(57)【要約】分光法により吐き出された呼気の分析を行なう方法および装置が開示される。通常、対向する高反射率のミラーのペアを含む、吐き出された呼気を収容する光検出器を使用して、共振器強化吸収技術を実施する。分光呼気解析での使用に適した１２ＣＯ２吸収線および１３ＣＯ２吸収線のペアも開示される。【選択図】図１
2005501233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吐き出された呼気中の１つまたは複数の対象物質の含有量を測る呼気分析装置であって、
光源に結合され放射を発するように動作する光共振器と、前記放射による照射に応答して信号を生成するように構成された光検出器と、を備える共振器強化吸収アセンブリと、
前記吐き出された呼気の少なくとも一部分を、前記放射による照射のために前記光共振器内に渡すように構成された呼気収集アセンブリと、
前記光検出器に接続され、前記対象物質による前記放射の吸収によって作られる前記信号への寄与によって、前記光共振器内の１つまたは複数の対象物質の含有量を測るように適合された、データプロセッサと、
を備えることを特徴とする吐き出された呼気の分析装置。
【請求項２】
前記光源が調整可能なレーザであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記調整可能なレーザに接続される周波数コントローラをさらに備え、該周波数コントローラが、前記対象物質の１つまたは複数の吸収線を含む所定の範囲内で、前記光源が前記放射の周波数を繰返し変化させるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記周波数コントローラが、前記対象物質の１つまたは複数の吸収線を含む所定の範囲にわたって、前記光源が前記放射の周波数を繰り返しスイープさせるように適合されたスイープ生成器であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記吸収線が、１２ＣＯ２固有の少なくとも第１の線と、１３ＣＯ２固有の少なくとも第２の線とを含むことを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の線が約１６０７．６３４ｎｍの波長を有し、前記第２の線が約１６０７．５０１ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記光検出器と実質的に同じ雑音特性を有するブラインド検出器をさらに備え、該ブラインド検出器が、前記放射から光学的に分離され、前記データプロセッサに接続されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記光検出器および前記ブラインド検出器が、ディッケスイッチによって前記データプロセッサに接続されており、該データプロセッサがロックイン増幅器を備えることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記光共振器が少なくとも二つの対向ミラーを備えることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記光共振器が少なくとも１０ｍの前記放射の実効的な経路長を共振器内で発生させるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
被験者によって吐き出された呼気中の１つまたは複数の対象物質の含有量を測る方法であって、
前記吐き出された呼気を収集するステップと、
前記呼気の少なくとも一部を、共振器強化吸収アセンブリの光検出器内に渡すステップと、
光源によって発せられた放射で、前記光検出器内の前記吐き出された呼気を照射するステップと、
前記光共振器に結合された光検出器の前記放射による照射に応答して信号を生成するステップと、
