WO2015125324A1 - 呼気診断装置 - Google Patents

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WO2015125324A1
WO2015125324A1 PCT/JP2014/073822 JP2014073822W WO2015125324A1 WO 2015125324 A1 WO2015125324 A1 WO 2015125324A1 JP 2014073822 W JP2014073822 W JP 2014073822W WO 2015125324 A1 WO2015125324 A1 WO 2015125324A1
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WO
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unit
sample gas
space
measurement
breath
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Application number
PCT/JP2014/073822
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French (fr)
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陽 前川
茂行 高木
努 角野
康友 塩見
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株式会社 東芝
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    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
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    • G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath
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    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • G01N2021/396—Type of laser source
    • G01N2021/399—Diode laser

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a breath diagnosis apparatus.
  • the breath gas is measured. From this measurement result, disease prevention and early detection become easier. In the breath diagnosis apparatus, it is desired to obtain a highly accurate measurement result.
  • the embodiment of the present invention provides a highly accurate breath diagnosis apparatus.
  • a breath diagnosis apparatus including an entrance part, a cell part, an exit part, a measurement part, a light source part, a detection part, and a control part.
  • the cell part has a space into which a sample gas including exhalation is introduced through the entrance.
  • the sample gas flows out from the cell part to the outlet part.
  • the measurement unit measures a flow rate of the sample gas that passes through at least one of the inlet portion and the outlet portion.
  • the light source unit causes measurement light to enter the space.
  • the detection unit can perform a first operation of detecting the measurement light that has passed through the space in a state where the sample gas flows out from the outlet while the sample gas is introduced into the space from the inlet.
  • the control unit causes the detection unit to start the first operation based on the measurement result of the flow rate measured by the measurement unit.
  • FIG. 4A to FIG. 4C are schematic views illustrating a part of the breath diagnosis apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic view illustrating the breath diagnosis apparatus according to the embodiment.
  • the breath diagnosis apparatus 110 includes an entrance unit 20i, a cell unit 20, an exit unit 20o, a measurement unit 60, a light source unit 30, a detection unit 40, and a control. Part 45.
  • a supply unit 10i, a discharge unit 10o, an introduction pipe 15a, and a discharge pipe 15b are provided.
  • An introduction pipe 15 a is provided between the supply unit 10 i and the cell unit 20.
  • a discharge pipe 15 b is provided between the discharge unit 10 o and the cell unit 20.
  • the supply unit 10i, the introduction pipe 15a, the cell unit 20, the discharge pipe 15b, and the discharge unit 10o are continuous.
  • the sample gas 50 is supplied to the supply unit 10i.
  • the sample gas 50 is discharged from the discharge unit 10o to the atmosphere 10x (outside the breath diagnosis apparatus 110) through the supply unit 10i, the introduction pipe 15a, the cell unit 20, and the discharge pipe 15b.
  • At least a part of the supply unit 10i and the introduction pipe 15a corresponds to the entrance 20i.
  • the entrance 20i includes at least a part of the introduction pipe 15a.
  • the discharge pipe 15b corresponds to the outlet 20o.
  • the outlet part 20o includes at least a part of the discharge pipe 15b.
  • the sample gas 50 is supplied to the supply unit 10i.
  • the sample gas 50 includes exhaled air 50a.
  • the exhalation 50a is, for example, exhalation of animals including humans.
  • the exhaled breath 50a contains a substance intended for diagnosis. This material is, for example, acetone.
  • acetone For example, when suffering from diabetes, the concentration of acetone in the exhaled breath 50a increases as compared to when healthy.
  • the breath diagnosis apparatus 110 the health condition is diagnosed by measuring the concentration of a substance (for example, acetone). Examples of substances will be described later.
  • the sample gas 50 including the exhaled air 50a is blown into the supply unit 10i from the subject. That is, the subject introduces the sample gas into the entrance 20i.
  • the cell unit 20 includes a space 23s.
  • the sample gas 50 is introduced into the space 23s from the supply unit 10i through the introduction pipe 15a. That is, the sample gas 50 is introduced into the space 23s from the entrance 20i.
  • the cell unit 20 includes a cell 23. A space 23 s is formed in the cell 23. The sample gas 50 flowing out from the cell unit 20 flows out from the outlet unit 20o to the atmosphere 10x.
  • the light source unit 30 causes the measurement light 30L to enter the space 23s.
  • the detection unit 40 detects the measurement light 30L that has passed through the space 23s.
  • the measurement light 30 ⁇ / b> L is absorbed by a substance (for example, acetone) included in the exhalation 50 a in the sample gas 50.
  • the absorption of the measurement light 30L varies depending on the concentration of the substance.
  • the concentration of the target substance can be measured. Diagnosis is performed based on this result.
  • the light source unit 30 includes a semiconductor light emitting element 30a and a drive unit 30b.
  • the drive unit 30b is electrically connected to the semiconductor light emitting element 30a.
  • the drive unit 30b supplies power for light emission to the semiconductor light emitting element 30a.
  • a quantum cascade laser QCL
  • An example of the semiconductor light emitting element 30a will be described later.
  • the measurement light 30L includes a wavelength that is absorbed by the substance contained in the exhaled breath 50a.
  • the measurement light 30L includes infrared light (infrared light).
  • the measurement light 30L is, for example, not less than 0.7 micrometers ( ⁇ m) and not more than 1000 ⁇ m.
  • the measurement light 30L may be, for example, 2.5 ⁇ m or more and 11 ⁇ m or less.
  • the cell unit 20 includes a first reflection unit 21 and a second reflection unit 22.
  • the first reflection unit 21 and the second reflection unit 22 are reflective to the measurement light 30L.
  • the sample gas 50 introduced from the supply unit 10 i (entrance 20 i) is introduced into a space 23 s between the first reflection unit 21 and the second reflection unit 22. At least a part of the space 23 s is disposed between the first reflecting part 21 and the second reflecting part 22.
  • the measurement light 30L passes through the space 23s in a state where the sample gas 50 is introduced into the space 23s.
  • the measurement light 30L is reflected by the first reflecting unit 21 and the second reflecting unit 22, and reciprocates between the first reflecting unit 21 and the second reflecting unit 22 (space 23s) a plurality of times.
  • a part of the measurement light 30 ⁇ / b> L is absorbed by the substance contained in the sample gas 50.
  • a component having a wavelength peculiar to the substance is absorbed. The degree of absorption depends on the concentration of the substance.
  • the detection unit 40 detects, for example, the measurement light 30L that has passed through the space 23s in a state where the sample gas 50 is introduced into the space 23s.
  • thermopile for example, a thermopile or a semiconductor element (for example, MCT (HgCdTe)) is used.
  • MCT HgCdTe
  • the detection unit 40 is optional.
  • control unit 45 processes the signal detected by the detection unit 40 and derives a desired result.
  • a housing 10w is further provided.
  • the cell unit 20, the light source unit 30, the detection unit 40, the introduction pipe 15a, and the discharge pipe 15b are stored in the housing 10w.
  • the first optical component 36a is provided between the light source unit 30 and the cell unit 20 on the optical path of the measurement light 30L.
  • a second optical component 36b is provided between the cell unit 20 and the detection unit 40 on the optical path.
  • These optical components include, for example, a condensing optical element.
  • a filter may be used for these optical components.
  • Optical switches may be used for these optical components.
  • the optical components are provided as necessary and may be omitted.
  • a detection operation and a discharge operation are performed.
  • the sample gas 50 is introduced into the space 23s through the supply unit 10i.
  • the measurement light 30L is irradiated to the space 23s, and the measurement light 30L that has passed through the sample gas 50 is detected.
  • the sample gas 50 is not introduced into the space 23s through the supply unit 10i.
  • the discharge operation for example, air is introduced into the space 23s through the supply unit 10i.
  • the discharge operation is performed after the detection operation, for example.
  • the discharge operation is performed, for example, before the detection operation.
  • the sample gas 50 introduced into the space 23s in the detection operation is discharged to the atmosphere 10x in the discharge operation. Thereby, the space 23s is initialized. Thereby, the next detection operation becomes possible.
  • the discharge unit 10o causes the sample gas 50 to flow out from the space 23s into the atmosphere 10x in the detection operation.
