JP2788036B2 - 光学的ガス分析器 - Google Patents

光学的ガス分析器

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、輻射線源、及びこの源から得られた輻射線
をガス試料を通し、分析されるガスの数に相当する数の
光学的フィルターを通して送るための手段を具えた光学
的ガス分析器で、然も、それらフィルターの各々が特定
のガスに対応する波長、特に分析されるガスによって吸
収される波長を通す、光学的ガス分析器に関する。
本発明によるガス分析器は、麻酔性ガス、例えば、ハ
ロエタン、イソフルラン及びエンフルラン、二酸化炭素
及び笑気を、特に、患者を検査し、麻酔を施すための麻
酔に関連して、測定することを主に目的とする。
〔従来の技術〕
今日のガス分析器は、４つの異なった原理に従って、
本質的に作動するものが市場に見出だされている： ａ）質量分析 ｂ）ラマンスペクトル分析 ｃ）IR分光分析 ｄ）石英結晶の質量変化 ａ）質量分析器は高価である（＞300kkr）が速く、それ
らは、全てのガスを測定し、比較的良好な精度を与え
る。それらは資格をもった操作員を必要とする。
ｂ）ラマンスペクトル分析器も高価である（100〜200kk
r）。それらはこの用途では新しい。速さ、正確さ及び
安定性については未だ報告されていない。それらは恐ら
く資格をもつ操作員を必要とするであろう。
ｃ）IRを基にした装置はもっとも一般的である。それら
比較的安く安定であり、資格をもつ操作員を必要としな
い。精度は設計による。二酸化炭素及び笑気に対して
は、今日市販されているそれら装置は消失時期（end ti
dal）測定に対しては、充分速いが、今日までその装置
は麻酔性ガスについては遅い。
ｄ）石英結晶に基づく装置は非常に安価である。それは
麻酔性ガスのためにのみ存在する。それらは速いが、残
念ながら不安定で寿命が短い。それらは、就中、例え
ば、笑気及び水蒸気の影響のために限定された精度しか
もたない。
赤外線に基づく測定装置は、分析される物質がその問
題の物質に特有な波長のIR輻射線を吸収すると言う原理
に基づいている。IR輻射線は、大きな波長範囲に亘って
連続的に輻射線を発する輻射線源によって発生させる。
例えば、光学的フィルターを利用して、正確な波長を選
択し、その輻射線を、比例した電気信号に入射輻射線エ
ネルギーを変えるIR検出器によって検出する。ある物質
を分析するための波長の選択は非常に重要であり、精度
及び速さの如き装置特性にとって全く決定的なものにな
る。実際上、その選択は、存在する幾つかの物質が、選
択された波長で又はその近くで吸収するかどうか、又こ
の波長の輻射線を特定の精度条件まで測定することが技
術的にも経済的にも可能であるかどうかによって支配さ
れる。
今日存在する二酸化炭素及び笑気のためのIR装置は、
これら物質のための性能に関する改良が殆んど不可能に
なる程最適にされてしまっている。
麻酔性ガスに対しては、事情は異なっている。適当な
商業的IR検出器がないことは、ガスが非常に低い吸収性
をもつ場合、これらガスのためのIR装置を短い波長で操
作させる結果になっている。このことは、装置が大きな
試料体積を必要とし、従って遅くなることを意味する。
更に分析されるガス中の水蒸気によって測定が乱されて
いる。
しかし数年前から、ガスがはるかに一層強く吸収する
場合、一層長い波長で測定を可能にする検出器が市販さ
れてきた。従って、これらの波長を利用する測定器は、
必要な試料体積が非常に少なく、従って速くすることが
できる。
消失時期測定のために、測定装置は、あるやり方で、
吐息段階が終わりに近付く時を示す情報を受けなければ
ならない。この情報は、二酸化炭素含有量の測定によっ
て得ることができ、消失時期の二酸化炭素含有量を測定
する測定器は、長い間知られてきた〔カプノメーター
（capnometer）、カプノグラフ（capnograph）〕。しか
し、二酸化炭素測定器を通過すると、試料ガスは混合さ
れ、直列に接続された麻酔性ガスメーターは、段階がず
れて不正確な試料を受け、即ち記録された曲線は、輪郭
の歪みを受けるであろう。
〔本発明についての記述〕
本発明は、輻射線源と、この源から得られた輻射線を
試料、及び分析されるガスの数に相当する数の光学的フ
ィルターで、その各々が特定のガスに対応する波長、特
にそれによって吸収される波長を通すフィルターを通
し、分析されるガスの数に相当する数の検出器へ伝達す
る手段とを具えた光学的ガス分析器に関する。
特に本発明によるガス分析器は、各検出器中でガス濃
