JP2013144104A - Expiration gas analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は呼気ガス分析装置の改良に関するもので、特に呼吸気ガス分析の精度を向上させることを目的とする。 The present invention relates to an improvement in an exhaled breath gas analyzer, and in particular, aims to improve the accuracy of respiratory gas analysis.
呼気ガス分析装置は、呼吸気中の測定対象ガスのガス濃度やガス量等を分析し、生体機能の評価や各種疾患の診断、治療効果の評価等に用いるものである。
呼気ガス分析装置には、呼吸代謝に関する指標を求める呼吸代謝測定装置や、肺の洗い出し検査等をおこなう肺機能検査装置、ピロリ菌の存在を検査するピロリ菌検査装置等、各種のものがある。本発明はこれらすべての呼気ガス分析装置に関するものである。
ここでは呼吸代謝測定用の呼気ガス分析装置を例にして説明するが、これ以外の呼気ガス分析装置についても同様である。
The expiratory gas analyzer is used for analyzing the gas concentration, gas amount, etc. of the measurement target gas in the respiratory air, and evaluating the biological function, diagnosing various diseases, evaluating the therapeutic effect, and the like.
There are various types of breath gas analyzers, such as a respiratory metabolism measuring device that obtains an index related to respiratory metabolism, a lung function testing device that performs a lung washing test, a H. pylori testing device that tests for the presence of H. pylori, and the like. The present invention relates to all these breath gas analyzers.
Here, a breath gas analyzer for measuring respiratory metabolism will be described as an example, but the same applies to other breath gas analyzers.
従来の呼吸代謝測定用の呼気ガス分析装置の例を図2に示す。図2（Ａ）は装置のブロック図であり、図2（Ｂ）は測定時に被検者がセンサ部を装着したときの様子である。 An example of a conventional breath gas analyzer for measuring respiratory metabolism is shown in FIG. FIG. 2A is a block diagram of the apparatus, and FIG. 2B shows a state where the subject wears the sensor unit during measurement.
装置は、図2（Ａ）に示すように、センサ部21と、呼吸流量センサ22、制御部23、サンプリング回路24、ガス分析計25、ガス輸送部26を有する。
As shown in FIG. 2A, the device includes a
センサ部21は呼吸マスク28で集めた全ての呼吸気を通過させる部分であり、その内部に呼吸流量センサ22を設けるとともに、サンプリング回路24を接続して呼吸気ガスの一部をサンプルガスとして採取するようにしている。
The
呼吸流量センザ22はセンサ部21を通過する呼吸気流量を測定し電気信号に変換して制御部23に転送する。
The
サンプリング回路24は、その一端をセンサ部21に接続し、他端をガス分析計25に接続しており、センサ部1を通過する呼吸気の一部をサンプルガスとしてガス分析計25に導入する。サンプリング回路24には、通常、サンプリングチューブ又はキャピラリと称する細管が用いられる。
The
ガス分析計25はサンプリング回路24を経由して輸送されるてくるサンプルガスに含まれる測定対象ガスのガス濃度を測定し、その結果を制御部23に転送する。
呼吸代謝測定用の呼気ガス分析では測定ガスは酸素ガスと炭酸ガスであり、このためガス分析計25として酸素ガス分析計と炭酸ガス分析計を備える（酸素ガス又は炭酸ガスの一方のみを測定するものもある）。目的によっては酸素ガスと炭酸ガス以外のガスを追加して測定することもある。
The
In the breath gas analysis for respiratory metabolism measurement, the measurement gas is oxygen gas and carbon dioxide gas. Therefore, an oxygen gas analyzer and a carbon dioxide gas analyzer are provided as the gas analyzer 25 (only one of oxygen gas or carbon dioxide gas is measured). Some). Depending on the purpose, gas other than oxygen gas and carbon dioxide gas may be added for measurement.
ガス輸送部26はサンプリング回路24に接続し、サンプリング回路24の内部のサンプルガスを強制的にガス分析計25に輸送する。
The
呼気ガス分析検査では、まず、図2（Ｂ）に示すように、呼吸気が漏れないように被検者に呼吸マスク28を着用させ、これにセンサ部21を接続して、肺に出入りする全ての呼吸気を測定できるようにする。
In the expiratory gas analysis test, first, as shown in FIG. 2 (B), the subject wears a
検査を開始すると、呼吸流量センザ22で呼吸気流量が測定され、これは電気信号に変換されて制御部23に転送される。
When the examination is started, the
同時に、サンプリング回路24に接続したガス輸送部26を駆動し、センサ部21の呼吸気流量の一部をサンプルガスとして、サンプリング回路24を経由してガス分析計25に導入され、測定ガスのガス濃度が測定され、このデータは電気信号に変換されて制御部23に転送される。
At the same time, the
以上に述べたように、呼吸流量は即時的に測定されるが、呼吸気のサンプルガスはセンサ部21で採取し、サンプリング回路24を通ってガス分析計25に輸送されるため、センサ部21からガス分析計25までの輸送距離Ｌを、時間ｔｄをかけて輸送されることになる。つまり、ガス分析データは、図2（Ｃ）に示すように、呼吸流量データが得られる時刻ｔから時間ｔｄだけ遅れて得られる。
As described above, the respiratory flow rate is measured immediately, but since the respiratory sample gas is collected by the
制御部23は、呼吸流量センサ22から流量のデータを受け取り、流量に関する各種データや気量（体積）に関する各種データを算出する。
気量（体積）は、流量をある期間に積分して求めることができる。例えば、1回の吸気時にわたって流量を積分すると、1回吸気量（1回の吸気で肺に吸い込む空気の量）を得ることができる。同様に、1回呼気量や、分時（1分間当たりの）吸気量、分時呼気量などを求めることができる。
The
The volume (volume) can be obtained by integrating the flow rate over a certain period. For example, when the flow rate is integrated over one inspiration, a one-time inspiration amount (amount of air sucked into the lung by one inspiration) can be obtained. Similarly, it is possible to obtain a tidal volume, a minute hour (per minute) inhalation volume, a minute breath volume, and the like.