前記信号を分析して、その結果から、前記対象物質による前記放射の吸収によって作られる前記信号への寄与によって、前記光共振器内の１つまたは複数の対象物質の含有量を測るステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記対象物質の１つまたは複数の吸収線を含む所定の範囲内で、前記放射の周波数を繰返し変化させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記放射の周波数を周期的に変化させるステップが、前記対象物質の１つまたは複数の吸収線を含む所定の範囲にわたって前記放射の周波数を繰返しスイープするステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記吸収線が、１２ＣＯ２固有の少なくとも第１の線と、１３ＣＯ２固有の少なくとも第２の線とを含むことを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の線が約１６０７．６３４ｎｍの波長を有し、前記第２の線が約１６０７．５０１ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記光検出器と実質的に同じブラインド検出器を使用して基準信号を生成するステップをさらに含み、該ブラインド検出器が前記光共振器から光学的に分離され前記データプロセッサに接続されており、前記分析するステップにおいて前記基準信号を使用することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
以下に挙げる（１３ＣＯ２，１２ＣＯ２）の吸収線のリスト
（１５９６．９７８ｎｍ，１５９６．８６９ｎｍ）
（１５９７．２４１ｎｍ，１５９７．３６１ｎｍ）
（１５９７．５１２ｎｍ，１５９７．３６１ｎｍ）
（１６０６．９９７ｎｍ，１６０７．１４２ｎｍ）
（１６０７．５０１ｎｍ，１６０７．６３４ｎｍ）
（１６０８．０１４ｎｍ，１６０８．０５７ｎｍ）
から選択された、１３ＣＯ２吸収線と１２ＣＯ２吸収線の波長における、呼気サンプルによる放射の吸収を決定するように適合されたことを特徴とする吐き出された呼気の分析装置。
【請求項１８】
吐き出された呼気中の１３ＣＯ２および１２ＣＯ２の含有量を測る方法であって、以下に挙げる（１３ＣＯ２，１２ＣＯ２）の吸収線のリスト
（１５９６．９７８ｎｍ，１５９６．８６９ｎｍ）
（１５９７．２４１ｎｍ，１５９７．３６１ｎｍ）
（１５９７．５１２ｎｍ，１５９７．３６１ｎｍ）
（１６０６．９９７ｎｍ，１６０７．１４２ｎｍ）
（１６０７．５０１ｎｍ，１６０７．６３４ｎｍ）
（１６０８．０１４ｎｍ，１６０８．０５７ｎｍ）
から選択された、１３ＣＯ２吸収線と１２ＣＯ２吸収線の波長における、呼気サンプルによる放射の吸収を決定することを含む方法。
【請求項１９】
吐き出された呼気の１つまたは複数の対象成分の定量化における共振器強化吸収の使用。
【請求項２０】
人または動物により吐き出された呼気中の１つまたは複数の対象成分を定量化することによって、人または動物の病気を検出することにおける共振器強化吸収の使用。
【請求項２１】
添付の図面を参照して明細書に実質的に記載された吐き出された呼気の分析装置。
【請求項２２】
添付の図面を参照して明細書に実質的に記載された、被験者により吐き出された呼気中の１つまたは複数の対象物質の含有量を測る方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吐き出された空気を分光法（spectroscopy）により分析する装置に関し、また、このような装置の操作方法および使用に関する。本発明の特定の実施形態を使用して、例えば、人間の呼気中に存在する揮発性有機化合物の量を測定することができる。別の実施形態を使用して、吐き出された呼気中のδ１３Ｃを１３Ｃ尿素呼気試験（urea breath test）にしたがって測定することができる。
【背景技術】
【０００２】
人間および動物の呼気には、数百もの異なる微量の揮発性有機化合物（ＶＯＣｓ：volatile organic compounds）が含まれ、通常、Ｈ２ＯとＣＯ２の量が多い。これらＶＯＣｓの生成につながる代謝経路は、ほとんど解明されていない。しかしながら、近年では特定のＶＯＣｓの存在と特定の病気とを相関付ける多くの努力が払われており、呼気分析は、臨床医の助けとなる有用かつ日常的な処置となることがいずれ証明されるかもしれない。
【０００３】
現在のところ呼気分析を利用する臨床処理は、δ１３Ｃ尿素呼気試験である。この試験は、人の腸内のヘリコバクター・ピロリ感染の存在を診断しようとする臨床医にとって、有用な道具となりうる。ここで、ヘリコバクター・ピロリ感染は、普通、胃潰瘍や胃癌に関連している。患者は、１３Ｃ同位元素の強化レベル（enhanced level）が既知である尿素を経口服用する。ウレアーゼ酵素を分泌するヘリコバクター・ピロリのコロニーは、［１３Ｃ］尿素を加水分解して１３ＣＯ２とアンモニアにする。１３ＣＯ２は血流に入りその後吐き出される。「δ１３Ｃ」は、サンプル内の１３Ｃおよび１２Ｃの標準レベルまたは背景レベルに対しての相対的な比率における強化の、千分率（parts per thousand）表現である。