度を同時に測定するために、ガス試料が通過した後、輻
射線行路を分割するための手段を特徴とする。
本発明によるガス分析器は、就中、患者が吸い込んだ
空気及び（又は）吐いた空気中の麻酔性ガスを測定する
ことを特に目的としたものである。従って、光学的フィ
ルターは、3.8〜５μと、８〜14μの間だけの波長を通
すように選択され、即ちそれより長いか又は短い波長、
或は両者の間に入る波長はいずれも通さないように選択
されている。
このようにして、呼吸する空気中の水分が各測定結果
に影響を与えないようになっている。何故なら水蒸気は
排除された領域内に実質的な吸収領域を有するからであ
る。
麻酔ガス、例えば、ハロエタン、イソフルラン及びエ
ンフルランを測定する際、8.81μの波長を透過すること
ができるフィルターを、特にN2O及びCO2ガスによって吸
収される波長、好ましくは夫々3.90μ及び4.26μの波長
を透過することができるN2Oフィルター及びCO2フィルタ
ーと組み合わせて選択される。
しかし、ここでN2O含有量は、麻酔性ガスのための測
定結果に影響を与えることがあり、このため、麻酔性ガ
ス検出器によって記録されたN2Oによって起こされた吸
収を、N2O検出器で同じ時間で得られた測定値の関数と
して補正するための適当な手段が与えられている。
輻射線行路を分割するための手段は、好ましくは分析
されるガスの数に相当する数の同等な光束に行路を分割
する鏡構造からなるのが適切である。しかし、他の構造
体、例えば、収集光学レンズを用いることもできること
は当業者に明らかであろう。但し、それらのレンズは選
択された波長を通すものとする。
本発明の主題の実際的態様として、分析されるガス
は、輻射線行路中に置かれた輻射線に対し透明な例え
ば、CaF2（フッ化カルシウム）の二つの窓をもつセル等
を通過させる。適当な材料の別の例としてBaF2（フッ化
バリウム）、CdTe（テルル化カドミウム）、Ge（ゲルマ
ニウム）及びZnS〔硫化亜鉛−イトラン（Itarn）II〕を
挙げることもできる。
部品例えば、フィルター、鏡、レンズ及び検出器の温
度を、輻射線行路中に配列したこれらの部品のための保
持器の温度と一緒に一定に保つための手段が備えられて
いるのが好ましい。同時に、分析されるガスの温度を、
中に存在する水蒸気の露点より高い一定温度に維持する
ことも目的として行われる。
本発明によるガス分析器の好ましい態様として、ガス
分析器には、分析されるガスを輻射線行路中を通して連
続的に送るための手段、及び断続的測定値を得るために
輻射線行路を規則的に遮断するための手段例えば回転隔
膜が配備されている。
麻酔処置中の患者を見守るため、夫々のガスの消失時
期測定値を決定する努力が行なわれている。このため本
発明によるガス分析器には、各吐息段階の終わりを決定
するためのCO2検出器で得られた測定値を利用するため
の手段が適切に配備されている。例えば、分析器中に備
えられているマイクロコンピューターを、それらが各吐
息段階の終点を示すように、プログラムすることができ
る。
輻射線源は、大きな波長範囲に亘って連続的輻射線を
発するIR源、例えば、白熱フイラメントからの熱線を吸
収し、このようにして加熱され、希望の輻射線を放出す
る石英ガラスの包みをもつ熱ランプからなるのが適切で
ある。この輻射線は、もし熱源が酸化された外表面をも
つ薄い金属包み、例えば鋼又は真鍮、好ましくは黒色ニ
ッケルメッキ真鍮によって一番外側が囲まれているなら
ば、希望の波長範囲内で増幅することができる。
〔本発明の最良の実施態様〕
第１図は、本発明によるガス分析器中の輻射線行路を
概略的に例示する図である。左側には円筒状輻射線源
（１）が示されており、それは例えば、加熱された物体
からなっていてもよい。その源からの輻射線は回転する
隔膜（２）を通り、その隔膜は、適当な時間で輻射線を
切る（検出原理による）。然る後、輻射線は円錐状セル
（３）を通り、そのセルは実際の輻射線に対し透明な二
つの窓（４）及び（５）によって境界が定められてい
る。分かり易くするため、窓（４）はセルの残りの部分
から離して示されている。数字（６）は、検査されるガ
ス混合物のための入口を指し、（７）は同じ物の出口を
指す。
セル（３）からの輻射線は、更に三区画鏡（８）へ更
に送られ、その鏡は、最初の光束（９）を３つの部分光
束（9a、9b、9c）に分割し、夫々３つのフィルター（10
a、10b、10c）を通して送り、更にそれから３つの検出
器（11a、11b、11c）へ送る。
図示したガス分析器は、麻酔性ガスの測定に用いられ
