(57)【要約】  【課題】    バッグに採気した呼気の評価による代謝量などの測定装置の低価格化の為の方法を提供する。  【解決手段】    図1に示す構成、即ち容器a、エアポンプd、炭酸ガス吸収塔b、酸素吸収塔c、及び圧力計eを主要構成要素とする装置で、aをフレキシブルバッグfに採気された呼気で置換し、a-b間の呼気循環により炭酸ガスを吸収しその圧力減の値から炭酸ガス濃度を測定し、次いでa-c間の呼気循環により酸素を吸収しその圧力減の値から酸素濃度を測定する方法を考案し、１．測定開始前にa、b、c、内の圧力及び水蒸気圧をほぼ等しくすること２．測定中aには常に液体の水が存在すること３．酸素の吸収中の温度変化の補正の為、圧力測定を容器aと同温度に保たれた常時水を存在させ容器hを連結して、容器aと容器h間の差圧を測定する測定系とすることの3条件などを加えることにより、測定精度を本目的に利用可能な程度に向上させた。  【選択図】    図1
2007020591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
常時水を存在させて水蒸気を飽和させた容器(a)、エアポンプ(d)、炭酸ガス吸収材を収納した容器(b)、酸素吸収材を収納した容器(c)、該容器(a)の圧力を計測するための圧力測定装置(e)、予め呼気が採気されているフレキシブルバッグ(f)、系からのガスの出口、及び必要に応じて適宜設けられた複数個の弁から成る呼気の評価装置であって、
(1)  フレキシブルバッグ(f)、エアポンプ(d)、容器(a)、系からのガスの出口の順に連結された系を形成し、その系が容器(b)及び該容器(c)と遮断されている状態、
(2)  容器(a)、エアポンプ(d)、容器(b)、容器(a)、の順に連結された循環系を形成し、その系が容器(c)と遮断されている状態、
(3)  容器(a)、エアポンプ(d)、容器(c)、容器(a)の順に連結された循環系を形成し、その系が容器(b)と遮断されている状態、
の各状態が弁の開閉により実現できることを特徴とする呼気の評価装置。
【請求項２】
更に、(4) フレキシブルバッグ(f)、エアポンプ(d)、系からのガスの出口の順に連結された系を形成し、その系がその他の構成部分と遮断されている状態が弁の開閉により実現できることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
更に、容器(a)の圧力を計測するための圧力測定装置(e)に接続して常時水を存在させて水蒸気を飽和させた容器(h)、及び該容器(h)が大気に開放する弁を持つことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
更に、容器(a)の圧力を計測するための圧力測定装置(e)に接続して常時水を存在させて水蒸気を飽和させた容器(h)、及び該容器(h)が大気に開放する弁を持つことを特徴とする請求項2に記載の装置。
【請求項５】
請求項１又は３に記載の装置を用いて、フレキシブルバッグ(f)に予め採気されている呼気で該容器(a)を完全に置換し、容器(a)の圧力(P1)を測定する工程、容器(a)と容器(b)とを連通させて容器(a)と容器(b)に含まれる気体を一定時間循環させ、循環後容器(a)の圧力(P2)を測定する工程、次いで、容器(a)と容器(c)とを連通させて容器(a)と容器(c)に含まれる気体を一定時間循環させ、循環後容器(a)の圧力(P3)を測定する工程、P1とP2との差及びP2とP3との差から呼気中の炭酸ガス濃度及び酸素濃度を算出する工程から成る呼気の評価方法。
【請求項６】
