JP6671008B2 - 呼気成分測定装置 - Google Patents
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Description
呼気が流れる流路の内部では、流速が安定しない領域も存在する。従って、レスポンスを向上させるために、ガスセンサを流路の内部に配置しても、流速の影響を受けてガスセンサの出力が不安定になる場合がある。このため、被測定者が適当な流速の呼気を吹き込む必要があるなど使い勝手に問題があった。
圧力とガスの濃度といった2つの要素を呼気成分の特定開始の条件としたので、圧力のみを呼気の成分を特定開始の条件とする場合と比較して、迅速に呼気の測定を実行できる。仮に、圧力のみを条件とすると、一つの要素で呼気の吹き込みを判定しなければならないので、第1閾値を大きくせざるを得ない。本発明は、圧力だけでなくガスの濃度も判定の条件とするため、第1閾値を低くすることができる。この結果、呼気の測定を迅速に行うことが可能となる。高齢者は、呼気を長時間吹き込むことが困難であることがある。この態様によれば呼気の吹き込み時間を短縮できるので、特に、高齢者など呼気の吹き込みが弱い被験者の利便性を向上させることができる。
上述の態様において、前記管路の内径は、4mmであり、前記流路管の内径は、6mmであることが好ましい。
<第1実施形態>
<呼気成分測定装置>
図1(A)は、本発明の一実施形態を構成する呼気成分測定装置本体1の正面図、(B)は、この呼気成分測定装置本体1の背面図、図2は図1に示した呼気成分測定装置のA−A断面図である。呼気成分測定装置は、呼気成分測定装置本体1と、呼気成分測定装置本体1に取付けられる呼気吹込み用アタッチメント6を備える。
図3は、正面ケース2及び蓋4を省略した呼気成分測定装置本体1の正面図である。図3のとおり、呼気成分測定装置本体1は、内部に流路管8、ガスセンサ9、ガスセンサ9と一体に構成されるガスセンサユニット11、圧力センサ26、上述のガスセンサ9とは別のガスを測定するための第二ガスセンサ17、第二ガスセンサ17に呼気を導入するためのエアバレル19、エアバレル19を動かすためのソレノイド18を備える。
図4は、図2の流路の部分の拡大断面図である。上述のとおり、正面ケース2に呼気吹込み用アタッチメント6が取付けられる。呼気吹込み用アタッチメント6は、その内部に、人によって吹込まれた呼気を通すための管路6aと、ストロー取付け孔6bを有する。また、ストロー取付け孔6bにはストロー7が取付けられる。正面ケース2に呼気吹込み用アタッチメント6を取付けることで、ストロー7、管路6a、突出部6cの内面、流入口2a、流路管8の内面8a及び背面ケース3の排出口3aが連通して呼気を通す。
図5(A)から(C)は、流路管8を三方向から見た図であり、図3の流路管8の向きを正面したとき、図5において(A)は流路管8の背面図、(B)は右側面図、(C)は平面図である。図4及び図5(C)のとおり、流路管8内の呼気をガスセンサ9へ導入するための開口部8cが流路管8の内面8aに設けられる。また、流路管8の側面(呼気を流す方向からみて垂直の方向)にガスセンサ取付け部8bが設けられる。また、図5(C)のとおり、ガスセンサ取付け部8bは、円筒状であり平面視において開口部8cを囲うように設けられ、ガスセンサ取付け部8bの内部と開口部8cとが連通するように設けられる。
流路管8の外面には、案内部8fが形成されている。一方、ガスセンサ9は図6(A)に示すように呼気を取り込むための取込口が所定の面9pに形成されている。そして、ガスセンサ9は、その取込口9bが開口部8cの内側に位置するように、流路管8の案内部8fと所定の面9pとが密着するように取り付けられる。なお、この例では、所定の面9pが平面であるため、案内部8fも平面であるが、所定の面9pが曲面である場合、案内部8fは、所定の面9pに沿った曲面となっている。
