JP2015040770A - Exhaled-gas sampling analyzer and portable type exhaled-gas analyzer - Google Patents

Exhaled-gas sampling analyzer and portable type exhaled-gas analyzer Download PDF

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裕介 坂上
Yusuke Sakagami
裕介 坂上
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized exhaled-gas sampling analyzer capable of removing moisture from exhaled-gas without requiring power consumption, and without impeding flow of the exhaled-gas, and to provide a portable type exhaled-gas analyzer using the same.SOLUTION: An exhaled-gas sampling analyzer 1A has a sampling path 10 for introducing and sampling exhaled-gas therethrough, an adiabatic change part 30 for cooling exhaled-gas introduced from the sampling path by adiabatic change, a separation part 31 for separating moisture from cooled exhaled-gas, and an analysis part 32 for analyzing exhaled-gas from which moisture is separated.

Description

本発明は、呼気ガス採取分析装置及び携帯型呼気ガス分析装置等に関する。   The present invention relates to a breath gas collection and analysis device, a portable breath gas analysis device, and the like.

人は、食物から摂取した栄養素が呼吸によって取り込んだ酸素と反応し、化学的エネルギーと二酸化炭素を産生する。従って、栄養素と反応した酸素量とそれに伴う二酸化炭素の産生量を把握することができれば、エネルギー消費量を求めることができる。一般的に、各栄養素1gあたりに保有される熱エネルギーは炭水化物で4kcal、脂肪で9kcalそしてタンパク質で4kcalと言われている。炭水化物と脂肪は最終的に二酸化炭素と水にまで分解され、タンパク質は尿中窒素にまで分解されるので、呼吸による呼気中の酸素および二酸化炭素の濃度と容積および尿中窒素量を測定してエネルギー消費量を求める。大気中の酸素濃度は約21%、二酸化炭素濃度は約0.03%であることが予め分かっているため、大気中のものに対して呼気中の酸素濃度がどのくらい減少し、二酸化炭素濃度がどのくらい増加したかを分析することになる。これらは、呼気ガス分析法と言われ、既に実用化されている。   In humans, nutrients taken from food react with oxygen taken by breathing to produce chemical energy and carbon dioxide. Therefore, if the amount of oxygen that reacts with nutrients and the amount of carbon dioxide that accompanies it can be grasped, the amount of energy consumption can be determined. Generally, the heat energy held per gram of each nutrient is said to be 4 kcal for carbohydrates, 9 kcal for fats and 4 kcal for proteins. Carbohydrates and fats are eventually broken down into carbon dioxide and water, and proteins are broken down into urinary nitrogen, so measure the concentration and volume of breathing oxygen and carbon dioxide and the amount of urinary nitrogen. Find energy consumption. Since it is known in advance that the oxygen concentration in the atmosphere is about 21% and the carbon dioxide concentration is about 0.03%, how much the oxygen concentration in the exhalation is reduced compared to that in the atmosphere, and the carbon dioxide concentration is We will analyze how much it has increased. These are called breath gas analysis methods and have already been put into practical use.

さらに、呼気ガス中の生体ガスの成分の研究が進み、呼気ガス中のアセトンを検出することで、脂肪がどれくらい燃焼したかを知ることができることが分かってきた。例えば特許文献1は、呼気中のアセトン濃度を検出して、適切な運動強度を指示する運動器具の提案をしている。   Furthermore, research on the components of biogas in the exhaled gas has progressed, and it has been found that it is possible to know how much fat has been burned by detecting acetone in the exhaled gas. For example, Patent Document 1 proposes an exercise device that detects the concentration of acetone in expired air and indicates an appropriate exercise intensity.

また、今後の非侵襲的な病気診断の例として、呼気ガス中の生体ガス成分から、各種のガンの診断をするという研究がなされている。未だ、呼気ガス中の特定成分がどのガンとの相関があるか、臨床的な裏付けが確定していない段階であり、今後の研究成果が待たれている。例えば、呼気中のアセトイン1−ブタノールは肺がん、アセトンは糖尿病や肥満、エタンまたはペンタンは気管支喘息または肺高血圧、一酸化窒素は喘息、アンモニアは脳性肝症、水素は消化不良症候群または乳糖不耐性、メタンは腸内細菌叢、トリメチルアミンは肝不全など、メチルメルカプタンや硫化水素は歯周病、トルエンはシンナー中毒と相関があるとの研究がなされている。   In addition, as an example of non-invasive disease diagnosis in the future, studies have been made to diagnose various cancers from biological gas components in exhaled gas. It is still at the stage where clinical support for the specific component in the exhaled gas is correlated with which cancer, and future research results are awaited. For example, acetoin 1-butanol in exhaled breath is lung cancer, acetone is diabetes or obesity, ethane or pentane is bronchial asthma or pulmonary hypertension, nitric oxide is asthma, ammonia is cerebral liver disease, hydrogen is dyspepsia syndrome or lactose intolerance, Studies have shown that methane is associated with gut microbiota, trimethylamine is associated with liver failure, methyl mercaptan and hydrogen sulfide are associated with periodontal disease, and toluene is associated with thinner poisoning.

呼気ガスは肺胞で血液とガス交換によって生成するものであり、呼気ガスの温度は深部体温に近い約37℃で、相対湿度がほぼ100%になっている。この相対湿度100%の呼気ガスを直接センサーで分析する場合には、センサー表面に水分子が多く吸着すると、呼気ガス中の他のガス成分のセンサー表面への分子吸着を妨げることがある。そのため、呼気ガス中の水分を低減させてからセンサーで検出する構成が必要になる。特許文献2〜5では、呼気ガスに含まれる水分を除去する技術を開示している。   Expiratory gas is generated by gas exchange with blood in the alveoli, and the temperature of the expiratory gas is about 37 ° C., which is close to the deep body temperature, and the relative humidity is almost 100%. When the exhaled gas having a relative humidity of 100% is directly analyzed by the sensor, if many water molecules are adsorbed on the sensor surface, the adsorption of molecules on the sensor surface of other gas components in the exhaled gas may be hindered. For this reason, it is necessary to have a configuration in which moisture is detected in the expired gas and then detected by the sensor. Patent Documents 2 to 5 disclose techniques for removing moisture contained in exhaled gas.

特開2010−268864号公報JP 2010-268864 A 特開平11−160301号公報JP 11-160301 A 特開2010−046107号公報JP 2010-046107 A 特開2009−047593号公報JP 2009-047593 A 特開平7−103974号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-103974

特許文献2は除湿器により呼気ガスを冷却しているが、呼気ガスを冷却する具体的構造は未開示である。特許文献3〜5の冷却方式では、呼気ガスを冷却するには電力を要するか、呼気ガスの流れを阻害するか、あるいは装置の大型化を招くことがある。例えば特許文献3で用いられるベルチェ素子は、電力を要する。特許文献4のようにシリカなどの多孔質体に水分を吸着させると、呼気ガスの流れを阻害する。特許文献5では、冷媒中を通っている細管に呼気ガスを通過させて、呼気ガスを冷却して水分を凝縮しているが、細管の引き回しや冷媒用機などが装置の大型化を招く。   In Patent Document 2, exhaled gas is cooled by a dehumidifier, but a specific structure for cooling the exhaled gas is not disclosed. In the cooling methods of Patent Documents 3 to 5, it may take electric power to cool the exhaled gas, obstruct the flow of the exhaled gas, or increase the size of the apparatus. For example, the Beltier element used in Patent Document 3 requires electric power. When moisture is adsorbed on a porous material such as silica as in Patent Document 4, the flow of exhaled gas is inhibited. In Patent Document 5, exhalation gas is allowed to pass through a thin tube passing through the refrigerant, and the exhalation gas is cooled to condense moisture. However, the drawing of the thin tube, the refrigerant machine, etc., increase the size of the apparatus.

本発明の幾つかの態様は、消費電力を要せず、呼気ガスの流れを阻害せずに呼気ガスから水分を除去することができる小型の呼気ガス採取分析装置及びそれを用いた携帯型呼気ガス分析装置を提供することを目的とする。   Some aspects of the present invention are a small expiratory gas sampling / analyzing apparatus capable of removing moisture from expiratory gas without requiring power consumption and without disturbing the flow of expiratory gas, and portable expiratory air using the same. An object is to provide a gas analyzer.

(1)本発明の一態様は、
呼気ガスを導入し採取する採取路と、
前記採取路から導入される前記呼気ガスを断熱変化により冷却する断熱変化部と、
冷却された前記呼気ガスから水分を分離する分離部と、
水分が分離された前記呼気ガスを分析する分析部と、
を有することを特徴とする呼気ガス採取分析装置に関する。
(1) One aspect of the present invention is
A sampling channel for introducing and collecting exhaled gas;
An adiabatic change part that cools the exhaled gas introduced from the sampling channel by an adiabatic change;
A separation unit for separating moisture from the cooled exhaled gas;
An analysis unit for analyzing the exhaled gas from which moisture has been separated;
The present invention relates to a breath gas collection and analysis apparatus characterized by comprising:

本発明の一態様では、採取された呼気ガスを断熱変化により冷却している。断熱変化によって断熱仕事が行われ、その断熱仕事に相当する分だけ呼気ガスの温度は低下される。冷却を伴う断熱変化は断熱膨張である。予め呼気ガスを断熱圧縮させ、その後に一気に呼気ガスを断熱膨張させることができる。このように、熱量を供給せずに体積変化だけで呼気ガスを断熱変化させることができるので、電力も要せず、呼気ガスの流れも阻害せず、装置の大型化も招かない。冷却された呼気ガスは、分離部にて水分が分離されて分析部に導かれるので、分析部への水分の付着を防止する。   In one embodiment of the present invention, the collected exhaled gas is cooled by an adiabatic change. Adiabatic work is performed by the adiabatic change, and the temperature of the exhaled gas is decreased by an amount corresponding to the adiabatic work. The adiabatic change with cooling is adiabatic expansion. The exhaled gas can be adiabatically compressed in advance, and then the exhaled gas can be adiabatically expanded at once. In this way, since the exhaled gas can be adiabatically changed only by changing the volume without supplying heat, no power is required, the flow of exhaled gas is not hindered, and the apparatus is not enlarged. Since the cooled exhaled gas is separated into moisture by the separation unit and guided to the analysis unit, adhesion of moisture to the analysis unit is prevented.

(2)本発明の一態様では、前記断熱変化部は、ハウジングと、前記ハウジング内で回転可能に軸支される複数のタービンブレードと、を有するタービンにて構成することができる。   (2) In one mode of the present invention, the heat insulation change part can be constituted by a turbine having a housing and a plurality of turbine blades rotatably supported in the housing.

こうすると、呼気ガスは、タービンブレード間で圧縮され、タービンブレード間から放出されることで一気に断熱膨張して冷却される。しかも、タービンブレードは呼気ガスのエネルギーにより回転されるので、電力を要せず呼気ガスの流れも阻害されない。   In this way, the exhaled gas is compressed between the turbine blades and discharged from between the turbine blades, thereby being adiabatically expanded and cooled at once. Moreover, since the turbine blade is rotated by the energy of the exhaled gas, no power is required and the flow of the exhaled gas is not hindered.

