CN101292158B - 确定挥发性组分血液浓度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种评价人或动物受试对象中的挥发性血液组分(优选酒精)的血液浓度水平的方法，所述方法包括的步骤有：在受试对象的呼出气流中放置传感器(21，22)，所述传感器(21，22)被设计成检测所述组分的存在，并提供代表空气中所述组分浓度的第一输出信号；还检测二氧化碳的存在并提供代表空气中二氧化碳浓度的第二输出信号。从受试对象采集呼出气流样本以基本同时地提供相关呼出气体的第一信号和第二信号。所述方法还包括将采样步骤所获得的所述第一和第二信号输入到一种算法中的步骤进行鉴定，所述算法被设计成比较第一信号随时间的变化和第二信号随时间的变化，并且根据比较结果使所述第二信号代表所述呼出气流的稀释度。

Description

确定挥发性组分血液浓度的方法和设备

技术领域

本发明涉及确定受试人体或动物体内的挥发性血液组分的血液浓度水平的方法，同时涉及实施该方法的设备。

背景技术

与受酒精或其他药物影响的交通工具驾驶员有关的交通伤害是所有现代社会的一个主要问题。许多的人员伤亡或严重损伤，伴随着高比例的人间悲剧及巨额经济损失都可以归因于该问题。应该从所有方面去寻找预防措施，尝试各种可能的方法。但是重要的是，从人类行为、可靠性及经济性的角度考虑方法应该具有现实性。

有关药物和交通工具驾驶的立法在国家之间存在差别，但是通常反映了在所有现代社会中存在的问题严重性。在瑞典和许多其他国家，如果酒精的血液浓度超过0.02％(精确的数字随国家不同而可以有差别)，则禁止驾驶交通工具。鉴别合法驾驶和非法驾驶的特定浓度值，需要不仅具有可重复性而且从司法保障的所有可能方面在法律上都没有异议的测量方法。在瑞典，对醉酒驾驶与供述相矛盾之人的定罪必须进行直接的血液样本采集。因此认为通过呼吸采样或通过皮肤的测量方法是可靠性较低的。

出于筛选的目的或其他大规模的应用，由于成本、操作问题以及为避免感染，直接血液采样是不实用的。由于可靠性的原因，经皮的方法在大规模应用上不大可能会成功。另一方面，相信对于研发有益的大规模方法而言，呼吸采样是具有潜力的。

能够测量受试对象呼出气体的酒精浓度的各种类型的传感器已经是公知的。肺毛细血管和肺泡之间的气体交换通常是高效的，因此确保了所测量气体的浓度和血液浓度之间适当的相关性。

可以用两种明显不同类型的装置进行空气中酒精或其他挥发化合物浓度的测量。在被归类于分散性装置的一种类型中，气体样本的各种组分根据在每一种组分之间所显示出显著的、可重现的差异的这种特性而进行分散。质谱分析就是这样的一种方法，其依赖于每一种组分的分子量显示出这种差异的事实。另一种方法是色谱法，其中，分散特性是每一组分对移动的气体载体及静止的固相或液相表面的相对亲和性。分散方法具有普遍有效性和精确性的共同优点，但是它们相对复杂，因而所需费用也高。在组分已知的应用中，重点是确定它们的相对浓度，分散方法被认为是远远合格的。

非分散装置通常是基于检测或测量对象特有的一些特性。这样的特性可以有定性或定量的特点。后者意味着其他物质也可以有这样的特性，但是在数量上有差异，因此能够鉴别出所要物质和其他物质。定性的特性意味着可以进行检测而不论数量如何。从基本的方面来看，由于错误检测的风险被发现减少了，所以定性方法是有利的。但是在实践中，定量原则可以带来不同的压倒性的优势。通常，最后的选择将依赖具体应用的实际需要，并且必须使方法与这样的需要相适应。

通常使用依据酒精相对于空气中常规组分而具有的可燃性的原理的装置进行酒精检测。燃烧过程通常在高温中自动发生，并且在适中温度中存在某些催化剂时发生。通过测量燃烧所产生的热量，或氧的消耗量来记录酒精的存在和浓度。这种用途的传感器可以通过在气体和固体元素之间的交互作用来发挥作用，或者该传感器具有液体的界面。所产生的热能量，或者所消耗的氧量可以直接用于定量测定。

上述所有装置的共同之处在于直接采样是必须的。如果样本由于种种原因而被稀释，所述装置将记录极低数量级的错误值。偶然和故意都可以导致稀释的发生。在样本处理的任何部分中都可能发生泄漏，并且在某种情况下难以避免和检测。样本处理的蓄意操纵风险应该从酒精检测的法律角度来考虑。

