JP2019516442A - 息分析デバイス - Google Patents

Abstract

本明細書において、被験者の息を分析して、酸素及び二酸化炭素などの気体レベルを特定するための携帯式息分析デバイスが提供される。このデバイスは、例えば、被験者の健康状態をモニタリングすることにおいて用途を見出す。また、本明細書において、このデバイスを使用して、被験者の息を分析する方法が提供される。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１７年２月２１日に出願されたＥＰ１７３８６００６．５及び２０１６年４月１２日に出願されたＧＢ１６０６２９２．９の利益を主張する。

本発明は、息の測定のためのデバイスに関する。具体的には、排他的ではないが、本発明は、間接熱量測定法における使用に好適な携帯式息分析デバイスに関する。本発明は、被験者の息を分析する方法にも関する。

息分析は、多くの有望な結果を有する非侵襲的技術であるため、近年、多くの関心を集めている。古代から、医師は、人の息の臭いとある種の疾患との間の関係を認識してきた。それ以来、息は、人体の生理学的かつ病態生理学的プロセスに洞察を与えることができることが認識されている（例えば、Ｗ．Ｍａ、Ｗ、Ｌｉｕ Ｘ ａｎｄ Ｊ．Ｐａｗｌｉｓｚｙｎ、「Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｂｒｅａｔｈ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ」、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｂｉｏａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、（２００６）を参照されたい）。

ヒトの息は、無機ガス（ＮＯ、ＣＯ_２、ＣＯ、窒素）、揮発性有機化合物（ＶＯＣ：Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）（イソプレン、エタン、ペンタン、アセトン）、及び他の不揮発性物質（イソプロスタン、ペルオキシニトリン、サイトカイン）の混合物である。一般に、ヒトの息の成分は、内因性及び外因性の起源を有し、その組成の分析は、摂取または吸収の経路だけでなく、起こった生理学的プロセスに関連し得る（Ｋ．Ｋｉｍ、Ｊ．Ｓｈａｍｉｎａｎｄ Ｅ．Ｋａｂｉｒ、「Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｂｒｅａｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｂｒｅａｔｈ」、Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、（２０１２）を参照されたい）。その結果、息は、ヒトの健康の指紋とみなされ得、その分析は、重要な医学的用途を有する。

一般に、息分析試験の利点は、その安全性及び非侵襲性の性質において特定され得る。息分析の簡便性は、糖尿病であり、尿素などを監視しなければならない患者など、健康状態を毎日監視しなければならない患者にとって特に関心を引くことである。（Ｇ．Ｇｕｉｌｂａｕｌｔ、Ｇ．Ｐａｌｌｅｓｃｈｉ ａｎｄ Ｇ．Ｌｕｂｒａｎｏ、「Ｎｏｎ−ｉｎｖａｓｉｖｅ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｃｌｉｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ」、Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、（１９９５））。

その結果、人々が家庭環境で自分の健康状態を監視するのを助けることができる手持ち式デバイスに対する大きな需要がある。さらに、最近の医学の主要な目的の１つは、治療の成功の機会を劇的に増加させる早期発見であり、息分析がこれを助けることができる。

間接熱量測定法は、吐き出されたヒトの息中に見出されるＯ_２及びＣＯ_２の量によって、ヒトの代謝を測定するために使用される。ヒトのエネルギー消費量は、安静代謝率（ＲＭＲ：Ｒｅｓｔｉｎｇ Ｍｅｔａｂｏｌｉｃ Ｒａｔｅ）と、身体活動と、食物摂取によって誘発される熱発生とに分けられる。ＲＭＲは、総エネルギー消費量の最大の割合に相当する（＞７５％）（Ｗ．ＭｃＡｒｄｌｅ、Ｆ．Ｋａｔｃｈ ａｎｄ Ｖ．Ｋａｔｃｈ、「Ｅｘｅｒｃｉｓｅ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ：ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ、ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｈｕｍａｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、７^ｔｈ ｅｄ．Ｌｉｐｐｉｎｃｏｔｔ Ｗｉｌｌｉａｍｓ＆Ｗｉｌｋｉｎｓ、（２０１０））。ＲＭＲを判定することにより、肥満の病態生理学の我々の理解が向上し、特に集中治療室において、栄養失調によって体重が減少している患者を助けることができる。現在、ＲＭＲは、全身呼吸室及び代謝カートによって判定されるが、このような方法は、高価であり、訓練を受けた技術者を必要とする。さらに、ＲＭＲの予測のために開発された数学的モデルは、５０％〜７０％の割合で失敗し、肥満、神経性食欲不振症、及び他の疾患の場合に、不正確であることがしばしば見受けられる。これにより、間接熱量測定法測定を実施し、人のＲＭＲを正確に判定するためには、安価で、手持ち式で、かつ使い易いデバイスが求められている。

数多くのフィットネス用途以外にも、ヒトの代謝を測定する手持ち式の息分析計も、肥満の個人の食事を制御することにおいて用途を見出す。現在、肥満は大きな問題であり、Ｈｅａｌｔｈ＆Ｓｏｃｉａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｒｅによる２０１４年の報告によると、英国の男性の３２．１％、女性の４０．６％が正常な体格指数（ＢＭＩ：Ｂｏｄｙ Ｍａｓｓ Ｉｎｄｅｘ）を有している（Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｎ Ｏｂｅｓｉｔｙ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ａｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ Ｄｉｅｔ、Ｈｅａｌｔｈ＆Ｓｏｃｉａｌ Ｃａｒｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ、（２０１４））。さらに、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｈｅａｌｔｈ Ｓｅｒｖｉｃｅ（２０１６年４月６日にアクセスのｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｈｓ．ｕｋ／ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ／ｏｂｅｓｉｔｙ／Ｐａｇｅｓ／Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．ａｓｐｘ）の報告によると、肥満は、ＩＩ型糖尿病、冠動脈性心疾患、様々な種類の癌（乳癌、腸癌など）、及び脳卒中に関係している。

現在、商品名ＭｅｄＧｅｍ（２８０１ Ｙｏｕｎｇｆｉｅｌｄ Ｓｔ，Ｓｕｉｔｅ ２４１ Ｇｏｌｄｅｎ，ＣＯ８０４０１，ＵＳＡのＭｉｃｒｏｌｉｆｅ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｈｏｍｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｉｎｃ．による）、及びＢｒｅｅｚｉｎｇ（２６０１ Ｎ ３ｒｄ Ｓｔ，Ｓｕｉｔｅ １０８，Ｐｈｏｅｎｉｘ，ＡＺ，８５００４のＢｒｅｅｚｉｎｇ，Ｃｏによる）で販売される、２つの手持ち式の息分析計が市場に出ている。ＭｅｄＧｅｍデバイスは、息中の呼気酸素のみを測定し、呼気二酸化炭素が、酸素と比較して０．８５の一定比率を有すると仮定する。当然のことながら、これは仮定に過ぎず、あまり正しい仮定とは限らないため、誤った測定につながる。ＭｅｄＧｅｍデバイスは、必要とされる精度をもたらすために、ブレス・バイ・ブレスベースで、Ｏ_２とＣＯ_２との両方を測定することができない。実際に、呼気二酸化炭素の呼気酸素に対する割合は、呼吸商（ＲＱ：Ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ Ｑｕｏｔｉｅｎｔ）として定義され、０．６〜１．０の間で変動する。測定されたＲＱに基づいて、個人が主に脂肪（ＲＱ＝０．７）、タンパク質（ＲＱ＝０．８）、または炭水化物（ＲＱ＝１．０）を燃焼させるか否かが判定され得る。したがって、ＲＱの判定の正確性は、非常に重要である。ＲＱの正確な判定は、代謝の測定と等しく重要な測定基準である。個人のＲＱと代謝との両方を測定することにより、人は、使用者の治療に対するより包括的なアプローチを取ることが可能になる。さらに、ＭｅｄＧｅｍデバイスが追跡することができない、個人の栄養過剰または栄養不足などの、ＲＱから引き出され得る特定の情報がある。また、呼気酸素のみを測定し、二酸化炭素の感知を無視することにより、ＭｅｄＧｅｍデバイスは、タンパク質、脂肪、または炭水化物が個人によって代謝されたか否かを判定することができない。さらに、肺疾患（ＣＯＰＤ、喘息など）の多くの医療事例においてＲＱが大幅に変化し、これは、ＭｅｄＧｅｍが医療環境で広く使用されることを制限する。

現在市販されている第２のデバイスは、Ｂｒｅｅｚｉｎｇという商品名で販売されている。このデバイスは、酸素と二酸化炭素との両方を感知する。それは、多くの状況において不利である消耗型センサを使用する。これは、各テストが、約５＄（ＵＳＤ）かかる消耗型センサを必要とすること意味する。使い捨て部品の使用は、不便で費用がかかる。個人が１日中何回も自分の代謝／ＲＥＲを測定する必要がある場合が多く、当然のことながら、Ｂｒｅｅｚｉｎｇデバイスの費用は大幅に上がる。さらに、臨床環境では、このようなデバイスの費用は、各患者の測定が費用のかかる消耗品の利用を必要とするため、再び大幅に上がる。