請求項2又は４に記載の装置を用いて、フレキシブルバッグ(f)に予め採気されている呼気で該容器(a)を完全に置換しその時間(t1)を測定する工程、その後直ちに、又は呼気中炭酸ガス及び酸素の濃度の測定後に(f)に残った呼気を他の系に移すか若しくは大気中に放出しその時間(t2)を測定する工程、と予め求めて置いたt1及びt2と採気呼気量の関係を用いて実測されたt1及びt2から(f)中の採気呼気総量を推定する工程、容器(a)の圧力(P1)を測定する工程、容器(a)と容器(b)とを連通させて容器(a)と容器(b)に含まれる気体を一定時間循環させ、循環後容器(a)の圧力(P2)を測定する工程、次いで、容器(a)と容器(c)とを連通させて容器(a)と容器(c)に含まれる気体を一定時間循環させ、循環後容器(a)の圧力(P3)を測定する工程、P1とP2との差及びP2とP3との差から呼気中の炭酸ガス濃度及び酸素濃度を算出する工程、採気呼気総量、炭酸ガス濃度及び酸素濃度を用いて呼気採気時間における酸素摂取量及び代謝量を算出する工程から成る呼気の評価方法。
【請求項７】
圧力測定開始前に容器(a)、容器(b)及び容器(c)内の圧力及び水蒸気圧をほぼ等しくさせることを特徴とする請求項5又は6に記載の方法。
【請求項８】
請求項3又は4に記載の装置を用いて、圧力測定装置(e)を容器(a)と容器(h)間の差圧を測定する測定系とし、容器(a)と容器(c)とを連通させる直前の差圧p2*、その時の周囲温度T0(゜K)、及び大気圧P0を測定する工程、次いで容器(a)と容器(c)とを連通させて容器(a)と容器(c)に含まれる気体を一定時間循環させ、循環後容器(a)の差圧p3、その時の周囲温度T1(゜K) を測定する工程、P2 = P0 - p2*、P3 = (P0 - p3) × T0÷ T1、ΔP = P2 - P3、容器(a)の内容積をV、酸素吸収材を収納した容器(c)及びそれらに接続されている配管の空隙の内容積をV2、T0(゜K)における飽和水蒸気圧をPH2O(T0)として、標準状態の呼気中酸素濃度(%)を｛ΔP × (V + V2)×100｝÷｛(P1 - PH2O(T0))×V｝の計算式で求めることを特徴とする請求項5又は6に記載の呼気の評価方法。
【請求項９】
酸素吸収材として使い捨てカイロの主要構成物である鉄粉、活性炭粉、水及び塩化ナトリウムを主体とする材料を用い、容器(c)を予め炭酸ガス及び酸素を含まない常圧の気体で置換した後、採気呼気中酸素濃度の測定を開始することを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フレキシブルバツグに採気した呼気の組成と量を測定して、代謝量や酸素摂取量を求める呼気の評価装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
健康な身体つくりには、基礎代謝、最大酸素摂取量、運動時の代謝量、呼吸商などの評価が重要である(非特許文献１)。
従来は、ダグラスバッグと呼ばれるフレキシブルバッグに呼気を採気し、その量を乾式
ガスメーターで測定し、呼気中の炭酸ガス濃度、及び酸素濃度を化学分析又は物理化学的分析を行って代謝量、酸素摂取量、呼吸商を求めていた(非特許文献２，３)。
【０００３】
【非特許文献１】第六次改定  日本人の栄養所要量−食事摂取基準−第一出版社 平成11年発行
【非特許文献２】藤田美明  奥恒行編「栄養学総論」朝倉書店  1994年１月発行131〜136頁
【非特許文献３】山地啓司「最大酸素摂取量の科学」改定第2版 杏林書院 2001年2月発行10〜15頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、市販されているダグラスバッグ法による装置は価格が200万円以上するものしか見当たらない為一般市民の入手は困難であり、又装置を設置している場所も殆ど
見当たらず、一般市民が簡単に利用できる状況にないのが現状である。装置が高価になる主な理由は、ガスメーターと分析装置の価格である。
