WO2015125327A1 - 呼気診断装置 - Google Patents

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WO2015125327A1
WO2015125327A1 PCT/JP2014/074449 JP2014074449W WO2015125327A1 WO 2015125327 A1 WO2015125327 A1 WO 2015125327A1 JP 2014074449 W JP2014074449 W JP 2014074449W WO 2015125327 A1 WO2015125327 A1 WO 2015125327A1
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WO
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space
sample gas
discharge
unit
breath
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Application number
PCT/JP2014/074449
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English (en)
French (fr)
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茂行 高木
康友 塩見
努 角野
陽 前川
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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
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
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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 supply unit to which a sample gas including exhalation is supplied, a cell unit including a space into which the sample gas is introduced from the supply unit, and the space and the atmosphere are provided.
  • a discharge portion provided between the space and the discharge portion, a light source portion that makes the measurement light incident on the space, and a detection portion that detects the measurement light that has passed through the space.
  • An expiration diagnostic apparatus is provided.
  • the discharge unit causes the sample gas to flow out from the space into the atmosphere in a first operation in which the sample gas is introduced into the space through the supply unit.
  • the discharge unit sucks the sample gas from the space and discharges the sample gas into the atmosphere.
  • the space is continuous with the atmosphere through the discharge portion. Conductance of the discharge part with respect to the sample gas in the first operation is greater than or equal to conductance of the discharge pipe with respect to the sample gas in the first operation.
  • FIG. 6A to FIG. 6C 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 a supply unit 10i, a cell unit 20, a discharge unit 10o, a discharge pipe 15b, a light source unit 30, and a detection unit 40. Including.
  • 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.
  • the cell unit 20 includes a space 23s.
  • the sample gas 50 is introduced into the space 23s from the supply unit 10i.
  • the cell unit 20 includes a cell 23.
  • a space 23 s is formed in the cell 23.
  • An introduction pipe 15a is provided between the cell 23 (cell part 20) and the supply part 10i.
  • the sample gas 50 supplied to the supply unit 10i is introduced into the space 23s through the introduction pipe 15a.
  • the discharge unit 10o is provided between the space 23s and the atmosphere 10x.
  • the atmosphere 10x is outside the breath diagnosis apparatus 110.
  • the discharge pipe 15b is provided between the space 23s and the discharge unit 10o.
  • the sample gas 50 in the space 23s of the cell unit 20 is introduced into the discharge unit 10o through the discharge pipe 15b.
  • the sample gas 50 is discharged to the atmosphere 10x by the discharge unit 10o.
  • 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 is introduced into the 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 measuring light 30L passes through the space 23s, for example, 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.
  • the detection unit 40 for example, a photodiode or the like is used. In the embodiment, the detection unit 40 is optional.
  • a processing unit 45 is further provided.
  • the processing 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 measurement operation (first operation) and a discharge operation (second 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 20s through the supply unit 10i.
  • the discharge operation is performed after the measurement operation, for example.
  • the discharging operation is performed, for example, before the measuring operation.
  • the sample gas 50 introduced into the space 23s in the measurement operation is discharged to the atmosphere in the discharge operation. Thereby, the space 23s is initialized. Thereby, the next measurement 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 measurement 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 space 23s is continuous via the atmosphere 10x and the discharge unit 10o. That is, the space 23s is an open system.
  • a vacuum pump for the discharge unit 10o.
  • a valve is provided between the discharge pipe 15b and the discharge unit 10o.
  • the space 23s is not continuous with the atmosphere 10x.
  • the space 23s is a closed system.
  • parts such as a vacuum pump and a valve are required. For this reason, it is difficult to reduce the size of the apparatus.
  • an open space 23s is provided. There are few parts, and miniaturization is easy.
  • the conductance of the supply unit 10i with respect to the sample gas 50 in the measurement operation is defined as a first conductance G1.
  • the conductance of the discharge unit 10o with respect to the sample gas 50 in the measurement operation is defined as a second conductance G2.
