JP5372949B2 - 呼気凝縮器 - Google Patents

Description

本発明は、呼気を受け取って呼気凝縮液を収集する方法及び装置に関する。

人間又は動物被験体からの呼気凝縮液は、被験体の肺、気道、及び他の器官の健康及び代謝効率の状態に関して重要な情報を提供することができる。凝縮液はまた、呼気の異物を判断するために分析することができる。
Ｗ０９５／３１７２１は、呼気凝縮液を収集するための処理及びデバイスを説明している。呼気は、０℃よりも低い温度に冷却された収集チューブ内に通される。液体及び可溶性成分は、凝縮してサンプル収集チューブの内壁に氷結する。

Ｗ０９５／３１７２１

呼気凝縮液を迅速かつ容易に収集することができる改良された装置の必要性が存在する。頑丈で簡単に持ち運びができ、かつ洗浄が簡単な改良された装置の必要性も存在する。

本発明の第１の態様により、呼気を受け取って呼気凝縮液を収集するための収集レセプタクルが提供され、レセプタクルは、密封された端部を有する外側シリンダと、呼気を受け取るための第１の端部の入口及び第２の端部の出口を有する内側シリンダとを含み、内側シリンダは、外側シリンダ内に少なくとも部分的に収容され、内側シリンダの出口は、外側シリンダの密封端部に向けて設けられ、使用中は、呼気が入口を通過し、内側シリンダに沿って進み、出口を通過し、外側シリンダに沿って進み、外側シリンダの少なくとも内側上に凝縮液を形成する。本発明によれば、内側及び外側シリンダは、外側シリンダの底部に凝縮液を蓄積させるために遠心分離機内で随伴的に使用されるようになっている。

外側及び内側シリンダに堆積した凝縮液を随伴的に、換言すれば同時に又は並行して遠心分離機に掛けることは、レセプタクルによって収集することができる呼気凝縮液の量を有利に増加させるので、特に呼気の量が少ない場合に、使用される方法及び装置の効率を上げる。収集レセプタクルの構造は、内側及び外側シリンダにより、呼気凝縮液を形成することができる大きな表面積を提供する。内側シリンダが少なくとも部分的に外側シリンダ内に収容されるので、収集レセプタクルの長さよりも大きな表面積を提供する。

凝縮液は、内側シリンダの内側上に付加的に形成することができる。凝縮液は、内側シリンダの外側上に付加的に形成することができる。
好ましくは、外側シリンダ及び内側シリンダは、円形断面のものである。しかし、これは、必ずしも当て嵌まらなくてもよい。外側シリンダ及び内側シリンダの断面は、あらゆる形状とすることができ、同じ形状にする必要はない。
好ましくは、レセプタクルは、外側シリンダに通気孔を含む。好ましくは、通気孔は、外側シリンダの密封されていない端部に設けられる。通気孔は、置き換えられた空気とあらゆる非凝縮呼気とに逃げ道を提供する。

好ましくは、収集レセプタクルは、更に、内側シリンダの入口に接続するための入口パイプを含む。入口パイプは、以下に限定されるものではないが、人間又は動物被験体のマウスピースを含む他の装置に容易に接続することができる。
好ましくは、内側シリンダは、外側シリンダから取外し可能である。それによって外側シリンダの密封端部に簡単にアクセス可能である。好ましくは、遠心分離をかけた後に内側シリンダが外側シリンダから容易に取り外され、外側シリンダに蓄積した凝縮液に容易にアクセス可能である。これはまた、洗浄のためにも有用である。

好ましくは、内側シリンダ及び外側シリンダは、ガラスである。ガラスは、それが熱を十分に伝達するために有利である。従って、収集レセプタクルが容易に冷却されて凝縮液の収集を改善することができる。更に、ガラスは、洗浄が容易であるとすることができる。代替的に、内側シリンダ及び外側シリンダは、アルミニウム又は銅とすることができると考えられる。
好ましくは、外側シリンダは、標準の遠心分離管の寸法を有する。これは、凝縮液の遠心分離を有利に簡略化する。

