JP3838671B2

JP3838671B2 - 呼気採取装置

Info

Publication number: JP3838671B2
Application number: JP29013293A
Authority: JP
Inventors: 秀雄植田; 光雄広本; 崗孟; 豊山崎
Original assignee: Arkray Inc
Current assignee: Arkray Inc
Priority date: 1993-10-25
Filing date: 1993-10-25
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2021-10-25
Also published as: US5573005A; EP0650051A3; JPH07284488A; CA2134135A1; EP0650051A2

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は被検者が吐出する呼気を試料としてガスクロマトグラフやＣＯ₂センサその他の分析装置で分析するために、被検者からの呼気の一定量を採取するための呼気採取装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
疾病の診断、治療又は予防のために行なわれる臨床検査は、その殆どが血液と尿である。血液と尿以外の臨床生化学検査の検体として、呼気が研究室レベルでは取り上げられ、呼気も疾病に関する情報を含んでいることが知られるようになってきている。
【０００３】
呼気を検体としてその成分をガスクロマトグラフなどの分析装置で測定する場合、呼気を採取する方法には大別して次の３種類がある。第１の方法は呼気を溶媒中に吹き込んで溶解させる化学トラップ法であり、第２の方法は例えば−８０℃程度に冷却したコールドトラップに大量の呼気を吹き込んで凝縮させるコールドトラップ法、第３の方法は活性炭や吸着樹脂を充填した吸着トラップに呼気成分を吸着してトラップする吸着トラップ法（SCIENTIFIC AMERICAN, July 1992, pp.52〜57参照)である。このうち実用化されているのはコールドトラップ法と吸着トラップ法である。
【０００４】
コールドトラップ法ではトラップした試料の一部分をマイクロシリンジを用いてガスクロマトグラフに注入して分析するのが一般的手法である。しかし、そのような方法は、例えば病院で被検者である患者のベッドサイドに分析機器を持ち込んで迅速に、かつ容易に処理できなければならないルーチンの臨床検査手段として実用化するには到底至らない。
【０００５】
吸着トラップ法の場合はトラップに吸着した呼気成分を加熱して脱着させてガスクロマトグラフに導入するが、吸着トラップは成分によって吸着率に差にあるという本質的な問題の他に、やはり患者のベッドサイドで迅速で容易に処理できなければならないルーチンの臨床検査を行なうには適さない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ガスクロマトグラフを初めとするガス測定装置は、高感度化、小型化及びポータブル化技術の進歩により、臨床検査機器として実用化される段階に入ってきている。そのようなガス測定装置を呼気の分析装置に用いて迅速な臨床検査を行なおうとした場合、呼気をコールドトラップや吸着トラップを用いてトラップした後に分析装置に導入するのではなく、呼気を気体状態で簡便に採取して分析装置に直接導き、短時間のうちに信頼性の高い検査データを得られることが要求される。臨床検査機器として実用性を高めるには、検体としての呼気を採取する操作が簡単であることが必要である。
本発明は呼気を検体とした臨床検査機器を実現するために、簡単な操作で、採取誤りを防いで呼気を自動的に採取して分析装置へ導くことのできる呼気採取装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
