KR20220126715A - 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기에 관한 것이며, 상기 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기는 호흡을 불어 상기 분석기 내로 호흡을 입력하기 위한 호흡 입력부, 상기 호흡 입력부에 연결된 호흡 전달부, 상기 호흡 전달부에 연결된 호흡 저장부, 호흡을 검출하기 위한, 상기 호흡 저장부에 제공된 센서, 및 가스 및 휘발성 물질 데이터를 분석하도록 상기 센서로부터 호흡 데이터를 수신하기 위한, 상기 센서에 연결된 마이크로제어기를 포함한다.
Description
본원은 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기(portable breath gas and volatile substance analyzer) 관련 공학에 관한 것이다.
호흡은 끊임없이 일어나는 살아있는 유기체의 신체 활동이다. 정상 상태에서, 들숨 및 날숨이 자동으로 일어날 뿐만 아니라 심장 박동도 일어난다. 호흡은 살아있는 유기체 내의 다양한 과정에서 평형을 생성하는 중요한 과정임이 분명하다. 따라서, 살아있는 유기체의 호흡에서 나오는 숨은 내부 불균형 또는 이상의 조기 징후를 나타낼 수 있는 중요한 신호이다. 또한, 인체 내의 내부 이상으로 인해 유발되는 질병은 호흡과 함께 방출되는 호흡기관 내의 가스 분자 또는 휘발성 유기 화합물 (VOC)을 유발할 수 있다는 것이 생체의학 연구에서 오랫동안 인식되어 왔다. 가스 분자 또는 휘발성 유기 화합물은, 질병 진행의 측면에서 인간 건강에 중요한 지표인 신체 내의 세포, 조직, 미생물군집(microbiome) 또는 미생물의 기능적 상태와 상관관계를 갖는다.
상기 이유로, 호흡에 존재하는 가스 및/또는 휘발성 물질을 분석함으로써, 예를 들어 호흡에 존재하는 아세톤 가스의 농도 (이는 당뇨병 환자의 혈당 수준과 유의미하게 상관관계를 가짐)를 측정함으로써 질병 상태를 분석하거나 또는 모니터링하기 위한 방법 및 장치를 고안하려는 시도가 있다. 이러한 상관관계는 추가 채혈 단계 없이 당뇨병 및 혈당 수준을 나타낼 수 있다.
질병의 정체를 나타내는 호흡 가스 또는 휘발성 물질을 분석하기 위한 장치 또는 방법에 관한 연구 및 문헌이 개시되어 있다. 선행기술의 예는 하기와 같다.
미국 특허 공보 번호 US 2013/0259748 A1은 호흡 아세톤 가스 센서 장치를 개시하며, 상기 호흡 아세톤 가스 센서 장치는 호흡 가스 샘플을 수용하기 위한 챔버, 호흡 샘플 중 아세톤 가스의 아세톤 농도에 응답하여 출력 전류를 생성하기 위한, 상기 챔버에 배치된 아세톤 가스 센서, 아세톤 가스 센서를 가열하기 위한 가열 장치, 및 상기 출력 전류에 대응하는 측정된 신호를 제공하기 위한, 상기 아세톤 가스 센서와 결합된 측정 유닛을 포함한다.
미국 특허 공보 번호 US 2008/0077037 A1은, 배출 농도 프로파일 및 호흡 분석 프로파일 의학적 상태 특성의 데이터베이스를 얻기 위한 고감도 감지 성분을 포함하는, 호흡 가스 및/또는 피부 배출을 분석하기 위한 의료 진단 장치를 개시한다.
미국 특허 번호 US 6341520 B1은, 크로마토그래피 칼럼, 데이터 처리기, 호흡 샘플 수용 튜브, 가스 저장소 및 가스 밸브의 협응에 의해 호흡에 함유된 가스의 양을 분석할 수 있는, 호흡 샘플을 분석하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 상기 성분들은 작동 사이클에서 자동으로 함께 작용한다.
상기 선행기술에 따른 호흡 가스를 분석하기 위한 장치는 가스를 분석할 수 있지만, 이들은 낮은 가스 농도 및 높은 상대 습도를 갖는 호흡과 함께 사용하도록 특이적으로 설계되지 않았기 때문에 제한이 남아있다.