消耗構成要素を使用せずに、ヒトの代謝と呼吸商（ＲＱ）との両方を測定する安価な手持ち式の息分析計を作成する強い必要があるにもかかわらず、現時点では、このような仕様で使用できるデバイスはない。本特許出願に説明されている発明は、この問題を解決し、至適基準精度で代謝を測定することができる。

第１の態様において、本発明は、携帯式息分析デバイスであって、呼気の入口から出口への通過のための一次気体流経路と、入口と出口との間の分岐点において一次経路から分岐された二次気体流経路であって、出口も有する、二次気体流経路と、一次経路の入口と分岐点との間の、または分岐点と一次経路の出口との間の流量センサであって、一次経路における気体流の測定を可能にするように配置された、流量センサと、酸素センサと、二酸化炭素センサと、を備え、酸素センサ及び二酸化炭素センサが、二次経路に配置され、その経路における呼気の測定を行う、携帯式息分析デバイスを提供する。酸素センサ及び二酸化炭素センサは、二次経路に順番に配置されている。それらは、互いに直列に並んでいる。

特定の使用モードでは、吸気中の気体も分析され、吸い込まれた気体が分析されると、気体の流れは逆転し、出口から入口に流れる。

本発明は、完全携帯式かつ安価のデバイスを介して、消費酸素及び生成された二酸化炭素の正確な測定を可能にする。酸素消費量と二酸化炭素生成量との両方がデバイスによって測定されるので、ＲＱの固定値に対する仮定に頼るのではなく、個人が、脂肪、タンパク質、または炭水化物を代謝するか否かを判定する呼吸商（ＲＱ）が、正確に測定され得る。好ましい実施形態において、デバイスは、消耗品を使用せず、これは、デバイスを維持管理する費用を低減する。ブレス・バイ・ブレスベースで、酸素及び二酸化炭素の生成量を測定する能力は、それの多くが呼気を採集するためにサンプリングチャンバを使用した、先行技術のデバイスと比較して、非常に有利である。新しい息の試料が以前の息の残りと混合されるため、サンプリングチャンバは、不正確である。さらに、チャンバ手法は、より遅く、ブレス・バイ・ブレス分析を実現するのに苦労している。平均値を測定するサンプリングチャンバは、二酸化炭素及び酸素のプロファイルについての結論を引き出すことはできない。また、サンプリングチャンバは、呼気のみを分析する。呼気のみがサンプリングチャンバと同様に分析されることができる場合、Ｈａｌｄａｎｅ変換が考慮される必要があり、これにより、場合によっては、測定誤差が増大する。

対照的に、本発明のデバイスは、ブレス・バイ・ブレスベースで、酸素プロファイル、二酸化炭素プロファイル、及び流量測定を追跡することができる。酸素センサと二酸化炭素センサとの直列配置は、酸素、二酸化炭素及び流量の測定のプロファイルを検出するのに重要である。本発明のデバイスから得られたこのようなプロファイルは、図３に示されている。このような検出は、従来技術で使用されるサンプリングチャンバでは不可能であった。直列接続では、値を平均化し、測定のプロファイルを測定できない、サンプリングチャンバとは対照的に、リアルタイム測定が可能である。一呼吸ごとに酸素、二酸化炭素、及び流量に対するプロファイルを生成することにより、これらの信号の統合は、消費酸素及び生成された二酸化炭素の正確な測定値をもたらすことができる。本発明のデバイスは、従来技術のサンプリングチャンバデバイスとは異なり、必要に応じて呼気と吸気との両方を測定することもできる。

本発明にあるような直列接続は、センサを並列形態で配置する、すなわち、二次流を、それぞれ１つがセンサに気体を送り込む２つ以上のサブストリームに分離する分岐をサイドストリーム上に有する、サイドストリーム流構成と比較した場合、大きな利益を提供する。並列構成では、分岐点は、かなりの乱流（特に、二次経路における高流量で）を発生させる可能性があり、それにより、圧力変動を増大させ、しばしば圧力変動に対して高感度であるセンサの測定に影響を及ぼす。センサの直列配置の使用がこれらの問題を緩和することが確認されている。

好ましくは、デバイスは、間接熱量計である。間接熱量測定法は、医学的理由、または食事及び生活習慣の理由から有用であり得る、被験者の代謝を分析するのに有用なツールである。間接熱量計は、糖尿病、肥満、食欲不振、心血管疾患などの評価においていくつかの医学的応用を有するが、既存の間接熱量計は、かさばり、約３万ドルかかる。したがって、間接熱量計としての本発明のデバイスの機能は、それが、家庭環境において、個人により使用され得る携帯式の、手持ち間接熱量計デバイスを提供するので有利である。

いくつかの実施形態では、デバイスは、除湿手段を備えていないが、他の好ましい実施形態では、デバイスは、除湿手段を備えてもよい。除湿手段は、多くの水分を含む呼気の湿度を低減して、センサ上の結露を低減し、これにより、センサによる正確な測定を可能にする。呼気の湿度は、結露を引き起こすことによる以外に、センサ測定の精度に悪影響を及ぼすこともある。

吸気は、相対湿度が低い一方で、呼気は、相対湿度が非常に高いが、この湿度差が、息の測定には影響しないことが望ましく、つまり、吸気及び呼気が、同じ基準で比較されることが好ましい。除湿手段は、呼気と吸気との間で同じ湿度を提供するために、呼気の湿度を周囲レベルまで低下させるのに有用であり、息の正確な分析に有益である。サンプリングチャンバを使用する他の間接熱量計とは異なり、除湿手段を備える本発明のデバイスは、センサの直列配置と併用して除湿手段を使用することにより、湿度が、使用者の息吸い込みと息吐き出しとの両方において非常に正確に制御されるという顕著な利点を有する。このような配置は、それらの精度を著しく制限する、チャンバ内部とセンサ上の結露問題に悩まされる、サンプリングチャンバを代わりに使用する先行技術の設計と比較して有利である。

デバイスは、二次経路に沿って呼気の試料を引くためのポンプを備えてもよい。ポンプの存在は、二次経路を通って、センサを渡る、一定の流量を確保するのに役立つ。代替的に、デバイスがポンプを備えなくてもよく、センサを通る気体の流れは、気体流経路の寸法及び構成によって制御され得、つまり、例えば、より小さい直径のチューブが気体流経路に沿って使用され、呼気がそれを通過するときの呼気の流量を減少させてもよい。センサの正確な読み取りを確実にするため、また除湿手段が効率的に機能することの両方のために、二次経路を通る流量の定常流への調整が望ましい。

いくつかの実施形態において、デバイスは、分岐点と酸素センサ及び二酸化炭素センサとの間に位置し、分岐点と弁システムとの間の上流部分と、弁システムと二次経路の出口との間の下流部分とに二次経路を仕切る弁システムであって、弁システムの構成要素が、少なくとも第１の位置と第２の位置との間で移動可能であり、弁システムが、弁出口を備え、第１の位置では、弁システムの構成要素は、二次経路の上流部分が二次経路の下流部分と流体接続するように配置され、第２の位置では、弁システムの構成要素は、二次経路の上流部分が弁出口と流体接続し、二次経路の下流部分とは流体接続しないように配置されている、弁システムを備える。この弁システムは、後続の呼吸がセンサによって測定されることを可能にすることによって、または、例えば、呼吸数が高い場合は、２呼吸ごとに、３呼吸ごとになど、センサによって測定されることを可能にすることによって、使用者の呼吸数に応じた様々な「モード」においてデバイスが動作することを可能にする。他の実施形態において、デバイスは、このような弁システムを備えておらず、一呼吸ごとに、デバイスによって分析される。

好ましくは、デバイスは、マイクロコントローラを備える。マイクロコントローラは、センサのそれぞれからの測定値を受信し、流量センサ測定値から、使用されるべきモードを判定し、弁システムを制御するなどの、デバイスのデータ処理を実行する。マイクロコントローラはまた、ポンプに電力を供給してもよい。

デバイスは、入口と流量センサとの間に位置付けられた一方向弁をさらに備えてもよく、それを通して、気体が入口から流量センサの方向にのみ通過してもよい。このような弁は、口を通して息を吐き出し、鼻を通して息を吸い込むことを使用者に要求し、それが望ましい状況では、一次経路を通して使用者が吸い込むことを可能にしない。

