(57)【要約】  １つまたは複数の呼気の所望の部分を取得し、組成分析のために、そのまたはそれらのサンプルを分析する呼気分析デバイスが説明される。空気制御システムが、これらの部分を均質に取得し、呼気の他の部分から含まれるガスの量を減少させ、いったん取得されると他の部分との混合を減少させることができる。これらの空気制御システムは、オンボードの組成分析のために、または、モジュール式のもしくはオフボードの組成分析のために用いられ得る。
2016532117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼気のガス・サンプルにおける被検体のレベルを測定するためのシステムであって、
患者からガスのフローを引き出すポンプと、
ガスの前記フローにおける呼吸信号を測定するための呼吸検出器と、
前記呼吸検出器から前記ポンプへのメイン・チャネルと、
前記メイン・チャネルと並列の分岐チャネルであって、前記分岐チャネルを通過して引き出されるガスが前記メイン・チャネルの第１の部分をバイパスすることができるように、両端部において前記メイン・チャネルに接続する分岐チャネルと、
前記分岐チャネルに流体的に接続された被検体組成センサと、
前記ポンプの下流にある排気口であって、前記分岐チャネルを通過して引き出されるガスは前記排気口を通過して外に出て、前記メイン・チャネルの前記第１の部分を通過して引き出されるガスは前記排気口を通過して外に出る、排気口と、
前記呼吸信号に基づいて受け入れ可能な呼気を決定し、前記呼吸信号に基づいて前記受け入れ可能な呼気の所望の部分の位置を決定するプロセッサと、
呼気の前記所望の部分を前記チャネルと前記被検体センサとに方向転換する制御システムと、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記バイパス・チャネルのサブセクションが、呼気の前記所望の部分が捕捉可能であって前記システムから除去可能であるように、分離可能であり除去可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記被検体組成センサが、前記バイパス・チャネルの側方チャネルに位置決めされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記被検体センサが、前記チャネルの内部に位置決めされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記バイパス・チャネルの上流端部に三方弁をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記バイパス・チャネルの下流端部に三方弁をさらに備えており、前記制御システムが、フローを方向転換して、前記バイパス・チャネルを通過させる、または、前記メイン・チャネルの前記第１の部分を通過させるように、前記三方弁を動作させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
呼気サンプリング装置であって、
患者インターフェースと、
吸気インレットと、
呼気アウトレットと、
前記患者インターフェースと前記吸気インレットと前記呼気アウトレットとに流体的に接続された三方ジャンクションと、
前記吸気インレットから前記三方ジャンクションへのフローを許容する吸気一方向弁と、
前記三方ジャンクションから前記呼気アウトレットへのフローを許容する第１の呼気一方向弁と、
前記三方ジャンクションから前記呼気アウトレットへのフローを許容する第２の呼気一方向弁であって、前記第１の呼気一方向弁の下流に位置決めされている第２の呼気一方向弁と、
を備える呼気サンプリング装置。
【請求項８】
前記第１の呼気一方向弁と前記第２の呼気一方向弁との間に位置決めされたガス・サンプル抽出ポートをさらに備える、請求項７に記載の呼気サンプリング装置。
【請求項９】
前記三方ジャンクションと前記呼気アウトレットとの間に取り外し可能なチャンバをさらに備える、請求項７に記載の呼気サンプリング装置。
【請求項１０】
前記装置のガス経路の直径が０．３７５インチから０．７５インチの間である、請求項７に記載の呼気サンプリング装置。
【請求項１１】
前記三方ジャンクションと前記呼気アウトレットとの間に調節可能な部分をさらに備える、請求項７に記載の呼気サンプリング装置。
【請求項１２】
呼気サンプリング装置であって、
患者インターフェースと、
吸気インレットと、
三方弁と、
前記患者インターフェースと前記吸気インレットと前記三方弁とに流体的に接続された三方ジャンクションと、
前記吸気インレットから前記三方ジャンクションへのフローを許容する吸気一方向弁と、
第１の呼気アウトレットと、
第２の呼気アウトレットであって、前記三方弁が、前記第１の呼気アウトレットと前記第２の呼気アウトレットと前記三方ジャンクションとに流体的に接続されている、第２の呼気アウトレットと、
前記三方弁から前記第２の呼気アウトレットへのフローを許容する呼気一方向弁と、
呼吸センサと、
前記呼吸センサから信号を受け取り、前記信号に基づいて呼気サンプルを同定し、フローを前記第１の呼気アウトレットから前記第２の呼気アウトレットへ方向転換することによって、前記呼気サンプルが前記第１の呼気アウトレットを通過して流れないようにする、プロセッサと、
を備える呼気サンプリング装置。
【請求項１３】
前記三方弁と前記呼気一方向弁との間に位置決めされたガス・サンプル抽出ポートをさらに備える、請求項１２に記載の呼気サンプリング装置。
【請求項１４】
前記三方弁と前記呼気アウトレットとの間に取り外し可能なチャンバをさらに備える、請求項１２に記載の呼気サンプリング装置。
【請求項１５】
