JP4416542B2 - 呼気採取装置 - Google Patents

Description

本発明は呼気採取装置に係り、特に、歯周病の進行度を予診する歯周病予診装置や口臭の程度を測定する口臭測定装置等に用いられる呼気採取装置に関する。

従来、歯周病は高齢者に特有の成人病と考えられていたが、食生活の変化等により、近年、十代から発症する若年性歯周炎の存在が確認されている。歯周病は自覚症状もなく慢性的に進行するため発見が遅れやすく、末期的な症状になってから受診することが多い。従って、歯周病を予防するには、早期発見、早期治療が特に重要である。また、口臭を抑えるために、自己の口臭の程度を簡易かつ客観的に把握したいという要望も存在する。

口臭から歯周病を診断しようとするには、極微量の臭気成分の測定が可能なガスクロマトグラフが有効な手段である。しかしながら、上述したガスクロマトグラフは装置自体が高価で操作も煩雑なため、専門医等が多数在籍する歯科大学病院や一部の歯科医院等での使用に限られ、歯周病の可能性や進行程度を簡便に把握することは難しい。

歯周病原菌はアンモニア、メチルメルカプタン、インドール等の臭気物質を産生するため、口臭の一因となり、口臭の強度と歯周病との間には相関関係が成立することが知られている。このため、被検者の呼気を、アンモニア等臭気物質に感応する複数の半導体ガスセンサが配設された密閉チャンバ内に送り、半導体ガスセンサからの出力を解析する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、被検者の属性データと半導体ガスセンサの出力による呼気データとから歯周病の進行度を予診する歯周病予診装置やシステムも開示されている（例えば、特許文献２、３参照）。従って、歯周病予診装置や口臭測定装置は、一部実用化の段階に至っている。

このような歯周病予診装置等では、被検者の呼気を半導体ガスセンサが配設されたチャンバまで導く呼気採取装置を有している。例えば、上述した特許文献３では、呼気だめ、呼気案内チューブ、呼気充填チャンバを介してチャンバ内に呼気を導入する技術が開示されている。また、口及び鼻孔を覆う呼気採取マスクと、呼気採取マスクに清浄な空気を供給する清浄空気供給手段と、呼気採取マスク及び清浄空気供給手段を連通する清浄空気用流路と、呼気採取マスク内の空気をチャンバ内に導く呼気用流路とを備え、清浄空気用流路と呼気採取マスクとの間と呼気採取マスクと呼気流用路との間にそれぞれ逆止弁を配設した呼気採取装置が開示されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００２−２８６６７０号公報 特開２００１−０５２６０２号公報 特開２００３−１５９２６２号公報 特開平９−１２６９５８号公報

しかしながら、特許文献３の技術では、呼気案内チューブ内を清浄することが難しいため、被検者の歯周病予診等を連続して行うと、呼気だめや呼気案内チューブ内に残留した先の被検者の呼気により誤った予診結果等を生ずるおそれがある。従って、特許文献３の技術では、誤った予診を避けるために、例えば、マニュアルで、呼気だめや呼気案内チューブに清浄な空気（キャリアガス）を送りこれらを清浄する必要があるため、装置の取り扱いに手間が掛かる、という問題がある。また、特許文献４の技術では、清浄空気供給手段と呼気採取マスク、及び、呼気採取マスクとチャンバとのそれぞれの間に貯留バッファを配置する必要があるため、装置全体の大型化を招く、という問題がある。

本発明者らは、歯周病予診装置の潜在ユーザとなる多数の歯科医師等の意見を聴いた結果、歯周病予診装置等の普及には、装置の取り扱いの簡便さや小型化が必要であるとのニーズを把握した。

本発明は上記事案に鑑み、小型でかつシーケンス制御で呼気の流路を清浄可能な呼気採取装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ガス感応性を有する複数の半導体ガスセンサを密封したチャンバと、前記チャンバ内の気体を一定量で吸引する吸引手段と、前記チャンバの上流側に配置され、清浄な空気を供給する清浄空気用流路と被検者の口から排出された呼気を供給する呼気用流路とを選択的に前記チャンバに接続するための第１の電磁弁と、前記吸引手段の下流側に配置され、前記吸引手段で吸引された気体を選択的に排気口及び前記第１の電磁弁を介して前記呼気用流路に案内するための第２の電磁弁と、を備える。

本発明では、第１の電磁弁により、清浄な空気を供給する清浄空気用流路と、被検者の口から排出された呼気を供給する呼気用流路とが選択的にチャンバに接続され、第２の電磁弁により、選択的に、吸引手段で吸引された気体が排気口に案内されるか又は第１の電磁弁を介して呼気用流路に流通するように案内される。このため、吸引手段を作動させ、第１及び第２の電磁弁の通電制御を行うことにより、呼気用流路から供給される呼気をチャンバに導入して呼気を採取することができると共に、清浄空気用流路から供給される清浄な空気をチャンバに導入し排気口から排気することでチャンバ内を清浄することができ、清浄空気用流路から供給される清浄な空気をチャンバ、第２の電磁弁、第１の電磁弁を介して呼気用流路を流通させ排気することで呼気用流路内を清浄することができる。従って、シーケンス制御で呼気の採取及び呼気の流路の清浄を行うことができる。また、吸引手段は、チャンバ内の気体を一定量で吸引するため、呼気をチャンバに導入する際に、呼気を充填するためのバッファを設ける必要がないので、装置全体の小型化を図ることができる。

