JP4591852B2

JP4591852B2 - 高解析ヒューマンカロリーメーター

Info

Publication number: JP4591852B2
Application number: JP2005365996A
Authority: JP
Inventors: 中島　　茂
Original assignee: FUJI MEDICAL SCIENCE CO.,LTD
Current assignee: FUJI MEDICAL SCIENCE CO.,LTD
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: JP2007167170A

Description

本発明は、チャンバー内に収容した被験者のＮ2・Ｏ2・ＣＯ2-44・ＣＯ2-45・Ａｒ等のＧas濃度を連続的に計測し被験者のエネルギー消費量やエネルギー基質の酸化量を測定する高解析ヒューマンカロリーメーターに関する。

従来の代謝熱量測定装置として、特許文献１乃至３に記載された代謝熱量測定装置が提案されている。特許文献１記載の装置は、病院の集約的な治療室において処置を受ける重症患者の栄養の定量的および定性的な必要度を見出するための計測方法であり、呼吸気交換の測定により、ある平衡状態における酸素の消費量に基づくエネルギー消費を計算すること、および酸素消費に対する炭酸ガスの排出量の比率に基づいて消化された栄養物の量を決定するための所謂間接熱量測定法に関するものである。そのため、特許文献１では、
患者にガスを供給排出する人口呼吸装置を介して一様の炭酸ガスと酸素の成分を有する混合室内に流入し、炭酸ガス・センサ及び酸素センサにより、患者のエネルギー消費を計算するものである。

特許文献２に記載された代謝の監視装置は、通気装置上で挿管した患者の酸素消費および二酸化炭素排出量を正確に監視する方法および装置に関するものである。すなわち、最終的な呼吸の呼気試料と周囲圧呼気試料が収集される。周囲圧呼気試料は、連続呼吸において吐出される空気が完全に混合する前の地点から試料中の酸素および二酸化炭素の濃度を測定する。これら酸素消費および二酸化炭素排泄の割合は、通気装置流量計を用いて流量で重み付けられた平均によって計算し、これにより医学的診断および治療に用いられる精度の高い呼吸毎の代謝量が提供されるものである。

特許文献３は間接熱量測定法によって代謝及び関連する呼吸パラメータを測定するための呼吸計測装置に関する。この分析装置は、被検者が呼吸したときに吸気及び呼気のガスを通すべく被検者に接して支持されるように機能する呼吸結合部と、前記呼吸結合部に機能的に結合されて通り抜けたガスの体積の関数としての電気信号を発生させるように適合された流量計と、酸素センサと、前記呼吸結合部、前記流量計、及び前記酸素センサを相互に連結する管と、前記流れセンサと前記酸素センサとからの出力信号を受けて吸気と呼気とのガスの体積差を計算するコンピュータ／計算ユニットと、を備えたものである。

一方、ヒトのエネルギー代謝を測定する代謝熱量測定装置としてヒューマンカロリーメーターがある。このヒューマンカロリーメーターは、間接カロリーメトリー法として、ヒトのエネルギー代謝を24時間など長時間測定する際に用いられる装置で、主にヨーロッパ、アメリカ等で研究に使用されてきた。
特公平６-２８６５２号公報特許第２６９３２５４号公報特表２００２−５０１８０６号公報

従来の代謝熱量測定装置により、被験者の呼吸によって代謝熱量を測定することが可能になっているが、いずれも患者等の被験者に直接装着する導管や、呼吸導管、マスクなどを用いることで、できるだけ正確な測定を試みようとしている。ところが、このように、被験者にマスクなどを装着して代謝熱量を測定する装置では、重症患者のように被験者の身動きが少ない者の代謝熱量を測定することは可能でも、日常の環境で消費する代謝熱量を測定することは不可能であった。すなわち、日常生活の代謝熱量を測定するには、マスクなどの装着は測定の妨げにならざるを得ず、マスクを付ける事によりストレスで代謝が変化することも指摘されている。また睡眠時の代謝を測定することはできない。