また、制御部23は、ガス分析計25のデータを受け取り、ガス濃度に関する各種データ、例えば、所定期間の平均酸素ガス濃度や平均炭酸ガス濃度（吸気平均酸素ガス濃度や吸気平均炭酸ガス濃度、呼気平均酸素ガス濃度、呼気平均炭酸ガス濃度など）などを算出する。
Further, the
さらに、制御部23は、呼吸流量センサ22で測定した流量データとガス分析計25で測定したガス濃度データを組み合わせて、呼吸気に含まれる測定対象ガスの量（体積）、例えば、１回吸気中の酸素ガス量と炭酸ガス量、1回呼気中の酸素ガス量と炭酸ガス量、1分間あたりの呼気と吸気中の酸素ガス量と炭酸ガス量などを求めることができる。
呼気と吸気の酸素ガス量を比較すると、呼吸代謝データを得ることができる。例えば、1回の呼吸時の呼気と吸気の酸素ガス量を比較すると1回の呼吸で体内に摂取される酸素の量（1回呼吸時酸素ガス摂取量）を求めることができる。同様に、呼気と吸気の炭酸ガス量を比較すると、1回の呼吸で体外に排泄される炭酸ガスの量（1回呼吸時炭酸ガス排泄量）や、分時酸素ガス摂取量、分時炭酸ガス排泄量などを求めることができる。
Further, the
Respiratory metabolism data can be obtained by comparing the oxygen gas amount of exhaled air and inhaled air. For example, the amount of oxygen taken into the body during one breath (the amount of oxygen gas taken during one breath) can be determined by comparing the amount of oxygen gas in the breath and the breath during one breath. Similarly, when comparing the amount of carbon dioxide in exhaled air and inspired, the amount of carbon dioxide excreted outside the body in a single breath (the amount of carbon dioxide excreted during a single breath), the minute oxygen gas intake, and the minute carbon dioxide The amount of gas excretion can be obtained.
ただし、前述のように、サンプルガスの輸送に時間ｔｄを要するため、呼吸流量センサ22のデータとガス分析計25のデータを組み合わせて呼吸気に含まれる測定対象ガスの量に関するパラメータを測定する場合は、時間遅れｔｄを正確に考慮する必要がある。
つまり、図2（C）に示す時刻ｔの呼吸流量データと、時刻ｔ+ｔｄのガス濃度データを組み合わせて、測定ガスの量を評価する必要がある。
However, as described above, since the time td is required for transporting the sample gas, the parameter relating to the amount of the measurement target gas contained in the respiratory air is measured by combining the data of the
That is, it is necessary to evaluate the amount of measurement gas by combining the respiratory flow data at time t shown in FIG. 2C and the gas concentration data at time t + td.
遅れ時間ｔｄは、測定前に校正して求めている。校正は、テストガスを流してその時の遅れ時間を実測しておこなう。 The delay time td is obtained by calibrating before measurement. Calibration is performed by flowing a test gas and measuring the delay time at that time.
しかし、校正後に何らかの理由で輸送時間ｔｄが変動すると、ガスの量の評価が不正確になる。
この問題を解決するため、制御部23を制御して、サンプリング回路24の内部を通過するサンプルガスの流れが一定流量になるようにする定流量サンプリング技術が開示されている(例えば特許文献1など)。図3は特許文献1の実施例である。
However, if the transport time td fluctuates for some reason after calibration, the evaluation of the gas amount becomes inaccurate.
In order to solve this problem, a constant flow sampling technique is disclosed in which the
前述のように、輸送時間ｔｄが変化すると、ガスの量の評価が不正確になる。
特許文献1等の定流量サンプリング方式では、定流量であるため、サンプルガスの状態と測定環境（気圧や温度、湿度等）が変化しないなら、輸送時間ｔｄが一定に維持される。
しかし、呼吸気ガス（サンプルガス）の状態は変化するため、サンプルガスの体積が変化し、ガスの密度が変化する。ガス密度が変化すると、定流量サンプリング方式では、図2（D）のように、輸送速度が変化して輸送時間ｔｄが変化し、正確な呼気ガス分析ができなくなる。
本発明は、このような課題を解決し、より正確な呼気ガス分析をおこなうことのできる呼気ガス分析装置を提供することを目的とする。
As described above, when the transport time td changes, the evaluation of the amount of gas becomes inaccurate.
In the constant flow sampling method of Patent Document 1 or the like, since the flow rate is constant, the transport time td is kept constant if the state of the sample gas and the measurement environment (atmospheric pressure, temperature, humidity, etc.) do not change.
However, since the state of the respiratory gas (sample gas) changes, the volume of the sample gas changes and the density of the gas changes. When the gas density changes, in the constant flow sampling method, as shown in FIG. 2 (D), the transportation speed changes and the transportation time td changes, and an accurate expiration gas analysis cannot be performed.
An object of the present invention is to provide an exhaled gas analyzer that can solve such problems and perform more accurate exhaled gas analysis.
そこで、請求項１記載の発明では、
呼吸気の流量を測定する呼吸流量測定手段と、
サンプルガスに含まれる測定対象ガスのガス濃度を分析するガス分析手段と、
呼吸気の一部をサンプルガスとして前記ガス分析計に導入するサンプリング手段と、
前記サンプリング回路の内部の前記サンプルガスを輸送するガス輸送手段と、
前記サンプリング手段の中を輸送されるサンプルガスの輸送速度が所定の一定速度ｖ0になるように前記ガス輸送部を制御する定輸送速度制御手段と、
を設けた呼気ガス分析装置とした。
Therefore, in the invention according to claim 1,
Respiratory flow measurement means for measuring the flow of respiratory air;
A gas analysis means for analyzing the gas concentration of the measurement target gas contained in the sample gas;
Sampling means for introducing a part of respiratory air into the gas analyzer as a sample gas;
Gas transport means for transporting the sample gas inside the sampling circuit;
Constant transport speed control means for controlling the gas transport section so that the transport speed of the sample gas transported through the sampling means is a predetermined constant speed v0;
The breath gas analyzer was provided.
請求項２記載の発明では、請求項1記載の呼気ガス分析において、
速度制御が可能なモータを用いて単位時間に一定容積を排気するポンプと、前記モータを位相同期ループ制御を行うＰＬＬ制御手段を用いて、前記定輸送速度制御手段とした。
In the invention according to claim 2, in the breath gas analysis according to claim 1,
The constant transport speed control means is configured by using a pump that exhausts a constant volume per unit time using a motor capable of speed control and a PLL control means that performs phase-locked loop control on the motor.
