JP3225938U - 改良された呼気サンプリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒト被験者から呼気サンプルを採取するための装置を提供する。【解決手段】プリント制御基板１００が、装置のマスク部上に搭載されている。制御基板は、ＣＰＵ１０２と、Ｏ２センサ１０４と、圧力センサ１０６と、バルブ１０８と、を含む。また、制御基板上に遠位に配置されているのは、３つの直交軸のそれぞれにおける制御基板１００の角変位を検出することができるＭＥＭＳジャイロスコープチップ１１０である。ジャイロスコープチップ１１０は制御基板上に遠位に配置されているため、被験者の頭部のあらゆる角変位がチップ１１０の最大変位を生じさせる。ＣＰＵ１０２は、センサ１０４、１０６からの信号に応答して、バルブ１０８の開放及び閉鎖を制御し、被験者の呼気の選択的なサンプリングを可能にする。マスク部のＣＰＵ１００は、ｐｃ、ラップトップ、又はタブレット１１４などの外部デバイスのＣＰＵ１１２と有線リンク又は無線のいずれかによって通信する。【選択図】図２

Description

本発明は、改良された呼気サンプリングデバイス、及び改良された呼気サンプリングデバイスを用いて被験者から呼気のサンプルを得る方法に関する。

メタボロームは全身の代謝プロセスにより発生する小分子の集合体である。遺伝子発現又はタンパク質活性における比較的小さな変化が二次代謝物質の濃度に非常に大きな影響を及ぼし得るため、メタボローム解析はバイオメディカル用途において魅力が高い。これら代謝物質の大部分は揮発性物質である。これらバイオマーカーは、呼気、尿、糞便、及び皮膚を通して排泄され、非侵襲的アクセスを提供することから、健康及び疾病において特に関心が持たれている。揮発性バイオマーカー（ＶＢ：ｖｏｌａｔｉｌｅ ｂｉｏｍａｒｋｅｒ）は、揮発性有機化合物（ＶＯＣ：ｖｏｌａｔｉｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）及び揮発性無機化合物（ＶＩＣ：ｖｏｌａｔｉｌｅ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）の両方からなる。健康及び疾病に関連するＶＢの例としては、アルカン、アルケン、アセトン、イソプレン、ＮＯ、ＣＯ、及びアルデヒドが挙げられる。

定義上、有機体の機能のあらゆる変化は細胞代謝を変化させる。したがって、このことはメタボローム及びその揮発性部分に影響を及ぼす。したがって、生じるＶＢの変化は、広範な通常の生理学的及び病態生理学的プロセスを評価するためのバイオマーカーとして機能し得る。

上記に鑑み、１つ以上のバイオマーカー又は他の分析物を解析し、検出するために被験者から呼気のサンプルを得ることに関心がある。患者から呼気サンプルの捕捉を容易にするための装置は知られており、特定の例として、米国仮特許出願第６２／３２７，２００号明細書及び国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５００９４号明細書に記載されているものが挙げられる。これらは本願の出願日には未公開のため、国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５００９４号明細書の明細書の複写物を参照のために本明細書に添付する。

国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５００９４号明細書に開示されているデバイスは、被験者から呼出された呼気を捕捉するために、使用時に被験者の口及び鼻の上に配置されるマスク部を含む。

国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５００９４号明細書に開示されている呼気サンプリング装置は、多くの点で、従来入手可能であった呼気サンプリング装置を大幅に改良したものである。しかしながら、本出願人は、国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５００９４号明細書に開示されているデバイスに関連する課題を発見した。

呼気サンプリング期間の最中に被験者の頭部が胸部に向かって前方に傾斜した場合、被験者の気道が狭窄する傾向にあり、呼出空気の流れを制限する。このことは、サンプリング期間中に装置が必要量の呼気を必ずしも採取するわけではないことを意味し得る。（説明として、低濃度のバイオマーカー又は他の分析物を検出しようとする場合、十分量の採取呼気を得るためにおそらくは１０分もの長時間のサンプリングが必要な場合があるほどに被験者の呼気中の対象となるいくつかのバイオマーカー又は他の分析物の濃度が非常に低くなる場合がある）。

更に、本出願人は、被験者の頭部が相対的に大きく前方に傾斜した場合、被験者の顔面に対するマスク部の密着性が損なわれる場合があり、マスクと被験者の顔面との間に周囲空気が漏れ、呼気サンプルが希釈されることを見出した。

