(57)【要約】 【課題】  低コストの流量測定装置を提供するとともに、外光による流量の測定精度の低下を防止すること。【解決手段】  呼吸気の流量に応じて変形する遮光性及び可撓性を有するインジケータ２０を気流筒１０内部に接合固定する。光源部５０が、インジケータ２０を照射し、ディテクタ部３０は、その照射されたインジケータ２０の光学像を光学的に読み取る。光源部５０からの照射光は、その一部がインジケータ２０により遮断されて、ディテクタ部３０に透過する。ディテクタ部３０が読み取る透過像には、インジケータ２０の暗影が含まれているため、そのコントラストからインジケータ２０の変移量を検出する。流量換算部７０は、ディテクタ部３０から出力された透過像の電気信号に基づいて、インジケータ２０の変移量を検出し、その変移量に対応する気流量情報を流量換算テーブルから読み出して、呼吸流量として決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の流体の流路を形成する管体と、
前記管体内部に配置され、前記流体の流量に応じた物理的変化を生ずる可動部材と、
前記可動部材を照射する光源と、
前記光源の照射により形成された光学像に基づいて前記可動部材の物理的変化の度合いを光学的に検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された物理的変化の度合いを前記流体の流量に換算する換算手段と、
を備えることを特徴とする流量測定装置。
【請求項２】
前記検出手段は、前記可動部材を透過した前記光源からの照射光が形成する透過像に基づいて前記物理的変化の度合いを検出することを特徴とする請求項１に記載の流量測定装置。
【請求項３】
前記光源からの照射光の伝播方向に沿って、前記可動部材及び前記検出手段を順に配置することを特徴とする請求項１又は２に記載の流量測定装置。
【請求項４】
前記管体及び前記可動部材それぞれの反射率が異なり、
前記検出手段は、前記光源からの照射光が前記可動部材に反射された反射光が形成する反射像に基づいて前記物理的変化の度合いを検出することを特徴とする請求項１に記載の流量測定装置。
【請求項５】
前記可動部材の反射率が、前記管体の反射率に対して低いことを特徴とする請求項４に記載の流量測定装置。
【請求項６】
前記可動部材の反射率が、前記管体の反射率に対して高いことを特徴とする請求項４に記載の流量測定装置。
【請求項７】
前記管体を、前記光源及び前記検出手段と着脱可能且つ一体的に構成することを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の流量測定装置。  
【請求項８】
流体の流路を形成する管体と、
前記管体内部に配置され、前記流体の流量に応じた物理的変化を生ずる自己発光型の可動部材と、
前記可動部材の発光により形成された光学像に基づいて当該可動部材の物理的変化の度合いを光学的に検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された物理的変化の度合いを前記流体の流量に換算する換算手段と、
を備えることを特徴とする流量測定装置。
【請求項９】
前記可動部材を照射する光源を更に備え、
前記可動部材は、前記光源からの照射光を当該可動部材内部で導光して前記検出手段に対して発光することを特徴とする請求項８に記載の流量測定装置。
【請求項１０】
前記光源は、面発光光源であることを特徴とする請求項１〜７及び９の何れか一項に記載の流量測定装置。
【請求項１１】
前記光源は、点発光光源からの放射光を拡散板で拡散して照射することを特徴とする請求項１〜７及び９の何れか一項に記載の流量測定装置。
【請求項１２】
前記光源は、線発光光源であることを特徴とする請求項１〜７及び９の何れか一項に記載の流量測定装置。
【請求項１３】
前記可動部材は、光学的、化学的又は電気的なエネルギーにより励起状態に遷移して前記検出手段に対して発光することを特徴とする請求項８に記載の流量測定装置。
【請求項１４】
前記可動部材は、前記検出手段に対する側に集光手段を有することを特徴とする請求項６〜１３の何れか一項に記載の流量測定装置。
【請求項１５】
前記管体を、前記検出手段と着脱可能且つ一体的に構成することを特徴とする請求項８〜１４の何れか一項に記載の流量測定装置。
【請求項１６】
前記検出手段に入射する外光を遮光する遮光手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜１５の何れか一項に記載の流量測定装置。
【請求項１７】
前記検出手段は、ＣＣＤエリアセンサ、ＣＣＤラインセンサ、ＣＭＯＳエリアセンサ及びＣＭＯＳラインセンサの何れかであることを特徴とする請求項１〜１６の何れか一項に記載の流量測定装置。
【請求項１８】
前記可動部材の物理的変化の度合いと流量情報とを対応付けて記憶する換算テーブルを更に備え、
前記換算手段は、前記検出手段により検出された可動部材の物理的変化の度合いに対応付けられた流量情報を前記換算テーブルから読み出して、当該流量情報に基づいて前記流体の流量を決定することを特徴とする請求項１〜１７の何れか一項に記載の流量測定装置。
【請求項１９】
前記測定対象の流体は、被験者の呼気又は吸気であることを特徴とする請求項１〜１８の何れか一項に記載の流量測定装置。
【請求項２０】
測定対象の流体の流量に応じた物理的変化を生ずる可動部材を内部に配置し、当該流体の流路を形成する管体を用いた流量測定方法において、
前記可動部材を照射する照射ステップと、
前記照射ステップにおける照射により形成された光学像に基づいて前記可動部材の物理的変化の度合いを光学的に検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおいて検出された物理的変化の度合いを前記流体の流量に換算する換算ステップと、
を含むことを特徴とする流量測定方法。
【請求項２１】
測定対象の流体の流量に応じた物理的変化を生ずる自己発光型の可動部材を内部に配置し、当該流体の流路を形成する管体を用いた流量測定方法において、
前記可動部材の発光により形成される光学像に基づいて当該可動部材の物理的変化の度合いを光学的に検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおいて検出された物理的変化の度合いを前記流体の流量に換算する換算ステップと、
