JPWO2018174182A1 - 呼気測定装置 - Google Patents

Abstract

呼気測定装置は、呼気を保持するチャンバと、基準ガスを生成する基準ガス生成器１７と、チャンバ内に保持された呼気および基準ガス中の特定ガスの濃度を測定する測定器１２と、ポンプ１１を含み、チャンバに保持された呼気および基準ガス生成器が生成した基準ガスを選択的に測定器へ移送するガス移送器１８と、ガス移送器の動作を制御する制御回路５０とを備える。基準ガス生成器１７は、給気口および排気口と、給気口および排気口を接続する通気経路とを有するケース１９と、ケース１９内の通気経路において、給気口側および排気口側にそれぞれ第１開口および第２開口を有し、通気経路に配置され、特定ガスを吸着する第１フィルタ２３と、第３開口および第４開口を有し、第４開口がケースの給気口に接続された供給管２９とを含み、供給管の第３開口から第１フィルタの第１開口までの距離は、第１フィルタの第１開口と第２開口との間の距離よりも長い。

Description

本開示は、例えば、喘息検出、肺機能検出などを行う際に使用する呼気測定装置に関する。

被検者の呼気に含まれる特定ガスを検出し、疾病の診断に利用したり、肺機能の評価に利用したりするための呼気測定装置が実用化されている。例えば、特許文献１は呼気中の一酸化窒素（ＮＯ）を検出する診断用ガス分析装置を開示している。特許文献１は、呼気中の一酸化窒素量は、肺炎診断の指標、あるいは、喘息患者用の臨床使用に用いられ得ると記載している。

特表２００５−５３８８１９号公報

呼気に含まれる一酸化窒素等の特定ガスの含有量は微量であるため、呼気測定装置には、高い精度を維持し、安定して特定ガスの量を検出することが求められる。本開示は、高い精度を維持し、安定して特定のガスの量を検出することが可能な呼気測定装置を提供する。

本開示の一態様による呼気測定装置は、呼気を保持するチャンバと、基準ガスを生成する基準ガス生成器と、前記チャンバ内に保持された呼気および前記基準ガス中の特定ガスのそれぞれの濃度を測定する測定器とを備え、前記基準ガス生成器は、給気口および排気口と、前記給気口および前記排気口を接続する通気経路とを有するケースと、前記ケース内の前記通気経路において、前記給気口側および前記排気口側にそれぞれ第１開口および第２開口を有し、前記通気経路に配置され、前記特定ガスを吸着する第１フィルタと、第３開口および第４開口を有し、前記第４開口が前記ケースの前記給気口に接続された供給管とを含み、前記供給管の第３開口から前記第１フィルタの第１開口までの距離は、前記第１フィルタの前記第１開口と前記第２開口との間の距離よりも長い。

本開示の呼気測定装置によれば、高い精度を維持し、安定して特定のガスの量を検出することが可能である。

図１は、本開示の呼気測定装置の実施形態の一例を示す斜視図である。 図２は、呼気測定装置の制御ブロック図の一例を示す。 図３は、呼気測定装置の本体の内部の一例を示す斜視図である。 図４は、ハンドル部の一例を示す断面図である。 図５Ａは、調節器の一例を示す模式図である。 図５Ｂは、ゲージ圧センサを圧力センサとして用いる場合の一例を示す模式図である。 図５Ｃは、差圧センサを圧力センサとして用いる場合の一例を示す模式図である。 図５Ｄは、大気圧センサを圧力センサとして用いる場合の一例を示す模式図である。 図６は、基準ガス生成器の一例を示す断面図である。 図７は、切替器の一例を示す模式図である。 図８Ａは、流量検出器の一例を示す模式図である。 図８Ｂは、流量検出器の一例を示す模式図である。 図９は、呼気測定装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図１０Ａは、基準ガス生成器の特性を調べた結果を示すグラフである。 図１０Ｂは、基準ガス生成器の特性を調べた結果を示すグラフである。

本願発明者らは、呼気に含まれる特定ガスの含有量を高い精度を維持し、安定して測定し得る方法を検討した。測定の精度を高めるには、被検者の吸気中に含まれる特定ガスの量をあらかじめできるだけ低減させることが好ましい。また、吸気と同様の条件で生成した基準ガスを用意し、基準ガスを参照として、呼気中の特定のガスの含有量を測定することが考えられる。このような基準ガスを生成するためには、基準ガス中の特定ガスもできるだけ低減させることが好ましい。

空気中の特定ガスの量を低減するには、特定ガスを吸着する吸着剤が充填されたフィルタを含む基準ガス生成器を用いることが考えられる。本願発明者らがこのような、基準ガス生成器を備えた呼気測定装置を作製し、種々の条件で呼気中の特定ガスの量を測定したところ、基準ガス生成器が早期に劣化してしまう場合があることが分かった。詳細にその原因を調べた結果、呼気測定装置が使用される医療機関などでは、周囲の環境に、特定ガスを吸着する吸着剤を早期に劣化させる他のガスが存在し得ることが分かった。例えば、医療機関等では、医療機器の消毒のため、あるいは、患者の皮膚等の消毒のため、エチルアルコールが用いられる場合がある。以下、本願明細書では、エチルアルコールを単にアルコールと呼ぶ。このアルコールが呼気測定装置の保管環境や使用環境に存在すると、吸着剤がアルコールを吸着してしまい、特定ガスを吸着する能力が低下してしまうことが分かった。特に、呼気測定装置のアルコール消毒後に専用ケース等に保管した場合、専用ケース内でアルコールが気化し、一時的に高い濃度のアルコールが存在してしまうことがある。このような場合、高濃度のアルコールが吸着剤に吸着してしまい、吸着剤の特定ガスを吸着する能力が顕著に低下する恐れがある。

