生命科学関連特許情報
| タイトル： | 公開特許公報(A)_呼気ガス採取分析装置及び携帯型呼気ガス分析装置 |
| 出願番号： | 2013169301 |
| 年次： | 2015 |
| IPC分類： | G01N 1/00,G01N 1/22,G01N 27/12,G01N 1/02,G01N 33/497 |
特許情報キャッシュ
坂上 裕介 JP 2015038427 公開特許公報(A) 20150226 2013169301 20130817 呼気ガス採取分析装置及び携帯型呼気ガス分析装置 セイコーエプソン株式会社 000002369 上柳 雅誉 100095728 宮坂 一彦 100127661 渡辺 和昭 100116665 坂上 裕介 G01N 1/00 20060101AFI20150130BHJP G01N 1/22 20060101ALI20150130BHJP G01N 27/12 20060101ALN20150130BHJP G01N 1/02 20060101ALN20150130BHJP G01N 33/497 20060101ALN20150130BHJP JPG01N1/00 101SG01N1/22 BG01N27/12 BG01N1/02 WG01N33/497 A 9 1 ＯＬ 19 2G045 2G046 2G052 2G045AA40 2G045CB22 2G045DB01 2G045FA34 2G045HA06 2G045HA09 2G046AA12 2G046AA26 2G046BA01 2G046BA09 2G046BB02 2G046BE03 2G046FB02 2G046FE15 2G046FE24 2G046FE36 2G046FE39 2G046FE44 2G046FE46 2G046FE48 2G052AA34 2G052AD02 2G052AD42 2G052GA23 本発明は、呼気ガス採取分析装置及び携帯型呼気ガス分析装置等に関する。 人は、食物から摂取した栄養素が呼吸によって取り込んだ酸素と反応し、化学的エネルギーと二酸化炭素を産生する。従って、栄養素と反応した酸素量とそれに伴う二酸化炭素の産生量を把握することができれば、エネルギー消費量を求めることができる。一般的に、各栄養素1ｇあたりに保有される熱エネルギーは炭水化物で４ｋｃａｌ、脂肪で９ｋｃａｌそしてタンパク質で４ｋｃａｌと言われている。炭水化物と脂肪は最終的に二酸化炭素と水にまで分解され、タンパク質は尿中窒素にまで分解されるので、呼吸による呼気中の酸素および二酸化炭素の濃度と容積および尿中窒素量を測定してエネルギー消費量を求める。大気中の酸素濃度は約２１％、二酸化炭素濃度は約０．０３％であることが予め分かっているため、大気中のものに対して呼気中の酸素濃度がどのくらい減少し、二酸化炭素濃度がどのくらい増加したかを分析することになる。これらは、呼気ガス分析法と言われ、既に実用化されている。 さらに、呼気ガス中の生体ガスの成分の研究が進み、呼気ガス中のアセトンを分析することで、脂肪がどれくらい燃焼したかを知ることができることが分かってきた。例えば特許文献１は、呼気中のアセトン濃度を検出して、適切な運動強度を指示する運動器具の提案をしている。 また、今後の非侵襲的な病気診断の例として、呼気ガス中の生体ガス成分から、各種のガンの診断をするという研究がなされている。未だ、呼気ガス中の特定成分がどのガンとの相関があるか、臨床的な裏付けが確定していない段階であり、今後の研究成果が待たれている。 ここで、呼気のうち最初のものは死腔呼気と呼ばれ、肺内まで引き込まれない、つまりガス交換に寄与しない呼気となる。肺と血液との間でガス交換に関与している呼気は終末呼気（肺腔呼気）と称される。 特許文献２では、死腔呼気を排除するために、呼気排出管に設けた流量センサーで呼気量をモニターし、一定量の呼気ガスが計測された以降の呼気サンプルを吸引ポンプで分取している。特開２０１０−２６８８６４号公報特開２００４−０７７４６７号公報 近年のメタボリックシンドロームのような生活習慣に起因する症状を改善する方法として、定期的な有酸素運動が推奨されているにも拘らず、中々継続して運動をすることができなくて運動の効果がでないことがしばしばある。 このような人にもっと手軽に運動の効果として、脂肪燃焼量や脂肪を燃焼し易い体質へ変化したことを知ることができれば、運動継続のモチベーションが向上し、運動の効果が出てくると期待される。 特許文献１の装置では、呼気ガス採取のため、運動中に一旦運動を中止して、呼気ガスを採取する必要があった。特許文献２では、死腔呼気でなく終末呼気を選択して採取する装置が大掛かりとなる。 日常生活における活動中でも運動中でも所定時間において呼気ガスを採取し生体ガス成分を検出するには、通常ガスマスクのような顔面に密着したマスクを装着する必要がある。しかし、このマスクは日常生活や運動中では妨げになり、装着することが困難である。 本発明の幾つかの態様は、日常生活や運動中でも普通に呼吸することを許容しながらも、呼気ガス中の死腔ガスを出来るだけ排除した終末呼気の採取が可能になり、その結果として生体ガス成分を効率的に分析する呼気ガス採取分析装置及び携帯型呼気ガス分析装置を提供することを目的とする。 （１）本発明の一態様は、 呼気圧によって呼気ガスを導入し採取する採取路と、 前記採取路内の呼気ガスを前記呼気圧により外部に排出する第１排出路と、 前記第１排出路の一部を開閉する弁と、 前記弁を開閉駆動する弁駆動部と、 前記弁が閉鎖された時に、前記採取路内の呼気ガスを前記呼気圧により外部に排出する第２排出路と、 前記第２排出路に設けられ、前記呼気ガスを分析する分析部と、を有することを特徴とする呼気ガス採取分析装置に関する。 本発明の一態様によれば、弁を開放させておけば、呼気圧により採取路に導入された呼気ガスは、呼気圧により第１排出路を経由して外部に排出される。加えて、弁を開放させておけば、採取路及び第１排出路を介して吸気することができる。よって、日常生活や運動中でも呼気ガス採取分析装置を装着したまま普通に呼吸（吸気と呼気）することが許容される。また、弁を開放させておけば、死腔呼気も外部に排出できる。弁が閉鎖されると、採取路内の呼気ガスは第１排出路とは異なる第２排出路に呼気圧により導入され、分析部により分析される。よって、吸引ポンプは不要であり、呼気動作中の弁の開閉により、呼気ガス中の死腔ガスを出来るだけ排除した終末呼気の採取が可能となる。 （２）本発明の一態様では、前記採取路の出口から前記第１排出路を経由して排出される呼気ガスの第１流路抵抗よりも、前記採取路の出口から前記第２排出路を経由して排出される呼気ガスの第２流路抵抗を大きくすることができる。 第２流路抵抗が第１流路抵抗よりも大きいことから、第２排出路での呼気ガスの流速が遅くなり、呼気ガスが分析部に停留して呼気ガスを分析し易くなる。また、弁を開放した時に、抵抗の小さい第１排出路を主体的に経由させて呼吸させることができ、吸気抵抗及び呼気抵抗を小さくできる。 （３）本発明の一態様では、前記弁駆動部は、呼気動作中の第１期間では前記弁を開放させ、呼気動作中の前記第１期間に続く第２期間では前記弁を閉鎖させることができる。 第１，第２期間の切り替えは、呼気開始指示からの時間計測、呼気の流量変化、呼気圧の変化等により行うことができる。それにより、呼気ガス中の死腔ガスを出来るだけ排除した終末呼気の採取が可能となる。 （４）本発明の一態様では、前記採取路は、前記第１排出路及び前記第２排出路が設けられる本体に対して着脱自在なマウスピースとすることができる。 マウスピースを消耗品として使用すれば、衛生的に安心安全が確保される。 （５）本発明の一態様では、前記マウスピースは筒体を有し、前記本体に装着される前記マウスピースの延長線上に前記第１排出路を設け、前記マウスピースと隣接して前記第２排出路を設けることができる。 マウスピースの延長線上に第１排出路を設けることで、マウスピースの出口からほぼ直進して呼気が排出されるので、日常生活や運動中でも普通に呼吸することが許容される。マウスピースと隣接して、例えばマウスピースの周囲に第２排出路が設けられることで、マウスピースの出口から迂回して第２排出路に至る流路抵抗が大きくなり、呼気ガスが分析部に停留し易くなる。 （６）本発明の一態様では、前記マウスピースの前記筒体により、前記採取路と前記第２排出路とに区画することができる。 こうしたマウスピースの兼用効果により、呼気ガス採取分析装置を小型・軽量化することができる。 （７）本発明の一態様では、前記マウスピースを挿通支持する支持部と、前記支持部を前記本体に対して移動可能に保持する緩衝部と、を有することができる。 こうすると、マウスピースに過度の外力が作用しても、緩衝部により呼気ガス採取分析装置に直接大きな外力が作用することを防止できる。 （８）本発明の一態様では、前記マウスピースの挿入先端部を保持する保持部を有することができる。 こうすると、マウスピースは支持部と保持部との２箇所にて安定して支持され。加えて、支持部と保持部との間のマウスピースの筒体を、採取路と第２排出路とに区画する壁部として兼用することができる。 （９）本発明の他の態様は、 （１）〜（８）のいずれかに記載の呼気ガス採取分析装置と、 前記呼気ガス採取分析装置と接続され、呼気採取の手順を表示する眼鏡型表示装置と、を有する携帯型呼気ガス分析装置に関する。 本発明の他の態様によれば、呼気ガス採取分析装置の採取路（またはマウスピース）を口に咥え、眼鏡型表示装置を頭部に装着することにより、ハンドフリーにて呼気ガスを分析することができる。しかも、呼気採取の手順は眼鏡型表示装置に表示される。このため、呼気開始などを画面にて指示することができ、呼気開始からの時間計測などにより弁の切り替えタイミングの設定が容易となる。眼鏡型表示装置には、分析結果を表示することもできる。本発明の一実施形態である呼気ガス採取分析装置の概略断面図である。本体からマウスピースを離脱した状態を示す図である。弁を開放して呼吸する状態を示す図である。弁を閉鎖して呼気ガスを分析する状態を示す図である。図５（Ａ）（Ｂ）は半導体センサーを示す図である。半導体センサーの等価回路図である。半導体センサーの抵抗比とガス濃度との関係を示す図である。図８（Ａ）（Ｂ）はＱＣＭセンサーの一例を示す図である。図９（Ａ）（Ｂ）はＱＣＭセンサーの異なる例を示す図である。