前記取り外し可能なチャンバが前記呼気アウトレットを備える、請求項１４に記載の呼気サンプリング装置。
【請求項１６】
前記呼吸センサが、前記吸気患者インターフェースと前記三方弁との間に位置決めされている、請求項１２に記載の呼気サンプリング装置。
【請求項１７】
取り外し可能なマウスピースをさらに備える、請求項１２に記載の呼気サンプリング装置。
【請求項１８】
前記装置のガス経路の直径が０．３７５インチから０．７５インチの間である、請求項１２に記載の呼気サンプリング装置。
【請求項１９】
前記三方ジャンクションと前記呼気アウトレットとの間に調節可能な部分をさらに備える、請求項１２に記載の呼気サンプリング装置。
【請求項２０】
前記調節可能な部分の上に目盛り付きのマーキングをさらに備える、請求項１９に記載の呼気サンプリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２０１３年８月３０日に出願された米国仮出願第６１／８７２，５１４号と２０１３年８月３０日に出願された米国仮出願第６１／８７２，４５０号との利益を主張しており、これら双方の内容はその全体が本明細書に組み入れられる。
【０００２】
本開示は、呼気中のマーカを測定することにより健康状態をモニタし、診断し、評価するための呼気分析の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
いくつかの呼気分析デバイスは、患者による制御された呼吸の停止と強制された呼気方法とを用いて、呼気サンプルを取得する。他の呼気分析デバイスは、患者の呼気フローに結合された真空サンプリング・チューブを応用することによって、患者からの呼気サンプルを取得する。後者の技術は、いくつかの長所を有するものであって、本開示において説明される。このタイプのサンプリング・デバイスでは、ターゲットとなる被検体は、典型的には、たとえば、呼気の開始、中間または終端など、患者の呼気の一定の部分に存在する。これらの異なる部分は、たとえば、食物、気道、深肺または全身など、被検体の生理学的起源に対応する。Ｎａｔｕｓ（米国特許第６，５４４，１９０号）によって説明されているある従来技術では、複数回の呼吸にわたる呼気のすべての部分を測定し、その測定値と呼気終末値とを相関させるために伝達関数を適用することによって、呼気終末ＣＯガスのレベルが報告された。この技術には、潜在的な不正確性など、いくつかの制約が存在したと考えられているが、その理由は、伝達関数が、遭遇する蓋然性の高い広範囲の臨床的状況に適応できないからである。
【０００４】
本開示は、新規な空気制御システムを考察しており、本開示のシステムは、ターゲットとなる呼気部分と他の部分との混合を防止するために意図される。さらに、本開示は、これらの新規な制御システムを、上記説明されているように、オンボードの分析、オフボードの分析およびモジュール式の分析に適用することを説明する。最後に、本開示では、また、単一呼気だけの分析ではなく、単一の呼気と複数の呼気との両方の呼気の分析を説明しており、深肺部または呼気終末部だけの分析に加えて、呼吸パターンの他の部分の分析も説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、呼気被検体サンプルを収集し測定するための、従来技術によるシステムの空気力学的概略図である。
【図２】図２は、システムを通過するサンプルの移動を一時停止させることなく呼気サンプルを測定する実施形態のシステムの空気力学的概略図である。
【図３】図３は、図２に示されたシステムのタイミング図であって、呼気を選択するステップと、選択された呼気の終末部分をセンサにシャントするステップと、呼気サンプルを被検体として測定するステップとを含むテスト・シーケンスの間の弁制御を示す。
【図４】図４は、分析のために意図されているガス・サンプルを受け取る取り外し可能で置き換え可能なカートリッジを示す空気力学的概略図である。
【図５】図５は、被検体分析のためにオフボードの呼気被検体センサに接続可能な、関心対象である呼気サンプル収集およびサンプル部分分離器具の地点を示す空気力学的概略図である。
【図６】図６は、システムの一連の動作を説明する流れ図である。
【図７】図７は、図６で説明されたシステムの動作を説明する流れ図であり、行われているテストに関するユーザが選択可能なオプションを伴う場合である。
【図８】図８は、図２で説明された空気力学的システムに対する代案を説明する空気力学的概略図であって、測定のためにセンサに向けられるサンプルを方向転換するために、ポンプの方向が反転される。
【図９】図９は、呼気のある部分のサンプルを取得するための代替的な空気力学的システムを説明する空気力学的概略図であって、収集された後のサンプルが、オフボードの分析のために取り外し可能なチャンバの中にプッシュされる。
【図１０】図１０は、呼気のある部分のサンプルを取得するための代替的な空気力学的システムを説明する空気力学的概略図であって、サンプルが、オフボードの分析のために取り外し可能なチャンバを通過して引き込まれる。
【図１１】図１１は、呼気のある部分のサンプルを取得するための空気力学的システムを説明する空気力学的概略図であって、患者からのガスが、所望の呼気の所望の部分が同定されるまでバイパス管を通過して引き込まれ、次いで、サンプル分離チャンバの中に方向転換される。
【図１２】図１２は、ある呼気のガスを測定する呼気センサ信号を説明するグラフであり、上側のグラフではＣＯ２測定が下側のグラフでは呼吸気道圧が例として用いられ、呼気サイクルと異なる呼気サイクルと関係するガス部分とが示されている。