このような課題に鑑み、本願発明者らは新規な呼気測定装置を想到した。本開示の呼気測定装置の概要は以下の通りである。

［項目１］
呼気を保持するチャンバと、
基準ガスを生成する基準ガス生成器と、
前記チャンバ内に保持された呼気および前記基準ガス中の特定ガスのそれぞれの濃度を測定する測定器と、
を備え、
前記基準ガス生成器は、
給気口および排気口と、前記給気口および前記排気口を接続する通気経路とを有するケースと、
前記ケース内の前記通気経路において、前記給気口側および前記排気口側にそれぞれ第１開口および第２開口を有し、前記通気経路に配置され、前記特定ガスを吸着する第１フィルタと、
第３開口および第４開口を有し、前記第４開口が前記ケースの前記給気口に接続された供給管と、
を含み、前記供給管の第３開口から前記第１フィルタの第１開口までの距離は、前記第１フィルタの前記第１開口と前記第２開口との間の距離よりも長い、呼気測定装置。

［項目２］
前記供給管の前記第３開口と前記第４開口との間の距離は、前記第１フィルタの前記第１開口と前記第２開口との間の距離よりも長い、項目１に記載の呼気測定装置。

［項目３］
前記供給管の前記第３開口と前記第４開口との間の距離は５０ｍｍ以上である、項目１に記載の呼気測定装置。

［項目４］
前記供給管の前記第３開口と前記第４開口との間の距離は１００ｍｍ以上である、項目１に記載の呼気測定装置。

［項目５］
前記供給管の流路の断面は、前記第１フィルタの第１開口と前記第２開口とを結ぶ直線に垂直な断面よりも小さい、項目１に記載の呼気測定装置。

［項目６］
前記供給管の内径は５ｍｍ以下である、項目１に記載の呼気測定装置。

［項目７］
前記供給管は、樹脂によって構成されている、項目１に記載の呼気測定装置。

［項目８］
前記樹脂はフッ素樹脂である、項目７に記載の呼気測定装置。

［項目９］
前記基準ガス生成器は前記ケース内の前記給気口と前記第１開口との間に配置された逆止弁を有する、項目１に記載の呼気測定装置。

［項目１０］
ポンプを含み、前記チャンバに保持された前記呼気および前記基準ガス生成器が生成した前記基準ガスを選択的に前記測定器へ移送するガス移送器と、
前記ガス移送器の動作を制御する制御回路と、
を備えた、項目１に記載の呼気測定装置。

［項目１１］
呼気および吸気が通過する開口と、
吸入孔を有し、前記開口と前記吸入孔とを接続する吸気経路と、
前記吸気経路中に位置し、特定ガスを吸着する第２フィルタと、
排出孔を有し、前記開口と前記排出孔とを接続する呼気経路と、
を含む呼気生成ユニットをさらに備え、
前記排出孔から送出される呼気が前記チャンバに導入される、項目１０に記載の呼気測定装置。

［項目１２］
前記チャンバと、前記基準ガス生成器と、前記測定器と、前記ガス移送器と、前記制御回路とを収納する主筐体をさらに備え、
前記呼気生成ユニットは、前記主筐体に取り付けられている、項目１１に記載の呼気測定装置。

［項目１３］
被検者が把持可能な副筐体を含むハンドル部をさらに備え、
前記呼気生成ユニットは前記副筐体に収納されている、項目１１に記載の呼気測定装置。

［項目１４］
前記呼気が導入される導入口を有し、前記チャンバと接続される導入経路と、
前記導入経路を流れる呼気の流量を調節する流量調節器と、
前記導入経路の圧力を測定する圧力センサと、
をさらに備え、
前記制御回路は、前記圧力センサの出力に基づき、前記流量調節器を制御する、項目１０に記載の呼気測定装置。

［項目１５］
前記ガス移送器は、前記チャンバと接続された第１経路および前記ポンプと接続された第２経路を切り替えて、前記ポンプと接続された第３経路に接続する切替器と、
前記第３経路を流れる前記呼気または前記基準ガスの流量を測定する流量検出器と
をさらに含み、
前記制御回路は、前記切替器を制御し、前記流量検出器の出力に基づき前記ポンプを制御する項目１０に記載の呼気測定装置。

以下、図面を参照しながら、本開示の呼気測定装置の一実施形態を説明する。本開示の呼気測定装置は、例えば、呼気中の一酸化窒素の濃度を測定する。本実施形態において、吸気とは、被検者が息を吸うことによって吸い込まれる空気または被検者の吸い込み動作によって移動する空気をいう。また、呼気とは、被検者が息を吐くことによって、被検者から排出された気体をいう。

図１は、呼気測定装置１の外観を示す斜視図である。呼気測定装置１は、例えば、ハンドル部２と、本体４とハンドル部２と本体４とを接続するハンドルチューブ３とを備える。

被検者はハンドル部２を手に持ち、息を吐いた後に、ハンドル部２の開口５を口に当て、この状態で、息を吸い込む。その後、息を吐くことによって、開口５から呼気がハンドル部２に流入し、ハンドルチューブ３を介して本体４に呼気が導入される。本体４は、呼気中の一酸化窒素濃度を測定し、測定結果を本体４の表示装置１４に表示する。

［呼気測定装置１の構造］
図２は、本体４の制御ブロック図である。図２において、太い矢印は、ガスが移動する流路および移動方向を模式的に示している。図３は、本体４の内部を示す斜視図である。本体４の各構成要素は、主筐体４１に収納されている。本体４は、圧力センサ６と、流量調節器７と、チャンバ８と、測定器１２と、入力装置１３と、表示装置１４と、電源スイッチ１５と、メモリ１６と、基準ガス生成器１７と、切替器９、流量検出器１０およびポンプ１１を含むガス移送器１８と、制御回路（制御装置）５０とを備える。

