(57)【要約】【課題】呼気中に少量含まれる特定のガス成分を容易に捕集するとともに、そのガス成分の濃度を精度高く測定する。【解決手段】呼気測定装置２０は、本体部１４と上蓋１６とファン２２とセンサ部１００とを含む。上蓋１６を開けた状態で、本体部１４に呼気収集管４０が装着される。呼気収集管４０は、呼気中の特定ガス成分のみを選択的に透過する選択透過膜５４及び選択透過膜５６と、吸着材５８とを含む。呼気収集中には呼気収集管４０の外周に冷却カバーが装着される。センサ部１００は、呼気収集管４０の吸着材５８に吸着された特定ガス成分に対応した物質で表面修飾された呼気センサを備える。【選択図】図５
2010025720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定ガス成分を吸着するように構成された吸着材を有する呼気収集装置とともに用いられる呼気測定装置であって、
内部に前記ガス吸着装置を保持可能な空間を有する筐体と、
前記筐体の前記空間内に設けられ、試料ガス中の前記特定ガス成分の濃度を検出して濃度信号を出力するガスセンサと、
前記筐体の前記空間内部に設けられ、前記筐体に保持された前記ガス吸着装置の前記吸着材に吸着されている前記特定ガス成分を前記吸着材から脱離させるための脱離手段とを含み、
前記ガスセンサは、
センシング素子と、
前記センシング素子の抵抗変化を検出し、前記濃度信号として出力するための抵抗検出手段とを含む、呼気測定装置。
【請求項２】
前記脱離手段は、前記筐体の前記空間内に設けられ、前記筐体の前記空間内に保持された前記呼気収集装置を加熱するための加熱手段を含む、請求項１に記載の呼気測定装置。
【請求項３】
前記筐体の、前記呼気収集装置が保持された位置に関して、前記ガスセンサとは反対側に設けられ、前記筐体の外部から空気を前記筐体内部の前記空間に強制的に導入するための外気導入手段をさらに含み、
前記筐体の、前記ガスセンサが設けられた位置に関して前記呼気収集装置が保持される位置とは反対側の位置に、前記筐体内部の前記空間内の空気を外部に排出するための排気口が形成されている、請求項１又は請求項２に記載の呼気測定装置。
【請求項４】
前記筐体は、
二つの端面、二つの側面、並びに上面及び下面を有する、中空の略直方体形状で、かつ前記上面に前記呼気収集装置が通過可能な大きさの開口を有する容器と、
前記容器の前記上面の前記開口を閉じるための上蓋とを含む、請求項３に記載の呼気測定装置。
【請求項５】
前記筐体は、前記容器の前記下面側の内面に設けられ、前記呼気収集装置を保持するための保持手段をさらに含む、請求項４に記載の呼気測定装置。
【請求項６】
前記外気導入手段は前記二つの端面のうち一方の端面に設けられ、前記排気口は前記二つの端面のうち他方の端面に形成されている、請求項４又は請求項５に記載の呼気測定装置。
【請求項７】
前記センシング素子は、特定化学物質を吸着する物質で表面修飾されたカーボンナノ構造体からなる、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の呼気測定装置。
【請求項８】
特定ガス成分を吸着する呼気収集装置であって、
第１の端部及び第２の端部を有するパイプ状の筐体と、
前記筐体内部空間の、前記第１の端部と前記第２の端部の間の位置に設けられ、前記特定ガス成分のみを透過する選択透過手段と、
前記選択透過手段と前記第２の端部との間の前記筐体内部に配置され、ガス分子を吸着する吸着材とを含む、呼気収集装置。
【請求項９】
前記筐体の、前記第１の端部と前記選択透過手段との間には、前記筐体内部空間を外部と連通させる開口部が形成されている、請求項８に記載の呼気収集装置。
【請求項１０】
内部に保冷材を封入し、前記筐体を包むことによって前記筐体内の前記吸着剤を冷却するための冷却カバーをさらに含む、請求項８または請求項９に記載の呼気収集装置。
【請求項１１】
前記冷却カバーは、
前記筐体が挿入可能な孔を有する、中空のドーナツ状のカバーと、
前記カバー内に封入された保冷材とを含む、請求項１０に記載の呼気収集装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、人間の呼気を測定する技術に関し、特に、呼気に含まれる特定の成分を精度高く検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の呼吸動作においては、主として、吸気中の酸素が二酸化炭素と交換されるとともに、体内で発生した水蒸気及びその他のガス成分を新たに含んだ呼気として体外に排出される。体内で発生するガス成分は、体調によって変化することが知られている。したがって、この呼気に含まれる特定の成分の濃度を測定することにより、その人の体調（疾患又はストレス等）を診断することが可能である。
【０００３】
ところで、呼気中に含まれる二酸化炭素の濃度は比較的高い。しかし、疾患等の診断に有効な他のガス成分（例えば、アセトン、ペンタン、一酸化窒素（ＮＯ）、メチルメルカプタン、アンモニア等）の呼気中における濃度は低いことが多い。大部分を窒素と二酸化炭素とが占める人間の呼気を用いて、何らかの診断を行なう場合には、そもそも含有濃度が低い特定のガス成分の濃度をいかにして正確に測定するかが問題になる。一つの方法として、呼気中に含まれるガス成分を濃縮して捕集する方法がある。
【０００４】
