JP6023075B2 - 呼吸アルコール濃度を測定するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は呼吸アルコール濃度を測定するための方法及び装置に関する。

一般に、呼吸アルコール濃度を測定し、それによって人の血中アルコール濃度を決定するために利用される２つの技術がある。第１の方法では、赤外分光が使用され、その場合、人からの呼吸サンプルは赤外線の放射を受ける。呼吸サンプル中の分子は、その分子に特徴的な、共鳴周波数と呼ばれる特定の周波数を吸収する。例えば、エタノール分子による吸収は特定の赤外スペクトルを生じさせ、この赤外スペクトルが、呼吸サンプル中に存在するエタノール量、すなわち、呼吸アルコール濃度の決定に使用され得る。この方法により高い測定精度が得られるが、赤外分光を組み込んだセンサは高価であり、大量生産される装置における適用は制限されている。

第２の一般に使用されている技術は、電気化学反応においてアルコール（エタノール）の形の燃料を電流に変換する燃料電池センサに基づく。燃料電池センサは赤外分光センサと比較して多少精度が低いが、相当に低廉である。しかしながら、燃料電池センサは、呼吸アルコール濃度を正確に決定するために、呼吸サンプルが決定可能な量であることを必要とする。

従来の燃料電池に基づく分析システムは、予め指定された量の呼吸を分析用の燃料電池へと引き込む機械的なサンプリングシステムによって動作する。この機械的な手段は、ポンプ又はベローズシステムに接続された、モータ、ソレノイドバルブ、ピストン−シリンダ装置、ダイアフラム機構、又は押しボタンを含み得る。特許文献１では、必要量の呼吸が燃料電池を確実に通過するように電気的に制御されるバルブを含む装置が開示されている。特許文献２では、互いに独立して動作して可変な呼吸の流れを燃料電池に提供する、圧力変換器とソレノイドバルブとを含む飲酒インターロック機器（ｓｏｂｒｉｅｔｙ ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ ｄｅｖｉｃｅ）が開示されている。マイクロプロセッサは、ある有限の時間において開放を維持して予め決定された呼吸サンプル量を与えるようにソレノイドバルブに命令し、圧力補正されたアルコールの結果を提供すべく、圧力の読取値に基づきアルゴリズムにおける訂正係数を計算する。

先行技術に記載された方法は、高度な制御回路及び複雑な又は嵩高い機械部品を伴い、これらはそのシステムに対して追加のコストをもたらし、精度を損なうことなくシステムの大きさを小さくする能力は制限される。

それゆえ、低コストで製造できる小型機器を可能にする、高精度で呼吸アルコール濃度を測定する改善された方法が必要である。

米国特許第６１６７７４６号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２４１８７１号明細書

本発明の目的は、低コストで製造できる小型測定機器を可能にする、高精度で呼吸アルコール濃度を測定する改善された方法を提供することである。

本発明は、請求項１の前提部によって定義されているように、使用者の呼吸アルコール濃度を測定するための方法に関する。その方法は、使用者からの吐かれた呼吸（呼気）のサンプルの流れを受け取る工程と、圧力センサを使用してその流量を測定する工程とを含む。それと同時に、呼吸サンプルは燃料電池センサの中に導かれる。燃料電池センサの出力信号は、呼吸サンプル中に存在するアルコールの量、すなわち、呼吸アルコール濃度の決定に使用される。

さらなる態様では、請求項７の前提部によって定義されているように、本発明は使用者の呼吸アルコール濃度を測定するための装置にも関する。その装置は、使用者の呼気サンプルを取り込むためのサンプリング手段と、そのサンプルの流量を測定するための手段と、燃料電池センサと、マイクロコントローラとを備える。マイクロコントローラは、燃料電池センサの出力信号に基づき、呼吸サンプル中に存在するアルコール量、すなわち、呼吸アルコール濃度を計算するように構成されている。