このように、流路管8の案内部8fとガスセンサ9の所定の面9pとは密着するので、
呼気溜まり空間を経由することなく、流路管8を流れる呼気をガスセンサ9で確実に捉えることができるので、ガスセンサ9の出力のレスポンスを向上させることが可能となる。
図4のとおり、ガスセンサ取付け部8bの内面には、ガスセンサ9が挿入されて取付けられる。ガスセンサ9は、ガスセンサ用基板10とともに、ガスセンサユニット11に組み込まれている。ガスセンサユニット11は、図3のとおり、下部にガスセンサ9及びメイン基板14との接続のためのコネクタ21を備えており、呼気成分測定装置本体1から脱着可能である。また、ガスセンサユニット11と正面ケース2の間には仕切り板13が設けられる。この例の仕切り板13は、背面ケース3の一部であり、一体として形成されている。
図7から図11は、図4における流路管8の内径φをそれぞれ、3mm,4mm,5mm,6mm,10mmに変更したときのガスセンサ出力値Vsの時間変化を示すグラフである。いずれのグラフにおいても呼気吹込み用アタッチメント6の流路管側端部6dの内径は4mmに固定され、吹込むガスは、1ppmのアセトンであり、管路6aに吹込むガスの流量が30l/min(リットル/分)の場合を実線で示し、流速40l/minの場合を破線で示し、流速50l/minの場合を点線によって示している。実験においては、測定開始から約20秒後に呼気の吹き込みを停止している。
特に、管路6aの内径φが4mmで流路管8の内径φが6mm(管路6aの内径の1.5倍)の場合、ガスの流量に応じたガスセンサ出力値Vsのばらつきが最も小さいので、呼気成分測定装置に用いるのに好適である。
呼気成分測定装置において、流路管8の内径は管路6aの内径よりも大きいことを前提に、呼気を通過させる流路における管路6a及び流路管8の内径は、いずれの部分でも4mm以上10mm未満であることが好ましい。
図5(C)において、第一の導入管8dは、流路管8の内部の圧力を圧力センサ26に伝達し、第二の導入管8eは後述の第二ガスセンサへ流路管8内の呼気を通すためのパイプ28と接続される。第二の導入管8eは内部に孔8iを有する。図3に示すように、第一の導入管8dは、圧力伝達管27に接続され、圧力伝達管27は圧力センサ26の入力ポートに接続される。また、図5(C)のように、第一の導入管8dは、流路管8を貫通して取付けられるとともに、孔8gが流路管8の内部から外部へ通じるように設けられている。圧力伝達管27は、第一の導入管8dの圧力センサ26側端部を内嵌して接続されている。また、第一の導入管8dの流路管側端部8hは、流路管8の内側に突き出ており、図4に示す領域50に含まれる位置となるように設けられている。
図14は、呼気成分測定装置本体1の機能ブロック図の一例である。図3と共通するものについては共通の符号を用いている。制御部40は、不図示のCPU等の演算装置及びメモリなど記憶装置その他の電子回路によるハードウエア及びプログラム等のソフトウエアで構成される演算モジュールである。また制御部40は、流路管8のガス濃度を測定するガスセンサ9、呼気が吹込まれたことを検知するために、流路管8の内部の圧力を圧力伝達管27を通じて測定する圧力センサ26、及び後述のパイプ28を通じて測定する第二ガスセンサ17と接続され、これらの動作を制御する。また、制御部40は、外部のパソコン、ディスプレイ、スピーカ又はプリンタなどへ測定結果等を出力する出力IF51(インターフェイス)を有するとともに、制御部40に対し、パソコン又は操作ボタンなどによって外部からの設定情報などを受け付ける入力IF52を備える。
図15は呼気成分測定装置の動作フローの一例である。この動作フローでは、圧力センサ26によって検出された圧力の変化量が第1閾値ref1を超え、かつ、ガスセンサ9よって検出されたガスの濃度の変化量が第2閾値ref2を超えることを条件に、呼気の成分の特定を開始する。また、図16に圧力センサ26によって検出された圧力の変化とガスセンサ9よって検出されたガスの濃度の変化とを例示する。