  • the discharging unit 10o sucks the sample gas 50 from the space 23s and discharges the sample gas 50 into the atmosphere 10x.
  • a fan is used for the discharge unit 10o.
  • the fan is operated to forcibly discharge the sample gas 50 in the space 23s toward the atmosphere 10x.
  • the sample gas 50 supplied from the supply unit 10i is introduced into the space 23s without operating the fan.
  • the gas present in the space 23s is pushed out by the sample gas 50 introduced into the space 23s.
  • the pushed sample gas 50 flows out into the atmosphere 10x through the discharge pipe 15b and the discharge part 10o.
  • the detection unit 40 detects the measurement light 30L that has passed through the space 23s in a state where the sample gas 50 flows out from the outlet 20o while the sample gas 50 is introduced into the space 23s from the inlet 20i.
  • the subject performs the detection operation while blowing the exhalation 50a.
  • the result of detection (exhalation diagnosis) can be obtained quickly.
  • Multiple detections (breathing diagnosis) can be performed in a short time. For example, it is possible to know changes in the concentration of a substance before and after exercise. By detecting the concentration of the substance in the exhaled breath 50a while exercising, it becomes possible to know the relationship between exercise and concentration in real time.
  • the measuring unit 60 measures the flow rate of the sample gas 50 that passes through at least one of the inlet 20i and the outlet 20o.
  • the flow rate is, for example, a volume flow rate.
  • the flow rate may be a mass flow rate, for example.
  • the measuring unit 60 includes a first measuring device 61.
  • the 1st measuring device 61 is provided in the entrance part 20i, for example.
  • the first measuring device 61 measures the flow rate of the sample gas 50 passing through the inlet 20i.
  • the measurement unit 60 includes a second measuring device 62.
  • the second measuring device 62 measures the flow rate of the sample gas 50 that passes through the outlet 20o, for example.
  • the measuring unit 60 measures, for example, a temperature change that changes according to the flow rate of the sample gas 50.
  • a first temperature measuring element, a second temperature measuring element, and a heat generating part are provided in the path of the sample gas 50.
  • a heating part is provided between the first temperature measuring element and the second temperature measuring element along the path.
  • the difference between the measurement temperature by the first temperature measurement element and the measurement temperature by the second temperature measurement element is obtained while heating by the heat generating part.
  • the difference in temperature varies with the flow rate. For example, when the flow rate is large, the temperature difference is large. When the flow rate is small, the temperature difference is small.
  • the detection result of the detection unit 40 can be corrected based on the flow rate measured by the measurement unit 60. Further, based on the measured flow rate, it is possible to perform a display for prompting the subject to perform the operation of blowing the exhaled air 50a (sample gas 50). Thereby, the subject can perform blowing appropriately.
  • the breath diagnosis apparatus 110 is further provided with an output unit 65.
  • the output unit 65 is connected to at least one of the measurement unit 60, the detection unit 40, and the control unit 45.
  • the output unit 65 outputs the result measured by the measurement unit 60, for example.
  • the subject can appropriately perform the blowing operation by this output.
  • FIG. 2 is a graph illustrating characteristics of the breath diagnosis apparatus according to the embodiment.
  • the horizontal axis in FIG. 2 is time t (seconds).
  • the vertical axis represents the signal Vs (volts) detected by the detection unit 40.
  • the period before time t is 3 seconds is a period before measurement.
  • the subject starts blowing the exhaled air 50a (sample gas 50) into the supply unit 10i.
  • the exhaled air 50a (sample gas 50) is introduced into the space 23s of the cell unit 20.
  • a period of a predetermined length for example, 5 seconds
  • the signal Vs is high before the time t is 3 seconds (before starting blowing). When the time t is 7 to 15 seconds, the signal Vs becomes low. This is because the measurement light 30L is absorbed by the substance contained in the exhaled breath 50a (sample gas 50).
  • the difference ⁇ Vs between these signals Vs corresponds to the concentration of the target substance to be detected. It should be noted that the concentration has a relationship between the signal Vs difference ⁇ Vs (light absorption difference) and an exponential function.
  • the first operation OP1 performed while blowing the breath 50a is performed.
  • movement OP2 performed in the state which does not blow exhalation 50a is performed.
  • the first operation OP1 is a detection operation for detecting the concentration of the target substance contained in the exhaled breath 50a (sample gas 50), for example.
  • the second operation OP2 is, for example, a calibration operation (preparation operation) for obtaining a reference signal.
  • the difference ⁇ Vs between the signal Vs in the first operation OP1 and the signal Vs in the second operation OP2 is used as the value of the detection result of the detection unit 40.
  • the substance concentration Cx obtained by converting the difference ⁇ Vs may be used.
  • a ratio is used as the difference ⁇ Vs.
  • the signal Vs obtained in the first operation OP1 is set as the first signal Vs1.
  • the signal Vs obtained in the second operation OP2 is set as a reference signal Vs0.
  • the ratio of the first signal Vs1 to the reference signal Vs0 corresponds to the degree of absorption of the measurement light 30L in the space 23s.
  • the degree of absorption is the ratio of the light intensity (I1) in the first operation OP1 to the light intensity (I0) in the second operation OP2.
  • I1 / I0 e ( ⁇ LP).
  • E is the base of the natural logarithm.
  • ⁇ is a constant.
  • “L” is the optical path length of the measurement light 30L passing through the space 23s.
  • “P” is the partial pressure of the target substance. The degree of absorption is obtained from the detected signal Vs. From this result, the partial pressure P of the target substance is known. The concentration Cx is obtained from the partial pressure P.
  • the signal Vs changes. This corresponds to a state in which the air initially present in the space 23 s is gradually replaced by the sample gas 50.
  • the first operation OP1 is performed in a state where a stable signal Vs is obtained after the space 23s is sufficiently replaced with the sample gas 50.
  • the signal Vs may be excessively lowered and unstable immediately after blowing. This is because, for example, the signal Vs becomes unstable due to turbulent flow generated by blowing.
  • the first operation OP1 is performed during a period in which a stable signal Vs is obtained.
  • the time of the first operation OP1 is, for example, about 1 second to 10 seconds. Within such a short time, detection is performed simultaneously with blowing.
  • the measurement light 30L reciprocates a plurality of times between the first reflecting portion 21 and the second reflecting portion 22 (space 23s), so that the effective distance of the optical path can be expanded, absorption is increased, and high. Sensitivity can be obtained. Further, by using a quantum cascade laser, light having a high intensity can be obtained in a wide wavelength range. High sensitivity is obtained.
  • the detection is performed while introducing the sample gas 50 including the exhalation 50a into the cell unit 20.
  • the detection is performed in a state where the breath 50a is not sufficiently blown by the subject and the space 23s of the cell portion 20 is not sufficiently replaced with the sample gas 50, the detection result is low in accuracy. Is accurate. For example, it was found that when the inhalation of the exhaled breath 50a by the subject is weak and the flow rate is low, the detection result is not stable and there are many variations.
  • the flow rate is measured, and the detection operation is started based on the result. Further, a discharging operation is performed in order to return the space 23s to the initial state in advance. Meanwhile, the second operation OP2 of the preparation operation is performed.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating the operation of the breath diagnosis apparatus according to the embodiment. As shown in FIG. 3, for example, a discharging operation is performed (S110). Then, the second operation OP2 is performed (step S120). The flow rate is measured (step S130). Based on the flow rate measurement result, the first operation OP1 is disclosed (step S140). These operations are controlled by the control unit 45, for example.
  • control unit 45 causes the detection unit 40 to start the first operation OP1 based on the measurement result of the flow rate measured by the measurement unit 60. Thereby, the first signal Vs1 is obtained.
  • a reference value is predetermined for the flow rate. Stable detection results can be obtained at flow rates above the reference value. When exhalation 50a is not blown, the flow rate is less than the reference value. Even when the exhalation of the exhaled air 50a is excessively weak, it becomes less than the reference value.
  • control unit 45 causes the detection unit 40 to start the first operation (detection operation) when the flow rate measured by the measurement unit 60 is equal to or greater than a predetermined reference value.
  • control unit 45 causes the second operation OP2 to be performed before the first operation OP2.
