JPWO2016147451A1 - 呼気分析装置 - Google Patents
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Abstract
呼気分析装置は、アセトンに対する吸収線を含む波長帯域の赤外光を放出する光源と、呼気を含むサンプルガスが導入され、前記赤外光が入射するガスセルと、前記ガスセルから出射された透過光を受光し、アセトン排出量に対応したサンプル信号値を出力する検出部と、前記サンプル信号値に基づいてアセトン排出量に対する脂肪酸化量依存性の近似式をあらかじめ決定し、個々のサンプル信号値に対して前記近似式を用いて個々の脂肪酸化量を算出するデータ処理部と、を有する。アセトン排出量（マイクロリットル／分）をｘとするとき、脂肪酸化量（ミリグラム／分）ｙは、ｙ＝Ａｘ＋Ｂ（但し、ＡおよびＢは定数）で近似される。
Description
本発明の実施形態は、呼気分析装置に関する。
呼気に含まれるガスの組成や濃度を分析すると、健康状態を知ることができる。
たとえば、体内に蓄積された遊離脂肪酸が血中グルコースに変換されるとき、生成されたアセトンが呼気の一部となり体外に排出される。アセトンの濃度または排出量に基づいて、体脂肪燃焼量を推定できれば、ダイエットなど健康管理に役立てることができる。
呼気中の微量アセトン濃度や排出量を測定するには、半導体ガスセンサの検知精度では不十分であり、ガスクロマトグラフィー質量分析装置では装置が大型になりすぎる。
脂肪酸化量を算出可能な小型かつ検知精度が高い呼気分析装置を提供する。
実施形態の呼気分析装置は、アセトンに対する吸収線を含む波長帯域の赤外光を放出する光源と、呼気を含むサンプルガスが導入され、前記赤外光が入射するガスセルと、前記ガスセルから出射された透過光を受光し、アセトン排出量に対応したサンプル信号値を出力する検出部と、前記サンプル信号値に基づいてアセトン排出量に対する脂肪酸化量依存性の近似式をあらかじめ決定し、個々のサンプル信号値に対して前記近似式を用いて個々の脂肪酸化量を算出するデータ処理部と、を有する。前記アセトン排出量（マイクロリットル／分）をｘとするとき、前記脂肪酸化量（ミリグラム／分）ｙは、下記式
ｙ＝Ａｘ＋Ｂ（但し、ＡおよびＢは定数）
で近似される。
ｙ＝Ａｘ＋Ｂ（但し、ＡおよびＢは定数）
で近似される。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態にかかる呼気分析装置の構成図である。
呼気分析装置１０は、光源２０と、ガスセル３０と、検出部４０と、データ処理部５０と、を有する。
図１は、本実施形態にかかる呼気分析装置の構成図である。
呼気分析装置１０は、光源２０と、ガスセル３０と、検出部４０と、データ処理部５０と、を有する。
光源２０は、アセトンに対する吸収線を少なくとも１つ含む波長帯域の赤外光Ｇ１を放出する。光源２０を構成する発光素子は、ＱＣＬ（Quantum Cascade Laser:量子カスケードレーザ）や半導体レーザなどとすることができる。
ガスセル３０は、導入口１２と、排出口１４と、を有する。ガスセル３０内に、呼気などのサンプルガスＳＧまたはリファレンスガス（たとえば大気）ＲＧを導入する。また、ガスセル３０には、赤外光Ｇ１が入射する。ガスセル３０の排出口１４に真空ポンプ９０を設けると、ガスセル３０内でガス置換を迅速にできる。
検出部４０は、ガスセル３０から出射された透過光Ｇ２を受光し、アセトン排出量またはアセトン濃度に対応したサンプル信号値ＳＳを出力する。
データ処理部５０は、アセトン排出量に対する脂肪酸化量依存性の近似式をあらかじめ決定し、測定された個々のアセトン排出量のサンプル信号値ＳＳに対応した脂肪酸化量を算出する。または、データ処理部５０は、アセトン濃度に対する脂肪酸化量依存性の近似式をあらかじめ決定し、測定された個々のアセトン濃度のサンプル信号値ＳＳに対応した脂肪酸化量を算出する。のちに説明する測定系（図４）を用いて得られた近似式をあらかじめデータ処理部５０に入力することにより、オンラインで個々のサンプル信号値ＳＳに対する脂肪酸化量を迅速に算出することができる。