呼気測定装置１は制御回路５０により制御される。制御回路５０は、たとえば呼気測定装置１に設けられたＣＰＵなど、情報処理を行う演算処理回路を備えた電子部品を含む。マイクロコンピュータとも呼ばれる。制御回路５０は、メモリ１６に読み込まれたコンピュータプログラムを実行することにより、コンピュータプログラムの手順にしたがって他の構成要素に命令を送る。その命令を受けた各構成要素は、本明細書において説明されるように動作する。コンピュータプログラムの手順は後述する。

入力装置１３は被検者等、呼気測定装置１を操作する者が制御回路５０に情報を入力するデバイスであり、例えば、表示装置１４に一体的に設けられたタッチスクリーンなどである。電源スイッチ１５は、例えば、主筐体４１に設けられている。

なお、コンピュータプログラムが読み込まれたメモリは、揮発性であってもよいし、不揮発性であってもよい。揮発性メモリ（ＲＡＭ）は、電力を供給しなければ記憶している情報を保持できないＲＡＭである。たとえば、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）は、典型的な揮発性ＲＡＭである。不揮発性ＲＡＭは、電力を供給しなくても情報を保持できるＲＡＭである。たとえば、磁気抵抗ＲＡＭ（ＭＲＡＭ）、抵抗変化型メモリ（ＲｅＲＡＭ）、強誘電体メモリ （ＦｅＲＡＭ）は、不揮発性ＲＡＭの例である。本実施の形態においては、不揮発性ＲＡＭが採用されることが好ましい。揮発性ＲＡＭおよび不揮発性ＲＡＭはいずれも、一時的でない（non-transitory）、コンピュータ読み取り可能な記録媒体の例である。また、ハードディスクのような磁気記録媒体や、光ディスクのような光学的記録媒体も一時的でない、コンピュータ読み取り可能な記録媒体の例である。すなわち本開示にかかるコンピュータプログラムは、コンピュータプログラムを電波信号として伝搬させる、大気などの媒体（一時的な媒体）以外の、一時的でない種々のコンピュータ読み取り可能な媒体に記録され得る。以下各構成要素を詳細に説明する。

（ハンドル部２）
ハンドル部２は、被検者の呼気を生成する呼気生成ユニットである。本実施形態では、呼気生成ユニットは、ハンドル部２として本体４とは別の筐体に収納されている。図４は、ハンドル部２の一例の模式的な断面を示す。ハンドル部２は、副筐体３１と、吸気経路３２と、呼気経路３３と第２フィルタ３４とを含む。副筐体３１は、例えば、被検者が把持可能な外形を有している。具体的には、副筐体３１は、例えば、片方の手のひらで握ることができる略円筒状の外形を有し、円筒状の副筐体３１の一端に、吸入孔３６および排出孔３７が設けられている。また、円筒状の副筐体３１の他端には、被検者の吸気および呼気が通過する開口５が設けられている。吸気経路３２は、開口５と吸入孔３６とを接続しており、吸気経路３２中に第２フィルタ３４が配置されている。呼気経路３３は、開口５と排出孔３７とを接続している。吸気経路３２および呼気経路３３は、例えば、副筐体３１を構成する部材等によって区画されている。

被検者が副筐体３１の開口５の設けられた面を口に当てて息を吸い込むことにより、吸気（空気）が、吸気経路３２に導入される。

吸気経路３２中に挿入された第２フィルタ３４は、開口３４ａ、３４ｃおよびワンウエイバルブ３５Ａ、３５Ｂを有する。被検者がハンドル部２を使用していない状態では、ワンウエイバルブ３５Ａ、３５Ｂは、開口３４ａ、３４ｃをそれぞれ閉塞している。

被検者が息を吸い込むことによって、ワンウエイバルブ３５Ａ、３５Ｂがそれぞれ開口３４ａ、３５ｃを開放放し、吸気経路３２内の吸気は、開口３４ａから第２フィルタ３４内に導入される。第２フィルタ３４は、特定ガスを吸着する吸着剤３４ｂを含み、吸気が吸着剤３４ｂを通過する際に吸気中の特定ガスを吸着する。本実施形態では特定ガスは一酸化窒素であり、吸気中の一酸化窒素が吸着剤３４ｂに吸着する。一酸化窒素が所定の濃度以下で除去された吸気は、ワンウエイバルブ３５が設けられた開口３４ｃから第２フィルタ３４の外へ排出され、開口５から被検者の体内に吸い込まれる。

被検者が息を吸い込んだ後、息を吐くことによって、呼気が開口５から呼気経路３３に導入される。本実施形態では、開口５は、吸気および呼気が通過する。これは、吸気経路３２および呼気経路３３の少なくとも一部が共通していることを意味する。本実施形態では、吸気経路３２のワンウエイバルブ３５と接する領域から開口５までの領域が呼気経路３３と共通経路である。つまり、呼気経路３３に導入された呼気はワンウエイバルブ３５と接する。しかし、呼気経路３３と第２フィルタ３４の内部との圧力差によって、ワンウエイバルブ３５は開口３４ｃを閉塞し、呼気は第２フィルタ３４へは流入しない。呼気経路３３を通過する呼気は、排出孔３７からハンドル部２の外部へ放出される。排出孔３７には、ハンドルチューブ３が接続されており、ハンドルチューブ３によって呼気が本体４へ導入される。

ハンドル部２が本体４と別体で構成されているため、被検者が呼気の測定を行う場合には、ハンドル部２だけを保持して呼気を生成すればよい。このため、被検者は本体４を持たなくてよく、検査時の被検者の負担が軽減される。また、本体４の表示装置１４に表示される情報が見やすいように本体４の位置を比較的自由に決定し得るため、操作性に優れる。また、本実施形態では、呼気を生成するために被検者が吸い込む空気、つまり、吸気から一酸化窒素を除去している。測定すべき一酸化窒素を吸気からできるだけ取り除くことによって測定環境による測定への影響を抑制することが可能となる。