を含むことを特徴とする流量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流量を測定する流量測定装置及び流量測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
呼吸器疾患の検査には、ＣＴ（Computed Tomography）、Ｘ線撮影等を含む画像診断や
血液検査と並んで、肺機能検査が重要な位置を占める。肺機能検査は、肺気腫、気管支喘息、気管支拡張症等、慢性の呼吸器疾患の場合には必ずといっていいほど行われる検査である。
【０００３】
近年、ＣＯＰＤ（Chronic Obstructive Pulmonary Disease：慢性閉塞性肺疾患）が非常に注目されており、潜在患者数は数百万人とも言われているが、この疾患の検査でも肺機能検査は非常に重要である。その他、トレーニングジム等のメディカル・チェックにおいても、肺活量、１回換気量、１秒率、残気量等の測定が行われている。これらの検査に、流体の流量を測定する流量測定装置が用いられ、特に呼吸気の流量を測定するものをスパイロメータ（呼吸流量測定装置）という。
【０００４】
流量測定装置の測定方式は、非分散赤外線分析法（ＮＤＩＲ法）により二酸化炭素濃度を測定する方式、熱線を用いる方式等がある。また、流量測定装置の一例としては、気体が流通する通路中の層流抵抗体の前後の差圧を検出する差圧センサを用いた気体計測用流量計（例えば、特許文献１参照）や、偏向部材により呼吸気を渦流にし、その渦流により回転する回転体を流路中に設け、その回転に応じて回転体に遮断される発光器からの光を受光器により受光してその受光量から回転体の回転を検出する回転センサを用いた呼吸流量計測装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平７−８３７１３号公報
【特許文献２】特開２０００−２９８０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、生体から発せられる呼気には生体内に存在するウイルス等の菌や微生物が含まれることが多く、空気感染性の疾患を保有する人がスパイロメータを用いた場合、呼気が流れる流路には感染源となる菌が存在するおそれがある。このため、一度使用して呼気が通過した流路を形成する部材は、消毒を行うことが望ましい。しかし、測定の都度、消毒を行うことは非常に煩雑であるばかりでなく、消毒薬の消費及び廃棄に伴う経費が必要となる。
【０００６】
一方、測定の都度、使用した部材を廃棄して新しい部材で測定する、ディスポーザブルを実現することで、消毒の手間を省けるが、これを実現するには、測定装置を安価に構成する必要がある。しかし、特許文献１及び２のように、差圧センサや回転センサの各種センサを呼気の経路に設けた場合、このセンサを毎回廃棄するにはコストが高くついてしまう。
【０００７】
そこで、特許文献２の呼吸流量計測装置の流路を透明な材料で形成し、発光器及び受光器の回転センサを流路の外部に配置することで、回転センサに呼吸気が接触しなくなるため、当該回転センサを交換する必要がなくなる。しかし、流路外部からの外光が発光器及び受光器に入射すると、その光が回転センサにバックグラウンドノイズとして検出されてしまう。このバックグラウンドノイズは、受光部が受光する光の光量に影響を与えてしまう。このため、回転センサの誤検出、気流量の算出時間の増加等を引き起こしてしまい、気流量の測定精度を低下させてしまった。また、この呼吸流量計測装置は、呼吸気を渦流にする偏向部材や、回転軸を中心に回転する回転体等を流路中に設けるため、その装置構成が複雑になってしまう。
【０００８】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、低コストの流量測定装置を提供するとともに、外光による流量の測定精度の低下を防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題を解決するために、請求項１の流量測定装置は、
測定対象の流体の流路を形成する管体と、
前記管体内部に配置され、前記流体の流量に応じた物理的変化を生ずる可動部材と、
前記可動部材を照射する光源と、
前記光源の照射により形成された光学像に基づいて前記可動部材の物理的変化の度合いを光学的に検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された物理的変化の度合いを前記流体の流量に換算する換算手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記検出手段は、前記可動部材を透過した前記光源からの照射光が形成する透過像に基づいて前記物理的変化の度合いを検出することを特徴としている。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記光源からの照射光の伝播方向に沿って、前記可動部材及び前記検出手段を順に配置することを特徴としている。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記管体及び前記可動部材それぞれの反射率が異なり、
前記検出手段は、前記光源からの照射光が前記可動部材に反射された反射光が形成する反射像に基づいて前記物理的変化の度合いを検出することを特徴としている。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記可動部材の反射率が、前記管体の反射率に対して低いことを特徴としている。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記管体の反射率が、前記可動部材の反射率に対して高いことを特徴としている。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の発明において、前記管体を、前記光源及び前記検出手段と着脱可能且つ一体的に構成することを特徴としている。
【００１６】
請求項８に記載の流量測定装置は、