본 발명의 목적은, 가스 및 휘발성 물질을 분석함에 있어 고효율로 편리하게 사용 및 휴대할 수 있는 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기를 발명하는 것이다. 이는, 호흡 가스 및 휘발성 물질의 농도가 극도로 낮은, 예를 들어 5 ppm 미만의 농도임에도 불구하고 호흡 가스 및 휘발성 물질의 분석을 가능하게 하도록 분석되는 가스의 역학을 고려하여 발명되었다. 이는 호흡에서의 상대 습도 또한 고려하여 발명되었다.
본 발명에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기는, 호흡을 불어 분석기 내로 호흡을 입력하기 위한 호흡 입력부, 상기 호흡 입력부에 연결된 호흡 전달부, 상기 호흡 전달부에 연결된 호흡 저장부, 호흡을 검출하기 위한, 상기 호흡 저장부에 제공되는 센서, 및 가스 및 휘발성 물질 데이터를 분석하도록 상기 센서로부터 호흡 데이터를 수신하기 위한, 상기 센서에 연결된 마이크로제어기를 포함한다. 상기 호흡 입력부는 사용자가 호흡을 불어넣는 호흡 입력 채널을 갖는 마우스피스(mouthpiece), 상기 마우스피스에 연결된 호흡 유량 조정 튜브(breath flow adjustment tube), 및 상기 호흡 유량 조정 튜브에 연결되며 호흡 출력 채널을 갖는 단부를 포함한다. 호흡 유량 조정 튜브는, 마우스피스 및 호흡 입력부의 단부 사이에 배열된 주(main) 튜브, 및 주 튜브 아래에 배열되어 호흡이 호흡 전달부로 계속 유동하도록 하는 채널로서의 역할을 하는 호흡 전달 튜브를 포함한다. 호흡 전달 튜브는 바람직하게는 마우스피스로부터 수평 방향으로 0.5 내지 75 mm 떨어진 위치에 설치된다.
본 발명에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기는 질병 특성을 나타내는 호흡 가스 및 휘발성 물질을 분석할 수 있으며, 이는, 예를 들어 하기의 기술적 이점을 제공한다:
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상기 분석기를 사용하여, 채혈 또는 소변 채취를 위해 병원에 갈 필요가 없기 때문에 사용자에게 어려움 또는 고통을 유발하지 않으면서 신체 내의 질병 또는 이물질, 예컨대 중독성 물질 또는 알콜을 편리하고 신속하게 분석할 수 있고;
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상기 분석기는 혈액 채취 또는 소변 시험으로부터 얻은 시험 결과에 필적하는 정확한 결과를 제공할 수 있으며, 이는, 분석기로부터 얻은 호흡 가스 분석 결과가 환자가 자신의 상태를 확인하고 지체 없이 스스로를 돌볼 수 있도록 편리하고 신속하게 정보를 제공할 수 있기 때문에, 정기적으로 혈당을 모니터링하는 것이 필요한 당뇨병과 같은 특정 질병의 상태에 특히 유리하고;
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상기 분석기는, 가스 및 휘발성 물질 분자의 낮은 농도 및 높은 습도에도 불구하고 효율적인 분석을 획득하기 위해 분석용 센서에 적합한 양 및 비(ratio)로 가스 및 유기 휘발성 물질 분자를 전달하기 위해 호흡 유동 패턴을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기의 성분을 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기의 호흡 입력부의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기의 호흡 입력부의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기의 호흡 입력부의 배면도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기의 호흡 입력부의 저면도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기의 호흡 유량 조정 튜브의 주 튜브의 단면도이다.
도 7은 0 내지 9 ppm 범위의 농도에서의 호흡 아세톤 가스 분석 결과를 나타내는 그래프이며, 여기서 (7a)는 가스 크로마토그래피 기술을 사용하는 것으로부터 얻은 분석 결과를 나타내고, (7b)는 본 발명에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기를 사용하는 것으로부터 얻은 분석한 결과를 나타낸다.
