DE102007043643A1

DE102007043643A1 - Atem-Analysator

Info

Publication number: DE102007043643A1
Application number: DE102007043643A
Authority: DE
Inventors: Bertil Hök; Håkan PETTERSSON
Original assignee: Autoliv Development AB
Current assignee: Senseair Se AB
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2008-03-27
Also published as: GB0618051D0; GB2441781A; US20080061238A1; US7919754B2; JP5502269B2; JP2008070369A; GB2441781B; FR2905762B1; SE532488C2; SE0702055L; FR2905762A1

Abstract

Ein System für die Detektion und Analyse mindestens einer flüchtigen Substanz in Atemproben eines Probanden, gekennzeichnet durch: - mindestens eine Quelle von Infrarotstrahlung, die an den Wellenlängenbereich spezifischer Absorptionsspitzen der Substanzen angepasst ist - mehrere reflektierende Oberflächen der Strahlung, die ausgelegt sind für Kollimation auf - mindestens einen Detektor, der mehrere elektrische Ausgangssignale entsprechend der Transmission der Strahlung innerhalb den Absorptionsspitzen entsprechenden Wellenlängenintervallen vorsieht - mindestens eine Messzelle mit einer mechanischen Tragstruktur, die die Position der Quelle, der reflektierenden Oberflächen und des Detektors festlegt und die für die Aufnahme und Beseitigung der Atemprobe ausgelegt ist, und deren Beaufschlagen mit der Strahlung - mindestens eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung mit der Fähigkeit, die Signale bezüglich vorprogrammierter Informationen, die Infrarotabsorptionsspektren der Substanzen betreffen, zu analysieren - wobei das Ansprechen des Systems angezeigt oder anderweitig mitgeteilt und als im Wesentlichen unmittelbar wahrgenommen wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Detektion und Analyse von Substanzen in Atemproben von Probanden. Ein Anwendungsgebiet von wesentlicher Bedeutung ist die Bestimmung der Alkoholkonzentration bei Fahrern von Fahrzeugen, doch umfasst das Gebiet die Detektion jeder flüchtigen Substanz in Atemproben aus jedwedem Grund. Technologisch ist die Verwendung der vorliegenden Erfindung bei denjenigen flüchtigen Substanzen bevorzugt, die ausgeprägte Infrarotstrahlungsabsorptionseigenschaften aufweisen, was deren Nachweisen und quantitatives Bestimmen ermöglicht.
Stand der Technik
Es ist allgemein bekannt, dass die Beschaffenheit von unverdünnten Proben von aus der Lunge eines Probanden ausgeatmeter Luft eng mit der entsprechenden Blutbeschaffenheit in Zusammenhang steht. Dies ist auf die äußerst große Oberfläche normalen Lungengewebes, einschließlich der Alveolen zusammen mit einem Netz feiner Kapillarblutgefäße, zurückzuführen, was zu einem effizienten Gasaustausch führt. Die Messung von endtidalen Gaskonzentrationen, d.h. des am Ende des Atemzyklus erhaltenen Werts, ersetzt somit in der klinischen Physiologie die Probennahme arteriellen Bluts. Weiterhin wird die Atemprobennahme mittlerweile in vielen Ländern als Nachweisverfahren zur Feststellung der Blutalkoholkonzentration von Fahrern von Fahrzeugen akzeptiert.
Die Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und Einfachheit, mit der eine Atemprobennahme verwirklicht werden kann, ist natürlich ein zentraler Punkt. Bei einem sogenannten Alkohol-Interlock (automatische Wegfahrsperre bei Erkennen von Alkohol im Atem) sollte zum Beispiel das Risiko eines falschen Ergebnisses der Analyse auf ein absolutes Mindestmaß gesenkt werden. Ein großes Probenvolumen ist normalerweise erforderlich, um eine hohe Auflösung zu erhalten, was der Anforderung eines schnellen Ansprechens entgegensteht, das ein kleines Probenvolumen favorisiert. Nur ein sehr kleiner Anteil von Proben wird tatsächlich zur positiven Detektion von Alkohol führen, und nüchterne Fahrer werden kein mühsames und zeitaufwändiges Testverfahren akzeptieren. Eine weitere Komplikation ist, dass eine solche Vorrichtung auch bei extremen Umgebungsbedingungen mit unveränderter Genauigkeit arbeiten sollte.
Die Atemprobennahme wird üblicherweise mit einem Mundstück durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Probe unverdünnt ist. Typischerweise besteht das Mundstück aus einem Stück Polymerschlauch mit Öffnungen, um den Sensor gegenüber der Atemprobe freizulegen. Mundstücke sind aus hygienischen Gründen Einwegartikel, und ihre Handhabung und Kosten sind wesentliche Beschränkungen bei der weit verbreiteten Verwendung von Atemanalysegeräten bei z.B. Alkohol-Interlock-Systemen.
Jüngst wurde nachgewiesen, dass die gleichzeitige Messung von Kohlendioxid und einer anderen interessierenden Substanz in der Nähe eines Probanden eine neuartige Möglichkeit quantitativer Beurteilung der Blutkonzentration dieser Substanz bieten kann. Es wurde nachgewiesen, dass das Verhältnis der beiden extern gemessenen Konzentrationen multipliziert mit der alveolaren Konzentration von Kohlendioxid eine Annäherung an die tatsächliche Blutkonzentration dieser Substanz liefert. Die Variabilität der alveolaren CO₂-Konzentration ist beschränkt und in großem Maße vorhersehbar und kann daher mit zufrieden stellender Genauigkeit geschätzt werden. Das neue Verfahren kann die Notwendigkeit eines Mundstücks eliminieren, es sei denn, wenn eine sehr hohe Messgenauigkeit erforderlich ist.
Weiterhin ist es allgemein bekannt, dass viele Substanzen in der Gasphase ausgeprägte Absorptionsspektren im Infrarotwellenlängenbereich zwischen etwa 1 und 10 μm aufweisen. Die Absorptionsspektroskopie ist also ein wichtiges Instrument bei der Bestimmung der Zusammensetzung unbekannter Gasproben. Dies ist auf quantenmechanische Übergänge zwischen Energieniveaus von Molekülschwingungen zurückzuführen. Kohlendioxid weist zum Beispiel bei einer Wellenlänge von etwa 4,26 μm eine starke Absorptionsspitze auf, was einer asymmetrischen Dehnungsschwingungsmode entspricht, wobei das mittlere Kohlenatom entgegengesetzt zu den beiden Sauerstoffatomen entlang der linearen Achse des Moleküls schwingt. Ethylalkohol weist bei 3,4 und 9,4 μm ausgeprägte Absorptionsspitzen auf, die auch den Molekülschwingungszuständen entsprechen. Wasserdampf weist zum Beispiel Absorptionsspitzen bei 2,8 und 6,2 μm auf. Die Bestimmung von Wasserdampf entspricht der Messung absoluter Feuchtigkeit. Die relative Feuchtigkeit lässt sich daraus berechnen, wenn die Temperatur bekannt ist. Die gleichzeitige Messung von Feuchtigkeit in Atemproben kann von Interesse sein, wie nachstehend weiter beschrieben wird.