(3)本発明の一態様では、前記タービンは、前記呼気ガスが前記タービンブレードの半径方向より導入され、前記呼気ガスを前記タービンブレードの軸方向に沿って放出する輻流式タービンとすることができる。   (3) In one aspect of the present invention, the turbine is a radiant flow turbine in which the exhaled gas is introduced from a radial direction of the turbine blade and discharges the exhaled gas along the axial direction of the turbine blade. Can do.

輻流式タービンは、タービンブレードの軸方向の一端から呼気ガスを取り入れ、タービンブレードの軸方向の他端から呼気ガスを放出する軸流式タービンと比較して、軸方向長さを短縮でき、装置の小型化に適している。   The radial flow turbine can reduce the axial length as compared with an axial flow turbine that takes in exhalation gas from one axial end of the turbine blade and discharges exhalation gas from the other axial end of the turbine blade. Suitable for downsizing of equipment.

(4)本発明の一態様では、前記ハウジングは、前記タービンブレードの半径方向に向けて前記呼気ガスを導出案内する流路を有し、前記流路の横断面積は、前記呼気ガスの上流側から下流側に向かうに従い小さくすることができる。   (4) In one aspect of the present invention, the housing has a flow path for guiding and guiding the exhaled gas toward the radial direction of the turbine blade, and the cross-sectional area of the flow path is upstream of the exhaled gas. It can be made smaller as it goes downstream.

こうすると、呼気ガスがタービンブレード間の狭い空間に導出される前に、ハウシング内に形成された流路により呼気ガスを徐々に圧縮することができる。それにより、呼気ガスがタービンブレード間の狭い空間で一気に圧縮され、呼気ガスの温度が上昇することを抑制できる。   In this way, the expiratory gas can be gradually compressed by the flow path formed in the housing before the expiratory gas is led out to a narrow space between the turbine blades. Thereby, exhaled gas is compressed at a stretch in the narrow space between turbine blades, and it can control that the temperature of exhaled gas rises.

(5)本発明の一態様では、前記分離部は、前記タービンより前記呼気ガスが放出される放出端部と前記軸方向にて対向する位置に配置された水分吸着部を含むことができる。   (5) In the aspect of the invention, the separation unit may include a moisture adsorption unit disposed at a position facing the discharge end from which the expiration gas is discharged from the turbine in the axial direction.

こうすると、輻流式タービンより軸方向に沿って放出された呼気ガスは水分吸着部に接触し、呼気ガスより水分が除去される。   If it carries out like this, the expiration gas discharge | released along the axial direction from the radial flow turbine will contact a water | moisture-content adsorption | suction part, and a water | moisture content will be removed from an expiration gas.

(6)本発明の一態様では、
前記採取路内の呼気ガスを前記呼気圧により外部に排出する第1排出路と、
前記第1排出路の一部を開閉する弁と、
前記弁を開閉駆動する弁駆動部と、
前記弁が閉鎖された時に、前記採取路内の呼気ガスを前記呼気圧により外部に排出する第2排出路と、
をさらに有し、
前記断熱変化部、前記分離部及び前記分析部は、前記第2排出路に配置することができる。
(6) In one aspect of the present invention,
A first exhaust path for exhausting exhaled gas in the sampling path to the outside by the expiratory pressure;
A valve for opening and closing a part of the first discharge path;
A valve drive unit for opening and closing the valve;
When the valve is closed, a second discharge path that discharges exhaled gas in the sampling path to the outside by the expiratory pressure;
Further comprising
The adiabatic change part, the separation part, and the analysis part may be disposed in the second discharge path.

弁を開放させておけば、呼気圧により採取路に導入された呼気ガスは、呼気圧により第1排出路を経由して外部に排出される。加えて、弁を開放させておけば、採取路及び第1排出路を介して吸気することができる。よって、日常生活や運動中でも呼気ガス採取分析装置を装着したまま普通に呼吸(吸気と呼気)することが許容される。弁が閉鎖されると、採取路内の呼気ガスは、第1排出路とは異なる第2排出路に呼気圧により導入され、断熱変化部及び分離部を経由して分析部により分析される。   If the valve is opened, the exhaled gas introduced into the sampling path by the expiratory pressure is discharged to the outside via the first discharge path by the expiratory pressure. In addition, if the valve is opened, it is possible to inhale through the sampling channel and the first discharge channel. Therefore, it is allowed to breathe normally (inhalation and exhalation) while wearing the exhalation gas collection and analysis device even during daily life and exercise. When the valve is closed, the exhaled gas in the collection channel is introduced into the second exhaust channel different from the first exhaust channel by the expiratory pressure, and is analyzed by the analysis unit via the adiabatic change unit and the separation unit.

(7)本発明の一態様では、前記採取路は、前記断熱変化部、前記分離部及び前記分析部が設けられる本体に対して着脱可能なマウスピースを含むことができる。   (7) In 1 aspect of this invention, the said collection path can contain the mouthpiece which can be attached or detached with respect to the main body in which the said heat insulation change part, the said separation part, and the said analysis part are provided.

マウスピースを消耗品として使用すれば、衛生的に安心安全が確保される。   If the mouthpiece is used as a consumable item, hygiene and safety are ensured.

(8)本発明の他の態様は、
上述した(1)〜(7)のいずれかに記載の呼気ガス採取分析装置と、
前記呼気ガス採取分析装置と接続され、分析結果を表示する眼鏡型表示装置と、
を有することを特徴とする携帯型呼気ガス分析装置に関する。
(8) Another aspect of the present invention is:
The breath gas collection and analysis apparatus according to any one of (1) to (7),
Glasses-type display device connected to the exhalation gas collection analyzer for displaying the analysis results;
The present invention relates to a portable expiratory gas analyzer.

本発明の他の態様によれば、呼気ガス採取分析装置の採取路(またはマウスピース)を口に咥え、眼鏡型表示装置を頭部に装着することにより、ハンドフリーにて呼気ガスを分析し、分析結果を確認することができる。眼鏡型表示装置には、呼気採取の手順を表示し、呼気開始などを画面にて指示してもよい。   According to another aspect of the present invention, breathing gas is analyzed hand-free by holding the sampling path (or mouthpiece) of the breath gas collecting and analyzing apparatus in the mouth and wearing a glasses-type display device on the head. And the analysis result can be confirmed. The glasses-type display device may display a procedure for collecting exhalation, and instruct the start of exhalation on the screen.

本発明の第1実施形態に係る呼気ガス採取分析装置の概略説明図である。1 is a schematic explanatory diagram of an exhaled gas sampling / analyzing apparatus according to a first embodiment of the present invention. 図1に示す断熱変化部での動作原理を説明するPV線図である。It is a PV diagram explaining the principle of operation in the heat insulation change part shown in FIG. 断熱変化部の一例であるタービンの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the turbine which is an example of an adiabatic change part. タービンブレードの斜視図である。It is a perspective view of a turbine blade. 図5(A)は分離部の平面図であり、図5(B)は図5(A)のv−v断面図である。FIG. 5A is a plan view of the separation portion, and FIG. 5B is a vv cross-sectional view of FIG. 5A. 本発明の第2実施形態である弁を備えた呼気ガス採取分析装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the expiration gas collection | recovery analyzer provided with the valve which is 2nd Embodiment of this invention. 図7(A)(B)は半導体センサーを示す図である。7A and 7B are diagrams illustrating a semiconductor sensor. 半導体センサーの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a semiconductor sensor. 半導体センサーの抵抗比とガス濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the resistance ratio of a semiconductor sensor, and gas concentration. 図10(A)(B)はQCMセンサーの一例を示す図である。10A and 10B are diagrams illustrating an example of a QCM sensor. 図11(A)(B)はQCMセンサーの異なる例を示す図である。FIGS. 11A and 11B are diagrams showing different examples of the QCM sensor. 図12(A)(B)はQCMセンサーの回路例とその周波数応答特性を示す図である。12A and 12B are diagrams showing a circuit example of the QCM sensor and its frequency response characteristics. QCMセンサーの周波数変化率とガス濃度との検量線を示す図である。It is a figure which shows the calibration curve of the frequency change rate of QCM sensor, and gas concentration. SERSセンサーの検出原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the detection principle of a SERS sensor. アセトンの検量線を示す図である。It is a figure which shows the analytical curve of acetone. 3大栄養素(炭水化物、脂質、蛋白質)の摂取から貯蔵までの流れを示す図である。It is a figure which shows the flow from the intake of three macronutrients (a carbohydrate, lipid, protein) to storage. 運動をした時の脂肪燃焼のメカニズムを説明する図である。It is a figure explaining the mechanism of fat burning when exercising. 有酸素運動における糖質と脂肪の利用率の時間的推移を説明する図である。It is a figure explaining the time transition of the utilization factor of carbohydrate and fat in aerobic exercise. 携帯型呼気ガス分析装置を示す図である。It is a figure which shows a portable expiratory gas analyzer. 携帯型呼気ガス分析装置の制御系ブロック図である。It is a control system block diagram of a portable expiratory gas analyzer. 携帯型呼気ガス分析装置の動作フローチャートである。It is an operation | movement flowchart of a portable breathing gas analyzer.

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and all the configurations described in the present embodiment are indispensable as means for solving the present invention. Not necessarily.

1.第1実施形態(呼気ガス採取分析装置)
図1は、呼気ガス採取分析装置1Aの断面図である。図1において、呼気ガス採取分析装置1Aは、呼気圧によって呼気ガスが採取される採取路10と、採取路10内の呼気ガスを通過させる本体(筐体)20Aとを有する。採取路10は、本体20Aと一体でも良いが、本体20Aに対して着脱自在なマウスピースとすることができる。採取路10の開口端11側を咥えられ、呼気ガスが採取路10内に導入されて採取される。
1. First Embodiment (Exhalation Gas Collection and Analysis Device)
FIG. 1 is a cross-sectional view of the exhaled gas collection / analysis apparatus 1A. In FIG. 1, an exhalation gas collection / analysis apparatus 1A includes a collection path 10 through which exhaled gas is collected by the exhalation pressure, and a main body (housing) 20A through which the exhalation gas in the collection path 10 passes. The collection path 10 may be integrated with the main body 20A, but may be a mouthpiece that is detachable from the main body 20A. The opening end 11 side of the collection path 10 is held, and exhaled gas is introduced into the collection path 10 and collected.

採取路10と連通する本体20Aは、本体20Aを通過する呼気ガス通路の下流端に排出口21を有する。本体20A内の呼気ガスは排出口21より排出される。本体20Aには、本体20Aを通過する呼気ガス通路の上流側から順次、断熱変化部30、分離部31及び分析部32が配置されている。断熱変化部30は、採取路10から導入される呼気ガスを断熱変化により冷却する。分離部31は、冷却された呼気ガスから水分を分離する。分析部32は、水分が分離された呼気ガスを分析する。   The main body 20A communicating with the collection channel 10 has a discharge port 21 at the downstream end of the exhalation gas passage passing through the main body 20A. Exhaled gas in the main body 20 </ b> A is discharged from the discharge port 21. In the main body 20A, an adiabatic change part 30, a separation part 31, and an analysis part 32 are sequentially arranged from the upstream side of the expiration gas passage passing through the main body 20A. The adiabatic change unit 30 cools the exhaled gas introduced from the sampling channel 10 by adiabatic change. The separation unit 31 separates moisture from the cooled exhaled gas. The analysis unit 32 analyzes the exhaled gas from which moisture has been separated.

