CN103299189B - 多功能呼吸分析器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多功能呼吸分析器，其包括：用于接收来自测试对象的呼吸样品的接受器单元，提供对应于样品内的至少一种挥发性物质的浓度的信号的感测单元，用于提供指示呼吸样品的稀释的信号的装置，以及用于识别和量化呼吸样品的挥发性物质的分析单元/处理单元。信号处理器单元配置成执行用于量化的至少两个不同的计算，并且信号处理单元也配置成自动地显示所选择的计算的结果，所述选择基于指示稀释的信号。

Description

多功能呼吸分析器
技术领域
本发明涉及来自测试对象的呼吸（呼出空气）的分析。所述分析包括一种或若干种挥发性物质的识别和量化，所述物质例如乙醇、甲醇、丙酮、一氧化碳、二氧化碳、氨、氧化氮。取决于情况和所涉及的物质，它可以具有医学、社会、安全或司法用途。所述情况可以关于测量精确度、特异性、响应速度等有不同的要求。特别地，本发明涉及用于这样的分析的装置。
背景技术
根据现有技术的呼吸分析器针对特定情况和应用领域进行设计。存在各种产品应用于筛查、临床诊断中以及为了证据目的用于确定呼吸酒精浓度。对于后一种类别，高优先级要求是测量精确度和特异性。为了筛查目的，对于测试者的响应速度和简单性更为重要，尤其当预期阳性响应的分数（即，超过某个阈值的浓度）较小时。在车辆驾驶员的禁酒测试中就是这样，包括酒精锁或类似设备。
在证据仪器和合格诊断仪器中，红外光谱法用作测量原理，导致了更高的精确度和特异性。为了筛查目的，正在使用基于催化的更简单的传感器，例如燃料电池或半导体元件。它们在生产成本方面是有利的，但是当考虑到可靠性时具有缺陷。催化功能难以控制，并且传感器具有有限的寿命。在多数呼吸分析器中需要测试对象将用力的呼气输送到紧配合的吹口中。该程序耗时并且对于呼吸功能受损的人是有问题的。
发明内容
本发明涉及一种在一个单壳体中同时满足上述看上去矛盾的要求的多功能呼吸分析器。根据本发明的呼吸分析器可以用于迄今为止需要不同件设备的多个不同目的。由此获得增加的灵活性，以及减小的耗时和用户的更低成本。可以用同一件设备执行筛查和更高要求的任务。
在根据本发明的呼吸分析器中，可以在没有呼吸分析器和测试对象的物理接触的情况下执行筛查，具有容易和快速操作的好处，并且需要测试对象的最小努力。然而，这也意味着呼吸样品被环境空气稀释。通过测量样品内的痕量物质（例如二氧化碳（CO2））的浓度，可以估计稀释的程度，从而允许估计实际呼吸浓度。
根据本发明呼吸分析器包括：用于接收来自测试对象的呼吸样品的接受器单元，提供对应于样品内的至少一种挥发性物质的浓度的信号的感测单元，用于提供指示呼吸样品的稀释的信号的装置，以及用于识别和量化呼吸样品的挥发性物质的分析单元/处理单元。信号处理器单元配置成执行用于量化的至少两个不同的计算，并且信号处理单元也配置成自动地显示所选择的计算的结果，所述选择基于指示稀释的信号。
用于指示稀释的装置可以包括响应痕量物质的传感器或响应测试对象的呼吸器官和感测单元之间的连接的紧密性的传感器。
在权利要求1中限定根据本发明的设备。
在优选实施例中，根据本发明的呼吸分析器包括与测试者的位置、姿势和状况无关而使用简单的自动、手持单元。
在另一优选实施例中，呼吸分析器可以在车辆的驾驶员的位置处安装和嵌入在仪表中。在筛查操作模式下，不需要驾驶员的主动参与。然而，如果估计的物质浓度超过某个阈值，则可以迫使驾驶员使用连接到相同呼吸分析器的紧配合的吹口提供第二呼吸测试。
附图说明
在附带权利要求中限定本发明，并且下面关于附图提供更详细的描述，其中：
图1示意性地显示根据本发明的呼吸分析器的构件块；
图2示出使用的例子；
图3显示典型的信号模式；以及
图4是示出计算的流程图。
具体实施方式
图1显示根据本发明的呼吸分析器的优选实施例的构件块。分析器物理地构建到设计成手持使用的壳体1中。它的外部物理尺寸最适度，典型地为150x50x30mm。为了获得必要的耐用性，它需要耐受各种类型的环境影响，包括极端温度、湿度、压力、震动、振动和电磁干扰。特别地，壳体1包括结构化金属材料或抗震聚合物以便满足它的功能要求。
