JP2014500959A - 多機能呼気分析器 - Google Patents

Abstract

本発明は、多機能呼気分析器に関する。多機能呼気分析器は、被験者から呼気サンプルを受け取るための受容部ユニットと、サンプル内の少なくとも１つの揮発性物質の濃度に対応する信号を提供する感知ユニットと、呼気サンプルの希釈を示す信号を提供する手段と、呼気サンプルの揮発性物質を識別および定量化するための分析ユニット／処理ユニットとを含む。信号処理ユニットは、定量化のための少なくとも２つの異なる計算を行うよう構成され、信号処理ユニットは、選択された計算の結果を自動的に表示するように構成され、選択は、希釈を示す信号に基づいている。

Description

本発明は、被験者の呼気（吐出された空気）の分析に関する。分析は、たとえばエタノール、メタノール、アセトン、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア、酸化窒素などの１つまたは複数の揮発性物質を識別および定量化することを含む。この分析は、状況および関係する物質に応じて、医療、社会、安全保障、または司法の目的に使用され得る。状況に応じて、測定の精度、特定性、および反応速度などに関する異なる要件が求められる。特に、本発明はこのような分析のための装置に関する。

背景
従来技術に係る呼気分析器は、特定の状況および適用分野に向けて設計されている。スクリーニングおよび臨床診断の用途、ならびに呼気アルコール濃度判定の証拠目的のための様々な製品が存在する。後者のカテゴリにおいては、優先度の高い要件として、測定の精度および特定性が挙げられる。スクリーニングの目的においては、陽性反応がわずかである、すなわち特定の閾値を超える濃度が小さいと見込まれる場合は特に、反応速度および試験者にとっての簡易性がより重要となる。車両の運転手に対して飲酒検査を行う場合においては、アルコロックまたは類似の装置が含まれる。

証拠器具および正規の診断器具においては、測定原理として赤外線分光法が使用されており、これによって精度および特定性が非常に高められる。スクリーニングの目的においては、燃料電池または半導体要素などの触媒を基にした簡易なセンサが使用されている。これらは、製造コストに関しては有利であるが、信頼性に関しては難点がある。触媒機能は制御が難しく、センサの寿命は限られている。ほとんどの呼気分析器においては、密着したマウスピースに対して被験者が強く吐息を吹き込む必要がある。この手順は、時間がかかり、呼吸機能に欠陥のある人には問題となる。

本発明は、上記の対立するとみられる要件を単一の筺体内で同時に満たす多機能呼気分析器に関する。本発明に係る呼気分析器は、今までは異なる機器が必要であった複数の異なる目的に使用することができる。このため、柔軟性が高められ、時間の浪費が減り、ユーザのコストが下げられる。スクリーニングおよび一層困難な操作の両方が、１つの同じ機器を用いて行われ得る。

本発明に係る呼気分析器において、スクリーニングは、呼気分析器と被験者との間の物理的な接触がなく、操作が容易で速いという利点を伴い、被験者側の負担を最小限に留めて行われ得る。しかしながら、これは、呼気サンプルが外気によって希釈されてしまうことも意味する。サンプル内における二酸化炭素（ＣＯ_２）などのトレーサー物質の濃度を測定することにより、希釈の度合いが推定され、真の呼気濃度を推定することができる。

本発明によれば、呼気分析器は、被験者から呼気サンプルを受け取るための受容部ユニットと、サンプル内の少なくとも１つの揮発性物質の濃度に対応する信号を提供する感知ユニットと、呼気サンプルの希釈を示す信号を提供するための手段と、呼気サンプルの揮発性物質を識別および定量化するための分析ユニット／処理ユニットとを含む。信号処理ユニットは、定量化のための少なくとも２つの異なる計算を行うように構成される。また、信号処理ユニットは、選択された計算の結果を自動的に表示するように構成され、この選択は、希釈を示す信号に基づいている。

希釈を示す手段は、トレーサー物質に反応するセンサ、または被験者の呼吸器官と感知ユニットとの間の結合の密着度合いに反応するもののいずれかを含んでもよい。

本発明に係る装置は、請求項１に規定されている。
好ましい実施形態において、本発明に係る呼気分析器は、試験者の位置、姿勢、および状態とは関係なく使用される簡易な自立型携帯ユニットを含む。

他の好ましい実施形態において、呼気分析器は、車両における運転者の位置の器具類に設置および埋め込むことができる。スクリーニング動作モードにおいては、運転手の能動的な操作は必要とされない。しかしながら、推定される物質濃度が特定の閾値を超えた場合、運転者は、同じ呼気分析器に結合された密着マウスピースを用いた第２の呼気試験を行うよう促され得る。

