CN112986172A - 呼吸测试系统 - Google Patents

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L·特纳尔兹
L·史密斯
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Abstract

本发明涉及一种呼吸测试系统，该系统的不突兀之处在于其不需要使利用该系统的人员采取任何其它行动来呼吸。该系统包括被构造以测试在流过预定入口区域(4)的空气中存在的挥发性物质的存在性或浓度并且产生对应于所述物质浓度的信号的传感器单元(5)。还提供了设备(2、3)，该设备被构造以检测在所述入口区域附近的位置处人员的存在性并且具有记录所述存在性的器件，还构造以通过递送输出而响应所述存在性。该设备包括构造以基于所述人员存在性的所述记录而要求所述人员即时注意的单元、和被构造以向所述人员提供指令来引导呼出空气流向所述入口区域(4)的单元。还提供了用于测定所述人员的呼吸物质浓度的分析器(10)，该测定是基于对应于物质浓度的所述信号的。

Description

呼吸测试系统
本申请是名称为“呼吸测试系统”、国际申请日为2013年8月23日、国际申请号为PCT/SE2013/050991、国家申请号为201380054912.0的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于无监管地感测人员的呼出呼气中诸如乙醇的物质的存在性/浓度的系统。
背景技术
呼吸酒精浓度(BrAC)与血液酒精浓度(BAC)相关，其近似关系为BrAC[mg/l]＝0.5×BAC[mg/g]。其它物质具有不同的系数。
根据现有技术的受监管式呼吸测试由警察执行，以阻止醉酒驾驶。出于相同的目的，在车辆中使用酒精锁的无监管式测试也越来越多地得到使用。传感器技术包括催化剂半导体、燃料电池和红外光谱法。在市场上可获得的不同装置之间有关精确度、特异性、环境免疫性和响应时间的性能非常多变。用于呼吸测试的装置包括传感器元件，所述传感器元件在通过紧密配合的接口件获取深呼吸之后提供表示BrAC的信号、并且清空气路，出于卫生原因，接口件必须是分离的一次性用件。为了确保正确地测定，测试人员需要以几乎最大肺活量释放用力的呼气。尤其是对于肺活量有限的人员而言，这需要大量气力。由于水冷凝，接口件的处理是昂贵的、耗时的并且呈现不期望的错误源。
呼吸分析的基本技术在20世纪的下半叶得以发展。最近，已经注意到发展朝向针对呼吸测试使用更少的突兀器件。Olsson等人(WO98/20346)公开了一种系统方案，在所述系统方案中可以利用水蒸汽作为示踪气体而不使用接口件来执行精确的测量。Lopez(US5,458,853)公开了另一种方法，其使用超声以校正装置和用户嘴之间的距离的相关性。
Figure BDA0002953577060000021
等人(GB 2431470)公开了一种系统方法，其使用二氧化碳(CO2)作为示踪气体，并且与简单算法组合以用于校正稀释的呼吸样本。Lambert等人(2006年4月3日至6日的SAE世界代表大会)公开了另一种方法。车厢内空气被监控，使用酒精吸收材料来累积样本以增强分辨能力。同样，使用CO2作为示踪气体。
发明内容
本发明的特定目的是将受测人员所需的气力减至最小，而不折损可靠性。其它目的是减少呼吸测试所需的总时间，并且即使对于无经验的人员而言，该系统也是自我指导的。
本发明是基于一些关键元件的，这些关键元件的组合将提供必需的特征。首先，提供了一种传感器单元，所述传感器单元提供了对应于流动通过预定入口区域的空气中的即时酒精浓度的信号。预定入口区域是一个或多个开口，所述一个或多个开口允许空气从入口区域持续地流向传感器。其次，提供了一种设备，所述设备响应于在传感器入口区域附近位置处的人员存在性，并且也包括用于要求和引导人员即时注意的单元，并且还包括提供指令以引导呼出空气流向入口区域的单元。该受引导的呼吸是人员的有意行为。再次，包括分析器，所述分析器基于传感器信号而测定所述人员的呼吸酒精浓度。
