JPH01100437A - 光学的ガス分析器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、輻射線源、及びこの源から得られた輻射線を
ガス試料を通し、分析されるガスの数に相当する数の光
学的フィルターを通して送るための手段を具えた光学的
ガス分析器で、然も、それらフィルターの各々が特定の
ガスに対応する波長、特に分析されるガスによって吸収
される波長を通す、光学的ガス分析器に関する。

本発明によるガス分析器は、麻酔性ガス、例えば、ハロ
エタン、イソフルラン及びエンフルラン、二酸化炭素及
び笑気を、特に、患者を検査し、麻酔を施すための麻酔
に関連して、測定することを主に目的とする。

〔従来の技術〕

今日のガス分析器は、４つの異なった原理に従って、本
質的に作動するものが市場に見出だされている： ａ）質量分析 ｂ）ラマンスペクトル分析 ｃ）ＩＲ分光分析 ｄ）石英結晶の質量変化 ａ）質量分析器は高価である（＞３００　ｋｋｒ）が速
く、それらは、全てのガスを測定し、比較的良好な精度
を与える。それらは資格をもった操作員を必要とする。

ｂ）ラマンスペクトル分析器も高価である（１００〜２
Ｏ０　ｋｋｒ）。それらはこの用途では新しい、速さ、
正確さ及び安定性については未だ報告されていない、そ
れらは恐らく資格をもつ操作員を必要とするであろう。

ｃ）ＩＲを基にした装置はもつとも一般的である。

それらは比較的安く安定であり、資格をもつ操作員を必
要としない、精度は設計による。二酸化炭素及び笑気に
対しては、今日市販されているそれら装置は消失時期（
ｅｎｄ　ｔｉｄａｌ）測定に対しては、充分速いが、今
日までその装置は麻酔性ガスについては遅い。

ｄ）石英結晶に基づく装置は非常に安価である。

それらは麻酔性ガスのためにのみ存在する。それらは速
いが、残念ながら不安定で寿命が短い。それらは、就中
、例えば、笑気及び水蒸気の影響のために限定された精
度しかもたない。

赤外線に基づく測定装置は、分析される物質がその問題
の物質に特有な波長のＩＲ輻射線を吸収すると言う原理
に基づいている。ＩＲ輻射線は、大きな波長範囲に亘っ
て連続的に輻射線を発する輻射線源によって発生させる
０例えば、光学的フィルターを利用して、正確な波長を
選択し、その輻射線を、比例した電気信号に入射輻射線
エネルギーを変えるＩＲ検出器によって検出する。ある
物質を分析するための波長の選択は非常に重要であり、
精度及び速さの如き装置特性にとって全く決定的なもの
になる。実際上、その選択は、存在する幾つかの物質が
、選択された波長で又はその近くで吸収するかどうか、
又この波長の輻射線を特定の精度条件まで測定すること
が技術的にも経済的にも可能であるかどうかによって支
配される。

今日存在する二酸化炭素及び笑気のためのＩＲ装置は、
これら物質のための性能に関する改良が殆んど不可能に
なる程最適にされてしまっている。

麻酔性ガスに対しては、事情は異なっている。

適当な商業的ＩＲ検出器がないことは、ガスが非常に低
い吸収性をもつ場合、これらガスのためのＩＲ装置を短
い波長で操作させる結果になっている。このことは、装
置が大きな試料体積を必要とし、従って遅くなることを
意味する。更に分析されるガス中の水蒸気によって測定
が乱されている。

しかし数年前から、ガスがはるかに一層強く吸収する場
合、−層長い波長で測定を可能にする検出器が市販され
てきた。従って、これらの波長を利用する測定器は、必
要な試料体績が非常に少なく、従って速くすることがで
きる。

