KR20240041529A - 호기 수집 장치 및 이를 이용한 호기 수집 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 호기 수집 장치 및 이를 이용한 호기 수집 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 순차적으로 배치되고 연통되는 호기 주입부, 호기 수집부, 및 호기 전송부와, 호기 수집부 전단에 배치되는 카프노미터 및 상기 카프노미터 데이터에 기초하여 밸브들을 조절하는 밸브 제어장치를 포함하는 벨브 제어부를 포함하며; 상기 호기 수집부는, 말단에 밸브가 구비되는 원통형의 초기 호기 배기관, 및 말단에 폐포 호기 배기용 단방향 밸브 및 수집용 밸브가 순차적으로 구비되며 초기 호기 배기관을 둘러싸는 동축 원통형의 폐포 호기 수집관을 포함하며; 상기 호기 전송부는 상기 폐포 호기 수집관과 연통되며, 폐포 호기 수집관과의 연결부에 밸브가 구비된 분광 챔버를 포함하는, 호기 수집 장치와, 이를 이용하여 호기 주입부에 호기를 투입하는 호기 투입 단계를 포함하는, 호기 수집 방법이 제공된다.

Description

호기 수집 장치 및 이를 이용한 호기 수집 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COLLECTING EXHALATION}
본 발명은 호기 수집 장치 및 이를 이용한 호기 수집 방법에 관한 것으로, 흡착제를 사용하여 호기 내에 포함된 특정 질병과 연관된 미량의 휘발성 유기화합물(volatile organic compound, VOC)을 사전 농축한 후에 분광 분석장치에 공급할 수 있는 호기 수집 및 농축 장치 및 이를 이용한 호기 수집 방법에 관한 것이다.
헬리코박터 파이로리, 당뇨, 신장 질환, 암 등을 가진 환자의 호흡에는 정상인과 구별되는 특정 분자가 있다는 연구가 보고되고 있어, 호흡에 포함된 특정 화합물 분석 기술을 이용한 호기 진단 기술이 큰 관심을 얻고 있다. 호기를 이용한 질병 진단 기술은 저렴한 비용과 최소 침습성, 사용 용이성 등의 장점이 있는 유망한 진단 기술이지만, 임상에서 사용을 활성화하기 위해서는 질병과 연관된 미량의 특정 유기화합물을 정밀하게 수집하여 분석할 수 있는 기술 개발이 필요하다.
호기에는 인체의 생화학과정에 의한 다양한 VOC가 포함되어 있으며, 특정 VOC는 인체 내부의 질병과 인과 관계가 있어 바이오마커로 사용하여 진단에 사용할 수 있다. 특히 호기의 마지막 350 ml에 해당하는 폐포 호기 부분은 혈액과 평형상태에 있었으므로, 외인성 물질의 내부 수준이나 내인성 대사 물질의 실제 상태를 나타낼 수 있다. 호기 분석 결과는 흥미롭고 질병 진단 분야에서 매력적인 시나리오를 열었지만, 현재까지 호기 분석은 표준화된 분석 방법의 부족과 분석 결과의 방법에 따른 가변성으로 인해 임상 실무에서 적용이 제한되고 있다.
호기를 수집하여 분석할 수 있는 미량 분석 기술로 질량분석기 기반 기술과 레이저 분광학 기반 기술이 있다. 질량분석기 기반 기술에는 온라인 호기 수집과 결합이 어렵고 수십 분의 분석 시간이 필요한 GC-MS와 온라인 분석이 가능한 PTR-MS, SIFT-MS, GC-IMS, SESI-MS가 있다. 그러나 이러한 질량분석 기반 기술은 소형, 저가, 정밀, 사용 편리성, 실시간 분석의 장점을 가진 호기 진단 기술로 사용하기에는 문제가 있다. 이와 대조적으로 레이저 분광학에 기반한 호기 분석 기술은 온라인, 실시간, 극미량, 정밀, 정량의 호기 단계별 분석이 가능하다. 레이저 분광학 기반 호기 진단 기술에는 TDLAS-MPC, CRDS, ICOS, CEAS 등을 이용한 방법이 있다.