对于有经验的用户的呼吸测试而言，基本元件的组合功能是必须的并且足够在2-3秒内完全私密地、毫不费力地进行测试，而同时无需接口件，并且也不干扰正常行为，诸如正在进行的对话。由自动通信的指令来引导无经验的用户成功完成测试。
本发明允许在至今尚难以执行测试的各种环境下执行呼吸测试。与利用当前可获得的产品相比，改进的用户友好性、以及与车辆集成的可能性会是以更大比例地阻止醉酒驾驶的重要步骤。这被认为是降低与酒精相关的交通事故的高死亡率所必需的。其它有希望的应用领域是针对负有关键任务的员工的清醒控制、以及针对到达竞技场的观众的清醒控制。本发明还可以用于各种自测试情况，例如治疗酗酒者。预期的是，不突兀地进行呼吸测试的可行性对于急诊医学中的诊断目的而言变得重要。为此目的，除了乙醇之外，多种挥发性物质也是令人感兴趣的。
由于现有技术系统的缺点，发明人已经设计了一种新型系统。
因此，权利要求1限定了一种呼吸测试系统，所述呼吸测试系统包括：传感器单元(5)，所述传感器单元被构造以测试在流动通过预定的入口区域(4)的空气中存在的挥发性物质的存在性或浓度，并且产生对于于所述挥发性物质的浓度的信号；设备(2、3)，所述设备被构造以检测在所述入口区域附近位置处人员的存在性，并且具有用于记录所述存在性的记录器件，所述设备还被构造以通过递送输出而响应于所述存在性，所述设备包括基于对所述人员的存在性的所述记录而要求所述人员即时注意的单元、以及被构造以向所述人员提供指令来引导呼出空气流向所述入口区域(4)的单元；分析器(10)，所述分析器用于测定所述人员的呼吸物质浓度，所述测定是基于对应于物质浓度的所述信号的。
本系统的主要优点在于其并不突兀，即其不过度地干扰使用所述系统的人员。
附图说明
现在将参考附图在下文中描述本发明，其中：
图1示出了根据一个实施例的系统的示意图。
图2示出了系统功能的流程图。
图3a示出了针对有经验的人员采用根据本发明的系统所执行的典型呼吸测试的时间顺序，以及
图3b示出了针对无经验的人员采用根据本发明的系统所执行的典型呼吸测试的时间顺序。
具体实施方式
本发明包括物理属性和功能特征二者，在随附权利要求和详细说明中物理属性和功能特征二者均变得显而易见。
图1是根据本发明的系统1的一个实施例的示意图(未按比例绘制)。可以将系统1构建成处于独立的物理外壳中，或者构建成作为属具的部分，例如处于车厢内。测试人员12示出为位于传感器单元5的入口区域4附近，所述传感器单元配置有传感器元件8，所述传感器元件产生对应于流动通过入口区域4的空气中的乙醇浓度的信号。由风扇或泵9提供用于将空气主动地运送通过传感器单元5的器件，所述器件优选地包括用于控制体积流量的器件。入口区域4包括一个或多个开口，空气可以自由地流入或者由风扇9驱动而流入所述一个或多个开口中。优选地，在入口区域4中包含有例如由多孔材料制成的颗粒过滤器。这阻止了颗粒和气溶胶污染传感器单元5，而同时不以任何显著程度妨碍空气流动。当引导人员12从不超过50cm的距离处朝向入口区域4呼出空气时，流动通过传感器单元5的空气将包括环境空气和人员12的呼出空气的混合物。
如背景技术中已经说明的，本系统的中心特征是在短时间内获得人员12的配合。构造以实现此的设备包括视听单元3、以及用于记录在入口区域4附近的位置处人员12的存在性的记录器件2。记录器件2的实施高度取决于实际应用，并且可以包括指示门开/关的微型开关、扩音器、照相机、使用超声或红外辐射的非接触式检测器、响应于人员重量的力传感器。本系统可以包括通过声音控制、图像分析、条形码读取或生物统计分析而识别人员的识别器件。视听单元3优选包括扬声器3a和显示器3b。扬声器3a可以产生人工语音或或象征性声迹，显示器3b可以传达文本、图像、图标或其它符号。
视听单元3优选位于入口区域4的紧邻附近，以便将人员12的注意引导至所述入口区域。在存在记录时或稍后的时刻，所述视听单元能够要求人员12立即注意。在人员12可能需要指令的情况下，所述视听单元也能够传输指令，甚至传输详细的指令。
