SE1051175A1 - Multifunktionell utandninganalysator - Google Patents

Description

25 30 35 motsvarande koncentration av åtminstone en flyktig substans i provet, ett organ som genererar en signal indikativ för utspädning av utandníngsprovet, och en signalbehandlingsenhet för identifiering och kvantifiering av den flyktiga substansen i utandningsprovet. Signalbehandlingsenheten är konfigurerad för att utföra åtminstone två olika beräkningar för kvantifiering och också konfigurerad för att automatiskt visa resultatet av en vald beräkning, varvid valet baseras på den signal som indikerar utspädning.

Organet för att indikera utspädning kan antingen innefatta en sensor som reagerar på spårämne eller på grad av täthet hos anslutningen mellan andningsorganen hos försökspersonen och avkänningsenheten.

Anordningen enligt uppfinningen definieras i patentkrav 1.

I en föredragen utförandeform innefattar utandningsanalysatorn enligt uppfinningen en autonom, handhållen enhet som är enkel att använda oberoende av försökspersonens position, hållning och tillstånd.

I en annan föredragen utförandeform kan utandningsanalysatorn installeras och inneslutas i instrumenteringen intill förarpositionen i ett fordon. Vid screening krävs inget aktivt deltagande av föraren. Emellertid, om den uppskattade koncentrationen av substansen överstiger ett visst tröskelvärde, kan föraren uppmanas att avge ett andra utandningsprov med ett tätomslutande munstycke ansluten till samma utandningsanalysator.

Föreliggande uppfinning definieras i bifogade patentkrav, och en mer detaljerad beskrivning ges nedan, med hänvisning till de bifogade ritningarna, enligt vilka: Figur 1 visar översiktligt blockschema för utandningsanalysatorn enligt uppfinningen; Figur 2 visar exempel på användning; Figur 3 visar typiska signalmönster; Figur 4 visar ett flödesschema för beräkningar.

Detaljerad beskrivning Figur 1 visar byggblocken i en föredragen utförandeform av utandningsanalysatorn enligt uppfinningen. Analysatorn är fysiskt inbyggd i ett hölje 1, utformat för handhållen användning. Dess yttre fysiska dimensioner är små, typiskt 150 x 50 x 30 mm. För att uppnå nödvändig hållbarhet, är det nödvändigt att höljet 1 är resistent mot miljöbetingade påkänningar av olika slag, inklusive extrem temperatur, fuktighet, tryck, stötar, vibrationer och elektromagnetiska störningar. Specifikt är höljet 1 utfört i ett bearbetat metalliskt material, eller en stöttålig polymerför att uppfylla de funktionella krav som ställs på detsamma. 10 15 20 25 30 35 40 Höljet 1 innehåller en avkänningsenhet 2 kopplad till en signalbehandlingsenhet 3.

Avkänningsenheten 2 är försedd med ett inlopp 5 och ett utlopp 6 som tillåter utandningsprovet att föras genom den med eller utan hjälp av en fläkt 10. Fläkten 10 kan också generera ett biasflöde för att understödja andningsflödet under mätning och förbättra känsligheten vid kraftigt utspädda prover. Företrädesvis säkerställer en backventil (flap valve) 11 vid utloppet 6 att flödet är enkelriktat.

Volymen hos den avkännande enheten 2 är typiskt mindre än 100 ml.

Utandningsprovet förs in i inloppet 5 av avkänningsenheten 2 via en receptor 4a, som i figur 1 visas mekaniskt fäst till inloppet 5 för den avkännande enheten 2. När receptorn 4a används för kontaktfri mottagning av ett utandningsprov på ett avstånd av några centimeter från försökspersonens mun och näsa har den företrädesvis formen av en skopa, mugg, kopp eller tratt, som kan vara löstagbart fäst till höljet 1.

I en annan möjlig utförandeform för outspädd utandningsprovtagning, som visas separat i figur 1, är receptorn rörformad 4b med eller utan en fläns för att säkerställa tät förbindelse mellan avkänningsenheten 2 och försökspersonens läppar och därmed också andningsorganen. En tät förbindelse kan också åstadkommas om receptorn har formen av en ansiktsmask som omsluter försökspersonens mun och näsa.