【図１３】図１３は、呼気のある部分のサンプルを取得するための空気力学的システムを説明する空気力学的概略図であって、システムを通過して移動する呼気の異なる部分を示しており、分析のために被検体をトラップする前にガスを一掃するためのサンプル・トラップのインレットと結合されたベント・ポートが含まれる。
【図１４】図１４は、図１３に示されたガスの呼気と呼気部分とに対応する一連の呼気を時間の関数として示すグラフである。
【図１５】図１５は、被検体のオフボードでの分析を容易にするための、図４および図１０に示されているような、取り外し可能な被検体トラップの詳細な側方断面図である。
【図１６】図１６は、図１５に示されたトラップの図であり、所望の呼気からのガスの所望の部分がトラップを満たしており、サンプルを分離させるためにインレット弁が閉じている。
【図１７】図１７は、図３に示されたシステムからサンプルを取得するためのシリンジ型デバイスを含むサンプル転送モジュールの概略図である。
【図１８】図１８は、図１３に示されたシステムへのオプションの概略図であって、システムの利用を拡大するために複数のサンプル・トラップが含まれる。
【図１９】図１９は、被検者の呼吸サイクルに結合可能な、呼気の終末部分を収集するための受動的サンプル収集装置の空気力学的概略図である。
【図２０】図２０は、被検者の吸気状態の間の図１９の装置の図である。
【図２１】図２１は、被検者の呼気状態の間の図１９の装置の図である。
【図２２】図２２は、装置の呼気リムにおけるポートを通過するサンプルを取り除くことによる、図１９に示された呼気終末サンプルの回収手段の図である。
【図２３】図２３は、装置の呼気リムを取り除くことによる、図１９に示された呼気終末サンプルのオプショナルな回収手段の図である。
【図２４】図２４は、一連の呼気にわたる被検者の呼吸サイクルを時間の関数として示すグラフである。
【図２５】図２５は、図２４に示された呼気の１つの詳細を示すグラフである。
【図２６】図２６は、図２５からの呼気が装置を占有する時点における、図１９の装置の図である。
【図２７】図２７は、図１９の装置の代替例の図であり、被検者のサイズと実行されているテストに基づいて呼気リム（ｅｘｐｉｒａｔｏｒｙ  ｌｉｍｂ）のサンプル収集容積を調節するような、この装置の容積を調節可能な呼気リムを示している。
【図２８】図２８は、図２５からの呼気を示すグラフであり、呼気の終端部が４つの部分に分割されて図解されており、これらの部分は、オプションで、図２７に示された装置の呼気リム上での容積調節設定に対応する。
【図２９】図２９は、図１９に示された装置の自動化されたバージョンの図であり、この場合には、所望の呼気からのガスの終末部分を同定して収集するように自動化されており、呼気サイクルの間に示されており、また、分析に適切でない呼気として同定された呼気からのガスを排気するように示されている。このようなデバイスは、適切な呼気がサンプリングされることを確認するのに用いることができ、被検者がデバイスを誤魔化そうとすることを防止することができる。
【図３０】図３０は、呼気サイクルの間の図２９の装置を示しており、呼気が分析に適しているとして同定され、呼気リムサンプル収集容器を通過するガスの終末部分が示されている。
【図３１】図３１は、一連の息の呼気パラメータを時間の関数として示すグラフであり、図２９および図３０に示された装置によって分析に適した呼気として同定される呼気１８が示されている。
【図３２】図３２は、図２７の装置と類似の空気力学的概略図であって、図２９および図３０に示された自動化の特徴と予測されるサンプル容積と整合するようにサンプル収集コンパートメントの調節とを組み合わせており、この場合、調節は、手動、自動または半自動で行われ、容積の調節は、オプションであるが、図３１に示されている測定された呼吸パターンに基づく。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
図１は、サンプリング・カニューレ１の取付けのためのインレットと計器２とを含む従来技術によるデバイスを示す。計器は、カニューレ取付けのためのインレット・コネクタと、周囲２５と患者ガスＰｔとの間で切り換えるためのインレット弁Ｖ１と、呼吸パターンを照会するための呼吸パターン・センサＳ１と、分析されることになるサンプルを含むためのサンプル管１８と、サンプル管に至るインレットおよびアウトレット弁Ｖ２およびＶ３と、サンプル管におけるガス・サンプルを迂回するように他のガスを方向転換させるためのバイパス管２０と、サンプル管におけるガスをガス組成センサＳ２にプッシュするためのプッシュ管２１と、サンプルを患者から引き出してガス組成センサにプッシュするためのポンプと、ポンプがサンプルを患者からサンプルを引き出しているのか、それともガス組成センサにプッシュしているのかを制御するための弁Ｖ４とを含む。
【０００７】
図２は、一実施形態を説明している。この空気制御およびサンプリング・システムは、３つまたは４つではなく、最小で２つの三方弁を用いて実行させることが可能であり、それにより、装置全体のコストと複雑性とが最小化される。さらに、呼気サンプルの部分の位置決めが正確に決定され得るのであるが、その理由は、最小個数の弁の応答時間公差を考慮する必要がないからである。また、ターゲットとなるサンプルを、センサＳ２によって、それをシステムのどこかの場所で停止させることなく分析することが可能である。サンプルを移動状態のまま維持し、サンプルが患者を離れる時点と分析される時点との間の時間を最小化することにより、サンプルと呼気の他の部分からのガスとが混合する機会を最小化し得る。この構成において、ガスは、患者から、Ｓ１、Ｖ５、Ｔ１、Ｖ６およびポンプを通過して引き出される。所望の呼気からの所望の呼気部分がＳ１によって同定されると、適切な時点において、Ｖ５およびＶ６がポートａからポートｂに切り換えられ、ガス・フローを邪魔することなく、ターゲットとなるサンプルが、ポンプによってＶ６を通過してプルされることにより、組成センサＳ２を通過するように方向転換される。