DE102018200003A1

DE102018200003A1 - Verfahren zur Atemanalyse von Fahrzeuginsassen

Info

Publication number: DE102018200003A1
Application number: DE102018200003.4A
Authority: DE
Inventors: Marcel MATHISSEN; Volker Scheer; Rainer Vogt; Jeroen Lem; Angela SITTER
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-01-02
Filing date: 2018-01-02
Publication date: 2019-07-04
Also published as: CN109984745A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Atemanalyse von Fahrzeuginsassen angegeben, welches ein Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs einer Konzentration eines Atemgases im Fahrzeuginnenraum und ein Auswerten des zeitlichen Verlaufs der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Atemanalyse von Fahrzeuginsassen.
Anhand der Atmungsaktivität eines Lebewesens können Aussagen über den Stoffwechselzustand des Lebewesens getroffen werden. Beispielsweise ist bekannt, die Atmungsfrequenz als Indikator für den Gefühlszustand, Stress, Erregung oder mentale Belastung zu nutzen (MILLER, Sarah, Literature Review Workload Measures, document ID: N01-006, National Advanced Driving Simulator, The University of Iowa, Iowa City, 2001). Auch die Zusammensetzung der ausgeatmeten Luft ändert sich in Abhängigkeit des Gefühlszustands (WILLIAMS, J. et al. Cinema audiences reproducibly vary the chemical composition of air during films, by broadcasting scene specific emissions on breath. Sci. Rep. 6, 25464; doi: 10.1038/srep25464 (2016)).
Im Fahrzeugbereich ist aus der US 9 124 955 B2 ist die Verwendung mehrerer Sensoren zum Erhalt physiologischer Informationen über den Fahrer bekannt, so dass das Aufmerksamkeits- oder Stressniveau oder Gesundheitsprobleme erkannt werden können. Als Sensoren können u. a. Herzfrequenzsensoren, Sauerstoffsättigungssensoren, Blutdrucksensoren, Körpertemperatursensoren oder Atemsensoren. Darüber hinaus kann ein Gassensor, z. B. ein Stickoxid- oder Kohlenstoffdioxidsensor, eingesetzt werden.
Die US 2016/0103111 A1 offenbart die Überwachung der CO₂-Konzentration in einem geparkten Fahrzeug. Bei erhöhter CO₂-Konzentration wird beispielsweise ein Alarm ausgegeben oder es erfolgt eine Belüftung durch Öffnung der Fahrzeugscheiben oder Aktivieren der Lüftung.
Aus der DE 197 50 133 A1 ist ein CO₂-Sensor bekannt, der die Luftqualität im Innenraum eines Fahrzeugs ermittelt und eine Warnung ausgibt, sobald ein bestimmter Grenzwert überschritten wird. DE 100 20 508 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung des Kofferraums eines Fahrzeugs, wobei ein Lebewesen im Kofferraum anhand des Ausstoßes von CO₂ detektiert und der Betriebszustand des Fahrzeugs erfasst wird und abhängig von beiden Faktoren der Kofferraum geöffnet wird.
Daraus ergibt sich, dass die Analyse der Atmungsaktivität eines Fahrzeuginsassen, z. B. eines Fahrzeugführers bzw. Fahrers oder eines Passagiers, genutzt werden kann, um Aussagen über den Zustand des Fahrzeuginsassen treffen zu können.
Die bekannten Verfahren sind jedoch oftmals nicht für den Einsatz in oder an einem Fahrzeug geeignet, stellen eine Belästigung für den Fahrzeuginsassen dar, z. B. da sie einer Befestigung von Sensoren am Körper bedürfen, oder liefern lediglich sehr ungenaue Ergebnisse.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen die vorgenannten Nachteile zumindest teilweise behoben werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche enthalten Ausführungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösungen.
Grundgedanke der Erfindung ist es, ein nicht-invasives und kontaktloses Messverfahren bereitzustellen, mit dem genaue Aussagen über den Zustand des Fahrzeuginsassen gewonnen werden und davon abhängig ggf. weitere Maßnahmen ergriffen werden können. Die Erfinder haben erkannt, dass für viele Anwendungsszenarien die Festlegung eines festen Grenzwerts für die Konzentration an Atemgasen, wie z. B. CO₂, Aceton, Isopren (2-Methylbuta-1,3-dien), im Fahrzeuginnenraum nicht sinnvoll ist, da die Absolutkonzentration eines Atemgases u. a. von den Lüftungseinstellungen, der Luftfilterkapazität, Leckagen etc. des konkreten Fahrzeugs abhängig ist. Vielmehr sollte der zeitliche Verlauf der Konzentration der Atemgase in der Ausatemluft selbst, d. h. zum Beispiel die CO₂-Konzentration in der vom Fahrer ausgeatmeten Luft, bestimmt werden. Anhand des Konzentrationsverlaufs können deutlich genauere Rückschlüsse auf den Zustand der Fahrzeuginsassen gezogen werden als es bei der alleinigen Überwachung z. B. der CO₂-Konzentration im Fahrzeuginnenraum möglich wäre, bei der die aktuelle CO₂-Konzentration lediglich mit einem Grenzwert verglichen wird. Zur Erhöhung der Genauigkeit können weitere Quellen des Atemgases außer den Fahrzeuginsassen und Senken der Atemgase berücksichtigt werden. Beispielsweise kann der Konzentrationsverlauf der Atemgase unter Berücksichtigung möglicher Kontaminationen durch von außen zugeführte Luft ausgewertet werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Atemanalyse von ein oder mehreren Fahrzeuginsassen weist das Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs einer Konzentration eines Atemgases im Fahrzeuginnenraum und das Auswerten des zeitlichen Verlaufs der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum auf.
