JP2017072372A - 呼気診断装置 - Google Patents

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茂行 高木
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康友 塩見
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Tsutomu Sumino
努 角野
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Abstract

【課題】高精度の呼気診断装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、呼気を含む試料気体が供給される供給部と、前記供給部から前記試料気体が導入される空間を含むセル部と、前記供給部と前記セル部との間に設けられ前記供給部から前記空間に前記試料気体を導く導入配管と、前記空間に測定光を入射させる光源部と、前記空間を通過した前記測定光を検出する検出部と、を備えた呼気診断装置が提供される。前記導入配管は、屈曲部を有する中間部を含む。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、呼気診断装置に関する。
呼気診断装置においては、呼気のガスを測定する。この測定結果より、病気の予防や早期発見が容易になる。呼気診断装置において、高精度の測定結果を得ることが望まれる。
特開２０１３−１１６２０号公報
本発明の実施形態は、高精度の呼気診断装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、呼気診断装置は、呼気を含む試料気体が供給される供給部と、前記供給部から前記試料気体が導入される空間を含むセル部と、前記供給部と前記セル部との間に設けられ前記供給部から前記空間に前記試料気体を導く導入配管と、前記空間に測定光を入射させる光源部と、前記空間を通過した前記測定光を検出する検出部と、を含む。前記導入配管は、屈曲部を有する中間部を含む。
実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（実施形態）
図１は、実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。
図１に表したように、本実施形態に係る呼気診断装置１１０は、供給部１０ｉと、セル部２０と、導入配管１５ａと、光源部３０と、検出部４０と、を含む。この例では、排出部１０ｏ及び排出配管１５ｂが、さらに設けられている。
供給部１０ｉには、試料気体５０が供給される。試料気体５０は、呼気５０ａを含む。呼気５０ａは、例えば、ヒトを含む動物の呼気である。呼気５０ａには、診断の目的とする物質が含まれる。この物質は、例えば、アセトンである。例えば、糖尿病に罹患すると、呼気５０ａ中のアセトンの濃度が健康時に比べて上昇する。呼気診断装置１１０においては、物質（例えばアセトンなど）の濃度を測定することで、健康状態が診断される。物質の例については、後述する。
呼気５０ａを含む試料気体５０が、被検者から、供給部１０ｉに吹き込まれる。
セル部２０は、空間２３ｓを含む。空間２３ｓに、供給部１０ｉから試料気体５０が導入される。この例では、セル部２０は、セル２３を含む。セル２３の中に空間２３ｓが形成される。セル２３（セル部２０）と供給部１０ｉとの間に、導入配管１５ａが設けられる。セル部２０に、導入口２０ｉが設けられる。導入口２０ｉに導入配管１５ａが接続される。導入配管１５ａは、供給部１０ｉから空間２３ｓに試料気体５０を導く。供給部１０ｉに供給された試料気体５０は、導入配管１５ａを介して空間２３ｓに導入される。
排出部１０ｏは、空間２３ｓと、大気１０ｘと、の間に設けられる。大気１０ｘは、呼気診断装置１１０の外側である。
排出配管１５ｂは、空間２３ｓと排出部１０ｏとの間に設けられる。セル部２０の空間２３ｓの中の試料気体５０は、排出配管１５ｂを介して排出部１０ｏに導入される。その試料気体５０は、排出部１０ｏにより、大気１０ｘに排出される。