本発明は、このような従来の問題を解決しようとするものでる。即ち呼気中の炭酸ガス濃度及び酸素濃度の測定を、いずれも安価な炭酸ガス吸収剤であるソーダライムと酸素吸収剤である使い捨て懐炉粉を用いて呼気中の炭酸ガスと酸素を吸収させることによる圧力減少量の測定に変換して、濃度測定装置の低価格化を図った。
【０００５】
しかしながら、従来技術である構成を図2に示す装置により、吸収剤を入れた容器を減圧にしてから採気呼気を収納したフレキシブルバッグを接続し、容器中を呼気で充満した後の吸収による圧力減から濃度を求める方法では、濃度の精密測定上次のような課題があった。
1.  炭酸ガスとソーダライムとの反応は極めて早く、呼気導入時の吸収が無視できず、正確な濃度測定が困難である。
2.  逆に使い捨て懐炉粉と酸素との反応はかなり遅く、完全吸収には数時間かかる。
これは、装置実現上時間がかかり過ぎる欠点になると共に、その間の周囲温度の変化も圧力の精密測定上問題である。
3.  減圧処理をした使い捨て懐炉粉は窒素も吸着し、その量は圧力の精密測定には無視できない。
4.  使い捨て懐炉粉は、酸素だけでなく炭酸ガスも完全に吸収する。
5.  呼気は測定時、水蒸気で飽和されており、その影響の補正が難しい。
また、採気された呼気の総量は、ガスメーターを使用せずに測定するのは困難だった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決する為に本発明では
1.  呼気導入容器と炭酸ガス及び酸素に対する吸収剤を収めた反応器を分離して呼気導入時の吸収を阻止し、
2.  減圧を避けて呼気を常圧で容器に導入して使い捨て懐炉粉による窒素の吸着を阻止し、
3.   呼気導入容器中に常時水を存在させて水蒸気を飽和させることにより、水蒸気圧の補正を行い、
4.   呼気を容器と反応器間を強制的に循環させる方法により先ず炭酸ガスの吸収・圧力測定後、酸素の吸収・圧力測定を行うことにより、使い捨て懐炉粉の酸素吸収速度を著しく向上させるとともに、使い捨て懐炉粉による炭酸ガス吸収の問題を解決し
5.  さらに酸素吸収過程における周囲温度の変化の影響を補正する為、常時水を存在させて水蒸気を飽和させた小容器と呼気導入容器との差圧を酸素濃度の測定に用いることによって、
前述の課題のすべてを克服した。
【０００７】
即ち、本発明は、常時水を存在させて水蒸気を飽和させた容器(a)、エアポンプ(d)、炭酸ガス吸収材を収納した容器(b)、酸素吸収材を収納した容器(c)、該容器(a)の圧力を計測するための圧力測定装置(e)、予め呼気が採気されているフレキシブルバッグ(f)、系からのガスの出口、及び必要に応じて適宜設けられた複数個の弁から成る呼気の評価装置であって、
(1)  フレキシブルバッグ(f)、エアポンプ(d)、容器(a)、系からのガスの出口の順に連結された系を形成し、その系が容器(b)及び該容器(c)と遮断されている状態、
(2)  容器(a)、エアポンプ(d)、容器(b)、容器(a)、の順に連結された循環系を形成し、その系が容器(c)と遮断されている状態、
(3)  容器(a)、エアポンプ(d)、容器(c)、容器(a)の順に連結された循環系を形成し、その系が容器(b)と遮断されている状態、
の各状態が弁の開閉により実現できることを特徴とする呼気の評価装置である。
この装置は、更に、(4) フレキシブルバッグ(f)、エアポンプ(d)、系からのガスの出口の順に連結された系を形成し、その系がその他の構成部分と遮断されている状態が弁の開閉により実現できてもよい。
この装置は、更に、容器(a)の圧力を計測するための圧力測定装置(e)に接続して常時水を存在させて水蒸気を飽和させた容器(h)、及び該容器(h)が大気に開放する弁を持ってもよい。
【０００８】