Mit anderen Worten wird zunächst der zeitliche Konzentrationsverlauf eines Atemgases, z. B. CO₂, im Fahrzeuginnenraum erfasst. Dies kann beispielsweise mittels eines entsprechenden Gassensors erfolgen. Anschließend wird der zeitliche Konzentrationsverlauf ausgewertet. Beispielsweise können aus dem zeitlichen Verlauf der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum Informationen über den Zustand der Fahrzeuginsassen ermittelt werden.
Zur Auswertung kann z. B. der lang- und/oder kurzfristige Konzentrationsverlauf analysiert werden. Kurzfristige Änderungen in einem ansonsten gleichmäßig verlaufenden Konzentrationsverlauf können z. B. Hinweise auf gesundheitliche Probleme der Fahrzeuginsassen geben. Zur Auswertung können weiterhin z. B. die absolute Konzentration des Atemgases oder die Änderungsrate ermittelt werden. Außerdem können fahrzeuginsassenspezifische Daten, wenn vorhanden, zur Analyse genutzt werde, z. B. Alter der Insassen, Gewicht, etc..
1 zeigt einen exemplarischen zeitlichen Verlauf einer Atemgaskonzentration im Fahrzeuginnenraum. Ersichtlich ist eine generell zunehmende Konzentration des Atemgases. Weiterhin können kurzfristige Ereignisse (Pfeilmarkierung) in Form von kurzfristigen Anstiegen der Atemgaskonzentration festgestellt werden. Aus der Häufigkeit und dem Schema der kurzfristigen Ereignisse, z. B. der Wiederholhäufigkeit, können Rückschlüsse auf den Zustand der Fahrzeugpassagiere, z. B. deren Stimmung, Müdigkeit, etc. gezogen werden. Beispielsweise in Abhängigkeit des untersuchten Atemgases und dessen Konzentrationsänderung (z. B. Anzahl der Ereignisse, absoluter oder relativer Anstieg) kann eine Korrelation mit dem Stresszustand oder der Stimmung des Fahrzeugpassagiers erfolgen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten können weiterhin nicht durch die Fahrzeuginsassen verursachte Änderungen der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum ermittelt werden, wobei der zeitliche Verlauf der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum unter Berücksichtigung der nicht durch die Fahrzeuginsassen verursachten Änderungen der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum ausgewertet wird.
Beispielsweise können Leckagen, Lüftungseinstellungen des Fahrzeugs, die Luftfilterkapazität oder das Öffnen und Schließen von Türen und Fenstern des Fahrzeugs berücksichtigt werden. Unter Änderungen der Konzentration ist sowohl die Zufuhr eines Atemgases, z. B. durch von außen dem Fahrzeuginnenraum zur Belüftung zugeführte Luft, oder die Abfuhr eines Atemgases, z. B. durch Entfernung mittels eines Luftfilters, zu verstehen.
Zur Auswertung des Konzentrationsverlaufs kann ein sog. Boxmodell genutzt werden, wobei der Fahrzeuginnenraum die „Box“ darstellt. Bei einem solchen Boxmodell wird davon ausgegangen, dass Konzentrationsänderung dm/dt eines Atemgases im Fahrzeuginnenraum der Differenz zwischen Quellen und Senken für das betrachtete Atemgas entspricht. Es gilt: $\frac{d m}{d t} = \sum Q u e l l e n - \sum S e n k e n$
Unter der Annahme, dass die Quellen unabhängig und die Senken linear abhängig (Prozess erster Ordnung) von der aktuellen Konzentration sind, kann ein solches Boxmodell mathematisch beispielsweise wie folgt beschrieben werden: $\frac{d m}{d t} = Q - k m (t),$
wobei Q die Quellen, k die Verlustrate, m die Konzentration und t die Zeit repräsentieren.
Die Quellen ergeben sich als Summe der durch die Fahrzeugpassagiere verursachten Anstiegs der Menge des Atemgases Q_pass und der von außen zugeführten Menge des Atemgases Q_out, z. B. aufgrund einer Leckage oder Belüftung des Fahrzeuginnenraums.
Für die Zeitabhängigkeit ergibt sich daraus: $m (t) = m_{0} e^{- k t} + \frac{Q}{k} (1 - e^{- k t})$
Ein stationärer Zustand wird für: $m = \frac{Q}{k}$
erreicht. Abweichungen vom stationären Zustand können auf eine Veränderung der Quellen oder Senken zurückgeführt werden. 2 zeigt ein Beispiel für die Zunahme und Abnahme des Atemgases CO₂, wie sie unter Zuhilfenahme des Boxmodells ermittelt werden kann.
