DE2511771A1

DE2511771A1 - Beschreibung einer anordnung zum bestimmen des blutalkoholgehaltes ueber die messung der alkoholkonzentration in alveolarer atemluft

Info

Publication number: DE2511771A1
Application number: DE19752511771
Authority: DE
Inventors: Werner Prof Dr Ing Adrian
Original assignee: BORKENSTEIN ROBERT F PROF
Current assignee: BORKENSTEIN ROBERT F PROF
Priority date: 1975-03-18
Filing date: 1975-03-18
Publication date: 1976-09-23
Also published as: FR2304922A1; DE2511771B2; JPS51120274A; JPS6046377B2; FR2304922B1; USRE31246E; US4057724A; DE2511771C3; GB1546655A

Description

Beschreibung einer Anordnung zum Bestimmen des Blutalkoholgehaltes über die Messung der Alkoholkonzentration in alveolarer Atemluft.

Die Erfindung beinhaltet eine Anordnung zur Messung der Konzentration von gasförmigem Aethylalkohol in alveolarer Atemluft. Nach dem Gesetz von Henry besteht eine Relation>izwischen Blut-und Atemalkoholgehalt. Ein Promille Blutalkoholkonzentration entspricht 1 mg Aethylatkohol pro cm3 Blut und führt zu einem Alkoholgehalt von 1 mg in 2100 cm3 ausgeatmeter Luft.

Vorrichtungen zur Messung der Absorption von Gasen im Infrarotbereich sind bekannt. Gase, die besonders CHp und" ChV-Anteile im Molekül haben, zeigen bekanntlich starke Absorptionsbande im Infraroten. Es sind Vorrichtungen bekannt, bei denen infrarote Strahlung eine Meßkammer durchstrahlt und am Ende dieses Weges auf einen Empfänger auftrifft. In die Meßkammer wird nun einmal ein Referenz- · . gas gegeben, das bei dieser Wellenlänge nicht absorbjefiert, und danach das zu messende Gas, das durch Absorption der Strahlung die am Empfänger auftretende Intensität vermindert. Die Differenz der Intensitäten ist ein Maß für die Absorption. Es ist auch ein Zweistrahlprinzip bekannt, bei dem die von einer Lichtquelle ausgehende Infrarotstrahlung durch 2 Meßkammern mit Rjfeferenz-und zu messendem Gas geleitet wird und auf eine« oder zwei Empfängern auftrifft? In diesem Zusammenhang wird auch das Nullprinzip bereits angewandt, wonach in dem Referenzstrahlengang ein Schwächungsglied so angeordnet wird, daß die Intensität in diesem Strahlengang so vermindert wird, daß sie der Intensität auf dem Empfänger im Meßstrahlengang entspricht, indem das absorbierende Gas sich befindet. Die Infrarotstrahlung wird bei Infrarot-Spektometern allgemein entweder durch Kombination eines breitbandigen thermischen Strahlers mit einem schmal-

bandigen Interferenzfilter oder durch Laser entsprechende U
der Wellenlänge erfolgt. In solchen Anordnungen sind auch

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die Verwendung dfcr in Optik und Photometrie üblichen Schwächend 4' '^e- f entweder in Form einer Blende oder durch Graukeile bekannt. (6^^ >MiV**6, ^T-A\ A OSH. 4V>)

Leitet man mit Alkohol angereicherte Luft in eine Meßkammer, die von einer Infrarot-Strahlung der Absorptionswellenlänge von CH, oder CHp Valenzbande durchstrahlt wird, so vermindert sich deren Intensität. Die Absorption in dem Gas wird durch das Lambert-Beer'sche Gesetz beschrieben

- m. c · (X

mit ψ₀ dem .eintretenden und tp_& dem austretenden Strahlstrom, m ist eine Materialkonstante

d die Länge des Mediums, das durchstrahlt wird (Pfadlänge) und c die gefragte Konzentration des Gases.

Bei. den bekannten Anordnungen nach dem Zweistrahlprinzip und der Messung der Absorption über die auftretende Differenz der Intensitäten am Empfänger kann man die Konzentration des Gases nur über eine Delogerithmierung der beiden Intensitäten gemäß der Lambert-Beer*sehen Gleichung bekommen.