本発明によると、呼吸アルコール濃度を決定するための方法が提供されている。独立請求項１の特徴部分によって定義されているように、その方法は次の特定の測定を含む。測定された流量から呼吸サンプルの量が計算される。呼吸サンプルが吐かれている間、呼吸サンプル量及び呼吸サンプル中に存在するアルコール量は、測定された瞬間流量及び燃料電池出力信号を時間について積分することにより、継続的に更新される。使用者が吹込を停止した場合、流れ補正が実行され、最終的な補正された燃料電池出力信号を得るべく、記憶されている較正量を使用して、燃料電池出力信号は補正される。

燃料電池出力信号を補正することによって、呼吸サンプル量に拘わらず、方法及び装置の測定精度が保証される。本発明の方法では、予め決定された呼吸サンプル量を必要としないため、従来技術で使用されていた機械的なサンプリングシステムは不要となり、より少ない可動部品を用いて、又は可動部品を用いることなく、測定装置をより小型に製造することができる。これにより、装置の大きさ及びコストを非常に減少させることができる。

好ましい実施形態では、本発明による方法は、呼吸アルコール濃度に基づき血中アルコール濃度を決定する工程と、得られる血中アルコール濃度を表示する工程とを、さらに備える。

好ましい一実施形態では、本発明による方法は、次式を使用する補正を実行する工程を備える。

さらなる好ましい一実施形態では、本発明による方法は、計算された呼吸アルコール濃度が予め決定された閾値を超える場合、乗物（ｖｅｈｉｃｌｅ）の始動を妨げる工程を備える。

さらなる好ましい一実施形態では、本発明による方法は、圧力式の流量計、好ましくは圧力センサと組み合わせたベンチュリ計又はオリフィスプレートによって流量を測定する工程を備える。より少ない可動部品を用いて、又は可動部品を用いることなく、圧力式の
流量計は小型な部品を提供できる利点があり、本発明による方法を実行する際に装置のスペースの有効使用が保証される。

本発明によると、独立請求項７によって定義されているように、呼吸アルコール濃度を決定するための装置も提供される。独立請求項１の特徴部分によって定義されているように、装置は次の特定の特徴を含む。流量の測定に基づき、マイクロコントローラは呼吸サンプル量を計算するように構成されている。マイクロコントローラはさらに、測定された瞬間流量及び燃料電池出力信号を時間について積分することによって、呼吸サンプル量及び呼吸アルコール濃度を継続的に更新するように構成されている。使用者が吹込を停止した場合、マイクロコントローラは、最終的な補正された燃料電池出力信号を得るべく、燃料電池出力信号に流れ補正を実行するように設計されている。

本発明による装置の好ましい実施形態は上で記載された方法に対応する特徴を備える。
好ましい実施形態では、本発明による呼吸アルコール濃度を決定するための装置を備える呼吸アルコールインターロック機器及びそのようなインターロック機器を備える乗物が提供される。

時間に対する燃料電池出力信号のグラフ表示の図。 本発明による方法を示すフローチャート。 本発明による装置の概略図。

本発明は、具体例の詳細な記載を通じ、添付の図面を参照しつつ、以下でさらに説明される。本発明は図で示され、以下で説明される実施形態に限定されるべきではなく、添付された特許請求の範囲により定義される範囲内にある均等な特徴の任意の組み合わせを包含するように変更され得ると理解されるべきである。

呼気サンプルが呼吸アルコール測定機器の燃料電池（ブレサライザ（Ｂｒｅａｔｈａｌｙｓｅｒ（登録商標））（ドレーゲル（Ｄｒａｅｇｅｒ）社により所有されている商標）という名においても知られている）を通過させられるとき、呼吸サンプル中に存在するアルコール（エタノール）は電気化学反応により酸化され、測定可能な電流が発生する。図１は燃料電池からの典型的な出力反応を時間に対する出力電圧のグラフによって示している。曲線の下の面積は電圧を時間について積分することによって計算され、呼吸中のアルコール濃度に正比例する値ＦＣを与える。