第２フィルタ３４の吸着性能が低下した場合には、ハンドル部２全体を交換するように、ハンドル部２を構成してもよいし、第２フィルタ３４のみを交換するようにハンドル部２を構成することも可能である。

本実施形態では、呼気生成ユニットは、本体４と分離した副筐体３１を含むハンドル部２として構成しているが、例えば、呼気生成ユニットは、本体４と一体的に構成されていたり、本体４に着脱可能に取り付けられ、支持されるマウスピースとして構成されていてもよい。この場合には、被検者は本体４を手で支持し、本体４に取り付けられたマウスピースを口に当てることによって測定を行うことができる。

（チャンバ８）
チャンバ８はハンドル部２によって生成した呼気を一時的に保持する空間を有する。ハンドルチューブ３から本体４へ導入された呼気は、被検者が吐き出す呼気の圧力によって、導入経路５１を介してチャンバ８へ移送される。チャンバ８の空間は特定ガスの濃度を測定するのに十分な容積を有している。チャンバ８、ハンドル部２、ハンドルチューブ３、導入経路５１は測定前には、外部の環境と同じ空気で満たされている。このため、チャンバ８は排出口を有し、被検者が一定時間息を吐き続けることによって、まずこれらの部分を満たしていた空気がチャンバ８の排出口から排出され、その後、呼気でチャンバ８が満たされる。

（流量調節器７）
呼気を生成する際、被検者が息を吐きだす強さ（圧力）及び流量によって、呼気中の特定ガスの濃度が変わり得る。できるだけ一定の条件で測定を行うためには、ある一定範囲の圧力と流量で呼気を生成するように、呼気の流量を調整する構造がチャンバ８につながる導入経路５１に設けられていることが好ましい。このために、本実施形態では、本体４は、流量調節器７と圧力センサ６とを含み、導入経路５１の圧力を圧力センサ６で検出し、検出結果に基づき流量調節器７が導入経路５１を流れる呼気の流量を調節する。

図５Ａは流量調節器７の構造の一例を示す模式図である。流量調節器７は、テーパー部５２ａを有する調整弁５２および駆動装置５３を含む。導入経路５１の途中には調整孔５１ａが設けられており、調整孔５１ａの開口に、調整弁５２のテーパー部５２ａが挿入されており、駆動装置５３が調整弁５２を移動させることによって、テーパー部５２ａが開口の大きさを調節し、導入経路５１を流れる呼気の流量を調節する。駆動装置５３は、モータ、圧電素子等である。流量調節器７は電磁弁であってもよい。

（圧力センサ６）
圧力センサ６は導入経路５１の圧力を検出する。圧力センサには種々のタイプの圧力センサを用いることができる。また、圧力センサ６が検出する導入経路５１の圧力は、本体４に呼気が導入される導入口と流量調節器７との間に位置するポート５１ｂと流量調節器７とチャンバ８との間に位置するポート５１ｃの２か所であってもよいし、本体４に呼気が導入される導入口と流量調節器７との間に位置するポート５１ｂの１か所だけであってもよい。

具体的には、圧力センサ６は、ゲージ圧センサ、差圧センサ、大気圧センサなどであってよい。図５Ｂは、ゲージ圧センサで圧力を測定する場合の構成を模式的に示す。ゲージ圧センサは、圧力センサに接続された空間と大気圧との差分を測定する。この場合、圧力センサ６は、ポート５１ｂを用いて導入経路５１の圧力を測定してもよいし、ポート５１ｂとポート５１ｃを用いて圧力を測定してもよい。

図５Ｃは、差圧センサで圧力を測定する場合の構成を模式的に示す。差圧センサは、圧力センサに接続された２つの空間の圧力差を測定する。この場合、圧力センサ６は、ポート５１ｂおよびポート５１ｃを測定する。

図５Ｄは、大気圧センサで圧力を測定する場合の構成を模式的に示す。大気圧センサは、圧力センサに接続された空間の大気圧を測定する。この場合、圧力センサ６は、ポート５１ｂを用いて導入経路５１の圧力を測定してもよいし、ポート５１ｂとポート５１ｃを用いて圧力を測定してもよい。

（基準ガス生成器１７）
基準ガス生成器１７は、基準ガスを生成する。基準ガスは、被検者が吸い込む吸気と同様の環境の空気であることが好ましい。これにより、測定すべき特定ガス以外の条件をできるだけ揃えることが可能となり、特定ガス以外の条件による測定への影響をできるだけ低減することができる。より具体的には、基準ガス生成器１７は、測定時の呼気測定装置１の周囲の環境から取得され、特定ガスが除去された空気を基準ガスとして生成し得ることが好ましい。

図３に示すように、基準ガス生成器１７は、本体４の内部に配置されている。基準ガス生成器１７の近傍の本体４の側面には、外気孔４１ａが複数個設けられている。この外気孔４１ａを介して外気を測定装置本体４内部に取り込み、測定装置本体４内部の測定環境（例えば、温度および湿度）と外部の環境を一致させている。

図６は、基準ガス生成器１７の断面図である。基準ガス生成器１７は、細長い円筒状のケース１９と、第１フィルタ２３と、供給管２９とを含む。ケース１９は、長手方向の両端に、給気口２０および排気口２１を有している。給気口２０および排気口２１は、ケース１９の内径よりも小径に形成されている。ケース１９は、給気口２０および排気口２１を接続する通気経路２２を有している。給気口２０の外面側の周囲には、外方に突出した円筒状の取付部２８が設けられている。

