JPS5818094B2 - 呼吸気中のｃｏ↓２含量を測定する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、赤外線光源を有し、該光源の光路内にＣＯ□
の吸収帯の範囲内で透過性の干渉フィルタと、呼吸気が
貫流する測定キュベツトと、光検出器とが配置されてお
りかつ該光検出器の後方に接続された評価回路を有する
呼吸気中のＣＯ２含量を測定する装置に関する。

フ 赤外線吸収原理に基づいてガス及び蒸気中の何個の
成分の濃度を連続的に測定する方法及び該方法に基づい
て作動する装置は公知である。

この装置は例えば化学プラントにおけるプロセス制御、
大気汚染の監視及び医療において使用される。

メ 赤外線吸収装置の測定機能は、赤外線スペクトル範
囲内での異種原子ガスの固有の光線吸収に基づく。

この吸収は分子固有振動に配属された特定の周波数で行
なわれる。

単原子の希ガス及び２原子の元素ガス例えば０２．Ｈ２
以外の全てのガスは、ン個々の吸収スペクトルから成り
かつ当該ガスにとって固有の吸収スペクトルを赤外スペ
クトル範囲内に有する。

この吸収は、公知装置では、測定装置内に組込まれでお
りかつガス試料が貫流するキュベツト内・で行なわれる
。

この場合、層厚ｌの媒体中を透過した後の吸収された光
線の強度■に関しては、以下のランベルト−ベールの法
則： ■＝１ ・ｅ−に°ｌ゛Ｃ 〔上記式中、 □ ■ｏ−媒体に入射する光の強度 ｋ −吸光係数 ｌ −キュベツト内の光路の長さ Ｃ−ガスの濃度 を表わす〕が当てはまる。

赤外線吸収原理に基づく公知のガス分析器は全て測定ガ
スに固有の赤外スペクトル範囲内での光線吸収を利用し
ている。

これらは以下の形式に塞ついて作動する。

ａ） ２つのうずまきフィラメントから出発した同相
に変調された光線は対照室及び測定室を平行に透過した
後に受光室に達する。

該受光室は隔膜コンデンサによって２室に分割されてい
る。

両者の分室には測定すべきガスが充填されている。

測定室は被検ガスを含有し、一方対照室は光線を吸収し
ない不活性ガス例えば窒素を含有する。

光線は回転する遮光回転板によって両者の光路（対照室
及び測定室を通る）内で周期的にかつ同相で遮断される
。

光線が被検ガスの存在に基づき測定室を透過することに
より減光されると、それによって生じる差異信号が受信
器内で周期的に圧力及び温度変動を生じる。

これらの変動は濃度に依存した容量変化を隔膜コンデン
サで惹起し、該容量変化をガス表示装置で可視化するこ
とができるｂ）うずまきフィラメントから出発し、遮光
回転板によって反対相に変調された光線は、２室に分割
されたキュベツト内に形成された対照室及び測定室を平
行に透過した後受信室に達する。

該受信室は光線方向で２つの半室に分割されかつ被検ガ
ス成分が充填されている。

両者の半室は隔膜コンデンサに作用する。

光線が測定室内で被検ガスの存在に基づき減光されると
、それによって生じた差異信号が圧力及び温度変動を生
じる。

これらの変動は濃度に依存した容量変化を隔膜コンデン
キで惹起し、該変動をガス表示器で可視化することがで
きる。

ｃ）Ｈｇ蒸気ランプの光線は、石英コンデンサによって
収束されて干渉フィルタを介して分光器に達し、該分光
器で半割光の一方は干渉受信器に向って転向される。

半割光の他方は測定キュベツトに入射する。

測定キュベツトは交番に、プログラム制御されて七狛点
に相当する不活性ガスと被検ガス試料が装填される。

フォトメータはその都度両者の値すなわちゼロ点と測定
値を干渉受信器からの値と比較する測定キュベツトを不
活性ガスが貫流する際にはモーフ駆動されるポテンシオ
メータが測定ブリッジをゼロ点平衡させることができる
。

掃気間隔及び平衡間隔は調整可能でありかつキュベツト
の予測される汚れ度合によって規定される〔゛バッサー
・ルフト・ラント・ベトリーブ（Ｗａｓｓｅｒ。

Ｌｕｆｔ ｕｎｄ Ｂｅｔｒｉｅｄ）”、第１８巻（
１９７４年）、／１６４，２１２〜２１７頁〕。

ｄ）呼気内のＣＯ□含量を測定するもう１つの公知の赤
外線吸収測定装置は、この場合にはＮ１ｃｒうずまきフ
ィラメントである光源の光路で対照ガスを用いないで作
動する。