一方、従来のヒューマンカロリーメーターでは、被験者を空気の給排気量が調整されるチャンバーの中に入れ、このチャンバー内の酸素や二酸化炭素の量から代謝熱量を測定する。このヒューマンカロリーメーターによると、代謝熱量を測定する上で、チャンバー内の温度が、計測値に大きな影響を与えることになる。そこで、従来のチャンバーは、チャンバーの空気の給排気量を調整すると共に、チャンバーの内部を負圧にすることで、設定温度に対し±0.5℃前後の温度精度に調整することが可能になっていた。ところが、±0.5℃前後の温度精度では、結果的に2％の測定誤差になる。この2％の測定誤差が及ぼす計測値への影響は、安静時で0.003％、運動時で0.03％となる。すると、Gas濃度を測定する質量分析計の測定精度は、0.002％であるから、温度誤差の影響が分析誤差をはるかに上回っていた。したがって、従来のチャンバーを使用した代謝熱量測定装置は、安静時・睡眠時・食事誘発性熱産生等の微量な熱量を0.002％の精度で短時間から長時間における測定は困難であった。

また、従来使用されているヒューマンカロリーメーターは、使用目的が人の24時間又はそれ以上の長時間におけるエネルギー代謝を測定するのが目的であったため、温度精度は±0.5℃度前後の精度であり、チャンバーの内部を陰圧にしていた。ところが、チャンバー内部を陰圧にしたことで、逆に、外気がチャンバー内部にリークし易くなっている。そのため、外気のリークにより温度精度がる下がるおそれや、測定中にチャンバーを開閉することができないといった不都合が生じている。又、従来のヒューマンカロリーメーターで使用されている流量計は差圧型気流計を使用し、分析計は磁気式酸素濃度計・赤外線式二酸炭素濃度計を使用していた。この結果、代謝熱量測定装置では、たとえば、安静時代謝・睡眠時代謝・食事誘発熱産生等の微量な代謝熱量を短時間で正確に測定することは不可能であった。とこが、このような微量な代謝熱量を短時間で正確に測定することにより、たとえば、時代が求める肥満を防ぐ為の食事や睡眠等の研究に使用することが可能になることが明らかになっている。

そこで、本発明は、このような食事等の微量な熱量や、安静時の熱量、睡眠時の熱量などでも短時間で測定することを目的に開発されたもので、チャンバーを使用する代謝熱量測定装置の測定精度を高めることができ、しかも、チャンバー内部への外気のリークを防止することにより、日常の生活スタイルにおける代謝熱量などでも極めて正確に測定することが可能になり、この正確な代謝熱量測定により新たな研究にも活用可能な高精度の機能を有する高解析ヒューマンカロリーメーターの提供を目的とするものである。

上述の目的を達成すべく本発明における第１の手段は、空気の給排気量が調整されるチャンバー内に収容した被験者の酸素摂取量と炭酸ガス産生量から被験者の代謝を測定するエネルギー代謝熱量測定装置において、チャンバー内の気圧を外部の気圧と同圧に設定し、チャンバー内の温度制御に、チラー水を冷却循環水としてチャンバー内の空気を冷却する冷却器と、チャンバー内の空気を加熱するヒーターユニットと、これらの機器の計測制御を行なうデジタル指示調節計とを備えた空気調和機を設置し、該空気調和機で温度制御された空気を複数台の換気用送風機でチャンバー内に送風するように設けたことにある。

第２の手段は、前記チャンバー内の空気の給排気量を調整する流量制御に、気体の質量流量を計測するセンサを備える。

第３の手段は、前記チャンバー内に収容した被験者の炭酸ガスの排出量と酸素の消費量との測定に、高精度磁場型質量分析計を備えたことを課題解消のための手段とする。

本発明の請求項１によると、チャンバー内の温度制御に、チラー水を冷却循環水としてチャンバー内の空気を冷却する熱交換器と、チャンバー内の空気を暖める空調機と、これら熱交換器と空調機との制御モードを切り替えるデジタル指示調節計とを備えた空気調和機を設置し、該空気調和機で温度調整された空気を複数台の換気用送風機でチャンバー内に送風するように設けたことで、チャンバー内の温度制御が極めて正確になり、チャンバーを使用する代謝熱量測定装置の測定精度を高めることができる。また、チャンバー内の気圧を外部の気圧と同圧に設定しているので、チャンバー内部への外気のリークを防止する。この結果、微量な代謝熱量を短時間で正確に測定することができる。

請求項２により、チャンバー内の空気の給排気量を調整する流量制御に、気体の質量流量を計測するセンサを備えることで、チャンバー内の空気の給排気量を極めて正確に調整することが可能になり、代謝熱量の測定精度を更に高めるものである。