在特定挥发组分的血液浓度和其在受试对象呼出气体中的浓度之间存在着紧密的相关性。这种相关性依赖于在肺内的肺泡/毛细血管界面中产生的溶解气体和游离气体的有效的平衡。溶解气体和游离气体之间的关系是特别针对某一特定组分而言的，并且是温度依赖的。

乙醇，在37℃显示15.5kPa的蒸汽压，溶解于水。在平衡时，在酒精/水溶液上的乙醇分压将直接与溶液中的酒精浓度相关。相应的关系对于空气/血液界面是有效的。平衡过程的效率依赖于大的界面面积，其对于受试对象的所需肺功能而言也是关键的。使呼出气体浓度与在血液中的浓度相关联的假设条件的干扰，以及由此的限制因而与健康或患病的肺功能也紧密相关。在罹患肺疾病的受试对象中应该非常谨慎地基于所测量的呼出气体中的浓度下结论。

还存在着涉及确定受试对象呼出气流的酒精含量的其他问题。当使用常规的之前建议的呼吸检测仪器时，指导受试对象将气体呼入与酒精传感器相连的吹口。为了获得充分的精确度，呼出的体积和流量必须超过一定的限度以避免稀释。对于患有肺部疾病，例如哮喘的人，可能难以或者甚至不可能达到该限度。考虑到卫生的因素，吹口考虑为个人性的。不同受试对象之间的吹口替换明显地增加了每次测量的成本和时间消耗。

提供无接触的以及只需要几秒钟就可以完成的方法被认为是有优势的。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的评价受试人体或动物体内的挥发性血液组分的血液浓度水平的方法，以及实施所述方法的设备。

因此，本发明的第一个方面提供了一种评价受试人体或动物体内的挥发性血液组分的血液浓度水平的方法，该方法包括如下步骤：将传感器装置放置于受试对象的呼出的气流内，设定传感器装置检测所述组分的存在并提供代表所述组分在空气中的浓度的第一输出信号，并且检测二氧化碳的存在并提供代表二氧化碳在空气中的浓度的第二输出信号；以及基本同时地使用传感器从受试对象采集呼出气体样本以提供呼出气体的所述第一信号和所述第二信号；特征在于通过将采样步骤所获得的所述第一和第二信号输入设定的算法进行计算，所述算法被设计用于比较第一信号随时间的变化和第二信号随时间的变化，根据比较结果，使所述第二信号代表所述呼出气流稀释度。

有利地，所述组分为酒精。

优选地，所述组分为乙醇。

设定所述算法以便于使所述第二信号代表所计算的或所估计的受试对象的血液体积值，因此，使所述第一信号代表所述组分的血液浓度水平。

有利地，根据所述第二信号，结合受试对象的肺泡二氧化碳浓度的估计或间接测定来计算所述血液体积值。

优选地，设定所述算法以计算所述第一信号和所述第二信号的比例，所述比例代表所述组分的血液浓度水平。

所述方法适当地包括将所述比例乘以代表受试对象肺泡二氧化碳浓度的因子的步骤。

有利地，所述方法包括根据一个或多个受试对象特异性的参数估计所述因子的步骤，所述参数选自包括年龄、性别、体重、个人指数和健康指数的组。

优选地，所述方法包括测量受试对象心率以计算所述健康指数的步骤。

便利地，以不受受试对象控制的重复率重复采样和输入的步骤。

有利地，所述传感器装置包括组分-传感器和二氧化碳-传感器，设定传感器装置以使两个传感器在所述呼出气流中在基本相同的位置采集气体样本。

优选地，所述放置步骤包括指导受试对象从最大的预先设定范围对着传感器装置呼气。

便利地，所述范围大约为0.5米。

有利地，通过可视和/或可听信号的方式给予所述指导。

优选地，所述方法进一步包括在放置步骤之前进行的初始化步骤，初始化步骤包括采集环境空气样本，并使用所述传感器装置以提供代表位于传感器位置的环境空气的组分浓度和二氧化碳浓度的第一和第二信号。

便利地，所述方法进一步包括校正步骤，其中，之后从相关的所述呼出气体的第一和第二信号各自减去代表环境空气的所述第一和第二信号。

有利地，有关所述呼出气体的所述第二信号为在所述采样过程中检测的二氧化碳浓度的峰值。

优选地，有关所述呼出气体的所述第二信号为在所述采样过程中检测的二氧化碳浓度的积分值或平均值。

便利地，有关所述呼出气体的所述第一信号为在所述采样过程中检测的组分浓度的峰值。

有利地，受试对象是机动交通工具驾驶员，该方法在交通工具内进行。

优选地，在至少一个呼吸循环的时间段内比较第一和第二信号随时间的变异。

便利地，在第二信号超过第一阈值时确定一个呼吸的循环开始，在第二信号低于第二阈值时结束。

有利地，如果第一和第二信号不含有尖峰或在时间或频域内具有特性的其他信号干扰，确定第二信号作为呼出气流稀释度的代表，所述频域落在由受试对象所呼出空气的预期范围之外，高于预先设定的数量级。