サンプルは、センサＳ２の中へおよび／またはセンサＳ２を通過するように移動するときに、問題となっている被検体に関して分析される。患者流路とサンプル分析経路との２つに分けるジャンクションＴ１は、システムのさらなる忠実性のために、Ｔ字管または弁であり得る。Ｔ字管の場合には、希望しないガスの引込みと希望しない混合とを回避するために、そのＴ字官の前または後に、一方向チェック弁が配置され得る。システムの較正は、既知のレベルの被検体を用いる同じアプローチに従う。システム２は、患者インレットＰｔと、カニューレ１または収集回路と、周囲インレット２５と、被検体センサＳ２または１４と、センサ・プル・スルー管１５と、制御システム２４と、ユーザ・インターフェース２２と、オプションとして圧力トランスジューサなどの患者インレット・センサ１６と、呼吸パターン・センサＳ１と、インレット制御弁Ｖ５と、圧力トランスジューサなどの流路センサ２６と、Ｔ字管Ｔ１と、流路セレクタ弁Ｖ６と、ポンプＰと、圧力トランスジューサなどの第２の流路センサ２８と、排気口２７とを含む。
【０００８】
システムがどのように動作するのかに関するより精密な説明が図３に示されており、この図では、Ｓ１で測定された呼吸パターン信号と、弁Ｖ５およびＶ６の制御と、サンプルへの被検体センサＳ２の応答とが説明されている。示されている例では、呼気終末サンプルが分析のターゲットになっているが、同じ原理が、呼気の他の部分にも適用される。この例に示されているように、ターゲットになっている呼気の終端部がＳ１によって同定されると、時間カウンタが始動される。示されている例では、呼気の終端部は、呼吸パラメータ信号が正の値からゼロを交差することによって同定されるが、これは、圧力またはフロー・センサを用いた場合であり得る。熱センサやカプノメータなどの他の時間のセンサが用いられ得るのであるが、その場合には、呼気の終端部は、方向の変化、導関数のゼロの交差点およびそれ以外のそのような特性など、信号における異なる特性によって同定され得る。センサのタイプおよび信号特性とは無関係に、呼吸パターンのこの点（呼気の終端部）がＳ１の出口地点から弁Ｖ５の中間ポートまたはポートｃまで移動するのには、流量と配管の寸法とに基づいて、Ｘ秒を要することが知られている。呼吸のこの点がその点に到達すると、弁Ｖ５は、患者からのガスがもはやデバイスの中に引き込まれないように、切り換わる。この弁は、呼気の終端部の後の患者ガスがＶ５に到達しないことを保証するために、若干早めに切り換わるように制御されることがあり得る。次に、呼気の終端部がＴ字管Ｔ１の中間ポートに到達すると、弁Ｖ６は、ターゲットであるサンプルのフローを被検体センサＳ２に方向転換するように切り換えられる。ターゲットになっているサンプルよりも前のガスが意図せずにＳ２にリルートされないことを保証するために、Ｖ６のスイッチングに若干の遅延を故意に存在させることがあり得る。ターゲットであるサンプルは、次に、適切であり正確に制御された継続期間の間、Ｓ２を通過するようにプルされ、その継続時間の後で、Ｖ６は再び切り換えられて、Ｓ２を通過するガス・フローが停止する。ガスがセンサを通過するように引き込まれる間は、最初に、センサに至る配管における周囲ガスが通過するように引き込まれ、それにセンサが最小限の反応を生じ、Ｖ６のスイッチングの後のある時点において、対象となるサンプルの開始部分がＳ１に入り、Ｖ６のスイッチングの後のある既知の時点で、サンプルの終端部がセンサに到達する。Ｖ６は、厳密にその時点で、または、その時点の前または後のある時点で再度切り換わるように、しかし、較正手順に整合する所定の態様で、制御することが可能である。サンプル自体がＳ１に入ると、センサは被検体に対して反応を開始し、この信号応答が、たとえば積分などの適切な態様で測定され、次いで、先に確立された較正係数に基づいて、被検体の定量的測定値と相関される。
【０００９】
図４は、図２および図３に示されたシステムのいくつかの変形例を示す。このシステムでは、Ｔ字管Ｔ１が、たとえば異なる複数の呼気部分からのガスの慣性に関係する混合を回避するように、前の例においてＴ１に流れ込みＴ１から流れ出るガスのより正確な制御を提供するために、三方弁Ｖ７によって置き換えられている。さらに、図４は、取り外し可能なサンプル収集デバイス１７を示しており、これは、サンプルをオフボードの分析器に運ぶのに用いられ得る。サンプルは、典型的には、管、キャニスタ、シリンダまたはシリンジの中に保存され、一連の一方向チェック弁を用いて外部のガスによる汚染から保護される。いま、サンプルはこの収集デバイス１７の中に保存されているのであるから、他の呼気部分からの患者ガスとの混合する傾向はもはや存在しないのであり、それが静的であるという事実は、何も問題ない。次に、サンプルは、一定の分量もしくはその全体を引き出して、所望の分析器もしくは計器の中に注入することが可能であるし、または、サンプル・コンパートメントを、計器の中に便利に注入もしくは取り込むために、分析器もしくは計器に適宜取り付けられる取り外し可能な設計とすることも可能である。また、サンプルが、将来の分析のために無期限で、保存されることもあり得る。あるいは、図５に示されているように、呼気収集計器自体の全体を、中央位置にあり得る分析器接続部１９経由で組成分析器に接続するために、モジュール型であって正しい形状因子を有する設計にすることも可能である。この例では、装置は、典型的には、小型のハンドヘルド型デバイスである。たとえば、収集は、戸外、救急車両の中、家庭、検診専門のクリニック、僻地などで行われることがあり得るが、後で施設に到着したときに、計器を実験室に運び、組成分析器に接続することができる。