図１０（Ａ）（Ｂ）はＱＣＭセンサーの回路例とその周波数応答特性を示す図である。ＱＣＭセンサーの周波数変化率とガス濃度との検量線を示す図である。ＳＥＲＳセンサーの検出原理を説明するための図である。アセトンの検量線を示す図である。３大栄養素（炭水化物、脂質、蛋白質）の摂取から貯蔵までの流れを示す図である。運動をした時の脂肪燃焼のメカニズムを説明する図である。有酸素運動における糖質と脂肪の利用率の時間的推移を説明する図である。携帯型呼気ガス分析装置を示す図である。携帯型呼気ガス分析装置の制御系ブロック図である。携帯型呼気ガス分析装置の動作フローチャートである。 以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。 １．呼気ガス採取分析装置 図１は、呼気ガス採取分析装置１の断面図である。図１において、呼気ガス採取分析装置１は、呼気圧によって呼気ガスが採取される採取路１０と、採取路内の呼気ガスを呼気圧により外部に排出する第１排出路２０と、第１排出路２０を開閉する弁２２と、弁２２を開閉駆動する弁駆動部２４と、弁２２が閉鎖された時に採取路１０内の呼気ガスを呼気圧により外部に排出する第２排出路３０と、第２排出路に設けられて呼気ガスを分析する分析部３２と、を有する。 第１，第２排出路２０，３０は、本体を構成する筐体４０に設けられる。採取路１０は、図２に示すように、筐体４０に着脱自在なマウスピースとすることができる。マウスピース１０を消耗品として使用すれば、衛生的に安心安全が確保される。マウスピース１０は、筒体１１の一端を第１開口１２とし、筒体１１の他端が第２開口１３とする。使用者の口に咥えられる筒体１１の第１開口１２側には、フィルター１４が設けられる。フィルター１４は唾液等が内部に侵入することを阻止する。 マウスピース１０の第１開口１２側は、支持部４１に挿通支持される。支持部４１は、緩衝部４２を介して筐体４０に固定することができる。それにより、マウスピース１０が使用者の口に咥えられた時などに、マウスピース１０に過度の外力が作用しても、緩衝部４２により筐体４０に過度の外力が作用することを防止できる。 マウスピース１０の第２開口１３側（挿入先端側）は、保持部４３に保持される。こうすると、マウスピースは支持部と保持部との２箇所にて安定して支持される。また、支持部４１と保持部４３との間のマウスピース１０の筒体１１は、筐体４０内にて露出される。図１に示す筒体１１の露出部１１Ａは、マウスピース１０内の採取路と第２排出路３０とに区画する区画壁として兼用することができる。それにより、呼気ガス採取分析装置１は小型・軽量化される。 第１排出路２０は、図３に示すように、弁２２が開放された時に、マウスピース１０内の呼気ガスを呼気圧により外部に排出する。第１排出路２０に設けられた弁２２を駆動部２４にて開放させると、筐体４０内は外気と連通する。よつて、図３に示すように、弁２２の開放時にあっては、マウスピース１０と第１排出路２０とを介して、呼吸（吸気と呼気）することが可能となる。よって、日常生活や運動中でも、呼気ガス採取分析装置１を装着したまま普通に呼吸（吸気と呼気）することが許容される。また、弁２２を開放させておけば、死腔呼気も外部に排出できる。 図１に示すように、マウスピース１０の出口から第１排出路２０を経由して排出される呼気ガスの第１流路抵抗をＲ１とする。呼気ガス採取分析装置１を装着したまま普通に呼吸させるためには、第１流路抵抗Ｒ１は小さい方が良い。そのために、筐体４０に装着されるマウスピース１０の延長線上に第１排出路２０を設けている。呼気はマウスピース１０の延長線上をほぼ直進するので、第１流路抵抗Ｒ１を小さくできる。 第１排出路２０に設けられる弁２２は、円錐形等の流線型とされ、しかも円錐の縦断面の頂角は鋭角とすることができる。これにより、弁２２の抵抗が小さくなり、第１流路抵抗Ｒ１を小さくできる。 なお、弁２２の駆動部２４は、コイルスプリングなどで図１の下側に弁２２を付勢して弁２２を開放させる付勢部材と、電磁力等により作動して付勢力に抗して弁２２を閉鎖させるアクチュエーターとを用いることができる。弁２２を駆動する駆動部２４は、筐体４０に支持される。 第２排出路３０は、図４に示すように、弁２２が閉鎖された時にマウスピース１０内の呼気ガスを呼気圧により外部に排出する。第２排出路３０には、呼気ガスを分析する分析部３２が設けられる。よって、弁２２を閉鎖した時だけ、呼気ガスを分析できるので、死腔呼気のときには弁２２が開放され、終末呼気の時に弁２２が閉鎖されれば、分析部３２は終末呼気ガスのみを分析できる。しかも、終末呼気を第２排出路３０に導入するには弁２２を閉鎖するだけでよく、吸引ポンプ等は必要ない。 図１に示すように、マウスピース１０の出口から第２排出路３０を経由して排出される呼気ガスの第２流路抵抗をＲ２とする。分析部３２は後述するように種々のセンサーを用いることができるが、いずれの場合でも第２排出路３０での呼気ガスの流速は遅い方が、分析部３２で分析し易い。呼気ガスが分析部３２に停留し易くなるからである。そのために、第２流路抵抗Ｒ２を比較的大きくし、少なくとも第１流路抵抗Ｒ１より大きくしている（Ｒ２＞Ｒ１）。 