この装置は、干渉フィルタと分析フィルタの相互の投入
によって区別される２つの光路を有する。

これらの光路は光の透過順序で光源の背後に測定セル、
引続いてスイッチ調節位置に応じて干渉フィルタまたは
分析フィルタのいずれか、それに引続さ干渉フィルタ並
びに分析フィルタの波長を包括する広幅帯フィルタ、及
び光検出器が配置されている。

更に、この測定装置には、その他の公知の光検出器から
の測定信号を増・福する装置、同期スイッチ装置等が配
属されている。

測定セルは呼気に対するバイパス内に配置さ ′れてい
る。

呼気の副流は小さな小型ポンプによって運動せしめられ
て、小さな通路を経て測定室内に流入しかつその横断面
を貫流する。

出口側には同じ通路が設られている。

この測定セルを用いると、流量０．６１７分で１分間当
り４０回までの呼吸ス１−ｏ−りを検出することができ
る。

干渉フィルタは約５μｍ分５折フイルタは４．２６μｍ
の波長である。

鉛／テルル層及びガラス層を有する広幅帯フィルタは、
（３，７５μｍ及び〉５μｍの波長を有する光線の透過
を１狙止する。

干渉フィルタの波長は、ガス試料内すなわち呼気内にＣ
Ｏ２が存在したとしても吸収が起らないように選択しで
ある。

しかしながら、分析フィルタの波長は被検物質の吸収帯
と十分に合わせられている。

光検出器内での測定信号の差異が測定値を生じる。

実地においては、測定のために必要な時間はセルの掃気
を伴う呼気の供給及び排出によって規定される。

この場合には、セルの掃気に問題がある。

このためには横断面全体に分配された細い通路が必要で
ある。

しかしながら、セルの均一な完全掃気は、全ての通路が
清浄な状態にある際にのみ行なわれ得るにすぎないＣＤ
、Ｗ。

ヒル（Ｈｉｌｌ）及びＲ，Ｎ、ストーン（’５ｔｏｎｅ
）著、”ジャーナル・オブ・サイエンチフィツク・イン
ストラメント（Ｊ 、 ＳＣＩ 、 ｌＮ５Ｔ ＲＵＭ
） ”（１９６４年）、第４１巻、７３２〜７３５頁〕
ｅ）赤外線吸収により呼吸気のＣＯ２含量を測定する際
に分析器のキュベツトを別の配置形式に基づき患者の口
の近くで主流内に配置することも公知である。

この際には、吸込まれかつ吐出される全てのガスがキュ
ベツトを貫流する。

しかしながら、更に発表された文献には、主流にキュベ
ツトを配置する際に試料受容のむだな空間が拡大される
ことについて言及し、むしろバイパス方式の方が有利で
あると明示されている〔゛ジャーナル・オブ・ラボラト
リ−・アンドクリニカル・メゾシン（Ｊ、Ｌａｂ−＆
Ｃｌ１ｎ。

Ｍｅｄ、）”、第４５巻、第４号（ＩＣ１５５年）、５
２６〜５３９頁〕。

ガスの測定のために赤外線吸収を適用する前記方法は、
呼吸気内の００２含量を測定するためには不利である。

一面では、測定装置を備えた測定キュベツトが太きすぎ
かつ呼啄循環系に直接的に組込みかつ接続するには困難
である。

最大のキュベツトを使用しても、測定ガス処理量は６．
０４／ｈを上回らない。

このような僅かな試料量では、直接呼吸気流に接続する
ことはできない。

すなわちバイパスを介して設置しなければならない。

しかしながら、バイパスによってキュベツトの掃気及び
被検呼吸気の充填が遅延されることにより、１回毎の呼
吸の直接的監視は殆んど不可能である。

前記測定法においては、状態値すなわち呼吸気流内の圧
力及び温度の変化が測定値における感度損失を惹起する
。

呼吸気循環路からガス試料を取出しかつバイパスを介し
て供給する方法において、測定値が他の影響値例えばガ
ス流量、肺臓弾性、肺活量等によって妨害されないよう
にするためには、多大な装置費用を必要とする。

切換え装置を用いて対照ガスを使用する方式は測定装置
を複雑化し、かつキュベツトの汚れ及び構成部材例えば
放射器、受信器等の老化による感度変化及び七狛点移動
を感知しかつ補償するためには問題の多い補助的手段に
あるにすぎない。

本発明の課題は、例えばキュベツトの汚れ又は構成部材
の老化に起因する認識されない測定誤差に対して防御さ
れている、呼吸気中のＣ０２含量を遅延なく測定する装
置を提供することであった。

