JPH10248826A

JPH10248826A - 呼気中同位体分析装置

Info

Publication number: JPH10248826A
Application number: JP7057297A
Authority: JP
Inventors: Akiyo Shigematsu; 昭世重松; Hiroko Momose; 裕子百瀬; Yuka Suzuki; 由香鈴木
Original assignee: Seitai Kagaku Kenkyusho KK
Current assignee: Seitai Kagaku Kenkyusho KK
Priority date: 1997-03-07
Filing date: 1997-03-07
Publication date: 1998-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】臨床診断において器官の機能の診断に有用
な、放射能を利用しない呼気中同位体分析装置を提供す
る。【構成】呼気中の安定同位体を含む二酸化炭素を、赤
外線分光吸収測定により連続的に定量し記録する。呼気
を導入したセルを−８０℃以下に冷却して二酸化炭素を
凝固させ、同じセルに赤外線を通過させて、同位体によ
る特性吸収を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は呼気中二酸化炭素同位体
分析装置、特に組織又は器官の機能の診断に適する呼気
中二酸化炭素同位体分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭素の放射性同位体（¹⁴Ｃ）又は安定同
位体（¹³Ｃ）で標識された化合物（エネルギー源となり
得る基質）を経口投与し、呼気中に排出された二酸化炭
素同位体を分析することにより、消化器官の消化・吸
収、組織の代謝等を診断する方法が知られている。この
検査方法は組織検体の採取を要しないので無侵襲であ
り、培養検査に比べ診断に要する時間も短く、しかも疾
患の程度を反映した定量的情報が得られるなどの利点が
ある。

【０００３】放射性同位体を用いる場合には、¹⁴Ｃで標
識された化合物を経口投与し、呼気中の¹⁴Ｃ０₂ による
放射能の集積値又は排出速度が測定される。放射能の集
積値を測定する方式では、比較的大容量の捕集容器中に
二酸化炭素吸収剤を含む液体シンチレータを入れ、¹⁴Ｃ
０₂ を液体シンチレータに吸収させ、液体シンチレータ
の一部を取り出して発光量を測定する。捕集剤（液体シ
ンチレータ）の量が大きいので二酸化炭素の捕集効率が
よいが、集積値のみでは不十分なことが多く、排出速度
を求めるためには演算回路を用いて測定値を時間に対し
て微分する必要がある。排出速度を測定する方式では、
小容量の捕集容器中に二酸化炭素吸収剤を含む液体シン
チレータを定流量で通過させ、検出部で発光を測定する
ことにより、液体シンチレータ中に吸収された¹⁴Ｃ０₂
量を測定する。¹⁴Ｃ０₂ 排出速度を直接求めることがで
きるが、高い捕集効率を得ることは難しい。

【０００４】器官・組織の機能の診断には呼気中¹⁴Ｃ０
₂ の時間的変化を追跡することが必要で、¹⁴Ｃ０₂ 測定
の時間的な分解能が重要な問題となる。液体シンチレー
タを定流量で発光検出部に通過させる場合の検出系の時
間的分解能は、実測で約３０秒である（RADIOISOTOPES,
第24巻，６号，443 ー453ヘ゜ーシ゛）。

【０００５】安定同位体（¹³Ｃ）を用いる方法は、放射
線の被曝がないことが利点である。呼気中の二酸化炭素
同位体を分析するための装置として、レ−ザを光源と
し、二酸化炭素同位体の赤外線特性吸収の差を検出する
ものが知られている。例えば核医学，第33巻，第４号，
415-421ヘ゜ーシ゛（1996年）に記載がある。この装置は、呼
気を呼気バッグで採取し、この呼気をトラップ管に導入
し、トラップ管を液体窒素で冷却して、呼気中の二酸化
炭素をトラップ管に固定し、窒素、酸素等の液化温度の
低い気体を真空ポンプで排除し、トラップ管の温度を上
昇させて二酸化炭素を気化させ、これを分析部に導入
し、半導体レ−ザからの赤外線を分析部内で多重反射さ
せ、受光部で赤外線を検出して、赤外線吸収を測定する
ものである。

【０００６】この装置を図１０によって説明する。呼気
は患者から呼気バッグ51で採取され、開かれたバルブ52
を経て、トラップ管53に導入される。このとき、トラッ
プ管53と分析部56を結ぶバルブ55Ａ，55Ｂは閉じられて
いる。バルブ52を閉じた後、トラップ管53を液体窒素54
で冷却すると、呼気中の二酸化炭素がトラップ管53に固
定される。バルブ55Ａを開き、真空ポンプ57を運転し
て、窒素、酸素等を排除した後、液体窒素54を排出し
て、トラップ管53の温度を上昇させ、二酸化炭素を気化
させる。

