JP4847479B2 - 呼気ガス測定分析方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、同位体の光吸収特性の相違に着目して、人の呼気の中の二酸化炭素13CO2の濃度、又は二酸化炭素13CO2と二酸化炭素12CO2 との濃度比を測定する呼気ガス測定分析方法及び装置に関するものである。
患者の胃の中にHPが存在すれば、抗生物質の投与による除菌治療を行う必要がある。したがって、患者にHPが存在するか否かを確認することが重要である。HPは、強いウレアーゼ活性を持っていて、尿素を二酸化炭素とアンモニアに分解する。
そこで、同位体13Cでマーキングした尿素を生体に投与した後、最終代謝産物である患者の呼気中の13CO2の濃度、具体的には13CO2と12CO2との濃度比を測定することができれば、HPの存在を確認することができる。
従来、13CO2と12CO2との濃度比又は13CO2の濃度を求める方法として、赤外分光を用いる方法が知られている(特開昭53-42890号公報参照)。
特開昭53-42890号公報記載の方法は、長短2本のセルを用意し、一方のセルでの13CO2の吸収と、他方のセルでの12CO2の吸収が等しくなるようなセルの長さにし、各セルに、それぞれの分析に適した波長の光を当てて、透過光の強度を測定する。この方法によれば、自然界の濃度比での光吸収比を1にすることができ、これから濃度比がずれると、ずれた分だけ光吸収比が変化するので、濃度比の変化を知ることができる。
そこで、現状では、呼気を満たした呼気バッグの形状を目視して、呼気が不足しているかどうかを判断している。呼気バッグは可撓性なので、その形状から、呼気ガスが満たされているかどうか分かるからである。
そこで、本発明は、二酸化炭素13CO2と二酸化炭素12CO2 とを成分ガスとして含む呼気をセルに導き、各成分ガスの濃度を赤外分光測定する場合に、採取した呼気が一定量よりも不足しているかどうかを正確に判断し、誤ったデータの導出を防止することのできる呼気ガス測定分析方法及び装置を提供することを目的とする。
前記呼気バッグ内に収集された呼気を、前記ガス注入器の中に一定体積吸い込んだ後、前記ガス注入器と、所定のガスであらかじめ満たされることにより大気圧に保たれた前記セル内とをバルブを開いて連通させ、連通後のガスの圧力を、前記セルに取り付けられた圧力センサで測定することとしてもよい。この場合、前記セルに取り付けられた圧力センサを利用して、測定することができる。通常、前記セルには圧力センサが設けられているので、この圧力センサを流用することができる。したがって、前記ガス注入器に直接圧力センサを取り付ける必要がなくなり、装置の構成を簡単にすることができる。
前記呼気バッグ内に収集された呼気の量が不足としていると判断した場合、前記ガス注入器内の呼気を、大気圧になるまで加圧し、加圧に要したガス注入器の体積変化量を不足量として測定者に示すことができる。したがって、測定者がもう一度呼気を吐き出すときの参考にすることができる。
本発明における上述の、又はさらに他の利点、特徴及び効果は、添付図面を参照して次に述べる実施形態の説明により明らかにされる。
N1 ,N2 ノズル
V1 〜V6 バルブ
11a 第1サンプルセル
11b 第2サンプルセル
11c ダミーセル
15 フィルタ
16 圧力センサ
21 ガス注入器
21a シリンダー
21b ピストン
24a 第1の波長フィルタ
24b 第2の波長フィルタ
25a 第1の検出素子
25b 第2の検出素子
I.呼気テスト
まず、ウレア診断薬を投与する前の患者の呼気を呼気バッグに採集する。その後、ウレア診断薬を経口投与し、約20分後、投与前と同様の方法で呼気バッグに呼気を採集する。
VBag=(1+β)Va
ここにβは非負の定数で、0≦β<βmaxの範囲に設定される。上限値βmaxは正の定数である。例えばβmax=0.5とする。