Zur Verbesserung der Auswertung besteht die Möglichkeit, die Anzahl und ggf. Position von Fahrzeuginsassen mittels geeigneter Sensoren zu erfassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten können nicht durch die Fahrzeuginsassen verursachte Änderungen der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum durch Ermitteln der zeitlichen Änderung der Konzentration des Atemgases in der Fahrzeugumgebung ermittelt werden. Dazu können beispielsweise zusätzliche Gassensoren, z. B. an der Außenseite des Fahrzeugs vorgesehen sein. Alternativ kann ein vorhandener Gassensor periodisch zur Ermittlung des Konzentrationsverlaufs im Fahrzeuginnenraum und außerhalb des Fahrzeugs, z. B. durch Analyse der dem Fahrzeuginnenraum von außen zugeführten Luft, eingesetzt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren weiterhin ein Ergreifen von Maßnahmen zur Beeinflussung der Fahrzeuginsassen in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum aufweisen. Derartige Maßnahmen können beispielsweise eine Änderung der Lichtverhältnisse, das Ausgeben von Tonsignalen, die Abgabe von Duftstoffen in den Fahrzeuginnenraum und/oder das Einschalten von Assistenzsystemen des Fahrzeugs sein. Diese Maßnahmen können dazu geeignet sein, den gegenwärtigen Zustand der Fahrzeugpassagiere beizubehalten oder den gegenwärtigen Zustand zu ändern. Die Maßnahmen können bezüglich einer oder mehrerer oder aller Fahrzeugpassagiere ergriffen werden.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann aus dem zeitlichen Verlauf der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum die Anzahl der Fahrzeuginsassen ermittelt werden. Zur Ermittlung der Anzahl der Fahrzeugpassagiere können beispielsweise die absolute Konzentration des oder der Atemgase und der derzeitige Zustand des Fahrzeugs, z. B. Lüfterstufe, Filterbeladung, Geschwindigkeit, Informationen über Dichtigkeit der Kabine, Fensteröffnung etc. genutzt werden. Beispielsweise kann festgestellt werden, ob sich ein oder mehrere oder keine Fahrzeugpassagiere im Fahrzeuginnenraum befinden.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann der zeitliche Verlauf der Konzentration mehrerer Atemgase ermittelt und ausgewertet werden. Beispielsweise kann das Konzentrationsverhältnis zweier oder mehrerer Atemgase zueinander und dessen zeitlicher Verlauf ermittelt werden. Weiterhin ist eine Auswertung unter Berücksichtigung exogener Parameter möglich, z. B. Luftfeuchtigkeit. Hinsichtlich der Änderung des Verhältnisses von Aceton zu Wasser wird verwiesen auf KING, J. et al. A mathematical model for breath gas analysis of volatile organic compounds with special emphasis on acetone, J Math Biol. 2011 Nov; 63(5):959-99. doi: 10.1007/s00285-010-0398-9. Die Ermittlung und Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Konzentration mehrerer Atemgase ermöglicht eine genauere Analyse des Zustands der Fahrzeugpassagiere.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten können das Atemgas oder die Atemgase ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend Kohlenstoffdioxid, Aceton, Isopren, Acetaldehyd, Acetonitril, Ammoniak, Dimethylsulfid, Ethan, Ethanol, Ethylen, Wasserstoff, Malondialdehyd, Methan, Propionaldehyd, Stickstoffmonoxid, Trimethylamin und Pentan. Beispielsweise vergrößert sich beim Abbau von Blutalkohol das Verhältnis von Acetaldehyd zu Ethanol in der Ausatemluft.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elementen verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, dass sie die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9124955 B2 [0003]
US 2016/0103111 A1 [0004]
DE 19750133 A1 [0005]
DE 10020508 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Atemanalyse von Fahrzeuginsassen, aufweisend: - Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs einer Konzentration eines Atemgases im Fahrzeuginnenraum, - Auswerten des zeitlichen Verlaufs der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: - Ermitteln von nicht durch die Fahrzeuginsassen verursachten Änderungen der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum, wobei der zeitliche Verlauf der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum unter Berücksichtigung der nicht durch die Fahrzeuginsassen verursachten Änderungen der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei nicht durch die Fahrzeuginsassen verursachte Änderungen der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum durch Ermitteln der zeitlichen Änderung der Konzentration des Atemgases in der Fahrzeugumgebung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: - Ergreifen von Maßnahmen zur Beeinflussung der Fahrzeuginsassen in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei aus dem zeitlichen Verlauf der Konzentration des Atemgases im Fahrzeuginnenraum die Anzahl der Fahrzeuginsassen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zeitliche Verlauf der Konzentration mehrerer Atemgase ermittelt und ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Atemgas oder die Atemgase ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Kohlenstoffdioxid, Aceton, Isopren, Acetaldehyd, Acetonitril, Ammoniak, Dimethylsulfid, Ethan, Ethanol, Ethylen, Wasserstoff, Malondialdehyd, Methan, Propionaldehyd, Stickstoffmonoxid, Trimethylamin und Pentan.