本発明において、第２の電磁弁は３方弁であることが好ましい。この場合に、第１の電磁弁を、第３及び第４の２つの電磁３方弁とした形態や、１つの電磁４方弁とした形態を採ることができる。

２つの電磁３方弁の形態を採るときには、第２の電磁弁は、ＣＯＭポートが吸引手段に、ＮＯポートが排気口に、ＮＣポートが第３の電磁弁のＮＣポートにそれぞれチューブを介して接続されており、第３の電磁弁は、ＣＯＭポートが呼気用流路に、ＮＯポートが第４の電磁弁のＮＣポートにそれぞれチューブを介して接続されており、第４の電磁弁は、ＮＯポートが呼気用流路に、ＣＯＭポートがチャンバにそれぞれチューブを介して接続されていることが好ましい。このとき、第２乃至第４の電磁弁は、それぞれ、非通電状態でＣＯＭポートがＮＯポートと連通し、通電状態でＣＯＭポートがＮＣポートと連通すればよい。

一方、１つの電磁４方弁の形態を採るときには、第１の電磁弁は、第１のポートが清浄空気用流路に、第２のポートが呼気用流路にそれぞれ接続されていると共に、第３のポートがチャンバに、第４のポートが第２の電磁弁のＮＣポートにそれぞれチューブを介して接続されており、非通電状態で第１及び第３のポートが連通し、通電時の第１の状態で第２及び第３のポートとが連通し、通電時の第２の状態で第１及び第３のポート、並びに、第２及び第４のポートがそれぞれ連通するようにすればよい。

また、チャンバ内の気体を一定量で吸引するために、吸引手段を、吸引ポンプとチャンバに流れる気体の流量を一定量に制御するマスフローコントローラとで構成するようにしてもよい。

更に、呼気用流路がチューブであり、呼気用流路の第１の電磁弁とは反対側の端部に被検者が呼気用流路を把持可能なグリップを固着させるようにすれば、被検者はグリップを把持することでチューブを持つことができるので、楽な姿勢で呼気を排出することができる。この場合に、グリップの端部に被検者の呼気を吸引するためのパイプを装着可能とすれば、パイプを１回のみ使用して使い捨てが可能となるので、被検者の衛生を確保することができる。このとき、パイプは、被検者が口で銜えることが可能なマウスピース、呼気用流路への被検者の唾液の侵入を防止するフィルタ及びグリップに装着するためのアダプタで構成するようにしてもよい。

本発明によれば、吸引手段を作動させ、第１及び第２の電磁弁の通電制御を行うことにより、呼気用流路から供給される呼気をチャンバに導入して呼気を採取することができると共に、清浄空気用流路から供給される清浄な空気をチャンバに導入し排気口から排気することでチャンバ内を清浄することができ、清浄空気用流路から供給される清浄な空気をチャンバ、第２の電磁弁、第１の電磁弁を介して呼気用流路から排気することで呼気用流路内を清浄することができるので、シーケンス制御で呼気の採取及び呼気の流路の清浄を行うことができ、更に、吸引手段は、チャンバ内の気体を一定量で吸引するため、呼気をチャンバに導入する際に、呼気を充填するためのバッファを設ける必要がないので、装置全体の小型化を図ることができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る呼気採取装置を歯周病の進行度を予診する歯周病予診装置に適用した実施の形態について説明する。

（構成）
図１に示すように、本実施形態の歯周病予診装置１は、正面にフロントパネル３と、他の５面を覆い後述するように機構部、制御部及び電源部を内蔵した箱状の筺体２を有している。フロントパネル３の上部には、情報を表示すると共に、歯科医師や被検者等の操作者から操作命令を受けるためのタッチパネル７が配置されている。

フロントパネル３の下部からは、被検者の呼気を後述するチャンバ内に導くためのサンプル管５が導出されている。サンプル管５には、外径３ｍｍ、内径２ｍｍで、比較的呼気成分の吸着が少ないポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製チューブが用いられている。サンプル管５の一端側（先端側）には、呼気採取の際に被検者が把持するためのグリップ６が固着している（図２（Ａ）も参照）。被検者が外径３ｍｍのサンプル管５を安定して把持することは難しいため、グリップ６には、最大直径φ２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの樹脂製のものが用いられている。なお、グリップ６は、呼気測定時以外は、フロントパネル３の上部側面に配置されたグリップホルダ４内に収容される（図１に示す状態）。

グリップ６内にはサンプル管５が埋設されており、フロントパネル３からのクリップ６の端部（後述する呼気採取口）までのサンプル管５の長さは９０ｃｍに設定されている。すなわち、サンプル管５の長さは、被検者がタッチパネル７にタッチし易く、かつ、歯科医師又は歯科補助がフロントパネル３と被検者との間に入り、歯周病予診装置１の操作をナビゲートすることを想定した長さとされている。

図２（Ａ）に示すように、グリップ６の一側には、被検者が呼気を排出するためのフィルタパイプ８を装着可能な円筒状の呼気採取口が形成されている。フィルタパイプ８は、衛生面を考慮して被検者毎に使い捨てにされ、図２（Ｂ）に示すように、被検者が口を窄めて呼気を軽く吹き込むためのマウスピース１１、被検者の唾液の進入を防ぐための脱脂綿等のフィルタ１２、及び、グリップ８の呼気採取口の外周に装着するための円筒状アダプタ１１で構成されている。