図2は、断熱変化部30での動作原理を説明するPV線図である。熱力学における断熱変化では、気体と周囲は断熱されており、摩擦による内部発熱も生じないから、熱量qの変化量dqは、dq=0である。   FIG. 2 is a PV diagram for explaining the operating principle in the adiabatic change section 30. In the adiabatic change in thermodynamics, the gas and the surroundings are insulated from each other, and internal heat generation due to friction does not occur, so the change amount dq of the heat quantity q is dq = 0.

内部エネルギーをu、その変化量をdu、圧力をp、体積をv、その変化量をdv、定積比熱をcv、定圧比熱をcp、絶対温度をTとすると、熱力学第1基礎式から、
dq=du+pdv=cvdT+pdv=0…式(1)
が成立する。
If the internal energy is u, the amount of change is du, the pressure is p, the volume is v, the amount of change is dv, the constant volume specific heat is cv, the constant pressure specific heat is cp, and the absolute temperature is T, ,
dq = du + pdv = cvdT + pdv = 0 Equation (1)
Is established.

理想気体の状態方程式pv=RTの両辺を微分すると、
pdv+vdp=RdT…式(2)
となる。ただし、Rは気体定数である。
Differentiating both sides of the ideal gas equation of state pv = RT,
pdv + vdp = RdT (2)
It becomes. However, R is a gas constant.

R=cp−cvであることを用いて式(2)を変形すると、
dT=(pdv+vdp)/R=(pdv+vdp)/(cp−cv)…式(3)
となる。
Transforming equation (2) using R = cp−cv,
dT = (pdv + vdp) / R = (pdv + vdp) / (cp−cv) (3)
It becomes.

式(3)を用いて式(1)を変形すると、
cv・(pdv+vdp)/(cp−cv)+pdv=0…式(4)
となる。
When formula (1) is transformed using formula (3),
cv · (pdv + vdp) / (cp−cv) + pdv = 0 Equation (4)
It becomes.

比熱比(断熱指数)κ=cp/cvを用いて式(4)を変形すると、
(pdv+vdp)+(κ−1)pdv=κpdv+vdp=0…式(5)
となる。
When the equation (4) is transformed using the specific heat ratio (adiabatic index) κ = cp / cv,
(Pdv + vdp) + (κ−1) pdv = κpdv + vdp = 0 Equation (5)
It becomes.

式(5)を変形すると、
κdv/v+dp/p=0…式(6)
となる。式(6)の両辺を積分すると、κInv+Inp=In(vκp)=一定となることから、
pvκ=const(一定)…式(7)
が成立する。
When equation (5) is transformed,
κdv / v + dp / p = 0 Equation (6)
It becomes. Integrating both sides of equation (6), since the κInv + Inp = In (v κ p) = constant,
pv κ = const (constant) (7)
Is established.

式(7)のpvκ=constは、図2に示す状態1(圧力p1、温度T1))から状態2(圧力p2、温度T2)まで体積変化した時の断熱変化を意味する。この断熱変化によって、図2の断熱仕事w12が行われる。図2に示す状態1(圧力p1、温度T1))から状態2(圧力p2、温度T2)までの断熱変化は断熱膨張であることから、その断熱仕事に相当する分だけ気体(呼気ガス)の温度が温度T1から温度T2(T2<T1)へと低下する。式(7)の断熱変化は、図2に示すpv=constとなる等温変化と区別され、冷却作用が生じる。 Pv κ = const in the equation (7) means an adiabatic change when the volume changes from the state 1 (pressure p1, temperature T1)) to the state 2 (pressure p2, temperature T2) shown in FIG. This adiabatic change, insulation work w 12 of FIG. 2 are performed. Since the adiabatic change from state 1 (pressure p1, temperature T1)) to state 2 (pressure p2, temperature T2) shown in FIG. 2 is adiabatic expansion, the amount of gas (expired gas) corresponding to the adiabatic work is increased. The temperature decreases from temperature T1 to temperature T2 (T2 <T1). The adiabatic change in Expression (7) is distinguished from the isothermal change in which pv = const shown in FIG. 2, and a cooling action occurs.

図1に示す断熱変化部30の一例として、図3に示すタービン40を挙げることができる。タービン40は、ハウジング41と複数のタービンブレード43とを有する。ハウジング41には軸受け(図示省略)を介して回転可能な軸42が設けられ、この軸に複数のタービンブレード43が固定されている。なお、呼気ガスは体温程度の温度であることから、ハウジング41と複数のタービンブレード43とは、耐熱性の低い樹脂にて成形することができる。   As an example of the adiabatic change portion 30 shown in FIG. 1, the turbine 40 shown in FIG. 3 can be cited. The turbine 40 includes a housing 41 and a plurality of turbine blades 43. The housing 41 is provided with a rotatable shaft 42 via a bearing (not shown), and a plurality of turbine blades 43 are fixed to the shaft. In addition, since the expiration gas is a temperature of about body temperature, the housing 41 and the plurality of turbine blades 43 can be molded from a resin having low heat resistance.

図3に示すタービン40は、タービンブレードの半径方向Aより呼気ガスが導入され、タービンブレードの軸方向Bに沿って呼気ガスを放出する輻流式タービンである。本実施形態の輻流式タービンは、軸流式タービンと比較して、軸方向Bの長さを短縮でき、装置の小型化に適している点で有利である。断熱変化部30は軸流式タービンで構成しても良い。ただし、軸流式タービンは、タービンブレードの軸方向の一端から呼気ガスを取り入れ、タービンブレードの軸方向の他端から呼気ガスを放出するため、軸方向Bに沿って多段のタービンブレードが設けられる結果として、軸方向Bの長さが長くなる。   A turbine 40 shown in FIG. 3 is a radiant flow turbine in which exhaled gas is introduced from the radial direction A of the turbine blade and the exhaled gas is discharged along the axial direction B of the turbine blade. The radial flow turbine of the present embodiment is advantageous in that the length in the axial direction B can be shortened as compared with the axial flow turbine, and it is suitable for downsizing of the apparatus. The adiabatic change section 30 may be constituted by an axial flow turbine. However, since the axial flow turbine takes in the exhaled gas from one axial end of the turbine blade and releases the exhaled gas from the other axial end of the turbine blade, multistage turbine blades are provided along the axial direction B. As a result, the length in the axial direction B is increased.

輻流式タービン40は、周方向で隣り合うタービンブレード43,43間の間隔は呼気ガスの上流側43Aでは広く、下流側43Bでは狭くなる。こうすると、呼気ガスは、タービンブレード43間で圧縮され、タービンブレード43間から外方に放出されることで一気に断熱膨張して冷却される。しかも、タービン40は呼気ガスのエネルギーにより回転されるので、電力を要せず、呼気ガスの流れも阻害されない。   In the radial turbine 40, the interval between the turbine blades 43, 43 adjacent in the circumferential direction is wide on the upstream side 43A of the exhaled gas and narrows on the downstream side 43B. In this way, the exhaled gas is compressed between the turbine blades 43 and discharged outward from between the turbine blades 43 to be adiabatically expanded and cooled at once. Moreover, since the turbine 40 is rotated by the energy of the expiratory gas, no power is required and the flow of the expiratory gas is not hindered.

ハウジング41は、図3に示すように、タービンブレード43の半径方向Aより呼気ガスを導入案内する流路41Aを有する。流路41Aは、タービンブレード43の周囲をほぼ一周する長さをし、流路41Aの周方向の一端は採取路10と連通している。流路41Aは、タービンブレード前記流路の横断面積を前記呼気ガスの上流側よりも下流側に向かうに従い小さくすることができる。   As shown in FIG. 3, the housing 41 has a flow path 41 </ b> A for introducing and guiding exhaled gas from the radial direction A of the turbine blade 43. The flow path 41 </ b> A has a length that substantially goes around the periphery of the turbine blade 43, and one end in the circumferential direction of the flow path 41 </ b> A communicates with the sampling path 10. The flow path 41A can make the cross-sectional area of the said turbine blade said flow path small as it goes to the downstream rather than the upstream of the said expiration gas.

こうすると、呼気ガスがタービンブレード43間の狭い空間に導入される前に、ハウシング41内に形成された流路41Aにより呼気ガスを徐々に圧縮することができる。それにより、呼気ガスがタービンブレード43間の狭い空間で一気に圧縮され、呼気ガスの温度が上昇することを抑制できる。   In this way, the expiratory gas can be gradually compressed by the flow path 41 </ b> A formed in the housing 41 before the expiratory gas is introduced into the narrow space between the turbine blades 43. As a result, the exhaled gas is compressed at once in a narrow space between the turbine blades 43, and the temperature of the exhaled gas can be prevented from rising.

分離部31は、タービン40より呼気ガスが放出される放出端部41Bと軸方向Bにて対向する位置に配置された水分吸着部にて構成することができる。水分吸着部31は、図5(A)(B)に示すように、ベース板51の一面に凹凸パターン52を形成することで、ベース板51の一面の表面積が増大されている。   Separation part 31 can be constituted by a moisture adsorbing part arranged at a position facing discharge end part 41 </ b> B from which exhaled gas is discharged from turbine 40 in the axial direction B. As shown in FIGS. 5A and 5B, the moisture adsorbing part 31 has a surface area of one surface of the base plate 51 increased by forming a concave / convex pattern 52 on one surface of the base plate 51.

輻流式タービン40の放出端部41Bより軸方向Bに沿って放出された呼気ガスは、水分吸着部31に接触し、流れ方向が変換される。この時、冷却されて液化された呼気ガスが水分吸着部31の凹凸パターン52に接触する。その際、凹凸パターン52に水分が凝縮して吸着され、呼気ガスから水分が分離される。なお、本体20Aの底壁22に貫通する水抜き孔22Aを設け、栓22Bを取り外して適宜水分を外部に放出することができる。   The exhaled gas discharged along the axial direction B from the discharge end portion 41B of the radiant flow turbine 40 comes into contact with the moisture adsorption unit 31, and the flow direction is changed. At this time, the exhaled gas cooled and liquefied comes into contact with the concavo-convex pattern 52 of the moisture adsorption unit 31. At that time, moisture is condensed and adsorbed on the concave / convex pattern 52, and moisture is separated from the exhaled gas. A drain hole 22A penetrating the bottom wall 22 of the main body 20A is provided, and the plug 22B can be removed to appropriately release moisture to the outside.