【００１０】
図６には、手順の基本的ステップが示されている。ステップ１は、適切な呼気とその呼気の中のガスの適切な部分とを、サンプリング・システムおよび配管と適切なセンサおよびアルゴリズムとを用いて同定するための、呼気モニタリングおよび検出である。ステップ２では、適切なサンプルが方向転換され他の呼気ガスから分離されるのであるが、これは、特別の制御システム、ポンピング、弁、Ｔ字管および配管により、関連のアルゴリズムを用いて達成される。ステップ３は、オンボードの分析、ならびに／または、保存およびオフボードの分析器への転送である。
【００１１】
図７は、実行されるべき分析のタイプをユーザが特定することが許容される、ユーザ選択を伴うシステムの普遍性についての説明である。選択された特定の分析により、それに応じて、適切な制御システムおよびアルゴリズムが、自動的に機能することになる。たとえば、呼気終末サンプルがサンプリングされる、複数の呼気がサンプリングされる、または一定の呼気プロファイルの呼気がサンプリングされることがあり得るが、これらはすべて、ユーザによって選択されている診断テストのために最適化され、実行される。テストは、溶血のためのＥＴＣＯ測定などの血液学的障害、水素測定などの胃腸障害、糖尿病などの代謝障害、ぜんそくなどの呼吸障害、法医学的応用、行動スクリーニングへの応用などのためであり得る。
【００１２】
図８は、別の空気制御システムを説明するものであり、この場合には、関心対象のサンプルが、管１８の中のＶ２とＶ３との間に分離され、その後、弁Ｖ２が、ポートａが開いた状態からポートｂが開いた状態に変化し、ポンプの方向が反転されて、サンプルがセンサ１４の方へプッシュされる。
【００１３】
図９は、図８のシステムの変形例を説明しており、この場合では、サンプルは、オフボードの分析のために、取り外し可能な収集容器２３に送られる。サンプルは、チェック弁や自己密封ポートなどによって、容器２３の中に保護される。
【００１４】
図１０は、別の空気制御システムを説明しており、この場合には、望まれないガスは、Ｖ２のポートａとＶ３のポートａとの間にルーティングされ、望まれるガスは、Ｖ２のポートｂとＶ３のポートｂとの間にルーティングされて、サンプル管１８に配置される。望まれるガス・サンプルは、先に説明されたように、オンボードまたはオフボードで分析され得る。
【００１５】
図１１は、別の空気制御システムを説明しており、この場合においては、患者ガスは、センサＳ１によってガスの所望の部分が同定されるまで、Ｖ２のポートｃとＶ３のポートａとの間で、管１８を迂回して管２０を通過するように方向転換される。この所望の部分がＶ２に到達すると、適切な弁のスイッチングが生じて、Ｖ２のポートｃとＶ３のポートａとの間で管１８を通過するように、所望のサンプルをルーティングする。
【００１６】
図１３は、図１１のシステムの変形例を説明しており、この場合には、Ｖ２とＶ１０との間の任意の不所望のガスを一掃するベントとして作用する弁Ｖ１０が存在しており、その結果、収集デバイス３に最終的に配置された結果的なサンプルが他のガスを用いて希釈されたり汚染されたりすることがない。図１２は、カプノメトリと気道圧力とに基づく典型的な呼気曲線を説明しており、図１３に示された装置を通過して１回の呼吸周期の間に引き込まれるガスの異なる部分を示す。図１２では、Ｔ（ＰＥＴ）は呼気終末よりも前の時間であり、Ｔ（ＥＴ）は呼気終末の時間であり、Ｔ（Ｉ）は吸気時間であり、Ｔ（Ｅ）は呼気時間であり、Ｔ（ＰＥ）は呼気の後の期間である。上側のグラフは、カプノメトリ信号に基づく典型的な呼吸曲線を示し、下側のグラフは、呼吸圧力に基づく典型的な呼吸曲線を示す。呼気ガスの主な異なる部分は、図１３におけるガス部分に対応するように、それらに応じて、グラフに概略的に示されている。図１４は、時間スケール上で、カプノメトリ信号によって示される一連の呼吸を説明しており、図１３に示された例に対するこの一連の呼吸においてターゲットされる呼気である呼気ｎを示している。
【００１７】
図１５は、図４および図１０に示されたシステムのサンプル容器を説明しており、この場合、このサンプル容器は、取り外し可能に取付け可能な自己密封式のコネクタを用いて収集デバイスに取り付けられているので、サンプルを汚染することなく容器を自由に取り外せる。図１６は、この例では図１４の呼気ｎからの終末ガスである所望のサンプルで満たされた、図１５のサンプル容器を示している。このタイプの容器は、たとえば、密封式もしくは自己密封式のインレットおよびアウトレットを有する管、インレットだけを有するガス・タイト・シリンジ、自己密封式インレットを用いて最初に真空化され、オプションでその内部真空を経由して内向きにサンプルを引き込む管、密封式もしくは自己密封式のインレットおよびアウトレットを有しておりサンプル管１８の代わりに挿入される管、または、一端に弁を有する管もしくはコンパートメントであり得る。
【００１８】
図１７は、図１３の代替例を示しており、この場合、サンプルが、オフボード分析のために、サンプルが、シリンジの中に、または、キュベットもしくはピペットなど類似のデバイスの中に、引き込まれる。このようにして、患者に関する詳細な検査のために、複数のシリンジが満たされ、それに応じてラベル付けされ得る。この実施形態は、図７に記載されたユーザによる設定が可能な入力と共に、用いられ得る。図１８は、図１３のシステムの変形例を示しており、この場合には、複数のサンプルを収集して分析するために、複数の弁と収集容器とが存在する。
【００１９】