図３に示すように、歯周病予診装置１の機構部は、３つの電磁３方弁（以下、電磁弁という。）１８、１９、２０、複数の半導体ガスセンサ等を内蔵したチャンバ１０、チャンバ１０の下流側に配置されチャンバ１０内に流れる気体流量を一定量に制御するマスフローコントローラ（以下、ＭＦＣという。）１５、ＭＦＣ１５の下流側に配置されチャンバ１０内に流れる気体を吸引するポンプ１６、キャリアガス（清浄された空気）を発生させる図示を省略したキャリアガス発生ユニット、及び、これらを接続する外径３ｍｍ、内径２ｍｍのＰＴＦＥ製チューブで構成されている。

すなわち、サンプル管５の他端側は電磁弁１８のＣＯＭポートに接続されており、電磁弁１８のＮＯポートはチューブ１７で電磁弁１９のＮＣポートに接続されている。電磁弁１９のＮＯポートはチューブ９でキャリアガス発生ユニットに接続されており、電磁弁１９のＣＯＭポートはチューブでチャンバ１０の一側に接続されている。チャンバ１０の他側はチューブでＭＦＣ１５の一側に接続されており、ＭＦＣ１５の他側はチューブでポンプ１６の一側（吸引側）に接続されている。ポンプ１６の他側（排出側）はチューブで電磁弁２０のＣＯＭポートに接続されており、電磁弁２０のＮＯポートはチューブで筺体２に形成された排気口（不図示）まで導出されている。また、電磁弁１８及び電磁弁２０のＮＣポート同士は、チューブ１４で接続されている。なお、チャンバ１０やＭＦＣ１５の接続では、気密性を確保するために、フェラルを有するコネクタジョイントが用いられている。

キャリアガス発生ユニットは、筒状のカラム内に活性炭とシリカゲルとが充填されており、その両端面にはチューブ９内への異物の侵入を防止するためのメッシュが配設されている。キャリアガス発生ユニットの一端面側は、筺体２から若干外側に突出（露出）しており、他端面側の外周には雄ねじが螺設されている。電磁弁１９のＮＯポートから導出されたチューブ９は筺体２に固定された円盤状の装着フランジの中央部に接続されている。装着フランジは側周面を有した断面コ字状の形状を有しており、側周面には雌ねじが螺設されている。このため、装着フランジの側周面に螺設された雌ねじにキャリアガス発生ユニットの雄ねじを羅合させることで、筺体２の外部からキャリアガス発生ユニットの装着ないし交換が可能である。キャリアガス発生ユニットが装着フランジに装着された状態でポンプ１６の吸引力で吸引されると、キャリアガス発生ユニットの一端面側から外気が取り込まれ、取り込まれた外気が活性炭とシリカゲルとで清浄され、キャリアガスを他端面側から排出する。

本実施形態では、ポンプ１６に、ＫＮＦ社製の型式番号８３０ＫＮＤＣを使用した。このポンプの概略仕様は、定格電圧１２Ｖ、流量（気体吸引量）３．１リットル／分、サイズ７７×３０．７×５３．５ｍｍである。ＭＦＣ１５には、ＥＳＴＥＣ社製の型式番号Ｅ４０を使用した。このＭＦＣの概略仕様は、定格電圧±１５Ｖ、流量レンジ０〜４００ミリリットル／分、流量精度±１％である。また、電磁弁１８、１９、２０には、ＣＫＤ社製の型式番号ＡＧ３１−０１−２を使用した。この電磁弁の応答速度は数十ミリ秒であり、内部はＰＴＦＥ加工が施されている。

図４に示すように、チャンバ１０は、ステンレス製で箱形のチャンバ下蓋２１、チャンバ上蓋２２、枠状のゴムパッキン２３及びステンレス製ボルト（不図示）で構成されており、基板２５にマウントされた複数の半導体ガスセンサ３０をチャンバ内に密閉した構造が採られている。すなわち、半導体ガスセンサ３０がマウントされた基板２５を、ゴムパッキン２３を介して上下両側から挟み、気密性を保持するために、チャンバ上蓋２２側及びチャンバ下蓋２１側の両側から、それぞれチャンバ下蓋２１及びチャンバ上蓋２２に達する長さのステンレス製ボルトで締め付けられている。なお、チャンバ下蓋２１及びチャンバ上蓋２２は、半導体ガスセンサ３０等に対しチャンバ１０の外部で発生するノイズを遮断するために、筺体２に電気的に接続されたシールド構造を有している。

図５に示すように、チャンバ１０内には、８個の半導体ガスセンサ３０、１個の湿度センサ３１、１個の温度センサ（サーミスタ）３２の合計１０個のセンサが収容されている。一般に、チャンバ１０の内容積はセンサの応答性を高めるために、小さい方が好ましい。本実施形態では、１０個のセンサを基板２５上に密集配置することで、チャンバ下蓋２１と基板２５（基板２５上にマウントされたセンサ等の部品を除く。）とが画定する内容積を約３５ミリリットルとした（図４も参照）。なお、チャンバ上蓋２２と基板２５とが画定する空間は、センサから導出されたピンや基板２５の裏面側（図４の上側）にマウントされた回路素子を収容するために形成されたものである。