呼気ガスは肺胞で血液とガス交換によって生成するものであり、呼気ガスの温度は深部体温に近い約37℃で、相対湿度がほぼ100%になっている。この相対湿度100%の呼気ガスは、断熱変化部30及び分離部31を経由することで、水分が除去される。よって、分離部31よりも下流に位置する分析部32では、センサー面に水分子が多く吸着することが防止される。結果として、呼気ガス中の水分子以外の他のガス成分がセンサー面に吸着し易くなる。   Expiratory gas is generated by gas exchange with blood in the alveoli, and the temperature of the expiratory gas is about 37 ° C., which is close to the deep body temperature, and the relative humidity is almost 100%. The exhaled gas having a relative humidity of 100% passes through the adiabatic change section 30 and the separation section 31 to remove moisture. Therefore, in the analysis part 32 located downstream from the separation part 31, it is prevented that many water molecules adsorb | suck to a sensor surface. As a result, gas components other than water molecules in the exhaled gas are easily adsorbed on the sensor surface.

2.第2実施形態(弁を有する呼気ガス採取分析装置)
図6は、呼気ガス採取分析装置1Bの断面図である。図6において、呼気ガス採取分析装置1Bは、呼気圧によって呼気ガスが採取される採取路10と、採取路10内の呼気ガスを呼気圧により外部に排出する第1排出路23と、第1排出路23を開閉する弁24と、弁24を開閉駆動する弁駆動部25と、弁24が閉鎖された時に採取路10内の呼気ガスを呼気圧により外部に排出する第2排出路26と、を有する。本実施形態では、断熱変化部30、分離部31及び分析部32は、第2排出路26に設けられている。
2. Second Embodiment (Exhalation Gas Collection / Analysis Device with Valve)
FIG. 6 is a cross-sectional view of the exhaled gas collection / analysis apparatus 1B. In FIG. 6, an exhalation gas collection / analysis apparatus 1B includes a collection path 10 through which exhalation gas is collected by the exhalation pressure, a first discharge path 23 that discharges the exhalation gas in the collection path 10 to the outside by the exhalation pressure, A valve 24 that opens and closes the discharge path 23, a valve drive unit 25 that drives the valve 24 to open and close, and a second discharge path 26 that discharges exhaled gas in the collection path 10 to the outside by expiratory pressure when the valve 24 is closed. Have. In the present embodiment, the adiabatic change part 30, the separation part 31, and the analysis part 32 are provided in the second discharge path 26.

第1,第2排出路23,26は、本体を構成する筐体20Bに設けられる。採取路10は、筐体20Bに着脱自在なマウスピースとすることができる。マウスピース10には、フィルター10Aが設けられる。フィルター10Aは唾液等が内部に侵入することを阻止する。   The first and second discharge paths 23 and 26 are provided in the housing 20B that constitutes the main body. The collection path 10 can be a mouthpiece that is detachable from the housing 20B. The mouthpiece 10 is provided with a filter 10A. The filter 10A prevents saliva and the like from entering the inside.

第1排出路23は、弁24が開放された時に、図6の実線の矢印が示すように、マウスピース10内の呼気ガスを呼気圧により外部に排出する。第1排出路23に設けられた弁24を駆動部25にて開放させると、筐体20B内は外気と連通する。よつて、弁24の開放時にあっては、マウスピース10と第1排出路23とを介して、呼吸(吸気と呼気)することが可能となる。よって、日常生活や運動中でも、呼気ガス採取分析装置1Bを装着したまま普通に呼吸(吸気と呼気)することが許容される。また、弁24を開放させておけば、死腔呼気も外部に排出できる。   When the valve 24 is opened, the first discharge path 23 discharges the expiratory gas in the mouthpiece 10 to the outside by the expiratory pressure as indicated by the solid line arrow in FIG. When the valve 24 provided in the first discharge path 23 is opened by the drive unit 25, the inside of the housing 20B communicates with the outside air. Therefore, when the valve 24 is opened, it is possible to breathe (inhale and exhale) via the mouthpiece 10 and the first discharge path 23. Therefore, even during daily life and exercise, it is allowed to breathe normally (inhalation and exhalation) while wearing the exhalation gas collecting / analyzing apparatus 1B. Further, if the valve 24 is opened, dead space exhalation can be discharged to the outside.

第2排出路26は、弁24が閉鎖された時、図6の点線の矢印が示すように、マウスピース10内の呼気ガスを呼気圧により外部に排出する。第2排出路26には、呼気ガスを分析する分析部32が設けられる。よって、弁24を閉鎖した時だけ、呼気ガスを分析できるので、死腔呼気のときには弁24が開放され、終末呼気の時に弁24が閉鎖されれば、分析部32は終末呼気ガスのみを分析できる。しかも、終末呼気を第2排出路26に導入するには弁24を閉鎖するだけでよく、吸引ポンプ等は必要ない。   When the valve 24 is closed, the second discharge path 26 discharges the expiratory gas in the mouthpiece 10 to the outside by the expiratory pressure as indicated by the dotted arrow in FIG. The second exhaust path 26 is provided with an analysis unit 32 that analyzes exhaled gas. Therefore, since the exhaled gas can be analyzed only when the valve 24 is closed, if the valve 24 is opened during dead space exhalation and the valve 24 is closed during the end exhalation, the analysis unit 32 analyzes only the end exhalation gas. it can. Moreover, in order to introduce the end exhalation into the second discharge channel 26, it is only necessary to close the valve 24, and a suction pump or the like is not necessary.

図6においても、図1同様に、分析部32よりも上流に断熱変化部30及び分離部31が設けられている。よって、分析部32のセンサー面に呼気ガス中の水分子が付着することを抑制する。なお、第2排出路26は断熱変化部30を備えるために、第1排出路23よりも流路抵抗は大きい。よって、弁24が開放されている時には、第2排出路26に呼気ガスが流れることはほとんどない。   Also in FIG. 6, as in FIG. 1, the adiabatic change part 30 and the separation part 31 are provided upstream of the analysis part 32. Therefore, water molecules in exhaled gas are prevented from adhering to the sensor surface of the analysis unit 32. In addition, since the 2nd discharge path 26 is provided with the heat insulation change part 30, flow path resistance is larger than the 1st discharge path 23. FIG. Therefore, when the valve 24 is opened, the exhaled gas hardly flows into the second exhaust path 26.

3.分析部
3.1.半導体センサー
図1及び図6に示す分析部32として、図7(A)(B)に示す半導体センサー50を挙げることができる。半導体センサー50の基板51の表面51Aには、図7(A)に示すように、感ガス材料板52A〜52Dと、各感ガス材料板52A〜52Dに接続された2つの電極53A,53Bとを有する。基板51の裏面51Bには、図7(B)に示すように、ヒーター54と、それに接続された電極55A,55Bとを有する。感ガス材料板52A〜52Dには、酸化スズSnO、アンチモン添加酸化スズSb:SnO、酸化亜鉛ZnO、酸化タングステンWO、インジウムスズ酸化物、酸化チタンTiO、ニオブ添加酸化チタンNb:TiOなどがあり、これらの複合材や他の添加剤を含めることも可能である。
3. Analysis unit 3.1. Semiconductor Sensor As the analysis unit 32 shown in FIGS. 1 and 6, a semiconductor sensor 50 shown in FIGS. 7A and 7B can be cited. On the surface 51A of the substrate 51 of the semiconductor sensor 50, as shown in FIG. 7A, gas sensitive material plates 52A to 52D and two electrodes 53A and 53B connected to the gas sensitive material plates 52A to 52D, Have As shown in FIG. 7B, the back surface 51B of the substrate 51 includes a heater 54 and electrodes 55A and 55B connected thereto. The gas sensitive material plates 52A to 52D include tin oxide SnO 2 , antimony-added tin oxide Sb: SnO 2 , zinc oxide ZnO, tungsten oxide WO 3 , indium tin oxide, titanium oxide TiO 2 , niobium-added titanium oxide Nb: TiO 2 and the like, and these composite materials and other additives can be included.

図8は、半導体センサー50の等価回路図である。ヒーター54により加熱された感ガス材料板52A〜52Dに還元性ガスが曝露されると、感ガス材料板52A〜52Dの表面に吸着されていた酸素が減少してポテンシャル障壁が下がり、電子が動きやすくなる。それにより、感ガス材料板52A〜52Dのセンサー抵抗RL1〜RL4が減少する。図9は、ある一つの感ガス材料板を用いた半導体センサーの初期のセンサー抵抗Rとガス分析時のセンサー抵抗Rとの(R/R)と、ガス濃度との相関を示している。ガス種に応じて、ガス濃度に依存するR/Rの変化率が異なる。図9の特性は、感ガス材料板によって異なる。従って、図7(A)に示す複数の感ガス材料板52A〜52Dのセンサー抵抗比(R/R)に応じた出力電圧VOUT1〜VOUT4(図8参照)を検出することで、線形判別法や主成分分析法などでガス種とガス濃度とを検出することができる。 FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor sensor 50. When reducing gas is exposed to the gas sensitive material plates 52A to 52D heated by the heater 54, the oxygen adsorbed on the surfaces of the gas sensitive material plates 52A to 52D is reduced, the potential barrier is lowered, and electrons move. It becomes easy. Thereby, the sensor resistances R L1 to R L4 of the gas sensitive material plates 52A to 52D are reduced. FIG. 9 shows the correlation between gas concentration and (R S / R 0 ) between the initial sensor resistance R 0 of a semiconductor sensor using a gas sensitive material plate and the sensor resistance R S during gas analysis. ing. The rate of change of R S / R 0 depending on the gas concentration varies depending on the gas type. The characteristics of FIG. 9 vary depending on the gas sensitive material plate. Therefore, by detecting the output voltages V OUT1 to V OUT4 (see FIG. 8) corresponding to the sensor resistance ratios (R S / R 0 ) of the plurality of gas sensitive material plates 52A to 52D shown in FIG. The gas type and gas concentration can be detected by a linear discriminant method, a principal component analysis method, or the like.

3.2.水晶振動子マイクロバランス(QCM)センサー
QCMセンサー60は、図10(A)(B)または図11(A)(B)に示すように、水晶振動子61の両面に配置した電極62A,62Bを配置し、電極62A,62Bに接続されるリード線63A,63Bを基板64に固定している。図10(B)ではリード線63A,63Bは基板64と平行に配置される一方で、図11(B)ではリード線63A,63Bは基板64と垂直に配置される。図11(A)(B)の方が空気の流れは良く、水晶振動子61の両面に皮膚ガスが接触し易い。
3.2. Quartz Crystal Microbalance (QCM) Sensor The QCM sensor 60 includes electrodes 62A and 62B disposed on both sides of the crystal resonator 61 as shown in FIGS. 10 (A), (B) or FIGS. 11 (A), (B). The lead wires 63A and 63B arranged and connected to the electrodes 62A and 62B are fixed to the substrate 64. In FIG. 10B, the lead wires 63A and 63B are arranged in parallel to the substrate 64, while in FIG. 11B, the lead wires 63A and 63B are arranged perpendicular to the substrate 64. In FIGS. 11A and 11B, the air flow is better, and the skin gas is likely to come into contact with both surfaces of the crystal unit 61.