Die Infrarotabsorptionsspektroskopie kann die Messung der Transmission von infrarotstrahlung einer Strahlungsquelle durch die Probe sowie einen Detektor einschließen. Typischerweise wird in den Strahlungsweg auch ein dispersives Element eingebracht, wodurch Strahlung nur bei bestimmten Wellenlängenintervallen zum Detektor durchgelassen wird. Ein Beugungsgitter oder ein Interferenzfilter könnten als dispersives Element dienen. Durch Verändern des Einfallwinkels ist es möglich, das akzeptierte Wellenlängenintervall zu verändern. Bei einem Abtast-Spektrometer wird das Wellenlängenintervall der Reihe nach abgetastet, was das Analysieren eines bestimmten Bereichs von Wellenlängenintervallen und dadurch die Detektion von mehreren Absorptionsspitzen erlaubt, die einer Substanz oder mehreren Substanzen entsprechen. Wenn bestimmte Substanzen allein überwacht werden, ist es üblich, Interferenzfilter als dispersive Elemente zu verwenden, wobei die Transmissionseigenschaften auf die Absorptionsspitzen dieser Substanzen abgestimmt sind. Modernste Interferenzfilter mit ausgezeichneten Eigenschaften können kostengünstig hergestellt und mit Infrarot-Detektoren, z.B. des Typs Thermosäule, integriert werden.
Bei der photoakustischen Spektroskopie wird eine Quelle gepulster Strahlung mit einem Filter, der bestimmten Absorptionsspitzen entspricht, verwendet. Bei Vorhandensein einer absorbierenden Substanz können Wärmeimpulse synchron mit Strahlungspulsation durch ein empfindliches Mikrofon detektiert werden. Aufgrund günstiger Geräuscheigenschaften ist diese Lösung für die Detektion von Substanzen mit sehr niedriger Konzentration interessant. Andererseits ist sie komplexer und teurer, insbesondere wenn mehrere Substanzen beteiligt sind.
Transmissionsmessungen sind im Hinblick auf Zuverlässigkeit vorteilhaft. Ein Transmissionsspektrometer kann Selbstüberwachungsfunktionen, einschließlich aller anfälligen Elemente, umfassen. Es kann zum Beispiel die Ausgabe einer Infrarot-Quelle überwachen, was Ausgleich für eine mögliche langfristige Drift ermöglicht.
Eine bei Infrarot-Spektrometern des Stands der Technik nicht gelöste technische Herausforderung ist die Kombination von hoher Messauflösung mit schnellem Ansprechen. Idealerweise sollte das System so schnell wie die normale menschliche Wahrnehmung ansprechen und sich erholen, d.h. binnen ein paar Sekunden. Die Forderungen nach hoher Auflösung schwach absorbierender Substanzen bringen jedoch relativ lange Strahlungstransmissionswege in einer zweistelligen Zentimeter-Größenordnung mit sich. Wie bereits betont, stehen sich diese Forderungen entgegen.
Weitere Schwierigkeiten betreffen die rechtlichen Gesichtspunkte in Verbindung mit der Erfassung und Analyse von Atemproben menschlicher Probanden. Die Forderungen an Zuverlässigkeit und Rückverfolgbarkeit möglicher Fehler sind außergewöhnlich hoch. Mögliche Versuche, den Analyseprozess zu manipulieren, sollten detektiert werden, um angemessene Maßnahmen zu gestatten.
Eine Schwierigkeit spezifisch in Verbindung mit der Analyse von Atemproben und der gleichzeitigen CO₂-Messung ist die Tatsache, dass die CO₂-Konzentration in Atemproben typischerweise im Prozentbereich liegt, wogegen die Konzentration anderer Substanzen typischerweise mehrere Größenordnungen geringer ist. Somit ist es erforderlich, Kreuzempfindlichkeiten, d.h. die wechselseitigen Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Bestimmungen, zu minimieren, und die große Differenz bei Konzentrationen ist eine Komplikation.
Es kann von Interesse sein, die Atemprobennahme im Freien und bei extremen Umgebungsbedingungen durchzuführen. Hauptsächlich werden moderne Infrarot-Spektrometer in laborartigen Umgebungen verwendet. Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Umgebungseinflüsse zu minimieren und so die Haltbarkeit bei extremen Bedingungen zu verbessern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das System die Implementierung bei hohen Fertigungsvolumina und bei sehr geringen Herstellungskosten ermöglichen sollte. Physikalisch sollte es als tragbare eigenständige Einrichtung oder als eingebettetes System, z.B. in einem Fahrzeug, verwendbar sein.
Allgemeine Beschreibung
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, die vorstehend gezeigten Probleme anzugehen, und ist im Einzelnen auf die Analyse von Atemproben gerichtet, die im Freien in großer Nähe zu einem Proband genommen wurden. Das erfindungsgemäße Verfahren und System ist aber analog auf die Analyse einer unverdünnten Atemprobe unter Verwendung eines Mundstücks zur Entnahme verwendbar.
Der erfindungsgemäße Atemanalysator umfasst:

– mindestens eine Quelle von Infrarotstrahlung, die für den Wellenlängenbereich von Absorptionsspitzen der zu analysierenden Substanzen ausgelegt ist
– reflektierende Oberflächen
– Element für Wellenlängendispersion
– Detektor, der Ausgabesignale vorsieht, die der Transmission in festgelegten Wellenlängenintervallen entsprechen
– elektronische Signalverarbeitungseinrichtung mit der Fähigkeit zur Signalanalyse bezüglich vorprogrammierter Informationen, die die Infrarotabsorptionsspektren betreffen
– Tragstruktur, die zur unmittelbaren Strahlungsexponierung der Atemprobe ausgelegt ist

Die Tragstruktur bildet eine Messzelle, in der Infrarotstrahlung durchgelassen wird und die das Entnehmen und Beseitigen der Atemprobe bei minimaler Laufzeit erlaubt. Die Laufzeit bestimmt die Ansprech- und Erholungszeit des Systems. Die erstere wird durch den Prozess der Detektion und Analyse festgelegt, wogegen die Erholung mit dem Auswaschen der Atemprobe aus der Messzelle in Verbindung steht. Erst nach Beendigung dieser beiden Prozesse ist das System bereit, eine andere Atemprobe entgegenzunehmen. Typischerweise steht die Bereitschaft mit stabilen Eingangssignalen in Verbindung und kann dem Nutzer oder Probanden mit Anweisungen zur Abgabe einer Atemprobe mitgeteilt werden.
Die Messzelle ist zur Anordnung in dem exspiratorischen Luftstrom in großer Nähe zum Probanden ausgelegt. Das Ansprechen des erfindungsgemäßen Systems auf die Detektion und Analyse von Substanzen wird als im Wesentlichen unmittelbar, d.h. binnen weniger Sekunden, wahrgenommen. Die Messzelle weist typischerweise einen rohrförmigen Aufbau auf, wobei Einlass- und Auslassöffnungen groß genug sind, um den Durchlaufstrom von Gas nicht zu beeinträchtigen. Etwaige Bereiche stagnierenden Strömens sollten nicht mehr als 10% des Strahlungstransmissionswegs ausmachen. Das System kann auch Mittel für die aktive Beförderung der Atemprobe von der großen Probandennähe zu der Tragstruktur umfassen.