デバイスが、湿度センサをさらに備えてもよい。これにより、酸素センサ及び二酸化炭素センサによる測定値を、湿度における変化に対して補うことが可能になる。

デバイスが、温度センサをさらに備えてもよい。これにより、酸素センサ及び二酸化炭素センサによる測定値を温度における変化に対して補うことが可能になる。

デバイスが、圧力センサをさらに備えてもよい。これにより、酸素センサ及び二酸化炭素センサによる測定値を圧力における変化に対して補うことが可能になる。

デバイスが、１つ以上のさらなるセンサをさらに備えてもよい。これにより、デバイスは、関心のある場合に追加のパラメータを測定することが可能になる。例えば、デバイスは、アセトン、一酸化窒素、硫黄化合物、ペンタン、エタノール及び／または炭化水素のセンサを含んでもよい。特に、ペンタンセンサ及びエタノールセンサが存在する場合、酸化ストレスが監視されてもよい。

デバイスは、酸素センサ及び二酸化炭素センサと二次経路の出口との間に、二次経路に沿って位置付けられているか、または二次経路に沿った任意の点において二次経路から分岐された、サンプリングチャンバをさらに備えてもよい。採集された息を分析するために、１つ以上のさらなるセンサが、サンプリングチャンバの内部と流体接続していてもよい、この実施形態は、高速応答センサで最良に機能する、上に考察された酸素センサと二酸化炭素センサとの直列接続の利点（特に、ブレス・バイ・ブレスベースで測定を行う能力）を、直列に接続され得ない、より遅い応答センサの使用を可能にするサンプリングチャンバの使用と組み合わせる。

好ましくは、デバイスは、マイクロコントローラと携帯電話または他のデバイスとの間の通信のための通信手段を備える。これにより、使用者は、収集されたデータを都合よくかつユーザフレンドリに見直すことができる。

本発明の第２の態様によれば、携帯式息分析デバイスであって、呼気の入口から出口への通過のための一次気体流経路と、入口と出口との間の分岐点において一次経路から分岐された二次気体流経路であって、出口も有する、二次気体流経路と、一次経路の入口と分岐点との間の、または分岐点と一次経路の出口との間の流量センサであって、一次経路における気体流の測定を可能にするように配置された、流量センサと、気体用の少なくとも１つのセンサと、少なくとも第１の位置と第２の位置との間で移動可能な弁システムと、を備える、携帯式息分析デバイスが提供される。分岐点と少なくとも１つのセンサとの間に位置し、分岐点と弁システムとの間の上流部分と、弁システムと二次経路の出口との間の下流部分とに、二次経路を仕切る弁システムであって、弁システムの構成要素が、少なくとも第１の位置と第２の位置との間で移動可能であり、弁システムが弁出口を備え、第１の位置では、弁システムの構成要素は、二次経路の上流部分が二次経路の下流部分と流体接続するように配置され、第２の位置では、弁システムの構成要素は、二次経路の上流部分が弁出口と流体接続し、二次経路の下流部分とは流体接続しないように配置されている、弁システムである。これは、呼気の所望のパラメータの分析のために、ブレス・バイ・ブレスを含む様々なモードで動作し得る携帯式デバイスを提供する。

本発明の第２の態様のデバイスは、二酸化炭素センサを備えてもよい。デバイスは、それに加えまたは代替的に、酸素センサを備えてもよい。好ましくは、デバイスは、直列に配置された二酸化炭素センサと酸素センサとの両方を備え、また、好ましくは、間接熱量計であり、使用者が、自分の代謝のモニタリングのためにデバイスを使用することを可能にする。

第１の態様のデバイスと同様に、いくつかの実施形態において、第２の態様のデバイスは、除湿手段を備えなくてもよいが、好ましくは、第２の態様のデバイスは、例えば、入口と少なくとも１つのセンサとの間で、一次経路または二次経路に位置付けられた、除湿手段も備える。除湿手段は、多くの水分を含む呼気の湿度を低減して、センサ上の結露を低減し、それにより、センサによる正確な測定を可能にする。

デバイスは、二次経路に沿って呼気の試料を引くためのポンプを備えてもよい。ポンプの存在は、二次経路を通る、またセンサに渡る一定の流量を確保するのに役立つ。代替的に、デバイスが、ポンプを備えなくてもよく、気体を通る気体の流れは、気体流経路の寸法及び構成によって設定され得る。

デバイスは、一方向弁をさらに備えてもよく、その弁を通して、気体が、下流方向にのみ流れてもよく、一方向弁は、一次経路、及び流量センサの上流に位置付けられている。このような弁は、口から息を吐き、鼻から息を吸うことを使用者に要求し、これが望ましい状況において、使用者が一次経路を介して吸い込むことを可能にしない。

デバイスは、湿度センサをさらに備えてもよい。これにより、酸素センサ及び二酸化炭素センサによる測定値を、湿度における変化に対して補うことができるようになる。

デバイスは、温度センサをさらに備えてもよい。これにより、酸素及び二酸化炭素センサによる測定値を、温度における変化に対して補うことができるようになる。

デバイスは、圧力センサをさらに備えてもよい。これにより、酸素センサ及び二酸化炭素センサによる測定値を圧力における変化に対して補うことができるようになる。

デバイスは、１つ以上のさらなるセンサをさらに備えてもよい。これにより、デバイスが、関心のある場合に追加のパラメータを測定することができるようになる。例えば、デバイスは、アセトンセンサ、酸化窒素センサ、硫黄化合物センサ、ペンタンセンサ、エタノールセンサ及び／または炭化水素センサを含んでもよい。具体的には、ペンタンセンサ及びエタノールセンサが存在する場合、酸化ストレスが監視されてもよい。

第２の態様のデバイスは、少なくとも１つのセンサと二次経路の出口との間に二次経路に沿って位置付けられた、または二次経路に沿った任意の点において二次経路から分岐されたサンプリングチャンバをさらに備えてもよい。１つ以上のさらなるセンサが、採集された息を分析するために、サンプリングチャンバの内部と流体接続していてもよい。この実施形態は、ブレス・バイ・ブレスベースで測定することができる高速応答時間センサ（上で考察されたような、二酸化炭素及び酸素センサなど）の使用を、ブレス・バイ・ブレスベースで測定することができない、より遅い応答センサの使用を可能にするサンプリングチャンバの使用と組み合わせる。

好ましくは、デバイスは、マイクロコントローラと携帯電話または他のデバイスとの間の通信のための通信手段を備える。これにより、使用者は、収集されたデータを都合良くかつユーザフレンドリに、見直すことができる。

本発明の第３の態様によれば、被験者の呼気を分析する方法であって、被験者が息分析デバイスに息を吹き込むステップを含み、デバイスが、呼気の入口から出口への通過のための一次気体流経路と、入口と出口との間の分岐点において一次経路から分岐された二次気体流経路であって、出口も有する、二次気体流経路と、一次経路の入口と分岐点との間の、または分岐点と一次経路の出口との間の流量センサであって、一次経路における気体流の測定を可能にするように配置された、流量センサと、酸素センサと、二酸化炭素センサとを備え、酸素センサと二酸化炭素センサとが、二次経路に直列に配置され、その経路における呼気の測定を行う、方法が提供される。

第４の態様によれば、被験者の呼気を分析する方法であって、被験者が息分析デバイスに息を吹き込むステップを含み、デバイスが、呼気の入口から出口への通過のための一次気体流経路と、入口と出口との間の分岐点において一次経路から分岐された二次気体流経路であって、出口も有する、二次気体流経路と、一次経路の入口と分岐点との間の、または分岐点と一次経路の出口との間の流量センサであって、一次経路における気体流の測定を可能にするように配置された、流量センサと、気体用の少なくとも１つのセンサと、分岐点と少なくとも１つのセンサとの間に位置し、分岐点と弁システムとの間の上流部分と、弁システムと二次経路の出口との間の下流部分とに、二次経路を仕切る弁システムであって、弁システムの構成要素が、少なくとも第１の位置と第２の位置との間で移動可能であり、弁システムが弁出口を備え、第１の位置では、弁システムの構成要素は、二次経路の上流部分が二次経路の下流部分と流体接続するように配置され、第２の位置では、弁システムの構成要素は、二次経路の上流部分が弁出口と流体接続し、二次経路の下流部分とは流体接続しないように配置されている、弁システムと、を備える、方法が提供される。

当然のことながら、本発明の１つの態様に関係して説明された特徴が、本発明の他の態様に組み込まれてもよいことが理解されるであろう。例えば、本発明の第１の態様は、本発明の第２または第３の態様に関連して説明された特徴のいずれかを組み込んでもよく、逆もまた同様である。

本発明の一実施形態の概略図を示す。 本発明の第２の実施形態の概略図を示す。 ブレス・バイ・ブレスベースで本発明のデバイスによって得られた酸素、二酸化炭素、及び流量の測定値の３つの経時プロット（秒）を示す。酸素は、Ｏ_２（％）で測定され、二酸化炭素は、ｐｐｍで測定され、流量は、Ｌ／ｍｉｎで測定されている。 本発明によるデバイスと比較器至適基準デバイスとに対する測定されたＶＣＯ_２値における差を示すＢｌａｎｄ−Ａｌｔｍａｎプロットを示す。 本発明によるデバイスと比較器至適基準デバイスとに対する測定されたエネルギー消費値における差を示すＢｌａｎｄ−Ａｌｔｍａｎプロットを示す。 本発明によるデバイスと比較器至適基準デバイスとに対する測定されたＶＯ_２値における差を示すＢｌａｎｄ−Ａｌｔｍａｎプロットを示す。