呼気中に含まれるガス成分を濃縮して捕集する方法として、（１）呼気中に含まれるガス成分を反応液と反応させることによりその成分を捕集するバブリング法、（２）呼気を冷却しセル内に充填したガラス粒子などの担体にガス成分を吸着させたり、呼気をシリカ等の担体の間を通してガス成分を吸着させたりする吸着法がある。
【０００５】
バブリング法では、測定対象となる成分ごとに反応液と接触させて化学反応させる必要があり、多岐にわたる測定対象物（ガス成分）への適用が困難である。吸着法は、回収方法によっては、回収率が低下したり濃縮した成分が薄められたりするという問題がある。このような問題に対して、特開平７−１０３９７４号公報（特許文献１）は、呼気中に含まれる種々の成分を大量に濃縮して捕集することができる呼気中成分の濃縮捕集装置を開示する。
【０００６】
この濃縮捕集装置は、冷媒を収容する冷却容器と、この冷却容器に収容された冷媒に差込まれると共に一端に形成された呼気入口と他端に形成された呼気出口と最下部に形成された滴下口とを有する捕集管と、この捕集管の滴下口に着脱自在に連結された回収びんとを備え、この捕集管は、滴下口に向かって螺旋状に低くなるように曲げられた捕集部を有する。
【０００７】
この濃縮捕集装置によると、冷媒中に差込まれる捕集管に螺旋状の捕集部を形成したことにより、捕集部の内壁全体の面積を大きくできるので、大量に捕集物を得ることができる。また、捕集部が滴下口に向かって螺旋状に低くなるように曲げられているので、捕集部の内壁に付着した水溶液等をその自重を利用して簡単に収集できる。その結果、呼気中に含まれる種々の成分を大量に濃縮して捕集することができる。
【特許文献１】特開平７−１０３９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に開示された濃縮捕集装置は、特定の疾患に対応する特定のガス成分だけを捕集するものではなく、そもそも呼気中に低い濃度で含まれる特定のガス成分の濃度を精度高く測定することができない。さらに、この濃縮捕集装置は、螺旋状の捕集部及びこの螺旋状の捕集部を冷却する冷却容器を備えるため、装置が大型化してしまう。
【０００９】
なお、上述したように、バブリング法では、特定のガス成分だけを捕集することができたとしても、測定対象となる成分ごとに反応液と接触させて化学反応させる必要があり、多岐にわたる測定対象物（ガス成分）への適用が困難である。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、呼気中の特定のガス成分を容易に捕集するとともに、そのガス成分の濃度を精度高く測定することができる、呼気測定装置及び呼気収集装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の局面に係る呼気測定装置は、特定ガス成分を吸着するように構成された吸着材を有する呼気収集装置とともに用いられる呼気測定装置であって、内部に呼気収集装置を保持可能な空間を有する筐体と、筐体の空間内に設けられ、試料ガス中の特定ガス成分の濃度を検出して濃度信号を出力するガスセンサと、筐体の空間内部に設けられ、筐体に保持された呼気収集装置の吸着材に吸着されている特定ガス成分を吸着材から脱離させるための脱離手段とを含み、ガスセンサは、センシング素子と、センシング素子の抵抗変化を検出し、濃度信号として出力するための抵抗検出手段とを含む。好ましくは、センシング素子は、特定化学物質を吸着する物質で表面修飾されたカーボンナノ構造体からなる。
【００１２】
特定ガス成分を吸着した呼気収集装置が、呼気測定装置の筐体により内部に保持される。脱離手段によってこの呼気収集装置の吸着材に吸着された特定ガス成分が吸着剤から脱離される。ガスセンサが脱離された特定ガス成分の濃度を測定する。センシング素子はカーボンナノ構造体からなり、感度が高く応答がよい上、筐体内部で特定ガス成分の濃度の測定が行なわれるので、そのガス成分の濃度を精度よく測定できる。また、ガスのセンシングとは別に、呼気収集装置の吸着材に特定ガス成分を吸着させるので、吸着を行なうために必要な構成は簡単なものでよく、ガス成分の捕集を容易に行なうことができる。
【００１３】
好ましくは、脱離手段は、筐体内部の空間内に設けられ、筐体内部の空間内に保持された呼気収集装置を加熱するための加熱手段を含む。
【００１４】
より好ましくは、呼気測定装置は、筐体の、呼気収集装置が保持された位置に関して、ガスセンサとは反対側に設けられ、筐体の外部から空気を筐体の内部の空間に強制的に導入するための外気導入手段をさらに含む。筐体の、ガスセンサが設けられた位置に関して呼気収集装置が保持される位置とは反対側の位置に、筐体内部の空間内の空気を外部に排出するための排気口が形成されている。
【００１５】
外気導入手段によって筐体内部に導入された空気は、呼気収集装置を経てガスセンサの位置に達し、さらに排気口から外部に輩出される。呼気収集装置から脱離したガス成分が効率よくガスセンサの位置に案内されるので、濃度が低いガス成分であっても精度よくその濃度を測定できる。
【００１６】
好ましくは、筐体は、二つの端面、二つの側面、並びに上面及び下面を有する、中空の略直方体形状で、かつ上面に呼気収集装置が通過可能な大きさの開口を有する容器と、容器の上面の開口を閉じるための上蓋とを含む。
【００１７】