【０００４】
吐き出された呼気中のδ１３Ｃの測定に利用される一般的な技術は、同位体比質量分析法（ＩＲＭＳ）である。この技術は、分子種のイオンの質量電荷比によって、例えばδ１３ＣＯ２などの分子種のアイソトポマー（isotopomer：同位体分子種）を区別する。この技術は、１２Ｃ１６Ｏ２Ｈによるサンプルの汚染と同様、原子質量４５を持つ二つのＣＯ２アイソトポマー、すなわち、１３Ｃ１６Ｏ２および１２Ｃ１６Ｏ１７Ｏの存在によって制限される。さらに、この技術は一般に、高い真空レベル、低い不純度レベル、および高価かつ大きな装置を必要とする。
【０００５】
δ１３ＣＯ２を判定するための代替技術として、多くの分光学的方法が提案されている。これらの方法は、１２ＣＯ２分子間の回転エネルギー状態と振動エネルギー状態の分布の違いを利用する。非分散的なフーリエ変換赤外線技術を含め、このような技術の多くは、M. B. Eslerらによる「Precision Trace Gas Analysis by FT-IR Spectroscopy. 2. The 13C/12C Isotope Ratio of CO2」, Analytical Chemistry 72, No. 1, 2000に述べられている。
【０００６】
呼気分析における揮発性有機物質の検出に現在使用されている方法は、W-H ChengおよびW-J Leeにより「Technology development in breath microanalysis for clinical diagnosis」, J Lab Clin Med 133, No. 3, 1999において調査された。述べられている技術には、ガスクロマトグラフィ、質量分光分析法（mass spectroscopy）、フーリエ変換型非分散的赤外分光分析法（fourier transform and nondispersive infrared spectroscopy）、選択イオンフローチューブおよび表面音響波技術（the selected ion flow tube and surface acoustic wave technique）、化学発光および比色定量分析が含まれる。
【０００７】
上述の技術は、特に、安価かつコンパクトで頑丈な臨床用の装置を求めるとき、種々の欠点を有する。質量分光分析法は、高真空、高電圧で動作する大きく高価な装置を必要とする。ガスクロマトグラフィは、特別に準備された分離毛細管の使用に依存し、分析が遅いことがあり、また同位体の違いに対する感度が悪い。種々の赤外線分光技術は、小さな実験体積内で対象の分子が低密度であることから生じる非常に低いＩＲ吸収率によって制限され、このため、満足する結果を産むためには、長い実験期間と、高価な検出器と、後処理回路が必要になる。
【発明の開示】
【０００８】
本発明は、関連する従来技術のこれらのおよび他の問題に対処しようとする。本発明は、呼気中の１つまたは複数の対象物質の含有量を定量化する呼気分析装置を提供する。この装置は、
光源に結合され放射を発射するように動作する光共振器（optical cavity）と、前記放射による照射に応答して信号を生成するように構成された光検出器と、を備える共振器強化吸収アセンブリと、
前記吐き出された呼気の少なくとも一部分を、前記放射による照射のために前記光共振器内に渡すように構成された呼気収集アセンブリと、
前記光検出器に接続され、前記対象物質による前記放射の吸収によって作られる前記信号への寄与によって、前記光共振器内の１つまたは複数の対象物質の含有量を定量化するように適合されたデータプロセッサと、を備える。
【０００９】
「共振器強化吸収（cavity enhanced absorption）」という用語は、この文書において、光共振器内に存在する対象物質による分光吸収のために利用可能となる信号が、前記共振器内で放射の反射を繰り返すことで強化される技術を指す。反射を繰り返すことで、共振器内に存在する物質の実効的な（effective）吸収経路長が数倍に増加し、これにより、ガス相内の微量の成分がより検出されやすくなり、またその含有量（presence）が測定される。
【００１０】