本発明はこれら課題を改善する又は克服することを目的とする。

第１の態様において、本発明は、ヒト被験者から呼気サンプルを採取するための装置であって、被験者から呼出された呼気を採取するために、使用時に被験者の口及び鼻孔の上に配置されるマスク部を少なくとも含み、マスク部の運動を検出するための運動検出手段と、警報信号発生器であって、呼気サンプルの採取中、被験者の頭部が許容方向の所定範囲外にある場合、しかし、被験者の頭部が定められた時間又はかなりの時間にわたり許容方向の所定範囲外にあった後で初めて警報信号を発生させる警報信号発生器と、を更に含む、装置を提供する。

好ましくは、マスク部は、被験者の顔面と実質的に気密シールを形成するように成形及び構成されている。これを容易にするために、マスク部は、ゴムなどの弾性変形可能材料又は合成ゴム（例えばシリコーンゴム）などの合成プラスチック材料で形成されていることが好ましい。

呼気サンプリング装置は、運動検出手段以外は、全般的には国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５００９４号明細書に記載されているようなものであり得る。

運動検出手段はマスク部の相対運動を検出してもよい、又はマスク部の絶対運動を検出してもよい、又はマスク部の相対運動及び絶対運動の両方を検出してもよい。より具体的には、好適な実施形態では、運動検出手段は、少なくとも１つの軸、好ましくは少なくとも２つの直交軸、最も好ましくは３つの直交軸におけるマスク部の角変位を少なくとも検出する。いくつかの実施形態では、運動検出手段は角変位のみを検出し、任意の他の種類の運動（並進運動など）は検出しない。マスク部は、通常、被験者の顔面上にしっかりと配置され、被験者の顔面に対して通常は動くべきでないため、運動検出手段による運動の検出は、被験者の頭部の運動（即ち少なくとも角変位）を典型的には示すことは理解されよう。

説明として、いくつかの実施形態では、運動検出手段は加速度計を含んでもよい。他の実施形態では、運動検出手段はジャイロスコープ、より具体的には微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープセンサを含んでもよい。本発明の装置への取り付けのためにプリント回路基板等上に搭載され得る集積超小型回路上に組み込まれた多くの異なるＭＥＭＳジャイロスコープセンサデバイスを利用可能である。

運動検出手段は、最も好ましくは呼気サンプリング装置のマスク部上に搭載される、さもなければ呼気サンプリング装置のマスク部内に物理的に組み込まれる。

好ましくは、運動検出手段はジャイロスコープセンサチップの形態を取る又はジャイロスコープセンサチップを含み、ジャイロスコープセンサチップは、マスク部の３次元位置をリアルタイムで決定することができる。好都合には、ジャイロスコープセンサチップは、サンプリング装置のマスク部の本質的な部分を形成するプリント回路基板上に搭載されている。市販されており、本発明の装置での使用に好適な多くの異なるジャイロスコープセンサチップデバイスがある。好適なチップの例は、Ｆａｒｎｅｌｌ（ｈｔｔｐ：／／ｕｋ．ｆａｒｎｅｌｌ．ｃｏｍ／ｍｅｍｓ−ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ）からオンラインで入手可能である。

被験者による所与の角度の頭部運動（特に、頭部の前方及び下方傾斜運動）においてジャイロスコープセンサチップの変位が最大になるように、チップは被験者の頭部から遠位にあるマスク部の部分に配置されていることが好ましい。

ジャイロスコープセンサがＰＣＢ等に配置される場合、マスク部内でＰＣＢを再配置することは容易ではない又は望ましくない可能性がある。この場合、ジャイロスコープセンサは被験者の頭部から遠位にあるＰＣＢの部分に少なくとも配置されることが望ましい。

ＭＥＭＳジャイロスコープデバイスは、直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸におけるその方向に関する情報を、他の特徴の参照を必要とすることなく且ついかなる較正も必要とすることなく提供することができる一方で、加速度計はこれを提供することができないため、ＭＥＭＳジャイロスコープデバイスは加速度計よりも好ましい。したがって、加速度計は、Ｘ、Ｙ、及びＺの事前設定値の範囲内における位置を決定することができるように、好ましくは、各呼気サンプリング被験者について、使用前に較正される必要がある。