Zum zweiten ist eine extrem strenge Linearität der Empfänger Voraussetzung, um das Meßergebnis nicht zu verfälschen. Dazu kommt die starke Abhängigkeit der von Infrarot-Detektoren von der Umgebungstemperatur. Beim Verwenden von nur einer Meßkammer ist neben der konstant bleibenden Linearität des Empfängers die Bedingung streng einzuhalten, daß die Intensität der Strahlung bei Füllung der Meßkammer mit dem Referenzgas die gleiche ist wie bei der sich anschliiessenden Füllung mit dem zu messenden Gas. Um die Gaskonzentration zu messen, muß außerdem das vom Empfänger abgegebene Signal delogerithmiert werden, was mit elektronischen Mitteln nur mit begrenzter Genauigkeit ausgeführt werden kann.

Die beschriebenen Nachteile der bisher bekannten Verfahren werden durch das in dieser Erfindung beschriebene angewandte Prinzip umgangen. Eine mit dem zu messenden Gas (al- " veolare Atemluft) gefüllte Meßkammer wird von *4»er breitbandigen Strahlung eines Temperaturstrahlers durchsetzt. Um geringe Konzentrationen nachweisen zu können,muß die

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WegKnge im Gas groß sein, was durchyaus der dlptik bekannte Faltung des Strahlenganges erzielt wird. Am Anfang oder

je Ende des Strahlenganges befindet sich eine Flügjgöblende., die die Strahlung mit einer bestimmten Frequenz zerhackt. Am Ausgang der Meßkammer befindet sich eine Vorrichtung zur Aufnahme verschiedener sehr schmalbandiger Interferenz-' filter, die aus der Strahlung einen schmalbandigen Wellenlängenbereich der Absorptionsbande des CHp-Molekülanteils ausfiltert. Die an der Vorderfläche des Filters reflektier-

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te Strahlung ist auf einen Empfänger für sichtbares Licht und nahes Infrarot, das von den Alkoholmolekülen im Gas nicht geschwächt wird. Die ausgefilterte Infrarotstrahlung auf einen Infrarot-Detektor. Die Signale dieses Detektors, sowie die des ersten Empfängers werden auf gleichartige ftesonanzverstärk^en- geleitet, von denen der Verstärker für das erste Signal in seiner Verstärkung variabel ist. Die Ausgänge der beiden Verstärkerkanäle gehen über ein Phasenschieberglied zu einem Differentialverstärker.

Vor dem Infrarot-Detektor, auf den die Infrarot-Strahlung mit 3»A^ jU m auffällt, ist ein diese Strahlung geringfügig absorbierendes Medium (Quarz, Herasil) angeordnet, das durch seine Dicke pt die Absorption dieser Strahlung verändern kann. Diese Absorption gehorcht ebenfalls dem Lambert Beer'sehen Gesetz. In diesem Fall sind jedoch die Exponenten m und c konstant. Nun wird d variabel gemacht, sodaß d des Quarzmediums proportional c der zu messenden Konzentration des Gases wird. Damit wird die Gleichung delogarithmiert und es besteht eine Beziehung zwischen d des absorbierenden Gftsmediums und c der zu messenden Atemalkoholkonzentration.

Das Quarzmedium wird nun in Form zweier keilförmiger Teile ausgebildet, die durch gegeneinander Verschieben eine Platte veränderlichen Dicke ergeben, wie sie aus der Interferometrie zur Änderung von Gangunterschieden benutzt wird. Da die Dicke der Verschiebung s proportional ist, besteht also auch eine lineare Beziehung zwischen s und der Konzentration des Atemalkohols c. Die Weglänge s wird nun als direktes Maß für die Konzentration benutzt. Me» Stelle von 2 gegeneinander verschiebbaren keilförmigen Flächen zur Variation der Dicke d kann auch ein einzelner Ifeil bei ent-

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sprechender Berücksichtigung der Strahlenbrechung benutzt werden. Durch Verschieben dieses Keils wird die Dicke d ebenfalls variiert.

