JP2017072373A - 呼気診断装置 - Google Patents

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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、入り口部と、セル部と、出口部と、測定部と、光源部と、検出部と、を含む呼気診断装置が提供される。前記セル部は、前記入り口を介して呼気を含む試料気体が導入される空間を有する。前記出口部に、前記セル部から前記試料気体が流れ出る。前記測定部は、前記入り口部及び前記出口部の少なくともいずれかを通過する前記試料気体の流量を測定する。前記光源部は、前記空間に測定光を入射させる。前記検出部は、前記試料気体が前記入り口部から前記空間に導入されつつ前記試料気体が前記出口部から流れ出る状態で前記空間を通過した前記測定光を検出する。【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、入り口部と、セル部と、出口部と、測定部と、光源部と、検出部と、を含む呼気診断装置が提供される。前記セル部は、前記入り口を介して呼気を含む試料気体が導入される空間を有する。前記出口部に、前記セル部から前記試料気体が流れ出る。前記測定部は、前記入り口部及び前記出口部の少なくともいずれかを通過する前記試料気体の流量を測定する。前記光源部は、前記空間に測定光を入射させる。前記検出部は、前記試料気体が前記入り口部から前記空間に導入されつつ前記試料気体が前記出口部から流れ出る状態で前記空間を通過した前記測定光を検出する。
実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。 実施形態に係る呼気診断装置の特性を例示するグラフ図である。 実施形態に係る呼気診断装置の特性を例示するグラフ図である。 図４（ａ）〜図４（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、入り口部２０ｉと、セル部２０と、出口部２０ｏと、測定部６０と、光源部３０と、検出部４０と、を含む。
例えば、供給部１０ｉと、排出部１０ｏと、導入配管１５ａと、排出配管１５ｂと、が設けられている。
供給部１０ｉとセル部２０との間に導入配管１５ａが設けられる。排出部１０ｏとセル部２０との間に排出配管１５ｂが設けられる。供給部１０ｉ、導入配管１５ａ、セル部２０、排出配管１５ｂ及び排出部１０ｏは連続している。供給部１０ｉに試料気体５０が供給される。試料気体５０は、供給部１０ｉ、導入配管１５ａ、セル部２０及び排出配管１５ｂを経て、排出部１０ｏから大気１０ｘ（呼気診断装置１１０の外側）に排出される。
供給部１０ｉ及び導入配管１５ａの少なくとも一部が、入り口部２０ｉに対応する。例えば、入り口部２０ｉは、導入配管１５ａの少なくとも一部を含む。
排出配管１５ｂ及び排出部１０ｏの少なくとも一部が、出口部２０ｏに対応する。例えば、出口部２０ｏは、排出配管１５ｂの少なくとも一部を含む。
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。すなわち、被検者は、入り口部２０ｉに試料気体を導入させる。
セル部２０は、空間２３ｓを含む。試料気体５０が、供給部１０ｉから導入配管１５ａを経て、空間２３ｓに導入される。すなわち、入り口部２０ｉから、試料気体５０が空間２３ｓに導入される。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。セル部２０から流れ出た試料気体５０が、出口部２０ｏから大気１０ｘに流れ出る。
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（入り口部２０ｉ）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、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、赤外領域に感度を有する素子が用いられる。検出部４０には、例えばサーモパイルまたは半導体素子（例えばＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ））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、制御部４５がさらに設けられている。制御部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。
呼気診断装置１１０においては、検出動作と、排出動作と、が行われる。
検出動作においては、試料気体５０が供給部１０ｉを介して空間２３ｓに導入される。検出動作においては、空間２３ｓに測定光３０Ｌが照射され、試料気体５０を通過した測定光３０Ｌが検出される。