Die Laufzeit für das Strömen der Atemprobe durch die Messzelle bestimmt die Ansprech- und Erholungszeit τ_rr. Eine ungefähre Beziehung für ihre Berechnung wird erhalten durch:
L ist die physikalische Länge der Messzelle, v ist die Luftstromgeschwindigkeit der Atemprobe und K ist das Verhältnis zwischen den Innen- und Außenströmgeschwindigkeiten. Im idealen Fall einer dünnwandigen rohrförmigen Struktur wäre K nahe 1. Realistischerweise ist K = 0,1–0,2 in einer typischen Systemauslegung. Einsetzen von L = 100 mm und v = 1 m/s ergibt τ_rr = 0,5–1 s. Die Anforderung, die Ansprech- und Erholungszeit des Systems auf die visuelle Reaktionszeit typischer Probanden anzupassen, könnte somit als realistisch betrachtet werden.
Ein weiterer Faktor, der die Ansprechzeit beeinflussen kann, die die Periodizität der Modulation der Strahlungsquelle. Selbst bei einem Hitzdraht kann aber eine Modulationsdauer verwendet werden, die beträchtlich kürzer als die visuelle Reaktionszeit normaler Probanden ist.
Die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsstrahlungsstärke I_i und I_o der Messzelle wird erhalten durch: Io = Ii·exp(–C·αλ·l) (2)wobei l die Länge des Strahlungswegs ist, C die Konzentration und α_λ der Absorptionskoeffizient der Substanz bei Wellenlänge λ ist. Durch Messen von I_i und I_o und Verwenden bekannter Werte von α_λ und l ist es somit möglich, die Konzentration C einer Substanz zu bestimmen. Die Zuverlässigkeit einer solchen Bestimmung kann durch die parallele Bestimmung mehrerer Substanzen, von denen einige vollständig oder teilweise bekannt sind, sowohl bezüglich Identität als auch Konzentration erheblich verbessert werden. Atemproben umfassen immer Wasserdampf und Kohlendioxid, die somit als Bezugssubstanzen dienen können.
Die Strahlungsweglänge l ist bevorzugt beträchtlich länger als die physikalischen Abmessungen der Messzelle. Dies wird mittels einer Anordnung reflektierenden Oberflächen oder Spiegel verwirklicht. Bevorzugt sind die reflektierenden Oberflächen zumindest teilweise konkav, wobei sie einen Reflexionskoeffizienten (definiert als Verhältnis zwischen den reflektierten und auftreffenden Stärken) von über 0,95 aufweisen. Folglich wird die Strahlung zumindest teilweise kollimiert.
Das dispersive Element kann entweder ein Beugungsgitter oder ein Interferenzfilter oder eine Kombination derselben sein. Es kann auch ein Substratmaterial mit ausgeprägten Absorptionseigenschaften enthalten, z.B. zum Unterbinden von Beugung hoher Ordnung oder Interferenz. Mit Hilfe von MEMS-Technologie (mikroelektromechanische Systeme) können die Strahlungsstreueigenschaften eines Beugungsgitters hoher Auflösung elektronisch gesteuert werden. Mit Hilfe einer solchen Vorrichtung können die spektralen Eigenschaften präzis gesteuert werden, was auch ein Wechseln zwischen verschiedenen Moden erlaubt.
Typischerweise wird eine Anzahl an Detektorelementen verwendet, bevorzugt Thermosäulen- oder pyroelektrische Elemente. Die Auflösung eines erfindungsgemäßen optimierten Systems ist durch zugrunde liegendes thermisches Rauschen in dem Detektor beschränkt, statt durch Umgebungsinterferenz.
Weiterhin umfasst die elektronische Signalverarbeitungseinrichtung eine Speichervorrichtung zu temporären und permanenten Informationsspeicherung sowie eine Vorrichtung zum Ausführen einer vorprogrammierten Folge von logischen und arithmetischen Schritten, beispielsweise das Ausführen des Algorithmus (2) für mehrere Substanzen. Diese Schritte werden typischerweise nacheinander mit Hilfe herkömmlicher Computerarchitekturen ausgeführt, verlängern aber die Ansprechzeit des Systems nicht wesentlich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann sich der Punkt der Probenentnahme in großer Nähe zum Mund-/Nasenbereich des Probanden befinden, nicht notwendigerweise aber in physikalischem Kontakt mit ihm. Bevorzugt umfasst es das richtige Positionieren der mehrfach verstellbaren Messzelle, was ausgeatmete Luft durch diese und an ihr vorbei strömen lässt. Dies kann die aktive Mitwirkung des Probanden erfordern, muss es aber nicht. Die Atemprobe kann etwas mit Umgebungsluft verdünnt sein, wenn sie am Messpunkt ankommt. Bestimmte Eigenschaften ausgeatmeter Luft, beispielsweise Zeitschwankungsprofile von Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlendioxidkonzentration, werden analysiert, wobei sie eine Kategorisierung eines bestimmten Ereignisses als zulässige oder unzulässige Probe vorsehen.
Die Atemprobennahme kann eine Anweisung an den Probanden umfassen, gegen einen festgelegten Erfassungsbereich auszuatmen. Bei einem kooperativen Probanden führt dies zu einer forcierten Exspiration von 0,5–1,5 Liter ausgeatmeter Luft, die bei einem Abstand von 20–50 cm abgetastet werden kann. Passive Probennahme bei einem unkooperativen Probanden ist auch möglich, erfordert aber aufgrund geringerer Strömgeschwindigkeiten und Volumina in Verbindung mit entspannter Exspiration größere Nähe, typischerweise 10–20 cm.
Das beschriebene Probennahmeverfahren eliminiert die Notwendigkeit eines Mundstücks, das ansonsten bei Atemprobennahmegeräten obligatorisch ist. Die Verwendung einer verdünnten Probe nimmt eine angemessene Schätzung der alveolaren Kohlendioxidkonzentration an. Wenn hohe Genauigkeit erforderlich ist, kann das beschriebene Verfahren durch ein ein Mundstück verwendendes Verfahren befolgt werden, und dadurch werden Schwankungen aufgrund der Schätzung beseitigt.
Die zu bestimmenden unbekannten Substanzen könnten Ethylalkohol oder jedes andere Mittel sein, das die Gesundheit oder das Verhalten des Probanden beeinflusst. Wie bereits erwähnt ist als Referenz bevorzugt eine Messung von Kohlendioxid- und Wasserdampfkonzentration enthalten. Das System kann auch einen anderen Bezugsdetektor umfassen, der bei einem Infrarotwellenlängenintervall ohne bekannte Substanzabsorption arbeitet. Das Einschließen eines solchen Detektors kann z.B. dem Zweck des Detektierens eines zeitweiligen oder ständigen Signalverlusts aufgrund der Ablagerung kondensierter Wassertropfen oder Staubpartikel auf den reflektierenden Oberflächen dienen. Ein geeignetes Wellenlängenintervall für einen solchen Bezugsdetektor wäre 3,9 μm, das von den meisten interessierenden Substanzen nicht beeinflusst wird.
Das erfindungsgemäße System umfasst auch ein Indikator- oder Anzeigemittel oder ein anderes Mittel zur Signalübertragung. Dies kann zum Vorsehen einer Atemprobe durch forcierte Exspiration zur Messzelle teils hin zum Probanden gerichtet sein.