筐体４０に装着されるマウスピース１０の延長線上に第１排出路２０を設ける一方で、マウスピースと隣接して、例えばマウスピース１０の周囲に第２排出路３０を設けることができる。こうして、マウスピース１０の出口から迂回して第２排出路３０に至る流路抵抗が大きくなり、第２流路抵抗をＲ２は第１流路抵抗Ｒ１よりも大きくなる。 加えて、図１に示すように、呼気ガスの流れに対して分析部３２の例えば下流側の第２排出路３０は、マウスピース１０の筒体１１との間の流路幅を局所的に狭くした流路抵抗部３４を有することができる。これによっても、第２流路抵抗をＲ２は第１流路抵抗Ｒ１よりも大きくなる。 第２流路抵抗をＲ２は第１流路抵抗Ｒ１よりも大きくしている他の理由は、弁２２を開放した時に、抵抗の小さい第１排出路２０を主体的に経由させて呼吸させることができ、吸気抵抗及び呼気抵抗を小さくできるからである。 ２．分析部 ２．１．半導体センサー 図１に示す分析部３２して、図５（Ａ）（Ｂ）に示す半導体センサー５０を挙げることができる。半導体センサー５０の基板５１の表面５１Ａには、図５（Ａ）に示すように、感ガス材料板５２Ａ〜５２Ｄと、各感ガス材料板５２Ａ〜５２Ｄに接続された２つの電極５３Ａ，５３Ｂとを有する。基板５１の裏面５１Ｂには、図５（Ｂ）に示すように、ヒーター５４と、それに接続された電極５５Ａ，５５Ｂとを有する。感ガス材料板５２Ａ〜５２Ｄには、酸化スズＳｎＯ２、アンチモン添加酸化スズＳｂ：ＳｎＯ２、酸化亜鉛ＺｎＯ、酸化タングステンＷＯ３、インジウムスズ酸化物、酸化チタンＴｉＯ２、ニオブ添加酸化チタンＮｂ：ＴｉＯ２などがあり、これらの複合材や他の添加剤を含めることも可能である。 図６は、半導体センサー５０の等価回路図である。ヒーター５４により加熱された感ガス材料板５２Ａ〜５２Ｄに還元性ガスが曝露されると、感ガス材料板５２Ａ〜５２Ｄの表面に吸着されていた酸素が減少してポテンシャル障壁が下がり、電子が動きやすくなる。それにより、感ガス材料板５２Ａ〜５２Ｄのセンサー抵抗ＲＬ１〜ＲＬ４が減少する。図７は、ある一つの感ガス材料板を用いた半導体センサーの初期のセンサー抵抗Ｒ０とガス分析時のセンサー抵抗ＲＳとの（ＲＳ／Ｒ０）と、ガス濃度との相関を示している。ガス種に応じて、ガス濃度に依存するＲＳ／Ｒ０の変化率が異なる。図７の特性は、感ガス材料板によって異なる。従って、図５（Ａ）に示す複数の感ガス材料板５２Ａ〜５２Ｄのセンサー抵抗比（ＲＳ／Ｒ０）に応じた出力電圧ＶＯＵＴ１〜ＶＯＵＴ４（図６参照）を分析することで、線形判別法や主成分分析法などでガス種とガス濃度とを分析することができる。 ２．２．水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）センサー ＱＣＭセンサー６０は、図８（Ａ）（Ｂ）または図９（Ａ）（Ｂ）に示すように、水晶振動子６１の両面に配置した電極６２Ａ，６２Ｂを配置し、電極６２Ａ，６２Ｂに接続されるリード線６３Ａ，６３Ｂを基板６４に固定している。図８（Ｂ）ではリード線６３Ａ，６３Ｂは基板６４と平行に配置される一方で、図９（Ｂ）ではリード線６３Ａ，６３Ｂは基板６４と垂直に配置される。図９（Ａ）（Ｂ）の方が空気の流れは良く、水晶振動子６１の両面に皮膚ガスが接触し易い。 水晶振動子６１の周波数は、電極６２Ａ，６２Ｂ上の物質の質量に応じて変化し、周波数の変化量と付着物質の質量との関係は、Sauerbrey式と呼ばれる。付着物質量が減少すると周波数が増加する。この現象を利用し、水晶振動子の周波数変化を検出することで、その電極上での物質の質量変化を計測する方法を水晶振動子マイクロバランス法（ＱＣＭ法）という。Sauerbrey式は、基本周波数をＦ０、周波数の変化量をΔＦ、質量変化量をΔｍ、水晶の密度をρ、水晶のせん断応力をμ、電極の面積をＡとすると、 ΔＦ＝−２Ｆ０２・Δｍ/Ａ/（ρμ）（１／２）…（１）と表せる。電極６２Ａ，６２Ｂの表面にて、付着物質量が増加すると周波数は減少し、付着物質量が減少すると周波数は増加する。このように、分析物質が吸着すると振動数が変化するので、周波数変化ΔＦを検出することで、分析物質がどれ位吸着したかを知ることができる。 図１０（Ａ）（Ｂ）に、ＱＣＭセンサーの回路例とその周波数応答を示す。Ｃ−ＭＯＳのインバータ、抵抗、コンデンサーから構成されている一般的な回路であるが、この回路に限定されるものではない。呼気ガスの特定成分を吸着し易くするために、ＱＣＭセンサーの電極表面にポリマーを薄く形成することがある。ポリマーに対する分析物質の応答曲線として、図１０（Ｂ）の周波数応答のグラフのように応答するポリマーを選択し、周波数変化量を求めて、図１１のように予め検量線を求めておくことで、周波数変化量から所望の成分の濃度を知ることができる。なお、周波数応答のグラフは、図示するようにきれいに応答するものだけではないの、予めポリマーを選択しておくと、目的の成分ガスに対して良い応答が得られる。図１１は、ＱＣＭセンサー（水晶ＡＴ振動子）にポリマーをスピンコートで塗布形成し、ガス３種類に対する周波数変化量の例を示したものである。 ２．３．ＳＥＲＳセンサー 図１２に示すように、ＳＥＲＳセンサー７０では、皮膚ガスが導入される流路に臨んでセンサー基板７１が配置され、光源からの励起光（振動数ν）がセンサー基板７１に照射される。