１回の呼吸で吐出する呼気の最初の部分には気道部分の死腔（デッドスペース）の空気が含まれているため、精密な呼気成分分析にはこれを除外する必要がある。これを除いた呼気には、息を吐き切った時点の呼気で終末呼気と呼ばれるものがあるが、終末呼気は呼気成分の濃度が均一となっており、検体として優れている。呼気を採取する際、終末呼気又は死腔の空気を取り除いた呼気を採取するのが望ましい。
【０００８】
終末呼気を採取するために、本発明の第１の装置では大気圧下での１回分の呼出体積（１回の呼吸での排出量）よりも小さく、分析に必要な体積より大きい容積をもち、呼気入口と出口をもって先に吹き込まれた呼気を後で吹き込まれた呼気で置換しうる試料捕集容器に被検者からの呼気を取り込み、試料捕集容器への１回の呼気吐出動作終了時点での試料捕集容器内の呼気の一定量を計量採取部で採取して分析装置へ導く。試料捕集容器へ息を吹き込んでいる間は試料捕集容器の古い呼気は新しい呼気で置換されていくので、息の吹込みを終わった時点では試料捕集容器には終末呼気が収容されている。息の吹込みを完了した時点は、例えば呼気の流路にフローセンサを設けて検出することができる。
【００１１】
終末呼気を採取する本発明の第１の装置を実現するための具体的な本発明の呼気自動採取装置は、一実施例を示す図１，４を参照して示すと、呼気吹込み部２と、呼気吹込み部２から吹き込まれた呼気の流路に設けられて呼気の流れを検出するフローセンサ２０と、呼気吹込み部２から供給される呼気が流入する呼気入口１３と流入した呼気が流出する開閉可能な呼気出口１６をもって先に流入した呼気が後で流入した呼気により置換されるとともに、その容積が可変になっている試料捕集容器１２，１２ａと、フローセンサ２０が呼気の流れを検出した後、試料捕集容器１２，１２ａの容積を大気圧下での１回分の呼出体積よりも小さく分析に必要な体積より大きい一定容積まで拡大させ、フローセンサ２０が呼気の流れの停止したことを検出した時点で呼気出口１６を閉じた後、駆動機構２２により試料捕集容器１２の容積を縮小させ、又は吸引機構２２ａにより吸引して試料捕集容器１２，１２ａに捕集された呼気を移動させる捕集制御部４０と、試料捕集容器１２，１２ａから移動する呼気の流路に接続され、その呼気の一定量を採取して分析装置２４，２８へ導く計量採取部１４と、少なくとも呼気吹込み部２、試料捕集容器１２，１２ａ及び計量採取部１４を被検者の体温以上に加温する加温手段４，３２とを備えている。
【００１２】
フローセンサ２０は呼気吐出の開始時点と終了時点を検出する。呼気の吐出が開始されるとフローセンサ２０からの信号に基づいて試料捕集容器１２，１２ａの容積が拡大する。その後も呼気の吐出が続き、試料捕集容器１２，１２ａでは先に流入した呼気が新しい呼気で置換されていく。フローセンサ２０が呼気の吐出終了を検出すると、呼気出口１６が閉じられ、試料捕集容器１２，１２ａ内には終末呼気が捕集される。試料捕集容器１２，１２ａ内に捕集された呼気は、その後、捕集駆動機構２２又は吸引機構２２ａによって計量採取部１４に送られ、計量採取部１４で一定量が採取されて分析装置へ導入され、分析が行なわれる。
【００１３】
呼気には水分が含まれているので、呼気が流れる流路が被検体である人や動物の体温より低い場合には呼気の流路で水分が結露し、呼気中の水溶性成分が結露した水に溶解して呼気成分の正確な定量分析が困難になる。加温手段４，３２は呼気が分析装置へ導入されるまでの間で呼気と接触する部分を被検体の体温以上、例えば呼気流路の内壁温度で４０〜５０℃に加温し、呼気中の水分凝縮に伴って呼気成分が損失するのを防いでいる。
【００１４】
分析装置としてはガスクロマトグラフを初め、ＣＯ₂センサ（ＮＤＩＲ）、Ｏ₂センサ（電気化学式）、ＣＯセンサ又は可燃性ガスセンサ（半導体センサ）などを取り込んだ各種測定器を用いることができる。しかしこれらに限定されるものではない。