請求項３記載の発明では、請求項1又は請求項2記載の呼気ガス分析装置において、
測定環境の温度と湿度と気圧を含む環境状態を測定する環境状態測定手段と、
前記環境状態測定手段で測定した環境状態に応じて前記ガス輸送手段を制御してサンプルガスの輸送速度が所定の一定速度ｖ0になるように補正する環境状態補正手段と
を設けた。
In the invention described in
Environmental condition measuring means for measuring environmental conditions including temperature, humidity and atmospheric pressure of the measurement environment;
Environmental condition correcting means for controlling the gas transport means according to the environmental condition measured by the environmental condition measuring means to correct the sample gas transport speed to a predetermined constant speed v0 is provided.
請求項１記載の発明により、サンプルガスの状態が変化しても、サンプルガスの輸送速度が所定の一定値ｖ0になるように、定輸送速度制御手段でガス輸送部を制御する。
請求項2記載の発明により、サンプルガスの状態が変化しても、環境状態測定手段により環境状態を測定し、環境状態に応じて前記ガス輸送手段の制御を補正して、サンプルガスの輸送速度が所定の一定値ｖ0になるように、定輸送速度制御手段でガス輸送部を制御する。
このため、請求項1又は請求項2記載の呼気ガス分析装置において、輸送時間ｔｄの変動は無く、呼吸気の流量とガス濃度のデータを正確に同期させて評価することができる。
輸送時間ｔｄが正確であるため、時刻ｔに流量と、時刻ｔから時間ｔｄだけ遅れて測定されるガス濃度を用いて求めるガス量も正確になるため、流量を積分して得られる吸気量や、吸気気中の酸素ガス量や酸素ガス量、これらから計算される酸素摂取量や炭酸ガス排泄量などの呼吸代謝データを、正確に求めることができる。
According to the first aspect of the present invention, even if the state of the sample gas changes, the gas transport section is controlled by the constant transport speed control means so that the transport speed of the sample gas becomes a predetermined constant value v0.
According to the invention of claim 2, even if the state of the sample gas changes, the environmental state is measured by the environmental state measuring means, the control of the gas transporting means is corrected according to the environmental state, and the transportation speed of the sample gas The gas transport unit is controlled by the constant transport speed control means so that the value becomes a predetermined constant value v0.
For this reason, in the expired gas analyzer according to claim 1 or claim 2, there is no fluctuation in the transport time td, and the data of the flow rate of breathing gas and the gas concentration can be accurately synchronized and evaluated.
Since the transport time td is accurate, the amount of gas obtained using the flow rate at time t and the gas concentration measured with a delay of time td from time t is also accurate, so the intake air amount obtained by integrating the flow rate or In addition, respiratory metabolic data such as the amount of oxygen gas and oxygen gas in the intake air, the amount of oxygen intake and the amount of carbon dioxide excretion calculated from these can be obtained accurately.
請求項3記載の発明により、測定環境の状態が変化して、ガス分析計内部を含むサンプリング回路全体の容積が変化して、サンプルガスの状態（密度）が変化しても、常に、サンプルガスの輸送速度が所定の一定値ｖ0になるように、定輸送速度制御手段でガス輸送部を制御する。
このため、測定環境の状態が変化しても、輸送時間ｔｄは変動が無く正確であり、呼吸気の流量とガス濃度のデータを正確に同期させて評価することができる。
輸送時間ｔｄが正確であるため、時刻ｔに流量と、時刻ｔから時間ｔｄだけ遅れて測定されるガス濃度を用いて求めるガス量も正確になるため、流量を積分して得られる吸気量や、吸気気中の酸素ガス量や酸素ガス量、これらから計算される酸素摂取量や炭酸ガス排泄量などの呼吸代謝データを、正確に求めることができる。
Even if the state of the measurement environment changes, the volume of the entire sampling circuit including the inside of the gas analyzer changes, and the state (density) of the sample gas changes, the sample gas always changes. The gas transport unit is controlled by the constant transport speed control means so that the transport speed of the gas reaches a predetermined constant value v0.
For this reason, even if the state of the measurement environment changes, the transport time td is accurate with no fluctuation, and it is possible to evaluate by accurately synchronizing the respiratory flow rate and gas concentration data.
Since the transport time td is accurate, the amount of gas obtained using the flow rate at time t and the gas concentration measured with a delay of time td from time t is also accurate, so the intake air amount obtained by integrating the flow rate or In addition, respiratory metabolic data such as the amount of oxygen gas and oxygen gas in the intake air, the amount of oxygen intake and the amount of carbon dioxide excretion calculated from these can be obtained accurately.
請求項１から請求項3記載の発明を組み合わせると、サンプルガスと測定環境の状態の一方又は両方が変化しても、常に、サンプルガスの輸送速度が所定の一定値ｖ0になるように、定輸送速度制御手段でガス輸送部を制御する。
このため、呼吸気の流量とガス濃度のデータを正確に同期させて評価することができる。
輸送時間ｔｄが正確であるため、時刻ｔに流量と、時刻ｔから時間ｔｄだけ遅れて測定されるガス濃度を用いて求めるガス量も正確になる。
このため、流量を積分して得られる吸気量や、吸気気中の酸素ガス量や酸素ガス量、これらから計算される酸素摂取量や炭酸ガス排泄量などの呼吸代謝データを、正確に求めることができる。
Combining the inventions according to claims 1 to 3, when one or both of the state of the sample gas and the measurement environment changes, the transport speed of the sample gas is always set to a predetermined constant value v0. The gas transport section is controlled by the transport speed control means.
For this reason, it is possible to evaluate the data of respiratory flow and gas concentration in synchronization with each other.
Since the transport time td is accurate, the amount of gas obtained using the flow rate at time t and the gas concentration measured after time td from time t is also accurate.
For this reason, accurately determine respiratory metabolism data such as the intake volume obtained by integrating the flow rate, the oxygen gas volume and oxygen gas volume in the intake air, and the oxygen intake and carbon dioxide excretion calculated from these. Can do.