II.呼気ガス測定分析装置
図1は、呼気ガス測定分析装置の全体構成を示すブロック図である。
投与後の呼気(以下「サンプルガス」という)を採集した呼気バッグと投与前の呼気(以下「ベースガス」という)を採集した呼気バッグとはそれぞれノズルN1 ,N2 にセットされる。ノズルN1 は、金属パイプ(以下単に「パイプ」という)を通して電磁バルブ(以下単に「バルブ」という)V4 につながり、ノズルN2 は、パイプを通してバルブV3 につながっている。さらに、防塵フィルタ15を通して空気を取り込むパイプにバルブV5がつながっている。
バルブV1、V3 、V4 、V5は、リファレンスガス、サンプルガス又はベースガスを定量的に注入するためのガス注入器21につながっている。このガス注入器21は、ピストンとシリンダーを有する注射器のような形状のもので、ピストンの駆動は、パルスモータ21fに連結された送りネジ21eと、ピストンに固定されたナット21dとの共働によって行われる(後述)。
セル室11は、図1に示すように、12CO2 の吸収を測定するための短い第1サンプルセル11a、13CO2 の吸収を測定するための長い第2サンプルセル11b、及びCO2 の吸収帯で吸収を示さないガスの入っているダミーセル11cからなる。第1サンプルセル11aと第2サンプルセル11bとは連通しており、第1サンプルセル11aに導かれたガスは、そのまま第2サンプルセル11bに入り、排気バルブV6を通して排気されるようになっている。
第1サンプルセル11aの容量は約0.085ml、第2サンプルセル11bの容量は約3.915mlである。第1サンプルセル11aの長さは具体的には5mmであり、第2サンプルセル11bの長さは具体的には140mmであり、ダミーセル11cの長さは具体的には135mmである。セル室11は、断熱材(図示せず)で包囲されている。
セルを通過した赤外線を検出する赤外線検出装置は、第1の光路に置かれた第1の波長フィルタ24aと第1の検出素子25a、第2の光路に置かれた第2の波長フィルタ24bと第2の検出素子25bを備えている。
また、温調ブロックのペルチェ素子より放熱される熱をファン28で装置外へ排気している。
炭酸ガス吸収部36は、例えばソーダライム(水酸化ナトリウムと水酸化カルシウムとを混合したもの)を炭酸ガス吸収剤として用いている。
ガス注入器21は、基台21aの上に、ピストン21cの入ったシリンダー21bが配置され、基台21aの下に、ピストン21cと連結した移動自在なナット21d、ナット21dと噛み合う送りネジ21e、及び送りネジ21eを回転させるパルスモータ21fが配置された構造である。
III .測定手順
測定は、リファレンスガス測定→ベースガス測定→リファレンスガス測定→サンプルガス測定→リファレンスガス測定→・・・という手順で行う。図4から図8を用いて説明する。各図において、矢印は、気体の流れていることを意味する。
III −1.リファレンスガス測定
図4に示すように、バルブV1を開き、他のバルブは閉じ、ガス注入器21を用いてリファレンスガスを吸引する。このとき、ピストン21cを前後移動させて、シリンダー21b内を洗浄する。
そして、第1サンプルセル11a及び第2サンプルセル11b内に、ガス注入器21から測定用のリファレンスガスを注入し、それぞれの検出素子25a,25bにより、光量測定をする。
III−2.ベースガス圧力測定
次に、ベースガス圧力測定処理を、図6〜図8の各工程図、及び図9のフローチャートを用いて説明する。
このとき、セル室11内は、バルブV2,V6は閉じられているので大気圧のリファレンスガスが入ったままである。
すなわち、ガス注入器21内と第1サンプルセル11a及び第2サンプルセル11bで密閉した空間を作る。この状態で、圧力センサ16で圧力を測定する(ステップS2)。