【００１５】
分析装置としてガスクロマトグラフを利用する場合は、臨床検査に利用することを考慮して、高感度で、小型で、かつポータブルな構成にできるものが必要である。ガスクロマトグラフはキャリアガス供給部、分離カラム及び検出器から構成される。分離カラムとしてキャピラリーカラムであってもパックドカラムであってもよい。カラムの種類は検出対象ガスに応じて適当なものを選択して用いる。検出器としては高感度で小型化に適したもの、例えばＰＩＤ（光イオン化検出器）、ＩＭＳ（イオン移動度スペクトル検出器）又はＥＣＤ（電子捕獲型イオン検出器）のように、呼気中の検出対象ガス成分に光や放射線などを照射してイオン化させ、イオン化量に応じて測定信号を出力する方式のものが好ましい。これらの検出器はＦＩＤ（水素イオン化型検出器）やＦＰＤ（フレーム光度型検出器）のように水素ガスの燃焼を伴うものに比べて安全で、小型化することができ、かつ高感度で高精度な検出を行なうことができる。また、キャリアガスとしても安価な空気や窒素ガスを使用することができる利点もある。
【００１６】
計量採取部１４は一定容積の計量管又は計量室を試料捕集容器１２から送り出された呼気が流れるようにしておき、採取時にその計量管又は計量室を分析装置へつながる流路に切り換えて接続し、その計量管又は計量室に採取された呼気試料をキャリアガスによって分析装置へ導入するものである。そのような計量採取部としては、ガスクロマトグラフで試料採取手段として一般的に用いられているものを初め、種々の構造のものを用いることができる。
【００１７】
人間の１回の呼吸での呼出体積は大気圧下で通常０.５〜２.５リットルであるので、試料捕集容器１２，１２ａでは先に補集された呼気が後で補集された呼気で十分に置換されるように、試料捕集容器１２，１２ａが拡大したときの容積は例えば呼出体積の１／１０程度の５０〜２５０ｍｌ程度、計量採取部１４での採取体積は大気圧下で２０〜１０００μｌ程度に設定しておくのが好ましい。
【００１８】
【実施例】
図１は一実施例を表わす。ただし、本発明は実施例に限定されるものではない。
呼気吹込み部２は加熱パイプ４の先端に呼気を吐き出すためのマウスピース８がマウスピースホルダ６を介して着脱可能に取りつけられたものである。加熱パイプ４はチューブにヒータを巻きつけたものであり、そのチューブは呼気に含まれるガスが吸着したり反応したりせず、取扱いやすいように弾力性のある材質のものが好ましく、例えばポリ四フッ化エチレン製チューブを用いることができる。ヒータはチューブの内壁に呼気中の水分が凝縮しないように、チューブの内壁温度を４０〜５０℃に加温するように温度調節されている。マウスピース８は、例えば肺活量試験に使うために市販されているものを用いることができる。マウスピース８は衛生上や管理上の点から使い捨てタイプのものが望ましい。マウスピース８の材質は天然材料でも合成材料でもよく、その種別は問わないが、ガスや臭いが発生しないものが必要である。
【００１９】
加熱パイプ４の基端部は三方電磁弁１０の一方の接続口に接続されている。三方電磁弁１０の他の接続口の１つは試料捕集容器としてのシリンジ１２に接続され、残りの接続口は計量採取部１４に接続されている。三方電磁弁１０はシリンジ１２を加熱パイプ４又は計量採取部１４に切り換えて接続するためのものであり、シリンジ１２に呼気を捕集するときは三方電磁弁１０は加熱パイプ４とシリンジ１２が導通するように接続し、シリンジ１２に捕集された呼気を計量採取部１４へ押し出すときはシリンジ１２と計量採取部１４とが導通するように流路を切り換える。
【００２０】
