JP2019207197A - ガス濃度測定装置及びそれを備えた血糖値測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】呼気中のアセトン濃度の測定など、空気と測定対象ガスの混合ガス中の測定対象ガスの濃度の測定を小型の装置によりリアルタイムで行えるようにする。【解決手段】ミリ波帯信号発振器１の出力は電力分配器(PD)２で分配され、一方は送信アンテナ３、呼気収容部４、受信アンテナ５を経てI/Qミキサ６に入力され、直接I/Qミキサ６に入力された他方の出力により直交検波され、位相検出部９により位相が検出される。呼気収容部４内が空気のみの時の位相θ1に対する呼気２１で満たされているときの位相θ2の位相差φを位相差算出部１０で算出する。アセトン濃度算出部１２により位相差φとアセトン濃度との相関関係を参照してアセトン濃度を算出し、血糖値算出部１４によりアセトン濃度と血糖値との相関関係を参照して血糖値を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス濃度測定装置及び血糖値測定装置に関し、特に、血糖値と相関関係がある呼気中のアセトン濃度の測定に好適なガス濃度測定装置、及びそれを備えた血糖値測定装置に関する。

糖尿病の治療では、指先を微小な針で刺す穿刺器を用いた自己血糖測定が一般的に行われているが、観血的測定であり、苦痛を伴う。一方、アセトンはケトン体の一種で、体内で脂肪がエネルギー源として使用されたときに生成される物質であり、糖尿病でインスリンの分泌量が低下し、血糖コントロールが良好でないとアセトンが発生しやすくなるため、体内のアセトン濃度は血糖値と相関がある。また、アセトンは揮発性を有するため、糖尿病で体内のアセトン濃度が高いと呼気中に混ざるので、呼気中のアセトン濃度が高いと血糖値が高いことも知られている。そこで、非観血的測定方法として、呼気中のアセトン濃度を呼気分析器により検出し、血糖値を表示するバイオセンサー法が提案された（非特許文献１）。この呼気分析器は多層のポリマーで構成されるナノサイズのフィルムが呼気中のアセトンに対し化学反応を起こし、呼気中のアセトン濃度を検出するものである。

糖尿病ネットワーク、ニュース／資料室、呼気中のアセトンで糖尿病を管理 血糖測定に代わる技術を開発、２０１３年１１月２６日

しかしながら、バイオセンサー法は装置（呼気分析器）が大掛かりであり、測定に時間が掛かるため、リアルタイムでの測定が出来ないという問題がある。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、呼気中のアセトン濃度の測定など、空気と測定対象ガスの混合ガス中の測定対象ガスの濃度の測定を小型の装置によりリアルタイムで行えるようにすることである。

本発明に係るガス濃度測定装置は、電磁波発生手段と、ガス収容部と、前記電磁波発生手段から放射され、前記ガス収容部内を通過した電磁波の位相を検出する位相検出手段と、前記ガス収容部内に空気のみが収容されているときの位相と、前記ガス収容部内に空気及び測定対象ガスの混合ガスが収容されているときの位相の差を算出する位相差算出手段と、予め取得した前記位相差と空気及び測定対象ガスの混合ガス中の測定対象ガスの濃度との相関関係に基づいて、前記ガス収容部内の混合ガス中の測定対象ガスの濃度を算出する濃度算出手段と、を有するガス濃度測定装置である。

本発明によれば、呼気中のアセトン濃度の測定など、空気と測定対象ガスの混合ガス中の測定対象ガスの濃度の測定を小型の装置によりリアルタイムで行うことが出来る。

本発明の実施形態に係る血糖値測定装置の構成を示す図である。 ガス収容部内に空気のみが収容されているときの位相、及び呼気が収容されているときの位相を示すベクトル図である。 ガス収容部内に空気のみ収容されているときの位相と、呼気が収容されているときの位相との位相差とアセトン濃度との相関関係を示す図である。 呼気中のアセトン濃度と血糖値との相関関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
〈血糖値測定装置の構成〉
図１は、本発明の実施形態に係る血糖値測定装置の構成を示す図である。
本発明の実施形態に係る血糖値測定装置は、ミリ波帯信号発振器１、電力分配器（PD）２、送信アンテナ３、呼気収容部４、受信アンテナ５、I/Qミキサ６、ローパスフィルタ７，８、位相検出部９、位相差算出部１０、位相差／アセトン濃度テーブル１１、アセトン濃度算出部１２、アセトン濃度／血糖値テーブル１３、及び血糖値算出部１４を備えている。