  • the conductance of the discharge pipe 15b with respect to the sample gas 50 in the measurement operation is defined as a third conductance G3.
  • the second conductance G2 of the discharge unit 10o is equal to or greater than the third conductance of the discharge pipe 15b. Therefore, in the measurement operation, the gas flowing out from the space 23s to the discharge pipe 15b efficiently flows out into the atmosphere 10x through the discharge unit 10o.
  • the sample gas 50 is sent into the space 23s by the breath of the subject.
  • the gas existing in advance in the space 23 s is replaced with the sample gas 50.
  • the second conductance G2 equal to or greater than the third conductance G3, the replacement is performed efficiently.
  • the second conductance G2 (conductance with respect to the sample gas 50 of the discharge unit 10o in the measurement operation) may be lower than the first conductance G1 (conductance with respect to the sample gas 50 of the supply unit 10i in the discharge operation). . Thereby, the sample gas 50 is easily accumulated in the space 23s.
  • the third conductance G3 (conductance with respect to the sample gas 50 of the discharge pipe 15b in the measurement operation) may be lower than the first conductance G1 (conductance with respect to the sample gas 50 of the supply unit 10i in the measurement operation). . Thereby, the sample gas 50 is easily accumulated in the space 23s.
  • the space 23s can be in an initial state before the measurement operation. Thereby, in the measurement operation, the space 23 s is filled with the target sample gas 50. Thereby, highly accurate detection becomes possible. According to the embodiment, a highly accurate breath diagnosis apparatus can be provided.
  • the second conductance G2 can be equal to or greater than the third conductance G3, the replacement can be performed efficiently and it becomes easy to use.
  • the replacement by the subject's breath becomes efficient, and the burden on the subject is reduced.
  • the discharge unit 10o sucks the sample gas 50 from the space 23s. Thereby, the efficiency of discharge operation increases.
  • the device can be easily set to the initial state. It becomes easy to use.
  • 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 measurement operation. Replacement is performed by the subject's breath without using power in the measurement operation. Uncomfortable feeling during measurement by the subject can be reduced.
  • the opening 16 of the discharge part 10o is provided.
  • the opening 16 connects the discharge pipe 15b and the atmosphere 10x.
  • the area of the opening 16 is set so that the second conductance G2 is increased.
  • a path of the sample gas 50 from the discharge pipe 15b toward the atmosphere 10x is defined as a discharge path 15p.
  • the area of the opening 16 when projected onto a plane perpendicular to the discharge path 15p is set sufficiently large.
  • FIG. 2 is a schematic view illustrating a part of the breath diagnosis apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 2 illustrates the discharge unit 10o.
  • a fan 10f is used for the discharge unit 10o.
  • a portion where the fan 10f is to be provided is the opening 16.
  • the opening 16 is made sufficiently large. For example, the area of the opening 16 when projected onto a plane perpendicular to the discharge path 15p of the sample gas 50 from the discharge pipe 15b toward the atmosphere 10x is larger than the area of the discharge pipe 15b when projected onto the plane. .
  • the second conductance G2 can be increased.
  • the discharge unit 10o includes a fan 10f.
  • the fan 10f rotates in the discharging operation.
  • the fan 10f may not rotate.
  • the sample gas 50 may flow out through the opening 16 provided by the fan 10f.
  • the rotational speed of the fan 10f is small.
  • the rotational speed of the fan 10f in the discharge operation is higher than the rotational speed of the fan 10f in the measurement operation.
  • the fan 10f does not rotate. That is, in the measurement operation, the sample gas 50 flows out from the space 23s into the atmosphere 10x through the gap (opening 16) between the fans 10f.
  • the capacity of the space 23s is smaller than the capacity of the sample gas 50 supplied from the supply unit 10i. Therefore, in the measurement operation, the space 23s is sufficiently replaced by the sample gas 50, and high measurement accuracy is obtained.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating characteristics of the breath diagnosis apparatus.
