WO2012165182A1

WO2012165182A1 - 生体ガス検知装置及び生体ガス検知方法

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Publication number: WO2012165182A1
Application number: PCT/JP2012/062876
Authority: WO
Inventors: 祐樹山田; 檜山　聡; 森谷　優貴; 真理子杉村; 翁長　一夫; 田中　克之
Original assignee: 株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ; エフアイエス株式会社
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2012-12-06
Also published as: CN103518130B; CN103518130A; US9410912B2; EP2634567A1; JPWO2012165182A1; EP2634567A4; JP5818888B2; US20130283889A1

Abstract

　本発明の実施形態に係る生体ガス検知装置は、複数種類のガスセンサを含むセンサユニット、前記センサユニットの制御部、データ記録部及びデータ解析部を含み、前記データ記録部は、前記生体ガスに含まれる所望ガス成分の単体、干渉ガス成分の単体及びそれらの混合ガスに対する前記ガスセンサの感度の特性についてのデータベースを含み、前記データ解析部は、前記生体ガス検知の際に出力される前記ガスセンサの感度と前記データベースとに基づいて前記所望ガス成分の濃度を算出する。

Description

生体ガス検知装置及び生体ガス検知方法

　本発明は、生体ガス中の所望の特定の成分を、分離することなく、ガスセンサを用いて検知し、その濃度を算出する装置に関する。また本発明は、干渉ガス成分が共存する生体ガス中の所望の特定の成分を、分離することなく、ガスセンサを用いて検知し、その濃度を算出する方法に関するものである。

　従来から、生体から発せられる生体ガス成分を測定、分析することで、生体の健康状態等に代表される生体情報を取得、把握する技術が検討されている。例えば、特許文献１や特許文献２には、呼気ガスに含まれるアセトン濃度を測定することで、糖尿病の検知や体脂肪の燃焼度合いを測定する手法が開示されている。また、特許文献３では、呼気ガスに含まれる水素を測定することで、腸内嫌気性細菌の異常増殖や消化不良症候群を検知する手法が開示されている。また、特許文献４および特許文献５には、呼気ガス中の単一のガス成分だけでなく、アセトンや一酸化窒素、二酸化炭素、水素、アンモニアといった複数種類のガスの検知素子を備えることで呼気中の複数種類のガスを検知し、複雑な健康診断を実施する手法が開示されている。

　一方、呼気などの生体ガス中には多数種類のガス成分が種々の濃度で共存し、それらを分離せずに特定のガス成分を測定（検知及び/又は濃度算出）する場合、それぞれが互いに干渉し、所望のガス成分の測定が正しく行えないという問題がある。これに対し各ガス成分を分離して測定するガスクロマトグラフィ法が広く知られているが、一般に装置が大型なうえ操作方法に習熟を要するため、簡便な使用には適していない。

　またこの問題に対して個々の生体ガス成分に対して選択的・特異的に反応するガスセンサを選択して使用する技術も知られているが（例えば、特許文献１や３、４、５）、他のガス成分が全く干渉しないセンサを見出すことは実際上困難であること、さらにかかる選択的・特異的ガスセンサを用いた場合、ガス成分の濃度が高い場合に測定濃度が不正確となる可能性もある。さらに、生体ガス中には、健康診断や病気判定に利用可能な生体ガス成分の種類が多数存在するため、特定の生体ガス成分に対して特異的に反応するガスセンサをその種類に対応するだけ用意することは困難であり、実際的ではない（例えば特許文献６）。

特開２００２－３１６１５号公報特開２００１－３４９８８８号公報特開２００６－７５４４７号公報特開２００９－２５７７７２号公報特開２０１０－２６７４６号公報特開平５－２０３５９８号公報

　本発明は、上記問題点を解決し、生体から発せられる生体ガス中の所望の特定の成分を、干渉ガスが共存していても、分離することなく、少ない種類のガスセンサを用いて簡便に検知してその濃度を算出でき、それによりいつでもどこでも誰でも健康状態やダイエットの成果を確認することができる装置及び方法を提供することを課題とする。

　上記課題を解決するために、本発明の生体ガス検知装置は、
　　複数種類のガスセンサを含むセンサユニット、
　　前記センサユニットの制御部、
　　データ記録部及び
　　データ解析部を含み、
　　　前記データ記録部は、前記生体ガスに含まれる所望ガス成分の単体、干渉ガス成分の単体及びそれらの混合ガスに対する前記ガスセンサの感度の特性についてのデータベースを含み、
　　　前記データ解析部は、前記生体ガス検知の際に出力される前記ガスセンサの感度と前記データベースとに基づいて前記所望ガス成分の濃度を算出することを特徴とする、生体ガス検知装置である。

　また、本発明の生体ガス検知方法は、
　　複数種類のガスセンサを含むセンサユニット、
　　前記センサユニットの制御部、
　　データ記録部及び
　　データ解析部を含む生体ガス検知装置により行われる生体ガス検知方法であり、
　　　前記データ記録部は、前記生体ガスに含まれる所望ガス成分の単体、干渉ガス成分の単体及びそれらの混合ガスに対する前記ガスセンサの感度の特性についてのデータベースを含み、
　　　前記データ解析部は、前記生体ガス検知の際に出力される前記ガスセンサの感度と前記データベースとに基づいて前記所望ガス成分濃度を算出することを特徴とする、生体ガス検知方法である。

