JPS6182143A - ガス分析装置及びガス分析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明はガスの混合物の組成を分析する装置及びその方
法に関する。このガス分析装置及びガス分析方法は例え
ば人工呼吸装置や麻酔装置などのような医療器械で使用
されるガスと蒸気の混合物の分析に特別の用途を有する
。

（発明の技術的背景とその問題点） ガスの混合物の組成を分析する多数の手法が知られてい
る０例えば、常磁性、赤外線分光法、紫外線吸収及びポ
ーラログラフィは特殊ガス濃度の計測に使用され得る。

ガスクロマトグラフィ、質量分光法及び干渉屈折率測定
法のようなその他の手法は広範囲のガスを計測するのに
使用されてきている。ガスクロマトグラフィは通常動作
が遅く、かつ高電圧が必要であるが、これは医療の立場
では好ましくないという欠点がある。質量分析法は繁雑
であり、また高価な装置が必要である。

従来の干渉計は干渉縞の計測を必要とし、この計測は可
動顕微鏡等を人為的に動かしてグラティキュール当りの
縞数を計数することにより行なわ九る。この方法は時間
を浪費し誤りを生じ易い。

自動屈折計は、複数の縞が一対のフォトセルに結像され
、ビームを動かすために補償光学系が可動コイルあるい
はステップモータにより駆動されると報告に記載されて
いる。これらの機械的構成要素は摩損するし、さらに単
一の装置では１つの縞の選択において不一致となること
が起り得、従って間違った読取りをすることになる。

（発明の目的） 本発明は斯る問題点に鑑みてなされたもので、干渉縞パ
ターンに変位を生じさせることにより、ガス分析を簡単
にかつ高精度に行なうことができるガス分析装置および
ガス分析方法を提供することを目的とする。

（発明の構成） 上記目的を達成するために、第１の発明に依れば、変位
が求めるべきガスの組成の変化を示す干渉パターンを生
ずるようにされたガス分析装置であって、前記干渉パタ
ーンを受容すべく配設された光電素子アレイと、前記光
電素子アレイの素子群に結像される前記干渉パターンの
強度を夫々示すデジタル値を供給する手段と、予め記憶
した値に対するデジタル値の最適合値を求めて少なくと
も１つの主要なピークの位置を決定するように配設され
たデジタル処理手段とで構成されたことを特徴とするガ
ス分析装置が提供される。ここで、主要のピークとは干
渉パターンの強度における最大又は最小を意味する。

本発明は、非均−形状の干渉パターンを生ずる広帯域光
源を採用するタイプの干渉計に適用可能であり、各種の
ピークをそれらの形状によって識別可能である。前記予
め記憶された値は選択された主要ピークの形状（ピーク
の距離による強度の変化）を反映すべき選択され、そし
て最適合化法の使用により特定のピークを明確に識別す
ること。

従ってその変位を測定することができる。

前記最適合値は、好ましくは、前記予め記憶した値を１
つの特定の光電素子に始まる連続する光電素子の比較的
少数のデジタル値に相関させ、次いで該予め記憶した値
をその次の光電素子に始まる連続する光電素子の前記同
数のデジタル値と相関させることを繰返し、得られた相
関値同士を比較して最適合値が生ずる起点光電素子を決
定することにより求められる。また、光電素子アレイ中
の最適値を与える起点素子を求める場合に使用される素
子数は全素子数の割には小さいが、この手法は１回の測
定で最小強度あるいは最大強度を識別する手法よりもは
るかに高精度である。何故なら多数の値が決定に関与す
るからであり、従ってこの手法は光電素子アレイの素子
における個々のエラーや故障に耐えることができるもの
である。

受容された干渉パターンの全体、あるいは建設的な干渉
が全波長について生ずる中心最大ピークのような限られ
た部分を試験することが可能である。しかし、好ましく
は本発明装置は２つの主要なピーク、好ましくは中心最
大ピークに隣接する最小ピークの位置を決定するように
配される。このことは最小ピーク間の分離度が所望の範
囲内に入っていることをチェックするために最小ピーク
同士の分離度についての自動テストの実行を可能とする
。