シリンジ１２はピストンを最も奥まで押し込んだ状態でも先端部に空間を有し、その空間には三方電磁弁１０につながる呼気入口１６と、外部への排出口につながる呼気出口１６が設けられている。呼気出口１６につながる流路には開閉弁１８が設けられ、開閉弁１８のさらに下流には気体の流れを検知するフローセンサ２０が設けられている。呼気吐出時は開閉弁１８が開かれ、三方電磁弁１０を経て流入した呼気が呼気出口１６からフローセル２０を通って排出されるときにフローセル２０で呼気流が検知される。呼気流の停止が検知されたときに開閉弁１８が閉じられて終末呼気がシリンジ１２内に捕集される。
【００２１】
シリンジ１２はそのピストンロッドがモータ２２を含むシリンジ駆動機構によって移動させられることにより内容積が変化させられる。モータ２２はＣＰＵ４０からの制御により動作し、フローセンサ２０が呼気流を検知したときにシリンジ内容積が例えば５０ｍｌに拡大される位置（鎖線で示される位置）のところまでピストンを後退させて停止し、フローセンサ２０が呼気流の停止を検知したときにピストンを押し込んでシリンジ内に捕集された呼気を押し出す。
【００２２】
計量採取部１４の下流には分析装置としてのガスクロマトグラフのカラム２４が接続されており、キャリアガスボンベ２６からのキャリアガスが計量採取部１４を経てカラム２４へ流入している。試料採取時には計量採取部１４で採取された呼気試料がキャリアガスとともにカラム２４へ導入される。カラム２４の下流には検出器としてＰＩＤ２８が配置されている。
計量採取部１４の上流の流路には呼気成分の定量に用いる検量線を作成するために、標準ガスボンベ３０が接続されており、標準ガスが計量採取部１４で採取されてカラム２４へ導入されるようになっている。
【００２３】
呼気が採取されてカラム２４に導入されるまでの間に呼気中の水分が結露するのを防ぐとともに、カラム２４及び検出器２８を一定温度に保つために、三方電磁弁１０、シリンジ１２、開閉弁１８、フローセル２０、計量採取部１４、カラム２４及びＰＩＤ２８は、５０℃の一定温度に調節された恒温槽３２に収容されている。カラム２４は温度変動をさらに少なくするために、恒温槽３２内でさらにカラムオーブン３４内に収容されている。
【００２４】
ＣＰＵ４０は操作部４６からの入力信号を受けフローセンサ２０の検出信号を入力して三方電磁弁１０、開閉弁１８及びモータ２２の動作を制御する捕集制御部として機能したり、計量採取部１４の試料採取動作を制御するなど、この呼気採取装置を自動的に動作させ、また検出器２８の検出信号を取り込んで呼気成分の同定をしたり、予め測定して記憶している検量線データから呼気成分の濃度を算出したりするデータ処理・制御装置として設けられており、この呼気採取装置全体の作動プログラムを管理している。測定された呼気の分析結果を表示するためにＣＲＴなどの表示部４２が設けられ、分析結果を記録するためにプリンタ４４が設けられている。
【００２５】
計量採取部の例を図２に示す。
図２はガスクロマトグラフの気体試料導入装置として一般的に用いられている六方コックを用いた計量採取部の例である。六方コック５０に計量管５２が接続され、キャリアガスボンベ２６からのキャリアガス流路５４が六方コック５０によって計量管５２又はカラム２４に切り換えられるように接続されており、シリンジ１２から三方電磁弁１０を経て呼気が送られる試料流路５６が六方コック５０によって計量管５２又は放出口５８に切り換えられるように接続されている。
【００２６】
この計量採取部で呼気試料を採取するには、六方コック５０が実線の流路になっていて呼気試料が計量管５２を通って放出されている間に、六方コック５０が破線の流路に切り換えられる。これにより、計量管５２に採取された試料がキャリアガスとともにカラム２４へ導入される。
計量採取部１４の構造は図２に示されたものに限定されるものではなく、ガスクロマトグラフその他で、気体試料を分析装置に導入するのに用いられる各種試料導入装置を利用することができる。
【００２７】
次に、図３によりこの実施例の動作について説明する。