  • FIG. 3 is the time t.
  • the vertical axis represents the light intensity Int detected by the detection unit 40.
  • inhalation of the exhaled air 50a is started.
  • the exhaust operation is started.
  • the light intensity Int of the measurement light 30L passing through the sample gas 50 is detected, that is, the first operation is performed and the expiration is measured.
  • the difference between the light intensity Int before the first time t1 and the light intensity Int in the first operation corresponds to the light absorption amount Ab.
  • the head in the discharge operation of the discharge unit 10o is 400 Pascals (Pa) or more.
  • the head is 200 Pa.
  • the head when the head is 200 Pa (second condition sp2), it takes a long time until the light intensity Int returns to the initial value after the second time t2. In this case, the measurement interval becomes long and difficult to use.
  • the head when the head is 400 Pa or more (first condition sp1), the time until the light intensity Int returns to the initial value is short.
  • the head is desirably 400 Pa or more, for example.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating characteristics of the breath diagnosis apparatus.
  • the area of the opening 16 is larger than the area of the discharge pipe 15b.
  • the area of the opening 16 is smaller than the area of the discharge pipe 15b.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating characteristics of the breath diagnosis apparatus.
  • the conductance of the discharge unit 10o with respect to the sample gas 50 is lower than the conductance of the supply unit 10i with respect to the sample gas 50.
  • the conductance of the discharge unit 10o with respect to the sample gas 50 is higher than the conductance of the supply unit 10i with respect to the sample gas 50.
  • 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. 6A to FIG. 6C are schematic views illustrating a part of the breath diagnosis apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 6A is a schematic perspective view.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG.
  • FIG. 6C 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.

Abstract

　実施形態によれば、呼気を含む試料気体が供給される供給部と、供給部から試料気体が導入される空間を含むセル部と、空間と大気との間に設けられた排出部と、空間と排出部との間に設けられた排出配管と、空間に測定光を入射させる光源部と、空間を通過した測定光を検出する検出部と、を含む呼気診断装置が提供される。排出部は、試料気体が供給部を介して空間に導入される第１動作において空間から試料気体を大気中に流れ出させる。排出部は、試料気体が供給部を介して空間に導入されない第２動作において空間から試料気体を吸引して試料気体を大気中に排出する。第１動作において、空間は大気と排出部を介して連続している。第１動作における排出部の試料気体に対するコンダクタンスは、第１動作における排出配管の試料気体に対するコンダクタンス以上である。