이러한 호기 분석 기술에 사용을 위해서 다양한 호기 수집 장치가 개발되어 사용되어 있으며, 레이저 분광학 기반의 호기 진단에서는 폴리머 백, 또는 완충 튜브를 이용한 호기 샘플러 등이 호기 수집에 사용되고 있고, Tenax 카트리지를 이용한 VOC 사전 농축이 제안되어 있으나, 폴리머 백의 표면 흡착에 의한 VOC의 손실, 긴 길이의 호기 전송 라인을 갖는 호기 수집 장치에 의한 VOC 손실과 오염, Tenax 카트리지의 경우 비활성 기체를 이용한 제습 필요성과 별도의 VOC 탈착 장치를 이용해야 하는 문제가 있다. 예를 들어, 한국공개특허 제10-2010-0084528호는　호기된 입자를　수집　및 분류하는 시스템에 관한 것이나, 상기 특허에서의　수집판은　초기의　호기　입자를　수집하게 되어 폐포 호기, 혼합 호기 등의 호기 가스는　수집하기 어려운 단점이 있다.
즉,　호기의 초기 부분은 들여 마신 공기를 내뿜는 것이기 때문에,　호기의 농도가 낮을 수밖에 없는데, 이에 대한 분류가 가능한 호기 수집과 VOC 사전농축 장치가 제공되는 경우 관련분야에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 한 측면은 호기를 구분하여 수집할 수 있으며, 수집 장치에 의한 손실과 오염을 막고, 오염된 물질은 쉽게 세척이 가능한 호기 수집 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 호기 수집 장치를 이용하여 호기를 수집하고 특정 질병과 연관된 미량의 VOC를 측정하기 위해서 호기 내 VOC를 사전 농축할 수 있는 호기 수집 방법을 제공하는 것이다.
이에 본 발명의 일 견지에 의하면, 순차적으로 배치되고 연통되는 호기 주입부, 호기 수집부, 및 호기 전송부와, 호기 수집부 전단에 배치되는 카프노미터 및 상기 카프노미터 데이터에 기초하여 밸브들을 조절하는 밸브 제어장치를 포함하는 벨브 제어부를 포함하며;
상기 호기 수집부는, 말단에 밸브가 구비되는 원통형의 초기 호기 배기관, 및
말단에 폐포 호기 배기용 단방향 밸브 및 수집용 밸브가 순차적으로 구비되며 초기 호기 배기관을 둘러싸는 동축 원통형의 폐포 호기 수집관을 포함하며;
상기 호기 전송부는 상기 폐포 호기 수집관과 연통되며, 폐포 호기 수집관과의 연결부에 밸브가 구비된 분광 챔버를 포함하는, 호기 수집 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기 본 발명의 호기 수집 장치를 이용하여 호기 주입부에 호기를 투입하는 호기 투입 단계를 포함하는, 호기 수집 방법이 제공된다.
본 발명의 호기 수집 장치는 동축형 호기 수집 장치의 형태로 카프노미터를 이용하여, 폐포 호기, 호기말 호기, 혼합 호기 등의 분리 수집이 가능하다. 한편, VOC 농축이 가능하여 특정 질병의 진단에 필요한 미량 VOC의 사전 농축을 효과적으로 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 예시적인 호기 수집 장치를 도시한 것으로, 동축형 구조의 폐포 호기 수집관, 초기 호기 배기관, 가열 히터를 구비한 단발식 호기 수집 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 예시적인 연속 호기 수집 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 VOC의 흡착 및 탈착을 위한 다양한 원통형 흡착제를 포함하여 VOC 농축이 가능한 본 발명에 의한 예시적인 호기 수집 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 이산화탄소에 기반한 전형적 호흡의 카프노그래피를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면 분광학에 기반을 둔 호기를 이용한 질병 진단에 필요한 호기 수집에 적용될 수 있는 호기 수집 장치 및 방법이 제공되며, 본 발명의 장치 및 방법을 이용하는 경우 호기 중 원하는 부분, 예를 들어 폐포 호기, 호기말 호기 등으로 구분하여 수집할 수 있고, 따라서 호기 내에 포함된 특정 질병과 연관된 미량의 휘발성 유기화합물(volatile organic compound, VOC) 등의 목적 물질을 효과적으로 수집하여 분광 분석장치에 공급할 수 있다.
본 발명의 호기 수집 장치는 순차적으로 배치되고 연통되는 호기 주입부, 호기 수집부, 및 호기 전송부와, 호기 수집부 전단에 배치되는 카프노미터 및 상기 카프노미터 데이터에 기초하여 밸브들을 조절하는 밸브 제어장치를 포함하는 벨브 제어부를 포함하며; 상기 호기 수집부는, 말단에 밸브가 구비되는 원통형의 초기 호기 배기관, 및 말단에 폐포 호기 배기용 단방향 밸브 및 수집용 밸브가 순차적으로 구비되며 초기 호기 배기관을 둘러싸는 동축 원통형의 폐포 호기 수집관을 포함하며; 상기 호기 전송부는 상기 폐포 호기 수집관과 연통되며, 폐포 호기 수집관과의 연결부에 밸브가 구비된 분광 챔버를 포함하는 것이다.