相隣接する２つの最小ピークの位置から中心最大ピーク
の位置を求めることが２つの最小ピークのセントロイド
、即ち中間位置を計算することにより可能である。しか
し、好ましくは前記２つの最小ピーク間に在る全ての光
電素子から得られる強度を示すデジタル値を用いて中心
最大ピークが在る領域のセントロイドの位置を求める。

２つの最／１１ビークを用いるので、バイアスエラーを
補償できるという利点がある。ここで、バイアスエラー
とは、例えば干渉パターン、即ち光電素子アレイの出力
の横断方向に漸増しあるいは漸減する強度エラーである
０本発明によれば、バイアスエラーに対する補償は、前
記２つの最小ピークの平均強度値を計算し、２つの最小
ピーク間のバイアスエラーの大きさを求めるために該平
均強度値同士を減算し、斯く求めたバイアスエラーを使
用して中心最大ピークの光電素子強度値を修正すること
により行なわれる。このことは多数のデジタル値による
表示により中心ピークの中心の真の位置の指標を非常に
正確に与えることができ、従ってこの手法はエラーに対
する感度が非常に高くなる。

光電素子アレイ上の干渉縞パターンの位置は簡単化した
コンポルージョン手法により決定することができる。即
ち、この手法に依れば、前記予め記憶した値、即ちパタ
ーン（あるいはテンプレート）は干渉縞パターンの大部
分を示し、この縞パターンは代表的には主要最大ピーク
上の中心にあり、かつ主要最小ピークを若干越えて延在
している。この予め記憶された値、即ちパターンは測定
されるデータの解像度（画素間隔）よりも微細で代表的
には１又は２のオーダの大きさである解像度で記憶され
るだろう、このように、コンポルージョンにより、バイ
アスに対する修正をすることやある領域のセントロイド
を計算することを要せずに、画素間隔の数分の１の精度
で最適合位置が正確に求められる。なお、テンプレート
上の位置数を増やすとコンポルージョンの実行時間が長
くなることになる。しかし、パターンを近似的に位置決
めすべくアレイ全体に亘って粗いコンポルージョンを実
行し、次いで真位置周囲の小さな領域について微細なコ
ンポルージョンを実行するよ）にすれば、前記実行時間
の最小化が図れる。そして、バイアスとセントロイドの
計算を放棄することにより、余分なフンポル−ジョンに
ついて要求される時間と略同量の時間を節約できること
になろう。

中心最大ピークの位置Ｃ単位：素子間隔）は縞パターン
の変位、即ちガス組成における変化の表示を与えるため
に以前のあるいは後続のピーク位置との比較のために記
憶される。ガスの混合物の分析を行なうためには、まず
干渉パターンの位置を混合物の１つの成分のみからなる
試料を用いて求め、次いで該位置を他の成分を含む試料
を用いて求め、そして干渉パターンの変位を前記他の成
分の濃度を求めるために使用することにより行なわれる
０例えば、麻酔装置では、キャリブレーション運転を純
粋酸素を用いて実行し、次いで亜酸化窒素の濃度の表示
を与えるために、亜酸化窒素と酸素の混合物からなる新
鮮な呼吸用ガスをガス分析装置に供給することができる
。その後の運転で呼吸用ガス中の麻酔剤蒸気の濃度を決
定する干渉パターンの変位と混合物の一成分の濃度間の
関係は干渉計を介した光路長差に依存する。干渉計自身
は試料の屈曲率即ち試料の組成に依存する。

この関係は標準試料を用いた分析装置で実験的に決定で
きるだろう、しかし、好ましくは、この関係は光路長と
これに関連する屈曲率の知識により計算される。単純な
線形かつ付加的関係を変位と濃度間に与えることができ
る。そして、複数の異なる係数を、マニュアル制御の動
作により分析装置に対し示される複数の異なる成分の濃
度を計算するために記憶するようにしてもよい。

尚、酸素の替りに室内空気をキャリブレーション基準ガ
スとして使用しても良い、屈折率は酸素のそれに近いが
、酸素がキャリブレーション期間に導入される時生ずる
小さな測定は装置が正しく機能しているのを示すのに役
立つ。

