JP7307951B2 - 生体ガス計測装置 - Google Patents
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Description
本発明の第1の態様に係る生体ガス計測装置は、
身体に対向する側に開口部を有するとともに、身体から直接的又は間接的に放出される生体ガスを捕集する空間として前記開口部から連接される陥凹部を有する生体ガス捕集器と、
前記生体ガス捕集器が捕集した生体ガス中の対象物質を計測する計測手段と、
前記陥凹部から前記計測手段へ捕集された生体ガスが流出する流出路と、
前記陥凹部又は前記流出路の内部に存在する水分を計測する水分センサと、
前記計測手段による対象物質の計測を、前記水分センサによる水分の計測にて補正して前記流出路の内部に存在する水分の影響を排除した対象物質の計測結果を出力可能にする補正手段と、
を備えたことを特徴とする。
本発明の第2の態様に係る生体ガス計測装置は、前記第1の態様の特徴に加え、
前記陥凹部へ外部から気体が流入する流入口と、
前記陥凹部から外部へ気体が流出する流出口と、
前記流入口から前記陥凹部へ流入路を介してキャリアガスを送出する送気手段と、を備えるとともに、
前記流出路は、前記流出口から前記キャリアガスとともに流出する前記生体ガスを前記計測手段へ導くことを特徴とする。
本発明の第3の態様に係る生体ガス計測装置は、
身体に対向する側に開口部を有するとともに、身体から直接的又は間接的に放出される生体ガスを捕集する空間として前記開口部から連接される陥凹部を有する生体ガス捕集器と、
前記生体ガス捕集器が捕集した生体ガス中の対象物質を計測する計測手段と、
前記陥凹部から前記計測手段へ捕集された生体ガスが流出する流出路と、
前記計測手段による対象物質の計測を補正して前記流出路の内部に存在する水分の影響を排除した対象物質の計測結果を出力可能にする補正手段と、を備えるとともに、
前記計測手段は、
前記流出路との隣接部位に装着され、補酵素が含有された溶液で少なくとも一部が湿潤するとともに、前記湿潤する箇所が前記流出路の内部に存在する水分と生体ガスとに暴露される酵素膜と、
前記溶液に向けて所定波長の励起光を照射する照射部と、を備え、
前記酵素膜には、前記補酵素の化学変化を伴う前記対象物質の化学反応を触媒する酵素が固定され、
前記補酵素は、前記励起光により励起されて蛍光を発するものであり、
前記補酵素の化学変化前後の蛍光検出によって前記対象物質を計測し、前記補正手段によって水分の影響を排除可能にされていることを特徴とする。
本発明の第4の態様に係る生体ガス計測装置は、前記第3の態様の特徴に加え、
前記開口部と前記酵素膜との間隔を一定に保つ間隔保持手段をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の第5の態様に係る生体ガス計測装置は、前記第3又は第4の態様の特徴に加え、
前記計測手段は、前記蛍光を受光する受光部をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の第6の態様に係る生体ガス計測装置は、前記第5の態様の特徴に加え、
前記照射部はリング形状であり、
前記受光部は、前記照射部の内側に設けられ、前記酵素膜に対して前記照射部と前記受光部とが同じ側に位置することを特徴とする。
本発明の第7の態様に係る生体ガス計測装置は、前記第5又は第6の態様の特徴に加え、
前記受光部が受光した前記蛍光により前記対象物質を検出する検出部をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の第8の態様に係る生体ガス計測装置は、前記第7の態様の特徴に加え、
前記検出部は、前記受光部が受光したRGBカラー画像のGチャンネルとBチャンネルのみを加算して前記対象物質を検出することを特徴とする。
本発明の第9の態様に係る生体ガス計測装置は、前記第7又は第8の態様の特徴に加え、
前記検出部が検出した前記対象物質の濃度の空間分布情報を可視化する可視化部をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の第10の態様に係る生体ガス計測装置は、前記第1から第9のいずれか1の態様の特徴に加え、
前記陥凹部の周囲を身体に密着させるための密着手段をさらに備えたことを特徴とする。
(1-1)概観
図1は、本発明の生体ガス計測装置の第1の実施の形態を模式的に示す図面である。
前記計測手段100は、光照射用の光ファイバで構成される照射部111と、受光用の光ファイバで構成される受光部112とを組み合わせてなる光ファイバプローブ113を有する。このような光ファイバプローブ113としては、市販されているものを用いてもよく、たとえば、Ocean Optics Inc.(米国)から市販されている2 in 1 Optical fiber assembly(BIF600-UV/VIS)とF100-9009(Ocean Optics Inc.社製)とを組み合わせたもの等を用いることができる。