光共振器は、通常は、光学的に対向された二つの高反射率（通常、９９％以上）のミラーにより提供され、共振器内の光がその光路の一部またはすべてを繰り返し再トレースし、共振、干渉、および観察可能なエネルギー密度の増強に導くことで特徴付けられる。したがって、光共振器は、光マルチパスセルとは性質および構造が異なる。ここで、光マルチパスセルは、共振せず、ミラーの注意深いアラインメントにより、光線が、セルの入口と出口の窓の間で、拡大され定義された経路をたどる。
【００１１】
共振器強化吸収アセンブリ内の光共振器の使用により、等価的な光マルチパスセルを使用して達成するよりもはるかにコンパクトかつ軽量の呼気分析装置内で、拡大された光路長を得ることができる。得られる装置は、セットアップおよび調整がより容易である。
【００１２】
多種の共振器強化吸収技術が当技術分野で既知である。これらのいくつかは、H. R, Barryらによる、「Cavity Enhanced Absorption of Methods at 1.73μｍ」, Chemical Physics Letters 333 (2001) 285-289に説明されている。共振器リングダウン技術において、通常、パルス的にまたは間欠的に動作する連続波レーザである光源がオフにされる前に、光共振器内で光共振が増大される。そして、共振器の特性と、その中のガス相成分の吸収特性の両方に依存する共振器の共振の遅れ時間が測定される。
【００１３】
間欠的な光源を使用する代わりに、連続波光源を使用することができ、共振のレベルが連続的に測定される。本発明の好ましい実施形態では、周波数コントローラまたはスイープ生成器（sweep generator）を使用して、調整可能なレーザ、より詳細には、調整可能な連続波レーザダイオード源が周波数において走査される。十分に高速に光源を走査し、共振器のリングダウン時間よりも短いタイムスケールに対して、光源の周波数と各固有共振器モードとの間のオーバーラップを制限することによって、固有共振器モードによる出力信号内の共振ピークの大部分が回避される。光源と共振器ミラーの１つを同時に調節して、共振器モードの出現をランダム化することができる。共振器モードは、光源に対する多数回の周波数走査について信号を平均化するときに失われる。
【００１４】
走査する代わりに、原理的に、対象物質の吸収線を含むように選択された、離散的な周波数を使用することができる。
【００１５】
呼気収集アセンブリは、通常、周囲空気の吸気バルブと排出バルブをもつマウスピースを含むことができる。このようなマウスピースは、必ずしも装置に備える必要がないように、多くの場合、一回のみ使用するように取り扱われるか、限られた寿命を持つ。
【００１６】
データプロセッサは、通常、好適な信号調整回路を含み、この信号調整回路は、検出器出力をデジタル化し、それを解析用のデジタルコンピュータに渡すように適合された好適な信号処理回路に結合される。例えばスイープ生成器による光源の制御を基準として、スペクトルデータに対してカーブフィッティングアルゴリズムまたはピークフィッティングアルゴリズムを適用して、１つまたは複数の対象物質の含有量を測るようにデジタルコンピュータをプログラムすることができる。
【００１７】
本装置は、例えば、１６０７．６３４ｎｍと１６０７．５０１ｎｍにおける線、または、１６２７．４３１ｎｍと１６２７．３３４ｎｍにおける線のような、１２ＣＯ２と１３ＣＯ２の分光吸収線を検出するように構成することができ、このため、被験者の吐き出した呼気のδ１３Ｃを測定するために本装置を使用することができる。このようにして、コンパクトで経済的で信頼性が高く、［１３Ｃ］尿素呼気試験または同様の処置を実行する臨床用の装置を提供することができる。
【００１８】
光検出器と実質的に同一または実質的に同じノイズ特性を有するが、光共振器から分離されているブラインド検出器（blind detector）を、信号対雑音比を改善するための基準として提供することができる。これは、ディッケスイッチ（Dicke switch）または同様の装置を使用して、光検出器とブラインド検出器の間のロックイン増幅器への信号入力を変調することによって、なすことができる。ディッケスイッチは、Review of Scientific Instruments 17(7) (1946) p268に説明されている。
【００１９】
本発明は、被験者によって吐き出された呼気中の１つまたは複数の対象物質の含有量を測る方法も提供する。この方法は、
前記吐き出された呼気を収集するステップと、