  • the measurement light 30L that has passed through the space 23s in a state where the sample gas 50 is not introduced into the space 23s from the inlet 20i is detected. Thereby, the reference signal Vs0 is obtained.
  • control unit 45 controls the discharge unit 10o.
  • the control unit 45 performs the discharge operation before the second operation OP2.
  • the sample gas 50 is sucked from the space 23s to the discharge unit 10o to discharge the sample gas 50 into the atmosphere 10x.
  • first operation OP1 This improves the accuracy of the detection result obtained in the detection operation (first operation OP1).
  • second operation OP2 and the first operation OP1 are performed based on, for example, a predetermined time without detecting the flow rate.
  • these operations may be performed in a state where an appropriate value cannot be stably obtained.
  • it is possible to measure with high accuracy by detecting the flow rate and performing the first operation OP1 and the second operation OP based on the result.
  • the first operation OP1 may be terminated based on the flow rate measurement result. This operation is also controlled by the control unit 45.
  • the discharge unit 10o causes the sample gas 50 to flow out to the atmosphere 10x without sucking the sample gas 50 from the space 23s in the first operation OP1.
  • the rotation speed of the fan 10f in the discharge operation is higher than the rotation speed of the fan 10f in the first operation OP1.
  • the sample gas 50 flows out from the space 23s into the atmosphere 10x through the gap between the fans 10f.
  • the result (flow rate) detected by the measurement unit 60 may be output to the output unit 65.
  • the output unit 65 may generate sound (voice).
  • a meter in which the needle moves according to the flow rate may be used.
  • the output unit 65 may use a display device (for example, a liquid crystal display device) whose display changes according to the flow rate.
  • a speaker or the like may be used as the output unit 65.
  • the output unit 65 may output a signal that prompts the subject to change the operation of introducing the sample gas 50 according to the result (flow rate) measured by the measurement unit 60.
  • the change of the introduction operation includes at least one of start of introduction, change of introduction strength (flow rate), and end of introduction.
  • the subject can appropriately introduce the exhalation 50a (sample gas 50).
  • a more accurate detection can be performed by appropriately introducing the exhaled breath 50a (sample gas 50) by the subject.
  • the flow rate of the sample gas 50 passing through the inlet 20i for example, the flow rate of the blown breath 50a (sample gas 50) is measured more directly. it can.
  • the focus is on the state in which the detected concentration Cx changes depending on the flow rate.
  • the flow rate is measured and, for example, the detection result is corrected based on the measurement result.
  • a fan 10f may be provided in the discharge unit 10o.
  • the fan 10f rotates in the discharging operation.
  • the fan 10f may not rotate.
  • the sample gas 50 may flow out through the opening provided by the fan 10f.
  • the rotational speed of the fan 10f is small.
  • the operation of the fan 10f may be controlled based on the flow rate measurement result. For example, the operation of the fan 10f may be started when the flow rate decreases after the flow rate increases and the detection operation is performed. Thereby, time loss can be suppressed and the time until the next detection operation can be shortened.
  • the capacity of the space 23s is smaller than the capacity of the sample gas 50 supplied from the inlet 20i (supply part 10i). Thereby, in the detection operation, the space 23s is sufficiently replaced by the sample gas 50, and high measurement accuracy is obtained.
  • the second operation OP2 may be started based on the result of observing that the intensity of the measurement light 30L by the detection unit 40 is stabilized.
  • the sample gas 50 in the space 23s is discharged by the discharge operation, and the space 23s is replaced with air.
  • the replacement state can be observed.
  • the second operation OP2 is started when the change per unit time of the measurement light 30L becomes a predetermined value (for example, 1%) or less. Thereby, measurement can be performed in a state where sufficient replacement has been performed. Measurement with higher accuracy becomes possible.
  • the substance is, for example, a carbon dioxide isotope.
  • information on H. pylori is obtained.
  • the substance is, for example, methane.
  • information on intestinal anaerobic bacteria is obtained.
  • the substance is, for example, ethanol.
  • information about drinking is obtained.
  • the substance is, for example, acetaldehyde.
  • information on alcohol consumption metabolites and lung cancer can be obtained.
  • the substance is, for example, acetone.
  • information on diabetes is obtained.
  • the substance is, for example, nitric oxide. In this case, for example, information about asthma is obtained.
  • the substance is, for example, ammonia. In this case, for example, information on hepatitis is obtained.
  • the substance is, for example, nonanal. In this case, for example, information on lung cancer is obtained.
  • the substance to be measured included in the exhaled breath 50a is arbitrary.
  • FIG. 4A to FIG. 4C are schematic views illustrating a part of the breath diagnosis apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 4A is a schematic perspective view.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG.
  • FIG. 4C is a schematic view illustrating the operation of the light source unit 30.
  • a semiconductor light emitting element 30 a is used as the light source unit 30.
  • a laser is used as the semiconductor light emitting element 30a.
  • a quantum cascade laser is used.
  • the semiconductor light emitting element 30a includes a substrate 35, a stacked body 31, a first electrode 34a, a second electrode 34b, a dielectric layer 32 (first dielectric layer), and And an insulating layer 33 (second dielectric layer).
  • a substrate 35 is provided between the first electrode 34a and the second electrode 34b.
  • the substrate 35 includes a first portion 35a, a second portion 35b, and a third portion 35c. These parts are arranged in one plane. This plane intersects (for example, parallel) with respect to the direction from the first electrode 34a to the second electrode 34b.
  • a third portion 35c is disposed between the first portion 35a and the second portion 35b.
  • the laminate 31 is provided between the third portion 35c and the first electrode 34a.
  • the dielectric layer 32 is provided between the first portion 35a and the first electrode 34a and between the second portion 35b and the first electrode 34a.
  • An insulating layer 33 is provided between the dielectric layer 32 and the first electrode 34a.
  • the laminated body 31 has a stripe shape.
  • the stacked body 31 functions as a ridge waveguide RG.
  • the two end surfaces of the ridge waveguide RG become mirror surfaces.
  • the light 31L emitted from the stacked body 31 is emitted from the end face (light emission surface).
  • the light 31L is an infrared laser beam.
  • the optical axis 31Lx of the light 31L is along the extending direction of the ridge waveguide RG.
  • the stacked body 31 includes, for example, a first cladding layer 31a, a first guide layer 31b, an active layer 31c, a second guide layer 31d, and a second cladding layer 31e. ,including. These layers are arranged in this order along the direction from the substrate 35 toward the first electrode 34a.
  • Each of the refractive index of the first cladding layer 31a and the refractive index of the second cladding layer 31e is based on the refractive index of the first guide layer 31b, the refractive index of the active layer 31c, and the refractive index of the second guide layer 31d. Is also low.
  • the light 31L generated in the active layer 31c is confined in the stacked body 31.
  • the first guide layer 31b and the first cladding layer 31a may be collectively referred to as a cladding layer.
  • the second guide layer 31d and the second cladding layer 31e may be collectively referred to as a cladding layer.
  • the stacked body 31 has a first side surface 31sa and a second side surface 31sb perpendicular to the optical axis 31Lx.
  • a distance 31w (width) between the first side surface 31sa and the second side surface 31sb is, for example, not less than 5 ⁇ m and not more than 20 ⁇ m. Thereby, for example, the control in the horizontal / horizontal mode is facilitated, and the output is easily improved. If the distance 31w is excessively long, a high-order mode is likely to occur in the horizontal and transverse mode, and the output is difficult to increase.
  • the refractive index of the dielectric layer 32 is lower than the refractive index of the active layer 31c. Thereby, the ridge waveguide RG is formed by the dielectric layer 32 along the optical axis 31Lx.
  • the active layer 31c has, for example, a cascade structure.
  • the cascade structure for example, the first regions r1 and the second regions r2 are alternately stacked.
  • the unit structure r3 includes a first region r1 and a second region r2. A plurality of unit structures r3 are provided.
  • a first barrier layer BL1 and a first quantum well layer WL1 are provided in the first region r1.
  • the second barrier layer BL2 is provided in the second region.
  • the third barrier layer BL3 and the second quantum well layer WL2 are provided in another first region r1a.
  • the fourth barrier layer BL4 is provided in another second region r2a.