优选地，如果第二信号超出了预先设定的阈值，确定第二信号代表呼出气流稀释度。

便利地，如果第一和第二信号在其各自的最大值附近基本上是平台状的，则确定第二信号代表呼出气流稀释度。

有利地，采集第一和第二信号的频率等于或大于约4Hz。

本发明的另一个方面提供了设计用于实施前述权利要求方法的设备，所述设备包括在受试对象呼出气流中可放置的传感器装置，传感器装置被设定为检测所述组分的存在，并提供代表空气中所述组分浓度的第一输出信号，以及检测二氧化碳的存在并提供代表空气中二氧化碳浓度的第二输出信号；携带所述算法的存储器：被设计为根据存储在存储器内的算法处理所述信号的处理器。

优选地，所述设备在机动交通工具中提供。

便利地，所述传感器装置包括安置于所述机动交通工具中位于交通工具驾驶员座位前方位置的至少一个传感器元件。

有利地，所述处理器与交通工具中点火电路中的开关有效连接，如果算法的结果低于所述组分的预定血液浓度值，则处理器被设定为关闭开关。

现在通过实施例，参照附图，对本发明的实施方案进行描述，从而可以更容易理解本发明，并可以认识到其进一步的特征。

附图说明

图1是说明实施本发明方法的各个步骤的示意流程图；

图2显示了作为在本发明方法中使用的信号的与时间对应的多条曲线；

图3是示意根据本发明实施方案的设备的组件的示意模块图；

图4显示了适宜在本发明方法和设备中使用的几个可能的传感器元件。

具体实施方式

本发明方法基于测量来自受试对象口中的，在环境空气中得到稀释的呼出气流中的酒精和二氧化碳浓度。照此，该方法能够使用传感器配置，所述传感器配置可以放置于距离受试对象的口和鼻一定距离，优选距离受试对象的口和鼻远至半米的位置。在该距离，从受试对象呼出的气流可以被环境空气稀释十倍。

根据本发明，在从受试对象例如人呼出的气流中于彼此非常接近的位置上同时测量二氧化碳和酒精的浓度，C_extco2和C_extEtoH。假定两股气体相对于相应肺泡浓度的稀释度相等，并且部分由与肺泡体积V_alv相关的死体积V_ds组成，部分来自于呼出的气体从受试对象的鼻和/或口进入传感器配置的部位所产生的瞬时稀释。死体积V_ds表示没有参与实际气体交换的受试对象的气道体积。对于成人来说，死体积大约为代表了潮气量(即，每次呼吸中的换气量)的30％的150ml，并主要由上气道组成。

在呼出的气流中测量的二氧化碳的浓度和酒精的浓度因而可以由以下方程定义，其中C_alvco2和C_alvEtoH各自表示肺泡二氧化碳浓度和肺泡酒精浓度：

$C_{\mathrm{extCO}2}=D\·\frac{V_{\mathrm{alv}}}{V_{\mathrm{ds}}+V_{\mathrm{alv}}}\·C_{\mathrm{alvCO}2}---\left(1\right)$

$C_{\mathrm{extEtOH}}=D\·\frac{V_{\mathrm{alv}}}{V_{\mathrm{ds}}+V_{\mathrm{alv}}}\·C_{\mathrm{alvEtOH}}---\left(2\right)$

通过获得(1)和(2)之间的比例，稀释因素就不存在了，因此可以通过下列简单的表达式确定肺泡酒精浓度：

$C_{\mathrm{alvEtOH}}=\frac{C_{\mathrm{extEtOH}}}{C_{\mathrm{extCO}2}}\·C_{\mathrm{alvCO}2}---\left(3\right)$

因此可以通过基于外部测量的代表C_alvEtoH和C_alvco2的信号的比例，并结合估计或间接测量的代表受试对象的肺泡CO₂浓度的值的算法(3)来确定酒精的肺泡或血液浓度。事实上，所结合的外部/肺泡CO₂测量和/或估计值提供了呼出气流稀释度的表示法，使酒精信号与特定的稀释相关联因而表示血液浓度。所述表示法通过对应于外部的二氧化碳C_extco2的信号和肺泡二氧化碳浓度C_alvco2的估计值或间接测定值而实现。可选择地，外部的CO₂测量可以被认为表示一定的血液体积，能使酒精信号与该体积相关联，并且以绝对值测定。