도 8은, 샘플 군으로부터의 호흡 아세톤 가스를 분석하는 능력에 대한 임상 시험에서 본 발명에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기를 사용하는 것으로부터 얻은 센서로부터의 전기적 신호에서의 변화를 나타내는 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기의 호흡 입력부의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기의 호흡 입력부의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기의 호흡 입력부의 배면도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기의 호흡 입력부의 저면도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기의 호흡 유량 조정 튜브의 주 튜브의 단면도이다.
도 7은 0 내지 9 ppm 범위의 농도에서의 호흡 아세톤 가스 분석 결과를 나타내는 그래프이며, 여기서 (7a)는 가스 크로마토그래피 기술을 사용하는 것으로부터 얻은 분석 결과를 나타내고, (7b)는 본 발명에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기를 사용하는 것으로부터 얻은 분석한 결과를 나타낸다.
도 8은, 샘플 군으로부터의 호흡 아세톤 가스를 분석하는 능력에 대한 임상 시험에서 본 발명에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기를 사용하는 것으로부터 얻은 센서로부터의 전기적 신호에서의 변화를 나타내는 다이어그램이다.
이제, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기가 보다 상세히 기술될 것이다.
본 발명에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기의 예시적인 구현예가 도 1 내지 도 6에 도시되어 있다. 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기는, 호흡을 불어 분석기 내로 호흡을 입력하기 위한 호흡 입력부(1), 호흡 입력부(1)에 연결된 호흡 전달부(2), 호흡 전달부(2)에 연결된 호흡 저장부(3), 호흡을 검출하기 위한, 호흡 저장부(3)에 제공된 센서(4), 및 가스 및 휘발성 물질 데이터를 분석하도록 센서(4)로부터 호흡 데이터를 수신하기 위한, 센서(4)에 연결된 마이크로제어기(5)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 호흡 입력부(1)는, 사용자가 호흡을 불어넣는 호흡 입력 채널(1.1.1)을 갖는 마우스피스(1.1), 상기 마우스피스(1.1)에 연결된 호흡 유량 조정 튜브(1.2), 및 상기 호흡 유량 조정 튜브(1.2)에 연결되며 호흡 출력 채널(1.3.1)을 갖는 단부(1.3)를 포함한다. 호흡 유량 조정 튜브(1.2)는 마우스피스(1.1) 및 호흡 입력부(1)의 단부(1.3) 사이에 배열된 주 튜브(1.2.1), 및 주 튜브(1.2.1) 아래에 배열되어 호흡이 호흡 전달부(2)로 유동하도록 하는 채널로서의 역할을 하는 호흡 전달 튜브(1.2.2)를 포함한다. 호흡 전달 튜브(1.2.2)는 마우스피스(1.1)로부터 수평 방향으로 0.5 내지 75 mm 떨어진 위치에 설치된다.
상기 구현예에 따르면, 적절한 위치에 설치되어 호흡을 호흡 전달부(2)로 전달하는 호흡 전달 튜브(1.2.2)를 갖는 호흡 유량 조정 튜브(1.2)를 포함하는 호흡 입력부(1) 내로의 호흡의 전달은, 가스 및 휘발성 유기 물질 분자가 적절한 양 및 비로 전달되도록 호흡 유동 패턴이 제어되도록 한다. 과량의 호흡은 호흡 출력 채널(1.3.1)을 통해 배출될 수 있다.
바람직한 구현예에서, 주 튜브(1.2.1)는 내부에 호흡 유동 채널(1.2.1.1)을 갖는 튜브이다. 호흡 출력 채널(1.3.1)에 연결된 측 상의 호흡 유동 채널(1.2.1.1)의 단부는 호흡 출력 채널(1.3.1)을 향해 테이퍼된다(taper). 상기 주 튜브(1.2.1)는 15 내지 80 mm 범위, 바람직하게는 30 내지 50 mm 범위의 길이를 갖는다. 호흡 전달 튜브(1.2.2)는 이것이 주 튜브(1.2.1)의 수평 축에 수직이도록 배열된다.
호흡 전달 튜브(1.2.2)는 바람직하게는 0.5 내지 5 mm 범위의 직경을 갖는 중공 원형 튜브이다.
