JP2008530532A - 分析中の呼気の流れ制御 - Google Patents

Abstract

分析装置を通る呼気のガスサンプルの流量は、ポンプ、ある実施形態では２つのポンプによって制御される。装置を通るメインストリームから分岐する第２ストリームの検体センサーの配置は、センサーに接触して配置される呼気の方法、持続時間、量の更なる制御を提供する。

Description

これは、２００５年２月７日の同時継続、米国特許出願第１１/０５３，０４７の一部継続出願であり、その内容は、参照することによりこの明細者に取り込まれる。

本発明は、呼気分析のためのシステムと方法の分野に関する。

被験者の呼気の分析は、いくつかの生理学的条件の診断と管理を含む、多くの用途に価値がある。喘息で苦しむ人間の呼気の酸化窒素（ＮＯ）の変化は、例えば、喘息の発作の可能性の増加を示しうる、人間の気道の炎症レベルの変化を示すことが可能である。呼気の別の構成要素で、その濃度が生理上の異常に関連するのは一酸化炭素であり、その濃度の上昇は、溶血性黄疸の発病の初期症状の可能性がある。また更なる例は水素であり、その上昇は炭水化物の吸収不良を示すことが可能である。これらのガスは、通常微量存在し、明確には、濃度で十億分の一（PPb)であり、検出されることができない異常を示す濃度の変化も、１０億分の一である。

呼気の分析器の有用性と信頼性は、温度、湿度および息の流れによって制限され、それらのうちどれかは、分析結果を妨害する可能性があり、分析結果に影響する。これらの要因による妨害は、微量の検体を計測するために分析器が使用されるときに、特に深刻である。従って、呼気に微量の検体の量を見つけようとするいかなる装置もそれらの要因の影響を最小限にするか、それらの存在を補正しなければならない。

これらの要因の中で、制御するのが最も難しいのは、分析装置を通る、被検者の呼気の流量である。息の流量を制御する、従来技術の荒っぽい方法は、分析器の設計流量からの偏差を補正するために、被検者に、息をはくのを早めに、または遅めにするよう指示する。この方法は、流量を調整する被検者の能力により、特に被検者が子どものときに、制限される。通常、幅広い濃度範囲にわたる微量なガスの分析は、非現実的である。別な方法としては、分析器に可変通気抵抗を有し、偏差を補正するために抵抗を変える。この能力を組み込む装置は、モイラネン,E（Moilanen, E）らの２００４年５月１１日発行の米国特許ＵＳ第６，７３３，４６３Ｂ１号で、開示される。モイラネンらの特許の装置は、装置の内側に質量流メーターからの信号により制御される、機械的または電気的に制御されるスロットルを含む。残念なことに、モイラネンらの装置は、複雑で、フィードバック制御の下で多くの構成要素を必要とする。

本発明は、被験者の呼気を直接受容するように構成されたハウジング、呼気が移動するハウジング内部の流入通路、流入通路内の検体検出部、および被験者がハウジングに息を吹きこむ量を制御し、呼気が制御された量で通路を流れていくようにするためのポンプ、またはポンプシステムを有する呼気分析装置に属する。本発明は、微量なものを含む、さまざまなガスの検体の分析に使うことができ、特に酸化窒素の数量化に関係する。

本発明は、さまざまな構成を受け入れる余地があるが、本発明を画定する特徴と新規性は、具体的な実施形態を詳細にレビューすることで最も良く理解できる。そのような３つの実施形態が図面と以下の記載により示されている。