Ett partikelfilter 12 bestående av en porös och permeabel substans, typiskt en fibrös polymer, ingår företrädesvis i den avkännande enheten 2 eller receptor 4a, b, med två distinkta ändamål. För det första separeras vätskedroppar och fasta partiklar, som kan medfölja utandningsluften, från det flyktiga ämnet av primärt intresse, och därigenom undviks förorening av känsliga ytor i avkänningsenheten 2.

Det andra syftet med filtret 12 är att definiera, tillsammans med trycksensorn 16, en signal som indikerar täthet i kopplingen mellan andningsorganen hos försökspersonen och den avkännande enheten 2. Tätheten är en indikation på ett outspätt utandningsprov. Filtret 12 uppvisar ett litet men väldefinierat flödesmotstånd. Flödet genom filtret 12 är företrädesvis nästan laminärt, vilket resulterar i ett linjärt eller polynomt förhållande mellan flöde och tryckskillnad över de upp- och nedströms sidorna av filtret 12. Den differentiella trycksensorn 16 är inkluderad i syfte att mäta denna tryckskillnad. Vid början av ett utandningsprov, motsvarar tryckmaximat den respiratoriska drivkraften för försökspersonen, och är indikativ för en tät anslutning mellan den avkännande enheten 2 och försökspersonens andningsorgan. lngångsöppningarna 16 ', 16" till trycksensorn 16 är företrädesvis riktade vinkelrätt mot den huvudsakliga flödesriktningen för att minimera inverkan av dynamiskt tryck i enlighet med Bernoulli's grundläggande teori.

En alternativ utföringsform av ett organ för tillhandahållande av en signal som indikerar täthet utnyttjar andra avkänningsorgan för gasflöden, t ex baserade på varmtrådsanemometri, s k vortex shedding, transittidsmätning med ultraljud eller mätning av Dopplerfrekvensskift. Nödvändiga förutsättningar är svarstid på 0,1 sekund eller mindre och immunitet mot miljövariationer. 10 15 20 25 30 35 40 Företrädesvis innefattar avkänningsenheten 2 sensorelement 8, 9 som reagerar både på substansen av primärt intresse 9, och ett spårämne 8, t ex C02 eller vattenånga. indikation på outspätt utandningsprov ges av det senare elementet 8. Om C02-koncentrationen överskrider ett visst värde, tex det som motsvarar den normala alveolära koncentrationen, kan provet anses vara outspätt. len första utförandeform av avkänningsenheten 2, innefattas en källa 7 för elektromagnetisk strålning inom det infraröda (IR) våglängdsområdet, och IR-detektorer 8, 9 försedda med bandpass interferensfilter avstämda till våglängdsintervall som sammanfaller med absorptionstoppar för de substanser som skall bestämmas. För etanol och C02 är 9,5 i 0,3 um (1 um = 10-6m) respektive 4,26 i 0,05 um lämpliga våglängdsintervall. Andra ämnen har andra föredragna våglängdsintervall.

Det visas schematiskt i figur 1 att detektorerna 8, 9 nås av den infraröda strålen som utsänds av källan 7 efter reflexioner mot den inre väggen av mätvolymen som företrädesvis är täckt av en tunn film av guld eller aluminium, eller något annat högreflekterande material, och som har lämplig form för att kollimera strålen. Den infraröda strålen reflekteras en gång innan den når detektorn 8, och reflekteras tre gånger innan den når detektorn 9. Sålunda är den optiska vägsträckan mycket längre för detektorn 9, vilket resulterar i en högre känslighet för absorption. Därför används detektorn 9 för att detektera den flyktiga substansen av primärt intresse, medan detektorn 8 används för spårämnet.

Vidare är det önskvärt att optimera den optiska vägen och aperturen till förväntad koncentration av substansen som skall analyseras i enlighet med de principer som beskrivs av JU White (J. Opt. Soc.

Amer., Vol 32, 1942, sid 285-289) .

IR-källan 7 genererar företrädesvis repetitiva pulser av IR-strålning med en repetitionsfrekvens på 5- 100 Hz, vilket bestämmer analysatorns tidsupplösning. IR-källan 7 innefattar företrädesvis ett svartkroppsstrålande tunt membran vilket möjliggör hög repetitionsfrekvens. IR-detektorerna 8, 9 är företrädesvis termoelement för att ge maximalt signal-brus-förhållande, och följaktligen maximal känslighet och upplösning.

