JA01                 4C038 SS04 SU01 SU18 SU19 SX01

Claims (23)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被験者の代謝速度を測定するための間接的熱量計であって: 前記被験者が呼吸するときに吸気ガスおよび呼気ガスを通すように、前記被験
者に接触して支持されるように構成された呼吸コネクタと; 吸気ガスおよび呼気ガスを受取って通過させるように働く流路であって、前記
呼吸コネクタに流体連通した第一の端部、並びに呼吸ガスの供給源およびシンク
に流体連通した第二の端部を有し、前記流路は吸気および呼気が通過する流れチ
ューブ、並びに該流れチューブと前記第一の端部との間に配置されたチャンバを
含み、該チャンバは前記流れチューブの一端を取囲む同心円チャンバである流路
と; 前記流路を通過する吸気および呼気の瞬間的な体積流量の関数としての電気信
号を生成するように構成された流量計と; 呼気が前記流路を通過するときに、呼気の中の予め定められた成分ガスの瞬間
的割合としての電気信号を生成するように動作可能な、成分ガス濃度センサと; 前記流量計および前記濃度センサから前記電気信号を受信するように動作可能
で、且つ前記被験者が前記熱量計を通して呼吸するときに、前記被験者について
の少なくとも一つの呼吸パラメータを計算するように動作する計算ユニットと、
を備えている間接的熱量計。
1. An indirect calorimeter for measuring a subject's metabolic rate, wherein the subject is in contact with and supported by inspiratory and expiratory gases as they breathe. A respiratory connector configured to receive and pass inspiratory gas and expiratory gas, the first end being in fluid communication with the respiratory connector, and the fluid communication with a source and sink of respiratory gas. Has a second end, the flow path including a flow tube through which inhalation and exhalation pass, and a chamber disposed between the flow tube and the first end, the chamber comprising the flow tube. A flow path that is a concentric chamber surrounding one end of the tube; a flow meter configured to generate an electrical signal as a function of the instantaneous volume flow of inspiratory and expiratory air passing through the flow path; A component gas concentration sensor operable to generate an electrical signal as an instantaneous fraction of a predetermined component gas in exhaled air as it passes through the flow path; A computing unit operable to receive the electrical signal from the subject and which is operable to compute at least one respiratory parameter for the subject as the subject breathes through the calorimeter.
An indirect calorimeter equipped with.
【請求項2】 請求項1に記載の熱量計であって、前記流路は更に、前記流
れチューブを取囲む外側ハウジングを含み、また前記同心円状チャンバは前記流
れチューブと前記外側ハウジングとの間に形成される熱量計。
2. The calorimeter of claim 1, wherein the flow path further comprises an outer housing surrounding the flow tube, and the concentric chamber is between the flow tube and the outer housing. Calorimeter formed on the.
【請求項3】 請求項2に記載の熱量計であって、前記流路の第一の端部は
、前記外側ハウジングから延びて前記同心円状チャンバと流体連通している熱量
計。
3. The calorimeter of claim 2, wherein a first end of the flow path extends from the outer housing and is in fluid communication with the concentric chambers.
【請求項4】 請求項3に記載の熱量計であって、前記入口導管は、一般に
前記流れチューブと直交して延びている熱量計。
4. The calorimeter of claim 3, wherein the inlet conduit extends generally orthogonal to the flow tube.
【請求項5】 被験者の代謝速度を測定するための間接的熱量計であって: 前記被験者が呼吸するときに吸気ガスおよび呼気ガスを通すように、前記被験
者に接触して支持されるように構成された呼吸コネクタと; 吸気ガスおよび呼気ガスを受取って通過させるように働く流路であって、前記
呼吸コネクタに流体連通した第一の端部、呼吸ガスの供給源およびシンクに流体
連通した第二の端部、並びにこれら端部の間に配置された流れチューブを有し、
前記流路の第一の端部は前記流れチューブに直行して延びる入口導管を含む流路
と; 前記流路を通過する吸気および呼気の瞬間的な体積流量の関数としての電気信
号を生成するように構成された流量計と; 呼気が前記流路を通過するときに、呼気の中の予め定められた成分ガスの瞬間
的割合としての電気信号を生成するように動作可能な、成分ガス濃度センサと; 前記流量計および前記濃度センサから前記電気信号を受信するように動作可能
で、且つ前記被験者が前記熱量計を通して呼吸するときに、前記被験者について
の少なくとも一つの呼吸パラメータを計算するように動作する計算ユニットと、
を備えている間接的熱量計。
5. An indirect calorimeter for measuring a subject's metabolic rate, which is in contact with and supported by the subject to allow inspiratory and expiratory gases to pass as the subject breathes. A breathing connector configured; a flow path operative to receive and pass inspiratory gas and expiratory gas, the first end in fluid communication with said respiratory connector, in fluid communication with a source of breathing gas and a sink Having a second end, and a flow tube disposed between these ends,
A first end of the flow path, the flow path including an inlet conduit extending perpendicular to the flow tube; and generating an electrical signal as a function of the instantaneous volumetric flow of inspiration and expiration through the flow path. A flow meter configured to: a constituent gas concentration operable to generate an electrical signal as an instantaneous fraction of a predetermined constituent gas in the exhaled air as the exhaled air passes through the flow path. A sensor; operable to receive the electrical signal from the flow meter and the concentration sensor, and to calculate at least one respiratory parameter for the subject as the subject breathes through the calorimeter. A working computing unit,
An indirect calorimeter equipped with.
