KR20080068663A - 휘발성 구성물의 혈중 농도를 평가하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

인간 또는 동물 대상물에서 휘발성 혈액 구성물(바람직하게는 알코올)의 상기 혈중 농도를 평가하는 방법을 개시한다. 상기 방법은, 상기 대상물이 내쉬는 공기 흐름에 센서 수단(21, 22)을 배치하는 단계를 구비하며, 여기서 상기 센서 수단(21, 22)은 상기 구성물의 존재를 검출하고 공기 중에 상기 구성물의 상기 농도를 나타내는 제1 출력 신호를 제공하도록 구성되며, 이산화 탄소의 존재를 검출하고 공기 중의 이산화 탄소의 농도를 나타내는 제2 출력 신호를 제공하도록 구성된다. 상기 대상물에서 내쉬는 기체들의 흐름은 상기 내쉬는 기체들에 관한 제1 및 제2 신호들을 실질적으로 동시에 제공하도록 샘플링된다. 상기 방법은 또한 시간에 대한 상기 제1 신호의 변화와 시간에 대한 상기 제2 신호의 변화를 비교하고 상기 비교의 결과에 따라 상기 내쉬는 공기 흐름(airflow)의 희석 정도를 나타내는 상기 제2 신호를 만들도록 구성된 알고리즘에 상기 샘플링 단계에 의해 얻어진 상기 제1 및 2 신호들을 입력하는 단계를 구비한다.

Description

휘발성 구성물의 혈중 농도를 평가하는 방법 및 장치{A method and apparatus for assessing blood concentration of a volatile constituent}

본 발명은 인간 또는 동물 대상물에서 휘발성 혈액 구성물의 상기 혈중 농도를 평가하는 방법에 관한 것이며, 또한 상기 방법을 실행하는 장치에 관한 것이다.

알코올 또는 다른 마약(drugs)에 의해 영향을 받은 차량 운전자들과 관련된 교통 상해는 모든 현대 사회에 주된 문제이다. 많은 사상자와 심각한 손실은 상기 문제에서 비롯될 수 있으며, 인간 비극의 많은 부분과 커다란 경제적인 손실과 연관된다. 온갖 수단을 다 쓰면서, 예방적인 조치를 찾는 것은 모든 관점에서 접근되어야 한다. 그러나, 중요한 것은 해결책들은 인간의 행동, 신뢰 및 경제에 관한 관점에서 현실적이어야 한다는 것이다.

마약과 차량 운전에 관한 입법은 나라마다 서로 다르나, 일반적으로 모든 현대 사회에서 상기 문제의 심각성을 반영한다. 스웨덴과 다른 많은 나라에서, 만약 알코올(alcohol)의 혈중 농도가 0.02%를 초과하면(정확한 숫자는 나라마다 다름) 차량 운전은 금지된다. 합법 운전과 불법 운전을 구별하는 명료한 농도 값은 재현될 수 있어야 하며 법적 안정의 모든 가능한 관점에서 법적으로 이의가 없는 측정 절차를 요구한다. 스웨덴에서는, 음주 운전자의 유죄 판결을 위해서는 그/그녀의 동의에 반하여 직접적인 혈액 채취가 의무적이다. 호흡 샘플링(breath sampling)이나 피부를 통한 측정은 다소 신뢰성이 떨어진다.

직접 혈액을 샘플링하는 것은 검색 목적이나 대규모의 다른 용도를 위해서는 실용적이지 않는데 이는 가격, 취급상의 문제, 및 감염의 회피 때문이다. 피부를 통한 접근은 신뢰성의 이유로 대규모의 사용에 성공적이 않을 것이다. 반면에, 호흡 샘플링은 유용한 대규모의 해결책으로 발전될 가능성을 갖는다.

대상물이 내쉬는 기체 내에 알코올 농도를 측정할 수 있는 여러 형태의 센싱(sensing) 장치는 이미 알려져 있다. 폐 혈관과 폐포 사이의 가스 교환은 일반적으로 효율이 높으며, 이것에 의해 상기 측정된 기체 농도와 혈중 농도 사이의 적절한 상호 관계를 유지시킨다.

공기 중의 알코올 또는 다른 휘발성 화합물의 농도 측정은 명백히 다른 형태의 두 개의 장치로 수행될 수 있다. 분산 장치(dispersive device)로서 분류되는 하나의 형태에서, 상기 기체 샘플의 다양한 구성물은 상기 구성물들 사이의 중요하고 재생가능한 차이점을 나타내는 특성에 따라 분류된다. 질량 분석(mass spectroscopy)는 하나의 방법이며, 각각의 구성물의 분자량이 상기 변화를 나타낸다는 사실에 근거한다. 다른 방법은 기체 크로마토그래피(gas chromatography)이며, 여기서 분산 특징은 이동성을 갖는 기체 케리어(gas carrier), 및 고정된 고체 또는 액체 표면에 각각의 구성물의 상대적인 친화도(affinity)이다. 분산적인 방법들은 일반성과 정확성의 장점을 가지지만, 그것들은 상대적으로 복잡하며, 따라서 비싸다. 상기 구성물들이 알려지고, 이슈(issue)가 그것들의 상대적인 농도를 측정하는 용도라면, 분산적인 방법들은 지나치다고 볼 수 있다.

비분산 장치는 검출 또는 측정의 목적에 맞는 몇몇 특징에 일반적으로 기초한다. 상기 특성은 정성적인 또는 정량적인 특성을 가질 수 있다. 후자는 상기와 같은 특성이 다른 물질들에 의해 분배되지만, 크기에서 다르다는 것을 의미하며, 그러므로 다른 것들로부터 소정의 물질을 구별할 수 있게 한다. 정성적인 특징은 상기 검출이 양에 관계없이 수행될 수 있다는 것을 의미한다. 기본적인 관점에서, 상기 정성적인 접근은 바람직하며, 이는 잘못된 검출의 위험이 감소되기 때문이다. 그러나, 실제로, 정량적인 원칙은 다른 것을 제공할 수 있으며, 장점들을 반감시킨다.. 때로는, 최종 선택은 특정 적용의 실질적인 필요에 따라 결정될 수 있으며, 상기 필요에 맞는 해결책을 적용하는 것이 필요하다.

일반적인 공기의 구성물들과 달리, 알코올은 가연성이 있다는 사실에 의존하는 장치에 의해 알코올 검출은 일반적으로 수행된다. 연소 과정은 높은 온도에서 그리고 어떤 촉매의 존재하에서 통상의 온도에서 자발적으로 발생한다. 알코올의 존재와 그것의 농도는 연소에 의해, 또는 산소의 소비에 의해 발생되는 열을 측정함으로써 기록될 수 있다. 상기 목적을 위한 센서는 기체와 고체 성분 사이의 상호 작용에 의해 작동하거나, 액체 경계면을 가질 수 있다. 발생한 열 에너지의 양 또는 소비된 산소의 양은 정성적인 측정(determination)에 직접적으로 이용될 수 있다.

상술된 모든 장치들의 공통점은 직접적인 샘플링이 필요하다는 것이다. 만약 샘플이 하나의 이유 또는 다른 이유로 희석된다면, 상기 장치들은 크기가 매우 낮은 잘못된 값을 기록할 것이다. 희석은 사고에 의해 그리고 고의적으로 발생할 수 있다. 샘플링 과정의 어느 부분에서 누출이 발생할 수 있으며, 몇몇의 경우에는 피하고 검출하는 것이 어려울 수 있다. 상기 샘플링 과정의 자발적인 조작의 위험은 알코올 테스트의 합법적인 측면에서 고려된다.

어떤 휘발성 구성물의 혈중 농도와 대상물을 테스트함으로써 내쉬는 공기 중의 그것의 농도 사이에는 밀접한 관련성이 있다. 이러한 관련성은 폐 내의 폐포/혈관 접촉면(interface)에서 발생하는 용해된 자유 기체의 효율적인 평형(equilibaration)에 달려 있다. 용해된 자유 기체 사이의 관계는 어떤 구성물에 특정되며 온도에 의존한다.