本実施の形態においては、図1に示すように、一定量のキャリアガスを連続的に生体ガス捕集器10へ送る送気手段130として、コンプレッサ131、活性炭フィルタ132、気体発生装置133、マスフローコントローラ134が含まれていてもよい。キャリアガスは皮膚ガスに対して不活性な気体であれば特にその種類は問わず、空気であっても差し支えない。キャリアガスは気体流路135を通って流れ、流入路30から生体ガス捕集器10へ流入し、そこで皮膚ガスと混合され、流出路40において前記収容体140の先端にある酵素膜144と接触する。この際、皮膚ガスに含まれる酵素基質としてのエタノールがアルコール脱水素酵素によって酸化されると、緩衝液中に含まれるNAD+が還元され、これが前記の通り蛍光を発することにより、皮膚ガス中のエタノールの量を測定することができる。このような送気手段130を用いれば、効率良く安定的に皮膚ガスを酵素膜144と連続接触させることができる。
生体ガス捕集器10は、図3Aに示すような略円柱状の外観を呈する。その側面には、図3Bに示すような流入口13及び流出口14が対向して形成されている。また、生体ガス捕集器10が身体に接触する底面である身体接触面17には、図3Bに示す開口部11を有し、この開口部11から連接される陥凹部12(図3B及び図3C参照)が形成されている。陥凹部12は、身体接触面17が接している皮膚から発生する皮膚ガスを捕集する空間である。また、流入口13及び流出口14は底面と平行に形成されている。さらに、この流入口13と陥凹部12とを軸方向に沿って連絡する流入連絡路15(図1に示す流入路30の一部)が形成されることで、流入口13から陥凹部12へ外部から気体(キャリアガス)が流入することとなっている。同時に、この流出口14と陥凹部12とを軸方向に沿って連絡する流出連絡路16(図1に示す流出路40の一部)が形成されることで、陥凹部12から流出口14を経て外部へ気体(キャリアガス及び皮膚ガス)が流出することとなっている。
皮膚ガスとキャリアガスとの混合気体は、前述の通り、流出路40において収容体140の先端に接する。この収容体140の先端には、酵素としてのアルコール脱水素酵素が固定された酵素膜144が装着されているとともに、この酵素膜144を挟んだ反応部145ではアルコール脱水素酵素の補酵素であるNAD+を含んだ緩衝液が循環している。酵素膜144は緩衝液で湿潤しており、この酵素膜144に接した皮膚ガスに基質としてのエタノールが含まれていれば、エタノールはアルコール脱水素酵素によりアセトアルデヒドに変換される。その際、補酵素であるNAD+はNADHへと変換される。一方、反応部145の緩衝液中では、照射部111から波長340nmの励起光が常に照射されているが、NAD+から変換されたNADHはこの励起光を吸収して励起され、波長491nmの蛍光を発する。この蛍光を受光部112が受光し、検出部120により、たとえば蛍光強度として数値化される。
図5は、本発明の生体ガス計測装置の第2の実施の形態を模式的に示す図面である。本実施の形態では、前記第1の実施の形態と同様の生体ガス捕集器10を使用し、これに前記第1の実施の形態と同様に、流入路30及び流出路40が接続されている。なお、流入路30に連結された送気手段130及び流出路40に連結された計測手段100については前記第1の実施の形態と同じであり、図示を省略している。
図9は、密着手段20としてのリストバンド22に生体ガス捕集器10が装着された第3の実施の形態を図示したものである。この生体ガス捕集器10の流入口13及び流出口14には、前記第1及び第2の実施の形態と同様に、前記送気手段130に連絡する流入路30及び計測手段100に連絡する流出路40がそれぞれ接続される。また、皮膚ガスを捕集する空間としての陥凹部12を有する。しかし、第3の実施の形態の陥凹部12は、手首に装着されたときにリストバンド22によって開口部11の周囲が皮膚へ密着して外気と遮断されるようになされている点で前記第1及び第2の実施の形態と相違する。
