JPS6312259B2

JPS6312259B2 -

Info

Publication number: JPS6312259B2
Application number: JP55068136A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Nose
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1980-05-22
Filing date: 1980-05-22
Publication date: 1988-03-18
Also published as: JPS56163634A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は代謝率測定装置に関し、さらに詳しく
は、人や動物の呼吸代謝率を測定する装置に関す
る。

人や動物の肺の第一義的な機能は、呼吸に伴つ
て、外気と血液との間で酸素ガスと炭酸ガスの交
換を適切に行うこと、すなわち呼吸代謝を行うこ
とにあり、その呼吸代謝率（以下代謝率という）
を測定するのに代謝率測定装置（以下代謝率計と
いう）が使われる。換言すれば、代謝率計は肺機
能の測定装置であるといえる。そして、近年身体
に及ぼす肺機能の影響が注目を引くようになり、
代謝率の測定は、単に診断の目的のみならず、健
康管理という点からも重視されるようになつてき
た。

代謝率の測定は、被検者の呼気中の酸素ガスお
よび炭酸ガスの濃度を測定することによつて行う
が、そのような代謝率計としては、従来、酸素ガ
ス濃度の測定器として、磁気式または放電式酸素
計を用いたようなものが知られている。すなわ
ち、磁気式酸素計は酸素ガスが常磁性体であるこ
とを利用し、その酸素ガスで磁気風を起させた
り、あるいは酸素ガスの流れで非磁性ガスを封じ
たダンベルを変位させるようなもので、上記磁気
風の流量がダンベルの変位量が酸素ガスの濃度と
関連している。また、放電式酸素計は、酸素ガス
と窒素ガス等の補助ガスとの混合ガスに高周波電
圧を印加すると、その混合ガス中の酸素ガス濃度
に関連した大きさのイオン電流が流れることを利
用したものである。しかしながら、このような磁
気式または放電式酸素計を使用している従来の代
謝率計には、以下において説明するような欠点が
あつた。すなわち、Ａ酸素計の応答速度が遅いため、食事や投薬直
後の代謝率の変動の状態や、運動時の代謝率の
変動の状態など、各種の刺激に対する代謝率の
瞬間的な変動の状態を測定することがほとんど
不可能である。たとえば、磁気風を利用した酸
素計の応答速度は約20〜30（秒）であるから、
測定値は上記時間内における平均値的な値にと
どまる。

Ｂ測定精度が低い。すなわち、代謝率計におい
ては0.5〜１（％）程度の酸素ガス濃度の変動を
正確に測定できることが要求されるが、フルス
ケールが磁気式酸素計で０〜２（％）程度、放
電式酸素計で０〜10（％）程度であるため、応
答速度が遅いことと相まつて測定精度が低い。
また、磁気式あるいは放電式酸素計は安定性が
悪いので（たとえば、放電式酸素計の安定度は
10％フルスケールに対して±２％／10分程度で
ある）、これがまた測定精度を一層低下させて
いる。

Ｃ外気の酸素ガス濃度との比較測定が難しい。
すなわち、上述した磁気式または放電式酸素計
によつて得られる測定値は絶対値であるので、
代謝率計を狭い室内で使用したような場合や、
大気中の水分の量などによつて外気の酸素ガス
濃度が変ると、測定値の変動が被検者の呼吸に
よる酸素ガス濃度の変動を表しているものか否
かわからなくなつてしまう。

本発明の目的は、従来の代謝率計の上記欠点を
解決し、被検者のそのときどきの代謝率を高精度
で、かつ安定して測定することができる代謝率計
を提供するにある。

上記目的を達成するための本発明は、被検者の
呼気中の酸素ガス濃度および炭酸ガス濃度からそ
の被検者の呼吸代謝率を測定する装置であつて、
その装置は、 (イ) 一側に開口部を備えたフードを有し、 (ロ) フードの他側には、一端が大気に開放された
主流路配管がその他端において接続され、 (ハ) フードの近傍には、基準ガス導入用配管がそ
の一端において開口し、 (ニ) 主流路配管には、バイパス配管がその一端に
おいて接続され、 (ホ) バイパス配管の他端には、 (a) 一端が大気に開放された第１の測定用配管
がその他端において接続され、 (b) 一端が炭酸ガス計に接続された第２の測定
用配管がその他端において接続され、 (c) 一端が酸素計に接続された第３の測定用配
管がその他端において接続され、 (ヘ) 酸素計は、 (a) 酸素イオン伝導性固体電解質からなる隔壁
と、 (b) 隔壁の各壁面に設けた電極と、 (c) 隔壁を任意の温度に加熱する手段と、を備えた固体電解質酸素計からなり、 (ト) 基準ガス導入用配管の他端は酸素計の隔壁の
一側において開口し、 (チ) 第３の測定用配管の一端は隔壁の他側におい
て開口している、代謝率測定装置を特徴とするものである。

