(57)【要約】  肺胞呼気の収集、濃縮、及び揮発性有機成分の随意の分析用装置は、肺胞呼気から水蒸気を除去する凝縮ユニットを含む。
2005512067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
肺胞呼気内の揮発性有機成分の収集用装置であって、
第１端部及び第２端部と、
前記第１端部に近接した呼気入口ポータル、前記第２端部に近接した呼気出口ポータル、及び前記入口ポータルと前記出口ポータル間のサンプリングポータルを具備する中空容器と、
前記サンプリングポータルに接続された凝縮ユニットと、
前記凝縮ユニットに接続された吸着剤トラップと、を備える装置。
【請求項２】
被験者から吐出された呼気を前記呼気入口ポータルに送給するカプラーを更に備える、請求項１に記載の肺胞呼気内揮発性有機成分の収集用装置。
【請求項３】
前記サンプリングポータルが前記呼気入口ポータルに近接し、かつ前記呼気出口ポータルから遠位にある、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記吸着剤トラップに接続された熱脱離ユニットを更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記吸着収剤トラップに接続された携帯分析ユニットを更に備える、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
肺胞呼気内揮発性有機成分を分析する方法であって、
呼気リザーバの呼気サンプルを受容する段階と、
濃縮装置の前記呼気サンプルに存在する水蒸気を除去する段階と、
その後、前記呼気サンプルを吸着剤トラップと接触させる段階と、
前記吸着剤トラップ内に吸収された揮発性有機成分を分析する段階と、
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、肺胞呼気の収集及び分析のための改善された装置に関する。驚いたことに、呼気サンプル中に存在する水蒸気を液化することによって、揮発性有機成分の向上された検出が達成されることが判明した。
【背景技術】
【０００２】
人間の肺胞呼気を含む哺乳類呼気は、低濃度（ナノモル又はピコモル）で多数の揮発性有機化合物を含む。これらの化合物の多くは毛細血管から始まる。これらは、肺胞薄膜を横切る拡散によって肺胞に入る。したがって、呼気の分析は血液の成分上に特有のウィンドウを開く。
【０００３】
呼気の収集及び分析は幾つか技術的な障害を呈するが、かなりの医学的関心事から成る情報を与え得る。肺癌、肝臓病、炎症性腸疾患、慢性関節リウマチ、心臓移植拒絶、腎不全及び統合失調症を含む幾つかの障害において肺胞呼気の構成を変更し得るという証拠がある。したがって、呼吸の化学分析は、これらと、以下の出版物と特許出願に記載されたような他の疾病と、の診断用の体を傷つけない診断テストを与える。これらの出版物を本願明細書に参考文献として援用する。Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｍ及びＧｒｅｅｎｂｅｒｇ Ｊによる、「呼気中の揮発性化合物の収集及び分析のための方法」と題する特許文献１、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｍ及びＧｒｅｅｎｂｅｒｇ Ｊによる、「肺胞呼気中の揮発性有機化合物のイオントラップ検出」と題する特許文献２、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｍによる、「医学における呼気テスト」と題する特許文献３、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｍによる、「呼気及び空気中の二硫化炭素の検出：冠動脈疾患のための可能な新しい危険要因」と題する特許文献４、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｍ、Ｓａｂａｓ Ｍ及びＧｒｅｅｎｂｅｒｇ Ｊによる、「統合失調症を持った患者の呼気中の増加したペンタン及び二硫化炭素」と題する特許文献５、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｍ、Ｓａｂａｓ Ｍ及びＧｒｅｅｎｂｅｒｇ Ｊによる、「人間呼気中のペンタンの呼気勾配」と題する特許文献６、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｍ、Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇ Ｊ及びＡｗａｄ Ｊによる、「呼気中の揮発性有機化合物の同化作用・環境上の出所」と題する特許文献７、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｍ、Ｅｒｉｃｋｓｏｎ ＧＡ、Ｓａｂａｓ Ｍ、Ｓｍｉｔｈ ＪＰ及びＧｒｅｅｎｂｅｒｇＪによる、「統合失調症を持った患者の呼気中の揮発性有機化合物」と題する特許文献８、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｍによる、「呼気中の揮発性有機化合物の収集および分析のための方法」と題する特許文献９、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｍ、Ｇｌｅｅｓｏｎ Ｋ、Ｈｕｇｈｅｓ ＪＭＢ、Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇ Ｊ、Ｃａｔａｎｅｏ Ｒｎ、Ｂａｋｅｒ Ｌ及びＭｃＶａｙ ＷＰによる「肺胞呼気中の肺癌の揮発性マーカーの検出」と題する特許文献１０、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｍ、Ｈｅｒｒｅｒａ Ｊ、ｋｒｉｓｈｎａ Ｓ、Ｚａｉｎ Ｍ、Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇ Ｊ及びＣａｔａｎｅｏ Ｒｎによる、「人間の呼気中の揮発性有機化合物の変化」と題する特許文献１１、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｍ、Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇ Ｊ及びＣａｔａｎｅｏ Ｒｎによる、「人間呼気中のアルカンの輪郭に対する年齢の影響」と題する特許文献１２、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｍ、Ｃａｔａｎｅｏ Ｒｎ、Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇ Ｊ、Ｇｕｎａｗａｒｄｅｎａ Ｒ、Ｎａｉｄｕ Ａ及びＲａｈｂａｒｉ−Ｏｓｋｏｕｉ Ｆによる、「呼気に対する年齢の影響はアルカン輪郭（応力の明白な新しいマーカーのディスプレイ）をメチル化した」と題する特許文献１３。
【特許文献１】クロマトグラフィージャーナル、バイオ医学、１９９１；５６４（１）：２４２〜２４９頁
【特許文献２】臨床化学、１９９２；３８（１）：６０〜６６頁
【特許文献３】サイエンティフィックアメリカ、１９９２；２６７（１）：７４〜７９頁
【特許文献４】職業及び環境衛生の国際アーカイブ、１９９２；６４：１１９〜１２３頁；
【特許文献５】臨床病理学ジャーナル、１９９３；４６：８６１〜８６４頁
【特許文献６】遊離基研究コミュニケーション、１９９４；２０（５）：３３３〜３３７頁
【特許文献７】臨床病理学ジャーナル、１９９４；４７：１０５２〜１０５３頁
【特許文献８】臨床病理学ジャーナル、１９９５；４８：４６６〜４６９頁
【特許文献９】解析的生化学、１９９７；２４７：２７２〜２７８頁
【特許文献１０】ランセット、１９９９；３５３：１９３０〜３３頁
【特許文献１１】クロマトグラフィーＢジャーナル、１９９９；７２９：７５〜８８頁
【特許文献１２】遊離基研究２０００；３３：５７〜６３頁
【特許文献１３】実験室と臨床医学ジャーナル、２０００：１３６：２４３〜９頁
【０００４】
呼気の化学分析中の主要な技術的障害は以下から生じる。
【０００５】
（１）多数の揮発性有機化合物（おそらく２００以上）は、分析（例えば、質量分光法と組み合わされたガスクロマトグラフィによる）（ＧＣ／ＭＳ）に先立って、呼気及び必要とする分離で見出される。
