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1. Bezeichnung des Gegenstands
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Bei
dem Gegenstand des Gebrauchsmusters handelt es sich um ein gegenüber dem
Stand der Technik äusserst
kompakt gebautes Gerät,
mit dessen Hilfe der Gehalt an Alkohol oder anderer berauschender
und betäubender
Substanzen im Blut, oder andere Inhaltsstoffe in sonstigen Flüssigkeiten,
durch Anwendung einer ATR-interferometrischen Messmethode spektral
hochauflösend
bestimmt werden können,
ohne dass hierzu Blut bzw. eine andere Flüssigkeitsprobe für die Analyse
entnommen oder ein direkter Kontakt des Messsensors zur entsprechenden Flüssigkeit
oder den Inhaltsstoffen hergestellt werden muß.
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Die
somit gewonnenen Messwerte können, neben
anderem, zu einer Überprüfung des
Alkoholgehalts im Blut eines Fahrzeugführers und daraus folgernd zur
Auslösung
einer Start- und Fahrsperre für
das entsprechende Fahrzeug verwendet werden.
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2. Beschreibung des Gerätes
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2.1 Klassifizierung des Gerätezwecks
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Die
Zweckbestimmung des neuartigen Messsystems ist die unmittelbare,
qualitative und quantitative, quasi zeitverzugsfreie, hochspezifische Identifizierung
natürlicher
und synthetischer Flüssigkeiten,
sowie die Ermittlung der chemischen und physikalischen Zusammensetzung
der Inhaltsstoffe und deren Konzentration durch Messung spektraler
Signaturen. Die zur Anwendung gebrachte Messmethode gehört zur Kategorie
der sogenannten aktiven Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind,
dass das Messobjekt, also die Flüssigkeit,
mit Strahlung einer bestimmten Eigenschaftsausprägung direkt oder indirekt beaufschlagt
wird und diese mit dem Messobjekt in Wechselwirkung tritt. Aus den
sich dabei ergebenden Änderungen
der Strahleigenschaften können
die charakteristischen Parameter des Messobjekts und der Inhaltsstoffe
abgeleitet werden.
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Bei
dem Erfindungsgegenstand handelt es sich um ein Gerät, bei dem
der Messsensor nicht notwendigerweise mit der zu vermessenden Flüssigkeit und
den Inhaltsstoffen in direkten physischen Kontakt gebracht werden
muß, denn
prinzipiell lassen sich die Art der Flüssigkeit und deren Inhaltstoffe
unter bestimmten Voraussetzungen auch durch eine Trennwand hindurch
bestimmen.
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Für die Anwendung
sowohl der physisch kontaktierenden als auch der physisch nicht-kontaktierenden
Messmethode muß weder
das Messverfahren noch der grundlegende Aufbau des Messgerätes verändert werden.
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Für den Anwendungsfall
der Blutalkoholbestimmung sind die Anwendung des Messverfahrens und
die Messmethodik so konfiguriert, dass eine eindeutige Zuordnung
der Messwerte zu einer bestimmten Person in einem Fahrzeug, zweckmäßigerweise dem
Führer
eines Fahrzeugs, vorgenommen und die bewusste oder unbewusste Zuordnung
der Messwerte zu einer anderen Person im Fahrzeug ausgeschlossen
wird.
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2.2 Stand der Technik
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Grundsätzlich ist
die derzeit am häufigsten angewandte
Methode zur Ableitung des Gehalts an Blutalkohol aus dem Gehalt
des Alkohols in der Atemlust durch folgende Unstimmigkeiten gekennzeichnet:
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A: Substanz- und reaktionsspezifische
Gründe:
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- 1. die Messsensoren zur Bestimmung des Alkoholgehalts
in der Atemluft können
die Moleküle des
Trinkalkohols (Ethylalkohol) nicht eindeutig von Molekülen ähnlicher
Struktur und Reaktivität, die
ebenfalls in alkoholischen Getränken
vorhanden sind, unterscheiden. Damit ist bereits die Mengenangabe
zum Anteil des Ethylalkohols in der Atemluft unspezifisch und damit
unzuverlässig;
- 2. Diabetiker und auf Diät
gestellte Personen weisen den hundert- bis tausendfachen Acetonwert in
ihrer Atemluft auf. Aceton ist eine der Substanzen, die spektral
fälschlicherweise
bevorzugt als Ethylalkohol in der Atemluft ausgewiesen wird;
- 3. Substanzen aus der Umgebung der Bezugsperson können fälschlicherweise
ebenfalls als Ethylalkohol in der Atemlust ausgewiesen werden. Hierzu
gehören
Stoffbeimengungen zu Lacken und Farben bzw. zu Farblösemitteln,
Reinigungsflüssigkeiten
(insbesondere Äther),
einige (nichtkonsumierbare) Alkohole und weitere natürliche und
synthetische äolische
Substanzen;
- 4. bei der Ausweisung des Alkoholanteils im Blut aus dem Alkoholanteil
in der Atemluft wird ein konstantes Verhältnis von 2100 zu 1 des Alkoholanteils
im Blut zu jenem in der Atemluft angenommen. Dieses Verhältnis schwankt
Personen- und zeitabhängig
und führt
damit zu signifikanten Fehleinschätzungen des wirklichen Alkoholgehalts
im Blut;
- 5. eine der hauptsächlichsten
Fehlerfaktoren stellt die Annahme dar, dass der Alkohol in der Atemluft ausschließlich aus
den Alveolen der Lunge stammt und damit repräsentativ für den Alkoholgehalt des Blutes
ist. Alkohol kann jedoch, neben anderem, auch aus biochemischen
Prozessen im Mund, in der Kehle und im Magen stammen. Die größte Fehlerquelle
stellt in diesem Zusammenhang der Mundalkohol dar, da er nicht notwendigerweise
aus metabolischen Prozessen im Körper
stammt und deshalb auch keinen Beitrag zum Blutalkoholgehalt leistet;
- 6. eine häufige
Ursache des Mundalkohols stellt die Eructation von Magengasen dar.