在人员12有经验但是分心或者不专心的情况下，视听单元3紧邻入口区域4的位置尤为重要。当受到来自视听单元3的信号提醒时，有经验的人员12将以最小延时反应，并且朝向入口区域4递送受引导的呼吸。替代性的方案将增加人员12的精神负担。
根据实验心理学的研究，已知的是根据分心的程度、精神负担和选择选项，人员的反应时间可以从0.2秒变化至数秒。因而，为了节省时间，本发明的使有经验人员12的注意引起和引导至传感器入口区域的能力高度重要。
作为环境空气和呼出气体混合的结果，传感器元件8产生的信号将减弱一对应于呼出气体的稀释度的因子。因此，除了传感器元件8之外，还包括另一传感器元件7以用于测量示踪气体(例如，二氧化碳(CO2)或水蒸气)的浓度。由于在呼气离开气路时示踪气体的浓度大致恒定，因此能够获得进入传感器单元5的空气的合理近似稀释度。除了CO2和H2O之外，示踪信号的另一可选方案是温度。呼出空气在离开口腔或鼻子时温度几乎等于体温，但是在混合之后将冷却而更接近环境温度。
传感器元件7和传感器元件8构成了用于进行红外(IR)透射测定法的测量单元的接收器端。从红外发射器6(优选黑体辐射元件)出发，宽带红外辐射波束正照亮单元，并且最终在多次反射之后将到达传感器元件7和传感器元件8。优选地，发射器6调制在处于常规信号的频率带以上的一频率，例如5Hz。传感器元件7和传感器元件8中的每个均包括红外辐射的热电堆检测器，其中带通干扰滤波器调频至待检测物质的吸收峰。传感器元件8包括滤波器，所述滤波器的通带对于乙醇而言处于9.1…9.9μm的间隔内，而在CO2作为示踪气体的情况下，传感器元件7的滤波器的通带处于4.2…4.3μm的间隔内。作为替代性示踪气体的水蒸气在2.5…2.8μm的波长间隔和5.7…6.9μm的波长间隔内具有强吸收性。其它气体和滤波器特征的组合也是可行的。丙酮、乙醛、甲醇、一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、异戊二烯、氨、硫化氢、甲硫醇、乙酸乙酯、二甲醚、二乙醚、苯、甲苯、甲基乙基酮和甲基异丁基酮是从诊断角度或毒理学角度来看可能让人感兴趣的挥发性物质的实例。
从IR发射器6至检测器7和8的光路可以取决于实际物质的浓度范围和吸收系数。在呼出空气中，CO2具有强吸收性和高浓度，这需要10-25mm的短光路。对于处于法定浓度限度以下的酒精检测而言，可能需要大于0.5m的光路长度。通过多次反射来折叠光路，传感器单元5的长度/宽度/高度仍然可保持小于70/30/15mm。
传感器单元5几乎瞬时地、即在几分之一秒内响应入口区域4处发生的浓度变化。这部分地是由于入口区域4和传感器单元5之间的通常为10-20mm的小距离、通常为20-60ml的小内容积、以及由风扇9产生的通常为100-200ml/秒的空气体积流量、以及由风扇9产生的空气流动速度。这还由于红外发射器的相对快速的调制频率。从传感器元件7和传感器元件8提取的信号信息表示为调制频率的幅度。
将来自传感器元件7和传感器元件8的信号发送至分析器10，所述分析器优选包括通用数字微控制器，所述通用数字微控制器能够执行信号算法并且还控制视听单元3、IR发射器6、风扇或泵9。不同格式(包括模拟信号)之间的信号转换可以由微控制器10进行调控，所述微控制器还能够与外部单元(例如，致动器单元)通信以用于根据呼吸测试的结果采取行动或对抗作用。系统1的电功率可以从电池或外部电源获得。系统1可以设计作为独立的手持单元，或者作为其它属具(例如，车厢或者车间或建筑物的入口)的一体化部件。优选地，入口区域4包括用于保护传感器单元5的器件，例如在系统1停用时闭合的盖。
为了满足电磁发射和抗扰性的需求，出于保护性目的，根据本发明的系统包括电容电子元件和电感电子元件。此外，传感器元件7和传感器元件8及其相关的模拟输入级优选配置差动前置放大器，以便于抑制常规模式干扰的影响。