光源部３０は、空間２３ｓに測定光３０Ｌを入射させる。検出部４０は、空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出する。例えば、試料気体５０中の呼気５０ａに含まれる物質（例えばアセトンなど）により、測定光３０Ｌが吸収される。測定光３０Ｌの吸収は、物質の濃度に応じて変化する。検出部４０により、測定光３０Ｌを検出することで、目的とする物質の濃度が測定できる。この結果に基づいて診断が行われる。
この例では、光源部３０は、半導体発光素子３０ａと、駆動部３０ｂと、を含む。駆動部３０ｂは、半導体発光素子３０ａに電気的に接続される。駆動部３０ｂは、半導体発光素子３０ａに、発光のための電力を供給する。後述するように、半導体発光素子３０ａとして、例えば、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）が用いられる。半導体発光素子３０ａの例については、後述する。
測定光３０Ｌは、呼気５０ａに含まれる物質に吸収される波長を含む。測定光３０Ｌは、赤外光（赤外線）を含む。測定光３０Ｌは、例えば、０．７マイクロメートル（μｍ）以上１０００μｍ以下である。測定光３０Ｌは、例えば、２．５μｍ以上１１μｍ以下でも良い。
この例では、セル部２０は、第１反射部２１と、第２反射部２２と、を含む。第１反射部２１及び第２反射部２２は、測定光３０Ｌに対して反射性である。
供給部１０ｉから導入された試料気体５０は、第１反射部２１と第２反射部２２との間の空間２３ｓに導入される。第１反射部２１と第２反射部２２との間に空間２３ｓの少なくとも一部が配置される。
測定光３０Ｌは、空間２３ｓに試料気体５０が導入された状態において、例えば、空間２３ｓを通過する。例えば、測定光３０Ｌは、第１反射部２１と第２反射部２２とで反射して、第１反射部２１と第２反射部２２との間（空間２３ｓ）を複数回往復する。測定光３０Ｌの一部が、試料気体５０に含まれる物質により吸収される。測定光３０Ｌのうちの、物質に特有の波長の成分が吸収される。吸収の程度は、物質の濃度に依存する。
検出部４０は、例えば、空間２３ｓに試料気体５０が導入された状態において空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出する。
検出部４０には、例えば、フォトダイオードなどが用いられる。実施形態において、検出部４０は任意である。
この例では、処理部４５がさらに設けられている。処理部４５は、検出部４０で検出された信号を処理して、所望の結果を導出する。
この例では、筐体１０ｗがさらに設けられている。筐体１０ｗ中に、例えば、セル部２０、光源部３０、検出部４０、導入配管１５ａ及び排出配管１５ｂが格納される。
この例では、測定光３０Ｌの光路上において、光源部３０とセル部２０との間に、第１光学部品３６ａが設けられている。光路上において、セル部２０と検出部４０との間に、第２光学部品３６ｂが設けられている。これらの光学部品は、例えば、集光光学素子を含む。これらの光学部品に、フィルタを用いても良い。これらの光学部品に、光スイッチを用いても良い。光学部品は必要に応じて設けられ、省略しても良い。
実施形態において、導入配管１５ａには、中間部１８ａが設けられる。中間部１８ａは、屈曲部１７を有する。この例では、複数の屈曲部（第１屈曲部１７ａ、第２屈曲部１７ｂ及び第３屈曲部１７ｃなど）が設けられている。
実施形態においては、中間部１８ａは、中間部１８ａを導かれる試料気体５０に乱流を形成する。中間部１８ａを導かれる試料気体５０は、屈曲部１７の壁面にぶつかる。壁面にぶつかることで、乱流が形成される。乱流が形成されると、試料気体５０に含まれる水分子が壁面に接触する回数が増える。水分子は、例えば、壁面に付着する。これにより、試料気体５０に含まれる水の量が減少する。
本願発明者の検討によると、呼気５０ａを含む試料気体５０中の水の量が多いと、測定のための空間２３ｓにおいて、結露が生じる場合があることが分かった。例えば、第１反射部２１の表面、及び、第２反射部２２の表面の少なくともいずれかに、水の粒子が付着する。結露が生じると、例えば、測定光３０Ｌの進行方向が所望の方向ではなくなる。例えば、測定光３０Ｌが空間を通過する実効的な距離が変化する。このため、測定結果が不正確になる。
さらに、第１反射部２１及び第２反射部２２に多層構造体を用いる場合がある。これにより、赤外光の測定光３０Ｌに対して所望の反射率が得やすくなる。このような多層構造体は、高湿度中で劣化し易いことが分かった。第１反射部２１及び第２反射部２２が劣化すると、測定結果の精度が劣化する。