在只有代表C_extEtoH和C_extco2的信号的离散值是有用的应用中，也可以使用算法(3)(例如确定酒精浓度的某一阈值是否被超过，而不需要提供所检测浓度的精确瞬时值)。在这种情况下，可以在CO₂信号超过某一预设值的瞬间进行酒精信号的读取。

稀释因子D和因子V_alv/(V_ds+V_alv)的时间和位置依赖性将需要一定的注意事项，下文将进行更详细的介绍。根据本发明方法的另一个必须条件是所检测的受试对象的外部测量，以及肺泡(和动脉)CO₂的估计或间接测量可以获得足够的准确度。

通过使用目前可以获得的基于红外或电声学技术的CO₂传感器，发现可以实现小于2％的C_extco2总测量误差，正常肺泡浓度的十倍稀释度。有关C_extEtoH的测量精确度的催化反应酒精传感器基本上可以得出相同的结论，尽管它们的精确度和可靠性仍然是一些争论的话题。

生理学文献清楚地显示，对C_alvco2的可变性已进行了广泛的研究。通常知道，在静息状态下肺泡气体的组成非常稳定。这主要是因为大脑的呼吸中枢对动脉血的二氧化碳水平的小变化是敏感的。(P.C.Johnson：TheDynamics of Respiratory Structures，in E.E.Selkurt(Ed.)Physiology，第2版，Little，Brown &Co，Boston，USA，1966，第449-450页)。另一个稳定因素是血液体积中的二氧化碳的主要部分是以碳酸氢盐离子的形式携带的，因此只有小部分经肺是可以交换的。

据报道，在正常情况下控制换气的最重要因子是动脉血的Pco₂。该控制的敏感性是非常显著的。在有休息和运动周期的日常活动期间，动脉Pco₂可以保持在其大约5kPa的正常值的7％(J.B.West：RespiratoryPhysiology-the essentials.″第3版，Williams&Wilkins，Baltimore，USA，1985，第122页)。应当注意的是，表示为分压并以kPa为单位的CO₂浓度大约等于表示为体积百分比的CO₂浓度，因为正常大气压大约为100kPa。

在104个受试人群的肺泡CO₂浓度的研究中，发现年龄和性别表现出弱的但是有意义的差别。女性的平均值是4.8kPa，而男性为4.9kPa。小于30岁的年龄组表现为5.0kPa的平均值，同时大于60岁的年龄组具有4.6kPa的平均值。也发现了与个性指数有关的差异(A.Dhokalia，D.J.Parsons，D.E.Anderson：″Resting end-tidal CO₂ association with age，gender，and personality″，Psychosomatic Medicine 60(1998)33-37)。

已知受试者的肺泡CO₂浓度随物理负荷的增加而稍微增加直至达到最大值。在较高负荷，肺泡CO₂浓度下降。据报道最大值大约比静息期高12％(M.Folke″Measurements of respiratory carbon dioxide″，Departmentof Computer Science and Electronics，Malardalen University Doctoral ThesisNo.15，2005，p.V2)。

已发现，如果受试对象过度换气，C_alvco2将暂时下降，并且当受试者屏住呼吸时，在较小的范围内，也可以有相反的情况。通过在几分钟的时间间隔中进行重复测定可使这种变化最小化，优选地是，不受受试对象的控制，采用两次或多次测量的平均值。

对周围环境因素，例如温度、湿度和大气压的生理反应可以主要通过监测其变化而进行考虑，并且在算法中将它们的效应作为校正因素。

因而考虑或者不考虑年龄、性别和身体的工作负荷，可以估计受试对象的肺泡和动脉CO₂浓度。可以通过测量受试对象的心率间接进行身体的工作负荷的测量。从所引用的文献可以了解，根据是否对年龄、性别和工作负荷进行补偿，估计的剩余误差是大约±2％到±10％的数值。

对总精确度的要求可以根据不同的应用发生相当大的变化。如果测定的浓度是法律程序的一部分，最高的精确度需要当然是有说服力的。在筛选应用中，要求可以更为放松一些。

根据推理，清楚地显示所描述的方法不仅可适用于确定酒精浓度，也可以用于受试对象血液循环内的任何挥发性组分。

通过图1的流程图描述了根据本发明方法的一个实施方案。图1说明了在机动交通工具中提供的设备的功能和几乎完全自动化的程序，当驾驶员呼出气体的酒精浓度超出一定的阈值时，其具有报警的用途。通过开启交通工具的点火锁1启动该装置，其通常由驾驶员手动操作。可选择地，可通过驾驶员存在检测器，例如在驾驶员座垫中所提供的重量传感器自动进行该启动。

