JP2017072374A - 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、制御部と、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第1動作が可能である。前記制御部は、前記測定部で測定された前記流量の測定結果に基づいて、前記検出部に前記第1動作を開始させる。
【選択図】図1
【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、制御部と、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第1動作が可能である。前記制御部は、前記測定部で測定された前記流量の測定結果に基づいて、前記検出部に前記第1動作を開始させる。
【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。
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、制御部と、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第1動作が可能である。前記制御部は、前記測定部で測定された前記流量の測定結果に基づいて、前記検出部に前記第1動作を開始させる。
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。
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、制御部45と、を含む。
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、制御部45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。押し出された試料気体50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、測定部60、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、例えば、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。
実施形態においては、呼気50aを含む試料気体50をセル部20に導入しながら検出を行う。例えば、被検者による呼気50aの吹き込みが不十分であり、セル部20の空間23sが十分に試料気体50で置換されていない状態で検出を行うと、検出の結果は、精度が低く、不正確である。例えば被検者による呼気50aの吹き込みが弱く流量が低い場合は、検出の結果が安定せず、ばらつきが多いことが分かった。
このため、本実施形態に係る呼気診断装置110においては、流量を測定し、その結果に基づいて、検出動作を開始する。さらに、予め空間23sを初期状態に戻すために、排出動作を行う。その間に、準備動作の第2動作OP2を実施する。
図3は、実施形態に係る呼気診断装置の動作を例示するフローチャート図である。
図3に表したように、例えば、排出動作を行う(S110)。そして、第2動作OP2を行う(ステップS120)。流量の測定を行う(ステップS130)。流量の測定結果に基づいて、第1動作OP1を開示する(ステップS140)。これらの動作は、例えば制御部45により制御される。
図3に表したように、例えば、排出動作を行う(S110)。そして、第2動作OP2を行う(ステップS120)。流量の測定を行う(ステップS130)。流量の測定結果に基づいて、第1動作OP1を開示する(ステップS140)。これらの動作は、例えば制御部45により制御される。
すなわち、制御部45は、測定部60で測定された流量の測定結果に基づいて、検出部40に第1動作OP1を開始させる。これにより、第1信号Vs1が得られる。
例えば、流量に関して、基準値が予め定められる。基準値以上の流量において、安定した検出結果が得られる。呼気50aが吹き込まれていない場合は、流量は基準値未満となる。呼気50aの吹き込みが過度に弱い場合も、基準値未満となる。
例えば、制御部45は、測定部60で測定された流量が予め定められた基準値以上のときに、検出部40に第1動作(検出動作)を開始させる。
例えば、制御部45は、第1動作OP2の前に、第2動作OP2を実施させる。第2動作OP2においては、試料気体50が入り口部20iから空間23sに導入されない状態で空間23sを通過した測定光30Lが検出される。これにより、基準信号Vs0が得られる。
さらに、制御部45は、排出部10oを制御する。制御部45は、第2動作OP2の前に、排出動作を実施させる。排出動作においては、排出部10oに、空間23sから試料気体50を吸引させて試料気体50を大気10x中に排出させる。
これにより、検出動作(第1動作OP1)において得られる検出の結果の精度が向上する。
例えば、流量を検出せずに、例えば、予め定めれた時間を基にして、第2動作OP2及び第1動作OP1を実施する参考例がある。この参考例においては、適正な値が安定して得られない状態でこれらの動作が実施されることがある。
これに対して、本実施形態によれば、流量を検出して、その結果に基づいて、第1動作OP1及び第2動作OPを実施することで、高精度の測定が可能である。
例えば、流量を検出せずに、例えば、予め定めれた時間を基にして、第2動作OP2及び第1動作OP1を実施する参考例がある。この参考例においては、適正な値が安定して得られない状態でこれらの動作が実施されることがある。
これに対して、本実施形態によれば、流量を検出して、その結果に基づいて、第1動作OP1及び第2動作OPを実施することで、高精度の測定が可能である。
実施形態において、流量の測定結果に基づいて、第1動作OP1を終了しても良い。この動作も制御部45により制御される。
例えば、排出部10oは、第1動作OP1において、空間23sから試料気体50を吸引せずに、試料気体50を大気10xに流れ出させる。
排出動作において回転するファン10fが設けられる場合、排出動作におけるファン10fの回転数は、第1動作OP1におけるファン10fの回転数よりも高い。第1動作OP1において、試料気体50は、ファン10fの間の隙間を介して、空間23sから大気10x中に流れ出る。
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で検出した結果(流量)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(流量)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、より高精度の検出(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が流量に依存して変化すする状態に着目している。流量を測定し、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、流量が上昇して検出動作が実施された後、流量が低下したときに、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、例えば、排出動作の後に、検出部40による測定光30Lの強度が安定したことを観測して、その結果に基づいて、第2動作OP2を開始しても良い。例えば、排出動作により、空間23s中の試料気体50が排出されて、空間23sが空気により置換される。排出動作中に測定光30Lを検出することで、置換の状態が観測できる。例えば、測定光30Lの単位時間あたりの変化が所定の値(例えば1%)以下になったときに、第2動作OP2を開始する。これにより、十分な置換が行われた状態で、測定を行うことができる。より高い精度での測定が可能になる。
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。
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)〜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 (19)
- 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第1動作が可能な検出部と、
前記測定部で測定された前記流量の測定結果に基づいて、前記検出部に前記第1動作を開始させる制御部と、
を備えた呼気診断装置。 - 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。 - 前記制御部は、前記測定部で測定された前記流量が予め定められた基準値以上のときに前記検出部に前記第1動作を開始させる請求項1または2に記載の呼気診断装置。
- 前記制御部は、前記第1動作の前に、前記検出部に、前記試料気体が前記入り口部から前記空間に導入されない状態で前記空間を通過した前記測定光を検出する第2動作を実施させる請求項1〜3のいずれか1つに記載の呼気診断装置。
- 排出部をさらに備え、
前記排出部と前記セル部との間に前記出口部が配置され、
前記制御部は、前記第2動作の前に、前記排出部に前記空間から前記試料気体を吸引させて前記試料気体を前記大気中に排出させる排出動作を実施する請求項1〜4のいずれか1つに記載の呼気診断装置。 - 前記排出部は、前記第1動作において、前記空間から前記試料気体を吸引せずに前記試料気体を前記大気に流れ出させる請求項5記載の呼気診断装置。
- 前記排出部は、前記排出動作において回転するファンを含み、
前記排出動作における前記ファンの回転数は、前記第1動作における前記ファンの回転数よりも高い請求項5または6に記載の呼気診断装置。 - 前記第1動作において、前記試料気体は、前記ファンの間の隙間を介して、前記空間から前記大気中に流れ出る請求項7記載の呼気診断装置。
- 前記測定部で測定した前記流量の測定結果に応じて、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1〜8のいずれか1つに記載の呼気診断装置。
- 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9記載の呼気診断装置。
- 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1〜10のいずれか1つに記載の呼気診断装置。
- 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1〜11のいずれか1つに記載の呼気診断装置。
- 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1〜12のいずれか1つに記載の呼気診断装置。
- 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1〜13のいずれか1つに記載の呼気診断装置。
- 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1〜14のいずれか1つに記載の呼気診断装置。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
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