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、呼気を含む試料気体が供給される供給部と、前記供給部から前記試料気体が導入される空間を含むセル部と、前記空間と大気との間に設けられた排出部と、前記空間と排出部との間に設けられた排出配管と、前記空間に測定光を入射させる光源部と、前記空間を通過した前記測定光を検出する検出部と、を含む呼気診断装置が提供される。前記排出部は、前記試料気体が前記供給部を介して前記空間に導入される第１動作において前記空間から前記試料気体を前記大気中に流れ出させる。前記排出部は、前記試料気体が前記供給部を介して前記空間に導入されない第２動作において前記空間から前記試料気体を吸引して前記試料気体を前記大気中に排出する。前記第１動作において、前記空間は前記大気と前記排出部を介して連続している。前記前記第１動作における前記排出部の前記試料気体に対するコンダクタンスは、前記第１動作における前記排出配管の前記試料気体に対するコンダクタンス以上である。
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一部を例示する模式図である。 呼気診断装置の特性を例示する図である。 呼気診断装置の特性を例示する図である。 呼気診断装置の特性を例示する図である。 図６（ａ）～図６（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、供給部１０ｉと、セル部２０と、排出部１０ｏと、排出配管１５ｂと、光源部３０と、検出部４０と、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。
　セル部２０は、空間２３ｓを含む。空間２３ｓに、供給部１０ｉから試料気体５０が導入される。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２３（セル部２０）と供給部１０ｉとの間に、導入配管１５ａが設けられる。供給部１０ｉに供給された試料気体５０は、導入配管１５ａを介して空間２３ｓに導入される。
　排出部１０ｏは、空間２３ｓと、大気１０ｘと、の間に設けられる。大気１０ｘは、呼気診断装置１１０の外側である。
　排出配管１５ｂは、空間２３ｓと排出部１０ｏとの間に設けられる。セル部２０の空間２３ｓの中の試料気体５０は、排出配管１５ｂを介して排出部１０ｏに導入される。その試料気体５０は、排出部１０ｏにより、大気１０ｘに排出される。
　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、例えば、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、例えば、フォトダイオードなどが用いられる。実施形態において、検出部４０は任意である。
　この例では、処理部４５がさらに設けられている。処理部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、測定動作（第１動作）と、排出動作（第２動作）と、が行われる。
　測定動作においては、試料気体５０が供給部１０ｉを介して空間２３ｓに導入される。測定動作においては、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２０ｓに導入されない。排出動作は、例えば、測定動作の後に行われる。排出動作は、例えば、測定動作の前に行われる。測定動作において空間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、次の測定動作が可能になる。
　例えば、排出部１０ｏは、測定動作において、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、測定動作においては、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。
　例えば、測定動作において、空間２３ｓは、大気１０ｘと、排出部１０ｏを介して連続している。すなわち、空間２３ｓは、開放系である。
　例えば、排出部１０ｏに真空ポンプを用いる参考例がある。この場合には、排出配管１５ｂと排出部１０ｏとの間に、例えば弁が設けられる。この場合には、空間２３ｓは、大気１０ｘと連続していない。空間２３ｓは、密閉系である。この参考例においては、真空ポンプ及び弁などの部品が必要である。このため、装置の小型化が困難である。
　本実施形態に係る呼気診断装置１１０においては、開放系の空間２３ｓが設けられる。部品が少なく、小型化が容易である。
　本実施形態において、測定動作における供給部１０ｉの試料気体５０に対するコンダクタンスを第１コンダクタンスＧ１とする。測定動作における排出部１０ｏの試料気体５０に対するコンダクタンスを第２コンダクタンスＧ２とする。測定動作における排出配管１５ｂの試料気体５０に対するコンダクタンスを第３コンダクタンスＧ３とする。
　実施形態においては、排出部１０ｏの第２コンダクタンスＧ２は、排出配管１５ｂの第３コンダクタンス以上である。これにより、測定動作において、空間２３ｓから排出配管１５ｂに流れ出た気体は、排出部１０ｏを介して、大気１０ｘに効率良く流れ出る。
　測定時においては、例えば、被験者の吹き込む息により、試料気体５０が、空間２３ｓに送り込まれる。これにより、空間２３ｓ内に予め存在していた気体が、試料気体５０により置換される。第２コンダクタンスＧ２を第３コンダクタンスＧ３以上にすることで、置換が効率的に行われる。