본 발명의 예시적인 호기 수집 장치를 도 1에 도시하였다. 예시적인 호기 수집 장치는 호기 주입부(30), 동축형으로 구성된 호기 수집부(31), 및 호기 전송부(32), 카프노미터 센서 신호를 이용하는 밸브 제어부(33)를 주요 구성요소로 하고 있다.
도 1의 호기 수집 장치는 동축형 구조의 폐포 호기 수집관(7), 초기 호기 배기관(8), 가열 히터(10)를 구비한 단발식 호기 수집 장치이다.
상기 호기 주입부(30)는 마우스피스(1), 호기 주입관(2), 공기 흡입용 단방향 밸브(3), 호기 주입용 단방향 밸브(4)를 포함할 수 있으며, 단방향 밸브(3)에 표시된 화살표와 같이 외부 공기를 호흡으로 유입한 후 단방향 밸브(4)를 통해 날숨을 카프노미터(5)를 통해 호기 수집부(31)에 주입할 수 있다.
호기 수집부(31)는 원통형의 폐포 호기 수집관(7), 초기 호기 배기관(8), 배기관 결합부(9), 및 가열 히터(10)가 동축형으로 배치될 수 있다. 이와 같이 본 발명의 상기 호기 수집부는 가열 히터를 추가로 구비하는 것일 수 있다. 폐포 호기 배기용 단방향 밸브 1(11), 수집용 밸브 1(12), 수집용 밸브 2(13), 그리고 제습용 밸브(14)가 수집관과 배기관의 끝단에 설치되어 있어서, 카프노미터(5) 센서에 의해서 측정된 이산화탄소 농도 기반의 제어 장치(6) 신호를 이용하면 호기에서 원하는 부분의 수집이 가능하다.
호기 전송부(32)는 호기 전송과정에서 VOC 등 분석 대상이 되는 성분의 손실을 최소화하도록 분광 챔버(16)가 호기 저장 역할을 직접 하도록 배치될 수 있다.
분광 챔버 내부의 오염 물질은 밸브를 구비한 분광 챔버 배기관(15)과 배기 펌프(17)를 통해 배기되며, 펌프에 연결된 미세 압력 조절용 밸브(26)는 챔버 내부 압력을 적정 압력으로 조절하는 데 사용된다.
밸브 제어부(33)는 이산화탄소 농도를 측정하고 호흡 주기를 계측할 수 있는 카프노미터(5)와 밸브 제어장치(6)로 구성되어 있다.
한편, 본 발명의 호기 수집 장치에서 상기 폐포 호기 수집관은 분석을 위해 수집을 목적으로 하는 성분을 흡착할 수 있는 흡착제를 폐포 호기 수집관 내에 포함하 수 있으며, 예를 들어 폐포 호기 수집관은 유기화합물(volatile organic compound, VOC) 흡착용 흡착제를 1종 이상 포함하는 것일 수 있다. 상기 흡착제는 Tenax, Carbograph, Carboxen, Carbotrap, Carbosieve 및 glassbeads로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 상기 흡착제는 Tenax® GR, Tenax® TA, CarbographTM 5TD, CarboxenTM, Carbotrap®, Carbosieve, glassbeads 등, 또는 예를 들어 탄소계 흡착제인 Carbopack B, Carbotrap C, Carbosieve-SIII, Carboxene 1000 및 Activated Charcoal 등과 고분자 수지계 흡착제인 Tenax TA, Porapak Q, Chromosorb 102, Chromosorb 106 등을 포함하여 필요에 따라 제한없이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서 상기 분광 챔버는 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 상기 폐포 호기 수집관의 폐포 호기 배기용 단방향 밸브와 수집용 밸브 사이에 분지된 1개 이상의 분지관과 연통되는 것일 수 있으며, 예를 들어 상기 분지관은 분광 챔버에 투입되는 호기의 유량 조절용 밸브가 구비된 제1관, 압력 조절용 밸브가 구비된 제2관 및 챔버로부터 배출되는 배출 호기 조절용 조절 밸브가 구비된 분광 챔버 배기관과 연통된 것일 수 있다.