図１から図１８に記載されたシステムは、呼気の他の部分からのサンプルだけでなく、呼気終末ガス・サンプルを収集し測定するために、有用であり得る。それは、たとえば、呼気中のＣＯを、または、Ｈ２、ＮＯおよびそれ以外など、他のガスを測定するのに用いられ得る。それは、気体であるマーカだけでなく、呼気中にある他の非気体状の物質を測定するのにも、用いられ得る。組成分析と呼気パターン感知とは、２つの異なるセンサであり得るし、または１つのセンサの場合もあり得る。このシステムは、呼気の終末部分における、または、たとえば中間的な気道など呼気サイクルの他の部分における被検体を収集して測定するのに用いられ得る。臨床的症候群の持主は、このシステムを用いて評価または診断され得る。
【００２０】
図１９から図３２は、口に結合されているなど被検者の呼吸経路に結合されているときに呼気サンプルが受動的に収集されるオプションの装置および方法を説明している。
【００２１】
従来技術においては、肺胞ガスの分析のために終末呼気サンプルを取得する２つの技術が説明されている。いくつかの呼気分析デバイスは、患者による制御された呼吸を止め呼気を強制するという方法を用いて呼気サンプルを収集デバイスの中に取得する。他の呼気分析デバイスは、患者の呼気フローと連通するサンプリング管に真空を適用することによって、患者から呼気サンプルを取得する。これらの技術は、共に、制約を有する。呼吸を止める方法の場合には、呼吸の停止自体が、肺の中のガスの濃度レベルを変更させることがあり得るので、評価されつつある基礎となる条件についての不正確な理解が提供され得る。さらに、この方法では、均質な呼気終末ガスが収集されること、そして、たとえば患者が自らの唇を収集デバイスに対して押しつけて息を半分吐き出すために静止している間は鼻で呼吸しないこと、を保証する必要がある。さらに、テストの被検者すなわち患者がこの方法の指示に適切に従わないことがあり得るし、または、指示に厳密に従わないことにより複数のテスト間で変動が存在し得る。または、あるサンプルを収集するために連続してこの方法を実行する場合には、患者の肺におけるガスの濃度がいつ呼吸平衡に到達し、テストの用意ができるのか、を知ることは不可能である。
【００２２】
真空とサンプリング管とを経由して収集する場合には、この技術は、信頼性が高く正確であることが証明されているが、戸外での展開に対しては最適化されていないことがあり得る。
【００２３】
図１９から図３２では、呼吸停止方法に対する必要性とそれに関連する短所を解消するサンプリング・デバイスが、説明されている。さらに、いくつかの実施形態は、呼気終末ガスの比較的大きなサンプルを収集するのであり、敏捷な患者と敏捷でない患者との両方に対して、そして、あらゆる年齢の患者に対して、最小限のコストで最大の信頼性を伴って、用いることが可能である。いくつかの実施形態によると、さらに、設定可能なサンプル収集容積、呼吸曲線の異なる部分からのサンプル収集、および特定の臨床的応用のためにサンプリングされるべき呼気タイプを表す呼気だけをサンプリングする確認など、意図されている使用と臨床的応用とに基づき、サンプル収集における柔軟性が許容される。これらの実施形態は、最大限の簡潔性のためだけに機械的部品を要求しない受動的なシステムとして設計され得るし、または、いくつかの電気的機械的部品と、より過酷な臨床的応用で用いられるときのより高度な性能のための制御システムとを含むこともあり得る。
【００２４】
図１９では、システムのある実施形態を説明している。新規な呼気通過装置が示されている。ユーザは、マウスピースを自らの口に適用し、単に、通常通り呼吸する。吸い込まれた空気は、図２０に示されているように、吸気インレットを通過して衰えることなく移動し、吸気リムにおける一方向吸気チェック弁Ｖｉを通過し、マウスピースを経由して気道に入る。吐き出される空気は、図２１に示されているように、気道から出て、マウスピースを通過し、呼気リムにおける一方向呼気チェック弁Ｖｅ１を通過し、一方向呼気チェック弁Ｖｅ２を通過して装置の外に移動する。ユーザが、通常通りで自然に呼吸すると、装置は、呼吸機構を本質的に変更することはない。呼吸のすべてが口を経由することを保証するために、鼻クリップを鼻に適用することが可能である。任意の与えられた時点で、装置を口から取り外すことが可能であり、そうすると、定義によって、ユーザが装置を装着した状態で１回または複数回の呼吸をしたのである限り、呼気ガスは、Ｖｅ１とＶｅ２との間のサンプル収集領域に存在しなければならない。この装置は、典型的には、ガスの経路が呼吸抵抗を追加することなく可能な限り小さくなるように設計されており、よって、この装置は、呼吸機構と呼気平衡とを変更することがない。これは、どのような知覚可能な呼吸抵抗も有していない直径が約３／８インチから３／４インチのガス経路を用いて行うことが可能である。装置における異なる部分は、不必要なデッドスペースを回避するために、また、呼気の真に最終端からのガスをＶｅ１とＶｅ２との間に配置するために、ＶｉとＴ字管との間と、マウスピースと、Ｔ字管とＶｅ１との間との容積が最小となるように設計されている。サンプルは、抽出ポートを通過して、分析のために抽出され得る。この装置は、多目的な使用が可能であり、臨床的応用に応じて、異なる態様で用いられ得る。たとえば、患者は、通常の１回の呼吸量からガス・サンプルを収集するために、「通常通りに」呼吸することが可能である。または、予備の呼気量のガス・サンプルを収集するために、「深く」呼吸することも可能である。この応用例では、マウスピースという患者インターフェースを有するように装置が示されているが、鼻マスク、鼻ピロー、鼻カニューレ、顔マスク、気管チューブ、気管支チューブ、気管支鏡、またはそれ以外のインターフェースなど、他の呼吸トラック・インターフェースを用いることも可能である。この例は、ほとんど修正されることなくまたはまったく修正されることなく、被験者の自発的呼吸の間において、示されているのであるが、このシステムは、呼吸回路に取り付けることによってなど、機械的に呼吸をさせられている被験者に結合することによって、用いられる場合もあり得る。