前記呼気の少なくとも一部を、共振器強化吸収アセンブリの光検出器内に渡すステップと、
光源によって発せられた放射で、前記光検出器内の前記吐き出された呼気を照射するステップと、
前記光共振器に結合された光検出器の前記放射による照射に応答して信号を生成するステップと、
前記信号を分析して、その結果から、前記対象物質による前記放射の吸収によって作られる前記信号への寄与によって、前記光共振器内の１つまたは複数の対象物質の含有量を測るステップと、を含む。
【００２０】
本発明はまた、吐き出された呼気の１つまたは複数の対象成分を定量化する際に、共振器強化吸収を使用すること、および、人間または動物により吐き出された呼気中に存在する１つまたは複数の成分の定量化によって、人間および／または動物の病気を検出する際に共振器強化吸収を使用することも提供する。
【００２１】
対象成分には、１３ＣＯ２、１２ＣＯ２のほか、アルカン（肺癌に関連する）、ペンタン（移植拒絶反応、乳癌、関節炎、喘息に関連する）およびホルムアルデヒド（乳癌に関連する）などの、病気に関連付けられる揮発性有機化合物を含むことができる。
【００２２】
本発明の実施形態は、図面を参照して、例示のみを目的として記述される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１には、本発明を具現化する呼気分析装置が模式的に示されている。呼気取得アセンブリ１０は、被験者から吐き出された呼気を受け取る。呼気は、ガス処理システム１２に渡される。ガス処理システムは、適切な圧力で、必要であれば湿度および／または温度を調節して、吐き出された呼気の必要分を共振器強化吸収（ＣＥＡ：cavity enhanced absorption）アセンブリ１００の光共振器１０２に渡すように構成されている。光伝達システム１０４は、光源１０６によって生成された電磁放射を光共振器１０２に供給し、光検出器１０８は、光共振器を離れた電磁放射を検出する。
【００２４】
光検出器１０８からの電気信号は信号処理装置２００に供給され、得られたデータが解析／表示装置３００に供給される。
【００２５】
呼気取得アセンブリ１０は、通常、被験者が周囲環境の空気または予め浄化された空気を吸い込む吸気バルブと、吐き出された空気をガス処理システム２０に渡すための排出バルブとを備えたマウスピースの形態をとることができる。ガス処理システムは、被験者の肺の中に十分に深く挿入され、口、食道および気管支（broncheoles）からのデッドスペースの空気をサンプリングせずに、肺胞の（alveolar）空気のみをサンプリングするように構成することができる。ガス処理システムは、ＣＥＡアセンブリに渡される吐き出された呼気が、適当な圧力であり、かつ特定の温度範囲および湿度範囲内にあることを確実にすることもできる。吐き出された呼気を収集して処理した後、特に揮発性有機化合物を検出するための分光分析を行うのに適した装置は、M Phillips著の「Method for the Collection and Assay of Volatile Organic Compounds in Breath」, Analytical Biochemistry 247, 272-278 (1997)に記述されている。
【００２６】
ＣＥＡアセンブリ１００の光源１０６は、連続波（ＣＷ）レーザダイオードによって提供することができ、特に、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザダイオードまたは拡大共振（extended cavity）レーザダイオードによって提供することができる。重要な点は、検出されるガス相種の分光吸収ピークにわたる周波数で走査されるとき、光源が安定かつ単一のモード動作を維持することである。適当な光源は、通常、温度が安定化されており、動作継続時間にわたって相当程度安定でなければならない。
【００２７】
光源１０６は、光伝達システム１０４により、直接、または回転ミラー、光ファイバまたはその両方によって光共振器１０２に結合される。ファラデー回転子（Faraday rotator）を使用して、光フィードバックに敏感なレーザダイオードが使用されている場合は特に、光共振器１０２からの背面反射から光源を切り離すことができる。ファラデー回転子は別個のコンポーネントであっても、ファイバ内の（in-fibre）装置であってもよい。実際のところ、光伝達システム全体がファイバベースであってもよい。周波数ミキシング（mixing）または周波数ダブリング（doubling）を利用して、所望の周波数範囲内の放射を得ることができる。