37℃에서 15.5kPa의 증기압을 나타내는 에틸 알코올 물에 용해될 수 있다. 평형 상태에서, 알코올/물 용액 상에 상기 알코올의 부분압력은 상기 용액에서 알코올 농도에 직접적으로 관련이 있다. 상기 대응되는 관계는 공기/혈액 접촉면에서 유효하다. 상기 평형 과정의 효율성은 넓은 접촉면적에 의존하며, 또한 상기 대상물 내의 생생한 폐의 기능에 결정적이다. 혈액에서의 농도와 내쉬어진 공기의 농도를 서로 관련시키는 추정된 조건의 교란(disturbances), 및 제한(limits)은 건강하거나 병든 폐의 기능과 매우 관련이 깊다. 폐에 병이 있는 대상물에서, 내쉬어진 공기 내의 측정된 농도를 기초로 한 결과는 매우 조심스럽다.

대상물로부터의 내쉬어진 공기 흐름의 알코올 성분의 측정과 관련된 다른 문제가 있다. 종래 기술에서 제안된 호흡 테스트 장치를 이용할 때, 대상물은 알코올 센서에 연결되는 마우스 피스(mouthpiece)에 호흡하도록 지시를 받는다. 적절 한 정확성을 얻기 위해, 내쉬어진 부피 및 흐름은 희석을 피할 수 있는 어떤 제한을 초과하여야 한다. 폐에 질병, 예를 들면 천식이 있는 사람에 대해, 상기 제한에 도달하는 것은 어렵거나 불가능할 수 있다. 위생적인 이유로, 마우스피스들은 개인적으로 고려된다. 다른 사람들 사이의 마우스피스 교환은 측정 때마다 시간과 비용을 추가시킨다.

접촉이 없으며 완성하는데 단지 몇 초만이 필요한 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 인간 또는 동물 대상물에서 휘발성 혈액 구성물의 혈중 농도를 평가하는 향상된 방법과, 상기 방법을 실행하는 장치를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명의 첫 번째 측면은, 인간 또는 동물 대상물에서, 휘발성 혈액 구성물의 혈중 농도를 평가하는 방법을 제공하는 것이며, 상기 방법은 상기 대상물이 내쉬는 공기 흐름에 센서 수단을 배치하는 단계, 상기 센서 수단은 상기 구성물의 존재를 검출하고 공기 중에 상기 구성물의 상기 농도를 나타내는 제1 출력 신호를 제공하도록 구성되며, 이산화 탄소의 존재를 검출하고 공기 중의 이산화 탄소의 농도를 나타내는 제2 출력 신호를 제공하도록 구성되며; 실질적으로 동시에 내쉬는 기체들에 대한 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 제공하는 상기 센서 수단을 이용하는 상기 대상물로부터 내쉬는 기체들의 흐름을 샘플링하는 단계;를 구비하며; 시간에 걸친 상기 제1 신호의 변화와 시간에 대한 상기 제2 신호의 변화를 비교하고 상기 비교의 결과에 따라 상기 내쉬는 공기 흐름(airflow)의 희석 정도를 나타내는 상기 제2 신호를 만들도록 구성된 알고리즘에 상기 샘플링 단계에 의해 얻어진 상기 제1 및 2 신호들을 입력하는 단계를 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 구성물은 알코올이다.

바람직하게는, 상기 구성물은 에틸 알코올(ethyl alcohol)이다.

바람직하게는, 상기 알고리즘은 상기 대상물의 혈액 부피의 계산된 또는 추정된 값을 나타내는 상기 제2 신호를 만들기 위해 구성되며, 그것에 의해 상기 구성물의 상기 혈중 농도를 나타내는 상기 제1 신호를 만들 수 있다.

바람직하게는, 상기 혈액 부피의 값은 상기 대상물의 폐포 이산화 탄소의 추정 또는 간접적 측정과 결합하여 상기 제2 신호로부터 계산될 수 있다.

바람직하게는, 상기 알고리즘은 상기 제2 신호에 대한 상기 제1 신호의 비율을 계산하도록 구성되며, 상기 비율은 상기 구성물의 상기 혈중 농도 레벨을 나타낸다.

바람직하게는, 상기 대상물의 폐포 이산화 탄소 농도를 나타내는 요소와 상기 비율을 곱하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 나이, 성별, 몸무게, 개성 지표(personality index) 및 체력 지표(fitness index)를 구비하는 그룹에서 선택된 하나 또는 그 이상의 대상물 특징 파라미터들을 기초로 상기 요소를 평가하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 체력 지표를 계산하는 상기 대상물의 심장 박동률을 측정하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 샘플링 단계 및 입력 단계는 상기 대상물의 제어를 넘는 반복률(repetition rate)로 반복된다.

바람직하게는, 상기 센서 수단은 구성물 센서와 이산화 탄소 센서를 구비하며, 상기 센 수단은 상기 두 개의 센서들 모두 상기 내쉬는 기체 흐름에서 실질적으로 동일한 위치에서 기체를 샘플링하도록 구성된다.

바람직하게는, 상기 배치 단계는 최대 소정의 범위에서 상기 센서 수단으로 숨을 내쉬도록 상기 대상물에 지시하는 것을 포함한다.

바람직하게는, 상기 범위는 대략적으로 0.5미터이다.

바람직하게는, 상기 지시는 시각 및/또는 청각 신호에 의해 주어진다.

바람직하게는, 상기 배치 단계 전에 수행되는 초기화 단계를 더 구비하며, 상기 초기화 단계는 상기 센서 수단의 위치에서 상기 주변 공기의 구성물 농도와 이산화 탄소 농도를 나타내는 제1 및 제2 신호를 제공하는 상기 센서 수단을 이용하며 주변 공기를 샘플링하는 것을 구비한다.

바람직하게는, 수정 단계를 더 구비하며, 여기서 주변 공기를 나타내는 상기 제1 및 제2 신호는 상기 내쉬는 기체들의 관한 상기 제1 및 제2 신호로부터 각각 이어서 추출된다.

바람직하게는, 상기 내쉬는 기체들에 관한 상기 제2 신호는 상기 샘플링 단계 동안에 검출되는 이산화 탄소 농도의 피크 값이다.

바람직하게는, 상기 내쉬는 기체들에 관한 상기 제2 신호는 상기 샘플링 단계 동안에 검출되는 이산화 탄소 농도의 합계된 또는 평균값이다.

바람직하게는, 상기 내쉬는 기체들에 관한 상기 제1 신호는 상기 샘플링 단계 동안에 검출되는 구성물 농도의 피크 값이다.

바람직하게는, 상기 대상물은 모터 차량의 운전자이며 상기 방법은 상기 차량 내에서 수행된다.

바람직하게는, 시간에 대한 상기 제1 및 제2 신호의 변화는 적어도 한 번의 호흡 사이클 시간에 걸쳐 비교된다.

바람직하게는, 호흡의 한 사이클은 상기 제2 신호가 상기 제1 문턱값을 넘을 때 시작하고 상기 제2 신호가 제2 문턱값 아래로 떨어질 때 종료하는 것으로 측정된다.

바람직하게는, 상기 첫 번째 또는 두 번째 신호들이, 대상물에 의해 내쉬어지는 호흡으로부터 기대될 수 있는 있으며 외부로 떨어지는 시간 또는 주파수 도메인(domain)에서의 소정의 크기 이상의 특성들을 갖는 다른 신호의 교란들(disturvances) 또는 스파이크들(spikes)을 포함하지 않는다면, 상기 두 번째 신호는 상기 내쉬는 공기의 희석을 나타내는 것으로 측정된다.

바람직하게는, 상기 제2 신호는 만약 상기 제2 신호가 소정의 문턱값을 넘는다면 상기 내쉬는 공기 흐름의 희석 정도를 나타내는 것으로 측정된다.