나아가 본 발명에 의하면 호기 수집 방법이 제공되며, 보다 상세하게는 상술한 본 발명의 호기 수집 장치를 이용하여 호기 주입부에 호기를 투입하는 호기 투입 단계를 포함하는 호기 수집 방법이 제공된다.
한편, 상기 호기 투입 단계 수행 전에 호기 수집부의 온도를 30 내지 250℃로 상승시켜 습기 및 오염 물질을 배출시키는 세척 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 호기 수집 장치를 이용한 예시적인 호기 수집과정은 다음과 같다.
가열 히터(10)를 이용하여 수집부(31) 내부 온도를 250℃까지 상승시켜 수집부 내부 모든 부분품 표면의 습기와 오염 물질을 밸브(12, 13)는 잠긴 상태에서 제습용 밸브(14)와 펌프(17)를 통해 배기하는 세척 과정을 진행한다.
이후에 제습용 밸브(14)는 잠그고 수집용 밸브 1(12)는 열린 상태로 호기를 수집부(31)에 불어넣으면, VOC 등이 포함된 폐포 호기와 무관한 기관지, 입, 코 등에서 배출된 초기 호기 부분은 화살표(21) 방향으로 흘러 밸브(12)를 통해 밖으로 배출된다. 이때 화살표(20) 방향의 호기 흐름은 닫힌 상태인 밸브(13, 14)에 의해서 차단된다. 카프노미터(5)에 의해서 호기 중 이산화탄소 농도 및/또는 분압이 일정 수준, 예를 들어 30mm Hg에 도달하여 폐포 호기로 판단되면, 밸브 제어장치(6)가 가동되어 수집용 밸브 1(12)는 잠그고 수집용 밸브 2(13)는 열린 상태로 전환되며, 폐포 호기는 분광 챔버(16)로 흘러가서 저장된다. 카프노미터 신호에 의해서 폐포 호흡이 완료되면, 제어장치에 의해서 밸브(13)는 닫힌 상태로 밸브(12)는 열린 상태로 전환된다.
한편, 수집한 호기량이 불충분하면 상기 수집과정을 여러 차례 반복하여 분석에 필요한 폐포 호기량을 얻을 수 있으며, 이 경우 흡착제를 포함하는 호기 수집 장치를 사용하는 것이 바람직하다.
혼합 호기 수집의 경우 제어장치에서 밸브(12)는 닫힌 상태로 밸브(13)는 열린 상태로 설정하며, 호기말 호흡은 호기 수집의 시작점을 카프노미터 폐포 호흡 시작점으로부터 폐포 호흡 끝점으로 지연하도록 설정하여 얻는다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 카프노미터 데이터에 기초하여 밸브 제어장치를 통해 밸브의 개폐를 조절하여 폐포 호기, 호기말 호기 또는 혼합 호기를 목적에 따라 구분하여 수집할 수 있다.
도 4는 이산화탄소에 기반한 전형적 호흡 신호 패턴을 묘사한다. 도 4는 수집한 호흡에서 측정된 이산화탄소(CO2) 신호의 관점에서 시간의 함수로, 수평축은 시간 및 수직축은 CO2로 하여 전형적 호흡 패턴을 그래프로 나타낸 것이다. 호기상(expiratory phase) E 중에, CO2가 배출되며, 그 결과 호기 중 CO2 농도가 증가한다. 흡기상(inspiratory phase) I 중 생체 내로 주변 공기가 채워지면서 그 결과 측정되는 CO2는 영(zero)으로 떨어진다. 사람의 호흡 패턴, 연령, 어떻게 숨쉬는지 및 기저의 급성 또는 만성 질환이 있는지에 따라, 호흡 CO2 곡선은 이에 제한되지 않고 여러가지 변형된 형태가 존재할 수 있다. 다만, 기본적으로 곡선은 호기상에 있어 다음의 하위부분들(sub-portions)을 포함할 수 있다: (1) 호기초(beginning) 부분 또는 전-호기말(pre-end-tidal: PET) 구간은 CO2이 결여된 근위 기도로부터의 가스일 수 있으므로, 낮은 CO2을 포함하며, 그 중 A-B 구간은 CO2가 거의 없는 해부학적 사강 내의 가스가 배출되는 호기의 초기 단계이고, B-C 구간은 폐포로부터 배출되는 가스와 해부학적 사강 내의 가스가 혼합되어 배출되는 단계이며, (2) C-D 구간이 폐포 내의 가스가 배출되는 단계이고, 순수 폐포 호기 수집이 가능한 구간에 해당한다. 호기말(end-tidal: D) 부분은 호기에 폐포에서 나오는 CO2인 CO2 농도가 최대에 이르는 지점이며, 호기말 CO2 분압(농도)을 나타낸다. 최대 CO2 농도는 일반적으로 4 내지 6%이고, 흡기 기간에는 영에 가깝거나 그와 동등하다.