排出動作においては、試料気体５０が供給部１０ｉを介して空間２３ｓに導入されない。排出作業においては、例えば、空気が供給部１０ｉを介して空間２３ｓに導入される。排出動作は、例えば、検出動作の後に行われる。排出動作は、例えば、検出動作の前に行われる。検出動作において空間２３ｓに導入された試料気体５０が、排出動作において、大気１０ｘに排出される。これにより、空間２３ｓは初期化される。これにより、次の検出動作が可能になる。
例えば、排出部１０ｏは、検出動作において、空間２３ｓから、試料気体５０を大気１０ｘ中に流れ出させる。例えば、排出部１０ｏは、排出動作において、空間２３ｓから、試料気体５０を吸引して、試料気体５０を大気１０ｘ中に排出する。
排出部１０ｏには、例えば、ファンが用いられる。排出動作においては、ファンを動作させて、空間２３ｓ内の試料気体５０が、大気１０ｘに向けて、強制排出される。
例えば、検出動作においては、ファンを動作させずに、供給部１０ｉから供給された試料気体５０は、空間２３ｓに導入される。空間２３ｓ内に存在していた気体が、空間２３ｓに導入された試料気体５０により押し出される。押し出された気体が、排出配管１５ｂ及び排出部１０ｏを介して、大気１０ｘ中に流れ出る。
検出部４０は、試料気体５０が入り口部２０ｉから空間２３ｓに導入されつつ試料気体５０が出口部２０ｏから流れ出る状態で、空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出する。
例えば、被検者が呼気５０ａを吹き込みながら、検出動作を行う。これにより検出（呼気診断）の結果が迅速に得られる。短い時間の間に、複数の検出（呼気診断）を実施できる。例えば、運動する前後での物質の濃度の変化を知ることができる。運動しながら呼気５０ａ中の物質の濃度を検出することで、運動と濃度の関係をリアルタイムに知ることも可能になる。
測定部６０は、入り口部２０ｉ及び出口部２０ｏの少なくともいずれかを通過する試料気体５０の流量を測定する。流量は、例えば体積流量である。流量は、例えば質量流量でも良い。
この例では、測定部６０は、第１測定器６１を含む。第１測定器６１は、例えば、入り口部２０ｉに設けられる。第１測定器６１は、入り口部２０ｉを通過する試料気体５０の流量を測定する。
この例では、測定部６０は、第２測定器６２を含む。第２測定器６２は、例えば、出口部２０ｏを通過する試料気体５０の流量を測定する。
測定部６０（第１測定器６１及び第２測定器６２）は、例えば、試料気体５０の流量に応じて変化する温度変化を測定する。例えば、第１温度測定素子と、第２温度測定素子と、発熱部と、が、試料気体５０の経路中に設けられる。経路に沿って、発熱部は、第１温度測定素子と第２温度測定素子との間に設けられる。発熱部で加熱しつつ、第１温度測定素子による測定温度と、第２温度測定素子による測定温度と、の差が求められる。温度の差は、流量に応じて変化する。例えば、流量が大きいと、温度の差は大きい。流量が小さいと、温度の差は小さい。
実施形態に係る呼気診断装置１１０においては、測定部６０で測定された流量に基づいて、例えば、検出部４０の検出結果を補正できる。また、測定された流量に基づいて、被検者に呼気５０ａ（試料気体５０）の吹き込みの動作を促す表示などを行うことができる。これにより、被検者は、適切に吹き込みを行うことができる。
これにより、高精度の検出（呼気診断結果）を得ることができる。
例えば、図１に例示したように、呼気診断装置１１０に、出力部６５がさらに設けられている。出力部６５は、検出部４０及び制御部４５の少なくともいずれかに接続される。出力部６５は、測定部６０で測定した結果を出力する。被検者は、この出力により、吹き込み動作を適正に行うこともできる。
図２は、実施形態に係る呼気診断装置の特性を例示するグラフ図である。
図２の横軸は、時間ｔ（秒）である。縦軸は、検出部４０で検出された信号Ｖｓ（ボルト）である。
図２に示した実線の例では、時間ｔが３秒よりも前の期間は、測定の前の期間である。時間ｔが３秒のときに、被検者が呼気５０ａ（試料気体５０）を供給部１０ｉに吹き込むことを開始する。呼気５０ａ（試料気体５０）がセル部２０の空間２３ｓに導入される。所定の長さの期間（例えば５秒）において、被検者は、呼気５０ａの吹き込みを続ける。
時間ｔが３秒よりも前（吹き込み開始する前）において信号Ｖｓは、高い。時間ｔが７秒〜１５秒において、信号Ｖｓが低くなる。これは、呼気５０ａ（試料気体５０）に含まれる物質により、測定光３０Ｌが吸収されたことによる。これらの信号Ｖｓの差異ΔＶｓが、検出の目的とする物質の濃度に対応する。なお、濃度は、信号Ｖｓの差異ΔＶｓ（光吸収の差異）と、指数関数の関係を有する。
呼気診断装置１１０においては、例えば、呼気５０ａを吹き込みながら行われる第１動作ＯＰ１が行われる。そして、呼気５０ａを吹き込まない状態で行われる第２動作ＯＰ２が行われる。第１動作ＯＰ１は、例えば、呼気５０ａ（試料気体５０）に含まれる目的の物質の濃度を検出する検出動作である。第２動作ＯＰ２は、例えば、基準となる信号を得るためのキャリブレーション動作（準備動作）である。
第１動作ＯＰ１における信号Ｖｓと第２動作ＯＰ２における信号Ｖｓとの差異ΔＶｓが、検出部４０の検出の結果の値として用いられる。検出の結果の値として、差異ΔＶｓを換算して得られる、物質の濃度Ｃｘを用いても良い。