上蓋をあけることにより、呼気収集装置を容易に筐体内部に保持させることができる。
【００１８】
さらに好ましくは、筐体は、容器の下面側の内面に設けられ、呼気収集装置を保持するための保持手段をさらに含む。
【００１９】
呼気収集装置が保持されることにより、呼気収集装置が不安定な状態になることが避けられ、特定ガス成分の濃度測定を安定して行なうことができる。
【００２０】
好ましくは、外気導入手段は二つの端面のうち一方の端面に設けられ、排気口は二つの端面のうち他方の端面に形成されている。
【００２１】
本発明の第２の局面に係る呼気収集装置は、特定ガス成分を吸着する呼気収集装置であって、第１の端部及び第２の端部を有するパイプ状の筐体と、筐体の内部空間の、第１の端部と第２の端部の間の位置に設けられ、特定ガス成分のみを透過する選択透過手段と、選択透過手段と第２の端部との間の筐体の内部に配置され、ガス分子を吸着する吸着材とを含む。
【００２２】
パイプ状の筐体の第１の端部から呼気を吹込むと、特定ガス成分以外のガス成分は選択透過手段によって吸着材の位置まで進入することができない。そのため、吸着材には特定ガス成分のみが吸着され、選択的なガス成分の濃縮ができる。
【００２３】
好ましくは、筐体の、第１の端部と選択透過手段との間には、筐体の内部空間を外部と連通させる開口部が形成されている。
【００２４】
選択透過手段を透過できないガスを外部に逃がすことにより、呼気の吹き込みを楽にし、特定ガス成分の濃縮を可能にする。
【００２５】
より好ましくは、呼気収集装置はさらに、内部に保冷材を封入し、筐体を包むことによって筐体内の吸着剤を冷却するための冷却カバーを含む。
【００２６】
筐体内の吸着材が冷却された状態で呼気を吹き込むので、呼気中の特定ガス成分が効率的に吸着材に吸着される。
【００２７】
冷却カバーは、筐体が挿入可能な孔を有する、中空のドーナツ状のカバーと、カバー内に封入された保冷材とを含んでもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面に基づき詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの機能及び名称も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２９】
−構造−
図１に、本発明の一実施の形態に係る呼気測定装置２０の斜視図を示す。図２（Ａ）に呼気測定装置２０の上面図を、図２（Ｂ）に呼気測定装置２０の側面図を、図２（Ｃ）に図２（Ｂ）の矢示２Ｃ方向から見た呼気測定装置２０の端面図を、図２（Ｄ）に図２（Ｂ）の矢示２Ｄ方向から見た呼気測定装置２０の端面図を、それぞれ示す。
【００３０】
図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る呼気測定装置２０は、上方が開いた中空の略直方体の形状を有する本体部１４と、本体部１４の上方に設けられた上蓋１６とを含む。本体部１４の側面には、呼気測定装置２０の状態等を表示してユーザ（治験者又は操作者）に情報を報知する表示部２４、ユーザが呼気測定前にセンサをレディ状態にする際に操作する再生ボタン３４及び呼気測定開始時に操作する測定開始ボタン３６が設けられる。呼気測定装置２０の長手方向の端面には、排出孔１２２が形成されている。
【００３１】
図２（Ａ）−図２（Ｄ）に示すように、上蓋１６は、呼気測定装置２０の本体部１４の上面に、例えば３個の蝶番１８により取り付けられている。これらの蝶番１８により、図２（Ｃ）及び図２（Ｄ）に示すように、蝶番１８を中心として上方に上蓋１６を開き本体部１４の内部を開放することができる。
【００３２】
図２（Ｃ）に示すように、矢示２Ｃ側の端面（以下、上流端面と記載する場合がある。）には、この呼気測定装置２０に外部の空気を吸入するためのファン２２及び図２（Ｃ）には図示しない、ファン２２のためのモータが設けられている。図２（Ｄ）に示すように、矢示２Ｄ側の端面（以下、下流端面と記載する場合がある。）には、呼気中の特定ガス成分の濃度を測定するセンサ部１００が設けられている。空気は上流端面側から呼気測定装置２０の内部に入り、センサ部１００を通って排出孔１２２から排出される。
【００３３】
図３（Ａ）に呼気測定装置２０の内部に装着される呼気収集管４０の斜視図を、図３（Ｂ）に呼気収集管４０の断面図を、図３（Ｃ）に冷却カバー６０が装着された呼気収集管４０の斜視図を、それぞれ示す。
【００３４】
図３（Ａ）−図３（Ｃ）に示すように、呼気収集管４０は、中空円筒の形状を有し、その中空部に特定のガス成分を吸着する材質の吸着材５８が封入されている。吸着材５８は本実施の形態では多孔質であって、その表面積が大きく、効率よく特定のガス成分を吸着することができるとともに、呼気の流通をそれほど阻害しないようになっている。呼気収集管４０の吸着材５８の上流側（図３（Ｂ）紙面における左側）には、それぞれ特定の種類のガスのみを透過する選択透過膜５４及び選択透過膜５６が設けられると共に、選択透過膜５４を透過しないガスを排出する排出孔５０及び選択透過膜５６を透過しないガスを排出する排出孔５２が設けられている。選択透過膜５４及び選択透過膜５６は、センサ部１００で検出したいターゲット分子（例えばアセトン）のみを透過させ、他のターゲット分子を透過させない機能膜である。選択透過膜５４及び５６はまた、水分も透過させない除湿機能をもつ。呼気を除湿することにより、特定ガス成分の濃度測定が精度よく行なえる。