呼気吹込判断部43は、呼気が吹込まれたと判断したとき、その判断の結果を動作制御部41に送る(ステップS3のYesの場合)。呼気吹込判断部43が呼気の吹込みが検知しない場合には、圧力センサ26の出力値を示す圧力データの受け付けを続ける(ステップS3のNoの場合)。
ガスセンサ出力値閾値判断部47は、常時、第一ガスデータの移動平均値を算出している。より具体的には、現在の第一ガスデータより過去の所定数の第一ガスデータを対象に移動平均値avr2を算出する。第一ガスデータがDg1→Dg2→Dg3→Dg4→Dg5→Dg6の順で変化し、現在の第一ガスデータがDg6であり、所定数が「5」であるとすれば、移動平均値avr2は、avr2=(Dg1+Dg2+Dg3+Dg4+Dg5)/5で算出される。呼気吹込判断部43は、現在の第一ガスデータDg6と第一ガスデータの移動平均値avr2との差分をガスセンサ9の出力値の変化量として算出し、変化量が第2閾値ref2を超えたか否かを判定する。
第2閾値ref2は、流路管8の内部に生じるガスの濃度変化が呼気の吹き込みによるものであるか否かを判定できるように定められている。また、第一ガスデータの絶対値と第2閾値ref2とを比較するのではなく、第一ガスデータの変化量と第2閾値ref2とを比較したので、様々な環境で測定した場合にも呼気の吹き込みによるガスの濃度を確実に検出することが可能となる。
例えば、図16に示す例では、ガスセンサ9の出力値の変化量となる移動平均値avr2と現在の第一ガスデータとの差分が、時刻t2において第2閾値ref2を超える。従って、図16に示す例では、呼気吹込判断部43は、時刻t2に至ると、ガスセンサ9が、呼気の吹込みによってガスの濃度が変化したことを検知したと判断する。
ガスセンサ9の出力値の過渡応答特性は既知である。そこで、吹き込み開始から所定時間Txが経過した時点におけるガスセンサ9の出力値Xからガスの濃度値Y(定常値Xに対応する値)を特定する。
結果判定部45は、出力値Xを変数とする演算式を用いてガスの濃度値Yを算出する。あるいは、結果判定部45は、出力値Xとガスの濃度値Yとを対応付けて記憶したガス濃度テーブルを備え、吹き込み開始から所定時間Txが経過した時刻t3において、第一ガスデータ生成部44が出力する第一ガスデータを出力値Xとして取得し、ガス濃度テーブルを参照して、出力値Xに対応するガスの濃度値Yを読み出してもよい。
上述のフローでは、ガスセンサ9のみによって、ガス濃度を測定する場合について説明したが、ステップS5の結果判定においは、第二ガスセンサ17の測定結果も参照して結果を導出してもよい。第二ガスセンサ17は、図3のとおり、メイン基板14に設けられた縦板15によって支持される板16に取付けられおり、第二ガスセンサ17と流路管8の内部とは、第二の導入管8e(図5(A)から(C)を参照)を介してパイプ28により接続される。第二ガスセンサ17と空気を引き込むためのエアバレル19とはパイプ30により接続される。この構成において、動作制御部41がエアバレル19を動かすためのソレノイド18を動作させる。次に、エアバレル19が、ガスを引き込むことによって、第二ガスセンサ17に流路管8内の呼気が導入され、第二ガスセンサ17が呼気に含まれるガス成分の濃度を測定することができる。第二ガスセンサ17を使用する場合として、例えばガスセンサ9を呼気に含まれるエタノール濃度とアセトン濃度に反応するガスセンサとし、第二ガスセンサ17をエタノール濃度を測定するセンサとすることができる。そうすると、結果判定部45がガスセンサ9の測定したエタノールとアセトンの濃度値から、第二ガスセンサ17の測定したエタノール濃度値の差を計算することによってアセトン濃度値を算出ことができる。人体において脂肪を燃焼するとアセトンが発生するため、呼気のアセトン濃度が高くなることが分かっており、アセトン濃度を測定することは、ダイエットがうまくいっているかどうかの目安にされる点で有用である。なお、上述のフローにおいてガスセンサ9のみによってガス濃度を測定する例を説明したとおり、第二ガスセンサ17、エアバレル19及びソレノイド18は必須ではない。