本発明は添付の請求項に規定され、より詳細な記載は添付の図面と関連して以下に提供される。

本発明に係る呼気分析器の構成ブロックを概略的に示す図である。 使用例を示す図である。 典型的な信号パターンを示す図である。 計算を例示するフローチャート図である。

詳細な説明
図１は、本発明に係る呼気分析器の好ましい実施形態の構成ブロックを示す。分析器は、筺体１内に物理的に組み込まれ、手に持って使用されるように設計される。外的な物理的寸法は適度なものであり、典型的には１５０×５０×３０ｍｍである。必要な耐久性を得るためには、極端な温度、湿度、圧力、衝撃、震動、および電磁干渉などを含む様々な種類の環境的ストレスに対して耐性を有する必要がある。特に、筺体１は、その機能的な要件を満たすために、構造化された金属材料、または耐衝撃性重合体を含む。

筺体１は、信号処理ユニット３に結合された感知ユニット２を含む。感知ユニット１には、入口５および出口６が設けられ、呼気サンプルが、ファン１０による補助の有無に関わらず通過することができる。ファン１０は、測定時の呼気の流れを補助するためにバイアス流れを供給し、高度に希釈されたサンプルについての感度を向上させてもよい。好ましくは、出口６にあるフラップ弁１１は、流れを確実に一方向にする。感知ユニット２の容積は、典型的には１００ｍｌより小さい。

呼気サンプルは、受容部４ａを介して感知ユニット２の入口５に供給される。受容部４ａは、図１においては、感知ユニット２の入口５に対して機械的に固定された状態で示されている。試験者の口および鼻から数センチメートルの距離を置いた状態で呼気サンプルを非接触で受け取るために受容部４ａが使用される場合、受容部４ａの形状は、スコップ状、マグ状、カップ状、または漏斗状であって、筺体１に対して取り外し可能に固定されるのが好ましい。

希釈されていない呼気のサンプル採取のための好ましい他の形状は、図１に別個に示されるように、フランジの有無に関わらず筒状４ｂであり、感知ユニット２と被験者の唇および呼吸器官との間の結合が確実に密着したものとなる。密着な結合は、被験者の口および鼻の両方を囲む顔マスクの形状を受容部が有する場合にも実現され得る。

典型的には繊維状重合体である多孔質かつ透過性の物質からなる粒子フィルタ１２は、好ましくは感知ユニット２または受容部４ａ，４ｂに含まれ、これには２つの異なる目的がある。第１の目的は、吐き出された空気に付随する液滴および固体粒子を主な関心の対象となる揮発性物質から分離し、感知ユニット２内の感度の高い面の汚染を回避することである。

フィルタ１２の第２の目的は、圧力センサ１６とともに、被験者の呼吸器官と感知ユニット２との間の結合の密着度合いを示す信号を提供するための手段を規定することにある。密着度合いは、呼気サンプルが希釈されていないことを示す１つの目安である。フィルタ１２は、小さいが明確に規定された流れ抵抗を有する。フィルタ１２を通る流れは、ほぼ層流であるのが好ましく、これにより、フィルタ１２の上流端および下流端にわたる流れと圧力差との間に線形の関係または多項式の関係がもたらされる。差圧センサ１６は、この圧力に反応させることを目的として含まれる。呼気サンプル採取の開始時において、圧力ピークは、被験者の呼吸駆動力に対応し、感知ユニット２と被験者の呼吸器官との間の密着した結合を示す。圧力センサ１６の入力開口１６′，１６″は、ベルヌーイの基本法則による動圧の蓄積の影響を最小化するために、主要な流れの方向に対して垂直に向けられるのが好ましい。

密着を示す信号を提供するための手段の代替的な実施形態では、たとえば、熱線風速測定、渦励振、超音波経過時間測定、またはドップラー周波数シフトに基づく他の気体流感知装置が使用される。必要な前提条件は、０．１秒以下の反応時間および環境変化に対する適応力である。

好ましくは、感知ユニット２は、センサ要素８，９を含み、これらは関心の対象となる物質９、およびＣＯ_２または水蒸気などのトレーサー物質８の両方に反応する。希釈されていない呼気サンプルについての表示は、後者の要素８によって提供される。ＣＯ_２濃度が特定の値、たとえば、通常の肺胞内濃度と一致する値を超える場合、サンプルは希釈されていないと考えられ得る。