壳体1包括耦合到信号处理单元3的感测单元2。感测单元2配备有入口5和出口6，允许呼吸样品在有或没有风扇10的帮助的情况下通过它。风扇10也可以在测量期间提供偏压流动以帮助呼吸流动，并且改善高度稀释的样品的敏感性。优选地，在出口6处的瓣阀11保证流动是单向的。感测单元2的容积典型地小于100ml。
呼吸样品经由接受器4a进给到感测单元2的入口5中，在图1中所述接受器示意性地显示为固定到感测单元2的入口5。当接受器4a用于在离测试者的口和鼻几厘米的距离处非接触接收呼吸样品时，它优选地具有勺、碗、杯或漏斗的形状，可以可拆卸地固定到壳体1。
单独在图1中显示的优选用于非稀释呼吸采样的另一形状为具有或不具有凸缘的管状4b以保证感测单元2与测试对象的唇和因此也与呼吸器官之间的紧密连接。如果接受器具有封闭测试对象的口和鼻的面罩的形状，也可以实现紧密连接。
由多孔和可透物质（典型地是纤维状聚合物）组成的微粒过滤器12优选地被包括在感测单元2或接受器4a、b中，具有两个不同目的。首先它使可能伴随呼出空气的液滴和固体微粒与主要感兴趣的挥发性物质分离，由此避免感测单元2内的敏感表面的污染。
过滤器12的第二目的是与压力传感器16一起限定用于提供指示测试对象的呼吸器官和感测单元2之间的连接的紧密性的信号的装置。紧密性是非稀释呼吸样品的一个指示。过滤器12具有小、但是良好定义的流阻。通过过滤器12的流优选地是近似层状的，导致流和横跨过滤器12的上游和下游端的差动压力之间的线性或多项式关系。为了响应该压力的目的包括差动压力传感器16。在呼吸样品发生时，压力峰值对应于测试对象的呼吸驱动力，并且指示感测单元2和对象的呼吸器官之间的紧密连接。压力传感器16的输入开口16’、16’’优选地垂直于主流动方向定向以便最小化根据Bernoulli的基本理论积累的动态压力的影响。
用于提供指示紧密性的信号的装置的备选实施例利用其他气流感测装置，例如基于热线测速仪、旋涡脱落、超声渡越时间测量或多普勒频移。必要前提是0.1秒或更小的响应时间，并且对环境变化免疫。
优选地，感测单元2包括响应感兴趣物质9和痕量物质（tracersubstance）8（例如CO2或水蒸汽）的传感器元件8、9。非稀释呼吸样品的指示由后一元素8提供。如果CO2浓度超过某个值，例如与正常肺泡浓度一致，则可以认为样品是非稀释的。
在感测单元2的第一实施例中，它包括在红外（IR）波长范围内的电磁辐射源7，以及配备有带通型干涉滤波器的IR检测器8、9，所述滤波器调谐到与待确定的物质的吸收峰值一致的波长间隔。对于乙醇和CO2，9.5±0.3μm（1μm=10-6m）和4.26±0.05μm分别是合适的波长间隔。其他物质具有其他优选的波长间隔。
在图1中示意性地指示由源7发射的IR射束在在测量体积的内壁上反射之后到达检测器8、9，所述内壁优选地由金或铝或其他高反射材料的薄膜覆盖，并且具有适当的形状以准直射束。IR射束在到达检测器8之前被反射一次，并且在到达检测器9之前被反射三次。因此检测器9的光路长得多，导致对吸收的更高敏感性。所以，检测器9用于检测主要感兴趣的挥发性物质，而检测器8用于痕量物质。而且，理想的是根据由J.U.White描述的原理（J.Opt.Soc.Amer.，vol32，1942，pp285-289）针对待分析的物质的预期浓度优化光路和孔径。
IR源7优选地生成具有5-100Hz的重复频率的IR辐射的重复脉冲，所述重复频率确定分析器的时间分辨率。IR源7优选地包括黑体辐射薄膜以便允许高重复频率。IR检测器8、9优选地是热电堆以便提供最大信噪比，并且因此提供最大敏感性和分辨率。
在感测单元2的第二实施例中，包括电化学电池的或半导体元件的催化传感器用于识别和量化感兴趣的挥发性物质和痕量物质。
信号处理单元3优选地包括用于信号处理和控制的集成模数电路元件。优选地包括一个或若干个微处理器以用于信号处理、将信号传到用于指示测量结果的显示器14，并且用于与外部设备数据通信，所述外部设备例如可由专用连接器15连接的个人计算机或其他外围设备。