流体の流路を形成する管体と、
前記管体内部に配置され、前記流体の流量に応じた物理的変化を生ずる自己発光型の可動部材と、
前記可動部材の発光により形成された光学像に基づいて当該可動部材の物理的変化の度合いを光学的に検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された物理的変化の度合いを前記流体の流量に換算する換算手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、
前記可動部材を照射する光源を更に備え、
前記可動部材は、前記光源からの照射光を当該可動部材内部で導光して前記検出手段に対して発光することを特徴としている。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜７及び９の何れか一項に記載の発明において、前記光源は、面発光光源であることを特徴としている。
【００１９】
請求項１１に記載の発明は、請求項１〜７及び９の何れか一項に記載の発明において、記光源は、点発光光源からの放射光を拡散板で拡散して照射することを特徴としている。
【００２０】
請求項１２に記載の発明は、請求項１〜７及び９の何れか一項に記載の発明において、前記光源は、線発光光源であることを特徴としている。
【００２１】
請求項１３に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、
前記可動部材は、光学的、化学的又は電気的なエネルギーにより励起状態に遷移して前記検出手段に対して発光することを特徴としている。
【００２２】
請求項１４に記載の発明は、請求項６〜１３の何れか一項に記載の発明において、前記可動部材は、前記検出手段に対する側に集光手段を有することを特徴としている。
【００２３】
請求項１５に記載の発明は、請求項８〜１４の何れか一項に記載の発明において、前記管体を、前記検出手段と着脱可能且つ一体的に構成することを特徴としている。
【００２４】
請求項１６に記載の発明は、請求項１〜１５の何れか一項に記載の発明において、前記検出手段に入射する外光を遮光する遮光手段を更に備えることを特徴としている。
【００２５】
請求項１７に記載の発明は、請求項１〜１６の何れか一項に記載の発明において、前記検出手段は、ＣＣＤエリアセンサ、ＣＣＤラインセンサ、ＣＭＯＳエリアセンサ及びＣＭＯＳラインセンサの何れかであることを特徴としている。
【００２６】
請求項１８に記載の発明は、請求項１〜１７の何れか一項に記載の発明において、
前記可動部材の物理的変化の度合いと流量情報とを対応付けて記憶する換算テーブルを更に備え、
前記換算手段は、前記検出手段により検出された可動部材の物理的変化の度合いに対応付けられた流量情報を前記換算テーブルから読み出して、当該流量情報に基づいて前記流体の流量を決定することを特徴としている。
【００２７】
請求項１９に記載の発明は、請求項１〜１８の何れか一項に記載の発明において、前記測定対象の流体は、被験者の呼気又は吸気であることを特徴としている。
【００２８】
請求項２０に記載の発明は、
測定対象の流体の流量に応じた物理的変化を生ずる可動部材を内部に配置し、当該流体の流路を形成する管体を用いた流量測定方法において、
前記可動部材を照射する照射ステップと、
前記照射ステップにおける照射により形成された光学像に基づいて前記可動部材の物理的変化の度合いを光学的に検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおいて検出された物理的変化の度合いを前記流体の流量に換算する換算ステップと、
を含むことを特徴としている。
【００２９】
請求項１８に記載の発明は、
測定対象の流体の流量に応じた物理的変化を生ずる自己発光型の可動部材を内部に配置し、当該流体の流路を形成する管体を用いた流量測定方法において、
前記可動部材の発光により形成される光学像に基づいて当該可動部材の物理的変化の度合いを光学的に検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおいて検出された物理的変化の度合いを前記流体の流量に換算する換算ステップと、
を含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１又は２０に記載の発明によれば、管体の内部に配置された可動部材の物理的変化の度合いを光学的に検出し、その物理的変化の度合いを管体内を流れる流体の流量に換算する。このように、可動部材の物理的変化の度合いを光学的に検出するため、当該物理的変化の度合いを非接触で検出することができ、流量に直接接触するセンサを設ける必要がないため、低コストの流量測定装置を提供することができる。また、可動部材を照射するため、その照射光によって可動部材に入射するバックグラウンドノイズを減弱させることができる。このため、可動部材の光学像に基づいた物理的変化の度合いの検出におけるバックグラウンドノイズの影響を低減させることができる。従って、安定した流量の換算を行うことができ、流量の測定精度を保持することができる。
【００３１】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、可動部材を透過して形成された透過像に基づいて物理的変化の度合いを検出する。透過像は、可動部材の暗影を含むため、光源からの照射光により透過像内の明暗（コントラスト）を際立たせることができる。このため、可動部材の物理的変化の度合いの検出における外光の影響を低減でき、流量の測定精度を保持することができる。
【００３２】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、光源からの照射光の伝搬方向に沿って、可動部材及び検出手段を順に配置する流量測定装置が実現される。
【００３３】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、管体と反射率が異なる可動部材に反射して形成された反射像に基づいて物理的変化の度合いを検出する。このため、管体からの反射光に対して、可動部材からの反射光を識別することができる。従って、可動部材の物理的変化の度合いの検出における外光の影響を低減でき、流量の測定精度を保持することができる。