本発明の第２の態様により、呼気を受け取って呼気凝縮液を収集する方法も提供し、本方法は、密封された端部を有する外側シリンダと、第１の端部の入口及び第２の端部の出口を有する内側シリンダとを含む収集レセプタクルを準備する段階を含み、内側シリンダは、内側シリンダの出口を外側シリンダの密封端部に向けて設けて外側シリンダ内に少なくとも部分的に収容され、本方法は、更に、呼気を入口を通して、内側シリンダに沿って、出口を通して、かつ外側シリンダに沿って通す段階と、外側シリンダの少なくとも内側上に形成された凝縮液を収集する段階とを含み、凝縮液を収集する段階は、収集レセプタクルを遠心分離機に掛ける段階を含む。

本発明の第３の態様により、呼気を受け取って呼気凝縮液を収集するための装置も提供し、装置は、少なくとも１つの外側壁を含む呼気を受け取るための収集レセプタクルと、収集レセプタクルを少なくとも部分的に受け取るための冷却ブロックとを含み、冷却ブロックにより、収集レセプタクルが冷却ブロック内に少なくとも部分的に受け取られた時に、少なくとも１つの外側壁の外面が冷却ブロックと接触し、少なくとも１つの外側壁の内面が呼気と接触する。

冷却ブロックと呼気に接触している壁との間の直接接触は、効率的な熱伝達をもたらし、従って、凝縮を加速させる。
好ましくは、装置は、更に、低温面及び高温面を有するペルチェ素子と、ヒートシンクとを含み、ペルチェ素子の低温面は、冷却ブロックと接触し、ペルチェ素子の高温面は、ヒートシンクと接触する。
好ましくは、冷却ブロックは、アルミニウムである。代替的に、冷却ブロックは、ステンレス鋼、真鍮、銅、ニッケル、チタン、又はそれらのあらゆる組合せとすることができると考えられる。
１つの好ましい実施形態では、収集レセプタクルは、本発明の第１の態様によるレセプタクルを含む。

本発明の第４の態様により、呼気を受け取って呼気凝縮液を収集する方法も提供し、本方法は、収集レセプタクルの壁の外面が冷却ブロックと接触し、かつ収集レセプタクルの壁の内面が呼気と接触するように、冷却ブロック内に少なくとも部分的に収容された収集レセプタクルを準備する段階と、呼気を収集レセプタクル内に通過させる段階と、収集レセプタクルの壁の少なくとも内面上に形成した凝縮液を収集する段階とを含む。
本発明の１つの態様に関連して説明した特徴はまた、本発明の別の態様に適用することができる。
本発明を単なる一例として添付図面を参照して以下に更に説明する。

本発明の一実施形態による組み立てた呼気凝縮器の概略平面図である。 図１の冷却ブロックの垂直方向断面図である。 図１の冷却ブロックの平面図である。 図１のペルチェ素子の側面図である。 図１のペルチェ素子の平面図である。 ３つの構成要素部分に分解した収集レセプタクルの実施形態を示す図である。 使用するために組み立てた図４ａの収集レセプタクルを示す図である。 被験体マウスピースと共に使用するために設定された呼気凝縮器及び収集レセプタクルの一例示的アセンブリの側面図である。