本発明の第１の態様によれば、息分析デバイスは、呼気の入口から出口への通過のための一次気体流経路を備える。

デバイスを使用するとき、被験者は、一次経路の入口において、デバイスに息を吹き込む。好ましくは、使用者がデバイスに息を吐くと、使用者の呼気全体は、一次経路に導かれ、一次経路が呼気で満たされる。

本発明のいくつかの実施形態において、一次経路は、吸い込まれる空気の通路にも使用されてもよく、被験者が吸い込むのにつれて、周囲空気が、呼気の方向と逆の方向に、一次経路の出口を通って被験者に向かって引かれる。代替の実施形態において、使用者は、デバイスを使用するときに口を通して吸い込まないので、吸い込まれる周囲空気は、一次経路を通過して使用者に行かない。デバイスは、呼気のみを分析するか、または吸気／呼気の両方を分析するかのいずれかで動作する可能性がある。

使用者がデバイスに完全に息を吹き込むのを容易にするために、一次経路は、入口に、例えば顔面マスクまたはマウスピースを含んでもよい。

デバイスは、入口と出口との間の分岐点において一次経路から分岐されている二次気体流経路であって、出口も有する、二次気体流経路を備える。これにより、各息の断片的サンプリングが可能になる。被験者がデバイスに息を吐き出すと、呼気が一次経路を満たし、呼気の一部が二次経路に沿って誘導される。二次経路に入らない呼気の残りは、一次経路の出口を介してデバイスを出る。デバイスが吸気の採集にも使用されるべき場合、被験者がデバイスを通して吸い込むと、吸気が一次経路を満たし、息の一部が二次経路に沿って誘導される。二次経路に入らない吸気の残りは、使用者によって吸い込まれる。このようにして、吸気及び呼気の両方が分析されてもよい。１つの実施形態において、二次経路は、Ｔ字型コネクタによって分岐点において一次経路に接続されている。別の実施形態では、Ｔ字型コネクタは、一次経路の一部及び二次経路そのものの一部を形成する。

いくつかの実施形態において、二次経路に沿って誘導される呼気の試料が、一次経路の周囲の近くから採取される。一次経路の周囲では、一次経路に沿って通る呼気は、それほど乱流ではなく、ここからのサンプリングは、二次経路における乱流を最小限にし、これにより、二次経路における一定の流量をもたらし、より正確なセンサ測定値を可能にすることから、好ましい。

他の実施形態において、息の試料は、一次経路の周囲から採取されない。例えば、試料は、一次経路の中央から採取されてもよい。

二次経路の出口は、デバイスの外側の空気であってもよく、またはデバイスの別の部分への、もしくは患者によって使用される別の呼吸装置への出口であってもよい。二次経路の出口は、例えば、患者が栄養失調に苦しんでいるために代謝が監視され得る、集中治療室の呼吸装置である可能性がある。

デバイスは、一次経路の入口と分岐点との間に、または分岐点と一次経路出口との間に位置する流量センサを備える。流量センサは、一次経路における気体流の測定を可能にするように配置されている。好ましくは、流量センサは、一次経路に位置しているデバイスの唯一のセンサであり、以下に考察される他のすべてのセンサは、二次経路に位置している。

使用者の息が、デバイスの一次経路に吐き出されると、流量センサは、息の流量を、好ましくはｍＬ／ｍｉｎで測定する。好ましくは、流量センサは、呼気の流れ全体を即座に測定する。流量センサは、熱膜風速計、マイクロ熱伝導率検出器、熱センサ素子、熱質量流量センサ、超音波通過時間流量計、または気体混合物の流量を迅速に感知することができる任意の他の適切なセンサであってもよい。分岐点が流量センサの前にある場合、流量測定は、二次定サンプリング流による流れにおける変化を考慮に入れてもよい。

恒常的に測定する流量センサの存在は、デバイスが肺活量計として使用されることも可能にする。肺活量測定は、最も一般的な肺機能検査であり、患者が肺活量計に息を吹き込んだときに肺によって吸い込まれ、吐き出される空気量の測定を含む。

デバイスは、二次経路に配置され、その経路における呼気の測定を行う酸素センサを備える。酸素センサは、電気化学的分圧酸素センサ、常磁性酸素センサ、燃料電池技術酸素センサ、色素（例えば、ルテニウム系色素）の蛍光消光特性を用いる光センサ、熱伝導率検出器（好ましくは、マイクロ熱伝導率検出器）（以下にさらに説明される）、金属酸化物半導体センサ、ポリマーセンサ、または酸素を感知することができる任意の他のセンサタイプであってもよい。ミリ秒の範囲の応答速度を有するセンサは、本発明のデバイスにおいて特に有益である。

二酸化炭素センサもデバイス内に存在し、また二次経路に配置されて、その経路における呼気の測定を行う。二酸化炭素センサは、気体混合物中の二酸化炭素の強く特有の赤外吸収を用いる非分散型赤外線センサ（ＮＤＩＲ：Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ）、金属酸化物半導体センサ、電位差測定を用いる固体センサ、熱伝導率検出器（好ましくは、マイクロ熱伝導率検出器（以下に説明される））、ポリマーセンサ、または任意の他の二酸化炭素センサであってもよい。高精度で低応答時間の二酸化炭素センサは、本発明のデバイスにおいて、とりわけ有益である。

二酸化炭素センサの存在は、デバイスがカプノグラフィに使用されてもよいことも意味する。カプノグラフィは、二酸化炭素の濃度または分圧のモニタリングであり、麻酔の場合に、また喘息、ＣＯＰＤなどの呼吸問題に関係する健康状態を監視するために使用される。デバイスは、患者の呼気のリアルタイムの二酸化炭素プロファイルを提供することができるため、カプノグラフィに適している。カプノグラフィは、呼気中の二酸化炭素の分圧を測定し、センサの高速応答が、呼気二酸化炭素サイクルの波形全体（いわゆるカプノグラム）についての情報を提供する。カプノグラフとしての使用では、本発明のデバイスは、酸素センサを含む必要はない。この場合、本発明のデバイスは、携帯式息分析デバイスであって、この携帯式息分析デバイスは、呼気の入口から出口への通過のための一次気体流経路と、入口と出口との間の分岐点において一次経路から分岐された二次気体流経路であって、出口も有する、二次気体流経路と、一次経路の入口と分岐点との間の流量センサであって、一次経路における気体流の測定を可能にするように配置された、流量センサと、二酸化炭素センサと、を備え、二酸化炭素センサが、二次経路に配置されて、その経路において呼気の測定を行う。

上述のように、デバイスの酸素センサまたは二酸化炭素センサは、熱伝導率検出器、好ましくは、マイクロ熱伝導率検出器であってもよい。このタイプのセンサは、その短い応答時間で知られているが、ヒトの息の９９％（Ｏ_２、Ｎ_２、ＣＯ_２）などの３気体混合物中の酸素または二酸化炭素を選択的に検出することに欠けている。マイクロ熱伝導率検出器は、気体混合物の熱伝導率を測定する。このように、３気体混合物中の気体のうちの２つの正確な濃度が分かっている場合、３気体混合物の熱伝導率の測定により、第３の気体成分の濃度を計算することができる。ヒトの息の場合、窒素濃度は、常に７８．０８％で一定であるが、酸素濃度及び二酸化炭素濃度は、変動する。このように、酸素濃度が上に説明されたような選択的酸素センサによって測定され、７８．０８％の濃度の窒素が吐き出されたヒトの息中に常に存在することが分かっている場合、呼気の３気体混合物（窒素、酸素、二酸化炭素）の熱伝導率が、二酸化炭素濃度を計算するために使用され得る。同じことが、二酸化炭素が、二酸化炭素を選択的に測定するセンサで測定され、熱伝導率検出器の信号が呼気の酸素を計算するために使用される場合にも言える。このように、熱伝導率検出器は、酸素または二酸化炭素のセンサとして使用され得る。

いくつかの実施形態において、酸素センサは、二次経路内の二酸化炭素センサの上流に位置付けられていてもよい。代替の実施形態において、二酸化炭素センサは、酸素センサの上流に位置付けられていてもよい。

いくつかの実施形態において、酸素センサ及び二酸化炭素センサは、別々の構成要素であってもよい。代替の実施形態において、酸素センサ及び二酸化炭素センサは、酸素及び二酸化炭素の両方を感知することができる単一ユニットセンサとして組み合わされてもよい。例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ ＮａｎｏＴｕｂｅ）アレイが、数ある息バイオマーカーの中で、酸素と二酸化炭素との同時検出に使用され得る。この場合、酸素センサ及び二酸化炭素センサが、１つのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）アレイ内に組み合わされている。