図10A及び図10Bは、本発明の生体ガス計測装置の第4の実施の形態の使用状態を模式的に示す図面(図10A)及び生体ガス捕集器の断面図(図10B)である。本実施の形態では、手掌Pからではなく、生体ガス捕集器10の側面に設けられた開口部11(図10B参照)に手指Fを挿入することで、指先の腹からの皮膚ガス中のエタノール量を計測する。そのため、手指Fへ密着させる手段として、開口部11の内周面である身体接触面17には気体を透過しない独立気泡の発泡体による密着手段20が設けられている(図10B参照)。また、開口部11に手指Fを挿入すると、少なくとも指先の腹が陥凹部12に連絡する流入連絡路15(後述する流入路30の一部)及び流出連絡路16(後述する流出路40の一部)に対向するようになっている(図10B参照)。また、流入連絡路15に連絡する流入口13には流入路30が連結され、さらに、流出連絡路16に連絡する流出口14には流出路40が連結される(図10A参照)。なお、流入路30に連結された送気手段130及び流出路40に連結された計測手段100については前記第1の実施の形態と同じであり、図示を省略している。
図11は、本発明の生体ガス計測装置の第5の実施の形態の使用状態を模式的に示す図面である。本実施の形態では、生体ガス捕集器10の開口部11を覆うようにマスク18が装着されており、生体ガスとして皮膚ガスではなく呼気ガス中のエタノール量を計測する。そのため、マスク18は鼻、頬及び顎を覆い、顔の凹凸に追従する柔軟性をもって密着する手段であり、特に、マスク18の辺縁の外気が流入する可能性のある箇所には気体を透過しない独立気泡の発泡体からなる密着手段20が設けられている。また、装着すると口が陥凹部12に対向するようになっている。なお、流入口13に連結された流入路30(図示せず)に連結された送気手段130、及び、流出口14に連結された流出路40(図示せず)に連結された計測手段100については前記第1の実施の形態と同じであり、図示を省略している。
図12A~図12Cは、本発明の生体ガス計測装置の第6の実施の形態を、正面斜視図(図12A)、背面斜視図(図12B)及び側面模式図(図12C)にて示す図面である。図12A~図12Cに示すように、第6の実施の形態は、皮膚ガス中のエタノールを検出するための検出部120として高感度カメラ(ソニー株式会社製「ILCE-7S」)を使用し、励起光の照射部111としてリング形状の紫外線発光ダイオードを使用している。そして、リング形状の照射部111の内側に受光部112(高感度カメラのレンズ)及び検出部120を備えている。なお、本実施の形態における生体ガス計測装置においては、検出部120に接続されるコンピュータシステム122(図1参照)が、検出したデータを解析し、本実施の形態の対象物質であるエタノールの濃度の空間分布情報を可視化するための可視化部としても機能する。
図17は、本発明の生体ガス計測装置の第7の実施の形態を模式的に示す図面である。本実施の形態では、目の周囲を覆う密着手段20としてのゴーグルの一端に、生体ガス捕集器10が装着されている。この生体ガス捕集器10により、生体ガスとして眼球及び結膜からの放出ガス並びに眼瞼から放出される皮膚ガス、涙の蒸発ガスに含有されるエタノール量を計測する。そのため、密着手段20は両目を覆い、顔の凹凸に追従する柔軟性を有し、辺縁の外気が流入する可能性のある箇所が密着するように形成されている。なお、生体ガス捕集器10の流入口13に連結された流入路30は計測手段100に組み込まれた送気手段130(図1参照)に連結され、また、流出口14に連結された流出路40は水分センサ50を介して同様に計測手段100に連結されている。計測手段100による計測については、前記第1の実施の形態と同様である。
図18は、本発明の生体ガス計測装置の第8の実施の形態を模式的に示す図面である。本実施の形態では、耳孔に装着されるイヤホン様の形状の密着手段20の中に、生体ガス捕集器10が装着されている。この生体ガス捕集器10により、生体ガスとして耳孔から放出される皮膚ガスに含有されるエタノール量を計測する。そのため、密着手段20は耳孔を覆い、耳介の凹凸に追従する柔軟性を有し、辺縁の外気が流入する可能性のある箇所が密着するように形成されている。なお、生体ガス捕集器10の流入口13に連結された流入路30は計測手段100に組み込まれた送気手段130(図1参照)に連結され、また、流出口14に連結された流出路40は水分センサ50を介して同様に計測手段100に連結されている。計測手段100による計測については、前記第1の実施の形態と同様である。
Claims (12)
- 皮膚の表面に接触し、身体に対向する側に開口部を有するとともに、血中揮発性成分が真皮及び表皮を透過して放出される皮膚透過型ガスと汗腺から放出されて揮発する発汗型ガスとが混合した生体ガスを捕集する空間として前記開口部から連接される陥凹部を有する生体ガス捕集器と、
前記生体ガス捕集器が捕集した生体ガス中の血中揮発性成分を対象物質として経時的に計測する計測手段と、
前記陥凹部から前記計測手段へ捕集された生体ガスが流出する流出路と、
発汗によって前記陥凹部又は前記流出路の内部に存在する水分を計測する水分センサと、
前記計測手段による血中揮発性成分の計測を、前記水分センサによる水分の計測にて補正して前記流出路の内部に存在する発汗型ガスの影響を排除した血中揮発性成分の計測結果を出力可能にする補正手段と、を備えるとともに、