바람직하게는, 상기 제2 신호는 만약 상기 제1 및 제2 신호들이 실질적으로 그것들 각각의 최대값들 주위에서 정체 상태(plateau-shaped)라면 상기 내쉬는 공기 흐름의 희석 정도를 나태는 것으로 측정된다.

바람직하게는, 상기 제1 및 제2 신호들을 샘플링하는 주파수는 대략 4Hz보다 더 크거나 같다.

본 발명의 다른 측면은 상기 방법을 실행하도록 구성되는 장치를 제공하며, 상기 장치는, 상기 대상물의 내쉬는 기체 흐름 내에서 배치가능한 센서 수단, 상기 센서 수단은 상기 구성물의 존재를 검출하며 공기에서 상기 구성물의 농도를 나타내는 제1 출력 신호를 제공하도록 구성되며, 이산화 탄소의 존재를 검출하고 공기에서 이산화 탄소의 농도를 나태는 제2 출력 신호를 제공하도록 구성되며; 상기 알고리즘을 갖는 메모리; 및 상기 메모리 내에 저장되는 상기 알고리즘에 따른 상기 신호들을 처리하도록 구성된 프로세서를 구비한다.

바람직하게는, 상기 장치는 모터 차량에 제공된다.

바람직하게는, 상기 센서 수단은 상기 모터 차량 내에서 상기 차량의 상기 운전자 좌석 전방에 장착되는 적어도 하나의 센서 부품을 구비한다.

바람직하게는, 상기 프로세서는 상기 차량의 점화 회로에서 스위치에 연결되며, 상기 프로세서는 만약 상기 알고리즘의 결과가 상기 구성물의 소정의 혈중 농도 값 이하인 경우 상기 스위치를 종료하도록 구성된다.

본 발명이 더 쉽게 이해되며, 본 발명의 특징들이 올바르게 인식되기 위해, 본 발명의 실시예들이 예를 통해, 첨부되는 도면을 참조하여 설명될 것이다.

도 1은 본 발명을 구현하는 방법의 여러 단계를 나타내는 흐름도이며;

도 2는 본 발명의 방법에서 사용되는 신호들의 시간에 대한 플롯들(plots)이며;

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 장치의 구성요소를 나타내는 구성도이며;

도 4는 본 발명의 장치 및 방법에 사용하는데 적합한 몇몇의 가능한 센서 부품을 나타낸다.

본 발명의 방법은 대기에서 희석되는, 대상물(subject)의 입에서 나오는 내쉬는 공기의 알코올 및 이산화 탄소 농도의 측정을 기초로 한다. 상기와 같이, 상기 방법은 대상물의 입과 코에서부터 어느 정도 떨어져 위치한 가장 바람직하게는 대상물의 입과 코에서 50센티 위에 위치한 센서 배치를 사용할 수 있다. 상기와 같은 거리에서, 대상물에서 나오는 내쉬는 공기는 대기에서 열 배 이상 희석될 수 될 수 있다.

본 발명에 따르면, 이산화 탄소 및 알코올(CextCO₂ 및CextEtOH)의 농도는 사람과 같은 대상물에서 나오는 내쉬는 공기 흐름 내에서 서로 매우 가까운 위치에서 동시에 측정된다. 대응되는 폐포(alveolar) 농도에 관한 희석의 정도는 상기 두 기체와 동일하다고 추정되며, 폐포 부피(Valv)에 대한 무효 부피(dead volume)(Vds)로 부분적으로 이루어지며 상기 대상물의 코 및/또는 입에서 상기 센서 배열의 위치까지 상기 내쉬어진 공기의 경로에서 발생하는 순간적인 희석으로 부분적으로 이루어진다. 상기 무효 부피(Vds)은 실제 기체 교환에 참가하지 않는 대상물의 기도(airway)의 부피를 나타낸다. 성인의 경우, 상기 무효 부피는 대략적으로 150ml이며 주기적인 부피(tidal volume)(특히, 각각의 호흡에서 교환되는 공기 부피)의 약 30%을 나타내며, 주로 상부 기도를 구성한다.

상기 내 쉬는 공기 흐름 내에서 측정되는 이산화 탄소의 농도와 알코올의 농도는, 다음의 식에 의해 정의될 수 있으며, CalvCO₂ 및CqalvEtOH는 상기 폐포 이산화 탄소 농도 및 상기 폐포의 알코올 농도를 각각 나타낸다.

수학식 1과 수학식 2의 비율에 의해서, 상기 희석 성분은 없어지고, 상기 폐포 알코올 농도는 다음의 간단한 식으로 측정될 수 있다.

알코올의 폐포 또는 혈액 농도는 따라서 상기 대상물의 폐포의 CO₂ 농도를 나타내는 추정된 또는 간접적으로 측정된 값으로 결합된 CextEtOH 및 CextCO₂를 나타내는 외부에서 측정된 신호들의 비율에 기초한 상기 수학식 3으로부터 측정될 수 있다. 실제로, 상기 결합된 외부/폐포 CO₂ 측정 및/또는 추정은 상기 내쉬는 공기 흐름의 희석 정도를 나타내는데 제공하며, 상기 알코올 신호가 특별한(particular) 희석과 관련되게 하며 상기 혈중 농도를 나타내게 한다. 상기 표현은 외부 이산화 탄소(CextCO₂)에 대응하는 신호 및 폐포 이산화 탄소 농도(CalvCO₂)의 간접적인 측정 또는 추정에 의해 유효하게 된다. 또는, 상기 외부 CO₂ 측정은 일정한 혈액 부피를 나타낸다고 가정될 수 있으며, 이것은 상기 알코올 신호를 상기 부피와 절대 조건(absolute volume)에서의 측정과 관련되게 할 수 있다.

수학식 3은 또한 CextEtOH 및 CextCO₂를 나타내는 신호들의 불연속적인 값들이 관심이 있는(of interest)(예를 들면, 검출된 농도에 정확한 순간적인 값들을 제공할 필요가 없이, 알코올 농도의 일정한 문턱값이 넘었는지 안았는지를 결정하는 용도에 이용될 수 있다. 상기와 같은 상황에서, 상기 알코올 신호는 상기 CO₂ 신호가 일정한 소정의 값을 넘는 순간에 측정될 수 있다.

희석 요소(D)의 시간과 위치 의존(dependence) 와 Valv/(Vds+Valv) 요소는 일정한 사전 대책(precautions)이 요구될 수 있으며, 이하에서 상세하게 설명될 것이다. 본 발명에 따른 방법에 대한 또 다른 필수적인 조건은 상기 대상자가 테스트되는 동안에 충분한 정확성이 상기 외부 측정 및, 폐포(및 동맥)의 추정 또는 간접적인 측정으로 얻어질 수 있다는 것이다.

적외선 또는 전기 음향학의 기술에 기초한, 현재 이용가능한 CO₂ 센서를 이용함으로써, CextCO₂에 대한 2%보다 작은 측정 에러가 보통의 폐포 농도의 10배의 희석 정도로 실질적으로 발견되었다. 상기 정확성과 신뢰성은 여전히 논쟁의 된다고 할지라도, CextEtOH의 측정 정확성에 관한 촉매 알코올 센서에 관해서 기본적으로 동일한 결론이 도출될 수 있다.

생리학 논문에서 명백하게, CalvCO₂의 변화는 광범위하게 연구되었다. 폐포 기체의 조성은 쉬는 상황하에서 눈에 띄게 일정하다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 이것은 뇌의 호흡 중추가 동맥혈의 이산화 탄소 레벨의 작은 변화에 민간하기 때문이다(피.씨. 존슨(P. C. Johnsom): 호흡 구조의 다이나믹(dynamics), 이. 이. 셀커드(E. E. Selkurt)(Ed.) 생리학 2판(2nd Ed.), 리틀, 브라운사(Little, Brown &Co), 보스톤, 미국, 1966, p449-450). 또 다른 안정적인 요소는 혈액의 부피 내에서 이산화 탄소의 주요 부분은 중탄산염(bicarbonate) 이온의 형태로 이동되며, 그래서 작은 부분만이 폐를 통해 교환될 수 있다.

