JP2017078570A - 呼気診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な呼気診断装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、検出部と、処理部と、を含む呼気診断装置が提供される。前記検出部は、第１物質と、前記第１物質とは異なる第２物質と、を含む呼気を含む試料気体中の前記第１物質の量に依存する第１信号と、前記試料気体中の前記第２物質の量に依存する第２信号と、を検出する。前記処理部は、前記検出部で検出された第１信号及び第２信号に基づいて、前記試料気体中の前記第１物質の第１濃度と、前記試料気体中の前記第２物質の第２濃度と、を算出する。前記処理部は、前記第１濃度と、前記第２濃度と、大気中の前記第１物質の第３濃度と、に基づいて、前記第２濃度を補正した補正濃度を算出する。
【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、正確な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、正確な呼気診断装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、検出部と、処理部と、を含む呼気診断装置が提供される。前記検出部は、第１物質と、前記第１物質とは異なる第２物質と、を含む呼気を含む試料気体中の前記第１物質の量に依存する第１信号と、前記試料気体中の前記第２物質の量に依存する第２信号と、を検出する。前記処理部は、前記検出部で検出された第１信号及び第２信号に基づいて、前記試料気体中の前記第１物質の第１濃度と、前記試料気体中の前記第２物質の第２濃度と、を算出する。前記処理部は、前記第１濃度と、前記第２濃度と、大気中の前記第１物質の第３濃度と、に基づいて、前記第２濃度を補正した補正濃度を算出する。

第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。 第１の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（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施形態に係る別の呼気診断装置を例示する模式図である。 第１の実施形態に係る別の呼気診断装置の動作を例示する模式図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る呼気診断装置の特性を例示する模式図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式的断面である。 図７（ａ）〜図７（ｃ）は、第２の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８（ａ）〜図８（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。

（第１の実施形態）
図１は、第１の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、検出部４０と、処理部４５と、を含む。

検出部４０は、呼気５０ａを含む試料気体５０中の物質を検出する。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、第１物質５１と、第２物質５２と、が含まれる。第１物質５１は、例えば、二酸化酸素である。第２物質５２は、例えば、アセトンである。第２物質５２は、呼気診断装置１１０において、診断の目的に関係する物質である。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。一方、第１物質５１は、第２物質５２を検出する際に、参照となる物質である。

検出部４０は、第１信号及び第２信号を検出する。第１信号は、試料気体５０中の第１物質の量に依存する。第２信号は、試料気体５０中の第２物質５２の量に依存する。

例えば、試料気体５０中には、被検者の呼気５０ａと、大気と、が含まれる場合がある。すなわち、試料気体５０中の全てが、必ずしも呼気５０ａだけではない。試料気体５０においては、呼気５０ａと、その他の気体（大気）と、が混合されている。

処理部４５は、検出部４０で検出された第１信号及び第２信号の処理を行う。処理部４５の動作の例については、後述する。

図１に表したように、呼気診断装置１１０は、供給部１０ｉと、光源部３０と、セル部２０と、をさらに含む。この例では、検出部４０は、光を用いて検出を行う。

供給部１０ｉには、試料気体５０が供給される。

光源部３０は、測定光３０Ｌを出射する。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１４μｍ以下でも良い。

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。

例えば、セル部２０は、例えば、セル２３をさらに含む。例えば、セル２３により、空間２３ｓが形成される。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（第１物質５１及び第２物質５２）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。

呼気診断装置１１０においては、呼気５０ａを含む試料気体５０に測定光３０Ｌを照射し、呼気５０ａに含まれている物質（第１物質５１及び第２物質５２）による測定光３０Ｌの吸収が測定される。これにより、呼気５０ａに含まれる物質の濃度が測定される。

呼気診断装置１１０においては、供給部１０ｉから導入された試料気体５０は、第１配管１５ａを通じてセル部２０に導入される。第１配管１５ａは、供給部１０ｉとセル部２０との間に設けられる。一方、セル部２０に導入された試料気体５０は、第２配管１５ｂを通じて、排出部１０ｏに到達する。試料気体５０は、排出部１０ｏを通じて外部に排出される。