励起光の多くは、レイリー散乱光として散乱され、レイリー散乱光の振動数ν又は波長は、入射光に対して変化しない。励起光の一部は、ラマン散乱光として散乱され、ラマン散乱光の振動数（ν−ν’及びν＋ν’）又は波長は、皮膚ガスの分子の振動数ν’（分子振動）が反映される。つまり、ラマン散乱光は、検査対象の皮膚ガス分子を反映した光である。皮膚ガス分子の振動エネルギーがラマン散乱光の振動エネルギー又は光エネルギーに付加されることもある。このような振動数のシフト（ν’）をラマンシフトと呼ぶ。 図１２に示すセンサー基板７１に形成された金属ナノ粒子７２に入射光が入射される領域では、隣り合う金属ナノ粒子７２間のギャップに、増強電場７３が形成される。特に、入射光の波長よりも小さな金属ナノ粒子７２に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属ナノ粒子７２の表面に存在する自由電子に作用し、共鳴を引き起こす。これにより、自由電子による電気双極子が金属ナノ粒子７２内に励起され、入射光の電場よりも強い増強電場７３が形成される。これは、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）とも呼ばれる。この現象は、入射光の波長よりも小さな１〜５００ｎｍのサイズを有する金属ナノ粒子７２等の電気伝導体に特有の現象である。 図１２では、センサー基板７１に入射光を照射した時に表面増強ラマン散乱(ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering)が生ずる。つまり、増強電場７３に皮膚ガスの分子７４が入り込むと、その標的分子７４によるラマン散乱光は増強電場７３で増強されて、ラマン散乱光の信号強度は高くなる。このような表面増強ラマン散乱では、標的分子７４が微量であっても、分析感度を高めることができる。 図１３には、アセトンの検量線の例を示している。例えば図１２に示すＳＥＲＳセンサーにて形成された分析部３２にてアセトンの濃度の異なる試料ガスを調整して作製して、夫々の試料についてアセトン分析を行い、アセトンの夫々のスペクトルの内、特に強く出るピークに関してアセトン信号強度を求め、アセトン濃度と信号強度との相関グラフを作成する。そのグラフから、アセトン濃度とアセトン信号強度の検量線が図１３のように得られる。 ３．呼気ガス中のアセトン量と脂肪燃焼量との関係 図１４に主なエネルギー源となる３大栄養素（炭水化物、脂質、蛋白質）の摂取から貯蔵までの流れを示す。食事で摂取された炭水化物、脂質、蛋白質は、胃で消化され、小腸で更に消化され吸収される。吸収された栄養素は、炭水化物はグルコースに、脂質は脂肪酸やグリセロールに、蛋白質はアミノ酸に、夫々形を変えて血液中を循環する。必要な部分は一部燃焼するが、余分となったものは、グルコースは肝グリコーゲンや筋グリコーゲンに、脂肪酸やグリセロールは中性脂肪を経由して脂肪に、アミノ酸は蛋白質に、夫々形を変えて貯蔵され、必要に応じて逆の流れを経て消費される。３大栄養素が燃焼された時のエネルギーは、炭水化物が４ｋｃａｌ／ｇ、脂質が９ｋｃａｌ／ｇ、蛋白質が４ｋｃａｌ／ｇに相当する。但し、脂質については、白色脂肪細胞に貯蔵される時には水分を含むので、７．２ｋｃａｌ／ｇのエネルギーに相当する。 図１５に運動をした時の脂肪燃焼のメカニズムを説明する図を示す。運動するとアドレナリンが出て、白色脂肪細胞中のホルモン感受性リパーゼが活性化され、中性脂肪の分解が促進され、脂肪酸とグリセロールになる。脂肪酸のままでは血液中に循環できないため、アルブミンと結合して遊離脂肪酸となって血液中を循環する。その内の一部は、心筋や骨格筋に供給され、β-酸化により分解されて、NADH２＋やFADH２を生成しながらアセチル-ＣｏＡになり、ＴＣＡ回路（通称クエン酸回路）を経てＡＴＰが生成され最終的には二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）になる。骨格筋では、グリコーゲンが主にエネルギーとして消費され遊離脂肪酸の消費は少ない。心筋ではエネルギー総量の約７０％が遊離脂肪酸として消費される。 他方、遊離脂肪酸の多くはカルニチンと結合しアシルカルニチンとなり肝臓へ供給される。肝臓ではアシル-ＣｏＡになって、肝臓のミトコンドリアでβ酸化され、アセチル-ＣｏＡになる。更にアセチル-ＣｏＡからアセト酢酸になり、更に３−ヒドロキシ酪酸やアセトンになる。アセト酢酸、３−ヒドロキシ酪酸、アセトンを総称してケトン体と言い、アセトンのみが気体となって血液中を循環し、呼気や皮膚から放出される。脂肪燃焼の割合から見ると、骨格筋や心臓よりも肝臓での割合が多く、脂肪燃焼とアセトンには相関がある。従って、呼気ガス中のアセトン量や皮膚ガス中アセトン量を測定することで、脂肪燃焼量を知ることができる。 図１６は有酸素運動における糖質と脂肪の利用率の時間的推移を説明する図を示す。第１ステップでは、筋肉内のグリコーゲンの代謝によりＡＴＰを合成する。第２ステップでは、先ず筋グリコーゲンの減少に伴い、血中グルコースの利用が始まる。