Bevorzugt ist die Tragstruktur zwischen einem aktiven Arbeitszustand, in dem mindestens eine Öffnung zum Entgegennehmen einer Atemprobe vorgesehen ist, und einem passiven Zustand, in dem die Quelle, die reflektierende Oberfläche, das dispersive Element und der Detektor vor Umgebungseinwirkung geschützt sind, umwandelbar. Diese Umwandlung wird bevorzugt durch elektromechanische Mittel vorgesehen, wodurch ein Wechsel zwischen den Zuständen teils oder vollständig automatisch ist.
Das erfindungsgemäße System ist für den Betrieb über einem großen Temperaturbereich ausgelegt. Die Kondensation von Wassertropfen oder Eis aus der Atemprobe auf reflektierenden Oberflächen kann durch Erwärmen dieser Oberflächen verhindert werden. Dies kann durch Anlegen elektrischen Stroms durch die reflektierende Oberfläche verwirklicht werden, die auch als Widerstandsdünnschicht dienen kann. Der Betrieb bei sehr hohen Temperaturen kann durch thermisches Rauschen der Detektorelemente beschränkt sein. Das Integrieren von kleinen Peltier-Elementen für thermoelektrisches Kühlen kann den Betrieb diesbezüglich ausweiten.
Bevorzugt umfasst das System ein Gehäuse, das alle Elemente aufnimmt, wodurch eine umschlossene und physikalisch einstückige Einheit gebildet wird. Die Tragstruktur könnte ein fester Teil des Gehäuses sein. Die Tragstruktur sollte bevorzugt für einen leckfreien Anschluss eines Mundstücks ausgelegt sein.
Das System weist zwischen den Bestimmungen der Substanzen minimale Kreuzempfindlichkeit auf. Dies wird durch Optimieren der Systemauslegung erreicht, wobei Elemente wie Anpassung der Strahlungsweglängen an den erwarteten Konzentrationsbereich integriert werden. Die Winkelverteilung der Strahlung ist ebenfalls von großer Bedeutung, da sie auf die dispersiven Eigenschaften Einfluss hat. Andere wichtige Faktoren sind die spektrale Breite des dispersiven Elements und dessen Unterbindung von Strahlung außerhalb des Transmissionsfensters.
Vorteilhafterweise kann das System bestimmen, ob eine bestimmte Substanz aus den oberen oder unteren Atemwegen stammt. Bei einem normalen erwachsenen menschlichen Probanden haben die oberen Atemwege ein Volumen von etwa 150 ml, was in etwa 30% des Tidalvolumens entspricht, d.h. dem gesamten ausgeatmeten Volumen. Bei forcierter und verlängerter Exspiration ist der Beitrag der oberen Atemwege auf einer absoluten Skala in etwa unverändert. Die aus den unteren Atemwegen stammende ausgeatmete Luft weist sowohl erhöhte CO₂- als auch erhöhte Feuchtigkeitskonzentrationen auf, wogegen die aus den oberen Atemwegen kommende Luft normal befeuchtet, aber ohne CO₂-Anstieg ist.
Vorteilhafterweise wird die Fähigkeit zu Überbestimmung vorgesehen, was es dem System erlaubt, sich bezüglich häufiger Fehlermechanismen selbst zu testen, oder durch vorsätzliche Manipulation.
Vorteilhafterweise wird die Tragstruktur aus einer kleinen Anzahl an Teilen zusammengebaut, die durch Polymerspritzgießen hergestellt werden.
Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht ein System zur Detektion mindestens einer flüchtigen Substanz in Atemproben vor, wobei das System umfasst: eine oder mehrere Flächen, die einen Strömweg bilden, entlang dessen ausgeatmeter Atem eines Probanden strömen kann; eine Strahlungsquelle, wobei die eine oder mehrere Oberflächen gegenüber mindestens einem Teil der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung im Wesentlichen reflektierend sind, wobei die Strahlungsquelle so ausgelegt ist, dass zumindest eine gewisse dadurch emittierte Strahlung sich entlang des Strömwegs bewegt und von der mindestens einen Fläche mehreren Reflexionen unterzogen wird; und mindestens einen so angeordneten Detektor, dass er von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung nach mehreren Reflexionen derselben durch die Oberflächen aufnimmt und dass er eine Analyse bezüglich der Teile der Strahlung ausführt, die seit Emission durch die Strahlungsquelle absorbiert wurden.
Vorteilhafterweise weist der Strömweg einen ausreichend großen Querschnitt auf, um eine im Wesentlichen laminare Strömung ausgeatmeten Atems dadurch zu ermöglichen, so dass Bereich stagnierenden Strömens in dem Strömweg weniger als 10% des Transmissionswegs der Strahlung umfassen, die sich entlang des Strömwegs bewegt.
Bevorzugt umfasst das System: einen dafür ausgelegten ersten Detektor, von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung nach Bewegen über eine erste Strecke entlang des Strömwegs aufzunehmen und eine Analyse bezüglich von Teilen der Strahlung auszuführen, die seit Emission durch die Strahlungsquelle durch CO₂ oder Wasserdampf absorbiert wurden; und einen dafür ausgelegten zweiten Detektor, von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung nach Bewegen über eine zweite Strecke entlang des Strömwegs aufzunehmen und eine Analyse bezüglich von Teilen der Strahlung auszuführen, die seit Emission durch die Strahlungsquelle durch mindestens eine flüchtige Substanz absorbiert wurden.
Zweckmäßigerweise ist die zweite Strecke größer als die erste Strecke.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die eingehende Beschreibung einer Ausführung des erfindungsgemäßen Systems bezieht sich auf die folgenden Zeichnungen.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm des Systems nach einer bevorzugten Ausführung.
2 ist ein Diagramm, das typische und relevante Infrarot-Spektraleigenschaften einiger der Zusammensetzungsmaterialien des Systems veranschaulicht.
3 ist ein Diagramm, das typische Signale zeigt, die während eines Vorgangs der Atemprobennahme und -analyse auftreten.
Eingehende Beschreibung
Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Systems wird schematisch in 1 dargestellt Alle Systemelemente sind in einem physikalischen Gehäuse 1 eingeschlossen, dessen Größe aufgrund der Miniaturisierung und der kleinen Größe der meisten enthaltenen Elemente relativ bescheiden ist, typischerweise unter 100 × 50 × 44 mm. Das Gehäuse könnte für mobile Verwendung ausgelegt und konstruiert sein, z.B. als tragbare Einrichtung oder feststehender Einbau, z.B. in einem Fahrzeug.
Eine mechanische Tragstruktur 6, 7, die eine Messzelle 17 bildet, ist mit Oberflächen 4, 5 mit hohem Infrarot-Reflexionsvermögen versehen, z.B. durch Beschichten mit einer dünnen Goldschicht, die einen Reflexionskoeffizienten für Infrarot-Strahlung von 0,95 oder höher aufweist. Die Tragstruktur 6, 7 wird für präzises Positionieren einer Strahlungsquelle 2, eines konkaven Reflektors 3, dispersiver Elemente, z.B. Interferenzfilter, 13, 14, Detektoren 8, 9, z.B. Thermosäulen- oder pyroelektrische Elemente, verwendet.
