JPWO2016047170A1 - 呼気診断装置 - Google Patents

Abstract

実施形態によれば呼気診断装置は、セル部と、光源部と、検出部と、制御部と、を含む。セル部は、第１、第２物質を含む試料気体が導入される空間を含む。光源部は、空間に光を入射させる。検出部は、試料気体が導入されている空間を通過した光の強度を検出する。制御部は、第１動作時に、光源部に、光の波長を、第１物質の光吸収の第１ピークの第１波長と、第２物質の光吸収の第２ピークの第２波長と、を含む波長帯内で変化させ、検出部で検出された結果に基づいて、試料気体に含まれる物質の量の比を算出する。制御部は、第２動作時に、光源部に、光の波長を第３波長とさせ、検出部で検出された結果に基づいて、物質の量の時間的な変化を検出する。

Description

本発明の実施形態は、呼気診断装置に関する。

呼気診断装置においては、呼気のガスを測定する。この測定結果より、病気の予防や早期発見が容易になる。呼気診断装置において、高精度の測定結果を得ることが望まれる。

特開２００３−２３２７３２号公報

本発明の実施形態は、高精度の呼気診断装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、呼気診断装置は、セル部と、光源部と、検出部と、制御部と、を含む。前記セル部は、第１物質と、前記第１物質とは異なる第２物質と、を含む試料気体が導入される空間を含む。前記光源部は、前記空間に光を入射させる。前記検出部は、前記試料気体が導入されている前記空間を通過した前記光の強度を検出する。前記制御部は、第１動作時に、前記光源部に、前記光の波長を、前記第１物質の光吸収の第１ピークの第１波長と、前記第１波長とは異なり前記第２物質の光吸収の第２ピークの第２波長と、を含む波長帯内で変化させ、前記検出部で検出された前記第１波長の前記光の強度の検出結果及び前記第２波長の前記光の強度の検出結果に基づいて、前記試料気体に含まれる前記第２物質の量の、前記試料気体に含まれる前記第１物質の量に対する比を算出する。前記制御部は、第２動作時に、前記光源部に、前記光の波長を第３波長とさせ、前記検出部で検出された前記第３波長の前記光の強度の検出結果に基づいて、前記第１物質及び前記第２物質の少なくともいずれかの量の時間的な変化を検出する。

第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、二酸化炭素の特性を例示するグラフ図である。 第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。 第１の実施形態に係る呼気診断装置の動作を例示する模式図である。 第２の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。 図８（ａ）〜図８（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。
図１に表したように、本実施形態に係る呼気診断装置１１０は、セル部２０と、光源部３０と、検出部４０と、制御部４５と、を含む。

セル部２０には、試料気体５０が導入される。すなわち、セル部２０に設けられる空間２３ｓに試料気体５０が導入される。試料気体５０には、第１物質５１と、第２物質５２と、が含まれる。第２物質５２は、第１物質５１とは異なる。

試料気体５０には、呼気５０ａが含まれる。呼気５０ａは、例えば、ヒトを含む動物の呼気である。呼気５０ａには、^１２Ｃを含む二酸化炭素（^１２ＣＯ_２）と、^１３Ｃを含む二酸化炭素（^１３ＣＯ_２）と、が含まれる。これらの二酸化炭素に酸素の同位体が含まれても良い。

第１物質５１は、^１２Ｃを含む二酸化炭素（^１２ＣＯ_２）である。第２物質５２は、^１３Ｃを含む二酸化炭素（^１３ＣＯ_２）である。実施形態は、これに限らず、第１物質５１及び第２物質５２が、他の物質でも良い。以下では、第１物質５１が^１２Ｃを含む二酸化炭素（^１２ＣＯ_２）であり、第２物質５２が^１３Ｃを含む二酸化炭素（^１３ＣＯ_２）である場合について説明する。

呼気５０ａに含まれる二酸化炭素において、炭素の同位体（^１２ＣＯ_２及び^１３ＣＯ_２）における比率と、ヒトの健康状態と、の間に関連がある。ヒトが、^１３Ｃを濃縮した標識化合物（^１３Ｃ標識化合物）を飲むことで、そのヒトの健康状態を診断することができる。例えば、ヒトが、^１３Ｃ標識化合物として、^１３Ｃ−尿素を飲む。このとき、ピロリ菌があると、^１３ＣＯ_２の相対的な量が多くなる。一方、例えば、ヒトが、^１３Ｃ標識化合物として^１３Ｃ−ａｃｅｔａｔｅを飲む。このときの呼気５０ａを評価することで、胃排出能について診断することができる。^１３Ｃ−ａｃｅｔａｔｅを飲んだ場合において、胃排出能と、^１３ＣＯ_２の相対的な量と、に関連がある。

後述するように、第１物質５１（^１２ＣＯ_２）の光吸収は、第１波長において、第１ピークを有する。第２物質５２（^１３ＣＯ_２）の光吸収は、第２波長において、第２ピークを有する。これらの２つのピークの波長に対応した波長の光を用いることで、第１物質５１及び第２物質５２の量（相対的な比率）が検出できる。

光源部３０は、空間２３ｓに光（測定光３０Ｌ)を入射させる。光源部３０は、その光（測定光３０Ｌ）の波長を、変化させることができる。後述するように、波長の変化は、特定の波長帯において行われる。この波長帯は、第１物質５１の光吸収の第１ピークの第１波長と、第２物質５２の光吸収の第２ピークの第２波長とを含む。

この例では、光源部３０は、発光部３０ａと、駆動部３０ｂと、を含む。駆動部３０ｂは、発光部３０ａに電気的に接続される。駆動部３０ｂは、発光部３０ａに、発光のための電力を供給する。後述するように、発光部３０ａとして、例えば分布帰還型（ＤＦＢ型）量子カスケードレーザが用いられる。発光部３０ａとして、インターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）を用いても良い。発光部３０ａの例については、後述する。