図１は、本発明に係る分析装置の機能部品を構成する構成要素の回路１０を表している。装置そのものは、使用者の呼気を捕らえられるように、使用者に直接、またはマウスピースを通じ着用させる、または取り付けることができる、マスクまたは類似した装置とすることができる。呼気は吸気口１１より装置に入る。呼気の圧力は、予測される呼吸圧の範囲に適合した作動領域を有する装置内の圧力センサー１２により検出される。第１実施形態では、この範囲は５〜２０ｃｍ水柱（約０．４５〜１．８psig）で、この範囲の下限値は、通常の使用者の軟口蓋を閉じるのに必要な圧力であり、上限圧力は通常の使用者が不快を感じる値である。ポンプ１３は、さまざまな方法で操作が可能である。例えば、センサーが検知した圧力が閾値に達した場合、上述した範囲の下限値である可能性があり、ポンプ１３は圧力センサーからの信号を受けて作動し、装置内への呼気が継続し、圧力が最終的に下限値よりも下がったときは、ポンプの作動を止めることができる（ＯＦＦする）。適当なポンプの一例は、米国ニュージャージー州トレントンにあるＫＮＦ Ｎｅｕｂｅｒｇｅｒ社のモデル番号ＵＮＭＰ５０である。このポンプは、６６．７ｃｍ³/ｓのフリーフロー能力、４００ｍｂａｒ（６３ｃｍＨ₂Ｏ）の最大真空、および０．５ｂａｒ（７９ｃｍＨ₂Ｏ）の最大継続圧力を有する。ポンプは、規定の範囲にわたり、被検者の口腔内圧の変化にかかわらず、略一定に流量を維持するために、注入口の圧力に充分耐えることができるのが好ましい。他の構造としては、ポンプはフィードバックのための圧力センサー１２を用いた閉ループ制御装置を備えることができる。

装置を通り抜ける息の流路内におけるオプションの構成要素はフロー抵抗器１４であり、本実施形態では圧力センサー１２の下流、およびポンプ１３の上流に位置する。本発明のある実施形態では、第１抵抗器１４の下流であるがポンプ１３の上流に第２フロー抵抗器１５が流路に同様に含まれる。このフロー抵抗器、または両方のフロー抵抗器は、望ましい流量、例えば５０ｃｍ³／ｓに流れを制限し、使用者の口、喉、または気道内の圧力を増加させるのを助ける。フロー抵抗器の一例は、直径約０．１１ｃｍの円径の開口式の固定オリフィスである。その他の形式のフロー抵抗器は当業者には明らかであり、オリフィスの代わりに使用することができる。フロー抵抗器は、システムをポンプ１３の仕様に調整する役目を果たすことができる。

第１抵抗器は、記号Ｒｉでここに示される抵抗を与える。本実施形態における第１抵抗器１４の下流の流路は、メインストリーム１６とサイドストリーム１７の二つのストリームに分岐される。ここで、これらのストリームは、それぞれ第１ストリームと第２ストリームとも呼ぶ。第２抵抗器１５はメインストリーム１６内に在り、可変でも固定でもよく、記号Ｒｐでここに示される抵抗を与える。可変抵抗器の例は、モーター制御ニードルバルブ、ソレノイド制御ニードルバルブ、手動ニードルバルブおよび、ピンチチューブバルブがあり、これらすべてが流れに抵抗を与える。固定抵抗器の例は、不可変オリフィスである。サイドストリーム１７は、シャットオフすなわち、開閉バルブであるのが好ましいサイドストリームバルブ１８と、サイドストリームに流れさせる、またはサイドストリームに流れるのを阻止し、その結果２つのストリーム間の流れの分配を制御する抵抗器１９を有している。本出願に適したシャットオフバルブの例はソレノイドバルブであるが、その他の例は当業者には明らかであろう。息の吐き出しの開始からある一定時間後に、サイドストリームバルブ１８は、メイン、サイドストリームを通って同時に呼気の流れが存在するように開くことができる。バルブは、例えば、装置へ呼気が流れ始めてから７秒後に開き、装置へ呼気が流れ始めてから１０秒まで継続して開くように設定することができる。このプロトコルでは、テストの最初の７秒間は、すべての呼気がメインストリーム１６を通り、次の３秒間はメイン、サイドストリーム１６，１７の両方を通ることになる。