通気経路２２には、第１フィルタ２３が配置されている。第１フィルタ２３は、本実施形態では、円筒形状を有し、給気口２０側に配置された通気性を有するパッキン２４と、排気口２１側に配置された通気性を有するパッキン２５と、パッキン２４とパッキン２５の間に充填された、特定ガスを吸着する吸着剤２６とを含む。パッキン２４の給気口２０側の面を第１開口２４ａと呼び、パッキン２５の排気口２１側の面を第２開口２５ａと呼ぶ。

また、ケース１９内の給気口２０とパッキン２４の第１開口２４ａとの間には、逆止弁２７が設けられている。逆止弁２７は、一対の薄いゴム板で構成され、パッキン２４側の端部が開閉する。具体的には、給気口２０から第１フィルタ２３へ空気が移動する際、逆止弁２７の一対の薄いゴム板は、間隔が広がるように変形する。これにより、逆止弁２７は開いた状態となる。一方、第１フィルタ２３から給気口２０へ空気が流れようとした場合、一対の薄いゴム板は接するように変形する。これにより、逆止弁２７は閉じた状態となる。

逆止弁２７は図６に示すように、第１開口２４ａ側の圧力と給気口２０側の圧力とが等しい場合、つまり上述した２方向の空気の移動がない場合、一対の薄いゴム板の先端は間隙を隔てて離間している。つまり、空気の移動がない場合、一対の薄いゴム板は接していない。この構造を逆止弁２７が有することによって、高湿の空気を基準ガス生成器１７が吸い込んだ場合にでも、一対の薄いゴム板が湿度で張り付くことが抑制される。

供給管２９は、第３開口２９ａおよび第４開口２９ｂを有し、第４開口２９ｂがケースの取付部２８に挿入されることによって、第４開口２９ｂが給気口２０に接続されている。以下において詳述するように、供給管２９の第３開口２９ａから第１フィルタ２３の第１開口２４ａまでの距離は、第１フィルタの第１開口２４ａと第２開口２５ａとの間の距離よりも長い。また、供給管２９の第３開口２９ａと第４開口２９ｂとの間の距離も第１フィルタの第１開口２４ａと第２開口２５ａとの間の距離よりも長い。

好ましくは、供給管２９の第３開口２９ａと第４開口２９ｂとの間の距離は５０ｍｍ以上であり、より好ましくは、１００ｍｍ以上である。

供給管２９の流路の断面は、第１フィルタの第１開口２４ａと第２開口２５ａとを結ぶ直線、つまり、長手方向に垂直な断面よりも小さい。好ましくは、供給管２９の内径は５ｍｍ以下である。

供給管２９は樹脂によって構成されている。好ましくは、ガス透過性の低い樹脂によって構成されている。例えば、供給管２９は、ソフトウレタン、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂等によって構成されていることが好ましい。

基準ガス生成器１７が供給管２９を備えることによって、呼気測定装置１がアルコールなどを含む環境下で保管された場合でも第１フィルタ２３の劣化が抑制される。このため、高い精度で測定が可能な期間をより長くすることができ、高い精度を維持し、安定して特定のガスの量を検出することが可能な呼気測定装置を実現し得る。

（ガス移送器１８）
ガス移送器１８は、チャンバ８に保持された呼気および基準ガス生成器が生成した基準ガスを選択的に測定器１２へ移送する。本実施形態では、ガス移送器１８は、切替器９と、流量検出器１０と、ポンプ１１とを含む。

図７は切替器９の構造の一例を示す模式図である。切替器９は、チャンバ8に接続された第１経路５４と基準ガス生成器１７に接続された第２経路５５とを切り替えて第３経路５９と接続する。具体的には、切替器９は、第１経路５４と第３経路の間に位置する弁５６と、第２経路５５と第３経路５９との間に位置する弁５７と、駆動装置５８とを含む。制御回路５０の制御に基づき、駆動装置５８が弁５６および弁５７の開閉を行う。これにより、切替器９は、第１経路５４および第２経路５５のいずれかを選択的に第３経路と接続する。ポンプ１１は、選択された経路のガスを吸い込むことによって、呼気または基準ガスが選択的に測定器１２へ移送する。

切替器９は、３ウエイバルブなど、流体の制御に用いられる種々のバルブを用いることができる。また電磁弁を複数用いてもよい。さらに、ガス移送器１８は、チャンバ８および基準ガスと測定器とをそれぞれ接続する２つの並列する経路を備えており、それぞれの経路にバルブ、ポンプおよび流量検出器を設けてもよい。この場合、２つの経路のバルブおよびポンプを選択的に動作させることによって、呼気または基準ガスを選択的に測定器１２へ移送させることができる。ポンプ１１には種々の流体に使用される市販のポンプを使用することができる。

流量検出器１０は、第３経路５９を流れるガスの流量を検出する。流量検出器１０には、流体の流量を検出する種々のセンサを用いることができる。たとえば、熱式、差圧式等のセンサを用いることができる。図８Ａおよび図８Ｂは、流量検出器１０に用いられる熱式流量検出器６０を示す模式図である。熱式流量検出器は、例えば、シリコンからなる基板６５に凹部６５ｒを設け、凹部６５ｒの底部から離間させて配置した上流側温度センサ６２と、ヒータ６３と下流側温度センサ６４とを備える。また、基板６５には周囲温度センサ６１が設けられている。ヒータ６３に電流を流すとヒータの発熱によって、凹部６５ｒの上方には、発熱による温度分布が生じる。図８Ａにおいて実線で示すように、凹部６５ｒを覆う気体が移動していない場合、この温度分布は対称性を有するため、上流側温度センサ６２と、下流側温度センサ６４とが検出する温度は等しい。しかし、周囲の気体が移動している環境では、図８Ｂにおいて、破線で示すように、温度分布は下流側へ偏るため、上流側温度センサ６２と、下流側温度センサ６４とが検出する温度には差が生じる。この温度差は流体の移動速度、つまり流量によって変化する。検出した流量は、周囲温度センサ６１で得た周囲の温度で補正することにより環境温度に依存しない流量を検出することができる。

