DE2428352C3

DE2428352C3 - Anordnung zur Bestimmung der Alkoholkonzentration des Bluts durch Messung der Alkoholkonzentration der Atemluft

Info

Publication number: DE2428352C3
Application number: DE19742428352
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Kirmaier
Original assignee: Sachs Systemtechnik 8720 Schweinfurt GmbH
Current assignee: Lmb Laborservice 8059 Oberding De GmbH
Priority date: 1974-06-12
Filing date: 1974-06-12
Publication date: 1978-09-28
Also published as: FR2375597A1; GB1512587A; FR2375597B1; DE2428352B2; DE2428352A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Alkoholkonzentration des Bluts durch Messung der Alkoholkonzentration der Atemluft umfassend ein einem Atemluftstrom ausgesetztes Alkoholmeßgerät, eine dem Alkoholmeßgerät nachgeschaltete Alkoholkonzentrationsanzeigeeinrichtung, eine Verzögerungseinrichtung, welche eine Anzeige erst nach Ausatmen eines vorbestimmten Mindestatemvolumens erlaubt.

Anordnungen zur Bestimmung der Alkoholkonzentration des Bluts durch Messung der Alkoholkonzentration der Atemluft sind bekannt. Sie gehen von der Annahme aus, daß die Alkoholkonzentration der Atemluft der Alkoholkonzentration des Bluts in einem feststehenden Verhältnis proportional ist. Als Alkoholmeßgeräte werden herkömmliche, gaschromatographisch arbeitende oder chemische Analysatoren verwendet. Die Zuverlässigkeit, mit der von der Alkoholkonzentration der Atemluft auf die Alkoholkonzentration des Bluts geschlossen werden kann, ist jedoch von einer Vielzahl Einflußfaktoren abhängig. Neben Einflußfaktoren, die auf systematischen Fehlern des Meßgeräts beruhen, sind insbesondere solche Einflußfaktoren ausschlaggebend, die in der Person des Untersuchten ihre Ursache haben. Ein konstantes Verhältnis zwischen den Alkoholkonzentrationendes Bluts und der Atemluft gilt nut ausreichender Sicherheit lediglich für Luft aus den Alveolaren der Lunge. Die zur Analyse bestimmte Luftprobe darf deshalb erst nach Abatmen eines erheblichen Luftquantums entnommen werden. Hierdurch soll sichergestellt werden, daß die Alkoholkonzentration der aus den Alveolaren stammenden Atemluft gemessen wird und nicht die Alkoholkonzentration der Atemluft aus der Mundhöhle und der Luftröhre. Dies eröffnet dem Untersuchten eine Reihe von Möglichkeiten, durch Änderung der Atemtechnik das Ergebnis zu beeinflussen.

Eine Anordnung, durch die sichergestellt werden kann, daß dem Alkoholmeßgerät lediglich Luft aus den Alveolaren der Lunge zugeführt wird, ist aus der US-PS 36 22 278 bekannt Die zu untersuchende Person atmet hierbei zunächst in einen Meßzylinder ab, in dem ein Kolben verschiebbar gelagert ist An der Stellung des Kolbens kann erkannt werden, wie groß das bereits abgeatmete Luftvolumen ist Nach Abatmen der Totraumluft der Mundhöhle bzw. der Luftröhre wird der Atemluftstrom mittels eines Dreiwegeventils von dem Meßzylinder abgeschaltet und einem weiteren Meßzylinder zugeführt. In dem weiteren Meßzylinder

jo wird mit Hilfe eines verschiebbaren Kolbens das für die Messung in einem Gasanalysator benötigte Luftquantum abgemessen. Mit Hilfe der bekannten Anordnung kann jedoch nicht verhindert werden, daß die untersuchte Person in mehreren kurzen Atemstößen anstatt in einem einzigen Atemstoß ausatmet.

Da darüber hinaus gegen den Druck der Kolben in den Meßzylindern ausgeatmet werden muß und im Ausatemweg als Drosselstellen wirkende Ventile angeordnet sind, kann es zu Kondensationen des

M) Alkoholdampfes der Atemluft kommen, die das Meßergebnis verfälschen.

Eine Anordnung ähnlicher Art, bei der jedoch sichergestellt wird, daß Atemmanipulationen erkannt werden können, ist aus der DE-OS 22 18 166 bekannt.