サイドストリーム１７は、サイドストリームを通過する呼気に含まれる検体（酸化窒素、またはその他）のレベルを検出する検体センサー２１を有する。検体センサー２１はまた流路抵抗を与え、別のサイドストリーム抵抗器１９の必要性を排除することができる。図１におけるそのような実施形態の説明では、サイドストリーム抵抗器１９は検体センサー２１に組み込まれている。サイドストリームバルブ１８は、サイドストリームに流路抵抗を設けることもでき、その結果サイドストリーム抵抗器１９は、バルブ１８に組み込まれることも可能である。一般に、サイドストリームの流路抵抗は、ここでは記号Ｒｓで示されている。オプションとしてサイドストリームは、炭酸ガス吸収装置のようなその他の構成要素（図示せず）を有してもよい。チェックバルブ２２は、逆流を防ぐためにサイドストリームに含まれる。

装置１０内の呼気の一定流量は、さまざまな方法で維持できる。ひとつの方法は、サイドストリーム抵抗器１９が不可変抵抗Ｒｓである一方で、抵抗Ｒｐが可変であるメインストリーム抵抗器１５を用いることである。サイドストリームバルブ１８が閉じている時に、メインストリーム抵抗器は、Ｒｐ１の値を有し、サイドストリームバルブ１８が開いた時に、Ｒｐ２へ値が変更するようにプログラムまたは設定することができる。Ｒｐ１およびＲｐ２の抵抗レベルの選択は、フローストリーム内の、例えば電圧やポンプ能力に加えて、他の抵抗、バルブなどの他の構成要素からの抵抗によって、ある程度影響されてもよい。

図１に示される実施形態では、メインストリーム１６とサイドストリーム１７は、装置のアウトレット２４の上流で一つの通路２３に再び結合される。ポンプ１３は、メインストリーム１６とサイドストリーム１７が再び結合する位置の下流に配置されるので、ポンプ１３は、それぞれのストリームを個々に制御するというよりむしろ、システムの全体的な流れを制御する。センサー１２の下流のポンプ１３の配置は、またポンプの流出物でセンサーが汚染される危険を回避する。

ポンプの圧力降下の一連の値の一例、装置全体を通る流量、装置を流れる５０Ｃｍ³／ｓの流量用の様々な抵抗が、次の表１にリストで記載されている。この例では、メインストリームＲｐの抵抗は可変であるが、残りの抵抗ＲiとＲsは一定である。表１とその後の表で使用される記号は以下の通り：
ΔＰ ポンプ１３の圧力降下を示す。
Ｒi 第１（上流）抵抗１４により与えられる抵抗を示す。
Ｒp メインストリーム抵抗１５によって与えられる抵抗を示す。
Ｖ 装置を流れる呼気の全流量を示す。

上の例では、Ｒpの二つの値（Ｒｐ１とＲｐ２）は、サイドストリームバルブが開いているときに、検体センサー２１を通る８ｃｍ³/ｓの流量で、テストの間一定の流量５０ｃｍ³/ｓを維持するように、即ちメインストリームのサイドストリームに対する流量比は、４２対８で、選択される。この流量を達成するために、Ｒｐ２のＲｓに対する比は、８/４２＝０．２９で、サイドストリームバルブが閉じられたときに同じ流量が生じて、Ｒｐ１のＲｐ２に対する比は、４２/５０＝０．８４であると仮定される。それ故、呼気の最後の３秒間、サイドストリーム１７が開いているときに、息は、流量８ｃｍ³/ｓサイドストリームを通って流れるが、残りは、４２ｃｍ³/ｓでメインストリーム１６を通って流れる。

第２実施形態では、全ての抵抗器の抵抗は、ポンプの流量が変化する間、一定を維持する。この構成は、サイドストリームが開いたときに生じる全流路の抵抗の変化を補正するために、ポンプの圧力降下の変化を利用する。メイン抵抗器１５の抵抗Ｒｐのサイドストリーム抵抗器１９に対する比は、例１と同様に再び、８/４２=０．２９である。