請求項３により、高精度磁場型質量分析計を備えたことで、代謝熱量の測定精度をより高めると共に、微量な代謝熱量を正確に測定することができる。また、精度の高い代謝熱量測定により新たな研究にも活用することが可能になり、人の呼吸に於ける新たなGasC-13等の同位元素を使用した代謝測定が可能となりその他PCからの設定により今まで測定できなかった新たなGasの測定の研究の道を開くものである。

このように、本発明によると、チャンバーを使用する代謝熱量測定装置の測定精度を高めることができ、しかも、チャンバー内部への外気のリークを防止し、日常の生活スタイルにおける代謝熱量などでも正確に測定することが可能で、代謝熱量測定による新たな研究にも対応できるなどといった種々の効果を奏するものである。

本発明装置の最良の形態は、チャンバー内の気圧を外部の気圧と同圧に設定する。チャンバー内の温度制御に、チラー水を冷却循環水としてチャンバー内の空気を冷却する熱交換器と、チャンバー内の空気を暖める空調機と、これら熱交換器と空調機との制御モードを切り替えるデジタル指示調節計とを備えた空気調和機を設置する。温度調整された空気をチャンバー内に送風する複数台の換気用送風機を備える。チャンバー内の空気の給排気量を調整する流量制御に、気体の質量流量を計測するセンサを備える。チャンバー内に収容した被験者の炭酸ガスの排出量と酸素の消費量との測定に、高精度磁場型質量分析計を備えることで当初の目的を達成する。

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。本発明装置は、被験者の代謝熱量を測定する代謝熱量測定装置であり、特に、チャンバー内に収容した被験者の炭酸ガスの排出量と酸素の消費量とから代謝熱量を測定するもので、主な構成として、チャンバー１０、空気調和機２０、熱交換器２１、空調機２２、デジタル指示調節計２３、換気用送風機３０、センサ４０、磁場型質量分析計５０を備えている。

チャンバー１０は、被験者を収容する独立した密封性の部屋状を成している。このチャンバー１０は、鋼板製断熱式パネルを組み立てたもので、各パネルの結合部をシリコンコーキングにて密封している。更に、チャンバー１０に設けるドアはエンボス式扉とし、シリコン製パッキングに加え、手動型締め込み式ラッチで高い密封性を保つものである。また、チャンバー１０内の気圧を外部の気圧と同圧に設定している。このように、チャンバー１０の内圧と外部の気圧を等しくすることで、チャンバー１０内部を陰圧にしたものと比べ、むしろ内部の空気がリークせず、気密状態を高性能に保つことができ、計測中でもチャンバー１０内部への出入りを可能にすることができる。

図２に示すチャンバー１０は、内壁2000mm×3450 mm程度のスペース内に、ドア１１、
窓１２、ライト１３、食事用ハッチ１４、トイレ１５、デスク１６、椅子１７、ベッド１８、TV/ビデオ１９などを備えたものである。このようなチャンバー１０により、日常生活と同等の状況にすることが可能になる。

チャンバー１０内の温度のばらつきは最終的に流量の計測値に大きな影響を与える。そのため、本発明では、このチャンバー１０内の温度を正確に制御するために、空気調和機２０や換気用送風機３０を備えている（図１参照）。

空気調和機２０は、熱交換器２１と空調機２２とでチャンバー１０内の温度を一定に調整するもので、これら空気調和機２1と空調機２２との制御モードを切り替えるデジタル指示調節計２３を備えている。

熱交換器２１は、チラー水を冷却水タンクに循環させて冷却器の温度を一定に制御する。たとえば、水温を摂氏5度±0.1度に温度制御した冷却水を熱交換器２１に循環させ、この熱交換器２１を通過するチャンバー１０内の空気を冷却するものである。空気の比重は0.24であるのに対し水の比重は1.0であり、空気に比べて比重が大きく安定した温度制御を得ることができる。この結果、温度制御の効率を上げ、安定した冷却温度を確保することができる。このとき、熱交換器２１の冷却面積を大きくして、室内循環の空気が平均に当たるようにすることで、冷却効率を高めている。

空調機２２は、チャンバー１０内の温度を暖めるもので、ヒーターユニットを使用する。そして、これら熱交換器２１と空調機２２との制御モードを切り替えるデジタル指示調節計２３を備え、このデジタル指示調節計２３により、熱交換器２１や空調機２２が制御され、チャンバー１０内の温度を一定にする。本発明の実施例の空調能力では、熱交換器２１の冷却能力5.12ｋｗ/h、空調機２２の加熱能力9ＫＷで外気量12ｍ3/hとすることで、外気熱負荷にも充分な能力を有し、安定した室内環境を達成した。このとき、使用するデジタル指示調節計２３として、たとえば、株式会社山武製のデジタル指示調節計SDC35/36などを使用することで、±0.1％ＦＳ、0.1ｓの高速サンプリング周期で温度制御することが可能になり、温度制御は設定値に対し平均で±0.1℃以下24時間の平均では±0.05℃になる。