感知ユニット２の第１の実施形態においては、赤外線（ＩＲ）波長範囲内の電磁放射のソース７と、判定される物質の吸収ピークと一致する波長間隔に調節される帯域通過型緩衝フィルタが設けられたＩＲ検知器８，９とが含まれる。エタノールおよびＣＯ_２については、それぞれ９．５±０．３μｍ（１μｍ＝１０^−６ｍ）および４．２６±０．０５μｍが適切な波長間隔である。他の物質は、他の好ましい波長間隔を有する。

図１は、好ましくは金もしくはアルミまたは他の高反射材料の薄膜によって覆われ、ビームの視準を合わせるのに適した形状を有する測定空間の内壁に対し、ソース７によって放出されるＩＲビームが反射し、その後に検知器８，９に到達することを概略的に示している。ＩＲビームは、検知器８に到達する前に一度反射し、検知器９に到達する前に三度反射する。このため、検知器９のための光路はかなり長く、吸収に対する感度が高くなる。このため、検知器９は、主な関心の対象となる揮発性物質を検知するために使用され、検知器８は、トレーサー物質のために使用される。さらに、J. U. Whiteによって記述された原理（J. Opt. Soc. Amer.、第３２巻、１９４２年、２８５−２８９頁）に基づいて解析される物質の期待濃度に対して光路および穴を最適化するのが望ましい。

ＩＲソース７は、分析器の時間分解能を定める５〜１００Ｈｚの繰り返し周波数を有するＩＲ放射の繰り返しパルスを生成するのが好ましい。ＩＲソース７は、高い繰り返し周波数を可能とするために黒体放射する薄膜を含むのが好ましい。ＩＲ検知器８，９は、最大の信号対雑音比、ならびにこれに伴う最大の感度および分解能を提供するために、熱電体列であるのが好ましい。

感知ユニット２の第２の実施形態においては、関心の対象となる揮発性物質およびトレーサー物質を識別して定量化するために、電気化学電池または半導体素子を含む触媒センサが使用される。

信号処理ユニット３は、信号処理および制御のためのアナログおよびデジタルの集積回路素子を含むのが好ましい。信号処理、測定結果を示すための表示部１４への信号の管理、およびパーソナルコンピュータもしくは他の周辺機器などの専用のコネクタ１５によって接続可能な外部機器とのデータ通信のために、１つまたは複数のマイクロプロセッサが含まれるのが好ましい。

好ましい実施形態において、本発明に係る呼気分析器は、自立型の携帯ユニットとして稼働する。電力供給は、電源アダプタによって好ましくは再充電可能であるバッテリ１３によって提供される。他の好ましい実施形態において、呼気分析器は、計器パネルに埋め込まれ、他の機器と併せて使用される。

既に述べたように、呼気サンプルの希釈についての推定は、たとえばＣＯ_２などのトレーサー物質を使用して行われる。深い（肺胞）呼気空気内のＣＯ_２の分圧は、典型的には４．８ｋＰａであり、４．８体積％に対応し、背景の周囲濃度は、０．１％ｖ／ｖを超えることはほとんどない。このため、希釈の度合いは、Ｃ０_２ａｌｖ／Ｃ０_{２ｍｅａｓ}の比率から計算することができ、Ｃ０_２ａｌｖおよびＣ０_{２ｍｅａｓ}は、それぞれ肺胞内濃度および測定濃度である。１つの標準偏差として表わされる異なる個人間のＣＯ_２ａｌｖのばらつきは、比較的小さく、平均のほぼ１０％程度である。

本発明において、希釈されたサンプルにおける物質の測定濃度は、希釈されていない濃度の推定値を得るために、Ｃ０_２ａｌｖ／Ｃ０_{２ｍｅａｓ}と掛け合わされる。この動作モードは、非常に迅速であり、試験者にとって便利なものであるが、Ｃ０_２ａｌｖのばらつきにより、比較的大きな誤差を示す。水蒸気は、代替的なトレーサー物質として使用できるが、悪条件下では信号とほぼ一致してしまうかもしれない背景濃度をさらに注意深く判断する必要がある。

スクリーニング動作モードから測定の精度がより高いモードへの変更は、本発明においては、トレーサー物質に反応するセンサ要素８、または呼吸器官と呼気分析器の感知ユニットとの間の密着な結合を示す信号のいずれかにより、希釈されていない呼気を識別することによって達成される。この信号は、圧力センサ１６によって提供される。

希釈されていないサンプルを示す信号が無い場合、サンプルの希釈についての推定が物質濃度の計算に使用される。このような信号がある場合には、希釈の推定は省かれ、精度が高められる。このため、希釈信号により、呼気分析器は、スクリーニング動作モードと高い精度のモードとの切り替えを自動で行うことができる。