在初始启动之后进行程序2，包括一初始化步骤，在该步骤中，传感器区域中的环境空气被采样，以及测量来自传感器元件的输出信号，与在设备位置处测量的二氧化碳(CO₂)浓度和酒精(乙醇，EtOH)浓度相对应的输出。新鲜空气中的CO₂浓度大约为0.04kPa，并且由于污染可以升高0.03-0.05kPa。空气中的酒精或其他可燃气体的浓度通常低于百万分之一(ppm)。

两种气体的背景浓度都接近于零的事实在本发明中应用于自动弥补校正传感器信号。从初始化步骤所获得的信号将与背景浓度对应，并储存在存储器中，并从所有的随后信号减去，所述随后信号之后被指示为信号水平。该程序因此将使源自传感器元件的最后的偏移误差最小化。

在可以只占时1秒或几秒钟的初始化之后，驾驶员被指示在传感器方向呼气几秒钟。传感器装置的位置使得驾驶员呼气只要在10-50cm的距离就可以。在轿车内，适合的位置是位于方向盘或挡风玻璃的顶部区域。可以通过例如光发射二极管的可见指示或声音信号或两者来提供让驾驶员对着传感器呼吸的指示。

依据交通工具座舱内的呼出气体在环境空气中的稀释度，通常从驾驶员呼出的呼气将导致CO₂浓度的迅速升高到大约0.5-5kPa。之后依据交通工具位置的瞬时气流、扩散等以一速率缓慢地回到背景水平。稀释度也将依赖于这些因素，以及驾驶员的位置，驾驶员使呼出气体撞击所述设备的能力，等等。根据测量，计算在一定时间的峰值，或积分的或平均的CO₂浓度以用于算法(3)中C_extco2的输入使用。

大量的标准可以用于对“准许的”呼气(即，适合于精确计算的酒精浓度的呼气)发出信号，最简单的一种就是C_extco2的信号阈值。另一个简单的标准是有一个定义的最大浓度或平台。其他标准可以涉及到事件的计时，以及各种类型的干扰的不存在，例如，与可能存在于交通工具内的电磁干扰相关的尖锐的信号“峰”。或多或少复杂的图形识别的技术可以用于该项用途。

还要进行对应于呼出气体中的酒精浓度的信号的同时记录。与酒精浓度匹配的峰值表示在驾驶员呼出气体中存在酒精。计算峰值或时间积分值。使用具有肺泡CO₂浓度估计值或间接测定值的算法(3)，可以计算血液酒精浓度。所述设备也可以配备有其他的信号输入7，例如为了确定驾驶员生理活动水平的产生于心电图(ECG)信号的驾驶员心率。

图1的流程图也包括了逻辑步骤3，将信号模式分为三个基本输出。如果根据CO₂峰值水平、持续时间等，呼出的气体被“准许”，测定的血液酒精浓度没有超过规定值，那么该设备将显示一个“OK”信号4。

另一方面，如果CO₂信号和测定的血液酒精浓度都超过了一定的阈值，该设备将显示一时间的信号。在图的起始点11，通过警报5接通该设备，或者甚至可以起动失效装置，使交通工具的点火电路失效以阻止驾驶员操纵交通工具。

根据本发明方法的必要条件是CO₂和酒精的传感器元件被放置成使得方程(1)和(2)的稀释因素被认为是相等的。这可通过使传感器元件基本一致的放置或者通过在CO₂和酒精传感器与一个共用的采样点进行连接来实现。这样的连接可以采用相应的管道，与配置在管道内用于气体转运的主动或被动装置结合。

在初始化后一定时间之后，如果来自CO₂传感器和酒精传感器的信号都没有超过一定的阈值，该设备将发出不确定的状况6的信号，指示受试对象对着传感器元件重复呼气。该设备因而通过计数器8回到初始和测量期，所述计数器显示不成功的尝试的次数N或时间经过。如果超过一定数目的尝试N₀＝1-5或者时间，则独立的警报指示被激活。

本发明方法当然也可以在测量装置中使用，而不是简单的警报装置。在测试设备中，根据用途和该装置的特定应用，逻辑步骤3既可以简化或完全省略。也可以将该装置与其他类型设备结合，或将其用作大型系统的内置功能。

图2显示了用于图1的流程图中测定血液酒精浓度的信号的典型的时间矢量图。在图2的示图中，CO₂浓度信号，酒精浓度信号，以及警报信号的时间演变显示为转动点火钥匙的函数，如前面对于图1所描述的。CO₂和酒精浓度相当迅速地获得对应于交通工具舱内的环境空气的背景水平的稳定值。在点12，通过从实际信号输出中减去背景水平进行偏差校正，籍此所得信号归零，所述归零各自通过在CO₂和酒精信号中的曲线段15和16显示。