実施形態においては、屈曲部１７を含む中間部１８ａを設けることで、試料気体５０中の水の量を減少させることができる。これにより、測定の精度を向上できる。
さらに、このような中間部１８ａを設けることで、試料気体５０中に含まれる粒子が、空間２３ｓに導かれることを抑制できる。
例えば、試料気体５０に粒子（例えば、ゴミや花粉など）が含まれる場合がある。例えば、試料気体５０に粒子が含まれ、粒子が測定のための空間２３ｓに導入されると、粒子に測定光３０Ｌが照射される。すなわち、測定対象とする物質ではない粒子に測定光３０Ｌが照射される。これにより、正しい測定結果が得られない場合がある。
さらに、第１反射部２１及び第２反射部２２の表面に粒子が付着する場合があり、このために測定結果の精度が劣化することが分かった。
本実施形態においては、屈曲部１７を有する中間部１８ａを設けることで、試料気体５０に含まれる水の量を減少させる。さらに、粒子の量も減少させることができる。これにより、より精度が高い測定が可能になる。
実施形態において、例えば、屈曲部１７における中間部１８ａの延在方向の角度の変化は、７０度以上である。延在方向の角度が大きいことで、例えば、試料気体５０が中間部１８ａの壁面にぶつかりやすくなる。例えば、乱流が発生し易くなる。水や粒子の捕獲特性が向上する。
例えば、屈曲部１７は、複数設けられても良い。このとき、複数の屈曲部１７の少なくとも２つのそれぞれにおける、中間部１８ａの延在方向の角度の変化は、７０度以上である。
一方、図１に例示したように、導入配管１５ａは、接続部１８ｂをさらに含む。接続部１８ｂは、中間部１８ａとセル部２０（空間２３ｓ）との間に設けられる。この例では、接続部１８ｂは、直線状に延びる。このような接続部１８ｂを設けることで、中間部１８ａで生じた乱流が整えられる。すなわち、接続部１８ｂにおいて、試料気体５０の流れが整えられる。これにより、空間２３ｓ内での試料気体５０が均一になりやすくなる。これにより、測定の精度がより向上する。
例えば、接続部１８ｂを流れる試料気体５０の流れる方向を延在方向１８ｄとする。延在方向１８ｄに沿った接続部１８ｂの長さは、延在方向１８ｄに対して垂直な断面方向の接続部１８ｂの長さ以上である。これにより、乱流が整えられ、層流が生じ易くできる。接続部１８ｂの例については、後述する。
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。
これらの図は、導入配管１５ａを例示している。
図２（ａ）に示した例では、中間部１８ａは、ループ状である。ループの回数は、任意である。
図２（ｂ）に示した例では、中間部１８ａは、複数の凹凸（凸部１９ｐ及び凹部１９ｄ）を含む。複数の凹凸は、導入配管１５ａの内側面に設けられる。例えば、中間部１８ａは、ベローズを含む。中間部１８ａとして、ベローズを用いることができる。凹凸を設けることで、導入配管１５ａ（中間部１８ａ）の内壁の表面積が増える。これにより、水及び粒子の捕獲性が向上する。
実施形態においては、複数の凹凸（例えばベローズ）を設けることで、例えば、水及び粒子の少なくともいずれかの捕獲特性が良好になる。
被検者の口と、供給部１０ｉと、の間に設けられる配管として、ベローズを用いる参考例がある。この参考例においては、この配管が変形することで、被検者が使い易くなる。
これに対して、本実施形態においては、例えば、中間部１８ａが変形することは必ずしも必要とされない。例えば、中間部１８ａの両端が固定されている場合も、中間部１８ａにおける水などの除去特性が有効に発揮される。
例えば、図１に例示したように、筐体１０ｗが設けられる場合、例えば、筐体１０ｗは、セル部２０の導入口２０ｉと、供給部１０ｉと、の間の空間的配置を規定しても良い。この空間的配置が固定されていても、中間部１８ａにおける水などの除去特性が有効に発揮される。
図２（ｃ）に示した例では、複数の屈曲部１７（第１屈曲部１７ａ及び第２屈曲部１７ｂなど）により、中間部１８ａは、ジグザグ状である。そして、複数の凹凸が設けられている。この場合も、高精度の呼気診断装置が提供できる。
