JP2013088115A

JP2013088115A - 皮膚ガス採取器具

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Publication number: JP2013088115A
Application number: JP2011225448A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ikeda; 貴司池田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2013-05-13
Also published as: US20130096460A1

Abstract

【課題】皮膚表面から放出されるガスを採取する際に、空気の混入を防止する。
【解決手段】皮膚ガス採取器具が、管状開口部を構成する筐体１１０と、筐体の内側面に沿って設けられた管状可とう性膜部材１２０と、筐体に気密性を持って繋がれたガス採取容器１４０を有し、管状可とう性膜部材１２０は、その両端部が筐体の内側面に密着して、筐体の内側面との間に密閉された空間を形成し、密閉された空間に流動性物質が供給されると、管状可とう性膜部材が管中心に向かって膨らむ。管状可とう性膜部材の厚さtと、管状可とう性膜部材の単位長さの立方体を一方向に単位長さ伸ばすに要する力σとの積の値が、下記不等式を満たす。

【選択図】図１

Description

本発明は、皮膚表面から放出されるガスを捕集する器具に関する。

近年、生物の皮膚表面から放出されているガス（以下、「皮膚ガス」と呼ぶ。）に含まれる成分の種類や濃度を観測することにより、健康状態など、その生物の体内の状態を診断することを目的として、体内の物質と、それに関連する皮膚ガス中の成分との相関について調査研究が行われている。例えば、皮膚表面から放出されるガス成分中のアセトンの濃度と、その生物の血液中のβ−ヒドロキシ酪酸の濃度との相関が調べられている（非特許文献１）。

皮膚ガス中の成分の濃度を測定するために、何らかの採取器具を用いて生物から皮膚ガスが採取される。通常、皮膚ガスを採取する部位は手、足、指などであり、これらの採取部位を容器中に挿入して皮膚ガスを捕集すればよいのであるが、このとき容器内に空気が混入しない様に留意する必要がある。例えば、人の手の皮膚表面から放出されるガスを採取する装置として、挿入口として管状開口部を有するサンプリングバッグであって、ガス放出部位（手）を管状開口部から挿入して皮膚ガスを捕集する際に、サンプリングバッグの管状開口部の内面と手首とを密着させるために、当該管状開口部の内面に、可とう性材料からなるエアバッグをガス放出部位の保持部材として装着し、これに血行を阻害しない程度、例えば大気圧（ほぼ１気圧）より３０〜４０ｍｍＨｇ高い圧力の空気を注入するものが提案されている（特許文献１）。

特開２００７−１５５３８５号公報

野瀬和利，近藤孝晴，荒木修喜，津田孝雄：分析化学：Ｖｏｌ．５４，ｐ．１６１（２００５）

特許文献１に記載されたエアバッグ状の保持部材は、ガス放出部位の根元（手首など）を簡便に保持することが可能である点で利便性が高い。しかしながら、このエアバッグ状の保持部材は、外周を剛体である管状開口部筐体で覆われているため、これに空気を注入すると管状開口部の中心に向かって膨らみ、これにより保持部材の表面の管内周方向の長さが短くなるために、この保持部材の表面が手首などの皮膚に密着する部分において管長さ方向に単数または複数の皺（折れ目）を生じ、ここから空気が混入してしまうという問題がある。