測定光３０Ｌは、セル部２０の空間２３ｓを通過する。測定光３０Ｌの一部が、試料気体５０に含まれる物質（第１物質５１及び第２物質５２）により吸収される。測定光３０Ｌのうちの、これらの物質に特有の波長の成分が吸収される。吸収の程度は、物質の濃度に依存する。

検出部４０は、例えば、空間２３ｓに試料気体５０が導入された状態において空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出する。検出部４０は、空間２３ｓを通過した光（測定光３０Ｌ）の強度を検出する。検出部４０には、赤外領域に感度を有する検出素子４１が用いられる。検出素子４１には、例えばサーモパイルまたは半導体センサ素子（例えばＩｎＡｓSｂ）などが用いられる。検出部４０は、検出素子４１から出力される信号を処理する回路部４２が設けられても良い。実施形態において、検出部４０は任意である。

検出部４０において、空間２３ｓに試料気体５０が導入されているときの光の強度に加えて、空間２３ｓに試料気体５０が導入されていないときの光強度の強度も検出する。後者は、検出における参照値として用いられる。そして、例えば、このような検出を複数回実施する。すなわち、検出部４０は、試料気体５０が導入されている空間２３ｓを通過した光（測定光３０Ｌ）の強度の第１検出と、試料気体５０が導入されていない空間２３ｓを通過した光（測定光３０Ｌ）の強度の第２検出と、を含む動作を複数回実施する。

制御部４５は、複数回の上記の動作によって得られる結果に基づいて、試料気体５０中における第１物質５１の量に対する第２物質５２の量の比を算出する。すなわち、複数回の上記の動作によって得られる複数の第１検出の結果と、複数回の上記の動作によって得られる複数の第２検出の結果と、に基づいて、第１物質５１の量に対する第２物質５２の量の比を算出する。これにより、呼気診断装置１１０において、呼気５０ａ（試料気体５０）中に含まれる第２物質５２の量が特定でき、高精度の診断ができる。

このとき、呼吸において、吸い込みと、吐き出しと、が繰り返される。この繰り返しは、１分間に約２０回の頻度で繰り返される。呼気の測定のタイミングによっては、試料気体５０中に、呼気５０ａだけではなく、大量の空気が含まれる場合がある。このような場合においては、正確な測定が困難になる。このため、試料気体５０に対する呼気５０ａの量の比率が高い状態で、測定を行うことが好ましい。

例えば、試料気体５０中に含まれる目的とする物質（例えば二酸化炭素）の量（比率）の時間変化をモニタし、その量（比率）が基準値を超えたときに、上記の第１検出及び第２検出を開始する。これにより、試料気体５０に対する呼気５０ａの量の比率が高い状態で、測定が行われ、高精度の診断が可能になる。

このようなモニタを、呼気診断装置１１０で行うことができる。すなわち、制御部４５は、第１動作と、第２動作と、を実施可能である。第１動作では、上記の第１検出及び第２検出を実施し、第１物質５１の量に対する第２物質５２の量の比を算出する。一方、第２動作では、目的とする物質（例えば二酸化炭素）の量（比率）の時間変化をモニタする動作である。そして、このモニタの結果に基づいて、第１動作を開始する。

例えば、セル部２０の流入口に第１弁Ｖ１が設けられ、セル部２０の流出口に第２弁Ｖ２が設けられる。第２動作においては、これらのバルブが開状態とする。これにより、第２動作においては、試料気体５０が、セル部２０に流れ込み、試料気体５０中に含まれる目的とする物質（例えば二酸化炭素）の量（比率）の時間変化がモニタされる。一方、第１動作においては、これらのバルブは閉状態とされる。これにより、セル部２０中において、試料気体５０の流れが無くなり、セル部２０中の気流の状態が安定する。これにより、第１動作において、高精度の測定が安定して実施できる。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。
これらの図は、第１動作ＯＰ１の例を示している。
図２（ａ）は、光源部３０から出射する測定光３０Ｌの波長の変化の例を示している。図２（ｂ）は、検出部４０において検出される信号の変化の例を示している。これらの図において、横軸は時間ｔである。図２（ａ）の縦軸は、波長λである。図２（ｂ）の縦軸は、信号の強度Ｓｇである。

これらの図に示すように、参照データ測定期間Ｐｒ１と、試料データ測定期間Ｐｓ１と、が設けられる。参照データ測定期間Ｐｒ１においては、空間２３ｓに試料気体５０が導入されていない。試料データ測定期間Ｐｓ１は、空間２３ｓに試料気体５０が導入されている。

参照データ測定期間Ｐｒ１において、光源部３０から出射する測定光３０Ｌの波長が変化される。波長の変化は、特定の波長帯ＷＬ内で行われる。この波長帯ＷＬは、第１物質５１の吸収のピークに対応する第１波長λ１と、第２物質５２の吸収のピークに対応する第２波長λ２と、を含む。波長帯ＷＬは、例えば、４．３５７３μｍ〜４．３５３５μｍである。波長帯ＷＬのうちの最長の波長λｍａｘと、最短の波長λｍｉｎと、の差は、例えば、例えば、０．００３８マイクロメートル程度である。例えば、差は、０．００３７９３９０４マイクロメートルである。

測定光３０Ｌの波長の変化は、複数回繰り返して行われる。この測定光３０Ｌの強度が、検出部４０により検出される。検出部４０において、信号の強度Ｓｇが、複数回検出される。

試料データ測定期間Ｐｓ１においては、空間２３ｓに試料気体５０が導入されており、測定光３０Ｌの一部が、第１物質５１及び第２物質５２によって吸収される。例えば、第１物質５１の吸収のピークに対応する第１波長λ１において、信号の強度Ｓｇが低くなる。例えば、第２物質５２の吸収のピークに対応する第２波長λ２において、信号の強度Ｓｇが低くなる。