本発明の装置は警報信号発生器を含む。警報器は、警報信号に応答して、視覚警報若しくは聴覚警報を提供してもよい、又は視覚警報及び聴覚警報の両方を提供してもよい。望ましくは、警報信号発生器はまた、マスク部内のＰＣＢ上に搭載される（典型的には、運動検出手段が好ましくは搭載されているのと同じＰＣＢ）が、警報器は、本質的に、マスク部、又はコンピュータのモニタ、ラップトップ若しくはタブレットコンピュータ等などの、装置の遠隔に位置する構成要素に設けられてもよい。

警報信号発生器は、運動検出手段から出力された情報が、装置と動作的に関連付けられたデジタル電子メモリに好ましくは記憶された許容位置の所定範囲外の位置に被験者の頭部が移動したことを示すと警報信号を発生させる。好都合には、例えば、装置は、被験者の頭部の方向の３次元における事前設定又は所定値範囲（Ｘ値、Ｙ値、Ｚ値）を含み、これら所定許容値範囲は、ＭＥＭＳジャイロスコープセンサデバイスのメモリ内、又はマスク部内のＰＣＢ上に搭載された異なるメモリ構成要素上に、又は更には、マスク部と動作的に関連付けられた（例えば、有線信号接続又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）により無線で又は他の無線信号接続を介してマスク部と通信する）リモートメモリ構成要素（例えばコンピュータ）上に記憶されてもよい。

警報信号は、少なくともかなりの時間又は所定の時間にわたり被験者の頭部が許容方向の所定範囲外に留まった場合にのみ発生する。これは、許容方向の範囲を超える被験者の頭部の瞬間的な運動により警報がトリガーされるのを防止するためである。例えば、所定の時間は、３秒、４秒、５秒、６秒、７秒、又は８秒のいずれか、好ましくは約６秒であってもよい。あるいは、かなりの時間は、例えば、被験者が２回の呼気サイクルを完了するのにかかる時間であってもよい。

好適な実施形態では、装置には、警報信号の発生をもたらす、かなりの時間又は所定の時間にわたるＸ、Ｙ、及びＺそれぞれの許容事前設定値と、Ｘ、Ｙ、及びＺの事前設定値のいずれか１つからの所定許容マージンを超える偏差とがプログラムされている、さもなければ提供されている。

所定許容マージンは、簡略化のためにＸ、Ｙ及びＺのそれぞれについて同じであってもよい、又は方向の１つ以上は異なる所定許容マージンを有してもよい。一実施形態では、Ｘ、Ｙ、及びＺのそれぞれは、事前設定値から２０°偏差の所定許容マージンを有し、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向のいずれか１つにおけるこの量を超える偏差は、警報信号発生を引き起こす。

聴覚警報は電子ブザーを含んでもよい。視覚警報は、１つ以上の警告ＬＥＤ、又はＬＣＤ若しくは他の電子ディスプレイスクリーン上の表示を含んでもよい。警報がどのように示された場合でも、被験者がその頭部を許容方向に戻すことが必要であることをユーザに促す、又は被験者が警報の重要性について既に説明を受けている場合には被験者にその頭部を許容方向に戻すことを直接促してもよい。運動検出手段は被験者の頭部の修正運動を検出し、これにより被験者の頭部を直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の値の許容範囲内の方向に戻すと警報信号発生は解除され、警報はオフにされる。

本発明のいくつかの実施形態では、被験者の頭部が所定の時間又はかなりの時間にわたり許容位置の所定範囲外にあった後に初めて警報信号が発生するのと同様に、警報信号は、被験者の頭部が許容位置の所定範囲に戻り、所定の時間又はかなりの時間にわたり（例えば、約６秒間、又は被験者が２回の呼気サイクルを完了するのにかかる時間）この範囲内に留まった後に初めてオフにされてもよい。

運動検出手段は、患者の気道内の気流を妨げる可能性のある最適以下の位置への被験者の頭部の運動を検出することに加えて、任意選択的に、被験者が咳若しくはくしゃみをしたかどうか又は咳若しくはくしゃみをしたときを特定するためにも使用してよい。そのようなイベントはサンプリング装置のマスク部内の圧力の顕著な変化を引き起こす可能性があるため、そのようなイベントを特定することは有用である。これらは装置により行われる読取り及び呼気サンプリングの動作に望ましくないように影響し得る。したがって、被験者のくしゃみ又は咳などのイベントに対応するデータストリーム中のデータ点は無視することができ、より信頼性が高く且つ一貫した呼気サンプリングを可能にする。