実施形態において、中間部１８ａは、重力の方向とは逆向きに延びる部分を有しても良い。この部分は、例えば、供給部１０ｉからセル部２０に向かう方向に沿って、重力に対して逆向きに延びる。これにより、例えば、試料気体５０に含まれる粒子は、例えば、中間部１８ａ中の下側の部分に留まり易い。粒子が空間２３ｓに流入することが抑制できる。例えば、中間部１８ａの壁面に生じた水滴が、中間部１８ａ中の下側の部分に留まり易い。水が空間２３ｓに流入することが抑制できる。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。
これらの図は、導入配管１５ａを例示している。
図３（ａ）に示した例では、導入配管１５ａは、接続部１８ｂ加えて、壁状体１９をさらに含む。壁状体１９は、接続部１８ｂの中の空間に設けられる。壁状体１９は、接続部１８ｂの延在方向に沿う。壁状体１９は、例えば、整流板である。壁状体１９の断面形状は、例えばハニカム状でも良い。壁状体１９を設けることで、層流が生じ易くできる。この例でも、接続部１８ｂは、試料気体５０の流れを整える。
図３（ｂ）に示した例では、接続部１８ｂの断面積（太さ）は、中間部１８ａからセル部２０（導入口２０ｉ）に向かう方向に沿って漸増している。断面積は、接続部１８ｂを流れる試料気体５０の流れる延在方向に対して垂直な面で切断したときの、接続部１８ｂの面積である。こような接続部１８ｂにおいても、層流が生じ易くできる。この例でも、接続部１８ｂは、試料気体５０の流れを整える。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。
これらの図は、導入配管１５ａを例示している。
図４（ａ）に示した例では、導入配管１５ａは、吸着部１７ｐを含む。吸着部１７ｐは、導入配管１５ａの内側に設けられる。吸着部１７ｐは、試料気体５０に含まれる水の少なくとも一部を吸着する。これにより、空間２３ｓに導入される試料気体５０中の水がさらに減少する。
吸着部１７ｐは、例えば、導入配管１５ａの内側の面の少なくとも一部に設けられる。例えば、吸着部１７ｐは、屈曲部１７に設けられても良い。
実施形態においては、吸着部１７ｐには、シリカゲル及びゼオライトの少なくともいずれかを用いることができる。これらを用いることで、水を効果的に吸着することができる。
図４（ｂ）に示した例では、制御部（第１制御部１７ｑ及び第２制御部１７ｒなど）が設けられる。第１制御部１７ｑ及び第２制御部１７ｒは、中間部１８ａの温度を変更可能である。
例えば、第１制御部１７ｑにより、中間部１８ａの温度を低下させると、中間部１８ａにおいて、試料気体５０中の水が結露し易くなる。これにより、試料気体５０中の水の量を効果的に減らすことができる。
例えば、第１制御部１７ｑにより、中間部１８ａの温度を上昇させても良い。例えば、呼気診断装置１１０による測定が終了し、他の試料気体５０を評価するまでの間に、中間部１８ａの温度を上昇させる。これにより、導入配管１５ａ中の水を蒸発させて、装置の外部に排出し易くできる。例えば、導入配管１５ａの内壁に付着した水を除去し易くなる。
実施形態において、例えば、第１制御部１７ｑで冷却して、第２制御部１７ｒで加熱しても良い。第１制御部１７ｑで加熱して、第２制御部１７ｒで冷却しても良い。
上記の吸着部１７ｐを、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図３（ａ）及び図３（ｃ）に例示した構成と組み合わせてもよい。上記の制御部を、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図３（ａ）及び図３（ｃ）に例示した構成と組み合わせてもよい。
実施形態において、測定の対象となる物質の例について説明する。
物質は、例えば、二酸化炭素同位体である。この場合、例えば、ピロリ菌に関する情報が得られる。物質は、例えば、メタンである。この場合、例えば、腸内嫌気性菌に関する情報が得られる。物質は、例えば、エタノールである。この場合、例えば、飲酒に関する情報が得られる。物質は、例えば、アセトアルデヒドである。この場合、例えば、飲酒代謝産物及び肺がんに関する情報が得られる。物質は、例えば、アセトンである。この場合、例えば、糖尿病に関する情報が得られる。物質は、例えば、一酸化窒素である。この場合、例えば、ぜんそくに関する情報が得られる。物質は、例えば、アンモニアである。この場合、例えば、肝炎に関する情報が得られる。物質は、例えば、ノナナールである。この場合、例えば、肺がんに関する情報が得られる。