本発明は、この問題を解決するために鋭意検討されたものである。すなわち本発明は、皮膚ガス採取部位を挿入するための管状開口部を構成する筐体と、該筐体の内側面に沿って設けられた管状可とう性膜部材と、該筐体に気密性を持って繋がれたガス採取容器を有し、該管状可とう性膜部材は、その両端部が該筐体の内側面に密着して、該筐体の内側面との間に密閉された空間を形成し、該筐体は、該密閉された空間に流動性物質を供給あるいは排出するための流動性物質供給排出口を有し、該密閉された空間に流動性物質が供給されると該管状可とう性膜部材が管中心に向かって膨らみ、これにより該管状可とう性膜部材が該管状開口部に挿入された皮膚ガス採取部位に密着して保持するように構成され、該管状可とう性膜部材の厚さｔと、該管状可とう性膜部材の単位長さの立方体を一方向に単位長さ伸ばすに要する力σとの積の値が、流動性物質の限界圧力Ｐ_ｍａｘ、該管状可とう性膜部材の長さｓ、該管状開口部の半径Ｒ、該管状可とう性膜部材が密着する皮膚ガス採取部位の領域を円柱で近似したときの該領域の半径ｒ、皮膚ガス採取部位を保持したときに該可とう性膜部材に発生する折り目の数Ｎで表される、下記不等式（１）を満たすことを特徴とする皮膚ガス採取器具を提供し、これにより上記問題を解決する。

本発明の皮膚ガス採取器具を用いて、皮膚ガスを採取することにより、被検体である生物に肉体的、あるいは精神的苦痛を与えることなく、かつ空気が混入することなく、簡便に皮膚ガスを採取することが可能である。

本発明の皮膚ガス採取器具を説明する模式図である。本発明の皮膚ガス採取器具の管状可とう性膜部材が管中心に向かって膨らんだ状態を示す模式図である。図２のＴ−Ｔ’面に沿った模式断面図である。本発明の皮膚ガス採取器具の管状可とう性膜部材の可とう性条件を説明するための幾何学図である。本発明の皮膚ガス採取器具の筐体に施す溝を説明するための模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の皮膚ガス採取器具を説明する模式図である。本発明の皮膚ガス採取器具は、手や足あるいは指等の皮膚ガス採取部位を挿入するための管状開口部を構成する筐体１１０と、該筐体の内側面に沿って設けられた管状可とう性膜部材１２０と、該筐体に気密性を持って繋がれたガス採取容器１４０とを有する。該管状可とう性膜部材は、その両端部が該筐体の内側面に密着して、該筐体の内側面との間に密閉された空間を形成する。一方、該筐体は、流動性物質供給排出口１３０を有し、該密閉された空間に対して圧力がコントロールされた流動性物質を流動性物質供給排出口を通じて供給および排出する。該密閉された空間に流動性物質が供給されると該管状可とう性膜部材は管中心に向かって膨らみ、これにより該管状可とう性膜部材は該管状開口部に挿入された皮膚ガス採取部位に密着して保持することになる。

したがって、筐体１１０および流動性物質供給排出口１３０は、流動性物質の圧力を受けても著しい変形を伴わない程度の強度を有することが求められる。また、ガスの放出や透過が少なく、皮膚ガスの成分を吸着しにくい材料であることも求められる。そのような材料として、ガラスや金属、プラスチックなど様々な材料を使用することが可能であるが、テフロン（登録商標）樹脂やステンレスが特に好適に用いられる。

ところで、皮膚ガス採取部位が、管状可とう性膜部材１２０を流動性物質供給排出口１３０に強く押し付けてこれを塞いでしまうと、流動性物質が密閉された空間に流入できず該管状可とう性膜部材が膨らまない可能性が有る。そこで、流動性物質供給排出口１３０は、複数設けるか、あるいは、図４に示す様に、筐体１１０の内側面に該流動性物質供給排出口を通る溝１１１を形成し、管状可とう性膜部材１２０で塞がれない様にすることが好ましい。図４においては、一周に渡り溝が形成されているが、必ずしもそのような形状である必要は無く、容易に塞ぐことのできない程度の長さが有れば良い。

流動性物質は筐体１１０と管状可とう性膜部材および流動性物質供給排出口１３０に対して化学的に安定で、かつ流動性が高く、圧力異常が生じたときなどに、皮膚ガス採取部位にかかる圧力を瞬時に大気圧に戻すことが可能であるものが好ましく、例えば空気が用いられる。