【００２８】
光共振器１０２は、安定した配置、つまり、通常、０．1から１．０ｍのオーダの距離だけ離された、二つまたはそれ以上の対向された高反射率の鏡から構成されている。反射率約９９．９％の鏡は、このアプリケーションに適している。０．５ｍの物理距離を持つ線形幾何形状の共振器について、このような鏡により強化された光路長は、約５００ｍである。光共振器１０２は、真空容器の一部を形成しており、サンプルが周囲環境の空気で汚染されないようになっている。
【００２９】
鏡のひとつを通過して共振器から発せられる光は、通常はフォトダイオードであり、好ましくは赤外線感度の高いＩｎＧａＡｓフォトダイオードである光検出器１０８によって検出される。
【００３０】
光伝達システム１０４によって光共振器１０２に入射された光は、共振器内で多数回反射し、そのために光路長が増加し、それゆえ、ガス種による全吸収が共振器内に現れる。光源１０６は、同一のスペクトル範囲に渡って繰り返し走査され、共振器内で低ノイズスペクトルを積み重ねる。光源の周波数と共振器モードとの間で共振が発生するたびに、光が共振器内に連結される。共振器のモード構造は、多くの高次モードが励振できるように、共振器のミラーをわずかにミスアライニングすることで、可能な限り密集させる（congested）ことができる。光源１０６の周波数と共振器モードとの一致は、共振器長を変動させることによって、または、光源の周波数走査のジッタを重畳することによって、さらにランダム化することができる。
【００３１】
光源の単一の周波数走査に対して、数十の共振器の自由スペクトル範囲がカバーされ、多くの共振器モードが順次励振されることが好ましい。隣接する共振器モードが離散的に観察されないように、光検出器１０８の時定数を準備することができ、このため、単一の周波数走査において比較的平滑な信号が得られる。数百回の順次走査を平均化して、信号対雑音比を増加し、また、任意のランダム化プロセスによって、もしそうでなければデータ内に表れるモード構造を平滑化することができる。
【００３２】
光共振器１０２内のガス相における対象物質による吸収は、光検出器１０８による信号出力の減少によって検出される。特定の周波数において、信号の平均強度が共振器のリングダウン（ringdown）時間に比例し、したがって、共振器の光損失に反比例する。重要な点は、この技術を使用すると、大きな放射フィールドが共振器の内部で蓄積されないことである。この場合、共振器モードが光源と共振するようになると、高速変動する出力スパイクが光検出器の出力に現れる。これは、平滑な出力信号を得るためには有害であり、他の場合には光源１０６を高周波数で走査することによって達成される。
【００３３】
いくつかの実施形態では、信号処理装置は、図２に模式的に示した形態をとることができる。光検出器からの信号は、もし必要であれば増幅および他の信号調整ステップの後に、アナログ・デジタル変換器２０２に渡されて、光検出器信号をデジタル化され、光源１０６の多数回の周波数走査の平均が取られる。この平均化および他の後処理工程は、デジタル信号プロセッサ２０４により実行してもよい。アナログ・デジタル変換器２０２の厳密な仕様は、本出願にとって重要でない。１０ビットまたは１２ビットのＡ／Ｄ変換器は、本出願にとって十分な精度を提供する。８ビットのＡ／Ｄ変換器はおそらく不十分であると思われる。このような装置において利用可能なサンプリング速度は、光源に対して使用可能な周波数走査速度をはるかに超えており、２０〜３０Ｈｚであってもよい。
【００３４】
光検出器信号における信号対雑音比が、吸収ピーク特性の正確な判定にとって低すぎる場合、いくつかの使用可能な強化手段を利用することができる。デジタル信号プロセッサ２０４を使用して、ローパスフーリエ変換フィルタリングまたはサビツキー・ゴーレイ平滑化法（Savitzky-Golay smoothing）を適用することができる（これは、解析／表示装置３００においてソフトウェアによって実行することもできる）。
【００３５】
光工学においては、後に検出される信号の信号対雑音比を改善するために、光源の変調を使用することが多い。しかしながら、本出願においては、例えば、共振器前の音響光変調器（pre-cavity acoustic optic modulator）を使って、光源の変調は、キャビティの共振が非線形的に増強される仕方を変更する傾向がある。より適した構成は、検出器と、同一のまたは非常に似た雑音特性をもつ他の装置との間でスイッチングすることによって、検出器を変調することである。