参照データ測定期間Ｐｒ１における信号の強度Ｓｇ（参照強度）と、試料データ測定期間Ｐｓ１における信号の強度Ｓｇ（試料強度）と、を比較することで、第１物質５１の量に対応した値、及び、第２物質５２の量に対応した値が得られる。例えば、参照強度に対する、試料強度の比を求める。例えば、参照強度と試料強度との差を求める。これにより、第１物質５１の量に対応した値、及び、第２物質５２の量に対応した値が得られる。第１物質５１の量に対する第２物質５２の量の比が得られる。

少なくとも１つの参照データ測定期間Ｐｒ１と、少なくとも１つの試料データ測定期間Ｐｓ１と、により、１回の測定（第１物質５１の量に対する第２物質５２の量の比の算出）が実施される。すなわち、第１動作ＯＰ１において、１回の測定期間（第１測定期間Ｐｍ１）は、少なくとも１つの参照データ測定期間Ｐｒ１と、少なくとも１つの試料データ測定期間Ｐｓ１と、を含む。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。
これらの図は、第２動作ＯＰ２の例を示している。
図３（ａ）は、光源部３０から出射する測定光３０Ｌの波長を示している。図３（ｂ）は、検出部４０において検出される信号の変化の例を示している。これらの図において、横軸は時間ｔである。図３（ａ）の縦軸は、波長λである。図３（ｂ）の縦軸は、信号の強度Ｓｇである。

図３（ａ）に示すように、この例では、第２動作ＯＰ２においては、測定光３０Ｌの波長は、第３波長λ３で、実質的に一定である。後述するように第３波長λ３をスイープしても良い。

図３（ｂ）に示すように、時間ｔ１において、信号の強度Ｓｇが変化し始め、時間ｔ２において、信号の強度Ｓｇは最大となる。時間ｔ１よりも前の期間は、肺で置換されていない試料気体５０がセル部２０の空間２３ｓに導入されている期間である。すなわち、空間２３ｓには、実質的に空気が充満している。この状態においては、空気に含まれる物質（二酸化炭素の量）が検出されている。時間ｔ１において、肺で置換された気体が空間２３ｓに導入され始め、信号の強度Ｓｇが増加し始める。時間ｔ２において、信号の強度Ｓｇが実質的に最大となる。この状態が、肺で十分に置換された呼気５０ａがセル部２０の空間２３ｓに導入されている状態に対応する。

信号（強度Ｓｇ）が最大となる時間ｔ２の代わりに、以下に表す時間ｔ３を用いてもよい。例えば、時間ｔ３は、信号（強度Ｓｇ）が予め定めた値になるときの時間（第１の基準）としても良い。時間ｔ３は、信号（強度Ｓｇ）の変化が飽和し、信号（強度Ｓｇ）の変化率が予め定めた値になるときの時間（第２の基準）としても良い。時間ｔ３は、上記の第１の基準及び第２の基準の両方を満たす時間（第３の基準）としても良い。時間ｔ３は、肺で十分に置換された呼気５０ａがセル部２０の空間２３ｓに導入されている状態に対応する時間として定められる。第２動作ＯＰ２においては、測定期間（第２測定期間Ｐｍ２）は、例えば、１回の呼吸の時間に対応する。

このような時間ｔ３の状態になったときに、上記の第１動作ＯＰ１を開始することで、肺で十分に置換された呼気５０ａがセル部２０の空間２３ｓに導入されている状態で、目的とする物質（第１物質５１及び第２物質５２）を高精度に測定できる。

このような動作は、制御部４５で実施できる。

すなわち、制御部４５は、第１動作ＯＰ１時に、以下を行う。
制御部４５は、光源部３０に、光（測定光３０Ｌ）の波長を、第１物質５１の光吸収の第１ピークの第１波長λ１と、第１波長λ１とは異なり第２物質５２の光吸収の第２ピークの第２波長λ２と、を含む波長帯ＷＬ内で変化させることを実施させる。そして、制御部４５は、検出部４０で検出された第１波長λ１の光の強度の検出結果及び第２波長λ２の光の強度の検出結果に基づいて、試料気体５０に含まれる第２物質５２の量の、試料気体５０に含まれる第１物質５１の量に対する比を算出する。

さらに、制御部４５は、第２動作ＯＰ２時に、以下を行う。
制御部４５は、光源部３０に、光の波長を第３波長λ３とさせることを実施させる。そして、制御部４５は、検出部４０で検出された第３波長λ３の光の強度の検出結果に基づいて、第１物質５１及び第２物質５２の少なくともいずれかの量の時間的な変化を検出する。

そして、制御部４５は、上記の時間的な変化の検出の結果に基づいて、第１動作ＯＰ１を実施する。実施形態によれば、高精度の呼気診断装置を提供することができる。
呼気診断装置１１０は、例えば、二酸化炭素モニタ動作（第２動作ＯＰ２）と、第１物質５１及び第２物質５２の測定動作、すなわち、同位体比測定動作（第１動作ＯＰ１）と、を実施できる。例えば、呼気診断装置１１０においては、例えば、カプノメータとしての動作と、二酸化炭素の同位体比の測定動作と、が実施できる。

一方、カプノメータ動作と、同位体比の測定動作と、を別々に行う参考例がある。この場合には、まず、カプノメータ動作で二酸化炭素を検知して弁操作を行い、二酸化炭素が多く含まれた試料気体を同位体比測定用のセルに導入する。この際に、試料気体の入れ替えなどに要する時間により、時間差が生じる。さらに、同位体比測定用のセルに残存していた気体が、目的とする試料気体で十分に置換されない場合がある。