初めに、シリンジ１２は押し込まれた状態になっており、開閉弁１８が開き、三方電磁弁１０は加熱パイプ２をシリンジ１２に接続する方に設定されている。マウスピース８から息を吹き出すと、フローセンサ２０が呼気流を検知する。ＣＰＵ４０はフローセンサ２０による呼気流の検出信号を受けてから０.５秒後にモータ２２を動作させ、２秒間でピストンの先端が破線の位置にくるまで後退させてシリンジ１２の内容積を５０ｍｌに拡大させる。その後も呼気の吐出が続けられ、シリンジ１２内では先に流入した呼気が後で流入した呼気によって置換されて新しい呼気が捕集されていく。呼気の吐出が終了すると、ＣＰＵ４０はフローセンサ２０から呼気流停止の検出出力を受け、開閉弁１８を閉じ、三方電磁弁１０を切り換えてシリンジ１２を計量採取部１４に接続する。このときシリンジ１２に捕集された呼気は終末呼気である。
【００２８】
その後、ＣＰＵ４０はモータ２２を動作させてシリンジ１２のピストンを押し込み、シリンジ１２に捕集された呼気を５秒間で計量採取部１４へ押し出す。シリンジ１２から呼気が計量採取部１４へ送られている間に、計量採取部１４ではＣＰＵ４０によって六方コック５０が切り換えられて呼気試料が採取されてカラム２４へ送られる。ここまでが採取・測定モードである。その後、カラム２４では呼気成分が分離され、検出器２８で検出され、ＣＰＵ４０でデータ処理される。
【００２９】
シリンジ１２からの呼気の押出し動作が完了した後、ＣＰＵ４０からの指令によって開閉弁１８が開けられ、三方電磁弁１０が加熱パイプ４側へ切り換えられる。その後、開閉弁１８が閉じられ、シリンジ１２が加熱パイプ４側から空気を吸い込み、次に三方電磁弁１０が計量採取部１４側へ切り換えられてシリンジ１２から空気が押し出される。このように、加熱パイプ４から空気を吸い込み、それを計量採取部１４側へ押し出す操作を３回繰り返して、流路に付着した成分を排出する。これがパージモードである。採取・測定モードとパージモードで１回の測定動作が終了する。
実施例のように採取・測定モードの後に呼気流路をパージするモードを設けると、検体間のコンタミネーションが少なくなり、より高精度な定量分析を行なうことができるようになる。
【００３０】
図４は他の実施例を表わす。図１の実施例と比較すると、試料捕集容器として容積が可変の復元力のあるフレキシブルバッグ１２ａが設けられている。バッグ１２ａとしては、例えば容量が５０〜１００ｍｌのデドラー（登録商標）バッグを用いることができる。デドラーバッグ１２ａは呼気中のガス成分の吸着や分解など、測定成分の損失が起こらない材質で構成されている。バッグ１２ａは復元力によって容積を膨張させることはできるが、それ自身で縮小する駆動源を備えてはおらず、開閉弁１８が閉じられて内部が吸引されることによって容積を縮小させる。バッグ１２ａに一時蓄えられた呼気を計量捕集部１４の計量管又は計量室に引き込むために、また呼気試料が流れる流路をパージするときのために、計量採取部１４の放出口５８（図２参照）にエアーポンプ２２ａが接続されている。エアーポンプ２２ａは例えばダイヤフラム式であり、その吸引量は５００ｍｌ／分程度のもので、バッグ１２ａに捕集された呼気試料を６〜１０秒程度で空にすることができる程度のものが好ましい。
【００３１】
図４の実施例の動作は図１の実施例の動作と基本的には同じであるが、シリンジ１２に代えてバッグ１２ａを用いたことにより、バッグ１２ａに捕集された呼気試料を計量採取部１４に送る動作とパージ動作がポンプ２２ａによって行なわれる。バッグ１２ａに呼気試料を捕集するときは駆動源を必要としない。バッグ１２ａから計量採取部１４へ呼気試料を送るときは、図１でのモータ２２の押込み動作に代えてポンプ２２ａによる吸引動作を行なわせる。
【００３２】
パージ動作は、カラム２４での試料成分の分離展開中に行なう。三方電磁弁１０をバッグ１２ａ側に切り換えてバッグ１２ａの復元力により空気を加熱パイプ４からバッグ１２ａに吸引する。次に、三方電磁弁１０を計量採取部１４側へ切り換え、ポンプ２２ａを作動させてバッグ１２ａ中の空気を呼気流路を経て計量採取部１４ａへ流し、ポンプ１２ａで排出する。このように、バッグ１２ａへの空気の吸引と、計量採取部１４ａ側への排出を３度繰り返す。