そして該評価装置を用いることにより、フレキシブルバッグ(f)に予め採気されている呼気で該容器(a)を完全に置換し、容器(a)の圧力(P1)を測定する工程、容器(a)と容器(b)とを連通させて容器(a)と容器(b)に含まれる気体を一定時間循環させ、循環後容器(a)の圧力(P2)を測定する工程、次いで、容器(a)と容器(c)とを連通させて容器(a)と容器(c)に含まれる気体を一定時間循環させ、循環後容器(a)の圧力(P3)を測定する工程、P1とP2との差及びP2とP3との差から呼気中の炭酸ガス濃度及び酸素濃度を算出する工程から成る呼気の評価方法が可能になった。
また上記評価法によっても酸素の吸収完了時間は30分程度かかるので、その間の温度変化の補正を精密に行う為に、
圧力測定装置(e)を差圧測定装置であり、その一端に常時水を存在させて水蒸気を飽和させた小容器(h)を連結して、容器(a)と小容器(h)間の差圧を測定する測定系とし、容器(a)と容器(c)とを連通させる直前の差圧p2*、その時の周囲温度T0(゜K)、及び大気圧P0を測定する工程、次いで容器(a)と容器(c)とを連通させて容器(a)と容器(c)に含まれる気体を一定時間循環させ、循環後容器(a)の差圧p3、その時の周囲温度T1(゜K) を測定する工程、P2 = P0 - p2*、P3 = (P0 - p3) × T0÷ T1、ΔP = P2 - P3、容器(a)の内容積をV、酸素吸収材を収納した容器(c)及びそれらに接続されている配管の空隙の内容積をV2、T0(゜K)における飽和水蒸気圧をPH2O(T0)として、標準状態の呼気中酸素濃度(%)を｛ΔP × (V + V2)×100｝÷｛(P1 - PH2O(T0))×V｝の計算式で求めることを特徴とする評価法を考案した。
また、本目的に対する測定精度は、酸素濃度の測定値が有効数字3桁を必要とするが、呼気量については、実用的には2桁あれば充分な場合が多い。本発明は、本発明の装置を用いてフレキシブルバッグに採気された呼気の量の簡易測定法も併せて考案した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による装置は、使用構成部材がすべて低価格のものであり、実現可能な提供価格として大幅な価格低減を期待することが出来る。
圧力測定による採気呼気中の炭酸ガス及び酸素の濃度の精密測定は、本発明によって初めて可能になった。
即ち、
1.呼気導入容器と炭酸ガス及び酸素に対する吸収剤を収めた反応器を分離すること
2.酸素に対する吸収剤として、低価格な使い捨て懐炉粉を利用すること
3.呼気を減圧を避けて常圧で充分時間を掛けて容器に導入すること
4.呼気を容器と反応器間を強制的に循環させる方法を採用し先ず炭酸ガスの
吸収圧力測定後、酸素の吸収測定を行うこと
5.呼気導入容器中に常時水を存在させて水蒸気を飽和させること
6.酸素の吸収後の圧力測定を、圧力測定装置(e)を差圧測定装置であり、その一端に常時水を存在させて水蒸気を飽和させた小容器(h)を連結して、容器(a)と小容器(h)間の差圧を測定する測定系とすること
により、呼気中の炭酸ガス及び酸素濃度の測定を高精度で行う装置を低価格で実現できる道を開いた。
また、採気呼気を収納したフレキシブルバック(f)中の呼気の総量を本装置と時間計測装置の使用のみで測定することが可能になった。
以上から、本発明により呼気の採気時における酸素摂取量、及び代謝量などを低価格で測定する道が開けた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
呼気中の炭酸ガス及び酸素の濃度の精密測定上の問題点を、図2に示す装置による予備実験の結果を踏まえて説明する。
予めソーダライムの様な炭酸ガス吸収剤、又は使い捨て懐炉の鉄粉を主要成分とする内容物の様な酸素吸収剤を収めた固形容器のガス出入口10から真空ポンプにより減圧し、次いで出入口10に採気した呼気を収納したフレキシブルバッグを繋ぎ、容器に呼気を導入する。そして吸収による圧力減少が落ち着いた後の圧力の測定値から呼気中の炭酸ガス又は酸素の濃度の測定を試みたものである。