【００３５】
図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）に示すように、呼気収集管４０の吸着材５８が封入された部分に、特定ガスの吸着を効率よくするために、冷却カバー６０を装着することが可能である。この冷却カバー６０は、吸着材５８の長さに対応した長さを有し、かつ呼気収集管４０の外径に対応した内径を有する、柔軟な素材でできた中空円筒であり、内部に保冷剤を封入したものである。この冷却カバー６０は、例えば使用前に冷凍しておいて、呼気収集時に呼気収集管４０に装着される。使用される保冷剤は、蓄冷剤とも呼ばれるものであって、水、高吸水性樹脂（ポリアクリル酸ナトリウム）、防腐剤、及び形状安定剤を含む。この保冷剤は、何回でも繰返し使用することができる。
【００３６】
この呼気収集管４０は、使いきりのものであって、選択透過膜５４及び５６として、検出したい特定ガス成分のみを透過する選択透過膜を有する。例えば、ペンタンを選択的に透過させる選択透過膜が備えられ吸着材５８に主としてペンタンを吸着させるペンタン用呼気収集管、アセトンを選択的に透過させる選択透過膜が備えられ吸着材５８に主としてアセトンを吸着させるアセトン用呼気収集管、ＮＯ（一酸化窒素）を選択的に透過させる選択透過膜が備えられ吸着材５８に主としてＮＯを吸着させるＮＯ用呼気収集管が利用できる。なお、吸着材５８に吸着されるガスの種類に応じて、呼気測定装置２０の呼気センサの仕様も異なる。この詳細については後述する。
【００３７】
図４（Ａ）に呼気測定装置２０に呼気収集管４０（冷却カバー６０がない。）がセットされる状態の上面図を、図４（Ｂ）に図４（Ａ）の矢示４Ｂ−４Ｂ断面を、それぞれ示す。
【００３８】
呼気測定装置２０に呼気収集管４０がセットされる場合には冷却カバー６０は取外される。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、呼気測定装置２０は、本体部１４の底面に設けられ、呼気収集管４０の長さに対応した長さを備えた載置台７２、及び載置台７２の上に設けられた呼気収集管ヒータ７４を含む。呼気収集管ヒータ７４には、上方から装着された呼気収集管４０を保持するための保持部７０が４箇所設けられている。この保持部７０の素材は、例えば弾性を有する金属又は合成樹脂であって、上方に開くとともに、対向する保持部７０の根元での幅は呼気収集管４０の直径に対応する幅（例えば、直径よりもやや狭い幅）である。
【００３９】
図５は、呼気測定装置２０に呼気収集管４０が装着された状態であって、上蓋１６が閉じられた状態を示す、呼気測定装置２０の長手方向の断面図である。図５に示すように、呼気測定装置２０は、呼気収集管４０が装着され、上蓋１６を閉めると、呼気収集管４０の上下に空隙が残らないような大きさとなっている。本体部１４の上流端面側には、ファン２２、及びファン２２を駆動するモータ２６が設けられる。ファン２２は呼気測定装置２０に外部の空気を吸引する。ファン２２の吸引する空気の流量は、モータ２６の回転数が上昇すると増加する。本体部１４の下流端面側の空間には、センサ部１００が設けられている。センサ部１００のさらに下流側には、ファン２２により呼気測定装置２０に吸入された空気（呼気収集管４０から分離されたガスを含む空気）が外部に排出される排出孔１２２が形成されている。
【００４０】
図６は、図５の、センサ部１００を拡大した図である。図６を参照して、センサ部１００には、呼気に含まれる特定ガスの濃度を検出する呼気センサ１４８が設けられている。この呼気センサ１４８は、保持基板１４０により保持されている。さらに、センサ部１００の呼気センサ１４８と保持基板１４０との間には、呼気センサ１４８に接触するようにセンサ部ヒータ１４４が設けられる。センサ部ヒータ１４４は呼気センサ１４８から特定ガス成分を脱離させる処理の際に通電され、呼気センサ１４８を加熱する。
【００４１】
呼気センサ１４８は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いたセンサであって、測定対象の呼気に含まれる特定ガスの濃度に従ってその電気的な抵抗値が変化することを利用して、特定ガスの濃度を検出するものである。
【００４２】
脱離処理とは、呼気センサ１４８が吸着したターゲット分子を呼気センサ１４８から引き離して、呼気センサ１４８を測定前の初期状態に戻す処理である。この脱離処理時にセンサ部ヒータ１４４が通電されて、呼気センサ１４８を加熱して脱離処理を行なう。
【００４３】
センサ部１００には、流量センサ１６４が設けられる。この流量センサ１６４は、ファン２２により呼気測定装置２０に吸入されセンサ部１００を流れる空気量を検出する。流路断面積は固定であるので、流量センサではなく流速センサであってもよい。排出孔１２２には、外部の空気の逆流を遮断する逆止弁１２４が設けられる。
【００４４】
なお、センサ部１００は、センサ部１００の電気抵抗測定用の電気回路を備えている。図を分かりやすくするため、一連の図においてセンサの取付ステー、呼気センサ１４８の電気配線、及び呼気センサ１４８の電気抵抗測定用の電気回路を組み込んだ基板は図示していない。
【００４５】