【０００６】
（２）現在入手可能なＧＣ／ＭＳ機器の感知限度より下である、化合物の極めて低い濃度は、従って、分析に先立つ呼気の集中を必要とする。
【０００７】
上記障害は、ＧＣ／ＭＳによる分析にふさわしいサンプル内に呼気を収集し且つ集中させる呼気収集装置の使用によって回避し得る。しかしながら、効果的な呼気収集装置は多くの技術的要件を提供する。
【０００８】
（１）被験者の快適性
装置は、（呼気サンプルを提供する被験者に不快さを引き起こし得る）息の吐出に対してかなりの抵抗を与えるべきではない。
【０００９】
（２）被験者の安全性
装置は、吸入された伝染性の微生物からなる潜在的伝染源に対する露出のような危険性を被験者に与えるべきではない。
【００１０】
（３）汚染からの解放
装置は、連続的にガスを追い出し、その結果、サンプルの汚染を引き起こす揮発性有機化合物を含有するプラスチックと接着剤のような構造要素を何れも組み込むべきではない。
【００１１】
（４）サンプリング
哺乳類呼気は、ガス交換が生じないところで、咽頭、気管及び気管支から始まる「死腔」呼気と、血液から拡散した揮発性有機化合物を含有する肺の肺胞からの肺胞呼気との２つの成分を含む。サンプルは、主に死腔呼気ではなく肺胞呼気から取り出されるべきである。
【００１２】
（５）使用サイト
装置は、使用サイト（例えば、患者の病院の枕元又は当該分野での使用点）に可搬されるべきである。
【００１３】
（６）サンプルの集中化
呼気中の窒素、酸素及び二酸化炭素が妨害されずに逃げることを可能にするが、装置の最終目的は肺胞呼気中の揮発性有機化合物を集中化させることである。最も一般的な集中化技法は、極低温（すなわち、冷間トラップに捕捉される）、吸着（すなわち、吸着性樹脂又は幾つかの他の結合剤を含有するトラップの捕捉）、あるいは化学（すなわち、化学化合物を備えた相互作用によって捕捉される）である。
【００１４】
不運にも、哺乳類呼気に水蒸気が染み込む。これは、肺胞呼気に重要な揮発性有機化合物の濃縮及び／又は分析を頻繁に妨害する。水蒸気は冷却面上に凝縮する。これは、分析された標本の揮発性有機化合物の結果として生じる消耗と共に、液相中に気相中の揮発性有機化合物を分配することに潜在的に帰着し得る。
【００１５】
従って、本願明細書に参考文献として援用される従来技術文献に記載されたような肺胞呼気の収集用装置は、水蒸気の濃度と、所望の揮発性有機化合物の枯渇を回避するために、通常は、加熱装置の使用を要している（例えば、特許文献１４参照）。
【特許文献１４】米国特許第５，４６５，７２８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
従って、揮発性有機化合物の枯渇を回避し、そして肺胞呼気中の水蒸気の凝結を防ぐための加熱装置を要しない肺胞呼気のための収集及び分析用装置の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
これら及び本発明の他の目的は、肺胞呼気内の揮発性有機成分の収集用装置であって、第１端部及び第２端部、前記第１端部に近接した呼気入口ポータル、前記第２端部に近接した呼気出口ポータル、及び前記入口ポータルと前記出口ポータル間のサンプリングポータルを具備する中空容器を備える装置によって達成される。サンプリングポータルに接続された凝縮ユニットは肺胞呼気中に存在する水蒸気を除去する。
【００１８】
驚いたことに、当業者の期待に反して、肺胞呼気中の水蒸気の凝結を促進することは、枯渇よりはむしろ、肺胞呼気中の揮発性有機化合物の向上された集中化に実際は帰着する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
肺胞呼気収集用の好ましい装置を図１に示す。被験者１０は、呼気作用に対して極めて小さな抵抗しか与えない、管状幅広穴マウスピース２０に息を吹き込む。呼気中の水蒸気が凝縮される場合、吐出された呼気は、バルブユニット３０を介して呼気リザーバ４０及び凝縮ユニット５０に送給される。
【００２０】
