Notice: Undefined variable: fterm_desc_sub in /mnt/www/biblio_conv.php on line 353
分析中の呼気の流れ制御
説明

分析中の呼気の流れ制御

【課題】呼気分析のためのシステムと方法を提供する。
【解決手段】分析装置を通る呼気のガスサンプルの流量は、ポンプ、ある実施形態では2つのポンプによって制御される。装置を通るメインストリームから分岐する第2ストリームの検体センサーの配置は、センサーに接触して配置される呼気の方法、持続時間、量の更なる制御をする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
これは、2005年2月7日の同時継続、米国特許出願第11/053,047の一部継続出願であり、その内容は、参照することによりこの明細者に取り込まれる。
【0002】
本発明は、呼気分析のためのシステムと方法の分野に関する。
【背景技術】
【0003】
被検者の呼気の分析は、いくつかの生理学的条件の診断と管理を含む、多くの用途に価値がある。喘息で苦しむ人間の呼気の酸化窒素(NO)の変化は、例えば、喘息の発作の可能性の増加を示しうる、人間の気道の炎症レベルの変化を示すことが可能である。呼気の別の構成要素で、その濃度が生理上の異常に関連するのは一酸化炭素であり、その濃度の上昇は、溶血性黄疸の発病の初期症状の可能性がある。また更なる例は水素であり、その上昇は炭水化物の吸収不良を示すことが可能である。これらのガスは、通常微量存在し、明確には、濃度で十億分の一(PPb)であり、検出されることができない異常を示す濃度の変化も、10億分の一である。
【0004】
呼気の分析器の有用性と信頼性は、温度、湿度および息の流れによって制限され、それらのうちどれかは、分析結果を妨害する可能性があり、分析結果に影響する。これらの要因による妨害は、微量の検体を計測するために分析器が使用されるときに、特に深刻である。従って、呼気に微量の検体の量を見つけようとするいかなる装置もそれらの要因の影響を最小限にするか、それらの存在を補正しなければならない。
【0005】
これらの要因の中で、制御するのが最も難しいのは、分析装置を通る、被検者の呼気の流量である。息の流量を制御する、従来技術の荒っぽい方法は、分析器の設計流量からの偏差を補正するために、被検者に、息をはくのを早めに、または遅めにするよう指示する。この方法は、流量を調整する被検者の能力により、特に被検者が子どものときに、制限される。通常、幅広い濃度範囲にわたる微量なガスの分析は、非現実的である。別な方法としては、分析器に可変通気抵抗を有し、偏差を補正するために抵抗を変える。この能力を組み込む装置は、モイラネン,E(Moilanen, E)らの2004年5月11日発行の米国特許US第6,733,463B1号で、開示される。モイラネンらの特許の装置は、装置の内側に質量流メーターからの信号により制御される、機械的または電気的に制御されるスロットルを含む。残念なことに、モイラネンらの装置は、複雑で、フィードバック制御の下で多くの構成要素を必要とする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、被験者の呼気を直接受容するように構成されたハウジング、呼気が移動するハウジング内部の流入通路、流入通路内の検体検出部、および被験者がハウジングに息を吹きこむ量を制御し、呼気が制御された量で通路を流れていくようにするためのポンプ、またはポンプシステムを有する呼気分析装置に属する。本発明は、微量なものを含む、さまざまなガスの検体の分析に使うことができ、特に酸化窒素の数量化に関係する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本発明の特徴を具体化する分析装置の構成要素の図である。
【図2】本発明の特徴を具体化する第2分析装置の構成要素の図である。
【図3】本発明の特徴を具体化する第3分析装置の構成要素の図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
本発明は、さまざまな構成を受け入れる余地があるが、本発明を画定する特徴と新規性は、具体的な実施形態を詳細にレビューすることで最も良く理解できる。そのような3つの実施形態が図面と以下の記載により示されている。
【0009】