ここで、アセトン濃度／血糖値テーブル１３、及び血糖値算出部１４以外の部分が本発明の実施形態に係るガス濃度測定装置である。また、ミリ波帯信号発振器１及び送信アンテナ３が本発明に係る電磁波発生手段に相当する。また、I/Qミキサ６、ローパスフィルタ７，８、位相検出部９、位相差算出部１０、位相差／アセトン濃度テーブル１１、アセトン濃度算出部１２、アセトン濃度／血糖値テーブル１３、及び血糖値算出部１４は、マイクロコンピュータのハードウェア及びソフトウェアにより構成することが出来る。

ミリ波帯信号発振器１はミリ波帯（30GHz〜300GHz）の信号を生成し、電力分配器(PD)２に供給する。電力分配器(PD)２はミリ波帯信号発振器１の出力を二つに分割し、送信アンテナ３及びI/Qミキサ６に供給する。送信アンテナ３は、電力分配器(PD)２の一方の出力をミリ波として呼気収容部４内に放射する。受信アンテナ５は呼気収容部４内を通過したミリ波３１を受信し、RF信号としてI/Qミキサ６に供給する。

呼気収容部４は、糖尿病患者の呼気２１を収容するためのケースであり、呼気注入口４ａ、呼気排気口４ｂ、吸気弁４ｃ、排気弁４ｄ、及び多孔性の吸湿性部材などからなる水蒸気吸収フィルタ４ｅを備えている。呼気収容部４は、例えばプラスチック等の電磁波を透過させる物質で構成してもよいし、導波管（方形、円形）により構成してもよい。

I/Qミキサ６は、電力分配器(PD)２から供給されたミリ波帯信号をローカル信号(LO)として、受信アンテナ５から供給されたミリ波帯信号を直交検波し、I成分をローパスフィルタ７、Q成分をローパスフィルタ８にそれぞれ供給する。I/Qミキサ６、ローパスフィルタ７，８が直交検波器を構成している。なお、ここではホモダイン方式の直交検波器を用いているが、ヘテロダイン方式でも同じ効果が得られる。

図１において、ローパスフィルタ７、８の出力I1，Q1は、呼気収容部４内に空気のみが滞留し、呼気が滞留していないときの直交検波成分であり、I2，Q2は、呼気収容部４内に呼気が滞留しているときの直交検波成分である。

ローパスフィルタ７，８の出力は位相検出部９に供給される。位相検出部９は、図２に示すように、I1，Q1から位相θ1を算出し、I2，Q2から位相θ2を検出し、位相差算出部１０に供給する。ここで、位相θ1は、呼気収容部４内に空気のみが滞留し、呼気が滞留していないときのローカル信号を基準としたRF信号の位相であり、位相θ2は、呼気収容部４内に呼気が滞留しているときのローカル信号を基準としたRF信号の位相である。

位相差算出部１０は、位相θ1，θ2から、その位相差φ（＝θ1−θ2）を算出し、アセトン濃度算出部１２に供給する。アセトン濃度算出部１２は、予め位相差φと呼気中のアセトン濃度との相関関係が書き込まれた位相差／アセトン濃度テーブル１１を参照して、呼気中のアセトン濃度を算出し、血糖値算出部１４に供給する。血糖値算出部１４は、予め呼気中のアセトン濃度と体内の血糖値との相関関係が書き込まれたアセトン濃度／血糖値テーブル１３を参照して、体内の血糖値を算出する。

〈血糖値測定装置の概略動作〉
次に本発明の実施形態に係る血糖値測定装置の概略動作を説明する。
呼気２１（糖尿病患者の息）は、呼気収容部４内に呼気注入口４ａから注入され、呼気排気口４ｂから排気される。呼気２１を呼気収容部４内に十分注入したとき、吸入弁４ｃ及び排気弁４ｄが閉じて、RF信号の位相変化の測定が始まる。すなわち、呼気収容部４内に呼気２１が入っているとき、受信アンテナ５で受信したRF信号は、空気のみが入っており、呼気２１が入っていないときと比べて位相がφだけ遅れるので、この位相の遅れを測定する。

RF信号は直交検波器（I/Qミキサ６、ローパスフィルタ７，８）で直交検波され、直交成分のI，Q信号に分けて出力されるので、I成分をx、Q成分をyの直交座標で表せば、図２のようにベクトルE1、E2で表すことができる。

ここで、E1は呼気収容部４内が空気のみのときのベクトルであり、位相差算出の基準になる。また、E2は呼気収容部４内に呼気２１が入っているときのベクトルであり、位相がφだけ遅れて受信される。実際には呼気２１中には水蒸気成分も含まれるので、減衰を受けてベクトルE2の振幅は小さくなり、さらに水蒸気とアセトン成分により位相がφ遅れる。