I en andra utförandeform av den avkännande enheten 2, används en katalytisk sensor innefattande en elektrokemisk cell eller ett halvledarelement för att identifiera och kvantifiera den flyktiga substansen av intresse och spårämnet.

Signalbehandlingsenheten 3 innefattar företrädesvis integrerade analoga och digitala kretselement för signalbehandling och kontroll. Företrädesvis ingår en eller flera mikroprocessorer för signalbehandling, hantering av signaler till en display 14 för indikering av mätresultat och för datakommunikation med extern utrustning, t.ex. en persondator eller annan perifer utrustning ansluten via ett dedikerat anslutningsdon 15.

I en föredragen utförandeform fungerar utandningsanalysatorn enligt uppfinningen som en självständig, handhållen enhet. Strömförsörjning tillhandahålls av ett batteri 13 som företrädesvis är 10 15 20 25 30 35 40 uppladdningsbart via en nätadapter. I ett annat föredraget utförande är utandningsanalysatorn inbyggd i en instrumentpanel och används tillsammans med annan utrustning.

Såsom redan nämnts, utförs beräkning av utandningsprovets utspädning genom användning av en spårämnessubstans, t.ex. C02. Det partiella trycket av C02 i djup (a|veo|är) utandningsluft är typiskt 4,8 kPa, vilket motsvarar 4,8 volym-%, medan omgivande bakgrundskoncentration sällan överstiger 0,1% v/v. Graden av utspädning kan därför beräknas från förhållandet CO2alv/CO2meas, där CO2alv och CO2meas är de alveolära respektive uppmätta koncentrationerna. Variabiliteten hos CO2alv mellan olika individer, uttryckt som en standardavvikelse är relativt måttlig, approximativt 10% av medelvärdet.

I föreliggande uppfinning multipliceras den uppmätta koncentrationen av en substans i ett utspätt prov med CO2alv/CO2meas för att erhålla ett beräknat värde av den outspädda koncentrationen.

Detta verkningssätt är extremt snabbt och bekvämt för försökspersonen, men uppvisar ett relativt stort fel på grund av variabiliteten av CO2alv. Vattenånga kan användas som ett alternativt spårämne, dock med tillägg av noggrann bestämning av bakgrundskoncentration vars variation vid ogynnsamma förhållanden kan nästan sammanfalla med signalens. Övergång från verkningssättet vid screening till ett verkningssätt med högre mätnoggrannhet åstadkommes i den föreliggande uppfinningen genom att identifiera en outspädd utandning antingen genom sensorelementets 8 avkänning av spårämnets koncentration, eller med hjälp av en signal som indikerar en tät förbindelse mellan försökspersonens andníngsorgan och avkännande enheten hos utandningsanalysatorn. Denna signal tillhandahålls av trycksensorn 16.

I frånvaro av en signal som indikerar ett outspätt prov, används graden av utspädning vid beräkning av ämnets koncentration. I närvaro av en sådan signal kan utspädningsgraden utelämnas, vilket resulterar i högre noggrannhet. Således möjliggör utspädningssignalen automatisk växling mellan ett verkningssätt för screening och ett med hög noggrannhet.

Figur 2 visar schematiskt två verkningssätt, eller funktionaliteter för utandningsanalysatorn enligt uppfinningen. I figur 2 a) utförs kontaktfri mätning med höljet 1 handhållet på ett avstånd av några centimeter från försökspersonens mun. Genom den trattformade receptorn 4 infångas utandningsflöde, dock med viss utspädning av omgivande luft. Genom den tidigare beskrivna kvotbildande proceduren eller algoritmen, kan koncentrationen av substansen av primärt intresse bestämmas med hänsynstagande av utspädningen, vilket ger ett beräknat värde av dess faktiska utandningskoncentration. Bestämning enligt figur 2 a) kan utföras på några sekunder, och genom forcerad ventilation av mätvolymen är anordningen snabbt redo för ett nytt prov, utan behov att fysiskt byta ut några delar. Figur 2 a) representerar sålunda en typisk screening situation.