　本発明の実施形態によれば、生体から発せられる生体ガス成分の測定において、生体ガス成分の分離を必要とせず、複数種類のガスセンサを使い、干渉ガスの存在下でも所望の特定の生体ガス成分を検知してその濃度を算出する装置と、干渉ガス成分の影響を考慮して所望の特定の生体ガスを検知してその濃度を算出する方法が提供され、いつでもどこでも誰でも簡便に生体ガスから健康状態やダイエットの成果を確認することが可能となる。

図１は、本発明のひとつの実施形態による生体ガス検知装置を示す模式図である。図２は、実施例における、アセトン濃度を変化させた際のガスセンサＡの感度変化を示すグラフ（データベース）である。図３は、実施例における、エタノール存在下において、アセトン濃度を変化させた際のガスセンサＡの感度変化を示すグラフ（データベース）である。図４は、実施例における、エタノール濃度を変化させた際のガスセンサＢの感度変化を示すグラフ（データベース）である。図５は、実施例における、呼気ガス検知装置の一構成例である。図６は、実施例における、擬似呼気ガスの種類とセンサ感度の測定結果を示す一覧である。図７は、実施例における、擬似呼気ガス中のアセトン濃度を変化させた際のガスセンサＡの感度変化を示す図である。図８は、実施例における、擬似呼気ガス中のアセトン濃度を変化させた際のガスセンサＢの感度変化を示す図である。図９は、実施例における、擬似呼気ガス中のアセトン濃度を変化させた際のガスセンサＡとガスセンサＢの感度比を示す図である。図１０は、実施例１におけるアセトン濃度の算出方法のフローチャートである。図１１は、実施例における実際の呼気ガスの種類とセンサ感度の測定結果を示す一覧である。図１２は、実施例１におけるアセトン濃度の算出方法の実施結果を示す。図１３は、実施例２における、アセトン濃度の算出方法のフローチャートである。図１４は、実施例２における、アセトン濃度の算出方法の実施結果を示す。

　本発明の実施形態は、生体から発せられる生体ガス中の所望の特定の成分を、干渉ガスが共存していても、分離することなく、少ない種類のガスセンサを用いて簡便に検知してその濃度を算出するものである。

　ここで生体から発せられるガスとは、生体内での種々の生化学的経路から生体外へ排出される成分を意味する。生体外への排出には、具体的には、呼吸による肺からの呼気中への排出、胃腸などから食道・口を経ての排出などが挙げられる。さらに排出されるガス、又はガス成分とは、必ずしも通常温度・圧力条件（例えば１気圧、２５℃）で気体であるものに限定されるものではなく、上で説明した生体外へ同時に排出される他のガス成分や水分と共にガス状態で排出される成分を含む意味である。またかかる生体ガス成分には、無機性ガス成分及び有機性ガス成分が含まれる。無機性ガス成分としては、例えば水素、アンモニア、一酸化窒素等が、また有機性ガス成分には、アセトン、アルデヒド、アルコールなどが含まれる。本発明の実施形態において検知し、その濃度を算出するべき生体ガス成分を、所望の特定の成分（又は、所望のガス成分）とする。例えば実施例では所望の特定の成分をアセトンとして説明されている。さらに本発明の実施形態においては、所望の成分以外の共存ガス成分を干渉ガスとして説明されている。しかしここで意味する干渉ガスは、本発明の実施形態の検知装置、検知方法において、所望のガス成分の検知・濃度算出に対して強く干渉するガス成分だけでなく、弱く干渉する成分、又は全く干渉しないガス成分をも含む意味である。なぜなら干渉作用・現象は、使用されるセンサの種類、生体ガスの種類、存在濃度、検知条件（例えば温度）などに依存するものであるからである。

　さらに本発明の実施形態の装置・方法は、上で説明した干渉ガスが共存していても、分離することなく、少ない種類のガスセンサを用いて簡便に検知してその濃度を算出することを特徴とする。ここで分離することなくとは、少なくとも所望のガス成分を他のガス成分と分離し、干渉作用（又その可能性）を除去することを意味し、すべてのガス成分をそれぞれ分離することを意味するものではない。本発明の実施形態においては、生体から発せられる生体ガスをそのまま、又は適当な他の方法により濃縮・希釈して測定して、所望のガス成分を検知し、かつ濃度を算出することも可能である。また本発明の実施形態においては、干渉作用の存在を前提として、少ない種類のガスセンサを用いる。即ち本発明の実施形態においては、生体ガスに含まれる各ガス成分それぞれに対する特異的・選択的ガスセンサを生体ガス成分の数だけ使用する必要はない。

　本発明の実施形態において使用可能なガスセンサとは、通常知られた種々の仕様のガスセンサから適宜適切なセンサを選択することが可能なセンサである。一例として、本発明の実施形態において、汎用のガスセンサを使用することができる。かかる本発明の実施形態において使用可能なガスセンサは、検知される成分（所望のガス成分、干渉ガス成分、水分などのその他のガス成分）の種類と濃度範囲、検知限界、検知条件などに基づき、既に知られたセンサから最適のセンサを適宜選択するか、又はすでに知られたセンサを改変することで最適なセンサとして使用することが可能である。例えば呼気中に含まれる可能性があるガス成分のうち、所望のガス成分として、アセトンを、また可能な干渉性ガス成分としてアルコール、水素などが考えられ、メンテナンスフリーで繰り返し利用可能な半導体センサからの選択が好ましい。さらに、呼気中に含まれるガス成分はその濃度が低濃度である場合が多く、かかる検知対象となるガス成分に高い検知能を有する半導体ガスセンサの使用が好ましい。ここで、「高い検知能」とは、検知対象となるガス成分の濃度が低い場合であっても、その濃度を同定できることを意味する。