대안적인 구현예에서, 주 튜브(1.2.1) 및 호흡 전달 튜브(1.2.2)는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 테플론(Teflon), 바람직하게는 테플론 또는 폴리에틸렌 및 테플론-코팅된 내부 표면을 갖는 폴리프로필렌으로부터 선택될 수 있는 재료로 제조된다. 상기 재료, 특히 테플론은 가스 유동 및 부식 방지에 적합하다. 이들은 또한 다른 재료보다 오염된 가스를 제거하는 데 보다 효과적이다.
특정 구현예에 따르면, 호흡 입력 채널(1.1.1)은 0.5 내지 15 mm 범위의 직경을 갖는 개구이고, 호흡 출력 채널(1.3.1)은 0.5 내지 5 mm 범위의 직경을 갖는 개구이다.
바람직하게는, 마우스피스(1.1), 호흡 유량 조정 튜브(1.2) 및 단부(1.3)는 분리가능한 방식으로 함께 연결된다.
본 발명에 따르면, 호흡 전달부(2)는 호흡 유량 조정 튜브(1.2)의 호흡 전달 튜브(1.2.2)에 연결된 호흡 수용 튜브(2.1), 호흡 유량을 제어하기 위한, 호흡 수용 튜브(2.1)에 연결된 펌프(2.2), 및 센서(4) 부근의 영역에서 호흡 저장부(3)로 호흡을 전달하기 위한, 펌프(2.2)에 연결된 호흡 출력 튜브(2.3)를 포함한다.
펌프(2.2)는 바람직하게는 호흡 저장부(3)에 가깝게 별도로 설치된다. 펌프(2.2)는 호흡 유량을 0 내지 3 L/min 범위 내에 있도록 제어한다.
상기 구현예에 따르면, 호흡 유동은, 유동이 일정하고 너무 빠르거나 또는 너무 느리지 않은 센서 응답에 적합한 속도로 센서 부근의 영역에 부딪쳐(hit) 센서가 가스 및 휘발성 물질을 보다 효율적으로 검출할 수 있도록 펌프(2.2)에 의해 제어된다.
펌프(2.2)는 간헐적으로 또는 연속적으로 작동될 수 있다. 간헐적 작동 주기는 0.06 내지 1분이 소요되며, 연속 작동 주기는 0.06 내지 10분이 소요된다.
대안적으로, 호흡 수용 튜브(2.1) 및 호흡 출력 튜브(2.3)는 실리콘 또는 테플론으로 제조된다.
본 발명에 따르면, 호흡 저장부(3)는 저장 챔버(3.1), 저장 챔버(3.1) 위에 배열되어 호흡 전달부(2)로부터 수용한 호흡을 입력하기 위한 채널로서의 역할을 하는 유입구(3.2) 및 저장 챔버(3.1) 아래에 배열된 수분 배출구(3.3)를 포함한다.
바람직한 구현예에 따르면, 저장 챔버(3.1)는 0.10 내지 3 리터 범위의 부피를 가지며, 15 내지 35 mm 범위의 직경 및 30 내지 70 mm 범위의 높이를 갖는 원통형 형상을 갖는다.
적합한 높이에서 유입구(3.2)를 저장 챔버(3.1) 위에 배치하고, 센서(4)를 저장 챔버(3.1) 아래에 배치함으로써, 저장 챔버(3.1) 내로 유동하는 호흡은 즉시 센서(4)와 접촉하지 않을 것이며; 대신에, 이는 제어된 속도로 점차적으로 저장 챔버(3.1) 내로 유동하고 확산되어 센서(4)와 적절하게 접촉하여, 센서가 가스 및 휘발성 물질에 보다 효과적으로 응답하도록 할 것이다. 또한, 수분 배출구(3.3)는 또한 저장 챔버(3.1)에 남아있는 가스 또는 수분을 배출하는 것을 돕고, 시스템에서 수증기의 응축을 방지한다.
일 구현예에서, 센서(4)는, 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기를 당뇨병 및 혈당 수준을 나타내는 데 사용하기에 특히 적합하게 하는 아세톤 가스-특이적 금속 산화물 센서일 수 있다. 대안적인 측면에서, 센서(4)는 품질 및 양 둘 모두의 측면에서 가스 또는 휘발성 물질 분석 효율을 향상시키는 데 도움이 되는 온도 센서, 수분 센서 또는 이들의 조합일 수 있다.