管状可とう性膜部材１２０は、それを構成する材料からなる単位長さの立方体を一方向（膜面方向）に単位長さ伸ばす時に要する力σと、その力に対して垂直方向となる当該膜部材の厚さｔの積σｔが式（１）を満たす特性を有するものでなければならない。ここで、Ｐ_ｍａｘは限界圧力、すなわち管状可とう性膜部材を膨らませるために加える圧力（大気圧との差）の限界値であり、対象とする生物に肉体的、精神的ダメージを与えない圧力の上限である。ｓは、圧力を印加していないときの管状可とう性膜部材の長さである。Ｒは、管状開口部の半径（より精確には管状開口部の半径から膜部材の厚さｔを引いた値）である。また、ｒは管状可とう性膜部材が密着する皮膚ガス採取部位の領域を円柱で近似したときの当該領域の半径であり、原則として当該領域の最小半径である（図２および図３参照）。なお、Ｎは管状可とう性膜部材に発生する折り目（皺）の数である。発生する皺の数は、管状可とう性膜部材の材質や当該密着する領域の外径に依存する。

管状可とう性膜部材の特性が式（１）で制限されることを以下に詳細に説明する。

図２は、本発明の皮膚ガス採取器具が、半径ｒの円柱状の物体を保持した状態を模式的に示している。つまり、皮膚ガス採取部位が管状可とう性膜部材１２０によって保持される領域を円柱形状に近似して考える。管状可とう性膜部材１２０と筐体１１０との間に形成される密閉された空間に、大気圧よりも高い圧力の流動性物質を注入することで、管状可とう性膜部材が中心に向かって膨らみ、３箇所に折り目（皺）が形成されている様子を模式的に示している。ただし、皺の数は、保持される領域の大きさや管状可とう性膜部材の特性により異なり、以下の説明では皺の数をＮとして一般化している。上記密閉された空間内の圧力が大気圧であり、変形していない状態の管状可とう性膜部材１２０と、線分ＯＱ’の延長線との交点をＱとする。ただし、点Ｑ’は折り目と折り目の中間点である。管状可とう性膜部材１２０が膨らんで皮膚ガス採取部位の所定領域を保持すると、点Ｑは点Ｑ’の位置に移動する。一方、折り目と皮膚ガス採取部位との接点をＴ’とする。点Ｔ’は管状可とう性膜部材１２０が膨らんでいないときには点Ｔにあったものであり、円弧ＱＴの長さと円弧Ｑ’Ｔ’の長さはほぼ等しいと考えてよく、πｒ／Ｎである。管状可とう性膜部材１２０は、この点Ｔ（点Ｔ’）で最も大きく変形し、隙間なく皮膚ガス採取部位を保持しなくてはならない。つまり、点Ｔが点Ｔ’まで移動するために管状可とう性膜部材に加える圧力が、隙間なく皮膚ガス採取部位を保持するために要する圧力である。

線分ＴＴ’を含む平面での断面を図３に示す。大気圧よりも高い流動性物質を注入することにより、管状可とう性膜部材１２０は、この断面上において引っ張り応力Ｆを生じて伸びていることが分かる。ここで、隙間なく皮膚ガス採取部位を保持するためには、管状可とう性膜部材がどれだけ伸びればよいかを考える。図４は、図２中に記載されている等脚台形ＴＷＴ’Ｖの寸法を説明する図である。この図から分かる様に、線分ＴＴ’の長さｌは、式（２）の様に記述される。

管状可とう性膜部材１２０の伸びΔｓは（π ｌ２ｌ）であるから、式（２）より式（３）の様に記述される。

長さｓの管状可とう性膜部材をΔｓ伸ばすために必要な伸ばす方向に平行な力（そのときに生じる引っ張り応力）Ｆは式（４）で記述される。

力Ｆは、図３中に記載している様に互いに直交する方向で管状可とう性膜部材に加わる。したがって、流動性物質によって管状可とう性膜部材に印加される圧力Ｐは、これら２つの力Ｆの合力と釣り合うことから、式（５）が導かれる。