　さらに本発明の実施形態において、所望のガス成分と共に２種以上の多くの干渉性ガス成分が共存していても、少なくとも２種類のセンサを用いることを特徴とする。これらの２種類のセンサはガスセンサであってよい。本発明の実施形態においては、かかるセンサの選択には特に限定はないが、これら少なくとも２種類のセンサのうち、第１のセンサは主に所望のガス成分に対する検知能が高いもの、第２のセンサは少なくとも干渉性ガス成分に対して検知能を有し、第１のセンサとは異なる感ガス特性を示すものを選択することが好ましい。かかる選択により、以下説明するように、所望のガス成分を検知し、その濃度を算出するためのアルゴリズムをより簡単に見出すことができる。以下、本発明の実施形態の装置につき具体的に説明する。

　図１は、本発明の生体ガス検知装置の一形態を示す模式図である。ここでセンサユニット３にはガスセンサＡ及びガスセンサBが設けられておりそれぞれのセンサA、Bは制御部４により制御されている。さらに制御部４は、データ記録部５とデータ解析部６と接続されている。ガスセンサＡは、所望の特定のガス成分に対して相対的に高い検知能を有するガスセンサであり、ガスセンサＢは少なくとも干渉ガス成分に対して検知能を有し、ガスセンサＡとは異なる感ガス特性を示すガスセンサである。ここでは一例として、所望のガス成分と干渉ガス成分とに対してほぼ同等の検知能を有するガスセンサであるとする。ここでは説明をより明確にし、簡便にするために、２個のガスセンサを使用する場合について説明するが、本発明はこの数に限定されるものではなく、ガスセンサの数は２個以上であっても良い。

　ここで、生体ガス７がセンサユニット３に導入されることで、ガスセンサA、Bにより、同時に又は別々に、生体ガス成分８、９、１０を検知し、データを出力する。出力されたデータはセンサユニットに表示されるか、又は以下説明するようにさらに記録・解析されるためにセンサユニットから出力される。

　図１では、ガスセンサＡ、Ｂは制御部４により制御されている。ガスセンサＡ、Ｂによる検知操作及びそれからの出力データは制御部４により制御される。制御部４はさらに出力データをデータ記録部５に送り記録させる。ここで、出力データは制御部４を介さずに直接データ記録部５に出力されてもよい。さらに記録されたデータは、データ解析部６で解析され、所望の特定のガス成分の濃度をはじめ、必要に応じて干渉ガス成分の濃度を算出する。

　データ解析部６では、測定対象ガスに対する各々のガスセンサA、Bの感度を算出し、当該ガスの濃度を算出する。ガスセンサの感度は、例えば、空気中のガスセンサの抵抗をＲａｉｒ、測定対象ガスを吹きかけた際のガスセンサの抵抗をＲとすると、ＲとＲａｉｒとの比（Ｒ／Ｒａｉｒ）として算出される。以降の説明では、便宜的にＲ／Ｒａｉｒを感度と定義し、使用する。ただし、感度の算出方法はこの方法に限定されず、その方法によっては以下に説明する濃度算出アルゴリズムにおける閾値との大小比較条件が逆になることもある。

　本実施形態におけるガスセンサＡおよびガスセンサＢは、いずれも、還元性のガス濃度が増加するにしたがって、センサの抵抗値および感度（Ｒ／Ｒａｉｒ）の値が減少する。一例として、ガスセンサＡおよびガスセンサＢは、いずれも、ｎ型半導体を用いた半導体ガスセンサである。ただし、本発明のガスセンサは、そのような特性のガスセンサに限られず、還元性のガス濃度が増加するにしたがって、センサの抵抗値および感度の値が増加してもよい。

　また、当該ガス濃度の算出方法は、例えば、得られたガスセンサの感度から、予め記録しておいた感度と濃度の関係性を示したデータベースを用いる（図２～図４）。ただし、用いるデータベースとしては感度と濃度の関係性を示すものに限られるものではなく、例えばセンサそれぞれの感度、センサ間の感度の和、センサ間の感度の比、又はそれらと濃度の関係性、等を示すものであってもよい。

　予め記録されるデータベースは、制御部４、記録部５又はデータ解析部６のいずれに記録されていてもよい。データベースには、所望のガス成分、干渉ガス成分、所望のガス成分と干渉ガス成分の混合ガスに対する、センサA、Bの感度挙動が含まれる。具体的には、干渉ガス成分又は所望のガス成分のそれぞれ単体ガスの濃度と各センサ感度との関係、所望のガス成分についてのセンサ感度に対する干渉ガス成分の混合割合の影響などである。さらにかかるデータベースには、これらの感度挙動から導かれる他のパラメータを含んでいてもよい。具体的には、生体ガスをガスセンサＡ、Ｂに曝した際のガスセンサＡ、Ｂの感度をα、βとする。また、ガスセンサＡ、Ｂの感度の比Ｅを、Ｅ＝α／βとする。本発明の実施形態では、あらかじめα、β、Ｅの関係性を示したデータベースを作成しておくとともに、これらの値の一部または全てを用いて、干渉ガス成分（ガス成分Ｂ、ガス成分Ｃ）の影響を考慮した所望のガス成分（ガス成分Ａ）の濃度を算出・推定するアルゴリズムが準備・作成される。