ここで、アセトン濃度の算出方法を説明する。
吸光度Ａは、ランベルト・ベールの法則により表される（式（１））。吸収係数αは、吸収線の強度・圧力・温度によって決定される。
吸光度Ａは、ランベルト・ベールの法則により表される（式（１））。吸収係数αは、吸収線の強度・圧力・温度によって決定される。
ガスセル３０に大気などのリファレンスガスＲＧを導入したとき、リファレンスガスＲＧを透過した光の強度Ｉは入射光強度Ｉ０に等しいものとすることができる。他方、ガスセル３０内をサンプルガスＳＧで置換し、サンプルガスＳＧを透過した透過光強度Ｉを測定することにより、透過率Ｔや吸光度Ａを、式（１）から算出できる。
なお、吸収率は次式で表される。
吸収率＝１−Ｉ／Ｉ０＝１−Ｔ
また、吸収係数αは、式（２）で表すことができる。なお、吸収係数αは、強度・圧力・温度に依存する。
式（１）と式（２）とを用いると、アセトンのモル濃度ｃは、式（３）で表される。
次に、ガス流の制御系について説明する。呼気であるサンプルガスＳＧおよびリファレンスガスＲＧの流量は、流量計６０により測定され、流量計６０を通過する流量を積分すると、総排出量を知ることができる。流量計６０を通過したサンプルガスＳＧおよびリファレンスガスＲＧは、分岐される。ガスセル３０に向かうガス流は流量制限機構７０により流量が一定に制御される。流量制御機構７０は、たとえば、マスフローコントローラ、ニードルバルブなどとすることができる。流量制限機構７０を通過したガスは導入口１２からガスセル３０に導入される。他方のガス流は、ニードルバルブ８０を通過して外部に排出される。なお、流量計６０、流量制限機構７０、真空ポンプ９０、などは、制御部（図示せず）により自動制御することができる。
アセトンの吸収スペクトルは、複数の吸収線を有する。本実施形態では、たとえば、赤外波長を８．１２５μｍ（波数１２３０．８ｃｍ−１に相当）とする。この波長を用いると水による吸収の影響を低減できる。光源２０からの赤外光のＧ１の波長は、少なくとも１つの吸収線に正確にチューニングされることが好ましい。たとえば、ＱＣＬを用いる場合、所定の吸収線を含む波長範囲となるように、電流変調などを行うとよい。この結果、吸収線波長において、透過率Ｔが精度よく測定でき、吸収係数αおよびアセトンのモル濃度を求めることができる。
図２は、総アセトン排出量に対する脂肪酸化量依存性を表すグラフ図である。
縦軸は脂肪酸化量（ｍｇ／分）Ｙ、横軸は全体アセトン排出量（μリットル／分）Ｘ、である。なお、図２は安静時の脂肪酸化量依存性を表すが、活動時であってもよい。脂肪酸化（燃焼）量は、自動代謝測定装置などを用いて測定できる。たとえば、酸素摂取量および二酸化炭素排出量などを測定することにより求められる。
縦軸は脂肪酸化量（ｍｇ／分）Ｙ、横軸は全体アセトン排出量（μリットル／分）Ｘ、である。なお、図２は安静時の脂肪酸化量依存性を表すが、活動時であってもよい。脂肪酸化（燃焼）量は、自動代謝測定装置などを用いて測定できる。たとえば、酸素摂取量および二酸化炭素排出量などを測定することにより求められる。
アセトン排出量ｘは、呼気排出量とアセトン濃度との積として求める。呼気排出量は、流量計６０を用いて測定できる。
測定点の分布から、脂肪酸化量ｙとアセトン排出量ｘとは、相関を有する。この相関を、最小二乗法を用いて一次関数として式（４）で表すものとする。
ｙ＝Ａｘ＋Ｂ 式（４）
但し、ＡおよびＢは定数
図２において、一次関数は、たとえば、ｙ＝６．５２ｘ＋３３．３などとすることができる。この場合、残差の二乗和を標本値の平均からの差の二乗和を１から減算した決定係数Ｒ２は０．６８であった。なお、活動時のアセトン濃度に対する脂肪酸化量依存性も一次関数などで近似可能である。男女差、年齢などを考慮して、係数Ａは６以上７以下の範囲内の適正な値に、係数Ｂはゼロ以上５０以下の範囲内の適正な値に、それぞれ決めることができる。
図３は、呼気アセトン濃度に対する脂肪酸化量依存性を表すグラフ図である。