図１は、呼気凝縮器１００の形態をした装置の例示的実施形態の概略平面図である。この実施形態では、呼気凝縮器１００は、前面パネル１０３を含むハウジング１０１、冷却ユニット１０５、温度コントローラ１０７、電源入力１０９、及び電源１１１を含む。前面パネル１０３は、電源スイッチ１０３ａ、タイマ１０３ｂ、及び温度制御入力１０３ｃを含む。電源スイッチ１０３ａは、電源のオンオフを切り換えるために電源１１１に接続される。アラーム付きタイマは、サンプル収集継続期間の良好な制御を可能にする。温度コントローラは、温度制御入力１０３ｃに接続され、かつそれによって制御される。この実施形態では、冷却ユニット１０５は、冷却ブロック１０５ａ、ペルチェ素子１０５ｂ、ヒートシンク１０５ｃ、及び換気装置１０５ｄ、加えて絶縁体１０５ｅを含む。冷却ブロック１０５ａは、図２ａ及び２ｂを参照してより詳細に説明する。ペルチェ素子１０５ｂは、図３ａ及び３ｂを参照してより詳細に説明する。電源１１１は、冷却ユニット１０５及び温度コントローラ１０７に接続される。温度コントローラ１０７はまた、冷却ユニット１０５に接続される。

呼気凝縮器１００は、収集レセプタクル（図１には示していない）と共に機能するように配列される。収集レセプタクルは、図４ａ及び４ｂを参照して詳細に説明する。
上述のように、冷却ユニット１０５は、冷却ブロック１０５ａ、ペルチェ素子１０５ｂ、ヒートシンク１０５ｃ、換気装置１０５ｄ、及び絶縁体１０５ｅを含む。

図２ａ及び２ｂは、冷却ブロック１０５ａをより詳細に示している。図２ａは、冷却ブロックの垂直方向断面図である。図２ｂは、冷却ブロックの平面図である。冷却ブロック１０５ａは、２つの開口部２０３及び２０５を有する本体２０１を含む。開口部２０３は、呼気凝縮液を収集することができる収集レセプタクルを受け取るように設計される。そのような収集レセプタクルの１つの好ましい実施形態は、図４ａ及び４ｂを参照して以下に説明する。開口部２０５は、温度プローブを受け取るように設計される。この例示的実施形態では、冷却ブロックは、アルミニウムで形成される。しかし、以下に限定されるものではないが、ステンレス鋼、真鍮、銅、ニッケル、及びチタンを含む適切な熱伝達特性を含むいずれか適切な材料を使用することができる。

図３ａ及び３ｂは、ペルチェ素子１０５ｂをより詳細に示している。図３ａは、ペルチェ素子の側面図である。図３ｂは、ペルチェ素子の平面図である。当業技術で公知のように、ペルチェ素子は、ペルチェ効果を利用する半導体ヒートポンプである。作動中に、ペルチェ素子を通ってＤＣ電流が流れると、素子の一方の側から他方の側まで熱が伝達される。従って、ペルチェ素子の２つの面の間に温度差が生じる。図３ａを参照すると、ペルチェ素子１０５ｂは、この実施形態では低温面３０１と高温面３０３を含む。理解されるように、用語「低温」及び「高温」は、相対的な用語であり、２つの面３０１と３０３の相対温度を意味する。ペルチェ素子は、電流調節及び従って温度調節のために温度コントローラに電気接続される。

ヒートシンク及び換気装置は、ペルチェ素子の高温面から熱を抽出するのに使用される標準的な構成要素である。これは、ヒートシンクを通して周囲空気を循環させることによって行われる。換気装置は、ハウジングの外に露出される（図１及び５参照）。換気装置は、周囲空気を吸引する。ヒートシンクはまた、ハウジングの外に露出される（図１及び５参照）。ヒートシンクの露出部分は、周囲に熱を逃がす。

図１に示すように、冷却ブロック１０５ａは、絶縁体１０５ｅによって囲まれている。これは、冷却ユニットの効率を改善するためである。
図１に示すように、冷却ユニット１０５は、温度コントローラ１０７に接続される。温度コントローラ１０７は、前面パネル上の温度制御入力１０３ｃを通じて制御される。温度コントローラは、標準の構成要素とすることができる。この例示的実施形態では、温度コントローラは、「Ｗｅｓｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏ１ Ｓｏ１ｕｔｉｏｎｓ」によって設計された６１００シリーズ温度コントローラである。
冷却ユニット１０５と温度コントローラ１０７の両方に接続される電源１１１は、標準構成要素とすることができる。この例示的実施形態では、電源は、「Ｔｒａｃｏ Ｐｏｗｅｒ」によって設計されたＴＯＬ１５０−１２シリーズ電源である。