図17に示すように流路を構成してもよい。図17の変形例においては、前述の実施形態における図4と同じ機能を有する要素には同じ符号を用いて、説明を省略する。図17においては、呼気吹込み用アタッチメント6の管路6aの内径をA、呼気吹込み用アタッチメント6の突出部6cの内径をB、流入口2aの内径をC、流路管8の内径をDとして説明する。変形例1においては、図4の実施形態と比べて、流路において呼気吹込み用アタッチメント6の突出部6cの内径B及び流入口2aの内径Cが流路管8の内径をDよりも大きく構成している。
図18に示すように流路を構成してもよい。図18の変形例2において、図17と同じ機能を有する要素には同じ符号を用いて説明を省略する。この変形例においは、突出部6cの内径が呼気吹込み用アタッチメント6の管路6aと同じであり、呼気吹込み用アタッチメント6の管路6aの流路管側端部6dが、流入口2aまで達している。
図19に示すように流路を構成してもよい。図19の変形例3において、図17及び図18と同じ機能を有する要素には同じ符号を用いて説明を省略する。図19においては、呼気吹込み用アタッチメント6が流入口2aに嵌合されるとともに、呼気吹込み用アタッチメント6が流路管8に接して、管路6aの流路管側端部6dが流路管8の呼気吹込み用アタッチメント側端部と当接している。
上述した実施形態では、図15を参照して説明したように、圧力センサ26によって検出された圧力の変化量が第1閾値ref1を超えたことを判定した後に、ガスセンサ9よって検出されたガスの濃度の変化量が第2閾値ref2を超えることを判定したが、本発明は2つの要素の判定順序に限定されない。即ち、ガスセンサ9よって検出されたガスの濃度の変化量が第2閾値ref2を超えることを判定した後に、圧力センサ26によって検出された圧力の変化量が第1閾値ref1を超えたことを判定してもよい。
Claims (7)
- 呼気を通過させる流路管と、
前記流路管を通過する呼気に含まれるガスの濃度を検知するガスセンサと、
前記流路管及び前記ガスセンサを内蔵するケースと、
前記流路管と連通するように前記ケースに形成され、前記ケースの外部から呼気を入れるための流入口とを備え、
前記流路管は、人によって吹き込まれる呼気を導くための管路を有する吹き込み用アタッチメントが前記流入口に取り付けられると呼気が通る流路を形成し、前記管路の内径よりも大きな内径を有し、
前記流路管内部の呼気を前記ガスセンサへ導入するための開口部が、前記流路管の側面における内側から外側に形成されており、前記外側となる外面に案内部が形成され、
前記ガスセンサは、呼気を取り込むための取込口が所定の面に形成されており、前記流路管の側面における内側から外側に開口部を見たときに、前記取込口が露出する位置であって、前記案内部と前記所定の面とが密着するように前記流路管に取り付けられている、
ことを特徴とする呼気成分測定装置。 - 呼気を通過させる流路管と、
前記流路管を通過する呼気に含まれるガスの濃度を検知するガスセンサと、
前記流路管及び前記ガスセンサを内蔵するケースと、
前記流路管と連通するように前記ケースに形成され、前記ケースの外部から呼気を入れるための流入口及び前記呼気を排出するための排出口とを備え、
前記流路管は、人によって吹き込まれる呼気を導くための管路を有する吹き込み用アタッチメントが前記流入口に取り付けられると呼気が通る流路を形成し、前記管路の内径よりも大きな内径を有し、
前記流路管内の圧力を検出するための圧力センサと、