보통 조건하에서 환기(ventilation)의 조절의 가장 중요한 요소는 동맥혈의 P_CO2이다. 상기 조절의 민감성은 중요한다. 휴식과 운동 기간을 갖는 매일의 행동 코스에서, 동맥의 P_CO2는 대략적으로 5kPa의 표준 값의 7% 내에 있다(제이. 비. 웨스(J. B. West): 호흡 생리학-본질(the essentials) 3판(3rd Ed.) 윌리엄스&위킨스(Williams&Wikins), 볼티모아(Baltimore), USA, 1985, p122). 보통의 대기압이 대략적으로 100kPa이라는 사실 때문에, kPa 단위 그리고 부분 압력으로 표현되는 CO₂ 농도는 부피 퍼센트로서 표현되는 것과 대략적으로 동일하다.

104명의 인간 테스트에서의 폐포의 CO₂ 농도 연구에서, 나이와 성별은 약하지만 중요한 변수를 나타내었다. 여성들에 대한 평균값은 4.8kPa이자만, 남성들은 4.9kPa이었다. 30세 이하의 나이의 그룹은 평균 5.0kPa을 나타내었지만, 60세 이상의 나이 그룹은 평균 4.6kPa를 나타내었다. 차이점들이 개성 지표(personality indices)에 관하여 언급되었다(에이(A). 도칼리아(Dhokalia), 디(D). 제이(J). 파슨(Parsons), 디(D). 이(E). 앤더슨(Anderson):"나이, 성별, 및 개성과 연관된 휴식 엔드 타이들(end-tidal) CO₂", 정신 신체 의학(Psychosomatic Medicine) 60 (1998) 33-37).

인간 대상자에 대한 폐포 CO₂ 농도는 최대값에 도달할 때까지 신체적인 부하(physical load)를 증가시키는 것으로 알려져 있다. 더 높은 부하에서, 상기 폐포 CO₂ 농도는 감소한다. 상기 최대값은 휴식 값보다 대략적으로 12% 더 높게 기록된다(엠(M). 폴크(Folke) "호흡 이산화 탄소의 측정", 컴퓨터 과학 및 전자공학부, 말라달렌(Malardalen) 대학 박사 논문 제 15호, 2005, p. V2).

대상물이 호흡 항진한다면(hyperventilates), CalvCO₂는 일시적으로 감소할 것이며, 작은 정도까지는 상기 대상물이 숨을 멈출 때 그 반대가 가능하다는 것이 알려져 있다. 상기 변화들은 상기 대상물의 조절을 넘어 몇 분 간격을 갖는 측정을 반복함으로써, 그리고 평균적으로 두 번 또는 몇 번의 측정을 가짐으로써 최소화될 수 있다.

온도, 습도, 및 기압과 같은, 대기 환경 요소들에 대한 생리학적인 반응은 상기 변수들을 모니터하고, 알고리즘에서의 수정 요소들로서의 상기 효과를 포함시키는 것을 원칙적으로 고려될 수 있다.

그러므로 나이, 성별 및 신체적 작업 부하(physical workload)를 고려하거나 고려하지 않고, 대상물의 폐포와 동맥의 CO₂ 농도의 추정은 가능하다. 신체적인 작업 부하의 측정은 상기 대상물의 심장 박동수(heart rate)를 측정함으로써 간접적으로 수행될 수 있다. 인용된 문헌에 따르면 상기 측정에 존재하는 에러는, 나이, 성별 및 작업 부하에 대한 보상이 이루어지는지 아니면 이루어지지 않는지에 따라 ±2% 내지 ±10%일 것이다.

전체 정확성의 요구 조건들은 출원에 따라 상당히 변화할 수 있다. 물론, 상기 측정된 농도가 법률적 과정(legal process)의 일부분이라면, 가장 높은 정확성 요구는 확실하다. 출원들을 검색할 때, 상기 요구 조건들은 상당히 줄어들게 될 수 있다.

추론의 선상에서, 상기 설명된 방법은 알코올 농도의 측정에 적합할 뿐만 아니라, 대상물의 혈액 순환 내의 어떤 일시적인 구성 요소를 위해 이용될 수 있다는 것이 명백하다.

본 발명에 따른 상기 방법의 일 실시예는 도 1의 흐름도에 의해 나타낸다. 도 1은, 운전자가 내쉬는 공기의 알코올 농도가 어떤 문턱값을 초과할 때 경고를 주기 위해, 차량에 구비되는 장치의 거의 완전한 자동 절차와 기능을 나타낸다. 상기 장치는 상기 차령의 점화 장치 잠금부(1)를 킴으로써 작동되며, 이것은 상기 운전자에 의해 수동으로 이루어진다. 또한, 상기 작동은, 예를 들면, 운전자 좌석의 쇼파(squab)에 제공되는 무게 센서와 같은 운전자 존재 검출기에 의해 자동적으로 실행될 수 있다.

최초 작동 후에 2 단계가 수행되며, 센서 수단의 영역에서 대기가 샘플되며 센서 부품들로부터 출력 신호를 측정하는 초기화 단계를 포함하며, 상기 출력은 상기 장치 위치에서 측정된 이산화 탄소(CO₂) 및 알코올(ethanol, EtOH)의 농도에 대응한다. CO₂의 농도는 신선한 공기에서 대략적으로 0.04kPA이며, 오염 때문에 0.03-0.05kPa로 상승할 수 있다. 공기 중의 알코올 또는 다른 가연성의 기체들의 농도는 일반적으로 1ppm(part per million)이하 이다.

두 기체들의 백그라운(backgroud) 농도가 영(zero)에 가깝다는 사실은 상기 센서 신호들의 자동적인 오프셋(offset) 조절을 위해 본 발명에서 이용된다. 초기화 단계에서 얻어지는 신호들은 상기 백그라운드 농도에 대응될 수 있으며, 메모리에서 저장되며 다음에 일어나는 모든 신호들에서 추출되며, 이것은 상기 신호 레벨에 인용될 수 있다. 상기 과정은 그러므로 상기 센서 부품들로부터 최후의 오프셋 에러들을 최소화할 것이다.

1초 또는 몇 초가 걸리는 초기화 후에, 상기 운전자에게 몇 초 동안 상기 센서의 방향으로 숨 내쉬도록 알려진다. 상기 센서 수단의 위치는 10-50cm의 거리에서, 상기 운전자에 의한 내쉼에 별다른 노력 없이 접근 가능하다. 차에서, 적합한 위치는 전면 유리(wind shield)의 상부의 영역 또는 운전대(steering wheel)이다. 상기 운전자가 상기 센서에 대해 숨을 쉬도록 알리는 것은 발광 다이오드와 같은 시각 지시 또는 소리 신호 또는 이들 모두에 의해 제공될 수 있다.

상기 운전자로부터 나오는 일반적인 내쉬는 숨은 대략적으로 0.5-5kPa의 레벨의 CO₂ 농도로 급격히 증가될 수 있으며, 이는 상기 차량 내부의 대기에 내쉬어진 공기의 희석 정도에 달려 있다. 이것은 상기 장치 위치에서 순간적인 공기 흐름, 확산 등에 의존하는 비율로 상기 백그라운드 레벨로 천천히 되돌아갈 수 것이다. 희석의 정도는 또한 상기 운전자의 위치, 상기 내쉬는 공기가 상기 장치를 치게 만드는 그의 능력뿐만 아니라 상기 요소들에 의존할 것이다. 상기 측정에서, 어떤 시간에 대한 피크값, 또는 합산된 또는 평균 CO₂ 농도는 알고리즘(3)에서 CextCO₂의 입력 이용을 위해 계산된다.