根据本发明的系统优选限定在待安装于墙上的盒子内，使得记录器件2、视听单元3以及入口区域4位于盒子的一侧，由此可通过墙中的孔而接近所述记录器件、视听单元以及入口区域。
图2示出了根据本发明的系统功能的流程图。通过一些外部控制信号而手动或自动地开启或启动系统。在车辆的情况下，启动信号可以是解锁车门。初始阶段优选包括系统的一些自测试功能，以确保自前次测试之后尚未出现功能错误。初始阶段还可以包括预热敏感部件和稳定信号。
当系统准备进行测试时，系统将保持处于待用状态，直至检测到有人员处于预定位置处为止。如前所述，检测可以包括或可以不包括识别人员，并且检测将需要在人员和系统之间进行双向通信。在存在性检测步骤之后或期间，该系统将通过与表示呼吸测试的特定符号或图标相组合的协同的闪光、有特色的指向性声音而引起人员的注意。
随后，预期的是，有经验的人员引导呼出空气朝向传感器的入口区域，而无经验的人员可能需要或多或少关于如何实行的详细指令。口头提供或者作为文本信息提供的指令的实例有：“深呼吸，弯身，张大嘴，缓慢呼气”。作为替代，由文本、移动图像、图形符号或其它器件来提供指令。如果在一轮指令之后未满足呼吸检测的标准，则可以以增大的详细程度重复地发布指令。
呼吸检测的标准优选包括如前所述的示踪气体检测。在CO2作为示踪气体的情况下，一个简单的标准是达到例如2500ppm(百万分率)的阈值CO2浓度，该2500ppm的阈值CO2浓度对应于稀释因子为20(肺泡CO2浓度近似为5vol％，或50000ppm)。其它标准可以与CO2信号的时间导数有关。在这种情况下，同时测得的酒精浓度将需要乘以20以获得估计的呼吸酒精浓度。呼吸检测的标准还应当包括针对背景CO2浓度的校正，背景CO2浓度在正常环境中通常为400-600ppm。数学表达式或算法通常将足够限定该标准，所述数学表达式或算法使用可设置的参数以适应不同状况之间的变化。可以通过使用标准的微控制器进行实时执行而实施这种算法。
稀释程度是对于信号质量的测量。高浓度(小的稀释因子)提供了高置信度的测定，然而诸如其它邻近人员的干扰因子的影响将随着稀释度而增大。优选地，基于稀释因子，呼吸测试的结果不仅表示为浓度，而且还涉及估算误差。
在一些应用中，呼吸检测可以越过存在性检测，如在图2中由虚线象征性地简化的“注意”次序和“指令”次序。另一种表达方式是将示踪气体检测包含在“记录器件”中。
基于来自传感器元件7的信号和来自传感器元件8的信号之间的相关性，由另一算法执行BrAC的测定。当传感器单元5接收人员呼出的气体时，两个传感器元件均显示了几乎同时出现的浓度峰。通过将大量测得的酒精浓度乘以它们各自的稀释因子而获得平均BrAC值。通过将信号平均化，减少了噪音和干扰的效应。由于解剖死腔或传感器单元5的设计引起的差异而导致的CO2和酒精信号之间的小时间差也能够考虑在算法中。
通过满足呼吸检测标准而限定的呼吸测试的完成和结果优选例如使用视听单元3与人员进行通信。
在图2的流程图中，不包括在终止实际呼吸测试后进行的其它步骤，因为所述其它步骤可能高度依赖于实际应用的呼吸测试。这些其它步骤可以包括基于规则的测定控制动作或者基于测定而进行的对抗作用，例如允许/禁止车辆运行或锁定/解锁门。
图3示出了利用根据本发明的系统所执行的典型呼吸测试的时间顺序，图3(a)针对有经验人员，图3(b)针对无经验人员。从上至下，图3(a)和3(b)二者中所示的信号是：“P”存在性，“C”通信，“T”示踪气体，“A”酒精。
在图3(a)的时间顺序中，在起初半秒内检测到人员，并且接下来几乎立刻是通信至有经验的测试人员的“注意”通信，所述有经验的测试人员在起初一秒的另一半秒后响应，其中各不同峰表示示踪物质和酒精。在两秒之后，呼吸测试完成。
图3(b)的时间顺序呈现稍微不同的图样。无经验的测试人员没有立即响应，而是在提供有效呼吸之前需要短的指令。整个时序在15秒之后完成。

Claims (15)

1.呼吸测试系统，包括：