なお、本実施形態では、半導体ガスセンサ３０には、硫化水素、アンモニア及び芳香族化合物に感応するＴＧＳ２６０２、メタンに感応するＴＳＧ２６１１、アルコール、有機溶剤に感応するＴＧＳ２６２０、有機ハロゲン、フッ素に感応するＴＧＳ８３２、エタノール等の有機溶媒に感応するＴＧＳ８２２、アミン含有物に感応するＴＧＳ８２６（いずれも、フィガロ技研（株）の型式番号）、水素化合物に感応するＳＰ１９、アンモニアに感応するＳＰ５３（後二者は（株）エフアイエスの型式番号）を使用した。

図６に示すように、半導体ガスセンサ３０は、例えば、アルミナセラミックチューブの周部に酸化スズ（ＳｎＯ_２）の微粒子を焼結した円筒状のｎ型酸化物半導体３０Ａを有している。アルミナセラミックチューブは中空とされており、アルミナセラミックチューブ内にヒータコイル３０Ｂが挿入されている。ｎ型酸化物半導体３０Ａの両端にはそれぞれ２個の電極が印刷されており、これらの電極にリードの一端が接合されている。リードの他端及びヒータコイル３０Ｂのリードの両端は円柱状の樹脂成形ベースの上面周縁部に印刷されたパッドにワイヤボンディングされている。樹脂成形ベースの上部には樹脂成形ベースと同外径で円筒状の樹脂成形筒が樹脂成形ベースに接着されており、ｎ型酸化物半導体３０Ａは樹脂成形ベースの上面に接触しないように樹脂成形筒の中央部に配置されている。樹脂成形ベース及び樹脂成形筒の外周部には筒状の樹脂カバーの内周が接着されており、樹脂カバーの上部には図示しないステンレス製のメッシュがはめ込まれた開口が形成されている。また、樹脂成形ベースの各パッドからはピンが立設されている。

ｎ型酸化物半導体３０Ａはヒータ３０Ｂにより感応気体に応じて２００°Ｃ〜４００°Ｃに加熱され還元性ガスを検出する。大気中で酸素はｎ型酸化物半導体３０Ａの表面に負イオン吸着しており、還元性ガスが存在するとｎ型酸化物半導体３０Ａ表面で還元性ガスによる酸化反応が起こる。このとき、吸着酸素に捕捉されていた電子が半導体へ移行しｎ型酸化物半導体３０Ａに導電率の変化が生じ、この導電率の変化を検出することにより還元性ガスの存在や濃度を検出することができる。

各半導体ガスセンサ３０は、ｎ型酸化物半導体３０Ａに、半導体ガスセンサ３０からの出力電圧Ｖｏｕｔを取り出すための検出抵抗ＲＬを直列に挿入し作動電圧Ｖｃが印加されると共に、ヒータ３０Ｂにヒータ電圧が印加される。出力電圧Ｖｏｕｔは検出抵抗ＲＬの両端電圧とされている。なお、作動電圧Ｖｃ及び出力電圧Ｖｏｕｔの低電位側はグランドとされている。

本実施形態の歯周病予診装置１では、半導体ガスセンサ３０の出力電圧Ｖｏｕｔをサンプリングレート１００Ｈｚで取得する。ｎ型酸化物半導体３０Ａの抵抗値をＲ０（Ω）、検出抵抗ＲＬの抵抗値をＲＬ（Ω）、作動電圧Ｖｃの電圧値をＶｃ（Ｖ）、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値をＶｏｕｔ（Ｖ）とすると、抵抗値Ｒ０は、Ｒ０＝｛（Ｖｃ−Ｖｏｕｔ）／Ｖｏｕｔ｝×ＲＬで与えられる。従って、ｎ型酸化物半導体３０Ａの初期値に対する比抵抗変化値をＲｉとすると、比抵抗変化値Ｒｉは、Ｒｉ＝（Ｒ０／Ｒｓ）−１で与えられる。

図５に示すように、基板２５の一側には、（湿度センサ３１や温度センサ３２を含む）全てのセンサへの作動電圧を供給するための作動電圧コネクタ２７及び各半導体ガスセンサ３０のヒータ３０Ｂへのヒータ電圧を供給するためのヒータ電圧コネクタ２８がマウントされており、他側には、各検出抵抗ＲＬ両端の出力電圧Ｖｏｕｔを出力するための出力電圧コネクタ２６がマウントされている。なお、チャンバ１０の外側で、かつ、出力電圧コネクタ２６側の基板２５の領域には、検出抵抗ＲＬがマウントされている（図５では不図示）。

図７に示すように、歯周病予診装置１の制御部は、歯周病予診装置１全体を制御するコンピュータ４２を有している。コンピュータ４２は、中央演算装置として機能するＣＰＵ、コンピュータ４２の基本動作プログラム及びニューラルネットワーク等の歯周病予診エンジン（プログラム）やそのプログラムデータを格納したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして機能するＲＡＭ及びインターフェース等を含んで構成されている。

コンピュータ４２の外部バスには、タッチパネル７の表示や操作命令を制御するタッチパネル制御部４１及び被検者の歯周病予診結果等を記憶するハードディスク（ＨＤ）４３が接続されている。なお、タッチパネル制御部４１は、タッチパネル７に接続されている。また、コンピュータ４２には、インターフェースを介してプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）４４に接続されている。