【０００７】バルブ55Ｂを開けば、気化した二酸化炭素
はバルブ55Ｂを経て分析部56に導入される。分析部56に
は凹面鏡57Ａ，57Ｂ，58が設けられている。半導体レ−
ザ59からの赤外線60が鏡61，62を経て凹面鏡57Ａに向か
って入射する。赤外線60は凹面鏡57Ａ，57Ｂと58の間で
多重反射され、凹面鏡58に設けられた小孔63を経て受光
部64に入る。受光部64で赤外線が検出される。凹面鏡に
よる多重反射の間に赤外線60は二酸化炭素による特性吸
収を受けるので、受光部64で検出された赤外線の相対強
度から赤外線吸収が測定される。二酸化炭素の同位体の
間での特性吸収の差は演算回路65で解析される。半導体
レ−ザ59の波長は制御回路66により制御される。バルブ
52，55Ａ，55Ｂの開閉、液体窒素54の供給排出等は制御
回路67により制御される。さらにトラップ管53、分析部
56、半導体レ−ザ59等の温度制御のため温度制御回路68
があり、これらの諸回路はコンピュ−タ69，70により制
御される。分析部56の温度、圧力はそれぞれのセンサ−
Ｔ，Ｐにより測定される。バルブ55Ｂは必要に応じて閉
じられる。一つの試料につき赤外線吸収の測定が終了す
ると、バルブ55Ｂを開き、真空ポンプ57を運転して、分
析部56内の二酸化炭素を排出する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の装置ではトラッ
プ管への吸入、トラップ管の冷却、昇温、分析部からの
排気の１サイクルに１０分前後の時間を要するので、分
析所要時間として一試料につき１５分を見込まなければ
ならない。

【０００９】胃潰瘍、十二指腸潰瘍、胃癌との関係が深
いといわれるHelicobacter piloriの判定には１５分間
隔程度の呼気採取でも足りるが、器官の機能の診断、例
えば含硫アミノ酸等の経口投与による肝臓機能の診断に
は、２分以下の細かい時間間隔で呼気試料を採取して、
呼気中同位体排泄の時間経過を追跡する必要がある。

【００１０】一試料に対する分析所要時間が１５分で
も、一つのトラップ管に個別のバルブをもつ複数のポ−
トを設け、それぞれに呼気バッグを接続し、順次分析に
かける方法をとれば、呼気試料採取の時間間隔の短縮は
可能であるが、全試料の分析を完了するまでに長時間を
要することになり、採取間隔の短縮は実際には意味がな
い（例えば、次の患者に移行できない）。１個のトラッ
プ管に待機分を含めて同時に接続されるバッグの個数は
実用的には１０個程度までであろう。

【００１１】放射性同位体¹⁴Ｃを用いる呼気分析装置で
は、放射能検出器の時間分解能は１分以下であり、呼気
採集系の時間分解能を考慮しても２分以下の分解能が得
られる。この程度の分解能があれば、呼気中同位体の時
間経過の追跡により肝臓等の器官の機能の診断が充分可
能である（以下、本明細書ではこのような呼気分析につ
いて連続的と表現する）。しかし、放射能標識を利用す
るため、臨床診断に利用することができず、動物実験に
限られてしまう。

【００１２】本発明の目的は、臨床診断において器官の
機能の診断に有用な、放射性同位体を用いない呼気中同
位体分析装置を提供することである。本発明の他の目的
は、臨床診断において器官の機能の診断に有用な連続的
呼気中同位体分析装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の上記第一の目的
は、呼気中の安定同位体を含む二酸化炭素を、レーザを
光源とする赤外線分光吸収測定により連続的に定量し記
録することを特徴とする、呼気中二酸化炭素同位体分析
装置により達成された。

【００１４】また本発明の上記第二の目的は、呼気を連
続的に捕集する手段（呼気捕集手段）と、捕集された呼
気から水分を除去する手段と、水分を除去された呼気が
導入されるセルと、このセルを−８０℃以下の温度に冷
却する手段（冷却手段）と、冷却されたセル中に凝固し
た安定同位体を含む二酸化炭素の特性吸収波長を含む赤
外線を発するレーザと、この赤外線をセルに導入する手
段と、セル中を通過して、セル中に凝固した二酸化炭素
による特性吸収を受け、セル外に放出される赤外線の相
対的強度を測定する手段（赤外線検出器）と、この測定
の結果を記録する手段（記録手段）と、凝固した二酸化
炭素をセルから除去する手段（除去手段）とから成り、
水分を除去されセルに導入された呼気が、冷却されたセ
ル中で凝固され、セルに導入された赤外線がセル中に凝
固した二酸化炭素により特性吸収を受け、安定同位体を
含む二酸化炭素を連続的に定量できるように測定および
記録を行い、測定記録の後二酸化炭素をセルから除去す
るようにされている、呼気中二酸化炭素同位体分析装置
により達成された。