次に、脂肪組織の脂肪が遊離脂肪酸として血中に遊離する。最後に、両者を燃料とし、酸化系の代謝によりＡＴＰを合成する。 脂肪の燃焼が活発になるのは、運動開始後１５〜２０分以降と言われている。どんな運動強度でも脂肪燃焼が活発に行われる訳ではなく、運動強度が比較的軽い領域において、脂肪燃焼が盛んになる。運動強度が高くなると、無酸素運動となるため、脂肪燃焼量は減少し、代わりにグリコーゲンが主に消費される。 一般に脂肪燃焼率（単位時間当たりの脂肪燃焼量）が最大になるのは、男女、年齢、運動習慣などによって異なることが知られている。一般の人では運動強度が約４０％前後の時に、運動選手では運動強度が約５０％前後の時に、夫々脂肪燃焼率が最大になっている。従って、効率的に脂肪燃焼を行うには、個人毎に運動強度を適切に管理する必要がある。具体的には、個人毎に脂肪燃焼率が最大になる運動強度を測定しておき、その運動強度を心拍数や脈拍数など運動中にも容易に管理できる数値で指示して運動を行うことが有効である。個人毎に脂肪燃焼率が最大になる運動強度は、運動習慣や年齢によって変化していくものであり、定期的に測定することが、脂肪燃焼の効果を高めることになる。 更に、適切な運動強度に従って運動を一定時間行ったら、その効果を確認することができたら、運動を継続するモチベーションが高まり、継続的な効果が期待できる。運動中に脂肪燃焼量を測定することは、１）脂肪燃焼率を最大にする適切な運動強度を指示する、２）適切な運動強度の運動を実施した効果を確認できる、という２つ意味がある。 三大栄養素は糖、脂質、タンパク質であり、それぞれ炭素原子、酸素原子、水素原子などの構成割合が異なる。そのため、内呼吸のとき、どの栄養素が分解しているかにより，消費されるＯ２と産生されるＣＯ２の割合が異なる。体細胞全体である栄養素が主に代謝されているとき、その割合は呼吸にも反映されるはずである．それを表現したのが呼吸商ＲＱ（Respiratory Quotient）であり、下記の式で表される。 呼吸商ＲＱ＝（単位時間あたりのＣＯ２の排出量）/（単位時間あたりのＯ２の消費量） 式（２） 脂質は、脂肪酸自体の中に酸素原子が非常に少ないため，分解するときは多くの酸素を消費しなければならない。Ｏ２消費量の割にはＣＯ２産生量が少ないため，呼吸商は０．７０と三大栄養素の中では最小である。脂肪は、酸素の含有率が低いので，重量あたりの熱量は９．３kcal/gと三大栄養素中最大である。エネルギーを保存する場合に適した栄養素であり，過食により皮下に貯蔵されるのも脂質である。 糖類の代表であるグルコースの原子の割合はＣ６Ｈ１２Ｏ６である。酸素原子が多く含まれているため、酸素消費量は少なくても分解できる。呼吸商は１．００と三大栄養素の中では最大である。逆に，酸素の含有が高いので，重量あたりの熱量は４．１kcal/gと三大栄養素中最小である。 タンパク質は、原子の割合は脂質と糖質の中間であり，呼吸商は０．８５、熱量は５．３kcal/ｇである。理論的には、呼吸商ＲＱが１以上にもなり得るが、実際には呼吸商ＲＱが１を超えることは条件が限られる。一方、呼吸商ＲＱが０．７のときは脂肪利用を示し、呼吸商ＲＱが０．７以下の際は飢餓状態でケトン体産生（ケトーシス）であることを示す。ごく最近では、安静時では呼吸商ＲＱがほぼ一定であると考えてよく、個人の呼吸商のばらつきも０．７８〜０．８７の範囲であることが知られている。 三大栄養素が酸化される時に、生じるエネルギーは次の通りである。１）糖質が酸化される場合 Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋６Ｏ２→６ＣＯ２＋６Ｈ２Ｏ＋３６ＡＴＰ （６５７kcal） ［ＲＱ＝６ＣＯ２/６Ｏ２＝１．０］２）脂肪が酸化される場合 Ｃ５５Ｈ１０２Ｏ６＋77.5Ｏ２→５５ＣＯ２＋５１Ｈ２＋429ＡＴＰ （７，８３３kcal） ［ＲＱ＝５５ＣＯ２/７７．５Ｏ２＝０．７１］３）タンパク質が酸化される場合 Ｃ１００Ｈ１５９Ｏ３２Ｓ０．７＋１０５．３Ｏ２→ 13ＣＯＮ２Ｈ４（urea）＋87ＣＯ２＋52.8Ｈ２Ｏ＋0.7Ｈ２ＳＯ４＋27ＡＴＰ （４，９４８kcal） ［ＲＱ＝８７ＣＯ２/１０５．３Ｏ２＝０．８３］ ４）脂肪からケトン体が産生される場合 ０．１７６ｇ（脂質）＋０．４３７ＬＯ２→１ｇ（ケトン体）＋０．１１ＬＣＯ２＋０．１２９Ｈ２Ｏ＋２，０３９kcal ［ＲＱ＝０．１１１ＬＣＯ２/０．４３７ＬＯ２＝０．２５］ 脂肪燃焼率（ｇ／ｍｉｎ）＝酸素摂取量（ｌＬ／ｍｉｎ）×酸素１Ｌあたりの熱量（ｋｃａｌ／Ｌ）×脂質の燃焼比率（％）×脂質の熱量相当の重量（ｇ／ｋｃａｌ） ここで、酸素摂取量（Ｌ／ｍｉｎ）は、呼気ガス分析装置によって測定される値である。酸素１Ｌあたりの熱量（ｋｃａｌ／Ｌ）は、呼気ガス分析装置によって測定される呼吸商ＲＱ値から、表に示される酸素１Ｌ当たりの熱量に換算して求められる。脂質の燃焼比（％）は、呼吸商に対する燃焼における糖質と脂質の比率である。脂質の熱量相当の重量は、脂肪Ｃ５５Ｈ１０２Ｏ６（８５９．３９５ｇ／ｍｏｌ）が燃焼すると７，８３３ｋｃａｌのエネルギーが発生するから、０．１０９７（ｇ／ｋｃａｌ）となる。 