在优选实施例中，根据本发明的呼吸分析器用作自动、手持单元。电源由优选地经由电源适配器可再充电的电池13提供。在另一优选实施例中，呼吸分析器嵌入仪表板中，并且与其他设备一起使用。
如先前所述，通过使用痕量物质（例如CO2）执行呼吸样品的稀释的估计。深（肺泡）呼吸空气内的CO2的部分压力典型地为4.8kPa，对应于4.8%（体积），而背景环境浓度很少超过0.1%v/v。所以可以从比率CO2alv/CO2meas计算稀释的程度，其中CO2alv和CO2meas分别是肺泡和测得的浓度。表示为一个标准偏差的不同个体之间的CO2alv的变化性相对适度，大约为平均值的10%。
在本发明中，被稀释样品中的物质的测得浓度乘以CO2alv/CO2meas以便获得非稀释浓度的估计值。该操作模式对于测试者极快并且方便，但是由于CO2alv的变化性而具有较大误差。水蒸汽可以用作备选痕量物质，然而另外需要仔细确定在不利条件下可能与信号几乎一致的背景浓度。
在本发明中通过由响应痕量物质的传感器元件8或借助于指示呼吸器官和呼吸分析器的感测单元之间的紧配合连接的信号来识别非稀释呼吸而从筛查操作模式转变为具有更高测量精确度的操作模式。该信号由压力传感器16提供。
在缺少指示非稀释样品的信号的情况下，在物质浓度的计算中使用样品稀释的估计。在存在这样的信号的情况下，可以省略稀释的估计，从而导致更高精确度。因此稀释信号能够使呼吸分析器在筛查操作模式和高精确度的操作模式之间自动切换。
图2示意性地显示根据本发明的呼吸分析器的两个操作模式或功能性。在图2a)中用在离测试者几厘米的距离处手持的壳体1执行非接触测量。通过漏斗状接受器4，呼吸空气流被捕捉，然而具有环境空气的一定稀释。通过先前所述的求比率程序或算法，可以考虑稀释来校正主要感兴趣的物质的浓度，从而提供它的实际呼吸浓度的估计值。可以在几秒内执行根据图2a)的确定，并且通过测量体积的强制通气，该装置快速地准备好新的测试，而不需要物理地更换任何物品。图2a)因此表示典型的筛查情况。
在根据图2a)执行的筛查的不明确结果的情况下，同一件设备可以用于根据图2b)的更精确确定。不明确结果表示结果在某个浓度限度的公差区间内。通过在更高精确度（更小公差）下执行另一测量，可能解决不明确情况。在该操作模式下，例如通过应用管状接受器4b保证测试对象的呼吸器官和感测单元2之间的紧密连接，并且指示测试者提供用力和延长呼气通过它，以便保证呼出空气的适当清空。由于接受器5紧配合到测试者的口，因此不发生样品的稀释，并且用CO2校正是非必要的。然而需要延长呼气以保证生理死腔对测量结果的最小影响。
图3示意性地显示当根据上面关于图2a)和b)所述的程序执行呼吸测试时的信号模式。对于筛查情形，图3a)图形地显示在呼吸测试期间CO2和主要感兴趣的物质（在该情形下为乙醇（EtOH））的测得浓度根据时间的变化。第三图形表示由传感器16在感测单元2的入口处测得的压力。
图3a)中的所有三个信号在开始时基本上为零，并且在呼气相期间增长到最大值，并且然后当感测单元通气时返回零。当CO2浓度达到它的最大值时，该算法将假设CO2alv/CO2meas的稀释比率，并且将它乘以在那时测得的乙醇浓度以便获得估计的非稀释EtOH浓度。
图3a)的整个过程具有仅仅几秒的持续时间，这是由于当达到CO2的某个阈值（典型地为2kPa，其对应于大约2.4的稀释比率）时指示测试者终止呼气的事实。
来自传感器16的压力信号具有与最大流量一致的小峰值。它的幅度典型地小于10Pa（N/m2）。
图3b)显示具有紧配合的接受器4b的对应信号模式。CO2浓度在开始时快速增加并且然后趋于平稳。当它超过某个值（例如正常肺泡浓度）时，样品可以被认为是非稀释的。在该情形中持续时间比在图3a)中长，典型地为5秒。乙醇的浓度以小的偏差遵循与CO2相同的模式，例如早期的上升和较平坦的平台。
图3b)中的压力信号具有比图3a)中明显更高的峰值。这是由于测试者的呼吸器官尤其在初始阶段生成相当大的驱动力的事实。由压力传感器16记录的幅度也取决于微粒过滤器12的流阻。CO2或压力信号用于确定样品被认为是稀释的还是非稀释的。如果初始阶段中的压力超过某个阈值，例如100Pa，则测试对象和感测单元2之间的连接被认为是紧密的。于是从物质浓度的计算自动省略CO2alv/CO2meas比率。