【００１５】安定同位体としては通常¹³ＣＯ₂ を用い
る。レーザとしては、半導体レーザが発光波長（波数）
を比較的広範囲から任意に選べるので好適である。

【００１６】¹³ＣＯ₂ 及び¹²Ｃ０₂ による赤外線の特性
吸収を測定するには、単純な相対赤外線強度の測定だけ
でなく、周波数変調を利用し、ロックイン増幅器を用い
て二次微分スペクトルを求める方法（例えば、応用物理
［放射線］17巻，３号，３ー９ヘ゜ーシ゛参照）を用いても
よく、後者により精度を高めることができる。

【００１７】呼気を連続的に捕集する手段は、例えばマ
スクである。呼気から水分を除去する手段は、例えば、
食塩を加えた氷で冷やした捕集瓶や、シリカゲルを詰め
た脱水管である。

【００１８】セルは例えば外面に遮光膜を設けた石英ガ
ラス管である。管の形状は直管でもよいが、螺旋状又は
渦巻状でもよく、光路長を長くすることができる。遮光
膜は炭素膜又は炭素粉を分散した合成樹脂膜のような黒
色の膜でもよいが、少なくとも¹³ＣＯ₂ および¹²Ｃ０₂
の特性吸収波長を十分に吸収する物質で構成すればよ
い。セルは−８０℃までの急冷（例えば１分間内）、−
８０℃から常温までの急熱（例えば１分間内）に耐えな
ければならない。

【００１９】冷却手段は例えば、液体窒素、あるいはア
セトンとドライアイスの混合物である。これらの寒剤を
セルの外面に接触させて冷却する。寒剤の損失を防ぐた
め、寒剤は通常適当な保冷材（例えばデュワー瓶、発泡
ポリスチレン）で囲まれる。

【００２０】レーザは¹³ＣＯ₂ 及び¹²Ｃ０₂ の特性吸収
波長を含む波長域の近赤外線を安定に発光するものであ
れば何でもよいが、波長可変、単一モード発振、低ノイ
ズ等の点から、砒化ガリウム系で代表される半導体レー
ザが好適である。

【００２１】レーザから発せられる赤外線をセルの一端
に導く手段としては、鏡を用いることができるが、光フ
ァイバーを用いるのが有利である。光ファイバーの材質
は近赤外域での損失が少ないものを用いることが望まし
い。赤外線をセルに入射させる位置は、後に述べる赤外
線検出器との関係において光路長をなるべく長くできる
ように選ぶ。

【００２２】赤外線検出器としては、例えば、光ダイオ
ードを用いる。赤外線検出器はセル内の光路長を極力長
くすることができる位置（赤外線が導入された位置から
遠い端）に設けることが望ましい。セルと検出器の間を
光ファイバーで接続してもよい。

【００２３】記録手段としては通常のレコーダを用いれ
ばよい。レコーダとしては、ペンレコーダのほか、レー
ザプリンタ、インクジェットプリンタ等を用いることも
できる。

【００２４】二酸化炭素排除手段（排除手段と略記）
は、例えば、温風をセルの周囲に送るファンとヒーター
の組み合わせ、あるいは上記の寒剤をセルの周囲から吸
引排除する吸引ポンプとセルを加熱する適当なヒーター
の組み合わせで構成することができる。

【００２５】本発明の呼気中二酸化炭素同位体分析装置
は、水分除去手段により水分を除去されセルに導入され
た呼気に含まれる二酸化炭素が、冷却手段により冷却さ
れたセル中で凝固され、レーザからセルに導入された赤
外線がセル中に凝固した二酸化炭素により特性吸収を受
け、測定手段および記録手段により安定同位体を含む二
酸化炭素を連続的に定量できるように測定および記録を
行い、測定記録の後排除手段により二酸化炭素をセルか
ら排除するように構成される。上記の各手段を結合して
このように構成することは当業者には容易である。

【００２６】本発明の呼気中二酸化炭素同位体分析装置
は、セルが第一、第二及び第三の位置に移動することが
できるようにし、第一の位置においてセルに呼気が導入
され、冷却手段によりセルが冷却され、第二の位置にお
いてレーザから赤外線が導入され、測定手段による測定
が行われ、第三の位置において二酸化炭素排除手段によ
りセルから凝固した二酸化炭素が排除されるように構成
してもよい。

【００２７】この第一、第二及び第三の位置が同一円周
（円柱面）上にあるようにし、セルを第一、第二及び第
三の位置に順次移動するための駆動手段を設け、この駆
動手段によりセルが所定の時間間隔で次の位置に移動さ
れるように構成してもよい。

【００２８】セルがさらに第四の位置に移動することが
でき、この第四の位置においてセルが再び冷却手段によ
り冷却されるように構成してもよい。これら第一、第
二、第三、第四の位置が同一円周（円柱面）上にあるよ
うにし、セルを第一、第二、第三、第四の位置に順次移
動するための駆動手段を設け、この駆動手段によりセル
が所定の時間間隔で次の位置に移動されるように構成し
てもよい。