【００３４】
請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、可動部材の反射率が管体の反射率に対して低いため、可動部材からの反射光が管体からの反射光よりも光量が低くなり、可動部材の反射像が管体に対して識別可能になる。
【００３５】
請求項６に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、可動部材の反射率が管体の反射率に対して高いため、可動部材からの反射光が、管体からの反射光よりも光量が高くなり、可動部材の反射像が管体に対して識別可能になる。
【００３６】
請求項７に記載の発明によれば、請求項１〜６の何れか一項の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、管体が光源及び検出手段と着脱可能且つ一体的に構成されるため、流体が流れた管体のみの消毒や破棄が可能となり、流量測定装置の低コスト化が図れる。
【００３７】
請求項８及び２１に記載の発明によれば、管体の内部に配置された自己発光型の可動部材の物理的変化の度合いを光学的に検出して流量に換算する。このように、可動部材の物理的変化の度合いを光学的に検出するため、当該物理的変化の度合いを非接触で検出することができ、流量に直接接触するセンサを設ける必要がないため、低コストの流量測定装置を提供することができる。また、可動部材自身が発光するため、その発光像に基づいた物理的変化の度合いの検出におけるバックグラウンドノイズの影響を低減させることができる。従って、安定した流量の換算を行うことができ、流量の測定精度を保持することができる。
【００３８】
請求項９に記載の発明によれば、請求項８に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、可動部材内部を導光されて発光した光源からの照射光により形成された発光像に基づいて物理的変化の度合いを検出する。このため、外光に対する可動部材の発光像の明暗（コントラスト）を際立たせることができる。従って、可動部材の物理的変化の度合いの検出における外光の影響を低減でき、流量の測定精度を保持することができる。
【００３９】
請求項１０に記載の発明によれば、請求項１〜７及び９の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、面発光光源が可動部材を照射する流量測定装置が実現される。
【００４０】
請求項１１に記載の発明によれば、請求項１〜７及び９の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、点発光光源からの放射光を拡散板で拡散して可動部材を照射する流量測定装置が実現される。
【００４１】
請求項１２に記載の発明によれば、請求項１〜７及び９の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、線発光光源が可動部材を照射する流量測定装置が実現される。
【００４２】
請求項１３に記載の発明によれば、請求項８に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、可動部材は、光学的、化学的又は電気的なエネルギーによって発光するため、外光に対する可動部材の発光像の明暗（コントラスト）を際立たせることができる。従って、可動部材の物理的変化の度合いの検出における外光の影響を低減でき、流量の測定精度を保持することができる。
【００４３】
請求項１４に記載の発明によれば、請求項６〜１３の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、可動部材の検出手段に対する側に集光手段を有することで、可動部材からの反射光及び発光が集光されて反射像及び発光像が形成される。このため、反射像及び発光像の光量が増し、当該反射像及び発光像が明瞭になる。
【００４４】
請求項１５に記載の発明によれば、請求項８〜１４の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、管体が検出手段と着脱可能且つ一体的に構成されるため、流体が流れた管体のみの消毒や破棄が可能となり、流量測定装置の低コスト化が図れる。
【００４５】
請求項１６に記載の発明によれば、請求項１〜１５の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、検出手段に入射する外光を遮光するため、可動部材の物理的変化の度合いの検出におけるバックグラウンドノイズの影響を低減させることができる。
【００４６】
請求項１７に記載の発明によれば、請求項１〜１６の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、ＣＣＤエリアセンサ、ＣＣＤラインセンサ、ＣＭＯＳエリアセンサ及びＣＭＯＳラインセンサの何れかで可動部材の物理的変化の度合いを検出する流量測定装置が実現される。
【００４７】
請求項１８に記載の発明によれば、請求項１〜１７の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、検出手段が検出した可動部材の物理的変化の度合いに対応する流量情報を換算テーブルから読み出して、当該流量情報に基づいて流体の流量を決定することができる。
【００４８】
請求項１９に記載の発明によれば、請求項１〜１８の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、被験者の呼気又は吸気を測定対象とする流量測定装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
〔第１実施形態〕
先ず、本発明の流量測定装置をスパイロメータ１００に適用した場合の第１実施形態について図１〜図６を用いて詳細に説明する。
【００５０】
図１は、スパイロメータ１００の概要を説明するための図である。図１に示すように、スパイロメータ１００は、測定ユニット９０と、流量換算部７０とを備えて構成される。測定ユニット９０は、筒状の透明な樹脂で構成され、呼吸気が流れる流路を形成する気流筒１０、ディテクタ部３０及び光源部５０を有して一体的に構成される。そのうち、気流筒１０は、ディテクタ部３０及び光源部５０と着脱可能に構成される。