光電素子の各種漏洩電流に対する補償をするために、光
源は好ましくは処理手段により制御可能であり、光電素
子の出力のデジタル値は光源を消灯させて基準値として
取り込まれ記憶される。その後光源を点灯してデジタル
強度値が求められる。

記憶された基準値を各強度値から減算しても良い。

ランダムノイズの影響を除くために、強度値を多数回に
亘り求め、それらの平均値を使用しても良い。

さらに、本発明の第２発明に依れば、光電素子アレイを
干渉縞パターンで露光し、前記各素子に結像される干渉
縞パターンの強度を示す夫々の各デジタル値を求め、予
め記憶した値に対する前記デジタル値の最適合値を求め
て前記干渉縞パターンの位置を決定することを特徴とす
る干渉縞パターンを分析する分析方法が提供される。

（実施例の説明） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図は干渉計形ガス分析装置の原理図である。この装置は
基準ガスと混合物間の光路長差を測定する。光源１は、
タングステンフィラメント球のようなもので、ディフュ
ーザ・コリメータ２を介して光ビームを発生し、この光
ビームはその後ガラス板３の平行な両側で２つの光ビー
ムに分割される。一方の光ビームは試料セル４を通り抜
け、また他方の光ビームは酸素や空気などの基準ガスが
入っているセル４と同一形状寸法のセル５を通り抜ける
。両光ビームの光路はその後合流され、干渉縞を生ずる
。干渉縞の代表例が第３図に示されている。この干渉縞
は光ビームが全波長で建設的に干渉する光路差ゼロに対
応する明るい中心領域６を含んでいる。この明領域の各
側部は非建設的な干渉により生じた着帯７となっている
。

ここから外方に向かうと幾つかの色彩を滞びた帯域があ
り、そこでは白色光中の対応する色彩構成成分に応じた
建設的な干渉がある０両セルで基準ガスによって得られ
た元の位置に対する縞の変位は混合物中の第２ガスの濃
度を示している。亜酸化窒素と麻酔剤蒸気の両者は干渉
パターンに変位を生じ１通常の麻酔剤プラクティスにお
ける濃度（亜酸化窒素７０％、ハロティン４％以下）で
は略同じオーダーの大きさである。従って、１個の干渉
計がガスと蒸気の両者について使用できる。

変位は濃度、屈折率、圧力及び温度に依存する。

この干渉パターンはホトダイオードや電荷結合素子のよ
うな光電素子のアレイからなる検出器８に結像される。

アレイの各素子は以後「画素」として往々称される。代
表的なアレイは２５ミクロンの中心部にホトダイオード
を１２８個備えてぃる、電子的処理回路９は光電素子の
出力から縞の位置を決定すること、ガス濃度を計算する
こと、及び以下に説明する他の制御機能を実現すること
の各動作を行なう、干渉パターンは、光電素子のアレイ
に像が描かれたとき、２つのピーク間の距離が充分な画
素数、代表的には１０個から２０個に対応し微細な解像
度となるように、光学的手段により調整できる。この装
置の感度（即ち、濃度の単位変化に対する偏差）は両試
料セルの光路長で決定される。

第２図は電子回路の制御下にある試料セルにガスを供給
するガス通路の配設状態を示す、電気的に制御可能なガ
スミキサ３０は適宜な供給源から所望のガスを受けるべ
き接続され、選別されたガスあるいは混合物はサンプル
ポイントＳに供給される。麻酔剤蒸発器３１はサンプル
ポイントＳ１と別のサンプルポイント８２間に接続され
る。サンプルポイントＳｌからの通路１０は例えば酸素
と亜酸化窒素を試料セル４にバルブ１１を介して供給で
きる。同様に、通路１２は酸素、亜酸化窒素及び麻酔剤
蒸気の混合物を試料セル４にバルブ１３を介して供給す
る。サンプルポイントＳ１及びＳ２は麻酔装置のガス混
合系内に配置され、その結果２つのガス（例えば酸素と
亜酸化窒素）はサンプルポイントＳ１に流者する前に混
合される。