図２は、本発明の範囲内ではあるが、単一のポンプではなく２つのポンプを有するシステム３１を示す。図１で示したシステム１０と同様に、呼気は、単一のインレット３２で図２のシステム３１に入り、単一のアウトレットから出て、システムは分割分岐点３６でメインストリーム３４とサイドストリーム３５に分けて、二つのストリームは、下流分岐点３７で再び結合する。第１ポンプ３８は二つのストリームが最初に形成される分岐点３６の下流のメインストリーム３４にあり、第２ポンプ３９はサイドストリーム３５にある。第２ポンプは、サイドストリームを通るフロー抵抗器の変化、特に抵抗が検体センサー４２の中にあるときに、補正することができる。第２ポンプはまた、メインストリーム３４とサイドストリーム３５のために設定される、独立した流量を可能にする。その独立した流量は、構成要素の交換なしに、ソフトウェアまたはリアルタイムで設定可能である。図２で示される実施形態では、第２ポンプは、検体センサー４２の下流であり、ポンプの流出物は、センサー４２によって発せられる信号を妨害しない。

図１の単一ポンプのように、図２の２重ポンプシステムは、可変速ポンプに加えて、可変抵抗を提供する抵抗器を利用できる。サイドストリームバルブ４３は、２重ポンプシステムで示される。あるいは、サイドストリームバルブ４３は、サイドストリームの流れを開いて閉じるために、第２ポンプ３９自体を使用することによって、取り除くことができる。図３では更なる変更が示され、メインストリームとサイドストリームが再結合する（図２参照のこと）、分岐３７が除去されて、メインストリーム３４およびサイドストリーム３５別々のアウトレット５１，５２をそれぞれ通って、別々に放出する。

この図の各々で示されるようなサイドストリームの使用（図１の要素１７と図２、３の要素３５）は、さまざまな利点を提供する。サイドストリームに配置された検体センサー２１と４２により、検体センサーを通過する呼気の流量を減少することが可能で、小さな検体センサー、特に、その小さな大きさにより、検体に素早く反応するセンサーが、その結果、使用されることが出来る。サイドストリームを通る流量は、それ故、５ｃｍ³/ｓ〜１１ｃｍ³/ｓの範囲で、またある実施形態では６ｃｍ³/ｓ〜１０ｃｍ³/ｓの範囲で、または７ｃｍ³/ｓ〜９ｃｍ³/ｓの範囲の流量に制限されることが可能である。このことは、メインストリームを通る流れが、例えば４０ｃｍ³/ｓ〜４５ｃｍ³/ｓのような高い流量を生じる間に、なされることが可能である。更に、装置全体を通過する息の一部は、計測前に、サンプルをセンサーに放置するように、接触時間が延長されるためにセンサー領域に保持されることが可能である。通常の放置時間は１分である。センサーは、その後、分析または計測のために取り除かれることが可能である。放置は移動するストリームのリアルタイムの解析を行なうには、遅すぎて応答できないセンサーにとって役に立つ。また更に、サイドストリーム内の検体センサーの配置は、装置全体を通る流れが止まる前に、ユーザが、センサーを通る複数サイクルの息を通過させること可能にする。例えば、体積５０ｃｍ³/ｓを有するセンサーと呼気８．０ｃｍ³/ｓを収容するサイドストリームにより、サイドストリームを３．０秒開けさせることが、最後の５．０ｃｍ³/ｓがサイドストリームに閉じ込められる前に、呼気２４．０ｃｍ³/ｓをセンサーに通させる。サイドストリームが開いたままにされる期間の例は、連続１〜１０秒、連続１〜７秒および１〜５秒である。これは、分析する前にセンサーを洗浄するのに役立ち、それにより、センサーが分析前に接触している無関係のガスをセンサーから取り除く。サイドストリームを通る流れの開始は、装置全体を通る呼気の流れを開始した後にまた、洗浄するため、または平衡状態を保つために選択した間隔で、遅らせることが可能である。本発明のある実施形態では、例えばサイドストリームの開口は装置を通る呼気の流れを開始した後に５秒〜９秒の間の間隔で遅らせられ、ある他の実施形態では、その間隔は６秒〜８秒の間の間隔である。子どもにとっての最適な間隔と大人にとっての最適な間隔は異なってもよい。