こうして得られた脂肪燃焼率と１分間当たりの皮膚から放散されたアセトン量の相関を予め取っておき、測定された１分間当たりの呼気ガス中のアセトン量から脂肪燃焼率を算出することになる。 ４．携帯型呼気ガス分析装置 図１７は、図１に示す呼気ガス採取分析装置１を用いた携帯型呼気ガス分析装置１００を示している。携帯型呼気ガス分析装置１００は、図１に示す呼気ガス採取分析装置１と、眼鏡型表示装置１１０とを含む。呼気ガス採取分析装置１は例えば支持部１２０の先端に固定され、支持部１２０の他端は使用者の耳などに係止される。呼気ガス採取分析装置１と眼鏡型表示装置１１０とは、例えば支持部１２０内に配置されるケーブルにより接続することができる。 眼鏡型表示装置１１０は、ヘッドマウントディスプレイとも言われ、近年開発が盛んになっている。ディスプレイの方式に主に３つの方式があり、運動を行う目的には、非透過型ディスプレイ方式よりも、ビデオ透過型ディスプレイ方式又は光学透過型ディスプレイ方式が適している。非透過型ディスプレイ方式は、装着すると外の様子を見ることはできないからである。ビデオ透過型ディスプレイ方式は、ディスプレイ装置だけでなくビデオカメラも装着されており、装着すると直接外の様子を見ることはできないが、ディスプレイに外の様子が映し出されているので、利用者は安全に移動することができる。光学透過型ディスプレイ方式は、ディスプレイ装置がハーフミラーでできており外の様子が見える。片目のみにディスプレイ装置がついているものもある。光学多層膜のハーフミラーを用いると、必要な情報のみ表示板の表面に表示しながら外の様子をシースルーで見ることが可能となる。 図１８は、携帯型呼気ガス分析装置１００の制御系ブロック図である。ＣＰＵ１３０のバスラインには、呼気ガス採取分析装置１に設けられた呼気ガス分析部３２及び弁２２の駆動する駆動部２４と、眼鏡型表示装置１１０の他に、入力部１４０、心拍センサー１５０、ＧＰＳ１６０及びタイマー１７０等が接続される。心拍センサー１５０は運動時の心拍を分析する。歩行やジョギングの場合には、予め走行速度（ｋｍ／ｈ）と心拍数の関係を求めておけば、心拍数から歩行速度を知ることができ、歩行やジョギングを継続した時間から消費カロリーも算出することが可能である。心拍センサーに代えて脈拍センサーを用いても良い。ＧＰＳ１６０を有することにより、歩行速度、歩行距離、時間などのデータが正確に得られるため、消費したカロリーも正確に算出することができる。 ここで、人の呼気ガスは、数１００種類以上のガス成分で構成され、その成分と量から病気やストレスなど人間の健康状態と相関する情報を得ることが可能である。大気の主な成分は、Ｎ２が約７８％、Ｏ２が約２１％、アルゴンが０．９３％、ＣＯ２が０．０３％であるのに対して、呼気ガスの主な成分は、Ｎ２が約７８％、Ｏ２が約１６％、ＣＯ２が４％、その他に水蒸気、アンモニア、アセトン、イソプレン、エタノール、プロパノール、ペンタノール、メタノール、Ｈ２、硫黄化合物などである。ここで呼気ガスとは、肺胞でガス交換された主に終末呼気を意味しており、採取時に混入する死腔ガス（口腔や食道など肺胞のガス交換に寄与しないガス）も一部含まれるが、血液中に含まれるガス成分を反映している。従って、呼気ガス採取に当たっては、死腔ガスの割合を出来るだけ少なくすることが望ましい。一般的に健康的な成人の１回換気量ＶＴに対する死腔換気量ＶＤの割合は、通常の呼吸の場合、ＶＤ÷ＶＴ＝１５０ｍＬ÷５００ｍＬ＝０．３位と言われている。死腔換気量ＶＤは年齢や性別で違いがあり９０〜１８０ｍＬくらいである。 そのために、呼気ガスの採取タイミングを眼鏡型表示装置１１０に表示することが好ましい。眼鏡型表示装置１１０での表示動作を含めた携帯型呼気ガス分析装置１００の動作フローチャートを図１９に示す。 先ず被験者の性別、年齢、体重、安静時心拍数（脈拍数などの個人情報を入力する（ステップ１）。次に、これらの入力情報が装置内の記憶装置に登録（記録）される（ステップ２）。呼気ガス採取条件（採取時刻、間隔、表示方法、死腔ガス排出時間など）を設定する（ステップ３）。例えば、心拍数１２０（回/分）、１回の運動時間が６０分、運動前時間３０分、運動後時間６０分、呼気ガス採取時間の間隔が１０分、呼気を吹き入れる時間を６秒とする。運動の開始３０分前から、呼気ガスを１０分前毎の採取し、心拍数１２０（回/分）の運動を６０分間行い、運動後も６０分間呼気ガスを１０分毎の採取するようにする。呼気採取回数は合計１５回となる。 次に、運動開始を入力部１４０から入力すると、ステップ４の判断がＹＥＳとなる。それをトリガーとして心拍センサー（脈拍センサー）１５０による心拍数（脈拍数）が計測され、眼鏡型表示装置１１０に表示される（ステップ５）。この値を見て現在の運動負荷が適切かを判断し、もし指示され心拍数（脈拍数）より高ければ運動強度を下げるようにし、逆に指示され心拍数（脈拍数）より低ければ運動強度を上げるように調整を行う。この調整は心拍数（脈拍数）の表示値を見て随時行う。 運動開始３０分の時点から例えば１０分経過すると、「呼気ガス採取の時間です」と眼鏡型表示装置１１０に表示されるので（ステップ６）、運動を継続しながら、準備をする。次に、呼気ガス採取要領が眼鏡型表示装置１１０に表示される（ステップ７）。