図２は、本発明に係る呼気分析器の２つの動作モードまたは機能性を概略的に示す。図２ａ）において、試験者から数センチメートル離れた距離で手で持っている筺体１を用いて非接触測定が行われている。漏斗形状の受容部４により、呼気の空気流が捕獲されるが、外気による幾分の希釈を伴う。上記の比演算処理またはアルゴリズムにより、主な関心の対象となる物質の濃度は、希釈を考慮に入れて修正することができ、実際の呼気濃度の推定値が提供される。図２ａ）による判定は数秒で行われ、強制的に測定空間を換気することにより、装置は、いずれかの部品を物理的に交換する必要なく、迅速に新しい試験に備えることができる。このため、図２ａ）は、典型的なスクリーニングの状況を示す。

図２ａ）に基づいて行われるスクリーニングの結果が不明確なものである場合、より正確な図２ｂ）に係る判定を行うために、同じ機器を使用することができる。不明確な結果とは、結果が特定の濃度の限度の許容差内にあることを意味する。より精度の高い（許容差が小さい）他の測定を行うことにより、不明確な状況を解消することができる。この動作モードにおいて、筒状の受容部４ｂを適用することにより、被験者の呼吸器官と感知ユニット２との間が確実に密着に結合され、試験者は、呼気空気が確実に空となるように、強く長い息を吹きかけるよう指示される。受容部５は試験者の口の開口に密着して嵌められるため、サンプルの希釈が起こらず、ＣＯ_２の修正は必要ない。しかしながら、測定結果における生理学的死腔による影響を最小限とするためには、長く吐き続けることが必要となる。

図３は、図２ａ）および図２ｂ）に関連して記載された手順による呼気試験を行う場合の信号パターンを概略的に示す。スクリーニングの場合について、図３ａ）は、呼気試験の間における時間の関数としてのＣＯ_２および関心の対象となる物質の測定濃度の変化をグラフで示す。関心の対象となる物質は、この場合においてはエタノール（ＥｔＯＨ）である。第３のグラフは、センサ１６によって感知ユニット２の入口で感知された圧力を示す。

図３ａ）における全ての３つの信号は、基本的にゼロから始まり、息を吐く段階において最大に達し、感知ユニットが換気されるとゼロに戻る。ＣＯ_２濃度が最大に達すると、希釈されていないＥｔＯＨの推定を得るために、濃度アルゴリズムはＣ０_２ａｌｖ／Ｃ０_{２ｍｅａｓ}の希釈比率として、その時の測定されたエタノール濃度をこれに掛け合わせる。

図３ａ）の全体的な経過は、約２．４の希釈比率に対応する典型的には２ｋＰａの所定の閾値にＣＯ_２が達した場合に息の吐出をやめるよう試験者が指示されるという事実により、数秒のみの期間である。

センサ１６からの圧力信号は、最大流れと一致する微小ピークを示す。その大きさは、典型的には１０Ｐａ（Ｎ／ｍ^２）より小さい。

図３ｂ）は、密着受容部４ｂの使用時に対応する信号パターンを示す。ＣＯ_２濃度は、開始時に急速に高まり、その後に横ばいとなる。たとえば通常の肺胞内濃度などの所定値を超えると、サンプルは希釈されていないと考えられ得る。期間は、この場合において図３ａ）よりも長く、典型的には５秒である。エタノールの濃度は、早期の段階で上昇したり、より平坦な横ばい状態となるなど、わずかなずれを伴い、ＣＯ_２と同じパターンをたどる。

図３ｂ）における圧力信号は、図３ａ）よりも大幅に高いピーク値を示す。これは、特に初期段階において大きな駆動力が試験者の呼吸器官によって生成されるという事実によるものである。圧力センサ１６によって記録される大きさは、粒子フィルタ１２の流れ抵抗にも左右される。ＣＯ_２または圧力信号は、サンプルが希釈されていると考えられるか、または希釈されていないと考えられるかどうかを判定するために使用される。初期段階における圧力が所定の閾値、たとえば１００Ｐａを超えると、被験者と感知ユニット２との間の結合が密着していると考えられる。すると、Ｃ０_２ａｌｖ／Ｃ０_{２ｍｅａｓ}比率が物質濃度の計算から自動的に省かれる。