　実施形態において、例えば、第２コンダクタンスＧ２（測定動作における排出部１０ｏの試料気体５０に対するコンダクタンス）は、第１コンダクタンスＧ１（排出動作における供給部１０ｉの試料気体５０に対するコンダクタンス）よりも低くても良い。これにより、試料気体５０は、空間２３ｓ内に蓄積し易くなる。
　実施形態において、例えば、第３コンダクタンスＧ３（測定動作における排出配管１５ｂの試料気体５０に対するコンダクタンス）は、第１コンダクタンスＧ１（測定動作における供給部１０ｉの試料気体５０に対するコンダクタンス）よりも低くても良い。これにより、試料気体５０は、空間２３ｓ内に蓄積し易くなる。
　例えば、排出部１０ｏを設けることで、測定動作の前に、空間２３ｓ内を初期状態にすることができる。これにより、測定動作においては、空間２３ｓは、目的とする試料気体５０で充満される。これにより、高精度の検出が可能になる。実施形態によれば、高精度の呼気診断装置を提供できる。
　さらに、弁や真空ポンプなどの部品が省略でき、小型化が容易である。第２コンダクタンスＧ２を第３コンダクタンスＧ３以上にすることで、置換が効率的に行われ、使いやすくなる。被検者の息による置換が効率的になり、被検者の負担が軽減される。
　一方、排出動作においては、排出部１０ｏは、空間２３ｓから試料気体５０を吸引する。これにより、排出動作の効率が高まる。装置を簡単に初期状態にすることができる。使い易くなる。
　一方、例えば、排出部１０ｏは、測定動作において、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。測定動作において動力を使用しないで、被検者の息により、置換が行われる。被検者の測定時の違和感が軽減できる。
　排出部１０ｏの開口部１６が設けられる。開口部１６は、排出配管１５ｂと大気１０ｘとを繋ぐ。開口部１６の面積は、第２コンダクタンスＧ２が高くなるように設定される。
　例えば、図１に例示したように、排出配管１５ｂから大気１０ｘに向かう試料気体５０の経路を、排出経路１５ｐとする。排出経路１５ｐに対して垂直な平面に投影したときの開口部１６の面積は、十分に大きく設定される。
　図２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２は、排出部１０ｏを例示している。　
　図２に表したように、排出部１０ｏには、ファン１０ｆが用いられる。ファン１０ｆが設けられていたい部分が、開口部１６となる。開口部１６は、十分に大きくされる。例えば、排出配管１５ｂから大気１０ｘに向かう試料気体５０の排出経路１５ｐに対して垂直な平面に投影したときの開口部１６の面積は、その平面に投影したときの排出配管１５ｂの面積よりも大きい。これにより、第２コンダクタンスＧ２が高くできる。
　例えば、排出部１０ｏは、ファン１０ｆを含む。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１６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。
　例えば、排出動作におけるファン１０ｆの回転数は、測定動作におけるファン１０ｆの回転数よりも高い。または、測定動作において、ファン１０ｆは回転しない。すなわち、測定動作において、試料気体５０は、ファン１０ｆの間の隙間（開口部１６）を介して、空間２３ｓから大気１０ｘ中に流れ出る。
　実施形態において、空間２３ｓの容量は、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、測定動作において、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。
　図３は、呼気診断装置の特性を例示する図である。
　図３の横軸は、時間ｔである。縦軸は、検出部４０で検出される光強度Ｉｎｔである。図３において、第１時刻ｔ１において、呼気５０ａの吹き込みが開始される。第２時刻ｔ２において、排気動作が開始される。第１時刻ｔ１と第２時刻ｔ２との間の期間に、試料気体５０を通過する測定光３０Ｌの光強度Ｉｎｔが検出されるすなわち、第１動作が実施されて、呼気の測定が行われる。第１時刻ｔ１よりも前における光強度Ｉｎｔと、第１動作における光強度Ｉｎｔと、の差異が、光吸収量Ａｂに対応する。
　測定の図３において、条件ｓｐ１においては、排出部１０ｏの排出動作におけるヘッドは４００パスカル（Ｐａ）以上である。条件ｓｐ２においては、ヘッドは２００Ｐａである。
　図３に例示したように、ヘッドが２００Ｐａである場合（第２条件ｓｐ２）、第２時刻ｔ２の後で、光強度Ｉｎｔが初期値に戻るまでの時間が長い。この場合、測定のインターバルが長くなり、使い難い。これに対して、ヘッドが４００Ｐａ以上の場合（第１条件ｓｐ１）においては、光強度Ｉｎｔが初期値に戻るまでの時間が短い。実施形態において、ヘッドは、例えば、４００Ｐａ以上であることが望ましい。
　図４は、呼気診断装置の特性を例示する図である。　
　図４において、第３条件ｓｐ３においては、開口部１６の面積は、排出配管１５ｂの面積よりも大きい。第４条件ｓｐ４においては、開口部１６の面積は、排出配管１５ｂの面積よりも小さい。
　図４に表したように、開口部１６の面積が排出配管１５ｂの面積よりも小さい場合（第４条件ｓｐ４）、光強度Ｉｎｔが初期値に戻るまでの時間が長い。このため、測定のインターバルが長くなり、使い難い。これに対して、開口部１６の面積が排出配管１５ｂの面積よりも大きい場合（第３条件ｓｐ３）、光強度Ｉｎｔが初期値に戻るまでの時間が短い。すなわち、排気が速やかに行われる。