호기 중의 CO2 농도, 즉 도 4와 같은 카프노그래피는 호흡 기간의 지속 시간, 예컨대 전-호기말 시간(pre-end-tidal time: TPET), 호기 시간(expiratory time: TE), 호기말 시간(end-tidal time: TET), 흡기 시간(inspiratory time: TI), 또는 호흡 기간 시간(breath period time: TBP)을 결정하는데 사용될 수 있다.
호기 중의 CO2 농도-시간 그래프, 즉 도 4와 같은 카프노그래피는 폐포호흡 시작 시점, 호기말 시점, 폐포 호흡 시간 간격, 또는 호흡 반복률 파악을 가능하게 한다.
본 발명에 있어서 수집을 목적으로 하는 기체의 범위는 수집 대상 VOC와 호기 진단 목적에 따라 선택적 부분적인 호기 수집을 위해서 카프노그래피의 CO2 농도 및/또는 분압에 따라 기간의 시작 또는 종료를 결정할 수 있다.
상술한 도 1과 같은 실시예 1의 수집 장치를 사용하면 호기 주입 관의 길이가 최소화되고, 배기관과 수집관, 그리고 가열 히터가 동축 원통 구조여서 수집부(31) 내부표면의 고온 세척이 가능해지며, 분광 챔버의 호기 저장에 이용으로 오염과 호흡 내 VOC 손실 최소화를 기할 수 있다. 또한 카프노미터에 기반한 다양한 밸브 제어 방법을 통해 고집약 형태의 호기 수집 장치에서 오염으로부터 자유로운 다양한 형태의 부분 호기 수집이 가능해진다.
한편, 본 발명의 호기 수집 방법은 호기 투입 단계에 후속적으로 호기 수집부의 온도를 30 내지 250℃로 상승시켜 호기 수집부 내에 존재하는 호기 내 유기화합물을 탈착키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
나아가, 도 2는 본 발명에 의한 연속 호기 수집 및 분광학 기반의 실시간 호기 분석을 위한 호기 수집 장치의 일 예의 개략도이다.
실시간 호기 수집은 상기한 단발식 호기 수집과 같이 세척 후에, 밸브(14)를 잠그고 밸브(12)는 열고 호기를 수집부에 불어넣으면, 초기 호기 부분은 밸브(12)를 통해 밖으로 배출된다. 카프노미터에 의해서 호기 중 이산화탄소 농도 및/또는 분압이 일정 수준에 도달하여 폐포 호기로 판단되면, 밸브 제어장치(6)가 가동되어 밸브(12)는 잠그고 밸브(13)는 열린 상태로 전환되며, 폐포 호기는 밸브(13)를 통해 밖으로 배출된다.
이때 연속 호기 측정에 필요한 일부의 폐포 호기는 압력제어용 릴리프 밸브(27)에 의해서 양압에서 호기 수집관(7) 내부에 남게 되고, 유량조절 밸브(25)를 조절하면 분광 챔버(16)로 흘러가서 실시간 측정에 사용된다. 카프노미터 신호에 의해서 폐포 호흡 시간이 완료되면, 제어장치(6)에 의해서 밸브(12)는 열린 상태로 전환되며, 상기 수집과 측정 과정은 필요에 따라 연속적으로 진행될 수 있다.
한편, 도 3은 폐포 호기 내 VOC 흡착과 탈착을 위한 원통형 흡착제를 갖는 미량 VOC 농축 및 공급을 위한 장치의 실시예에 해당한다.
특정 질병과 연관된 미량의 VOC를 측정하기 위해서는 흡착제를 이용한 VOC의 농축과 탈착이 필요할 수 있다. 본 발명의 호기 수집 장치에서는 폐포 호기 수집관(7)의 내부에 수집을 목적으로 하는 특정 VOC 성분의 흡착에 최적화된 흡착제(22)를 동축형으로 채우거나 부분적을 채워 호기 VOC 사전 농축에 사용할 수 있다. 흡착제에 의해서 흡착된 VOC는 수백도 이상의 고온까지 사용이 가능한 가열 히터(10)에 의해서 고온에서 흡착제로부터 탈착될 수 있으며, 복잡한 경로에 의한 VOC의 손실 없이 분광 챔버(16)에 직접 수집된 후에 분석에 사용될 수 있다.