縦軸は脂肪酸化量（ｍｇ／分）ｙ、横軸は呼気アセトン濃度（ｐｐｍ）ｘ、である。
図３は、安静時の脂肪酸化量依存性を表すが、活動時であってもよい。
縦軸は脂肪酸化量（ｍｇ／分）ｙ、横軸は呼気アセトン濃度（ｐｐｍ）ｘ、である。
図３は、安静時の脂肪酸化量依存性を表すが、活動時であってもよい。
測定点の分布から、脂肪酸化量ｙと呼気アセトン濃度ｘとは、相関を有する。この相関を、最小二乗法を用いて一次関数として式（５）で近似できるものとする。
ｙ＝Ｃｘ＋Ｄ 式（５）
但し、ＣおよびＤは定数
一次関数は、たとえば、ｙ＝５１ｘ＋３２．３などとすることができる。このとき、決定係数Ｒ２は、０．６５であった。男女差、年齢などを考慮して、係数Ｃは４０以上６０以下の範囲内の適正な値に、係数Ｄはゼロ以上５０以下の範囲内の適正な値に、それぞれ決めることができる。
この結果、図１に表した呼気分析装置１０により、対象とする呼気であるサンプルガスＳＧ中のアセトン濃度（ｐｐｍ）およびアセトン排出量を測定することにより、脂肪酸化量を推定することができる。たとえば、脂肪酸化量および体重に、食事、運動などの状況を勘案してダイエット計画などを立て健康増進に役立てることができる。
また、光源２０からの赤外光Ｇ１を光学系１００により集光したのちガスセル３０に導入すると、吸収効率を高めることができる。さらに、ガスセル３０内に、たとえば、反射ミラー３２を設け光路長Ｌを長くすると、吸収係数αの小さいアセトンの吸光度Ａを高めることができるので、より好ましい。
図２、３に表すように、アセトン濃度またはアセトン排出量に対する脂肪酸化量の関係をあらかじめ近似式で表しておくことにより、個々のアセトン濃度またはアセトン排出量などのサンプル信号値ＳＳから脂肪酸化量を算出することが容易となる。
比較例として、アセトンを検出するセンサとして、酸化スズや酸化インジウムなどのうちの少なくとも１つと、タングステンやモリブデンなどのうちの１つ以上の酸化物、白金などからなる元素を含む多孔質被膜などを含む半導体ガスセンサがある。しかしながら、半導体ガスセンサは、選択性と感度が不十分である。他方、ガスクロマト分析装置高度の専門知識が必要で、かつ大型・高価である。このため、一般家庭で使用することは困難である。これに対して、本実施形態では、感度および精度が高く、一般の人が使用可能な小型の装置とすることができる。
図４は、オフラインでアセトン濃度またはアセトン排出量を算出する測定系の構成図である。
測定系は、本実施形態の呼気分析装置１０、開閉バルブ２０６、切換バルブ２０８、ダグラスバック２１０、などを有している。
測定系は、本実施形態の呼気分析装置１０、開閉バルブ２０６、切換バルブ２０８、ダグラスバック２１０、などを有している。
代謝測定装置を用いて酸素摂取量および二酸化炭素排出量などを測定することにより、脂肪酸化量（または体脂肪燃焼量）が算出できる。
ヒトの呼気は、たとえば、１０〜５０リットル／分である。オフラインで測定を行う場合、たとえば、開閉バルブ２０６、切換バルブ２０８を用いて呼気を１０分×３回＝合計３０分間サンプリングバッグ２１０に採取する。こののち、切換バルブ２０８を切り替えて、サンプリングバッグ２１０に蓄積されたサンプルガスＳＧを呼気分析装置１０へ送る。なお、大気ガスなどのリファレンスガスＲＧは、化学物質除去フィルタ２１２により清浄化されたのち、呼気分析装置１０へ送り込まれる。
図５（ａ）はＱＣＬを部分切断した模式斜視図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
ＱＣＬ５は、基板１１０と、基板１１０の上に設けられた積層体１２０と、誘電体層１４０と、を少なくとも有する。図（ａ）では、第１電極１５０と、第２電極１５２と、絶縁膜１４２と、をさらに有している。
ＱＣＬ５は、基板１１０と、基板１１０の上に設けられた積層体１２０と、誘電体層１４０と、を少なくとも有する。図（ａ）では、第１電極１５０と、第２電極１５２と、絶縁膜１４２と、をさらに有している。