このように、呼気５０ａは、二酸化炭素、メタン、エタノール、アセトアルデヒド、アセトン、一酸化炭素、アンモニア及びノナナールの少なくともいずれかを含む。実施形態において、呼気５０ａに含まれる測定対象の物質は任意である。
以下、光源部３０の例について説明する。
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。
図５（ａ）は、模式的斜視図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図５（ｃ）は、光源部３０の動作を例示する模式図である。
この例では、光源部３０として、半導体発光素子３０ａが用いられる。半導体発光素子３０ａとして、レーザが用いられる。この例では、量子カスケードレーザが用いられる。
図５（ａ）に表したように、半導体発光素子３０ａは、基板３５と、積層体３１と、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、誘電体層３２（第１誘電体層）と、絶縁層３３（第２誘電体層）と、を含む。
第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に基板３５が設けられる。基板３５は、第１部分３５ａと、第２部分３５ｂと、第３部分３５ｃと、を含む。これらの部分は、１つの面内に配置される。この面は、第１電極３４ａから第２電極３４ｂに向かう方向に対して交差する（例えば平行）である。第１部分３５ａと第２部分３５ｂとの間に、第３部分３５ｃが配置される。
第３部分３５ｃと第１電極３４ａとの間に積層体３１が設けられる。第１部分３５ａと第１電極３４ａとの間、及び、第２部分３５ｂと第１電極３４ａとの間に、誘電体層３２が設けられる。誘電体層３２と第１電極３４ａとの間に絶縁層３３が設けられる。
積層体３１は、ストライプの形状を有している。積層体３１は、リッジ導波路ＲＧとして機能する。リッジ導波路ＲＧの２つの端面がミラー面となる。積層体３１において放出された光３１Ｌは、端面（光出射面）から出射する。光３１Ｌは、赤外線レーザ光である。光３１Ｌの光軸３１Ｌｘは、リッジ導波路ＲＧの延在方向に沿う。
図５（ｂ）に表したように、積層体３１は、例えば、第１クラッド層３１ａと、第１ガイド層３１ｂと、活性層３１ｃと、第２ガイド層３１ｄと、第２クラッド層３１ｅと、を含む。これらの層は、基板３５から第１電極３４ａに向かう方向に沿って、この順で並ぶ。第１クラッド層３１ａの屈折率及び第２クラッド層３１ｅの屈折率のそれぞれは、第１ガイド層３１ｂの屈折率、活性層３１ｃの屈折率、及び、第２ガイド層３１ｄの屈折率のそれぞれよりも低い。活性層３１ｃで生じた光３１Ｌは、積層体３１内に閉じ込められる。第１ガイド層３１ｂと第１クラッド層３１ａとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。第２ガイド層３１ｄと第２クラッド層３１ｅとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。
積層体３１は、光軸３１Ｌｘに対して垂直な第１側面３１ｓａ及び第２側面３１ｓｂを有する。第１側面３１ｓａと第２側面３１ｓｂとの間の距離３１ｗ（幅）は、例えば５μｍ以上２０μｍ以下である。これにより、例えば、水平横方向モードの制御が容易となり、出力の向上が容易になる。距離３１ｗが過度に長いと、水平横方向モードにおいて高次モードを生じ易くなり、出力を高めにくい。
誘電体層３２の屈折率は、活性層３１ｃの屈折率よりも低い。これにより、誘電体層３２により、光軸３１Ｌｘに沿ってリッジ導波路ＲＧが形成される。
図５（ｃ）に表したように、活性層３１ｃは、例えば、カスケード構造を有する。カスケード構造においては、例えば、第１領域ｒ１と、第２領域ｒ２と、が交互に積層される。単位構造ｒ３は、第１領域ｒ１及び第２領域ｒ２を含む。複数の単位構造ｒ３が設けられる。
例えば、第１領域ｒ１には、第１障壁層ＢＬ１と、第１量子井戸層ＷＬ１と、が設けられる。第２領域には、第２障壁層ＢＬ２が設けられる。例えば、別の第１領域ｒ１ａには、第３障壁層ＢＬ３と、第２量子井戸層ＷＬ２と、が設けられる。別の第２領域ｒ２ａに、第４障壁層ＢＬ４が設けられる。