作動中に、収集レセプタクルは、冷却ブロック１０５ａの開口部２０３に位置決めされる。収集レセプタクルの外面は、開口部２０３の内面と接触している。収集レセプタクルの入口は、マウスピースのような呼気の供給源と接続される。温度プローブは、開口部２０５に位置決めされる。好ましくは、開口部２０５の直径は、実質的に温度プローブの直径に適合し、そのために温度プローブとその開口部の間に緊密嵌合が形成される。温度プローブは、温度コントローラに接続される。冷却ブロック１０５ａ全体は、絶縁体１０５ｅによって絶縁されている。
ペルチェ素子１０５ｂの低温面は、冷却ブロック１０５ａと接触している。ペルチェ素子１０５ｂの高温面は、ヒートシンク１０５ｃと接触している。ヒートシンク１０５ｃは、換気装置１０５ｄに接続される。ペルチェ素子は、温度コントローラに電気接続される。

温度コントローラは、ペルチェ素子を流れる電流とヒートシンク及び換気装置の作動とを制御し、ペルチェ素子の２つの面３０１と３０３の間の温度差を制御する。温度は、温度プローブを通じてモニタされる。ユーザは、温度制御パネル１０３ｃを使用して冷却ブロックの必要な温度を設定することができる。ペルチェ素子の２つの面の間で６５℃までの温度差を確立することができることが見出されている。
すなわち、収集レセプタクルは、冷却ブロックと接触しているために冷却される。冷却ブロックは、次に、ペルチェ素子の低温面と接触する。呼気が収集レセプタクル内に捕捉されると、収集レセプタクルの内側の低温面上に凝縮液が形成される。呼気の凝縮液は、次に、解析することができる。

図４ａ及び４ｂは、図１に示す呼気凝縮器と共に使用するための収集レセプタクルの１つの例示的な実施形態を示している。収集レセプタクルは、呼気を受け取って呼気凝縮液を収集するように配置される。この実施形態では、収集レセプタクルは、３つの構成要素部分を含む。図４ａは、収集レセプタクルの３つの構成要素部分を別々に示している。図４ｂは、使える状態に組み立てられた収集レセプタクルの３つの構成要素部分を示している。

収集レセプタクルは、収集チューブの形態をした外側シリンダ、案内チューブ４０３の形態をした内側シリンダ、及び入口チューブ４０５の形態をした入口パイプを含む。この例示的実施形態では、３つの構成要素部分は、全てガラスで作られている。これは、ガラスが低温の冷却ブロックと接触すると急速に冷却されることになるために有利である。更に、ガラスは、洗浄が容易である。しかし、以下に限定されるものではないが、アルミニウム及び銅を含むいずれか適切な材料を使用することができると考えられる。

入口チューブ４０５は、以下に限定されるものではないが、人間又は動物被験体のためのマウスピースを含む他の装置に案内チューブ４０３を接続するのに使用される。この実施形態では、図４ｂに示すように入口チューブが案内チューブ内に置かれると、入口チューブ４０５の外面と案内チューブ４０３の内面の間に緊密嵌合が形成される。
案内チューブ４０３は、２つの機能を有する。第１に、入口チューブ４０５を通じて収集チューブ４０１の底部に受け取った呼気を案内する作用をする。第２に、凝縮液を収集することができる付加的な面積を提供する。例えば、凝縮液は、主に収集チューブ４０１の内面に集まるが、凝縮液はまた、案内チューブ４０３の内面及び外面の一方又は両方に集まることになる。この実施形態では、図４ｂに示すように案内チューブが収集チューブ内に置かれると、案内チューブの外面と収集チューブの内面の間に緊密嵌合が形成される。