本発明において被検者とは、人および動物の双
方をいう。

本発明の代謝率計の一実施例を説明するに、第
１図において、１は透明なプラスチツク材料で作
られたフードである。このフード１は、その内部
に、被検者が人である場合その頭部、または胸部
付近までの部分を収容し得る大きさをしていて、
一側に開口部を有し、他側にはダイヤフラム式ポ
ンプ２、マスフローコントローラ３を有する主流
路配管４が接続されている。５はダイヤフラム式
ポンプ６を有するバイパス配管であり、このバイ
パス配管６はマスフローコントローラ３の出側の
主流路配管４に接続され、さらに電子除湿器７、
シリカゲルや塩化カルシウム等が充てんされた除
湿筒８、ダストフイルタ９を経て３本の測定用配
管１０，１１，１２に接続されている。

測定用配管１０は、流量調節器１３を経て大気
に開放されている。また、測定用配管１１はチエ
ツクバルブ１４、流量調節器１５、炭酸ガス計１
６を経て大気に開放されている。この炭酸ガス計
１６は、炭酸ガスによつて赤外線が選択的に吸収
され、その強度が減衰することを利用したような
ものである。また、上記チエツクバルブ１４に
は、炭酸ガス計１６の零点調整用ガス導入配管１
７と、スパン調整用ガス導入配管１８とが接続さ
れている。測定用配管１２はチエツクバルブ１
９、流量調節計２０、酸素計２１を経て大気に開
放されている。また、上記チエツクバルブ１９に
は、酸素計２１のスパン調整用ガス導入配管２２
が接続されている。

酸素計２１は、第２図に示すようなものであ
る。すなわち、酸素計２１は、カルシアやイツト
リア等で安定化されたジルコニアの如き、約400
℃以上の高温において酸素イオン伝導性を有する
固体電解質からなる円筒状の隔壁２１Ａと、この
隔壁２１Ａの内外両壁面に形成した白金等の多孔
電極２１Ｂ，２１Ｃと、これら電極２１Ｂ，２１
Ｃ間に接続された指示計器、記録計等の起電力計
２１Ｅと、上記隔壁２１Ａを約400℃以上の温度
に加熱する電気炉２１Ｄとを有している。このよ
うな酸素計は固体電解質酸素計と呼ばれており、
その電極２１Ｂ，２１Ｃにそれぞれ酸素分圧の異
るガスを接触させると、上記電極２１Ｂ，２１Ｃ
間に両ガス中の酸素分圧の差異に対応した、いわ
ゆるネルンストの式に基づく起電力を発生する。
すなわち、Ｅ＝RT／4FlnP₂／P₁ ただし、Ｅ：起電力Ｆ：フアラデー定数Ｒ：気体定数Ｔ：隔壁の絶対温度 P₁：隔壁の一側のガス中の酸素分圧 P₂：隔壁の他側のガス中の酸素分圧したがつて、隔壁の絶対温度Ｔと、隔壁の一側
または他端のガス中の酸素分圧P₁またはP₂とが
既知であると、上記起電力を測定することによつ
て隔壁の他側または一側のガス中の酸素分圧P₂
またはP₁、すなわち酸素ガス濃度を測定するこ
とができるのである。なお、第２図において、２
１Ｆは隔壁２１Ａの温度を検出する、熱電対の如
き測温体である。

再び第１図を参照するに、２３は一端がフード
１の近傍に開口した基準ガス導入用配管であり、
この基準ガス導入用配管２３はダイヤフラム式ポ
ンプ２４、電子除湿器７、上述した除湿筒８、ダ
ストフイルタ９と全く同様の除湿筒２５、ダスト
フイルタ２６、流量調節器２７を経て酸素計２１
に接続されている。なお、２８は電子除湿器７に
接続されたドレン排出器である。

さて、上述したような代謝率計の作用について
説明するに、まず炭酸ガス計と酸素計の較正を行
う。

炭酸ガス計の較正は、炭酸ガス計１６に、零点
調整用ガス導入配管１７から、チエツクバルブ１
４を介し、流量調節器１５によつて流量を調節し
ながら炭酸ガスを含まない規定量のガス、たとえ
ば純窒素ガスを流し、その零点を調整する。全く
同様にして、スパン調整用ガス導入配管１８か
ら、0.5〜1.0（％）程度の一定濃度の炭酸ガスを
含むガスを導入し、炭酸ガス計に流してスパンを
調整する。