前記流路管内の圧力を前記圧力センサに伝達するために前記流路管内部と前記圧力センサとを接続する圧力伝達管と、
前記圧力伝達管に圧力を伝達するために前記流路管に設けられる導入管を更に備え、
前記管路と前記流路管と前記排出口とが前記呼気が直進するように連通し、
前記導入管の流路管側端部は、前記流路管の内部において、前記管路を前記流路管の長さ方向へ延長したと仮定した領域であって、管路から流路管を通り排出口へと呼気が直進する領域となる位置に設けられている、
ことを特徴とする呼気成分測定装置。 - 呼気を通過させる流路管と、
前記流路管を通過する呼気に含まれるガスの濃度を検知するガスセンサと、
前記流路管及び前記ガスセンサを内蔵するケースと、
前記流路管と連通するように前記ケースに形成され、前記ケースの外部から呼気を入れるための流入口とを備え、
前記流路管は、人によって吹き込まれる呼気を導くための管路を有する吹き込み用アタッチメントが前記流入口に取り付けられると呼気が通る流路を形成し、前記管路の内径よりも大きな内径を有し、
前記流路管内の圧力を検出するための圧力センサと、
前記流路管内の圧力を前記圧力センサに伝達するために前記流路管内部と前記圧力センサとを接続する圧力伝達管と、
前記圧力伝達管に圧力を伝達するために前記流路管に設けられる導入管を更に備え、
前記圧力センサによって検出された圧力センサの出力値の変化量が第1閾値を超え、かつ、前記ガスセンサよって検出されたガスセンサの出力値の変化量が第2閾値を超えることを条件に、圧力センサの出力値の変化量の開始時間から所定時間が経過した時点におけるガスセンサの出力値に対応するガスの濃度を特定する制御部を備える、
ことを特徴とする呼気成分測定装置。 - 呼気を通過させる流路管と、
前記流路管を通過する呼気に含まれるガスの濃度を検知するガスセンサと、
前記流路管及び前記ガスセンサを内蔵するケースと、
前記流路管と連通するように前記ケースに形成され、前記ケースの外部から呼気を入れるための流入口とを備え、
前記流路管は、人によって吹き込まれる呼気を導くための管路を有する吹き込み用アタッチメントが前記流入口に取り付けられると呼気が通る流路を形成し、前記管路の内径よりも大きな内径を有し、
前記流路管内の圧力を検出するための圧力センサと、
前記流路管内の圧力を前記圧力センサに伝達するために前記流路管内部と前記圧力センサとを接続する圧力伝達管と、
前記圧力伝達管に圧力を伝達するために前記流路管に設けられる導入管を更に備え、
前記圧力センサによって検出された圧力センサの出力値における移動平均値からの変化量が前記流路管の内部に生じる圧力変化が呼気の吹き込みによるものであるか否か判定するための第1閾値を超え、かつ、前記ガスセンサよって検出されたガスセンサの出力値における移動平均値からの変化量が、前記流路管の内部に生じるガスの濃度変化が呼気の吹き込みによるものであるか否かを判定するための第2閾値を超えることを条件に、呼気の成分特定を開始する制御部を備える、
ことを特徴とする呼気成分測定装置。 - 請求項1乃至請求項4のうちいずれか1項に記載の呼気成分測定装置において、
前記流路管の内径は、前記管路の内径の1.2倍以上2.5倍以下となる、
ことを特徴とする呼気成分測定装置。 - 請求項1乃至請求項5のうちいずれか1項に記載の呼気成分測定装置において、
前記ケースの流入口に取付け可能であって、前記流路管の内径よりも小さい内径で、人によって吹込まれる呼気を前記流路管に導くための管路を内部に有する吹込み用アタッチメントを備える、
ことを特徴とする呼気成分測定装置。 - 請求項6に記載の呼気成分測定装置において、
前記管路の内径は、4mmであり、
前記流路管の内径は、6mmである、
ことを特徴とする呼気成分測定装置。
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