サイドストリームシャットオフバルブ、別のサイドストリームポンプまたはその両方を含むことにより、サイドストリームは、「流れを止める操作」と呼ばれるモードで、システムが作動することを可能にする。流れを停止することは、システムに、流れシステムで可能なよりも更により長い期間維持される安定したテスト環境を作ることを可能にする。上述したように、静止した流れにさらされる、詳細な時間は実例であり、より長いまたはより短い、流れにさらされる時間が同様に使用できる。

ここで説明したシステムおよび構成は、例えば一酸化炭素などのわずかな量しか存在しないガスを含む呼気の多くの異なった検体の分析に使用されることができる。この明細書および添付の特許請求の範囲の目的では、「微量なガス」の表現は、その濃度が百万分の１（体積で）未満であることを示し、好ましくは、検体の重要性と特別な生理状態、またはそのような生理状態の発現を示す変化の範囲により示さされる。本発明は、一酸化窒素を計測するために、ゾルゲル状態のキセトゲルのシトクロムＣを有するセンサーに関連して特に利点がある。このタイプのセンサーと関連技術が次の審査中の米国特許出願、公開された米国特許出願および特許された米国特許で開示されている。２００５年２月７日に出願された米国特許出願ＵＳ第１１/０５３，０４６号、２００５年２月５日に出願された米国特許出願第１１/０５３，２５３号、２００４年１月２９日に公開されたＵＳ２００４-００１７５７０Ａ１号（２００２年１２月３０日に出願された、出願第１０/３３４，６２５号）、２００５年３月１０日に公開されたＵＳ２００５-００５３５４９号（２００３年９月１０日に出願された、出願第１０/６５９，４０８号）２００５年４月２１に公開されたＵＳ２００５-００８３５２７Ａ１号（２００４年１月２８日に出願された、出願第１０/７６７,７０９号）、１９９８年８月１８日に登録された米国特許第５，７９５，１８７号および２０００年１月４日に登録された米国特許第６，０１０，４５９号。この明細書で引用されている全ての特許および特許出願の開示は、参照することにより本明細書に取り込まれる。

上述したものは、例示の目的として主に提供され、本名発明の範囲から逸脱することなしに、修正されることが可能である。例えば、ポンプの位置は変えることが可能である。単一のポンプが使用されるとき、ポンプは、流れの通路が二つのストリームに分けられる、分岐の上流に配置されることが可能であり、一つまたは二つのポンプのいずれかを使用するときには、ポンプまたは複数のポンプは、センサーの上流に配置されることが可能である。本発明の更なる修正および実施形態が、当業者に容易に明らかになる。

本発明の特徴を具体化する分析装置の構成要素の図である。 本発明の特徴を具体化する第２分析装置の構成要素の図である。 本発明の特徴を具体化する第３分析装置の構成要素の図である。

Claims (33)