呼気バッグに大気圧下の体積Va未満の呼気しか入っていなかったとき、ガス注入器21を用いて吸い込んだベースガスの大気圧下の体積はVaに満たなくなり、ガス注入器21の中は大気圧よりも低くなっている。バルブV2を開いたときに、第1サンプルセル11a及び第2サンプルセル11b内のリファレンスガスが、ガス注入器21に逆流し、ガス注入器21と第1サンプルセル11a全体として、大気圧よりも低くなる。この気圧値を圧力センサ16で読む。
以上をまとめると、呼気バッグからガス注入器21へ大気圧下の体積Vaのベースガスを吸い込むことができたとき、圧力センサ16の測定値は大気圧となり、呼気バッグからガス注入器21へ大気圧下の体積Vaのベースガスを吸い込むことができなかったとき、圧力センサ16の測定値は大気圧未満となる。
圧力センサ16の測定値は大気圧未満の場合は、呼気バッグにベースガスが測定に必要量入っていなかったということである。この場合は、ベースガスの不足量を測定する。
圧力センサ16の読みが大気圧になると、ガス注入器21の動作をストップする。
この状態で、ガス注入器21のピストン移動量に相当する体積Vxを測定する。
ディスプレイ(図示せず)に、測定を中止することを示す表示を行うとともに、足りなかったベースガスの体積を表示する。そして、以後のベースガス測定処理を中止する(ステップS4)。
測定者は、ディスプレイの表示を見て、ベースガスが足りなかったこと、測定が中止されたことを知ることができるとともに、ベースガスの不足量を知ることができる。そしておそらく、この旨を患者に伝えて呼気バッグに再びベースガスを収集する動作を行わせる。
III−3.ベースガス測定
図10に示すように、バルブV2,V6を開いて、他のバルブは閉じ、ガス注入器21を用いてベースガスをVcに相当する体積(この例では4ml)だけ機械的に押し出す。これにより、第1サンプルセル11a、第2サンプルセル11bのリファレンスガスをベースガスで入れ替える。
圧力センサ16によって、第1サンプルセル11a及び第2サンプルセル11b内の圧力を測定する。この圧力測定値をPとする。Pの値が所定圧力P0、例えば4気圧になった時点でピストンの移動を停止させ、バルブV2を閉じ、光量測定する。このようにして、第1の検出素子25aで得られた光量を12B、第2の検出素子25bで得られた光量を13Bと書く。
III −4.リファレンス測定
再び、ガス流路及びセルの洗浄と、リファレンスガスの光量測定をする(図4(b)参照)。このようにして、第1の検出素子25aで得られた光量を12R2 、第2の検出素子25bで得られた光量を13R2 と書く。
III −5.サンプルガス圧力測定
III−2の圧力測定と同じことを行う。ただ、ベースガスでなく、サンプルガスの収集された呼気バッグをノズルN1にセットし、バルブV3の代わりに、バルブV4を開閉するところが違うだけである。
呼気バッグから、大気圧下で体積Vaのサンプルガスを吸い込むことができなかったときは、呼気バッグにサンプルガスが測定に必要な量入っていなかったということである。この場合は、足りなかったサンプルガスの量を測定し、ディスプレイ(図示せず)に、測定を中止することを示す表示を行うとともに、足りなかったサンプルガスの体積を表示する。そして、以後の処理を中止する。
III −6.サンプルガス測定
III−3のベースガス測定と同じ手順で、サンプルガスの光量測定を行う。
この状態で、バルブV6を閉じ、ピストンを移動させて、第1サンプルセル11a及び第2サンプルセル11b内は加圧する。
このようにして、第1の検出素子25aで得られた光量を12S、第2の検出素子25bで得られた光量を13Sと書く。
III −7.リファレンス測定
再び、ガス流路及びセルの洗浄と、リファレンスガスの光量測定をする(図4参照)。
IV.データ処理
IV−1.ベースガスの吸光度の算出