これに対して、本実施形態においては、カプノメータとしての動作と、二酸化炭素の同位体比の測定動作と、同一のセル部２０を用いて行われる。これにより、上記の時間差の利用が抑制され、残存気体の影響が抑制される。これにより、高い精度の同位体測定が可能になる。

１回の呼吸で吐き出される呼気５０ａの時間は、１０秒以下程度である。従って、この時間よりも短い時間で、第２動作ＯＰ２は行われる。すなわち、制御部４５は、第２動作ＯＰ２において、０．３秒以上の期間（第２測定期間Ｐｍ２）において、第１物質５１及び第２物質５２の少なくともいずれかの量の時間的な変化を検出する。

そして、第２動作ＯＰ２における測定は、短い時間内で実質的に連続して行われることが好ましい。例えば、測定は、０．１秒以下の時間分解能で行われる。すなわち、制御部４５は、第２動作ＯＰ２において、０．１秒以下の時間分解能で、第１物質５１及び第２物質５２の少なくともいずれかの量を測定して、この少なくともいずれかの量の時間的な変化を検出する。例えば、量子カスケードレーザと、半導体センサ素子（例えばＩｎＡｓSｂなど）と、を組み合わせることで、高速の測定が可能である。

一方、第１動作ＯＰ１においては、高精度で、第１物質５１及び第２物質５２の量を測定する。この測定は、１回の呼吸で供給された呼気５０ａを対象に実施される。例えば、制御部４５は、第１動作ＯＰ１を１秒以上１０秒以下の期間に連続して実施する。高精度の測定結果が得られる。

実施形態において、セル部２０に設けられる空間２３ｓの容量は、５００ｃｍ^３以下（５００ｍＬ以下）であることが好ましい。すなわち、一般に、１回のヒトの呼吸の呼気５０ａの容量（体積）は、５００ｍＬ以下である。このため、セル部２０の容量を、５００ｍＬ以下とすることで、１回の呼吸の呼気５０ａで、セル部２０内を充満させることができる。また、セル部２０の容量は、２０ｃｍ^３以下であることがさらに好ましい。

このように小さい容量のセル部２０を用いた場合においても、発光部３０ａとして、量子カスケードレーザを用いることで、高精度の測定が可能である。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、二酸化炭素の特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、^１２ＣＯ_２の吸収スペクトル及び^１３ＣＯ_２の吸収スペクトルを表している。図４（ａ）の横軸は、波長λ（μｍ）である。図４（ｂ）の横軸は、波数κ（ｃｍ^−１）である。縦軸は、吸収率Ａｂ（％）である。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、^１２ＣＯ_２及び^１３ＣＯ_２のそれぞれは、固有の吸収を有する。例えば、^１２ＣＯ_２の吸収に対応する複数のピークがある。そして、^１３ＣＯの_２吸収に対応する複数のピークがある。

例えば、光源部３０から出射される測定光３０Ｌの波長は、波長帯ＷＬの範囲で掃引（スイープ）される。波長帯ＷＬは、第１波長λ１及び第２波長λ２を含む。波長帯ＷＬは、^１２ＣＯ_２の吸収のピークの別の１つ、及び、^１３ＣＯの_２吸収のピークの別の１つ、の少なくともいずれかをさらに含むことが好ましい。

第１波長λ１は、例えば、４．３５５３μｍである。第２波長λ２は、例えば、４．３５５７μｍである。実施形態において、第３波長λ３は、第１波長λ１と実質的に同じに設定して良い。または、第３波長λ３は、第２波長λ２と実質的に同じに設定しても良い。

^１３ＣＯ_２において、^１２ＣＯ_２の吸収強度と比較的近い吸収強度が得られるように、波長帯ＷＬが定められる。これにより、これらの二酸化炭素の量が高い精度で検出できる。

実施形態において、波長帯ＷＬの範囲は、例えば、４．３４７８μｍ以上４．３８０４μｍ以下（すなわち、２２８１ｃｍ^−１以上２３００ｃｍ^−１以下）が好ましい。波長帯ＷＬの範囲は、例えば、４．３５３５μｍ以上４．３５７３μｍ以下（すなわち、２２９５ｃｍ^−１以上２２９７ｃｍ^−１以下）がさらに好ましい。

測定光３０Ｌの波長の中心値は、例えば、４．３５３５マイクロメートル（μｍ）以上４．３５７３μｍ以下である。波長帯ＷＬの波数の最大値と、波長帯ＷＬの波数の最小値と、の差は、例えば０．２ｃｍ^−１以上５ｃｍ^−１以下である。差は、例えば、約１ｃｍ^−１である。

図５は、第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。
図５に表したように、呼気診断装置１１０において、筐体１０ｗが設けられる。筐体１０ｗ内に、セル部２０と、光源部３０と、検出部４０と、制御部４５と、が設けられる。制御部４５は、筐体１０ｗの外に設けられても良い。

ガス導入部６０ｉが、筐体１０ｗに接続される。ガス導入部６０ｉは、例えば、マウスピースである。ガス導入部６０ｉとして、カニューレ管などを用いても良い。ガス導入部６０ｉとして、マスクを用いても良い。

筐体１０ｗ内に第１配管６１ｐが設けられる。第１配管６１ｐの一端は、ガス導入部６０ｉに接続される。第１配管６１ｐの他端は、外界と接続される。この例では、第１配管６１ｐの入り口側に、流量計６１ｆｍが設けられている。流量計６１ｆｍは、ガス導入部６０ｉと接続される。第１配管６１ｐの出口側に、一方向弁６１ｄｖが設けられる。ガス導入部６０ｉから導入された試料気体５０の一部は、一方向弁６１ｄｖを経て外界に放出される。