しかし、次のような問題点が見出され、このままでは精密測定は不可能なことが分かった。
1.  炭酸ガスとソーダライムとの反応が早すぎ、呼気導入時の吸収が無視できなくなり、正確な濃度測定が困難である。
2.  逆に使い捨て懐炉粉と酸素との反応は遅すぎ、完全吸収には数時間かかる。
これは、装置実現上時間がかかり過ぎる欠点になると共に、その間の周囲温度の変化も圧力の精密測定上問題である。
3.  減圧処理をした即席懐炉粉は窒素も吸着するらしく、その量は精密測定には無視できない。
4.  使い捨て懐炉の内容物は、酸素だけでなく炭酸ガスも完全に吸収する。
以上の予備実験の結果判明した問題点を解決する為に本発明、即ち呼気導入容器と炭酸ガス及び酸素に対する吸収剤を収めた反応器を分離し、先ず呼気を常圧で容器に導入し次いで呼気を容器と反応器間を強制的に循環させる方法により、上記問題点のすべてを克服する方法を考案した。
【００１１】
本発明による測定装置の構成例を図1に示す。
以下、図１を用いて本発明の装置を説明する。
容器(a)は内容積約350ccのフラスコであり、中に水約10ccを入れ、常にフラスコ内が水蒸気で飽和している状態を保つようにする。
採気され、フレキシブルバッグ(f)に収納されている呼気は、測定に用いられる通常の温度、例えば、10〜25℃ではその温度の飽和水蒸気圧の水分を含んでいるとして取り扱う。
(例えば、非特許文献3)
又、炭酸ガスの吸収剤であるソーダライムは炭酸ガスを吸収する反応で、炭酸ガスと等量の水を発生する。更に酸素吸収剤である即席懐炉粉は、酸素との吸収反応に必要な水分を含んでいる。
以上の状況から、呼気測定中の測定装置内は常に水蒸気で飽和している状態を維持しておくことが測定精度を高く保つ為に必要となる。
【００１２】
炭酸ガス吸収塔(b)は、内径15mm長さ190mmの透明アクリル管の両端にゴム栓をし、それに外径6mmのアクリル管を通し、その内部にソーダライム粉を170mm詰めたものである。用いたソーダライム粉は、矢橋マインパルク（株）製のものである。
炭酸ガス吸収剤としては、ソーダライムより炭酸ガスに対する吸収率が優れているとされる米国 Allied Healthcare Products社製バラライム(登録商標)粉も用いたが、本目的には差は全く認められなかった。
後述する手順1又は手順2の条件では、呼気中炭酸ガスの測定回数60回程度では全く問題は無かった。
【００１３】
酸素吸収塔(c)は、内径15mm長さ190mmの透明アクリル管の両端にゴム栓をし、それに外径6mmのアクリル管を通し、その内部に即席懐炉粉、具体的にはホッカイロ粉を160mm詰めたものである。ホッカイロ粉は水分を含んでいるが、測定時には、酸素との反応により昇温し、含まれた水分が蒸発により吸収塔から取り去られることになる。
この為、測定を繰り返すとホッカイロ粉と酸素との反応が不完全になる現象が見出された。後述する手順1又は手順2の条件では、10回程度測定に使用した後、吸収塔に約2〜3cc程度の水を注入することにより、40回程度の測定に耐えることが確認されている。
尚、ホッカイロ粉が酸素だけでなく炭酸ガスも吸収する問題の検討も行った。
東邦亜鉛（株）製の高純度電解鉄粉マイロン-PGに水と塩化ナトリウムだけを添加したもので、酸素だけでなく炭酸ガスも吸収することを確認している。これは今までの文献には見出されていない現象である。
これから、この現象は、ホッカイロ粉に存在する酸素吸収に本質的に拘わっている鉄粉、水、塩化ナトリウム以外の物質が関与しているものではなく、鉄粉を含有する使い捨て懐炉粉では避けられない現象であることがわかった。
【００１４】
エアポンプ(d)は、（株）テクノ高槻製 SPP-3EBSで、吸排気口2連を持つが、これを長時間の動作を安静させる為、及び単独では風量が大きすぎるので風量を減少させる為直列に連結して動作させた。
その場合、エアポンプ単独で運転した場合の風量は毎分約5リットルであつた。