I fallet med ett odefinierat resultat av undersökning utförd enligt figur 2 a), kan samma utrustning användas för en mera noggrann bestämning enligt figur 2 b). Med odefinierat utfall menas att 10 15 20 25 30 35 40 resultatet ligger inom toleransintervallet för ett visst gränsvärde i koncentration. Genom att utföra ytterligare en mätning med högre noggrannhet (mindre tolerans) är det möjligt att lösa den odefinierade situationen. I detta verkningssätt kan tätning mellan försökspersonens andningsorgan och avkänningsenheten 2 säkras t.ex. genom att applicera en rörformad receptor 4b, och försökspersonen instrueras att avge förlängd och forcerad utandning genom den, i syfte att säkerställa korrekt tömning av utandningsluften. Eftersom receptorn 4b är väl omsluten kring testpersonens munöppning, sker ingen utspädning av provet och korrigering med C02 är överflödig.

En förlängd utandning krävs emellertid för att säkerställa minimal påverkan från fysiologisk dödvolym på mätresultatet.

Figur 3 visar schematiskt signalmönstren vid utförande av utandningsprov enligt de förfaranden som beskrivs ovan, i samband med figur 2 a) och b). Vid screening enligt figur 3 a) visas variationen av den uppmätta koncentrationen av C02 och substansen av primärt intresse, i detta fall etanol (EtOH), som funktion av tiden under ett utandningsprov. Det tredje diagrammet representerar det uppmätta trycket vid inloppet till avkänningsenheten 2 av sensorn 16.

Alla tre signaler i figur 3 a) är i princip noll vid start, och växer till ett maximum under utandningsfasen, och återgår sedan till noll när avkänningsenheten ventileras. När CO2- koncentrationen når sitt maximum, beräknar algoritmen en utspädningsgrad från kvoten CO2alv/CO2meas och multiplicera den med den uppmätta etanolkoncentrationen vid denna tid för att få den beräknade outspädda etanolkoncentrationen.

Hela förloppet i figur 3 a) har en varaktighet av endast några få sekunder, vilket beror på det faktum att försökspersonen instrueras att avbryta utandningen när ett visst tröskelvärde av C02 har uppnåtts, vanligen 2 kPa, motsvarande ett utspädningsgradsförhållande av ca 2,4.

Trycksignalen från sensorn 16 uppvisar en mindre topp som sammanfaller med det maximala flödet.

Dess storlek är typiskt mindre än 10 Pa (N/m2).

Figur 3 b) visar motsvarande signalmönster med en tättslutande receptor 4b. C02-koncentrationen ökar snabbt i början och planar sedan ut. När den överstiger ett visst värde, t ex den normala alveolära koncentrationen, kan provet anses vara outspätt. Varaktigheten är längre i detta fall än i figur 3 a), typiskt 5 sekunder. Koncentrationen av etanol följer samma mönster som C02 med liten avvikelse, såsom en tidigare stigning och en flackare platå.

Trycksignalen i figur 3 b) uppvisar ett betydligt högre toppvärde än i fig 3 a). Detta beror på att försökspersonens andningsorgan genererar en betydande drivkraft, speciellt i den initiala fasen.

Storleken som registreras av trycksensorn 16 är också beroende på flödesmotståndet i partikelfiltret 12. C02- eller trycksígnalen används för att bestämma huruvida provet betraktas som utspätt eller outspätt. Om trycket i den initiala fasen överstiger ett visst tröskelvärde, t ex 100 Pa, så kan förbindelsen mellan försökspersonens andningsorgan och avkänningsenheten 2 anses tät. Därvid 10 utelämnas CO2alv/C02meas förhållandet automatiskt vid koncentrationsbestämningen av substansen.

Ett flödesschema för beräkningarna visas i figur 4. Beräkningsförfarandet för erhållande av ett koncentrationsvärde för substansen av intresse, t.ex. etanol, inltieras när ett tröskelvärde för uppmätt C02-koncentration överskrids, t.ex. 2% (volym/volym). Därefter, om det maximala differentiella trycket hos trycksensorn 16 inte överskrider ett tröskelvärde, t ex 100 Pa, eller om CO2- koncentrationen inte överskrider den alveolära koncentrationen, multipliceras den uppmätta substanskoncentratíonen med CO2alv/CO2meas, för att erhålla den beräknade outspädda koncentrationen. Om trycket överskrider 100 Pa, eller om C02-signalen överskrider den alveolära koncentration, utelämnas multiplicering med CO2alv/CO2meas.