Die optische Anordnung der Messzelle 17, einschließlich der Tragstruktur 6, 7, lässt mehrere Reflexionen zwischen den Oberflächen 4, 5 zu, wie durch die dargestellte Zickzack-Strichlinie aufgezeigt wird. Der konkave Spiegel 3 sieht einen aus der Quelle 2 stammenden kollimierten Strahlungsstrahl vor. Ein erster Detektor 8 mit einem für die Detektion von CO₂ oder Wasserdampf ausgelegten ersten Interferenzfilter 13 ist so positioniert, dass er nach einem relativ kurzen Weg, typischerweise 10 cm, Strahlung aufnimmt. Ein zweiter Detektor 9 mit einem für die Detektion von Ethylalkohol ausgelegten zweiten Interferenzfilter 14 ist so positioniert, dass er nach einem relativ langen Weg, typischerweise 15–50 cm, Strahlung aufnimmt. Die Weglängen sind an den bei typischen Atemproben erwarteten Konzentrationsbereich und an die Absorptionskoeffizienten der jeweiligen Substanzen angepasst. Mit Hilfe von zehn oder mehr Reflexionen ist es möglich, einen Strahlungsweg in einer Tragstruktur mit einer um eine Größenordnung kleineren physikalischen Größe unterzubringen. Eine bevorzugte Umsetzung ist die Verwendung konkaver reflektierender Oberflächen, die einander gegenüberliegen, wobei jede Oberfläche an einem Punkt mit der Mitte des Radius der Krümmung zur gegenüberliegenden Oberfläche zusammenfällt.
Das Gehäuse 1 und die Messzelle 17 haben typischerweise eine Rohrform, mit Einlass- und Auslassöffnungen (links bzw. rechts in 1) mit Querschnitten, die groß genug sind, um eine laminare Strömung in der Messzelle 17 aufrechtzuerhalten. Aussparungen, wie sie durch die Quelle 2 und den Spiegel 3 vorgesehen werden, können als stagnierende Strömungsbereiche wirken, mit nachteiliger Wirkung auf die Strömungslaufzeit und folglich auf die Ansprech- und Erholungszeit des Systems. Sie sollten minimiert werden und nicht mehr als 10% des Strahlungstransmissionswegs ausmachen.
Die Atemprobe wird durch Strömenlassen durch die Tragstruktur 6, 7 genommen, wie durch die Pfeile links in 1 gezeigt wird. Eine Pumpe 16 kann eine aktive Verbesserung des Luftströmens vorsehen, um ein möglicherweise verzögertes Ansprechen zu minimieren, das auf Lufttransport zurückführbar ist. In ihrem Betriebszustand umfasst die Tragstruktur 6, 7 relativ große Öffnungen, sowohl links als auch rechts des Bereichs, in dem Strahlungsbeaufschlagung erfolgt. Dies ist erforderlich, um minimalen Luftströmungswiderstand zu erhalten. Andererseits kann es auch das Eindringen von Staubpartikeln und anderen Verunreinigungen in die Tragstruktur zulassen. Eine solche Verunreinigung würde die Leistung des Systems verschlechtern. Daher ist die Tragstruktur 6, 7 mit Deckeln 10, 11 versehen, die zum Öffnen und Schließen dienen, wodurch außer während der Probennahme jederzeit das Eindringen von Verunreinigungen verhindert wird. Die Deckel 10, 11 wirken somit als wechselnde Mittel zum Umwandeln der Tragstruktur zwischen dem aktiven und passiven Zustand. Bevorzugt werden die Deckel 10, 11 durch elektromechanische Mittel teilweise oder vollständig automatisch betrieben.
Eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung 12 ist ebenfalls vorgesehen. Die Signale von den Thermosäulen- oder pyroelektrischen Detektoren 8, 9 liegen typischerweise in der Größenordnung von 10–100 μV, und der Transmissionsverlust aufgrund der Absorption von Substanzen kann ein sehr kleiner Teil dieses Signals sein. Daher ist es erforderlich, elektronisches Rauschen und Interferenz zu minimieren, um eine adäquate Signalauflösung zu erhalten. Ein bevorzugtes Verfahren ist das Modulieren der Strahlungsquelle und das Verwenden eines synchronen Verstärkers mit einem hohen Verstärkungsfaktor, typischerweise 100.000 oder mehr.
Die Modulation von Infrarot-Quellen ist im Grunde durch die thermischen Zeitkonstanten dieser Quellen beschränkt. Laser und Diodenquellen können bei hohen Frequenzen moduliert werden, doch die Verfügbarkeit solcher Quellen ist im Wellenlängenbereich von 3–10 μm, in dem sich die meisten interessierenden Absorptionsspitzen befinden, selten. Schwarze Strahler können auf 10 Hz moduliert werden, was bezüglich Ansprechzeit des Systems adäquat ist. Die Systemansprechzeit sollte bevorzugt in der Größenordnung der Reaktionszeit eines typischen Probanden auf visuelle Reize liegen, d.h. bei einem Bruchteil einer Sekunde, da er/sie dann das Ansprechen als im Wesentlichen unmittelbar wahrnimmt. Modulation im Bereich von 10 Hz ist im Hinblick auf 1/f Rauschen, das in vielen Detektoren und Verstärkern bei niedrigeren Frequenzen vorherrschend wird, ebenfalls hinreichend.
Die Signalverarbeitung umfasst weiterhin eine Analog/Digital-Umwandlung und das Einbeziehen der Signale in ein Mikroprozessor-Umfeld, was basierend auf einem in dem permanenten Speicher der Vorrichtung gespeicherten Programm sequentielle, arithmetische und logische Schritte hoher Komplexität zulässt. Eine Folge von Schritten folgt, bei denen die Signale von den Detektoren 8, 9 mit Bezugsdaten verglichen werden, die entweder in permanenten oder temporären Speicherzellen gespeichert sind. Die elektronische Einrichtung 12 kann mehrere standardmäßige integrierte Schaltungen auf einer Leiterplatte umfassen oder kann auf einer Siliziumscheibe als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) vollständig integriert werden.
Ein Indikator bzw. eine Anzeige 15 ist ebenfalls zum Übermitteln von Anweisungen oder Messergebnissen an den Nutzer vorgesehen. Eine Anweisung könnte den Probanden auffordern, eine forcierte Exspiration in Richtung der Tragstruktur 6, 7 auszuführen, was die eigentliche Atemprobennahme ermöglicht.
Das System umfasst typischerweise auch einen Temperatursensor 18, der die in der Messzelle vorherrschende Temperatur misst. Bevorzugt weist er eine kleine thermische Masse auf, um die Ansprechzeit zu minimieren, und kann von Widerstandsausführung oder ein Thermoelement sein. Er ist mit der elektronischen Einrichtung 12 verbunden, die für eine adäquate Formatierung des Signals sorgt. Der Sensor 18 kann auch eine Selbsterwärmungsfähigkeit aufweisen, was das Ausführen von Messungen der Luftströmungsgeschwindigkeit mit Hilfe des Prinzips von Hitzdraht-Anemometrie ermöglicht. Die Messung von Luftströmungsgeschwindigkeit kann zum Ausgleich unerwünschter Strömungsabhängigkeit der Quelle 3 dienen. Ein solcher Ausgleich kann einen negativen Regelkreis oder eine offene Lösung umfassen, bei der ein Ausgleich in dem Rechenalgorithmus vorgesehen wird.