積層体１２０は、第１クラッド層１２２と、第１ガイド層１２３と、活性層１２４と、第２ガイド層１２５と、第２クラッド層ｑ２８と、を有している。第１クラッド層１２２の屈折率と、第２クラッド層１２８の屈折率と、は、第１ガイド層１２３、活性層１２４、および第２ガイド層１２５、の屈折率のいずれよりもそれぞれ低くし、活性層１２４の積層方向に赤外レーザ光１６０を適正に閉じ込めるようにする。
また、積層体１２０は、ストライプの形状を有しており、リッジ導波路ＲＧと呼ぶことができる。リッジ導波路ＲＧの２つの端面をミラー面とすると、誘導放出された光は、赤外線レーザ光１６２として、光出射面から放出される。この場合、光軸１６２は、ミラー面を共振面とする光共振器の断面の中心を結ぶ線と定義する。すなわち、光軸１６２は、リッジ導波路ＲＧの延在する方向と一致する。
光軸１６２に対して垂直な断面において、活性層１２４の第１の面１２４ａ、第２の面１２４ｂ、に平行な方向の幅ＷＡが広すぎると、水平横方向に高次モードを生じ、高出力とすることが困難となる。活性層１２４の幅ＷＡは、例えば５〜２０μｍなどとすると、水平横方向モードの制御が容易となる。
誘電体層１４０の屈折率が活性層１２４を構成するいずれの層の屈折率よりも低いものとすると、積層体１２０の側面１２０ａ、１２０ｂを挟むように設けられた誘電体層１４０により、光軸１６２に沿ってリッジ導波路ＲＧを構成することができる。
図６は、ＱＣＬの作用を説明するバンド図である。
活性層１２４は、第１領域１２５と、第２領域１２６と、が交互に積層されたカスケード構造を有する。第１領域１２５は、量子井戸層１７２のサブバンド間光学遷移により、アセトンの吸収線を含む赤外レーザ光６０を放出可能である。また、第２領域１２６は、第１領域１２５から注入された電子１７０のエネルギーを緩和可能である。
活性層１２４は、第１領域１２５と、第２領域１２６と、が交互に積層されたカスケード構造を有する。第１領域１２５は、量子井戸層１７２のサブバンド間光学遷移により、アセトンの吸収線を含む赤外レーザ光６０を放出可能である。また、第２領域１２６は、第１領域１２５から注入された電子１７０のエネルギーを緩和可能である。
量子井戸層１７２において、井戸幅ＷＴを、例えば数ｎｍ以下のように狭くしていくとエネルギー準位が離散して、サブバンド１７２ａ（高準位Ｌｕ）、サブバンド１７２ｂ（低準位Ｌｌ）、などを生じる。注入障壁層１７３から注入された電子１７０は、量子井戸層７２に効果的に閉じ込めることができる。高準位Ｌｕから低準位Ｌｌへキャリアが遷移する場合、エネルギー差（Ｌｕ−Ｌｌ）に対応した光（ｈn）を放出する（光学遷移）。なお、量子井戸層１７２は、波動関数が重なり合う複数の井戸を有し、共通の準位ＬｕおよびＬｌを有していてもよい。
サブバンド間遷移は、伝導帯および価電子帯のいずれにかにおいて生じる。すなわち、ｐｎ接合によるホールと電子との再結合が必要ではなく、いずれかのキャリアのみの光学遷移により発光する。本図の場合、積層体１２０は、第１電極１５０と、第２電極１５２と、の間に印加された電圧により、注入障壁層１７３を介して電子１７０を量子井戸層１７２へ注入し、サブバンド間遷移を生じる。
第２領域１２６は、複数のサブバンド（ミニバンドともいう）を有している。サブバンドにおけるエネルギー差は小さく連続エネルギーバンドに近いことが好ましい。この結果、電子のエネルギーが緩和されるので、第２領域１２６では、アセトンに対する吸収線を含む赤外レーザ光を生じない。第１領域１２５の低準位Ｌｌの電子は、抽出障壁層７４を通過して、第２領域１２６へ注入され、緩和されて、カスケード接続された次段の第１領域１２５へ注入され（電子７０）次の光学遷移を生じる。すなわち、光学遷移により放出される赤外レーザ光は、電流変化などによりアセトンの吸収線を含むスペクトル範囲内でチューニングされる。
本実施形態のＱＣＬは、基板１１０をＩｎＰとし、量子井戸層１７２をＩｎＧａＡｓとし、障壁層をＡｌＩｎＡｓなどとすることができる。この場合、量子井戸層と障壁層との間で歪補償させると活性層全体として結晶性を高めることができる。なお、基板１１０をＧａＡｓ、量子井戸層をＧａＡｓ、障壁層をＩｎＧａＡｓ、などとしてもよい。また、活性層２４の幅ＷＡは１４μｍ、リッジ導波路ＲＧの長さＬは、３ｍｍなどとすることができる。