ＰＬＣ４４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭの他に、Ｄ／Ａコンバータ、Ａ／Ｄコンバータ及びＩ／Ｏを有して構成されている。ＰＬＣ４４のＲＯＭには、上述した抵抗値Ｒ０や比抵抗変化値Ｒｉを演算するプログラムが格納されている。本実施形態では、ＰＬＣ４４に、ＫＥＹＥＮＣＥ社製の型式番号ＫＶ−７００を使用した。ＰＬＣ４４は、電磁弁１８〜２０、ＭＦＣ１５、ポンプ１６等のアクチュエータを制御するアクチュエータ制御部４５、各半導体ガスセンサ３０に応じて作動電圧Ｖｃを供給し、上述したように１００Ｈｚで各検出抵抗ＲＬの出力電圧Ｖｏｕｔのサンプリングを行うセンサ制御部４６、及び、各半導体ガスセンサ３０に応じて独立してヒータ電圧を供給するヒータ制御部４７に接続されている。なお、ＰＬＣ４４は、センサ制御部４６から出力（サンプリング）された各出力電圧Ｖｏｕｔのアナログ電圧をＡ／Ｄコンバータによりデジタル電圧に変換した後、上述した比抵抗変化値Ｒｉを演算して、イーサネット（Ethernet）を介してコンピュータ４２に送出する。従って、ＰＬＣ４４は、コンピュータ４２からの命令によりアクチュエータ制御部４５、センサ制御部４６、ヒータ制御部４７を制御すると共に、コンピュータ４２に比抵抗変化値Ｒｉを送出するスレーブコンピュータとして機能する。

歯周病予診装置１の電源部（不図示）は、１００Ｖ、４００Ｗ商用交流電源から２４Ｖ直流電源に変換する第１電源ユニット、２４Ｖ直流電源から１２Ｖ直流電源に低圧する第２電源ユニット、レギュレータを備え商用交流電源から定格±１５Ｖの電源に変換する第３電源ユニット、３端子レギュレータを備え１２Ｖ直流電源から５Ｖ直流電源に低圧する第４電源ユニットを有している。なお、本実施形態の歯周病予診装置１は、ＰＬＣ４４、タッチパネル７が第１電源ユニットから供給される電圧、コンピュータ４２、ポンプ１６、電磁弁１８〜２０が第２電源ユニットから供給される電圧、ＭＦＣ１５が第３電源ユニットから供給される電圧、各センサが第４電源ユニットから供給される電圧でそれぞれ作動する。

なお、歯周病予診装置１は、ＭＦＣ１５、ポンプ１６、制御部４０等の発熱部を有しているので、これらを冷却するための図示しない複数のファンユニットを備えている。これらのファンユニットは、筺体２の裏面側（フロントパネルの反対側）近傍に配置されており、筺体２の裏面には排気用の開口が形成されている。

（動作）
次に、本実施形態の歯周病予診装置１の動作について、コンピュータ４２のＣＰＵを主体として、機構部の動作を中心に説明する。

歯周病予診装置１に電源が投入されると、ＲＯＭに格納された基本動作プログラムや歯周病予診エンジンがＲＡＭに展開され、タッチパネル制御部４１を介してタッチパネル７に呼気測定の準備中である旨の初期画面を表示させる初期設定処理を実行する。次いで、ＣＰＵは、ＰＬＣ４４から（ＰＬＣ４４の）初期設定処理終了のステータスを受信すると、被検者の呼気から歯周病の予診をするための歯周病予診ルーチンを実行する。

歯周病予診ルーチンでは、まず、ＰＬＣ４４、アクチュエータ制御部４５を介して電磁弁１８〜２０をオフ状態（非通電状態）とさせると共に、ＰＬＣ４４、センサ制御部４６、ヒータ制御部４７を介して、全センサに作動電圧を印加させ半導体ガスセンサ３０にヒータ電圧を印加させる。次いで、ＭＦＣ１５は安定作動のために電源投入後５分間の暖気と０点補正とが必要なため、歯周病予診ルーチンの開始からＭＦＣ１５の安定動作が確保される５分が経過するまで待機する。

歯周病予診ルーチンの開始から５分が経過すると、ＣＰＵは、アクチュエータ制御部４５にポンプ１６を作動させチャンバ１０内を清浄するチャンバ清浄処理を実行させる。ＭＦＣ１５により、チャンバ１０やチューブ内を流れるキャリアガスの流量は４００ミリリットルの一定量に制御されている。図８（Ａ）に矢印で示すように、キャリアガスは、キャリアガス発生ユニット（→チューブ９）→電磁弁１９→チャンバ１０→ＭＦＣ１５→ポンプ１６→電磁弁２０の順に流れ、筺体２の外部へ排出される。これにより、チャンバ１０内及び電磁弁１９とチャンバ１０とを接続するチューブ内がキャリアガスで清浄されると共に、チャンバ１０内に内蔵された各半導体ガスセンサ３０が一定温度に維持（冷却）される。ポンプ１６を作動させてから更に５分が経過すると、ＣＰＵは、タッチパネル７に呼気測定の準備が完了し呼気測定が可能である旨及びグリップ８の一側にアダプタ１１を装着すべき旨を表示させ、タッチパネル７に表示された呼気測定開始ボタンがタッチされるまで待機する。なお、この待機中でも、図８（Ａ）に示す状態が維持される。