被験者は、第１の実施形態の息分析デバイスを自分の手に持ち、マウスピースまたは顔面マスクが存在する場合には、それを介して、口からデバイスに息を吐き出すことによって、そのデバイスを使用することができる。使用者がデバイスに息を吐き出すと、呼気は、一次経路に沿って流れ、そこで、その流量が、流量センサによって測定され、息の極一部が、測定が行われる二次ストリームに位置する酸素センサ及び二酸化炭素センサに誘導される。

いくつかの好ましい実施形態において、デバイスは、間接熱量計である。間接熱量測定は、吐き出されたヒトの息中に見られるＯ_２及びＣＯ_２の量に基づいて、ヒト代謝を測定するために使用される。

いくつかの好ましい実施形態において、本発明のデバイスは、デバイスを通過する呼気の湿度を下げるための除湿手段を備える。除湿手段は、入口と酸素センサ及び二酸化炭素センサとの間で、一次経路または二次経路に位置付けられている。呼気が高い相対湿度（しばしば、最高１００％ ＲＨ）を有することが知られており、これが、センサ内の結露形成につながることがある。使用されるセンサは、結露状態ではそれほど正確ではなく、これは、息の相対湿度が、好ましくは、センサを通過する前に低減される理由である。

いくつかの実施形態において、二次経路の上流部分が、除湿手段を備える。代替的に、またはそれに加えて、一次経路の一部が、１つ以上の除湿手段を備えてもよい。

１つの好ましい実施形態において、除湿手段は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）チューブである。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）チューブは、吐き出されたヒトの息を乾燥させるために使用される。呼気は、それが、一次及び／または二次経路に沿って、一連の１つ以上のＮａｆｉｏｎ（登録商標）チューブを通過するのにつれて乾燥され、周囲空気の湿度に達する。

Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）チューブの代わりに、またはそれに加えて、息を除湿する代替の手段も使用されてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、湿潤スポンジを含むチャンバが、水分を吸収し、湿度を下げる能力を有する１つ以上の化学物質を含むさらなるチャンバと直列に、二次経路に沿って位置していてもよい。このような化学物質は、以下に限定されるわけではないが、過塩素酸マグネシウム、塩化ナトリウム（岩塩）（ＮａＣｌ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、硫酸銅（ＣｕＳＯ４）、五酸化リン（Ｐ２Ｏ５、またはより正確にはＰ４Ｏ１０）、シリカゲル、またＮａ２ＳＯ４・１０Ｈ２Ｏ、ＬｉＢｒ、ＬｉＣｌ、及びアミンなどの水和塩から選ばれてもよい。このような実施形態では、呼気は、湿潤スポンジを最初に通り、そこで、その湿度が上がることがあり、次いで、シリカゲル、塩化カルシウム、及び／または過塩素酸マグネシウムなどのチャンバを通過した後に乾燥されることになる。吸い込まれた空気の場合、その湿度は、湿潤スポンジチャンバを通過するときに大幅に上がることになり、化学化合物（シリカゲル、塩化カルシウム、過塩素酸マグネシウムなど）を含むチャンバを通過した後に乾燥することになる。吸気と呼気との両方が、除湿される前には同じ湿度であることを確実にする湿潤スポンジと、除湿化学物質が、吸気と呼気との両方が、センサに達したときに同じ相対湿度を有することを確実にすることとのこの組み合わせが、湿度差によって影響を受けないことを前提に、それらの測定値が比較され得る場合の正確性を高める。

化学物質を含む除湿チャンバは、その入口に弁を、かつ／またはその出口に弁を備えてもよい。除湿チャンバの入口と出口との両方に弁を設けることにより、デバイスが使用されていないときにチェンバが閉鎖されることを可能にし、周囲空気が化学物質に接触するのを防ぎ、これにより、化学物質の寿命を延ばすと考えられる。

いくつかの実施形態において、化合物を含むチャンバのみが、息を乾燥させるのに使用される可能性がある（シリカゲル、塩化カルシウム、過塩素酸マグネシウムなど）。いくつかの実施形態において、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）チューブと、湿潤スポンジと、化合物（シリカゲル、塩化カルシウム、過塩素酸マグネシウムなど）を含むチャンバとの組み合わせが使用されてもよい。いくつかの実施形態において、湿潤スポンジなしで、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）チューブと化合物を含むチャンバのみとの組み合わせが使用される可能性がある。いくつかの実施形態において、湿潤スポンジ及び化合物のチャンバのみ、化合物のチャンバのみ、またはＮａｆｉｏｎ（登録商標）チューブのみが使用される可能性がある。

代替の実施形態において、除湿手段が存在しない。例えば、その代わりに、センサが結露形成を避けるために暖められてもよい。

いくつかの実施形態において、デバイスが、除湿手段を備え、センサが暖められる。

いくつかの実施形態において、顔面マスクまたはマウスピースは、一次経路の入口に接続されているが、流量センサ及び一次経路は、マウスピースまたは顔面マスクに近接したままであり、ある長さの管類が、分岐点から延びる二次経路の一部を形成してもよい。このようにして、顔面マスク、流量センサ、及び一次経路の反対側の長いチューブの端にあるデバイスの残りの部分は、使用者がデバイスを使用している間、例えば、ポケット、バッグに保たれるか、または他の方法で使用者に固定されていてもよい。顔面マスクは、使用者の頭に固定されてもよい。いくつかの実施形態において、管類は、例えば管類がＮａｆｉｏｎ（登録商標）チューブ乾燥機構を含む場合、除湿手段を備えてもよい。このような実施形態は、ＶＯ２ｍａｘ試験、嫌気性閾値同定、及びいくつかの他のフィットネス用途に使用されてもよい。

いくつかの実施形態において、デバイスは、二次経路を通して呼気を引くためのポンプを備える。ポンプは、一定の安定した流れを確保するように、二次経路を通る流量を調節する。ポンプは、定流量で動作し、呼気が一次経路を満たすときの呼気の試料か、または息吐き出し間の不感時間における一次経路の出口を介した周囲空気の試料を、二次経路を通して引く。周囲空気の測定値は、デバイスの較正に有用であり得る。

本発明のデバイスにおいて使用するための特に好ましいタイプのポンプの１つは、回転式ベーンポンプであり、なぜなら、それが、センサによる正確な測定に有利である安定した流れを、乱流を起こすことなく生み出すことができるからである。

代替の実施形態において、デバイスは、ポンプを備えていない。このような実施形態では、気体流は、代わりに、気体流経路の直径及び構成によって制御されてもよい。例えば、呼気がそれを通過するときの呼気の流量を減少させるために、より小さな直径のチューブが気体流経路に沿って使用されてもよい。

いくつかの実施形態において、デバイスは、分岐点と酸素センサ及び二酸化炭素センサとの間に位置する弁システムをさらに備える。弁システムは、二次経路を、分岐点と弁システムとの間の上流部分と、弁システムと二次経路の出口との間の下流部分とに仕切る。弁システムの構成要素は、少なくとも第１の位置と第２の位置との間で移動可能である。弁システムは、弁出口を有する。弁システムは、１つ以上の個々の弁を備えてもよく、弁システムは、少なくとも三方弁システムである。第１の位置では、弁システムの構成要素は、二次経路の上流部分が二次経路の下流部分と流体接続するように配置され、第２の位置では、弁システムの構成要素は、二次経路の上流部分が弁出口と流体接続し、二次経路の下流部分とは流体接続しないように配置されている。

弁システムは、デバイスが、いずれの呼気が二次経路内のセンサによって分析されるかを選択することを可能にし、このように、デバイスが複数のモードで動作することを可能にする。様々な動作モードが、使用者の呼吸数とは無関係に、使用者の消費酸素及び生成された二酸化炭素の測定を可能にする。

弁システムは、デバイスの動作モードを調節する。弁システムポンプが、絶えず第１の位置にあるとき（すなわち、開）、二次経路に引き込まれた呼気の試料は、分析されるために、弁システムを通って、二酸化炭素センサ及び酸素センサを含むセンサ網へと継続する。弁システムが第２の位置にあるとき（すなわち、閉）、呼気試料は弁出口に誘導される。このようにして、弁システムは、特定の呼気の試料が分析される場合に、またはそれがデバイスを出るように弁出口に誘導される場合に調節する。これにより、いずれの呼気が分析されるかについて、デバイスが選択的であることが可能になり、デバイスが様々な状況において使用されることを可能にするので、極めて有利な特徴である。例えば、使用者が休息しており、呼吸数がそれほど高くない場合（例えば、毎分約１５回の呼吸）、弁システムが開いたままになり、ひと呼気ごとに、弁システムを通過してセンサに行くことを可能にするので、デバイスは、ブレス・バイ・ブレスベースで呼気を分析することができる。しかしながら、使用者が激しく運動しており、その呼吸数がはるかに高い場合（例えば、毎分約４０〜５０呼吸）、センサの応答時間は、ブレス・バイ・ブレス分析の際、２回の連続する呼吸を正確に測定するには不十分であることがある。このように、高い呼吸数の場合、呼吸ごとに分析されるのではなく、例えば２呼吸ごと、３呼吸ごと、４呼吸ごと、またはさらに少ない呼吸が分析され得る、デバイスの異なる動作モードが採用されてもよい。このようにして、弁システムは、デバイス内で使用されるセンサの応答時間における考えられる短所を補う。好ましくは、弁システムは、この目的のために電気的に作動させられる。