【００２９】セルを２個以上、特に３個（又は３の倍
数）具え、それぞれについて同一円周（円柱面）上にあ
る第一、第二、第三の位置に順次移動が可能であるよう
にし、駆動手段により所定の時間間隔でセルが各々の次
の位置に（第一から第二、第二から第三）移動されるよ
うに、構成してもよい。

【００３０】セルを３の倍数個具える場合には、隣り合
う３個宛の群が各々第一、第二、第三の位置に位置する
ことができるように、そして前後する群の一方（前の
群）の第三の位置と他方（次の群）の第一の位置とが隣
り合っているようにし、駆動手段によりセルが一定の時
間間隔で次の位置（第一から第二、第二から第三）又は
次の群の第一以降の位置（例えば前群の第三の位置から
次群の第一の位置、次群の第一から第二等）に順次移動
されるように、構成してもよい。

【００３１】セルが第一及び第二の位置に移動すること
ができるようにし、第一の位置においてはセルに呼気が
導入され、冷却手段によりセルの冷却が行われ、第二の
位置においてはレーザから赤外線が導入され、測定手段
および記録手段による測定および記録が行われた後、凝
固した二酸化炭素がその位置で排除手段によりセルから
排除されるように、構成してもよい。

【００３２】

【作用】本発明の呼気中二酸化炭素同位体分析装置は、
呼気中の安定同位体を含む二酸化炭素を、レーザを光源
とする分光吸収測定により連続的に定量し記録するもの
である。この装置によれば、安定同位体で標識された化
合物を投与（特に経口投与）された患者から捕集された
呼気中の、安定同位体を含む二酸化炭素が、レーザを光
源とする近赤外線分光吸収測定により実質上連続的に定
量し記録されるから、患者又は実験動物の器官の機能を
診断することができる。放射線被曝を生ずる放射性同位
体を用いないので、臨床診断に利用できる。

【００３３】本発明の呼気中二酸化炭素同位体分析装置
においては、患者等から呼気捕集手段により捕集された
呼気から、まず水分除去手段により水分が除去され、水
分を除去された呼気がセルに導入され、冷却手段により
−８０℃以下の温度に冷却されたセル中で凝固される。
凝固した安定同位体を含む二酸化炭素の特性吸収波長を
含む赤外線がレーザから発せられ、この赤外線がセルに
導入される。セルに導入された赤外線はセル中を通過し
て、セル中に凝固した二酸化炭素により特性吸収を受け
る。セル外に放出される赤外線の相対的強度は赤外線検
出器により測定され、この測定の結果が記録手段により
連続的に記録される。この測定・記録により、安定同位
体を含む二酸化炭素は実質上連続的に定量される。測定
・記録の後、二酸化炭素は除去手段によりセルから除去
されるので、新たな呼気を導入して、次の測定を行うこ
とができる。

【００３４】この装置によれば、安定同位体で標識され
た化合物を投与（特に経口投与）された患者から捕集さ
れた呼気中の、安定同位体を含む二酸化炭素が、近赤外
線分光吸収測定により実質上連続的に定量し記録される
から、患者又は実験動物の器官の機能を診断することが
できる。放射線被曝を生ずる放射性同位体を用いないの
で、臨床的に利用できる。

【００３５】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに具体的に
説明する。［実施例１］本例の装置の全体を図１に、要部を図２に
示す。装置は、呼気捕集マスク２、呼気を分流するため
の分流弁３、呼気から水分を除去するための、シリカゲ
ルを詰めた水トラップ管４、３本のセル１ａ，１ｂ，１
ｃ、セルを−８０℃以下の温度に冷却するための液体窒
素ダクト５、半導体レーザ６、赤外線を半導体レーザ６
からセルに導入する光ファイバー７Ａ、光ダイオード
８、セルから出た赤外線を光ダイオード８に導く光ファ
イバー７Ｂ、演算回路９、凝固した二酸化炭素をセル１
ａ等から除去するための温風器10を備える。演算回路９
にはレコーダ17が接続されている。

【００３６】セル１ａ，１ｂ，１ｃは螺旋状の石英管
で、管の外側に遮光膜（図示せず）を着けてある。各セ
ルの両端だけは円断面をもつ直管で、一端は円盤11を、
他端は円盤12を垂直に貫通して固定されている。円盤1
1、円盤12を底面とする円柱体Ｄはセル１ａ，１ｂ，１
ｃともに一体としてその中心軸のまわりに回転可能で、
セル１ａ，１ｂ，１ｃはこの軸の回りに同一円周上で互
いに１２０度隔たった位置に固定されている（図３を参
照）。円盤11、円盤12と同じ直径の固定された円盤13、
円盤14が、円盤11、円盤12にそれぞれ密接して設けら
れ、円盤11と円盤13、円盤12と円盤14は互いに摺動可能
とされている。円盤13には、図３に示すように、円盤11
をセル１ａ，１ｂ，１ｃの端が貫通した位置11ａ，11
ｂ，11ｃに対応する位置に孔13ａ，13ｂ，13ｃが設けら
れている。孔13ａはセル１ａ，１ｂ，１ｃの端と直径が
同じで、可撓性ポリエチレンチューブで分流弁４に連結
できるノズル15ａが設けられている。孔13ｂには、光フ
ァイバー７Ａを接続するためのポート15ｂが固定されて
いる。孔13ｃは孔13ａと同じ大きさで、可撓性ポリエチ
レンチューブで温風器10に連結するためのノズル15ｃが
設けられている。