図７に、ガスセンサ素子１８０の概略構成を示す。図７を参照して、ガスセンサ素子１８０は、特定の分子により表面修飾されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の集合からなるカーボンナノ構造体（以下「ＣＮＴ構造体」と呼ぶ。）からなるセンシング部１８２と、センシング部１８２の両端に接続された電極１８４及び電極１８６とを含む。
【００４６】
図８に、センシング部１８２における表面修飾の様子を模式的に示す。図８を参照して、センシング部１８２は、ＣＮＴ構造体１８８と、ＣＮＴ構造体１８８表面に固定された、検出対象ガスを選択的に吸着する特定物質の分子１９４とを含む（ここでは分子１９４として金属フタロシアニンの分子構造を図示しているが、分子１９４は金属フタロシアニンに限定されない。）。
【００４７】
ＣＮＴは直径がナノオーダーのチューブ状炭素材料である。ＣＮＴ表面に気体分子が吸着すると、電子移動を生じ熱起電力が気体分子の種類によって敏感に正から負まで変化する。言い換えれば、ＣＮＴの２点間に、電位差、又は、電気抵抗の変化が生じる。この電気抵抗の変化を検出すれば、ＣＮＴに吸着した化学物質のセンシングが可能となる。ＣＮＴの形状がナノオーダーの微細構造であることから、応答性及び検出下限に大幅な改善が期待できる。すなわち、特定化学物質がＣＮＴ表面に吸着してからＣＮＴの電気抵抗変化が発生するまでの時間は、ＣＮＴの導電性及びナノ構造に起因して、従来のセンシング素子に比べて非常に短い。さらに、ＣＮＴはその表面積が大きいため、従来のセンシング素子では困難な、微量の特定化学物質の吸着と、その存在確認とが可能になる。ただし、ＣＮＴ自体には吸着する気体分子の選択性はない。そのため、本実施の形態のように所望のガス成分のみを透過する選択透過膜を使用することが有用である。
【００４８】
例えばＭｎフタロシアニンでカーボンナノ構造体の表面を修飾すると、呼気中のアセトンがこれらＭｎフタロシアニンに吸着される。その結果、上述したようにカーボンナノ構造体の電気抵抗が変化する。この変化量は、カーボンナノ構造体表面に吸着したアセトン分子の量に応じて変わる。したがって、センシング部１８２に電流を通したときの抵抗値の変化を見ることにより、呼気中のアセトンの濃度を検出することができる。
【００４９】
なお、本実施の形態では、呼気センサ１４８のセンシング部として、アセトンを選択的に吸着するＭｎフタロシアニンにより表面修飾されたもの、及びＮＯを選択的に吸着するように主としてＤＡＦ−２又はコバルトイオンを中心金属として持つ金属錯体により表面修飾されたもの、のいずれかを用いる。
【００５０】
図９は、呼気センサ１４８に設けられた、ガスセンサ素子１８０の抵抗変化を測定するための測定回路２００の構成を示す。図９を参照して、測定回路２００は、定電圧源２１０と、定電圧源２１０の両端の間に直列に接続されたガスセンサ素子１８０及び負荷抵抗２１２と、ガスセンサ素子１８０及び負荷抵抗２１２の接点に接続された入力を持ち、この接点の電位変化を増幅するための増幅器２１４とを含む。図７に示すガスセンサ素子１８０の電極１８４は、定電圧源２１０のプラス端子へ、電極１８６は負荷抵抗２１２及び増幅器２１４へ接続される。負荷抵抗２１２の抵抗値は既知である。ガスセンサ素子１８０及び負荷抵抗２１２の接続点の電位を測定することにより、ガスセンサ素子１８０の電気抵抗の変化を知ることができ、したがって、ガスセンサ素子１８０に吸着した特定ガス成分の量を知ることができ、それに基づいて呼気中の特定ガス成分の濃度を知ることができる。
【００５１】
図１０を参照して、本実施の形態に係る呼気測定装置２０を制御する制御装置３２のブロックを説明する。
【００５２】
この制御装置３２は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等を含む演算回路２５４と、データ、電気抵抗と特定ガスの濃度との換算テーブルである濃度変換テーブル、及び演算回路２５４で実行されるプログラム等を記憶するデータ記憶回路２６４と、モータ２６を回転数制御可能に駆動するモータ駆動回路２６８と、吸気収集管ヒータ７４を通電状態及び非通電状態に切替える吸気収集管ヒータスイッチ２６２と、センサ部ヒータ１４４を通電状態及び非通電状態に切替えるセンサ部ヒータスイッチ２６６とを含む。
【００５３】
演算回路２５４には、呼気センサ１４８からの信号が入力される。この信号は、ガスセンサ素子１８０及び負荷抵抗２１２の接続点の電位信号である。演算回路２５４には、再生ボタン３４及び測定開始ボタン３６から、オン信号及びオフ信号のいずれかが入力される。演算回路２５４には、流量センサ１６４からの信号が入力される。
【００５４】
演算回路２５４から表示部２４に表示指令信号が出力される。演算回路２５４からモータ駆動回路２６８へ指令信号（オン指令、オフ指令、回転数増加指令）が出力されて、モータ駆動回路２６８はこの指令信号に応答してモータ２６を制御する。演算回路２５４から吸気収集管ヒータスイッチ２６２へオンオフ指令信号が出力される。吸気収集管ヒータスイッチ２６２は、オン指令信号に応答して吸気収集管ヒータ７４への通電を開始し、オフ指令信号に応答して吸気収集管ヒータ７４への通電を停止する。演算回路２５４からセンサ部ヒータスイッチ２６６へオンオフ指令信号が出力される。センサ部ヒータスイッチ２６６は、オン指令信号に応答してセンサ部ヒータ１４４への通電を開始し、オフ指令信号に応答してセンサ部ヒータ１４４への通電を停止する。