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、第１配管１５ａ及び第２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、集光光学素子及びコリメート光学素子の少なくともいずれかを含む。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。

このように、呼気診断装置１１０には、試料気体５０が導入される空間２３ｓを含むセル部２０と、測定光３０Ｌを出射する光源部３０と、が設けられている。検出部４０は、試料気体５０が導入された空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出して、第２信号を検出する。この例では、検出部４０は、試料気体５０が導入された空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出して、第１信号を検出する。

呼気診断装置１１０においては、検出部４０で得られた検出信号（第１信号及び第２信号）が、処理部４５により処理される。以下、処理部４５の動作の例について説明する。

図２は、第１の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２に表したように、検出部４０で検出された第１信号及び第２信号に基づいて、試料気体５０中の第１物質５１の第１濃度と、試料気体５０中の第２物質５２の第２濃度と、を算出する（ステップＳ１１０）。例えば、試料気体５０に入射した測定光３０Ｌの強度に対する、試料気体５０を出射した測定光３０Ｌの強度の比を算出する。第１物質５１及び第２物質５２のそれぞれにおいて、吸収する波長が異なる。特定の波長における上記の比を求めることで、第１濃度及び第２濃度が算出される。

そして、第１濃度と、第２濃度と、大気中の第１物質５１の第３濃度と、に基づいて、第２濃度を補正した補正濃度を算出する（ステップＳ１２０）。

すなわち、上記のように、試料気体５０は、呼気５０ａの他に、他の気体（例えば大気）を含む場合がある。他の気体が含まれていると、試料気体５０中の物質とする物質の濃度は、呼気５０ａ中のその物質の濃度とは異なる。このため、補正をしない場合は、呼気５０ａの濃度は、本来の濃度とは異なるため、正確ではない。

例えば、被検者が呼気診断装置１１０の供給部１０ｉに呼気を吹き込む際に、大気を一緒に流入させる場合がある。セル部２０の内部の気体を呼気５０ａで置換する際に、乱流などですべての気体が呼気５０ａで置換されない場合がある。さらに、被検者の呼吸が浅い場合には、肺でのガス交換が不十分となり大気がそのまま供給部１０ｉに吹き込まれる場合がある。これらの場合には、目的とする物質の濃度が不正確になる。安定した測定結果が得られない。

これに対して、本実施形態に係る呼気診断装置１１０においては、目的とする物質（第２物質５２）の濃度を、参照となる物質（第１物質５１）の濃度によって補正する。補正した補正濃度を、診断に用いる。

すなわち、補正濃度の算出においては、試料気体５０に含まれる呼気５０ａの割合を推定する。その割合に応じて、第２濃度を補正して、補正濃度を算出する。

例えば、試料気体５０に含まれる呼気５０ａの割合を推定する。その割合に応じて、第２濃度を補正して、補正濃度を算出する。

このとき、第１物質５１（参照する物質）に対して、濃度が予め定められる。例えば、第１物質５１が二酸化炭素である場合、標準的なヒトが十分に深く呼吸して排出される呼気５０ａに含まれる二酸化炭素の濃度は、例えば、約４０，０００ｐｐｍである。この濃度は、例えば、被検者の性別、年齢、身長及び体重などを含む各種の状態に依存することもある。必要に応じて、被検者のそれぞれに対して、この濃度を定めてもよい。性別、年齢、身長及び体重などのそれぞれに対応して、個別にこの濃度を定めても良い。

例えば、呼気中の二酸化炭素の濃度は、大気中の二酸化炭素の濃度に比べて高い。これには、呼吸により二酸化炭素が増えるためである。このため、例えば、二酸化炭素のように、呼吸によって変化する物質を参照物質として用いることで、試料気体５０中の呼気５０ａの濃度（または、大気の濃度）が推定できる。