式（５）をσｔについて解くと式（６）が導かれる。

生物に圧力を印加して、皮膚ガス採取部位を保持する場合、強い圧力の印加により不快感を与えるなどの問題が有り、印加可能な圧力には上限が存在する。この圧力の上限をＰ_ｍａｘとすると、σｔは式（１）の不等式を満たす必要がある。

皮膚ガス採取部位を覆い、皮膚ガスを捕集するために、皮膚ガス採取容器１４０が、空気の混入が無い様に気密を保って筐体１１０に繋がるように取り付けられる。皮膚ガス採取容器は、ガスの放出や透過が少なく、皮膚ガスの成分を吸着しにくい材料であることが求められる。皮膚ガス採取容器１４０は、その容積が可変であっても、不変であってもどちらでも構わない。容積が可変であるようにするには、材料として弗化ビニルフィルムなどを用いればよい。また、容積が不変であるようにするには、材料としてテフロン（登録商標）樹脂やステンレスなどを用いればよい。

皮膚ガス採取の方法を大別すると、キャリアガスを流しながら皮膚ガスを採取するフロー系と、一切のガスの流出入を行わない密閉系がある。フロー系を実現するためには、図１に示すように皮膚ガス採取容器１４０にキャリアガス注入口１５０を設ける。注入したキャリアガスが皮膚ガス採取部位表面に広く接する様に、キャリアガス注入口１５０は、皮膚ガス採取部位挿入口１１０の取り付け位置に近い箇所に設けることが好ましい。また、皮膚ガス採取容器１４０内のガスを取り出すために、ガス取り出し口１６０を設ける。フロー系の場合は、ガス取り出し口１６０の先に、測定分析装置にガスを注入するためのガス採取器具を取り付けてもよいし、ガス取り出し口を測定分析装置に直接接続してもよい。一方、密閉系の場合は、空気の混入を防ぐため、栓をしたり、バルブを設ける。キャリアガス注入口１５０とガス取り出し口１６０の材料としては、流動性物質供給排出口１３０と同様に、テフロン（登録商標）樹脂やステンレスなどが好適に用いられる。

管状可とう性膜部材に印加する圧力の限界値Ｐ_ｍａｘを、ヒトを被検体として調べた。圧迫の検討を行った部位は、手首、と手の指とした。この中で、第三指（中指）の基節を保持する場合が最も圧迫に対する許容範囲が広く、第三指の基節において不快感を伴う圧力は平均値が約０．０１１４ＭＰａ、標準偏差は約０．００１３５ＭＰａであった。不快感を感じる圧力値に対するヒトの分布が正規分布である場合に、９８％のヒトが不快感を感じないであろう値を限界値Ｐ_ｍａｘとすると、平均値から標準偏差の２倍の値を引いた値である０．００８７ＭＰａとすることが好ましい。

実施例−１
筐体１１０、流動性物質供給排出口１３０、皮膚ガス採取容器１４０、キャリアガス注入口１５０、およびガス取り出し口１６０をＳＵＳ３１６により作製した。ただし、挿入口の内径２Ｒは２４ｍｍとした。管状可とう性膜部材１２０には、厚さｔが１．３ｍｍで外径が２４ｍｍのスチレン−エチレン−ブタジエン共重合体からなるチューブを用いた。該管状可とう性膜部材を構成する材料からなる一辺が単位長さの立方体を単位長さ伸ばすのに要する力σは０．０１３ＭＰａ／ｍｍであった。したがってσｔは０．０１６９ＭＰａである。