【００３７】円盤14には、図４に示すように、円盤12を
セル１ａ，１ｂ，１ｃの端が貫通した位置12ａ，12ｂ，
12ｃに対応する位置に孔14ａ，14ｂ，14ｃが設けられて
いる。孔14ａ，14ｃはセル１ａ，１ｂ，１ｃの端と直径
が同じで、可撓性ポリエチレンチューブを連結できるノ
ズル16ａ，16ｃが設けられ、チューブの他端は大気に開
放されている。孔14ｂには、光ファイバー７Ｂを接続す
るためのポート16ｂが固定されている。

【００３８】液体窒素ダクト５は円柱体Ｄの軸部に位置
し、その両端は円盤13と円盤11、および円盤12と円盤14
をそれぞれ貫通するノズル５Ａおよび５Ｂとなってい
る。円盤11，13側のノズル５Ａは図示しない液体窒素タ
ンクに弁を介して連結され、円盤12，14側のノズル５Ｂ
は外気に開放されている。液体窒素ダクト５の側壁のう
ち、２４０度分（図示の位置ａ，ｂに相当する部分）は
多数の細孔があけられ、残り１２０度分（図示の位置ｃ
に相当する部分）は断熱材Ｍ（図２では省略）で覆われ
ている。これと逆に、円柱体Ｄの周囲には位置ａ，ｂに
相当する部分を覆う固定された断熱材Ｍが設けられ、位
置ｃに相当する部分は断熱材が省かれている（図１中の
面Ｘ−Ｘの断面を図５に示す）。ノズル５Ａ，５Ｂは円
柱体Ｄの回転軸（固定）を兼ね、円柱体Ｄノズル５Ａ，
５Ｂの回りを、図示しない駆動モータにより必要な時期
に１２０度づつ回転される。

【００３９】呼気捕集マスク２、分流弁３、水トラップ
管４は可撓性ポリエチレンチューブ３Ａで連結されてい
る。半導体レーザ６とポート15ｂとは光ファイバー７Ａ
で、ポート16ｂと光ダイオード８とは光ファイバー７Ｂ
で接続されている。

【００４０】光ダイオード８とレコーダ17の間に、二酸
化炭素同位体の間での特性吸収の差を解析するためのロ
ックイン増幅器を含む演算回路９が接続され、さらに半
導体レ−ザ６の波長を電流制御するための制御回路18、
円盤11、円盤12の回転、液体窒素の供給排出等を制御す
るための制御回路19、さらに各セル、半導体レ−ザ等の
温度制御のための温度制御回路20、これらの諸回路を制
御するための中央制御回路21が設けられている。

【００４１】実施例１の装置の動作は以下の通りであ
る。最初、セル１ａが位置ａに静止しているものとす
る。このときセル１ｂは位置ｂに、セル１ｃは位置ｃに
ある。呼気捕集マスク２で捕集された呼気は、分流弁３
でその一部が大気に放出され、水トラップ管４で水分が
除去された後、ノズル15ａ、孔13ａ、それと整合してい
る孔11ａを経てセル１ａに導入される。半導体レーザ６
からの赤外線は、光ファイバー７Ａを介してポート15
ｂ、孔13ｂ、それと整合している孔11ｂを経て、セル１
ｂに入射する。温風器10からの温風はノズル15ｃ、孔13
ｃ、孔11ｃを経てセル１ｃに供給される。

【００４２】ノズル５Ａから液体窒素ダクト５に供給さ
れた液体窒素は、側壁の細孔から噴出し、位置ａ，ｂに
あるセル１ａ，１ｂを冷却する。これにより、セル１ａ
に導入された呼気はセル内に凝固する。

【００４３】30秒経過後、円柱体Ｄは図示しないモータ
により１２０度回転され、セル１ａは位置ｂに移動して
停止する。位置ｂでもセル１ａは液体窒素ダクト５の細
孔から噴出する液体窒素により冷却されるので、セル１
ａ内に固定された二酸化炭素はそのままに保たれる。位
置ｂで、セル１ａには半導体レーザ６からの赤外線が、
光ファイバー７を介し孔13ｂ、孔11ａを経て入射する。
赤外線はセル１ａ中を通過して、セル中に凝固した二酸
化炭素（¹²Ｃ０₂ および安定同位体¹³ＣＯ₂ を含む）に
より特性吸収を受け、孔12ａ、14ｂ、ポート16ｂ、光フ
ァイバー７Ｂを通って光ダイオード８に達し、赤外線の
相対的強度が測定される。この測定の結果は演算回路９
により演算され、レコーダ17に連続的に記録される。こ
の測定・記録により、安定同位体を含む二酸化炭素は実
質上連続的に定量される。