传感器单元(5)，所述传感器单元被构造以检测在流动通过预定的入口区域(4)的空气流中存在的挥发性物质的存在性和/或浓度，并且产生对应于所述挥发性物质的浓度的信号；
设备(2、3)，所述设备被构造以记录在所述入口区域(4)附近的位置处人员的存在性，并且具有用于记录所述人员的存在性的记录器件，所述设备还被构造以通过递送输出而响应于所述人员的存在性，所述设备包括：
i)被构造以根据对所述人员的存在性的所述记录而要求以及引导所述人员即时注意的单元，所述单元包括位于所述入口区域(4)紧邻附近的视听单元(3)；以及
ii)被构造以向所述人员提供指令来引导呼出空气流向所述入口区域(4)的单元；
分析器(10)，所述分析器用于测定所述人员的呼吸物质浓度，所述测定是基于对应于所述挥发性物质的浓度的所述信号的。
2.根据权利要求1所述的呼吸测试系统，其中，所述传感器单元包括：第一传感器元件(8)，所述第一传感器元件提供对应于所述空气流中的所述挥发性物质的浓度的第一信号；以及第二传感器元件(7)，所述第二传感器元件提供对应于所述空气流中的例如二氧化碳的示踪物质的浓度的第二信号，所述测定考虑所述示踪物质的浓度。
3.根据权利要求1或2所述的呼吸测试系统，其中，所述挥发性物质是丙酮、乙醛、甲醇、乙醇、一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、异戊二烯、氨、硫化氢、甲硫醇、乙酸乙酯、二甲醚、二乙醚、苯、甲苯、甲基乙基酮或甲基异丁基酮或它们的组合。
4.根据权利要求1、2或3所述的呼吸测试系统，其中，所述传感器单元(5)的响应时间小于1秒。
5.根据前述任意一项权利要求所述的呼吸测试系统，其中，所述设备(2、3)包括：具有扩音器元件的记录器件(2)、和通过声音识别而进行识别的识别器件，并且其中，所述设备还包括照相机或其它光学检测器以及用于通过图像分析、条形码读取或生物统计而进行识别的识别器件。
6.根据前述任意一项权利要求所述的呼吸测试系统，其中，所述第一传感器元件和第二传感器元件二者是基于处于预定波段内的物质的特定红外吸收性的，例如对于乙醇而言波段为9.1-9.9μm，对于CO2而言波段为4.2-4.3μm。
7.根据前述任意一项权利要求所述的呼吸测试系统，包括用于将空气从所述入口区域(4)主动传输至所述传感器单元和出口的例如风扇或泵(9)的器件。
8.根据前述任意一项权利要求所述的呼吸测试系统，其中，所述注意由与表示所述呼吸测试的特定符号或图标相组合的协同的闪光、指向性的声音而引起。
9.根据前述任意一项权利要求所述的呼吸测试系统，其中，所述指令由口头或作为文本信息而逐步地提供，并且详细程度随时间而增加。
10.根据前述任意一项权利要求所述的呼吸测试系统，其中，提供了用于通信文本信息、符号信息、图标信息或图像信息的显示器、或者用于通信已记录的语音信息或象征性声迹的扩音器。
11.根据前述任意一项权利要求所述的呼吸测试系统，其中，所述测定还取决于质量标准以及低于预定上限的所述第一信号和第二信号的背景变化，所述质量标准例如为超过阈值的示踪气体浓度。
12.根据前述任意一项权利要求所述的呼吸测试系统，其中，所述呼吸测试系统集成在车厢中或者车间或建筑物的入口中。
13.根据前述任意一项权利要求所述的呼吸测试系统，其中，在专心的有经验人员的情况下，所述呼吸测试系统的总测试时间不超过5秒。
14.根据前述任意一项权利要求所述的呼吸测试系统，其中，出于保护性目的，提供了电容电子元件和电感电子器件，并且其中，第一传感器元件和第二传感器元件(7、8)及其相关的模拟输入级配置有差动前置放大器，以抑制常规模式干扰的影响。
15.根据前述权利要求2-14中任一项所述的呼吸测试系统，所述呼吸测试系统限定在待安装于墙上的盒子内，使得记录器件(2)、视听单元(3)以及入口区域(4)位于盒子的一侧，并且由此可通过墙中的孔而接近所述记录器件、视听单元以及入口区域。
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