前記課題は、本発明により、冒頭に述べた形式％式％ ａ）呼吸気の主流内に配置された測定キュベツト、ｂ）
呼吸期識別ユニット Ｃ）呼吸期識別ユニットによって制御される、呼吸期中
に光検出器の最大出力信号を受容する第１の記憶器、 ｄ）呼吸期識別ユニットによって制御される、呼吸期中
に光検出器の最低出力信号を受容する第２の記憶器及び ｅ）記憶器と接続された、第１及び第２の記憶器１ に
記憶された信号値の比の対数を形成する演算回路 を有することを特徴とする、呼吸気中の００２含量を測
定する装置によって解決される。

本発明で達成される利点は、特に対照ガス及び；運動す
る装置部材が不必要になることにある。

測定キュベ゛入トを直接呼吸気流内に配置し、ひいては
呼吸気量全部を試料として使用することにより、遅延の
ない、精確な、かつバイパスの付加的条件とは無関係で
あるために、典型的かつ再現可能な；測定が保証される
。

本発明方法によれば、呼吸気の別のガス成分の影響が遮
断されることにより、上記以外の著しい利点が生じる。

更に、臨界的ゼロ点問題が生じない。

更に、本発明の装置は寸法が極めて小さいことにより患
者に負担を強いることなく容易にマウマウスピースの直
後で呼吸気流に配置することができるという利点を提供
する。

キュベツト管は容易に交換可能であり、ひいては医療器
機にとって不可決の無菌性に関する要求を満足する。

取外した後に滅菌してもよくあるいはまた新しいものと
交換してもよい。

キュベツト管は構造が開学であり、機能上必要な他の装
置を内蔵していす、ひいては廉価である。

最後に、光変調器は散乱光効果を避けるために光透過性
の接続ホースを使用する際に有利である。

次に図示の実施例につき、本発明を詳説する。

保持体１７内で交換可能であるキュベツト管１６を有す
る測定キュベツト１は、患者の口の直前でマウスピース
と公知のＹ字形部材の間で呼吸気導管に配置されている
。

キュベツト管１６は適当な赤外線透過性プラスチックか
ら成っておりかつ使い捨て用に作られている。

キュベツト管１６の内側で水滴が凝結するのを回避する
ために、この管は同時に加熱装置として構成された、適
当に成形された保持体１７によって加熱される。

保持体は有利シこＰＣＴ抵抗体材料から成る同心円の管
（他の横断面形状、例え正方形も考えられる）であって
もよい。

ＰＣＴ抵抗体は温度が高まるとその抵抗値を変える、す
なわち抵抗体の切換わり温度未満の温度では抵抗値は温
度が上昇すると極く僅かに上昇するにすぎない。

もちろん、温度が切換わり温度を上回ると、抵抗値の温
度依存度は数倍高まる。

従って、ＰＣＴ抵抗体を一定電圧源で作動させると、極
めて確かなかつ簡単な温度の一定保持が可能になる。

加熱装置（約４０°Ｃに加熱）として構成された保持体
１７の同心管は貫通孔又はスリットを有している。

この中に赤外線光源１９、光変調器２０干渉フイルター
８（約４．２５μｍ）及び赤外線を感知する光検出器２
３が配置されており、従って放射された光は光検出器２
３に達する前に干渉フィルタ及びキュベツト管１６を通
過しなければならない。

光路を最適に集光させかつキュベツト管１６を貫通させ
るために、場合により複数のレンズかな成るレンズ系２
６を使用する。

その他の測定キュベツト１の詳細部分は、流体供給部材
２２、赤外線光源１９の光源保持部材２１、光検出器２
３用の保持部材２４及び信号評価のための光検出器から
の信号導線２５である。

光強度の変化は光検出器２３の反応として光検出器の抵
抗値の正比例変化を生じる。

しかし、この光強度はランベルトベールの法則に基づき
測定キュベツト内のＣＯ２濃度に依存する： Ｉ−Ｉ ・ｅ ””ＣＩ ＝透過光の強度■ｏ−
人射光の強度 ｋ −吸収係数 ｌ −キュベツト内の 光路の長さ Ｃ二ＣＯ□濃度 光検出器の抵抗の測定により、ＣＯ２濃度の指数値が測
定信号として得られる。

