JP2010139494A

JP2010139494A - 超音波の伝播速度による呼気二酸化炭素濃度の測定装置

Info

Publication number: JP2010139494A
Application number: JP2008336246A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Kageyama; 晃佑景山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2010-06-24

Abstract

【課題】呼気の二酸化炭素濃度を測定する装置を、呼吸リハビリテーション用に普及するために製造コストの低減化を図る。
【解決手段】二酸化炭素のセンサーに代わり、超音波の送信装置および同受信装置を備え、呼気中を伝播する超音波の速度を測定することにより、そのデータから別途、呼気二酸化炭素の較正で得られる呼吸商値を用いて二酸化炭素濃度へ変換する。
【選択図】図２

Description

超音波の伝播速度を測定することにより、呼気の二酸化炭素濃度を知るための装置に関する。

技術背景

本発明は、超音波の伝播速度による呼気二酸化炭素の定量法（本請求項１）に基づいている（非特許文献１参照）。
東北工業大学新技術創造研究センター紀要ＥＯＳＶｏｌ．２１（２００８）ｐ．９〜ｐ．１１

発明が開示している課題

呼気の二酸化炭素濃度を測定する従来の装置は何れも二酸化炭素を直接検出するセンサーを備えており、そのため測定機構が複雑になることから、製造コストが高くなり一般に普及することが阻まれていた。

課題を解決するための手段

呼気の二酸化炭素濃度を測定する機構を単純化することにより装置の低価格化をはかる目的で、二酸化炭素のセンサーを省略し、代わりに超音波の送受信素子を設け呼気中の超音波の伝播速度を計測する。音速のデータから二酸化炭素濃度へは、装置の呼気による二酸化炭素濃度の較正によって得られる呼吸商を用いて変換する。その内容は測定原理、較正法および呼吸商の決定の３項目に分けられる。

１．超音波の伝播速度による呼気二酸化炭素濃度の測定原理
呼気（肺胞気）は酸素、窒素、二酸化炭素を成分とする混合気体であるから、その中を伝播する音波の速度は次の（１）式によって表される。

上式においてＰは大気圧でＰ_Ａ、ρ、γはそれぞれ呼気成分の濃度、密度および比熱比である。

吸入気（大気）は２０．９３％の酸素と７８．０８％の窒素を含み、気道を通るとき約３７℃に保たれ、飽和水蒸気（４７Ｔｏｒｒ）で満たされ肺胞に入る。肺胞においては吸入気酸素と組織呼吸による二酸化炭素との間でガス交換が行われ、呼気となって排出される（滝島任他、呼吸機能検査の測定法、２０〜２６ページ、１９９４年）。

呼気は終末期の成分濃度が肺胞気とほぼ等しく次の（２）式で表される（単位：Ｔｏｒｒ）。

上式においてＲは呼吸商を表わす。
（２）式を（１）式に代入して展開するとｙ_Ａの１次の近似で（３）式が得られる。

従って呼気中の音速は大気中の音速υを用いて（４）式で与えられる。

（４）式から、呼気の二酸化炭素濃度ｙ_Ａは（５）式で表わされる。

これにより呼気に含まれる二酸化炭素の濃度は、音波の伝播速度のデータから呼吸商Ｒを用いて算定することが出来る。

２．呼気二酸化炭素濃度の較正法
較正は先ずｄｒｙｇａｓ（二酸化炭素と空気の混合ガス）によって装置の較正を行う。次に終末呼気による測定を行い、その結果を動脈血二酸化炭素濃度によって較正して達成する。これは動脈血二酸化炭素濃度が終末呼気二酸化炭素の濃度と相関していることによる。

２ａ．ｄｒｙｇａｓによる較正
ｄｒｙｇａｓの二酸化炭素の濃度ｙ_ｄを変えて音速Ｖ_ｄを測定する。なお、ｙ_ｄとＶ_ｄの関係は（２）式において呼気に代えｄｒｙｇａｓをとり、Ｒ＝∞とおくことにより（６）式で与えられる。

２ｂ．呼気二酸化炭素濃度の動脈血二酸化炭素濃度による較正
終末呼気を伝播する音波の速度Ｖ_Ａを測定する。この場合、二酸化炭素の濃度はｄｒｙｇａｓによる較正値であるから、（６）式においてＶ_ｄ＝Ｖ_Ａのときの値ｙ_ｄ（Ｖ_Ａ）である。これを動脈血二酸化炭素濃度ｙ_ａによって較正する。なお、ｙ_ｄ（Ｖ_Ａ）とｙ_ａの関係は（５）式でｙ_Ａ＝ｙ_ａとおくことにより次の（７）式によって与えられる。

３．呼吸商の決定
終末呼気二酸化炭素濃度のｄｒｙｇａｓ較正値ｙ_ｄ（Ｖ_Ａ）および動脈血二酸化炭素濃度ｙ_ａのセットの臨床データを収集し、それらに（７）式を適合させることにより統計学的に呼吸商Ｒの値を導出する。この関係を図１に示す。

図１において
縦軸：動脈血二酸化炭素濃度（Ｐ_ａＣＯ_２）
横軸：終末呼気二酸化炭素濃度のｄｒｙｇａｓ較正値（Ｐ_ｄＣＯ_２）

本発明の実施例を図２、図３および図４について説明する。

［図２］および［図３］は本発明における超音波の伝播速度を測定するための空洞の断面図である。空洞の中央部にサンプル呼気の注入口があり、両端は開放されていてそこに超音波送信器および同受信器が配置されている。終末呼気はシリンジにより直接、口腔から採取される。注入される呼気は空洞両端から排出され、その間に音速が計測される。

［図３］は超音波の伝播速度を計測する回路のブロックダイアグラムである。超音波の送信波と受信波の位相差を検出することにより遅延時間を測定し、そのデータからマイクロコンピュータによって二酸化炭素濃度に変換し表示する。

動脈血二酸化炭素濃度（Ｐ_ａＣＯ_２）と終末呼気二酸化炭素濃度のｄｒｙｇａｓ較正値（Ｐ_ｄＣＯ_２）の関係を示す概念図である。超音波の伝播速度を測定する空洞の構造を示した断面図（立面図）である。超音波の伝播速度を測定する空洞の構造を示した断面図（上面図）である。超音波伝播速度の計測回路のブロックダイアグラムである。

Claims

超音波の伝播速度による呼気二酸化炭素の定量法