呼気測定開始ボタンがタッチ（押下）されると、ＣＰＵは、タッチパネル７に、例えば３秒のカウントダウン画面を表示させる。カウントダウンが０となった時点で、ＣＰＵは、ＰＬＣ４４に、電磁弁１９をオン状態（通電状態）とさせ、被検者の呼気を測定する呼気測定処理を実行させる。図８（Ｂ）に矢印で示すように、被検者の呼気は、フィルタパイプ８（→サンプル管５→）電磁弁１８（→チューブ１７）→電磁弁１９→チャンバ１０→ＭＦＣ１５→ポンプ１６→電磁弁２０の順に流れ、筺体２の外部へ排出される。呼気の吸引は３秒間行われる。被検者は、カウントダウンが０となった時点でフィルタパイプ８（マウスピース１１）から呼気を軽く吹き込む。この３秒間にチャンバ１０に吸引される呼気量は約１５ミリリットルである。すなわち、チャンバ１０には、ＭＦＣ１５の流量制御により、４００ミリリットル／分、換言すれば、２０ミリリットル／３秒の流量が流れるが、サンプル管５の長さが９０ｃｍでありサンプル管５に残留している空気が約５ミリリットルのため、３秒間にチャンバ１０内を流通する呼気量は約１５ミリリットルとなる。ＣＰＵは、３秒が経過すると、ＰＬＣ４４に後述する清浄処理を実行させると共に、呼気測定が終了した旨及びグリップ６からフィルタパイプ８を取り外すべき旨をタッチパネル７に表示させる。

また、ＣＰＵは、カウントダウンが０となった時点で、ＰＬＣ４４に比抵抗変化値Ｒｉの出力を命令する。ＰＬＣ４４は、Ａ／Ｄコンバータを作動させセンサ制御部４６でサンプリングされた出力電圧Ｖｏｕｔをデジタル電圧に変換し、比抵抗変化値Ｒｉを演算してＣＰＵに出力する。ＰＬＣ４４が、カウントダウンが０となった時点で、すなわち、呼気のガス特性を計測する前に、出力電圧Ｖｏｕｔをデジタル電圧に変換するのは、上述したように比抵抗変化値Ｒｉの演算には各半導体ガスセンサ３０の初期値が必要なため、各半導体ガスセンサ３０の初期出力電圧Ｖｏｕｔを把握するためである。ＰＬＣ４４は、カウントダウンが０となった時点から６０秒間、ＣＰＵに比抵抗変化値Ｒｉを出力する。従って、カウントダウンが０となって電磁弁１０がオフ状態となっても、ＰＬＣ４４からコンピュータ４２への比抵抗変化値Ｒｉの出力は継続される。

被検者の呼気の吸引が終了した時点（カウントダウンが０となった後３秒が経過した時点）で、ＣＰＵはＰＬＣ４４に機構部の清浄処理を実行させる。ＰＬＣ４４は、ＣＰＵから清浄処理の実行命令を受けると、電磁弁１９をオフ状態とさせ（図８（Ａ）に示した状態）、５分間、チャンバ１０内及び電磁弁１９とチャンバ１０とを接続するチューブ内を清浄する。

続いて、ＰＬＣ４４は、電磁弁１９をオン状態とさせ（図８（Ｃ）に示した状態）、３０秒間、外気でチューブ１７内を清浄する。この時点では、グリップ６からフィルタパイプ８が取り外されているので、サンプル管５には外気が流入し、外気は、サンプル管５→電磁弁１８→チューブ１７→電磁弁１９→チャンバ１０→ＭＦＣ１５→ポンプ１６→電磁弁２０の順に流れ、筺体２の外部に排出される。

次いで、ＰＬＣ４４は、電磁弁１８をオン状態、電磁弁１９をオフ状態、電磁弁２０をオン状態とさせ（図８（Ｄ）に示した状態）、３０秒間、サンプル管５内を清浄する。この状態では、キャリアガスが、チューブ９→電磁弁１９→チャンバ１０→ＭＦＣ１５→ポンプ１６→電磁弁２０→チューブ１４→電磁弁１８→サンプル管５の順に流れ、サンプル管５の一端側（先端側）から外気に排出される。

次に、ＰＬＣ４４は、電磁弁１８をオフ状態、電磁弁１９をオフ状態、電磁弁２０をオフ状態とさせ（図８（Ａ）に示した状態）、５分間、チャンバ１０に内蔵された各半導体ガスセンサ３０が安定状態となるまで待機する。以上の清浄処理には、合計１１分を要するため、この１１分の間、タッチパネル７には、清浄中である旨が表示される。ＰＬＣ４４は、清浄処理が終了すると、ＣＰＵに清浄処理の終了を報知する。この報知を受けたＣＰＵは、タッチパネル７に機構部の清浄が完了した旨を表示させる。これにより、歯周病予診装置１は、再度、上述した呼気測定処理が可能な状態となる。

ＣＰＵは、ＰＬＣ４４による機構部の清浄処理に並行して、ＰＬＣ４４から受け取った各半導体ガスセンサ３０の比抵抗変化値Ｒｉを、ニューラルネットワークの入力層に入力し、中間層を介して、出力層から歯周病予診結果を得る。このような処理内容の詳細は、例えば、上述した特許文献２、３に開示されている。なお、温度センサ３２及び湿度センサ３１は、各半導体ガスセンサ３０のガス感応性が温度及び湿度に依存することから、ニューラルネットワークの入力層に入力する前に、温度−湿度テーブルで補正するために、チャンバ１０内の温度及び湿度を把握するものである。