このほか差圧式の流量検出器としては、例えば、図５Ｂで説明した差圧式の圧力センサを用いても流量を計測することができる。

（測定器１２）
測定器１２は、呼気に含まれる特定ガスを検出する。本実施形態では上述したように特定ガスは一酸化窒素である。なお、ここで「特定」とは、呼気に含まれる種々の元素、分子のうち、一部を選択的に検出し得ることを意味し、特定の１種のみを検出しなくてもよい。例えば、測定器１２は、一酸化窒素を検出し、呼気に大量に含まれる窒素、酸素、水、二酸化炭素に対して実質的に感度がゼロといえる程度に低い感度を有していればよい。例えば、測定器１２は、呼気にはほとんど含まれない一酸化窒素以外の分子を検出可能であったとしても、呼気にその分子が実質的に含まれていなければよい。

測定器１２には、例えば、電気化学式、光学式、半導体式など検出原理を用いたセンサを用いることができる。具体的には、センサ内に拡散した一酸化窒素分子が触媒と酸化還元反応することによって生じる電子をセンサ内の電極で検出し、検出した電流量により一酸化窒素の濃度を測定することができる。

［呼気測定装置１の動作］
次に図２および図９を参照しながら呼気測定装置の動作を説明する。図９は呼気測定装置の動作を説明するフローチャートである。測定は、呼気を生成し、チャンバ８へ呼気を一時的に貯留する工程（Ｓ１〜Ｓ８）とチャンバ８に保持された呼気中の特定ガスの濃度を測定する工程（Ｓ９〜Ｓ１４）とに大別できる。

（呼気の貯留工程）
まず被検者または操作者が、呼気測定装置１の電源スイッチ１５をＯＮにし、入力装置１３から測定を開始するボタンを押下し、測定を開始する。入力装置１３による入力によって測定を開始する代わりに、検出し、被検者が呼気を生成することによる圧力の変化を圧力センサ６が検出し、測定を開始してもよい。以下、制御回路５０が図９に示すフローチャートの手順に従い、呼気測定装置１の各構成要素を制御する。測定開始時にはチャンバ８から呼気がポンプ１１側へ移動しないように、ガス移送器１８の第１経路５４に設けられた弁５６は閉じている。

被検者は、ハンドル部２を手に持ち、開口５を口にあてて、息を吸い込む。これにより、第２フィルタ３４を通過し、一酸化窒素が除去された呼気測定装置１の周囲の空気で、被検者の肺がみたされる（Ｓ１）。次に、被検者は息を吐き、呼気を開口からハンドル部２に吹き込む。呼気は、ハンドルチューブ３を介して本体４の導入経路５１へ導入される（Ｓ２）。

圧力センサ６が導入経路５１の圧力の変化を検出し、制御回路５０は、流量調節器７の調整弁５２を移動させる。これにより呼気は、導入経路５１を介してチャンバ８へ移送される（Ｓ３）。また、ガス移送器１８の第１経路５４に設けられた弁５６が開く。

呼気を吹き込んでいる間、圧力センサ６による呼気の圧力が測定され（Ｓ４）、測定結果に基づき、制御回路５０は導入経路５１の流量調節器７の調整弁５２を移動させ、導入経路５１を移動する呼気の流量が調整される（Ｓ５）。

制御回路は圧力センサ６が圧力の変化を検出した時からの経過時間を計測し、所定の時間が経過するまで圧力の測定（Ｓ４）および呼気の流量の調整（Ｓ５）が行われる（Ｓ６）。

所定の時間経過後、圧力が所定の範囲内であるか、また、流量が所定の範囲内であるかを制御回路５０は判定する（Ｓ７）。圧力および流量が所定の範囲内である場合（Ｓ７）、制御回路５０は流量調節器７の調整弁５２を閉じ、チャンバ８への呼気の貯め込みを終了する（Ｓ８）。制御回路５０は、呼気が正しく取得できたことを示す情報を表示装置１４に表示させる。これにより被検者は息の吹込みを終了し、ハンドル部２を口元から外す。

圧力および流量が所定の範囲外である場合（Ｓ７）、制御回路５０は測定が失敗したことを示す情報を表示装置１４に表示させる（Ｓ１５）。また、再測定を促す情報を表示させる。これにより、被検者または操作者は、再測定を行う（Ｓ１〜Ｓ８））。

これらの過程において、チャンバ８には、まず導入経路５１に測定開始前から存在していた空気が流入する。その後、呼気がチャンバ８に導入されるこれに伴い、チャンバ８に先に流入した空気は、チャンバ８の排出口から排出される。このような動作によって、例えば、呼気の吹込み時間が３０秒程度に設定されている場合、呼気の吹込み時間の最後の数秒の間に得られた呼気がチャンバ８に保持される。

（測定工程）
制御回路５０は、ガス移送器１８のポンプ１１を駆動し、チャンバ８の呼気を測定器１２へ移送する（Ｓ９）。このとき、流量検出器１０を用いて流量を検出し、検出結果に基づき、所定の流量となるように、ポンプ１１を制御することによって、測定器１２に導入する呼気の流量を調整する。制御回路５０は、一定時間、ポンプ１１を駆動する。これにより測定器１２は、ポンプによって移送されて来る呼気中の一酸化窒素の流量を検出する（Ｓ１０）。