本皮膚ガス採取器具に基節の径２ｒがおおよそ２０ｍｍである第二指を挿入し、０．００８ＭＰａの圧縮空気を流動性物質供給排出口１３０から導入して第二指の基節を保持し、キャリアガス注入口１５０およびガス取り出し口１６０をゴム栓で塞いだ。本実施例における皺の数Ｎは３つであり、本実施例で使用した可とう性部材１２０は式（１）の条件を満たす。次いで、皮膚ガス採取器具を取り付けた状態のまま２００ｐｐｍのイソプレンガスで満たされた容器内に手首より先を１０分間静置した。その後、皮膚ガス採取器具を付けた状態のまま、イソプレンガスで満たされた容器から手首を抜取り、１６０ガス取り出し口にガスタイトシリンジを刺し込み、１００μＬのガスを抜取って、その中の成分をガスクロ−質量分析装置で測定した。その結果、イソプレンガスは検出されず、従って成分分析に影響する外気の混入が無いことが確認された。

実施例−２
筐体１１０、流動性物質供給排出口１３０、皮膚ガス採取容器１４０、キャリアガス注入口１５０、およびガス取り出し口１６０をＳＵＳ３１６により作製した。ただし、筐体の内径２Ｒは７８ｍｍとした。管状可とう性膜部材１２０には、厚さ０．１２ｍｍで外径が約７８ｍｍのポリイソプレンからなるチューブを用いた。この材質からなる単位長さの立方体を単位長さ伸ばすのに要する力σは０．０４２ＭＰａ／ｍｍであった。したがってσｔは０．００５ＭＰａである。

本皮膚ガス採取器具に掌を挿入し、０．００８ＭＰａの圧縮空気を流動性物質供給排出口１３０から導入して手首を保持し、キャリアガス注入口１５０およびガス取り出し口１６０をゴム栓で塞いだ。手首の径２ｒはおおよそ４５ｍｍ、本実施例における皺の数Ｎは５つであり、本実施例で使用した可とう性部材１２０は式（１）の条件を満たす。実施例−１と同様に、２００ｐｐｍのイソプレンガスで満たされた容器内に肘より先を１０分間静置し、皮膚ガス採取器具内の成分を測定した結果、イソプレンガスは検出されず、従って成分分析に影響する外気の混入が無いことが確認された。

本発明の皮膚ガス採取器具を用いることにより、空気の混入の無い皮膚ガスを採取することが容易となり、体の状態を非侵襲で簡便に調べることが可能となる。

１１０筐体
１２０管状可とう性膜部材
１３０流動性物質供給排出口
１４０皮膚ガス採取容器
１５０キャリアガス注入口
１６０ガス取り出し口
１１１溝

Claims

皮膚ガス採取部位を挿入するための管状開口部を構成する筐体と、該筐体の内側面に沿って設けられた管状可とう性膜部材と、該筐体に気密性を持って繋がれたガス採取容器を有し、該管状可とう性膜部材は、その両端部が該筐体の内側面に密着して、該筐体の内側面との間に密閉された空間を形成し、該筐体は、該密閉された空間に流動性物質を供給あるいは排出するための流動性物質供給排出口を有し、該密閉された空間に流動性物質が供給されると該管状可とう性膜部材が管中心に向かって膨らみ、これにより該管状可とう性膜部材が該管状開口部に挿入された皮膚ガス採取部位に密着して保持するように構成され、該管状可とう性膜部材の厚さtと、該管状可とう性膜部材の単位長さの立方体を一方向に単位長さ伸ばすに要する力σとの積の値が、流動性物質の限界圧力Ｐ_ｍａｘ、該管状可とう性膜部材の長さs、該管状開口部の半径Ｒ、該管状可とう性膜部材が密着する皮膚ガス採取部位の領域を円柱で近似したときの該領域の半径r、皮膚ガス採取部位を保持したときに該可とう性膜部材に発生する折り目の数Ｎで表される、下記不等式を満たすことを特徴とする皮膚ガス採取器具。
該皮膚ガス採取器具が、ヒトの手、足または指の皮膚表面から放出されるガスを採取するための器具で有り、該限界圧力Ｐ_ｍａｘが０．００８７ＭＰａである請求項1に記載の器具。