　データ解析部６では、実際に測定によって得られた生体ガスについてα、β、Ｅの値を元に作成されたデータベースを参照することによりそのアルゴリズムを見出し、干渉ガス成分の影響を考慮して、所望のガス成分の濃度を算出する。

　図１で示される例は、生体ガスとしてガス成分Ａ、ガス成分Ｂ、ガス成分Ｃの三種類のガスが含まれる例を示す。ここで所望のガス成分をＡ、干渉ガス成分をＢとＣとする。当然ながら、実際の生体ガス成分は三種類ではなく、非常に多種類のガス成分が含まれるが、ここでは簡便化のため生体ガス成分を三種類とした場合について説明することとする。

　センサユニット３内のガスセンサＡならびにガスセンサＢに対して、ガス成分Ａ、ガス成分Ｂ、ガス成分Ｃを含む生体ガスを曝すことにより、ガスセンサＡ、ガスセンサＢの感度に変化が生じる。この際、ガスセンサＡの感度変化は、ガス成分Ａの影響によるものが大きいが、生体ガスを用いた健康診断や病気診断において求められるｐｐｍ～ｐｐｂレベルでの生体ガス測定においては、ガス成分Ｂ、Ｃによる影響は無視できない。

　生体ガスをガスセンサＡ、Ｂに曝した際のガスセンサＡ、Ｂの感度をα、βとする。また、ガスセンサＡ、Ｂの感度の比Ｅを、Ｅ＝α／βとする。上で説明したように、予めα、β、Ｅの関係性を示したデータベースを作成しておくとともに、これらの値の一部または全てを用いて、干渉ガス成分（ガス成分Ｂ、ガス成分Ｃ）の影響を考慮した所望のガス成分（ガス成分Ａ）の濃度を算出・推定するアルゴリズムを準備・作成しておく。

　それに基づき以下説明するように、実際に測定によって得られた生体ガスについてα、β、Ｅの値を元にそのアルゴリズムを用いてデータベースを参照することにより、干渉ガス成分の影響を考慮して、所望のガス成分の濃度を算出する。

　(1)ガスセンサAの感度とガスセンサBの感度との和が、予め定めた第１の閾値より大きい値であれば、所望ガス成分は存在しないとも見做し得るほど非常に低い濃度であった、もしくは測定中に問題があった、と判断する。

　(2)ガスセンサBの感度が予め定めた第２の閾値より大きい値であれば、ガスセンサAの感度と前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する。

　(3)ガスセンサBの感度が予め定めた第２の閾値以下の値であり、かつガスセンサAとガスセンサBの感度比が予め定めた第３の閾値より大きい値であれば、ガスセンサAの感度と前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する。

　(4)ガスセンサBの感度が予め定めた第２の閾値以下の値であり、かつガスセンサAとガスセンサBの感度比が予め定めた第３の閾値以下であれば、ガスセンサBの感度と前記データベースから干渉ガス成分の濃度を算出し、当該干渉ガス成分濃度、ガスセンサAの感度及び前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する。

　また、ガスセンサＡの検知能が所望ガス成分に対して、特に高い検知能を有するガスセンサである場合には、次のようにアルゴリズムを簡略化してもよい。

　(1)ガスセンサBの感度が予め定めた第４の閾値より大きい値であれば、ガスセンサAの感度と前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する。

　(2)ガスセンサBの感度が予め定めた第４の閾値以下の値であり、かつガスセンサAの感度が予め定めた第５の閾値以下の値であれば、ガスセンサAの感度と前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する。

　(3) ガスセンサBの感度が予め定めた第４の閾値以下の値であり、かつガスセンサAの感度が予め定めた第５の閾値より大きい値であれば、ガスセンサBの感度と前記データベースから干渉ガス成分の濃度を算出し、当該干渉ガス成分濃度、ガスセンサAの感度及び前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する。

　図５には、上で説明した本発明の実施形態の装置にさらに、センサユニット１３を含むセンサブロック１７を設ける実施態様が模式的に示され、以下説明する実施例で用いられた。ここでは、生体ガス２２、２３、２４を、正確かつ迅速に、各センサA、Bを含むセンサユニット１３に導入するために、呼気吹き込み口１９及びポンプ２０（生体ガス導入ユニット）が設けられている。ただしポンプ２０は必ずしも必要ではなく、センサユニット内のガス置換を特に迅速に行いたい場合に備えるとよい。生体ガス２２、２３、２４は、呼気吹き込み口１９からセンサユニット１３に導入され、生体ガスの各成分は、ガスセンサA及びBに検知され、各センサ感度に影響を与えることとなる。これにより、生体ガスの所望のガス成分を、正確・迅速に検知可能となり、その濃度を算出することが可能となる。

　以下、本発明を実施例に基づきさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

　本実施例においては生体ガスとして呼気を想定し、呼気中に含まれるアセトンを所望のガス成分とする。また、呼気中に含まれるエタノールと水素を干渉ガス成分とする。

　実施例で使用したガスセンサA及びBは、それぞれエフアイエス株式会社製の半導体式ガスセンサを使用した。測定は、各センサを大気中で３分間晒してRairとして読みとり、以下に説明する測定ガスを同様に前記センサ上に１０秒間静かに流すことで晒して抵抗値Rを読みとることとした。

　［事前準備１：干渉ガス成分が存在しない状態でのアセトン濃度のデータベース作成］
　アセトン濃度を０．１、１、１０、５０［ｐｐｍ］と変化させた際における、ガスセンサＡの感度を測定し、干渉ガス成分が存在しないアセトン純ガスを用いた際のガスセンサＡの感度とアセトン濃度のデータベースを作成する。測定結果の例を図２に示す。