가장 간단한 것 중에 하나가 CextCO₂의 신호 문턱값이 될 때, 많은 기준은 '승인된' 내쉬는 숨의 발생 신호(특히, 알코올 농도의 정확한 계산에 적합한 내쉬는 숨)를 발신한다. 정의된 최대 농도의 존재, 또는 정체(plateau)는 또 다른 간단한 기준이다. 다른 것들은 사건들의 시간, 및 다양한 형태의 간섭(interference)의 부존재과 연관이 있을 수 있으며, 예를 들면 샤프한(sharp) 신호 '스파이크들(spikes)'는 차량에 존재할 수 있는 전자기적인 간섭과 관련이 있다. 패턴 인식의 다소 섬세한 기술들은 이 목적을 위해 이용될 수 있다.

상기 내쉬는 숨에서 알코올 농도에 대응하는 신호의 동시 기록이 또한 이루 어진다. CO₂ 농도의 그것을 매칭하는 피크는 알코올이 상기 운전자의 내쉬는 공기에 존재한다는 것을 지시한다. 피크 또는 시간이 통합된 값이 계산된다. 상기 폐포 CO2 농도의 추정된 또는 간접적으로 측정된 값을 가지고 알고리즘(3)을 이용할 때, 상기 혈액 알코올 농도는 계산된다. 상기 운전자의 신체 활동 레벨을 측정하기 위해, 상기 장치는 또한 다른 신호 입력(7)에 제공될 수 있으며, 예를 들면 상기 운전자의 심장 박동률은 심전도(ECG) 신호로부터 도출된다.

도 1의 흐름도는 또한 논리 단계(3)를 포함하며, 세 개의 기본 출력으로 상기 신호 패턴을 기술한다. 규정된 값을 넘는 측정된 혈액 알코올 농도 없이 만약 내쉬는 숨이 CO2 피크 레벨, 존속 기간, 등에서 '승인된다면', 상기 장치는 'OK' 신호(4)를 표시할 것이다.

반면에, 만약 상기 CO₂ 신호 및 상기 결정된 혈액 알코올 농도 모두 어떤 문턱값을 넘는다면, 상기 장치는 신호를 전송한다. 상기 다이어그램의 시작점(11)에서, 상기 장치는 경고(5)에 의해 켜지거나, 상기 운전자가 차량을 작동하는 것을 방지하기 위한 차량의 점화 회로를 불능화시키는 불능 장치를 작동시키게 된다.

본 발명에 따른 방법에 대한 필요한 조건은 CO₂ 및 알코올을 위한 센서 부품들이 배치되어 식 (1) 및 (2)의 희석 요소들이 동일하게 고려될 수 있다. 이것은 상기 센싱 성분들의 실질적으로 일치하는 위치들에 의해, 또는 상기 CO₂ 및알코올 센싱 성분들과 일반적인 샘플링 포인트 사이의 결합을 배열함에 의해 달성될 수 있다. 상기 결합은 튜빙(tubing)을 구비하는 가스 수송을 위한 능동적이거나 수동적 인 수단과 결합되는 개별적인 튜빙의 형태를 가질 수 있다.

상기 CO₂ 및 상기 알코올 센서 부품들로부터의 신호들이 초기화 후 일정 시간 후에 어떤 문턱값을 넘는다면, 상기 장치는 중간 조건(6)에 신호를 보낼 것이며, 상기 대상물에게 상기 센서 부품들에 대해 숨을 반복해서 내쉬라고 알릴 것이다. 상기 장치는 그러므로 카운터(8)를 통해 초기화하고 측정하는 단계(2)로 되돌아 가며 상기 카운터(8)는 실패한 시도들의 숫자(N)(number N) 또는 시간 경과(time lapse)를 표시한다. 만약 N0=1-5 시도 또는 시간이 초과되면, 분리된 경고 표시(separate alarm indication)가 활성화된다.

본 발명의 방법은, 물론, 경고 장치보다 측정 장치에 이용될 수 있다. 측정 장치에서, 논리 단계(3)는 간소화되거나 완전히 제거될 수 있으며, 장치의 목적 및 특정 용도에 따른다. 또한 다른 종류의 장치들과 상기 장치를 결합하거나, 더 큰 시스템의 내장된 기능으로서 그것을 이용하는 것이 가능하다.

도 2는 도 1의 흐름도에서 혈액 알코올 농도의 측정에 이용되는 신호들의 전형적인 시간 다이어그램을 나타낸다. 도 2의 다이어그램에서, 상기 CO₂ 농도 신호의 시간 전개(time evolution), 상기 알코올 농도 신호, 및 상기 경고 신호는, 도 1에 관하여 설명된 것과 같이, 상기 점화 키(key)를 켜는 기능으로서 디스플레이된다. 상기 CO₂ 및 알코올 신호들은 차량 내의 대기의 백그라운드 레벨에 대응하는 안정한 값을 상대적으로 빠르게 얻는다. 포인트(12)에서, 오프셋 수정은 실제 신호 출력에서 상기 백그라운드 레벨을 추출함으로써 수행되지만, 반면에 결과 신호 는 영(zero)으로 가며, 상기 CO₂ 및 알코올 신호들에서 곡선 부분들(15 및 16)에 의해 각각 표시될 수 있다.

곡선 부분(17)은 상기 운전자의 한 번의 내쉬는 숨으로부터 상기 CO₂ 출력을 나타낸다. 상기 신호는 영에서 대략적으로 최대 2kPa로 빠르게 상승하며, 폐포 농도에 비해 2-2.5의 희석 정도를 나타낸다. 상기 최대 레벨을 도달한 후에, 상기 신는 감소하며, 5초 후에 대략적으로 영으로 되돌아간다.

곡선 부분(18)은 상기 알코올 센서 부품으로부터 대응되는 출력을 나타내며, 알코이 상기 운전자의 내쉬는 숨에 존재한다는 명백한 증거를 제공한다. 상기 알코올 센서 부품에서의 신호의 시간 변화와 상기 CO₂ 센서 부품에서의 신호의 시간 변화 사이의 비교는 곡선 부분(17 및 18)의 정합(matchign)에 의해 수행될 수 있으며 상기 곡선부분은 동시 발생(coincidence)을 이루기 위해 다소 복잡한 패턴 인식 기술의 대상(subject)이 될 수 있다. 상기 패턴 인식 기술은 상기 두 개의 신호들과 비교되는 많은 수의 기호(signatures)를 포함한다. 만약 첫 번째 또는 두 번째 신호들이 소정의 크기를 넘는 어떠한 스파이크들(spikes), 또는 대상물에 의해 내쉬지는 공기에서 기대될 수 있으며 외부로 떨어지는 신호 특성들 및 주파수 영역의 시간을 갖는 다른 신호의 교란들(disturvances)을 포함하지 않는다면, 두 번째 신호는 상기 내쉬는 공기의 희석을 나타내는 것으로 측정될 수 있다. 또한, 상기 두 번째 신호는 미리 측정된 문턱값을 넘는 거 요구될 수 있으며, 또한 상기 첫 번째 및 두 번째 신호들의 감지된 값들은 그것들 각각의 최대값 주위에서 정체기 형 태(plateau-shaped)로 되는 것이 요구될 수 있다. 상기 샘플링 주파수는 또한 상기 내쉬는 숨의 희석을 나타내는 사이 두 번째 신호에 대해 4Hz보다 더 크게 요구될 수 있다.

바람직하게는, 상기 첫 번째 및 두 번째 신호들에서의 변화는 호흡의 적어도 한 사이클에 걸쳐 비교되며, 상기 두 번째 신호가 첫 번째 문턱을 넘을 때 호흡의 한 사이클이 시작되며 상기 두 번째 신호가 두 번째 문턱 이하로 떨어질 때 종료된다고 간주될 수 있다.