【００４４】演算回路９はロックイン増幅器を含み、二
次微分スペクトルの演算が行われるので、高精度、低ノ
イズの赤外特性吸収が求められる。半導体レ−ザ６の波
長は電流制御のための制御回路18と、温度制御回路20と
により制御される。各セルの温度も温度制御回路20によ
り制御される。円盤11、円盤12の回転、液体窒素の供給
排出等は制御回路19により制御される。

【００４５】セル１ａが位置ｂに移動したとき、位置ａ
にはセル１ｃが存在する。位置ａにおいてセル１ｃは、
前述の（位置ａにあった）セル１ａと同じ作用をし、導
入された呼気はセル１ｃ内に凝固する。

【００４６】さらに30秒経過後、円柱体Ｄはさらに１２
０度回転され、セル１ａは位置ｃに移動する。位置ｃで
は、セル１ａは液体窒素ダクト５からの液体窒素で冷却
されず、しかも温風器10からの温風がノズル15ｃ、孔13
ｃ、孔11ａを経てセル１ａに供給されるから、セル内に
固定されていた二酸化炭素は排除される。

【００４７】さらに30秒経過後、円柱体Ｄがさらに１２
０度回転されると、セル１ａは位置ａに戻り、再び液体
窒素ダクト５からの液体窒素で冷却されるとともに、呼
気がノズル15ａ、孔13ａ、孔11ａを経て導入され、前述
の動作を繰り返す。セル１ａが位置ａにあるとき、セル
１ｂは位置ｂにあり、半導体レーザ６からの赤外線が入
射し、セル中を通過した赤外線が光ダイオード８で測定
される。

【００４８】各停止位置における各セルの位置関係およ
び作用をまとめて表１に示す。表１［位置］［作用］［回転角］０° １２０° ２４０° ａＣＯ2 凝固１ａ１ｃ１ｂｂ赤外線吸収測定１ｂ１ａ１ｃｃＣＯ2 排出１ｃ１ｂ１ａ表１で回転角は、セル１ａが位置ａにあるときを０°と
した。

【００４９】［実施例２］本例の装置を図６に示す。実
施例１と同様、呼気捕集マスク２、分流弁３、水トラッ
プ管４、液体窒素ダクト５、半導体レーザ６、光ファイ
バー７Ａ，７Ｂ、光ダイオード８、演算回路９、温風器
10、レコーダ17を備えている。しかしこの装置は、図７
（図６のＹ−Ｙ断面図）に示すように、４本の二酸化炭
素固定セル１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを有しており、これ
らが軸の回りに角度９０度づつ隔たった４つの位置ａ，
ｂ，ｃ，ｄに位置することができる。液体窒素ダクト５
には位置ａ，ｂのほかｄに向かっても噴出孔が設けられ
ている。これに対応して円柱体Ｄの外側には、位置ａ，
ｂ，ｄに相当する部分に断熱材Ｍが設けられている。

【００５０】本装置では実施例１の円盤11の代わりに円
盤31、円盤12の代わりに円盤32、円盤13の代わりに円盤
33、円盤14の代わりに円盤34が、それぞれ設けられてい
る。円盤31は孔11ａ，11ｂ，11ｃ，11ｄ、円盤32は孔12
ａ，12ｂ，12ｃ，12ｄ、円盤33は孔13ａ，13ｂ，13ｃ、
円盤34は孔14ａ，14ｂ，14ｃを有する。円盤33上の孔13
ａ，13ｂ，13ｃの配置は図８に示す通りである。孔11
ａ，11ｂ，11ｃ、孔13ａ，13ｂ，13ｃ、孔12ａ，12ｂ，
12ｃ、孔14ａ，14ｂ，14ｃ、ノズル15ａ，15ｃ、ノズル
16ａ，16ｃ、ポート15ｂ，16ｂ等はいずれも各円盤上で
の位置が異なるだけで、実施例１と同様である。位置
ａ，ｂ，ｃでのセル１ａ，１ｂ，１ｃの動作は実施例１
と同様である。

【００５１】円盤31の孔11ｄ、円盤32の孔12ｄにはセル
１ｄの両端が固定されている。円盤33、円盤34には位置
ｄに対応する孔がないから、円盤31, 32が90度づつ回転
するとき、円盤31の孔11ａ，11ｂ，11ｃ，11ｄのうち１
つ、円盤32の孔12ａ，12ｂ，12ｃ，12ｄのうちの１つは
必ず（位置ｄで）それぞれ円盤33、円盤34により大気に
対して塞がれる。