る場合、検出器（11a）はCO2検出器から構成されている
のが好ましく、フィルター（10a）はCO2に対応する波長
4.26μを通過させる種類のフィルターである。同じやり
方で、同時に検出器（11b）は、Ｎ2Ｏ検出器からなり、
フィルター（10b）は、それに対応する波長、例えば、
3.90μの波長を通すように選択される。最後に検出器
（11c）は用いられた麻酔性ガスの実際の測定のために
用いられる。そのような場合、フィルター（10c）は、
それに対応する波長、例えば8.81μの波長を通過させる
ように選ばれる。
第１図は、分かり易くするため、異なったフィルター
及び検出器が別々の単位装置として示されている。それ
らは、３つの単位装置、即ち各波長に対し一つの単位装
置に分ける代わりに、一緒に作るのも適切である。
鏡の各部分（8a、8b、8c）は夫々120゜の扇形部分と
して設計されている。更にそれら鏡の部分は、各凹みに
関して離れた軸を有し、従って、それら凹みの窓は、円
の周辺に３つに描かれている。このようにして輻射線
は、容易に各フィルターを通り、各検出器へ送られ、各
ガスの量を同時に読むことができる。
分析波長 二酸化炭素のために唯一つの実際に有用な波長即ち4.
26μが存在する。N2O、即ち笑気に対しては、幾つかの
ものが存在する。技術的な理由からここでは3.90μの波
長が用いられるのが好ましい。３種類の麻酔性ガスに対
し、非常に多くのの波長が存在し、それらは原理的には
用いることができる。水蒸気による干渉をさけ、できる
だけ小さな試験体積にすることができるように、8.81μ
の波長が適切である。更にこの波長は、前述の３種類の
麻酔性ガス全てを分析するのに用いることができる利点
を有し、それにより設計を一層安価にすることができ
る。分析は、笑気によってわずかに乱され、そのためそ
のガスは補償のため別個に測定されなければならない。
この補償がどのように行なわれるかは次に詳細に記述す
る。笑気ガス含有量も直接臨床上重要なものである。
検出器 数年前までこの種の装置では、適切な検出器が存在し
ていなかったため、５μを越える波長での測定は、実際
上不可能であった。パイロ電気検出器が現れるようにな
って事情が変わり、麻酔性ガスが強く輻射線を吸収する
波長での測定もできるようになった。
光学的素子 ３つの波長で測定するため、ガス試料を含むセルを通
過する輻射線は、３つのフィルター・検出器系に分割さ
れなければならない。時間的分割と空間的分割とは区別
することができる。本発明に従い、空間的分割が用いら
れ、鏡の３つの部分の各々は、全輻射線のそれらの部分
を各検出器の方へ送る。
鏡のそれら部分は、IR源からの輻射線を立体角に亘っ
て収集する仕事を果たす。パイロ電気検出器は多くの雑
音を生ずるので、それらは多くの信号を生ずる。このこ
とは、消失時期測定に必要な迅速な検出に特に重要であ
る。検出器に当たる輻射線の量は、検出器が光源を見る
立体角、即ち鏡が輻射線を収集する立体角に直接比例す
る。鏡の３つの部分は、機能的に別々の単位装置である
が、例えば、プラスチックの注型又は圧搾成形、アルミ
ニウムのダイヤモンド切削或はガラスのプレスにより、
一つの部品として製造してもよい。
輻射線源 輻射線源として、約12Wで操作される通常の12V/20Wハ
ロゲンランプからなっていてもよい熱輻射体を用いるの
が好ましい。ランプの包みは、白熱フイラメントからの
全てのIR輻射線を吸収し、加熱される石英ガラスからな
っていてもよい。包みは今度は、輻射のプランクの法則
に従い、一層長い波長の輻射線を発生する。実際の輻射
線源を構成するのはこの熱ガラス包みである。この源
は、ELIZAの名前で本出願人によって売り出されているC
O2分析器では、現在この形で用いられている。しかし、
残念ながら石英は、特定の波長で放射係数が比較的低
く、従って輻射線源は、例えば8.8μの波長では、全く
効果がなくなる。しかしある金属酸化物が赤外線で高い
発散効率を有することが知られている。従って、もし石
英包みを表面が酸化された薄い金属の包みで取り囲むな
らば、輻射線源の効率は上昇させることができる。この
包みは、炎又は化学的に酸化された0.5mmの肉厚を有す
る管から構成されていてもよい。真鍮及びステンレス鋼
を用いて成功した実験が行なわれており、両者は、輻射
効率を8.8μで2.5〜2.7倍、4.25μで約1.5倍に増大して
いる。対応する改良及びむしろ一層よい結果が黒色ニッ
ケルメッキ真鍮を用いて得られるはずである。
干渉の補正 第３図には、もし麻酔性ガス（AA）が例えば、ハロエ