Diese Anordnung weist eine Verzögerungseinrichtung auf, die den Meßzeitpunkt gegenüber dem Beginn des Ausatmens verzögert. Die Verzögerungseinrichtung weist einen Zeitgeber auf, der von Schaltkontakten eines vom Atemstrom betätigten, federbelasteten Klappenventils ausgelöst wird. Der Ablauf der Zeitkonstante des Zeitgebers legt den Meßzeitpunkt fest. Sofern die zu untersuchende Person in kurzen Stoßen atmet, werden die Schaltkontakte des Klappenventils wiederholt betätigt und der Zeitgeber wiederholt ausgelöst Da die zu untersuchende Person gegen die Federvorspannung des Klappenventils ausatmen muß, erhöht sich der Druck im Atemluftstrom. Es kommt auch bei dieser Anordnung zu Kondensationen des Alkoholdampfes der Atemluft, die das Meßergebnis

bo verfälschen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung anzugeben, die mit Hilfe eines die Alkoholkonzentration der Atemluft messenden Meßgeräts einerseits eine exakte Bestimmung der Alkoholkonzentration des Bluts

hi ermöglicht und andererseits auf eine zu Fehlmessungen führende Atemtechnik des Untersuchten anspricht.

Ausgehend von der eingangs näher erläuterten Anordnung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß

dadurch gelöst, daß eine auf der Verwendung von dem Atemluftstrom ausgesetzten, temperaturabhängigen Widerständen beruhende Meßeinrichtung vorgesehen ist, welche ein erstes den Durchsatz und ein zweites die Atemstromrichtung repräsentierendes, elektrisches Signal an eine Steuereinrichtung liefert, weiche nur bei einem dem Mindestatemvolumen entsprechenden Zeitablauf des ersten Signals und bei Fehlen von Atemluftumkehrungen im zweiten Signal eine gültige Meßwertanzeige zuläßt. ι ο

Durch Verwendung der temperaturabhängigen Widerstände können Druckdifferenzen im Atemluftweg weitgehend vermieden werden. Darüber hinaus kann auf rein elektrischem Weg, das heißt ohne bewegte mechanische Teile, sichergestellt werden, daß vor der Messung das vorbestimmte Mindestatemvolumen abgeatmet wurde und daß bis zum Meßzeitpunkt keine Atemmanipulationen stattgefunden haben. Die Steuereinrichtung bestimmt hierzu in Abhängigkeit vom ersten, den Durchsatz repräsentierenden Signal, wann das Mindestatemvolumen abgeatmet wurde und sie gibt die Meßwertanzeige als gültig frei, wenn bis zum Meßzeitpunkt das zweite die Atemstromrichtung repräsentierende Signal keine Atemluftumkehrungen angezeigt hat r>

Der zur Erzeugung des ersten, den Durchsatz repräsentierenden Signals bestimmte temperaturabhängige Widerstand ist vorzugsweise zwischen den einen Eingang und den Ausgang eines Differenzverstärkers geschaltet, dessen anderem Eingang ein der Umgebungsluft entsprechendes Signal zuführbar ist. Der Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstands bestimmt die Verstärkung des Differenzverstärkers. Ändert sich die Geschwindigkeit der am Widerstand vorbeistreichenden Atemluft, so wird dieser mehr oder weniger gekühlt, was zu einer Änderung des vom Differenzverstärker abgegebenen Signals führt. Das der Umgebungslufttemperatur entsprechende Signal dient hierbei als Bezugssignal.

Der zur Erzeugung des zweiten die Atemstromrich- 41) tung repräsentierenden Signals bestimmte temperaturabhängige Widerstand kann in Einatemrichtung oder in Ausatemrichtung von einer Blende abgeschirmt sein. In Einatemrichtung strömende Luft wird daher zu einer anderen Widerstandsänderung des temperaturabhängigen Widerstands führen als in Ausatemrichtung strömende Luft. Diese Unterschiede kann zum Beispiel mit Hilfe einer Schwellwertstufe zum Feststellen der Strömungsrichtung ausgenutzt werden.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und

F i g. 2 Einzelheiten einer anderen Ausführangsform der erfindungsgemäßen Anordnung.