Bei diesem kurzzeitigen Aufstoßen
wird die im Magen angestaute Gasmenge über den Mund freigesetzt. Diese
Gasmenge weist wegen der vorangegangenen Ansammlung im Magen einen
erheblichen, aber für
den Blutalkohol nicht repräsentativen,
Alkoholgehalt auf. Aber auch ohne die Eructationsmenge kann durch
den in der Mundluft festgestellten Alkoholgehalt kein Rückschluss
auf den Alkoholgehalt des Blutes gezogen werden.
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B. Geräte-
und verfahrenstechnische Gründe:
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- 1. Bei dem Verfahren zur Ableitung des Blutalkohols
aus der Atemluft wird zumeist eine Art Auffänger oder Atemmaske zur Sammlung
der Atemluft verwendet. Dabei kann nicht sichergestellt werden,
dass die Atemluft wirklich vom Fahrzeugführer und nicht von einer anderen
Person im oder außerhalb
des Fahrzeugs stammt;
- 2. Zur Sicherstellung, dass die verwendete Atemluft vom Führer des
Fahrzeugs stammt, müsste die
Auffangvorrichtung für
die Atemluft so angebracht sein, dass jeweils nur sie und nicht
eine andere Person im Fahrzeug diese Auffangvorrichtung verwenden
kann;
- 3. Es muß sichergestellt
werden, dass die Person, an der die Messung vorgenommen wird, identisch ist
mit jener, die das Fahrzug startet und führt. Dies erfordert, dass der
Führer
des Fahrzeugs die Atemmaske permanent trägt. Eine solche Maßnahme stellt
jedoch eine unzumutbare Belästigung
und eine Behinderung bei der Führung
des Fahrzugs dar.
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2.3 Neuheit des Verfahrens und des Gerätes
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Das
hier behandelte neuartige Bestimmungssystem kombiniert die grundlegenden
Funktionsprinzipien eines ATR-Elements (ATR = Attenuated Total Reflection,
Abgeschwächte
Totalreflektion) mit einer Funktionseinheit zur Erhöhung des
radiometrischen Auflösungsvermögens. Durch
eine geeignete technische Auslegung des Interferometers wird dabei
eine kompakte Bauweise des Gesamtgerätes erreicht. Zudem lässt sich
durch die Geräteauslegung
und die Gerätehandhabung
eine Zuordnung der Messwerte zu einer bestimmten Person sicherstellen.
Diese Unterbindung der Austauschbarkeit der Bezugsperson wird durch
die spezielle Auslegung der Messvorrichtung und durch Vergleich
der mit dieser Referenzperson initial ermittelten personenspezifischen
Messgrößen verhindert.
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Durch
die für
das ATR-Element charakteristische Totalreflektion tritt kein Energieverlust
beim Messstrahl auf dem Weg vom Eintritt bis zum Austritt aus dem
Messobjekt auf. Es werden lediglich die auf Anregung der Substanzmoleküle beruhenden
wellenlängen-
und stoffspezifischen Anteile (im Evaneszenzfeld der Strahlung)
absorbiert. Aus den dergestalt teilweise oder vollständig absorbierten
Wellenlängenanteilen
kann auf die Art der Flüssigkeit
(also z. B. Blut), deren Zusammensetzung, deren Inhaltsstoffe (so
z. B. Alkohol) und deren Konzentration geschlossen werden.
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Ein
signifikanter Vorteil der Messstrahlführung durch ein ATR-Element
besteht auch darin, dass selbst bei starker Hintergrundabsorption
der Messstrahlung (z. B. durch Inhaltsstoffe oder Kontamination
der Objektoberfläche)
keine Minderung oder Verfälschung
des Messsignals eintritt.
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Durch
geeignete Führung
und Modulation wird der Strahl befähigt, auch Trennwände weitgehend
ungedämpft
zu durchdringen, mit der darunter liegenden Flüssigkeit und deren Inhaltsstoffen
in Wechselwirkung zu treten, und ungedämpft wieder zum ATR-Element
zurückzukehren.