呼吸アルコール濃度（ＢｒＡＣ）の正確な測定値を与えるには、酒気検知器はアルコールの濃度および量が既知のサンプルを使用して較正される必要がある。それに続き、被験者に対してアルコール呼吸試験を実行するとき、酒気検知器は較正に使用された量に対応する、予め決定されたサンプル量を必要とする。必要量が供給されたとき、酒気検知器は試験サンプルの燃料電池出力信号（電圧）の曲線の下の面積と較正ルーチンからの記憶されている値とを比較し、試験された呼吸アルコール濃度についての読取値を与える。

特定のサンプル量が必要であるということは、当該技術分野で知られる酒気検知器における代表的な主な欠点である。第１に、例えば被験者の肺容量が低下している場合など、何らかの理由で予め決定された量の呼吸サンプルを提供できない場合、有効な呼吸試験を実行できない。第２に、ある選択されたサンプル量を測定および取得して燃料電池に供給するために酒気検知器に必要とされるサンプリング機構（例えば、圧力センサ、バルブ、ポンプ等）は、かなり高価なこと、嵩高いこと又はその両方がある。これによって、装置の大きさを最小化し製造コストを減少させる可能性に制約が課される。

燃料電池面積を測定するときなど同様の方法では、呼吸サンプル量は、時間に対するサンプルの量の流量の曲線の下の面積を計算することにより、決定できる。その流量は適切な流量計（例えば機械式、圧力式、光学式、熱的、電磁式の流量計）を使用して測定される。本発明の好ましい一実施形態では、圧力センサと組み合わせたベンチュリ計、オリフィスプレート又は均等物等の圧力式流量計が使用される。

実験室における試験では、任意の特定のアルコール濃度に対して、呼吸量Ｖ_ｂの変化は燃料電池出力信号ＦＣ_ｏｕｔに直線的に相関することが分かっている。

測定されて記憶されている較正量Ｖ_ｃａｌを使用することにより燃料電池出力信号ＦＣ_ｏｕｔの「流れ」補正を実行し、定数の表現ｋ＝ＦＣ_ｏｕｔ／Ｖ_ｂの表現を対応する方程式に代入することによって、燃料電池出力信号の補正値ＦＣ_ｃｏｍｐが得られる。

それゆえ、被験者の呼吸アルコール濃度を正確に測定する新規かつ進歩的な方法が達成され、様々な呼気量の取り扱いが可能となり、サンプリング機構の必要性を除去する。

図２は本発明による方法のフローチャートを示している。第１段階Ｓ２０１において、使用者は測定機器に吹込を開始する（通常、使用者に対して清潔な状態を保証するべく、安価に製造され取替可能なプラスチック又は他の適切な材料から製造されるサンプリングチューブ又はパイプを介する）。

使用者が装置に吹込を続けると、呼気サンプルの流量Ｑが測定され、これが呼吸サンプルの量Ｖ_ｂを計算すべく使用される。段階Ｓ２０２において、流量Ｑを時間について積分することによって、計算された呼吸量Ｖ_ｂは測定手順を通じて継続的に更新される。

同時に、呼吸アルコール濃度ＢｒＡＣが燃料電池出力信号ＦＣ_ｏｕｔから計算され、これも段階Ｓ２０２において燃料電池出力信号ＦＣ_ｏｕｔを時間について積分することによって継続的に更新される。

段階Ｓ２０４において、使用者が吹込を停止したかどうかが確認される。使用者が吹込を停止した場合、上述のように段階Ｓ２０５において流れ補正が実行される。それにより、燃料電池出力信号ＦＣ_ｃｏｍｐの最終的な補正値が得られ、補正された呼吸アルコール濃度ＢｒＡＣ_ｃｏｍｐの計算に使用される。次いで段階Ｓ２０６において、この値は使用者に対して表示されるか、使用者の血中アルコール濃度の決定に使用されるか、又はその両方が行われる。