これは例えばホイートストンブリフジで行われるが、他
の形式の回路も考えられる。

キュベツト管１６を通して呼吸すると、測定信号は信号
選別ユニットで転換された後に典型的な曲線９を描く（
第２図）。

信号選別ユニット２は光の強度の変化ン基づく光検出器
の反応を適当な強さの一次信号２８に変える。

吸気相１１の間は、ＣＯ２含量ひいては吸光度はその最
低値１３に達する。

呼気期１０では、ＣＯ□濃度は常に上昇し、呼気の終了
時にはその最大値１２に達する。

呼気と吸気の間の転換後には、キュベツト管の掃気が必
要であることに基づく僅かな遅延後、測定信号の急激な
下降が行われる。

この測定信号の急激な下降は、呼吸期識別ユニット５に
よって、最大出力信号を捕捉する第１の記１意器３及び
最低出力信号を捕捉する第２の記憶ｉ器を制御する信号
を発生するために利用される。

呼吸期識別ユニット５は一次信号の時間的微分量２９（
第３図）を形成する微分ユニットから成っている。

電圧１４の重畳により、時間的導関数の明らかな横軸線
との通過点が得られ、これを比較：器およびそれに引続
く単安定マルチバイブレークを用いてパルス信号１５（
第４図）を発生させるために使用する。

このパルス信号１５によって、第１の記［ｉ ３及び第
２の記憶器４は、これらの記憶器が呼吸期；すなわち吸
気および呼気の過程でのその都度の最大値１２又は最低
値１３を検出し、記憶しかつ呼気の経過後演算回路６に
導ひく形式で制御される。

適当な記憶器３及び４のための回路は公知技術水準に基
づく。

、 演算回路６で、時間的に連続して一次信号２８と第
２の記憶器４の記憶された［直との間の商が算出される
。

、この結果は引続き対数計算されかつその都度の呼吸期
のためのＣＯ２濃度の時間的経過を描出す。

１ すなわち、ガス混合物に関しては下記式が当てはま
る： （−（ｋ−ｃ−Ｈｃ ・ ■＝１ｏ°ｅ ＣＯ２Ｃ０２Ｎ２０ ＣＮ Ｏ＋・・・）・ｌ〕 吸気期ではｃｃｏ２職０でありかつ吸気期と呼気期での
ｃＮ２ｏは相互にほとんど変化しないので、割算により
式： ％式％） が得られ、その対数を取れば式： 呼気期■ ｌｏｇ（）＝−ｋＣＯ２°Ｃｃ ｏ２°ｌ吸気期■ が得られる。

従って、対数ユニットの出力信号は式 呼気期■ ｌｏ ｇ（−）＼Ｃ 吸気期■Ｃ０２ で表わされる。

従って、例えば光学系の老化又は調整ずれによって惹起
される■。

の変化が誤測定を惹起するこことはない。

Ｎｏ２又は他の吸気期及び呼気期の過程で濃度が殆んど
変化しないガスが存在しても、この原理により同様に誤
測定は惹起されない。

ＣＯ２濃度の最終呼気値を確認するために、演算回路６
で選択的に最大値１２と最少値１３の間の商が算出され
、引続きその対数が取られる。

物理学的及び生理学的法則によって、Ｃ０２濃度の最大
値１２は最終呼気値に一致する。

この最終呼気値１２だけを表示できるようにすることが
重要なことである。

このことは表示部７ｂで行われる。

時間的に可変なＣＯ□値は、出力装置７ａに供給され、
これには高速記録装置及びオシログラフが接続されてい
てもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガス測定法の方式構成図、第２図
は一次信号の経過曲線を示す図、第４図はパルス信号と
しての制御信号を示す図、第５図は測定キュベツトの断
面図である。 １・・・・・・測定キュベツト、３，４・・・・・・記
憶器、５・・・・・・呼吸期識別ユニット、６・・・・
・・演算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 赤外線光源を有し、該光源の光路内にＣＯ□の吸収
   帯の範囲内で透過性の干渉フィルタと、呼吸気が貫流す
   る測定キュベツトと、光検出器とが配置されておりかつ
   該光検出器の後方に接続された評価回路を有する呼吸気
   中のＣＯ２含量を測定する装置において、 ａ）呼吸気の主流内に配置された測定キュベツト１、 ｂ）呼吸期識別ユニット５、 Ｃ）呼吸期識別ユニット５によって制御される、呼気期
   中に光検出器２３の最大出力信号を受容する第１の記憶
   器３、 ｄ）呼吸期識別ユニット５によって制御される、吸気期
   中に光検出器２３の最低出力信号を受容する第２の記・
   億器４及び ｅ）記憶器（３又は４）と接続された、第１及び第２の
   記憶器に記憶された信号値の比の対数を形成する演算回
   路６ を有することを特徴とする、呼吸気中の００２含量を測
   定する装置。