酸素計の較正は、まず電気炉２１Ｄを起動し、
隔壁２１Ａを800℃程度の一定温度に保つ。この
状態において、ダイヤフラム式ポンプ２，６を運
転し、酸素計２１の隔壁２１Ａの内側に、矢印Ａ
方向から、フード１の開口部から導入した規定量
の外気を主流路配管４、バイパス配管５、測定用
配管１２を介して流す。このとき、フード１内に
は被検者を入れないでおく。一方、ダイヤフラム
式ポンプ２４を運転し、酸素計２１の隔壁２１Ａ
の外側に、矢印Ｂ方向から、フード１の近傍の外
気の規定量を基準ガス導入用配管２３を介して流
し、酸素計２１の零点を調整する。次に、ダイヤ
フラム式ポンプ２４の運転を停め、今度はスパン
調整用ガス導入配管２２から、酸素計２１の隔壁
２１Ａの外側に、矢印Ｂ方向から、0.8％程度の
一定濃度の酸素を含む規定量のガスを流し、酸素
計２１のスパンを調整する。

次に、代謝率の測定は、まずダイヤフラム式ポ
ンプ２４を再び運転する。そして、マスフローコ
ントローラ３によつて、主流路配管４内を流れる
外気の流量を調整する。この流量は、フード１内
に収容された被検者がその呼気を再び吸込むこと
がないような値である必要があり、それはフード
１の容積や、被検者が大人であるか小人である
か、あるいは乳児であるかといつたようなことを
考慮して決められるが、通常３〜65（／分）程
度あればよい。たとえば、被検者が大人である場
合には50〜60（／分）の程度の流量が適当であ
り、小人である場合には10〜20（／分）程度、
乳幼児である場合には４〜５（／分）程度の流
量がそれぞれ適当である。

主流路配管４内を流れている外気の大部分は、
その一端から大気中に放出されるが、一部はダイ
ヤフラム式ポンプ６によつてバイパス配管５内に
取出され、２〜３（℃）の温度に設定された電子
除湿器７によつて水分の大部分が除去され、さら
に除湿筒８によつてほとんど全部の水分が除去さ
れた後ダストフイルタ９に送られ清浄化される。
このバイパス流路５内を流れる外気の流量は、１
（／分）程度でよい。

ダストフイルタ９を通つた外気は、３本の測定
用配管１０，１１，１２に送られる。そして、流
量調節器１３，１５，２０によつて炭酸ガス計１
６に導入される外気の流量を、酸素計２１の隔壁
２１Ａの内側に導入される外気の流量が各100
（ml／分）程度になるように、また残りが測定用
配管１０の一端から大気に放出されるようにそれ
ぞれ調整する。

一方、ダイヤフラム式ポンプ２４によつて基準
ガス導入用配管２３内に導入された、フード１の
近傍の外気は、バイパス流路５内を流れる外気と
同様に電子除湿器７、除湿筒２５、ダストフイル
タ２６を通つて流量調節器２７に導かれ、その流
量調節器２７によつて100（ml／分）程度の流量に
調節された後、酸素計２１の隔壁２１Ａの外側に
矢印Ｂ方向から導入される。

さて、上記のような状態を維持しながら、フー
ド１内に被検者の頭部、またはその胸部付近まで
の部分を収容する。すると、被検者の呼気が主流
路配管４、バイパス配管５を経て炭酸ガス計１６
と、酸素計２１の隔壁２１Ａの内側に導入され
る。したがつて、炭酸ガス計１６によつてその呼
気中の炭酸ガス濃度を、また酸素計２１によつて
酸素ガス濃度をそれぞれ測定することができ、被
検者の代謝率を求めることができる。代謝率は、
通常、呼吸商（炭酸ガスの増加量／酸素ガスの消
費量）で表され、この値は正常な大人の場合で
0.6程度である。

上記実施例において、炭酸ガス計と酸素計に、
呼吸商を演算して代謝率を自動的に出力するよう
な装置を接続してもよい。

また、上記実施例においては、酸素計の隔壁の
内外各側の呼気または外気の流量を100（ml／分）
程度としたが、この値は隔壁の大きさに応じて適
宜変更する。すなわち、流量があまり小さいとガ
スの拡散や混合が起つて測定精度が低下するし、
逆に大きすぎると熱の移動が大きくなり、大容量
の電気炉が必要になるので不経済である。また、
測定誤差を一層少なくするうえで、隔壁の内外各
側の流量を互に等しくするのが好ましい。さら
に、隔壁の内外各側の呼気または外気の流れの方
向は同一方向であつてもよい。