　［事前準備２：エタノール存在下でのアセトン濃度のデータベース作成］
　アセトン０．１、１、１０、５０［ｐｐｍ］のいずれかと、エタノール０、０．１、１、１０、１５０［ｐｐｍ］のいずれかとを混合したアセトンとエタノールの混合ガス存在下において、エタノール存在下でのアセトン濃度に対するガスセンサＡの感度を測定し、エタノールが存在する状態でのガスセンサＡの感度とアセトン濃度のデータベースを作成する。測定結果の例を図３に示す。

　［事前準備３：干渉ガス成分が存在しない状態でのエタノール濃度のデータベース作成］
　エタノール濃度を０．１、１、１０、１５０［ｐｐｍ］と変化させた際における、ガスセンサＢの感度を測定し、干渉ガス成分が存在しないエタノール純ガスを用いた際のガスセンサＢの感度とエタノール濃度のデータベースを作成する。測定結果の例を図４に示す。

　［事前準備４：アセトン濃度推定アルゴリズムの作成］
　ガスセンサＡ、ガスセンサＢを用いて、アセトン、水素、エタノールを混合した擬似呼気ガス中におけるアセトン濃度測定の実験を行い、実験結果から干渉ガス成分（水素、エタノール）の影響を考慮したアセトン濃度を算出するアルゴリズムを作成した。図６には、ここで用いた擬似呼気ガスの１１種類と、それらに対するガスセンサA及びBの感度、ガスセンサAの感度とガスセンサBの感度の比及びガスセンサAの感度とガスセンサBの感度の和をまとめた。また、図７～図９は図６の測定結果をグラフ上にプロットしたものを示す。ここで、ガスセンサＡとガスセンサＢの感度比をＥとして表し、Ｅ＝ガスセンサＡの感度／ガスセンサＢの感度とする。

　（実施例１）
　＜アセトン濃度算出アルゴリズム＞
　以上の測定データに基づき、次のようにアセトン濃度算出アルゴリズムを作成した（図１０）。

　（１）ガスセンサＡの感度とガスセンサＢの感度の和が０．９より大きい時：水素、エタノールは存在しないとも見做し得るほど非常に低い濃度であったと判断し、アセトンについても、存在しないとも見做し得るほど非常に低い濃度であった、もしくは測定中に問題があったと判断する。

　（２）ガスセンサＡの感度とガスセンサＢの感度の和が０．９以下の時：
　　（Ｉ）ガスセンサＢの感度が０．５より大きい時：エタノール、または高濃度の水素はほとんど存在しないと判断し、ガスセンサＡの感度を図２より作成されるエタノール非存在下のガスセンサＡの感度とアセトン濃度の関係性を示すデータベースに当てはめて、アセトン濃度を算出する。

　　（ＩＩ）ガスセンサＢの感度が０．５以下の時：
　　　（ｉ）センサの感度比Ｅが０．６より大きい時：アセトンは１０ｐｐｍ以下で、水素が高濃度にあると判断する。また、水素はガスセンサＡの感度への影響は小さいので、水素の影響は無視して、ガスセンサＡの感度を図２より作成されるエタノール非存在下のガスセンサＡの感度とアセトン濃度の関係性を示すデータベースに当てはめて、アセトン濃度を算出する。

　　　（ｉｉ）Ｅが０．６以下の時：エタノールが一定濃度以上存在すると判断し、図４より作成されるガスセンサＢの感度とエタノール濃度の関係性を示すデータベースに当てはめて、エタノール濃度を推定し、図３より作成されるエタノール存在下でのガスセンサＡの感度とアセトン濃度の関係性を示すデータベースを用いて、アセトン濃度を算出する。

　［実際の呼気ガスにおけるアセトン濃度の算出］
　作成したアセトン濃度推定アルゴリズム（図１０）をもちいて、実際の呼気ガス中のアセトン濃度の算出を行った。図１１は、測定を行った１１種類の呼気ガスの種類とセンサ感度の測定結果である。図１１には、アルゴリズムの正当性の検証のために、同じ呼気ガスを用いてガスクロマトグラフィ装置による、アセトン、水素、エタノールの濃度測定結果も合わせて示されている。番号１～番号７においては、飲酒をしていない被験者の呼気ガスを用いた。番号８～番号１１では、飲酒をした後の被験者の呼気ガスを用いて測定を行った。センサ感度測定は図５で模式的に示す装置を用いた。センサユニット１３を含むセンサブロック１７に設けられた呼気吹き込み口１９に呼気を吹き込んで、センサユニット１３に設けられたガスセンサA及びBと呼気を接触させた。ここでポンプ２０は必ずしも必要ではなく、呼気の迅速な交換を行う場合に使用することができる。

　図１２は、本発明の実施例１によるアセトン濃度推定アルゴリズム（図１０）に基づき、上記１１種類の呼気ガスを振り分けた結果を示している。

　例えば、番号４の呼気は、ガスセンサＡとガスセンサＢの感度の和が０．９よりも大きいため、呼気中のアセトンは存在しないとも見做し得るほど非常に低い濃度であった、もしくは測定中に問題があったと判断される。当該呼気のアセトン濃度をガスクロマトグラフィ装置によって測定した結果、０．０３４ｐｐｍと非常に濃度が薄く、判断結果とほぼ合致しているといえる。