第２の態様において、本発明は、被験者から呼気サンプルを採取する方法であって、本発明の第１の態様による呼気サンプリング装置の使用を含む、方法を提供する。より具体的には、方法は、前述の装置のマスク部を被験者の顔面に取り付けることと、被験者により呼出された呼気を採取することと、を含む。典型的には、サンプリング期間は被験者の複数の呼気サイクルにわたり、少なくとも２分間、好ましくは少なくとも５分間、多くの場合は１０分以下の間継続してもよい。

本発明の様々な特徴を例示によって及び添付の図面を参照してここで更に説明する。

本発明による呼気サンプリング装置のマスク部の一実施形態の断面図である。 本発明による装置の一実施形態の構成要素のいくつかを示す概略図である。

一実施形態において、本発明の第１の態様による呼気サンプリング装置は全般的には国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５００９４号明細書に記載されているようなものであり、その複写物を本明細書に添付する。

図１を参照すると、呼気サンプリング装置は、図１に断面図で示されるマスク部１０を含む。使用時、マスク部は伸縮自在なバンド等によって被験者の顔面に取り付けられる。マスク部は、軟質で弾性の変形可能合成プラスチック材料（例えばシリコーンゴム）で形成された密閉部８０を含み、被験者の顔面に押し当てられると、被験者の皮膚との気密シールを主に形成し、サンプリング容積１２に周囲空気が実質的に入らないようにする。密閉部８０は、被験者により呼出された呼気がサンプリング容積１２に入るように被験者の口及び鼻孔を覆う。

マスク部１０は、
被験者の呼気中に含まれる揮発性物質を捕捉するための吸収剤管（２０）と、ＣＯ_２及び圧力センサ２２と、交換可能な細菌フィルタ２４と、清浄空気供給源２６と、ポンプ２８と、マスク部１０の前述の主要構成要素の動作を制御するための制御基板３０と、を更に含む。

特に、制御基板３０上に搭載されているのはＭＥＭＳジャイロスコープセンサ３２であり、ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ３２は、制御基板、ゆえにマスク部１０全体の３次元における方向を決定することができる。

ジャイロスコープセンサ３２以外のマスク部の様々な構成要素の動作は、全般的には国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５００９４号明細書に記載されているようなものである。

ジャイロスコープセンサ３２は、被験者の頭部から遠位にあるように制御基板３０上に配置されている。特に、センサ３２は、被験者の頭部から最も遠い制御基板の部分に又はその近傍に配置されている。このようにして、被験者の頭部の所与の角運動に対するセンサ３２の運動は最大になる。

使用時、ジャイロスコープセンサ３２の測定値は、最初の２５秒間の「トレーニング期間」中及び装置の通常のサンプリング動作中の両方において毎秒１回記録される。トレーニング期間は、被験者の上気道又は下気道のいずれかから（それぞれの呼気中の）空気を選択的に引き込むことができるように各ポンプが使用する適切なトリガーポイントを（圧力センサのデータを基に）決定するために使用される。

直交Ｘ／Ｙ／Ｚ軸の観点における被験者の頭部の最適な方向は、ＭＥＭＳジャイロスコープセンサメモリ内、又はコンピュータのメモリ内のいずれかにおいて事前設定される。

動作中、Ｘ軸、Ｙ軸、又はＺ軸のいずれかにおける被験者の頭部の方向が少なくとも２回の呼気サイクルの期間又は６秒間にわたり最適な事前設定値外（例えば２０度以上）であることをジャイロスコープセンサ３２の出力が示す場合、警報がトリガーされる。警報は主要ＰＣＢ制御基板によって発生し、電子ブザーが鳴らされ、装置を動作させるコンピュータ上に視覚警告が現れる。臨床医はこの警報に気づき、被験者にその頭部を正しい位置に戻すように促す。Ｘ／Ｙ／Ｚ軸のそれぞれに沿って事前設定された許容方向の２０度以内に被験者の頭部が少なくとも２回の呼気サイクル又は６秒間にわたり戻ったことをジャイロスコープセンサが検出するとトリガーは解除される。

ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ３２は、被験者の頭部が被験者の気道が狭窄するおそれのある方向をとる原因となり得るおそらくは遅い運動を検出することに加えて、被験者の頭部の方向が必ずしもＸ、Ｙ、及びＺの値の許容範囲外にならない可能性のある、被験者の頭部の急な運動（くしゃみ又は咳の間に起こり得るような）も検出することができる。被験者のくしゃみ又は咳はマスク部１０内の圧力の顕著な変化を引き起こし、ポンプ２８（圧力センサ２２からの圧力センサデータを用いてトリガーされる）の動作に更には影響する可能性があるため、これは有用である。アルゴリズムがより適切なトリガーポイントを出力することができるように、くしゃみ又は咳などのイベントに対応するデータストリーム中の期間は無視され得る。

図２は、本発明による装置の一実施形態の構成要素のいくつかを示すとともにそれらの動作モードを示す概略ボックス図である。

プリント制御基板１００が、国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５００９４号明細書に記載されている種類の「ＲｅＣＩＶＡ」呼気サンプリング装置のマスク部上に搭載されている。制御基板は、ＣＰＵ１０２と、Ｏ_２センサ１０４と、圧力センサ１０６と、バルブ１０８と、を含む。また、制御基板上に遠位に配置されているのは、３つの直交軸Ｘ、Ｙ、及びＺのそれぞれにおける制御基板１００の角変位を検出することができるＭＥＭＳジャイロスコープチップ１１０である。ジャイロスコープチップ１１０は制御基板上に遠位に配置されているため、被験者の頭部のあらゆる角変位がチップ１１０の最大変位を生じさせる。ＣＰＵ１０２は、センサ１０４、１０６からの信号に応答して、バルブ１０８の開放及び閉鎖を制御し、被験者の呼気の選択的なサンプリングを可能にする。

マスク部のＣＰＵ１００は、ｐｃ、ラップトップ、又はタブレット１１４などの外部デバイスのＣＰＵ１１２と有線リンク又は無線のいずれかによって通信する。ＣＰＵ１１２は、デジタル電子メモリ１１６と、聴覚及び視覚警報器１１８とに動作的に接続されている。ジャイロスコープクリップ１１０からの情報は、被験者の頭部の運動によってマスク部が事前設定限界を超える期間にわたりＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸における許容方向の所定範囲外にあるかどうかを示す。これにより、ＣＰＵ１０２又はＣＰＵ１１２が外部デバイス１１４の聴覚／視覚警報器１１８に警報発生信号を送信する。警報は、ユーザによる手動入力によって、又は被験者の頭部の方向がＸ値、Ｙ値、及びＺ値の許容範囲内に戻ったことを示すジャイロスコープチップ１１０からのフィードバックによって解除されてもよい。

Claims (11)

1. ヒト被験者から呼気サンプルを採取するための装置であって、
   前記被験者から呼出された呼気を採取するために、使用時に前記被験者の口及び鼻孔の上に配置されるマスク部を少なくとも含み、
   前記マスク部の運動を検出するための運動検出手段と、
   警報信号発生器であって、呼気サンプルの採取中、前記被験者の頭部が許容方向の所定範囲外にある場合、しかし、前記被験者の頭部が定められた時間又はかなりの時間にわたり前記許容方向の所定範囲外にあった後で初めて警報信号を発生させる警報信号発生器と、
   を更に含む、装置。
2. 前記運動検出手段は前記マスク部の角変位を少なくとも検出する、請求項１に記載の装置。
3. 前記運動検出手段は、２つの直交軸、好ましくは３つの直交軸における前記マスク部の角変位を少なくとも検出する、請求項２に記載の装置。
4. 前記運動検出手段はＭＥＭＳデバイスを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記運動検出手段は加速度計又はジャイロスコープセンサデバイスを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記運動検出手段は、前記マスク部内に収容された制御基板上に搭載されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 呼気サンプルの採取中における前記被験者の頭部の許容方向の所定範囲を記憶するデジタル電子メモリを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記許容方向の所定範囲は、直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の許容値の範囲として記憶される、請求項７に記載の装置。
9. 聴覚警報及び／又は視覚警報を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 被験者から呼気サンプルを採取する方法であって、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の呼気サンプリング装置の使用を含む、方法。
11. 前記マスク部を前記被験者の顔面に取り付ける工程と、前記被験者により呼出された呼気を採取する工程と、を含む、請求項１０に記載の方法。

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