F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung. Kernstück des Meßgeräts dieser Anordnung ist ein in einem Meßkanal 1 angeordneter handelsüblicher Halbleiter- no Gasdetektor 3. Der Halbleiter-Gasdetektor 3 besteht aus einem kleinen, etwa quaderförmigen, in der Hauptsache aus Zinnoxid-, Zinkoxid- und Eisen(IIl)-oxidteilchen zusammengesinterten Körper. In diesem Körper sind zwei wendeflförmige Elektroden 5 und 7 hi eingebettet. Wird der Körper mit einem chemisch reduzierenden Gas, wie z. B. Alkoholdampf in Berührung gebracht, so wird Alkoholdampf absorbiert. Es kommt zu chemischen Reaktionen, die eine Erhöhung der Leitfähigkeit und damit eine Verringerung des Widerstandswertes zwischen den Elektroden 5 und 7 zur Folge haben. Absorption und Desorption des Alkoholdampfes bilden für jede Dampfkonzentration einen Gleichgewichtszustand; der Widerstandswert des Halbleiter-Gasdetektors zwischen den Elektroden 5 und 7 hängt damit reproduzierbar von der Konzentration des Alkoholdampfs ab. Die Desorptionsgeschwindigkeit ist ebenfalls temperaturabhängig; sie nimmt bei Erhöhung der Temperatur zu. Um die Elektroden 5 und 7 als Heizwendel ausnützen zu können, sind beide Spiralenenden der Elektroden 5 und 7 aus dem Körper herausgeführt Auf diese Weise läßt sich ein schnelles Ansprechverhalten und eine kurze Erholzeit erreichen. In F i g. 1 ist die Elektrode 5 an einen Impulsgenerator 9 angeschlossen, der die Heizleistung in Form von Gleichstromimpulsen zuführt. Die Amplitude der Gleichstromimpulse ist größer als die zulässige Amplitude bei kontinuierlicher Gleichstromheizung. Es wurde herausgefunden, daß auf diese Weise das Ansprechverhalten und die Erholzeit erheblich beschleunigt werden können.

Die Wirkungsweise des Meßgeräts in der Anordnung nach Fig. 1 beruht auf der Messung des Widerstands zwischen den Elektroden 5 und 7 des Halbleiter-Gasdetektors 3. Durch den impulsgenerator 9 wird an die Elektrode 5 ein Gleichspannungspotential gelegt, das zu einem dem Widerstandswert des Halbleiter-Gasdetektors 3 proportionalen Strom zur Elektrode 7 führt. Die Amplitude des Stroms wird in einem Anzeigeinstrument 11 angezeigt. Die Skala des Anzeigeinstruments 11 kann unmittelbar in Werten der Alkoholkonzentration geeicht werden. Da der Halbleiter-Gasdetektor zu hohen Konzentrationswerten hin ein Sättigungsverhalten zeigt, wird der Strom dem Anzeigeinstrument über einen Meßumformer 13 zugeführt, der die Abhängigkeit des Stroms von der Alkoholkonzentration linearisiert. Der Meßumformer 13 besteht im wesentlichen aus einem Verstärker mit exponentieller Übertragungsfunktion. Um bei rasch aufeinanderfolgenden Messungen Aufstockungseffekte im Körper des Halbleiter-Gasdetektors 3 infolge ungenügender Desorption des von vorhergehenden Messungen im Körper zurückgebliebenen Alkohols zu vermeiden, wird das vom Meßumformer 13 abgegebene, dem Strom durch den Halbleiter-Gasdetektor 3 entsprechende Meßwertsignal kurz vor der eigentlichen Messung einem Nullwertspeicher 15 zugeführt und darin gespeichert. Der Nullwertspeicher 15 ist über einen von einer Steuerung 17 betätigbaren, vorzugsweise elektronisch ausgeführten Schalter 19 mit dem Meßumformer 13 verbunden.

Durch kurzzeitiges Schließen des Schalters 19 kann das Meßwertsignal 13 in den Nullwertspeicher 15 eingelesen werden. Weiterhin ist an den Meßumformer 13 ein Meßwertspeicher 21 angeschlossen, der das bei der Messung erhaltene Meßwertsignal speichert. Das Anzeigeinstrument 11 ist sowohl mit dem Nullwertspeicher 15 als auch dem Meßwertspeicher 21 verbunden und zeigt die Differenz der darin gespeicherten Signale an. Der Nullwertspeicher 15 und der Meßwertspeicher 21 sind als analoge, z. B. kapazitive Speicher ausgebildet; sie werden bei Betätigung einer Tastatur 23 über die Steuerung 17 vor Beginn der Messung gelöscht.