以下に、実施例により、本発明を詳しく説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.
本発明の実施例を図１に示す。
装置は、図1（Ａ）に示すように、センサ部1と、呼吸流量計センサ2、制御部3、サンプリング回路4、ガス分析計5、ガス輸送部6を有する。
An embodiment of the present invention is shown in FIG.
As shown in FIG. 1A, the apparatus includes a sensor unit 1, a respiratory flow meter sensor 2, a
センサ部1は呼吸マスク28で集めた全ての呼吸気を通過させる部分であり、その内部に呼吸流量センサ2を設けるとともに、サンプリング回路4を接続して呼吸気ガスの一部をサンプルガスとして採取するようにしている。
The sensor unit 1 is a part that allows all the respiratory air collected by the
呼吸流量センザ2はセンサ部1を通過する呼吸気流量を測定し電気信号に変換して制御部3に転送する。
The respiratory flow sensor 2 measures the respiratory airflow passing through the sensor unit 1, converts it into an electrical signal, and transfers it to the
サンプリング回路4は、その一端をセンサ部1に接続し、他端をガス分析計5に接続しており、センサ部1を通過する呼吸気の一部をサンプルガスとしてガス分析計5に導入する。サンプリング回路4には、通常、サンプリングチューブ又はキャピラリと称する細管を用いる。 The sampling circuit 4 has one end connected to the sensor unit 1 and the other end connected to the gas analyzer 5, and introduces a part of the respiratory air passing through the sensor unit 1 into the gas analyzer 5 as a sample gas. . For the sampling circuit 4, a thin tube called a sampling tube or capillary is usually used.
ガス分析計5はサンプリング回路4を経由して輸送されるてくるサンプルガスに含まれる測定対象ガスのガス濃度を測定し、その結果を制御部3に転送する。
呼吸代謝測定用の呼気ガス分析では測定ガスは酸素ガスと炭酸ガスであり、このためガス分析計5として酸素ガス分析計と炭酸ガス分析計を備える（酸素ガス又は炭酸ガスの一方のみを測定し、他方のガス濃度は研鑽によって求めてもよい）。目的によっては酸素ガスと炭酸ガス以外のガスを追加して測定することもある。
The gas analyzer 5 measures the gas concentration of the measurement target gas contained in the sample gas transported via the sampling circuit 4, and transfers the result to the
In the breath gas analysis for respiratory metabolism measurement, the measurement gas is oxygen gas and carbon dioxide gas. For this reason, the gas analyzer 5 is provided with an oxygen gas analyzer and a carbon dioxide gas analyzer (only one of oxygen gas or carbon dioxide gas is measured). The other gas concentration may be determined by study). Depending on the purpose, gas other than oxygen gas and carbon dioxide gas may be added for measurement.
ガス輸送部6はサンプリング回路4に接続し、サンプリング回路4の内部のサンプルガスを強制的にガス分析計5に輸送する。
The
呼気ガス分析検査では、まず、図2（Ｂ）と同様に、呼吸気が漏れないように被検者に呼吸マスク28を着用させ、これにセンサ部1を接続して、肺に出入りする全ての呼吸気センサ部1に通して測定できるようにする。
In the exhaled gas analysis test, first, as in FIG. 2 (B), the subject wears a
検査を開始すると、呼吸流量センザ2で呼吸気流量が測定され、これは電気信号に変換されて制御部3に転送される。
When the examination is started, the respiratory airflow sensor 2 measures the respiratory airflow, which is converted into an electric signal and transferred to the
同時に、サンプリング回路4に接続したガス輸送部6を駆動し、センサ部1の呼吸気流量の一部をサンプルガスとして、サンプリング回路4を経由してガス分析計5に導入し、測定ガスのガス濃度を測定し、電気信号に変換して制御部3に転送する。
At the same time, the
以上に述べたように、呼吸流量は即時的に測定されるが、呼吸気のサンプルガスはセンサ部1で採取し、サンプリング回路4を通ってガス分析計5に輸送されるため、センサ部1からガス分析計5までの輸送距離Ｌを、時間ｔｄをかけて輸送されることになり、ガス分析データは、図2（Ｃ）と同様、呼吸流量データが得られる時刻ｔから時間ｔｄだけ遅れて得られる。 As described above, the respiratory flow rate is measured instantaneously, but the respiratory sample gas is collected by the sensor unit 1 and transported to the gas analyzer 5 through the sampling circuit 4, so that the sensor unit 1 As shown in FIG. 2C, the gas analysis data is delayed by the time td from the time t at which the respiratory flow rate data is obtained. Obtained.
制御部3は、呼吸流量センサ2から流量のデータを受け取り、流量に関する各種データを算出する。
また、流量に関する各種データから気量（体積）に関する各種データを算出する。気量（体積）は、流量をある期間に積分して求めることができる。例えば、1回の吸気時にわたって流量を積分すると、1回吸気量（1回の吸気で肺に吸い込む空気の量）を得ることができる。同様に、1回呼気量や、分時（1分間当たりの）吸気量、分時呼気量などを求めることができる。
The
Also, various data relating to the volume (volume) are calculated from various data relating to the flow rate. The volume (volume) can be obtained by integrating the flow rate over a certain period. For example, when the flow rate is integrated over one inspiration, a one-time inspiration amount (amount of air sucked into the lung by one inspiration) can be obtained. Similarly, it is possible to obtain a tidal volume, a minute hour (per minute) inhalation volume, a minute breath volume, and the like.