Das System ist bevorzugt auf Redundanz ausgelegt, d.h. die kritischen Variablen werden durch mehr als einen einzelnen Schritt ermittelt, wodurch das Fehlerrisiko minimiert wird. Eine große Fehlerquelle hängt zum Beispiel mit der Strahlungsquelle und ihrer möglichen Variabilität im Hinblick auf Ausgabestärke und spektraler Verteilung zusammen. Mit Hilfe eines oder mehrerer zusätzlicher Detektoren, die auf spezifische Wellenlängen abgestimmt sind, ist es möglich, eine solche Variabilität zu detektieren, sobald sie auftritt, und ein Warnsignal abzugeben. In entsprechender Weise ist es möglich, sich vor jeder anderen Fehlerart abzusichern, die entweder versehentlich oder durch bewusste Manipulation eintreten kann.
Aus 1 und der vorstehenden Funktionsbeschreibung sollte geschlossen werden, dass das erfindungsgemäße System unter Verwendung nicht kritischer Montageverfahren aus einer beschränkten Anzahl an Elementen gebaut wird. Die verwendeten Materialien sind entweder nicht teuer oder werden in so kleiner Menge verwendet, dass die Materialkosten klein werden.
2 zeigt ein Diagramm der typischen Leistung verschiedener Bestandteile des Systems bezüglich Infrarot-Wellenlängenbereichen. Die Kurve 20 entspricht der Strahlungsdichte einer typischen Schwarzkörperquelle, die bei einer Temperatur von etwa 600°C arbeitet. Eine Quelle dieser Art arbeitet somit über einem relativ großen Bereich als Breitbandquelle. Das Verwenden mehrerer Quellen, die bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten, erlaubt eine weitere Ausweitung dieses Bereichs.
Die Kurve 21 entspricht der Strahlungsdichte von poliertem Gold als Funktion von Wellenlänge, wobei sie einen Reflexionskoeffizienten von etwa 0,99 aufweist. Der entsprechende Wert für Aluminium beträgt 0,98. Es folgt, dass ein Reflexionskoeffizient in der Größenordnung von 0,95 oder höher mit beiden Materialien machbar ist. Somit sind fünf oder sogar mehr Reflexionen ohne erheblichen Verlust an Signalgröße realistisch.
Die Kurven 22, 23 und 24 entsprechen der Transmission typischer Interferenzfilter, die auf die Absorptionsspitzen von Alkohol, CO₂ bzw. Wasser bei 3,4 und 4,26 und 2,8 μm abgestimmt sind. Typische Breiten der Transmissionsspitzen sind 50–200 nm. Nach dem aktuellen Stand der Technik können Interferenzfilter sehr genau und mit sehr hoher Reproduzierbarkeit ausgelegt werden. Dies wird durch Anpassen der Anzahl an Schichten eines Interferenzfilters und der Toleranz ihrer Dicken verwirklicht. Die Kreuzempfindlichkeit zwischen verschiedenen Substanzen ist stark von den tatsächlichen Auslegungsparametern dieser Filter abhängig. Sie kann auch durch Hinzufügen von Materialien, z.B. einem Substratmaterial für die Interferenzfilter, mit scharfen Absorptionskanten, wie sie in Kurve 25 dargestellt sind, beeinflusst werden. Ein Hochpassfilter mit einer scharten Kante kann aus einem Halbleiter mit gut festgelegter Energiebandlücke bestehen. Die Tiefpasskante kann von quantisierten Molekülschwingungen abhängen.
3 zeigt schematisch die zeitlichen Veränderungen einer Reihe von Objekten in Verbindung mit einer Atemprobe eines Probanden, die bei großer Nähe genommen wurde. Die Variablen sind: a) Strömungsgeschwindigkeit b) Temperatur c) relative Feuchtigkeit d) CO₂-Konzentration und e) das erwartete Ergebnis einer im Blut des Probanden vorhandenen Substanz X.
Die Strömungsgeschwindigkeit (3a) hat bei Fehlen eines aktiven Pumpmechanismus einen Hintergrundwert von nahe null. Bei der Zeit = 1 Sekunde gibt der Proband eine forcierte Exspiration von etwa 1,5 Sekunden Dauer ab. Die Luftgeschwindigkeit steigt prompt auf mehr als einen oder mehrere m/s, dann fällt sie. Eine entspannte Exspiration wäre von etwas kürzerer Dauer und kleinerer Größenordnung. Jeder einzelne Atem wird bei einer Messentfernung von 10–50 cm leicht unterschieden, da die eingeatmete Luftströmung die Aufzeichnung nicht beeinflusst. Die Größenordnung des Signals fällt mit dem Abstand und hängt auch von der Größe der „Öffnung" ab.
Gleichzeitig mit dem Einsetzen der Strömungsgeschwindigkeit steigt die Temperatur von einem Hintergrundwert (Raumtemperatur 23°C in 3b) auf einen Wert näher der Körpertemperatur. Sie erreicht aber aufgrund der Verdünnung der Probe die Körpertemperatur nicht. Weiterhin wird erwartet, dass der Abwärtshub der Temperaturaufzeichnung weniger ausgeprägt als die Geschwindigkeitsaufzeichnung ist, wenn kein aktiver Mechanismus für Lufttransport vorhanden ist.
In ähnlicher Weise steigt die relative Feuchtigkeit (RF) von einem Umgebungswert (35% in 3c) auf einen Wert, der ebenfalls von der Verdünnung abhängt. Die Schleimhäute der Atemwege sind normalerweise wirksame Befeuchter, was zu nahezu 100% RH unverdünnter ausgeatmeter Luft führt. Es wird erwartet, dass die Zeiten der Temperatur- und Feuchtigkeitsaufzeichnungen nahezu gleich sind.
Die CO₂-Kurve beginnt abhängig von der Umgebungslüftung bei einem Hintergrundwert von nahezu null bzw. 0,04–0,1%, wobei 1.000 ppm (0,1%) als hygienischer Höchstwert akzeptiert wird. Alveolare Luft hat bei einem normalen Probanden im Ruhezustand einen bemerkenswert konstanten Wert von 5,3% und weist mit Aktivitätswert, Alter, Geschlecht etc. eine mäßige Schwankung auf. Das Messen der absoluten CO₂-Konzentration, d.h. des in 3d) beobachteten Plateauwerts, der Probe ist somit ein bevorzugtes Verfahren zum Bestimmen der Verdünnung. Der Beginn der CO₂-Kurve ist verglichen mit anderen Kurven aufgrund der Wirkung, dass die oberen Atemwege einen respiratorischen Totraum von in etwa 150 ml oder 30% des normalen Tidalvolumens (des Volumens eines entspannten Atems) eines erwachsenden Probanden im Ruhezustand darstellen, etwas verzögert.
In 3e) wird das eine Substanz X vertretende Signal gezeigt. Diese Aufzeichnung hat die gleichen Zeiten der CO₂-Aufzeichnung, da beide alveolaren Ursprungs sind. Damit eine Atemprobe alveolare Luft darstellt, müssen die CO₂- und Probenwellenformen ein klares Plateau aufweisen. Ein oberflächlicher oder unvollständiger Atemzug ist nicht repräsentativ für alveolare Konzentrationen oder Blutkonzentrationen.
Aus der Beschreibung bezüglich 3 sollte klar sein, dass es eine Reihe von Grundvoraussetzungen für die Bestimmung eines Atems eines Probanden gibt. Diese Kriterien können verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Bedingungen für die Bestimmung adäquat sind. Sie können auch Mittel zum Vermeiden von Manipulation sein.