도 3과 같이 배치된 흡착제는 얇은 두께와 넓은 표면적을 갖는 원통형 구조이므로, 제습 및 VOC 탈착에 필요한 고온 가열이 효과적으로 적용될 수 있으며, 이때 사용되는 흡착제(22)는 수집이 필요한 VOC 종류에 따라서 다종의 흡착제(23, 24)를 추가하여 사용할 수 있다. 도 3에서 흡착제(22, 23, 24)는 링 형태 기구에 각각 봉해진 뒤 수집관(7) 내부에 설치하여 사용할 수 있다.
도 3의 장치에서 수집된 호기 VOC 등의 물질은 밸브(13)를 통해 테들러(Tedlar) 백등의 저장 장치에 저장한 후 이송하여 다양한 호기 분석장치를 사용한 분석에 사용할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
본 발명의 예시적인 동축형 호기 수집 장치를 도 1과 같이 구성하였다. 실시예 1의 호기 수집 장치는 호기 주입부(30), 동축형으로 구성된 호기 수집 및 배기부(31), 및 호기 전송부(32), 카프노미터 센서 신호를 이용하는 밸브 제어부(33)를 주요 구성요소로 하고 있다.
보다 상세하게, 도 1의 호기 수집 장치는 동축형 구조의 폐포 호기 수집관(7), 초기 호기 배기관(8), 가열 히터(10)를 구비한 단발식 호기 수집 장치이다. 상기 호기 주입부(30)는 마우스피스(1), 호기 주입관(2), 공기 흡입용 단방향 밸브(3), 호기 주입용 단방향 밸브(4)로 구성되어 있으며, 단방향 밸브(3)에 표시된 화살표와 같이 외부 공기를 호흡으로 유입한 후 단방향 밸브(4)를 통해 날숨을 카프노미터(5)를 통해 호기 수집부(31)에 주입한다.
호기 수집부(31)는 원통형의 폐포 호기 수집관(7), 초기 호기 배기관(8), 배기관 결합부(9), 및 가열 히터(10)가 동축형으로 배치된다. 폐포 호기 배기용 단방향 밸브 1(11), 수집용 밸브 1(12), 수집용 밸브 2(13), 그리고 제습용 밸브(14)가 수집관과 배기관의 끝단에 설치되어 있어, 카프노미터(5) 센서에 의해서 측정된 이산화탄소 농도 기반의 제어 장치(6) 신호를 이용하면 호기에서 원하는 부분의 수집이 가능하다.
호기 전송부(32)는 호기 전송과정에서 VOC 등 분석 대상이 되는 성분의 손실을 최소화하도록 분광 챔버(16)가 호기 저장 역할을 직접 하도록 배치되었다. 분광 챔버 내부의 오염 물질은 밸브를 구비한 분광 챔버 배기관(15)과 배기 펌프(17)를 통해 배기되며, 펌프에 연결된 미세 압력 조절용 밸브(26)는 챔버 내부 압력을 적정 압력으로 조절하는 데 사용된다.
밸브 제어부(33)는 이산화탄소 농도를 측정하고 호흡 주기를 계측할 수 있는 카프노미터(5)와 밸브 제어장치(6)로 구성되어 있다.
실시예 1의 호기 수집 장치를 이용한 단발식 호기 수집과정은 다음과 같다.
가열 히터(10)를 이용하여 수집부(31) 내부 온도를 250℃까지 상승시켜 수집부 내부 모든 부분품 표면의 습기와 오염 물질을 밸브(12, 13)는 잠긴 상태에서 제습용 밸브(14)와 펌프(17)를 통해 배기하는 세척 과정을 진행한다.
이후에 제습용 밸브(14)는 잠그고 수집용 밸브 1(12)는 열린 상태로 호기를 수집부(31)에 불어넣으면, VOC 등이 포함된 폐포 호기와 무관한 기관지, 입, 코 등에서 배출된 초기 호기 부분은 화살표(21) 방향으로 흘러 밸브(12)를 통해 밖으로 배출된다. 이때 화살표(20) 방향의 호기 흐름은 닫힌 상태인 밸브(13, 14)에 의해서 차단된다. 카프노미터(5)에 의해서 호기 중 이산화탄소 분압이 일정 수준, 예를 들어 30mm Hg에 도달하여 폐포 호기로 판단되면, 밸브 제어장치(6)가 가동되어 수집용 밸브 1(12)는 잠그고 수집용 밸브 2(13)는 열린 상태로 전환되며, 폐포호기는 분광 챔버(16)로 흘러가서 저장된다. 카프노미터 신호에 의해서 폐포 호흡이 완료되면, 제어장치에 의해서 밸브(13)는 닫힌 상태로 밸브(12)는 열린 상태로 전환된다.