収集チューブ４０１は、呼気凝縮液を収集するのに使用される。この実施形態では、収集チューブ４０１は、出口４０１ａの形態をした通気孔を含む。これらは、あらゆる非凝縮呼気出口としての役目をして置き換えられた空気の逃げ道を提供する。しかし、通気孔は、様々な方法で形成することができると考えられる。例えば、案内チューブと収集チューブが協働して緊密嵌合を形成するのではなく、協働してそれらの接続ポイントに通気孔をもたらすことができる。

使用中は、収集レセプタクル全体（収集チューブ、案内チューブ、及び入口チューブ）が冷却ブロック内に位置決めされる。冷却ブロックの開口部２０３（図２ａ及び２ｂ参照）は、従って、サイズ及び形状が収集レセプタクルとして適切なものである。収集レセプタクルは、収集チューブ外面が開口部内面と接触するように開口部内に緊密嵌合することが重要である。入口チューブ４０５は、患者のマウスピースのような呼気供給源に接続される。収集レセプタクル、特に収集チューブは、それが冷却ブロックと接触しているために冷却される。呼気は、図４ｂの矢印によって示された経路を辿って進む。それは、案内チューブを通って下方にかつ収集チューブを通って上方に入口チューブを通過する。呼気は、収集チューブの内面に凝縮する。呼気はまた、案内チューブの内面及び外面の一方又は両方に凝縮することができる。あらゆる非凝縮呼気は、出口４０１ａを通って出て行く。

収集レセプタクルの構造は、図４ａ及び４ｂに示すように、いくつかの理由のために有利である。第１に、凝縮液を形成することができる大きな表面積を提供する。第２に、入口チューブが取り除かれた状態で、収集チューブと案内チューブを一緒に遠心分離機において使用することができる。遠心分離機にかけた後に、凝縮液は、収集チューブの底部に蓄積する。案内チューブが取り除かれた状態で、凝縮液は、例えば、ピペットを用いて簡単に収集することができる。

図４ａ及び４ｂでは、収集レセプタクルの３つの構成要素は別々である。しかし、これは、必ずしも当て嵌まる必要はなく、構成要素の１つ又はそれよりも多くは、互いに接合することができる。
収集レセプタクルと冷却ブロック間の協働は、冷却ブロックと収集レセプタクル間での直接接触が効率的な熱伝達を提供するので有利である。これは、収集レセプタクルをガラスで形成することで補助される。これは、冷却ブロックをアルミニウムで形成することでも補助される。

図５は、人間の被験者のマウスピースと共に使用するために設定された呼気凝縮器と収集レセプタクルの一例示的アセンブリの側面図である。図５では、収集レセプタクル４００は、呼気凝縮器１００内の冷却ブロック（図示せず）に位置決めされる。テフロンチューブ５０１は、収集レセプタクル４００の入口チューブに接続される。テフロンチューブ５０１の他端には、マウスピース５０３が接続される。マウスピース５０３及びテフロンチューブ５０１は、クランプ５０５を用いて凝縮器に固定される。すなわち、被験体は、マウスピース内に呼気を吐き出すことができ、呼気は、呼気凝縮液を収集するためにテフロンチューブを通過して収集レセプタクル内に入る。
呼気凝縮器及び収集レセプタクルはまた、動物被験体の呼気を収集するように設定することができる。その場合、収集の原理は同じであるが、入口チューブへの取付具は異なる場合がある。

４００ 収集レセプタクル
４０１ 収集チューブ
４０３ 案内チューブ
４０５ 入口チューブ

Claims (7)