フラスコ内ガス出口には、オリフィスを付けて、そこを流れる場合の風量を毎分0.8リットル以下に絞っている。これは、吸収塔を通過する呼気の風速を適当に制御する為と、併せて呼気を水面に吹き付けて測定系内の呼気中水蒸気圧を常に平衡に保つ為である。
【００１５】
使用したフレキシブルバッグ(f)及び(g)は材料に気体の透過や吸着が極めて少ない塩化ビニリデンを用いた各々容量30リットル及び2リットルのノズル二口付きテドラーバッグ(登録商標)である。(f)は呼気の採気に用いるが、(g)は測定開始前に吸収塔、特に酸素吸収塔内の圧力を測定に悪影響の無いガス、例えば飽和水蒸気を含む窒素ガスを補給することにより、常圧に保つ為に用いる。
一つの例としては(g)内にホッカイロ粉約10グラムと水2ccを挿入した後、約1リットルの空気を送入し、数時間静置して酸素をほぼ完全に除去した後上記目的の為に使用した。
(f)として市販のテドラーバックに付いているノズルは、最大内径5mmのものしか入手できず、二口を並列に繋いで使用したが、これは安静時の呼気採気には充分だが、エアロバイクなどで運動中の呼気採気には、ノズルの抵抗が大きすぎて呼吸が苦しくなり採気が困難である。この場合に対しては、市販の内容積40リットルのポリエチレンのバッグに内径10mmのアクリル管を取り付けたものを試作して使用した。ポリエチレンは、酸素及び炭酸ガスの透過の問題があるが、この問題は、呼気採気後30分以内に、エアポンプを用いてテドラーバツグに移し変えを行えば実用上問題は無いことを確認している。
【００１６】
圧力形(e)としてはデジタル差圧計が便利で、主に扶桑理化学製品（株）のデジタルマノメータFUSO-8205を使用したが、U字管でも充分に使用できることを確認している。
その場合は内径4mm長さ1メートルの透明アクリル管2本の底部をシリコーン管で繋ぎ、約50cmの高さに水を注入したものを用いた。炭酸ガス濃度測定の場合は、一端を開管で測定できるが、酸素濃度測定の場合は、一端を開管では減圧の程度が水柱高差で2メートル近くになるので、一端を閉管としなければならない。しかしその場合単に一端を閉管としたのでは、水柱高差としてわずかしか取れないので、一端に約20cc程度の小容器に水約1ccを注入したものを連結して、水柱高差として約50cm程度以上をとれるようにして、測定精度的にも充分満足できるような仕組みを考案した。この小容器を用いる方法は、「課題を解決するための手段項」に記した酸素吸収過程における周囲温度の変化の影響を補正する為にも有効である。
【００１７】
次に実際の測定の手順を説明する。
手順1
手順1は、呼気量の測定は、本発明の範囲外のガスメーターにより測定するが、本発明による装置で呼気中の炭酸ガス及び酸素の濃度を測定する方法の例である。
１．呼気導入口(1)と採気された呼気を収納したフレキシブルバッグ(f)を連結し、呼気排出口(2)に乾式ガスメータを連結する。
２．(1), V1,(d), V2, V3, (a), V4,(2)の順の経路で約2リットルの呼気を流し、(a)を完全に呼気で置換する。
３．呼気排出口(3)に乾式ガスメーターを連結し、(1), V1, (d), V2, (2)の順の経路で(f)内の残留呼気を全量排出し、その量を測定する。ステップ2.で流した呼気量と本ステップの測定値の合計が採取された呼気の量となる。
４．呼気出入口(4)に炭酸ガス及び酸素を含まない飽和水蒸気を含むガスを収納したフレキシブルバッグ(g)を連結し、V6, V7を経て炭酸ガス吸収塔(b)及び酸素吸収塔(c)内を容器(a)内とほぼ等しい圧力にする。 
5．(a)内の圧力(P1)を測定した後、(a), V4, V1, (d), V2, V6, V7, 炭酸ガス吸収塔(b), V8, V3, (a) の順の経路で呼気を4分間循環し、エアポンプを停止した後(a)内の圧力(P2)を測定する。P1とP2の値を用いて呼気中炭酸ガスの濃度を求める。