差異ΔＶｓとして、例えば、比を用いる。例えば、第１動作ＯＰ１において得られた信号Ｖｓを第１信号Ｖｓ１とする。第２動作ＯＰ２で得られた信号Ｖｓを基準信号Ｖｓ０とする。例えば、第１信号Ｖｓ１の基準信号Ｖｓ０に対する比（すなわち、Ｖｓ１／Ｖｓ０）が、空間２３ｓにおける測定光３０Ｌの吸収の程度に対応する。吸収の程度は、第１動作ＯＰ１における光強度（Ｉ１）の、第２動作ＯＰ２における光強度（Ｉ０）に対する比である。このとき、Ｉ１／Ｉ０＝ｅ（−αＬＰ）で表される。「ｅ」は、自然対数の底である。「α」は、定数（吸収係数）である。「Ｌ」は、空間２３ｓを通過する測定光３０Ｌの光路長である。「Ｐ」は、対象とする物質の分圧である。検出された信号Ｖｓから吸収の程度が得られる。この結果から、対象とする物質の分圧Ｐが分かる。分圧Ｐから濃度Ｃｘが求められる。
第１動作ＯＰ１と第２動作ＯＰ２との間の期間においては、信号Ｖｓが変化する。これは、初期に空間２３ｓ内に存在した空気が試料気体５０により徐々に置換される状態に対応する。第１動作ＯＰ１は、空間２３ｓが試料気体５０により十分に置換された後の、安定した信号Ｖｓが得られる状態において、実施される。
図２に例示した破線の例のように、吹き込みの直後に、信号Ｖｓが過度に低下し不安定になる場合がある。これは、例えば、吹き込みにより発生した乱流により、信号Ｖｓが不安定になることに起因している。
実施形態においては、安定した信号Ｖｓが得られる期間に、第１動作ＯＰ１が行われる。第１動作ＯＰ１の時間は、例えば１秒〜１０秒程度である。このような短い時間内に、吹き込みと同時に検出が行われる。実施形態においては、第１反射部２１と第２反射部２２との間（空間２３ｓ）を測定光３０Ｌが複数回往復することで、光路の実効的な距離が拡大でき、吸収が高まり、高い感度を得ることができる。さらに、量子カスケードレーザを用いることで、広い波長範囲で強度が高い光が得られる。高い感度が得られる。
図３は、実施形態に係る呼気診断装置の特性を例示するグラフ図である。
図３の横軸は、測定部６０により測定された試料気体５０の流量ＦＲ（ｍ３／ｍｉｎ）である。縦軸は、物質の濃度Ｃｘである。濃度Ｃｘは、信号Ｖｓの差異ΔＶｓから得られる。図３は、同一の被検者において、種々の流量で呼気５０ａを吹き込んだときの検出結果の例を示している。
図３の例では、流量ＦＲが、約２０ｍ３／ｍｉｎ以上において、濃度Ｃｘが安定する。流量ＦＲが、約２０ｍ３／ｍｉｎ未満の場合は、流量ＦＲの上昇につれて差異ΔＶｓは増大する。このように、流量ＦＲが所定の値以上において、濃度Ｃｘは流量ＦＲに実質的に依存せず、安定する。流量ＦＲが所定の値未満のときに、濃度Ｃｘは流量ＦＲに依存して変化する。例えば、比例する。
被検者の状態によっては、約２０ｍ３／ｍｉｎ以上の流量ＦＲで呼気５０ａを吹き込むことが困難な場合がある。同じ被検者においても、流量ＦＲが約２０ｍ３／ｍｉｎ未満の場合もある。
本実施形態に係る呼気診断装置１１０においては、流量ＦＲの測定結果に応じて、検出の結果の値（例えば、濃度Ｃｘ）を補正する。これにより、濃度Ｃｘが流量ＦＲの変化によって変化するような場合においても、高精度の検出（診断結果）を得ることができる。
例えば、測定部６０で測定された流量ＦＲをＦ１とする。予め定められた第１基準値をＳ１とする。検出部４０で検出された測定光３０Ｌの検出値（濃度Ｃｘ）をＭ１であるとする。このとき、濃度Ｃｘが流量ＦＲに実質的に依存しないような流量ＦＲのときに得られる濃度の推定値をＸ１とする。
例えば、濃度Ｃｘが流量ＦＲに比例する条件の場合には、推定値Ｘ１は、Ｍ１・Ｓ１／Ｆ１で与えられる。
このように、検出部４０で検出された測定光３０Ｌの検出値（濃度Ｃｘ）の実測値を、補正することで、推定値Ｘ１が得られる。この推定値Ｘ１を、診断のための値として用いる。
例えば、このような補正は、例えば、制御部４５により行うことができる。すなわち、制御部４５は、補正動作を実施することが可能である。補正動作は、測定部６０で測定された流量ＦＲに基づいて、検出部４０で検出された測定光３０Ｌの検出値（差異ΔＶｓまたは濃度Ｃｘなど）を補正する。
この補正動作は、例えば、Ｍ１・Ｓ１／Ｆ１に応じた値を導出することを含む。補正動作は、補正値Ｘ１を導出することを含む。補正値Ｘ１に、さらに補正を加えても良い。この補正は、例えば、被検者の年齢、性別及び体調などの少なくともいずれかに基づく補正係数を考慮した補正を含む。
実施形態において、流量に対して、基準値Ｆ０を定めても良い。図３の例では、基準値Ｆ０を例えば２０ｍ３／ｍｉｎとする。このとき、補正動作は、例えば、Ｍ１・Ｆ０／Ｆ１に応じた値を導出することを含む。
測定部６０で測定された流量ＦＲであるＦ１と、検出部４０で検出された測定光３０Ｌの検出値であるＭ１と、を用いて補正を行う。
このように、補正処理を行うことで、高精度の検出（診断）が可能になる。
実施形態において、流量ＦＲの値に応じて、検出動作（第１動作ＯＰ１）を実施しても良い。流量ＦＲが小さいとき（例えば呼気５０ａが吹き込まれていないとき）には、検出動作を実施しない。このとき、例えば、第２動作ＯＰ２を実施する。流量ＦＲがある程度以上に大きいとき（例えば呼気５０ａの吹き込みが開始された後）に、検出動作を実施する。
