SE532488C2 - Andedräktsanalysator - Google Patents

Description

532 433 .L Det har nyligen visats, att samtidig mätning av koldioxid tillsammans med en annan substans av intresse i en persons närhet kan öppna en ny möjlighet tör fastställande av koncentrationen av denna substans i blodet. Det har visats att förhållandet mellan två externt uppmätta koncentrationer multiplicerat med koncentrationen av koldioxid i alveolerna ger en uppskattning av koncentrationen av denna substans i blodet. Förändringar av koldioxidkoncentrationen i alveolerria är begränsade och ganska forutsägbara och kan därför uppskattas med tillräcklig noggrannhet. Den nya tekniken kan eliminera behovet av ett munstycke törutom i de fall då det krävs en mycket hög mätnoggrannhet.

Det är vidare allmänt känt att många substanser i gasfonn ger karakteristiska absorptionsspektra i det inñaröda våglängdsonrrådet mellan ca l och 10 um. Faktum är att absorptionsspektroskopi är en huvudmetod för bestämning av sammansättningen hos ett okänt gasprov. Detta är tack vare de kvantmekaniska Övergångarna mellan olika energinivåer hos molekylära vibrationer. Koldioxid har till exempel en stark absorptionstopp vid ca 4.26 um, vilket motsvarar en asymmetrisk sträckning av vibrationen där kolatomen i rnitten vibrerar i motsatt riktning i förhållande till de två syreatomerna längs molekylens axel. Etanol uppvisar två tydliga toppar vid 3.4 och 9.4 um, som också motsvarar molekylära vibrationstillstånd.

Vatten, som en järnförelse, har två toppar vid 2.8 och 6.2 um. Bestämning av vatten motsvarar mätning av absolut fiiktighet. Relativ fuktighet kan beräknas om temperaturen är känd.

Samtidig mätning av fuktigheten i andningsprover kan vara av intresse, som kommer att visas meri detalj nedan.

Infraröd absorptionsspektroskopi kan innefatta mätning av transmission av infrarött ljus från en strålningskälla genom ett prov och en detektor. Vanligtvis passerar strålningen genom ett dispersionselement, varvid endast strålningen i ett bestämt våglängdsintervall når detektorn.

Ett diffraktionsgaller eller ett interferensfilter kan vara dispersionselement. Genom att ändra infallsvinkeln är det möjligt att variera våglängdsintervallet. I en skannande spektrometer skannas våglängdsíntervallet successivt, vilket gör att olika våglängdsintervall kan analyseras och ett flertal absorptionstoppar som motsvarar en eller flera substanser kan detekteras. När endast en substans visas är det vanligt att använda ett interferensñlter med egenskaper som passar absorptionstopparna hos den aktuella substansen. Kända interferensfilter med utmärkta egenskaper kan tillverkas till låga priser och integreras i infiaröda detektorer, exempelvis av typen thermopile detektorer. 532 438 f) I fotoakustisk spektroskopi används en pulserande strålningskälla med ett filter som passar vissa absorptionstoppar. När en absorberande substans finns närvarande kan värmepulser som är synkrona med strålníngspulser detekteras av en känslig mikrofon. Denna tillämpning är attraktiv för detektion av substanser i mycket låga koncentrationer eftersom bruskarakteristiken är fördelaktig. Å andra sida är denna tillämpning komplex och dyr, speciellt när ett flertal substanser är involverade.

Transmissionsmätriingar är fördelaktiga med tanke på tillförlitlighet. En transrnissions~ spektrometer kan ha självjusterande funktioner för alla känsliga element. Den kan till exempel följa utsignalen från den infraröda källan, och på så sätt kompensera för eventuella avvikelser som uppstår med tiden.

En teknologisk utmaning som inte har funnit sin lösning i moderna spektrometrar är kombinationen av hög upplösning och snabb respons. I ett idealfall ska systemet svara och återställas lika snabbt som mänsklig uppfattningsförrnåga, dvs. inom några sekunder. Krav på hög upplösning av svagt absorberande substanser innebär å andra sidan relativt långa sträckor av storleksordningen flera decimeter som strålningen måste vandra. Som det redan har nänmts motsäger dessa krav varandra.

Ytterligare svårigheter uppstår med tanke på rättsliga aspekter relaterade till tagning och analys av utandningsprover från individer. Kraven på tillförlitlighet och påvisbarhet av eventuella misstag är mycket höga. Möjliga försök att manipulera analysprocessen måste upptäckas för att lämpliga åtgärder ska kunna vidtas.

En svårighet som är relaterad till analys av utandningsprover och matning av CO; samtidigt är det faktum att COg-halten i ett utandningsprov vanligtvis är flera procent, medan halten av andra substanser är flera potenser lägre. Därför är det nödvändigt att minimera korskänsligheter, dvs. samberoende av olika bestämningar, och den stora skillnaden i koncentration utgör ett problem.

Det kan vara av intresse att utföra provtagning och analys utomhus vid extrema väderförhållanden. Modema spektrometrar används huvudsakligen i laboratoriemiljö. Syftet med föreliggande uppfinning är att minimera omgivningens inverkan och förbättra hållbarheten vid extrema väderförhållanden. 532 ÅEE *det Ett annat syfte med uppfinningen är att kunna tillverka systemet i stor skala och till mycket låga produktionskostnader. Systemet ska kunna användas som en handhållen, självständig enhet eller som en inbyggd enhet i till exempel fordon.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Föreliggande uppfimring vänder sig till de ovannämnda problemen och lämpar sig speciellt för analys av utandnirrgsprover tagna utomhus i omedelbar närhet av en person. Metoden och systemet enligt uppfinningen kan dock användas även för analys av outspädda utandningsprover tagna med hjälp av ett munstycke.