【００２５】
図２２は、たとえば、自己密封ポートに取り付けられたシリンジ・タイプのデバイスを用い、サンプルを、分析が実行されるまでサンプルが保持されるシリンジの中に引き入れることにより、分析のためにサンプルが呼気リムからどのようにして抽出され得るかに関する例を示す。収集のある時点および戸外での応用例では、シリンジがセンサ媒体を含む場合があり得るのであるが、これはたとえば、適切な化学的性質を有する紙またはプラスチックであって、患者がテストされている被検体に露出されると、たとえば色が変化するものである。図２３は、サンプル収集領域を装置の呼気リムから取り除くことによって組成分析のためにサンプルを計器に移動させる、別の方法を示している。状況によって要求される場合には、複数のサンプルを、同じ患者から取得することが可能である。
【００２６】
図１９から図２３に説明された装置は、呼気サイクルの一定の部分からガス・サンプルを収集するように設計することが可能である。図２４では、典型的な呼吸曲線が、気道フロー測定に基づいて、時間の関数として示されており、曲線の吸気部分と曲線の呼気部分とがある。図２５は、図２４からの典型的な呼吸の曲線のより詳細な図であり、呼吸曲線の呼気部分を複数の異なる部分に分割可能であることが図解されている。示されている例では、それが、開始、中間および終末の３つの部分に分割されているが、呼気をより多数またはより少数の部分に分割することも可能である。各部分は、ガス濃度の異なる混合を含む潜在性を有する。ある実施形態では、呼気終末部分すなわち呼気の最終的な第３の部分が、通常の１回の呼吸量から、測定のために収集されることが望まれる。患者からの容量は、図２５におけるフロー曲線の下側の面積、すなわちＶ（Ｅ３）によって表される。この場合、図２６におけるＶ（４）が呼気終末部分からのガスだけを含むことを保証するために、図２６に示された装置の部分である部分Ｖ（１）、Ｖ（２）、Ｖ（３）およびＶ（４）を加算した容量が、容量Ｖ（Ｅ３）よりも小さいことを重要である。たとえば、呼気が５００ｍｌ、呼気の最終的な３分の１が１５０ｍｌ、Ｖ（１）が１５ｍｌ、Ｖ（２）が２０ｍｌ、Ｖ（３）が５ｍｌ、Ｖ（４）が７５ｍｌであり得るのであって、よって、収集されたサンプルがターゲットとする部分からの純粋なサンプルであることを保証する際に３０％の安全係数を装置に与えることになる。
【００２７】
たとえば、体格の異なる患者をテストするために、このシステムにはいくらかの柔軟性が必要となり得るのであって、従って、Ｖ（Ｅ３）は５ｍｌから７５０ｍｌまでの異なる値であり得る。または、たとえば、テストが、呼気サイクルから、多かれ少なかれ、ガスの正確な部分を取得することを要求する場合があり得る。いくつかの場合は、これは、異なるサイズの収集装置によって処理される。他の場合には、収集容量範囲に関するこの要求は、Ｖ（Ｅ３）の容積を調節するために、調節可能な装置によって処理され得る。図２７に示されているように、呼気リムにおけるサンプル収集領域の容量は調節が可能であり、予測されるＶ（Ｅ３）の容量に応じて、増減され得る。この調節は、交換可能な部分によって、または、たとえばネジ山もしくは密封スライドを用いた移動可能な部分によって、または、異なるサイズのモジュールを用いて交換され得るモジュール型の呼気リムによって、達成され得る。後者の場合には、装置がキットの一部として提供されることがあり得るのであって、異なるテスト要件に対して、異なるサイズの呼気リムが用いられる。さらに、サンプル収集領域は、装置が調節または設定される容量をユーザに示すための目盛り付きのマーキングを含み得る。あるいは、または、さらに、この装置は、異なるパーセンテージの呼気終末部分からガス・サンプルを収集するために、調節可能であり得る。たとえば、図２８に示されているように、呼気の後半部分を４つまたは５つの部分に分割することが可能であり、図２７に示された装置上の調節スケールは、これらの部分のそれぞれに対応し得る。図２７における呼気リムの容量の設定が細かければ細かいほど、図２８に示される呼気サイクルからのガスの収集が、ますます正確になり得る。
【００２８】
いくつかの場合には、適切な呼気からの適切なサンプルが適切に捕捉されることを自動的に保証するために、いくらかの制御上の洗練をこの装置に追加することが望まれるまたは必要とされる。図２９に示されているこの実施形態では、図１９の一方向呼気弁Ｖｅ１が、電子的に制御される三方ソレノイド弁で置き換えられている。患者がこの装置を通過するように呼吸すると、サンプリングが望まれない呼気は、図２９に示されるように、三方弁のポートｂを通過するように吐き出され、サンプリングが望まれる呼気は、図３０に示されるように、三方弁のポートａを通過するように吐き出される。呼吸センサが、呼吸パターンを測定するために呼吸ガス流路に配置され、それにより、しきい値、基準およびアルゴリズムに基づいて、呼気が適切としてまたは不適切として分類され得る。呼吸センサからのこの情報は、望まれるように一定の呼気がポートｂを通過し他の呼気がポートａを通過するようにルーティングすることにより、三方弁をそれに応じて制御するために、制御システムによって用いられる。呼吸センサは、たとえば、フロー・センサ、温度センサ、圧力センサ、またはガス組成センサであり得る。この装置はいくぶん複雑であってコストを要するので、マウスピースは使い捨てとして、バランス部分は再利用可能とすることができるが、その場合、マウスピースは、ユーザ間の相互感染を回避するために双方向のバクテリア・フィルタを含む。