本実施形態により、脂肪酸化量を算出可能であり、小型かつ検知精度が高い呼気分析装置が提供される。このため、健康増進やダイエットなどに役立てることができる。
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 (18)
- アセトンに対する吸収線を含む波長帯域の赤外光を放出する光源と、
呼気を含むサンプルガスが導入され、前記赤外光が入射するガスセルと、
前記ガスセルから出射された透過光を受光し、アセトン排出量に対応したサンプル信号値を出力する検出部と、
前記サンプル信号値に基づいてアセトン排出量に対する脂肪酸化量依存性の近似式をあらかじめ決定し、個々のサンプル信号値に対して前記近似式を用いて個々の脂肪酸化量を算出するデータ処理部と、
を備え、
前記アセトン排出量（マイクロリットル／分）をｘとするとき、
前記脂肪酸化量（ミリグラム／分）ｙは、下記式
ｙ＝Ａｘ＋Ｂ（但し、ＡおよびＢは定数）
で近似される呼気分析装置。 - Ａは、６以上７以下であり、
Ｂは、０以上５０以下である請求項１記載の呼気分析装置。 - Ａは６．５２であり、
Ｂは、３３．３である請求項２記載の呼気分析装置。 - 前記アセトン排出量は、呼気排出量とアセトン濃度との積である請求項１記載の呼気分析装置。
- 前記呼気排出量を測定する流量計をさらに備えた請求項４記載の呼気分析装置。
- Ａは、６以上７以下であり、
Ｂは、０以上５０以下である請求項４記載の呼気分析装置。 - Ａは６．５２であり、
Ｂは、３３．３である請求項６記載の呼気分析装置。 - 前記光源は、量子カスケードレーザを含む請求項１記載の呼気分析装置。
- 前記量子カスケードレーザは、ＩｎＰ基板と、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層とＡｌＩｎＡｓを含む障壁層とを含み前記ＩｎＰ基板上に設けられた活性層と、を有する請求項８記載の呼気分析装置。
- 前記量子井戸層と前記障壁層とは歪補償された請求項９記載の呼気分析装置。
- 前記量子カスケードレーザは、ＧａＡｓ基板と、ＧａＡｓを含む量子井戸層とＩｎＧａＡｓを含む障壁層とを含み前記ＧａＡｓ基板上に設けられた活性層と、を有する請求項８記載の呼気分析装置。
- アセトンに対する吸収線を含む波長帯域の赤外光を放出する光源と、
呼気を含むサンプルガスが導入され、前記赤外光が入射するガスセルと、
前記ガスセルから出射された透過光を受光し、アセトン濃度に対応したサンプル信号値を出力する検出部と、
前記サンプル信号値に基づいてアセトン濃度に対する脂肪酸化量依存性の近似式をあらかじめ決定し、個々の前記サンプル信号値に対して前記近似式を用いて個々のアセトン濃度を算出するデータ処理部と、
を備え、
前記アセトン濃度（ｐｐｍ）をｘとするとき、
前記脂肪酸化量（ミリグラム／分）ｙは、下記式
ｙ＝Ｃｘ＋Ｄ（但し、ＣおよびＤは定数）
で近似される呼気分析装置。 - Ｃは、４０以上６０以下であり、
Ｄは、０以上５０以下である請求項１２記載の呼気分析装置。 - Ｃは５１であり、
Ｄは３２．３である請求項１３記載の呼気分析装置。 - 前記光源は、量子カスケードレーザを含む請求項１２記載の呼気分析装置。
- 前記量子カスケードレーザは、ＩｎＰ基板と、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層とＡｌＩｎＡｓを含む障壁層とを含み前記ＩｎＰ基板上に設けられた活性層と、を有する請求項１５記載の呼気分析装置。
- 前記量子井戸層と前記障壁層とは歪補償された請求項１６記載の呼気分析装置。
- 前記量子カスケードレーザは、ＧａＡｓ基板と、ＧａＡｓを含む量子井戸層とＩｎＧａＡｓを含む障壁層とを含み前記ＧａＡｓ基板上に設けられた活性層と、を有する請求項１５記載の呼気分析装置。
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