【００３６】
図３のロックイン（lock-in）増幅装置では、検出信号は、光検出器１０８と、隣接した同一であるが照射されていない光検出器１００との間で変調される。これは、例えば、R. H. Dicke著のRev. Sci. Instrum., 17(7) (1946) p268に記載されているディッケスイッチ（Dicke Switch）装置を使用して行う。アナログ・デジタル変換器２０２からなるロックイン増幅器とリアルタイム・デジタル信号プロセッサ２０８とを利用することと同様に、この技術は、位相センシティブな検出を通過する信号中の環境ノイズを除去するという追加の利益を有する。
【００３７】
解析／表示装置３００は、適切にプログラムされた汎用のパーソナルコンピュータまたは専用のコンピュータのいずれかである好適なデジタルコンピュータによって、好適な入力装置、出力装置およびデータ記憶装置とともに提供されることが好ましい。信号処理装置２００の出力は、当業者に周知の方法を使用して、解析／表示装置３００と容易に通信することができる。信号処理装置からの出力の解析は、スペクトルデータに対して、基準線、ピーク周波数およびピーク形状をフィッティングパラメータとした非線形カーブフィッティング処理を適用するように、専用に設計されたソフトウェアを使用して実行されることが好ましい。
【００３８】
光共振器内の対象種の密度を判定するための特定の吸収線は、文献から、または既知の分光技術を使用することによって利用可能な、高解像度のスペクトルデータを使用して選択することができる。対象スペクトル線は、例えば人の呼気ＣＯ２を分析する場合であれば水やメタンのような、存在する可能性がある非対象種の他の線と重なり合わないように選択するべきである。
【００３９】
絶対密度を測定する場合、対象吸収線は、サンプル内の密度が既知である種の基準吸収線の近傍に選択されるべきである。人の呼気を分析する場合は、メタンがこの目的に適しているが、これは、１．６体積ｐｐｍに近い既知の密度で大気中に存在するからである。対象吸収線を測定するために用いられるべき、通常の周波数走査範囲内における好適な近傍は、通常、約１ｃｍ−１であるが、これは、対象線および基準線が重なり合わないように、十分に離れている。対象吸収線と基準吸収線の測定強度の校正された比率は、対象種の密度を提供する。
【００４０】
同位体比率を測定するとき、以下の基準の最大化に基づいて、各アイソトポマーからひとつずつ、線のペアを選択するべきである。その基準は、以下の通りである。
（ｉ）上述したように、二つの線が近接しているべきである。
（ｉｉ）アイソトポマーの自然発生の同位体比率に対して、二つの線が同様の強度であるべきである。
（ｉｉｉ）重大な程度または問題となる程度において、二つの線が、対象分子から生じる他の線と重なり合わないべきであり、または、他のサンプル成分からの体系的な吸収と重なり合わないべきである。
（ｉｖ）二つの線の強度の比率が、任意の予期される実験温度の変動に対して、温度とともに大きく変化しないべきである。ＣＯ２吸収に対して、線がＣＯ２の基準状態（ground state）において回転レベル（rotational level）から生じることがある。
【００４１】
上述の特定の構成および装置の使用について、以下説明する。ヘリコバクター・ピロリは、人体内でもっとも普通に見つかるバクテリアのひとつであり、その存在は、胃潰瘍や胃癌を含む多種の胃の病気の発生率に関連している。人間の胃の中にあるこのバクテリアのコロニーは、１３Ｃで標識付けされた尿素を摂取後の患者から吐き出された呼気中のＣＯ２の同位体比率を測定することによって、非侵襲的に（non-invasively）検出することができる。
【００４２】
上述の呼気分析装置は、６０００ｃｍ−１付近のレーザダイオードからの放射を使用して、ＣＯ２の高調波吸収バンド上の赤外線分光によって、１３Ｃ／１２Ｃの比率を測定するように構築または構成されている。
【００４３】
ダイオードレーザ光源は、例えば、それぞれ１６０７．５０１ｎｍおよび１６０７．６３４ｎｍにある、アイソトポマー１３ＣＯ２および１２ＣＯ２のそれぞれの吸収線を含む、０．２ｎｍの波長範囲に対して走査される。自然発生する多数の同位体を持つＣＯ２のサンプルにおいて二つの線がほぼ等しい吸収強度を有するように、吸収線を誘発する遷移が選択される。