第１配管６１ｐに、第２配管６２ｐが接続される。第２配管６２ｐの一端が、第１配管６１ｐに接続され、第２配管６２ｐの他端がセル部２０に接続される。この例では、第２配管６２ｐの経路上に、除湿部６２ｆが設けられる。除湿部６２ｆには、例えば、水を吸着するフィルタなどが用いられる。第１配管６１ｐとセル部２０との間に、第１弁Ｖ１（電磁弁）が設けられる。この例では、第１弁Ｖ１と除湿部６２ｆとの間にニードルバルブ６２ｎｖが設けられる。この例では、第１弁Ｖ１とセル部２０との間には、スパイラルチューブ６２ｓが設けられている。スパイラルチューブ６２ｓは、省略しても良い。ニードルバルブ６２ｎｖは、必要に応じて設けられ、省略しても良い。

セル部２０には、例えばヒータ２８が設けられても良い。セル部２０には、圧力計２７が設けられても良い。

第１弁Ｖ１とスパイラルチューブ６２ｓとの間の部分に、第３配管６３ｐの一端が接続される。第３配管６３ｐの他端は、一方向弁６３ｄｖに接続される。第３配管６３ｐは、セル部２０に、外界から空気を導入することが可能である。第３配管６３ｐにおいて、第３弁Ｖ３（電磁弁）が設けられる。第３弁Ｖ３と一方向弁６３ｄｖとの間にＣＯ_２フィルタ６３ｆが設けられる。ＣＯ_２フィルタ６３ｆは、外界から導入された空気における二酸化炭素の量を減少させる。この例では、第３弁Ｖ３とＣＯ_２フィルタ６３ｆとの間に、ニードルバルブ６３ｎｖが設けられる。一方向弁６３ｄｖを介して外界から空気が導入される。ＣＯ_２フィルタを通過することで、空気からＣＯ_２が除去される。ＣＯ_２が除去された空気が第３弁Ｖ３を通過して、セル部２０に導入可能である。ニードルバルブ６３ｎｖは、必要に応じて設けられ、省略しても良い。

弁の動作により、第２配管６２ｐを経て、試料気体５０がセル部２０に導入される。または、第３配管６３ｐを経て、ＣＯ_２が除去された空気がセル部２０に導入される。

セル部２０の出口側には、第４配管６４ｐの一端が接続される。第４配管６４ｐの他端は、外界（筐体１０ｗの外側）に繋がる。この例では、第４配管６４ｐに第２弁Ｖ２（電磁弁）が設けられている。第２弁Ｖ２と外界との間に、排気部６５（ポンプまたはファンなど）が設けられる。この例では、排気部６５と第２Ｖ２との間に、ニードルバルブ６４ｎｖが設けられている。ニードルバルブ６４ｎｖは、必要に応じて設けられ、省略しても良い。

すなわち、ガス導入部６０ｉから導入された試料気体５０の一部が、第２配管６２ｐを経てセル部２０に導入される。この気体（呼気５０ａ）中の第１物質５１及び第２物質５２が、セル部２０において検出される。

ガス導入部６０ｉから導入された試料気体５０の別の一部（多くの部分）が、第１配管６１ｐを経て、外界に放出される。すなわち、第１配管６１ｐを流れる試料気体５０の量（流量）は、第２配管６２ｐを流れる試料気体５０の量（流量）よりも多い。これにより、試料気体５０の採取において、被検者（ヒト）は、苦しさを感じることが抑制される。

流量計６１ｆｍを用いることで、試料気体５０の導入の状態が検出される。この検出結果に基づいて、検出動作が行われる。すなわち、試料気体５０の導入開始が明確になり、検出の精度が向上する。

ニードルバルブ６２ｎｖを用いることで、第２配管６２ｐの内部の流量を制限し、安定した試料気体５０の供給が可能になる。

第１弁Ｖ１を開状態にすることで、試料気体５０がセル部２０に導入される。セル部２０に導入された試料気体５０中の第１物質５１と第２物質５２との検出中（すなわち、試料データ測定期間Ｐｓ１）においては、第１弁Ｖ１及び第２弁Ｖ２を閉状態する。これにより、セル部２０内の気体の状態が安定し、検出の動作が高まる。試料データ測定期間Ｐｓ１においては、第３弁Ｖ３は、閉状態である。

セル部２０に導入される試料気体５０の温度は一定であることが好ましい。スパイラルチューブ６２ｓとヒータなどとを用いることで、セル部２０に導入される試料気体５０の温度を精度良く制御できる。温度は、例えば、約４０℃である。

第３弁Ｖ３を開状態とし、第２弁Ｖ２、ニードルバルブ６４ｎｖ及び排気部６５の動作により、セル部２０内の気体が外界に放出される。

セル部２０に試料気体５０を導入しない状態で検出動作を行う際（すなわち、参照データ測定期間Ｐｒ１）においては、第１弁Ｖ１を閉状態にし、第２弁Ｖ２及び第３弁Ｖ３を開状態とする。これにより、外界からの空気（ＣＯ_２が除去された空気）がセル部２０に導入される。

図６は、第１の実施形態に係る呼気診断装置の動作を例示する模式図である。
図６は、呼気診断装置１１０により、カプノメータとしての動作（第２動作ＯＰ２）と、ＣＯ_２の同位体比の測定動作（第１動作ＯＰ１）と、を行う場合の動作の例を示している。

測定を開始する。まず、弁を操作する（ステップＳ１）。具体的には、第１弁Ｖ１及び第２弁Ｖ２を開状態にし、第３弁Ｖ３を閉状態にする。

ＣＯ_２濃度のモニタを行う（ステップＳ２）。この動作が第２動作ＯＰ２に対応する。

ＣＯ_２の濃度が設定値（例えば予め定められた値）を超えるかどうかを判断する（ステップＳ３）。ステップＳ３において、ＣＯ_２の濃度が設定値を超えないときには、ステップ２に戻る。ステップＳ３において、ＣＯ_２の濃度が設定値を超えるときには、以下のステップＳ４を実施する。なお、ステップＳ３の判断において、上記の第１の基準、第２の基準及び第３の基準のいずれかを用いても良い。

