JP6647061B2

JP6647061B2 - 呼気成分計測装置

Info

Publication number: JP6647061B2
Application number: JP2016019851A
Authority: JP
Inventors: 茂樹杢尾; 順子桑木
Original assignee: Hosiden Corp
Current assignee: Hosiden Corp
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2036-02-04
Also published as: EP3203230A1; US20170224250A1; JP2017138221A; CN107037179A

Description

本発明は、呼気中に含まれる成分を計測する呼気成分計測装置に関する。

従来の半導体方式の呼気成分計測装置として例えば特許文献１がある。

特表２００８−５１６１９８号公報

従来の半導体方式の呼気成分計測装置では、吸気口から流入した呼気は、ガス検知部を通過して排気口から排気されるため、装置内に長時間とどまることはない。このため、呼気の吹き付け強度や吹き付け時間の長さにより、ガス検知部におけるガスの濃度が変化し、測定結果にばらつきが生じることがあった。そこで本発明では、測定結果のばらつきを少なくすることができる呼気成分計測装置を提供することを目的とする。

本発明の呼気成分計測装置は、呼気を滞留させる呼気滞留ケースと、呼気滞留ケース内に設けられたガスセンサを含む。

本発明の呼気成分計測装置によれば、測定結果のばらつきを少なくすることができる。

実施例１の呼気成分計測装置の斜視図。実施例１の呼気成分計測装置の右側面図。実施例１の呼気滞留ケースの右側面図。実施例１の呼気滞留ケースの正面側斜視図。実施例１の呼気滞留ケースの背面側斜視図。実施例１の呼気滞留ケースを切断してその内部を示す平面側斜視図。呼気流入量と呼気流入前後のセンサ出力の差分の関係を示す図。呼気流入前後、呼気強制排気前後のセンサ出力の経時変化を示す図。実施例１の呼気成分計測装置の制御系を示すブロック図。実施例１の呼気成分計測装置の制御部の動作を示すフローチャート。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

以下、図１、図２を参照して、実施例１の呼気成分計測装置について説明する。本実施例の呼気成分計測装置１は、略四角柱形状であって、上方向に進むにつれ背面方向にやや湾曲した本体ケース１１と、本体ケース１１の正面上端に設けられた断面が幅広な略楕円となる筒型のマウスピース１２と、本体ケース１１の正面中ほどに設けられた表示部１３と、本体ケース１１の正面に、表示部１３の下部に隣接して設けられた左操作ボタン１４Ｌ、右操作ボタン１４Ｒと、本体ケース１１の正面下部に設けられた中央操作ボタン１５と、本体ケース１１の右側面上部および左側面上部（図示略）に設けられた換気口１６を含む。

表示部１３は液晶画面などである。本実施例において換気口１６は、円形の孔を縦横複数列配列して形成したが、例えば長円形状の孔を複数配置して換気口１６を形成してもよいし、それ以外の形状の孔を配置して形成してもよい。

次に、図３、図４、図５を参照して呼気成分計測装置１内に収容される呼気滞留ケース２について説明する。呼気滞留ケース２は、直方体形状の容器２１と、容器２１の正面中央に設けられた円筒形状の吸気管２２と、容器２１の右側面全面に形成されたポンプ２３と、容器２１の底面中央に設けられた円筒形状のセンサ収容部２４と、円柱形状であって、センサ収容部２４に収容されたガスセンサ２５と、後述するスロット２７の溝に支持された円盤形状の圧電素子２６と、容器２１の左側面に形成され、圧電素子２６を支持する溝を有するスロット２７と、容器２１の左側面の、圧電素子２６の背面に隠れる位置に設けられた排気口２８を含む構成である。吸気管２２の開口部を吸気口２２５と呼ぶ。圧電素子２６と容器２１の左側面は離間され、両者の間には一定程度の空隙が設けられている。

図３に破線で本体ケース１１と呼気滞留ケース２の位置関係を示した。図３に示すように、マウスピース１２から吹き込まれた呼気は、吸気管２２の吸気口２２５に送り込まれる。

次に、図６を参照して、容器２１の内部構造について説明する。図６は、呼気滞留ケース２を図３に示す６−６切断線で切断してその内部を示す平面側斜視図である。図６に示すように、ガスセンサ２５の上端部は、円筒形状のセンサ収容部２４に収められてセンサ収容部２４を塞いでおり、センサ収容部２４からは呼気が排気されない、あるいは排気されにくい。ガスセンサ２５の上端面は、容器２１内を滞留するガスを検知するセンシング部となっている。ガスセンサ２５は、図示しない制御部（例えばＩＣチップ、マイコンチップなど）と接続されており、当該制御部に電気信号を送信する。制御部は、ガスセンサ２５から受信した電気信号に応じて、表示部１３を制御して、検出結果を表示させる。また制御部は、ガスセンサ２５から受信した電気信号をユーザが編集可能なデータの形式に変換して、所定の記憶領域に記憶するなど、各種の制御動作を実行する。ガスセンサ２５が検知するガスの種類に特に制限はないが、例えばアルコール、ケトン、アセトン等でもよい。