【００５５】
本実施の形態においては、呼気収集管４０に収集された呼気を呼気測定装置２０で測定する場合に、特定ガスの濃度を精度高く測定することが特徴である。このような特徴は、制御装置３２の演算回路２５４において実行されるプログラムにより、各部（データ記憶回路２６４、モータ駆動回路２６８、吸気収集管ヒータスイッチ２６２、センサ部ヒータスイッチ２６６、表示部２４等）が制御されることにより実現される。以下、演算回路２５４で実行されるプログラムの制御構造を説明する。
【００５６】
図１１及び図１２に、演算回路２５４で実行される、呼気測定プログラムの制御構造をフローチャート形式で示す。図１１を参照して、このプログラムは、再生ボタン３４が操作されることにより起動される。なお、ユーザは、再生ボタン３４を押す前に呼気収集管４０で呼気収集を完了しておくものとする。ステップ（以下、ステップをＳと記載する）３０２において、演算回路２５４は、センサ部ヒータスイッチ２６６へオン指令信号を出力する。センサ部ヒータスイッチ２６６は、このオン指令信号に応答してセンサ部ヒータ１４４への通電を開始する。Ｓ３０４において、演算回路２５４は、モータ駆動回路２６８へオン指令信号を出力する。モータ駆動回路２６８はこのオン指令信号に応答して、停止していたモータ２６を駆動させる。Ｓ３０６において、演算回路２５４は、表示部２４へ表示指令信号（「センサ部再生中」を表示する指令信号）を出力する。
【００５７】
Ｓ３０８において、演算回路２５４は、呼気センサ１４８の再生が終了したか否かを判定する。本実施の形態では、演算回路２５４は、Ｓ３０２の処理から予め定められた時間（再生に必要な十分に長い時間）が経過すると、呼気センサ１４８の再生が終了したと判定する。呼気センサ１４８の再生が終了したと判定されると（Ｓ３０８においてＹＥＳ）、制御はＳ３１０へ移る。さもないと（Ｓ３０８においてＮＯ）、制御はＳ３０２へ戻る。
【００５８】
Ｓ３１０において、演算回路２５４は、センサ部ヒータスイッチ２６６へオフ指令信号を出力する。センサ部ヒータスイッチ２６６は、このオフ指令信号に応答してセンサ部ヒータ１４４への通電を遮断する。Ｓ３１２において、演算回路２５４は、モータ駆動回路２６８へオフ指令信号を出力する。モータ駆動回路２６８はこのオフ指令信号に応答してモータ２６を停止させる。Ｓ３１４において、演算回路２５４は、表示部２４へ表示指令信号を出力する。表示部２４は、この表示指令に応答して、再生中の表示を消去し、呼気収集管４０を呼気測定装置２０にセットするよう促すメッセージを表示する。
【００５９】
Ｓ３１５において、演算回路２５４はタイマをスタートさせる。このタイマは、測定要求がなく一定時間が経過したか否かを判定するためのものである。この一定時間中にユーザは呼気収集管４０を呼気測定装置２０にセットする。Ｓ３１６において、演算回路２５４は、呼気中の特定ガス成分を測定する要求があるか否かを判定する。具体的には、演算回路２５４は、測定開始ボタン３６からの入力信号（オン信号又はオフ信号）の値がオンとなっているか否かに基づいてこの判定を行なう。呼気中の特定ガス成分を測定する要求があると判定されると（Ｓ３１６においてＹＥＳ）、制御はＳ３１８へ移る。さもなければ（Ｓ３１６においてＮＯ）、制御はＳ３１７に移る。Ｓ３１７ではタイマが満了したか否かが判定される。タイマが満了すればこのプログラムは終了する。タイマが満了していなければ制御はＳ３１６に戻る。
【００６０】
Ｓ３１８において、演算回路２５４は、吸気収集管ヒータスイッチ２６２へオン指令信号を出力する。吸気収集管ヒータスイッチ２６２は、このオン指令信号に応答して吸気収集管ヒータ７４への通電を開始する。Ｓ３２０において、演算回路２５４は、モータ駆動回路２６８へオン指令信号を出力する。モータ駆動回路２６８はこのオン指令信号に応答して、モータ２６を駆動する。
【００６１】
Ｓ３２２において、演算回路２５４は、呼気測定装置２０に吸引されて排出される空気の流量が不足しているか否かを判定する。このとき、演算回路２５４は、流量センサ１６４から入力された信号に基づいて、空気の流量が不足しているか否かを判定する。空気の流量が不足していると判定されると（Ｓ３２２においてＹＥＳ）、制御はＳ３２４へ移る。さもなければ（Ｓ３２２においてＮＯ）、制御はＳ３２６へ移る。
【００６２】
Ｓ３２４において、演算回路２５４は、モータ駆動回路２６８へ回転数増加指令信号を出力する。本実施の形態では、モータ駆動回路２６８は回転数増加指令信号に応答してモータ２６の回転数を１０％上昇させる。Ｓ３２４の処理後、制御はＳ３２６へ移る。なお、このＳ３２４の処理後、処理を再度Ｓ３２２へ戻して、流量不足が解消されるまで１０％ずつモータ２６の回転数を増加させるようにしてもよい。
【００６３】
Ｓ３２６において、演算回路２５４は、表示部２４へ表示指令信号（「測定中」を表示する指令信号）を出力する。Ｓ３２８において、演算回路２５４は、一定時間の待機後、呼気センサ１４８からの信号を取込む。この待機時間はセンサ出力が安定するまでの時間であるが、ＣＮＴを使用しているため、それほど長くする必要はない。Ｓ３３０において、演算回路２５４は、呼気センサ１４８からの信号があるか否かを判定する。具体的には、呼気センサ１４８からの、ガスセンサ素子１８０及び負荷抵抗２１２の接続点の電位を示す信号の信号レベルがあるしきい値より大きければ信号ありと判定し、さもなければ信号なしと判定する。呼気センサ１４８からの信号があると判定されると（Ｓ３３０においてＹＥＳ）、制御はＳ３３２へ移る。さもなければ（Ｓ３３０においてＮＯ）、制御はＳ３３６へ移る。