本実施形態では、呼気収容部４の呼気注入口４ａに水蒸気吸収フィルタ４ｅを設けたことにより、水蒸気の影響を極力少なくしている。さらに、ベクトルE1とE2の振幅と位相を比較することにより、呼気２１中の水蒸気の影響を算出して除去する。そして、図３に示されているφとアセトン濃度との相関関係を有する位相差／アセトン濃度テーブル１１を参照して、位相差φの変化からアセトン濃度を推定し、さらに図４に示されているアセトン濃度と血糖値との相関関係を有するアセトン濃度／血糖値テーブル１３を参照して血糖値を算出し、糖尿病の度合いを判定する。

なお、呼気収容部４の中の弁４ｃ、４ｄは呼気注入口４ａから呼気２１が注入されるときに開き、呼気２１が十分に注入されたときに閉じて、ミリ波による位相の測定状態に入るが、測定は十分に高速に行えるので、弁４ｃ、４ｄは必ずしも必要ではない。

〈血糖値測定装置の詳細な動作〉
次に本発明に係る血糖値測定装置の詳細な動作を説明する。
図１において、電力分配器(PD)２の出力信号を
et＝exp(−jωt) …式〔1〕
で表すと、受信アンテナ５で受信したRF信号は、下記の式〔2〕、〔3〕で表される。ここで、式〔2〕は呼気収容部４内が空気のみのとき、式〔3〕は呼気収容部４内に呼気が入っているときの式である。
er1＝Aexp(−jωt＋jθ1) …式〔2〕
er2＝Bexp(−jωt＋jθ2) …式〔3〕
ただし、A、Bは振幅、θ1(＝ωτ1)は呼気収容部４内が空気のみのときの受信の初期位相、θ2(＝ωτ2)は呼気収容部４内に呼気が入っているときの受信位相である。

ここで、ミリ波の自由空間の波長λ、送信アンテナ３と受信アンテナ５との間の距離ｄ、位相定数（2π／λ）をβとおけば、θ1、θ2は下記の式〔4〕、〔5〕で表される。
θ1＝ωτ1＝2πf(d／c)√(ε1)＝βd√(ε1) …式〔4〕
θ2＝ωτ2＝2πf(d／c)√(ε2)＝βd√(ε2) …式〔5〕
ただし、ε1は空気の比誘電率（≒１）であり、ε2は呼気の比誘電率である。

よって、受信アンテナ５からのRF信号er1,er2を電力分配器(PD)２で分配したローカル信号で直交検波器により直交検波すると、その出力は下記の式〔6〕、〔7〕となる。ただし、式〔6〕、〔7〕において[et]^＊を式〔1〕の複素共役とする。
E1＝(I1，Q1)＝er1×[et]^＊＝Aexp(−jωt＋jθ1)×exp(jωt)＝Aexp(jθ1)
＝E1(Acosθ1，Asinθ1) …式〔6〕
E2＝(I2，Q2)＝er2×[et]^＊＝Bexp(−jωt＋jθ2)×exp(jωt)＝Bexp(jθ2)
＝E2(Bcosθ2，Bsinθ2) …式〔7〕

位相検出部９は下記の式〔8〕により、位相差φを算出する。
φ＝tan^−１｛(I2Q1−I1Q2)／(I1I2＋Q1Q2)｝ …式〔8〕

また、位相差φは式〔5〕から式〔4〕を減算することで、下記の式〔9〕により表される。
φ＝θ2−θ1＝βd√(ε2)−βd√(ε1)≒βd｛√(ε2)−1｝ …式〔9〕

式〔9〕は呼気２１中のアセトンの比誘電率ε2による位相の遅れを表している。すなわち、呼気中のアセトン濃度が高くなるほど比誘電率ε2が大きくなることで、位相差φが大きくなることを表している。

また、糖尿病でインスリンの分泌量が低下し、血糖コントロールが良好でないとアセトンが発生しやすくなるため、アセトン濃度は血糖値と相関がある。そして、アセトンは揮発性であることから、糖尿病で体内のアセトン濃度が高いと呼気中に混ざる結果、息に含まれるアセトン濃度が高いと血糖値も高くなることが分かっている。つまり、呼気中のアセトン濃度と血糖値とは図４に示されているように比例関係がある。そして、血糖値が126mg/dLを越えると異常（糖尿病）と判断される。

そこで、位相差算出部１０により式〔8〕を用いて算出された位相差φから、アセトン濃度算出部１２により位相差／アセトン濃度テーブル１１に記述されている位相差φとアセトン濃度との相関関係を参照してアセトン濃度を算出し、血糖値算出部１４によりアセトン濃度／血糖値テーブル１３に記述されているアセトン濃度と血糖値との相関関係を参照して血糖値を算出して、糖尿病の度合を判定することができる。