【請求項6】 請求項5に記載の熱量計であって、前記流量計は前記流れチ
ューブ内の体積流量を測定する熱量計。
6. The calorimeter according to claim 5, wherein the flow meter measures a volumetric flow rate in the flow tube.
【請求項7】 請求項5に記載の熱量計であって、前記流量計は二つの離間
した超音波変換器を有する超音波流量計を含む熱量計。
7. The calorimeter of claim 5, wherein the flow meter comprises an ultrasonic flow meter having two spaced ultrasonic transducers.
【請求項8】 請求項5に記載の熱量計であって、前記流路は更に、前記流
れチューブを取囲む外側ハウジング、および前記流れチューブと前記外側ハウジ
ングとの間に形成された同心円状チャンバを含み、前記同心円状チャンバは前記
流れチューブと流体連通しており、前記入口導管は前記外側ハウジングから延び
て前記同心円状チャンバと流体連通している熱量計。
8. The calorimeter of claim 5, wherein the flow path further comprises an outer housing surrounding the flow tube and a concentric chamber formed between the flow tube and the outer housing. A calorimeter wherein the concentric chamber is in fluid communication with the flow tube and the inlet conduit extends from the outer housing and is in fluid communication with the concentric chamber.
【請求項9】 被験者の代謝速度を測定するための間接的熱量計であって: 前記被験者が呼吸するときに吸気ガスおよび呼気ガスを通すように、前記被験
者に接触して支持されるように構成された呼吸コネクタと; 吸気ガスおよび呼気ガスを受取って通過させるように働く流路であって、前記
呼吸コネクタに流体連通した第一の端部、並びに呼吸ガスの供給源およびシンク
に流体連通した第二の端部を有し、前記ガスが通過する細長い流れチューブを含
む流路と; 前記流路を通過する吸気および呼気の瞬間的な体積流量の関数としての電気信
号を生成するように構成された超音波流量計であって、夫々が前記細長い流れチ
ューブと整列した一対の離間した超音波変換器を含み、これら変換器の間で送信
される超音波パルスは、前記流れチューブ内の流体の流れに対して一般に平行な
経路を進むようになっている超音波流量計と; 呼気ガスが前記流路を通過するときに、呼気の中の予め定められた成分ガスの
瞬間的割合としての電気信号を生成するように動作可能な、成分ガス濃度センサ
と; 前記流量計および前記濃度センサから前記電気信号を受信するように動作可能
で、且つ前記被験者が前記熱量計を通して呼吸するときに、前記被験者について
の少なくとも一つの呼吸パラメータを計算するように動作する計算ユニットと、
を備えている間接的熱量計。
9. An indirect calorimeter for measuring a subject's metabolic rate, wherein the subject is in contact with and supported by inspiratory and expiratory gases as they breathe. A respiratory connector configured to receive and pass inspiratory gas and expiratory gas, the first end being in fluid communication with the respiratory connector, and the fluid communication with a source and sink of respiratory gas. A flow path having an elongated flow tube through which the gas passes; and an electrical signal as a function of instantaneous inspiratory and expiratory volumetric flow rates through the flow path. A configured ultrasonic flow meter comprising a pair of spaced ultrasonic transducers, each of which is aligned with the elongated flow tube, wherein ultrasonic pulses transmitted between the transducers are coupled to the flow tube. An ultrasonic flow meter adapted to follow a path generally parallel to the flow of fluid in the chamber; a moment of a predetermined constituent gas in the exhaled gas as it passes through the flow path. A component gas concentration sensor operable to generate an electrical signal as a percentage; and a subject breathing through the calorimeter operable to receive the electrical signal from the flow meter and the concentration sensor. A computing unit operative to compute at least one respiratory parameter for the subject,
An indirect calorimeter equipped with.