【００５１】
検出手段であるディテクタ部３０は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）エリアセンサ、ＣＣＤラインセンサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）エリアセンサ、ＣＭＯＳラインセンサ等により構成される。ディテクタ部３０は、光源部５０が照射する照射範囲Ｒｇ内のインジケータ２０の光学像を走査、露光して、当該光学像を電気信号に変換（光電変換）する機能部であり、流量換算部７０に光電変換した電気信号をケーブルＣＢを介して出力可能に構成さる。尚、ディテクタ部３０と流量換算部７０とは、例えば、有線ＬＡＮ、無線ＬＡＮ及びＷＡＮ等のネットワークを介して接続可能であってもよいし、光ファイバーによって光学的な通信接続を行うこととしてもよい。
【００５２】
光源部５０は、例えば、冷陰極管により構成される線発光光源により構成され、図２（ａ）に示す照射範囲Ｒｇ内のインジケータ２０を照射し、気流筒１０を中心にディテクタ部３０と対向する位置に配置される。光源部５０には、例えばＥＬ（Electro  Luminescence）等の広領域を照射して面発光する光源や、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）のような点発光する光源からの光を拡散板で拡散させて照射する光源等を適宜採用可能である。
【００５３】
図２（ａ）に、気流筒１０を軸方向に切断した縦断面図を、図２（ｂ）に、気流筒１０の径方向にインジケータ２０の接合部分を切断した測定ユニット９０の縦断面図を、図３の上方に、気流筒１０の軸方向に切断した測定ユニット９０の横断面図を示す。
【００５４】
図１〜図３に示すように、気流筒１０の内部には、呼吸気の流れの一部を遮断する方向にインジケータ２０が配置されており、当該インジケータ２０の一端が気流筒１０の内壁に接合固定されている。また、このインジケータ２０は、光源部５０とディテクタ部３０とを結ぶ直線Ｐ上にその一端が固定される。
【００５５】
可動部材であるインジケータ２０は、着色料の含有等により遮光性を有し、且つ可撓性を有する樹脂等の薄板上の弾性体により構成され、呼吸気の流量に応じて図２（ａ）のようにｂ又はｄの方向に変形する。この変形の度合い（例えば、インジケータ２０の下端２０２の移動量）はインジケータ２０の弾性力、変形による流路の開口度、気流の流れの変化等により決められる。弾性力はインジケータ２０の厚みや形状、素材材質等により決まる。
【００５６】
例えば、呼気の流量を測定する場合には、気流筒１０に被験者が呼気を吹き込むことにより、図２（ａ）の矢印ａ方向に気流が生じる。この気流により、インジケータ２０が矢印ｂ方向に変形する（撓む）。また、吸気の流量を測定する場合には、気流筒１０から吸気を吸い込むことにより、図２（ａ）の矢印ｃ方向に気流が生じる。この気流により、インジケータ２０が矢印ｄ方向に変形する（撓む）。スパイロメータ１００は、インジケータ２０の物理的変化としての変形の度合いをディテクタ部３０において撮像された光学像に基づいて検出することにより、呼吸流量の測定を行う。尚、本発明において物理的変化とは、物体の形状の変形だけでなく、物体の移動又は回転等の変移も含むこととする。
【００５７】
ディテクタ部３０は、この呼吸気に応じて撓むインジケータ２０の図２（ａ）の照射範囲Ｒｇの光学像を走査、露光することで読み取る。そして、その読み取った光学像を電気信号（電圧）に変換し、流量換算部７０のデータ入力部７３０に出力する。
【００５８】
このとき、図３上方の断面図のように、光源部５０の照射光が伝搬する方向に沿って、インジケータ２０とディテクタ部３０とが順に並ぶように配置されるため、光源部５０の照射光は、その一部が非透過性のインジケータ２０によって遮断されてディテクタ部３０に透過する。このため、インジケータ２０の暗影を含む光学像、即ち透過像が形成されてディテクタ部３０に受像される。
【００５９】
図３の下方に、インジケータ２０の光学像を読み取ってディテクタ部３０が生成した電気信号のグラフを示し、そのｘ軸が気流筒１０軸方向の位置座標、ｙ軸がディテクタ部３０が変換する電気信号の信号値（電圧値）を表す。
【００６０】
図３のグラフに示すように、ディテクタ部３０が変換した電気信号の信号値は、インジケータ２０の厚さに相当する像検出範囲Ｒ１の信号値Ｓｂが、インジケータ２０に遮られることなく透過した照射光を受光して得られた信号値Ｓａよりも低い値をとる。このように、光源部５０からの照射光により、インジケータ２０の光学像（透過像）は、当該インジケータ２０の暗影が明瞭な電気信号に変換される。このため、電気信号からインジケータ２０のｘ軸方向の座標位置を正確に読み取ることができる。
【００６１】
例えば、上述した呼吸気の流れにより、インジケータ２０が変形して、照射範囲Ｒｇ内で矢印ｂの方向に変形すると、像検出範囲Ｒ１がその変形に伴ってｘ軸の＋方向に移動する。また、照射範囲Ｒｇ内のインジケータ２０が矢印ｄの方向に変形すると、像検出範囲Ｒ１がその変形に伴って−方向に移動する。従って、呼吸気が流れていないときのインジケータ２０の初期座標Ｘａと、像検出範囲Ｒ１の中心位置の座標位置との差分からインジケータ２０がどの程度変形したかを表す変移量（単位：ｍｍ）を算出することができる。
【００６２】
図４は、流量換算部７０の機能構成の一例を示すブロック図である。図４によれば、流量換算部７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）７００、操作部７１０、表示部７２０、データ入力部７３０、ＲＯＭ（Read Only Memory）７４０、ＲＡＭ（Random Access Memory）７５０、記憶部７６０を備えて構成される。尚、流量換算部７０は、一般的なパーソナルコンピュータやＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯電話機等の各種電子機器で構成することとしてもよく、また、測定ユニット９０と一体的に形成することとしてもよい。