  • an intersubband optical transition of the first quantum well layer WL1 occurs in the first region r1. Thereby, for example, light 31La having a wavelength of 3 ⁇ m or more and 18 ⁇ m or less is emitted.
  • the energy of the carrier c1 (for example, electrons) injected from the first region r1 can be relaxed.
  • the well width WLt is, for example, 5 nm or less.
  • the energy levels are discrete, and for example, the first subband WLa (high level Lu) and the second subband WLb (low level Ll) are generated.
  • Carriers c1 injected from the first barrier layer BL1 are effectively confined in the first quantum well layer WL1.
  • the quantum well layer may include a plurality of wells with overlapping wave functions.
  • the high levels Lu of the plurality of quantum well layers may be the same.
  • the low levels Ll of the plurality of quantum well layers may be the same as each other.
  • the intersubband optical transition occurs in either the conduction band or the valence band.
  • recombination of holes and electrons by a pn junction is not necessary.
  • an optical transition is caused by either the hole or electron carrier c1, and light is emitted.
  • the voltage applied between the first electrode 34a and the second electrode 34b causes the carrier c1 (for example, electrons) to be quantum via the barrier layer (for example, the first barrier layer BL1). Implanted into the well layer (for example, the first quantum well layer WL1). This causes an intersubband optical transition.
  • the carrier c1 for example, electrons
  • the barrier layer for example, the first barrier layer BL1
  • the well layer for example, the first quantum well layer WL1
  • the second region r2 has, for example, a plurality of subbands.
  • the subband is, for example, a miniband.
  • the energy difference in the subband is small.
  • the subband is preferably close to a continuous energy band. As a result, the energy of the carrier c1 (electrons) is relaxed.
  • the second region r2 for example, light (for example, infrared rays having a wavelength of 3 ⁇ m or more and 18 ⁇ m or less) is not substantially emitted.
  • the carriers c1 (electrons) of the low level L1 in the first region r1 pass through the second barrier layer BL2 and are injected into the second region r2 and relaxed.
  • the carrier c1 is injected into another first region r1a that is cascade-connected. An optical transition occurs in this first region r1a.
  • the light source unit 30 includes the semiconductor light emitting element 30a.
  • the semiconductor light emitting device 30a emits the measurement light 30L by electron energy relaxation in subbands of a plurality of quantum wells (for example, the first quantum well layer WL1 and the second quantum well layer WL2).
  • GaAs is used for the quantum well layers (for example, the first quantum well layer WL1 and the second quantum well layer WL2).
  • Al x Ga 1-x As (0 ⁇ x ⁇ 1) is used for the barrier layer (for example, the first to fourth barrier layers BL1 to BL4).
  • the barrier layer for example, the first to fourth barrier layers BL1 to BL4.
  • the first cladding layer 31a and the second cladding layer 31e include, for example, Si as an n-type impurity.
  • the impurity concentration in these layers is, for example, 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 or less (for example, about 6 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 ).
  • the thickness of each of these layers is, for example, not less than 0.5 ⁇ m and not more than 2 ⁇ m (for example, about 1 ⁇ m).
  • the first guide layer 31b and the second guide layer 31d include, for example, Si as an n-type impurity.
  • the impurity concentration in these layers is, for example, 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less (for example, about 4 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 ).
  • the thickness of each of these layers is, for example, 2 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less (for example, 3.5 ⁇ m).
  • the distance 31w (the width of the stacked body 31, that is, the width of the active layer 31c) is, for example, 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less (for example, about 14 ⁇ m).
  • the length of the ridge waveguide RG is, for example, 1 mm or more and 5 mm or less (for example, about 3 mm).