例えば、試料気体５０中の第１物質５１の濃度を第１濃度Ｃ１とする。試料気体５０中の第２物質５２の濃度を第２濃度Ｃ２とする。第１濃度Ｃ１及び第２濃度Ｃ２は、測定値である。大気中の第１物質５１の濃度を第３濃度Ｃ３とする。第３濃度Ｃ３は、第１物質５１に対して予め定められる。第１物質５１が二酸化炭素である場合は、第３濃度Ｃ３は、約４００ｐｐｍである。大気の温度、湿度及び気圧などによって、第３濃度が変化する場合、必要に応じて、第３濃度Ｃ３を変えても良い。

一方、第１物質５１に対して定められた濃度を第４濃度Ｃ４とする。第１物質５１が二酸化炭素である場合は、第４濃度Ｃ４は、約４０，０００ｐｐｍである。

例えば、試料気体５０中の呼気５０ａの割合をＸとする。試料気体５０中の大気の割合は、（１−Ｘ）である。

このとき、第１濃度Ｃ１、第３濃度Ｃ３及び第４濃度Ｃ４は、以下の関係を満たす。

Ｃ１＝Ｘ・Ｃ４＋（１−Ｘ）Ｃ３
従って、
Ｘ＝（Ｃ１−Ｃ３）／（Ｃ４−Ｃ３）
となる。

一方、目的とする第２物質５２の濃度の本来の値を第５濃度Ｃ５とする。第５濃度Ｃ５が、補正後の補正濃度である。第５濃度Ｃ５は、試料気体５０の全てが呼気５０ａである場合の第２物質５２の濃度に対応する。

第２濃度Ｃ２（測定結果の濃度）と第５濃度Ｃ５とは、以下の関係を満たす。

Ｃ２＝Ｘ・Ｃ５
従って、第５濃度Ｃ５は、以下で表される。

Ｃ５＝Ｃ２・（Ｃ４−Ｃ３）／（Ｃ１−Ｃ３）
本実施形態においては、測定された第２濃度Ｃ２を補正して、補正後の値として、第５濃度Ｃ５（補正濃度）を用いる。

これにより、試料気体５０中に呼気５０ａの他に、大気などの他の気体が含まれる場合においても、正確な結果が安定して得られる。

このように、実施形態において、補正濃度（第５濃度）は、Ｃ２・（Ｃ４−Ｃ３）／（Ｃ１−Ｃ３）に応じた値である。この値そのものでも良い。誤差を含んでも良い。例えば、補正濃度は、Ｃ２・（Ｃ４−Ｃ３）／（Ｃ１−Ｃ３）の０．９倍以上１．１倍以下でも良い。この補正濃度は、呼気５０ａ中の第２物質５２の濃度（本来の濃度）に対応する。 実施形態において、第１物質５１として、大気中の濃度と、呼気５０ａ中の濃度が異なる物質が選ばれる。例えば、二酸化炭素は、呼吸により、濃度が変化する。酸素も呼吸により濃度が変化する。このような物質を、第１物質５１として用いる。すなわち、大気中の第１物質５１の濃度（第３濃度Ｃ３）は、呼気５０ａ中の第１物質５１の濃度とは異なる。

実施形態子形態において、例えば、第１物質５１は、二酸化炭素及び酸素の少なくともいずれかを含む。

一方、第２物質５２は、診断の目的とする物質である。
第２物質５２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。第２物質５２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。第２物質５２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。第２物質５２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。第２物質５２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。第２物質５２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。第２物質５２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。第２物質５２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。

実子形態において、第２物質５２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、第２物質５２、任意である。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施形態に係る別の呼気診断装置を例示する模式図である。
これらの図においては、反射部などは省略されている。