【請求項10】 請求項9に記載の熱量計であって、前記流路は更に前記流
れチューブを取囲む外側ハウジング、および前記流れチューブと前記外側ハウジ
ングとの間に形成された同心円状チャンバを含み、該同心円状チャンバは、前記
流路の第一の端部および前記流れチューブと流体連通している熱量計。
10. The calorimeter according to claim 9, wherein the flow path further comprises an outer housing surrounding the flow tube, and a concentric chamber formed between the flow tube and the outer housing. A calorimeter including a concentric chamber in fluid communication with the first end of the flow path and the flow tube.
【請求項11】 請求項10に記載の熱量計であって、前記流路の第一の端
部は、前記外側ハウジングから延びて前記同心円状チャンバと流体連通している
入口導管を含む熱量計。
11. The calorimeter of claim 10, wherein the first end of the flow path includes an inlet conduit extending from the outer housing and in fluid communication with the concentric chambers. .
【請求項12】 請求項11に記載の熱量計であって、前記入口導管は、前
記流れチューブに略直交して延びる熱量計。
12. The calorimeter of claim 11, wherein the inlet conduit extends substantially orthogonal to the flow tube.
【請求項13】 被験者の代謝速度を測定するための間接的熱量計であって
: 使い捨て部分、および該使い捨て部分を収容するために形成された凹部を備え
たハウジングを含む再使用可能部分を具備し、 前記使い捨て部分は、 前記被験者が呼吸するときに吸気ガスおよび呼気ガスを通すように、前記被験
者に接触して支持されるように構成された呼吸コネクタと; 吸気ガスおよび呼気ガスを受取って通過させるように働く流路であって、前記
呼吸コネクタに流体連通した第一の端部、並びに呼吸ガスの供給源およびシンク
に流体連通した第二の端部をする流路とを含み; 前記再使用可能部分は更に、 前記流路を通過する吸気および呼気の瞬間的な体積流量の関数としての電気信
号を生成するように構成された流量計と; 呼気ガスが前記流路を通過するときに、呼気の中の予め定められた成分ガスの
瞬間的割合としての電気信号を生成するように動作可能な、成分ガス濃度センサ
と; 前記流量計および前記濃度センサから前記電気信号を受信するように動作可能
で、且つ前記被験者が前記熱量計を通して呼吸するときに、前記被験者について
の少なくとも一つの呼吸パラメータを計算するように動作する計算ユニットとを
含む間接的熱量計。
13. An indirect calorimeter for measuring a subject's metabolic rate comprising: a disposable portion and a reusable portion including a housing having a recess formed to accommodate the disposable portion. A disposable connector configured to contact and support the subject so as to pass inspiratory gas and expiratory gas when the subject breathes; receiving the inspiratory gas and expiratory gas; A flow path operative to pass through, the flow path having a first end in fluid communication with the respiratory connector and a second end in fluid communication with a source and sink of respiratory gas; The reusable portion further comprises a flow meter configured to generate an electrical signal as a function of the instantaneous volumetric flow of inspiratory and expiratory air passing through the flow path; A component gas concentration sensor operable to generate an electrical signal as a momentary fraction of a predetermined component gas in exhaled air when passing through the flowmeter and the electrical signal from the concentration sensor. And a computing unit operative to receive at least one breath parameter through the calorimeter and calculating at least one respiratory parameter for the subject.
【請求項14】 請求項13に記載の熱量計であって、前記流路は前記ガス
がその中を流れる細長い流れチューブを含み、前記使い捨て部分は前記流れチュ
ーブに直交する向きで前記凹部の中に収容される熱量計。
14. The calorimeter of claim 13, wherein the flow path includes an elongated flow tube through which the gas flows, the disposable portion being in the recess in an orientation orthogonal to the flow tube. Calorimeter housed in.