　また、例えば番号３の呼気は、ガスセンサＡとガスセンサＢの感度の和が０．９以下のため、呼気中には３種類のガスのいずれかが存在すると判断される。次にガスセンサＢの感度が０．５以下のため、エタノールまたは高濃度水素が存在すると推定される。そして、ガスセンサの感度比が０．６より大きいため、エタノールは存在せず、アセトンは１０ｐｐｍ以下で水素が高濃度にあると判断される。ガスセンサＡの感度である０．４４を図２の干渉ガス成分が存在しない状態でのアセトン濃度の関係性を示すデータベースに当てはめると、アセトン濃度は０．７４ｐｐｍと算出される。当該呼気のアセトン濃度をガスクロマトグラフィ装置によって測定した結果は、０．７０ｐｐｍとなっており、算出結果とほぼ合致している。

　また、番号１０の呼気は、ガスセンサＡとガスセンサＢの感度の和が０．９以下であるため、呼気中には３種類のガスのいずれかが存在すると判断される。次に、ガスセンサＢの感度が０．５以下であることから、エタノールまたは高濃度水素が存在すると判断される。そして、ガスセンサの感度比が０．６以下のため、エタノールが存在すると判断される。これらより、ガスセンサＢの感度を図４の干渉ガス成分が存在しない状態でのエタノール濃度のデータベースに当てはめて、エタノール濃度を算出する。そして、推定されたエタノール濃度を、図３のエタノール存在下でのアセトン濃度の関係性を示すデータベースに当てはめて、アセトン濃度を算出する。当該呼気の場合は、アセトン濃度は０．９６４ｐｐｍと算出され、この濃度は、当該呼気のアセトン濃度をガスクロマトグラフィ装置によって測定した結果の０．８４３ｐｐｍと非常に近い値を示している。

　以上より、本発明の実施例によるアセトン濃度推定アルゴリズムが正当性を有していることが分かる。

　（実施例２）
　＜簡略化アセトン濃度算出アルゴリズム＞
　ガスセンサＡがアセトンに対して特に高い検知能を有するガスセンサである場合、前記アセトン濃度算出アルゴリズムは、次のように簡略化してもよい（図１３）。

　（１）ガスセンサＢの感度が０．３３より大きい時：エタノール、または高濃度の水素はほとんど存在しないと判断し、ガスセンサＡの感度を図２より作成されるエタノール非存在下のガスセンサＡの感度とアセトン濃度の関係性を示すデータベースに当てはめて、アセトン濃度を算出する。

　（２）ガスセンサＢの感度が０．３３以下の時：
　　（Ｉ）ガスセンサＡの感度が０．０８以下の時：エタノールが一定濃度以上存在するが、ガスセンサＡの感度への影響は小さいと判断し、エタノールの影響は無視する。また、水素はガスセンサＡの感度への影響は小さいので、水素の影響も無視し、ガスセンサＡの感度を図２より作成されるエタノール非存在下のガスセンサＡの感度とアセトン濃度の関係性を示すデータベースに当てはめて、アセトン濃度を算出する。

　　　（ＩＩ）ガスセンサＡの感度が０．０８より大きい時：エタノールが一定濃度以上存在すると判断し、図４より作成されるガスセンサＢの感度とエタノール濃度の関係性を示すデータベースに当てはめて、エタノール濃度を推定し、図３より作成されるエタノール存在下でのガスセンサＡの感度とアセトン濃度の関係性を示すデータベースを用いて、アセトン濃度を算出する。

　図１４は、本発明の実施例２による簡略化アセトン濃度推定アルゴリズム（図１３）に基づき、図１１の１１種類の呼気ガスを振り分けた結果を示している。番号５の呼気以外は、簡略化していないアセトン濃度算出アルゴリズムを適用した結果（図１２）と同じ振り分け結果となっており、アルゴリズムを簡略化しても、一定の正当性を有していることが分かる。

　［変形例１］
　本発明の実施形態の装置は、携帯電話に内蔵するか又はｍｉｃｒｏＵＳＢ等を介して携帯電話に直接接続し、本発明の実施形態の装置への電力供給、データ記録部、データ解析部の機能を携帯電話側に設けるようにすることも可能である。また測定結果を携帯電話上のディスプレイに表示できるようにすることも可能である。かかる構成により、本発明の実施形態に係る装置をいつでもどこでも簡便に使用でき、健康状態やダイエットの成果を確認することができる。

　［変形例２］
　また本発明の実施形態の装置に、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、無線ＬＡＮ等の通信機能を設けることも可能である。かかる構成により、本発明の実施形態に係る装置で得られた健康状態やダイエットの成果を、例えば携帯電話と通信を行うことにより、携帯電話やパソコンで測定結果の表示などを行うことが可能となる。

　［変形例３］
　また、前記変形例１、２において、データ記録部やデータ解析部の機能の一部または全てを、ネットワーク上のサーバなどに具備させることも可能である。この構成により、本発明の実施形態によるセンサ感度のデータを、必要ならばリアルタイムで、ネットワーク上のサーバなどに転送し、サーバ上で当該データを記録させ又はデータを解析させることが可能となり、必要ならば結果を携帯電話に通知（又は表示）させることで、健康管理、健康アドバイス、ダイエット管理、ダイエット効果確認サービスなどのシステムが可能となる。

　［変形例４］
　また、本発明の実施形態による装置を用いて、呼気診断装置を構成することができる。例えば呼気中の所望のガス成分の濃度の所定の値と特定の疾患発病との関連を見出しておき、本発明の実施形態に係る装置内にその値を記憶させておき、使用者が呼気を本装置で測定した際に、当該所望のガス成分濃度が当該値より大きい場合に警告を発するようにする。これにより、使用者が簡便かつ容易に特定の疾患発病を知ることができるようになる。