いくつかの実施形態において、弁システムは、二次経路上のポンプの下流に位置付けられている。代替的に、弁システムは、ポンプの上流にあってもよい。代替的に、ポンプと弁システムとが、互いに一体であってもよい。

好ましくは、本発明のデバイスは、マイクロコントローラを備える。

マイクロコントローラは、ポンプにマイクロコントローラからの電力が供給されている場合、ポンプに電力を供給するために使用されてもよい。マイクロコントローラは、デバイスのデータ、すなわち、流量センサによって感知された流量、酸素センサによって呼気中で測定された酸素濃度、及び二酸化炭素によって感知された二酸化炭素濃度の処理を行い、この場合、これらのセンサのそれぞれが、マイクロコントローラに伝達される電気信号を生成する。マイクロコントローラは、弁システムと、弁システムが動作するモードとを制御する。マイクロコントローラは、流量センサによって測定されるに従った呼吸数に応じて、動作モードを改めるように配置され得る。

流量センサによって測定された流量は、デバイスのマイクロコントローラに送られる電気信号に変換され、マイクロコントローラは、それに従って、上に説明されたように、弁システムを制御することによってデバイスの動作モードを判定する。流量センサからの流量測定値は、マイクロコントローラに提供され、マイクロコントローラが特注のアルゴリズムを通して呼吸頻度（呼吸数）を判定することを可能にする。測定された呼吸頻度に応じて、またマイクロコントローラによって、デバイスがブレス・バイ・ブレスベースで使用者の呼気を分析するか否か（例えば、代わりに、２呼吸ごとに呼吸が分析される、または３呼吸ごとに呼吸が分析される、など）を判定するように、弁システムを制御し、すなわち、デバイスがいずれのモードで動作するかを選択する。このように、流量センサを電子作動式弁システムと同期させることにより、呼気試料は、二次経路内のセンサに、またはデバイスを出るように弁出口に誘導される。

いくつかの実施形態において、デバイスは、入口と流量センサとの間に位置付けられた一方向（非再呼吸）弁をさらに備え、それを通して、気体は、入口から流量センサの方向にのみ流れることができる。

非再呼吸弁が使用される場合、それは、例えば一次経路のマウスピースまたは顔面マスクにあってもよい。この場合、使用者は、鼻を通して吸い込み、口から吐き出さなければならない。

代替的に、一方向弁がなくてもよい。この場合、使用者は、鼻が鼻クリップで閉じられている間に、自分の口から吸い込み、吐き出すことができる。吸い込み及び吐き出しが口を通して行われる必要がある状況では、これは、非再呼吸弁なしで、マウスピースまたは顔面マスクを使用することによって実現され得る。

いくつかの実施形態において、二次流経路は、気圧センサ、相対湿度センサ、及び／または温度センサを含む。これらのセンサの信号は、周囲の気圧、相対湿度、及び温度における変化を補うために、マイクロコントローラに伝達されてもよい。これらの信号は、酸素センサ及び/または二酸化炭素センサの読み取り値が、呼気中の気体濃度の読み取り値に正確に変換されることを可能にする。それは、また、どのような湿度条件でも、どのような高度でも、またどのような気象条件でも、デバイスの使用を容易にする。

気圧センサ、相対湿度センサ、及び／または温度センサは、一次経路において、または二次経路において測定を行うように配置されていてもよい。好ましくは、それらは、二次経路において測定を行うように配置されている。

いくつかの実施形態において、１つ以上のさらなるセンサがあってもよい。例えば、アセトン、酸化窒素、硫黄化合物、ペンタン、エタノール、及び炭化水素のセンサのうちの１つ以上のセンサがデバイスにあってもよい。

アセトンセンサが、デバイスに加えられている場合、患者のグルコース濃度は、非侵襲的に監視され得る。これは、患者が日単位で自分のグルコース濃度を監視する必要があるので、糖尿病である患者にとって特に関心を引くことである。呼気に見られるアセトン濃度のレベルが血糖値と相関していることが知られている。しかしながら、個人のグルコース濃度の基線を判定することは極めて困難である。このデバイスでは、個人の代謝レベル及び／または呼吸商（ＲＱ）について収集された情報を、個人の呼気に見出されるアセトン濃度と組み合わせることによって、適切なアルゴリズムにより、基線レベルを判定することが可能である。

本発明のデバイスに酸化窒素センサが加えられている場合、デバイスは、使用者の喘息薬に関係する情報を提供することができる。息に見出される酸化窒素レベルは、喘息患者に求められる有効性及び服用量についての情報を、医師に与えることができ、この情報は、喘息患者に対して薬物治療を調節するために使用され得る。

硫黄化合物及び／または炭化水素を測定するセンサがデバイスに加えられている場合、口腔衛生についての情報、及び口臭についての情報が、デバイスの使用者に提供され得る。

ペンタンセンサ及びエタノールセンサがデバイスに加えられている場合、酸化ストレスが測定され得る。

１つ以上のさらなるセンサが、一次経路において、または二次経路において測定を行うように配置されていてもよい。好ましくは、それらは、二次経路において測定を行うように配置されている。

酸素センサ及び二酸化炭素センサと二次経路の出口との間に位置付けられた、サンプリングチャンバがあってもよい。上に考察されたセンサを含んでもよい１つ以上のさらなるセンサが、採集された息を分析するために、サンプリングチャンバの内部と流体接続していてもよい。サンプリングチャンバは、ｍＬの範囲で容積を有していてもよい。

呼気が、二次経路出口を通ってデバイスを出る前にサンプリングチャンバを通過するように、サンプリングチャンバが、二次経路の出口と直列に並んで、二次経路の一部として形成されていてもよい。
代替的に、サンプリングチャンバが、二次経路から分岐されたサンプリングチャンバ経路によって、二次経路と流体接続していてもよい。このようにして、二次経路に沿って二次経路出口に向かって通る呼気のすべてまたは採取された断片のみが、サンプリングチャンバに入る。

上に考察されたように、弁システムが存在する場合、弁システムは、サンプリングチャンバが呼気のみを採取するように構成されていてもよい。流量センサは、吸気と呼気とを検出して、区別し、それにより、吸気を弁出口に、その後は呼気をサンプリングチャンバに誘導するために必要な信号を、弁システムに送信する。

いくつかの好ましい実施形態において、デバイスは、マイクロコントローラと携帯電話または他の外部デバイスとの間の通信のための通信手段を備える。例えば、通信手段は、携帯電話との通信を可能にするための、マイクロコントローラを介したＢｌｕｅｔｏｏｔｈ接続であってもよい。デバイスは、遠隔医療モニタリングに使用されてもよい。通信手段は、マイクロコントローラによって収集されたデータが、例えばインターネットを介して、遠隔に位置するデバイスに直接送信されることを可能にする。収集されたデータは、コンピュータ、または、例えばスマートフォンアプリケーション上に表示されてもよい。代替的にまたはそれに加えて、通信手段は、例えば、ＵＳＢコネクタ、リムーバブルメモリカード、ケーブル、無線ユニット、イーサネットシールド、またはモバイルブロードバンドユニットであってもよい。

間接熱量計としての本発明のデバイスの動作は、使用者の呼気によって判定され得る、酸素消費、二酸化炭素生成、及び流量の判定に基づいている。好ましい実施形態においては、被験者がデバイスに息を吐き出すと、呼気が一次経路を満たす。一次経路に入ると、呼気の全流量は、好ましくは、瞬時に測定される。同様に、吸い込み時点で、吸気を形成する気体が分析されてもよい。

吐き出されたヒトの息は、主に（約９９％）、窒素、酸素、及び二酸化炭素から成る。Ｈａｌｄａｎｅ変換は、窒素が生理的に不活性であると仮定する。これは、吸気窒素量が、呼気窒素量と同じでなければならないことを意味する。

これは、以下の方程式から分かる。




式中、
Ｖ_Ｉ＝吸気流量
Ｖ_Ｅ＝呼気流量
Ｆ_ＥＮ_２＝呼気窒素濃度
Ｆ_ＩＮ_２＝吸気窒素濃度
Ｆ_ＥＯ_２＝呼気酸素濃度
Ｆ_ＥＣＯ_２＝呼気二酸化炭素濃度