만약 곡선(18)의 알코올 피크가 곡선(17)에서의 CO₂의 그것에 선행한다면, 최초 내쉬는 숨 단계가, CO₂ 곡선상에는 보여지는 않지만, 상부 기도에서 나온다는 단순한 사실에 의해, 그것은 상기 대상물의 상부 기도(airway)에 알코올이 존재한다는 강력한 표시이며, CO₂는 상부 기도에 축적될 수 없으며 상기 대상물의 폐에서 시작하기 때문이다. 상기 상부 기도에 존재하는 알코올의 측정은 충분히 나타낼 수 없다.

만약 곡선(18)의 알코올 피크가 곡선(17)에서의 CO₂의 그것에 선행한다면, 최초 내쉬는 숨 단계가, CO₂ 곡선상에는 보여지지 않지만, 상부 기도에서 나온다는 단순한 사실에 의해, 그것은 상기 대상물의 상부 기도(airway)에 알코올이 존재한다는 강력한 표시이며, CO₂는 상부 기도에 축적될 수 없으며 상기 대상물의 폐에서 시작하기 때문이다. 상기 상부 기도에 존재하는 알코올의 측정은 상기 혈중 농도를 충분히 나타낼 수 없을 것이며 그래서 경고가 소리로 나거나 시각적으로 발생할 수 있다. 물로 입을 행군 후 몇 분 후에 상기 측정을 다시 하는 것이 추천될 수 있다.

상기 곡선 부분(17 및 18)의 신호 분석을 수행한 후에, 그리고 상기 알고리즘(3)에 기초한 상기 계산을 수행한 후에, 논리적 결정은 도 1에 관한 설명에 따라 이루어진 것이며, 피크 값(17 및 18)이 발생한 후에 곧 발생하는 포지티브 경고 신호(20)의 상황으로 끝이 난다.

주어진 용도에 요구되는 정확성의 정도에 따라, 알고리즘(3)은 예를 들면 그/그녀의 심장 박동률에 의해 모니터되는 상기 대상물의 신체 활동 레벨에 대한 의존성을 보충하는 수정 요소들을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 다른 수정 요소들은 온도, 습도 및 기압과 같이 위에서 설명한, 환경 요소들의 의존성을 포함할 수 있다.

상기 CO₂ 신호는 문턱값(19)과 비교된다. 만약 상기 신호가 상기 값에 도달하지 못한다면, 알코올 농도의 정확한 추정은 이루어질 수 없으며, 상기 대상물은 상기 센서 부품들에 대한 내쉬는 숨을 반복하도록 지시를 받는다. 만약 내쉬는 공기의 허용된 최대 희석이 요소(10)이라면, 상기 문턱값은 0.5kPa일 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 포함되는 모든 단계들은 상기 목적을 위해 만들어진 장치에 의해 완전히 자동적으로 이루어진다. 다음 설명에서, 상기 장치의 여러 구성요소들을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 상기 장치의 일 실현예를 나타내는 도시적인 블록도를 나타낸다. 이미 지적된 바와 같이, 상기 장치는 CO₂ 및 알코올 각각을 위해 센서 부품(21 및 22)을 포함한다. 센서 부품들의 여러 타입들 중에서 선택의 범위는 도 4에서 자세히 설명된다. 도 3의 블록도에서, 상기 성분들(21 및 22)는 그것 각각의 신호 변수에 대응하는 아날로그 출력 전압을 제공한다. 상기 신호들은 아날로그 디지털 변환기(23)에 의해 디지털로 변환되며 상기 디지털 변환기는 메모리 장치(26)와 주변 유닛(24)을 갖는 마이크로프로세서(25)를 연결하는 디지털 버스 라인(27)에 직접 전달한다.

마이크로프로세서(25)는 계산-논리 유닛, 랜덤 액세스 메모리(ramdom access memory), 및 디지털 제어 회로를 포함하며, 상대적으로 복잡한 연속 연산이 영속적인 정보 저장과 검색을 위해 메모리(26)에 저장된 프로그램에 따라 수행되도록 한다. 마이크로프로세서(25)는 또한 정확하게 제어된 주파수를 갖는 클럭 오실레이터(clock oscillator)를포함하며, 이벤트들의 정확한 타이밍(timing)을 허용한다. 내부 또는 외부 파워 서플라이(power supply)(29)의 연결은 스위치(28)에 의해 수행되며 상기 스위치는 상기 모터 차량의 점화 회로 또는 상술 바와 같은 차량의 운전자 존재 검출기와 연결되거나, 동일시될 수 있다.

주변 유닛(24)은 문자 숫자식 또는 그래픽 신호 디스플레이일 수 있으며, 도한 들을 수 있는 경고 신호들을 제거하고 구성될 수 있다.

도 1 및 2에 대해 설명되는 다양한 단계들과 작동들은 메모리(26)에서 저장 된 연속적인 프로그램에 포함되며, 스위치(28)의 작동으로 수행된다. 상기 프로그램은 모든 연속적인 작동을 수행하는 상기 마이크로프로세서를 제어할 수 있으며, 알고리즘(3)의 실행을 포함한다. 그것은 또한 주변 유닛(24)에 드라이브 루틴을 다루며, 다른 유닛들 또는 서브시스템들과 연결된다. 유닛(24)의 경고 출력은 스위치(28)(상기 점화 회로에서)로 피드백될 수 있으며, 경고 신호의 경우에 상기 차량을 불능화시킨다.

본 발명에 따른 상기 장치는 또한 이미 상술 바와 같이 알고리즘(3)에 수정 성분들을 통합시키기 위해 다른 입력 성분들 또는 센서들을 포함할 수 있다. 상기 입력 성분들은 상기 대상물의 심장 박동률을 기록할 수 있는 펄스 센서 또는 심전도(ECG) 장치들을 포함할 수 있으며, 그/그녀의 신체적인 활동 레벨과 밀접히 관련된다. 다른 입력 성분들은 주변 온도, 습도 및 대기압을 측정하기 위한 센서들일 수 있으며, 알고리즘(3)이 상기 변수들의 영향에 대해 수정될 수 있도록 한다.

도 3의 대부분의 부품들은 커다란 부피(high volume)에서 이미 생산되는 구성 성분들로 이루어진다. 그러므로 그것들의 가격은 이미 낮으며, 통합에 의해 더 낮아질 것이다. 일반적인 목적의 마이크로프로세서를 이용하는 것 대신에, 전용(dedicated) FPGA(field programmable gate array), 또는 하나 또는 몇 개의 ASICs(application specific integrated cicuits)을 이용하는 것이 가능하며, 여기서 구성 요소들의 수와 원가가 더 줄어들 수 있다.

센서 부품들(21 및 22)의 필수 요건들은 용도에 따라 부분적으로 일반적이며 부분적으로 특별하며, 그러므로 특정 해결책을 필요로 할 수 있다. 온도, 습도, 압력 및 순환(flow)과 같은 다른 영향에 대한 면제(immunity), 적절한 해상도(resolution), 직진성(linearity), 반응 시간, 안전성을 갖는 것이 요구된다.

위조된(spurious) 입력들에 대한 면제 조건은 일반적으로 당면한 상기 변수들에 추가적인 센싱 성분들을 도입함으로써 해결될 수 있다. 온도, 습도, 압력 및 순환에 대한 낮은 원가의 센싱 성분들은 상업적으로 이용가능하다. 표준 보상 기술은 상기 기체 센싱 성분의 출력 신호들과 보상 성분 사이의 단순한 미분 배열(differential arrangement)이다. 그것은 상기 시스템의 가격과 복잡도(complexity)를 증가시키나, 상기 배열은 일반적으로 적절하다.

도 4a)-f)에서, 여섯 개의 택일적인 기체 센싱 성분들이 도식적으로 도시되어 있다. 그것은 모두 본 출원에 관한 여러 특징들을 나타낸다. 처음 두 개의 예(4a) 및 b))에서, 상기 기체의 본래의 물리적인 특성이 측정되며, 반면에 나머지 예들은 촉매 작용(catalysis)에 의존한다. CO₂는 연소될 수 없으므로, 상기 촉매 장치들은 알코올 검출에만 유용할 수 있다.

