SE1250953A1 - System för utandningsprov med hög noggrannhet - Google Patents

Description

30 35 40 45 50 slutförandet av bestämningen. I ett utförande av systemet enligt uppfinningen är organ för att generera eller assistera luftflödet, t.ex. en flåkt eller pump inkluderat i systemet. I denna utförandeforrn åstadkommes flödesavbrott genom att aktivt stänga av fläkten vid detektering av ett andetag och automatisk vådring efter bestämningen. I en annan utföringsforrn utan en fläkt eller en pump åstadkommes flödesavbrott med hjälp av en backventil. Dessa utförandeforrner kan naturligtvis också användas i kombination.

Den kombinerade funktionen hos de grundläggande elementen är nödvändig och tillräcklig för att erhålla den erforderliga noggrannheten. En förbättring möj liggj ord av föreliggande uppfinning är att den samplade luften stängs in i sensorenheten genom att luftflödet avbrytes.

Utandningsanalysen kommer därför utföras vid högre koncentration än vad som annars skulle vara fallet. Detta leder också till en förbättrad noggrannhet.

Genom att avbryta luftströmmen är det möjligt att förlänga mättiden, och utföra medelvärdesbildning av signalen. Slumpmässiga fel reduceras därvid med en faktor \/(TaV/TS), där Tav är tiden för medelvärdesberäkning, och TS är tiden mellan två signalsampel. :l/"ill exempel, med TS = 0,2 sekunder, och Tav = 2 sekunder, förbättras noggrannheten genom 10 = 3.16.

Fördelama med att avbryta luftströmmen blir ännu mer dramatisk med avseende på flödesrelaterade systematiska fel, som manifesteras av falska avläsningar. Inverkan av luftflödet finns både som en direkt effekt och indirekt via temperaturgradienter. Dessa fel är starkt beroende på vilka komponenter som används och är av betydelse i synnerhet vid låga koncentrationer.

Uppfinningen möjliggör utandningsprov vid en rad olika tillfällen som hittills varit otillgängliga. Denna förbättrade noggrannhet, användbarhet och möjlighet till fordonsintegrering kan vara ett viktigt steg mot att förebygga rattfylleri i en mycket större skala än med produkter som finns för närvarande. Detta anses nödvändigt för att minska den höga dödligheten i alkoho lrelaterade trafikolyckor. Andra lovande användningsområden är nykterhetskontroll av personal med kritiska uppgifter, och av publik som anländer till en arena. Det kan också användas i olika sj älvtestscenarier, t ex i behandlingen av alkoholister .

Möjligheten att utföra diskreta utandningsprov förväntas bli viktigt för diagnostiska ändamål i akutmedicin. För detta ändamål är ett stort antal av flyktiga ämnen av intresse förutom etylalkohol.

För att uppfylla syftet med uppfinningen i en första aspekt anges ett system för utandningsprov av en person definierat i krav 1. Det innefattar en sensorenhet konfigurerad att känna av förekomst/koncentrationen av en flyktig substans som finns i luften som strömmar genom ett fördefinierad inloppsområde och alstrar en signal som motsvarar koncentrationen av nämnda substans, en analysator för bestämning av koncentrationen av nämnda substans i utandningsluft från nämnda person, varvid bestämningen är baserad på nämnda signal som motsvarar substansens koncentration, samt medel för ett temporärt avbrott inämnda luftflöde vid en tidpunkt som sammanfaller med detektion av en utandning.

I en andra aspekt åstadkommes en metod för utförande av ett utandningsprov av en person som definieras i krav 12. Den innefattar stegen att åstadkomma ett testsystem innefattande en sensor konfigurerad för att känna av förekomst/koncentration av en flyktig substans, i utandningsluft från nämnda person som strömmar genom ett fördefinierat inloppsområde (4) och att alstra en signal som motsvarar koncentrationen av nämnda substans, avbryta flödet 10 15 20 25 30 35 40 45 50 genom nämnda fördefinierade område under en begränsad tidsperiod, och att detektera koncentrationen av nämnda substans under nämnda avbrott.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommer nu att beskrivas nedan med hänvisning till ritningama, i vilka Figur 1 visar en schematisk ritning av systemet enligt en utförandeforrn.