Dabei werden lediglich die für
bestimmte Stoffe charakteristischen Strahlungsanteile energetisch
gemindert. Die Haut erfüllt
die Voraussetzung für
einen ungedämpften Durchgang
der Messstrahlung.
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Dies
bedeutet, dass eine zuverlässige
Messwertbestimmung selbst bei einer so spezifischen Substanz wie
z. B. Alkohol trotz der personenspezifisch unterschiedlichen Eigenschaften
der Hautoberfläche
und der Hautstruktur durch die Haut hindurch möglich ist.
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Zur
Steigerung der Sicherheit bei der Zuordnung und damit auch der Nichtaustauschbarkeit
der Referenzpersonen können
auch die gemessenen Spektralwerte des Blutes und deren Inhaltsstoffe
und gegebenenfalls andere physische Spektralsignaturen herangezogen
werden. Das Blut, die Körperoberfläche und
einige Körperflüssigkeiten
enthalten eine Vielzahl von personenspezifisch natürlich vorhandenen
oder zugeführten
Substanzen, die mit dem hier vorgestellten Verfahren mit genügender Genauigkeit gemessen
und damit zur Identifizierung und Diskriminierung von Personen verwendet
werden. Es handelt sich hierbei um Spektralsignaturen, deren Messung keinen
störenden
Einfluss bei der Bestimmung der Signaturen der Blutinhaltsstoffe
ausüben.
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Durch
die Verwendung des ATR-Elements können die spektroskopischen
Eigenschaften über den
gesamten Wellenlängenbereich
hinweg oder in einem Ausschnitt davon untersucht werden. Damit wird
jedoch nicht gleichzeitig die für
eine Detailidentifizierung der Messsubstanz und der Inhaltsstoffe
erforderliche hohe spektrale Auflösung einzelner spektraler Signaturen
erreicht.
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Die
Bestimmung einer Vielzahl von Substanzen – neben dem Alkohol – erfordert
zweckmäßigerweise
ein erhöhtes
spektrales Auflösungsvermögen, da
zumeist erst die spektralen Feinstrukturen einzelner Substanzen
eine erhöhte
Unterscheidbarkeit und Eindeutigkeit gewährleisten.
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Zur
Steigerung des spektralen Auflösungsvermögens über den
gesamten erforderlichen Wellenlängenbereich
oder einen Teilbereich davon wird die aus dem ATR-Element austretende
Strahlung in eine Vorrichtung in Anlehnung an die Funktionsweise eines
Interferometers verwendet.
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2.4 Fahrzeugspezifische Aspekte
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Durch
Kombination des ATR-Elements mit dem kompakten Interferometer wird
eine weitgehend störungsfreie
hochauflösende
Messung spektraler Signaturen von Alkohol und anderen Inhaltstoffen, wie
z. B. Rauschmittel und Medikamenten und auch von Metaboliten ohne
Entnahme einer Blutprobe in Echtzeit und gegebenenfalls permanent
ermöglicht. Damit
erweist sich das Messverfahren als besonders geeignet für eine direkte
verzugszeitfreie Verwendung zur Feststellung von Alkohol und anderen
Betäubungs-
und Rauschmitteln bei den Führern
von Kraftfahrzeugen.
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Um
für die
praktische Überwachung
der durch Alkohol, Rauschmittel oder Medikamente in ihrem Verhalten
beeinträchtigten
Führer
eines Fahrzeuges nützlich
und justitiabel zu sein, ist eine eindeutige Zuordnung der gemessenen
Blutwerte zum Führer
des Fahrzeuges erforderlich.
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Aus
den oben geschilderten Gründen
ist die Nutzung der Atemluft zur Feststellung des relevanten Alkoholgehalts
des Blutes nicht zweckmäßig. Zudem ist
mit dem dafür
verwendeten Gerät
nicht sichergestellt, dass es sich hierbei wirklich um die Atemluft des
Fahrzeugführers
und nicht um jene einer Begleitperson handelt.
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Eine
entsprechende Prüfung
muß deshalb folgendermaßen erfolgen:
- a) es muß sichergestellt
werden, dass bei Feststellung des Alkoholgehalts im Blut des Fahrzeugführers der
Fahrzeugmotor nicht unmittelbar gestartet werden kann, und
- b) es muß sichergestellt
werden, dass nach einem eventuell erfolgten Start des Fahrzeugmotors (durch
eine andere Person) keine alkoholisierte Person die Führung des
Fahrzeugs übernimmt und
fortsetzt.
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Aus
diesen Anforderungen ergibt sich die Notwendigkeit, dass die gemessenen
Blutwerte eindeutig der im Führersitz
des Fahrzeugs befindlichen Person und nicht einer anderen im oder
ausserhalb des Fahrzeug anwesenden Person zugeordnet werden können.