図６に示すように、吸気管２２を通過して、容器２１内に流入した呼気は、排気口２８から徐々に排気される。排気口２８が容器２１に比して小さければ、容器２１内に流入した呼気はなかなか排気されず、容器２１内で滞留する時間が長くなる。反対に、排気口２８が容器２１に比して大きければ、容器２１内に流入した呼気は速やかに排気され、容器２１内で滞留する時間が短くなる。

排気口２８から排気された呼気は、圧電素子２６の背面に衝突し、圧電素子２６は排気を検知して電気信号を発生する。圧電素子２６は電気信号を前述の図示しない制御部に送信する。なお、圧電素子２６の背面に衝突した呼気は、圧電素子２６と容器２１の左側面との間の空隙を通過して主に上方向に放出される。

＜呼気流量と容器２１の容積の関係＞
図７、図８を参照して呼気流入量と容器２１の容積の関係について説明する。図７は、容器２１の容積をおよそ４．６［ｍｌ］とした場合の各分量の呼気が容器２１に流入した後のセンサ出力と清浄大気下におけるセンサ出力との差分値（複数回計測の平均値）をプロットしたグラフである。以下は詳細な計測条件である。センサの負荷抵抗は１０［ｋΩ］、吸気口２２５の口径Φ４［ｍｍ］、排気口の口径Φ２［ｍｍ］であった。呼気のサンプルとして昼食前空腹時の呼気をサンプルバックに採取し、当該サンプルバックから一定量の呼気を取り出し、シリンジを用いて吸気口２２５に注入した。計測は流入量毎に３回ずつ実行された。

例えば清浄大気下では、センサ出力は３７００〜３７４０［ｍＶ］であるのに対し、呼気が１０［ｍｌ］流入した場合のセンサ出力は、３２４０〜３３００［ｍＶ］となり、センサ出力の差分は、４４０〜４７０［ｍｌ］（平均４５３．３［ｍｌ］）となった。同様に呼気が４０［ｍｌ］流入した場合のセンサ出力は、３１８０〜３１９０［ｍＶ］となり、センサ出力の差分は、５１０〜５２０［ｍｌ］（平均５１６．７［ｍｌ］）となった。呼気が８０［ｍｌ］流入した場合のセンサ出力は、３１５０〜３１６０［ｍＶ］となり、センサ出力の差分は、５５０［ｍｌ］で計測回に依らず一定であった。また、呼気が１２０［ｍｌ］流入した場合のセンサ出力は呼気が８０［ｍｌ］流入した場合と同様、３１５０〜３１６０［ｍＶ］となり、センサ出力の差分は、５５０［ｍｌ］で計測回に依らず一定であった。

図７から、センサ出力の差分は、呼気流入量が増加するにつれて飽和することが分かる。また上述したように、呼気流入量が少なければセンサ出力の差分値は、計測回が異なる毎にばらつく傾向があるものの、呼気流入量が増加するにつれて安定し、ばらつきが少なくなる傾向があることが分かる。

上述の計測結果から、容器２１の容積（およそ４．６［ｍｌ］）の約８．８倍の呼気流入量（４０［ｍｌ］）であれば、計測回ごとの測定値は安定し、好適な条件となる。また、容器２１の容積（およそ４．６［ｍｌ］）の約１７．６倍の呼気流入量（８０［ｍｌ］）であれば、計測回ごとの測定値はさらに安定し、十分に飽和する。

上記の計測結果から、容器２１、または呼気滞留ケース２は、１回当たりの標準的な呼気吹き付け量として予め設定した容量のα分の１の容量を有するものとし、少なくともαを８．８以上、さらに好ましくは、αを１７．６以上として、αを予め設定すればよい。

＜ポンプ２３＞
ポンプ２３は、例えば圧電式マイクロポンプなどでよい。ポンプ２３は、モータ式ポンプやファンモータであってもよい。図８に、呼気吹き付け前後のセンサ出力の変化と、ポンプ２３による呼気の強制排気前後のセンサ出力の変化の実測結果を示す。図８は、容器２１の容積をおよそ４．６［ｍｌ］とし、呼気８０［ｍｌ］を吹き込んだ場合の実測結果の代表波形を表すものである。図８に示すように、呼気流入開始から２０［ｓｅｃ］程度でセンサ出力は安定する。また、ポンプ２３による強制排気開始から８０［ｓｅｃ］程度でセンサ出力は清浄大気下の条件と同等の出力に復帰する。