1. 呼気の検体を検出する装置であって、
   前記装置は、
   流入通路を有し、被検者からの呼気を受容するようにされたハウジングと、
   前記流入通路に保持される前記検体に反応する検体検知要素と、
   被検者から前記呼気を引き出し、制御された割合で前記流入通路に通すポンプ手段と、を有する装置。
2. 前記ポンプ手段は、前記流入通路の前記検体検知センサーの下流である、請求項１に記載の装置。
3. 前記流入通路に入る呼気の圧力を検出するように配置された圧力センサーを更に有する、請求項１に記載の装置。
4. 前記導管（前記流入通路）の中にフロー抵抗手段を更に有する請求項１に記載の装置。
5. 前記流入通路は、第１通路と該第１通路から分岐する第２通路とを有する、請求項１に記載の装置。
6. 前記検体検知要素は、前記第２通路にある、請求項５に記載の装置。
7. 前記流入通路は、前記流入通路の上流の分岐点で、前記第１通路と前記第２通路に分割し、前記第２通路は、前記流入通路の下流の分岐点で、前記第１通路に再び結合する、請求項５に記載の装置。
8. 前記流入通路は、前記流入通路の上流の分岐点で、前記第１通路と前記第２通路に分割し、前記第１と前記第２の通路は、別々に通気する、請求項５に記載の装置。
9. 前記ポンプ手段は、前記下流の分岐点の下流に単一のポンプを有する、請求項７に記載の装置。
10. 前記ポンプ手段は、前記第１通路の第１ポンプと前記第２通路の第２ポンプと、を有する、請求項５に記載の装置。
11. 前記ポンプ手段は、前記第１通路の第１ポンプと前記第２通路の第２ポンプと、を有する、請求項７に記載の装置。
12. 前記第２通路への流入を可能する、または第２通路への流入を妨げるように、配置されるシャットオフバルブを更に有する、請求項５に記載の装置。
13. 前記サイド通路（第２通路）にチェックバルブを更に有する、請求項５に記載の装置。
14. 前記フロー抵抗手段はオリフィスである、請求項４に記載の装置。
15. 前記フロー抵抗手段は、可変フロー抵抗器である、請求項４に記載の装置。
16. 前記第１通路の第１フロー抵抗器と前記第２通路の第２フロー抵抗器と、を更に有する、請求項５に記載の装置。
17. 前記第１フロー抵抗器は、可変フロー抵抗器である、請求項１６に記載の装置。
18. 前記検体検知要素は、ゾルゲル状のシトクロムＣである、請求項１に記載の装置。
19. 被検者から呼気の検体の量を決定する方法であって、
    前記方法は、前記流入装置と一体になるポンプを使用して、一定流量で前記被検者から呼気を引き出して、流入装置に流すことを含み、前記流入装置は、前記検体に反応する検知要素を有する、方法。
20. 呼気圧を検知して、呼気を前記流入装置に引き入れることを更に含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記流入装置は、第１通路と、第２通路に前記検知要素を有する前記第２通路を有し、前記方法は、呼気を分割し、前記呼気を前記流入装置に引き込み、前記第１通路を通る第１ストリームと、前記第２通路を通る第２ストリームと、に引き込むことを含む、請求項１９に記載の方法。
22. 単一のポンプによって、前記第１通路と前記第２通路を通して前記呼気を引き込むことを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記通路の各々にある別のポンプによって、前記第１通路と前記第２通路を通じて、前記呼気を引き込むことを含む、請求項２１に記載の方法。
24. 前記流入装置は前記第２ストリームにシャットオフバルブを有し、前記方法は更に選択された期間、前記第２ストリームの前記検知要素に接触する前記呼気のサンプルを、保持することを含む、請求項２１に記載の方法。
25. 前記呼気は、５ｃｍ³/ｓ〜１１ｃｍ³/ｓの流量で前記第２ストリームを通して引き込まれる、請求項２１に記載の方法。
26. 前記呼気は、６ｃｍ³/ｓ〜１０ｃｍ³/ｓの流量で前記第２ストリームを通して引き込まれる、請求項２１に記載の方法。
27. 前記呼気は、７ｃｍ³/ｓ〜９ｃｍ³/ｓの流量で前記第２ストリームを通じて引き込まれる、請求項２１に記載の方法。
28. 前記呼気は、４０ｃｍ³/ｓ〜４５ｃｍ³/ｓの流量で前記第１ストリームを通じて引き込まれる、請求項２１に記載の方法。
29. 前記装置を通る呼気の流れが開始した後、５秒から９秒の間の間隔で、前記第２通路に流入することを可能にするように、前記シャットオフバルブを開けることを更に含む、請求項２４に記載の方法。
30. 前記間隔は、６秒〜８秒の間である請求項２９に記載の方法。
31. １秒〜１０秒の間の継続時間、前記第２通路を通る前記流れを維持することを更に含む、請求項２９に記載の方法。
32. 前記継続時間が１秒〜７秒の間である、請求項３１に記載の方法。
33. 前記継続時間が１秒〜５秒の間である、請求項３１に記載の方法。

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