Bei reiner Luft in der Meßkammer wird das absorbierende Medium vor dem Infrarotempfänger so angeordnet, daß eine mittlere Dicke des Materials durchstrahlt wird und somit eine Vorschwächung darin stattfindet. Die Verstärkung des Kanals für das Signal der breitbandigen von der Vorderfläche des Interferenzfilters reflektierten Lichtes wird nun so eingestellt, daß die Signale in den beiden Verstärkerzweigen gleich sind und die Differenz zu 0 wird. Leitet man nun Alkohol enthaltende Atemluft in die Meßkammer ein, so wird die Intensität der aus dem gesamten Bereich ausgefilterten Infrarot-Strahlung durch Absorption an den Alkoholmolekülen vermindert, was zu einer Differenz der beiden Signalamplituden führt. Die auftretende e hinHei^Tdem Differentialverstärker , wird nun, wie in der Regelungstechnik seit langem üblich, als Signal zur Steuerung eines S^vo-Motors benutzt, der die Dicke des absorbierenden Mediums ««» über Verschiebung so lange verstellt, bis die Differenz wieder 0 ist. Das Prinzip besteht nun darin,die in der Meßkammer. auftretende Absorption durch gegenläufige Absorptionsverminderung, in dem Quarzmedium vor dem Empfänger aufzuheben. Das hat zweierlei Vorteile:

1. Die Verschiebungen des Quarzmediums, das sich beliebig

genau in der Dicke schleifen läßt, sind direkt proportional der Konzentration c. Diese Verschiebung kann über ein Potentiometer in ein elektrisches Signal umgesetzt und angezeigt werden.

2. Dadurch, daß im Infrarot-Meßzweig die eintretende Intensitätsverminderung durch Schwächung des absorbierenden Mediums wieder aufgehoben wird, bleibt die Intensität am Empfänger immer dieselbe. Dadurch wird die Messung unabhängig von dem Linearitätsverhalten der Empfänger, Auch Temperatureinflüsse spielen hier keine Rolle. Lediglich während der Messung muß die Umgebungstemperatur konstant bleiben. Es tritt also keine Arbeitspunkt-Veränderung in den beiden Meßzweigen auf.

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(Dies iir-t der iJntärschied zu dem tent,deg 2 Meßkammern in Verbindung mit einem Laser benutzt und ein Schwächungsmedium in den Referenzzweig gibt. Dabei ergibt sich die Verschiebung des Arbeitspunktes. Dies ist auch bei Perkin-Elmer der Fall.)

Bei Diabetikern und Personen, diejextrem gefastet haben, können im Blut Acetone auftreten, die wie der Alkohol in den Atem gelangen. Aceton hat jedoch ebenfalls eine ChV-Bande, A_-1 =3,376 und A^bei 3,482 Mw.. Alkohol aber zeigt CK^ und CH₂ Banden, letztere bei A„=2,417 und A^bei 3,5O5f^-. Obwohl die Acetonkonzentrationen se gering sind, treten dadurch bei Verwenden nur einer Meßwellenlänge Verfälschungen des Ergebnisses auf. Man weiß also bei alkoholisierten Diabetikern dann nicht genau, welchen Anteil der Anzeige dem Alkohol und welchen den Acetonen in dem Atem entspricht. Für diesen Zweck wird auf einer Schiebevorrichtung ein Filterwechsel vorgenommen. Die Schwerpunktwellenlänge der sehr schmaleawandigen Filter sind so ausgewählt, daß sich ein Unterschied zwischen CH, und ClT₂ Absorptionsbanden ergibt. Durch diese Maßnahme kann ein Acetonanteil in der Atemluft* nachgewiesen werden.