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Dies
wird dadurch erreicht, dass die Signal- und Energieleitungen dergestalt
zum Sitz des Fahrzeugführers
angeordnet sind, dass sie die Feststellung des Blutalkohols nur
für die
Person im Sitz des Fahrzeugführers
und keine andere Person zulassen.
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Die
hier vorgestellte Geräteauslegung
erfüllt die
dafür erforderlichen
Voraussetzungen.
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Für eine verkehrstechnische
Anwendung ist es erforderlich, sicherzustellen, dass die Messung der
Blutinhaltsstoffe an der Person des Fahrzeugführers und nicht an einer anderen
Person vorgenommen wird. Als geeignete Messstelle bieten sich in
diesem Zusammenhang die Handinnenflächen, die Daumenkuppe und die
Kuppen der Fingerspitzen beider Hände an.
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Beim
normalen Vorgang der Fahrzeugführung
umfasst der Führer
des Fahrzeugs das Lenkrad mit beiden Händen dergestalt, dass die Handinnenfläche, der
Daumen- und die Fingerkuppen mit dem Lenkrad in Berührung kommen.
Im Normalfall bleiben die Hände
während
fast der gesamten Dauer der Fahrzeugführung in dieser Position. Der
zur Fahrzeugführung
auf die Lenkradoberfläche
ausgeübte Druck
der Handinnenfläche,
des Daumens und der Fingerkuppe sichern einen ausreichenden Kontakt zur
Oberfläche
des Lenkrads und gewährleisten
damit auch die für
die Messungen erforderliche Schlüssigkeit
zwischen den Oberflächen
der Haut und dem Lenkrad.
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Die
Messung der Inhaltsstoffe des Blutes erfolgt mit Hilfe einer oder
mehrerer Messstrahlen bestimmter Wellenlängen, bestimmter Polarisation
und bestimmter Strahlungsdauer. Die Wellenlängen werden dabei so gewählt, dass
sie bei den zu bestimmenden Substanzen stoffspezifische Energiezustände anregen
und es dadurch zu wellenlängenabhängigen stoffspezifischen
Absorptionen der Messstrahlung kommt. Aus diesen charakteristischen
Spektralsignaturen und deren Intensitätsausprägung kann auf das Vorhandensein
bestimmter Substanzen und deren Konzentration in der Flüssigkeit,
hier im Blut, geschlossen werden.
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Generell
dringt die auf die Hautoberfläche aufgebrachte
Messstrahlung bis zu einer gewissen Tiefe ein; sie wird aber subcutan
so stark diffus gestreut, dass nur ein geringer Anteil der Strahlung
wieder aus der Hautoberfläche
austritt. Zudem weist die zurückkehrende
Strahlung einen hohen Anteil statistischer Störanteile auf. Die Folge ist
ein schwaches, unspezifisches und zeitlich instabiles Messsignal.
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Die
nachteiligen Wirkungen infolge einer zu geringen Strahlungsleistung
und eines zu hohen Störanteils
können
durch die Verwendung eines oder mehrerer ATR-Elemente weitgehend
behoben werden.
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Für die messtechnische
Gestaltung werden eine oder mehrere ATR-Elemente an jenen Stellen des
Lenkrads oberflächennah
angebracht, an denen der Führer
des Fahrzeugs das Lenkrad im Normalfall zur Führung des Fahrzeugs umfasst.
Die Form der Lenkradoberfläche
kann gegenüber
der gängigen Oberflächenform
im wesentlichen beibehalten werden.
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Die
Erzeugung der Messstrahlung erfolgt durch eine oder mehrere Strahlungsquellen,
die im Lenkrad untergebracht sein können. Die emittierte Strahlung
wird dabei durch geeignete Strahlführung so in die ATR-Elemente
eingeleitet, dass sie danach an der Kontaktstelle zwischen dem ATR-Element
und der Hautoberfläche
mehrfach mit der Haut in Wechselwirkung tritt und dadurch ein ausgeprägt störungsarmer
Strahlengang erzeugt wird. Nach Austritt der Strahlung aus dem ATR-Element
wird diese Strahlungssignatur erfasst und anschließend ausgewertet.
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Das
so erhaltene Messsignal ist dabei so energiereich, dass das Vorhandensein
und die Konzentration einer Vielzahl von Inhaltsstoffen im Blut
(oder in anderen Flüssigkeiten)
aus den Strahlungseigenschaften abgeleitet werden kann.
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Um
sicherzustellen, dass die ermittelten Messwerte vom Führer des
Fahrzeugs stammen, werden die Messungen gleichzeitig an beiden Händen vorgenommen.
Zu diesem Zweck werden zwei analog ausgeführte Flächenbereiche am Lenkrad eingerichtet,
die sich an jenen Orten am Lenkrad befinden, das der Führer das
Lenkrad zur Führung
des Fahrzeugs umfasst.
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Durch
Vergleich der Messwerte aus beiden Messstellen wird sichergestellt,
dass die Messungen von einer Person stammen.