본 발명에 따르면, 마이크로제어기(5)는 센서(4)로부터 얻은 호흡 데이터를 처리하기 위한 처리기(5.1) 및 호흡 전달부(2)의 작동을 제어하기 위한 제어기(5.2)를 포함한다. 처리기(5.1)는 센서(4)에 의해 검출된 호흡 데이터 신호로부터 특징을 생성하기 위한 특징 생성부(5.1.1) 및 질병의 정체를 얻기 위해 상기 특징을 처리하기 위한 컴퓨팅부(computing portion; 5.1.2)를 포함한다.
예로서, 특징 생성부(5.1.1)는 센서(4)의 전압 데이터 신호로부터 특징을 생성하고, 컴퓨팅부(5.1.2)는 인공 신경망 및/또는 인공 지능 방법을 사용하여 작동된다.
휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기를 사용하기 위해, 사용자는 호흡 입력부(1)를 통해 호흡을 불어넣는다. 이어서, 호흡은 주 튜브(1.2.1) 내로 유동하며 (도 1에서 점선으로서 도시됨), 여기서 분석되는 호흡의 일부는 계속해서 호흡 전달 튜브(1.2.2)로 유동하고, 과량의 호흡인 또 다른 부분은 호흡 출력 채널(1.3.1)을 통해 배출된다.
분석되는 호흡은 호흡 전달 튜브(1.2.2)로부터 호흡 수용 튜브(2.1) 내로 유동하고, 호흡 출력 튜브(2.3)로 전달된다. 유량은 펌프(2.2)에 의해 제어된다.
호흡 출력 튜브(2.3)로부터의 호흡은 센서(4) 위의 상부 부분에서 저장 챔버(3.1)로 추가로 전달된 다음, 센서(4)에 부딪치며, 이는 표적 가스 또는 휘발성 물질 분자에 특이적으로 응답한다.
호흡 내의 표적 가스 및 휘발성 물질 분자에 특이적인 센서(4)로부터 수신된 신호는 마이크로제어기(5)로 전달되고, 특징을 식별하기 위해 분석된다. 이어서, 표적 가스 또는 휘발성 물질 분자의 양의 분석을 위해 적합한 특징이 선택된다. 이어서, 인공 신경망 및/또는 인공 지능을 사용하여 예측 모델이 생성된다. 상기 예측 모델은 호흡 내의 표적 가스 및 휘발성 물질 분자의 양을 계산하는 데 사용된다.
추가적인 구현예에서, 본 발명에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기는 가스 및 휘발성 물질 분석의 결과를 표시하기 위한 디스플레이(6) (도면에서 미도시됨)를 추가로 포함할 수 있다. 디스플레이(6)는 디스플레이 모니터가 있거나 또는 없는 디스플레이일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기는 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기를 덮기 위해 제공되는 하우징(7) (도면에서 미도시됨)을 추가로 포함하여, 호흡 입력부(1)의 마우스피스(1.1)가 외측으로 연장되도록 할 수 있다. 하우징(7)은, 내부 성분이 환경에 노출되는 것을 방지하고 분석기의 미학을 향상시키기 위해 제공된다.
이제, 표준 기술을 사용한 분석의 결과와 비교한, 본 발명에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기를 사용하는 것으로부터의 시험 결과가 기술될 것이다.
시험은, 호흡 아세톤 가스, 즉 0 내지 9 ppm 범위의 낮은 농도를 갖는 아세톤 가스의 상태를 모사함으로써 시험에서 대표적인 가스로서 아세톤 가스를 사용하였다. 가스에 대한 본 발명에 따른 분석기의 센서(4)의 응답은 표준 기술, 즉 가스 크로마토그래피 기술을 사용하여 측정된 가스에 대한 응답과 비교하여 측정된다.