他のガス又は蒸気は、完全な混合物が患者側の方向へ通
過させられる前に、サンプルポイントＳ１と５２に加え
られる。原理的には、この手順は別のガスミキサ又は蒸
発器を介して別のサンプルポイント３３，８４・・・と
拡張でき、このとき混合物の１以上の成分が各対ポイン
ト間に加えられる。

バルブ１４は試料セル４を吸い込みポンプ１５へあるい
は大気へ選択的に接続できる。バルブ１１゜１３及び１
４とポンプ１５は電気的制御の下にあり、かつその配置
は試料ガスが試料セル４中に引き込まれ１次いで大気圧
と平衡させられるようになっている。

第４図はタイミング回路１６で制御される光電素子のア
レイ８を示す。タイミング回路１６は一連のアナログパ
ルスとしてアレイから出力されるデータを計時するため
に１５０ｍ５の時間間隔で１２８個のパルス列を発生す
る。前記アナログパルスの各パルス振幅は各ホトダイオ
ードに落ち込む光の強度に依存する。各パルスは高速ピ
ーク検出器又はサンプルホールド回路１７により増幅・
保持される。このサンプルホールド回路１７もタイミン
グ回路１６により制御される。ピーク値がクロックパル
ス間に保持されている間に、アナログデジタル変換器１
８はそのピーク値をデジタル値に変換する６デジタル値
はマイクロプロセッサ１９（第５図）に読取られ記憶さ
れる。このようにしてマイクロプロセッサはアレイを横
切る光信号の振幅を表わす１２８ワード又はバイトから
なる一連のデータを記憶する。マイクロプロセッサによ
り実行された計算の結果は７セグメントデイスプレイ２
０のような表示装置に表示され、また上述したように電
子回路はバルブ１１，１３及び１４を制御する。マイク
ロプロセッサはさらにランプ１を制御するようになされ
、そしてインターフェース２１を介してホストコンピュ
ータに接続される。ホストコンピュータは他の装置機能
を制御する。マイクロコンプロセッサ１９への入力は、
使用に供される蒸気の種類を示し、またキャリブレーシ
ョンモードが動作すべき旨を示すマニュアル制御を含ん
でいる。

マイクロプロセッサメモリは干渉パターンにおける変位
量と各種のガスや蒸気の濃度間の関係を与えるキヤリプ
レーシＪン値及び変換値で予めプログラムされている。

また、メモリには干渉パターンにおける最小ピーク７の
形状Ｃｃｏｓｉｎｅｆｊｌ数に類似する）を表わす一連
の値が用意されている。

第６回において、プロセッサはまずアレイデータ即ちメ
モリに読み込まれたデジタル強度値による記憶された関
数のコンポルージョン（畳込み）を実行する。記憶値は
、相関値を求めるために、複数の画素の内示数の画素１
例えば４番目の画素から始まる例えば９個の画素に対す
る各画素強度値で掛算される１代表的な記憶された関数
値は例えば２７．９．−７、−１８．−２３．−１８、
−７゜９．２７である。同様な相関値は次の画素に始ま
る同様の画素即ち５番目の画素から始まる９個の画素に
ついて計算される（以下同様）、その時、２つの最大相
関値が選択され、これらはどの画素が最適最小ピークの
開始画素が最適最小ピークの開始画素であるかを表わし
ている１次いで、決定された２つの最小ピーク間の画素
間隔を単位として間隔を決定するためにテストが実行さ
れ、空間波長は非常に大きく変化しないので、テストの
結果得られた間隔は設計値に一致しなければならない。

設計値は代表的には１０画素から２０画素の間である。

このようにして、最小ピークの選択において大きな誤差
が生じなかったことをチェックすることが可能である。

もし２つの非常に近接する最大相関値があることが分る
と、各最小ピークの位置は平均位置にあるとされ、最大
相関の第３点は他の最小ピークとして選択される。

次いで、バイアス補正を光電素子の出力における均一変
化を補償するために実行することができる。３つの最低
画素強度値は各最小ピークについて選択され、それらの
平均強度が計算される。もし最小ピークの強度間に差が
あれば、このことはそれら最小ピーク間の距離を越える
バイアスであることを示す。従って、最小ピーク間の画
素、即ち中心ピーク内の画素についての強度値は、バイ
アス誤差として補正される。最後に、中心ピーク内の全
画素について強度値のセントロイドが中心ピークの真の
中心を示すものを求めるために計算される。これに代わ
る他の方法では、セントロイド又は２つの最小ピークの
中間点が計算できるが、これは縞パターンの真の位置の
正確な指示を与えない、しかしながら１両者の場合にお
いて、所望の縞を識別するための上述したコンポルージ
ョンあるいは最適化手法の使用は誤差を減少することに
効果的であり、２つの後続する測定で同−縞の動きが決
定されることを確実にするのが解るのであろう。