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Bei
Erfüllung
der Voraussetzungen an einen zulässigen
Alkoholgehalt des Blutes beim Fahrzeugführer wird die Anlasssperre
für den
Motor freigegeben, und der Motor kann angelassen werden. Beim Vorliegen
einer Notfallsituation kann diese Sperre nach mehrmaligen erfolglosen
Startversuchen durch eine bewusst ausgeführte Überbrückung der Startsperre freigegeben
werden.
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Um
zu vermeiden, dass die Freigabe des Motorstarts auf der Basis der
Messwerte einer nüchternen
Person erfolgt, aber eine alkoholisierte Person danach für die Fahrzeugführung den
Sitz des Fahrzeugführers
einnimmt, ist es erforderlich, die Messung nach dem Start des Motors
in der gleichen Art wie vor dem Start des Motors fortzusetzen.
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Nimmt
nach dem Start des Motors eine andere (alkoholisierte) Person den
Sitz des Fahrzeugführers
ein, so wird dies unverzüglich
durch die dann ermittelten Abweichungen der Messwerte offensichtlich.
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Ein
entsprechender Vergleich muß zweckmäßigerweise
auch bei jedem Wechsel des Besetzers des Fahrzeugführersitzes
durchgeführt
werden.
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Wird
dabei ein bedenklicher Wert des Blutalkoholgehalts festgestellt,
dann sind entsprechende Maßnahmen
zur Unterbindung der Fahrzeugbewegung und der Fahrzeugführung durch
die auffällige Person
einzuleiten.
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Unter
zusätzlicher
Verwendung eines Startknopfes, der ebenfalls zur Messung der Konzentration
des Blutalkohols (oder einer anderen relevanten Substanz im Blut)
nach dem gleichen Messprinzip unter Verwendung von ATR-Elementen
ausgerüstet ist,
kann folgende Überwachungsprozedur
durchgeführt
werden:
- a) der Fahrzeugführer fasst vor Inbetriebnahme des
Motors das Lenkrad mit beiden Händen
an der vorgeschriebenen Stelle. Dabei werden die Konzentrationswerte
relevanter Inhaltsstoffe des Blutes festgestellt und die Messwerte
beider Hände
getrennt gespeichert;
- b) der Fahrzeugführer
löst eine
Hand vom Lenkrad und drückt
den Startknopf. Dabei werden die Blutwerte gleichzeitig mit Hilfe
eines mit dem Startknopf verbundenen Sensors gemessen. Auch dieser
Wert wird gespeichert;
- c) die drei Messwerte, zwei von den Messstellen am Lenkrad und
eine vom Startknopf, werden miteinander verglichen und damit wird
auch überprüft, ob die
das Lenkrad umfassende Person identisch ist mit jener, die den Startknopf
gedrückt hat;
- d) der Fahrzeugführer
umfasst das Lenkrad wieder mit beiden Händen. Dabei werden die Konzentrationswerte über die
beiden Messstellen am Lenkrad bestimmt und untereinander und mit
jener vom Startknopfsensor verglichen. Damit wird festgelegt, ob
es sich um die gleiche Person handelt, die zunächst das Lenkrad umfasste,
dann den Startknopf drückte
und anschließend
wieder das Lenkrad umfasste, um den Führungsvorgang einzuleiten und
fortzusetzen;
- e) während
der Führung
des Fahrzugs werden die Messungen über die Lenkradsensoren fortgesetzt uns
kontinuierlich ausgewertet; Bei Vorliegen der jeweiligen Messergebnisse
werden entsprechende Maßnahmen
getroffen, die entweder den Start des Motors oder die Bewegung des
Fahrzeugs verweigern.
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3. Leistungsfähigkeit
des Gerätes
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Der
wesentliche Unterschied bei der Anwendung dieses neuen Gerätes im Gegensatz
zu einem Gerät
unter Verwendung von Atemluft besteht darin, dass bei ersterem der
Alkoholgehalt des Blutes und bei letzterem nur jener in der Atemluft
bestimmt wird.
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Die
Alkoholkonzentration im Blut hängt
im Gegensatz zu jenem in der Atemluft jedoch unmittelbar mit der
Fähigkeit
zur Führung
eines Kraftfahrzeugs zusammen und sie kann deshalb im Hinblick auf
die Zweckbestimmung der Messung als relevant und damit auch als
für eine
justitiable Verwendung geeignet bewertet werden.
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Zudem
bietet das neue Gerät
auch noch die Möglichkeit,
andere Blutinhaltsstoffe ausser Alkohol zu bestimmen und deren Konzentration
zu quantifizieren. Beispiele relevanter Substanzen sind eine Vielzahl
von Medizin-, Rausch- und Betäubungsstoffen,
die die Befähigung
der Fahrzeugführer
in einschränkender
Weise beeinflussen können.
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Zu
diesen Substanzen gehören
vor allem auch der Blutzucker und Stoffe, die als natürliche körperspezifische
Indikatoren für
Stress und Müdigkeit auftreten.