曲线段17指示来自驾驶员的单次呼气的CO₂信号输出。信号迅速地从零升至大约2kPa的最大值，与肺泡浓度相比，显示2-2.5倍的稀释度。在达到最大水平后，信号下降并在约5秒后大约归到零。

曲线段18表示来自酒精传感器元件的相应输出，并且提供了清晰的证据显示在驾驶员的呼出气体中存在酒精。通过将曲线段17和18匹配进行来自酒精传感器元件的信号的时间变化和来自CO₂传感器元件的信号的时间变化之间的对比，为了建立重合，这种匹配可以是或多或少复杂的图形识别技术的主题。这样的图形识别技术包括大量的符号，其被用于两种信号的比较。符号的例子可以是数字、出现时间和峰值或峰谷的量级。还可以确定的是，如果第一和第二信号不包括任何尖峰，或者不包括带有信号特征的其他信号干扰和落在受试对象呼出气体所预期的频域范围之外的高出预定量级的时间或频域，那么第二信号代表呼出气体的稀释度。另外，或可选择地，第二信号可能需要超出预定的阈值，或者第一和第二信号的检测值可能需要是在它们各自最大值的附近是平台形状的。采样频率可能也需要大于4Hz，以便使第二信号代表呼出气体稀释度。

优选地，至少在一个呼吸周期中比较第一和第二信号的变化，当第二信号超出第一阈值时，可以认为一个呼吸周期开始，当第二信号低于第二阈值时结束。

如果曲线18的酒精峰值领先于曲线17中的CO₂的峰值，则高度表示在受试对象的上气道中存在酒精，由于简单的事实是，初始呼吸阶段从上气道开始，在CO₂曲线上看不到，因为CO₂不能在上气道积聚，则必定起源于受试对象的肺。在上气道存在酒精的测定可能不完全代表血液浓度，所以可以听到或看到一个警报。可以推荐在用水冲洗完口腔后几分钟重复测量。

在进行曲线段17和18的信号分析以及进行基于算法(3)的计算之后，根据涉及到图1的描述可以进行逻辑判断，在该情况下，在17和18的峰值出现后很快产生阳性的警报信号20。

根据在给定的应用中需要的精确度，算法(3)可以包括或不包括校正因素以补偿已知的对受试对象生理活动水平的依赖性，例如通过对受试者心率的监测。其他的校正因素可以包括环境因素的依赖，例如如上文讨论的温度、湿度和大气压。

将CO₂信号与阈值19比较。如果信号未达到该值，不能作出酒精浓度的精确估计，将指示受试对象对着传感器元件重复呼气。如果呼出气体所允许的稀释的最大值为因子10，则阈值将是0.5kPa。

应当注意的是，通过针对此目的制造的设备，在根据本发明方法中所包括的所有步骤优选为完全自动化操作。在下文的描述中，将对这种设备的各种元件进行详细的说明。

图3显示代表对根据本发明的设备的一个实施方式的示意模块图。根据已经指出的，该设备包括各自用于检测CO₂和酒精的传感器元件21和22。将进一步结合图4对在传感器器元件不同类型之间的选择范围做描述。在图3的模块图中，元件21和22提供对应于各自信号变量的模拟输出电压。通过模拟-数字转换器23将信号转变成数字格式，所述转换器23与将微处理器25和存储装置26和外围单元24连接在一起的数据连接总线27直接联通。

微处理器25包括运算逻辑单元、随机存取存储器和数字控制环路，根据储存在用于永久信息储存和取回的存储器26中的程序可以进行相对复杂的顺序操作。微处理器25也包括具有精确控制的频率的时钟振荡器，可以进行事件的精确计时。通过开关28进行内部或外部电源29的连接，所述开关28可以等同于机动交通工具的点火电路或如上所述的驾驶员存在检测器，或者与之连接。

外围单元24可以是文字数字或图象信号显示，并且也可以配置成发射可听的警报信号。

结合图1和图2所描述的各种步骤和操作被包含在存储器26中储存的顺序程序中，并且由开通开关28而执行。所述程序将控制微处理器以进行所有的顺序操作，包括执行算法(3)。其也将操作外围单元24的驱动程序，并与其他单元或子系统联通。单元24的警报输出可以反馈到开关28(位于点火电路中)，在出现警报信号的情况下使交通工具失效。

为了将校正因素整合到上文已经讨论过的算法(3)，根据本发明的设备也可以包括其他输入元件或传感器。这样的输入元件也可以包括脉冲传感器或心电图(ECG)装置以能够记录受试对象的心率，心率与受试者的生理活动水平紧密相关。其他输入元件可以是测量环境温度、湿度和大气压的传感器，使算法(3)由于这些变量的影响而得到校正。