図３（ａ）に表したように、本実子形態に係る呼気診断装置１１１においては、光源部３０に、第１発光部３８ａと、第２発光部３８ｂと、が設けられる。第１発光部３８ａは、第１波長の第１光Ｌ１を出射する。第２発光部３８ｂは、第２波長の第２光Ｌ２を出射する。第２波長は、第１波長とは異なる。第１発光部３８ａ及び第２発光部３８ｂは、例えば、駆動部３０ｂにより駆動される。

例えば、第１物質５１として二酸化炭素を用いる場合、第１波長は、例えば約９μｍである。第１波長は、例えば約５μｍでも良い。第２物質５２としてアセトンを用いる場合、第２波長は、例えば約７μｍである。第２波長は、例えば約８μｍでも良い。物質に併せて、これらの波長が選ばれる。

第１発光部３８ａ及び第２発光部３８ｂとして、半導体発光素子（例えば、量子カスケードレーザなど）が用いられる。これらの発光部は、半導体発光素子３０ａに含まれる。

測定光３０Ｌは、第１波長の第１光Ｌ１と、第２波長の第２光Ｌ２と、を含む。検出部４０は、例えば、第１光Ｌ１により第１信号を検出し、第２光Ｌ２により第２信号を検出する。

この例では、光学素子部（第１光学素子部３７ａ）が設けられている。第１光学素子部３７ａは、測定光３０Ｌの光路上において、光源部３０と検出部４０との間に設けられる。この例では、第１光学素子部３７ａは、光路上において、光源部３０と空間２３ｓとの間に設けられている。第１光学素子部３７ａと空間２３ｓとの間に、第１光学部品３６ａが配置されている。第１光学素子部３７ａは、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２の一方を反射し、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２の他方を通過させる。第１光学素子部３７ａは、例えば、ビームスプリッタである。

第１光学素子部３７ａを用いることで、例えば、第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２が、空間２３ｓ内の同じ場所を通過できる。もし、空間２３ｓ内において、呼気５０ａの濃度が不均一である場合にも、正確な測定が可能になる。

この例では、第１光Ｌ１の一部は、第２光Ｌ２の一部と、同軸である。第１光Ｌ１の光路の少なくとも一部は、第２光Ｌ２の光路の少なくとも一部と重なる。これにより、正確性を向上できる。

試料気体５０が導入された空間２３ｓの通過における、第１光Ｌ１の透過率は、例えば、０．１％以上９９．９％以下である。試料気体５０が導入された空間２３ｓの通過における、第２光Ｌ２の透過率は、例えば、０．１％以上９９．９％以下である。

例えば、第１光Ｌ１において第１物質５１による吸収量が過度に大きい場合、透過光量は、過度に小さくなる。その場合、検出部４０で光を測定することが困難となる。そのため、透過率は０．１％以上が好ましい。第１光Ｌ１において第１物質５１による吸収量が過度に小さい場合、入射光量と透過光量のとの差が過度に小さくなる。その場合、検知部４０で透過光量の変化を測定することが困難となる。そのため、透過率は、９９．９％以下が好ましい。

図３（ｂ）に表したように、本実施形態に係る呼気診断装置１１２においては、検出部４０は、第１検出素子４０ａと、第２検出素子４０ｂと、を含む。第１検出素子４０ａは、第１光Ｌ１を検出する。第２検出素子４０ｂは、第２光Ｌ２を検出する。

この例では、第２光学素子部３７ｂが設けられている。第２光学素子部３７ｂは、測定光３０Ｌの光路上において、空間２３ｓと検出部４０との間に設けられている。第２光学素子部３７ｂは、例えば、ビームスプリッタである。

図３（ｃ）に表したように、本実施形態に係る呼気診断装置１１３においては、信号処理部４１が設けられている。信号処理部４１は、第１検出素子４０ａに接続されている。信号処理部４１により処理された信号が処理部４５に供給される。