Aus der Beschreibung bezüglich 3 ist auch offensichtlich, dass die dynamischen Eigenschaften des Detektions- und Analyseprozesses zentral für die vorliegende Erfindung sind Die Anforderung an die Zeitauflösung des gesamten Prozesses wird wie vorstehend erwähnt hauptsächlich durch die Geschwindigkeit der menschlichen Wahrnehmung bestimmt. Die Anforderung an die Detektion allein wird hauptsächlich durch die Kinetik der Atmung bestimmt. Wie in 3 dargestellt ist eine Zeitauflösung von Sekundenbruchteilen erforderlich.
Es sollte sowohl aus der allgemeinen als auch aus der eingehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung offensichtlich sein, dass das Verfahren und System eher für die Echtzeitüberwachung als für die Analyse einzelner Atemproben brauchbar sind. Die Erfindung ermöglicht ein atemweises Überwachen und dadurch die Möglichkeit, eine Reihe von physiologischen Prozessen eingehend zu untersuchen. Sie kann z.B. zum Untersuchen der zeitlichen Veränderungen bestimmter Substanzkonzentrationen, darunter Alkohol, von Interesse sein.
Wie bereits vorstehend erwähnt können das erfindungsgemäße Verfahren und System bevorzugt so eingesetzt werden, dass die verarbeiteten Ausgangssignale eine Sperr-/Entsperrbedingung für das Starten oder Fahrens eines Fahrzeugs oder anderer Maschinen bestimmen.
Das erfindungsgemäße System und Verfahren werden durch die nachstehenden Ansprüche dargelegt und sind keineswegs auf die vorstehend beschriebene Ausführung beschränkt.
Bei Verwendung in dieser Beschreibung und den Ansprüchen bedeuten die Begriffe „umfassen" und „umfassend" sowie Abänderungen derselben, dass die genannten Merkmale, Schritte oder ganzen Zahlen enthalten sind. Die Begriffe sind nicht so auszulegen, dass sie das Vorhandensein anderer Merkmale, Schritte oder Bestandteile ausschließen.
Die in der vorstehenden Beschreibung offenbarten Merkmale und die folgenden Ansprüche und Begleitzeichnungen, die in ihren spezifischen Formen oder bezüglich eines Mittels zum Ausführen der offenbarten Funktion ausgedrückt werden, sowie ein Verfahren oder Prozess zum Erreichen des offenbarten Ergebnisses können nach Bedarf separat oder in beliebiger Kombination dieser Merkmale zum Verwirklichen der Erfindung in diversen Formen derselben genutzt werden.

Claims

System für die Detektion und Analyse mindestens einer flüchtigen Substanz in Atemproben eines Probanden, gekennzeichnet durch: – mindestens eine Quelle von Infrarotstrahlung, die an den Wellenlängenbereich spezifischer Absorptionsspitzen der Substanzen angepasst ist – mehrere reflektierende Oberflächen der Strahlung, die ausgelegt sind für Kollimation auf – mindestens einen Detektor, der mehrere elektrische Ausgangssignale entsprechend der Transmission der Strahlung innerhalb von Wellenlängenintervallen, die den Absorptionsspitzen entsprechen, vorsieht – mindestens eine Messzelle mit einer mechanischen Tragstruktur, die die Position der Quelle, der reflektierenden Oberflächen und des Detektors festlegt und die zur Aufnahme und Beseitigung der Atemprobe ausgelegt ist, und deren Beaufschlagen mit Strahlung – mindestens eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung mit der Fähigkeit, die Signale bezüglich vorprogrammierter Informationen, die Infrarotabsorptionsspektren der Substanzen betreffen, zu analysieren – wobei das Ansprechen des Systems angezeigt oder anderweitig mitgeteilt und als im Wesentlichen unmittelbar wahrgenommen wird und – wobei die Probe im Freien in großer Nähe zu dem Probanden genommen wird.
System nach Anspruch 1 für die Detektion und Analyse mehrerer flüchtiger Substanzen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ansprechen und Erholung des Systems hauptsächlich durch die Laufzeit der Atemprobe durch die Messzelle bestimmt werden.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ansprech- und Erholungszeit des Systems unter zehn Sekunden liegen.
System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens ein auswechselbares Mundstück, das zur leckfreien Verbindung zwischen der Messzelle und dem Mund des Probanden ausgelegt ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle Einlass- und Auslassöffnungen ausreichenden Querschnitts aufweist, um eine im Wesentlichen laminare Luftströmung in der Messzelle aufrechtzuerhalten, wobei Bereiche stagnierender Strömung in der Messzelle weniger als 10% des Transmissionswegs der Strahlung ausmachen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle einen rohrförmigen Aufbau aufweist.
System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel für den aktiven Transport der Atemprobe mittels einer Pumpe oder eines Gebläses durch die Messzelle.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle ein Hitzdraht ist, der im Wesentlichen einen schwarzen Strahler bildet, der für einen beträchtlich kürzeren Modulationszeitraum als die visuelle Reaktionszeit normaler Probanden ausgelegt ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Weglänge der Strahlung beträchtlich länger als die physikalischen Abmessungen der Messzelle ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Oberflächen mindestens teilweise konkav sind, wobei sie einen Reflexionskoeffizienten gegenüber der Strahlung von über 0,99 aufweisen, wobei jede Oberfläche an einem Punkt mit der Mitte des Radius der Krümmung einer gegenüberliegenden Oberfläche zusammenfällt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung zumindest teilweise kollimiert ist und einer Anzahl von Reflexionen unterzogen wird, wobei die Anzahl fünf übersteigt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein dispersives oder absorptives Element mindestens einen Interferenzfilter oder ein hochauflösendes Beugungsgitter mit festen oder elektronisch steuerbaren Eigenschaften umfasst.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ein Thermosäulen- oder pyroelektrisches Element ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Signalverarbeitungseinrichtung mindestens eine Speichereinrichtung für die temporäre und permanente Informationsspeicherung und mindestens eine Vorrichtung für das Ausführen einer vorprogrammierten Folge von logischen und arithmetischen Schritten umfasst.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Substanzen Kohlendioxid ist, wodurch die Messung seiner Konzentration in großer Nähe zum Probanden kombiniert mit einem Schätzwert von alveolarer Kohlendioxidkonzentration verwendet wird, um den Grad der Verdünnung der Atemprobe zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Substanzen Ethylalkohol oder ein anderes Mittel ist, dass das Verhalten des Probanden beeinflusst.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Indikator- oder Anzeigemittel auf den Probanden gerichtet sind, um einen Anweisung zu geben, eine Atemprobe durch hin zur Messzelle gerichtete forcierte Exspiration vorzusehen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur zwischen einem aktiven Betriebszustand, in dem Öffnungen zum Aufnehmen und Beseitigen der Atemprobe vorgesehen sind, und einem passiven Zustand, in dem die Quelle, die reflektierende Oberfläche, das dispersive Element und der Detektor vor Umgebungseinwirkung geschützt sind, wandelbar ist.
System nach Anspruch 1 und 19, gekennzeichnet durch elektromechanische Mittel zum Wechseln zwischen den Zuständen.
System nach Anspruch 1 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel zwischen den Zuständen teilweise oder vollständig automatisch ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse im Wesentlichen alle Elemente aufnimmt, wodurch eine geschlossene und physikalische einstückige Einrichtung gebildet wird, die z.B. als tragbare Einrichtung oder für feststehenden Einbau in z.B. ein Fahrzeug ausgelegt ist.