한편, 수집한 호기량이 불충분하면 상기 수집과정을 여러 차례 반복하여 분석에 필요한 폐포 호기량을 얻는다.
혼합 호기 수집의 경우 제어장치에서 밸브(13)는 닫힌 상태로 밸브(12)는 열린 상태로 설정하여 얻는다.
상술한 도 1과 같은 실시예 1의 수집 장치를 사용하면 호기 주입 관의 길이가 최소화되고, 배기관과 수집관, 그리고 가열 히터가 동축 원통 구조여서 수집부(31) 내부표면의 고온 세척이 가능해지며, 분광 챔버의 호기 저장에 이용으로 오염과 폐포 호흡 내 VOC 손실 최소화를 기할 수 있다. 또한 카프노미터에 기반한 다양한 밸브 제어 방법을 통해 고집약 형태의 호기 수집 장치에서 오염으로부터 자유로운 다양한 형태의 부분 호기 수집이 가능해진다.
실시예 2　　　　　　　
도 2는 본 발명에 의한 연속 호기 수집 및 분광학 기반의 실시간 호기 분석을 위한 호기 수집 장치의 일 예의 개략도이다.
실시간 호기 수집은 상기한 단발식 호기 수집과 같이 세척 후에, 밸브(14)를 잠그고 밸브(12)는 열고 호기를 수집부에 불어넣으면, 초기 호기 부분은 밸브(12)를 통해 밖으로 배출된다. 카프노미터에 의해서 호기 중 이산화탄소 농도 또는 분압이 일정 수준에 도달하여 폐포 호기로 판단되면, 밸브 제어장치(6)가 가동되어 밸브(12)는 잠그고 밸브(13)는 열린 상태로 전환되며, 폐포 호기는 밸브(13)를 통해 밖으로 배출된다.
이때 연속 호기 측정에 필요한 일부의 폐포 호기는 압력제어용 릴리프 밸브(27)에 의해서 양압에서 호기 수집관(7) 내부에 남게 되고, 유량조절 밸브(25)를 조절하면 분광 챔버(16)로 흘러가서 실시간 측정에 사용된다. 카프노미터 신호에 의해서 폐포 호흡 시간이 완료되면, 제어장치(6)에 의해서 밸브(12)는 열린 상태로 전환되며, 상기 수집과 측정 과정은 필요에 따라 연속적으로 진행된다.
실시예 3　　　　　　
도 3은 폐포 호기 내 VOC 흡착과 탈착을 위한 원통형 흡착제를 갖는 미량 VOC 농축 및 공급을 위한 장치의 실시예에 해당한다.
특정 질병과 연관된 미량의 VOC를 측정하기 위해서는 흡착제를 이용한 VOC의 농축과 탈착이 필요하다. 본 발명의 호기 수집 장치에서는 폐포 호기 수집관(7)의 내부에 수집을 목적으로 하는 특정 VOC 성분의 흡착에 최적화된 흡착제(22)를 동축형으로 채워 호기 VOC 사전 농축에 사용할 수 있다. 흡착제에 의해서 흡착된 VOC는 수백도 이상의 고온까지 사용이 가능한 가열 히터(10)에 의해서 고온에서 흡착제로부터 탈착될 수 있으며, 복잡한 경로에 의한 VOC의 손실 없이 분광 챔버(16)에 직접 수집된 후에 분석에 사용될 수 있다.
도 3과 같이 배치된 흡착제는 얇은 두께와 넓은 표면적을 갖는 원통형 구조이므로, 제습 및 VOC 탈착에 필요한 고온 가열이 효과적으로 적용될 수 있으며, 이때 사용되는 흡착제(22)는 수집이 필요한 VOC 종류에 따라서 다종의 흡착제(23, 24)를 추가하여 사용할 수 있다. 도 3에서 흡착제(22, 23, 24)는 링 형태 기구에 각각 봉해진 뒤 수집관(7) 내부에 설치하여 사용할 수 있다.