htl'.t Hilfe des vorstehend erläuterten Meßgeräts kann die Alkoholkonzentration der Atemluft bestimmt werden. Die Alkoholkonzentration der Atemluft ist der

Alkoholkonzentration des Bluts in etwa proportional, wenn sichergestellt wird, daß zum Meßzeitpunkt Atemluft aus den Alveolaren der Lunge des Untersuchten am Halbleiter-Gasdetektor 3 vorbeiströmt. Die Anordnung nach Fig. 1 weist deshalb eine Zeitsteuerung 25 auf, die das Meßgerät erst nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitintervalls nach dem Beginn des Ausatmens zur Messung freigibt. Das vorgebbare Zeitintervall beginnt, wie noch untenstehend erläutert wird, nicht mit dem Beginn des Ausatmens, sondern erst, wenn der Atemluftdurchsatz durch den Meßkanal 1 einen vorgegebenen Mindestdurchsatz überschreitet. Das vorgebbare Zeitintervall ist so gewählt, daß der Untersuchte beim Ausatmen mit dem vorgegebenen Mindestdurchsatz wenigstens ein Mindestatemluftvolumen abeeatmet hat, das dem Volumen seiner Mundhöhle und seiner Luftröhre entspricht; vorzugsweise sollen im Mittel wenigstens 75% des gesamten Atemluftvolumens abgeatmet sein. Es hat sich als ausreichend herausgestellt, wenn das vorgebbare Zeitintervall fest auf einen dem Quotienten von Mindestatemluftvolumen zu Mindestdurchsatz entsprechenden Wert eingestellt ist. In der Ausführungsform nach Fig. 1 kann die Zeitsteuerung 25 an die Steuerung 17 angeschlossen werden. Sie kann den Nullwertspeicher 15 und den Meßwertspeicher 21 erst nach Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls zur Einspeicherung und damit zur Anzeige des Meßwertsignals freigeben.

Fehlerfreie Messungen setzen jedoch voraus, daß der Untersuchte nicht durch Manipulation seiner Atemtech
nik versucht, das Ausatmen alkoholbeladener Atemluft aus der Lunge zu verhindern. Um derartige Manipulationen oder auch unbewußtes Fehlverhalten erkennen zu können, weist die Anordnung nach Fig. 1 eine die Steuerung 17 steuernde Meßeinrichtung 27 auf. Die Meßeinrichtung 27 ist mit temperaturabhängigen Widerständen 29 gekoppelt, die im Meßkanal 1 angeordnet sind, und erfaßt die Strömungsrichtung der Atemluft und den Atemluftdurchsatz durch den Meßkanal 1. Die Meßeinrichtung 27 stellt über die Steuerung 17 die Ungültigkeit des vom Halbleiter-Gasdetektor 3 über den Meßumformer 13 bei Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls abgegebenen Meßwertsignals fest, wenn der Atemluftdurchsatz innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls unter den festgelegten Mindestdurchsatz gesunken ist, oder der Untersuchte innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls gegebenenfalls auch kurzzeitig eingeatmet hat. Die Steuerung 17 zeigt das Fehlersignal durch eine Signaleinrichtung 31 an und verhindert außerdem das Einlesen des ungültigen Meßwerts in den Meßwertspeicher 21.

Um Kondensationen des Alkoholdampfes in der Atemluft des Untersuchten zu verhindern, wird der Meßkanal 1 mit Hilfe einer elektrischen Widerstandsheizung 33 beheizt, wobei die Temperatur durch eine Temperaturregeleinrichtung 35 auf einer konstanten Temperatur von etwa 37° C gehalten wird. Zur

Säuberung des Meßkanals 1 von Alkoholdampfrückständen ist ein motorgetriebener Ventilator37 vordem Meßkanal 1 angeordnet, der durch die Steuerung 17 nach Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls oder wahlweise über die Tastatur 23 während einer durch ein Zeitglied 39 bestimmten Zeitdauer eingeschaltet werden kann.