まず、前記リファレンスガスの透過光量12R1 、13R1 、ベースガスの透過光量12B、13B、リファレンスガスの透過光量12R2 、13R2 を使って、ベースガスにおける12CO2 の吸光度12Abs(B) と、13CO2 の吸光度13Abs(B) とを求める。
12Abs(B) =−log 〔212B/(12R1 +12R2 )〕
で求められ、13CO2 の吸光度13Abs(B) は、
13Abs(B) =−log 〔213B/(13R1 +13R2 )〕
で求められる。
IV−2.サンプルガスの吸光度の算出
次に、前記リファレンスガスの透過光量12R2 、13R2 、サンプルガスの透過光量12S、13S、リファレンスガスの透過光量12R3 、13R2 を使って、サンプルガスにおける12CO2 の吸光度12Abs(S) と、13CO2 の吸光度13Abs(S) とを求める。
12Abs(S) =−log 〔212S/( 12R2 +12R3 )〕
で求められ、13CO2 の吸光度13Abs(S) は、
13Abs(S) =−log 〔213S/(13R2 +13R3 )〕
で求められる。
IV−3.濃度の算出
二酸化炭素13CO2及び12CO2の吸光度と濃度との関係を規定する検量線を使って、12CO2 の濃度と13CO2 の濃度を求める。
検量線は、所定圧力P0(例えば4気圧)において作成されているものとする。この検量線における吸光度と濃度との関係のデータ及び圧力P0の値は、呼気ガス測定分析装置内の分析コンピュータによって記憶されている。
また、13CO2 濃度を0%〜0.08%程度の範囲で変えてみて、13CO2 の吸光度を測定する。横軸を13CO2 濃度にとり、縦軸を13CO2 吸光度にとり、プロットし、最小自乗法を用いて曲線を決定する。
前記検量線を用いて求められた、ベースガスにおける12CO2 の濃度を12Conc(B) 、ベースガスにおける13CO2 の濃度を13Conc(B) 、サンプルガスにおける12CO2 の濃度を12Conc(S) 、サンプルガスにおける13CO2 の濃度を13Conc(S) と書く。
IV−4.濃度比の算出
13CO2 と12CO2 との濃度比を求める。ベースガスにおける濃度比は、
13Conc(B) /12Conc(B)
サンプルガスにおける濃度比は、
13Conc(S) /12Conc(S)
で求められる。
IV−5.13Cの変化分の決定
サンプルガスとべースガスを比較した、13Cの変化分は次の式で求められる。
24個の呼気バッグを用意し、8個ずつ3つの群に分けた。
各群ごとに、8個の呼気バッグに、表1の「サンプル量」の欄に示すように、34,33,32,...10,0mlの試料ガスを注入した。
したがって、ガス不足量は、表1に示すように、それぞれ1,2,3,...,25,35mlとなる。
3台の呼気ガス測定分析装置No.1,No.2,No.3を用意した。
呼気ガス測定分析装置No.1において、呼気バッグからガス注入器21に試料ガスを吸い込み、バルブV2を開いて、圧力センサ16でセル内圧力を測定したところ、表1のようなセル内圧力値が得られた。セル内圧力値は1気圧からの差(単位MPa)で示している。
試料ガスの不足量が同じ場合の、3台の呼気ガス測定分析装置についてセル内圧力値の平均値を求めると、表1のように、セル内圧力平均値と標準偏差が得られた。
このグラフを見れば判るように、試料ガスの不足量に対して、セル内圧力平均値が、直線により、きわめて精度よく再現されているといえる。また、標準偏差も小さな値が得られている。
Claims (10)
- (a)二酸化炭素13CO2と二酸化炭素12CO2 とを成分ガスとして含む、人の呼気を伸縮自在な呼気バッグに収集し、
(b)前記呼気バッグ内に収集された呼気を、ガス注入器の中に、一定体積吸い込み、
(c)前記ガス注入器の中の呼気の圧力を測定し、
(d)測定された圧力値が大気圧よりも低ければ、前記呼気バッグ内に収集された呼気の量が不足としていると判断して、測定を中止し、