＜圧電素子２６＞
圧電素子２６は、例えばマイクロフォンなどでよい。圧電素子２６は、例えば各種の圧力センサ素子であってもよい。

＜制御系＞
以下、図９を参照して本実施例の呼気成分計測装置１の制御系について説明する。図９に示すように、本実施例の呼気成分計測装置１の制御系は、スイッチ群１００と、ガス検知ユニット２００と、表示部（例えば有機ＥＬＤ）１３と、電源回路４１と、これらの構成要件を制御する制御部（例えばＩＣチップ、マイコンチップ）３１を含む。ガス検知ユニット２００には、前述したポンプ（例えば圧電ブロア）２３、ガスセンサ２５、圧電素子（例えばマイクロホン）２６を含む。ガス検知ユニット２００には、これらに加え、湿温度センサ２９が含まれていてもよい。ガス検知ユニット２００はこれ以外の追加の構成要件を備えていてもよい。スイッチ群１００には、前述した左操作ボタン１４Ｌ，右操作ボタン１４Ｒ、中央操作ボタン１５などのスイッチ類が含まれる。

図１０を参照して制御部３１の動作について説明する。ユーザ操作により電源がＯＮになった場合（Ｓ３１０１）、制御部３１はクリーニングカウントを開始する（Ｓ３１０２）。制御部３１は、表示部１３にメッセージ”クリーニング中”を表示させる（Ｓ３１０３）。制御部３１は上述の各種のセンサ（ガスセンサ２５、温湿度センサ２９など）をＯＮに制御する（Ｓ３１０４）。制御部３１はポンプ（圧電ブロア）２３をＯＮに制御する（Ｓ３１０５）。ステップＳ３１０２〜Ｓ３１０５までの各動作は、ステップＳ３１０１をトリガとして同時に実行されてもよいし、上記と異なる順序で実行されてもよい。

制御部３１は、クリーニングカウントとしてｔ_１秒（ｔ_１は例えば６００）経過を監視し（Ｓ３１０６）、ｔ_１秒経過した場合には（Ｓ３１０６Ｙ）、表示部１３に”測定ボタン”のリクエスト（ユーザに対する”測定ボタン”押下の要求）を表示させる（Ｓ３１０７）。”測定ボタン”は、本装置の何れかの操作ボタン、あるいは表示部１３（タッチ操作可能な場合）などである。ユーザが”測定ボタン”を押下した場合（Ｓ３１０８Ｙ）、制御部３１は、ポンプ（圧電ブロア）２３をＯＦＦに制御してクリーニング処理を終了する（Ｓ３１０９）。次に制御部３１は、表示部１３に”呼気吹き付け”のリクエスト（ユーザに対する”呼気吹き付け”の要求）を表示させる（Ｓ３１１０）。制御部３１は、圧電素子２６への入力（マイク入力）の有無を監視する（Ｓ３１１１）。圧電素子２６への入力（マイク入力）が検知されないまま（Ｓ３１１１Ｎ）、ｔ_２秒（ｔ_２は例えば１０）が経過した場合（Ｓ３１１２Ｙ）、制御部３１は、呼気の吹き付けが無かったものと判断して、ポンプ（圧電ブロア）２３をＯＮに制御してクリーニング処理を再開し（Ｓ３１１３）、処理はステップＳ３１０７に戻る。一方、ｔ_２秒経過前に（Ｓ３１１２Ｎ）圧電素子２６への入力（マイク入力）が検知された場合には（Ｓ３１１１Ｙ）、制御部３１は、呼気の吹き付けが有ったものと判断する。

次に制御部３１は、圧電素子２６への入力（マイク入力）をｔ_５秒（ｔ_５は例えば０．２）の間読み取り（Ｓ３１１１ａ、Ｓ３１１１ｂＮ）、ｔ_５秒経過後（Ｓ３１１１ｂＹ）、読み取った圧電素子２６の入力がβＶを超えるか否かを判定する（Ｓ３１１１ｃ）。なお制御部３１は、マイクロホン２６の場合は、マイク入力のカウントがγ回以上あるか否か判定する。圧電素子２６の入力がβＶを超えると判定された場合（Ｓ３１１１ｃＹ、マイクロホン入力２６の場合は、マイク入力のカウントがγ回以上あった場合）、十分な強さの呼気が流入したとし、制御部３１は、圧電素子２６の入力がなくなるまで待機する（Ｓ３１１１ｄ）。制御部３１は、圧電素子２６の入力がなくなったのを確認した後（Ｓ３１１１ｄＹ、マイクロホン２６の場合は、マイク入力がなくなったのを確認した後）、測定値の取得へ移行する。これにより、容器２１へ十分に呼気が流入する。制御部３１が圧電素子２６の入力がβＶ以下であると判定した場合（Ｓ３１１１ｃＮ）、再びマイク入力の有無を判定するＳ３１１１へもどる（Ｓ３１１１ｃＮ）。