ＣＰＵは、被検者の歯周病予診の演算が終了すると、歯周病予診が終了した旨をタッチパネル７に表示させると共に、ハードディスク４３内に予診結果を格納させて歯周病予診ルーチンを終了する。このとき、予診を行った日付や被検者の氏名等を併せて記憶させることが好ましい。なお、ＣＰＵは、パスワード、被検者を特定するＩＤ及び予診結果を表示すべき旨の命令がタッチパネル７から入力されると、タッチパネル７に予診結果を表示する。これにより、被検者は、歯科医師の説明を受けて自己の歯周病の進行度や口臭の程度を把握することができる。また、インターフェースを介して接続されたパーソナルコンピュータを操作することで、プリンタから歯周病予診結果を出力するようにしてもよい。

（作用等）
次に、本実施形態の歯周病予診装置１の作用等について説明する。

本実施形態の歯周病予診装置１は、図８（Ｂ）に示したように、電磁弁１８、２０をオフ状態、電磁弁１９をオン状態に制御することで被検者の呼気をチャンバ１０内に導入（採取）し、半導体ガスセンサ３０で呼気の測定を行うことができる。また、図８（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示したように、電磁弁１８〜２０を制御することにより、チャンバ１０内、電磁弁１９とチャンバ１０とを接続するチューブ内、チューブ１７内、及び、サンプル管５内を清浄することができる。従って、シーケンス制御により呼気の採取及び呼気の流路の清浄を行うことができるので、歯科医師等による歯周病予診装置１の取り扱いが容易となる。とりわけ、図８（Ｄ）に示したように、サンプル管５内に残留した被検者の呼気も清浄することができるので、精度良く歯周病の進行度の予診を行うことができる。

また、本実施形態の歯周病予診装置１は、ポンプ１６及びＭＦＣ１５によりチャンバ１０内の気体を一定量（４００ミリリットル／分）で吸引するため、呼気測定処理で、被検者から排出された呼気は吸引されチャンバ１０に充たされるので、従来技術のように装置内にバッファや装置外に呼気だめを設ける必要がない。従って、歯周病予診装置１のダウンサイジングを図ることができると共に、筺体２外の構成部材を極力小さくすることができる。

更に、本実施形態の歯周病予診装置１では、被検者から排出された呼気がポンプ１６により吸引されるため、被検者は強く呼気を吹き付ける必要がなく、更に、呼気を排出する時間も３秒と短いので、呼気採取に際して、被検者に特別の負担をかけることもない。また、本実施形態の歯周病予診装置１では、サンプル管５の先端側にグリップ６を固着させたので、被検者はグリップ６を把持することで、サンプル管５を持つことができ、楽な姿勢で呼気を排出することができる。

また更に、本実施形態の歯周病予診装置１では、グリップ６にフィルタパイプ８を装着可能としたので、フィルタパイプ８をシングルユースとし被検者毎に使い捨てとすることで、呼気測定に際して、被検者の衛生を確保することができる。

なお、本実施形態では、２つの電磁弁１８、１９を用いてキャリアガスと呼気とを選択的にチャンバ１０に導入する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図９に示すように、電磁（３方）弁１８、１９に代えて、１つの電磁４方弁５０を用いるようにしてもよい。電磁４方弁５０は、第１ポートＰ１がチューブ９に、第２ポートＰ２がサンプル管５にそれぞれ接続されていると共に、第３ポートＰ３がチャンバ１０に、第４ポートＰ４が電磁弁２０のＮＣポートにそれぞれチューブを介して接続されている。また、電磁４方弁５０は、オフ状態（非通電状態）で第１ポートＰ１と第３ポートＰ３が連通し、通電時には２つの状態を採る。すなわち、通電時の第１の状態で第２ポートＰ２と第３ポートＰ３とが連通し、通電時の第２の状態で第１ポートＰ１及び第３ポートＰ３、並びに、第２ポートＰ２及び第４ポートＰ４がそれぞれ連通する。なお、図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示す動作は、上述した図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の動作に対応する。このように、２つの電磁弁１８、１９に代えて、１つの電磁４方弁５０を用いる場合には、アクチュエータ制御部４５の小型化も図ることができ、ひいては、歯周病予診装置１全体を更に小型化することができる。

また、本実施形態では、発明者らが実際に試作した歯周病予診装置１を例示したが、量産化を図る場合には、コンピュータ４２とＰＬＣ４４とを一体化させ制御部の小型化を図るようにしてもよく、また、各部の作動電圧を１２Ｖ、５Ｖに統一し、電源部を構成するユニット数を少なくするようにしてもよい。

更に、本実施形態では、ヒータ制御部４７が独立して各半導体ガスセンサ３０のヒータ３０Ｂにヒータ電圧を供給する構成を採用しているので、ヒータ制御部４７は、温度センサ３２で計測したチャンバ１０内の温度情報をセンサ制御部４６から受け取り、例えば、テーブルや数式に従ってヒータ電圧を変動させ、各半導体ガスセンサ３０のガス感応温度が好適な範囲となるように制御するようにしてもよい。

また、本実施形態では、説明を簡単にするために、呼気測定処理及び機構部の清浄処理でＭＦＣ１５の流量を４００ミリリットル／分で一定とした例を示したが、図８（Ａ）〜（Ｄ）に示した各動作間でＭＦＣ１５の流量を変動させるようにしてもよい。