(e)測定された圧力値が前記大気圧であれば、前記ガス注入器を押し出して、前記ガス注入器と連通する前記セル内を前記呼気で満たし、
(f)各成分ガスを透過する波長において、前記セルを透過した光の強度を測定し、データ処理することによって、二酸化炭素13CO2の濃度、又は二酸化炭素13CO2と二酸化炭素12CO2 との濃度比を測定する呼気ガス測定分析方法。 - 前記呼気バッグの最大収容可能体積は、前記ガス注入器の中に吸い込まれる前記一定体積と等しいか又はそれより大きい請求項1記載の呼気ガス測定分析方法。
- 前記工程(b)において、前記呼気バッグ内に収集された呼気を、前記ガス注入器の中に一定体積吸い込んだ後、前記ガス注入器と、所定のガスであらかじめ満たされることにより大気圧に保たれた前記セル内とを、前記ガス注入器から前記セルにつながるバルブを開いて連通させ、
前記工程(c)において、連通後のガスの圧力を、前記セルに取り付けられた圧力センサで測定する、請求項1記載の呼気ガス測定分析方法。 - 前記所定のガスは、前記各成分ガスを透過する波長の光を吸収しないリファレンスガスである、請求項3記載の呼気ガス測定分析方法。
- 前記リファレンスガスは空気である、請求項4記載の呼気ガス測定分析方法。
- 前記呼気バッグ内に収集された呼気の量が不足としていると判断した場合、前記ガス注入器内の呼気を、大気圧になるまで加圧し、
加圧に要したガス注入器の体積変化量を不足量として測定者に示す、請求項1記載の呼気ガス測定分析方法。 - 前記呼気バッグ内に収集された呼気の量が不足としていると判断した場合、前記ガス注入器内の呼気を、大気圧になるまで加圧し、
加圧に要したガス注入器の体積変化量を不足量として測定者に示す、請求項3記載の呼気ガス測定分析方法。 - 試薬投与前の人の呼気を呼気バッグに収集して、前記(b)から(f)の呼気ガス測定分析を行い、
試薬投与後の人の呼気を他の呼気バッグに収集して、前記(b)から(f)の呼気ガス測定分析を行い、
両測定の結果を比較することにより、13CO2 濃度の変化、又は二酸化炭素13CO2と二酸化炭素12CO2 との濃度比の変化を求める、請求項1記載の呼気ガス測定分析方法。 - 二酸化炭素13CO2と二酸化炭素12CO2 とを成分ガスとして含む人の呼気をセルに導き、各成分ガスを透過する波長において、前記セルを透過した光の強度を測定し、データ処理することによって、二酸化炭素13CO2の濃度、又は二酸化炭素13CO2と二酸化炭素12CO2 との濃度比を測定する呼気ガス測定分析装置において、
伸縮自在な呼気バッグ内に収集された人の呼気を前記セルに注入するためのガス注入器と、
前記呼気バッグと前記ガス注入器とを連通させるための第一のバルブと、
前記ガス注入器と前記セルとを連通させるための第二のバルブと、
前記セル内の圧力を測定する圧力センサと、
前記呼気を、ガス注入器の中に、一定体積吸い込むガス注入器駆動手段と、
前記第一のバルブ、第二のバルブを駆動するバルブ駆動手段と、
前記ガス注入器と連通した後の前記セル内のガスの圧力を、前記圧力センサで測定する圧力測定手段と、
前記圧力測定手段により測定された圧力が大気圧よりも低ければ、前記呼気バッグ内に収集された呼気の量が不足としていると判断して測定を中止し、測定された圧力値が大気圧であれば、ガス注入器を押し出してセル内を前記呼気で満たして呼気ガス測定分析を行う測定分析手段とを備える、呼気ガス測定分析装置。 - 前記呼気バッグ内に収集された呼気の量が不足としていると判断した場合、前記ガス注入器駆動手段は、前記ガス注入器内の呼気を、大気圧になるまで加圧するものであり、
加圧に要したガス注入器の体積変化量を不足量として測定者に示す表示手段をさらに備える、請求項9記載の呼気ガス測定分析装置。
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