例えば、検出部４０は、測定部６０で測定された流量ＦＲが予め定められた基準値（第２基準値）以上のときに検出を実施する。例えば、制御部４５により検出が制御されても良い。すなわち、制御部４５は、測定部６０で測定された流量ＦＲが予め定められた第２基準値以上のときに、検出部４０に検出を実施させても良い。
このように、測定部６０で測定された流量ＦＲと、第２基準値と、を比較した結果に基づいて、検出動作を行う。これにより、検出の誤りが抑制できる。精度が向上する。
例えば、呼気診断装置１１０に、出力部６５が設けられる場合、出力部６５に、測定部６０で測定した結果を出力しても良い。出力部６５は、例えば、音（音声）を発生させても良い。出力部６５として、例えば、流量に応じて針が動くメータを用いても良い。出力部６５は、流量に応じて表示が変化する表示装置（例えば、液晶表示装置など）を用いても良い。出力部６５には、例えば、スピーカなどを用いても良い。これらを組み合わせても良い。
出力部６５は、測定部６０で測定した結果に応じて、被検者に試料気体５０の導入動作の変更を促す信号を出力しても良い。導入動作の変更は、導入の開始、導入の強さ（流量）の変更、及び、導入の終了少なくともいずれかを含む。これにより、被検者は、呼気５０ａ（試料気体５０）を適切に導入させることができる。
被験者による呼気５０ａ（試料気体５０）の導入が適正に行われることで、より高い精度で検出（診断）が実施できる。
実施形態において、第１測定器６１を設け、入り口部２０ｉを通過する試料気体５０の流量ＦＲを測定することで、例えば、吹き込まれた呼気５０ａ（試料気体５０）の流量ＦＲを、より直接的に測定できる。
実施形態において、第２測定器６２を設け、出口部２０ｏを通過する試料気体５０の流量ＦＲを測定することで、例えば、呼気５０ａに含まれる湿度の差異の影響を受け難くできる。
例えば、被検者が呼気５０ａを採取して、その呼気５０ａを分析する参考例がある。この場合には、呼気５０ａを吹き込みながら検出動作を行わない。このため、流量ＦＲを測定する必要がない。
本実施形態は、呼気５０ａを吹き込みながら検出動作を行う呼気診断装置１１０に特有に生じる現象に着目している。すなわち、検出した濃度Ｃｘが流量ＦＲに依存して変化すする状態に着目している。流量ＦＲを測定し、測定結果に基づいて、例えば、検出結果を補正する。
図１に例示したように、排出部１０ｏに、ファン１０ｆを設けても良い。ファン１０ｆは、排出動作において回転する。例えば、測定動作においては、ファン１０ｆは、回転しなくても良い。ファン１０ｆにより設けられる開口部を介して、試料気体５０が、流出しても良い。または、測定動作においては、ファン１０ｆの回転数は、少ない。
流量ＦＲの測定結果に基づいて、ファン１０ｆの動作を制御しても良い。例えば、流量ＦＲが上昇して検出動作が実施された後、流量ＦＲが低下したときに、ファン１０ｆの動作を開始しても良い。これにより、時間の損失が抑制でき、次の検出動作までの時間を短縮できる。
実施形態において、空間２３ｓの容量は、入り口部２０ｉ（供給部１０ｉ）から供給される試料気体５０の容量よりも小さい。これにより、検出動作において、空間２３ｓは、試料気体５０により十分に置換され、高い測定精度が得られる。
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。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４（ａ）〜図４（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４（ａ）は、模式的斜視図である。図４（ｂ）は、図３（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図４（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４（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４（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４（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入り口部、セル部、出口部、測定部、光源部、検出部及び制御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。
１０ｆ…ファン、 １０ｉ…供給部、 １０ｏ…排出部、 １０ｗ…筐体、 １０ｘ…大気、 １５ａ…導入配管、 １５ｂ…排出配管、 ２０…セル部、 ２０ｉ…入り口部、 ２０ｏ…出口部、 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…制御部、 ５０…試料気体、 ５０ａ…呼気、 ６０…測定部、 ６１、６２…第１、第２測定器、 ６５…出力部、 ΔＶｓ…差異、 １１０…呼気診断装置、 ＢＬ１〜ＢＬ４…第１〜第４障壁層、 ＦＲ…流量、 Ｌｌ…低準位、 Ｌｕ…高準位、 ＯＰ１、ＯＰ２…第１、第２動作、 ＲＧ…リッジ導波路、 Ｖｓ…信号、 Ｖｓ０…基準信号、 Ｖｓ１…第１信号、 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 (18)