Figur 2 visar ett flödesgraf över systemets funktion.

Figur 3 visar tidssekvensen för ett typiskt utandningsprov utfört med systemet enligt uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING Figur 1 visar en schematisk ritning (ej skalenlig) av en utförandeform av systemet 1 enligt uppfinningen. En testperson 13 visas placerad i närheten av ett inloppsområde 4 av sensorenheten 5, försedd med ett sensorelement 8 för generering av en signal som motsvarar etylalkoho lkoncentrationen i den luft som strömmar genom inloppsområdet 4. En fläkt eller pump 9 utgör organ för generering av ett luftflöde genom sensorenheten 5. Inloppsområdet 4 utgör en eller flera öppningar, genom vilka luft kan flöda, driven av fläkten 9. Företrädesvis ingår ett partikelfilter 11 t.ex. tillverkat av poröst material i inloppsområdet 4. Detta förhindrar partiklar och aerosoler från att förorena sensorenheten 5 utan att hindra luftflödet i någon väsentlig grad. Det finns också ett utloppson1råde12 från vilket luftströmmen återförs till omgivningen. I en utförandeform av uppfinningen innefattar utloppsområdet en backventil vilken visas i figur 1 genom två gångj ämsförsedda tunna väggar, och som tillåter luftflöde i endast en riktning. För att förbli öppen, är det nödvändigt att bibehålla en horisontell tryckgradient (riktning enligt figur 1) över de tunna väggarna. Om en sådan gradient är för liten, frånvarande eller omvänd, kommer den gångjärnsförsedda väggen att falla tillbaka i ett vertikalt läge och stänga utloppsområdet 12. Den exakta stängningspunkten hos backventilen är beroende på egenskaperna hos gångjämen och väggar, och kan justeras till att möta specifika krav. Det finns också alternativ till en backventil, såsom en elektromagnetiskt styrd ventil.

När personen 13 riktar utandningsluft mot inloppsområdet 4 från ett avstånd av högst 50 cm, kommer luft som strömmar genom sensorenheten 5 att bestå av en blandning av omgivnings- och utandningsluft från personen 13. Det föreliggande systemet är i stånd till interaktion med personen 13 under en kort tid. Anordningen för detta innefattar organ för registrering 2 av en persons 13 närvaro vid en position i närheten av inloppsområdet 4, och en audiovisuell enhet 3. Utförandet av registreringsorganet 2 är starkt beroende av den aktuella tillämpningen och kan omfatta en mikrosWitch som indikerar dörröppning/stängning, en mikrofon, en kamera, en beröringsfri detektor med ultraljud eller infraröd strålning, en kraftsensor svarar på personens vikt. Det kan innefatta organ för identifiering av den person genom röststyrning, bildanalys, läsning av streckkod, eller biometrisk analys. Den audiovisuella enheten 3 innefattar lämpligen en högtalare 3a och en display 3b. Högtalaren 3a kan generera artificiellt tal eller symboliska ljudslingor, och displayen 3b kan förmedla text, bilder, ikoner och andra symboler.

Företrädesvis är den audiovisuella enheten 3 lokaliserad i omedelbar närhet till inloppsområdet 4, i syfte att rikta personens 13 uppmärksamhet åt detta område. Den är kapabel att påkalla omedelbar uppmärksamhet från personen 13 efter närvaroregistrering eller 10 15 20 25 30 35 40 45 50 vid något senare tillfälle. Den är också i stånd att förmedla en instruktion, även en detaljerad sådan, i det fall att personen 13 så kräver.

Som en följd av blandning mellan omgivnings-och utandningsluft kommer den signal som genereras av sensorelementet 8 att minskas med en faktor som motsvarar utandningsluftens utspädning. Därför ingår ett annat sensorelement 7 förutom elementet 8, for mätning av koncentrationen av en spårgas, t.ex. koldioxid (C02) eller vattenånga. Eftersom spårgaskoncentrationen är approximativt konstant när den lämnar luftvägama vid utandning, är det möjligt att erhålla en god approximation av graden av utspädning av luft som kommer in i sensorenheten 5. Ett annat altemativ för en spårsignal förutom C02 och H20 är temperaturen. Temperaturen i utandningsluften är nästan samma som kroppstemperaturen när den lämnar munnen eller näsan, men kyls till närmare omgivningstemperaturen vid blandning.