前記計測手段は、
前記流出路との隣接部位に装着され、補酵素が含有された溶液で少なくとも一部が湿潤するとともに、前記湿潤する箇所が前記流出路の内部に存在する水分と生体ガスとに暴露される酵素膜と、
前記溶液に向けて所定波長の励起光を照射する照射部と、を備え、
前記酵素膜には、前記補酵素の化学変化を伴う前記血中揮発性成分の化学反応を触媒する酵素が固定され、
前記補酵素は、前記励起光により励起されて蛍光を発するものであり、
前記補酵素の化学変化前後の蛍光検出によって前記血中揮発性成分を計測し、前記水分センサによる水分の計測結果が一定以上の測定時点では前記補正手段によってその時点の血中揮発性成分の計測結果を除外して出力することで、前記発汗型ガスの影響を排除可能にされていることを特徴とする生体ガス計測装置。 - 前記開口部と前記酵素膜との間隔を一定に保つ間隔保持手段をさらに備え、
前記間隔保持手段は、身体の形状に合わせて変形可能なものであり、
弾力性を有する前記酵素膜が前記間隔保持手段の一端側に取り付けられていることを特徴とする請求項1記載の生体ガス計測装置。 - 皮膚の表面に接触し、 身体に対向する側に開口部を有するとともに、身体から直接的又は間接的に放出される生体ガスを捕集する空間として前記開口部から連接される陥凹部を有する生体ガス捕集器と、
前記生体ガス捕集器が捕集した生体ガス中の対象物質を計測する計測手段と、
前記陥凹部から前記計測手段へ捕集された生体ガスが流出する流出路と、
前記陥凹部又は前記流出路の内部に存在する水分を計測する水分センサと、
前記計測手段による対象物質の計測を、前記水分センサによる水分の計測にて補正して前記流出路の内部に存在する水分の影響を排除した対象物質の計測結果を出力可能にする補正手段と、
を備えたことを特徴とする生体ガス計測装置。 - 前記陥凹部へ外部から気体が流入する流入口と、
前記陥凹部から外部へ気体が流出する流出口と、
前記流入口から前記陥凹部へ流入路を介してキャリアガスを送出する送気手段と、を備えるとともに、
前記流出路は、前記流出口から前記キャリアガスとともに流出する前記生体ガスを前記計測手段へ導くことを特徴とする請求項3記載の生体ガス計測装置。 - 皮膚の表面に接触し、 身体に対向する側に開口部を有するとともに、身体から直接的又は間接的に放出される生体ガスを捕集する空間として前記開口部から連接される陥凹部を有する生体ガス捕集器と、
前記生体ガス捕集器が捕集した生体ガス中の対象物質を計測する計測手段と、
前記陥凹部から前記計測手段へ捕集された生体ガスが流出する流出路と、
前記計測手段による対象物質の計測を補正して前記流出路の内部に存在する水分の影響を排除した対象物質の計測結果を出力可能にする補正手段と、を備えるとともに、
前記計測手段は、
前記流出路との隣接部位に装着され、補酵素が含有された溶液で少なくとも一部が湿潤するとともに、前記湿潤する箇所が前記流出路の内部に存在する水分と生体ガスとに暴露される酵素膜と、
前記溶液に向けて所定波長の励起光を照射する照射部と、を備え、
前記酵素膜には、前記補酵素の化学変化を伴う前記対象物質の化学反応を触媒する酵素が固定され、
前記補酵素は、前記励起光により励起されて蛍光を発するものであり、
前記補酵素の化学変化前後の蛍光検出によって前記対象物質を計測し、前記補正手段によって水分の影響を排除可能にされていることを特徴とする生体ガス計測装置。 - 前記開口部と前記酵素膜との間隔を一定に保つ間隔保持手段をさらに備えたことを特徴とする請求項5記載の生体ガス計測装置。
- 前記計測手段は、前記蛍光を受光する受光部をさらに備えたことを特徴とする請求項1、2、5又は6記載の生体ガス計測装置。
- 前記照射部はリング形状であり、
前記受光部は、前記照射部の内側に設けられ、前記酵素膜に対して前記照射部と前記受光部とが同じ側に位置することを特徴とする請求項7記載の生体ガス計測装置。 - 前記受光部が受光した前記蛍光により前記対象物質を検出する検出部をさらに備えたことを特徴とする請求項7又は8記載の生体ガス計測装置。
- 前記検出部は、前記受光部が受光したRGBカラー画像のGチャンネルとBチャンネルのみを加算して前記対象物質を検出することを特徴とする請求項9記載の生体ガス計測装置。
- 前記検出部が検出した前記対象物質の濃度の空間分布情報を可視化する可視化部をさらに備えたことを特徴とする請求項9又は10記載の生体ガス計測装置。
- 前記陥凹部の周囲を身体に密着させるための密着手段をさらに備えたことを特徴とする請求項1から11のいずれか1項記載の生体ガス計測装置。
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