本発明は、小型でかつシーケンス制御で呼気の流路を清浄可能な呼気採取装置を提供するものであるため、呼気採取装置の製造、販売に寄与し、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の歯周病予診装置の外観斜視図である。 サンプル管の先端部側を示す斜視図であり、（Ａ）はグリップにフィルタパイプを装着した状態、（Ｂ）はフィルタパイプを分解した状態を示す。 実施形態の歯周病予診装置の機構部の概略構成を示すブロック図である。 歯周病予診装置の機構部を構成するチャンバの断面図である。 一部がチャンバ内に密閉される基板の平面図である。 半導体ガスセンサの作動原理を示す回路図である。 歯周病予診装置の制御部の概略構成を示すブロック図である。 歯周病予診装置の機構部の動作を示すブロック図であり、（Ａ）チャンバを清浄する状態、（Ｂ）は呼気を測定する状態、（Ｃ）はチューブ１７を清浄する状態、（Ｄ）はサンプル管を清浄する状態をそれぞれ示す。 電磁４方弁を用いた他の実施形態の歯周病予診装置の機構部の動作を示すブロック図であり、（Ａ）チャンバを清浄する状態、（Ｂ）は呼気を測定する状態、（Ｃ）はチューブ１７を清浄する状態、（Ｄ）はサンプル管を清浄する状態をそれぞれ示す。

符号の説明

１ 歯周病予診装置（呼気採取装置）
５ サンプル管（呼気用流路）
６ グリップ
８ フィルタパイプ（パイプ）
９ チューブ（清浄空気用流路）
１０ チャンバ
１１ マウスピース
１２ フィルタ
１３ アダプタ
１５ マスフローコントローラ（吸引手段の一部）
１６ ポンプ（吸引手段の一部）
１８、１９ 電磁３方弁（第１の電磁弁）
２０ 電磁３方弁（第２の電磁弁）
３０ 半導体ガスセンサ

Claims (11)

1. ガス感応性を有する複数の半導体ガスセンサを密封したチャンバと、
   前記チャンバ内の気体を一定量で吸引する吸引手段と、
   前記チャンバの上流側に配置され、清浄な空気を供給する清浄空気用流路と被検者の口から排出された呼気を供給する呼気用流路とを選択的に前記チャンバに接続するための第１の電磁弁と、
   前記吸引手段の下流側に配置され、前記吸引手段で吸引された気体を選択的に排気口及び前記第１の電磁弁を介して前記呼気用流路に案内するための第２の電磁弁と、
   を備えたことを特徴とする呼気採取装置。
2. 前記第２の電磁弁は３方弁であることを特徴とする請求項１に記載の呼気採取装置。
3. 前記第１の電磁弁は第３及び第４の２つの電磁弁からなり、該第３及び第４の電磁弁が３方弁であることを特徴とする請求項２に記載の呼気採取装置。
4. 前記第２の電磁弁は、ＣＯＭポートが前記吸引手段に、ＮＯポートが前記排気口に、ＮＣポートが前記第３の電磁弁のＮＣポートにそれぞれチューブを介して接続されており、前記第３の電磁弁は、ＣＯＭポートが前記呼気用流路に、ＮＯポートが前記第４の電磁弁のＮＣポートにそれぞれチューブを介して接続されており、前記第４の電磁弁は、ＮＯポートが前記呼気用流路に、ＣＯＭポートが前記チャンバにそれぞれチューブを介して接続されていることを特徴とする請求項３に記載の呼気採取装置。
5. 前記第２乃至第４の電磁弁は、それぞれ、非通電状態でＣＯＭポートがＮＯポートと連通し、通電状態でＣＯＭポートがＮＣポートと連通することを特徴とする請求項４に記載の呼気採取装置。
6. 前記第１の電磁弁は４方弁であることを特徴とする請求項２に記載の呼気採取装置。
7. 前記第１の電磁弁は、第１のポートが前記清浄空気用流路に、第２のポートが前記呼気用流路にそれぞれ接続されていると共に、第３のポートが前記チャンバに、第４のポートが前記第２の電磁弁のＮＣポートにそれぞれチューブを介して接続されており、非通電状態で前記第１及び前記第３のポートが連通し、通電時の第１の状態で前記第２及び前記第３のポートとが連通し、通電時の第２の状態で前記第１及び前記第３のポート、並びに、前記第２及び前記第４のポートがそれぞれ連通することを特徴とする請求項６に記載の呼気採取装置。
8. 前記吸引手段は、吸引ポンプと前記チャンバに流れる気体の流量を一定量に制御するマスフローコントローラとで構成されたことを特徴する請求項１に記載の呼気採取装置。
9. 前記呼気用流路はチューブであり、前記呼気用流路の前記第１の電磁弁とは反対側の端部に被検者が前記呼気用流路を把持可能なグリップを固着させたことを特徴とする請求項１に記載の呼気採取装置。
10. 前記グリップは、その端部に被検者の呼気を吸引するためのパイプが装着可能であることを特徴とする請求項９に記載の呼気採取装置。
11. 前記パイプは、被検者が口で銜えることが可能なマウスピース、前記呼気用流路への被検者の唾液の侵入を防止するフィルタ及び前記グリップに装着するためのアダプタを有することを特徴とする請求項１０に記載の呼気採取装置。