【００５２】セル１ａが位置ｃから位置ｄに移動したと
きを例にとって、そのときの各セルの状態を説明する。
セル１ａが位置ｄに移動する前、すなわち位置ｃにあっ
たとき、温風器10からの温風によりセル１ａ内の二酸化
炭素は排除されるが、このときセル自体の温度が上昇し
ている。円盤31，32の回転によってセル１ａが位置ｄに
移動すると、セルの両端は円盤33、円盤34により閉塞さ
れ、液体窒素ダクトからの冷気によりセル１ａは冷却さ
れて、−80℃近くまで温度が低下する。従って、所定時
間（例えば30秒）経過後、次の段階でセル１ａが位置ａ
に移動されて、呼気の導入が始まったとき、−80℃以下
の温度が直ちに実現され、呼気中の二酸化炭素のセルに
おける捕集効率が向上する。

【００５３】［実施例３］本例の装置の基本的な構成は
実施例１と同じであるが、螺旋状のセルを６個有し、各
々は互いに平行に、正六角柱を形成するように配置され
ている。セルの配置を、各セルに垂直な断面によって図
９に示す。

【００５４】６個のセル１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１
ｅ，１ｆが、共通の円柱の側面に沿って、中心軸のまわ
りに６０度づつ隔てて設けられている。セル１ａないし
１ｆの両端は回転可能な円盤41，42にあけられた孔にそ
れぞれ固定され、円盤41，42は同じ直径の固定された円
盤43，44とそれぞれ摺動可能に設けられている。円盤43
と円盤44には、円盤41，42の孔にそれぞれ対応する位置
に６個の孔が設けられている。円盤41の孔と円盤43の
孔、円盤42の孔と円盤44の孔は、それぞれ、円盤41及び
42の60度づつの回転ごとに整合して、共通の管路を形成
する。

【００５５】各孔が整合する６つの位置をａ，ｂ，ｃ，
ｄ，ｅ，ｆとした。位置ａおよびｄでは、開通したセル
の孔が分流弁、水トラップを介して呼気捕集マスクに連
結されるとともに、液体窒素で冷却されて、呼気中の二
酸化炭素が固定される。位置ｂ，ｅではセルの一端は光
ファイバーを介して半導体レーザに、そして他端は別の
光ファイバーを介して光ダイオードにそれぞれ接続さ
れ、赤外線特性吸収が測定される。位置ｃおよびｆで
は、開通したセルの孔が温風器10に連結され、セル中の
二酸化炭素が排出される。

【００５６】本例の装置では、位置ａとｄで同じ患者の
同じ時刻の呼気を同時に検査してもよいし、位置ａで患
者の呼気を、位置ｄで標準空気を（盲検、対照として）
測定してもよい。

【００５７】

【発明の効果】本発明（第一）の呼気中同位体分析装置
は器官の機能の診断に有用で、放射性同位体を用いない
ため、動物実験に限らず、臨床診断においても利用でき
る。従来の呼気中同位体分析装置は、短くとも15分程度
の時間間隔で呼気をバッグ（風船）に採取し、測定用セ
ル内を捕集した呼気で置換し、冷却濃縮してから分光測
定するものであった。すなわち不連続的にしか呼気中の
同位体分析を行うことができないものであったから、例
えば胃及び十二指腸内のHelicobacter pilori の存否を
判断することはできても、肝臓等の代謝に重要な器官の
機能の診断を行うには適しなかった。これに対し、本発
明の装置は連続的に、すなわち長くとも２分の時間間隔
で、呼気中の同位体分析を行うので、肝臓等の、代謝に
重要な器官の機能の診断に有用である。

【００５８】また本発明（第二）の装置によると、二酸
化炭素の捕捉固定、同位体の赤外線特性吸収の測定、二
酸化炭素の測定後排除が同一のセル中で引き続いて行わ
れるため、呼気中同位体の連続的分析が可能となり、器
官の機能の臨床的診断に有用な呼気中同位体分析装置が
実現された。従来の呼気中同位体分析装置は、二酸化炭
素の捕捉固定と同位体の赤外線特性吸収の測定を別個の
セル（固定用セルと光学測定セル）中で行うものであっ
たため、固定用セル（トラップ管）から光学測定セルへ
の二酸化炭素の移送に時間がかかり、15分以上の時間間
隔で、すなわち不連続的にしか呼気中の同位体分析を行
うことができなかった。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の説明図である。