ＣＯ_２の濃度が設定値を超えるときに、弁を操作する（ステップＳ４）。具体的には、第１弁Ｖ１、第２弁Ｖ２及び第３弁Ｖ３を閉状態にする。

ＣＯ２の濃度が設定値（例えば予め定められた値）を超えるかどうかを判断する（ステップＳ５）。ステップＳ５において、ＣＯ２の濃度が設定値を超えないときには、ステップ１に戻る。ステップＳ５において、ＣＯ２の濃度が設定値を超えるときには、以下のステップＳ６を実施する。なお、ステップＳ５の判断において、上記の第１の基準、第２の基準及び第３の基準のいずれかを用いても良い。

呼気データを測定する（ステップＳ６）。

弁を操作する（ステップＳ７）。具体的には、第２弁Ｖ２及び第３弁Ｖ３を開状態にし、第１弁Ｖ１を閉状態にする。指定時間、待機した後に、弁を操作する（ステップＳ８）。具体的には、第１弁Ｖ１、第２弁Ｖ２及び第３弁Ｖ３を閉状態にする。

その後、参照データを測定する（ステップＳ９）。そして、データ解析を行う（ステップＳ１０）。この動作が、第１動作ＯＰ１に対応し、測定を終了する。なお、ステップＳ１〜Ｓ６の呼気データ測定と、ステップＳ７〜Ｓ９の参照データ測定の順序を入れ替えてもよい。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。
図７は、検出部４０を例示している。
図７に示すように、検出部４０に、検出素子４１と、回路部４２と、が設けられる。既に説明したように、検出素子４１には、試料気体５０が導入されている空間２３ｓを通過した光が入射される。検出素子４１は、その光の強度に応じた検出信号Ｓｄを出力する。回路部４２には、検出信号Ｓｄが入力され、回路部４２において、所定の信号処理が行われる。処理が行われた処理信号Ｓｐが、制御部４５に供給される。この例では、例えば、第２動作ＯＰ２において、測定光３０Ｌの波長（第３波長λ３）がスイープされる。

この例では、回路部４２には、差動増幅回路４２ａ、積分回路４２ｂ、微分回路４２ｃ及び比較回路４２ｄが設けられる。差動増幅回路４２ａの第１入力に、検出素子４１の検出信号Ｓｄが入力される。差動増幅回路４２ａの第２入力には、光源部３０の駆動部３０ｂから出力される参照信号Ｓｒが入力される。

一方、光源部３０において、駆動部３０ｂから発光部３０ａに制御信号Ｓｃが出力される。この制御信号Ｓｃにより、光の波長が変化する。すなわち、光源部３０において、光の波長の変化を制御する制御信号Ｓｃが設けられる。上記の参照信号Ｓｒは、この制御信号Ｓｃと連動している。

差動増幅回路４２ａの出力が積分回路４２ｂに入力され、積分処理される。積分回路４２ｂの出力が微分回路４２ｃに入力され、微分処理される。微分回路４２ｃの出力が比較回路４２ｄに入力され、基準電圧（基準信号）との差が、処理信号Ｓｐとして出力される。処理信号Ｓｐは、制御部４５に入力される。

回路部４２は、検出素子４１から出力された検出信号Ｓｄと参照信号Ｓｒとの差に応じた処理信号Ｓｐを出力する。

制御部４５は、第２動作ＯＰ２を実施する時に、回路部４２から出力される処理信号Ｓｐに基づいて、上記の時間的な変化の検出を実施する。

このように、第２動作ＯＰ２においては、アナログ信号処理を行う回路部４２を用いることができる。発光部３０ａにおいては、温度などの影響により特性が変化することがある。このため、波長が目的とする波長からシフトしてしまうことがある。このとき、本実施形態に係るアナログ回路を用いることで、特性の変化を補償し、高速の処理を行うことができる。複雑なデジタルデータ処理を行うことが省略され、高精度に高速に第２動作ＯＰ２を実施できる。

実施形態において、呼気５０ａに含まれる^１３ＣＯ_２の^１２ＣＯ_２に対する相対的な比の経時変化を測定しても良い。例えば、胃における排出能と、^１３ＣＯ_２の相対的な量と、に関連がある。^１３ＣＯ_２の^１２ＣＯ_２に対する相対的な比の経時変化の測定結果に基づいて、胃の排出能の診断ができる。

図８（ａ）〜図８（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。
図８（ａ）は、模式的斜視図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図８（ｃ）は、光源部３０の動作を例示する模式図である。
この例では、光源部３０として、半導体発光素子３０ａＬが用いられる。半導体発光素子３０ａＬとして、レーザが用いられる。この例では、量子カスケードレーザが用いられる。

図８（ａ）に表したように、半導体発光素子３０ａＬは、基板３５と、積層体３１と、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、誘電体層３２（第１誘電体層）と、絶縁層３３（第２誘電体層）と、を含む。

第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に基板３５が設けられる。基板３５は、第１部分３５ａと、第２部分３５ｂと、第３部分３５ｃと、を含む。これらの部分は、１つの面内に配置される。この面は、第１電極３４ａから第２電極３４ｂに向かう方向に対して交差する（例えば平行）である。第１部分３５ａと第２部分３５ｂとの間に、第３部分３５ｃが配置される。

第３部分３５ｃと第１電極３４ａとの間に積層体３１が設けられる。第１部分３５ａと第１電極３４ａとの間、及び、第２部分３５ｂと第１電極３４ａとの間に、誘電体層３２が設けられる。誘電体層３２と第１電極３４ａとの間に絶縁層３３が設けられる。