所定量の呼気の測定が終了すると、制御回路５０は、ガス移送器１８の切替器９を制御して、基準ガス生成器１７に接続された第２経路５５と、ポンプ１１に接続された第３経路５９とを接続し（Ｓ１１）、呼気と同様に基準ガスが測定器１２に導入されるようにポンプ１１を制御する。ポンプ１１は基準ガス生成器１７を通過することにより生成する基準ガスを吸引し、測定器１２へ移送する（Ｓ１２）。測定器１２は、ポンプによって移送されて来る基準ガス中の一酸化窒素の濃度を検出する（Ｓ１３）。

測定の終了後、制御回路５０は、呼気中の一酸化窒素の濃度の測定結果を、基準ガス中の一酸化窒素の濃度の測定結果を用いて補正し、測定結果として表示装置１４に表示する（Ｓ１４）。これにより呼気測定装置１による呼気の測定が終了する。呼気中における一酸化窒素の濃度は、一般的には、例えば、数ｐｐｂから５０ｐｐｂ程度の濃度である。

本実施形態の呼気測定装置１によれば、基準ガス生成器１７には供給管２９が接続されていることによって、呼気測定装置１が医療機関における様々な環境下で保管されても、基準ガス生成器１７の第１フィルタの吸着能力の低下が抑制される。これを実験結果を参照して説明する。

図１０Ａは、長さが２５ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、１９３ｍｍのポリテトラフルオロエチレン製の内径が２．５ｍｍの管を用意し、基準ガス生成器１７の供給管２９として用いた場合における第１フィルタの性能の低下を調べた結果を示す。

第１フィルタの直径は１２であり、長さは３２ｍｍである。基準ガス生成器１７を４％のアルコールを含む環境下で保管し、定期的に吸着能力を測定した。横軸は、保管日数を示し、縦軸は、保管前の基準ガス生成器１７の一酸化窒素の吸着能力を１００した吸着能力を示す。比較のため、供給管を接続しなかった基準ガス生成器の結果を合わせて示す。図１０Ｂは、供給管２９の内径が４ｍｍおよび２．５ｍｍである場合に同様の手順で行った実験結果を示す。供給管２９の長さはいずれも１９３ｍｍである。

図１０Ａに示されるように、供給管２９がない場合、実験開始直後に吸着能力は９８％以下に低下してしまう。これに対して、供給管の長さが２５ｍｍである場合６日経過するまで９９％以上の吸着能力を維持している。５０ｍｍ、１００ｍｍおよび１９３ｍｍの長さの供給管２９では、それぞれ、１０日、１４日および２２日まで９９％以上の吸着能力を維持している。このように、供給管が長くなるほど高い吸着能力を維持し得る期間は長くなることが分かる。

また、図１０Ｂに示されるように、供給管２９の内径は小さいほど、高い吸着能力を維持し得る期間は長くなることが分かる。内径が４ｍｍおよび２．５ｍｍの場合、それぞれ、７日および２２日まで９９％以上の吸着能力を維持している。

供給管を設けることによって第１フィルタの一酸化窒素の吸着能力が長期に維持し得る理由は、現段階では明らかではない。本願発明者の検討によれば、第１フィルタ２３に到達したアルコール分子は、第１フィルタ２３に吸着されるため、供給管２９をアルコールを含む環境下で保管した場合、第１フィルタ２３の第１開口２３ａ近傍におけるアルコール濃度は常にゼロに近い値であると考えられる。一方、供給管２９の第３開口２９ａは環境雰囲気に接している。このため、供給管２９の第３開口２９ａと第１フィルタ２３の第１開口２３ａとにおけるアルコールの濃度差は常に一定であり、アルコールの第１フィルタ２３への到達は、濃度勾配による拡散に支配されており、単位面積あたりのアルコールの拡散量は時間の経過に関わらず一定であると考えられる。このため、第１フィルタ２３に到達するアルコール分子の数は、供給管２９の長さが長くなるほど、また、断面積（内径）が小さくなるほど少なくなると考えられる。

これらの結果から、本実施形態の呼気測定装置によれば、アルコールなどが含まれる環境下であっても、基準ガス生成器１７の性能が劣化しにくく、基準ガス生成器１７は、長期にわたって、特定ガスが十分に除去された基準ガスを生成することが可能である。よって、呼気中の特定ガスの測定に基準ガスを用い、精度の高い測定を行うことが可能であり、かつ、精度の高い測定を安定して、長期間にわたり行うことが可能である。また、上記実験例ではアルコールを用いているが、アルコール以外の化合物であって、第１フィルタ２３の吸着能力を低下させ得る他の化合物に対しても本開示の呼気測定装置は同様の効果を奏すると考えられる。

［他の形態］
本開示の呼気測定装置には種々の改変が可能である。例えば、基準ガス生成器の供給管２９には折り曲げが可能であり本体４の空間に配置しやすいという観点では樹脂製の供給管が適している。しかし、予め本体４における供給管２９の配置を設計できるのであれば、硬い樹脂チューブ、金属チューブ、または、樹脂成形品を重ね合わせた管などを用いて、供給管を形成してもよい。なお、供給管を鉄や銅などの金属で構成すると、金属製の管体部分から供給管内に透過しようとする気体を遮断できる。また、これら硬い材質を用いた供給管を採用する場合には、基準ガス生成器１７のケース１９と、供給管２９とを一体として形成した構成であってもよい。

また、上記実施形態では、呼気中の一酸化窒素を検出する例を挙げて呼気測定装置を説明したが、呼気測定装置は、一酸化窒素以外のガスの濃度を測定してもよい。例えば、一酸化炭素、アルデヒドなどを測定してもよい。この場合、呼気測定装置は、一酸化炭素、アルデヒドなどの測定に適した測定器１２および、一酸化炭素、アルデヒドなど吸着する吸着剤を備えた第１フィルタおよび第２フィルタを備えている。