また、制御部3は、ガス分析計5のデータを受け取り、ガス濃度に関する各種データ、例えば、所定期間の平均酸素ガス濃度や平均炭酸ガス濃度（吸気平均酸素ガス濃度や吸気平均炭酸ガス濃度、呼気平均酸素ガス濃度、呼気平均炭酸ガス濃度など）などを算出する。
Further, the
さらに、制御部3は測定対象ガスの量（体積）も求める。呼吸流量センサ2で測定した流量データとガス分析計5で測定したガス濃度データを組み合わせると、呼吸気に含まれる測定対象ガスの量（体積）、例えば、１回吸気中の酸素ガス量と炭酸ガス量、1回呼気中の酸素ガス量と炭酸ガス量、1分間あたりの呼気と吸気中の酸素ガス量と炭酸ガス量などを求めることができる。
Furthermore, the
呼気と吸気の酸素ガス量を比較すると、呼吸代謝に関するデータを得ることができる。例えば、1回の呼吸時の呼気と吸気の酸素ガス量を比較すると1回の呼吸で体内に摂取される酸素の量（1回呼吸時酸素ガス摂取量）を求めることができる。同様に、呼気と吸気の炭酸ガス量を比較すると、1回の呼吸で体外に排泄される炭酸ガスの量（1回呼吸時炭酸ガス排泄量）や、分時酸素ガス摂取量、分時炭酸ガス排泄量などを求めることができる。 By comparing the oxygen gas amount of exhaled air and inhaled gas, data relating to respiratory metabolism can be obtained. For example, the amount of oxygen taken into the body during one breath (the amount of oxygen gas taken during one breath) can be determined by comparing the amount of oxygen gas in the breath and the breath during one breath. Similarly, when comparing the amount of carbon dioxide in exhaled air and inspired, the amount of carbon dioxide excreted outside the body in a single breath (the amount of carbon dioxide excreted during a single breath), the minute oxygen gas intake, and the minute carbon dioxide The amount of gas excretion can be obtained.
以上は従来の呼気ガス分析計と同様である。
しかし、従来は、前述のように、例えばサンプリング回路4内のサンプルガスを定流量サンプリング方式でサンプルガスを輸送するように制御しても、サンプルガスのガス状態と測定環境（大気の気温や気圧、湿度など）の状態が変化すると、図2（Ｄ）のように、サンプルガスのガス密度が変化して、輸送時間ｔｄが変化する。このため、呼吸流量データとガス分析データの同期がとれなくなり、誤ったガス量を求めることになる。
The above is the same as the conventional breath gas analyzer.
However, conventionally, as described above, for example, even if the sample gas in the sampling circuit 4 is controlled to be transported by the constant flow sampling method, the gas state of the sample gas and the measurement environment (atmospheric temperature and pressure) When the state of humidity changes), the gas density of the sample gas changes as shown in FIG. 2D, and the transport time td changes. For this reason, the respiratory flow data and the gas analysis data cannot be synchronized, and an incorrect gas amount is obtained.
そこで、請求項1記載の発明では、従来の呼気ガス分析装置に、サンプリング手段の中を輸送されるサンプルガスの輸送速度が所定の一定速度ｖ0になるように前記ガス輸送部を制御する定輸送速度制御手段を設けた。つまり、
呼吸気の流量を測定する呼吸流量測定手段と、
サンプルガスに含まれる測定対象ガスのガス濃度を分析するガス分析手段と、
呼吸気の一部をサンプルガスとして前記ガス分析計に導入するサンプリング手段と、
前記サンプリング回路の内部の前記サンプルガスを輸送するガス輸送手段と、
前記サンプリング手段の中を輸送されるサンプルガスの輸送速度が所定の一定速度ｖ0になるように前記ガス輸送部を制御する定輸送速度制御手段と、
を設けた呼気ガス分析装置とした。
Therefore, in the invention according to claim 1, the constant transportation for controlling the gas transportation unit to the conventional breath gas analyzer so that the transportation speed of the sample gas transported through the sampling means becomes a predetermined constant speed v0. A speed control means was provided. That means
Respiratory flow measurement means for measuring the flow of respiratory air;
A gas analysis means for analyzing the gas concentration of the measurement target gas contained in the sample gas;
Sampling means for introducing a part of respiratory air into the gas analyzer as a sample gas;
Gas transport means for transporting the sample gas inside the sampling circuit;
Constant transport speed control means for controlling the gas transport section so that the transport speed of the sample gas transported through the sampling means is a predetermined constant speed v0;
The breath gas analyzer was provided.
また、請求項2記載の発明では、請求項1記載の呼気ガス分析装置において、
ガス輸送手段に、単位時間当たりに一定容積を排気する、速度制御が可能なモータを用いたポンプを用い、
定輸送速度制御手段に、前記モータを位相同期ループ制御を行うＰＬＬ制御手段を用いて、
サンプリング手段の中を輸送されるサンプルガスの輸送速度が所定の一定速度ｖ0になるように制御するようにした。
単位時間当たりに一定容積を排気する、速度制御が可能なモータを用いたポンプとして、例えばロータリーがある。このようなポンプを用いればよい。
Further, in the invention according to claim 2, in the breath gas analyzer according to claim 1,
For the gas transport means, a pump using a motor capable of speed control that exhausts a constant volume per unit time,
By using PLL control means for performing phase-locked loop control of the motor to the constant transport speed control means,
The transport speed of the sample gas transported through the sampling means is controlled to be a predetermined constant speed v0.
An example of a pump that uses a motor capable of speed control that exhausts a constant volume per unit time is a rotary. Such a pump may be used.
請求項1又は請求項2記載の発明のガス輸送手段と定輸送速度制御手段の実施例を図1（Ｂ）に示す。輸送部6にロータリーポンプを用い、定輸送速度制御手段3‘としてＰＬＬ制御をおこなうと、単位時間に一定量の排気をおこなうことができるため、サンプルガスの輸送速度を所定の一定速度ｖ0にすることができる。実際には定輸送速度制御手段3‘は制御部3に設ければよい。
ＰＬＬ制御の基本的なブロック図を図1（Ｃ）に示す。図のｆiは基準信号、ｆ0は出力信号、11は位相比較器で、12はループ（ロ-パス）フィルタ(ＬＰＦ)、13は電圧制御発振器(ＶＯＣ)であり、基準信号に一致した周波数の信号を正確に出力することができる公知の技術である。モータ制御では、この図の電圧制御発振器13をモータとエンコーダに置き換えれば、モータのＰＬＬ制御をおこなうことが知られている。また、この一部をソフトウェアで実現することも知られている。
このようにして、モータのＰＬＬ制御をおこなうことができる。
An embodiment of the gas transport means and the constant transport speed control means of the invention according to claim 1 or claim 2 is shown in FIG. When a rotary pump is used for the
A basic block diagram of PLL control is shown in FIG. In the figure, fi is a reference signal, f0 is an output signal, 11 is a phase comparator, 12 is a loop (low-pass) filter (LPF), 13 is a voltage controlled oscillator (VOC), and has a frequency matching the reference signal. This is a known technique that can output a signal accurately. In motor control, it is known to perform PLL control of a motor by replacing the voltage controlled
In this way, the PLL control of the motor can be performed.