Sensorelementen 7 och 8 utgör mottagare i en mätcell för infraröd (IR) transmissionsmätning.

Från en infraröd sändare 6, företrädesvis ett svartkroppsstrålande element, utgår en stråle av bredbandsstrålning i infrarött och belyser cellen, och kommer efter flera reflektioner att nå mottagarelementen 7 och 8. Företrädesvis moduleras emittem 6 vid en frekvens, t ex 5 Hz, över frekvensbandet för typiska signaler. Var och en av sensorelementen 7 och 8 inkluderar terrnostapeldetektorer för infraröd strålning med bandpass-interferensfilter avstämda till absorptionstoppen av substansen som skall detekteras. Elementet 8 har ett filter med passbandet inom intervallet 9,1 - 9,9 um för etylalkohol, och elementet 7 filtret i intervallet 4,2 till 4,3 um i fallet med C02 som spårgas. Vattenånga, en altemativ spårgas , har en stark absorption i våglängdsintervall 2,5-2,8 um och 5,7 till 6,9 um. Andra kombinationer av gaser och filteregenskaper är möjliga. Aceton , acetaldehyd, metanol, kolmonoxid , metan, etan , propan, pentan, hexan, heptan, oktan, isopren, ammoniak, vätesulfid, metylmerkaptan, etylacetat, dimetyleter, dietyleter, bensen, toluen, metyletylketon, och metylisobutylketon är exempel på flyktiga ämnen som kan vara av intresse ur ett diagnostiskt eller toxiko logiskt perspektiv .

Den optiska vägsträckan från IR-sändaren 6 till detektorema 7, och 8 kan väljas beroende på koncentrationsområde och absorptionskoefficienter för de aktuella ämnena. C02 har stark absorption och hög koncentration i utandningsluften som kräver en kort optisk väg , 10 - 25 mm. För alkohol upptäckt under de legala koncentrationsgränsema, kan en vägsträcka på mer än 0,5 meter vara nödvändig. Genom veckning av den optiska vägsträckan medelst av multipla reflektioner, kan den längd/ bredd/ höjd av sensorenheten 5 hållas mindre än 70/30/15 mm .

Sensorenheten 5 reagerar nästan omedelbart, det vill säga inom en bråkdel av en sekund, för att koncentrationsvariationer som förekommer vid inloppsområdet 4. Detta är delvis på grund av det lilla avståndet mellan inloppsområdet 4 och sensorenheten 5, och luftströmnings- hastigheten som alstras av fläkten 9. Det är också på grund av den relativt snabba moduleringsfrekvensen hos den infraröda sändaren. Signalinforrnationen som extraheras från sensorelementen 7 och 8 representeras av amplituden hos moduleringsfrekvensen.

Signalema från sensorelementen 7, 8 förs till en analysator 10, som företrädesvis innefattar en generell digital mikroprocessor med kapacitet att exekvera signalalgoritmer, samt styrning av den audiovisuella enheten 3, IR-sändaren 6, fläkten 9. Signalkonvertering mellan olika format, inklusive analoga signaler, kan hanteras av mikroprocessom 10, som också är kapabel att kommunicera med extema enheter, t.ex. en aktuatorenhet för att vidta åtgärder eller 10 15 20 25 30 35 40 45 motåtgärder, beroende på resultatet av utandningsprovet. Elektrisk strömförsörjning för systemet l kan antingen erhållas från ett batteri eller från en extern strömkälla. Systemet l kan utformas som en fristående enhet, eller som en integrerad del av andra inventarier, t.ex. ett fordonsutrymme eller entre till byggnad eller arbetsplats. Företrådesvis innefattar inloppsarean 4 organ for skydd av sensorenheten 5, t ex ett lock, som är stängt när systemet l är inaktiv. Backventilen 12 är i stånd att uppfylla denna funktion.