水晶振動子61の周波数は、電極62A,62B上の物質の質量に応じて変化し、周波数の変化量と付着物質の質量との関係は、Sauerbrey式と呼ばれる。付着物質量が減少すると周波数が増加する。この現象を利用し、水晶振動子の周波数変化を検出することで、その電極上での物質の質量変化を計測する方法を水晶振動子マイクロバランス法(QCM法)という。Sauerbrey式は、基本周波数をF、周波数の変化量をΔF、質量変化量をΔm、水晶の密度をρ、水晶のせん断応力をμ、電極の面積をAとすると、
ΔF=−2F ・Δm/A/(ρμ)(1/2)…(8)
と表せる。電極62A,62Bの表面にて、付着物質量が増加すると周波数は減少し、付着物質量が減少すると周波数は増加する。このように、分析物質が吸着すると振動数が変化するので、周波数変化ΔFを検出することで、分析物質がどれ位吸着したかを知ることができる。
The frequency of the crystal unit 61 changes according to the mass of the substance on the electrodes 62A and 62B, and the relationship between the amount of change in the frequency and the mass of the attached substance is called the Sauerbrey equation. The frequency increases as the amount of adhering material decreases. A method of measuring the mass change of a substance on the electrode by detecting the frequency change of the crystal resonator using this phenomenon is called a crystal resonator microbalance method (QCM method). Sauerbrey equation, the fundamental frequency F 0, the change amount of the frequency [Delta] F, mass change amount Delta] m, the density of the crystal [rho, the shear stress of the crystal mu, and the area of the electrode is A,
ΔF = −2F 0 2 · Δm / A / (ρμ) (1/2) (8)
It can be expressed. On the surfaces of the electrodes 62A and 62B, the frequency decreases when the amount of adhered substances increases, and the frequency increases when the amount of adhered substances decreases. Thus, since the frequency changes when the analyte is adsorbed, it is possible to know how much the analyte has been adsorbed by detecting the frequency change ΔF.

図12(A)(B)に、QCMセンサーの回路例とその周波数応答を示す。C−MOSのインバータ、抵抗、コンデンサーから構成されている一般的な回路であるが、この回路に限定されるものではない。呼気ガスの特定成分を吸着し易くするために、QCMセンサーの電極表面にポリマーを薄く形成することがある。ポリマーに対する分析物質の応答曲線として、図12(B)の周波数応答のグラフのように応答するポリマーを選択し、周波数変化量を求めて、図13のように予め検量線を求めておくことで、周波数変化量から所望の成分の濃度を知ることができる。なお、周波数応答のグラフは、図示するようにきれいに応答するものだけではないので、予めポリマーを選択しておくと、目的の成分ガスに対して良い応答が得られる。図13は、QCMセンサー(水晶AT振動子)にポリマーをスピンコートで塗布形成し、ガス3種類に対する周波数変化量の例を示したものである。   12A and 12B show a circuit example of the QCM sensor and its frequency response. Although it is a general circuit composed of a C-MOS inverter, resistor, and capacitor, it is not limited to this circuit. In order to make it easy to adsorb a specific component of exhaled gas, a polymer may be formed thinly on the electrode surface of the QCM sensor. By selecting a polymer that responds as shown in the frequency response graph of FIG. 12 (B) as the response curve of the analyte with respect to the polymer, obtaining the amount of frequency change, and obtaining a calibration curve in advance as shown in FIG. The concentration of the desired component can be known from the frequency change amount. Note that the frequency response graph is not limited to the one that responds cleanly as shown in the figure, so if a polymer is selected in advance, a good response can be obtained for the target component gas. FIG. 13 shows an example of the amount of frequency change with respect to three types of gas when a polymer is applied to a QCM sensor (quartz crystal oscillator) by spin coating.

3.3.SERSセンサー
図14に示すように、SERSセンサー70では、皮膚ガスが導入される流路に臨んでセンサー基板71が配置され、光源からの励起光(振動数ν)がセンサー基板71に照射される。励起光の多くは、レイリー散乱光として散乱され、レイリー散乱光の振動数ν又は波長は、入射光に対して変化しない。励起光の一部は、ラマン散乱光として散乱され、ラマン散乱光の振動数(ν−ν’及びν+ν’)又は波長は、皮膚ガスの分子の振動数ν’(分子振動)が反映される。つまり、ラマン散乱光は、検査対象の皮膚ガス分子を反映した光である。皮膚ガス分子の振動エネルギーがラマン散乱光の振動エネルギー又は光エネルギーに付加されることもある。このような振動数のシフト(ν’)をラマンシフトと呼ぶ。
3.3. SERS Sensor As shown in FIG. 14, in the SERS sensor 70, a sensor substrate 71 is arranged facing a flow path into which skin gas is introduced, and excitation light (frequency ν) from the light source is irradiated to the sensor substrate 71. . Most of the excitation light is scattered as Rayleigh scattered light, and the frequency ν or wavelength of the Rayleigh scattered light does not change with respect to the incident light. A part of the excitation light is scattered as Raman scattered light, and the frequency (ν−ν ′ and ν + ν ′) or wavelength of the Raman scattered light reflects the frequency ν ′ (molecular vibration) of the molecule of skin gas. . That is, the Raman scattered light is light reflecting the skin gas molecules to be examined. The vibration energy of skin gas molecules may be added to the vibration energy or light energy of Raman scattered light. Such a frequency shift (ν ′) is called a Raman shift.

図14に示すセンサー基板71に形成された金属ナノ粒子72に入射光が入射される領域では、隣り合う金属ナノ粒子72間のギャップに、増強電場73が形成される。特に、入射光の波長よりも小さな金属ナノ粒子72に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属ナノ粒子72の表面に存在する自由電子に作用し、共鳴を引き起こす。これにより、自由電子による電気双極子が金属ナノ粒子72内に励起され、入射光の電場よりも強い増強電場73が形成される。これは、局在表面プラズモン共鳴(LSPR:Localized Surface Plasmon Resonance)とも呼ばれる。この現象は、入射光の波長よりも小さな1〜500nmのサイズを有する金属ナノ粒子72等の電気伝導体に特有の現象である。   In the region where incident light is incident on the metal nanoparticles 72 formed on the sensor substrate 71 shown in FIG. 14, an enhanced electric field 73 is formed in the gap between the adjacent metal nanoparticles 72. In particular, when the incident light is irradiated onto the metal nanoparticles 72 smaller than the wavelength of the incident light, the electric field of the incident light acts on free electrons existing on the surface of the metal nanoparticles 72 to cause resonance. Thereby, electric dipoles due to free electrons are excited in the metal nanoparticles 72, and an enhanced electric field 73 stronger than the electric field of incident light is formed. This is also called Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR). This phenomenon is a phenomenon peculiar to electrical conductors such as metal nanoparticles 72 having a size of 1 to 500 nm smaller than the wavelength of incident light.

図14では、センサー基板71に入射光を照射した時に表面増強ラマン散乱(SERS:Surface Enhanced Raman Scattering)が生ずる。つまり、増強電場73に皮膚ガスの分子74が入り込むと、その標的分子74によるラマン散乱光は増強電場73で増強されて、ラマン散乱光の信号強度は高くなる。このような表面増強ラマン散乱では、標的分子74が微量であっても、分析感度を高めることができる。   In FIG. 14, when the sensor substrate 71 is irradiated with incident light, surface enhanced Raman scattering (SERS) occurs. That is, when the skin gas molecule 74 enters the enhanced electric field 73, the Raman scattered light by the target molecule 74 is enhanced by the enhanced electric field 73, and the signal intensity of the Raman scattered light increases. In such surface-enhanced Raman scattering, the analysis sensitivity can be increased even if the amount of the target molecule 74 is very small.

図15には、アセトンの検量線の例を示している。例えば図14に示すSERSセンサーにて形成された分析部32にてアセトンの濃度の異なる試料ガスを調整して作製して、夫々の試料についてアセトン検出を行い、アセトンの夫々のスペクトルの内、特に強く出るピークに関してアセトン信号強度を求め、アセトン濃度と信号強度との相関グラフを作成する。そのグラフから、アセトン濃度とアセトン信号強度の検量線が図15のように得られる。   FIG. 15 shows an example of a calibration curve for acetone. For example, a sample gas having a different concentration of acetone is prepared by the analysis unit 32 formed by the SERS sensor shown in FIG. 14, and acetone detection is performed for each sample. Acetone signal intensity is obtained for a strong peak, and a correlation graph between acetone concentration and signal intensity is created. From the graph, a calibration curve of acetone concentration and acetone signal intensity is obtained as shown in FIG.

4.呼気ガス中のアセトン量と脂肪燃焼量との関係
図16には主なエネルギー源となる3大栄養素(炭水化物、脂質、蛋白質)の摂取から貯蔵までの流れを示す。食事で摂取された炭水化物、脂質、蛋白質は、胃で消化され、小腸で更に消化され吸収される。吸収された栄養素は、炭水化物はグルコースに、脂質は脂肪酸やグリセロールに、蛋白質はアミノ酸に、夫々形を変えて血液中を循環する。必要な部分は一部燃焼するが、余分となったものは、グルコースは肝グリコーゲンや筋グリコーゲンに、脂肪酸やグリセロールは中性脂肪を経由して脂肪に、アミノ酸は蛋白質に、夫々形を変えて貯蔵され、必要に応じて逆の流れを経て消費される。3大栄養素が燃焼された時のエネルギーは、炭水化物が4kcal/g、脂質が9kcal/g、蛋白質が4kcal/gに相当する。但し、脂質については、白色脂肪細胞に貯蔵される時には水分を含むので、7.2kcal/gのエネルギーに相当する。
4). FIG. 16 shows the flow from intake to storage of the three major nutrients (carbohydrate, lipid, protein) that are the main energy sources. Carbohydrates, lipids, and proteins taken in the diet are digested in the stomach and further digested and absorbed in the small intestine. The absorbed nutrients circulate in the blood in different forms, such as carbohydrates for glucose, lipids for fatty acids and glycerol, and proteins for amino acids. Some of the necessary parts burn, but the extra ones are changed to glucose for liver glycogen and muscle glycogen, fatty acid and glycerol for fat via neutral fat, and amino acid for protein, respectively. Stored and consumed via reverse flow as needed. The energy when the three macronutrients are burned corresponds to 4 kcal / g for carbohydrates, 9 kcal / g for lipids, and 4 kcal / g for proteins. However, since lipid contains water when stored in white adipocytes, it corresponds to an energy of 7.2 kcal / g.