【請求項15】 被験者の代謝速度を測定するための間接的熱量計であって
: 前記被験者が呼吸するときに吸気ガスおよび呼気ガスを通すように、前記被験
者に接触して支持されるように構成された呼吸コネクタと; 吸気ガスおよび呼気ガスを受取って通過させるように働く流路であって、前記
呼吸コネクタに流体連通した第一の端部、並びに呼吸ガスの供給源およびシンク
に流体連通した第二の端部を有し、前記流路は吸気および呼気が通過する流れチ
ューブ、並びに該流れチューブと前記第二の端部との間に配置された出口通路を
含む流路と; 前記流路を通過する吸気および呼気の瞬間的な体積流量の関数としての電気信
号を生成するように構成された流量計と; 呼気ガスが前記流路を通過するときに、呼気の中の予め定められた成分ガスの
瞬間的割合としての電気信号を生成するように動作可能であり、前記出口通路と
流体連通している成分ガス濃度センサと; 前記流量計および前記濃度センサから前記電気信号を受信するように動作可能
で、且つ前記被験者が前記熱量計を通して呼吸するときに、前記被験者について
の少なくとも一つの呼吸パラメータを計算するように動作する計算ユニットと、
を備えている間接的熱量計。
15. An indirect calorimeter for measuring a subject's metabolic rate: for supporting and supporting inspiratory and expiratory gases as they breathe. A respiratory connector configured to receive and pass inspiratory gas and expiratory gas, the first end being in fluid communication with the respiratory connector, and the fluid communication with a source and sink of respiratory gas. A second flow path having a second end, the flow path including a flow tube through which inhalation and exhalation pass, and an outlet passage disposed between the flow tube and the second end; A flow meter configured to generate an electrical signal as a function of instantaneous inspiratory and expiratory volumetric flow rates through the flow passage; Ingredients A component gas concentration sensor operable to generate an electrical signal as a momentary fraction of the flow rate and in fluid communication with the outlet passage; and to receive the electrical signal from the flow meter and the concentration sensor. A computing unit operable and operable to compute at least one respiratory parameter for the subject as the subject breathes through the calorimeter;
An indirect calorimeter equipped with.
【請求項16】 被験者の代謝速度を測定するための間接的熱量計であって
: 前記被験者が呼吸するときに吸気ガスおよび呼気ガスを通すように、前記被験
者に接触して支持されるように構成された呼吸コネクタであって、実質的に全て
の吸気ガスおよび呼気ガスが通過するように配置された衛生バリアを含み、該バ
リアは、前記吸気ガスおよび呼気ガスを通過させ且つ該呼気中の少なくとも幾ら
かの病原体をブロックする呼吸コネクタと; 吸気ガスおよび呼気ガスを受取って通過させるように働く流路であって、前記
呼吸コネクタに流体連通した第一の端部、並びに呼吸ガスの供給源およびシンク
に流体連通した第二の端部を有する流路と; 前記流路を通過する吸気および呼気の瞬間的な体積流量の関数としての電気信
号を生成するように構成された流量計と; 呼気ガスが前記流路を通過するときに、呼気の中の予め定められた成分ガスの
瞬間的割合としての電気信号を発生するように動作可能な成分ガス濃度センサと
; 前記流量計および前記濃度センサから前記電気信号を受信するように動作可能
で、且つ前記被験者が前記熱量計を通して呼吸するときに、前記被験者について
の少なくとも一つの呼吸パラメータを計算するように動作する計算ユニットと、
を備えている間接的熱量計。
16. An indirect calorimeter for measuring a subject's metabolic rate: for supporting and supporting inspiratory and expiratory gases as they breathe. A respiratory connector configured to include a sanitary barrier arranged to pass substantially all of the inspiratory and expiratory gases, the barrier passing the inspiratory and expiratory gases and A respiratory connector for blocking at least some pathogens; a first end in fluid communication with the respiratory connector for receiving and passing inspiratory and expiratory gases, and a source of respiratory gas And a flow path having a second end in fluid communication with the sink; to generate an electrical signal as a function of the instantaneous volumetric flow of inspiratory and expiratory air passing through the flow path. A configured flow meter; and a constituent gas concentration sensor operable to generate an electrical signal as an instantaneous fraction of a predetermined constituent gas in the exhaled gas as the exhaled gas passes through the flow path. Operative to receive the electrical signal from the flow meter and the concentration sensor and to calculate at least one breathing parameter for the subject as the subject breathes through the calorimeter A calculation unit,
An indirect calorimeter equipped with.
【請求項17】 請求項16に記載の熱量計であって、前記呼吸コネクタは
マスクを含み、該マスクの中に前記衛生バリアが配置されている熱量計。
17. The calorimeter of claim 16, wherein the breathing connector includes a mask and the sanitary barrier is disposed within the mask.