このようにガス輸送部6に単位時間当たりに一定容積を排気する、速度制御が可能なモータを用いたポンプを用いるとともに、このポンプを定輸送速度制御手段で駆動すことで、サンプリング回路4の内部のサンプルガスの輸送速度を、常に、所定の一定値ｖ0に維持することができ、サンプルガスの輸送時間ｔｄも一定になる。
In this way, a pump using a motor capable of speed control that exhausts a constant volume per unit time to the
サンプルガスの輸送時間ｔｄが一定であるため、呼吸気の流量のデータとガス濃度のデータを正確に同期させることができる。このため、呼吸気に含まれる測定ガスの量、例えば酸素ガス量や酸素ガス量も、これらから計算される酸素摂取量や炭酸ガス排泄量などの呼吸代謝データも、正確に求めることができる。 Since the transport time td of the sample gas is constant, the respiratory flow data and the gas concentration data can be accurately synchronized. For this reason, the amount of measurement gas contained in breathing air, for example, the amount of oxygen gas and the amount of oxygen gas, and the respiratory metabolism data such as the amount of oxygen intake and the amount of carbon dioxide excretion calculated from these can be accurately obtained.
従来の技術、例えば特許文献1の定流量型のサンプリング技術では、サンプルガスの状態が変動するとサンプルガスの輸送速度が変動し、サンプルガス採取部からガス分析計までのサンプルガスの輸送時間も変動して、呼吸気の流量のデータとガス濃度のデータの同期がずれるため、輸送時間を考慮して得られる呼吸気中の測定ガスの量やこれを用いて算出する各種代謝データに誤差が生じていた。 In the conventional technology, for example, the constant flow sampling technique disclosed in Patent Document 1, the sample gas transport speed fluctuates when the sample gas state fluctuates, and the sample gas transport time from the sample gas collection unit to the gas analyzer also fluctuates. As a result, the respiratory flow data and gas concentration data are out of synchronization, which causes errors in the amount of measured gas in the respiratory air and the various metabolic data calculated using it. It was.
これに対して本請求項記載の発明は、サンプリング回路4の内部のサンプルガスの輸送速度を、常に、所定の一定値ｖ0に維持し、サンプルガスの輸送時間ｔｄも一定にし、測定対象ガスの量や、酸素摂取量や炭酸ガス排泄量などの各種呼吸代謝データを、正確に測定することができる。 On the other hand, according to the present invention, the transport speed of the sample gas inside the sampling circuit 4 is always maintained at a predetermined constant value v0, the transport time td of the sample gas is also constant, Various respiratory metabolism data such as the amount, oxygen intake and carbon dioxide excretion can be accurately measured.
一方、測定環境の状態、つまり、測定時の気温や気圧、湿度が変化すると、サンプリング回路4（サンプリングチューブとガス分析計の分析部までを含む）の容積が変化し、サンプルガスの量とガス密度が変化し、サンプルガスの輸送速度と輸送時間が変動する。
これを補正して、測定環境の状態が変動しても、サンプルガスの輸送速度を所定の一定速度ｖ0に維持し、輸送時間ｔｄを一定に維持して、呼気ガス分析を正確におこなうようにするのが、請求項3記載の発明である。
On the other hand, if the state of the measurement environment, that is, the temperature, pressure, or humidity during measurement changes, the volume of the sampling circuit 4 (including the sampling tube and the analysis part of the gas analyzer) changes, and the amount and gas of the sample gas The density changes, and the sample gas transport speed and transport time vary.
By correcting this, even if the state of the measurement environment changes, the transport speed of the sample gas is maintained at a predetermined constant speed v0, the transport time td is maintained constant, and the exhalation gas analysis is performed accurately. This is the invention according to
請求項3記載の発明は、請求項1又は請求項2記載の発明において、
測定環境の温度と湿度と気圧を含む測定環境状態を測定する環境状態測定部と、
前記環境状態測定部で検出した環境状態に応じて前記ガス輸送部を制御してサンプルガスの輸送速度が所定の一定速度ｖ0になるように補正する環境状態補正手段と
を設けた。
つまり、図（B）のように、請求項1又は請求項2記載の発明に追加して環境状態測定部7を設けている。
The invention according to
An environmental state measurement unit for measuring a measurement environmental state including temperature, humidity and atmospheric pressure of the measurement environment;
Environmental condition correction means for controlling the gas transport unit according to the environmental condition detected by the environmental condition measurement unit to correct the sample gas transport rate to a predetermined constant speed v0 is provided.
That is, as shown in FIG. (B), an environmental state measuring unit 7 is provided in addition to the invention described in claim 1 or claim 2.
環境状態測定部は、呼気ガス分析をおこなう測定環境の温度と湿度と気圧を含む測定環境状態を測定する。
環境状態補正手段は以下のとおりである。つまり、
予め、環境状態とサンプリング回路4の容積の関係を求めておき、
呼気ガス分析検査時に、環境状態を環境状態測定部で測定し、
測定した環境状態に対応するサンプリング回路4の容積変化量を勘案して 定輸送速度制御手段によるガス輸送部の制御量を補正し、測定環境の状態が変動しても、サンプルガスの輸送速度を所定の一定速度ｖ0に維持し、輸送時間ｔｄを一定に維持するようにする。
The environmental state measurement unit measures the measurement environment state including the temperature, humidity, and pressure of the measurement environment in which the breath gas analysis is performed.
The environmental condition correcting means is as follows. That means
Obtain the relationship between the environmental condition and the volume of the sampling circuit 4 in advance.
During the breath gas analysis test, the environmental state is measured by the environmental state measurement unit,
Considering the volume change of the sampling circuit 4 corresponding to the measured environmental condition, the control amount of the gas transport part by the constant transport speed control means is corrected, and the transport speed of the sample gas is adjusted even if the measurement environment condition fluctuates. A predetermined constant speed v0 is maintained, and the transport time td is maintained constant.