  • the semiconductor light emitting device 30a (quantum cascade laser) operates at an operating voltage of 10 V or less, for example.
  • the current consumption is lower than that of a carbon dioxide laser device or the like. Thereby, operation with low power consumption is possible.
  • a highly accurate breath diagnosis apparatus can be provided.
  • breath diagnostic apparatuses that can be implemented by a person skilled in the art with appropriate design changes also include the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention. Belonging to.

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Abstract

　実施形態によれば、入り口部と、セル部と、出口部と、測定部と、光源部と、検出部と、制御部と、を含む呼気診断装置が提供される。前記セル部は、前記入り口を介して呼気を含む試料気体が導入される空間を有する。前記出口部に、前記セル部から前記試料気体が流れ出る。前記測定部は、前記入り口部及び前記出口部の少なくともいずれかを通過する前記試料気体の流量を測定する。前記光源部は、前記空間に測定光を入射させる。前記検出部は、前記試料気体が前記入り口部から前記空間に導入されつつ前記試料気体が前記出口部から流れ出る状態で前記空間を通過した前記測定光を検出する第１動作が可能である。前記制御部は、前記測定部で測定された前記流量の測定結果に基づいて、前記検出部に前記第１動作を開始させる。

Description

呼気診断装置
　本発明の実施形態は、呼気診断装置に関する。
　呼気診断装置においては、呼気のガスを測定する。この測定結果より、病気の予防や早期発見が容易になる。呼気診断装置において、高精度の測定結果を得ることが望まれる。
特開２０１３－１１６２０号公報
　本発明の実施形態は、高精度の呼気診断装置を提供する。
　本発明の実施形態によれば、入り口部と、セル部と、出口部と、測定部と、光源部と、検出部と、制御部と、を含む呼気診断装置が提供される。前記セル部は、前記入り口を介して呼気を含む試料気体が導入される空間を有する。前記出口部に、前記セル部から前記試料気体が流れ出る。前記測定部は、前記入り口部及び前記出口部の少なくともいずれかを通過する前記試料気体の流量を測定する。前記光源部は、前記空間に測定光を入射させる。前記検出部は、前記試料気体が前記入り口部から前記空間に導入されつつ前記試料気体が前記出口部から流れ出る状態で前記空間を通過した前記測定光を検出する第１動作が可能である。前記制御部は、前記測定部で測定された前記流量の測定結果に基づいて、前記検出部に前記第１動作を開始させる。
実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。 実施形態に係る呼気診断装置の特性を例示するグラフ図である。 実施形態に係る呼気診断装置の動作を例示するフローチャート図である。 図４（ａ）～図４（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。
　以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。　
　なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。　
　なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
　（実施形態）　
　図１は、実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。　
　図１に表したように、本実施形態に係る呼気診断装置１１０は、入り口部２０ｉと、セル部２０と、出口部２０ｏと、測定部６０と、光源部３０と、検出部４０と、制御部４５と、を含む。
　例えば、供給部１０ｉと、排出部１０ｏと、導入配管１５ａと、排出配管１５ｂと、が設けられている。
　供給部１０ｉとセル部２０との間に導入配管１５ａが設けられる。排出部１０ｏとセル部２０との間に排出配管１５ｂが設けられる。供給部１０ｉ、導入配管１５ａ、セル部２０、排出配管１５ｂ及び排出部１０ｏは連続している。供給部１０ｉに試料気体５０が供給される。試料気体５０は、供給部１０ｉ、導入配管１５ａ、セル部２０及び排出配管１５ｂを経て、排出部１０ｏから大気１０ｘ（呼気診断装置１１０の外側）に排出される。
　供給部１０ｉ及び導入配管１５ａの少なくとも一部が、入り口部２０ｉに対応する。例えば、入り口部２０ｉは、導入配管１５ａの少なくとも一部を含む。
　排出配管１５ｂが、出口部２０ｏに対応する。例えば、出口部２０ｏは、排出配管１５ｂの少なくとも一部を含む。
　供給部１０ｉには、試料気体５０が供給される。試料気体５０は、呼気５０ａを含む。呼気５０ａは、例えば、ヒトを含む動物の呼気である。呼気５０ａには、診断の目的とする物質が含まれる。この物質は、例えば、アセトンである。例えば、糖尿病に罹患すると、呼気５０ａ中のアセトンの濃度が健康時に比べて上昇する。呼気診断装置１１０においては、物質（例えばアセトンなど）の濃度を測定することで、健康状態が診断される。物質の例については、後述する。
　呼気５０ａを含む試料気体５０が、被検者から、供給部１０ｉに吹き込まれる。すなわち、被検者は、入り口部２０ｉに試料気体を導入させる。
　セル部２０は、空間２３ｓを含む。試料気体５０が、供給部１０ｉから導入配管１５ａを経て、空間２３ｓに導入される。すなわち、入り口部２０ｉから、試料気体５０が空間２３ｓに導入される。この例では、セル部２０は、セル２３を含む。セル２３の中に空間２３ｓが形成される。セル部２０から流れ出た試料気体５０が、出口部２０ｏから大気１０ｘに流れ出る。
　光源部３０は、空間２３ｓに測定光３０Ｌを入射させる。
　検出部４０は、空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出する。例えば、試料気体５０中の呼気５０ａに含まれる物質（例えばアセトンなど）により、測定光３０Ｌが吸収される。測定光３０Ｌの吸収は、物質の濃度に応じて変化する。検出部４０により、測定光３０Ｌを検出することで、目的とする物質の濃度が測定できる。この結果に基づいて診断が行われる。
　この例では、光源部３０は、半導体発光素子３０ａと、駆動部３０ｂと、を含む。駆動部３０ｂは、半導体発光素子３０ａに電気的に接続される。駆動部３０ｂは、半導体発光素子３０ａに、発光のための電力を供給する。後述するように、半導体発光素子３０ａとして、例えば、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）が用いられる。半導体発光素子３０ａの例については、後述する。
　測定光３０Ｌは、呼気５０ａに含まれる物質に吸収される波長を含む。測定光３０Ｌは、赤外光（赤外線）を含む。測定光３０Ｌは、例えば、０．７マイクロメートル（μｍ）以上１０００μｍ以下である。測定光３０Ｌは、例えば、２．５μｍ以上１１μｍ以下でも良い。
　この例では、セル部２０は、第１反射部２１と、第２反射部２２と、を含む。第１反射部２１及び第２反射部２２は、測定光３０Ｌに対して反射性である。
　供給部１０ｉ（入り口部２０ｉ）から導入された試料気体５０は、第１反射部２１と第２反射部２２との間の空間２３ｓに導入される。第１反射部２１と第２反射部２２との間に空間２３ｓの少なくとも一部が配置される。
　測定光３０Ｌは、空間２３ｓに試料気体５０が導入された状態において、空間２３ｓを通過する。例えば、測定光３０Ｌは、第１反射部２１と第２反射部２２とで反射して、第１反射部２１と第２反射部２２との間（空間２３ｓ）を複数回往復する。測定光３０Ｌの一部が、試料気体５０に含まれる物質により吸収される。測定光３０Ｌのうちの、物質に特有の波長の成分が吸収される。吸収の程度は、物質の濃度に依存する。
　検出部４０は、例えば、空間２３ｓに試料気体５０が導入された状態において空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出する。
　検出部４０には、赤外領域に感度を有する素子が用いられる。検出部４０には、例えばサーモパイルまたは半導体素子（例えばＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ））などが用いられる。実施形態において、検出部４０は任意である。
　この例では、制御部４５がさらに設けられている。制御部４５は、検出部４０で検出された信号を処理して、所望の結果を導出する。
　この例では、筐体１０ｗがさらに設けられている。筐体１０ｗ中に、例えば、セル部２０、光源部３０、検出部４０、導入配管１５ａ及び排出配管１５ｂが格納される。
　この例では、測定光３０Ｌの光路上において、光源部３０とセル部２０との間に、第１光学部品３６ａが設けられている。光路上において、セル部２０と検出部４０との間に、第２光学部品３６ｂが設けられている。これらの光学部品は、例えば、集光光学素子を含む。これらの光学部品に、フィルタを用いても良い。これらの光学部品に、光スイッチを用いても良い。光学部品は必要に応じて設けられ、省略しても良い。
　呼気診断装置１１０においては、検出動作と、排出動作と、が行われる。