消失時期測定のために、測定装置は、あるやり方で、吐
息段階が終わりに近付く時を示す情報を受けなければな
らない。この情報は、二酸化炭素含有量の測定によって
得ることができ、消失時期の二酸化炭素含有量を測定す
る測定器は、長い間知られてきた〔カブツメ−ター（ｃ
ａｐｎｏｍｅｔｅｒ）、カプノグラフ（ｃａｐｎｏｇｒ
ａｐｈ）　）　ａ　Ｌかし、二酸化炭素測定器を通過す
ると、試料ガスは混合され、直列に接続された麻酔性ガ
スメーターは、段階がずれて不正確な試料を受け、即ち
記録された曲線は、輪郭の歪みを受けるであろう。

〔本発明についての記述〕

本発明は、輻射線源と、この源から得られた輻射線を試
料、及び分析されるガスの数に相当する数の光学的フィ
ルターで、その各々が特定のガスに対応する波長、特に
それによって吸収される波長を通すフィルターを通し、
分析されるガスの数に相当する数の検出器へ伝達する手
段とを具えた光学的ガス分析器に関する。

特に本発明によるガス分析器は、各検出器中でガス濃度
を同時に測定するために、ガス試料が通過した後、輻射
線行路を分割するための手段を特徴とする。

本発明によるガス分析器は、就中、患者が吸い込んだ空
気及び（又は）吐いた空気中の麻酔性ガスを測定するこ
とを特に目的としたものである、従って、光学的フィル
ターは、３．８〜５μと、８〜１４μの間だけの波長を
通すように選択され、即ちそれより長いか又は短い波長
、或は両者の間に入る波長はいずれも通さないように選
択されている。

このようにして、呼吸する空気中の水分が各測定結果に
影響を与えないようになっている。何故なら水蒸気は排
除された領域内に実質的な吸収領域を有するからである
。

麻酔性ガス、例えば、ハロエタン、イソフルラン及びエ
ンフルランを測定する際、８．８１μの波長を透過する
ことができるフィルターを、特にＨ２Ｏ及びＣＯＸガス
によって吸収される波長、好ましくは夫々３．９０μ及
び４．２６μの波長を透過することができるＮ２Ｏフイ
ルター及びＣＯ□フィルターと組み合わせて選択される
。

しかし、ここでＮ２Ｏ含有量は、麻酔性ガスのための測
定結果に影響を与えることがあり、このため、麻酔性ガ
ス検出器によって記録されたＮ、０によって起こされた
吸収を、Ｎ２Ｏ検出器で同じ時間で得られた測定値の関
数として補正するための適当な手段が与えられている。

輻射線行路を分割するための手段は、好ましくは分析さ
れるガスの数に相当する数の同等な光束に行路を分割す
る鏡構造体からなるのが適切である。しかし、他の構造
体、例えば、収集光学レンズを用いることもできること
は当業者に明らかであろう。但し、それらのレンズは選
択された波長を通すものとする。

本発明の主題の実際的態様として、分析されるガスは、
輻射線行路中に誼かれた輻射線に対し透明な例えば、Ｃ
ａＦｚ（フッ化カルシウム）の二つの窓をもつセル等を
通過させる。３ｉ！当な材料の別の例としてＢａＦｚ（
フッ化バリウム）、ＣｄＴｅ　（テルル化カドミウム）
、Ｇｅ（ゲルマニウム）及びＺｎＳ〔硫化亜鉛−イトラ
ン（Ｉ　ｔｒ、ａｎ）　ＩＩ　）を挙げることもできる
。

部品例えば、フィルター、鏡、レンズ及び検出器の温度
を、輻射線行路中に配列したこれらの部品のための保持
器の温度と一緒に一定に保つための手段が備えられてい
るのが好ましい、同時に、分析されるガスの温度を、中
に存在する水蒸気の露点より高い一定温度に維持するこ
とも目的として行われる。

本発明によるガス分析器の好ましい態様として、ガス分
析器には、分析されるガスを輻射線行路中を通して連続
的に送るための手段、及び断続的測定値を得るために輻
射線行路を規則的に遮断するための手段例えば回転隔膜
が配備されている。