【請求項18】 請求項17に記載の熱量計であって、前記衛生バリアはフ
ィルター材料片を含む熱量計。
18. The calorimeter of claim 17, wherein the sanitary barrier comprises a piece of filter material.
【請求項19】 請求項16に記載の熱量計であって、前記衛生バリアは、
入口および出口、並びにそれらの間に配置された衛生バリア材料片を有するハウ
ジングを含む熱量計。
19. The calorimeter of claim 16, wherein the sanitary barrier comprises:
A calorimeter including a housing having inlets and outlets and pieces of sanitary barrier material disposed therebetween.
【請求項20】 請求項19に記載の熱量計であって、前記衛生バリアはフ
ィルター材料片を含む熱量計。
20. The calorimeter of claim 19, wherein the sanitary barrier comprises a piece of filter material.
【請求項21】 被験者の代謝速度を測定するための間接的熱量計であって
: 前記被験者が呼吸するときに吸気ガスおよび呼気ガスを通すように、前記
被験者に接触して支持されるように構成された呼吸コネクタ;および 吸気ガスおよび呼気ガスを受取って通過させるように働く流路であって、
前記呼吸コネクタに流体連通した第一の端部、並びに呼吸ガスの供給源およびシ
ンクに流体連通した第二の端部をする流路 を含む使い捨て部分と; 前記使い捨て部分を収容するために形成された凹部を備えたハウジングを含む
再使用可能部分と; 前記流路を通過する吸気および呼気の瞬間的な体積流量の関数としての電気信
号を生成するように構成された流量計であって、前記使い捨て部分における前記
流路に配置された一対の離間した超音波変換器を含む超音波流量計からなる流量
計と; 呼気ガスが前記流路を通過するときに、呼気の中の予め定められた成分ガスの
瞬間的割合としての電気信号を生成するように動作可能な、成分ガス濃度センサ
と; 前記再使用可能部分に配置された計算ユニットであって、前記流量計および前
記濃度センサから前記電気信号を受信するように動作可能で、且つ前記被験者が
前記熱量計を通して呼吸するときに、前記被験者についての少なくとも一つの呼
吸パラメータを計算するように動作する計算ユニットと、を備えている間接的熱
量計。
21. An indirect calorimeter for measuring a subject's metabolic rate: for supporting and supporting inspiratory and expiratory gases as they breathe. A respiratory connector configured; and a flow path that serves to receive and pass inspiratory and expiratory gases,
A disposable portion including a flow path having a first end in fluid communication with the breathing connector and a second end in fluid communication with a source of breathing gas and a sink; and a disposable portion formed to accommodate the disposable portion. A reusable portion including a housing with a recess, the flow meter being configured to generate an electrical signal as a function of instantaneous volumetric flow of inspiratory and expiratory air passing through the flow path, the flowmeter comprising: A flow meter comprising an ultrasonic flow meter including a pair of spaced ultrasonic transducers disposed in the flow path in the disposable portion; a predetermined in exhalation gas as the expiratory gas passes through the flow path A component gas concentration sensor operable to generate an electrical signal as an instantaneous fraction of the component gas; a computing unit arranged in the reusable part, the flow meter and the concentration A computing unit operative to receive the electrical signal from a sensor and operable to compute at least one respiratory parameter for the subject as the subject breathes through the calorimeter. Indirect calorimeter.
【請求項22】 当該装置を通る流体の流れを測定するための流量測定装置
であって: 第一の端部および第二の端部を有する細長い流れチューブと; 前記流れチューブの第一の端部を取り囲み、かつ前記第一の端部と流体連通し
た同心円状混合チャンバと; 前記同心円状混合チャンバと流体連通し他入口導管であって、それによって前
記流体が該入口導管を通って前記同心円状チャンバの中に流れ、次いで前記流れ
チューブを通って前記流れチューブの第一の端部に流れて、該第二の端部を出る
ような入口導管と; 前記流れチューブを通る体積流量を測定するように構成された流量計と、を備
えている流量測定装置。
22. A flow measurement device for measuring the flow of fluid through the device: an elongated flow tube having a first end and a second end; a first end of the flow tube. A concentric mixing chamber surrounding a portion and in fluid communication with the first end; another inlet conduit in fluid communication with the concentric mixing chamber whereby the fluid passes through the inlet conduit An inlet conduit for flowing into a cylindrical chamber and then through the flow tube to a first end of the flow tube and out the second end; measuring a volumetric flow rate through the flow tube And a flow meter configured to.
【請求項23】 請求項22に記載の流量計であって、前記入口導管は前記
細長い流れチューブに直交して延びる流量計。
23. The flowmeter of claim 22, wherein the inlet conduit extends orthogonally to the elongated flow tube.
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