Claims (9)

PATE NTKRAV:

1. Multifunktionell utandningsanalysator innefattande en receptorenhet (4) för att ta emot ett utandningsprov från en försöksperson, en avkännande enhet (2) vilken tillhandahåller en signal som motsvarar koncentrationen av åtminstone en flyktig substans i utandningsprovet, en signalbehandlingsenhet (3) för identifiering och kvantifiering av den flyktiga substansen i utandningsprovet, kännetecknad av att den avkännande enheten (2) innefattar ett organ (8, 12, 16) för att tillhandahålla en signal som indikerar utspädning av utandningsprovet, att signalbehandlingsenheten (3) är konfigurerad för att utföra åtminstone två olika beräkningar för kvantifiering, och att signalbehandlingsenheten (3) är konfigurerad för att automatiskt visa resultatet av en utvald beräkning, varvid valet baseras på resultatet av den utspädningsindikerande signalen.

2. Utandningsanalysator enligt krav 1, kännetecknad av att beräkningen inkluderar grad av utspädning som uppskattas genom samtidig bestämning av koncentrationen av spårämne, t.ex. koldioxid eller vattenånga, i utandningsprovet.

3. Utandningsanalysator enligt krav 1, kännetecknad av att substansen är etanol eller metanol, aceton, kolmonoxid, koldioxid, ammoniak, kväveoxider, och spårämne, t.ex. koldioxid eller vattenånga, som markör för att skilja mellan utandning och omgivande luft.

4. Utandningsanalysator enligt krav 1, kännetecknad av att organet (8, 12, 16) innefattar en sensor (8) som reagerar på spårämne, t.ex. koldioxid eller vattenånga, eller ett organ (12, 16) som indikerar täthet hos anslutningen mellan försökspersonens respiratoriska organ och den avkännande enheten (2), att organet (12, 16) innefattar ett väldefinierat flödesmotstånd (12) och en differentiell trycksensor (16) med öppningar (16 ', 16") upp- och nedströms till motståndet (12), varvid öppningarna är riktade vinkelrätt mot provets huvudsakliga flödesriktning.

5. Utandningsanalysator enligt krav 1, kännetecknad av att receptorn (4a, 4b) har formen av en tratt (4a), skopa, kopp, mugg eller rör (4b) genom tätning mot mun- eller näsöppning hos försökspersonen.

6. Utandningsanalysator enligt krav 1, kännetecknad av att den avkännande enheten (2) uppvisar en geometriskt väldefinierad mätvolym mindre än 100 ml, vars inlopp (5) inkluderar anslutning till receptorenheten (4a, 4b), och partíkelfilter (12) för separation av vätskedroppar och fasta partiklar inom provet, vars utlopp är anslutet till omgivande luft, varvid den avkännande enheten (2) har litet men väldefinierat flödesmotstånd, varvid flöde är styrbart med hjälp av en pump, fläkt eller ventil (10, 11).

7. Utandningsanalysator enligt krav 1, kännetecknad av att den avkännande enheten (2) alstrar en repetitiv signal med en repetitionsfrekvens av 5 Hz eller mer, varvid signalen svarar mot koncentrationen av substansen i en geometriskt väldefinierad mätvolym.

8. Utandningsanalysator enligt krav 1, kännetecknad av att enheterna för avkänning och Signalbehandling (2, 3) är baserade på katalytisk mätprincip eller baserade på transmissionsmätning av flerfaldigt reflekterad elektromagnetisk strålning mot en yta med hög reflektans i en definierad mätvolym, varvid analysen innefattar absorption inom ett definierat våglängdsintervall, exempelvis 9 -10 um för bestämning av substansen, t.ex. etylalkohol, och 4,2 - 4,3 pm för bestämning av spårämne, t.ex. koldioxid.

9. Utandningsanalysator enligt patentkrav 1, kännetecknad av att analysatorn är innesluten i ett hölje (1) resistent mot miljöbetingade påkänningar, och inkluderar enheterna för avkänning och Signalbehandling (2, 3), ett batteri (13) eller annan strömkälla, en display (14) för indikering av analysresultat, minnesenhet för lagring av data, omkopplare för inmatning av data, och ett don (15) för datakommunikation till extern utrustning, samt att höljet (1) utgör en autonom enhet för provtagning och omedelbar analys.