図17に運動をした時の脂肪燃焼のメカニズムを説明する図を示す。運動するとアドレナリンが出て、白色脂肪細胞中のホルモン感受性リパーゼが活性化され、中性脂肪の分解が促進され、脂肪酸とグリセロールになる。脂肪酸のままでは血液中に循環できないため、アルブミンと結合して遊離脂肪酸となって血液中を循環する。その内の一部は、心筋や骨格筋に供給され、β-酸化により分解されて、NADH2+やFADH2を生成しながらアセチル-CoAになり、TCA回路(通称クエン酸回路)を経てATPが生成され最終的には二酸化炭素(CO2)と水(H2O)になる。骨格筋では、グリコーゲンが主にエネルギーとして消費され遊離脂肪酸の消費は少ない。心筋ではエネルギー総量の約70%が遊離脂肪酸として消費される。   FIG. 17 shows a diagram for explaining the mechanism of fat burning when exercising. Exercise results in adrenaline, activation of hormone-sensitive lipase in white fat cells, promotion of triglyceride breakdown, and fatty acids and glycerol. Since fatty acids cannot be circulated in the blood, they bind to albumin to become free fatty acids and circulate in the blood. A part of it is supplied to the myocardium and skeletal muscle and decomposed by β-oxidation to produce acetyl-CoA while producing NADH2 + and FADH2, and ATP is produced via the TCA circuit (commonly called citric acid circuit). Eventually, it becomes carbon dioxide (CO2) and water (H2O). In skeletal muscle, glycogen is mainly consumed as energy, and free fatty acid consumption is small. In the myocardium, about 70% of the total energy is consumed as free fatty acids.

他方、遊離脂肪酸の多くはカルニチンと結合しアシルカルニチンとなり肝臓へ供給される。肝臓ではアシル-CoAになって、肝臓のミトコンドリアでβ酸化され、アセチル-CoAになる。更にアセチル-CoAからアセト酢酸になり、更にβ−ヒドロキシ酪酸(3−ヒドロキシ酪酸)やアセトンになる。アセト酢酸、β−ヒドロキシ酪酸、アセトンを総称してケトン体と言い、アセトンのみが気体となって血液中を循環し、呼気や皮膚から放出される。脂肪燃焼の割合から見ると、骨格筋や心臓よりも肝臓での割合が多く、脂肪燃焼とアセトンには相関がある。従って、呼気ガス中のアセトン量や皮膚ガス中アセトン量を測定することで、脂肪燃焼量を知ることができる。   On the other hand, most of the free fatty acids bind to carnitine and become acylcarnitine, which is supplied to the liver. It becomes acyl-CoA in the liver, β-oxidized in the liver mitochondria, and becomes acetyl-CoA. Furthermore, acetyl-CoA is changed to acetoacetic acid, and further β-hydroxybutyric acid (3-hydroxybutyric acid) and acetone. Acetoacetic acid, β-hydroxybutyric acid, and acetone are collectively referred to as a ketone body, and only acetone becomes a gas that circulates in the blood and is released from breath and skin. Looking at the rate of fat burning, the proportion in the liver is higher than in skeletal muscle and heart, and there is a correlation between fat burning and acetone. Therefore, the amount of fat burning can be known by measuring the amount of acetone in the breath gas and the amount of acetone in the skin gas.

図18は有酸素運動における糖質と脂肪の利用率の時間的推移を説明する図を示す。第1ステップでは、筋肉内のグリコーゲンの代謝によりATPを合成する。第2ステップでは、先ず筋グリコーゲンの減少に伴い、血中グルコースの利用が始まる。次に、脂肪組織の脂肪が遊離脂肪酸として血中に遊離する。最後に、両者を燃料とし、酸化系の代謝によりATPを合成する。   FIG. 18 is a diagram for explaining the temporal transition of carbohydrate and fat utilization rates in aerobic exercise. In the first step, ATP is synthesized by metabolism of glycogen in muscle. In the second step, the use of blood glucose begins with a decrease in muscle glycogen. Next, adipose tissue fat is released into the blood as free fatty acids. Finally, using both as fuels, ATP is synthesized by oxidation metabolism.

脂肪の燃焼が活発になるのは、運動開始後15〜20分以降と言われている。どんな運動強度でも脂肪燃焼が活発に行われる訳ではなく、運動強度が比較的軽い領域において、脂肪燃焼が盛んになる。運動強度が高くなると、無酸素運動となるため、脂肪燃焼量は減少し、代わりにグリコーゲンが主に消費される。   It is said that fat burning becomes active after 15-20 minutes after the start of exercise. Fat burning is not actively performed at any exercise intensity, but fat burning is active in a region where the exercise intensity is relatively light. As the exercise intensity increases, anaerobic exercise results, and the amount of fat burning decreases. Instead, glycogen is mainly consumed.

一般に脂肪燃焼率(単位時間当たりの脂肪燃焼量)が最大になるのは、男女、年齢、運動習慣などによって異なることが知られている。一般の人では運動強度が約40%前後の時に、運動選手では運動強度が約50%前後の時に、夫々脂肪燃焼率が最大になっている。従って、効率的に脂肪燃焼を行うには、個人毎に運動強度を適切に管理する必要がある。具体的には、個人毎に脂肪燃焼率が最大になる運動強度を測定しておき、その運動強度を心拍数や脈拍数など運動中にも容易に管理できる数値で指示して運動を行うことが有効である。個人毎に脂肪燃焼率が最大になる運動強度は、運動習慣や年齢によって変化していくものであり、定期的に測定することが、脂肪燃焼の効果を高めることになる。   In general, it is known that the fat burning rate (the amount of fat burning per unit time) becomes maximum depending on the sex, age, exercise habits, and the like. The fat burning rate is maximized when the exercise intensity is about 40% for an ordinary person and when the exercise intensity is about 50% for an athlete. Therefore, in order to efficiently burn fat, it is necessary to appropriately manage exercise intensity for each individual. Specifically, the exercise intensity that maximizes the fat burning rate is measured for each individual, and the exercise intensity is indicated by numerical values that can be easily managed during exercise such as heart rate and pulse rate. Is effective. The exercise intensity at which the fat burning rate is maximized for each individual changes with exercise habits and age, and regular measurement increases the effect of fat burning.

更に、適切な運動強度に従って運動を一定時間行ったら、その効果を確認することができたら、運動を継続するモチベーションが高まり、継続的な効果が期待できる。運動中に脂肪燃焼量を測定することは、1)脂肪燃焼率を最大にする適切な運動強度を指示する、2)適切な運動強度の運動を実施した効果を確認できる、という2つ意味がある。   Furthermore, if the exercise is performed for a certain period of time according to the appropriate exercise intensity and the effect can be confirmed, the motivation to continue the exercise increases, and a continuous effect can be expected. Measuring the amount of fat burning during exercise has the following two meanings: 1) indicate the appropriate exercise intensity that maximizes the fat burning rate, and 2) confirm the effect of exercise with the appropriate exercise intensity. is there.

三大栄養素は糖、脂質、タンパク質であり、それぞれ炭素原子、酸素原子、水素原子などの構成割合が異なる。そのため、内呼吸のとき、どの栄養素が分解しているかにより,消費されるOと産生されるCOの割合が異なる。体細胞全体である栄養素が主に代謝されているとき、その割合は呼吸にも反映されるはずである.それを表現したのが呼吸商RQ(Respiratory Quotient)であり、下記の式で表される。 The three major nutrients are sugars, lipids, and proteins, and the composition ratios of carbon atoms, oxygen atoms, hydrogen atoms, etc. are different. Therefore, during internal breathing, the ratio of consumed O 2 and produced CO 2 differs depending on which nutrient is decomposed. When nutrients, which are whole body cells, are mainly metabolized, the proportion should be reflected in respiration. This is expressed by a respiratory quotient RQ (Respiratory Quotient), which is expressed by the following equation.

呼吸商RQ=(単位時間あたりのCOの排出量)/(単位時間あたりのOの消費量)
式(8)
脂質は、脂肪酸自体の中に酸素原子が非常に少ないため,分解するときは多くの酸素を消費しなければならない。O消費量の割にはCO産生量が少ないため,呼吸商は0.70と三大栄養素の中では最小である。脂肪は、酸素の含有率が低いので,重量あたりの熱量は9.3kcal/gと三大栄養素中最大である。エネルギーを保存する場合に適した栄養素であり,過食により皮下に貯蔵されるのも脂質である。
Respiratory quotient RQ = (CO 2 emission per unit time) / (O 2 consumption per unit time)
Formula (8)
Lipids have very few oxygen atoms in the fatty acids themselves, so they must consume a lot of oxygen when they break down. Since the amount of CO 2 produced is small for O 2 consumption, the respiratory quotient is 0.70, the smallest among the three major nutrients. Fat has the lowest oxygen content, so the heat per weight is 9.3 kcal / g, the largest among the three major nutrients. It is a nutrient suitable for preserving energy, and lipid is also stored subcutaneously by overeating.

糖類の代表であるグルコースの原子の割合はC12である。酸素原子が多く含まれているため、酸素消費量は少なくても分解できる。呼吸商は1.00と三大栄養素の中では最大である。逆に,酸素の含有が高いので,重量あたりの熱量は4.1kcal/gと三大栄養素中最小である。 The proportion of glucose atoms that are representative of saccharides is C 6 H 12 O 6 . Since it contains a lot of oxygen atoms, it can be decomposed even if the amount of oxygen consumption is small. The respiratory quotient is 1.00, the largest among the three major nutrients. Conversely, the oxygen content is high, so the heat per weight is 4.1 kcal / g, the smallest among the three major nutrients.

タンパク質は、原子の割合は脂質と糖質の中間であり,呼吸商は0.85、熱量は5.3kcal/gである。理論的には、呼吸商RQが1以上にもなり得るが、実際には呼吸商R
Qが1を超えることは条件が限られる。一方、呼吸商RQが0.7のときは脂肪利用を示し、呼吸商RQが0.7以下の際は飢餓状態でケトン体産生(ケトーシス)であることを示す。ごく最近では、安静時では呼吸商RQがほぼ一定であると考えてよく、個人の呼吸商のばらつきも0.78〜0.87の範囲であることが知られている。
Proteins have an atomic ratio between lipid and carbohydrate, a respiratory quotient of 0.85, and a calorific value of 5.3 kcal / g. Theoretically, the respiratory quotient RQ can be 1 or more, but actually the respiratory quotient R
The condition that Q exceeds 1 is limited. On the other hand, when the respiratory quotient RQ is 0.7, it indicates fat utilization, and when the respiratory quotient RQ is 0.7 or less, it indicates that the product is ketogenic in a starved state. Very recently, it may be considered that the respiratory quotient RQ is substantially constant at rest, and it is known that the variation of the individual respiratory quotient is also in the range of 0.78 to 0.87.