図４は、計算のフローチャートを示す。たとえばエタノールなどの関心の対象となる物質の濃度値を取得するための計算処理は、たとえば２％（ｖ／ｖ）の測定されたＣＯ_２濃度の閾値を超えると開始される。そして、圧力センサ１６のピーク差圧がその閾値、たとえば１００Ｐａである閾値を超えない場合、またはＣＯ_２濃度が肺胞内濃度を超えない場合、表示される推定濃度を得るために、測定された物質濃度がＣ０_２ａｌｖ／Ｃ０_{２ｍｅａｓ}と掛け合わされる。圧力ピークが１００Ｐａを超える場合、またはＣＯ_２信号が肺胞内濃度を超える場合、Ｃ０_２ａｌｖ／Ｃ０_{２ｍｅａｓ}の掛け合わせが省略される。

Claims (9)

1. 多機能呼気分析器であって、
   被験者から呼気サンプルを受け取るための受容部ユニット（４）と、
   前記サンプル内の少なくとも１つの揮発性物質の濃度に対応する信号を提供する感知ユニット（２）と、
   前記呼気サンプル内の前記揮発性物質を識別および定量化するための信号処理ユニット（３）とを備え、
   前記感知ユニット（２）は、前記サンプルの希釈を示す信号を提供するための手段（８，１２，１６）を含み、
   前記信号処理ユニット（３）は、定量化のための少なくとも２つの異なる計算を行うように構成され、
   前記分析／処理ユニット（３）は、選択された計算の結果を自動的に表示するように構成され、この選択は、希釈を示す前記信号の結果に基づいている、多機能呼気分析器。
2. 前記計算は、前記サンプル内の、たとえば二酸化炭素または水蒸気などのトレーサー物質の濃度を同時に判定することによって推定される希釈の度合いを含む、請求項１に記載の呼気分析器。
3. 前記物質は、エタノールもしくはメタノール、アセトン、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア、窒素酸化物、および前記呼気と周囲空気とを識別するためのマーカーとしてのたとえば二酸化炭素もしくは水蒸気などのトレーサー物質である、請求項１に記載の呼気分析器。
4. 前記手段（８，１２，１６）は、たとえば二酸化炭素もしくは水蒸気などのトレーサー物質に反応するセンサ（８）、または前記被験者の呼吸器官と前記感知ユニット（２）との間の結合の密着度合いを示す手段（１２，１６）を含み、前記手段（１２，１６）は、明確に規定された流れ抵抗（１２）と、前記抵抗（１２）の上流および下流に開口（１６′，１６″）を有する差圧センサ（１６）とを含み、前記開口は、前記サンプルの主要な流れ方向に対して垂直に向けられる、請求項１に記載の呼気分析器。
5. 前記受容部（４ａ，４ｂ）は、漏斗状（４ａ）、スコップ状、カップ状、もしくはマグ状の形状、または前記被験者の口もしくは鼻の開口に向けて密着させることによる筒状（４ｂ）の形状を有する、請求項１に記載の呼気分析器。
6. 前記感知ユニット（２）は、形状が明確に規定された測定空間を含み、測定空間の入口（５）は、前記受容部（４ａ，４ｂ）に対する結合と、前記サンプル内の液滴および固体粒子を分離するための粒子フィルタ（１２）とを含み、測定空間の出口は、周囲空気と結合され、前記測定空間は、１００ｍｌより小さく、前記感知ユニット（２）は、空気流に対して小さいが特徴的な抵抗を有し、前記流れは、ポンプ、ファン、または弁（１０，１１）によって制御可能である、請求項１に記載の呼気分析器。
7. 前記感知ユニット（２）は、５Ｈｚ以上の繰り返し周波数で繰り返し信号を生成し、前記信号は、形状的に規定された測定空間内の前記物質の濃度に対応する、請求項１に記載の呼気分析器。
8. 前記感知および信号処理ユニット（２，３）は、触媒測定原理、または規定された測定空間内において高い反射率で表面に対して複数回にわたって反射した電磁放射の伝送測定に基づいており、前記分析は、たとえばエチルアルコールなどの前記物質の判定については、たとえば９〜１０μｍの規定された波長間隔内の吸収を含み、たとえば二酸化炭素などのトレーサー物質の判定については、たとえば４．２〜４．３μｍの規定された波長間隔内の吸収を含む、請求項１に記載の呼気分析器。
9. 前記解析器は、環境的ストレスに対する耐性を有する筺体（１）内に収容され、前記感知および分析ユニットと、電源としてのバッテリー（１３）と、分析結果を表示するための表示部（１４）と、データを記憶するためのメモリユニットと、データ入力のためのスイッチと、外部機器とデータ通信するための手段（１５）とを含み、前記筺体は、サンプル採取および緊急分析用の自立型ユニットを含む、請求項１に記載の呼気分析器。