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Durch
die Vielzahl der gleichzeitig bestimmbaren Inhaltsstoffe des Blutes
ist es möglich,
auch mit der Alkoholaufnahme und dem Alkoholmetabolismus zusammenhängende Substanzen
zu identifizieren und daraus die Ursache für auffälliges Wahrnehmungs- und Reaktionsvermögen des
Fahrzeugführers
aufzudecken.
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Die
zur Identifizierung der einzelnen Substanzen idealtypisch auftretenden
spektralen Signaturen werden ex-vivo spektral bestimmt und in digitaler
Form im Gerät
abgespeichert. Durch Methoden der Statistik und Signalauswertung,
insbesondere durch Anwendung überwachter
und nichtüberwachter
Verfahren der hierarchischen Klassifikation werden die Einzelsubstanzen
und deren Konzentration bestimmt und deren Vorhandensein im Blut
zeitgleich dargestellt. Mit dieser gesamtheitlichen Darstellung lassen
sich gegenseitig verstärkende
physiologische Wirkungen ableiten, was bei Betrachtung von nur einem
oder nur wenigen Wirkstoffen nicht schlüssig und nicht umfassend möglich wäre.
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Die
gesamtheitliche, über
den Alkoholeinfluss hinausgehende Wirkungsdarstellung ergibt einen
umfassenderen Einblick in die Ursachen eines bestimmten Führungsverhaltens
als dies durch isolierte Bewertung nur einer, dem Alkohol, oder
weniger anderer Substanzen möglich
wäre. So
könnte sich
z. B. der Fall der erhöhten
Fahruntüchtigkeit
bei zwar geringer Einnahme von Alkohol, aber zusätzlich zeitnaher Einnahme von
Medikamenten oder sonstigen Rausch- und Betäubungsmitteln ergeben. Durch die
Nachprüfung
nur allein des Alkoholgehalts im Blut könnten eventuell die Wechselwirkungseinflüsse auf das
Führungsverhalten
nicht aufgedeckt und erklärt werden.
Zudem lassen sich durch Messungen über einen bestimmten Zeitraum
hinweg auch die Historie der auf das Führungsverhalten einwirkenden
Einflussgrößen und
deren zeitlichen Veränderungen,
z. B. durch metabolische Reaktionen, nachweisen und nachvollziehen.
Durch digitale Aufzeichnung können derartige
Nachweise von signifikanter justitiabler Bedeutung sein.
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Die
Bestimmung der Blutinhaltsstoffe erfolgt unter Verwendung von Strahlung
in jenen Wellenlängenbereichen,
die relevant für
die spektralen Signaturen der zu identifizierbaren und der zu diskriminierbaren
Stoffe sind. Bevorzugt werden dabei die Wellenlängen im Nahen Infrarot-Bereich
zwischen etwa 1 μm
und etwa 3 μm
verwendet.
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4. Aufbau des Gerätes
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4.1 Die Messvorrichtung im Lenkrad (1)
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- besteht aus den im folgenden aufgeführten Funktionseinheiten.
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Neben
den im einzelnen aufgeführten
Komponenten gehören
zu diesem Gerät
- – elektronische
Komponenten zur Aufbereitung und Auswertung der erfassten Strahlungsinformationen;
- – Komponenten
zur Steuerung und Überwachung der
Gerätefunktionen
und zur Durchführung
der Mess-, Aufbereitungs- und Auswerteprozesse.
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4.1.1 Die Strahlenquellen
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Zur
Erfüllung
der Messaufgabe ist es erforderlich, Strahlung über einen bestimmten Wellenlängenbereich,
bevorzugt im Nahen Infrarotbereich, lückenlos mit genügend hoher
Energiedichte zur Verfügung
zu stellen.
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Als
Strahlungsquelle begrenzter Bandbreite können Dioden, als Strahlungsquelle
für eine
ausgeweitete Bandbreite können
Schwarzkörper-Strahler verwendet
werden.
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4.1.2 Selektive Verwendung der optischen
Elemente
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Wegen
der unterschiedlichen Weisen der Strahlungswechselwirkung mit den
Materialien der optischen Bauelemente werden verschiedene Elemente
jeweils selektiv eingesetzt, fallweise auch unter Umgehung von nicht
benötigten
optischen Komponenten.
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4.1.3 Verbindung von Strahlenquelle zum
Spektralteiler
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Entlang
der Ausbreitungsrichtung der Strahlung wird mit Hilfe optischer
Elemente eine Konzentration der Strahlungsdichte und eine Anpassung
des Strahlungsquerschnitts zum Zwecke der Einleitung in das Dispersionselement
vorgenommen.
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4.1.4 Der Spektralteiler
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Mit
Hilfe eines Spektralteilers (z. B. eines Dispersionsprismas) wird
eine Aufteilung der Strahlung in ihre Spektralanteile vorgenommen
zum Zwecke der selektiven Verwendung einzelner begrenzter Spektralanteile
aus der Gesamtspektrum der Strahlung.