つまり、請求項1又は請求項2で記載した定輸送速度制御手段によるガス輸送部の制御に加えて、
環境状態が変化し、サンプリング回路4の容積変化したとき、サンプリング回路4の容積変化量に応じて、定輸送速度制御手段によるガス輸送部の制御を補正し、サンプルガスの輸送速度を所定の一定速度ｖ0に維持し、輸送時間ｔｄを一定に維持するようにするものである。具体的には図1（C）のLPF12の出力にソフトウェアで補正をかけてポンプ6をPLL制御するようにしている。
That is, in addition to the control of the gas transport part by the constant transport speed control means described in claim 1 or claim 2,
When the environmental condition changes and the volume of the sampling circuit 4 changes, according to the volume change amount of the sampling circuit 4, the control of the gas transportation part by the constant transportation speed control means is corrected, and the transportation speed of the sample gas is constant The speed v0 is maintained, and the transport time td is kept constant. Specifically, the output of the
本請求項記載の発明により、測定環境が変動しサンプリング回路4の容積が変動しても、この容積変動を補正して、サンプリング回路4の内部のサンプルガスの輸送速度を、常に、所定の一定値ｖ0に維持し、サンプルガスの輸送時間ｔｄも一定に維持するように制御するため、呼吸気の流量のデータとガス濃度のデータを正確に同期させることができる、測定対象ガスの量や、酸素摂取量や炭酸ガス排泄量などの各種呼吸代謝データを、正確に測定することができる。 Even if the measurement environment fluctuates and the volume of the sampling circuit 4 fluctuates according to the invention of this claim, the volume fluctuation is corrected and the transport speed of the sample gas inside the sampling circuit 4 is always kept at a predetermined constant level. In order to maintain the value v0 and maintain the transport time td of the sample gas to be constant, the amount of gas to be measured, which can accurately synchronize the flow rate data of the respiratory air and the data of the gas concentration, Various respiratory metabolism data such as oxygen intake and carbon dioxide excretion can be accurately measured.
以下に、本発明の呼気ガス分析装置の使用法を述べる。
測定の前に、図2（Ａ）と同様、被検者Ｍにマスク8を装着させ、マスク8にセンサ部1を接続する。続いて、被検者Ｍの年齢や身長等のＩＤデータを入力する。
測定を開始すると、被検者Ｍの呼吸気は全て、センサ部1を通り、時刻ｔの呼吸流量は呼吸流量センサ2で測定されて電気信号に変換され、制御部3に転送される。
Below, the usage method of the expiration gas analyzer of this invention is described.
Prior to measurement, the mask 8 is attached to the subject M and the sensor unit 1 is connected to the mask 8 as in FIG. Subsequently, ID data such as the age and height of the subject M is input.
When measurement is started, all breathing air of the subject M passes through the sensor unit 1, and the respiratory flow rate at time t is measured by the respiratory flow sensor 2, converted into an electrical signal, and transferred to the
同時に、サンプリング回路4に接続したガス輸送部6で、サンプリング回路4内のサンプルガスを強制的に輸送し、センサ部1を通過する呼吸気の一部をサンプルガスとしてガス分析計5に導入する。
At the same time, the
ガス分析計5はサンプリング回路4を経由して輸送されるてくるサンプルガスに含まれる測定対象ガス（例えば酸素合すと炭酸ガスなど）のガス濃度を測定し、その結果を制御部3に転送する。
サンプルガスがサンプリング回路4を通過するのに輸送時間ｔｄだけかかるため、時刻ｔの呼吸流量のガス分析データは、時刻ｔからｔｄ遅れて測定される。
The gas analyzer 5 measures the gas concentration of the measurement target gas (for example, oxygen combined with carbon dioxide) contained in the sample gas transported via the sampling circuit 4, and transfers the result to the
Since it takes only the transport time td for the sample gas to pass through the sampling circuit 4, the gas analysis data of the respiratory flow at time t is measured with a delay of td from time t.
制御部3は、呼吸流量センサ2から流量のデータを受け取り、流量に関する各種データや気量（体積）に関する各種データを算出する。流量をある期間に積分すると気量を求めることができる。例えば、1回の吸気時にわたって流量を積分すると、1回吸気量（1回の吸気で肺に吸い込む空気の量）を得ることができる。同様に、1回呼気量や、分時（1分間当たりの）吸気量、分時呼気量などを求めることができる。
The
また、制御部3は、ガス分析計5のデータを受け取り、ガス濃度に関する各種データ、例えば、所定期間の平均酸素ガス濃度や平均炭酸ガス濃度（吸気平均酸素ガス濃度や吸気平均炭酸ガス濃度、呼気平均酸素ガス濃度、呼気平均炭酸ガス濃度など）などを算出する。
Further, the
さらに、制御部3は、時刻ｔの呼吸流量データと、時刻ｔからｔｄ遅れて測定されるガス分析データを組み合わせて、呼吸気に含まれる測定対象ガスの量、例えば、１回吸気中の酸素ガス量と炭酸ガス量、1回呼気中の酸素ガス量と炭酸ガス量、1分間あたりの呼気と吸気中の酸素ガス量と炭酸ガス量などを求めることができる。
さらに、1回呼吸時の呼気と吸気の酸素ガス量を比較すると、1回呼吸時の酸素ガス摂取量を求めることができる。同様に、1回呼吸時の炭酸ガス排泄量や、分時酸素ガス摂取量、分時炭酸ガス排泄量などの呼吸代謝データを求めることができる。
Further, the
Furthermore, by comparing the amount of oxygen gas in exhaled air and inspired air during a single breath, the amount of oxygen gas intake during a single breath can be determined. Similarly, respiratory metabolism data such as carbon dioxide excretion during one breath, minute oxygen gas intake, minute carbon dioxide excretion can be obtained.
ただし、前述のように、呼吸流量データとガス分析データを組み合わせて、呼吸気に含まれる測定対象ガスの量や各種呼吸代謝データを測定する場合は、時間遅れｔｄを正確に考慮する必要がある。 However, as described above, the time delay td needs to be accurately taken into account when measuring the amount of gas to be measured and various respiratory metabolism data included in respiratory air by combining respiratory flow data and gas analysis data. .