【００６３】
ＣＰＵ７００は、流量換算部７０を構成する各機能部へ対する指示やデータの入出力を行う機能部である。より具体的に、ＣＰＵ７００は、操作部７１０から入力される操作信号に応じてＲＯＭ７４０及び記憶部７６０に格納されたプログラムを読み出し、当該プログラムに従って処理を実行する。そして、処理結果を表示出力するための表示データを表示部７２０に出力し、当該表示データに従った画面を表示部７２０に表示させる。
【００６４】
操作部７１０は、数字や仮名、アルファベット等の文字入力や機能選択等に必要なキー群と、マウス等のポインティングデバイスを備えて構成され、押下されたキーの押下信号や、ポインティングデバイスの位置情報等をＣＰＵ７００に出力する。表示部７２０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等の表示パネルを備えて構成され、ＣＰＵ７００から入力される表示データに基づいた各種画面を当該表示パネルに表示させる。
【００６５】
データ入力部７３０は、Ｄ／Ａ変換器を備えて構成され、測定ユニット９０のディテクタ部３０から入力された電気信号をＤ／Ａ変換してＣＰＵ７００に出力する。
【００６６】
ＲＯＭ７４０、不揮発性の半導体メモリで構成され、各種初期設定、ハードウェアの検査、又は必要なプログラムのロード等を行うための初期プログラムを格納している。ＲＡＭ７５０は、書き換え可能な半導体素子で構成され、ＣＰＵ７００が実行する各種プログラムやこれらのプログラムの実行に係るデータ等を一時的に保持する。
【００６７】
記憶部７６０は、磁気的、光学的な記憶媒体にデータの読み書きを行う機能部であり、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等により構成される。本実施形態における記憶部７６０は、図５に示す流量換算テーブル７７０を記憶する。
【００６８】
流量換算テーブル７７０は、図５に示すデータ構成の一例のように、インジケータ２０の変移量（ｍｍ）と、気流量情報（Ｌ／ｓ）とを対応付けて記憶するデータテーブルである。ＣＰＵ７００は、この流量換算テーブル７７０を用いて次のようにして呼吸流量を換算する。
【００６９】
先ずＣＰＵ７００は、データ入力部７３０を介して入力されるディテクタ部３０の電気信号から像検出範囲Ｒ１を検出する。そして、予め定められた初期座標Ｘａと、像検出範囲Ｒ１の中心座標とを比較して、インジケータ２０の変移量を算出する。次いで、算出したインジケータ２０の変移量に対応する気流量情報を流量換算テーブル７７０から読み出し、この気流情報を呼吸流量として決定する。
【００７０】
例えば、インジケータ２０の変移量を０．３ｍｍとして算出した場合、その変移量に対応する気流量情報「０．６」を流量換算テーブル７７０から読み出して、呼吸流量として決定する。このようにして、インジケータ２０の変移量を呼吸流量に換算する。ＣＰＵ７００は、この換算した呼吸流量や、呼吸流量の推移を積分して計算した呼吸気量を表示部７２０に表示させる。
【００７１】
以上、第１実施形態によれば、光源部５０からの照射光によりインジケータ２０の透過像が形成され、当該透過像がディテクタ部３０により受像される。このため、測定ユニット９０に対してバックグラウンドノイズが入射したとしても、光源部５０の照射光が外光を減弱して打ち消す、即ち、光源部５０の照射光が外光に対して支配的な状態となるため、透過像の検出の確実性が増す。このため、流量換算部７０の呼吸流量の換算における精度を確保することができる。
【００７２】
また、インジケータ２０の光学像をディテクタ部３０により撮像して、その光学像に基づいて呼吸流量を換算するため、ディテクタ部３０は、気流筒１０内を通る呼吸気に接触しない。従って、呼吸流量の測定の都度、ディテクタ部３０を消毒したり破棄しなくてもよく、スパイロメータ１００の低コスト化を図ることができる。また、気流筒１０のみを着脱して消毒又は交換することで、毒性や感染性のある呼吸気が流れた場合の安全性を確保することができる。また、呼吸気の流量に応答して撓むインジケータ２０の一端を気流筒１０内に接合固定するといった簡単な構成で呼吸流量の測定が可能であるため、装置構成の単純化することができる。
【００７３】
また、被験者が測定ユニット９０を把持した際に、その把持した角度によっては、気流筒１０の開口部分１５から外光が入射する可能性があるが、光源部５０からの照射光によりその外光を打ち消すことができるため、呼吸流量の測定精度を保つことができる。
【００７４】
尚、第１実施形態において、インジケータ２０の全面を非透過性の材料で構成することとしたが、例えば、図６に示すようなインジケータ２０ａのように、ディテクタ部３０側の側面２０４を非透過性の材料で構成することとしてもよい。この場合にも、明瞭な透過像が形成されるため、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
〔第２実施形態〕
次に、図７及び８を用いて本発明の流量測定装置の第２実施形態について説明する。図７は、第２実施形態における流量測定装置をしたスパイロメータ１００ｂの概要を説明するための図である。尚、以下の説明において、上述した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７６】
スパイロメータ１００ｂは、図１に示した第１実施形態のスパイロメータ１００の測定ユニット９０を、測定ユニット９０ｂに置き換えた構成である。測定ユニット９０ｂは、第１実施形態と同様に、気流筒１０、ディテクタ部３０及び光源部５０を備えて構成されるが、図７のように光源部５０を気流筒１０を境にしてディテクタ部３０側に配置して構成される。
【００７７】
気流筒１０は、その内部にインジケータ２０ｂを接合固定して構成される。第２実施形態におけるインジケータ２０ｂと、気流筒１０とは、異なる材質により形成されて各々が異なる反射率を有する。例えば、気流筒１０が反射率Ｒｐを有する透明な樹脂等により構成され、インジケータ２０ｂは例えば、鏡面加工や白色塗装により反射率Ｒｉ（＞反射率Ｒｐ）を有するとする。
【００７８】