図1は、本発明に係る分析装置の機能部品を構成する構成要素の回路10を表している。装置そのものは、使用者の呼気を捕らえられるように、使用者に直接、またはマウスピースを通じ着用させる、または取り付けることができる、マスクまたは類似した装置とすることができる。呼気は吸気口11より装置に入る。呼気の圧力は、予測される呼吸圧の範囲に適合した作動領域を有する装置内の圧力センサー12により検出される。第1実施形態では、この範囲は5〜20cm水柱(約0.45〜1.8psig)で、この範囲の下限値は、通常の使用者の軟口蓋を閉じるのに必要な圧力であり、上限圧力は通常の使用者が不快を感じる値である。ポンプ13は、さまざまな方法で操作が可能である。例えば、センサーが検知した圧力が閾値に達した場合、上述した範囲の下限値である可能性があり、ポンプ13は圧力センサーからの信号を受けて作動し、装置内への呼気が継続し、圧力が最終的に下限値よりも下がったときは、ポンプの作動を止めることができる(OFFする)。適当なポンプの一例は、米国ニュージャージー州トレントンにあるKNF Neuberger社のモデル番号UNMP50である。このポンプは、66.7cm3/sのフリーフロー能力、400mbar(63cmH2O)の最大真空、および0.5bar(79cmH2O)の最大継続圧力を有する。ポンプは、規定の範囲にわたり、被検者の口腔内圧の変化にかかわらず、略一定に流量を維持するために、注入口の圧力に充分耐えることができるのが好ましい。他の構造としては、ポンプはフィードバックのための圧力センサー12を用いた閉ループ制御装置を備えることができる。
【0010】
装置を通り抜ける息の流路内におけるオプションの構成要素はフロー抵抗器14であり、本実施形態では圧力センサー12の下流、およびポンプ13の上流に位置する。本発明のある実施形態では、第1抵抗器14の下流であるがポンプ13の上流に第2フロー抵抗器15が流路に同様に含まれる。このフロー抵抗器、または両方のフロー抵抗器は、望ましい流量、例えば50cm3/sに流れを制限し、使用者の口、喉、または気道内の圧力を増加させるのを助ける。フロー抵抗器の一例は、直径約0.11cmの円径の開口式の固定オリフィスである。その他の形式のフロー抵抗器は当業者には明らかであり、オリフィスの代わりに使用することができる。フロー抵抗器は、システムをポンプ13の仕様に調整する役目を果たすことができる。
【0011】
第1抵抗器は、記号Riでここに示される抵抗を与える。本実施形態における第1抵抗器14の下流の流路は、メインストリーム16とサイドストリーム17の二つのストリームに分岐される。ここで、これらのストリームは、それぞれ第1ストリームと第2ストリームとも呼ぶ。第2抵抗器15はメインストリーム16内に在り、可変でも固定でもよく、記号Rpでここに示される抵抗を与える。可変抵抗器の例は、モーター制御ニードルバルブ、ソレノイド制御ニードルバルブ、手動ニードルバルブおよび、ピンチチューブバルブがあり、これらすべてが流れに抵抗を与える。固定抵抗器の例は、不可変オリフィスである。サイドストリーム17は、シャットオフすなわち、開閉バルブであるのが好ましいサイドストリームバルブ18と、サイドストリームに流れさせる、またはサイドストリームに流れるのを阻止し、その結果2つのストリーム間の流れの分配を制御する抵抗器19を有している。本出願に適したシャットオフバルブの例はソレノイドバルブであるが、その他の例は当業者には明らかであろう。息の吐き出しの開始からある一定時間後に、サイドストリームバルブ18は、メイン、サイドストリームを通って同時に呼気の流れが存在するように開くことができる。バルブは、例えば、装置へ呼気が流れ始めてから7秒後に開き、装置へ呼気が流れ始めてから10秒まで継続して開くように設定することができる。このプロトコルでは、テストの最初の7秒間は、すべての呼気がメインストリーム16を通り、次の3秒間はメイン、サイドストリーム16,17の両方を通ることになる。
【0012】
サイドストリーム17は、サイドストリームを通過する呼気に含まれる検体(酸化窒素、またはその他)のレベルを検出する検体センサー21を有する。検体センサー21はまた流路抵抗を与え、別のサイドストリーム抵抗器19の必要性を排除することができる。図1におけるそのような実施形態の説明では、サイドストリーム抵抗器19は検体センサー21に組み込まれている。サイドストリームバルブ18は、サイドストリームに流路抵抗を設けることもでき、その結果サイドストリーム抵抗器19は、バルブ18に組み込まれることも可能である。一般に、サイドストリームの流路抵抗は、ここでは記号Rsで示されている。オプションとしてサイドストリームは、炭酸ガス吸収装置のようなその他の構成要素(図示せず)を有してもよい。チェックバルブ22は、逆流を防ぐためにサイドストリームに含まれる。
【0013】