図３は、本発明による呼吸アルコール濃度ＢｒＡＣを測定するための装置を概略的に示している。その測定装置はハウジング１の内部に収容されており、使用者又は被験者の呼気サンプルを受け取るための取替可能な呼吸サンプル入口チューブ２を備える。矢印は測
定装置を通じる呼吸の流れの方向を示している。呼吸の流れは、先端が閉じている第１チャネル３を通じて導かれる。流量計５は第１チャネル３の先端の近くに位置し、測定装置１を通じる呼吸サンプルの瞬間流量Ｑを測定する。

好ましい一実施形態では、流量計５は、圧力センサと組み合わせたベンチュリ計、オリフィスプレート又は均等物等の圧力式流量計を備える。しかしながら、流量Ｑは、任意の適切な流量計（例えば機械式、圧力式、光学式、熱的、電磁式流量計）を使用して測定される場合がある。

呼吸の流れの一部はサンプリングチャネル４を通じて導かれ、第１チャネル３の基端の近くの燃料電池センサ６に入る。呼吸サンプル中に存在する任意のアルコール（エタノール）は、燃料電池６内の電気化学反応の燃料となり、電流が生じる。この電流は、呼吸サンプル中のアルコール量の尺度であり、通常の場合では燃料電池６を通じて測定される電圧として、燃料電池出力信号ＦＣ_ｏｕｔにより表される。

流量計５及び燃料電池６はマイクロコントローラ７に接続されている。マイクロコントローラ７は流量及び燃料電池電圧の測定値を処理するための手段を含む。この文脈では、処理には、流量Ｑ及び時間に対する燃料電池出力信号ＦＣ_ｏｕｔの曲線の下の面積を検出することが含まれる。この面積は呼吸サンプルの量Ｖ_ｂ及び呼吸アルコール濃度ＢｒＡＣにそれぞれ対応している。これは、流量Ｑ及び燃料電池出力信号ＦＣ_ｏｕｔをそれぞれ時間について積分することによっても得られる。マイクロプロセッサ７は、呼吸試験の持続期間を通じて、呼吸サンプル量Ｖ_ｂ及び燃料電池出力信号ＦＣ_ｏｕｔを継続的に更新するように構成されている。

呼吸サンプルが燃料電池６を通過すると、呼吸サンプルは排出チューブ８を通じて測定装置のハウジング１から出る。
測定装置にさらに備えられているのは、流量計５と、燃料電池６と、マイクロコントローラ７とのうちの１つ以上に動力を供給するバッテリー９又は他の適切なエネルギー源である。

本発明の好ましい一実施形態では、測定装置は、測定された呼吸アルコール濃度ＢｒＡＣ、血中アルコール濃度ＢＡＣ又はその両方を表示する表示手段をさらに備える場合がある。血中アルコール濃度ＢＡＣは血液対空気部数比、すなわち、呼吸と血液との既知の量におけるアルコール量の関係から決定できる。大抵の酒気検知器は国際標準部数比２１００：１を使用している。すなわち、呼吸中のアルコール１部（ｐａｒｔｓ）あたり、血中には２１００部のアルコールが存在する。

本発明によるアルコール測定装置は相当に小型に製造され、飲酒インターロック機器に含まれ得る。そのようなインターロック機器は従来技術において知られており、本明細書では詳細には記載されない。インターロック機器は使用者の呼吸の温度と、湿度と、アルコール濃度とのうちの１つ以上を測定する手段を備えている場合があり、これらの測定結果に基づき許容範囲内（使用者がアルコールに酔った状態にないことに対応する）である場合、インターロック機器に接続された乗物又は他の機械類の始動をインターロック機器は可能にする。さらに、インターロック機器は、アルコール測定装置の結果を分析するためのマイクロプロセッサや、乗物又は機械の始動機に電気的に接続された中継器を備えている場合がある。

本発明によるアルコール測定装置が提供されると、小型で低コストの飲酒インターロック機器が達成され、任意の乗物又は機械の始動を制御するように使用され得る。

Claims (11)