6．(a), V4, V1, (d), V2, V6, V7, 酸素吸収塔(c), V8, V3, (a)の順の経路で呼気を循環し、時々エアポンプを止めて圧力を測定し、圧力の変化が無くなった時点の値(P3)を測定する。P2とP3の値を用いて呼気中酸素の濃度を求める。
圧力の変化が無くなるまでの時間は、30〜40分間であった。
【００１８】
P1、P2、及びP3を用いた具体的な算出法について説明する。
測定中の大気圧をP0とする。P0は、アネロイド気圧計などで測定する。
炭酸ガス測定系では、フラスコ(a)の内容積からフラスコ内の水の容積を減じた値をV、
炭酸ガス吸収塔及びそれらに接続されている配管の空隙の値をV1とすると、測定時の周囲温度がT0(゜K)であるとして、標準(STPD)状態の呼気中炭酸ガス濃度CCO2(%)は次式で
与えられる。
差圧計の読みが測定開始直前p1であり、炭酸ガス吸収後は、p2になったとする。
P1 = P0 - p1
P2 = P0 - p2
CCO2 =｛(P1 - P2)× (V + V1)×100｝÷｛(P1 - PH2O(T0))×V｝
炭酸ガス吸収時の圧力測定の場合は、圧力計の一端は大気に開放でよい。
即ち図1におけるストップコックV9は開放である。
【００１９】
炭酸ガスの吸収反応は数分間で完了するので、その間の温度変化は無視できるが、酸素の吸収反応は数十分かかるので、その間の温度の変化は無視できない。
但し、一般的にその程度の時間範囲では、大気圧P0の変動は無視することができる。
温度が変化すると、水分を除いた成分の圧力がボイル・シャールの法則で変化するのと同時に、系の水蒸気圧も変化する。
その水蒸気圧の変化の影響を除去するには、圧力計の一端に中に水が存在する小容器(h)を接続し、常にフラスコ(a)と等温度に保ち、圧力として小容器(h)とフラスコ(a)間の差圧の値を用いればよい。
炭酸ガス測定直後の、小容器(h)との差圧をp2*、その時の温度をT0(゜K)、酸素吸収後の差圧をp3、その時の温度をT1(゜K)とする。
即ち、炭酸ガス測定直後にV9を閉じてp2*を測定後、酸素吸収過程に入ることになる。
酸素吸収塔及びそれらに接続されている配管の空隙の値をV2とすると、標準(STPD)状態の呼気中酸素濃度CO2(%)は次式で与えられる。
P2(T0) = P0(T0) - p2*
P3(T1) = P0(T1) - p3
P3 (T0)= P3(T1)× T0÷ T1
ΔP = P2(T0) - P3(T0)
CO2 =｛ΔP × (V + V2) ×100｝÷｛(P1 - PH2O(T0))×V｝
【００２０】
上記計算式は、デジタル差圧計を用いた場合に適用できるもので、差圧測定にU字管を
用いた場合は、計算式はより複雑になる。即ちU字管内の流体の位置が差圧によって変化し、実効的なフラスコ(a)の内容積や酸素吸収後の差圧測定の場合は、U字管閉管部の容積も変化するのでその補正を行う必要がある。
その為計算式は複雑になるが、計算自体は困難なものではなく、ここではその詳述は省略する。
【００２１】
P1、P2、及びP3を用いて呼気中炭酸ガス及び酸素の濃度を求める場合、炭酸ガス吸収塔(b)や酸素吸収塔(c)及びそれらに接続されている配管は、測定前呼気で置換されてはいないので、それらの中の空隙の容積が測定値に影響してくるので、その影響は予め実験的に求めておく必要がある。酸素の場合は、大気中の酸素濃度は、20.9%、炭酸ガス濃度は400ppmであり、場所や高度では変わらないことが分かっているので、後述の手順2のステップ2に準じた手順で容器(a)を大気で置換した後P1、P2(P1と殆ど変わらない)、及びP3を測定して、酸素濃度が20.9%となるよう計算式中の係数を補正する。炭酸ガスの場合は、炭酸ガス約5%を含有する標準ガスを用いて上記の手順でP1、P2を測定して標準ガス中濃度になるよう計算式中の係数を補正する。