【００６４】
Ｓ３３２において、演算回路２５４は、データ記憶回路２６４に記憶された変換テーブルを用いて、呼気センサ１４８からの出力であるセンサ出力の信号レベルを特定ガス成分の濃度に変換する。Ｓ３３４において、演算回路２５４は、表示部２４へ表示指令信号（変換された特定ガス成分の濃度を表示することを指令する信号）を出力する。その後、制御はＳ３３８へ移る。
【００６５】
Ｓ３３６において、演算回路２５４は、表示部２４へ「検出下限以下」を表示する指令信号を出力する。
【００６６】
Ｓ３３８において、演算回路２５４は、吸気収集管ヒータスイッチ２６２へオフ指令信号を出力する。吸気収集管ヒータスイッチ２６２は、このオフ指令信号に応答して吸気収集管ヒータ７４への通電を遮断する。Ｓ３４０において、演算回路２５４は、モータ駆動回路２６８へオフ指令信号を出力する。モータ駆動回路２６８はこのオフ指令信号に応答して回転していたモータ２６を停止させる。Ｓ３４２において、演算回路２５４は、一定時間経過後、表示部２４に表示クリア指令信号を出力する。
【００６７】
−動作−
以上のような構造を有する呼気測定装置２０は以下のように動作する。なお、以下においては、選択透過膜５４及び選択透過膜５６は、アセトンを透過する機能膜であって、呼気センサ１４８は、アセトンが吸着されると抵抗値が変化するセンサ（すなわち、Ｍｎフタロシアニンで表面修飾されたセンサ）である場合について説明する。
【００６８】
［呼気収集管４０への呼気中のアセトン成分の収集］
アセトン用の呼気収集管４０を準備して、その呼気収集管４０の外周に図３（Ｃ）で示されるように冷凍状態の冷却カバー６０を装着する。この状態でアセトンの濃度を検出したい治験者が、呼気収集管４０の排出孔５０側の端部を口に咥えて、呼気を呼気収集管４０に吹込む。すると、図３（Ｂ）を参照して、左側から呼気が呼気収集管４０内に進入する。選択透過膜５４及び選択透過膜５６により、水蒸気、アセトン及び窒素以外のガスの進入が阻まれ、排出孔５０及び排出孔５２から排出される。なお、水蒸気は、選択透過膜５４及び選択透過膜５６のいずれか一方の選択透過膜で排除される。一方、選択透過膜５４及び選択透過膜５６を透過したアセトンガスは、吸着材５８に吸着される。呼気収集管４０の外周に装着された冷却カバー６０により吸着材５８の温度が低く維持されているため呼気に含まれる特定のガス成分（ここではアセトンガス）が凝縮して濃縮された状態で吸着される。
【００６９】
［呼気測定装置２０における再生］
呼気測定装置２０に呼気収集管４０を装着する前に、呼気測定装置２０の呼気センサ１４８を再生処理する。
【００７０】
操作者が再生ボタン３４を操作すると、再生要求を演算回路２５４が検出して呼気測定のためのプログラムが起動する。センサ部ヒータスイッチ２６６が制御されて、センサ部ヒータ１４４に一定時間電流を流して呼気センサ１４８を加熱し、呼気センサ１４８のＣＮＴに吸着したガス分子を脱離させる（Ｓ３０２）。このとき、モータ駆動回路２６８がモータ２６を駆動し、ファン２２により呼気測定装置２０に空気が吸入される（Ｓ３０４）。同時に、表示部２４に「センサ部再生中」の文字が表示される（Ｓ３０６）。脱離したガス分子は、吸入された空気により呼気測定装置２０の排出孔１２２を通して、外部に排出される。
【００７１】
一定時間が経過すると再生が終了して（Ｓ３０８においてＹＥＳ）、センサ部ヒータ１４４への通電が停止され、モータ２６が停止し、表示部２４の表示が、呼気収集管４０をセットすることを示すものに変更される（Ｓ３１０、Ｓ３１２、Ｓ３１４）。
【００７２】
なお、再生処理時にファン２２により呼気測定装置２０に空気を吸入することは必須ではないが、脱離を効率的に行なうには好適である。なお、再生処理時には、呼気測定装置２０に呼気収集管４０を装着しないようにする必要がある。
【００７３】
［呼気測定装置２０における測定］
ユーザは、呼気測定装置２０の上蓋１６を開けて、冷却カバー６０を外した呼気収集管４０を本体部１４に装着する。操作者が測定開始ボタン３６を操作すると、測定要求を演算回路２５４が検出する（Ｓ３１６においてＹＥＳ）。吸気収集管ヒータスイッチ２６２が制御されて、吸気収集管ヒータ７４に電流を流して加熱し、吸着材５８に吸着されていたアセトン分子が分離される（Ｓ３１８）。このとき、モータ２６が駆動されファン２２により呼気測定装置２０に空気が吸入され（Ｓ３２０）、表示部２４に「測定中」の文字が表示される（Ｓ３２６）。分離したアセトンのガス分子は、吸入された空気により呼気測定装置２０の排出孔１２２を通して、外部に排出される。同時に、センサ部１００にアセトンのガス分子が到達し、ＣＮＴ構造体に吸着する。なお、呼気測定装置２０に吸入される空気の流量が不足していると（Ｓ３２２においてＹＥＳ）、ファン２２の回転数が上昇し、吸入される空気量が増大する（Ｓ３２４）。
【００７４】
測定中は、図９に示す、定電圧源２１０により、ガスセンサ素子１８０と負荷抵抗２１２とを直列接続したものの両端に一定電圧をかけておく。呼気センサ１４８においては、アセトン分子がＣＮＴに吸着され、その結果、ガスセンサ素子１８０の電気抵抗が増加する。その変化を増幅器２１４でアナログ信号化し、さらにそれをＡ／Ｄ変換器によってデジタル化して演算回路２５４に取込む。