三大栄養素が酸化される時に、生じるエネルギーは次の通りである。
1)糖質が酸化される場合
12+6O→6CO+6HO+36ATP (657kcal)
[RQ=6CO/6O=1.0]
2)脂肪が酸化される場合
55102+77.5O2→55CO+51H+429ATP (7,833kcal)
[RQ=55CO/77.5O=0.71]
3)タンパク質が酸化される場合
100159320.7+105.3O
13CON(urea)+87CO+52.8HO+0.7HSO+27ATP
(4,948kcal) [RQ=87CO/105.3O=0.83]
4)脂肪からケトン体が産生される場合
0.176g(脂質)+0.437LO→1g(ケトン体)+0.11LCO+0.129HO+2,039kcal
[RQ=0.111LCO/0.437LO=0.25]
脂肪燃焼率(g/min)=酸素摂取量(L/min)×酸素1Lあたりの熱量(kcal/L)×脂質の燃焼比率(%)×脂質の熱量相当の重量(g/kcal)
The energy produced when the three nutrients are oxidized is as follows.
1) When carbohydrates are oxidized
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O + 36ATP (657kcal)
[RQ = 6CO 2 / 6O 2 = 1.0]
2) If the fat is oxidized C 55 H 102 O 6 + 77.5O2 → 55CO 2 + 51H 2 + 429ATP (7,833kcal)
[RQ = 55CO 2 /77.5O 2 = 0.71]
3) When protein is oxidized
C 100 H 159 O 32 S 0.7 + 105.3O 2
13CON 2 H 4 (urea) + 87CO 2 + 52.8H 2 O + 0.7H 2 SO 4 + 27ATP
(4,948 kcal) [RQ = 87 CO 2 /105.3O 2 = 0.83]
4) When a ketone body is produced from fat
0.176 g (lipid) +0.437 LO 2 → 1 g (ketone body) +0.11 LCO 2 + 0.129H 2 O + 2,039 kcal
[RQ = 0.111LCO 2 /0.437LO 2 = 0.25]
Fat burning rate (g / min) = oxygen uptake (L / min) × heat amount per liter of oxygen (kcal / L) × burning ratio of lipid (%) × weight corresponding to heat amount of lipid (g / kcal)

ここで、酸素摂取量(L/min)は、呼気ガス分析装置によって測定される値である。酸素1Lあたりの熱量(kcal/L)は、呼気ガス分析装置によって測定される呼吸商RQ値から、表に示される酸素1L当たりの熱量に換算して求められる。脂質の燃焼比(%)は、呼吸商に対する燃焼における糖質と脂質の比率である。脂質の熱量相当の重量は、脂肪C55102(859.395g/mol)が燃焼すると7,833kcalのエネルギーが発生するから、0.1097(g/kcal)となる。 Here, the oxygen intake (L / min) is a value measured by the expiration gas analyzer. The amount of heat per liter of oxygen (kcal / L) is obtained by converting the respiratory quotient RQ value measured by the breath gas analyzer into the amount of heat per liter of oxygen shown in the table. Lipid burning ratio (%) is the ratio of carbohydrate to lipid in burning to respiratory quotient. The weight corresponding to the calorific value of lipid is 0.1097 (g / kcal) because 7,833 kcal of energy is generated when fat C 55 H 102 O 6 (859.395 g / mol) is burned.

こうして得られた脂肪燃焼率と1分間当たりの皮膚から放散されたアセトン量の相関を予め取っておき、測定された1分間当たりの呼気ガス中のアセトン量から脂肪燃焼率を算出することになる。   A correlation between the fat burning rate obtained in this way and the amount of acetone released from the skin per minute is taken in advance, and the fat burning rate is calculated from the measured acetone amount in the breath gas per minute.

4.携帯型呼気ガス分析装置
図19は、図1または図6に示す呼気ガス採取分析装置1(1Aまたは1B)を用いた携帯型呼気ガス分析装置100を示している。携帯型呼気ガス分析装置100は、図1または図6に示す呼気ガス採取分析装置1(1Aまたは1B)と、眼鏡型表示装置110とを含む。呼気ガス採取分析装置1は例えば支持部120の先端に固定され、支持部120の他端は使用者の耳などに係止される。呼気ガス採取分析装置1と眼鏡型表示装置110とは、例えば支持部120内に配置されるケーブルにより接続することができる。
4). Portable Expiratory Gas Analyzer FIG. 19 shows a portable expiratory gas analyzer 100 using the expiratory gas collection / analyzer 1 (1A or 1B) shown in FIG. 1 or FIG. The portable breath gas analyzer 100 includes the breath gas collection analyzer 1 (1A or 1B) shown in FIG. 1 or 6 and a glasses-type display device 110. The exhalation gas sampling / analysis apparatus 1 is fixed to, for example, the front end of the support unit 120, and the other end of the support unit 120 is locked to a user's ear or the like. The expired gas collection / analysis apparatus 1 and the glasses-type display apparatus 110 can be connected by, for example, a cable disposed in the support unit 120.

眼鏡型表示装置110は、ヘッドマウントディスプレイとも言われ、近年開発が盛んになっている。ディスプレイの方式に主に3つの方式があり、運動を行う目的には、非透過型ディスプレイ方式よりも、ビデオ透過型ディスプレイ方式又は光学透過型ディスプレイ方式が適している。非透過型ディスプレイ方式は装着すると外の様子を見ることはできないからである。ビデオ透過型ディスプレイ方式は、ディスプレイ装置だけでなくビデオカメラも装着されており、装着すると直接外の様子を見ることはできないが、ディスプレイに外の様子が映し出されているので、利用者は安全に移動することができる。光学透過型ディスプレイ方式は、ディスプレイ装置がハーフミラーでできており外の様子が見える。片目のみにディスプレイ装置がついているものもある。光学多層膜のハーフミラーを用いると、必要な情報のみ表示板の表面に表示しながら外の様子をシースルーで見ることが可能となる。   The eyeglass-type display device 110 is also called a head mounted display, and has been actively developed in recent years. There are mainly three display methods, and the video transmission display method or the optical transmission display method is more suitable than the non-transmission display method for the purpose of exercise. This is because the non-transparent display system cannot be seen outside when attached. The video transmissive display system is equipped with not only a display device but also a video camera, and when it is attached, you can not see the outside directly, but the outside is reflected on the display, so users can safely Can move. In the optical transmission type display system, the display device is made of a half mirror and the outside can be seen. Some have a display device on one eye only. When an optical multilayer half mirror is used, it is possible to see through the outside while displaying only necessary information on the surface of the display plate.

図20は、図6に示す呼気ガス採取分析装置1Bを備えた携帯型呼気ガス分析装置100の制御系ブロック図である。CPU130のバスラインには、呼気ガス採取分析装置1に設けられた呼気ガス分析部32と、弁24を駆動する駆動部25と、眼鏡型表示装置110の他に、入力部140、心拍センサー150、GPS160及びタイマー170等が接続される。心拍センサー150は運動時の心拍を検出する。歩行やジョギングの場合には、予め走行速度(km/h)と心拍数の関係を求めておけば、心拍数から歩行速度を知ることができ、歩行やジョギングを継続した時間から消費カロリーも算出することが可能である。心拍センサーに代えて脈拍センサーを用いても良い。GPS160を有することにより、歩行速度、歩行距離、時間などのデータが正確に得られるため、消費したカロリーも正確に算出することができる。   FIG. 20 is a control system block diagram of the portable breath gas analyzer 100 provided with the breath gas collection analyzer 1B shown in FIG. In the bus line of the CPU 130, in addition to the breath gas analysis unit 32 provided in the breath gas collection analyzer 1, the drive unit 25 that drives the valve 24, and the glasses-type display device 110, the input unit 140 and the heart rate sensor 150. , GPS 160 and timer 170 are connected. The heart rate sensor 150 detects the heart rate during exercise. When walking or jogging, if you know the relationship between running speed (km / h) and heart rate in advance, you can know the walking speed from the heart rate, and calculate calories burned from the time you continued walking and jogging. Is possible. A pulse sensor may be used instead of the heart rate sensor. By having the GPS 160, data such as walking speed, walking distance, and time can be accurately obtained, so that the calories consumed can also be accurately calculated.

ここで、人の呼気ガスは、数100種類以上のガス成分で構成され、その成分と量から病気やストレスなど人間の健康状態と相関する情報を得ることが可能である。大気の主な成分は、Nが約78%、Oが約21%、アルゴンが0.93%、COが0.03%であるのに対して、呼気ガスの主な成分は、Nが約78%、Oが約16%、COが4%、その他に水蒸気、アンモニア、アセトン、イソプレン、エタノール、プロパノール、ペンタノール、メタノール、H、硫黄化合物などである。ここで呼気ガスとは、肺胞でガス交換された主に終末呼気を意味しており、採取時に混入する死腔ガス(口腔や食道など肺胞のガス交換に寄与しないガス)も一部含まれるが、血液中に含まれるガス成分を反映している。従って、呼気ガス採取に当たっては、死腔ガスの割合を出来るだけ少なくすることが望ましい。一般的に健康的な成人の1回換気量VTに対する死腔換気量VDの割合は、通常の呼吸の場合、VD÷VT=150mL÷500mL=0.3位と言われている。死腔換気量VDは年齢や性別で違いがあり90〜180mLくらいである。 Here, a person's exhalation gas is composed of several hundreds or more kinds of gas components, and it is possible to obtain information correlating with a human health condition such as illness or stress from the components and amounts thereof. The main components of the atmosphere are N 2 is about 78%, O 2 is about 21%, argon is 0.93%, and CO 2 is 0.03%. N 2 is about 78%, O 2 is about 16%, CO 2 is 4%, and water vapor, ammonia, acetone, isoprene, ethanol, propanol, pentanol, methanol, H 2 , sulfur compounds, and the like. Here, exhaled gas means mainly end-expired gas exchanged in the alveoli, including some dead space gas (gases that do not contribute to alveolar gas exchange such as oral cavity and esophagus) that are mixed during collection. However, it reflects the gas components contained in the blood. Therefore, it is desirable to reduce the ratio of dead space gas as much as possible when collecting exhaled gas. In general, the ratio of dead space ventilation VD to tidal volume VT of a healthy adult is said to be VD ÷ VT = 150 mL ÷ 500 mL = 0.3 in the case of normal breathing. The dead space ventilation VD varies depending on the age and sex, and is about 90 to 180 mL.

そのために、呼気ガスの採取タイミングを眼鏡型表示装置110に表示することが好ましい。眼鏡型表示装置110での表示動作を含めた携帯型呼気ガス分析装置100の動作フローチャートを図21に示す。   Therefore, it is preferable to display the sampling timing of the expiration gas on the glasses-type display device 110. FIG. 21 shows an operation flowchart of the portable breath gas analyzer 100 including a display operation on the glasses-type display device 110.

先ず被験者の性別、年齢、体重、安静時心拍数(脈拍数などの個人情報を入力する(ステップ1)。次に、これらの入力情報が装置内の記憶装置に登録(記録)される(ステップ2)。呼気ガス採取条件(採取時刻、間隔、表示方法、死腔ガス排出時間など)を設定する(ステップ3)。例えば、心拍数120(回/分)、1回の運動時間が60分、運動前時間30分、運動後時間60分、呼気ガス採取時間の間隔が10分、呼気を吹き入れる時間を6秒とする。運動の開始30分前から、呼気ガスを10分前毎の採取し、心拍数120(回/分)の運動を60分間行い、運動後も60分間呼気ガスを10分毎の採取するようにする。呼気採取回数は合計15回となる。   First, personal information such as the subject's sex, age, weight, resting heart rate (pulse rate, etc.) is input (step 1), and then the input information is registered (recorded) in a storage device in the device (step). 2) Setting exhalation gas collection conditions (collection time, interval, display method, dead space gas discharge time, etc.) (step 3) For example, heart rate 120 (times / min), exercise time for one time 60 minutes , 30 minutes before exercise, 60 minutes after exercise, 10 minutes between exhalation gas sampling time, and 6 seconds for inhaling exhalation gas. The sample is collected and exercised at a heart rate of 120 (times / minute) for 60 minutes, and exhaled gas is collected every 10 minutes for 60 minutes after the exercise.