【００４４】
この目的に適した他の１３ＣＯ２、１２ＣＯ２の線は、真空中のｎｍで、以下の通りである。
１５９６．９７８，  １５９６．８６９
１５９７．２４１，  １５９７．３６１
１５９７．５１２，  １５９７．３６１
１６０６．９９７，  １６０７．１４２
１６０８．０１４，  １６０８．０５７
【００４５】
二つの同位体種の比率は、ヘリコバクター・ピロリ感染をしていると疑われる患者による１３Ｃで標識付けされた尿素の摂取後の時間の関数として測定することができる。１３Ｃ尿素の標準的な１００ｍｇのサンプルを摂取した後、３０分後のδ１３Ｃの＋５の変化が、バクテリアの陽性検査であるとみなされる。内部指標を使用してまたは周囲大気をサンプリングすることによって、高められていない（unelevated）１３Ｃレベルに対して装置を校正することができる。
【００４６】
説明した装置は、一般に、別個の基準セルを必要としない。波長の校正は、ひとつまたは複数の対象線を含む、さまざまの分子種の吸収線を含む範囲に渡って、周波数走査を実行し、得られた吸収スペクトルを識別することによって達成することができる。絶対密度を得るために、吸収レベルを、サンプル内に導入された密度が既知である種のレベルと、または、メタン等の自然に発生するもののレベルと比較することができる。同位体比率測定のために、１３Ｃ／１２Ｃ呼気テストの場合における１３Ｃで標識付けされた尿素を摂取する前に吐き出された呼気のような、基準サンプル内に存在する二つのアイソトポマーのレベルを、相対基準として使用することができ、装置の校正は、このような基準サンプルまたは予め準備された標準サンプルを用いて、刻一刻とチェックすることができる。
【００４７】
圧力拡張効果（pressure broadening effects）を除去することによって選択感度（selectivity）を増加させるために、本装置は、光共振器１０２内の減圧されたガス圧力とともに動作する必要があってもよい。しかしながら、ガス処理システム１２によって影響を受け得るようなこのような構成は、計器の感受性にたいしてわずかな影響を及ぼすに過ぎない。
【００４８】
本装置は、人間、特に幼児の脂肪消化の測定を支援するＣＯ２同位体分析に、また、糖尿病やエイズ等の病気に関連する胃排泄遅延（delayed gastric emptying）を観察するために、また、１３Ｃで標識付けされた物質を持つ酵素を供給することによって、病気に関連した特定の酵素を検出するためにも使用することができる。
【００４９】
本装置は、好適に構築されるか構成された場合、呼気中に存在する、特定の揮発性有機化合物を含む種々の他の化合物を検出し、量を計るためにも使用することができる。例えば、特定のアルカンは、肺癌患者の呼気中に、特にメチルペンタンとして高レベルで検出される。乳癌、移植拒絶反応および喘息などの他の病気は、高レベルのペンタンと関連しており、また、ホルムアルデヒドは乳癌患者において高レベルで観察される。
【００５０】
本発明は、例えば、透析処置等のアプリケーションにおいて、人体の流体状態（fluid state）を判定する際に、同位体的に特殊な（isotopically specialled）水（Ｈ２Ｏ／ＨＤＯ）の検出に使用することができる。透析処置の効果は、吐き出されたＮＨ３を測定することによっても観測することができる。吐き出された窒素酸化物（ＮＯ）は、例えば、喘息を観測する際に、本発明を使用して測定することができる。
【００５１】
本明細書に記述された分光装置は、適当なサンプル収集および／または注入装置を備えることによって、また、検出のための適当な対象吸収線を選択することによって、吐き出された呼気の分析以外の多種のアプリケーションに使用することができる。他のアプリケーションには、爆発性ガスや神経ガスを検出することや、掘削した泥内に存在するメタンの同位体の構成によって石油やガス堆積物が近傍にある兆候を検出することが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明を具現化する呼気分析装置を模式的に示す図である。
【図２】第１の好ましい実施形態の信号処理態様を示す図である。
【図３】第２の好ましい実施形態の信号処理態様を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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