方程式１は、窒素が不活性であり、吸気窒素量が呼気窒素量に等しいことを記述しており、これは、Ｈａｌｄａｎｅ近似である。方程式２は、呼気窒素濃度が、呼気から呼気酸素濃度及び呼気二酸化炭素濃度を引いたものの９９．０６３％に等しいことを記述している。方程式３は、吸気窒素濃度が、周囲空気中の窒素の割合である７８．０８％に等しいことを記述している。方程式４は、吸気流量、呼気酸素濃度、及び呼気二酸化炭素濃度が、デバイス内の様々なセンサから分かっている場合の吸気流速を計算するために使用される式である。

一次経路（そこで、呼気の、また必要に応じて、吸気の流量が測定される）に入った後、息の一部が二次経路に沿って誘導される。これは、上に説明されたように、一定の流量で試料を二次経路に引き下ろすための二次経路内のポンプの存在によって、補助されてもよい。二次経路に入らない呼気の残りは、一次経路の出口を介してデバイスを出る。二次経路に入らない吸気は、使用者によって吸い込まれる。

二次経路に沿って、呼気は、呼気の湿度を低減する一連のＮａｆｉｏｎ（登録商標）チューブを通過する。呼気の相対湿度は、周囲相対湿度に達するまで、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）チューブを通して低減される。代替的にまたはそれに加えて、センサ上の湿った息の結露を防ぐために、センサが暖められてもよい。

流量センサからのこの流量測定値は、上に説明されたように、マイクロコントローラに提供され、マイクロコントローラが呼吸頻度（呼吸数）を判定し、それに応じて弁システムを制御することを可能にする。

呼気の試料が弁システムを通過し、弁出口を介して排出されない時点で、それは、デバイスのセンサ網に継続する。好ましい実施形態において、デバイスのセンサ網は、流量センサ、酸素センサ、二酸化炭素センサ、温度センサ、気圧センサ、及び湿度センサを含む。温度センサ、気圧センサ、及び湿度センサは、酸素センサ及び二酸化炭素センサの測定値を補うために使用される。

酸素センサ及び二酸化炭素センサがヒトの息を測定すると、それらのセンサは、波を描写する関数に似た周期的な信号を生成する。デバイスの１つの動作方法では、酸素の波形（ｆ_ｏ２）と二酸化炭素の波形（ｆ_ｃｏ２）との２つの波形が感知され、次に、以下の方程式に基づいている、カスタマイズされて構築されたアルゴリズムによって改められる：

式中、ｃ１及びｃ２は、正の定数である。

ヒトのエネルギー消費量は、安静代謝量（ＲＭＲ）と、身体活動と、食物摂取によって誘発される熱発生とに分けられる。デバイスは、消費された酸素、及び個人によって生成された二酸化炭素を測定することができる。呼気の瞬間流量及び呼気酸素濃度Ｆ_ＥＯ_２、ならびに呼気二酸化炭素濃度Ｆ_ＥＣＯ_２を判定することによって、個人のｋＣａｌ／日での、安静時エネルギー消費量（ＲＥＥ）または安静代謝量（ＲＭＲ）が、Ｗｅｉｒ方程式によって計算され得る。



式中、
Ｖ_Ｉ＝吸気流量
Ｖ_Ｅ＝呼気流量
Ｆ_ＩＯ_２＝吸気酸素濃度
Ｆ_ＩＣＯ_２＝吸気二酸化炭素濃度
Ｆ_ＥＯ_２＝呼気酸素濃度
Ｆ_ＥＣＯ_２＝呼気二酸化炭素濃度

吸気流量は、先に説明されたように、方程式（４）によって計算される。吸気酸素濃度（Ｆ_ＩＯ_２）は、周囲空気からの吸気酸素濃度であることから、０．２００５で一定である。同様に、吸気二酸化炭素濃度（Ｆ_ＩＣＯ_２）は、周囲空気からの吸気二酸化炭素濃度であることから、０．０００３９で一定である。このように、個人のエネルギー消費量は、呼気流量（Ｖ_Ｅ）、吸気酸素濃度（Ｆ_ＥＯ_２）、及び吸気二酸化炭素濃度（Ｆ_ＥＣＯ_２）を測定することによって計算される。

個人のエネルギー消費量とは別に、以下のように定義される呼吸商を測定することが可能である：

呼吸商（ＲＱ）は、好気的代謝では、通常、０．６〜１．０である。ＲＱが０．７の値に近くなっているとき、デバイスの使用者は、脂肪を代謝している。一方、ＲＱが１．０の値に近くなっているとき、使用者は、炭水化物を代謝している。ＲＱ＝０．８の中程度の値は、使用者がタンパク質を代謝していることを示す。

間接熱量測定による代謝に加えて、様々な他の関数が、デバイスによって測定されてもよい。これには、運動中に燃焼されるカロリーを含むが、これに限定されるものではなく、その場合、運動の最中のデバイスの使用を容易にするために、顔面マスクが一次経路の一部として使用されてもよい。デバイスは、体格指数（ＢＭＩ、個人の除脂肪量の程度）を計算するのにも使用されてもよく、対応するソフトウェア（例えば、スマートフォンアプリケーション）で、使用者の履歴を追跡して、使用者の健康状態に関する結論を引き出してもよく、カプノメータとして使用されてもよく、かつ／または肺活量計として使用されてもよい。

デバイスの動作は、マイクロコントローラを通して行われ、測定されたデータは、例えばスマートフォンまたはコンピュータに送信され得る。

本発明の別の態様によれば、携帯式息分析デバイスであって、呼気の入口から出口への通過のための一次気体流経路と、入口と出口との間の分岐点において一次経路から分岐された二次気体流経路であって、出口を有する、二次気体流経路と、一次経路の入口と分岐点との間の流量センサであって、一次経路における気体流の測定を可能にするように配置された、流量センサと、を備える、携帯式息分析デバイスが提供される。これらの特徴は、上に説明されている通りである。この態様のデバイスはまた、気体用に少なくとも１つのセンサを備える。デバイスは、弁システムをさらに備え、弁システムの構成要素は、上に説明されているように、少なくとも第１の位置と第２の位置との間で移動可能であり、それが、息がセンサへ通過するのを選択的に可能にし、デバイスの様々な「モード」をもたらす。弁システムは、弁出口を備え、弁システムは、分岐点と少なくとも１つのセンサとの間に位置し、分岐点と弁システムとの間の上流部分と、弁システムと二次経路の出口との間の下流部分とに、二次経路を仕切る。

少なくとも１つのセンサは、上に説明されているように、二次経路の下流部分で測定を行うように配置されている。

本発明の第２の態様のデバイスは、二酸化炭素センサを含んでもよい。デバイスは、さらにまたは代替的に、酸素センサを備えていてもよい。これらのセンサの両方は、上に説明された通りとすることができる。

好ましくは、デバイスは、二酸化炭素センサと酸素センサとの両方を備え、上に説明されたような、使用者が自分の代謝のモニタリングのためにデバイスを使用することを可能にするための間接熱量計である。

本発明の第１の態様について上に説明されたすべてのさらなる特徴が、第２の態様にあってもよい。具体的には、第２の態様によるデバイスは、例えば、ポンプ、一次経路内の一方向弁、湿度センサ、温度センサ、圧力センサ、１つ以上のさらなるセンサ、マイクロコントローラ、及び／またはマイクロコントローラと携帯電話または他の外部デバイスとの間の通信のための通信手段を備えてもよい。

本発明の第３の態様によれば、被験者の呼気を分析する方法が提供され、この方法は、上に説明されたように、被験者が本発明の息分析デバイスに息を吹き込むステップを含む。被験者が、本発明の息分析デバイスを通して吸い込むステップを含む、被験者の吸気を形成する気体を分析する方法も提供される。

実施例１
本発明によるデバイスの一例が、図１に概略的に示されている。デバイスは、流量センサ２に接続されたマウスピース１を備える。流量センサ２は、使用者がマウスピースへ吐き出し、かつ吸い込むときの呼気及び吸気の流量を測定する。図示のデバイスでは、非再呼吸弁はなく、使用者は、デバイスで吸い込み、かつ吐き出してもよい。吸い込んでいるとき、周囲空気が、一次経路の端にある出口を通して引かれる。空気は、これにより、一次経路を２方向に通過してもよい。

一次経路１６は、マウスピース１と、流量センサ２と、一次経路を二次経路１４につなぐＴ字型コネクタ３の一部とから形成されている。Ｔ字型コネクタは、二次経路の一部も形成している。呼気の一部は、一次経路の周辺から採取され、二次経路に沿って誘導される。

呼気の試料は、二次経路にあるマイクロポンプ５によって一定流量で二次経路を通して引かれる。息が吐き出されていないとき、ポンプは、代わりに、周囲空気を、一次経路の出口を通して、この経路に引き込む。