第１領域ｒ１においては、第１量子井戸層ＷＬ１のサブバンド間光学遷移が生じる。これにより、例えば、３μｍ以上１８μｍ以下の波長の光３１Ｌａが放出される。
第２領域ｒ２においては、第１領域ｒ１から注入されたキャリアｃ１（例えば電子）のエネルギーは、緩和可能である。
量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）において、井戸幅ＷＬｔは、例えば、５ｎｍ以下である。井戸幅ＷＬｔがこのように狭いとき、エネルギー準位が離散して、例えば、第１サブバンドＷＬａ（高準位Ｌｕ）及び第２サブバンドＷＬｂ（低準位Ｌｌ）などを生じる。第１障壁層ＢＬ１から注入されたキャリアｃ１は、第１量子井戸層ＷＬ１に効果的に閉じ込められる。
高準位Ｌｕから低準位Ｌｌへキャリアｃ１が遷移するときに、エネルギー差（高準位Ｌｕと低準位Ｌｌとの差）に対応する光３１Ｌａが放出される。すなわち、光学遷移が生じる。
同様に、別の第１領域ｒ１ａの第２量子井戸層ＷＬ２において、光３１Ｌｂが放出される。実施形態において量子井戸層は、波動関数が重なり合う複数の井戸を含んでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの高準位Ｌｕが、互いに同じでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの低準位Ｌｌが、互いに同じでも良い。
例えば、サブバンド間光学遷移は、伝導帯及び価電子帯のいずれかにおいて生じる。例えば、ｐｎ接合によるホールと電子との再結合は必要ではない。例えば、ホール及び電子のいずれかのキャリアｃ１により光学遷移が生じて、光が放出される。
活性層３１ｃにおいて、例えば、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に印加される電圧により、障壁層（例えば第１障壁層ＢＬ１）を介して、キャリアｃ１（例えば電子）が量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）へ注入される。これにより、サブバンド間光学遷移を生じる。
第２領域ｒ２は、例えば、複数のサブバンドを有する。サブバンドは、例えば、ミニバンドである。サブバンドにおけるエネルギー差は、小さい。サブバンドにおいて、連続エネルギーバンドに近いことが好ましい。この結果、キャリアｃ１（電子）のエネルギーが緩和される。
第２領域ｒ２では、例えば、光（例えば３μｍ以上１８μｍ以下の波長の赤外線）は、実質的に放出されない。第１領域ｒ１の低準位Ｌｌのキャリアｃ１（電子）は、第２障壁層ＢＬ２を通過して、第２領域ｒ２へ注入され、緩和される。キャリアｃ１は、カスケード接続された別の第１領域ｒ１ａへ注入される。この第１領域ｒ１ａにおいて、光学遷移が生じる。
カスケード構造では、複数の単位構造ｒ３のそれぞれにおいて光学遷移が生じる。これにより、活性層３１ｃの全体において、高い光出力を得ることが容易になる。
このように、光源部３０は、半導体発光素子３０ａを含む。半導体発光素子３０ａは、複数の量子井戸（例えば、第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により、測定光３０Ｌを放射する。
量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）には、例えば、ＧａＡｓが用いられる。例えば、障壁層（例えば、第１〜第４障壁層ＢＬ１〜ＢＬ４など）には、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）が用いられる。このとき、例えば、基板３５としてＧａＡｓを用いると、量子井戸層及び障壁層において、良好な格子整合が得られる。
第１クラッド層３１ａ及び第２クラッド層３１ｅは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下（例えば、約６×１０１８ｃｍ−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば、０．５μｍ以上２μｍ以下（例えば約１μｍ）である。