換気用送風機３０は、空気調和機２０にて温度調整された空気をチャンバー１０内に送風するもので、本発明では、十分な送風能力を備えた換気用送風機３０を少なくとも２台使用する。すなわち、換気用送風機３０として、有圧型多風量式を2台採用し、室内容積を120回/hの換気をインバーター制御で行なうことで、室内に温度差が生じない空調方式とする。この結果、チャンバー１０内においてガス濃度差が無い均一な環境を達成した。また、換気用送風機３０を少なくとも２台使用することで、各換気用送風機３０を1/2の換気運転で行なうことが可能になるので、送風機からの騒音を低減することもできる。更に、運動時の室内温度及び室内空気の濃度変化に対応する為、換気量をインバーターにて適切に設定することで、室内の温度・空気濃度を安定化し、運動時における室内ガス濃度の差が無い環境を実現する。

実施例では、チャンバー１０内の温度制御を正確にするために、蒸気式加湿器６０を備えている。この蒸気式加湿器６０は、例えば設定値50％に対し±1％以下の精度を有するものが望ましい（環境試験室Ａ級制御で±3％以下）。このような蒸気式加湿器６０を採用することで、チャンバー１０内の温度の安定性と外乱応答性を大幅に向上させることができる。また、蒸気式加湿器６０を用いることで、加湿時に煮沸殺菌され、細菌や白い粉を含まないクリーンな蒸気を噴霧するので、チャンバー１０内部の環境にも好適である。尚、図１には、この他の構成として、外部吸気ファン１、内部吸気ボックス２、手動流量調整弁３、パソコン４、コントローラー５、冷却水循環ポンプ６、屋外空調コンデンサー７、間接排気ボックス８、室内排気ファン９などを備えている。

チャンバー１０内の酸素量は換気時の流入量及び被験者の酸素摂取量によって決定され、同様に二酸化炭素濃度の変化率は外気からの二酸化炭素流入量と被験者の二酸化炭素生産量から決定される。そこで、前記チャンバー１０内の空気の給排気量を精密に調整するため、この流量制御に、気体の質量流量を計測するセンサ４０を備えている。このセンサ４０は、単位時間当たりにどれだけの質量（分子数）が流れたかという流量を計測するセンサ４０で、本発明ではフローセンサ式の熱式質量流量計を使用する。

このフローセンサ式の熱式質量流量計として、実施例では、一辺が1.7mm、厚さ0.5mmの気体用熱式フローセンサとし、シリコン基台中央のキャビティ上に、窒化シリコンでできた厚さ役1μmのダイアフラムが作られており、その中央にヒータを形成し、ヒータの両側に温度センサを形成され、シリコン基台上には周囲温度センサが形成されたものを使用している。このフローセンサ式の熱式質量流量計によると、ヒータ定温度差制御回路でヒータを周囲温度よりある一定温度高く制御し、センサ出力回路で上流側、下流側温度センサの抵抗値差を電圧差として取り出すものである。流れがないときは、ヒータの上流側、下流側に均一な温度分布ができているが、流れがあると上流側より下流側が高い温度分布になる。このときの上流側、下流側温度センサの温度差（抵抗値差）によって生じる電圧差が、センサ上面を流れる気体の質量流速の関数となる。このセンサ４０を流路内に設置し、この質量流速に流露の断面積をかけると質量流量になるものである。本発明の実施例では、株式会社山武製の、製品名μFセンサを使用している。前記チャンバー１０に、このようなセンサ４０を使用してチャンバー１０内の流量を制御することにより、100Ｌ/minに対し0.05％の制御を実現し、チャンバーの温度・流量の誤差が分析計の測定値に影響を与えない0.000075％以下の制御に成功し、微量な熱量が分析計で正確測定できる高精度・高解析のシステムとなっている。