图3的大多数元件由已经大量生产的组件制成。因而它们的成本很低，并且通过整合可以进一步降低。代替应用通用的微处理器，可以使用专门的现场可编程门阵列(FPGA)，或者设计一个或几个专用集成电路(ASICs)，由此可以进一步降低组件的数目以及成本。

对传感器元件21和22的要求部分是一般的，部分是特定应用的，因而可以要求特定的分辨率。元件需要具有足够的分辨率、线性度、应答时间、稳定性和对其他影响例如温度、湿度、压力和流动性的抵抗力。

对防止错误输入的要求通常可以通过将附加的感应元件引入到所述变量而得到解决。针对温度、湿度、压力和流动性的低成本感应元件可通过商业获得。标准的补偿技术是在气体感应元件和补偿元件的输出信号之间的简单的差异配置。这样的配置通常是可行的，尽管其增加了系统的费用和复杂度。

在图4a)-f)中，示出了六个可选择的气体感应元件。它们都显示出了与本发明相关的各种特性。在首先的两个实施例4a)和b)中，测量气体的内在物理特性，而其余的实施例依赖催化反应。应该观察的是，催化反应装置将只有助于酒精检测，因为CO₂是不可燃的。

图4a)显示光学气体感应元件，其基本功能是测量圆柱外壳34内的光学透射中的变化，所述圆柱外壳34能够渗透空气和其他气体。感应元件包括光源31，检测器32和限定波长区域的光学通带滤波器33，气体彼此之间的所述波长区域不同，但是通常都位于红外光谱的范围内。CO₂和酒精各自具有位于4.3和3.5μm的部分分离的吸收带。因此，基本上可以使用通用光源31和外壳34，但是CO₂和酒精具有独立的检测器32和滤波器33。光源通常是由小的钨丝构建的黑体辐射器，并且检测器通常是基于塞贝克效应的热电堆，或者热电装置。

在低气体浓度时，为获得高分辨率，在光源31和检测器32之间的光路需要具有几百毫米数量级的长度，其在小的外壳内使用多次反射仍然可以获得上述长度。但是这与需要短的应答时间相冲突。红外技术状态的其他复杂性因素是其需要波长带的微调，并补偿老化效应。

图4b)显示了电-声气体感应元件，其包括两-末端声源35和由可透性外壳与声学反应壁36构建的声学共鸣器。声源35通常为压电装置，其尺寸适宜于自膜振动变为空气传播的声学波的有效声学耦合。两-末端装置将表现出根据气体平均分子量确定的共振频率。重气体，例如CO₂和酒精的存在，将导致降低的共振频率。这种安排具有简单性并同时获得高分辨率和快速应答的可能性的优点。但是，在该应用中，对酒精的应答将完全被对CO₂的应答所掩盖。

图4c)中所显示的感应元件可以被认为是许多可能类型的催化反应气体感应装置所通用的。加热元件38因而包括在大多数催化装置中，因为在通常温度下酒精不会自发燃烧。加热元件38通常是两-末端电阻装置元件。还被包括的有催化材料39，它可以是氧化锡、铂或其他贵金属。这样的无机催化材料对特定反应没有特殊性，但是一般促进燃烧过程。原则上，也可以利用有机催化剂，例如酶，其可以是高度选择性的，并且其也可以在比无机催化剂更低的温度下进行操作。另一方面，酶需要水环境，因而与通常的交通工具要求很不匹配。

根据图4c)的元件的信号读取是基于电阻的温度依赖性。在存在可燃气体时，将产生额外的热量，这将改变元件的电阻，因而产生信号。当然也可以将电阻加热元件与加热检测元件物理性地分离开。

由催化酒精燃烧所驱动的燃料电池是另一种酒精感应元件的类型，其在图4d)中示意表示。固体状态的电解质41被用于阳极40和阴极42之间的离子转运。燃烧可在阳极和阴极之间产生电流电压特性之间的变化，这可归因于燃烧过程，并由此归因于酒精的存在和浓度。

在图4e)中描述了另一种催化反应装置，其利用在传导聚合体45中出现的电阻率变化。聚合体沉积在绝缘的基材上，测量也沉积在基材之上的两个电极43和44之间的电阻。

图4f)显示了基于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的催化反应气体感应元件的第四个实施例，在其中，闸门50包括催化金属，例如铂或钯，或其他贵金属。晶体管由具有源连接48和漏连接49的硅基材47以及还有闸电极50构建。通过使用具有不同闸金属连接(“电子鼻”)的数个这种元件的排列，可以获得对特定气体的特殊敏感性。