麻酔処置中の患者を見守るため、夫々のガスの消失時期
測定値を決定する万力が行なわれている。

このため本発明によるガス分析器には、各吐息段階の終
わりを決定するための００２検出器で得られた測定値を
利用するための手段が適切に配備されている６例えば、
分析器中に備えられているマイクロコンピュータ−を、
それらが各吐息段階の終点を示すように、プログラムす
ることができる。

輻射線源は、大きな波長範囲に亘って連続的輻射線を発
するＩＲ源、例えば、白熱フィラメントからの熱線を吸
収し、このようにして加熱され、希望の輻射線を放出す
る石英ガラスの包みをもつ熱ランプからなるのが適切で
ある。この輻射線は、もし熱源が酸化された外表面をも
つ薄い金属包み、例えば鋼又は真鍮、好ましくは黒色ニ
ッケルメッキ真鍮によって一番外側が囲まれているなら
ば、希望の波長範囲内で増幅することができる。

〔本発明の最良の実施態様〕

第１図は、本発明によるガス分析器中の輻射線行路を概
略的に例示する図である。左側には円筒状輻射線源（１
）が示されており、それは例えば、加熱された物体から
なっていてもよい、その源からの輻射線は回転する隔膜
（２）を通り、その隔膜は、適当な時間で輻射線を切る
（検出原理による）。

然る後、輻射線は円錐状セル（３）を通り、そのセルは
実際の輻射線に対し透明な二つの窓（４）及び（５）に
よって境界が定められている０分かり易くするため、窓
（４）はセルの残りの部分から離して示されている。数
字（６）は、検査されるガス混合物のための入口を指し
、（７）は同じ物の出口を指す。

セル（３）からの輻射線は、更に三区画鏡（８）へ更に
送られ、その鏡は、最初の光束（９）を３つの部分光束
（９ａ、９ｂ、９ｃ）に分割し、夫々　３つのフィルタ
ー（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を通して送り、更にそれ
らから３つの検出器（１１ａ、ｌｌｂ、１１Ｃ）へ送る
。

図示したガス分析器は、麻酔性ガスの測定に用いられる
場合、検出器（ｌｌａ）はＣＯ２検出器から構成されて
いるのが好ましく、フィルター（１０ａ）はＣＯ２に対
応する波長４．２６μを通過させる種類のフィルターで
ある。同じやり方で、同時に検出器（ｌｌｂ）は、Ｎ２
Ｏ検出器からなり、フィルター（１０ｂ）は、それに対
応する波長、例えば、３．９０μの波長を通すように選
択される。最後に検出器（ｌｌｃ）は用いられた麻酔性
ガスの実際の測定のために用いられる。そのような場合
、フィルター（１０ｃ）は、それに対応する波長、例え
ば８．８１μの波長を通過させるように選ばれる。

第１図は、分かり易くするため、異なったフィルター及
び検出器が別々の単位装置として示されている。それら
は、３つの単位装置、即ち各波長に対し一つの単位装置
に分ける代わりに、−緒に作るのも適切である。

鏡の各部分（８ａ、８ｂ、８ｃ）は夫々１２Ｏ°の扇形
部分として設計されている。更にそれら鏡の部分は、各
凹みに関して離れた軸を有し、従って、それら凹みの窓
は、円の周辺に３つに描かれている。

このようにして輻射線は、容易に゛各フィルターを通り
、各検出器へ送られ、各ガスの量を同時に読むことがで
きる。

ｉ五盈五 二酸化炭素のために唯一つの実際に有用な波長即ち４．
２６μが存在する。Ｎ２Ｏ、即ち笑気に対しては、幾つ
かのものが存在する。技術的な理由からここでは３．９
０μの波長が用いられるのが好ましい、３種類の麻酔性
ガスに対し、非常に多くのの波長が存在し、それらは原
理的には用いることができる。水蒸気による干渉をさけ
、できるだけ小さな試験体積にすることができるように
、８．８１μの波長が適切である。更にこの波長は、前
述の３種類の麻酔性ガス全てを分析するのに用いること
ができる利点を有し、それにより設計を一層安価にする
ことができる０分析は、笑気によってわずかに乱され、
そのためそのガスは補償のため別個に測定されなければ
ならない、この補償がどのように行なわれるかは次に詳
細に記述する。笑気ガス含有量も直接臨床上重要なもの
である。