도 4a)는 광학적인 기체 센싱 성분을 나타내며, 기본적인 기능은 실린더 형태의 인클로저(enclosure) 내에서의 광학적인 전파(optical transmission)의 편차(variation)를 측정하며, 상기 인클로저는 공기나 다른 기체들이 투과할 수 있다. 상기 센싱 성분은 광원(31), 검출ㄹ기(32), 및 파장 영역을 정의하는 광학적 밴드패스 필터(optical bandpass filter)(33)를 포함하며, 상기 파장 영역은 하나의 기체와 다른 기체가 다를 수 있지만, 일반적으로 적외선 스팩트럼 범위 내에서 위치할 수 있다. CO₂와 알코올은 각각, 4.3 및 3.5㎛에서 부분적으로 분리된 흡수 밴드를 갖는다. 그러므로, 일반적인 광원(31)과 인클로저(34), 분리된 검출기들(32) 및 CO₂ 및 알코올을 위한 필터들(33)을 이용하는 것이 기본적으로 가능하다. 상기 광원은 일반적으로 작은 텅스텐 필라멘트(tungsten filament)에서 만들어지는 흑체 복사체(black body radiator)이며, 상기 검출기는 일반적으로 제백 효과(Seebeck dffect), 또는 초전기 장치(pyroelectric device)에 기초한 열전대열(thermopile)일 수 있다.

낮은 기체 농도에서 높은 해상도를 얻기 위해, 광원(31)과 검출기(32) 사이의 광학적인 경로가 수백 밀리미터 정도의 길이를 갖는 것이 필요하며, 이것은 다중 반사를 이용한 작은 인클로저 냉에서 얻을 수 있다. 그러나, 이것은 짧은 반응 시간의 요구 조건과 충돌한다. 아트 적외선 솔루션(art infrared solutions)의 상태에서의 다른 복잡한 문제들은 그것들이 상기 파장 밴들의 정밀한 튜닝과 에이징 효과(ageing effects)에 대한 보상을 요구하는 것이다.

도 4b)는 두 개의 터미널 음원(terminal sound source)(35), 투과 가능한 인클로저(37)에서 설립된 음향 공진기(acoustic resonator) 및음 반사 벽(sound reflecting wall)(36)을 포함하는 전기 음향 기체 센싱 성분을 나타낸다. 음원(35)은 공수(air-borne) 음파에 의해 막 진동(membrane vibrations)과 결합하는 효과적인 음향을 위한 치수로 된 압전(piezoelectric) 장치이다. 상기 두 개의 터미널 장치는 상기 기체의 평균 분자량에 의해 결정되는 공진 주파수를 나타낼 수 있다. CO₂와 알코올과 같은 무거운 기체들의 존재는 공진 주파수를 감소시킬 수 있다. 상기 배열은 높은 해상도와 빠른 반응을 얻을 수 있는 가능성과 단순성에 의한다. 그러나, 본 출원에서, 알코올의 반등은 CO₂의 반응에 의해 완전히 감추어질 수 있다.

도 4 c)에 도시된 센싱 성분들은 촉매 기체 센싱 장치들의 많은 가능한 타입들에 일반적으로 고려될 수 있다. 알코올의 연소는 보통의 온도에서 자발적으로 일어나지 않기 때문에 가열 부품(38)은 그러므로 대부분의 촉매 장치에 포함된다. 가열 부품(38)은 전형적으로 두 개의 터미널 저항 장치 부품이다. 또한 산화 주석(tine oxide), 백금 또는 다른 귀금속일 수 있는 촉매 재료(39)가 포함된다. 상기 무기 촉매는 특정 반응에 분명히 나타나지 않으나, 일반적으로 연소 과정을 촉진시킨다. 원칙적으로, 효소와 같은 유기 촉매를 사용하는 것이 또한 가능하며, 유기 촉매는 매우 선택적이며, 무기 촉매보다 더 낮은 온도에서 또한 작동할 수 있다. 반면에, 효소는 물이 있는 환경을 필요로 하며, 그러므로 전형적인 차량 요구 조건과 호환성이 떨어진다.

도 4c)의 부품에서 송신된 신호는(readout signal) 저항의 온도 의존에 기초한다. 연소 가능한 기체의 존재에서, 추가적인 열이 발생될 수 있으며, 이것은 상기 부품의 저항을 변경시키며, 그러므로 신호를 발생한다. 또한 상기 열 탐지 부품으로부터 저항 열 부품(resistive heating element)를물리적으로 분리시키는 것이 가능하다.

촉매 알코올 연소에 의해 구동되는 연료 전지는 도 4d)에 도식적으로 도시된 다 형태의 알코올 센싱 부품이다. 고체 상태의 전해질(electrolyte)은 양극(anode)(40)과 음극(cathode)(42) 사이의 이온 수송에 이용된다. 상기 연소는 상기 양극과 상기 음극 사이의 전류 전압(current voltage) 변화 특성을 발생시키며 상기 음극과 상기 양극은 상기 연소 과정에 기여하며, 그래서 현재 알코올의 존재와 농도에 기여한다.

도 4e)에서 또 다른 촉매 장치가 도시되며, 도전성의 폴리머(45)에서 발생하는 저항 변화를 이용한다. 상기 폴리머는 절연(isolating) 기판(46) 상에 배치되며, 상기 저항은 두 개의 전극(43, 44) 사이에서 측정되며, 또는 상기 기판상에 배치된다.

도 4f)는 금속 산화 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)에 기초한 촉매 기체 센싱 부품의 네 번째 예를 나타내며, 게이트(gate)(50)는 예를 들면 백금 또는 팔라듐(palladium), 또는 다른 귀금속과 같은 촉매 금속을 포함한다. 상기 트랜지스터는 게이트 전극(50)과 더불어 소스(source)(48)와 드레인(drain)(49) 연결을 갖는 실리콘(silicon) 기판(47)으로 형성된다. 특정 기체들에 대한 특별한 민감성은 다른 게이트 금속 연소("디지털 사향기(electronic nose)")를 갖는 여러 상기 부품들의 배열을 이용함으로써 얻어질 수 있다.

도 4d)-f)에 도시된 세 개의 배열은 상기 도면에서 도시되지 않은 가열 부품들을 필요로 한다. 또한 도 3의 아날로그/디지털 변환기(23)에 신호 출력 전압을 제공하는데 필요한 표준 프리앰프(preamplifiers)가 도시되지 않았다.

도 4a)-f)에 도시된 배열들은 초소형 전자 정밀 기계(micro electro mechanical systems)(MEMS)를 이용하여 매우 낮은 가격으로 생산되며 소형화될 수 있다. 상기 기술은 마이크로머신(micromachaning)에 의한 일괄 제조공정(batch fabrication)을 가능케 하며, 여기서 상재적으로 복잡한 구조들은 포토리소그래피(photolithography), 추가적인 증착 또는 본딩(bonding)의 결합, 및 감법 에칭(substractive etching)에 의해 결정된다. 도 3의 전체 시스템의 물리직인 크기는 50 X 50 X 20 mm 보다 작을 수 있으며, 단가(unit cost)는 큰 생산 부피(high production volume)에서 매우 작을 수 있다.

본 명세서 및 청구항들에서 사용된 용어인 "구비하다(comprises)"와 "구비하는(comprising)", 그리고 변형예들은 상술된 특징들, 단계들 또는 정수들(integers)이 포함되는 것을 의미한다. 상기 용들은 다른 특징들, 단계들 또는 부품들의 존재를 제외하는 것으로 해석되지 않는다.