装置10内の呼気の一定流量は、さまざまな方法で維持できる。ひとつの方法は、サイドストリーム抵抗器19が不可変抵抗Rsである一方で、抵抗Rpが可変であるメインストリーム抵抗器15を用いることである。サイドストリームバルブ18が閉じている時に、メインストリーム抵抗器は、Rp1の値を有し、サイドストリームバルブ18が開いた時に、Rp2へ値が変更するようにプログラムまたは設定することができる。Rp1およびRp2の抵抗レベルの選択は、フローストリーム内の、例えば電圧やポンプ能力に加えて、他の抵抗、バルブなどの他の構成要素からの抵抗によって、ある程度影響されてもよい。
【0014】
図1に示される実施形態では、メインストリーム16とサイドストリーム17は、装置のアウトレット24の上流で一つの通路23に再び結合される。ポンプ13は、メインストリーム16とサイドストリーム17が再び結合する位置の下流に配置されるので、ポンプ13は、それぞれのストリームを個々に制御するというよりむしろ、システムの全体的な流れを制御する。センサー12の下流のポンプ13の配置は、またポンプの流出物でセンサーが汚染される危険を回避する。
【0015】
ポンプの圧力降下の一連の値の一例、装置全体を通る流量、装置を流れる50Cm3/sの流量用の様々な抵抗が、次の表1にリストで記載されている。この例では、メインストリームRpの抵抗は可変であるが、残りの抵抗RiとRsは一定である。表1とその後の表で使用される記号は以下の通り:
ΔP ポンプ13の圧力降下を示す。
Ri 第1(上流)抵抗14により与えられる抵抗を示す。
Rp メインストリーム抵抗15によって与えられる抵抗を示す。
V 装置を流れる呼気の全流量を示す。
【表1】

【0016】
上の例では、Rpの二つの値(Rp1とRp2)は、サイドストリームバルブが開いているときに、検体センサー21を通る8cm3/sの流量で、テストの間一定の流量50cm3/sを維持するように、即ちメインストリームのサイドストリームに対する流量比は、42対8で、選択される。この流量を達成するために、Rp2のRsに対する比は、8/42=0.29で、サイドストリームバルブが閉じられたときに同じ流量が生じて、Rp1のRp2に対する比は、42/50=0.84であると仮定される。それ故、呼気の最後の3秒間、サイドストリーム17が開いているときに、息は、流量8cm3/sサイドストリームを通って流れるが、残りは、42cm3/sでメインストリーム16を通って流れる。
【0017】
第2実施形態では、全ての抵抗器の抵抗は、ポンプの流量が変化する間、一定を維持する。この構成は、サイドストリームが開いたときに生じる全流路の抵抗の変化を補正するために、ポンプの圧力降下の変化を利用する。メイン抵抗器15の抵抗Rpのサイドストリーム抵抗器19に対する比は、例1と同様に再び、8/42=0.29である。
【表2】

【0018】
図2は、本発明の範囲内ではあるが、単一のポンプではなく2つのポンプを有するシステム31を示す。図1で示したシステム10と同様に、呼気は、単一のインレット32で図2のシステム31に入り、単一のアウトレットから出て、システムは分割分岐点36でメインストリーム34とサイドストリーム35に分けて、二つのストリームは、下流分岐点37で再び結合する。第1ポンプ38は二つのストリームが最初に形成される分岐点36の下流のメインストリーム34にあり、第2ポンプ39はサイドストリーム35にある。第2ポンプは、サイドストリームを通るフロー抵抗器の変化、特に抵抗が検体センサー42の中にあるときに、補正することができる。第2ポンプはまた、メインストリーム34とサイドストリーム35のために設定される、独立した流量を可能にする。その独立した流量は、構成要素の交換なしに、ソフトウェアまたはリアルタイムで設定可能である。図2で示される実施形態では、第2ポンプは、検体センサー42の下流であり、ポンプの流出物は、センサー42によって発せられる信号を妨害しない。
【0019】
図1の単一ポンプのように、図2の2重ポンプシステムは、可変速ポンプに加えて、可変抵抗を提供する抵抗器を利用できる。サイドストリームバルブ43は、2重ポンプシステムで示される。あるいは、サイドストリームバルブ43は、サイドストリームの流れを開いて閉じるために、第2ポンプ39自体を使用することによって、取り除くことができる。図3では更なる変更が示され、メインストリームとサイドストリームが再結合する(図2参照のこと)、分岐37が除去されて、メインストリーム34およびサイドストリーム35別々のアウトレット51,52をそれぞれ通って、別々に放出する。
【0020】