도 3의 장치에서 수집된 호기 VOC 등의 물질은 밸브(13)를 통해 테들러(Tedlar) 백에 보관한 후에 이송하여 다양한 호기 분석장치를 사용한 분석에 사용할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
1: 마우스피스　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　2: 호기 주입관
3: 공기흡입용 단방향 밸브　　　　　　　　　　 4: 호기 주입용 단방향 밸브
5: 카프노미터 　　　　　6: 밸브 제어장치
7: 폐포 호기 수집관　　　　　　　　　　　　　　　　 　8: 초기 호기 배기관
9: 배기관 결합부 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 10: 가열 히터
11: 폐포 호기 배기용 단방향 밸브 1　　　　12: 수집용 밸브 1
13: 수집용 밸브 2　　　　　 　 14: 제습용 밸브
15: 분광 챔버 배기관　　　　　　　　　　　　　　　　 　16: 분광 챔버
17: 배기 펌프　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　18: 흡착제 마스크 1
19: 흡착제 마스크 2　　　　　　　　　　　　　　　 　20: 폐포 호기 흐름 표시
21: 초기 호기 흐름 표시　　　　　　　　　　 　22: 흡착제 1
23: 흡착제 2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　24: 흡착제 3
25: 유량 조절용 밸브　　　　　　　　　　　　　　　　 　26: 압력 조절용 밸브
27: 릴리프 밸브 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　28: 수집관 단방향 밸브 2
29: 배기관 단방향 밸브　　　　　　　　　　　　　　 30: 호기 주입부　　　
31: 호기 수집부 　　　　　　　　　　 32: 호기 전송부
33: 밸브 제어부

Claims (11)

  1. 순차적으로 배치되고 연통되는 호기 주입부, 호기 수집부, 및 호기 전송부와, 호기 수집부 전단에 배치되는 카프노미터 및 상기 카프노미터 데이터에 기초하여 밸브들을 조절하는 밸브 제어장치를 포함하는 벨브 제어부를 포함하며;
    상기 호기 수집부는, 말단에 밸브가 구비되는 원통형의 초기 호기 배기관, 및
    말단에 폐포 호기 배기용 단방향 밸브 및 수집용 밸브가 순차적으로 구비되며 초기 호기 배기관을 둘러싸는 동축 원통형의 폐포 호기 수집관을 포함하며;
    상기 호기 전송부는 상기 폐포 호기 수집관과 연통되며, 폐포 호기 수집관과의 연결부에 밸브가 구비된 분광 챔버를 포함하는, 호기 수집 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 호기 수집부는 가열 히터를 추가로 구비하는, 호기 수집 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 폐포 호기 수집관은 유기화합물(volatile organic compound, VOC) 흡착용 흡착제를 1종 이상 포함하는, 호기 수집 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 호기 주입부는 마우스피스, 호기 주입관, 공기흡입용 단방향 밸브 및 호기 주입용 단방향 밸브를 포함하는, 호기 수집 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 분광 챔버는 상기 폐포 호기 수집관의 폐포 호기 배기용 단방향 밸브와 수집용 밸브 사이에 분지된 1개 이상의 분지관과 연통되는, 호기 수집 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 분지관은 분광 챔버에 투입되는 호기의 유량 조절용 밸브가 구비된 제1관, 압력 조절용 밸브가 구비된 제2관 및 챔버로부터 배출되는 배출 호기 조절용 조절 밸브가 구비된 분광 챔버 배기관과 연통된, 호기 수집 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 흡착제는 Tenax, Carbograph, Carboxen, Carbotrap, Carbosieve 및 glassbeads로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인, 호기 수집 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 호기 수집 장치를 이용하여 호기 주입부에 호기를 투입하는 호기 투입 단계를 포함하는, 호기 수집 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 호기 투입 단계 수행 전에 호기 수집부의 온도를 30 내지 250℃로 상승시켜 습기 및 오염 물질을 배출시키는 세척 단계를 추가로 포함하는, 호기 수집 방법.
  10. 제8항에 있어서, 카프노미터 데이터에 기초하여 밸브 제어장치를 통해 밸브의 개폐를 조절하여 폐포 호기, 또는 혼합 호기를 수집하는, 호기 수집 방법.
  11. 제8항에 있어서, 호기 투입 단계에 후속적으로 호기 수집부의 온도를 30 내지 250℃로 상승시켜 호기 수집부 내에 존재하는 호기 내 유기화합물을 탈착키는 단계를 추가로 포함하는, 호기 수집 방법.
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