第１ガイド層３１ｂ及び第２ガイド層３１ｄは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば１×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下（例えば、約４×１０１６ｃｍ−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば２μｍ以上５μｍ以下（例えば、３．５μｍ）である。
距離３１ｗ（積層体３１の幅、すなわち、活性層３１ｃの幅）は、例えば、５μｍ以上２０μｍ以下（例えば、約１４μｍ）である。
リッジ導波路ＲＧの長さは、例えば、１ｍｍ以上５ｍｍ以下（例えば約３ｍｍ）である。半導体発光素子３０ａ（量子カスケードレーザ）は、例えば、１０Ｖ以下の動作電圧で動作する。消費電流は、炭酸ガスレーザ装置などに比べて低い。これにより、低消費電力の動作が可能である。
実施形態によれば、高精度の呼気診断装置が提供できる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、呼気診断装置に含まれる供給部、セル部、反射部、光源部、検出部及び処理部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した呼気診断装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての呼気診断装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０ｉ…供給部、 １０ｏ…排出部、 １０ｗ…筐体、 １０ｘ…大気、 １５ａ…導入配管、 １５ｂ…排出配管、 １７…屈曲部、 １７ａ〜１７ｂ…第１〜第３屈曲部、 １７ｐ…吸着部、 １７ｑ、１７ｒ…第１、第２制御部、 １８ａ…中間部、 １８ｂ…接続部、 １８ｄ…延在方向、 １９…壁状体、 １９ｄ…凹部、 １９ｐ…凸部、 ２０…セル部、 ２０ｉ…導入口、 ２１、２２…第１、第２反射部、 ２３…セル、 ２３ｓ…空間、 ３０…光源部、 ３０Ｌ…測定光、 ３０ａ…半導体発光素子、 ３０ｂ…駆動部、 ３１…積層体、 ３１Ｌ、３１Ｌａ、３１Ｌｂ…光、 ３１Ｌｘ…光軸、 ３１ａ…第１クラッド層、 ３１ｂ…第１ガイド層、 ３１ｃ…活性層、 ３１ｄ…第２ガイド層、 ３１ｅ…第２クラッド層、 ３１ｓａ…第１側面、 ３１ｓｂ…第２側面、 ３１ｗ…距離、 ３２…誘電体層、 ３３…絶縁層、 ３４ａ…第１電極、 ３４ｂ…第２電極、 ３５…基板、 ３５ａ〜３５ｃ…第１〜第３部分、 ３６ａ、３６ｂ…第１、第２光学部品、 ４０…検出部、 ４５…処理部、 ５０…試料気体、 ５０ａ…呼気、 １１０…呼気診断装置、 ＢＬ１〜ＢＬ４…第１〜第４障壁層、 Ｇ１〜Ｇ３…第１〜第３コンダクタンス、 Ｌｌ…低準位、 Ｌｕ…高準位、 ＲＧ…リッジ導波路、 ＷＬ１、ＷＬ２…第１、第２量子井戸層、 ＷＬａ…第１サブバンド、 ＷＬｂ…第２サブバンド、 ＷＬｔ…井戸幅、 ｃ１…キャリア、 ｒ１、ｒ１ａ…第１領域、 ｒ２、ｒ２ａ…第２領域、 ｒ３…単位構造

Claims (20)

  1. 呼気を含む試料気体が供給される供給部と、
    前記供給部から前記試料気体が導入される空間を含むセル部と、
    前記供給部と前記セル部との間に設けられ前記供給部から前記空間に前記試料気体を導く導入配管と、
    前記空間に測定光を入射させる光源部と、
    前記空間を通過した前記測定光を検出する検出部と、
    を備え、
    前記導入配管は、屈曲部を有する中間部を含む呼気診断装置。
  2. 前記中間部は、前記導入配管の内側面に設けられた複数の凹凸を含む請求項１記載の呼気診断装置。
  3. 前記中間部は、前記中間部を導かれる前記試料気体に乱流を形成する請求項１または２に記載の呼気診断装置。
  4. 前記屈曲部における前記中間部の延在方向の角度の変化は、７０度以上である請求項１〜３のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  5. 前記屈曲部は複数設けられ、
    前記複数の屈曲部の少なくとも２つのそれぞれにおける前記中間部の延在方向の角度の変化は、７０度以上である請求項１〜３のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  6. 前記中間部は、ループ状である請求項１〜５のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  7. 前記中間部は、前記供給部から前記セル部に向かう方向に沿って、重力に対して逆向きに延びる部分を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  8. 前記導入配管は、前記中間部と前記セル部との間に設けられた接続部をさらに含み、