図４の実施例でフレキシブルバッグ１２ａに代えてベロータイプのバッグに用いてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
本発明では大気圧下での１回分の呼気吐出体積よりも小さく、分析に必要な体積より大きい容積をもち、呼気入口と出口をもって先に吹き込まれた呼気を後で吹き込まれた呼気で置換しうる試料捕集容器に被検者からの呼気を捕集し、試料捕集容器への１回の呼気吐出動作終了時点で、試料捕集容器内の呼気の一定量を採取するようにしたので、呼気吐出動作やタイミングに被検者間の差異があっても的確な試料採取を行なうことができる。また、被検者の肺活量に差異があっても試料採取のタイミングを調整する必要がなく、したがって試料採取の失敗は起こりにくい。そして、このように採取した検体としての呼気は、被検者の肺活量の差異によらず終末呼気となるので、成分濃度が安定し、定量精度が向上する。
また、本発明では呼気採取操作を自動的に行なうようにしたので、被検者は呼気吹込み部から息を吹き込むだけでよく、その後はこの採取装置が呼気を捕集して自動的に採取し、分析部へ導入するので、機器の操作に不慣れな医者や看護婦などでも容易に患者の呼気を採取し分析することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例を示す概略構成図である。
【図２】同実施例における計量採取部の例を示す流路図である。
【図３】一実施例の動作を示すダイヤグラムである。
【図４】他の実施例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
２呼気吹込み部
８マウスピース
４加熱パイプ
１０三方電磁弁
１２試料捕集用シリンジ
１４計量採取部
１６呼気出口
１８開閉弁
２０フローセンサ
２２シリンジ駆動モータ
２４ガスクロマトグラフのカラム
２６キャリアガスボンベ
２８検出器のＰＩＤ
３２恒温槽
５０，６２計量採取部の計量管

Claims

呼気吹込み部と、
呼気吹込み部から吹き込まれた呼気の流路に設けられて呼気の流れを検出するフローセンサと、
呼気吹込み部から供給される呼気が流入する呼気入口と流入した呼気が流出する開閉可能な呼気出口をもって先に流入した呼気が後で流入した呼気により置換されるとともに、その容積が可変になっている試料捕集容器と、
フローセンサが呼気の流れを検出した後、試料捕集容器の容積を大気圧下での１回分の呼出体積よりも小さく分析に必要な体積より大きい一定容積まで拡大させ、フローセンサが呼気の流れの停止したことを検出した時点で呼気出口を閉じた後、試料捕集容器に捕集された呼気を移動させる捕集制御部と、
試料捕集容器から移動する呼気の流路に接続され、その呼気の一定量を採取して分析装置へ導く計量採取部と、
少なくとも呼気吹込み部、試料捕集容器及び計量採取部を被検者の体温以上に加温する加温手段とを備えていることを特徴とする呼気自動採取装置。
試料捕集容器はシリンジであって先端部に前記呼気入口と前記呼気出口を有し、シリンジの容積を変化させる駆動機構を備え、
捕集制御部はシリンジの呼気入口から流入した呼気が呼気出口へ流れうるようにシリンジの先端部に小さい空間をもつ状態と拡大された前記一定容積の状態との間で容積が変化するように前記駆動機構を介してシリンジの容積を変化させるものである請求項１に記載の呼気自動採取装置。
試料捕集容器は一定容量をもち、呼気の供給により容積が拡大する復元力のあるフレキシブルバッグ又はベロータイプのバッグであり、バッグに捕集された呼気を計量採取部を経て吸引する吸引機構を備え、
捕集制御部は前記吸引機構によりバッグ中の呼気試料を吸引することにより呼気試料を計量採取部へ移動させるとともにバッグの容積を縮小させるものである請求項１に記載の呼気自動採取装置。