先ず、「○○秒で息を吐き出して下さい」と眼鏡型表示装置１１０に表示されるので、支持された○○秒で息を吐き出す。掃出し開始時から計時される時間（秒）がタイマー１７０でカウントダウンされて眼鏡型表示装置１１０に表示される。 人の呼気は、口の中のガスや気道のガスがあるため、肺でガス交換される本当の呼気ガスに達するまでには少し時間を要するため、呼気開始後の第１期間が経過した後の第２期間で分析部３２によって呼気ガス成分の分析を行うことになる。そのため、タイマー１７０の出力から第２期間の開始が検出されると、駆動部２４により弁２２が閉鎖されて、呼気ガスの分析が開始される。 呼気ガス採取と分析が終わると、「△回目の採取呼気ガスが終了しました」が眼鏡型表示装置１１０に表示され（ステップ８）、駆動部２４により弁２２が開放される。被験者は更に運動を継続する。その間に呼気ガス分析装置１００では、ＣＰＵ１３０が呼気ガス中のアセトン濃度から脂肪燃焼量を算出して（ステップ９）、「脂肪燃焼量は○○です」を眼鏡型表示装置１１０に表示する（ステップ１０）。この表示によって、現在の脂肪燃焼量を知ることができ、実際に運動の効果を確認することができる。 呼気ガス採取を終了しない限り（ステップ１１の判断がＮＯ）、または運動が継続する限り（ステップ１３がＮＯ）、１０分毎に呼気ガスの採取等（ステップ４〜２０）が繰り返し行われ、最後の呼気ガス採取が終了すると（ステップ１１の判断がＹＥＳ）、これまで検出したトータルの脂肪燃焼量が眼鏡型表示装置１１０に表示され（ステップ１２）、併せて「全ての採取呼気ガスが終了しました」と表示される。更に、運動が終了すれば（ステップ１３がＹＥＳ）、「運動プログラムが終了しました」と眼鏡型表示装置１１０に表示されて全てが終了する（ステップ１４）。 本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。 １ 呼気ガス採取分析装置、１０ 採取路（マウスピース）、１１ 筒体、１１Ａ 区画壁（露出部）、１４ フィルター、２０ 第１排出路、２２ 弁、２４ 駆動部、３０ 第２排出路、３２ 分析部、３４ 流路抵抗部、４０ 本体（筐体）、４１ 支持部、４２ 緩衝部、４３ 保持部、１００ 携帯型呼気ガス分析装置、１１０ 眼鏡型表示装置、Ｒ１ 第１流路抵抗、Ｒ２ 第２流路抵抗 呼気圧によって呼気ガスを導入し採取する採取路と、 前記採取路内の呼気ガスを前記呼気圧により外部に排出する第１排出路と、 前記第１排出路の一部を開閉する弁と、 前記弁を開閉駆動する弁駆動部と、 前記弁が閉鎖された時に、前記採取路内の呼気ガスを前記呼気圧により外部に排出する第２排出路と、 前記第２排出路に設けられ、前記呼気ガスを分析する分析部と、を有することを特徴とする呼気ガス採取分析装置。 請求項１において、 前記採取路の出口から前記第１排出路を経由して排出される呼気ガスの流路抵抗よりも、前記採取路の出口から前記第２排出路を経由して排出される呼気ガスの流路抵抗が大きいことを特徴とする呼気ガス採取分析装置。 請求項１または２において、 前記弁駆動部は、呼気動作中の第１期間では前記弁を開放させ、呼気動作中の前記第１期間に続く第２期間では前記弁を閉鎖させることを特徴とする呼気ガス採取分析装置。 請求項１乃至３のいずれかにおいて、 前記採取路は、前記第１排出路及び前記第２排出路が設けられる本体に対して着脱自在なマウスピースであることを特徴とする呼気ガス採取分析装置。 請求項４において、 前記マウスピースは筒体を有し、前記本体に装着される前記マウスピースの延長線上に前記第１排出路が設けられ、前記マウスピースと隣接して前記第２排出路が設けられることを特徴とする呼気ガス採取分析装置。 請求項５において、 前記マウスピースの前記筒体により、前記採取路と前記第２排出路とに区画されることを特徴とする呼気ガス採取分析装置。 請求項６において、 前記マウスピースを挿通支持する支持部と、 前記支持部を前記本体に対して移動可能に保持する緩衝部と、を有することを特徴とする呼気ガス採取分析装置。 請求項７において、 前記マウスピースの挿入先端部を保持する保持部を有することを特徴とする呼気ガス採取分析装置。 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の呼気ガス採取分析装置と、 前記呼気ガス採取分析装置と接続され、呼気採取の手順を表示する眼鏡型表示装置と、を有することを特徴とする携帯型呼気ガス分析装置。 【課題】 日常生活や運動中でも普通に呼吸することを許容しながらも、呼気ガス中の死腔ガスを出来るだけ排除した終末呼気の採取が可能になり、その結果として生体ガス成分を効率的に分析する呼気ガス採取分析装置及び携帯型呼気ガス分析装置を提供すること。【解決手段】 呼気ガス採取分析装置１は、呼気圧によって呼気ガスが導入されて採取される採取路１０と、採取路内の呼気ガスを呼気圧により外部に排出する第１排出路２０と、第１排出路を開閉する弁２２と、弁を開閉駆動する弁駆動部２４と、弁が閉鎖された時に採取路内の呼気ガスを呼気圧により外部に排出する第２排出路３０と、第２排出路に設けられて呼気ガスを分析する分析部３２とを有する。【選択図】 図１