　図５は、呼気診断装置の特性を例示する図である。　
　図５において、第５条件ｓｐ５においては、排出部１０ｏの試料気体５０に対するコンダクタンスは、供給部１０ｉの試料気体５０に対するコンダクタンスよりも低い。第６条件ｓｐ６においては、排出部１０ｏの試料気体５０に対するコンダクタンスは、供給部１０ｉの試料気体５０に対するコンダクタンスよりも高い。
　図５に表したように、排出部１０ｏのコンダクタンスが供給部１０ｉのコンダクタンスよりも高い場合（第６条件ｓｐ６）、測定動作中（第１時刻ｔ１と第２時刻ｔ２との間の期間）において、光強度Ｉｎｔが安定しない。これは、セル部２０に導入された試料気体５０が、過度に排気され、セル部２０内に試料気体５０が十分に留まらないことが原因であると考えられる。これに対して、排出部１０ｏコンダクタンスが供給部１０ｉのコンダクタンスよりも低い場合（第５条件ｓｐ５）、測定動作中に光強度は安定する。正確な測定値が得られる。
　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６（ａ）～図６（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６（ａ）は、模式的斜視図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ１－Ａ２線断面図である。図６（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６（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６（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６（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供給部、セル部、反射部、光源部、検出部及び処理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 (14)

  1. 　呼気を含む試料気体が供給される供給部と、
    　前記供給部から前記試料気体が導入される空間を含むセル部と、
    　前記空間と大気との間に設けられた排出部と、
    　前記空間と排出部との間に設けられた排出配管と、
    　前記空間に測定光を入射させる光源部と、
    　前記空間を通過した前記測定光を検出する検出部と、
    　を備え、
    　前記排出部は、前記試料気体が前記供給部を介して前記空間に導入される第１動作において前記空間から前記試料気体を前記大気中に流れ出させ、
    　前記排出部は、前記試料気体が前記供給部を介して前記空間に導入されない第２動作において前記空間から前記試料気体を吸引して前記試料気体を前記大気中に排出し、
    　前記第１動作において、前記空間は前記大気と前記排出部を介して連続しており、
    　前記第１動作における前記排出部の前記試料気体に対するコンダクタンスは、前記第１動作における前記排出配管の前記試料気体に対するコンダクタンス以上である呼気診断装置。
  2. 　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１記載の呼気診断装置。
  3. 　前記排出部は、前記排出配管と前記大気とを繋ぐ開口部を含み、
    　前記排出配管から前記大気に向かう前記試料気体の排出経路に対して垂直な平面に投影したときの前記開口部の面積は、前記平面に投影したときの前記排出配管の面積よりも大きい請求項１記載の呼気診断装置。
  4. 　前記第１動作における前記排出部の前記試料気体に対する前記コンダクタンスは、前記第１動作における前記供給部の前記試料気体に対するコンダクタンスよりも低い請求項１記載の呼気診断装置。
  5. 　前記第１動作における前記排出配管の前記試料気体に対する前記コンダクタンスは、前記第１動作における前記供給部の前記試料気体に対する前記コンダクタンスよりも低い請求項１記載の呼気診断装置。
  6. 　前記排出部は、前記第２動作において回転するファンを含み、
    　前記第２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１記載の呼気診断装置。
  7. 　前記第１動作において前記ファンは回転しない請求項６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６記載の呼気診断装置。
  9. 　前記空間の容量は、前記供給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。
  10. 　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。
  11. 　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。
  12. 　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。
  13. 　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。
  14. 　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。
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