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4.1.5 Umlenkspiegel
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Der
Umlenkspiegel dient zur Ablenkung eines selektiven Spektralanteils
oder des gesamten Strahlspektrums in Richtung auf eine Blendenöffnung.
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4.1.6 Blendenöffnung
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Zwischen
Umlenkspiegel und dem Strahlpulserzeuger ist ein optisches Element
zur Strahlformgebung eingebracht.
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4.1.7 Strahlpulserzeuger
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Mit
Hilfe eines Strahlpulserzeugers wird die Strahlkontinuität zeitweise
für eine
bestimmte Zeitdauer unterbrochen. Die Zeitdauer der Unterbrechung
und die Zeitdauer der ungehinderten Strahlausbreitung ist variabel
bestimmbar.
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4.1.8 Vor-Polaristor
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Vor
Eintritt des Strahls in das ATR-Element wird dieser entweder in
einer zufallspolarisierten Ausprägung
belassen oder ihm ein spezifischer Polarisationsmodus aufgeprägt.
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4.1.9 Parallelstrahl-Multiplikator
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Um
die nur ungefähr
auf die ATR-Fläche platzierten
Hautoberflächen
der Handinnenseite, der Daumen- und der Fingerkuppen auf jeden Fall
mit Strahlung zu beaufschlagen, ist es erforderlich, gleichzeitig
mehrere Strahlenzüge
versetzt zueinander unter einem definierten Einstrahlwinkel für jede der
ausgewählten
Wellenlängen
in das ATR-Element einzubringen. Mit Hilfe des Parallelstrahl-Multiplikators erfolgt
eine Aufteilung des Strahlenganges in einzelne Parallelstrahlen,
die jeweils unter gleichem oder unterschiedlichen Winkel in die
Einstrahlfläche des
ATR-Elements eingeleitet werden.
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4.1.10 ATR-Prisma und Probenkontaktbereich
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Mit
Hilfe eines ATR-Elements tritt die Strahlung mit der Hautoberfläche in Wechselwirkung.
Zu diesem Zweck wird das Probenmaterial entweder direkt mit dem
Prisma in Kontakt gebracht oder von diesem durch ein für die Messstrahlung
transparentes, am Lenkrad angebrachten, Material abgesetzt.
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Tritt
ein Strahl an einer Stelle so aus dem ATR-Prisma so aus, an der
keine Wechselwirkung mit der Hautoberfläche sondern mit der umgebenden Luft
erfolgt, dann findet auch keine Rückkehr dieses Teilstrahls in
das ATR-Prisma statt und damit ist dieser Teilstrahl für den Messvorgang
verloren.
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Die
nach Wechselwirkung mit der Messprobe nicht absorbierten Strahlungsanteile
treten an dem der Eintrittsfläche
entgegengesetzten Ende des ATR-Elements aus.
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4.1.11 Nach-Polarisator
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Nach
Verlassen des ATR-Elements tritt der Strahl in eine Vorrichtung
ein, die nur Strahlanteile mit einer bestimmte Polarisationsausprägung passieren
läßt.
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4.1.12 Kompaktinterferometer
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Das
Kompaktinterferometer (2 und 3) besteht
aus einem Tubus mit beweglichen Zylindern an einem Ende und einem
fest fixierten Zylinder am anderen Ende.
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Der
von einem externen Strahlteiler abgelenkte Strahl wird durch eine Öffnung auf
der fixierten Zylinderseite eingeleitet. Innerhalb des Zylinders
befinden sich an den Endzylindern mehrere Reflektionsspiegel dergestalt
angeordnet, dass der eintretende Strahl zunächst auf einen anderen Reflektionsspiegel
am beweglichen Endzylinder und von dort auf einen am fixierten Zylinder
angebrachten Reflektionsspiegel gelenkt wird. Weitere Reflektionsspiegel sind
an den beiden Zylinderenden so angebracht, dass der Strahl einerseits
zwischen den Zylindern hin und her reflektiert wird, aber gleichzeitig
an den Zylindern durch die Reflektionsspiegeln so abgelenkt wird,
dass er an den beiden Zylinderperipherien einen inkremental gegliederten
Umlauf ausführt.
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Diese
Richtungsumkehr des Strahls und die Fortsetzung des peripheren Strahlumlaufs
durch Reflektionsspiegel an der fixierten oder der beweglichen Abschlusswand
wird mehrfach wiederholt.
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Die
letzte Richtungsänderung
des Strahls an der beweglichen Abschlusswand dient dazu, den Strahl
wieder zur Strahleintrittsöffnung
zurückzureflektieren.
Durch diese Öffnung
tritt der Strahl schließlich
in Richtung auf den Strahlteiler wieder aus. Der in den Zylinder
eintretende und der aus dem Zylinder austretenden Strahls wird dabei
so geführt, dass
sich zur Erhöhung
des spektralen Auflösungsvermögens geeignete
Interferenzerscheinungen einstellen.