この図の各々で示されるようなサイドストリームの使用(図1の要素17と図2、3の要素35)は、さまざまな利点を提供する。サイドストリームに配置された検体センサー21と42により、検体センサーを通過する呼気の流量を減少することが可能で、小さな検体センサー、特に、その小さな大きさにより、検体に素早く反応するセンサーが、その結果、使用されることが出来る。サイドストリームを通る流量は、それ故、5cm3/s〜11cm3/sの範囲で、またある実施形態では6cm3/s〜10cm3/sの範囲で、または7cm3/s〜9cm3/sの範囲の流量に制限されることが可能である。このことは、メインストリームを通る流れが、例えば40cm3/s〜45cm3/sのような高い流量を生じる間に、なされることが可能である。更に、装置全体を通過する息の一部は、計測前に、サンプルをセンサーに放置するように、接触時間が延長されるためにセンサー領域に保持されることが可能である。通常の放置時間は1分である。センサーは、その後、分析または計測のために取り除かれることが可能である。放置は移動するストリームのリアルタイムの解析を行なうには、遅すぎて応答できないセンサーにとって役に立つ。また更に、サイドストリーム内の検体センサーの配置は、装置全体を通る流れが止まる前に、ユーザが、センサーを通る複数サイクルの息を通過させること可能にする。例えば、体積50cm3/sを有するセンサーと呼気8.0cm3/sを収容するサイドストリームにより、サイドストリームを3.0秒開けさせることが、最後の5.0cm3/sがサイドストリームに閉じ込められる前に、呼気24.0cm3/sをセンサーに通させる。サイドストリームが開いたままにされる期間の例は、連続1〜10秒、連続1〜7秒および1〜5秒である。これは、分析する前にセンサーを洗浄するのに役立ち、それにより、センサーが分析前に接触している無関係のガスをセンサーから取り除く。サイドストリームを通る流れの開始は、装置全体を通る呼気の流れを開始した後にまた、洗浄するため、または平衡状態を保つために選択した間隔で、遅らせることが可能である。本発明のある実施形態では、例えばサイドストリームの開口は装置を通る呼気の流れを開始した後に5秒〜9秒の間の間隔で遅らせられ、ある他の実施形態では、その間隔は6秒〜8秒の間の間隔である。子どもにとっての最適な間隔と大人にとっての最適な間隔は異なってもよい。
【0021】
サイドストリームシャットオフバルブ、別のサイドストリームポンプまたはその両方を含むことにより、サイドストリームは、「流れを止める操作」と呼ばれるモードで、システムが作動することを可能にする。流れを停止することは、システムに、流れシステムで可能なよりも更により長い期間維持される安定したテスト環境を作ることを可能にする。上述したように、静止した流れにさらされる、詳細な時間は実例であり、より長いまたはより短い、流れにさらされる時間が同様に使用できる。
【0022】
ここで説明したシステムおよび構成は、例えば一酸化窒素などのわずかな量しか存在しないガスを含む呼気の多くの異なった検体の分析に使用されることができる。この明細書および添付の特許請求の範囲の目的では、「微量なガス」の表現は、その濃度が百万分の1(体積で)未満であることを示し、好ましくは、検体の重要性と特別な生理状態、またはそのような生理状態の発現を示す変化の範囲により示さされる。本発明は、一酸化窒素を計測するために、ゾルゲル状態のキセトゲルのシトクロムCを有するセンサーに関連して特に利点がある。このタイプのセンサーと関連技術が次の審査中の米国特許出願、公開された米国特許出願および特許された米国特許で開示されている。2005年2月7日に出願された米国特許出願US第11/053,046号、2005年2月5日に出願された米国特許出願第11/053,253号、2004年1月29日に公開されたUS2004-0017570A1号(2002年12月30日に出願された、出願第10/334,625号)、2005年3月10日に公開されたUS2005-0053549号(2003年9月10日に出願された、出願第10/659,408号)2005年4月21に公開されたUS2005-0083527A1号(2004年1月28日に出願された、出願第10/767,709号)、1998年8月18日に登録された米国特許第5,795,187号および2000年1月4日に登録された米国特許第6,010,459号。この明細書で引用されている全ての特許および特許出願の開示は、参照することにより本明細書に取り込まれる。
【0023】
上述したものは、例示の目的として主に提供され、本名発明の範囲から逸脱することなしに、修正されることが可能である。例えば、ポンプの位置は変えることが可能である。単一のポンプが使用されるとき、ポンプは、流れの通路が二つのストリームに分けられる、分岐の上流に配置されることが可能であり、一つまたは二つのポンプのいずれかを使用するときには、ポンプまたは複数のポンプは、センサーの上流に配置されることが可能である。本発明の更なる修正および実施形態が、当業者に容易に明らかになる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