【００７５】
呼気センサ１４８からの出力があると（Ｓ３３０においてＹＥＳ）、センサ出力値が濃度に変換される（Ｓ３３２）。変換された濃度が表示部２４に表示される。吸気収集管ヒータ７４への通電が停止され、モータ２６が停止される（Ｓ３３８、Ｓ３４０）。その後、操作者又は治験者が濃度を認知可能な一定時間が経過すると、表示部２４の表示がクリアされる（Ｓ３４２）。
【００７６】
なお、再生処理終了後、所定時間経過しても測定開始の要求がない場合、呼気測定装置２０は処理を自動的に終了する。
【００７７】
以上のように、本実施の形態に係る呼気測定装置及び吸気収集管によると、冷却した状態で特定のガス成分を濃縮して吸着させた呼気収集管を測定時に加熱してその特定のガス成分を分離させ、呼気センサにより測定することができる。このため、呼気中の特定ガス成分の濃度が低くても、他のガスの影響を受けることなく高い精度でその特定のガス成分を測定できる。また、疾患に対応した特定のガス成分を別々の吸気収集管（選択透過膜が異なる）に収集して、その特定のガス成分に対応した呼気測定装置（呼気センサを表面修飾する物質が異なる）を用いて呼気測定するので、正確に測定できる。吸気収集管は、簡単かつ小型の構成であって安価であるので使いきり型として利用できる。冷却カバーは繰返して使用することができ、ランニングコストも低減できる。
【００７８】
なお、上述した実施の形態においては、脱離処理中にファンで空気を吸引して脱離ガスを排出していた。この場合には、呼気測定装置２０に呼気収集管４０を装着する前にこの脱離処理を行なう必要がある。一方、図１１のＳ３０４の処理を行なわない場合（脱離処理中にファンで空気を吸引しない場合）には、呼気測定装置２０に呼気収集管４０を装着する前後にかかわらずこの脱離処理を行なうことができる。
【００７９】
さらに、測定終了時に再生処理を行なったことを記憶するようにして、このように記憶されている場合には、処理を図１１に示すＳ３０２ではなく直接Ｓ３１６から開始することもできる。
【００８０】
なお、上記実施の形態で使用した冷却カバー６０は保冷剤を使用したものであったが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。冷却カバーを使用せず、呼気収集管４０自体を予め冷蔵庫などで冷却するようにしてもよい。また、上記実施の形態では、呼気収集管ヒータ７４に、呼気収集管４０を保持するための保持部７０を設けている。しかし本発明はそのような実施の形態には限定されない。例えば、保持部７０は載置台７２に設けてもよい。
今回開示された実施の形態は単に例示であって、本発明が上述した実施の形態のみに限定されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含む。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施の形態に係る呼気測定装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】呼気測定装置の三面図である。
【図３】呼気測定装置に装着される呼気収集管を示す図である。
【図４】呼気測定装置に呼気収集管が装着される状態を示す図である。
【図５】呼気測定装置に呼気収集管が装着された状態を示す断面図である。
【図６】図５の部分拡大図である。
【図７】ガスセンサ素子の概略構成図である。
【図８】センシング部における表面修飾の様子を示す模式図である。
【図９】ガスセンサ素子に接続される測定回路を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る呼気測定装置の制御ブロック図である。
【図１１】図１０の演算回路で実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャート（その１）である。
【図１２】図１０の演算回路で実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャート（その２）である。
【符号の説明】
【００８２】
２０  呼気測定装置
２２  ファン
４０  呼気収集管
５４、５６  選択透過膜
５８  吸着材
６０  冷却カバー
７４  呼気収集管ヒータ
１００  センサ部
１４４  センサ部ヒータ
【図１】
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【図２】
2010025720.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010025720.tif 000008
【図８】
2010025720.tif 000009
【図９】
2010025720.tif 000010
【図１０】
2010025720.tif 000011
【図１１】
2010025720.tif 000012
【図１２】
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【図３】
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