Fig. 2 zeigt Einzelheiten einer Ausführungsform einer Meßeinrichtung ohne mechanische, bewegliche Teile. Zur Bestimmung des Atemluftdurchsatzes ist ein geheizter Heizleiter 201 vorgesehen, der in einem vom Untersuchten beatmeten Meßkanal 203 angeordnet ist. Entsprechend der Geschwindigkeit des Atemluftstromes wird der Heißleiter 201 mehr oder weniger gekühlt, wodurch sich sein Widerstand proportional zur Geschwindigkeit der Atemluft ändert. Der Heißleiter 201 ist im Rückkopplungszweig eines Differenzverstärkers 205 angeordnet, und ändert dessen Verstärkung proportional zu seinem Widerstand. Als zweites Eingangssignal wird dem Differenzverstärker ein der Temperatur der Umgebungsluft etwa proportionales Signal h zugeführt. Das am Ausgang des Differenzverstärkers 205 verfügbare Signal ist damit von Schwankungen der Umgebungslufttemperatur unabhängig. Ein an dem Ausgang des Differenzverstärkers 205 angeschlossener Schwellwertschalter 207 erzeugt schließlich das Fehlersignal, das anzeigt, ob der Atemluftdurchsatz über oder unter einem Mtndestdurchsatz liegt. Das Fehlersignal für die Strömungsrichtung liefert ein Verstärker 209, dessen Eingang über einen weiterer Heißleiter 211 an eine Stromquelle 213 angeschlosser ist. Der weitere Heißleiter 211 wird von einer Blende 215 gegen die in Ausatemrichtung 217 strömende Atemluft abgeschirmt. Da er in Einatemrichtung derr Strom der Atemluft frei ausgesetzt ist, wird er sich beirr Einatmen stärker abkühlen als beim Ausatmen. Di« hieraus resultierende Widerstandsänderung führt zi unterschiedlichen Ausgangspegeln des Verstärkers 209 die sich mit Hilfe eines an dem Verstärker 20i angeschlossenen Schwellwertschalters 219 in ein die Ausatemrichtung festlegendes Fehlersignal überführer lassen.

Der Differenzverstärker 205 gibt ein kontinuierliches dem momentanen Atemluftdurchsatz proportionale: Ausgangssignal ab. Durch einen an den Ausgang de; Differenzverstärkers 205 angeschlossenen Integratoi 221 kann, über eine nicht näher dargestellte Steuerung vom strömungsrichtungsabhängigen Ausgangssigna des Schwellwertschalters 219 gesteuert, der Atemluft durchsatz beim Einatmen aufintegriert und so da: gesamte Atemluftvolumen des Untersuchten bestimm werden. Der Wert des gesamten Atemluftvolumen: wird gespeichert und beim Ausatmen mit dem ebenfall: vom Integrator 221 ermittelten abgeatmeten Luftvolu men verglichen. Ein nicht dargestellter Vergleicher stell fest, wann das Mindestatemvolumen abgeatmet ist, d. h das vorgebbare Zeitintervall abgelaufen ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Bestimmung der Alkoholkonzentration des Bluts durch Messung der Alkoholkonzentration der Atemluft, umfassend ein einem Atemluftstrom ausgesetztes Alkoholmeßgerät, eine dem Alkoholmeßgerät nachgeschaltete Alkoholkonzentrationsanzeigeeinrichtung, eine Verzögerungseinrichtung, welche eine Anzeige erst nach Ausatmen eines vorbestimmten Mindestatemvolumens erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf der Verwendung von dem Atemluftstrom ausgesetzten, temperaturabhängigen Widerständen (29; 201, 211) beruhende Meßeinrichtung (27) vorgesehen ist, welche ein erstes den Durchsatz und ein zweites die Atemstromrichtung repräsentierendes, elektrisches Signal an eine Steuereinrichtung (17) liefert, welche nur bei einem dem Mindestatemvolumen entsprechenden Zeitablauf des ersten Signals und bei Fehlen von Atemluftumkehrungen im zweiten Signal eine gültige Meßwertanzeige zuläßt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der zur Erzeugung des ersten den Durchsatz repräsentierenden Signals bestimmte temperaturabhängige Widerstand (201) zwischen den einen Eingang und den Ausgang eines Differenzverstärkers (205) geschaltet ist, dessen anderem Eingang ein der Umgebungsluft entsprechendes Signal zuführbar ist

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der zur Erzeugung des zweiten die Atemstromrichtung repräsentierenden Signals bestimmte temperaturabhängige Widerstand (211) in Einatemrichtung oder in Ausatemrichtung von einer Blende (215) abgeschirmt ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Integrator (221) vorgesehen ist, der das den Durchsatz repräsentierende erste Signal zeitlich integriert, und daß an den Integrator (221) ein Vergleicher angeschlossen ist, welcher anspricht, wenn das Mindestatemvolumen abgeatmet ist.