マウスピース２０は、通常、使い捨てポリカーボネートプラスチックユニットであり、かつバルブユニット３０は光ラテックスバルブを備える。被験者は、ノーズクリップを装着し、かつマウスピース及びバルブユニットを通じて息を吸い込み且つ吐出する。これは、大気が吸い込まれるが、吐出された呼気全てが呼気リザーバ４０に送給されることを保証する。バルブユニット３０及びその遠位端で開放した呼気リザーバ４０の低い抵抗は、呼気サンプルが初老の被験者、あるいは呼吸疾患を患う被験者からさえ収集し得ることを保証する。
【００２１】
呼気リザーバ４０は、吐出された呼気を大気に通気可能にする遠位端が開放した金属又はプラスチックチューブを備える。図１に示す実施形態では、呼気リザーバ４０は、２．４ｃｍの内径及び１００ｃｍの長さを有するチューブを含む。呼気サンプルを提供する被験者のための最も快適な位置に調節し得るように、チューブはバルブ及びマウスピース２０に回動可能に接続される。単一の吐出された呼気は、カラムとしての呼気リザーバ４０に入る。このカラム、すなわち、マウスピースから最も遠い部分の下流部分は、上部の気道、咽頭鼻部、気管及び細気管支からの死腔呼気を含む。カラム、すなわち、マウスピースに最も近接した部分の上流部分は、肺からの肺胞呼気を含む。通常の成人では、休息時の単一の呼気容積、すなわち、１回呼気は、約５００ｍｌであり、このうちの１５０ｍｌは死腔呼気であり、かつ３５０ｍｌは肺胞呼気である。呼気は、マウスピースに最も近接した、リザーバ４０の近位端のサンプリングポートから送給される。この形状構成の重要性は、凝縮ユニット５０内への呼気サンプルが死腔呼気によって実質的に汚染されていない肺胞呼気であるとことである。これは、ガス交換が生じ、死腔呼気が生じない箇所で、収集されたサンプルが肺毛細血管及び肺胞中の揮発性有機成分の豊富さを反映することを保証する。サンプリング速度は、肺胞呼気のカラムが次の呼気の到着以前に枯渇しないように調節される。
【００２２】
凝縮ユニット５０は、室温で維持された金属又はプラスチックのチューブを備える。適切なプラスチックはテフロン（登録商標）及びポリカーボネートを含むがこれらに限定されない。好ましくは、チューブは長さが約５０ｃｍであり、かつ内径が３ｍｍである。吸着剤トラップユニット７０に到達する以前に、凝縮ユニット５０は水から成る肺胞呼気サンプルを消耗する。驚いたことに、凝縮ユニット５０の使用が吸着剤トラップユニット７０中の揮発性有機成分の改善された捕捉を供することが判明した。望ましくは如何なる理論によっても拘束されたくないから、呼気サンプルからの水の消耗は吸着剤トラップユニット７０中の結合部位用の水によって減じられた成分に帰着するものと信じられている。
【００２３】
揮発性有機成分を含む、残余ガス成分は、バルブセレクター６０に受容され、かつ吸着剤トラップユニット７０に送給される。マイクロプロセッサー８０はバルブセレクター６０を制御し、かつ吸着剤トラップユニット７０に流れるサンプルが肺胞呼気又は周囲の大気か否かを決定する。通常、２つの連続するサンプルは、分離した吸着剤トラップ、肺胞呼気の１つ、大気の他方の中に収集される。
【００２４】
流量計９０、ポンプ１００及びタイマー１１０は吸着剤トラップユニット７０に送給された呼気サンプルの量を決定するために調節される。随意には、ディスプレイユニット１０５は呼気送給サイクルを監視するために使用し得る。通常、２分の収集期間用の０．５ｌ／ｍｉｎの流量は、吸着剤トラップユニット７０への肺胞呼気の１．０リットルの送給に帰着して使用される。これは、吸着剤トラップユニット７０からのサンプルの分離可能な除去に実質的に帰着しないことが判明した。しかしながら、より大きいか又はより小さなサンプルは研究中の呼気中の目標分析物に依存して容易に収集し得る。
【００２５】
図１に示す吸着剤トラップユニット７０は活性炭を含有するステンレス鋼チューブである。しかしながら、他の吸着剤材料又は樹脂剤、例えば、ペンシルバニア州ベルフォンテのＳｕｐｅｌｃｏ社から入手可能なＴｅｎａｘ（登録商標）を用い得る。好ましい吸着剤トラップは、ペンシルバニア州ベルフォンテに位置するＳｕｐｅｌｃｏ社から入手可能な、２００ｍｇのＣａｒｂｏｔｒａｐ  Ｃ  ２０／４０メッシュ及び２００ｍｇのＣａｒｂｏｐａｃｋ  Ｂ  ６０／８０メッシュである。好ましい実施形態では、吸着剤トラップユニット７０は２つのトラップを含む。１つのトラップは凝縮ユニットに接続され、かつ揮発性有機成分を収集する。第２トラップは、同様な容積の大気を収集する。バルブセレクターユニット７０は、それらのそれぞれの吸着剤トラップに肺胞呼気又は大気の流れを向ける。