１上名 数年前までこの種の装置では、適切な検出器が存在して
いなかったため、５μを越える波長での測定は、実際上
不可能であった。パイロ電気検出器が現れるようになっ
て事情が変わり、麻酔性ガスが強く輻射線を吸収する波
長での測定もできるようになった。

Ｌヱ笠１１ ３つの波長で測定するため、ガス試料を含むセルを通過
する輻射線は、３つのフィルター・検出器系に分割され
なければならない。時間的分割と空間的分割とは区別す
ることができる。本発明に従い、空間的分割が用いられ
、鏡の３つの部分の各々は、全輻射線のそれらの部分を
各検出器の方へ送る。

鏡のそれら部分は、ＩＲ源からの輻射線を立体角に亘っ
て収集する仕事を果たす、パイロ電気検出器は多くの雑
音を生ずるので、それらは多くの信号を生ずる。このこ
とは、消失時期測定に必要な迅速な検出に特に重要であ
る。検出器に当たる輻射線の量は、検出器が光源を見る
立体角、即ち鏡が輻射線を収集する立体角に直接比例す
る。鏡の３つの部分は、機能的に別々の単位装置である
が、例えば、プラスチックの注型又は圧搾成形、アルミ
ニウムのダイヤモンド切削或はガラスのプレスにより、
一つの部品として製造してもよい。

１肚蓋１ 輻射線源として、約１２Ｗで操作される通常の１２Ｖ／
２ＯＷハロゲンランプからなっていてもよい熱輻射体を
用いるのが好ましい、ランプの包みは、白熱フィラメン
トからの全てのＩＲ輻射線を吸収し、加熱される石英ガ
ラスがらなっていてもよい。

包みは今度は、輻射のブランクの法則に従い、−層長い
波長の輻射線を発生する。実際の輻射線源を構成するの
はこの熱ガラス包みである。この源は、ＥＬＩＺＡの名
前で本出願人によって売り出されているＣＯ２分析器で
は、現在この形で用いられている。しかし、残念ながら
石英は、特定の波長で放射係数が比較的低く、従って輻
射線源は、例えば８．８μの波長では、全く効果がなく
なる。

しかしある金属酸化物が赤外線で高い発散効率を有する
ことが知られている。従って、もし石英包みを表面が酸
化された薄い金属の包みで取り囲むならば、輻射線源の
効率は上昇させることができる。この包みは、炎又は化
学的に酸化された０、５１の肉厚を有する管から構成さ
れていてもよい。真鍮及びステンレス鋼を用いて成功し
た実験が行なわれており、両者は、輻射効率を「、８μ
で２．５〜２．７倍、４．２５μで約１．５倍に増大し
ている。対応する改良及びむしろ−層よい結果が黒色ニ
ッケルメッキ真鍮を用いて得られるはずである。

五應曵１１ 第３図には、もし麻酔性ガス（ＡＡ）が例えば、ハロエ
タン、イソフラン及びエンフランからなるならば、それ
らガスの分析を笑気（Ｎｅｏ）がどのように乱すかを例
示した概略的なスケッチが示されている。ＡＡが吸収す
る波長範囲を分離するのに用いられるフィルターは、残
念ながらＮ２Ｏが吸収する範囲の一つの小さな部分を透
過させる。

従って、Ｎ２Ｏ含有量の変化は、フィルターを通る透過
率に影響を与え、ＡＡ含有量の変化として解釈され、従
って、補正されなければならない。

補正は、次のことに基づいている： １）Ｎ２Ｏ検出器で同時に測定することにより、Ｎ２Ｏ
含有量が知られている。

２）ＡＡ測測定対するＮ２Ｏの影響は、例えば、既知の
Ｎ２Ｏ含有量をもつガス混合物による補正基準により定
量的に決定することができる。

どのように補正が行なわれるかについての技術的な記載
を次に豆なう。簡単にするため、ここでは、吸収率の大
きさと濃度の大きさとの間には、直線関係があると仮定
する。