例えば、第１発光部３８ａは、第１周波数で第１光Ｌ１を出射する。第２発光部３８ｂは、第２周波数で第２光Ｌ２を出射する。第２周波数は、第１周波数とは異なる。このような動作は、駆動部３０ｂにより制御される。これらの周波数に対応させて、第１検出素子４０ａで得られた信号が信号処理部４１で処理される。例えば、信号処理部４１で、第１周波数の信号が抽出される。例えば、信号処理部４１で、第２周波数の信号が抽出される。信号処理部４１で、例えば、周波数検波処理が行われる。これにより、１つの検出素子で、複数の波長の光を効率良く検出できる。

図４は、第１の実施形態に係る別の呼気診断装置の動作を例示する模式図である。
図４は、第１光Ｌ１の強度ＤＰ１及び第２光Ｌ１の強度ＤＰ２を例示している。横軸は、時間である。

図４に表したように、互いに異なる周波数で、第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２が出射される。周波数に応じて検出信号を抽出することで、第１光Ｌ１の強度及び第２光Ｌ２の強度のそれぞれが分離できる。例えば、検出部４０は、第１周期で第１光Ｌ１を検出し、第２周期で第２光Ｌ２を検出する。例えば、検出部４０は、第１期間Ｐ１に第１光Ｌ１を検出する。検出部４０は、第２期間Ｐ２に、第２光Ｌ２を検出する。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る呼気診断装置の特性を例示する模式図である。
これらの図は、測定光３０Ｌの波長特性を例示している。横軸は、波長λｍである。縦軸は、測定光３０Ｌの強度である。

図５（ａ）に表したように、測定光３０Ｌは、第１波長λ１の成分と、第２波長λ２の成分と、を含む。この例では、それらの間の成分をさらに含む。すなわち、測定光３０Ｌは、第１波長λ１と第２波長λ２との間の第３波長λ３の第３光をさらに含む。光源部３０として、例えば、ブロードＱＣＬが用いられる。このブロードＱＣＬは、第１波長λ１〜第２波長λ２の範囲の波長の光を出射する。例えば、第１波長λ１、第３波長λ３及び第２波長λ２の光について、光強度（吸収率）が順次測定される。この結果に基づいて、濃度が算出される。濃度を測定する波長は、連続的に変化させても良き、離散的に変化させても良い。例えば、測定光３０Ｌは、第１波長λ１と、第２波長λ２と、第１波長λ１と第２波長λ２との間の波長とを有する。検出部４０は、第１波長λ１と第２波長λ２との間で波長を変えて、測定光３０Ｌを検出しても良い。

図５（ｂ）に表したように、測定光３０Ｌは、第１波長λ１の第１ピークと、第２波長λ２の第２ピークと、を有しても良い。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式的断面である。
図６（ａ）に表した例では、基板３５の上に、第１発光部３８ａ及び第２発光部３８ｂが設けられる。第１発光部３８ａは、第１リッジ部ＲＧ１を含む。第２発光部３８ｂは、第２リッジ部ＲＧ２を含む。それぞれの発光部から、互いに異なる波長の測定光３０Ｌ（レーザ光）が出射する。

すなわち、この例では、光源部３０は、半導体レーザ素子（半導体発光素子３０ａ）を含む。半導体レーザ素子は、第１光Ｌ１を放出する第１リッジ部ＲＧ１と、第２光Ｌ２を放出する第２リッジ部ＲＧ２と、を含む。

図６（ｂ）に表した例では、基板３５の上に、第１発光部３８ａが設けられ、第１発光部３８ａの上に、第２発光部３８ｂが設けられる。このように、複数の発光部が積層されても良い。

（第２の実施形態）
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、第２の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７（ａ）に表したように、本実施形態に係る呼気診断装置１２０においても、検出部４０と、処理部４５と、が設けられる。呼気診断装置１２０においても、光源部３０及びセル部２０がさらに設けられる。供給部１０ｉ、排出部１０ｏ及び筐体１０ｗ（図示を省略）がさらに設けられても良い。