가스 크로마토그래피 기술을 사용함으로써 얻은 호흡 아세톤 가스 분석 결과는 도 (7a)에 도시된 바와 같이 아세톤 가스의 농도과 비교한 곡선 아래 면적으로서 도시되어 있다. 본 발명에 따른 분석기를 사용하는 것으로부터 얻은 분석 결과는 도 (7b)에 도시된 바와 같이 아세톤 가스의 농도와 비교한 가스에 대한 센서 응답으로서 도시되어 있다.
도 (7a) 및 도 (7b)에 도시된 분석 결과에 따르면, 9 ppm의 농도를 갖는 아세톤 가스에 대한 응답이 가장 높은 수준에 있었으며, 아세톤 가스에 대한 센서 응답은 가스 농도의 감소에 따라 감소하였음이 확인되었다. 요약하면, 가스에 대한 응답은 아세톤 가스의 농도에 따라 직접적으로 달라지며 (이는 가스 크로마토그래피 기술을 사용함으로써 얻은 분석 결과에 해당함), 응답을 일으키는 가장 낮은 아세톤 가스 농도는 0.5 ppm이다. 이는, 본 발명에 따른 분석기가 0.5 ppm만큼 낮은 농도를 갖는 아세톤 가스를 분석하는 데 사용될 수 있음을 나타낸다.
가스 크로마토그래피 기술 및 도 (7a) 및 도 (7b)에서의 그래프로부터의 데이터를 사용하여 얻은 결과와 비교한, 본 발명에 따른 가스 및 휘발성 물질 분석기를 사용하여 수행된 아세톤 가스 분석의 결과는 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 방법 검증 파라미터로 해석된다.
| 방법 검증 파라미터 | 본 발명에 따른 분석기를 사용한 분석 | 가스 크로마토그래피 기술을 사용한 분석 |
| 최대 검출가능성 | 가스 응답 = 2.482 | 곡선 아래 면적 = 3012.7 |
| 아세톤 가스 농도 범위 | 0 내지 9 ppm | 0 내지 9 ppm |
| 선형 방정식 (회귀 방정식, y = mx+c) | y = 0.1693x + 0.9366 | y = 333.91x + 25.301 |
| 경사 | 0.1693 | 333.91 |
| Y절편 | 0.9366 | 25.301 |
| 상관 계수 | 0.9963 | 0.9987 |
| 반복성 정확도, %RSD (n=3) | 0.282 내지 1.664 | 0.355 내지 7.311 |
| 분석 정확도, %RSD | 87.1 내지 101.8 | 71.3 내지 106.2 |
| 일중 분석(Intra-day analysis) 정밀도, %RSD | 1.211 | 7.311 |
| 일간 분석(Inter-day analysis) 정밀도, %RSD | 1.872 | 0.055 |
상기 표 1에 나타낸 파라미터는, 본 발명에 따른 분석기를 사용한 아세톤 가스 분석이, 국제 농업 화학자 협회 표준(Association of Official Agricultural Chemists International standard)에 따라 적합한 분석 방법의 특징을 평가하기 위한 기준에 해당하는 표준 가스 크로마토그래피 기술을 사용한 분석을 사용한 분석의 80 내지 120% 범위의 회수 값을 제공함을 입증한다.
또한, 대조군 샘플 군 및 당뇨병성 케톤산증 (DKA)을 갖는 샘플 군으로 나뉜 76명의 군과 함께 사용된 본 발명에 따른 분석기의 성능을 시험하기 위해 임상 시험을 또한 수행하였다. 본 발명에 따른 분석기를 사용하여, 샘플 군으로부터의 호흡 아세톤 가스의 양을 측정하였다. 이어서, 전기 신호에 대한 응답을 분석하고, 계산하여, 도 8에 도시된 바와 같이 전기 신호의 변화를 반영하는 다이어그램을 생성하였다. 신호 해석의 요약은 하기 표 2에 제공된다.
| 임상 시험으로부터의 파라미터 | 전기 신호 해석 결과 |
| 센서 응답의 최적의 절편 | 1.602 |
| 민감도 | 88.9% |
| 특이도 | 88.5% |
| P 값 | < 0.001 |
| 곡선 아래 면적 (AUC) | 0.931 |
| 95% CI | 0.809; 1.016 |
본 발명에 따른 분석기로부터 얻은 전기적 신호에서의 변화는 호흡 아세톤 가스 수준에 해당함을 알 수 있다. DKA를 갖는 샘플 군의 호흡 아세톤 수준 및 대조군 샘플 군의 호흡 아세톤 수준 사이에 통계적으로 유의미한 차이 (P 값 < 0.001)가 있다. 수신기 작동 특성 (ROC) 곡선은, 본 발명에 따른 분석기의 임상 시험으로부터 민감도 및 특이도 해석을 위한 최적의 절편을 선택하도록 플롯팅(plotting)될 수 있다.