タン、イソフラン及びエンフランからなるならば、それ
らガスの分析を笑気ガス（N2O）がどのように乱すかを
例示した概略的なスケッチが示されている。AAが吸収す
る波長範囲を分離するのに用いられるフィルターは、残
念ながらN2Oが吸収する範囲の一つの小さな部分を透過
させる。従って、Ｎ2Ｏ含有量の変化は、フィルターを
通る透過率に影響を与え、AA含有量の変化として解釈さ
れ、従って、補正されなければならない。
補正は、次のことに基づいている： １）Ｎ2Ｏ検出器で同時に測定することにより、Ｎ2Ｏ
含有量が知られている。
２）AA測定に対するＮ2Ｏの影響は、例えば、既知の
Ｎ2Ｏ含有量をもつガス混合物による補正基準により定
量的に決定することができる。
どのように補正が行なわれるかについての技術的な記
載を次に行なう。簡単にするため、ここでは、吸収率の
大きさと濃度の大きさとの間には、直線関係があると仮
定する。
ビア・ランバート（Beer・Lambert）の法則 吸収剤＝Ax＝log（Io/I）＝ax・［ｘ］ Io＝輻射線行路中のＯ2による強度 Ｉ＝輻射線行路中の試料による強度 ａx＝物質ｘのための補正係数 ［ｘ］＝物質ｘの濃度 Ax＝物質ｘによる吸収率 吸収率は加法的である。もし幾つかの物質が吸収するな
らば、次のようになる： 麻酔性ガスチャンネル（channel）（AA）では、ガスAA
及びＮ2Ｏが吸収し、次のようになる： 笑気チャンネル（Ｎ2Ｏ）では、Ｎ2Ｏだけが吸収し、次
のようになる： 材料AAの分析の場合には、求めたいものは［AA］であ
る： 〔本発明の主題の実施態様〕 第２図には、幾らか一層詳細であるが、依然として概
略的に、本発明の主題の実際的態様が示されている。こ
こでは、第１図の如く対応する部品については同じ参照
番号が用いられている。従って、用いられた輻射線源は
（１）で示されており、回転隔膜は（２）で示されてい
る。同様に、セルは、（３）、その二つの窓は夫々
（４）及び（５）で示されている。分析されるガス混合
物は、入口（６）を経て導入され、点（７）として記さ
れた出口を経て放出される。用いられた鏡は（８）とし
て示されており、それは部分（8a、8b、8c）を有する。
輻射線行路は、鏡部分（8c）についてのみ記されてお
り、その部分は、輻射線のそれに対応する部分をフィル
ター（10c）を経て検出器（11c）へ向ける。
セル、鏡、フィルター及び検出器は、固い包み（12）
中に配列されており、その包みは、就中、温度を一定に
保つこと及び特定の部品の確実で正確な配置を可能にす
る隔離管（13）を具えている。隔離管（13）の周りに
は、薄い加熱用箔（14a）が巻かれている。これは一方
では、解離管（13）及びその中に囲まれている部品を加
熱し、他方では、検査されるガスのための該箔の外側に
巻かれた配管（14）を加熱し、それによってガスは適切
な温度へ加熱される。数字（15）は回転隔膜（２）のモ
ーターを示し、（16）は冷却用フランジを示す。数字
（17）は隔膜（２）のための保護体を示し、（18）は増
幅器（19）へ接続された象徴的に示された回路版を示
す。回路版（18）は希望の測定過程を制御するためのマ
イクロコンピューター（図示されていない）であるか又
はそれに接続されている。最後に数字（20）は熱源
（１）のための保持器、例えば、標準的セラミック保持
器を示している。測定セル中に配置された圧力計は（2
1）で示されている 本発明は上記態様にだけ限定されるものではなく、特
許請求の範囲内で変えることができる。例えば、個々の
部品の形や設計は広い範囲以内で変えてもよい。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明によるガス分析器の輻射線行路を概略
的に示す図である。 第２図は、幾らか一層詳細ではあるが依然として概略的
に示した本発明によるガス分析器の図である。 第３図は、麻酔性ガス及びN2Oのための吸収曲線及び本
発明により各ガスのために用いられたフィルターの透過
率曲線を示す図である。 １……輻射線源、２……回転隔膜、３……セル、４、５
……窓、８……鏡、10a、10b、10c……フィルター、11
a、11b、11c……検出器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 21/17 - 21/61

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ハロエタン、イソフルラン及びエンフルラ