積層体３１は、ストライプの形状を有している。積層体３１は、リッジ導波路ＲＧとして機能する。リッジ導波路ＲＧの２つの端面がミラー面となる。積層体３１において放出された光３１Ｌは、端面（光出射面）から出射する。光３１Ｌは、赤外線レーザ光である。光３１Ｌの光軸３１Ｌｘは、リッジ導波路ＲＧの延在方向に沿う。

図８（ｂ）に表したように、積層体３１は、例えば、第１クラッド層３１ａと、第１ガイド層３１ｂと、活性層３１ｃと、第２ガイド層３１ｄと、第２クラッド層３１ｅと、を含む。これらの層は、基板３５から第１電極３４ａに向かう方向に沿って、この順で並ぶ。第１クラッド層３１ａの屈折率及び第２クラッド層３１ｅの屈折率のそれぞれは、第１ガイド層３１ｂの屈折率、活性層３１ｃの屈折率、及び、第２ガイド層３１ｄの屈折率のそれぞれよりも低い。活性層３１ｃで生じた光３１Ｌは、積層体３１内に閉じ込められる。第１ガイド層３１ｂと第１クラッド層３１ａとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。第２ガイド層３１ｄと第２クラッド層３１ｅとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。

積層体３１は、光軸３１Ｌｘに対して垂直な第１側面３１ｓａ及び第２側面３１ｓｂを有する。第１側面３１ｓａと第２側面３１ｓｂとの間の距離３１ｗ（幅）は、例えば５μｍ以上２０μｍ以下である。これにより、例えば、水平横方向モードの制御が容易となり、出力の向上が容易になる。距離３１ｗが過度に長いと、水平横方向モードにおいて高次モードを生じ易くなり、出力を高めにくい。

誘電体層３２の屈折率は、活性層３１ｃの屈折率よりも低い。これにより、誘電体層３２により、光軸３１Ｌｘに沿ってリッジ導波路ＲＧが形成される。

図８（ｃ）に表したように、活性層３１ｃは、例えば、カスケード構造を有する、カスケード構造においては、例えば、第１領域ｒ１と、第２領域ｒ２と、が交互に積層される。単位構造ｒ３は、第１領域ｒ１及び第２領域ｒ２を含む。複数の単位構造ｒ３が設けられる。

例えば、第１領域ｒ１には、第１障壁層ＢＬ１と、第１量子井戸層ＷＬ１と、が設けられる。第２領域ｒ２には、第２障壁層ＢＬ２が設けられる。例えば、別の第１領域ｒ１ａには、第３障壁層ＢＬ３と、第２量子井戸層ＷＬ２と、が設けられる。別の第２領域ｒ２ａに、第４障壁層ＢＬ４が設けられる。

第１領域ｒ１においては、第１量子井戸層ＷＬ１のサブバンド間光学遷移が生じる。これにより、例えば、３μｍ以上１８μｍ以下の波長の光３１Ｌａが放出される。

第２領域ｒ２においては、第１領域ｒ１から注入されたキャリアｃ１（例えば電子）のエネルギーは、緩和可能である。

量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）において、井戸幅ＷＬｔは、例えば、５ｎｍ以下である。井戸幅ＷＬｔがこのように狭いとき、エネルギー準位が離散して、例えば、第１サブバンドＷＬａ（高準位Ｌｕ）及び第２サブバンドＷＬｂ（低準位Ｌｌ）などを生じる。第１障壁層ＢＬ１から注入されたキャリアｃ１は、第１量子井戸層ＷＬ１に効果的に閉じ込められる。

高準位Ｌｕから低準位Ｌｌへキャリアｃ１が遷移するときに、エネルギー差（高準位Ｌｕと低準位Ｌｌとの差）に対応する光３１Ｌａが放出される。すなわち、光学遷移が生じる。

同様に、別の第１領域ｒ１ａの第２量子井戸層ＷＬ２において、光３１Ｌｂが放出される。

実施形態において量子井戸層は、波動関数が重なり合う複数の井戸を含んでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの高準位Ｌｕが、互いに同じでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの低準位Ｌｌが、互いに同じでも良い。

例えば、サブバンド間光学遷移は、伝導帯及び価電子帯のいずれかにおいて生じる。例えば、ｐｎ接合によるホールと電子との再結合は必要ではない。例えば、ホール及び電子のいずれかのキャリアｃ１により光学遷移が生じて、光が放出される。

活性層３１ｃにおいて、例えば、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に印加される電圧により、障壁層（例えば第１障壁層ＢＬ１）を介して、キャリアｃ１（例えば電子）が量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）へ注入される。これにより、サブバンド間光学遷移を生じる。

第２領域ｒ２は、例えば、複数のサブバンドを有する。サブバンドは、例えば、ミニバンドである。サブバンドにおけるエネルギー差は、小さい。サブバンドにおいて、連続エネルギーバンドに近いことが好ましい。この結果、キャリアｃ１（電子）のエネルギーが緩和される。

第２領域ｒ２では、例えば、光（例えば３μｍ以上１８μｍ以下の波長の赤外線）は、実質的に放出されない。第１領域ｒ１の低準位Ｌｌのキャリアｃ１（電子）は、第２障壁層ＢＬ２を通過して、第２領域ｒ２へ注入され、緩和される。キャリアｃ１は、カスケード接続された別の第１領域ｒ１ａへ注入される。この第１領域ｒ１ａにおいて、光学遷移が生じる。

カスケード構造では、複数の単位構造ｒ３のそれぞれにおいて光学遷移が生じる。これにより、活性層３１ｃの全体において、高い光出力を得ることが容易になる。

このように、光源部３０は、半導体発光素子３０ａＬを含む。半導体発光素子３０ａＬは、複数の量子井戸（例えば、第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により、測定光３０Ｌを放射する。