본 발명에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기는 상술한 구현예 및 도면에 제한되지 않는다. 임의의 수정 또는 변경이 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 본 발명에 따른 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기는 센서(4)의 설계 또는 유형을 조정함으로써 당뇨병 이외의 다른 질병의 정체를 검출할 수 있도록 수정될 수 있다. 예를 들어, 혈액 중 중독성 물질 또는 알콜을 나타내기 위해 휘발성 물질 또는 가스의 양을 측정하는 목적으로 수정 또는 변경이 또한 이루어질 수 있다. 이러한 수정 또는 변경은 여전히 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
발명의 최적의 형태
본 발명의 최적의 형태는 본 발명의 상세한 설명에 기술된 바와 같다.
Claims (26)
- 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기(portable breath gas and volatile substance analyzer)로서,
호흡을 불어 상기 분석기 내로 호흡을 입력하기 위한 호흡 입력부(1),
상기 호흡 입력부(1)에 연결된 호흡 전달부(2),
상기 호흡 전달부(2)에 연결된 호흡 저장부(3),
호흡을 검출하기 위한, 상기 호흡 저장부(3)에 제공된 센서(4), 및
가스 및 휘발성 물질 데이터를 분석하도록 상기 센서(4)로부터 호흡 데이터를 수신하기 위한, 상기 센서(4)에 연결된 마이크로제어기(5)를 포함하며,
상기 호흡 입력부(1)는, 사용자가 호흡을 불어넣는 호흡 입력 채널(1.1.1)을 갖는 마우스피스(mouthpiece; 1.1), 상기 마우스피스(1.1)에 연결된 호흡 유량 조정 튜브(breath flow adjustment tube; 1.2), 및 상기 호흡 유량 조정 튜브(1.2)에 연결되며 호흡 출력 채널(1.3.1)을 갖는 단부(1.3)를 포함하고,
상기 호흡 유량 조정 튜브(1.2)는, 상기 마우스피스(1.1) 및 상기 호흡 입력부(1)의 상기 단부(1.3) 사이에 배열된 주(main) 튜브(1.2.1), 및 상기 주 튜브(1.2.1) 아래에 배열되어 호흡이 상기 호흡 전달부(2)로 계속 유동하도록 하는 채널로서의 역할을 하는 호흡 전달 튜브(1.2.2)를 포함하며, 상기 호흡 전달 튜브(1.2.2)는 상기 마우스피스(1.1)로부터 수평 방향으로 0.5 내지 75 mm 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기. - 제1항에 있어서, 상기 주 튜브(1.2.1)는 내측 상에 호흡 유동 채널(1.2.1.1)을 갖는 튜브이며, 상기 호흡 출력 채널(1.3.1)에 연결된 측 상의 상기 호흡 유동 채널(1.2.1.1)의 단부는 상기 호흡 출력 채널(1.3.1)을 향해 테이퍼되는(tapered), 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주 튜브(1.2.1)는 15 내지 80 mm 범위, 바람직하게는 30 내지 50 mm 범위의 길이를 갖는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제1항에 있어서, 상기 호흡 전달 튜브(1.2.2)는 상기 주 튜브(1.2.1)의 수평 축에 수직이도록 배열되는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 호흡 전달 튜브(1.2.2)는 0.5 내지 5 mm 범위의 직경을 갖는 중공 원형 튜브인, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주 튜브(1.2.1) 및 상기 호흡 전달 튜브(1.2.2)는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 테플론(Teflon), 바람직하게는 테플론 또는 폴리에틸렌 및 테플론-코팅된 내부 표면을 갖는 폴리프로필렌으로부터 선택된 재료로 제조된, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제1항에 있어서, 상기 호흡 입력 채널(1.1.1)은 0.5 내지 15 mm 범위의 직경을 갖는 개구이고, 상기 호흡 출력 채널(1.3.1)은 0.5 내지 5 mm 범위의 직경을 갖는 개구인, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제1항에 있어서, 상기 마우스피스(1.1), 상기 호흡 유량 조정 튜브(1.2) 및 상기 단부(1.3)는 분리가능한 방식으로 함께 연결되는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제1항에 