呼気診断装置１２０においては、第２物質５２の検出が、測定光３０Ｌにより行われる。そして、第１物質５１の検出は、測定光３０Ｌを用いないで検出される。

すなわち、呼気診断装置１２０においては、検出部４０は、第１検出素子４０ａ（光検出素子）の他に、第１検出器４３ａが設けられる。第１検出器４３ａは、試料気体５０中の第１物質５１を検出する。例えば、第１物質５１が二酸化炭素である場合、第１検出器４３ａとして、半導体センサを用いることができる。半導体センサにより、二酸化炭素の濃度が測定できる。ジルコニア式センサにより、酸素の濃度も測定できる。

この例では、第１検出器４３ａは、空間２３ｓ内に配置される。この例では、第１検出器４３ａは、試料気体５０が導入された空間２３ｓ中の第１物質５１を検出する。第１検出器４３ａは、測定光３０Ｌの光路に近接して配置される。これにより、空間２３ｓ内で第１物質５１の濃度が不均一である場合にも、正確な検出が可能になる。

図７（ｂ）に表したように、本実施形態に係る呼気診断装置１２１においては、検出部４０に複数の検出器が設けられる。この例では、第２検出器４３ｂ及び第３検出器４３ｃなどが設けられている。第２検出器４３ｂ及び第２検出器４３ｃは、試料気体５０中の第１物質５１の濃度を検出する。この例では、これらの検出器は、試料気体５０が導入された空間２３ｓ中の第１物質５１を検出する。これらの検出器にも、例えば、半導体センサを用いることができる。

この例では、第２検出器４３ｂは、空間２３ｓ中の測定光３０Ｌの光路に沿って、第１検出器４３ａと並ぶ。複数の検出器が光路に沿って配置されることで、より正確な値が得られる。

図７（ｃ）に表したように、本実施形態に係る呼気診断装置１２２においては、第１配管１５ａに、第３配管１５ｃの一端が接続されている。第３配管１５ｃの他端に、第１検出器４３ａが設けられている。供給された試料気体５０の一部が、空間２３ｓに供給される。試料気体５０の他の一部が、第３配管１５ｃを介して、第１検出器４３ａに向かって流れる。このように、第１検出器４３ａは、空間２３ｓとは異なる位置で、第１物質５１の濃度を検出しても良い。