Företrädesvis har de rörliga delama hos fläkten 9 liten massa, typiskt mindre än 1,5 gram, för att få lägsta start- och stopptid. Fläkten 9 innefattar företrädesvis också en borstlös likströmsmotor, och organ l4 för dubbelriktad styming av strömdrivpulser till motom, med användning av det faktum att den elektromagnetiska effekten är reversibel mellan motor-och generatorfunktionen, betecknad i figur l genom den dubbelriktade pilen mellan fläkten 9 och styrkretsen l4, tillgänglig från flera leverantörer, t ex Texas Instruments Inc., USA. Genom denna kontrollfunktion är det möjligt, både for att starta/ stoppa fläkten 9 mycket snabbt, och för att köra den i olika hastigheter. Dess återkopplingsslinga kan också innefatta en flödessensor, som mäter det verkliga luftflödet. Start-och stopptider kan hållas vid ett minimum genom styr-och drivkretsen 14.

I avstängt läge representerar fläkten 9 ett betydande flödeshinder, som effektivt fångar upp luften inuti sensorenheten 5. Tvärsnittsarean hos fläkten 9 som tillåter fri passage av luft är typiskt avsevärt mindre än en fjärdedel av inloppsarean 4. Detta flödesmotstånd förhindrar oönskad utvädring av sensorenheten 5 under tiden för mätningen.

Styrorganet l0, l4 för luftflöde kan också användas för andra ändamål än att förbättra noggrannheten. Den kan även användas vid start av systemet for att förbättra stabiliteten hos sensorenheten 5, och minimera starttiden. En annan användning är att övervaka långsiktig degradering av lager eller andra känsliga delar.

Figur 2 visar ett flödesschema över systemfunktionen i enlighet med uppfinningen. Systemet startas eller initieras antingen manuellt eller automatiskt, genom någon extem styrsignal. I fallet med ett fordon, kan startsignalen vara upplåsning av fordonsdörrar. Det inledande fasen innebär lämpligen några sj älvtestfunktioner i systemet, för att se till att inga funktionella fel har inträffat sedan föregående provtillfälle. Fläkten 9 startas automatiskt, och går med full eller reducerad hastighet tills den tar emot ett kommando för att avbryta flödet eller köras vid en annan hastighet. Den inledande fasen kan också innefatta förvärrnning av känsliga komponenter och stabilisering av signaler.

När systemet är klart för utandningsprov kommer det att förbli i ett standby-läge tills närvaro av en person inom den fördefinierade positionen detekterats. Som tidigare beskrivits, kan detektionen inbegripa identifiering av personen, och kan då kräva tvåvägskommunikation mellan personen och systemet. Efter eller under steget närvarodetektering, kommer systemet att kräva personens uppmärksamhet genom samordnade blinkande ljus, distinkt och riktat ljud i kombination med särskild symbol eller ikon som representerar utandningsprov.

En erfaren person därefter väntas rikta utandningsluft mot sensorinloppsområdet, medan en oerfaren person kan kräva mer eller mindre detaljerade instruktioner om hur man ska gå vidare. Exempel på instruktion som ges muntligt eller som ett textmeddelande: "Ta ett djupt andetag, luta dig framåt, öppna munnen och andas ut försiktigt". Altemativt tillhandahålls instruktioner som text, stillbilder eller rörliga bilder, grafiska symboler eller på annat sätt. Om 10 15 20 25 30 35 40 45 kriterierna for andningsdetektion inte uppfylls efter en instruktionsomgång, kan upprepade instruktioner levereras med ökad detaljnivå.

Kriterierna för andningsdetektion involverar lämpligen spårgasdetektion som tidigare beskrivits. I fallet med C02 som spårgas är ett enkelt kriterium att C02 koncentration når en viss tröskelnivå, t.ex. 2500 ppm (miljondelar), vilket motsvarar en utspädningsfaktor på 20 (alveolär C02-koncentration är ca 5 vol-%, eller 50 000 ppm). Ytterligare kriterier kan vara relaterade till tidsderivatan av den C02-signalen. Den samtidigt uppmätta alkoholkoncentrationen kommer i det här fallet mäste multipliceras med 20 för att få en uppskattad utandningsalkoholkoncentration. Kriterierna för andningsdetektion bör också omfatta korrigering for omgivningens C02-koncentration, vilket är 400-600 ppm i normala miljöer. Ett matematiskt uttryck eller algoritm är normalt tillräcklig for att definiera kriteriema, med hjälp av inställbara parametrar för att anpassa sig till variationer mellan olika förhållanden. En sådan algoritm kan implementeras för exekvering i realtid med hjälp av standardmikroprocessorer.