　検出動作においては、試料気体５０が供給部１０ｉを介して空間２３ｓに導入される。検出動作においては、空間２３ｓに測定光３０Ｌが照射され、試料気体５０を通過した測定光３０Ｌが検出される。
　排出動作においては、試料気体５０が供給部１０ｉを介して空間２３ｓに導入されない。排出作業においては、例えば、空気が供給部１０ｉを介して空間２３ｓに導入される。排出動作は、例えば、検出動作の後に行われる。排出動作は、例えば、検出動作の前に行われる。検出動作において空間２３ｓに導入された試料気体５０が、排出動作において、大気１０ｘに排出される。これにより、空間２３ｓは初期化される。これにより、次の検出動作が可能になる。
　例えば、排出部１０ｏは、検出動作において、空間２３ｓから、試料気体５０を大気１０ｘ中に流れ出させる。例えば、排出部１０ｏは、排出動作において、空間２３ｓから、試料気体５０を吸引して、試料気体５０を大気１０ｘ中に排出する。
　排出部１０ｏには、例えば、ファンが用いられる。排出動作においては、ファンを動作させて、空間２３ｓ内の試料気体５０が、大気１０ｘに向けて、強制排出される。
　例えば、検出動作においては、ファンを動作させずに、供給部１０ｉから供給された試料気体５０は、空間２３ｓに導入される。空間２３ｓ内に存在していた気体が、空間２３ｓに導入された試料気体５０により押し出される。押し出された試料気体５０が、排出配管１５ｂ及び排出部１０ｏを介して、大気１０ｘ中に流れ出る。
　検出部４０は、試料気体５０が入り口部２０ｉから空間２３ｓに導入されつつ試料気体５０が出口部２０ｏから流れ出る状態で、空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出する。
　例えば、被検者が呼気５０ａを吹き込みながら、検出動作を行う。これにより検出（呼気診断）の結果が迅速に得られる。短い時間の間に、複数の検出（呼気診断）を実施できる。例えば、運動する前後での物質の濃度の変化を知ることができる。運動しながら呼気５０ａ中の物質の濃度を検出することで、運動と濃度の関係をリアルタイムに知ることも可能になる。
　測定部６０は、入り口部２０ｉ及び出口部２０ｏの少なくともいずれかを通過する試料気体５０の流量を測定する。流量は、例えば体積流量である。流量は、例えば質量流量でも良い。
　この例では、測定部６０は、第１測定器６１を含む。第１測定器６１は、例えば、入り口部２０ｉに設けられる。第１測定器６１は、入り口部２０ｉを通過する試料気体５０の流量を測定する。
　この例では、測定部６０は、第２測定器６２を含む。第２測定器６２は、例えば、出口部２０ｏを通過する試料気体５０の流量を測定する。
　測定部６０（第１測定器６１及び第２測定器６２）は、例えば、試料気体５０の流量に応じて変化する温度変化を測定する。例えば、第１温度測定素子と、第２温度測定素子と、発熱部と、が、試料気体５０の経路中に設けられる。経路に沿って、発熱部は、第１温度測定素子と第２温度測定素子との間に設けられる。発熱部で加熱しつつ、第１温度測定素子による測定温度と、第２温度測定素子による測定温度と、の差が求められる。温度の差は、流量に応じて変化する。例えば、流量が大きいと、温度の差は大きい。流量が小さいと、温度の差は小さい。
　実施形態に係る呼気診断装置１１０においては、測定部６０で測定された流量に基づいて、例えば、検出部４０の検出結果を補正できる。また、測定された流量に基づいて、被検者に呼気５０ａ（試料気体５０）の吹き込みの動作を促す表示などを行うことができる。これにより、被検者は、適切に吹き込みを行うことができる。
　これにより、高精度の検出（呼気診断結果）を得ることができる。
　例えば、図１に例示したように、呼気診断装置１１０に、出力部６５がさらに設けられている。出力部６５は、測定部６０、検出部４０及び制御部４５の少なくともいずれかに接続される。出力部６５は、例えば、測定部６０で測定した結果を出力する。被検者は、この出力により、吹き込み動作を適正に行うこともできる。
　図２は、実施形態に係る呼気診断装置の特性を例示するグラフ図である。
　図２の横軸は、時間ｔ（秒）である。縦軸は、検出部４０で検出された信号Ｖｓ（ボルト）である。
　図２に示した実線の例では、時間ｔが３秒よりも前の期間は、測定の前の期間である。時間ｔが３秒のときに、被検者が呼気５０ａ（試料気体５０）を供給部１０ｉに吹き込むことを開始する。呼気５０ａ（試料気体５０）がセル部２０の空間２３ｓに導入される。所定の長さの期間（例えば５秒）において、被検者は、呼気５０ａの吹き込みを続ける。
　時間ｔが３秒よりも前（吹き込み開始する前）において信号Ｖｓは、高い。時間ｔが７秒～１５秒において、信号Ｖｓが低くなる。これは、呼気５０ａ（試料気体５０）に含まれる物質により、測定光３０Ｌが吸収されたことによる。これらの信号Ｖｓの差異ΔＶｓが、検出の目的とする物質の濃度に対応する。なお、濃度は、信号Ｖｓの差異ΔＶｓ（光吸収の差異）と、指数関数の関係を有する。
　呼気診断装置１１０においては、例えば、呼気５０ａを吹き込みながら行われる第１動作ＯＰ１が行われる。そして、呼気５０ａを吹き込まない状態で行われる第２動作ＯＰ２が行われる。第１動作ＯＰ１は、例えば、呼気５０ａ（試料気体５０）に含まれる目的の物質の濃度を検出する検出動作である。第２動作ＯＰ２は、例えば、基準となる信号を得るためのキャリブレーション動作（準備動作）である。
　第１動作ＯＰ１における信号Ｖｓと第２動作ＯＰ２における信号Ｖｓとの差異ΔＶｓが、検出部４０の検出の結果の値として用いられる。検出の結果の値として、差異ΔＶｓを換算して得られる、物質の濃度Ｃｘを用いても良い。
　差異ΔＶｓとして、例えば、比を用いる。例えば、第１動作ＯＰ１において得られた信号Ｖｓを第１信号Ｖｓ１とする。第２動作ＯＰ２で得られた信号Ｖｓを基準信号Ｖｓ０とする。例えば、第１信号Ｖｓ１の基準信号Ｖｓ０に対する比（すなわち、Ｖｓ１／Ｖｓ０）が、空間２３ｓにおける測定光３０Ｌの吸収の程度に対応する。吸収の程度は、第１動作ＯＰ１における光強度（Ｉ１）の、第２動作ＯＰ２における光強度（Ｉ０）に対する比である。このとき、Ｉ１／Ｉ０＝ｅ（－αＬＰ）で表される。「ｅ」は、自然対数の底である。「α」は、定数である。「Ｌ」は、空間２３ｓを通過する測定光３０Ｌの光路長である。「Ｐ」は、対象とする物質の分圧である。検出された信号Ｖｓから吸収の程度が得られる。この結果から、対象とする物質の分圧Ｐが分かる。分圧Ｐから濃度Ｃｘが求められる。
　第１動作ＯＰ１と第２動作ＯＰ２との間の期間においては、信号Ｖｓが変化する。これは、初期に空間２３ｓ内に存在した空気が試料気体５０により徐々に置換される状態に対応する。第１動作ＯＰ１は、空間２３ｓが試料気体５０により十分に置換された後の、安定した信号Ｖｓが得られる状態において、実施される。
　図２に例示した破線の例のように、吹き込みの直後に、信号Ｖｓが過度に低下し不安定になる場合がある。これは、例えば、吹き込みにより発生した乱流により、信号Ｖｓが不安定になることに起因している。
　実施形態においては、安定した信号Ｖｓが得られる期間に、第１動作ＯＰ１が行われる。第１動作ＯＰ１の時間は、例えば１秒～１０秒程度である。このような短い時間内に、吹き込みと同時に検出が行われる。実施形態においては、第１反射部２１と第２反射部２２との間（空間２３ｓ）を測定光３０Ｌが複数回往復することで、光路の実効的な距離が拡大でき、吸収が高まり、高い感度を得ることができる。さらに、量子カスケードレーザを用いることで、広い波長範囲で強度が高い光が得られる。高い感度が得られる。
　実施形態においては、呼気５０ａを含む試料気体５０をセル部２０に導入しながら検出を行う。例えば、被検者による呼気５０ａの吹き込みが不十分であり、セル部２０の空間２３ｓが十分に試料気体５０で置換されていない状態で検出を行うと、検出の結果は、精度が低く、不正確である。例えば被検者による呼気５０ａの吹き込みが弱く流量が低い場合は、検出の結果が安定せず、ばらつきが多いことが分かった。
　このため、本実施形態に係る呼気診断装置１１０においては、流量を測定し、その結果に基づいて、検出動作を開始する。さらに、予め空間２３ｓを初期状態に戻すために、排出動作を行う。その間に、準備動作の第２動作ＯＰ２を実施する。
　図３は、実施形態に係る呼気診断装置の動作を例示するフローチャート図である。　
　図３に表したように、例えば、排出動作を行う（Ｓ１１０）。そして、第２動作ＯＰ２を行う（ステップＳ１２０）。流量の測定を行う（ステップＳ１３０）。流量の測定結果に基づいて、第１動作ＯＰ１を開示する（ステップＳ１４０）。これらの動作は、例えば制御部４５により制御される。
　すなわち、制御部４５は、測定部６０で測定された流量の測定結果に基づいて、検出部４０に第１動作ＯＰ１を開始させる。これにより、第１信号Ｖｓ１が得られる。
　例えば、流量に関して、基準値が予め定められる。基準値以上の流量において、安定した検出結果が得られる。呼気５０ａが吹き込まれていない場合は、流量は基準値未満となる。呼気５０ａの吹き込みが過度に弱い場合も、基準値未満となる。
　例えば、制御部４５は、測定部６０で測定された流量が予め定められた基準値以上のときに、検出部４０に第１動作（検出動作）を開始させる。
　例えば、制御部４５は、第１動作ＯＰ２の前に、第２動作ＯＰ２を実施させる。第２動作ＯＰ２においては、試料気体５０が入り口部２０ｉから空間２３ｓに導入されない状態で空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌが検出される。これにより、基準信号Ｖｓ０が得られる。
　さらに、制御部４５は、排出部１０ｏを制御する。制御部４５は、第２動作ＯＰ２の前に、排出動作を実施させる。排出動作においては、排出部１０ｏに、空間２３ｓから試料気体５０を吸引させて試料気体５０を大気１０ｘ中に排出させる。
　これにより、検出動作（第１動作ＯＰ１）において得られる検出の結果の精度が向上する。　