图4d)-f)中所显示的所有3种配置需要加热元件，其在图中没有显示。没有显示的还有需要对图3的模拟/数字转换器23提供信号输出电压的标准前置放大器。

在图4a)-f)中所显示的配置可以被微型化，并且可以使用微电子机械系统(MEMS)技术以非常低的成本生产。该技术通过显微机械加工可以批量生产，由此通过影印石版术，以及通过添加剂的沉积或连接的结合，和减色蚀刻而确定相对复杂的结构。图3的整个系统的物理尺寸可以是50×50×20mm或更小，并且单元成本在高生产容量中可以非常低。

当在本说明书和权利要求中使用时，术语“包括”以及其变体意指包括指定的特征、步骤或整数。术语不能被理解为对其它特征、步骤或组分的排除。

Claims (19)

1.一种评价人或动物受试对象中酒精的血液浓度水平的方法，所述方法包括的步骤有：

采集环境空气样本并使用传感器装置(21,22)以提供代表位于传感器装置(21,22)的位置的环境空气中酒精浓度和二氧化碳浓度的第一输出信号和第二输出信号；

在受试对象的呼出气流中放置传感器装置(21,22)，所述传感器装置(21,22)被设计成检测酒精的存在，并提供代表空气中酒精浓度的第一输出信号，以及检测二氧化碳的存在并提供代表空气中二氧化碳的浓度的第二输出信号，

其中传感器装置包括酒精传感器和二氧化碳传感器，所述传感器被设计成使两个传感器在呼出气流中相同的位置采集气体样本，或者二氧化碳传感器和酒精传感器与一个共用的采样点连接；

使用所述传感器装置(21,22)从受试对象采集呼出气流样本以同时提供呼出气体的所述第一输出信号和所述第二输出信号；

从呼出气体的第一输出信号和第二输出信号分别减去代表环境空气的第一输出信号和第二输出信号，校正呼出气体的第一输出信号和第二输出信号，以得到校正的呼出气体的第一输出信号和第二输出信号；

比较校正的呼出气体的第一输出信号随时间的变化和校正的呼出气体的第二输出信号随时间的变化；

使所述呼出气体的第二输出信号代表呼出气流的稀释度以调整第一输出信号代表的酒精浓度，

其中呼出气体中的酒精浓度（C_extEtOH）除以呼出气体中二氧化碳浓度（C_extCO2）得到比例（C_extEtOH/C_extCO2）,并且将所述比例（C_extEtOH/C_extCO2）与代表受试者肺泡二氧化碳浓度的因子（C_alvCO2）相乘，以限定调整的酒精浓度（C_extEtOH/C_extCO2）.（C_alvCO2）；以及

确定血液中的酒精浓度水平，其中稀释度通过呼出气体中二氧化碳浓度除以受试者肺泡二氧化碳浓度（C_extCO2）/（C_alvCO2）限定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二输出信号代表受试对象血液容量的计算或估计值，因此使所述第一输出信号代表酒精的血液浓度水平。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由所述第二输出信号结合受试对象肺泡二氧化碳浓度的估计或间接测定来计算所述血液容量值。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其包括根据选自包括年龄、性别、体重、个性指数和健康指数的组中的一个或多个受试对象特异参数估计所述因子的步骤。

5.根据权利要求4所述的方法，其包括测量受试对象心率以计算所述健康指数的步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以不受受试对象控制的重复率重复采样和输入步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，放置步骤包括指示受试对象从最大设定范围对着传感器装置呼气。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述范围为0.5米。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，通过可视和/或可听信号发出所述指示。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，有关的所述呼出气体的所述第二输出信号为在所述采样步骤期间所检测的二氧化碳浓度的峰值。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，有关所述呼出气体中的所述第二输出信号为在所述采样步骤期间所检测的二氧化碳浓度的积分值或平均值。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，有关所述呼出气体中的所述第一输出信号为在所述采样步骤期间所检测的酒精浓度的峰值。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述受试对象为机动交通工具驾驶员，所述方法在交通工具内进行。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在至少一个呼吸周期的时间段内比较所述第一输出信号和第二输出信号随时间的变化。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，当第二输出信号超过第一阈值时决定呼吸周期开始，当第二输出信号低于第二阈值时确定呼吸周期结束。

16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果第一输出信号和第二输出信号不含有尖峰或在时间或频域内具有特性的其他信号干扰，确定第二输出信号作为呼出气流稀释度的代表，所述频域落在由受试对象所呼出空气的预期范围之外，高于预先设定的数量级。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果第二输出信号超出了预先设定的阈值，确定第二输出信号代表呼出气流稀释度。

18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果第一输出信号和第二输出信号在其各自的最大值附近基本上是平台状的，则确定第二输出信号代表呼出气流的稀释度。

19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采集第一输出信号和第二输出信号样本的频率等于或大于约4Hz。

Images