Vid detektion av en utandning, skickas ett kommando till fläkten 9 för att avbryta luftströmmen. Luften i sensorenheten kommer då att bli instängd, och långvarig mätning kan utföras vid noll lufthastighet, som i princip kommer att eliminera flödesrelaterade fel, och genom medelvärdesbildning ge en minskning även av slumpmässiga fel, till exempel brus.

Minskningen sker med avseende på bestämningama av både substansen och spårämnet.

I ett utförande av uppfinningen, i frånvaro av en fläkt eller pump 9, saknas elektronisk styrning av flödesavbrottet. I denna utföringsforrn är luftströmmen driven av utandningsflödet från personen, vilket skapar en tryckgradient över de ledade väggarna i backventilen 12 och tillåter luft att passera utloppsområdet. Når personens utandning minskar eller stoppas, kommer backventilen stängas och att fånga den utandade luften i sensorenheten 5. Den exakta tidpunkten for stängning blir beroende av elasticiteten hos gångj ärnen och väggar hos backventilen, och kan anpassas för att sammanfalla med detekteringen av ett andetag, eventuellt med viss fördröjning.

Graden av utspädning är ett mått på signalkvaliteten. Hög koncentration (liten utspädningsfaktor) ger beståmningen hög noggrannhet, medan påverkan av störande faktorer, såsom andra närliggande personer, ökar med graden av utspädning. Företrådesvis presenteras resultatet av utandningsprovet som presenteras inte bara som en koncentration utan också som ett beräknad mätfel beroende på spädningsfaktorn.

Detektion av utandning kan i vissa applikationer åsidosätta närvarodetektering som symboliseras i figur 2 med den streckade linjen, och kortsluter därigenom både sekvenserna "uppmärksamhet" och "instruktion". Ett annat sätt att uttrycka sig är att inkludera spårgasdetektering i "registreringsorganet ".

Bestämning av BrAC utförs av en annan algoritm baserad på korrelationen mellan signalerna från sensorelementen 7 och 8. När sensorenheten 5 tar emot utandningsluften från en person, uppvisar båda givarelementen koncentrationstoppar nästan samtidigt. Ett genomsnittligt BrAC-värde erhålls genom att multiplicera ett antal uppmätta halter alkohol med deras respektive utspädningsfaktorer. Genom att medelvärdesbilda minskas effekten av brus och störningar. En liten tidsskillnad mellan C02- och alkoholsignalerna på grund av skillnader som orsakas av den anatomiska dödvolymen eller genom utformningen av sensorenheten 5 är också möjligt att inrymma i algoritmen. 10 15 20 25 30 35 Slutförandet och resultatet av ett utandningsprov som definieras av uppfyllandet av kriterierna för andningsdetektion, kommuniceras företrädesvis till personen, till exempel med hjälp av en audiovisuell enhet 3. Fläkten 9 startar företrädesvis om efter fiallbordad bestämning för att vädra ut sensorenheten, helst med líill hastighet för att minimera tiden för systemet att bli redo för ett nytt utandningsprov. Ornstarten sker inom en begränsad tidsperiod, t.ex. 1-10 sekunder, företrädesvis 1-5 sekunder. Om ingen fläkt eller pump 9 är inkluderad, kan systemet 1, om det hålles i handen, vädras manuellt genom snabba horisontella rörelser i riktning från höger till vänster, med hänvisning till figur 1, och därigenom skapa en tryckgradient över klaffventilen 12 och därigenom låta frisk omgivande luft att komma in i sensorenheten 5.

I grunden gäller samma flödesdiagram för utföringsformen utan en fläkt eller en pump, med den skillnaden att vädring av sensorenheten 5 utförs manuellt.

I flödesschemat i figur 2 inkluderas inte de ytterligare åtgärder som kan vidtas efter avslutning av sj älva utandningsprovet, eftersom de kan variera mycket beroende på den faktiska tillämpningen av utandningsprovet. Sådana åtgärder kan innebära regelbaserade beslut för styrning av åtgärder eller motåtgärder baserade på bestänmingen, t.ex. aktivering/inaktivering av líinktioner i ett fordon eller låsning/upplåsning av dörr.