【００２２】
本発明の方法による呼気中炭酸ガス濃度と酸素濃度の測定精度について、既に確立している測定方法で確認をした。
上記のステップ3.で、乾式ガスメーターのガス出口から採取した呼気で濃度を測定した。
炭酸ガスの濃度測定に用いたのは、光明理化学工業（株）製  北川式ガス検知管  126SAである。
酸素の濃度測定に用いたのは、バイオニクス機器（株）製  O2メーター  Model DO-715Kである。
同一呼気サンプルをこれらの確立された方法と本発明の方法で測定した値を表1に示す。
【００２３】
【表１】
2007020591.tif 000003
備考の安静時(心拍数は毎分60以下)とは、朝起床直後に採取した呼気であり、エアロバイクとはエアロバイクを漕ぎ心拍数を毎分125程度に保ちながら採取した呼気である。
表1から本発明による測定はかなりの精度を持つことが分かる。
【００２４】
手順2
手順2は、構成を図1に示す装置により、呼気中炭酸ガス濃度と酸素濃度の測定のみでなく、フレキシブルバッグ(f)に採気されている呼気量も併せて測定する方法の例である。
１．呼気導入口(1)と採取された呼気を収納したフレキシブルバッグ(f)を連結し、呼気排出口(2)を開放する。
２．(1), V1, (d), V2, V3, (a), V4, (2)の順の経路で正確に4分間呼気を流し、(a)を完全に呼気で置換する。
３．呼気排出口(3)を開放し、(1), V1, (d), V2, (3)の順の経路で(f)内の残留呼気を全量排出し、その時間(t 秒)を測定する。
フレキシブルバッグ(f)に既知量の大気を送入した後、上記ステップ1.〜3.により、時間tを測定し、時間tと(f)中の大気量の関係を予め求めておくことにより、フレキシブルバッグ(f)に採取されている呼気量を求めることが出来る。
以後のステップは手順1のステップ4以降と全く同一である。
尚、採気呼気量が、容器(ａ)をほぼ完全に置換するのに充分な内容積の5倍以上あるが、
それほど多くない場合には、上記ステップ2で(f)内の採気呼気を全量排出し、その時間と予め求めておいた関係から、採気呼気量を求める事は当然出来る。
呼気量と呼気中炭酸ガス濃度と酸素濃度が判明すれば、この呼気に対する酸素摂取量及び代謝量は容易に求めることが出来る。(例えば、非特許文献2及び3参照)
手順2に用いられた装置について予め求めた時間tと(f)中の大気量の関係を表2に示す。
【００２５】
【表２】
2007020591.tif 000004
【００２６】
手順2による測定条件、測定値と酸素摂取量及び代謝量の計算の一例を表3に示す。
【表３】
2007020591.tif 000005
*1 ：t より求めた値は、その時の温度と大気圧で水蒸気を含んだ状態(ATPS：Ambient Temperature Pressure Saturated with Water Vapor)である。
*2 ：それを標準値(STPD：Standard Temperature Pressure Dry)に換算した値（非特許文献３）。
*3  ：呼吸商は炭酸ガス排出量と酸素摂取量との比である（非特許文献２）。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の装置の構成図である。
【図２】本発明の予備実験装置の構成図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  呼気導入口
２  呼気排出口
３  呼気排出口
４  呼気出入口
V1、V2、V3、V4  3方コック
V5  ストップコック
V6、V7、V8  3方コック
V9  ストップコック
【図１】
2007020591.tif 000006
【図２】
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