息試料が二次経路を通して引かれると、息試料は、（二次経路の上流部分１４ａにおいて）二次経路の一部を形成しているＮａｆｉｏｎ（登録商標）チューブ４を通過する。このことは、呼気がセンサに達する前に、呼気の湿度を低減する。

流量センサ２からの測定値は、マイクロコントローラ1２に伝えられ、そこで、使用者の呼吸数が判定される。呼吸数に応じて、マイクロコントローラ１２は、すべての呼気試料か、または呼気試料の一部のみが、後続のセンサ網（二次経路の下流部分１４ｂにおける）に継続することを可能にするように、三方弁システム６を操作する。所与の呼気は、マイクロコントローラ１２によって制御される際、三方弁システム６の配置に応じて、三方弁システム６を通過して、二次経路に沿ってセンサ６に継続してもよく、または、弁出口１５を通して排出されてもよい。

弁システム６を通過するそれらの呼気試料は、センサに達する。センサには、酸素センサ７、二酸化炭素センサ８、気圧センサ９、相対湿度センサ１０、及び温度センサ１１が含まれる。１つ以上の追加のセンサ１３もあり、例えば、アセトンセンサ、酸化窒素センサ、硫黄化合物センサ、及び炭化水素センサから成る群から選択された１つ以上のセンサである。

センサのそれぞれからの測定値は、デバイスのデータ処理を行うマイクロコントローラに伝えられる電気信号に変換される。

本発明の第２の実施形態によるデバイスの一例が、図２に示されている。図２のデバイスでは、流量センサ２が、入口と分岐点との間ではなく、二次経路を含む分岐点と一次経路出口との間で、一次経路上に位置することを除いて、すべての構成要素が同じである。

実施例２−時間データ
ブレス・バイ・ブレスベースで、本発明のデバイスによって得られた酸素、二酸化炭素、及び流量の測定値の経時プロット（秒単位）が図３に示されている。酸素は、Ｏ_２（％）で測定され、二酸化炭素は、ｐｐｍで測定され、流量は、Ｌ／ｍｉｎで測定されている。

実施例３−デバイスの臨床的検証
本発明によるデバイスが、臨床環境において検証された。本明細書に説明されているデバイスの正確性を評価するために、２５人の健常被験者の代謝が、至適基準デバイスによって、また本発明によるデバイスによって同時に測定された。ＶＣＯ_２、ＶＯ_２、及びエネルギー消費量に対する値が、被験者ごとに測定された。図４〜６は、至適基準代謝評価デバイスと本明細書に説明されている間接熱量計デバイスとの間のＶＣＯ_２エネルギー消費量（ＥＥ）及びＶＯ_２の測定値における差を明示するＢｌａｎｄ−Ａｌｔｍａｎプロットを示す。図４〜６から、本発明によるデバイスが、業界の規範に従って医療グレードの精度を有すると結論付けることができる。

本発明は、特定の実施形態に関連して、説明され図示されたが、本発明が、本明細書に具体的に図示されていない多くの異なる変形形態に役立つことが、当業者には理解されるであろう。
上記の発明を実施するための形態において、既知の、明白な、または予見可能な同等物を有する完全体または要素が述べられている場合、このような同等物は、個々に明示されているように本明細書に組み込まれている。このようないずれの同等物も包含するように解釈されるべきである、本発明の真の範囲を決定するのに、特許請求の範囲を参照すべきである。好ましい、有利な、都合の良い、などとして説明されている本発明の完全体または特徴は、任意選択であり、独立請求項の範囲を限定しないことも、読み手によって理解されるであろう。さらに、そのような任意選択の完全体または特徴は、本発明のいくつかの実施形態において、得られ得る利点である一方、望ましくないことがあり、したがって、他の実施形態では存在しないことがあることを理解されたい。

Claims (22)

1. 携帯式息分析デバイスであって、
   呼気の入口から出口への通過のための一次気体流経路と、
   前記入口と前記出口との間の分岐点において前記一次経路から分岐した二次気体流経路であって、出口も有する、二次気体流経路と、
   前記一次経路の前記入口と前記分岐点との間の、または前記分岐点と前記一次経路の前記出口との間の流量センサであって、前記一次経路における前記気体流の測定を可能にするように配置された流量センサと、
   酸素センサと、
   二酸化炭素センサと、を備え、
   前記酸素センサ及び前記二酸化炭素センサが、前記二次経路に直列に配置され、その経路における前記呼気の測定を行う、携帯式息分析デバイス。
2. 前記デバイスが、間接熱量計である、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記酸素センサまたは前記二酸化炭素センサのいずれかが、熱伝導率検出器である、請求項１または２に記載のデバイス。
4. 前記デバイスを通過する呼気の湿度を低減するための除湿手段をさらに備え、前記除湿手段が、前記入口と前記酸素センサ及び前記二酸化炭素センサとの間の、前記一次または二次経路に位置付けられている、請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
5. 前記デバイスが、除湿手段を備えていない、請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
6. 前記二次経路に沿って呼気を引くためのポンプをさらに備える、請求項１〜５のいずれかに記載のデバイス。
7. 前記デバイスが、ポンプを備えていない、請求項１〜５のいずれか一項に記載のデバイス。
8. 前記分岐点と前記酸素センサ及び前記二酸化炭素センサとの間に位置し、前記分岐点と弁システムとの間の上流部分と、前記弁システムと前記二次経路の前記出口との間の下流部分とに、前記二次経路を仕切る、前記弁システムをさらに備え、前記弁システムの構成要素が、少なくとも第１の位置と第２の位置との間で移動可能であり、
   前記弁システムが弁出口を備え、
   前記第１の位置では、前記弁システムの前記構成要素は、前記二次経路の前記上流部分が前記二次経路の前記下流部分と流体接続しているように配置され、
   前記第２の位置では、前記弁システムの構成要素は、前記二次経路の前記上流部分が前記弁出口と流体接続し、前記二次経路の前記下流部分とは流体接続しないように配置されている、請求項１〜７のいずれかに記載のデバイス。
9. マイクロコントローラをさらに備える、請求項１〜８のいずれかに記載のデバイス。
10. 前記入口と前記流量センサとの間に位置付けられた一方向弁をさらに備え、それを通して気体が前記入口から前記流量センサの方向にのみ通過することができる、請求項１〜９のいずれかに記載のデバイス。
11. 湿度センサをさらに備える、請求項１〜１０のいずれかに記載のデバイス。
12. 温度センサをさらに備える、請求項１〜１１のいずれかに記載のデバイス。
13. 圧力センサをさらに備える、請求項１〜１２のいずれかに記載のデバイス。
14. １つ以上のさらなるセンサをさらに備える、請求項１〜１３のいずれかに記載のデバイス。
15. 前記１つ以上のさらなるセンサが、アセトンセンサ、窒素酸化物センサ、硫黄化合物センサ、ペンタンセンサ、エタノールセンサ、及び炭化水素センサから成る群から選択される、請求項１４に記載のデバイス。
16. 前記酸素センサ及び二酸化炭素センサと前記二次経路の前記出口との間の前記二次経路に沿って位置付けられているか、または前記二次経路に沿った任意の点で前記二次経路から分岐している、請求項１〜１５のいずれかに記載のデバイス。
17. 前記デバイスが、前記マイクロコントローラと携帯電話または他の外部デバイスとの間で通信するための通信手段を備える、請求項９〜１６のいずれか一項に記載のデバイス。
18. 前記デバイスが、以下の方程式に基づくアルゴリズムを使用し、
    
    式中、ｆо₂及びｆｃо₂は、それぞれ、前記酸素センサ及び二酸化炭素センサの測定値から判定される、酸素及び二酸化炭素の波形である、請求項１〜１７のいずれかに記載のデバイス。
19. 前記デバイスが、被験者による吸い込みに関して息の試料を分析することができる、請求項１〜１８のいずれかに記載のデバイス。
20. 被験者の呼気を分析する方法であって、前記被験者が、息分析デバイスに息を吐き込むステップを含み、前記デバイスが、
    呼気の入口から出口への通過のための一次気体流経路と、
    前記入口と前記出口との間の分岐点において前記一次経路から分岐した二次気体流経路であって、出口も有する、二次気体流経路と、
    前記一次経路の前記入口と前記分岐点との間、または前記分岐点と前記一次経路の前記出口との間の流量センサであって、前記一次経路における前記気体流の測定を可能にするように配置されている、流量センサと、
    酸素センサと、
    二酸化炭素センサと、を備え、
    前記酸素センサ及び前記二酸化炭素センサが、前記二次経路に直列に配置され、その経路における前記呼気の測定を行う、方法。
21. 前記息分析デバイスが、請求項１〜１９のいずれかに記載の特徴を有する、請求項２０に記載の方法。
22. 前記方法が、被験者による吸い込みに関して息の試料を分析するためのものでもある、請求項２０または２１に記載の方法。