第７ａ図乃至第７ｅ図においては麻酔装置おけるガス分
析を制御するためのマイクロプロセッサ１９におけるプ
ログラムの論理図が示されている。

メイン電源がスイッチオンされると、各種のイニシャル
処理とテスト機能が実行される。故障がある場合には、
エラードコードがディスプレイ２０上に与えられる（第
７ａ図）、キャリブレーション機能（図示せず）を試料
セル４に酸素を１００％供給すること及び大気圧と平衡
化することにより実行することができる。縞の位置は上
述したように決定され、その位置が記憶される１次いで
分析装置は分析モードで動作する０分析モードでは第１
のガス混合物、例えば亜酸化窒素と酸素の混合物が試料
セルに圧送され、次いで再び大気圧との平衡化が行なわ
れる（第７ｂ図）、縞の位置は次のようにして決定され
る。まず、ランプが消灯され、光電素子の強度値がマイ
クロプロセットメモリに読み込まれる。これはホトセル
に漏れ電流あるいは暗電流があることを示す。（第７ａ
図、第７ｃ図）０次いで、ランプはマイクロセッサによ
り点灯され、再び強度値が読み取られる。光強度値の読
み取りは何回も繰返され、平均値が求められ、暗電流値
が減じられて１２８の補正された値を得る。これは任意
の画素や電気的ノイズの影響を取り除くのに役立つ（第
７Ｃ図）。次に、縞パターンの位置は第６図に関して上
述したように決定され、縞の変位量が１００％酸素と比
較して計算される（第７ｅ図）。次いで、亜酸化窒素と
酸素の濃度が縞の変位量を予め記憶した係数で割ること
により計算される。結果値は表示され、あるいはホスト
コンピュータにより使用される０次いで、バルブ１１．
１３及び１４とポンプ１５は供給源Ｓ２から亜酸化窒素
、酸素及び麻酔剤蒸気混合物を引き込むこと、大気圧と
の平衡をとることのために作動される（第７ａ図、第７
ｂ図）、そして。