　例えば、流量を検出せずに、例えば、予め定めれた時間を基にして、第２動作ＯＰ２及び第１動作ＯＰ１を実施する参考例がある。この参考例においては、適正な値が安定して得られない状態でこれらの動作が実施されることがある。　
　これに対して、本実施形態によれば、流量を検出して、その結果に基づいて、第１動作ＯＰ１及び第２動作ＯＰを実施することで、高精度の測定が可能である。
　実施形態において、流量の測定結果に基づいて、第１動作ＯＰ１を終了しても良い。この動作も制御部４５により制御される。
　例えば、排出部１０ｏは、第１動作ＯＰ１において、空間２３ｓから試料気体５０を吸引せずに、試料気体５０を大気１０ｘに流れ出させる。
　排出動作において回転するファン１０ｆが設けられる場合、排出動作におけるファン１０ｆの回転数は、第１動作ＯＰ１におけるファン１０ｆの回転数よりも高い。第１動作ＯＰ１において、試料気体５０は、ファン１０ｆの間の隙間を介して、空間２３ｓから大気１０ｘ中に流れ出る。
　例えば、呼気診断装置１１０に、出力部６５が設けられる場合、出力部６５に、測定部６０で検出した結果（流量）を出力しても良い。出力部６５は、例えば、音（音声）を発生させても良い。出力部６５として、例えば、流量に応じて針が動くメータを用いても良い。出力部６５は、流量に応じて表示が変化する表示装置（例えば、液晶表示装置など）を用いても良い。出力部６５には、例えば、スピーカなどを用いても良い。これらを組み合わせても良い。
　出力部６５は、測定部６０で測定した結果（流量）に応じて、被検者に試料気体５０の導入動作の変更を促す信号を出力しても良い。導入動作の変更は、導入の開始、導入の強さ（流量）の変更、及び、導入の終了少なくともいずれかを含む。これにより、被検者は、呼気５０ａ（試料気体５０）を適切に導入させることができる。
　被験者による呼気５０ａ（試料気体５０）の導入が適正に行われることで、より高精度の検出（診断）が実施できる。
　実施形態において、第１測定器６１を設け、入り口部２０ｉを通過する試料気体５０の流量を測定することで、例えば、吹き込まれた呼気５０ａ（試料気体５０）の流量を、より直接的に測定できる。
　実施形態において、第２測定器６２を設け、出口部２０ｏを通過する試料気体５０の流量を測定することで、例えば、呼気５０ａに含まれる湿度の差異の影響を受け難くできる。
　例えば、被検者が呼気５０ａを採取して、その呼気５０ａを分析する参考例がある。この場合には、呼気５０ａを吹き込みながら検出動作を行わない。このため、流量を測定する必要がない。
　本実施形態は、呼気５０ａを吹き込みながら検出動作を行う呼気診断装置１１０に特有に生じる現象に着目している。すなわち、検出した濃度Ｃｘが流量に依存して変化すする状態に着目している。流量を測定し、測定結果に基づいて、例えば、検出結果を補正する。
　図１に例示したように、排出部１０ｏに、ファン１０ｆを設けても良い。ファン１０ｆは、排出動作において回転する。例えば、測定動作においては、ファン１０ｆは、回転しなくても良い。ファン１０ｆにより設けられる開口部を介して、試料気体５０が、流出しても良い。または、測定動作においては、ファン１０ｆの回転数は、少ない。
　流量の測定結果に基づいて、ファン１０ｆの動作を制御しても良い。例えば、流量が上昇して検出動作が実施された後、流量が低下したときに、ファン１０ｆの動作を開始しても良い。これにより、時間の損失が抑制でき、次の検出動作までの時間を短縮できる。
　実施形態において、空間２３ｓの容量は、入り口部２０ｉ（供給部１０ｉ）から供給される試料気体５０の容量よりも小さい。これにより、検出動作において、空間２３ｓは、試料気体５０により十分に置換され、高い測定精度が得られる。
　実施形態において、例えば、排出動作の後に、検出部４０による測定光３０Ｌの強度が安定したことを観測して、その結果に基づいて、第２動作ＯＰ２を開始しても良い。例えば、排出動作により、空間２３ｓ中の試料気体５０が排出されて、空間２３ｓが空気により置換される。排出動作中に測定光３０Ｌを検出することで、置換の状態が観測できる。例えば、測定光３０Ｌの単位時間あたりの変化が所定の値（例えば１％）以下になったときに、第２動作ＯＰ２を開始する。これにより、十分な置換が行われた状態で、測定を行うことができる。より高い精度での測定が可能になる。
　実施形態において、測定の対象となる物質の例について説明する。　
　物質は、例えば、二酸化炭素同位体である。この場合、例えば、ピロリ菌に関する情報が得られる。物質は、例えば、メタンである。この場合、例えば、腸内嫌気性菌に関する情報が得られる。物質は、例えば、エタノールである。この場合、例えば、飲酒に関する情報が得られる。物質は、例えば、アセトアルデヒドである。この場合、例えば、飲酒代謝産物及び肺がんに関する情報が得られる。物質は、例えば、アセトンである。この場合、例えば、糖尿病に関する情報が得られる。物質は、例えば、一酸化窒素である。この場合、例えば、ぜんそくに関する情報が得られる。物質は、例えば、アンモニアである。この場合、例えば、肝炎に関する情報が得られる。物質は、例えば、ノナナールである。この場合、例えば、肺がんに関する情報が得られる。実施形態において、呼気５０ａに含まれる測定対象の物質は任意である。
　以下、光源部３０の例について説明する。　
　図４（ａ）～図４（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。　
　図４（ａ）は、模式的斜視図である。図４（ｂ）は、図３（ａ）のＡ１－Ａ２線断面図である。図４（ｃ）は、光源部３０の動作を例示する模式図である。　
　この例では、光源部３０として、半導体発光素子３０ａが用いられる。半導体発光素子３０ａとして、レーザが用いられる。この例では、量子カスケードレーザが用いられる。
　図４（ａ）に表したように、半導体発光素子３０ａは、基板３５と、積層体３１と、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、誘電体層３２（第１誘電体層）と、絶縁層３３（第２誘電体層）と、を含む。
　第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に基板３５が設けられる。基板３５は、第１部分３５ａと、第２部分３５ｂと、第３部分３５ｃと、を含む。これらの部分は、１つの面内に配置される。この面は、第１電極３４ａから第２電極３４ｂに向かう方向に対して交差する（例えば平行）である。第１部分３５ａと第２部分３５ｂとの間に、第３部分３５ｃが配置される。
　第３部分３５ｃと第１電極３４ａとの間に積層体３１が設けられる。第１部分３５ａと第１電極３４ａとの間、及び、第２部分３５ｂと第１電極３４ａとの間に、誘電体層３２が設けられる。誘電体層３２と第１電極３４ａとの間に絶縁層３３が設けられる。
　積層体３１は、ストライプの形状を有している。積層体３１は、リッジ導波路ＲＧとして機能する。リッジ導波路ＲＧの２つの端面がミラー面となる。積層体３１において放出された光３１Ｌは、端面（光出射面）から出射する。光３１Ｌは、赤外線レーザ光である。光３１Ｌの光軸３１Ｌｘは、リッジ導波路ＲＧの延在方向に沿う。
　図４（ｂ）に表したように、積層体３１は、例えば、第１クラッド層３１ａと、第１ガイド層３１ｂと、活性層３１ｃと、第２ガイド層３１ｄと、第２クラッド層３１ｅと、を含む。これらの層は、基板３５から第１電極３４ａに向かう方向に沿って、この順で並ぶ。第１クラッド層３１ａの屈折率及び第２クラッド層３１ｅの屈折率のそれぞれは、第１ガイド層３１ｂの屈折率、活性層３１ｃの屈折率、及び、第２ガイド層３１ｄの屈折率のそれぞれよりも低い。活性層３１ｃで生じた光３１Ｌは、積層体３１内に閉じ込められる。第１ガイド層３１ｂと第１クラッド層３１ａとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。第２ガイド層３１ｄと第２クラッド層３１ｅとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。
　積層体３１は、光軸３１Ｌｘに対して垂直な第１側面３１ｓａ及び第２側面３１ｓｂを有する。第１側面３１ｓａと第２側面３１ｓｂとの間の距離３１ｗ（幅）は、例えば５μｍ以上２０μｍ以下である。これにより、例えば、水平横方向モードの制御が容易となり、出力の向上が容易になる。距離３１ｗが過度に長いと、水平横方向モードにおいて高次モードを生じ易くなり、出力を高めにくい。
　誘電体層３２の屈折率は、活性層３１ｃの屈折率よりも低い。これにより、誘電体層３２により、光軸３１Ｌｘに沿ってリッジ導波路ＲＧが形成される。
　図４（ｃ）に表したように、活性層３１ｃは、例えば、カスケード構造を有する。カスケード構造においては、例えば、第１領域ｒ１と、第２領域ｒ２と、が交互に積層される。単位構造ｒ３は、第１領域ｒ１及び第２領域ｒ２を含む。複数の単位構造ｒ３が設けられる。
　例えば、第１領域ｒ１には、第１障壁層ＢＬ１と、第１量子井戸層ＷＬ１と、が設けられる。第２領域には、第２障壁層ＢＬ２が設けられる。例えば、別の第１領域ｒ１ａには、第３障壁層ＢＬ３と、第２量子井戸層ＷＬ２と、が設けられる。別の第２領域ｒ２ａに、第４障壁層ＢＬ４が設けられる。
　第１領域ｒ１においては、第１量子井戸層ＷＬ１のサブバンド間光学遷移が生じる。これにより、例えば、３μｍ以上１８μｍ以下の波長の光３１Ｌａが放出される。
　第２領域ｒ２においては、第１領域ｒ１から注入されたキャリアｃ１（例えば電子）のエネルギーは、緩和可能である。
　量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）において、井戸幅ＷＬｔは、例えば、５ｎｍ以下である。井戸幅ＷＬｔがこのように狭いとき、エネルギー準位が離散して、例えば、第１サブバンドＷＬａ（高準位Ｌｕ）及び第２サブバンドＷＬｂ（低準位Ｌｌ）などを生じる。第１障壁層ＢＬ１から注入されたキャリアｃ１は、第１量子井戸層ＷＬ１に効果的に閉じ込められる。