以下、光源部３０の例について説明する。
図８（ａ）〜図８（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８（ａ）は、模式的斜視図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図８（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８（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８（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８（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、Ａｌ_ｘＧａ_１−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、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下（例えば、約６×１０^１８ｃｍ^−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１×１０^１６ｃｍ^−３以上１×１０^１７ｃｍ^−３以下（例えば、約４×１０^１６ｃｍ^−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、正確な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、 １５ａ〜１５ｃ…第１〜第３配管、 ２０…セル部、 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、 ３７ａ、３７ｂ…第１、第２光学素子部、 ３８ａ、３８ｂ…第１、第２発光部、 ４０…検出部、 ４０ａ、４０ｂ…検出素子、 ４１…信号処理部、 ４３ａ〜４３ｃ…第１〜第３検出器、 ４５…処理部、 ５０…試料気体、 ５０ａ…呼気、 ５１、５２…第１、第２物質、 １１０〜１１３、１２０〜１２２…呼気診断装置、 ＢＬ１〜ＢＬ４…第１〜第４障壁層、 ＤＰ１、ＤＰ２…強度、 Ｌ１、Ｌ２…第１、第２光、 Ｌｌ…低準位、 Ｌｕ…高準位、 Ｐ１、Ｐ２…第１、第２期間、 ＲＧ…リッジ導波路、 ＲＧ１、ＲＧ２…第１、第２リッジ部、 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. 第１物質と、前記第１物質とは異なる第２物質と、を含む呼気を含む試料気体中の前記第１物質の量に依存する第１信号と、前記試料気体中の前記第２物質の量に依存する第２信号と、を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された第１信号及び第２信号に基づいて、前記試料気体中の前記第１物質の第１濃度と、前記試料気体中の前記第２物質の第２濃度と、を算出し、
   前記第１濃度と、前記第２濃度と、大気中の前記第１物質の第３濃度と、に基づいて、前記第２濃度を補正した補正濃度を算出する処理部と、
   を備えた呼気診断装置。
2. 前記算出は、前記試料気体に含まれる前記呼気の割合を推定して、前記割合に応じて前記補正濃度を算出することを含む請求項１記載の呼気診断装置。
3. 前記算出は、前記第１物質に対して定められた第４濃度にさらに基づいて、前記補正濃度を算出する請求項１または２に記載の呼気診断装置。
4. 前記第１濃度をＣ１とし、
   前記第２濃度をＣ２とし、
   前記第３濃度をＣ３とし、
   前記第４濃度をＣ４としたとき、
   前記補正濃度は、Ｃ２・（Ｃ４−Ｃ３）／（Ｃ１−Ｃ３）に応じた値である請求項３記載の呼気診断装置。
5. 前記補正濃度は、Ｃ２・（Ｃ４−Ｃ３）／（Ｃ１−Ｃ３）の０．９倍以上１．１倍以下である請求項４記載の呼気診断装置。
6. 前記第１物質は、二酸化炭素及び酸素の少なくともいずれかを含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
7. 前記第２物質は、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６記載の呼気診断装置。
8. 前記試料気体が導入される空間を含むセル部と、
   測定光を出射する光源部と、
   をさらに備え、
   前記測定光は、第１波長の第１光と、前記第１波長とは異なる第２波長の第２光と、を含み、
   前記検出部は、前記第１光を検出する第１検出素子と、前記第２光を検出する第２検出素子と、を含む請求項１〜７のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
9. 前記検出部は、前記試料気体が導入された前記空間を通過した前記測定光を検出して前記第１信号を検出する請求項８記載の呼気診断装置。
10. 前記測定光は、前記第１波長と前記第２波長との間の第３波長の第３光をさらに含む請求項８記載の呼気診断装置。
11. 前記第１光の光路の少なくとも一部は、前記第２光の光路の少なくとも一部と重なる請求項１０記載の呼気診断装置。
12. 前記測定光の光路上において前記光源部と前記検出部との間に設けられた光学素子部をさらに備え、
    前記光学素子部は、前記第１光と前記第２光の一方を反射し、前記第１光と前記第２光の他方を通過させる請求項１１記載の呼気診断装置。
13. 前記検出部は、
    第１期間に前記第１光を検出し、
    第２期間に前記第２光を検出する請求項１０〜１２のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
14. 前記光源部は、半導体レーザ素子を含み、
    前記半導体レーザ素子は、前記第１光を放出する第１リッジ部と、前記第２光を放出する第２リッジ部と、を含む請求項１０〜１３のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
15. 前記検出部は、前記試料気体中の前記第１物質を検出する第１検出器を含む請求項８記載の呼気診断装置。
16. 前記検出部は、前記試料気体中の前記第１物質を検出する第２検出器をさらに含み、
    前記第２検出器は、前記空間中の前記測定光の光路に沿って、前記第１検出器と並ぶ請求項１５記載の呼気診断装置。
17. 前記試料気体が導入される空間を含むセル部と、
    測定光を出射する光源部と、
    をさらに備え、
    前記測定光は、第１波長と、前記第１波長とは異なる第２波長と、前記第１波長と前記第２波長との間の波長と、を有し、
    前記検出部は、前記第１波長と前記第２波長との間で波長を変えて前記測定光を検出する請求項１〜７のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
18. 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８〜１７のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
19. 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８〜１８のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
20. 前記試料気体が導入された前記空間の通過における前記第１光の透過率は、０．１％以上９９．９％以下であり、
    前記試料気体が導入された前記空間の通過における前記第２光の透過率は、０．１％以上９９．９％以下である請求項８〜１９のいずれか１つに記載の呼気診断装置。

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