さらに、フードの大きさは、動物、特に小動物
の代謝率を測定するような場合、その小動物全体
を収容し得るようなものであつてもよい。

以上説明したように、本発明の代謝率計は、被
検者の呼気中の酸素ガス濃度の測定器として、応
答速度や測定精度の高い固体電解質酸素計を用い
ているので、食事や投薬直後の代謝率の変動の状
態や、運動時の代謝率の変動の状態など、各種の
刺激に対する代謝率の変動の状態を極めて正確に
測定することができる。また、外気の酸素ガス濃
度との比較測定を行うものであるから、代謝率計
を狭い室内で使用したような場合や、大気中の水
分の量などに起因する外気の酸素ガス濃度の変動
が測定値に影響を及ぼすことがなく、測定値の変
動が被検者の呼吸による酸素ガス濃度の変動を表
しているものか否かわからなくなつてしまうとい
つたことがない。これらの作用効果は、次のよう
なことによつても一層向上する。

すなわち、フードの周りに人が立つていたりす
ると、その吸収のためにフード近傍の大気組成が
微妙に変動し、被検者はその変動した大気を吸い
込むことになるが、本発明においては、フード近
傍に基準ガス導入用配管を開口せしめているの
で、被検者が実際に吸い込むのとほとんど同じ組
成の大気を基準ガスとして酸素計に導くことがで
き、大気の組成変動に基く測定誤差を防止するこ
とができる。特に、被検者が幼児など、酸素ガス
の消費量が少ない者である場合には、大気の組成
変動による影響が大きくなるが、本発明では、そ
のような心配がほとんどない。

また、本発明は、一端が大気に開放された主流
路配管を設けるとともに、その主流路配管にはバ
イパス配管を接続し、さらにそのバイパス配管に
は３本の測定用配管を接続し、第１の配管は大気
に開放し、第２の配管には炭酸ガス計を接続し、
第３の配管には酸素計を接続しているので、主流
路配管における流量を、被検者が自身の呼気を再
度吸い込むことのない大きな流量に保ちつつ、そ
の主流路配管中の呼気を、バイパス配管によつ
て、応答速度の遅れを防止できるが配管抵抗を大
きくは増大させない流量に落して測定用配管に導
くことができ、さらに、第１の配管によつて、炭
酸ガス計や酸素計に流れ込む呼気の流量をそれら
に最も適した流量に落すことができるから、応答
速度や測定精度が向上するばかりか、除湿器容量
等も小さくてすみ、装置がコンパクトかつ低コス
トになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の代謝率計の一実施例を示す概
略ブロツク図、第２図は固体電解質酸素計の一実
施例を示す概略縦断面図である。１：フード、２，６，２４：ダイヤフラム式ポ
ンプ、３：マスフローコントローラ、４：主流路
配管、５：バイパス配管、７：電子除湿器、８，
２５：除湿筒、９，２６：ダストフイルタ、１
０，１１，１２：測定用配管、１３，１５，２
０，２７：流量調節器、１４，１９：チエツクバ
ルブ、１６：炭酸ガス計、１７：零点調整用ガス
導入配管、１８，２２：スパン調整用ガス導入配
管、２１：酸素計、２１Ａ：隔壁、２１Ｂ，２１
Ｃ：電極、２１Ｄ：電気炉、２１Ｅ：起電力計、
２１Ｆ：測温体、２３：基準ガス導入用配管、２
８：ドレン排出器。

Claims

【特許請求の範囲】１被検者の呼気中の酸素ガス濃度および炭酸ガ
ス濃度からその被検者の呼吸代謝率を測定する装
置であつて、その装置は、 (イ) 一側に開口部を備えたフードを有し、 (ロ) 前記フードの他側には、一端が大気に開放さ
れた主流路配管がその他端において接続され、 (ハ) 前記フードの近傍には、基準ガス導入用配管
がその一端において開口し、 (ニ) 前記主流路配管には、バイパス配管がその一
端において接続され、 (ホ) 前記バイパス配管の他端には、 (a) 一端が大気に開放された第１の測定用配管
がその他端において接続され、 (b) 一端が炭酸ガス計に接続された第２の測定
用配管がその他端において接続され、 (c) 一端が酸素計に接続された第３の測定用配
管がその他端において接続され、 (ヘ) 前記酸素計は、 (a) 酸素イオン伝導性固体電解質からなる隔壁
と、 (b) 前記隔壁の各壁面に設けた電極と、 (c) 前記隔壁を任意の温度に加熱する手段と、を備えた固体電解質酸素計からなり、 (ト) 前記基準ガス導入用配管の他端は前記酸素計
の前記隔壁の一側において開口し、 (チ) 前記第３の測定用配管の前記一端は前記隔壁
の他側において開口している、ことを特徴とする代謝率測定装置。