　高準位Ｌｕから低準位Ｌｌへキャリアｃ１が遷移するときに、エネルギー差（高準位Ｌｕと低準位Ｌｌとの差）に対応する光３１Ｌａが放出される。すなわち、光学遷移が生じる。
　同様に、別の第１領域ｒ１ａの第２量子井戸層ＷＬ２において、光３１Ｌｂが放出される。実施形態において量子井戸層は、波動関数が重なり合う複数の井戸を含んでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの高準位Ｌｕが、互いに同じでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの低準位Ｌｌが、互いに同じでも良い。
　例えば、サブバンド間光学遷移は、伝導帯及び価電子帯のいずれかにおいて生じる。例えば、ｐｎ接合によるホールと電子との再結合は必要ではない。例えば、ホール及び電子のいずれかのキャリアｃ１により光学遷移が生じて、光が放出される。
　活性層３１ｃにおいて、例えば、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に印加される電圧により、障壁層（例えば第１障壁層ＢＬ１）を介して、キャリアｃ１（例えば電子）が量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）へ注入される。これにより、サブバンド間光学遷移を生じる。
　第２領域ｒ２は、例えば、複数のサブバンドを有する。サブバンドは、例えば、ミニバンドである。サブバンドにおけるエネルギー差は、小さい。サブバンドにおいて、連続エネルギーバンドに近いことが好ましい。この結果、キャリアｃ１（電子）のエネルギーが緩和される。
　第２領域ｒ２では、例えば、光（例えば３μｍ以上１８μｍ以下の波長の赤外線）は、実質的に放出されない。第１領域ｒ１の低準位Ｌｌのキャリアｃ１（電子）は、第２障壁層ＢＬ２を通過して、第２領域ｒ２へ注入され、緩和される。キャリアｃ１は、カスケード接続された別の第１領域ｒ１ａへ注入される。この第１領域ｒ１ａにおいて、光学遷移が生じる。
　カスケード構造では、複数の単位構造ｒ３のそれぞれにおいて光学遷移が生じる。これにより、活性層３１ｃの全体において、高い光出力を得ることが容易になる。
　このように、光源部３０は、半導体発光素子３０ａを含む。半導体発光素子３０ａは、複数の量子井戸（例えば、第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により、測定光３０Ｌを放射する。
　量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）には、例えば、ＧａＡｓが用いられる。例えば、障壁層（例えば、第１～第４障壁層ＢＬ１～ＢＬ４など）には、例えば、ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）が用いられる。このとき、例えば、基板３５としてＧａＡｓを用いると、量子井戸層及び障壁層において、良好な格子整合が得られる。
　第１クラッド層３１ａ及び第２クラッド層３１ｅは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２０ｃｍ－３以下（例えば、約６×１０１８ｃｍ－３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば、０．５μｍ以上２μｍ以下（例えば約１μｍ）である。
　第１ガイド層３１ｂ及び第２ガイド層３１ｄは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば１×１０１６ｃｍ－３以上１×１０１７ｃｍ－３以下（例えば、約４×１０１６ｃｍ－３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば２μｍ以上５μｍ以下（例えば、３．５μｍ）である。
　距離３１ｗ（積層体３１の幅、すなわち、活性層３１ｃの幅）は、例えば、５μｍ以上２０μｍ以下（例えば、約１４μｍ）である。
　リッジ導波路ＲＧの長さは、例えば、１ｍｍ以上５ｍｍ以下（例えば約３ｍｍ）である。半導体発光素子３０ａ（量子カスケードレーザ）は、例えば、１０Ｖ以下の動作電圧で動作する。消費電流は、炭酸ガスレーザ装置などに比べて低い。これにより、低消費電力の動作が可能である。
　実施形態によれば、高精度の呼気診断装置が提供できる。
　以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、呼気診断装置に含まれる入り口部、セル部、出口部、測定部、光源部、検出部及び制御部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
　また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
　その他、本発明の実施の形態として上述した呼気診断装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての呼気診断装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
　その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
　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 (19)

  1. 　入り口部と、
    　前記入り口を介して呼気を含む試料気体が導入される空間を有するセル部と、
    　前記セル部から前記試料気体が流れ出る出口部と、
    　前記入り口部及び前記出口部の少なくともいずれかを通過する前記試料気体の流量を測定する測定部と、
    　前記空間に測定光を入射させる光源部と、
    　前記試料気体が前記入り口部から前記空間に導入されつつ前記試料気体が前記出口部から流れ出る状態で前記空間を通過した前記測定光を検出する第１動作が可能な検出部と、
    　前記測定部で測定された前記流量の測定結果に基づいて、前記検出部に前記第１動作を開始させる制御部と、
    　を備えた呼気診断装置。
  2. 　前記光源部は、半導体発光素子を含み、
    　前記半導体発光素子は、複数の量子井戸のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により前記測定光を放射する請求項１記載の呼気診断装置。
  3. 　前記制御部は、前記測定部で測定された前記流量が予め定められた基準値以上のときに前記検出部に前記第１動作を開始させる請求項１記載の呼気診断装置。
  4. 　前記制御部は、前記第１動作の前に、前記検出部に、前記試料気体が前記入り口部から前記空間に導入されない状態で前記空間を通過した前記測定光を検出する第２動作を実施させる請求項１記載の呼気診断装置。
  5. 　排出部をさらに備え、
    　前記排出部と前記セル部との間に前記出口部が配置され、
    　前記制御部は、前記第２動作の前に、前記排出部に前記空間から前記試料気体を吸引させて前記試料気体を前記大気中に排出させる排出動作を実施する請求項１記載の呼気診断装置。
  6. 　前記排出部は、前記第１動作において、前記空間から前記試料気体を吸引せずに前記試料気体を前記大気に流れ出させる請求項５記載の呼気診断装置。
  7. 　前記排出部は、前記排出動作において回転するファンを含み、
    　前記排出動作における前記ファンの回転数は、前記第１動作における前記ファンの回転数よりも高い請求項５記載の呼気診断装置。
  8. 　前記第１動作において、前記試料気体は、前記ファンの間の隙間を介して、前記空間から前記大気中に流れ出る請求項７記載の呼気診断装置。
  9. 　前記測定部で測定した前記流量の測定結果に応じて、前記入り口部に前記試料気体を導入させる被検者に前記導入動作の変更を促す信号を出力する出力部をさらに備えた請求項１記載の呼気診断装置。
  10. 　前記出力部は、表示及び音の発生の少なくともいずれかを実施する請求項９記載の呼気診断装置。
  11. 　前記測定部は、前記入り口部を通過する前記試料気体の前記流量を測定する第１測定器を含む請求項１記載の呼気診断装置。
  12. 　前記測定部は、前記出口部を通過する前記試料気体の前記流量を測定する第２測定器を含む請求項１記載の呼気診断装置。
  13. 　前記測定部は、前記試料気体の質量流量または体積流量を測定する請求項１記載の呼気診断装置。
  14. 　前記測定部は、前記試料気体の前記流量に応じて変化する温度変化を測定する請求項１記載の呼気診断装置。
  15. 　前記空間の容量は、前記入り口部から供給される前記試料気体の容量よりも小さい請求項１記載の呼気診断装置。
  16. 　前記呼気は、二酸化炭素、メタン、エタノール、アセトアルデヒド、アセトン、一酸化炭素、アンモニア及びノナナールの少なくともいずれかを含む請求項１記載の呼気診断装置。
  17. 　前記セル部は、
    　　前記測定光に対して反射性の第１反射部と、
    　　前記測定光に対して反射性の第２反射部と、
    　を含み、
    　前記第１反射部と前記第２反射部との間に前記空間が配置され、
    　前記測定光は、前記第１反射部と前記第２反射部とを反射して前記空間を通過する請求項１記載の呼気診断装置。
  18. 　前記測定光は、０．７マイクロメートル以上１０００マイクロメートル以下の波長の成分を含む請求項１記載の呼気診断装置。
  19. 　前記測定光は、２．５マイクロメートル以上１１マイクロメートル以下の波長の成分を含む請求項１記載の呼気診断装置。
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