図８の断面図のように、光源部５０からの照射光は、気流筒１０の内壁と、インジケータ２０ｂとにより反射され、その反射光がディテクタ部３０に入射する。このとき、インジケータ２０ｂの反射率Ｒｉが気流筒１０の反射率Ｒｐよりも高いため、インジケータ２０ｂからの反射光の方が、気流筒１０の壁面からの反射光よりも光量が高い反射像が形成される。ここで、反射像とは、光源部５０の照射光が反射して形成された像のことをいう。
【００７９】
図８の下方に、インジケータ２０ｂの光学像を読み取ってディテクタ部３０が生成した電気信号の信号値のグラフの一例を示す。図８のグラフに示すように、ディテクタ部３０が変換した電気信号の信号値は、像検出範囲Ｒ１の信号値Ｓａが、気流筒１０の反射光を受光して得られた信号値Ｓｂよりも高い値をとる。従って、この像検出範囲Ｒ１に基づいて、第１実施形態と同様にインジケータ２０ｂの変移量を検出することができる。
【００８０】
以上、第２実施形態によれば、光源部５０からの照射光を、インジケータ２０ｂ及び気流筒１０が反射した反射光によりインジケータ２０ｂの反射像が形成され、当該反射像がディテクタ部３０により受像される。このため、測定ユニット９０ｂに対してバックグラウンドノイズが入射したとしても、光源部５０の照射により明瞭な反射像が形成されるため、インジケータ２０ｂの変移量の検出が確実になる。このため、流量換算部７０の呼吸流量の換算における精度を確保することができる。また、インジケータ２０ｂの反射率Ｒｉと、気流筒１０の反射率Ｒｐとの差異を広げることで、反射像のコントラストを更に上げることができ、変移量の検出が容易になる。
【００８１】
尚、第２実施形態において、インジケータ２０ｂの反射率Ｒｉの方を、気流筒１０の反射率Ｒｐよりも高く設定して説明したが、反射率Ｒｉを反射率Ｒｐよりも低く設定することとしてもよい。この場合、ディテクタ部３０が変換した反射像の電気信号は、像検出範囲Ｒ１の信号値が高くなる図３のグラフに示すような電気信号が得られる。従って、インジケータ２０ｂの変移量の検出は、第１実施形態と同様に行えばよい。
【００８２】
〔第３実施形態〕
次に、図９〜図１１を用いて本発明の流量測定装置の第３実施形態について説明する。図９は、第３実施形態における流量測定装置を適用したスパイロメータ１００ｃの概要を説明するための図である。尚、以下の説明において、上述した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００８３】
スパイロメータ１００ｃは、図１に示した第１実施形態のスパイロメータ１００の測定ユニット９０を、測定ユニット９０ｃに置き換えた構成である。測定ユニット９０ｃは、第１実施形態と同様に、気流筒１０、ディテクタ部３０及び光源部５０を備えて構成されるが、図９のように光源部５０を気流筒１０の上部に配置して構成される。
【００８４】
また、図１１上方の断面図に示すように測定ユニット９０ｃは、遮光カバーＣＶにより覆われて構成される。遮光カバーＣＶは、遮光性を有する例えばプラスチック等の材料により形成され、測定ユニット９０ｃを収容する。また、気流筒１０は、遮光カバーＣＶと着脱可能に構成される。
【００８５】
気流筒１０は、その内部にインジケータ２０ｃを接合固定して構成される。図１０（ａ）は、インジケータ２０ｃの左側面図、図１０（ｂ）は正面図である。インジケータ２０ｃは図１０に示すように、光源部５０からの照射光を当該インジケータ２０ｂの内部の反射特性により導光して、ディテクタ部３０側の左側面２０４から放射する導光板であり、例えば、ホログラフィック光学素子（Holographic Optical Element）等により構成される。また、インジケータ２０ｃのディテクタ部３０側の一方の側面（図１０においては左側面２０４）には屈折率の低い材質、他方の側面（図１０においては右側面２０６）に屈折率の高い材質を用いることが望ましい。
【００８６】
光源部５０からの照射光は、空気中の屈折率と、インジケータ２０ｃの屈折率とに差によって、インジケータ２０ｃ内を当該照射光が右側面２０６から放射されずに反射を繰り返して、左側面２０４から放射されることによりすることにより導光される。このような導光により、ディテクタ部３０側の側面が発光する自己発光型のインジケータ２０ｃが実現される。
【００８７】
図１１の断面図のように、遮光カバーＣＶにより遮光された暗部で、インジケータ２０ｃの左側面２０４が発光してディテクタ部３０に入射する。この自己発光により、暗部内でインジケータ２０ｃの側面の発光による光学像、即ち発光像が形成される。
【００８８】
図１１の下方に、インジケータ２０ｃの光学像を読み取ってディテクタ部３０が生成した電気信号の信号値のグラフを示す。図１１のグラフに示すように、ディテクタ部３０が変換した電気信号の信号値は、インジケータ２０ｃの反射光に相当する像検出範囲Ｒ１の信号値Ｓａが高い値をとる。従って、この像検出範囲Ｒ１に基づいて、第１実施形態と同様にインジケータ２０ｃの変移量を検出することができる。
【００８９】
以上、第３実施形態によれば、測定ユニット９０ｃを遮光カバーＣＶにより覆うと共に、光源部５０からの照射光をインジケータ２０ｃの側面に導光して、当該側面から光をディテクタ部３０に向けて発光する。これにより、遮光カバーＣＶ内の暗部で発光像が形成され、当該発光像がディテクタ部３０により受像される。このため、インジケータ２０ｃの発光像が外光に埋もれてしまうことを防止でき、インジケータ２０の変移量の検出におけるバックグラウンドノイズの影響を除去することができる。
【００９０】
尚、第３実施形態において、自己発光型のインジケータ２０ｃを、光源部５０の照射光の導光により実現することとしたが、その実現方法は次のようにしてもよい。例えば、エネルギーの高い紫外光を照射する光源部５０を採用し、その紫外光により励起されたエネルギーを放射光として当該インジケータ２０ｃの側面から発光する蛍光素材のインジケータにより自己発光型を実現してもよい。また、化学発光を行うサイリューム等を用いてインジケータを構成することとしてもよいし、印加電圧に基づいて電気的に励起して発光する薄膜ＥＬを用いてインジケータを実現することとしてもよい。
【００９１】
〔変形例〕
【００９２】