実際には呼気中に含まれる水蒸気がベクトルE2における振幅の減衰と位相の遅れに影響を与えるので、水蒸気の影響を除去する必要がある。本実施形態では水蒸気の影響を避けるために、水蒸気吸収フィルタ４ｅで水蒸気を吸収する。さらに水蒸気(H_２O)の吸収スペクトルのうち、特に吸収が大きいミリ波帯の周波数として183GHzを用いることにより、呼気中の水蒸気の影響を最小限にとどめている。

式〔9〕の位相差φを検出する感度Sは下記の式〔10〕で表される。
S＝(dφ／dε2)＝｛βd／2√(ε2)｝ …式〔10〕

よって、呼気中のアセトン濃度により、比誘電率ε2がΔε2変化したとき、位相差φの変化Δφは下記の式〔11〕で表される。
Δφ＝｛βd／2√(ε2)｝Δε2 …式〔11〕

例えば、ｆ＝183GHz、λ＝1.639mm、d＝50mmのとき、β＝(２π／λ)
＝3.83(rad／mm)であるから、式〔11〕より、下記の式〔12〕となる。
Δφ＝｛(3.83×50)／2｝｛Δε2／√(ε2)｝(rad)
＝5486｛Δε2／√(ε2)｝(°) …式〔12〕

ここで、アセトンの比誘電率ε2は19.5であり高いが、気体になると極めて小さくなり１に近づくので、比誘電率ε2の変化割合｛Δε2／√(ε2)｝は極めて小さい。しかし、式〔12〕によれば、その5486倍に拡大されるので、検出可能になる。例えば、｛Δε2／√(ε2)｝＝(1／1000)の変化のとき、式〔12〕から、位相の変化は約5.4°になるので検出可能である。

以上詳細に説明したように、本発明の実施形態に係る血糖値測定装置によれば、呼気中のアセトンがミリ波に対して高い誘電率を示すことに鑑み、呼気中にミリ波を通し、そのミリ波の位相遅れから、呼気中のアセトン濃度を測定し、呼気中のアセトン濃度と相関関係がある体内の血糖値を算出して糖尿病の度合いを判定するので、装置の小型化、リアルタイム測定が可能となる。また、糖尿病患者に苦痛を与えることなく、血糖値の連続観察や食事と血糖値の関係、血糖値の経時変化の観測に用いることが出来る。

なお、以上説明した実施形態では、呼気中を通す電磁波としてミリ波の電波を用いたが、ミリ波よりも高い周波数の電磁波であるサブミリ波やレーザ光を用いることもできる。また、本発明は、空気の比誘電率との差の大きい比誘電率を有するガスであれば、アセトン以外のガスの濃度の測定に適用することも出来る。

１…ミリ波帯信号発振器、２…電力分配器(PD)、３…送信アンテナ、４…呼気収容部、５…受信アンテナ、６…I/Qミキサ、７，８…ローパスフィルタ、９…位相検出部、１０…位相差算出部、１１…位相差／アセトン濃度テーブル、１２…アセトン濃度算出部、１３…アセトン濃度／血糖値テーブル、１４…血糖値算出部。

Claims (6)

1. 電磁波発生手段と、
   ガス収容部と、
   前記電磁波発生手段から放射され、前記ガス収容部内を通過した電磁波の位相を検出する位相検出手段と、
   前記ガス収容部内に空気のみが収容されているときの位相と、前記ガス収容部内に空気及び測定対象ガスの混合ガスが収容されているときの位相の差を算出する位相差算出手段と、
   予め取得した前記位相差と空気及び測定対象ガスの混合ガス中の測定対象ガスの濃度との相関関係に基づいて、前記ガス収容部内の混合ガス中の測定対象ガスの濃度を算出する濃度算出手段と、
   を有するガス濃度測定装置。
2. 請求項１に記載されたガス濃度測定装置において、
   前記電磁波発生手段はミリ波を発生するガス濃度測定装置。
3. 請求項２に記載されたガス濃度測定装置において、前記ミリ波の周波数が183GHzであるガス濃度測定装置。
4. 請求項１に記載されたガス濃度測定装置において、
   前記測定対象ガスは呼気中のアセトンであるガス濃度測定装置。
5. 請求項４に記載されたガス濃度測定装置において、
   前記ガス収容部は、ガスの注入口に水蒸気吸収部材が配置されているガス濃度測定装置。
6. 請求項４又は５に記載されたガス濃度測定装置と、予め取得した呼気中のアセトンの濃度と体内の血糖値との相関関係に基づいて、前記ガス収容部に呼気を注入した人の体内の血糖値を算出する血糖値算出手段を有する血糖値測定装置。

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