    前記接続部は、前記試料気体の流れを整える請求項１〜７のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  9. 前記導入配管は、前記中間部と前記セル部との間に設けられた接続部をさらに含み、
    前記接続部を流れる前記試料気体の流れる延在方向に沿った前記接続部の長さは、前記延在方向に対して垂直な断面方向の前記接続部の長さ以上である請求項１〜７のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  10. 前記導入配管は、
    前記中間部と前記セル部との間に設けられた接続部と、
    前記接続部の中の空間に設けられ、前記接続部の延在方向に沿う壁状体と、
    をさらに含む請求項１〜７のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  11. 前記導入配管は、前記中間部と前記セル部との間に設けられた接続部をさらに含み、
    前記接続部を流れる前記試料気体の流れる延在方向に対して垂直な面で切断したときの前記接続部の面積は、前記中間部から前記セル部に向かう方向に沿って漸増する請求項１〜７のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  12. 前記導入配管は、前記導入配管の内側に設けられ前記試料気体に含まれる水の少なくとも一部を吸着する吸着部を含む請求項１〜１１のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  13. 前記吸着部は、シリカゲル及びゼオライトの少なくともいずれかを含む請求項１２記載の呼気診断装置。
  14. 前記中間部は、ベローズを含む請求項１〜１３のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  15. 制御部をさらに備え、
    前記制御部は、前記中間部の温度を変更可能である請求項１〜１４のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  16. 前記呼気は、二酸化炭素、メタン、エタノール、アセトアルデヒド、アセトン、一酸化炭素、アンモニア及びノナナールの少なくともいずれかを含む請求項１〜１５のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  17. 前記セル部は、
    前記測定光に対して反射性の第１反射部と、
    前記測定光に対して反射性の第２反射部と、
    を含み、
    前記第１反射部と前記第２反射部との間に前記空間が配置され、
    前記測定光は、前記第１反射部と前記第２反射部とを反射して前記空間を通過する請求項１〜１６のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  18. 前記測定光は、０．７マイクロメートル以上１０００マイクロメートル以下の波長の成分を含む請求項１〜１７のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  19. 前記測定光は、２．５マイクロメートル以上１１マイクロメートル以下の波長の成分を含む請求項１〜１８のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  20. 前記光源部は、半導体発光素子を含み、
    前記半導体発光素子は、複数の量子井戸のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により前記測定光を放射する請求項１〜１９のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
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