本開示は、喘息検出、肺機能検出などを行う際に使用する呼気測定装置に活用され得る。

１ 呼気測定装置
２ ハンドル部
３ ハンドルチューブ
４ 本体
５ 開口
６ 圧力センサ
７ 流量調節器
８ チャンバ
９ 切替器
１０ 流量検出器
１１ ポンプ
１２ 測定器
１３ 入力装置
１４ 表示装置
１５ 電源スイッチ
１６ メモリ
１７ 基準ガス生成器
１８ ガス移送器
１９ ケース
２０ 給気口
２１ 排気口
２２ 通気経路
２３ 第１フィルタ
２３ａ 第１開口
２４ パッキン
２４ａ 第１開口
２５ パッキン
２５ａ 第２開口
２６ 吸着剤
２７ 逆止弁
２８ 取付部
２９ 供給管
２９ａ 第３開口
２９ｂ 第４開口
３１ 副筐体
３２ 吸気経路
３３ 吸気経路
３４ 第２フィルタ
３４ａ 開口
３４ｂ 吸着剤
３４ｃ 開口
３５Ａ、３５Ｂ ワンウエイバルブ
３６ 吸入孔
３７ 排出孔
４１ 主筐体
４１ａ 外気孔
５０ 制御回路
５１ 導入経路
５１ａ 調整孔
５１ｂ ポート
５１ｃ ポート
５２ 調整弁
５２ａ テーパー部
５３ 駆動装置
５４ 第１経路
５５ 第２経路
５６ 弁
５７ 弁
５８ 駆動装置
５９ 第３経路
６０ 熱式流量検出器
６１ 周囲温度センサ
６２ 上流側温度センサ
６３ ヒータ
６４ 下流側温度センサ
６５ 基板
６５ｒ 凹部

Claims (15)

1. 呼気を保持するチャンバと、
   基準ガスを生成する基準ガス生成器と、
   前記チャンバ内に保持された呼気および前記基準ガス中の特定ガスのそれぞれの濃度を測定する測定器と、
   を備え、
   前記基準ガス生成器は、
   給気口および排気口と、前記給気口および前記排気口を接続する通気経路とを有するケースと、
   前記ケース内の前記通気経路において、前記給気口側および前記排気口側にそれぞれ第１開口および第２開口を有し、前記通気経路に配置され、前記特定ガスを吸着する第１フィルタと、
   第３開口および第４開口を有し、前記第４開口が前記ケースの前記給気口に接続された供給管と、
   を含み、前記供給管の第３開口から前記第１フィルタの第１開口までの距離は、前記第１フィルタの前記第１開口と前記第２開口との間の距離よりも長い、呼気測定装置。
2. 前記供給管の前記第３開口と前記第４開口との間の距離は、前記第１フィルタの前記第１開口と前記第２開口との間の距離よりも長い、請求項１に記載の呼気測定装置。
3. 前記供給管の前記第３開口と前記第４開口との間の距離は５０ｍｍ以上である、請求項１に記載の呼気測定装置。
4. 前記供給管の前記第３開口と前記第４開口との間の距離は１００ｍｍ以上である、請求項１に記載の呼気測定装置。
5. 前記供給管の流路の断面は、前記第１フィルタの第１開口と前記第２開口とを結ぶ直線に垂直な断面よりも小さい、請求項１に記載の呼気測定装置。
6. 前記供給管の内径は５ｍｍ以下である、請求項１に記載の呼気測定装置。
7. 前記供給管は、樹脂によって構成されている、請求項１に記載の呼気測定装置。
8. 前記樹脂はフッ素樹脂である、請求項７に記載の呼気測定装置。
9. 前記基準ガス生成器は前記ケース内の前記給気口と前記第１開口との間に配置された逆止弁を有する、請求項１に記載の呼気測定装置。
10. ポンプを含み、前記チャンバに保持された前記呼気および前記基準ガス生成器が生成した前記基準ガスを選択的に前記測定器へ移送するガス移送器と、
    前記ガス移送器の動作を制御する制御回路と、
    を備えた、請求項１に記載の呼気測定装置。
11. 呼気および吸気が通過する開口と、
    吸入孔を有し、前記開口と前記吸入孔とを接続する吸気経路と、
    前記吸気経路中に位置し、特定ガスを吸着する第２フィルタと、
    排出孔を有し、前記開口と前記排出孔とを接続する呼気経路と、
    を含む呼気生成ユニットをさらに備え、
    前記排出孔から送出される呼気が前記チャンバに導入される、請求項１０に記載の呼気測定装置。
12. 前記チャンバと、前記基準ガス生成器と、前記測定器と、前記ガス移送器と、前記制御回路とを収納する主筐体をさらに備え、
    前記呼気生成ユニットは、前記主筐体に取り付けられている、請求項１１に記載の呼気測定装置。
13. 被検者が把持可能な副筐体を含むハンドル部をさらに備え、
    前記呼気生成ユニットは前記副筐体に収納されている、請求項１１に記載の呼気測定装置。
14. 前記呼気が導入される導入口を有し、前記チャンバと接続される導入経路と、
    前記導入経路を流れる呼気の流量を調節する流量調節器と、
    前記導入経路の圧力を測定する圧力センサと、
    をさらに備え、
    前記制御回路は、前記圧力センサの出力に基づき、前記流量調節器を制御する、請求項１０に記載の呼気測定装置。
15. 前記ガス移送器は、前記チャンバと接続された第１経路および前記ポンプと接続された第２経路を切り替えて、前記ポンプと接続された第３経路に接続する切替器と、
    前記第３経路を流れる前記呼気または前記基準ガスの流量を測定する流量検出器と
    をさらに含み、
    前記制御回路は、前記切替器を制御し、前記流量検出器の出力に基づき前記ポンプを制御する請求項１０に記載の呼気測定装置。

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