    ンなどの麻酔性ガス測定用光学的ガス分析器であって、 （ｉ）輻射線源（１）、 （ii）この輻射線源から得られた輻射線を、ガス試料及
    び分析されるガスの数に相当する数の光学的フィルター
    （10a、10b、10c）を通して、分析されるガスの数に相
    当する数の検出器（11a、11b、11c）へ伝達するための
    手段であって、しかも、該フィルターは、各々特定のガ
    スに対応する波長、特にそのガスによって吸収される波
    長を透過させる、前記の手段、及び （iii）各検出器中のガス濃度を同時に測定する目的
    で、輻射線行路を、ガス試料を透過した後、分割するた
    めに備えられている手段（8a、8b、8c）、を具えてお
    り、 （iv）前記フィルターが、８〜14μの間だけ，好ましく
    は8.81μだけ，の波長を通すフィルター（10c）、及び
    3.8〜５μの間だけ，好ましくはそれぞれ3.90μ及び4.2
    6μだけ，の波長を通すN2Oフィルター（10b）及びCO2フ
    ィルター（10a）であり、 （ｖ）それにより、水分が各測定結果に影響を与えず、 （vi）前記輻射線源から得られた輻射線は、１回の反射
    で光学的フィルターを通る、 ことを特徴とする前記の光学的ガス分析器。
  2. 【請求項２】麻酔検出器（11c）に記録された吸収を、N
    2O検出器（11b）に記録された吸収に依存して補正する
    ための手段（18）を更に具えていることを特徴とする請
    求項１に記載のガス分析器。
  3. 【請求項３】輻射線行路を分割するための手段（８）
    が、分析されるガスの数に相当する数の好ましくは等し
    い光束へ輻射線行路を好ましくは分割する鏡構造体から
    なることを特徴とする請求項１に記載のガス分析器。
  4. 【請求項４】輻射線行路中に置かれた、輻射線に対し透
    明な、例えばCaF2（フッ化カルシウム）の二つの窓
    （４、５）をもつセル（３）等を通して、分析されるガ
    スを送るための手段を更に具えていることを特徴とする
    請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス分析器。
  5. 【請求項５】部品、例えばフィルター、鏡及び検出器の
    温度を、輻射線行路中に配列したこれらの部品のための
    保持器の温度と一緒に一定に保ち、好ましくは分析され
    るガスを、中に存在する水蒸気の露点より高い一定温度
    に維持するための手段（14、18）を更に具えていること
    を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス
    分析器。
  6. 【請求項６】分析されるガスを輻射線行路中を通して連
    続的に送るための手段（６、７）、及び断続的測定値を
    得るために輻射線行路を規則的に遮断するための手段例
    えば回転隔膜（２）を更に具えていることを特徴とする
    請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス分析器。
  7. 【請求項７】吐息段階の終わりを決定するためのCO2検
    出器で得られた測定値を利用するための手段（18）を更
    に具えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか
    １項に記載のガス分析器。
  8. 【請求項８】輻射線源（１）が、大きな波長範囲に亘っ
    て連続的輻射線を発するIR源、例えば白熱フィルメント
    からの熱線を吸収し、このようにして加熱され、その結
    果、今度は希望の輻射線を放出する石英ガラスの包みを
    もつ熱ランプからなることを特徴とする請求項１〜７の
    いずれか１項に記載のガス分析器。
  9. 【請求項９】熱源が、酸化された外表面をもつ薄い金属
    包みによって一番外側が囲まれていることを特徴とする
    請求項８に記載のガス分析器。
  10. 【請求項１０】金属包みが鋼又は真鍮、好ましくは黒色
    ニッケルメッキ真鍮からなることを特徴とする請求項９
    に記載のガス分析器。
  11. 【請求項１１】分析されるガス試料中に配列された圧力
    計（21）を更に具えていることを特徴とする請求項１〜
    10のいずれか１項に記載のガス分析器。
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