1. 使用者の呼吸アルコール濃度（ＢｒＡＣ）を測定するための方法において、
   前記使用者から吐かれた呼吸サンプルを受け取る工程と、
   前記呼吸サンプルの流量（Ｑ）を測定する工程と、
   前記呼吸サンプルを燃料電池センサ（６）の中へ導く工程と、
   前記燃料電池センサ（６）の燃料電池出力信号（ＦＣ_ｏｕｔ）に基づき呼吸アルコール濃度（ＢｒＡＣ）を計算する工程と、
   測定された前記流量（Ｑ）に基づき前記呼吸サンプルの量（Ｖ_ｂ）を計算する工程とを備え、
   前記呼吸サンプルの量（Ｖ_ｂ）に拘わらず、測定された瞬間の流量（Ｑ）及び前記燃料電池出力信号（ＦＣ_ｏｕｔ）をそれぞれ時間について積算することによって、前記呼吸サンプルの量（Ｖ_ｂ）及び前記呼吸アルコール濃度（ＢｒＡＣ）を継続的に更新する工程と、
   使用者が吹込を停止した場合、最終的な前記呼吸アルコール濃度（ＢｒＡＣ）を計算するよりも前に、最終的な補正された燃料電池出力信号（ＦＣ_ｃｏｍｐ）を得るべく、記憶されている較正量（Ｖ_ｃａｌ）を使用して積算された最終的な前記燃料電池出力信号（ＦＣ_ｏｕｔ）の補正を行う工程とをさらに備え、前記補正は次式を使用して実行されることを特徴とする方法。
   

   
2. 前記呼吸アルコール濃度（ＢｒＡＣ）に基づき血中アルコール濃度（ＢＡＣ）を決定する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
3. 得られる前記血中アルコール濃度（ＢＡＣ）を表示する工程をさらに備える、請求項２に記載の方法。
4. 計算された前記呼吸アルコール濃度（ＢｒＡＣ）が所定の閾値を超える場合、乗物の始動を妨げる工程をさらに備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記流量（Ｑ）は圧力式流量計（５）によって測定される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 呼吸アルコール濃度（ＢｒＡＣ）を測定するための装置において、
   使用者の吐いた呼吸サンプルを受け取るための手段（２）と、
   前記呼吸サンプルの流量（Ｑ）を測定するための手段（５）と、
   燃料電池センサ（６）と、
   マイクロコントローラ（７）とを備え、該マイクロコントローラ（７）は、
   前記燃料電池センサ（６）の燃料電池出力信号（ＦＣ_ｏｕｔ）に基づき呼吸アルコール濃度（ＢｒＡＣ）を計算し、
   測定された前記流量（Ｑ）に基づき前記呼吸サンプルの量（Ｖ_ｂ）を計算するように構成されており、
   前記マイクロコントローラ（７）は、
   前記呼吸サンプルの量（Ｖ_ｂ）に拘わらず、測定された瞬間の流量（Ｑ）及び前記燃料電池出力信号（ＦＣ_ｏｕｔ）をそれぞれ時間について積算することによって、前記呼吸サンプルの量（Ｖ_ｂ）及び前記呼吸アルコール濃度（ＢｒＡＣ）を継続的に更新し、
   使用者が吹込を停止した場合、記憶されている較正量（Ｖ_ｃａｌ）を使用して積算された最終的な前記燃料電池出力信号（ＦＣ_ｏｕｔ）の補正を行い最終的な補正された燃料電池出力信号（ＦＣ_ｃｏｍｐ）を得るようにさらに構成されており、前記補正は次式を使用して実行されることを特徴とする、装置。
   

   
7. 前記マイクロコントローラ（７）は、前記呼吸アルコール濃度（ＢｒＡＣ）に基づき血中アルコール濃度（ＢＡＣ）を決定するようにさらに構成されている、請求項６に記載の装置。
8. 前記装置は得られる前記血中アルコール濃度（ＢＡＣ）を表示するための表示手段をさらに備える、請求項７に記載の装置。
9. 前記流量（Ｑ）を測定するための手段は、圧力式流量計（５）である、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の装置。
10. 請求項６乃至９のいずれか一項に記載の装置を備える、呼吸アルコールインターロック機器。
11. 請求項１０に記載の呼吸アルコールインターロック機器を備える乗物。

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