本発明測定装置によるチャンバー１０内の温度と流量（STPD）の関係を表１に示している。表中、上のラインは温度を示し、下のラインは排気（STPD）を示している。設定温度は25℃±0.01℃/21h(mean)、設定排気流量は100L±0.01L22h(mean)、データ解析時間は17:00から翌日の14:00までの21時間とした。この表から明らかなように、本発明装置では、チャンバー１０内の温度及び排気（STPD）が極めて一定になっていることが明らかである。

前記チャンバー１０内に収容した被験者の炭酸ガスの排出量と酸素の消費量との測定に、高精度磁場型質量分析計５０を備える。この高精度磁場型質量分析計５０は、磁場を用いて、イオンをm/zにしたがって分離し、質量を分析する装置である。この高精度磁場型質量分析計５０として、特に、サンプルガスから高エネルギーイオンビームを発生する磁場型質量分析計を使用する。この種の磁場型質量分析計によると、イオンビームは可変式扇型電磁石によって、成分分子断片に分割されて測定される。実施例では、Thermo ELECTRON 社製の製品名Prima σＢを使用している。このような高精度磁場型質量分析計５０を前記チャンバー１０に装着することで、新たな研究にも活用することが可能になる。分析特性は酸素・二酸化炭素・窒素・アルゴン等のGasで0.002VOL％以下の精度で測定値は0.0001％で測定する磁場型MS：フラットトップピーク・高精度電子流制御・低ノイズ検出器で基礎代謝比率の繊細な効果を測定するのに必要不可欠な重要なことである。その他の利点として同位体（C-13）で標識化した食品が使用できMSマス44での12CO2と同じようにマス45で13CO2を測定することができる。人の呼吸に於ける新たなGasC-13等の同位元素を使用した代謝測定が可能となり、その他パソコンからの設定により今まで測定できなかった呼気Gas測定が出来新たな研究の道を開くものである。それゆえ、肥満とエネルギー消費の関係、年代・性差とエネルギー消費との関係、妊産婦のエネルギー消費の関係・健康食品・医薬品の開発・に貢献など、エネルギー代謝に関連するあらゆる研究領域に使用することが可能になる。

表２に、本発明測定装置で実施した試験のデータを示す。この試験は、５８歳の男性を被験者とし、「安静、睡眠、安静、食事、安静」といった一連の行動における、酸素摂取率と二酸化炭素産生率を、19:00から翌日の11:00まで測定したものである。上のラインは酸素摂取率を示し、下のラインは二酸化炭素産生率を示している。この表から分かるように、本発明測定装置によると、酸素摂取率及び二酸化炭素産生率のいずれにおいても極めて正確な測定が可能になっている。

尚、本発明は、図示例に限定されるものではなく、各構成要素の設計変更や材質の置換、用途の変更などは、本発明の要旨を変更しない範囲で任意に行えるものである。

本発明装置を示す概略図である。本発明チャンバーの一実施例を示す概略側面図である。

符号の説明

１外部吸気ファン
２内部吸気ボックス
３手動流量調整弁
４パソコン
５コントローラー
６冷却水循環ポンプ
７屋外空調コンデンサー
８間接排気ボックス
９室内排気ファン
１０チャンバー
１１ドア
１２窓
１３ライト
１４食事用ハッチ
１５トイレ
１６デスク
１７椅子
１８ベッド
１９ TV/ビデオ
２０空気調和機
２１熱交換器
２２空調機
２３デジタル指示調節計
３０換気用送風機
４０センサ
５０高精度磁場型質量分析計
６０蒸気式加湿器
７０天井部

Claims

空気の給排気量が調整されるチャンバー内に収容した被験者の酸素摂取量と炭酸ガス産生量から被験者の代謝を測定するエネルギー代謝熱量測定装置において、チャンバー内の気圧を外部の気圧と同圧に設定し、チャンバー内の温度制御に、チラー水を冷却循環水としてチャンバー内の空気を冷却する冷却器と、チャンバー内の空気を加熱するヒーターユニットと、これらの機器の計測制御を行なうデジタル指示調節計とを備えた空気調和機を設置し、該空気調和機で温度制御された空気を複数台の換気用送風機でチャンバー内に送風するように設けたことを特徴とする高解析ヒューマンカロリーメーター。
前記チャンバー内の空気の給排気量を調整する流量制御に、気体の質量流量を計測する
センサを備えた請求項１記載の高解析ヒューマンカロリーメーター。
前記チャンバー内に収容した被験者の炭酸ガスの排出量と酸素の消費量との測定に、高
精度磁場型質量分析計を備えた請求項１記載の高解析ヒューマンカロリーメーター。