【図２】実施例１の要部を示す斜視図である。

【図３】実施例１の部分の立面図である。

【図４】実施例１の部分の立面図である。

【図５】実施例１の断面図である。

【図６】実施例２の説明図である。

【図７】実施例２の断面図である。

【図８】実施例２の部分の立面図である。

【図９】実施例３の要部（円柱部）の断面図である。

【図10】従来の呼気中同位体分析装置の説明図であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】呼気中の安定同位体を含む二酸化炭素
を、レーザを光源とする赤外線分光吸収測定により連続
的に定量し記録することを特徴とする、呼気中二酸化炭
素同位体分析装置。
【請求項２】２分以下の時間的分解能を有する請求項
１の呼気中二酸化炭素同位体分析装置。
【請求項３】呼気を連続的に捕集する手段と、捕集さ
れた呼気から水分を除去する手段と、水分を除去された
呼気が導入されるセルと、このセルを−８０℃以下の温
度に冷却する手段と、冷却されたセル中に凝固した安定
同位体を含む二酸化炭素の特性吸収波長を含む赤外線を
発するレーザと、前記赤外線を前記セルに導入する手段
と、前記セル中を通過して、セル中に凝固した前記二酸
化炭素による特性吸収を受け、セル外に放出される赤外
線の相対的強度を測定する手段と、前記測定の結果を記
録する手段と、前記セルから凝固した二酸化炭素を排除
する手段とから成り、前記水分除去手段により水分を除
去され前記セルに導入された呼気の中の二酸化炭素が、
前記冷却手段により冷却された前記セル中で凝固され、
前記レーザから前記セルに導入された赤外線が前記セル
中に凝固した二酸化炭素により特性吸収を受け、前記測
定手段および前記記録手段により前記安定同位体を含む
二酸化炭素を連続的に定量できるように前記測定および
記録を行い、前記測定および記録の後前記排除手段によ
り二酸化炭素を前記セルから排除するようにされている
ことを特徴とする、請求項１の呼気中二酸化炭素同位体
分析装置。
【請求項４】前記セルが前記赤外線を実質的に吸収し
ない材料から成る管で形成され、管の外面に前記赤外線
の遮蔽体を具える、請求項３の呼気中二酸化炭素同位体
分析装置。
【請求項５】前記セルが螺旋状に複数回巻き回され
た管として形成されたことを特徴とする請求項４の呼気
中二酸化炭素同位体分析装置。
【請求項６】前記排除手段が前記セルに温風を供給
するものである請求項３の呼気中二酸化炭素同位体分析
装置。
【請求項７】前記排除手段が前記セルを加熱する加熱
手段と、気体を排除するポンプから成る、請求項３の呼
気中二酸化炭素同位体分析装置。
【請求項８】前記セルは第一、第二及び第三の位置に
移動することができ、第一の位置において前記セルに前
記呼気が導入され、前記冷却手段により前記セルが冷却
され、第二の位置において前記レーザから前記赤外線が
導入され、さらに前記測定手段による測定が行われ、第
三の位置において前記排除手段により前記セルから凝固
した二酸化炭素が排除されることを特徴とする、請求項
３の呼気中二酸化炭素同位体分析装置。
【請求項９】前記第一、第二及び第三の位置が同一円
周上にある、請求項８の呼気中二酸化炭素同位体分析装
置。
【請求項10】前記セルを前記第一、第二及び第三の位
置に順次移動するための駆動手段を具え、この駆動手段
により前記セルが所定の時間間隔で次の位置に移動され
るようにされている、請求項８の呼気中二酸化炭素同位
体分析装置。
【請求項11】前記セルがさらに第四の位置に移動する
ことができ、この第四の位置において前記セルは再び前
記冷却手段により冷却されることを特徴とする、請求項
８の呼気中二酸化炭素同位体分析装置。
【請求項12】前記第一、第二、第三及び第四の位置が
同一円周上にある、請求項11の呼気中二酸化炭素同位体
分析装置。
【請求項13】前記セルを前記第一、第二、第三及び第
四の位置に順次移動するための駆動手段を具え、この駆
動手段により前記セルが所定の時間間隔で次の位置に移
動されるようにされている、請求項11の呼気中二酸化炭
素同位体分析装置。
【請求項14】前記セルを２個以上具え、それぞれにつ
いて同一円周上にある第一、第二及び第三の位置に順次
移動が可能であり、前記駆動手段により所定の時間間隔
で前記セルが各々の次の位置に移動されるように構成さ
れた、請求項10の呼気中二酸化炭素同位体分析装置。
【請求項15】前記セルを３の倍数個具え、隣り合う３
個の群が各々第一、第二及び第三の位置に位置すること
ができ、前後する群の一方の第三の位置と他方の第一の
位置とは隣り合っており、前記駆動手段により前記セル
が一定の時間間隔で次の位置又は次の群の第一以降の位
置に順次移動されるようにした、請求項10の呼気中二酸
化炭素同位体分析装置。
【請求項16】前記セルが第一及び第二の位置に移動す
ることができ、第一の位置において前記セルに前記呼気
が導入され、前記冷却手段により前記セルが冷却され、
第二の位置において前記レーザから前記赤外線が導入さ
れ、前記測定手段および記録手段による測定および記録
が行われ、測定の後前記排除手段により前記セルから凝
固した二酸化炭素が排除されることを特徴とする、請求
項３の呼気中二酸化炭素同位体分析装置。