Unter Bezug auf das In der Zeichnung dargestellte Blockschaltbild wird die Erfindung nun weiter beschrieben*

Die von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung tritt in die Meßkaamer ein. Xn dieser wird der Strahlengang durch Spiegel gefaltet. An der Kajwer befinden eich noch Stutzen tu* Einblasen und Absaugen der Atemluft nach der Messung. Aa Ausgang der Kavaer liegt der Unterbrecher. Dies ist ein Motor mit einem auf seine Welle aufgesetzten Drehflügel. Hinter de* Ausgang der Mefikaaaer liegen zwei in den Strahlengang einsohlebbare IR-ttlter, deren Durchlaßbereich der CH₂- bzw. CH^-Valenzbande abgestiovt 1st. Hinter dem IR-FiIter befindet sich der in dtm benuteten Strahlungsbereich "graue* Keil und danach der IR-Empfanger. An diesen 1st ein Resonanzverstärker angeschlossen. Io Lichtweg vor de« IR-FiI-ter befindet eioh ein Strahlungeteiler, der einen Teil der Strahlung au/ den Vergleicheeaipfanger leitet. In dem gezeigten Bei-

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spiel genügt bereite dae an der Vorderflache d** Jp-Filtere* reflektierte Licht. Über den VerslelciiHeupfanger wird⁶*das aurraiiende Licht in eine »>iaür>ge& elektrisches Signal umgewandelt und auf die zweite Resonanzverstärkeranordnung gegeben· Der R·βonanzverstärker dieser zweiten Anordnung ist regelbar. In der Anordnung liegt veiter noch ein Phasenschieber. Is Ausgang beider Verstärke rwe ge liegen Gleichrichter. Diese führen zum Eingang eines Differentialverstärkere. Dieser steuert richtungsabhängig einen Motor, der den im Lichtweg vor de« IR-Detektor liegenden Quarzkell steuert. Der Antrieb des Keiles ist Bit de» Schleifer eines Präzisl-eonspotentiometers verbunden. Dieses bildet einen BrUokenzweig. Eine Digitalanzeige ist über einen nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler an die Brückendlagonal· angeschlossen. Weiter

1st noch ein Drucker an die Difitalantelge angeschlossen. Am Eingang der «weiten Verstärkermaerdnung wird außerdem dl« Unterbreoherfrequenz abgeleitet, die als Regelgröße zur Konstanthaltung der Drehzahl des den Drehflügel antreibenden Motor« dient. Ein Phasenschieber la Wege der zweiten Verstärkeranordnung erlaubt den Phasen-Abgleich der beiden gleichen Frequenzen In den Ver- - etttrkerkanilen.

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Claims

Gegenüber anderen, bek&nr-ten Verfahren ist die beschriebene Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß

Nur eine Meßkammer benutzt wird, die aber von breitbandiger Strahlung von einem Temperaturstrahler gleichzeitig besetzt wird. Am Ende der Meßkammer wird aus diesem breiten Strahlungsband durch IR-Filter ein schmales Band bei J5,46it*^ausgefiltert und auf einen Empfänger gegeben, der Rest der^Strahlung aber auf einen zweiten. Es findet also, eine Aufteilung der Strahlung im Bereiche statt.

Ein Strahlungsbereich wird durch Alkohol nicht geschwächt. Ein zweiter wird geschwächt. Dadurch Referenz-u. Meßsignal erhältlich.
2. Dadurch, daß vor dem Empfänger für die Infrarot-Strahlung ein diese Strahlung geringfügig absorbierendes Medium (Quarz) angeordnet ist, das durch seine Dicke d die Absorption verändert.

Die auftretende dem Lambert-Beer'sehen Gesetz folgende Schwächung in der Meßkammer durch Verändern der Dicke des absorbierenden Mediums aufgehoben wird und dadurch eine linieare Beziehung für die Konzentrationföhne Umweg über elektrische und möglicherweise dadurch verfälschende Elemente gegeben ist.
3. Dadurch, daß durch dieses System, ^das das bekannte

Null-Prinzip benutzt ,-γ von Nichtli'neeunJökder Empfänger unabhängig wird.
4. Dadurch, daß durch Filterwechsel getrennte Absorptionsanteile von Aceton und Alkohol entstehen und somit das' Vorhandensein von Acetonen festgestellt werden kann.
5. Dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzkanal, der

aus dem reflektierten Anteil des Strahlungsbereiches gebildet wird, gleichzeitig noch als Regelgröße für die Konstanthaltung des CU obpe/ ■ Motors benutzt wird.

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