있어서, 상기 호흡 전달부(2)는 상기 호흡 유량 조정 튜브(1.2)의 상기 호흡 전달 튜브(1.2.2)에 연결된 호흡 수용 튜브(2.1), 호흡 유량을 제어하기 위한, 상기 호흡 수용 튜브(2.1)에 연결된 펌프(2.2), 및 상기 센서(4) 부근의 영역에서 호흡을 상기 호흡 저장부(3)로 전달하기 위한, 상기 펌프(2.2)에 연결된 호흡 출력 튜브(2.3)를 포함하는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제9항에 있어서, 상기 펌프(2.2)는 상기 호흡 저장부(3)에 가깝게 별도로 설치되는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 펌프(2.2)는 호흡 유량을 0 내지 3 L/min의 범위 내에 있도록 제어하는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펌프(2.2)는 간헐적으로 또는 연속적으로 작동되며, 간헐적 작동 주기는 0.06 내지 1분이고, 연속 작동 주기는 0.06 내지 10분인, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제9항에 있어서, 상기 호흡 수용 튜브(2.1) 및 상기 호흡 출력 튜브(2.3)는 실리콘 또는 테플론인 재료로 제조된, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제1항에 있어서, 상기 호흡 저장부(3)는 저장 챔버(3.1), 상기 저장 챔버(3.1) 위에 배열되어 상기 호흡 전달부(2)로부터 수용한 호흡을 입력하기 위한 채널로서의 역할을 하는 유입구(3.2), 및 상기 저장 챔버(3.1) 아래에 배열된 수분 배출구(3.3)를 포함하는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제14항에 있어서, 상기 저장 챔버(3.1)는 0.10 내지 3 리터 범위의 부피를 갖는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 저장 챔버(3.1)는 15 내지 35 mm 범위의 직경을 갖는 원통 형상을 갖는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저장 챔버(3.1)는 30 내지 70 mm 범위의 높이를 갖는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제1항에 있어서, 상기 센서(4)는 아세톤 가스-특이적 금속 산화물 센서인, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제1항에 있어서, 상기 센서(4)는 온도 센서, 수분 센서 또는 이들의 조합인, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제1항에 있어서, 상기 마이크로제어기(5)는 상기 센서(4)로부터 얻은 호흡 데이터를 처리하기 위한 처리기(5.1) 및 상기 호흡 전달부(2)의 작동을 제어하기 위한 제어기(5.2)를 포함하는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제20항에 있어서, 상기 처리기(5.1)는 상기 센서(4)에 의해 검출된 호흡 데이터 신호로부터 특징을 생성하기 위한 특징 생성부(5.1.1) 및 질병의 정체를 나타내는 값을 얻기 위해 상기 특징을 처리하기 위한 컴퓨팅부(computing portion; 5.1.2)를 포함하는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제21항에 있어서, 상기 특징 생성부(5.1.1)는 상기 센서(4)의 전압 데이터 신호로부터 특징을 생성하는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제21항에 있어서, 상기 컴퓨팅부(5.1.2)는 인공 신경망 및/또는 인공 지능 방법을 사용하여 작동되는, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 및 휘발성 물질 분석의 결과를 표시하기 위한 디스플레이(6)를 추가로 포함하는 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제24항에 있어서, 상기 디스플레이(6)는 모니터가 있거나 또는 없는 디스플레이인, 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 호흡 입력부(1)의 상기 마우스피스(1.1)가 외측으로 연장되도록 상기 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기를 덮기 위한 하우징(7)을 추가로 포함하는 휴대용 호흡 가스 및 휘발성 물질 분석기.
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