直前の患者からの残存患者ガスをすべて除去し、次の患者のサンプル汚染を回避するために、患者の間では、単純なフラッシュ・キットおよび手順が用いられ得る。図３１では、図２９および図３０の呼吸センサからの呼吸パラメータ信号が、一連の呼気に対して、時間の関数としてプロットされている。この装置の制御システムにおけるアルゴリズムが、どの呼気がサンプリングに関して排除されるか、そして、どの呼気がターゲットとされるのかを決定するが、この場合には、ターゲットとなるのは呼気１８である。たとえば、呼気１７がポートｂを通過した後で、三方弁をポートａへ切り換えることができ、次には、呼気１８がポートａを通過してサンプル収集領域の中に至り、次に弁が再びポートｂに切り換えられて、呼気１８からの終末サンプルをサンプル収集領域に保存して、他の呼気との汚染を回避する。しかし、呼気１８が終了した後では、制御システムが、センサからの情報を用いて、呼気１８が依然としてサンプリングするのに適切な呼気であったことを確認する。これが肯定的に確認される場合には、サンプル収集が完了して、ユーザは任意の時点で装置を取り外すことができるが、そうではなくて、サンプルが結局のところ不適切であったと判断される場合には、適切な呼気を見つけるプロセスが反復され、結果的には、サンプル収集領域における呼気１８からのサンプルは、次のターゲットとなる呼気からのサンプルによって、取って代わられる。追加的な実施形態では、制御システムが、呼吸センサおよび三方弁と共に、三方弁の適切なスイッチングとタイミングとによって、サンプル収集領域における複数の呼気の終末部分を収集するのに用いられることがあり得る。
【００２９】
いくつかの場合には、サンプルを一定のタイプの呼気から取得することが重要であることがあり得る。たとえば、ため息の後で、または、何らかの他のタイプの呼吸もしくは一定のタイプの呼吸パターンの間もしくはその後の呼気が、手近な診断テストのために、選ばれ得る。これらの場合には、制御システムと適切なアルゴリズムとが、適切なサンプルを捕捉するために用いられる。ユーザが一定のサンプリング・プロトコルに入ることを可能にするユーザ・インターフェースが含まれている場合があり得るが、その場合、システムは、所望のテストを実行するために、必要な調整とアルゴリズムの変更とを自動的に行う。システムは、また、適応的であって、広く行われている臨床的状況および条件に自動的にまたは半自動的に適応することがあり得る。特定の選択された分析が、適切な制御システムとアルゴリズムとがそれに応じて動作することを自動的に可能にする。たとえば、呼気終末サンプルがサンプリングされることがあり得るし、または、複数の呼気がサンプリングされることがあり得るし、または、一定の呼気プロファイルの呼気がサンプリングされることもあり得るが、これらはすべて、実行される診断テストのために最適化されている。呼気リムへの調節により、サンプル収集領域が、たとえば、上述した実施形態において説明されたように呼気終末部分ではなくて中間的な気道からのガスの部分など、呼気サイクルからのガスの異なる部分を収集することが可能になる。呼気リムにおける弁の位置が、呼吸センサによって測定されている呼気速度および呼吸容量と共に、呼気ガスのどの領域が分析のために複数の弁の間に分離されるのかを決定することができる。
【００３０】
図３２には別の実施形態が示されているが、この場合は、図２６に示された容積Ｖ（３）が、吐き出されたガスから呼気の一定の部分を収集するように装置を設定するために、調節可能である。たとえば、装置を、マウスピースおよびＴ字管に本質的に残された最後の３５ｍｌを除いて、呼気ガスの最後の５０ｍｌを取得するように、設定することが可能である。または、たとえば、装置を、その後に依然として１００ｍｌの呼気ガスが存在する状態で、５０ｍｌのガスを取得するように設定することが可能である。または、たとえば、装置を、Ｖ（３）を４１５ｍｌまで増加させることにより、呼気の開始部分から５０ｍｌのサンプルを取得するように設定することが可能である。この調節は、手動、自動もしくは半自動で行うことが可能であり、または、そうではなくて、異なる複数の装置を各状況のために利用可能とすることも可能である。図３２に示されている調節は、オプションとして、この調節の特徴と図２９から図３１に示されている実施形態とを一体化することによって実行することも可能であり、その場合には、呼吸信号の測定値を、容積を調節するために用いることができる。この場合には、単純なモータまたはスライド機構が、装置の呼気リムの中に組み入れられ、それにバッテリを用いて給電できる。
【００３１】
図１９から図３２に説明されているシステムは、呼気の他の部分からのサンプルだけでなくて、呼気終末ガス・サンプルを収集し測定するのに有用であり得る。それは、たとえば、呼気中のＣＯを測定するのに用いることができるし、または、Ｈ２、ＮＯおよびそれ以外など他のガスを測定するのに用いることができる。それは、気体状のマーカだけでなく呼気中の他の非気体状物質を測定するのに用いることが可能であり、呼気サイクルの異なる部分からのガス部分を測定のために収集するために用いることが可能である。このシステムは、任意のタイプの呼吸と患者インターフェースとに応用が可能であり、また、希望しているテストに応じて、強制された呼吸方法または瞬間的な呼吸に応用することも可能である。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図２】
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【図５】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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