次に、運動開始を入力部140から入力すると、ステップ4の判断がYESとなる。それをトリガーとして心拍センサー(脈拍センサー)150による心拍数(脈拍数)が計測され、眼鏡型表示装置110に表示される(ステップ5)。この値を見て現在の運動負荷が適切かを判断し、もし指示され心拍数(脈拍数)より高ければ運動強度を下げるようにし、逆に指示され心拍数(脈拍数)より低ければ運動強度を上げるように調整を行う。この調整は心拍数(脈拍数)の表示値を見て随時行う。   Next, when an exercise start is input from the input unit 140, the determination in step 4 is YES. With this as a trigger, the heart rate (pulse rate) by the heart rate sensor (pulse sensor) 150 is measured and displayed on the glasses-type display device 110 (step 5). This value is used to determine whether the current exercise load is appropriate. If it is instructed to be higher than the heart rate (pulse rate), the exercise intensity is lowered, and conversely if instructed to be lower than the heart rate (pulse rate), the exercise intensity is Make adjustments so that This adjustment is performed as needed by looking at the displayed value of the heart rate (pulse rate).

運動開始30分の時点から例えば10分経過すると、「呼気ガス採取の時間です」と眼鏡型表示装置110に表示されるので(ステップ6)、運動を継続しながら、準備をする。次に、呼気ガス採取要領が眼鏡型表示装置110に表示される(ステップ7)。先ず、「○○秒で息を吐き出して下さい」と眼鏡型表示装置110に表示されるので、支持された○○秒で息を吐き出す。掃出し開始時から計時される時間(秒)がタイマー170でカウントダウンされて眼鏡型表示装置110に表示される。   When, for example, 10 minutes have elapsed since the start of exercise for 30 minutes, “It is time to collect expiratory gas” is displayed on the glasses-type display device 110 (step 6), and preparation is made while continuing the exercise. Next, an expiration gas collection procedure is displayed on the glasses-type display device 110 (step 7). First, since “please exhale in XX seconds” is displayed on the glasses-type display device 110, exhale in the supported OO seconds. The time (seconds) counted from the start of sweeping is counted down by the timer 170 and displayed on the glasses-type display device 110.

人の呼気は、口の中のガスや気道のガスがあるため、肺でガス交換される本当の呼気ガスに達するまでには少し時間を要するため、呼気開始後の第1期間が経過した後の第2期間で分析部32によって呼気ガス成分の分析を行うことになる。そのため、タイマー170の出力から第2期間の開始が検出されると、駆動部25により弁24が閉鎖されて、呼気ガスの分析が開始される。   After expiration of the first period after the start of exhalation, a person's exhalation takes some time to reach the true exhalation gas that is exchanged in the lungs because there is gas in the mouth and airway gas During the second period, the analysis unit 32 analyzes the expired gas component. Therefore, when the start of the second period is detected from the output of the timer 170, the valve 24 is closed by the drive unit 25 and the analysis of the exhaled gas is started.

呼気ガス採取と分析が終わると、「△回目の採取呼気ガスが終了しました」が眼鏡型表示装置110に表示され(ステップ8)、駆動部25により弁24が開放される。被験者は更に運動を継続する。その間に呼気ガス分析装置100では、CPU130が呼気ガス中のアセトン濃度から脂肪燃焼量を算出して(ステップ9)、「脂肪燃焼量は○○です」を眼鏡型表示装置110に表示する(ステップ10)。この表示によって、現在の脂肪燃焼量を知ることができ、実際に運動の効果を確認することができる。   When the expiration gas collection and analysis are completed, “Δ collection gas expired” is displayed on the glasses-type display device 110 (step 8), and the valve 24 is opened by the drive unit 25. Subject continues to exercise further. Meanwhile, in the breath gas analyzer 100, the CPU 130 calculates the fat burning amount from the acetone concentration in the breath gas (step 9), and displays “the fat burning amount is OO” on the glasses-type display device 110 (step). 10). By this display, the current amount of fat burning can be known, and the effect of exercise can be actually confirmed.

呼気ガス採取を終了しない限り(ステップ11の判断がNO)、または運動が継続する限り(ステップ13がNO)、10分毎に呼気ガスの採取等(ステップ4〜20)が繰り返し行われ、最後の呼気ガス採取が終了すると(ステップ11の判断がYES)、これまで分析したトータルの脂肪燃焼量が眼鏡型表示装置110に表示され(ステップ12)、併せて「全ての採取呼気ガスが終了しました」と表示される。更に、運動が終了すれば(ステップ13がYES)、「運動プログラムが終了しました」と眼鏡型表示装置110に表示されて全てが終了する(ステップ14)。   As long as the expiration gas sampling is not finished (NO in Step 11) or the exercise continues (NO in Step 13), the expiration gas collection etc. (Steps 4 to 20) are repeated every 10 minutes, and finally When the exhalation gas sampling is completed (Yes in step 11), the total fat combustion amount analyzed so far is displayed on the glasses-type display device 110 (step 12). Is displayed. Further, when the exercise is completed (YES in step 13), “Exercise program is completed” is displayed on the glasses-type display device 110, and all the operations are completed (step 14).

本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。   Those skilled in the art will readily appreciate that many variations are possible without substantially departing from the novel features and advantages of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention. For example, a term described with a different term having a broader meaning or the same meaning at least once in the specification or the drawings can be replaced with the different term in any part of the specification or the drawings.

1,1A,1B 呼気ガス採取分析装置、10 採取路(マウスピース)、20A,20B 本体、23 第1排出路、24 弁、25 駆動部、26 第2排出路、30断熱変化部、31 分離部(水分吸着部)、32 分析部、40 タービン、41 ハウジング、41A 流路、42 軸、43 タービンブレード、100 携帯型呼気ガス分析装置、110 眼鏡型表示装置   1, 1A, 1B Expiratory gas sampling and analysis device, 10 sampling path (mouthpiece), 20A, 20B main body, 23 first discharge path, 24 valve, 25 drive unit, 26 second discharge path, 30 heat insulation change section, 31 separation Part (moisture adsorption part), 32 analysis part, 40 turbine, 41 housing, 41A flow path, 42 shaft, 43 turbine blade, 100 portable breath gas analyzer, 110 glasses-type display device

Claims (8)

呼気ガスを導入し採取する採取路と、
前記採取路から導入される前記呼気ガスを断熱変化により冷却する断熱変化部と、
冷却された前記呼気ガスから水分を分離する分離部と、
水分が分離された前記呼気ガスを分析する分析部と、
を有することを特徴とする呼気ガス採取分析装置。
A sampling channel for introducing and collecting exhaled gas;
An adiabatic change part that cools the exhaled gas introduced from the sampling channel by an adiabatic change;
A separation unit for separating moisture from the cooled exhaled gas;
An analysis unit for analyzing the exhaled gas from which moisture has been separated;
A breathing gas collection and analysis device characterized by comprising:
請求項1において、
前記断熱変化部は、
ハウジングと、
前記ハウジング内で回転可能に軸支される複数のタービンブレードと、
を有するタービンであることを特徴とする呼気ガス採取分析装置。
In claim 1,
The adiabatic change part is:
A housing;
A plurality of turbine blades rotatably supported in the housing;
A breathing gas collecting and analyzing apparatus, characterized by being a turbine having
請求項2において、
前記タービンは、前記呼気ガスが前記タービンブレードの半径方向より導入され、前記呼気ガスを前記タービンブレードの軸方向に沿って放出する輻流式タービンであることを特徴とする呼気ガス採取分析装置。
In claim 2,
The expiratory gas collection and analysis apparatus, wherein the expiratory gas is introduced from the radial direction of the turbine blade and is a radial flow turbine that discharges the expiratory gas along the axial direction of the turbine blade.
請求項3において、
前記ハウジングは、前記タービンブレードの半径方向に向けて前記呼気ガスを導出案内する流路を有し、
前記流路の横断面積は、前記呼気ガスの上流側から下流側に向かうに従い小さくなることを特徴とする呼気ガス採取分析装置。
In claim 3,
The housing has a flow path for guiding and guiding the exhaled gas toward a radial direction of the turbine blade;
An expiratory gas collection and analysis apparatus characterized in that the cross-sectional area of the flow path decreases from the upstream side to the downstream side of the expiratory gas.
請求項3または4において、
前記分離部は、前記タービンより前記呼気ガスが放出される放出端部と前記軸方向にて対向する位置に配置された水分吸着部を含むことを特徴とする呼気ガス採取分析装置。
In claim 3 or 4,
The exhalation gas collecting / analyzing apparatus according to claim 1, wherein the separation unit includes a moisture adsorbing unit disposed at a position facing the discharge end portion from which the exhalation gas is discharged from the turbine in the axial direction.
請求項1乃至5のいずれか1項において、
前記採取路内の呼気ガスを前記呼気圧により外部に排出する第1排出路と、
前記第1排出路の一部を開閉する弁と、
前記弁を開閉駆動する弁駆動部と、
前記弁が閉鎖された時に、前記採取路内の呼気ガスを前記呼気圧により外部に排出する第2排出路と、
をさらに有し、
前記断熱変化部、前記分離部及び前記分析部は、前記第2排出路に配置されることを特徴とする呼気ガス採取分析装置。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
A first exhaust path for exhausting exhaled gas in the sampling path to the outside by the expiratory pressure;
A valve for opening and closing a part of the first discharge path;
A valve drive unit for opening and closing the valve;
When the valve is closed, a second discharge path that discharges exhaled gas in the sampling path to the outside by the expiratory pressure;
Further comprising
The adiabatic gas collection and analysis apparatus, wherein the adiabatic change part, the separation part, and the analysis part are arranged in the second discharge path.
請求項1乃至6のいずれか1項において、
前記採取路は、前記断熱変化部、前記分離部及び前記分析部が設けられる本体に対して着脱可能なマウスピースを含むことを特徴とする呼気ガス採取分析装置。
In any one of Claims 1 thru | or 6,
The breathing gas collection and analysis apparatus, wherein the collection path includes a mouthpiece that is detachable from a main body on which the adiabatic change section, the separation section and the analysis section are provided.
請求項1乃至7のいずれか1項に記載の呼気ガス採取分析装置と、
前記呼気ガス採取分析装置と接続され、呼気採取の手順を表示する眼鏡型表示装置と、
を有することを特徴とする携帯型呼気ガス分析装置。
An exhalation gas collection and analysis apparatus according to any one of claims 1 to 7,
A glasses-type display device connected to the breath gas collection analyzer and displaying a breath collection procedure;
A portable breath gas analyzer characterized by comprising:
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