　［変形例５］
　さらに上の変形例４において、本発明の実施形態に係る構成のうちデータ記録部やデータ解析部の機能の一部または全てを、ネットワーク上の医療機関のサーバなどに具備させることも可能である。この構成により、本発明の実施形態によるセンサ感度のデータを、必要ならばリアルタイムで、ネットワーク上の医療機関のサーバなどに転送し、サーバ上で当該データを記録させ又はデータを解析させることが可能となる。この結果に基づき当該医療機関の医師などの専門家による呼気診断を受けることが可能となる。必要ならば結果を携帯電話に通知（又は表示）させることができ、双方向の健康管理システム、健康アドバイスシステム、ダイエット管理システム、ダイエット効果確認システム、呼気診断システムなどの構築が可能となる。

　本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において、種々変更・応用が可能である。

　本国際出願は２０１１年５月２７日に出願した日本国特許出願２０１１－１１９５１３号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１１－１１９５１３号の全内容を本国際出願に援用する。

１…ガスセンサＡ
２…ガスセンサＢ
３…センサユニット
４…制御部
５…データ記録部
６…データ解析部
７…生体ガス
８…ガス成分Ａ
９…ガス成分Ｂ
１０…ガス成分Ｃ
１１…ガスセンサＡ
１２…ガスセンサＢ
１３…センサユニット
１４…制御部
１５…データ記録部
１６…データ解析部
１７…センサブロック
１９…吸気吹き込み口
２０…ポンプ
２１…擬似呼気ガス
２２…アセトン
２３…水素
２４…エタノール