System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch minimale Kreuzempfindlichkeiten zwischen den Bestimmungen der Substanzen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur zur Anbringung mindestens eines Mundstücks ausgelegt ist, durch welches eine unverdünnte Atemprobe genommen werden kann.
System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anzeige, ob die Substanzen aus den oberen oder unteren Atemwegen stammen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur aus einer kleinen Anzahl von durch Spritzgießen hergestellten Teilen zusammengebaut ist.
System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen Sensor 18 zum Ausführen von Messungen von Temperatur oder Luftströmungsgeschwindigkeit in der Messzelle.
System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Ausgleich unterwünschter wechselseitiger Abhängigkeiten mittels eines negativen Regelkreises oder mittels Aufnahme in einen Rechenalgorithmus.
System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Echtzeitüberwachung der Ausgangssignale, einschließlich einer atemweisen Analyse von Substanzkonzentrationen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale nach dem Verarbeiten einen Sperr-/Entsperrzustand zum Starten oder Fahren eines Fahrzeugs oder anderer Maschinen bestimmen.
Verfahren für die Detektion und Analyse mindestens einer flüchtigen Substanz in Atemproben eines Probanden, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Positionieren einer Messzelle in der exspiratorischen Luftströmung eines Probanden, was die Aufnahme und Beseitigung der Atemprobe ermöglicht – Beaufschlagen der Atemprobe in der Messzelle mit Infrarotstrahlung von mindestens einer Quelle in mindestens einem Wellenlängenbereich spezifischer Absorptionsspitzen der Substanzen – Detektieren der Strahlung nach Durchlaufen der Atemprobe und dadurch das Vorsehen mehrerer Ausgangssignale, die der Transmission der Strahlung in den den Absorptionsspitzen entsprechenden Wellenlängenintervallen entsprechen – wobei der Durchlauf durch die Probe durch mehrere reflektierende Oberflächen verlängert wird – Analyse der Signale bezüglich vorprogrammierter Informationen, die die Infrarotabsorptionskoeffizienten der Substanzen betreffen – wobei das Ansprechen auf die Detektion und Analyse angezeigt oder anderweitig mitgeteilt und im Wesentlichen als unmittelbar wahrgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 31 für die Detektion und Analyse mehrerer flüchtiger Substanzen.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass Ansprechen und Erholung durch die Laufzeit der Atemprobe durch die Messzelle bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass Ansprech- und Erholungszeit auf die Detektion und Analyse unter zehn Sekunden liegen.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse zeitliche Veränderungen der Ausgangssignale umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch Anweisen des Probanden, eine forcierte Exspiration hin zur Messzelle auszuführen.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömen der Atemprobe durch das Messvolumen im Wesentlichen laminar ist, wobei es durch die Messzelle mit einem rohrförmigen Aufbau mit Einlass- und Auslassöffnungen ausreichenden Querschnitts erreicht wird, wobei Bereiche stagnierender Strömung in der Messzelle weniger als 10% des Transmissionswegs der Strahlung ausmachen.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Atemprobe im Freien in großer Nähe zum Probanden genommen und beseitigt wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur dafür ausgelegt ist, ein Positionieren in dem exspiratorischen Luftstrom in großer Nähe zum Probanden zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch den unterstützten aktiven Transport der Atemprobe mittels einer Pumpe oder eines Gebläses durch die Messzelle.
Verfahren nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch die Modulation der Quelle, die für einen beträchtlich kürzeren Modulationszeitraum als die visuelle Reaktionszeit eines typischen Probanden ausgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Weglänge der Strahlung beträchtlich größer als die physikalischen Abmessungen der Tragstruktur ist.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass reflektierende Oberflächen der Strahlung mindestens teilweise konkav sind und einen Reflexionskoeffizienten gegenüber der Strahlung von über 0,95 aufweisen, wobei jede Oberfläche an einem Punkt mit der Mitte des Radius der Krümmung einer gegenüberliegenden Oberfläche zusammenfällt.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung zumindest teilweise kollimiert ist und einer Anzahl von Reflexionen unterzogen wird, wobei die Anzahl fünf übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion oder Absorption der Strahlung durch mindestens einen Interferenzfilter oder ein hoch auflösendes Beugungsgitter mit festen oder elektronisch steuerbaren Eigenschaften durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion mittels mindestens eines Thermosäulen- oder pyroelektrischen Elements durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle einen rohrförmigen Aufbau aufweist und Einlass- und Auslassöffnungen für die Aufnahme und Beseitigung der Atemprobe umfasst, wobei die Öffnungen hinreichende Querschnitte aufweisen, um im Wesentlichen laminare Strömung aufrechtzuerhalten, wobei Bereiche stagnierender Strömung in der Messzelle weniger als 10% des Transmissionswegs der Strahlung ausmachen.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalanalyse durch mindestens eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung mit mindestens einer Speichereinrichtung für die temporäre und permanente Informationsspeicherung und mindestens eine Vorrichtung für das Ausführen einer vorprogrammierten Folge von logischen und arithmetischen Schritten durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Substanzen Kohlendioxid ist, wodurch die Messung seiner Konzentration in großer Nähe zum Probanden zusammen mit einem Schätzwert von alveolarer Kohlendioxidkonzentration verwendet wird, um den Grad der Verdünnung der Atemprobe zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Substanzen Ethylalkohol oder ein anderes Mittel ist, dass mit der Gesundheit oder dem Verhalten des Probanden in Verbindung steht.
Verfahren nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch die hin zum Probanden gerichteten Anzeige zum Vorsehen der Atemprobe durch hin zur Tragstruktur gerichtete forcierte Exspiration.
Verfahren nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch einen Wechsel der Tragstruktur zwischen einem aktiven Betriebszustand, in dem mindestens eine Öffnung zum Aufnehmen der Atemprobe vorgesehen ist, und einem passiven Zustand, in dem die Quelle, die reflektierenden Oberflächen, das dispersive Element und der Detektor vor Umgebungseinwirkung geschützt sind.
Verfahren nach Anspruch 31 und 49, gekennzeichnet durch elektromechanische Mittel zum mindestens teilweise automatischen Wechseln zwischen den Zuständen.
Verfahren nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch minimale Kreuzempfindlichkeiten zwischen den Bestimmungen der Substanzen.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur zur Anbringung mindestens eines Mundstücks ausgelegt ist, durch welches eine unverdünnte Atemprobe genommen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch die Anzeige, ob die Substanzen aus den oberen oder unteren Atemwegen stammen.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Substanzen redundante Schritte umfasst, wodurch das Vorsehen der Fähigkeit zu Selbsttesten bezüglich häufiger versehentlicher oder vorsätzlicher Fehler vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch den Ausgleich unterwünschter wechselseitiger Abhängigkeiten mittels eines negativen Regelkreises oder mittels Aufnahme in einen Rechenalgorithmus.
System nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch Echtzeitüberwachung der Ausgangssignale, einschließlich einer atemweisen Analyse von Substanzkonzentrationen.
System nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale nach dem Verarbeiten einen Sperr-/Entsperrzustand zum Starten oder Fahren eines Fahrzeugs oder anderer Maschinen bestimmen.