1. 呼気を受け取って呼気凝縮液を収集するための収集レセプタクルであって、
   密封端部及び更に別の端部を有する外側シリンダと、
   呼気を受け取るための第１の端部の入口及び第２の端部の出口を有する内側シリンダと、
   を含み、
   前記内側シリンダは、前記外側シリンダ内に少なくとも部分的に収容され、かつ該外側シリンダから取外し可能であり、該内側シリンダの前記出口は、該外側シリンダの前記密封端部に向けて位置しており、
   収集レセプタクルが、
   前記内側シリンダ内にあって該内側シリンダから取外し可能な入口パイプ、
   を更に含み、
   前記外側シリンダは、その更に別の端部に円錐台形部分を含み、前記内側シリンダは、その入口に円錐台形部分を含み、かつ前記入口パイプは、円錐台形部分を含み、該３つの円錐台形部分は、該入口パイプの外面と該内側シリンダの内面の間に緊密嵌合が形成され、かつ該内側シリンダの外面と該外側シリンダの内面の間に緊密嵌合が形成されるように、収集レセプタクルが組み立てられる時に並置されるように配列され、
   使用中に、呼気が、前記入口を通過し、前記内側シリンダに沿って進み、前記出口を通過し、かつ前記外側シリンダに沿って進み、凝縮液が、該外側シリンダの少なくとも内側上に形成され、
   前記外側シリンダ、前記内側シリンダ及び前記入口パイプは、冷却ブロック内に受け取られるよう構成され、
   前記外側シリンダ及び前記内側シリンダは、遠心分離機に掛けられるよう構成されていることを特徴とする収集レセプタクル。
2. 前記冷却ブロックは、温度を受け取るよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の収集レセプタクル。
3. 前記内側シリンダ及び前記外側シリンダは、ガラスであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の収集レセプタクル。
4. 前記外側シリンダは、少なくとも１つの外側壁を含み、
   前記外側シリンダ及び内側シリンダが前記冷却ブロック内に少なくとも部分的に受け取られた時に、前記少なくとも１つの外側壁の外面が該冷却ブロックと接触し、かつ該少なくとも１つの外側壁の内面が前記呼気と接触するように、該外側シリンダを少なくとも部分的に受け取るための冷却ブロック、
   を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の収集レセプタクル。
5. 低温面及び高温面を有するペルチェ素子とヒートシンクとを更に含み、
   前記ペルチェ素子の前記低温面は、前記冷却ブロックと接触し、該ペルチェ素子の前記高温面は、前記ヒートシンクと接触する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の収集レセプタクル。
6. 呼気を受け取って呼気凝縮液を収集する方法であって、
   収集レセプタクルが、密封端部及び更に別の端部を有する外側シリンダと、第１の端部の入口及び第２の端部の出口を有する内側シリンダとを含み、該内側シリンダが、該外側シリンダ内に少なくとも部分的に収容され、かつ該外側シリンダから取外し可能であり、該内側シリンダの該出口が、該外側シリンダの該密封端部に向けて位置しており、収集レセプタクルが、該内側シリンダ内にあって該内側シリンダから取外し可能な入口パイプを更に含み、該外側シリンダが、その更に別の端部に円錐台形部分を含み、該内側シリンダが、その入口に円錐台形部分を含み、かつ該入口パイプが、円錐台形部分を含み、該３つの円錐台形部分が、該入口パイプの外面と該内側シリンダの内面の間に緊密嵌合が形成され、かつ該内側シリンダの外面と該外側シリンダの内面の間に緊密嵌合が形成されるように、収集レセプタクルが組み立てられる時に並置されるように配列されるような収集レセプタクルを準備する段階と、
   前記外側シリンダ、前記内側シリンダ及び前記入口パイプを冷却ブロック内に受け取る段階と、
   呼気を前記入口を通過させ、前記内側シリンダに沿って進め、前記出口を通過させ、かつ前記外側シリンダに沿って進める段階と、
   遠心分離機が前記外側シリンダ及び前記内側シリンダを遠心分離機に掛け、前記外側シリンダの少なくとも内側上に形成された凝縮液を収集する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
7. 収集レセプタクルを準備する前記段階は、収集レセプタクルの壁の外面が冷却ブロックと接触し、かつ収集レセプタクルの壁の内面が前記呼気と接触するように、冷却ブロック内に少なくとも部分的に収容された収集レセプタクルを準備する段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。

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