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Wegen
der mehrfachen Richtungsänderung des
Strahls zwischen den beiden Abschlusswänden wird eine Weglängenvergrößerung zwischen
Strahleintritt und Strahlaustritt erreicht, die über die Weglängen bei
konventionell ausgelegten Interferenzeinheiten gleicher Baulänge hinausgeht.
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Durch
diese Strahlführung
ergibt sich bei verhältnismäßig geringer
Baulänge
des Kompaktinterferometers eine signifikante Erhöhung der Interferenzlänge und
des spektralen Auflösungsvermögens, das damit
weit über
das Auflösungsvermögen bei
(konventioneller) Einfachreflektion und der damit erforderlichen
großen
Bewegungslänge
des Spiegelelements und damit Baulänge des Interferometers hinausgeht.
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Der
durch die Eintrittsöffnung
austretende Lichtstrahl durchquert den externen Strahlteiler zur weiteren
Verwendung, z. B. zur Vermessung der Strahleigenschaften.
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4.1.13 Strahlungsmessung durch Sensorelemente
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Nach
Austritt der Strahlung aus dem genannten Kompaktinterferometer und
nach Durchtritt oder ohne Durchtritt durch die dazugehörenden peripheren
optischen Elemente wird die Strahlung einem oder mehreren Sensorelementen
zugeführt
und deren Intensität
wellenlängenabhängig erfasst.
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Die
Art der verwendeten Sensorelemente wird dabei durch die Wellenlänge der
Strahlung und weitere Strahlungsparameter wie Polarisation und Pulsung
bestimmt.
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4.1.14 Unterbringung des Messgerätes
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Das
Messgerät
befindet sich für
die linke und die rechte Hand, also in zweifacher Ausführung im Lenkradkranz
untergebracht, wobei der Interferometerteil in der Speiche des Lenkrads
platziert werden kann.
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4.2 Die Messvorrichtung im Startknopf
(1)
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4.2.1 Die Komponenten des Geräts
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Neben
den im einzelnen aufgeführten
Komponenten gehören
zu diesem Gerät
- – elektronische
Komponenten zur Aufbereitung und Auswertung der erfassten Strahlungsinformationen;
- – Komponenten
zur Steuerung und Überwachung der
Gerätefunktionen
und zur Durchführung
der Mess-, Aufbereitungs- und Auswerteprozesse;
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Mit
Hilfe der Messvorrichtung im Startknopf sollen nur ausgewählte und
nicht eine große
Vielzahl von Substanzen und deren Konzentration bestimmt werden.
Im vorliegenden Fall wird es sich hierbei bevorzugt um Alkohol handeln.
Für diese
Zweckbestimmung genügt
gegenüber
der Variante im Lenkrad zur Identifizierung und Diskriminierung
ein Spektralbereich mit begrenzter Bandbreite. Zudem können bestimmte
Strahlungsmodulationen, wie z. B. durch den Spektralteiler, den
Strahlpulserzeuger, den Vor-Polarisator, den Nach-Polarisator und
gegebenenfalls bei Vorliegen einer nur kleinen Messfläche auch
durch den Parallelstrahl-Multiplikator, weggelassen bzw. wahlweise übergangen
werden. Die Ausfürung
für den
Startknopf entspricht damit grundsätzlich der Ausführung im
Lenkrad, jedoch mit dem Unterschied, dass zur Erreichung des Messziels
auf die Funktion einiger Komponenten verzichtet werden kann.
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4.2.2 Unterbringung des Messgerätes
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Das
Messgerät
kann sich in unmittelbarer Nähe
zum Startknopf befinden.
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5. Mögliche
Messmodi
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5.1 Messmodus bei Gerät im Lenkrad
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Die
Messungen können
in zwei verschiedene Modi durchgeführt werden:
- a)
es wird gleichzeitig der gesamte für die Messung erforderlichen
Spektralbereich zur Erreichung einer Wechselwirkung mit dem Messobjekt verwendet;
- b) es wird jeweils nur ein begrenzter schmalbandiger Spektralbereich
für die
Messung verwendet, jedoch durch kontinuierliche Verschiebung des Frequenzbandes
der gesamte erforderliche Spektralbereich vollständig abgedeckt;
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Bei
beiden Modi kann der Messstrahl kontinuierlich oder gepulst und
in einer bestimmten Polarisationsart oder zufallspolarisiert wirken.
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Beim
Modus b) bedient man sich zur Selektion des erforderlichen Spektralausschnitts
eines dispersiven optischen Elements, z. B. eines Dispersionsprismas.
Beim Modus a) wird dieses Dispersionsprisma aus dem Strahlengang
ausgekoppelt.
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5.2 Messmodus beim Gerät im Startknopf
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Es
wird nur ein begrenzter schmalbandiger Spektralbereich für die Messung
verwendet, jedoch durch kontinuierliche Verschiebung des Frequenzbandes
mit Hilfe des Dispersionselements der gesamte erforderliche Spektralbereich
vollständig
abgedeckt.