Claims (30)

1. 인간 또는 동물 대상물에서 휘발성 혈액 구성물의 상기 혈중 농도를 평가하는 방법에 있어서,

   상기 대상물이 내쉬는 공기 흐름에 센서 수단(21, 22)을 배치하는 단계 및

   실질적으로 동시에 내쉬는 기체들에 대한 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 제공하는 상기 센서 수단(21, 22)을 이용하는 상기 대상물로부터 내쉬는 기체들의 흐름을 샘플링하는 단계;를 구비하며,

   상기 센서 수단(21, 22)은 상기 구성물의 존재를 검출하고 공기 중에 상기 구성물의 상기 농도를 나타내는 제1 출력 신호를 제공하도록 구성되며, 이산화 탄소의 존재를 검출하고 공기 중의 이산화 탄소의 농도를 나타내는 제2 출력 신호를 제공하도록 구성되며,

   시간에 대한 상기 제1 신호의 변화와 시간에 대한 상기 제2 신호의 변화를 비교하고 상기 비교의 결과에 따라 상기 내쉬는 공기 흐름(airflow)의 희석 정도를 나타내는 상기 제2 신호를 만들도록 구성된 알고리즘에 상기 샘플링 단계에 의해 얻어진 상기 제1 및 2 신호들을 입력하는 단계를 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 구성물은 알코올인 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 구성물은 에틸 알코올인 방법.
4. 제1항 내지 제3항에 있어서,

   상기 알고리즘은 상기 대상물의 혈액 부피의 계산된 또는 추정된 값을 나타내는 상기 제2 신호를 만들기 위해 구성되며, 그것에 의해 상기 구성물의 상기 혈중 농도를 나타내는 상기 제1 신호를 만드는 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 혈액 부피의 값은 상기 대상물의 폐포 이산화 탄소의 추정 또는 간접적 측정과 결합하여 상기 제2 신호로부터 계산되는 방법.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 알고리즘은 상기 제2 신호에 대한 상기 제1 신호의 비율을 계산하도록 구성되며, 상기 비율은 상기 구성물의 상기 혈중 농도 레벨을 나타내는 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 대상물의 폐포 이산화 탄소 농도를 나타내는 요소와 상기 비율을 곱하는 단계를 포함하는 방법.
8. 제7항에 있어서,

   나이, 성별, 무게, 개성 지표(personality index) 및 체력 지표(fitness index)를 구비하는 그룹에서 선택된 하나 또는 그 이상의 대상물 특징 파라미터들을 기초로 상기 요소를 평가하는 단계를 포함하는 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 체력 지표를 계산하는 상기 대상물의 심장 박동률을 측정하는 단계를 포함하는 방법.
10. 제1항 내지 제9항에 있어서,

    상기 샘플링 단계 및 입력 단계는 상기 대상물의 제어를 넘는 반복률(repetition rate)로 반복되는 방법.
11. 제1항 내지 제10항에 있어서,

    상기 센서 수단은 구성물 센서와 이산화 탄소 센서를 구비하며, 상기 센 수단은 상기 두 개의 센서들 모두 상기 내쉬는 기체 흐름에서 실질적으로 동일한 위치에서 기체를 샘플링하도록 구성되는 방법.
12. 제1항 내지 제10항에 있어서,

    상기 배치 단계는 최대 소정의 범위에서 상기 센서 수단으로 숨을 내쉬도록 상기 대상물에 지시하는 것을 포함하는 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 범위는 대략적으로 0.5미터인 방법.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서,

    상기 지시는 시각 및/또는 청각 신호에 의해 주어지는 방법.
15. 제1항 내지 제14항에 있어서,

    상기 배치 단계 전에 수행되는 초기화 단계를 더 구비하며,

    상기 초기화 단계는 상기 센서 수단(21,22)의 위치에서 상기 주변 공기의 구성물 농도와 이산화 탄소 농도를 나타내는 제1 및 제2 신호를 제공하는 상기 센서 수단(21, 22)을 이용하며 주변 공기를 샘플링하는 것을 구비하는 방법.
16. 제15항에 있어서,

    수정 단계를 더 구비하며, 여기서 주변 공기를 나타내는 상기 제1 및 제2 신호는 상기 내쉬는 기체들의 관한 상기 제1 및 제2 신호로부터 각각 이어서 추출되는 방법.
17. 제1항 내지 제16항에 있어서,

    상기 내쉬는 기체들에 관한 상기 제2 신호는 상기 샘플링 단계 동안에 검출되는 이산화 탄소 농도의 피크 값인 방법.
18. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 내쉬는 기체들에 관한 상기 제2 신호는 상기 샘플링 단계 동안에 검출되는 이산화 탄소 농도의 합계된 또는 평균된 값인 방법.
19. 제1항 내지 제18항에 있어서,

    상기 내쉬는 기체들에 관한 상기 제1 신호는 상기 샘플링 단계 동안에 검출되는 구성물 농도의 피크 값인 방법.
20. 제1항 내지 제19항에 있어서,

    상기 대상물은 모터 차량의 운전자이며 상기 방법은 상기 차량 내에서 수행되는 방법.
21. 제1항 내지 제20항에 있어서,

    시간에 대한 상기 제1 및 제2 신호의 변화는 적어도 한 번의 호흡 사이클 시간에 걸쳐 비교되는 방법.
22. 상기 제21항에 있어서,

    호흡의 한 사이클은 상기 제2 신호가 상기 제1 문턱값을 넘을 때 시작하고 제상기 제2 신호가 제2 문턱값 아래로 떨어질 때 종료하는 것으로 측정되는 방법.
23. 제1항 내지 제22항에 있어서,

    상기 첫 번째 또는 두 번째 신호들이, 대상물에 의해 내쉬어지는 호흡으로부터 기대될 수 있는 있으며 외부로 떨어지는 시간 또는 주파수 도메인(domain)에서의 소정의 크기 이상의 특성들을 갖는 다른 신호의 교란들(disturvances) 또는 스파이크들(spikes)을 포함하지 않는다면, 상기 두 번째 신호는 상기 내쉬는 공기의 희석을 나타내는 것으로 측정되는 방법.
24. 제1항 내지 제23항에 있어서,

    상기 제2 신호는 만약 상기 제2 신호가 소정의 문턱값을 넘는다면 상기 내쉬는 공기 흐름의 희석 정도를 나타내는 것으로 측정되는 방법.
25. 제1항 내지 제24항에 있어서,

    상기 제2 신호는 만약 상기 제1 및 제2 신호들이 실질적으로 그것들 각각의 최대 값들 주위에서 정체 상태(plateau-shaped)라면 상기 내쉬는 공기 흐름의 희석 정도를 나태는 것으로 측정되는 방법.
26. 제1항 내지 제25항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 신호들을 샘플링하는 주파수는 대략 4Hz보다 더 크거나 같은 방법.
27. 제1항 내지 제26항의 방법을 실행하도록 구성되는 장치에 있어서, 상기 장치는,

    상기 대상물의 내쉬는 기체 흐름 내에서 배치가능한 센서 수단(21, 22);

    상기 알고리즘을 갖는 메모리(26); 및

    상기 메모리(26) 내에 저장되는 상기 알고리즘에 따른 상기 신호들을 처리하도록 구성된 프로세서(25);를 구비하며,

    상기 센서 수단(21, 22)은 상기 구성물의 존재를 검출하며 공기에서 상기 구성물의 농도를 나타내는 제1 출력 신호를 제공하도록 구성되며, 이산화 탄소의 존재를 검출하고 공기에서 이산화 탄소의 농도를 나태는 제2 출력 신호를 제공하도록 구성되는 장치.
28. 제27항에 있어서,

    상기 장치는 모터 차량에 제공되는 장치.
29. 제28항에 있어서,

    상기 센서 수단은 상기 모터 차량 내에서 상기 차량의 상기 운전자 좌석 전방에 장착되는 적어도 하나의 센서 부품(21, 22)을 구비하는 장치.
30. 제29항 또는 제29항에 있어서,

    상기 프로세서는 상기 차량의 점화 회로에서 스위치(28)에 연결되며, 상기 프로세서(25)는 만약 상기 알고리즘의 결과가 상기 구성물의 소정의 혈중 농도 값 이하인 경우 상기 스위치(28)를 종료하도록 구성되는 장치.

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