  1. 入り口部と、
    前記入り口を介して呼気を含む試料気体が導入される空間を有するセル部と、
    前記セル部から前記試料気体が流れ出る出口部と、
    前記入り口部及び前記出口部の少なくともいずれかを通過する前記試料気体の流量を測定する測定部と、
    前記空間に測定光を入射させる光源部と、
    前記試料気体が前記入り口部から前記空間に導入されつつ前記試料気体が前記出口部から流れ出る状態で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。
  2. 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記載の呼気診断装置。
  3. 前記測定部で測定された前記流量に基づいて、前記検出部で検出された前記測定光の検出値を補正する補正動作が可能な制御部をさらに備えた請求項１または２に記載の呼気診断装置。
  4. 前記測定部で測定された前記流量がＦ１であり、
    予め定められた第１基準値がＳ１であり、
    前記検出値がＭ１であるとき、
    前記補正動作は、Ｍ１・Ｓ１／Ｆ１に応じた値を導出することを含む請求項３記載の呼気診断装置。
  5. 前記検出部は、前記測定部で測定された前記流量が予め定められた第２基準値以上のときに前記検出を実施する請求項１〜４のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  6. 前記測定部で測定された前記流量が予め定められた第２基準値以上のときに前記検出部に前記検出を実施させる制御部をさらに備えた請求項１または２に記載の呼気診断装置。
  7. 前記測定部で測定した結果を出力する出力部をさらに備えた請求項１〜６のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  8. 前記測定部で測定した結果に応じて、前記入り口部に前記試料気体を導入させる被検者に前記導入動作の変更を促す信号を出力する出力部をさらに備えた請求項１〜６のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  9. 前記出力部は、表示及び音の発生の少なくともいずれかを実施する請求項７または８に記載の呼気診断装置。
  10. 前記測定部は、前記入り口部を通過する前記試料気体の前記流量を測定する第１測定器を含む請求項１〜９のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  11. 前記測定部は、前記出口部を通過する前記試料気体の前記流量を測定する第２測定器を含む請求項１〜１０のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  12. 前記測定部は、前記試料気体の質量流量または体積流量を測定する請求項１〜１１のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  13. 前記測定部は、前記試料気体の前記流量に応じて変化する温度変化を測定する請求項１〜１２のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  14. 前記空間の容量は、前記入り口部から供給される前記試料気体の容量よりも小さい請求項１〜１３のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  15. 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１〜１４のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  16. 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１〜１５のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  17. 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１〜１６のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
  18. 前記測定光は、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１〜１７のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
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