請求項又は請求項21記載の発明により、サンプルガスの状態がどのように変化しても、サンプルガスの輸送速度ｖ0とサンプルガスの輸送時間ｔｄが所定の値になるように定輸送速度制御手段でガス輸送部6を制御している。
また、請求項3記載の発明により、サンプリング回路の容積が変動しても、この変動を補正して、サンプルガスの輸送速度ｖ0とサンプルガスの輸送時間ｔｄが所定の値になるように定輸送速度制御手段でガス輸送部6を制御している。
このため、呼吸流量データとガス分析データを正確に同期させることができ、呼吸気に含まれる測定対象ガスの量や、酸素摂取量や炭酸ガス排泄量などの各種呼吸代謝データを、正確に測定することができる。
According to the invention described in
According to the invention of
For this reason, respiratory flow data and gas analysis data can be accurately synchronized, and various respiratory metabolic data such as the amount of measurement target gas contained in breathing air and oxygen intake and carbon dioxide excretion can be accurately measured. can do.
呼吸代謝測定時にはセンサ部1の圧と呼吸気ガスの状態が急速に変動し、これがガス分析計5の入力部では輸送時間の変動として表れる。
本発明では、センサ部1の圧と呼吸気ガスの状態が変動しても、また、測定環境の状態（気圧、気温、大気ガス状態等）が変化しても、常に、ポンプのモータの回転速度を一定に維持し、一定時間に一定量の排気を行うようにしている。このため、サンプリング回路の中を輸送されるサンプルガスの輸送速度が所定の一定速度ｖ0になるように制御される。
At the time of respiratory metabolism measurement, the pressure of the sensor unit 1 and the state of respiratory gas rapidly change, and this appears as a change in transport time at the input part of the gas analyzer 5.
In the present invention, even if the pressure of the sensor unit 1 and the state of the breathing gas change, and the state of the measurement environment (pressure, temperature, atmospheric gas state, etc.) changes, the rotation of the pump motor is always performed. The speed is kept constant, and a certain amount of exhaust is performed in a certain time. For this reason, the transport speed of the sample gas transported through the sampling circuit is controlled to be a predetermined constant speed v0.
サンプリング回路4の長さが1ｍ程度、輸送時間が1秒程度の代表的な呼気ガス分析装置において、正確な呼気ガス分析をおこなうには、輸送時間の変動は10ｍS程度以内に抑えることが求められる。
従来の定流量サンプリング方式では、特に測定環境の変動があった場合に、これを補正する手段を有していなかったため、これよりもはるかに大きな輸送速度の変動が生じて、正確な呼気ガス分析はおこなえなかったが、本発明により、輸送時間の変動を10ｍSよりも小さくすることができ、正確な呼気ガス分析が可能になった。
In a typical breath gas analyzer with a sampling circuit 4 length of about 1 m and transport time of about 1 second, fluctuations in transport time are required to be kept within about 10 mS in order to perform accurate breath gas analysis. .
With the conventional constant flow sampling method, especially when there is a change in the measurement environment, there is no means to correct this, so a much larger change in transport speed occurs than this, and accurate expiratory gas analysis However, according to the present invention, the fluctuation of the transportation time can be made smaller than 10 mS, and an accurate expiration gas analysis can be performed.
以上、呼吸代謝測定を例に述べたが、同様に、肺機能検査やピロリ菌検査等の呼気ガス分析においても、呼吸流量データとガス分析データを正確に同期させるて、正確なガス分析が可能になり、検査の精度と信頼性を向上させることができる As described above, respiratory metabolism measurement has been described as an example. Similarly, in exhaled gas analysis such as pulmonary function testing and H. pylori testing, accurate gas analysis is possible by accurately synchronizing respiratory flow data and gas analysis data. Can improve the accuracy and reliability of inspection.
1、21：センサ部 2、22：呼吸流量センサ
3、23：制御部 4、24：サンプリング回路
5、25：ガス分析計 6、26：ガス輸送部
7：環境状態測定部
28：呼吸マスク Ｍ：被検者
1, 21: Sensor part 2, 22: Respiratory flow sensor
3, 23: Control unit 4, 24: Sampling circuit
5, 25:
7: Environmental condition measurement unit
28: Respirator M: Subject
Claims (3)
サンプルガスに含まれる測定対象ガスのガス濃度を分析するガス分析手段と、
呼吸気の一部をサンプルガスとして前記ガス分析計に導入するサンプリング手段と、
前記サンプリング回路の内部の前記サンプルガスを輸送するガス輸送手段と、
前記サンプリング手段の中を輸送されるサンプルガスの輸送速度が所定の一定速度ｖ0になるように前記ガス輸送部を制御する定輸送速度制御手段と、
を設けたことを特徴とする呼気ガス分析装置。 Respiratory flow measurement means for measuring the flow of respiratory air;
A gas analysis means for analyzing the gas concentration of the measurement target gas contained in the sample gas;
Sampling means for introducing a part of respiratory air into the gas analyzer as a sample gas;
Gas transport means for transporting the sample gas inside the sampling circuit;
Constant transport speed control means for controlling the gas transport section so that the transport speed of the sample gas transported through the sampling means is a predetermined constant speed v0;
A breathing gas analyzer characterized by comprising:
前記ポンプの前記モータを位相同期ループ制御するＰＬＬ制御手段
を用いて前記定輸送速度制御手段としたことを特徴とする、請求項1記載の呼気ガス分析装置。 A pump that exhausts a fixed volume per unit time using a motor capable of speed control;
2. The breath gas analyzer according to claim 1, wherein the constant transport speed control means is configured by using a PLL control means for performing phase-locked loop control of the motor of the pump.
前記環境状態測定手段で測定した環境状態に応じて前記ガス輸送手段を制御してサンプルガスの輸送速度が所定の一定速度ｖ0になるように補正する環境状態補正手段と
を設けたことを特徴とする、請求項1又は請求項2記載の呼気ガス分析装置。 Environmental condition measuring means for measuring environmental conditions including temperature, humidity and atmospheric pressure of the measurement environment;
And environmental condition correction means for controlling the gas transport means according to the environmental condition measured by the environmental condition measurement means to correct the sample gas transport speed to a predetermined constant speed v0. The breath gas analyzer according to claim 1 or 2.
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