と　・−ンバート　Ｂｅｅｒ−Ｌａｍｂｅｒｔ　　の゛
吸収剤＝　Ａｘ＝　ｌｏｇ（Ｉ　ｏ／　Ｉ　）＝ａｘ・
［ｘ］Ｉｏ＝輻射線行路中の０２による強度 ■＝輻輻射性行路中試料による強度 ａつ＝物質×のための補正係数 ［×］＝物質物質製度 Ａ×−物質Ｘによる吸収率 吸収率は加法的である。もし幾つかの物質が吸収するな
らば、次のようになる： 麻酔性ガスチャンネル（ｃｈａｎｎｅｌ）（Ａ　Ａ　）
では、ガスＡＡ及びＮ２Ｏが吸収し、次のようになる：
（式中の表示の意味は次の通りである；笑気チャンネル
（Ｎ２Ｏ）では、Ｎ２Ｏだけが吸収し、次のようになる
： 材料ＡＡの分析の場合には、求めないものは［ＡＡ］で
ある： 〔本発明の主題の実施態様〕 第２図には、幾らか一層詳細であるが、依然として概略
的に、本発明の主題の実際的Ｒａ！が示されている。こ
こでは、第１図の如く対応する部品については同じ参照
番号が用いられている。従って、用いられた輻射線源は
（１）で示されており、回転隔膜は（２）で示されてい
る。同様に、セルは、（３）、その二つの窓は夫々（４
）及び（５）で示されている６分析されるガス混合物は
、入口（６）を経て導入され、点（７）として記された
出口を経て放出される。用いられた鏡は（８）として示
されており、それは部分（８ａ、８ｂ、８ｅ）を有する
。輻射線行路は、鎖部分（８Ｃ）についてのみ記されて
おり、その部分は輻射線のそれに対応する部分をフィル
ター（１０ｃ）を経て検出器（ｌｌｃ）へ向ける。

セル、譚、フィルター及び検出器は、固い包み（１２）
中に配列されており、その包みは、就中、温度を一定に
保つこと及び特定の部品の確実で正確な配置を可能にす
る隔離管（１３）を具えている。隔煎管（１３）の周り
には、薄い加熱用箔（１４ａ）が巻かれている。これは
一方では、解離管（１３）及びその中に囲まれている部
品を加熱し、他方では、検査されるガスのための該箔の
外側に巻かれた配管（１４）を加熱し、それによってガ
スは適切な温度へ加熱される。数字（１５）は回転隔１
１ｆｔ（２）のモーターを示し、（１６）は冷却用フラ
ンジを示す、数字（１７）は隔Ｍ（２）のための保護体
を示し、（１８）は増幅器（１９）へ接続された象徴的
に示された回路板を示す。