尚、第２及び第３実施形態におけるインジケータ２０ｂ及び２０ｃの側面に凹レンズを形成して集光手段を実現することとしてもよい。例えば、第２実施形態におけるインジケータ２０ｂに凹レンズを形成した場合、光源部５０の照射光は、この凹レンズに反射してディテクタ部３０に入射するが、このとき、凹レンズにより反射光が集光される。このため、インジケータ２０ｂの反射像のコントラストが増し、像検出範囲Ｒ１の信号値Ｓａが更に高くなる。従って、インジケータ２０ｂの変移量の検出に対する外光の影響を軽減できる。同様にして、第３実施形態におけるインジケータ２０ｃの側面に凹レンズを設ければ、自己発光した光が集光されてディテクタ部３０に放射されるため、同様の効果を得ることができる。
【００９３】
また、第１及び第２実施形態における測定ユニット９０及び９０ｂに、第３実施形態と同様の遮光カバーＣＶを設けることとしてもよい。測定ユニット９０及び９０ｂに遮光カバーＣＶを設けることで、第３実施形態と同様に、外光がディテクタ部３０に入光することを防止することができる。
【００９４】
また、本実施形態において、インジケータ２０の変移量から呼吸流量を換算することとしたが、その換算方法は適宜変更可能であり、次のようにしてもよい。例えば、第１実施形態のスパイロメータ１００では、先ず、図５の流量換算テーブル７７０のインジケータ２０の変移量を当該インジケータの曲率に置き換えた流量換算テーブルを記憶部７６０に記憶する。ディテクタ部３０は、インジケータ２０の全体像を走査、露光することにより、当該インジケータの全体の光学像を読み取る。ＣＰＵ７００は、その読み取った光学像にエッジ検出等の画像処理を施して、インジケータ２０の上端２０８と下端２０２との距離等から曲率を算出する。そして、その算出した曲率に対応する気流量情報を流量換算テーブルから読み出して呼吸流量を決定する。
【００９５】
曲率は、インジケータ２０全体の撓みの度合いを示すため、この曲率に基づいて呼吸流量を換算することでより、呼吸流量を更に細かく換算することができる。尚、曲率により呼吸流量を換算する場合は、光源部５０には、面発光する光源や、点発光する光源からの光を拡散板で拡散させて照射する光源等を採用して、インジケータ２０全体を照射することで、明瞭なインジケータ２０の光学像を得ることができる。
【００９６】
また、本実施形態において、ディテクタ部３０を、インジケータの側面に配置することとしたが、インジケータの上方及び下方に配置することとしてもよい。例えば、第１実施形態の場合、ディテクタ部３０は、図３のように上端２０８側から見た構図でインジケータ２０を撮像し、光源部５０がインジケータ２０の下方から照射する。このとき、インジケータ２０が矢印ｂ又はｄに変形して際、当該インジケータ２０の下端２０２が撮像される。従って、下端２０２と上端２０８との距離を算出することで、インジケータ２０の変移量を検出することができ、上述した第１実施形態と同様に効果が得られる。
【００９７】
また、本実施形態では、可動部材として弾性体のインジケータ２０、２０ｂ及び２０ｃの変形の度合いを検出することとしたが、例えば、板バネの変動（伸縮）の度合いを検出することとしてもよい。この場合、板バネを気流筒１０の両端から引っ張るように当該気流筒１０の内部に配置する。この板バネは、呼吸流量に応じて変動する。そして、流量換算テーブルに、板バネの変移量と、気流量情報とを対応付けて記憶しておき、ディテクタ部３０が撮像した板バネの光学像からその変移量を検出し、上述した実施形態と同様に呼吸流量の換算を行う。
【００９８】
また、光源部５０が、紫外線や赤外線等の不可視光線を照射することとしてもよく、この場合は、ディテクタ部３０には、不可視光線を検知する赤外線センサや紫外線センサ等を用いることで、インジケータ２０の変移量を上述した実施形態と同様に検出することができる。
【００９９】
また、本発明の流量測定装置を、測定対象の流体を呼吸気とした場合のスパイロメータに適用して説明したが、その適用例はこれに限らず、例えば、ガスや水等の流体を測定対象として流量を測定する各種メータ等に適用することととしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】第１実施形態におけるスパイロメータの概要を説明するための図。
【図２】（ａ）は気流筒の軸方向の縦断面図、（ｂ）は気流筒の径方向の断面図の一例。
【図３】気流筒の軸方向の横断面図の一例と、ディテクタ部が出力する電気信号の一例を示す図。
【図４】スパイロメータの機能構成の一例を示すブロック図。
【図５】流量換算テーブルのデータ構成の一例を示す図。
【図６】第１実施形態の変形例における（ａ）は気流筒の軸方向の横断面図、（ｂ）は気流筒の径方向の断面図の一例。
【図７】第２実施形態におけるスパイロメータの概要を説明するための図。
【図８】第２実施形態における気流筒の軸方向の横断面図の一例と、ディテクタ部が出力する電気信号の一例を示す図。
【図９】第３実施形態におけるスパイロメータの概要を説明するための図。
【図１０】第３実施形態におけるインジケータの機能構成を説明するための図。
【図１１】第３実施形態における気流筒の軸方向の横断面図の一例と、ディテクタ部が出力する電気信号の一例を示す図。
【符号の説明】
【０１０１】
１００    スパイロメータ
１０      気流筒
２０      インジケータ
３０      ディテクタ部
５０      光源部
７０      流量換算部
７００    ＣＰＵ
７１０    操作部
７２０    表示部
７３０    データ入力部
７４０    ＲＯＭ
７５０    ＲＡＭ
７６０    記憶部
７７０    流量換算テーブル
【図１】
2006337134.tif 000003
【図２】
2006337134.tif 000004
【図３】
2006337134.tif 000005
【図４】
2006337134.tif 000006
【図５】
2006337134.tif 000007
【図６】
2006337134.tif 000008
【図７】
2006337134.tif 000009
【図８】
2006337134.tif 000010
【図９】
2006337134.tif 000011
【図１０】
2006337134.tif 000012
【図１１】
2006337134.tif 000013