Figur 3 visar en tidssekvens av ett typiskt utandningsprov utfört med systemet enligt uppfinningen. Signalema som representeras är uppifrån och ner: "F" styrsignal till fläkten 9, där "hög" står för "på" och "låg" representerar "av, "T" spårgas, "A" alkohol. Tidsskalan visar en typisk sekvens för en erfaren testperson som reagerar på en begäran, att vid tiden noll avge en utandning mot inloppsonirådet 4. Efter ca en sekund, noteras en spårsignal över ett förbestämt tröskelvärde, och fläkten 9 mottar ett kommando för att avbryta luftströmmen.

Efter en kort fördröjning, når signalema för spårgasen och alkohol en platå, från vilken en noggrann bestämning av utspädning och BrAC görs, med användning av medelvärdes- bildning. Efter lullbordande av bestämningen skickas ett nytt kommando för omstart till fläkten 9. Vid vädring av sensorenheten 5, går signalema från både spårgas och alkohol tillbaka till den ursprungliga nivån.

I grunden gäller samma tidssekvens för utförandeforrnen utan fläkt eller pump, med den skillnaden att spolning av sensorenheten 5 utförs manuellt.

Claims (10)

1. PATENTKRAV: 1. Ett system för test av en persons utandningsluft, inkluderande en sensorenhet (5) konfigurerad att detektera förekomst/ koncentration av en flyktig substans som strömmar genom ett på förhand definierat inloppsområde (4) och genererar en signal som motsvarar substansens koncentration medelst ett sensorelement (8); ett ytterligare sensorelement (7) konfigurerat att detektera förekomst av en markörgas i den strömmande luften; en analysator (10) konfigurerad att bestämma koncentration av den flyktiga substansen i personens utandningsluft, vilken bestämning baseras på signal som mosvarar substanskoncentrationen; organ för generering och styrning luftflödet (10, 12, 14), inkluderande en fläkt eller pump (9), vilket organ är avpassat att aktivt avbryta flödet vid detektering av en utandning, där kriterierna för utandningsdetektion inkluderar markörgasdetektering.

2. System enligt krav 1, ytterligare innefattande organ för generering eller underhåll av luftflödet, företrädesvis en fläkt eller en pump (9).

3. System enligt krav 2, där organet för generering och styrning luftflödet (10, 12, 14) är konfigurerat att starta om flödet efter en begränsad tidsperiod, lämpligen 1- 10 sekunder, företrädesvis 1-5 sekunder.

4. System enligt krav 1, 2 eller 3, ytterligare innefattande en ventil (12) för utförande av avbrottet.

5. System enligt något av föregående krav, där sensorenheten (5) inkluderar organ för detektion av utandning baserat på bestämning av en markörsubstans, till exempel koldioxid, eller av vattenånga eller temperatur.

6. System enligt något av föregående krav, där det flödesgenererande organet (9) inkluderar en borstfri likströmsmotor och organ (14) för dubbelriktad styrning av strömdrivpulser till motorn.

7. System enligt något av föregående krav, där det flödesgenererande organets (9) fria tvärsnittsyta är mindre än en fiärdedel av inloppsområdet (4)

8. System enligt något av föregående krav, där massan hos de rörliga delarna i det flödesgenererande organet (9) är mindre än 1,5 gram.

9. System enligt något av föregående krav 2-8, ytterligare innefattande styrorgan (10, 14) för styrning av organet för generering eller underhåll av luftflödet, inkluderande återkoppling från faktiska drivelement, till exempel en borstfri likströmsmotor eller en flödessensor.

10. System enligt något av föregående krav, där den flyktiga substansen är aceton, acetaldehyd, metanol, etanol, kolmonoxid, metan, etan, propan, pentan, hexan, heptan, oktan, isopren, ammoniak, vätesulfid, metylmerkaptan, etylacetat, dimetyleter, dietyleter, bensen, toluen, metyletylketon, eller metylisobutylketon, eller en kombination därav. 12. En metod för utförande av ett utandningstest på en person, innefattande stegen: att tillhandahålla ett testsystem enligt krav 1; att avbryta flödet genom det fördefinierade området under en begränsad tidsperiod; och att detektera koncentrationen av nämnda substans under avbrottet.