【００２６】
吸着剤トラップユニット中で捕捉された揮発性有機成分は、装置から吸着剤トラップユニット７０の各吸着剤トラップを取り外し、かつ実験室にそれを送ることによって分析し得る。図１に示す代案では、呼気からの揮発性有機成分は、サンプルを加熱する自動熱脱離器１２０によってユニット７０の吸着剤トラップから取り除かれる。自動熱脱離器１２０は、サンプルを２００℃又はそれ以上にまで加熱する加熱ユニットと、吸着剤トラップユニット７０の吸着剤材料に類似する吸着剤材料を含有する第２のより小さなトラップと、を含む。吸着剤トラップのうちの１つを加熱する際、吸着剤ユニット７０の吸着剤トラップ内に吸収された揮発性有機化合物は熱により取り除かれる。そして、例えば、ヘリウム又は窒素が導入されるような、不活性ガスの流れは、連続して分析するために捕捉され、かつ濃縮される。
【００２７】
携帯分析ユニット１３０は、自動熱脱離器１２０によって、２００℃又はそれ以上まで加熱することによって第２のより小さなトラップから取り除かれる揮発性有機成分を受容する。携帯分析ユニット１３０は、揮発性有機成分の同一性及び量を決定するためにガスクロマトグラフィ、質量分析計、赤外線分光器、あるいは電子ノーズ検出器の１つ以上を備え得る。しかしながら、揮発性有機化合物の分析用機器の何れも使用し得る。呼気揮発性有機成分の分析が完了すると、吸着剤トラップユニット７０中の第２吸着剤トラップに含有される大気揮発性有機成分の解析のためのプロセスが繰り返される。両方の分析からのデータは単数又は複数のマイクロプロセッサー８０内の携帯分析機器１３０からダウンロードされる。揮発性有機成分の背景にある大気は分析される呼気サンプル中に存在する揮発性有機成分から抽出される。大気中のその濃度を引いた呼気中の各揮発性有機成分の集中は呼気勾配をなしており、かつ診断目的に使用し得る。
【００２８】
単数又は複数のマイクロプロセッサー８０は、制御弁セレクター６０に加えて、自動熱脱離器１２０及び携帯分析ユニット１３０を制御する。また、単数又は複数のマイクロプロセッサー８０は、データの分析及び解釈のためにアルゴリズムによってプログラムし得る。
【００２９】
マウスピース、バルブユニット、呼気リザーバ端部凝縮ユニットの分解組立図を図２に示す。バルブユニット３０は、コロラド州オーロラに位置するＶｉｔａｌ  Ｓｉｇｎｓ社から入手可能なラテックスフラップバルブ３５及び４５を含んでＴ字形状をしている。呼気は、マウスピース２０を通じて被験者（図示せず）からＴ字形状バルブユニット３０内へ、そしてラテックスフラップバルブ３５を通じて大気に通気される呼気リザーバ４０内に流れる。サンプリングポータル５４はフラップ３５に近接する点で呼気リザーバ４０を貫通し、かつ呼気リザーバ４０と濃縮ユニット５０の間に流体連通を与える。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による肺胞呼気収集及び分析用装置の概略ブロック線図である。
【図２】マウスピース、バルブユニット、呼吸リザーバ容器、及び本発明による濃縮ユニットの断面を部分的に示す横断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  被験者
２０  マウスピース
３０  バルブユニット
３５、４５  ラテックスフラップバルブ
４０  呼気リザーバ
５０  凝縮ユニット
５４  サンプリングポータル
６０  バルブセレクター
７０  吸着剤トラップユニット
８０  マイクロプロセッサー
９０  流量計
１００  ポンプ
１０５  ディスプレイ装置
１１０  タイマー
１２０  自動熱脱離器
１３０  携帯分析ユニット
【図１】
2005512067.tif 000003
【図２】
2005512067.tif 000004
【国際調査報告】
2005512067.tif 000005