縞変位を決定する同様の手順が実行される。使用してい
る特定蒸気はマニュアル入力制御を介したオペレータに
よって、あるいはホストコンピュータからのメツセージ
によって識別され、蒸気密度は亜酸化窒素と酸化の混合
物と比較して縞の変位量を使用している蒸気に適合する
予め記憶した係数で割ることにより決定される。最後に
、麻酔剤蒸気の濃度は表示され、また必要あればホスト
コンピュータに送られる（第７ｂ図）。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明のガス分析装置に依れば、
変位が求めるべきガスの組成の変化を示す干渉パターン
を生ずるようになされ、干渉パターンを受容すべき配設
された光電素子アレイと、前記光電素子アレイの素子群
に結像される前記干渉パターンの強度を夫々示すデジタ
ル値を供給する手段と、予め記憶した値に対するデジタ
ル値の最適合値を求めて少なくとも１つの主要なピーク
の位置を決定するように配設されたデジタル処理手段と
で構成されるガス分析装置としたので、ガス分析を簡単
かつ高精度に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るガス分析装置のうち特に光学系の
配置態様を示す配置図、第２図は第１図のガス分析装置
に対するガスの接続状態を示すブロック図、第３図は第
１図のガス分析装置で得られた干渉パターンの代表例を
示す干渉パターン図。 第４図は処理回路に強度値を与える入力回路を示すブロ
ック図、第５図は処理回路及びその周辺回路を示すブロ
ック図、第６図は干渉パターンの位置を決定する際に使
用される公式・グラフを決定の順序に従って示す線図、
第７ａ図乃至第７ｅ図は麻酔装置でガス分析する際の当
該装置の動作を示す構造的論理図である。 １・・・光源、２・・・ディフューザ・コリメータ、３
・・・ガラス板、４，５・・・試料セル、８・・・検出
器（光電素子アレイ）、９・・・処理回路、１１，１３
゜１４・・・バルブ、１５・・・ポンプ、１６・・・タ
イミング回路、１７・・・高速ピーク検出器（サンプル
ホールド回路）、１８・・・ＡＤＣ１１９・・・マイク
ロプロセッサ、２０・・・ディスプレイ、３０・・・ガ
スミキサ。 ３１・・・麻酔剤蒸発器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、変位が求めるべきガスの組成の変化を示す干渉パタ
   ーンを生ずるようにされたガス分析装置であって、前記
   干渉パターンを受容すべき配設された光電素子アレイと
   、前記光電素子アレイの素子群に結像される前記干渉パ
   ターンの強度を夫々示すデジタル値を供給する手段と、
   予め記憶した値に対するデジタル値の最適合値を求めて
   少なくとも１つの主要なピークの位置を決定するように
   配設されたデジタル処理手段とで構成されたことを特徴
   とするガス分析装置。 ２、前記最適合値を前記予め記憶した値を１つの特定の
   光電素子に始まる連続する光電素子の比較的少数のデジ
   タル値に相関させ、次いで、該予め記憶した値をその次
   の光電素子に始まる連続する光電素子に始まる連続する
   光電素子の前記同数のデジタル値と相関さることを繰返
   し、得られた相関値同士を比較して最適合値が生ずる起
   点光電素子を決定することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のガス分析装置。 ３、干渉パターンの中心最大ピーク値に隣接する２つの
   最小ピークの位置を求めるようにされて成ることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載のガス分析装置。 ４、前記２つの最小ピーク間に在る光電素子の全てから
   得られる強度を示すデジタル値を用いて前記中心最大ピ
   ークが在る領域のセントロイドの位置を求めるようにさ
   れて成ることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の
   ガス分析装置。 ５、前記２つの最小ピークの平均強度値を計算し、２つ
   の最小ピーク間のバイアスエラーの大きさを求めるため
   に前記平均強度値同士を減算し、斯く求めたバイアスエ
   ラーを使用して中心最大ピークの光電素子の強度値を修
   正することにより干渉パターン、即ち光電素子アレイの
   出力のバイアスエラーを補正するようにされたことを特
   徴とする特許請求範囲第３項又は第４項記載のガス分析
   装置。 ６、前記予め記憶された値は主要の最大ピークに中心が
   あり、かつ主要の最小ピークを越えて延在する干渉パタ
   ーンの比較的大きな部分を示し、該予め記憶された値は
   測定されるデータの解像度よりも微細な解像度で記憶さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第
   ５項のいずれかに記載のガス分析装置。 ７、中心最大ピークの位置を干渉パターンの変位、従っ
   てガスの組成における変化の表示を与えるために以前の
   あるいは後続のピーク位置と比較して記憶することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項乃至第６項のいずれかに
   記載のガス分析装置。 ８、干渉パターンの位置をまずガスの混合物の１つの成
   分のみからなる試料を用いて求め、次いでその位置を他
   の成分を含む試料を用いて求め、干渉パターンの変位を
   前記他の成分の濃度を求めるために使用することにより
   ガスの混合物の分析をするようになされて成ることを特
   徴とする特許請求の範囲第７項記載のガス分析装置。 ９、デジタル処理手段により制御可能な光源を備え、ま
   ず光電素子のデジタル値を該光源を消灯して基準値とし
   て読み取り記憶し、次いで、該基準値を夫々の各強度値
   から減算することを特徴とする特許請求の範囲第１項乃
   至第８項のいずれかに記載のガス分析装置。 １０、光電素子アレイを干渉縞パターンで露光し、前記
   各素子に結像される干渉縞パターンの強度を示す夫々の
   各デジタル値を求め、予め記憶した値に対する前記デジ
   タル値の最適合値を求めて前記干渉縞パターンの位置を
   決定することを特徴とする干渉縞パターンを分析する分
   析方法。