在图4中显示计算的流程图。当测得CO2浓度的阈值超过例如2%（v/v）时开始用于获得感兴趣物质（例如乙醇）的浓度值的计算过程。然后，如果压力传感器16的峰值差动压力不超过它的阈值，例如100Pa，或者如果CO2浓度不超过肺泡浓度，则测得的物质浓度被乘以CO2alv/CO2meas以获得被显示的估计浓度。如果压力峰值超过100Pa，或CO2信号超过肺泡浓度，则省略乘以CO2alv/CO2meas。

Claims (11)

1.一种多功能的呼吸分析器，其包括：
用于接收来自测试对象的呼吸样品的接受器单元(4)，
提供对应于所述呼吸样品内的至少一种挥发性物质的浓度的信号的感测单元(2)，
用于识别和量化所述呼吸样品中的所述挥发性物质的信号处理单元(3)，
所述感测单元(2)包括用于提供指示所述呼吸样品的稀释的信号的装置(8、12、16)，
所述信号处理单元(3)配置成执行用于量化的至少两种不同的计算，一种用于筛查操作模式且一种用于具有比筛查操作模式高的精确度的操作模式，
所述信号处理单元(3)配置成自动地显示所选择的计算的结果，所述选择基于指示稀释的所述信号的结果，
其特征在于，
所述呼吸分析器配置成响应于指示稀释的所述信号而在筛查操作模式和具有比筛查操作模式高的精确度的操作模式之间自动切换。
2.根据权利要求1所述的呼吸分析器，其特征在于，用于筛查操作模式的所述计算包括通过同时确定所述呼吸样品内的痕量物质的浓度估计稀释的程度。
3.根据权利要求1所述的呼吸分析器，其特征在于，所述挥发性物质是乙醇或甲醇、丙酮、一氧化碳、二氧化碳、氨、氧化氮。
4.根据权利要求1所述的呼吸分析器，其特征在于，所述装置(8、12、16)包括响应痕量物质的传感器(8)或指示所述测试对象的呼吸器官和所述感测单元(2)之间的连接的紧密性的装置(12、16)，所述指示所述测试对象的呼吸器官和所述感测单元(2)之间的连接的紧密性的装置(12、16)包括定义的流阻(12)和具有在所述流阻(12)的上游和下游的开口(16’、16”)的差动压力传感器(16)，所述开口垂直于所述呼吸样品的主流动方向而定向。
5.根据权利要求1所述的呼吸分析器，其特征在于，通过朝着所述测试对象的口或鼻孔扣紧，所述接受器单元(4a、4b)具有漏斗(4a)、勺、杯或碗或管(4b)的形状。
6.根据权利要求1所述的呼吸分析器，其特征在于，所述感测单元(2)包括：几何上定义的测量体积，其入口(5)包括至所述接受器单元(4a、4b)的连接；和用于分离所述呼吸样品内的液滴和固体微粒的微粒过滤器(12)，其出口连接到环境空气，所述测量体积小于100ml，所述感测单元(2)对空气流具有定义的阻力，所述空气流能借助于泵、风扇或阀(10、11)控制。
7.根据权利要求1所述的呼吸分析器，其特征在于，所述感测单元(2)在5Hz或更高的重复频率下生成重复信号，所述重复信号对应于几何上定义的测量体积内的所述挥发性物质的浓度。
8.根据权利要求1所述的呼吸分析器，其特征在于，所述感测单元和信号处理单元(2、3)基于催化测量原理或基于在定义的测量体积内的表面上的多次反射电磁辐射的透射测量，由此所述呼吸分析器的分析包括在定义的波长间隔内的吸收。
9.根据权利要求1所述的呼吸分析器，其特征在于，所述呼吸分析器包含在壳体(1)内，所述壳体耐受环境影响，并且包括所述感测单元和信号处理单元、用作电源的电池(13)、用于指示分析结果的显示器(14)、用于存储数据的存储单元、用于数据输入的开关以及用于与外部设备数据通信的装置(15)，所述壳体包括用于采样和即时分析的自动单元。
10.根据权利要求8所述的呼吸分析器，其特征在于，用于确定所述挥发性物质的波长间隔为9-10μm，并且用于确定痕量物质的波长间隔为4.2-4.3μm。
11.根据权利要求2、4和10中任一项所述的呼吸分析器，其特征在于，所述痕量物质是二氧化碳或水蒸汽。
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