回路板（１８）は希望の測定過程をｒｖｌｍするための
マイクロコンピュータ−（図示されていない）であるか
又はそれに接続されている。最後に数字（２Ｏ）は熱源
（１）のための保持器、例えば、標準的セラミック保持
器を示している。測定セル中に配置された圧力計は（２
１）で示されている 本発明は上記態様にだけ限定されるものではなく、特許
請求の範囲内で変えることができる０例えば、個々の部
品の形や設計は広い範囲以内で変えてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるガス分析器の輻射線行路を概略
的に示す図である。 第２図は、幾らか一層詳細ではあるが依然として概略的
に示した本発明によるガス分析器の図である。 第３図は、麻酔性ガス及びＮ２Ｏのための吸収曲線及び
本発明により各ガスのために用いられたフィルターの透
過率曲線を示す図である。 １−輻射線源、　２一回転隔膜、　３−セル、４．５−
窓、　８−鏡、　１０ｇ、１０ｂ、１０ｃｍ　フィルタ
ー１１ａ、１１ｂ、１ｌｃ−検出器。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）輻射線源（１）と、この輻射線源から得られた輻
   射線を、ガス試料、及び各々特定のガスに対応する波長
   、特にそのガスによって吸収される波長を透過させる、
   分析されるガスの数に相当する数の光学的フィルター（
   １０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を通して、分析されるガスの
   数に相当する数の検出器（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）へ
   伝達するための手段（８）とを具えた光学的ガス分析器
   において、輻射線行路を、ガス試料を透過した後、各検
   出器中のガス濃度を同時に測定するために分割するため
   の手段（８ａ、８ｂ、８ｃ）を具えていることを特徴と
   する光学的ガス分析器。
2. （２）就中、患者が吸い込んだ空気及び（又は）吐いた
   空気中の麻酔性ガスを測定するために、光学的フィルタ
   ー（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）が、３．８〜５μと、８
   〜１４μの間だけの波長を通すように選択され、その結
   果呼吸したガス中の水分が各測定結果に影響を与えない
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス分析器。
3. （３）麻酔性ガス、例えば、ハロエタン、イソフルラン
   及びエンフルランを測定する際、８．８１μの波長を透
   過するフィルター（１４）を、特にＮ＿２Ｏ及びＣＯ＿
   ２ガスによって吸収される波長、特に夫々３．９０μ及
   び４．２６μの波長を透過するＮ＿２Ｏフィルター（１
   ０ｂ）及びＣＯ＿２フィルター（１０ａ）と組み合わせ
   て選択することを特徴とする請求項２に記載のガス分析
   器。
4. （４）麻酔検出器によって記録されたＮ＿２Ｏによつて
   起こされた吸収を、同じ時間で得られたＮ＿２Ｏ検出器
   （１１ｂ）で測定された値の関数として補正するための
   手段（１８）を特徴とする請求項３に記載のガス分析器
   。
5. （５）輻射線行路を分割するための手段（８）が、分析
   されるガスの数に相当する数の好ましくは等しい光束へ
   輻射線行路を好ましくは分割する鏡構造体からなること
   を特徴とする請求項１に記載のガス分析器。
6. （６）輻射線行路中に置かれた、輻射線に対し透明な、
   例えばＣａＦ＿２（フッ化カルシウム）の二つの窓（４
   、５）をもつセル（３）等を通して、分析されるガスを
   送るための手段を特徴とする請求項１〜５のいずれか１
   項に記載のガス分析器。
7. （７）部品、例えばフィルター、鏡及び検出器の温度を
   、輻射線行路中に配列したこれらの部品のための保持器
   の温度と一緒に一定に保ち、好ましくは分析されるガス
   を、中に存在する水蒸気の露点より高い一定温度に維持
   するための手段（１４、１８）を特徴とする請求項１〜
   ６のいずれか１項に記載のガス分析器。
8. （８）分析されるガスを輻射線行路中を通して連続的に
   送るための手段（６、７）、及び断続的測定値を得るた
   めに輻射線行路を規則的に遮断するための手段例えば回
   転隔膜（２）を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項
   に記載のガス分析器。
9. （９）吐息段階の終わりを決定するための ＣＯ＿２検出器で得られた測定値を利用するための手段
   （１８）を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記
   載のガス分析器。
10. （１０）輻射線源（１）が、大きな波長範囲に亘って連
    続的輻射線を発するＩＲ源、例えば白熱フィラメントか
    らの熱線を吸収し、このようにして加熱され、その結果
    、今度は希望の輻射線を放出する石英ガラスの包みをも
    つ熱ランプからなることを特徴とする請求項１〜９のい
    ずれか１項に記載のガス分析器。
11. （１１）熱源が、酸化された外表面をもつ薄い金属包み
    によって一番外側が囲まれていることを特徴とする請求
    項１０に記載のガス分析器。
12. （１２）金属包みが鋼又は真鍮、好ましくは黒色ニッケ
    ルメッキ真鍮からなることを特徴とする請求項１１に記
    載のガス分析器。
13. （１３）分析されるガス試料中に配列された圧力計（２
    １）を特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載
    のガス分析器。