Claims

　生体ガス検知装置であり、
　　複数種類のガスセンサを含むセンサユニット、
　　前記センサユニットの制御部、
　　データ記録部及び
　　データ解析部を含み、
　　　前記データ記録部は、前記生体ガスに含まれる所望ガス成分の単体、干渉ガス成分の単体及びそれらの混合ガスに対する前記ガスセンサの感度の特性についてのデータベースを含み、
　　　前記データ解析部は、前記生体ガス検知の際に出力される前記ガスセンサの感度と前記データベースとに基づいて前記所望ガス成分の濃度を算出することを特徴とする、生体ガス検知装置。
　請求項１に記載の生体ガス検知装置であって、
　前記ガスセンサは二種類であり、第１のガスセンサは所望ガス成分に対して相対的に高い検知能を有する半導体式ガスセンサであり、第２のガスセンサは少なくとも干渉ガス成分に対して検知能を有し、第１のガスセンサとは異なる感ガス特性を示す半導体式ガスセンサである、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　請求項１乃至２のいずれかに記載の生体ガス検知装置であって、
　前記第２のガスセンサは所望ガス成分と干渉ガス成分とにほぼ同等の検知能を有する半導体式ガスセンサである、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　請求項１乃至３のいずれかに記載の生体ガス検知装置であって、
　前記第１のガスセンサの感度と前記第２のガスセンサの感度との和が、予め定めた第１の閾値より大きい値であれば、所望ガス成分は存在しないとも見做し得るほど非常に低い濃度であった、もしくは測定中に問題があったとする、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　請求項１乃至４のいずれかに記載の生体ガス検知装置であって、
　前記第２のガスセンサの感度が予め定めた第２の閾値より大きい値であれば、前記第１のガスセンサの感度と前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　請求項１乃至５のいずれかに記載の生体ガス検知装置であって、
　前記第２のガスセンサの感度が予め定めた第２の閾値以下の値であり、かつ前記第１のガスセンサと前記第２のガスセンサの感度比が予め定めた第３の閾値より大きい値であれば、前記第１のガスセンサの感度と前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　請求項１乃至６のいずれかに記載の生体ガス検知装置であって、
　前記第２のガスセンサの感度が予め定めた第２の閾値以下の値であり、かつ前記第１のガスセンサと前記第２のガスセンサの感度比が予め定めた第３の閾値以下であれば、前記第２のガスセンサの感度と前記データベースから干渉ガス成分の濃度を算出し、当該干渉ガス成分濃度、前記第１のガスセンサの感度及び前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　請求項１乃至３のいずれかに記載の生体ガス検知装置であって、
　前記第２のガスセンサの感度が予め定めた第４の閾値より大きい値であれば、前記第１のガスセンサの感度と前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　請求項１乃至３のいずれかに記載の生体ガス検知装置であって、
　前記第２のガスセンサの感度が予め定めた第４の閾値以下の値であり、かつ前記第１のガスセンサの感度が予め定めた第５の閾値以下の値であれば、前記第１のガスセンサの感度と前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　請求項１乃至３のいずれかに記載の生体ガス検知装置であって、
　前記第２のガスセンサの感度が予め定めた第４の閾値以下の値であり、かつ前記第１のガスセンサの感度が予め定めた第５の閾値より大きい値であれば、前記第２のガスセンサの感度と前記データベースから干渉ガス成分の濃度を算出し、当該干渉ガス成分濃度、前記第１のガスセンサの感度及び前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　請求項１乃至１０のいずれかに記載の生体ガス検知装置であって、
　前記所望ガス成分がアセトンである、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　請求項１乃至１０のいずれかに記載の生体ガス検知装置であって、
　前記干渉ガス成分の主要ガス成分がエタノールと水素であり、そのうち少なくとも１種類が前記所望ガス成分の干渉ガスである、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　請求項１乃至１２のいずれかに記載の生体ガス検知装置であって、前記生体ガスを前記センサユニットに導入する生体ガス導入ユニットをさらに備える、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　請求項１乃至１３のいずれかに記載の生体ガス検知装置であって、前記算出された前記所望ガス成分と干渉ガス成分のうち、少なくとも１種類のガス成分の濃度を表示するための表示ユニットをさらに備える、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　請求項１乃至１４のいずれかに記載の生体ガス検知装置であって、前記算出された前記所望ガス成分と干渉ガス成分のうち、少なくとも１種類のガス成分の濃度情報を、当該生体ガス検知装置から送信するための通信ユニットをさらに備える、ことを特徴とする生体ガス検知装置。
　干渉ガスを含む生体ガス中の所望ガス成分の濃度を、前記成分を分離することなく検出して算出する生体ガス検知装置により行う生体ガス検知方法であり、
　前記生体ガス検知装置は、
　　複数種類のガスセンサを含むセンサユニット、
　　前記センサユニットの制御部、
　　データ記録部及び
　　データ解析部を含み、
　　　前記データ記録部は、前記生体ガスに含まれる所望ガス成分の単体、干渉ガス成分の単体及びそれらの混合ガスに対する前記ガスセンサの感度の特性についてのデータベースを含み、
　　　前記データ解析部は、前記生体ガス検知の際に出力される前記ガスセンサの感度と前記データベースとに基づいて前記所望ガス成分の濃度を算出することを特徴とする、生体ガス検知方法。
　請求項１６に記載の生体ガス検知方法であり、
　　前記ガスセンサが、少なくとも２種類のガスセンサであって、第１のガスセンサは所望ガス成分に対して相対的に高い検知能を有する半導体式ガスセンサであり、第２のガスセンサは少なくとも干渉ガス成分に対して検知能を有し、第１のガスセンサとは異なる感ガス特性を示す半導体式ガスセンサであり、
　　これらを用いて少なくとも、
　　　(i)前記所望ガス成分の単体の濃度に対する前記第１のガスセンサの感度の関係、
　　　(ii)前記所望ガス成分に所定量の前記干渉ガス成分を加えた際の混合ガスの濃度に対する前記第１のガスセンサの感度の関係、及び
　　　(iii)干渉ガス成分の単体の濃度に対する前記第２のガスセンサの感度の関係を取得してそれぞれのセンサについての感度特性のデータベースとし、
　前記生体ガスを前記２種類のガスセンサで測定してそれぞれのセンサ感度を取得し、
　　前記第１のガスセンサの感度と前記第２のガスセンサの感度との和が、予め定めた第１の閾値より大きい値であれば、所望ガス成分は存在しないとも見做し得るほど非常に低い濃度であった、もしくは測定中に問題があったとし、
　　前記第２のガスセンサの感度が予め定めた第２の閾値より大きい値であれば、前記第１のガスセンサの感度と前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出し、
　　前記第２のガスセンサの感度が予め定めた第２の閾値以下の値であり、かつ前記第１のガスセンサと前記第２のガスセンサの感度比が予め定めた第３の閾値より大きい値であれば、前記第１のガスセンサの感度と前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出し、
　　前記第２のガスセンサの感度が予め定めた第２の閾値以下の値であり、かつ前記第１のガスセンサと前記第２のガスセンサの感度比が予め定めた第３の閾値以下であれば、前記第２のガスセンサの感度と前記データベースから干渉ガス成分の濃度を算出し、当該干渉ガス成分濃度、前記第１のガスセンサの感度及び前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する、ことを特徴とする生体ガス検知方法。
　請求項１６に記載の生体ガス検知方法であり、
　前記ガスセンサが、少なくとも２種類のガスセンサであって、第１のガスセンサは所望ガス成分に対して相対的に高い検知能を有する半導体式ガスセンサであり、第２のガスセンサは少なくとも干渉ガス成分に対して検知能を有し、第１のガスセンサとは異なる感ガス特性を示す半導体式ガスセンサであり、
　　これらを用いて少なくとも、
　　　(i)前記所望ガス成分の単体の濃度に対する前記第１のガスセンサの感度の関係、
　　　(ii)前記所望ガス成分に所定量の前記干渉ガス成分を加えた際の混合ガスの濃度に対する前記第１のガスセンサの感度の関係、及び
　　　(iii)干渉ガス成分の単体の濃度に対する前記第２のガスセンサの感度の関係を取得してそれぞれのセンサについての感度特性のデータベースとし、前記生体ガスを前記２種類のガスセンサで測定してそれぞれのセンサ感度を取得し、
　　前記第２のガスセンサの感度が予め定めた第４の閾値より大きい値であれば、前記第１のガスセンサの感度と前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出し、
　　前記第２のガスセンサの感度が予め定めた第４の閾値以下の値であり、かつ前記第１のガスセンサの感度が予め定めた第５の閾値以下の値であれば、前記第１のガスセンサの感度と前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出し、
　　前記第２のガスセンサの感度が予め定めた第４の閾値以下の値であり、かつ前記第１のガスセンサの感度が予め定めた第５の閾値より大きい値であれば、前記第２のガスセンサの感度と前記データベースから干渉ガス成分の濃度を算出し、当該干渉ガス成分濃度、前記第１のガスセンサの感度及び前記データベースに基づき所望ガス成分の濃度を算出する、ことを特徴とする生体ガス検知方法。