量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）には、例えば、ＩｎＧａＡｓが用いられる。例えば、障壁層（例えば、第１〜第４障壁層ＢＬ１〜ＢＬ４など）には、例えば、ＩｎＡｌＡｓが用いられる。このとき、例えば、基板３５としてＩｎＰを用いると、量子井戸層及び障壁層において、良好な格子整合が得られる。

第１クラッド層３１ａ及び第２クラッド層３１ｅは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下（例えば、約６×１０^１８ｃｍ^−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば、０．５μｍ以上２μｍ以下（例えば約１μｍ）である。

第１ガイド層３１ｂ及び第２ガイド層３１ｄは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば１×１０^１６ｃｍ^−３以上１×１０^１７ｃｍ^−３以下（例えば、約４×１０^１６ｃｍ^−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば２μｍ以上５μｍ以下（例えば、３．５μｍ）である。

距離３１ｗ（積層体３１の幅、すなわち、活性層３１ｃの幅）は、例えば、５μｍ以上２０μｍ以下（例えば、約１４μｍ）である。

リッジ導波路ＲＧの長さは、例えば、１ｍｍ以上５ｍｍ以下（例えば約３ｍｍ）である。半導体発光素子３０ａＬは、例えば、１０Ｖ以下の動作電圧で動作する。消費電流は、炭酸ガスレーザ装置などに比べて低い。これにより、低消費電力の動作が可能である。

実施形態によれば、高精度の呼気診断装置が提供できる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、呼気診断装置に含まれる供給部、セル部、光源部、検出部及び制御部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した呼気診断装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての呼気診断装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (17)

1. 第１物質と、前記第１物質とは異なる第２物質と、を含む試料気体が導入される空間を含むセル部と、
   前記空間に光を入射させる光源部と、
   前記試料気体が導入されている前記空間を通過した前記光の強度を検出する検出部と、
   制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、第１動作時に、
   前記光源部に、前記光の波長を、前記第１物質の光吸収の第１ピークの第１波長と、前記第１波長とは異なり前記第２物質の光吸収の第２ピークの第２波長と、を含む波長帯内で変化させ、
   前記検出部で検出された前記第１波長の前記光の強度の検出結果及び前記第２波長の前記光の強度の検出結果に基づいて、前記試料気体に含まれる前記第２物質の量の、前記試料気体に含まれる前記第１物質の量に対する比を算出し、
   前記制御部は、第２動作時に、
   前記光源部に、前記光の波長を第３波長とさせ、
   前記検出部で検出された前記第３波長の前記光の強度の検出結果に基づいて、前記第１物質及び前記第２物質の少なくともいずれかの量の時間的な変化を検出する、呼気診断装置。
2. 前記第１物質は、^１２Ｃを含む二酸化炭素であり、
   前記第２物質は、^１３Ｃを含む二酸化炭素である請求項１記載の呼気診断装置。
3. 前記第３波長は、前記第１波長と同じである請求項２記載の呼気診断装置。
4. 前記第３波長は、前記第２波長と同じである請求項２記載の呼気診断装置。
5. 前記第１波長及び前記第２波長のそれぞれは、４．３４マイクロメートル以上４．３９マイクロメートル以下である請求項２記載の呼気診断装置。
6. 前記制御部は、前記時間的な変化の前記検出の結果に基づいて、前記第１動作を実施する請求項１記載の呼気診断装置。
7. 前記検出部は、
   前記試料気体が導入されている前記空間を通過した前記光が入射され前記光の前記強度に応じた検出信号を出力する検出素子と、
   前記検出素子から出力された前記検出信号と参照信号との差に応じた処理信号を出力する回路部と、
   を含み、
   前記制御部は、前記第２動作時に、前記回路部から出力される前記処理信号に基づいて、前記時間的な変化の前記検出を実施する請求項１記載の呼気診断装置。
8. 前記検出素子は、半導体センサ素子を含む請求項７記載の呼気診断装置。
9. 前記参照信号は、前記光源部における前記光の波長の変化を制御する制御信号と連動する請求項７記載の呼気診断装置。
10. 前記光源部は、
    複数の量子井戸のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により発光光を放射する半導体発光素子と、
    前記発光光の波長を調整して前記光を生成する波長制御部と、
    を含む請求項１記載の呼気診断装置。
11. 前記波長帯の波数の最大値と、前記波長帯の波数の最小値との差は、０．２ｃｍ^−１以上５ｃｍ^−１以下である請求項１記載の呼気診断装置。
12. 前記セル部の容量は、５００ｃｍ^３以下である請求項１記載の呼気診断装置。
13. 前記制御部は、前記第２動作において、０．３秒以上の期間において、前記第１物質及び前記第２物質の前記少なくともいずれかの前記量の前記時間的な変化を検出する請求項１記載の呼気診断装置。
14. 前記制御部は、前記第２動作において、０．１秒以下の時間分解能で、前記第１物質及び前記第２物質の前記少なくともいずれかの前記量を測定して、前記少なくともいずれかの前記量の前記時間的な変化を検出する請求項１記載の呼気診断装置。
15. 前記制御部は、前記第１動作を１０秒以下の期間に連続して実施する請求項１記載の呼気診断装置。
16. 前記試料気体が導入されるガス導入部と、
    第１配管と、
    第２配管と、
    をさらに備え、
    前記第１配管の一端は前記ガス導入部に接続され、前記第１配管の他端は外界と接続され、
    前記第２配管の一端は、前記第１配管または前記ガス導入部に接続され、前記第２配管の他端は、前記セル部に接続される請求項１記載の呼気診断装置。
17. 前記セル部に外界から空気を導入する第３配管をさらに備え、
    前記第３配管は、前記外界から導入された前記空気における二酸化炭素の量を減少させるフィルタを含む請求項１６記載の呼気診断装置。

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