呼気の検体を検出する装置であって、
前記装置は、
第1流入通路と該第1流入通路から分岐する第2流入通路とに分かれた、呼気の移動のための流入通路を有し且つ被検者からの呼気を直接に受容するようにされたハウジングと、
前記第1流入通路に保持される前記検体量に反応し且つ前記第2流入通路内に収容された検体検知要素と、
前記ハウジング内への被検者の前記呼気の流量を制御し、該呼気を制御された割合で前記第1流入通路及び前記第2流入通路に流入させるポンプ手段と、を有する装置において、
前記流入通路全体が前記ハウジング内に配置され、且つ、前記ポンプ手段が前記第1流入通路内に置かれたの第1ポンプと、前記検体検知要素と同様に前記第2流入通路内に置かれたの第2ポンプとを有していて、
前記検体検知要素が、前記第2ポンプによって前記第2流入通路内を通って流れる呼気流内の前記検体量を検知するようになっている、ことを特徴とする装置。
【請求項2】
前記第2流入通路内に配置された前記第2ポンプとシャットオフバルブ又はそのいずれか一方が、前記第2流入通路内の流れを開閉するべく配置されている、請求項1に記載の装置。
【請求項3】
前記第2流入通路内にチェックバルブを更に備える、請求項1に記載の装置。
【請求項4】
前記第2ポンプが、前記第2流入通路内において前記検体検知要素の下流に配置されている、請求項1に記載の装置。
【請求項5】
前記流入通路に入る呼気の圧力を検出するための圧力センサーを更に備える、請求項1に記載の装置。
【請求項6】
前記流入通路にオリフィス又は可変フロー抵抗器を更に備える、請求項1に記載の装置。
【請求項7】
前記検体検知要素が、ゾルゲル材料中のシトクロムCである、請求項1に記載の装置。
【請求項8】
検出される前記検体が、一酸化窒素(NO)である、請求項1に記載の装置。
【請求項9】
被検者から呼気の検体の量を決定する方法であって、
前記方法は、
前記検体に反応する検知要素を有する流入装置に流れる被検者の呼気の流量を、前記流入装置と統合されたポンプ手段を用いて一定の流量に制御することであって、前記流入装置は、第1ポンプを備えている第1流入通路と、前記検知要素と第2ポンプとを備えている第2流入通路とを収容しているハウジングを備えており、また
呼気を分割し、前記呼気を前記流入装置に引き込み、前記第1流入通路を通る第1ストリームと、前記第2流入通路を通る第2ストリームと、に引き込むこと、
前記第1流入通路を通る前記被検者からの呼気の流量を、前記第1ポンプを使用することによって制御すること、
前記第2流入通路を通る前記被検者からの呼気の流量を、前記第2流入通路内の前記第2ポンプを使用することによって制御すること、
前記第2流入通路を流れる、前記第2ポンプによって引き起こされる呼気内の検体の量を前記検知要素によって検出すること、
とを含んでいる方法。
【請求項10】
前記第2流入通路内の流れを開閉するために、前記第2流入通路内に配置された前記第2ポンプとシャットオフバルブ又はそのいずれか一方を用いることを更に含んでいる、請求項9に記載の方法。
【請求項11】
前記装置を通る呼気の流れが開始した後、5秒から9秒の間の間隔で、前記第2流入通路に流入が開始することを更に含んでいる、請求項9に記載の方法。
【請求項12】
1秒〜10秒の間の継続時間、前記第2流入通路を通る前記流れを維持することを更に含んでいる、請求項11に記載の方法。
【請求項13】
前記第2流入通路内の前記検知要素の領域内で、前記流入装置を通る呼気の一部を保持することを更に含んでいる、請求項9に記載の方法。
【請求項14】
呼気圧を検知して、呼気を前記流入装置に引き入れることを更に含んでいる、請求項9に記載の方法。
【請求項15】
前記呼気は、5cm3/s〜11cm3/sの流量で前記第2ストリームを通して引き込まれることを含んでいる、請求項9に記載の方法。
【請求項16】
前記呼気は、40cm3/s〜45cm3/sの流量で前記第1ストリームを通して引き込まれることを含んでいる、請求項9に記載の方法。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate


【公開番号】特開2013−37005(P2013−37005A)
【公開日】平成25年2月21日(2013.2.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−204513(P2012−204513)
【出願日】平成24年9月18日(2012.9.18)
【分割の表示】特願2007−554301(P2007−554301)の分割
【原出願日】平成18年2月6日(2006.2.6)
【出願人】(511240221)エアロクライン アクティエボラーグ (4)
【Fターム(参考)】