測定値の取得へ移行後（Ｓ３１１１ｄＹ）は、制御部３１は、“測定中”などの表示を表示部１３に表示し（Ｓ３１１１ｅ、ユーザへ測定中であることを示し待機を即す）、ｔ_３秒（ｔ_３は例えば２０）経過前まで（Ｓ３１１４Ｎ）、容器２１に溜まった呼気成分をガスセンサ２５にて測定値を取得し続ける（Ｓ３１１５）。

ｔ_３秒経過後（Ｓ３１１４Ｙ）、制御部３１は、取得した測定値、あるいは取得した測定値に統計的処理を施した値を、表示部１３に表示させる（Ｓ３１１６）。その後、制御部３１は測定が終了したものと判断して、ポンプ（圧電ブロア）２３をＯＮに制御してクリーニング処理を再開し（Ｓ３１１７）、クリーニングカウントを開始する（Ｓ３１１８）。次に、制御部３１は、ユーザによる”次の測定”指示を待ち受ける（Ｓ３１１９）。ユーザによる”次の測定”指示は、本装置の何れかの操作ボタンまたは表示部１３に対するユーザの操作によってなされる。ユーザによって”次の測定”が選択（入力）された場合（Ｓ３１１９Ｙ）、制御部３１は、クリーニングカウントとして設定したｔ_４秒（ｔ_４は例えば８０、起動時のクリーニングカウントであるｔ_１より小さな値としてもよい）経過を監視する（Ｓ３１２０）。ｔ_４秒未経過の場合（Ｓ３１２０Ｎ）、制御部３１は表示部１３にメッセージ”クリーニング中”を表示させる（Ｓ３１２１）。ｔ_４秒経過後（Ｓ３１２０Ｙ）、処理はステップＳ３１０７に戻り、制御部３１は、表示部１３に”測定ボタン”のリクエスト（ユーザに対する”測定ボタン”押下の要求）を表示させる（Ｓ３１０７）。

＜呼気成分計測装置１がもたらす効果＞
本実施例の呼気成分計測装置１によれば、ガスセンサ２５を呼気を滞留させる呼気滞留ケース２内（容器２１内）に配置したことにより、呼気中の特定成分の計測精度を向上させることができる。容器２１（または呼気滞留ケース２）の容積を１回当たりの標準的な呼気吹き付け量のα分の１の容量を有するものとしたため、容器２１内の呼気中の特定成分の濃度が飽和し、計測結果が呼気吹き付け強度や呼気吹き付け時間の影響を受けにくくなり、計測精度を向上させることができる。

また排気口２８を容器２１のサイズに比して十分に小さい径（例えば、φ＝２．０ｍｍ）としたため、容器２１内の呼気が排気されにくくなり、呼気吹き付け中に容器２１内に呼気が滞留しやすくなり、呼気吹き付け後も呼気中の特定成分の濃度が変化しにくくなる。このため、計測精度を向上させることができる。

また排気口２８近傍に圧電素子２６を設けたため、呼気の吹き付け開始のタイミングを検知することができる。またポンプ２３を設けたため、容器２１内の気体を周囲の清浄大気に強制的に入れ換えることができ、測定前に必要な清浄大気下でのガスセンサ２５のクリーニングを行うことができる。

１呼気成分計測装置
１１本体ケース
１２マウスピース
１３表示部
１４Ｌ左操作ボタン
１４Ｒ右操作ボタン
１５中央操作ボタン
１６換気口
２呼気滞留ケース
２１容器
２２吸気管
２２５吸気口
２３ポンプ
２４センサ収容部
２５ガスセンサ
２６圧電素子
２７スロット
２８排気口
２９温湿度センサ
３１制御部
４１電源回路
１００スイッチ群
２００ガス検知ユニット

Claims

呼気を滞留させる呼気滞留ケースと、
前記呼気滞留ケース内に設けられたガスセンサを含み、
αを８．８以上の予め設定した値とし、
前記呼気滞留ケースは、
一回当たりの標準的な呼気吹き付け量として予め設定した容量のα分の１の容量を有し、
前記一回当たりの標準的な呼気吹き付け量として予め設定した容量は、４０ｍＬ以上１２０ｍＬ以下の所定の容量である
呼気成分計測装置。