Andníngsdetektorn enligt uppfinningen innefattar: 0 åtminstone en källa for infraröd strålning anpassad till ett våglängdsområde lämpligt för absorptionstoppar av de substanser som ska analyseras; 0 reflekterande ytor; o ett element för våglängdsdispersion; 0 en detektor med utsignaler motsvarande strålningen inom specifika våglängdsintervall; v en processor lör elektroniska signaler med kapacitet att analysera signaler relativt fórprogrammerad information avseende infiaröda absorptionsspektra; v en stödstruktur anordnad för omedelbar exponering av provet för strålningen.

Stödstrukturen definierar en mätcell i vilken infraröd strålning transmitteras och vilken tillåter samlandet och avlägsnandet av utandningsprover med minimal överfiiringstid. Denna överfóringstid bestämmer respons- och återställningstid för systemet. Den första tiden bestäms av detektions- och analysprocesserna, medan den senare hänger samman med tiden det tar att tömma mätcellen på andningsprovet. Endast när båda dessa processer är avslutade kommer systemet att vara redo att mottaga nästa prov. Att systemet är redo hänger vanligtvis samman med stabila insignaler, och kan meddelas användaren eller individen genom en uppmaning att avlämna ett utandningsprov.

Mätcellen är anpassad för placering i utandningsluften i omedelbar närhet av en individ.

Enligt uppfinningen är systemets respons inklusive detektion och analys av substanser att uppfattas vara nästan omedelbar, dvs. några få sekunder. Mätcellen har vanligtvis en 532 488 fa rörformig struktur med in- och utloppsöppningar som är tillräckligt stora för att inte hindra gasgenomflödet. Eventuella områden med stillastående flöde bör inte uppta mer än 10% av strålningens vandringssträcka. Systemet kan också innehålla medel för aktiv transport av utandníngsprovet från ett område nära en person till stödstrukturen.

Den tid som det tar for utandningsprovet att gå genom mätcellen bestämmer systemets respons- och återställningstid t". Ett uttryck för dess beräkning beskrivs av: r" = (l) där L är mätcellens fysiska längd, v är utandníngsluftens hastighet och K är kvoten mellan hastighetema för den inre och den yttre flödeshastigheten. I idealfallet med ett rör med tunna väggar kommer K att vara nära 1. I ett realistiskt utförande kan man nå K=0.1-0.2. Om man sätter in L=10O mm och v=1 m/s fås tn=0.5-1 s. Kravet pä att systemets respons~ och återställningstid ska närma sig den mänskliga reaktionsförrnågan anses därmed att vara realistiskt.

En annan faktor som kan påverka systemets responstid är strålningskällans moduleringsperiodicitet. Moduleringsperioder som är betydligt kortare än den mänskliga reaktionsförrnâgan kan dock användas även i de fall då en uppvärmd glödtråd används.

Relationen mellan den ingående och den utgående strålningens intensitet i mätcellen, Ii och 10, ges av: Ia =I,.-exp(-C-a¿ -l) (2) där l är den sträcka som strålningen vandrar, C är koncentrationen och a; är substansens absorptionskoefficient vid våglängden k. Genom att mäta Ii och Io och använda kända värden för a; och 1 kan substansens koncentration C i provet beräknas. Tillförlitligheten av en sådan beräkning kan förbättras avsevärt vid parallellbestämning av flera substanser, där vissa kan vara helt eller delvis kända både med avseende på identitet och koncentration.

Utandningsprov innehåller alltid vattenånga och koldioxid, vilket således gör dem till lämpliga referenssubstanser. 532 488 i; Strålningens vandringssträcka l bör företrädesvis vara avsevärt längre än mätcellens fysiska dimensioner. Detta uppnås genom anordnandet av reflekterande ytor eller speglar. De reflekterande ytorna ska med fördel vara åtminstone delvis konkava med en reflektionskoefficient (som definieras som förhållandet mellan den reflekterade och den infallande intensiteten) större än 0.95. Strålningen kommer således att vara åtminstone delvis kollimerad.

Spridningselement kan vara antingen ett diffraktionsgaller eller ett interferensfilter, eller en kombination av dessa två. Det kan också innehålla ett substratrnaterial med distinkta absorptionsegenskaper för att till exempel undertrycka ”hi gh-order” diffraldion och interferens. Högupplösningsdiffralctiongallrets förmåga att sprida strålning kan kontrolleras elektroniskt med hjälp av MEMS- (Micro Electro-Mechanical Systems) teknologi. När sådan utrustning används kan de exakta spektrala egenskaperna kontrolleras noga, och det är också möjligt att byta mellan olika moder.

Vanligtvis används ett flertal detektorelement som företrädesvis bör vara av thermopile- eller pyroelectrictypen. Det optimerade systemets upplösning enligt uppfinningen begränsas av det terrniska bakgrundsbruset inuti detektorn snarare än av störningar från omgivningen.

Processom rör de elektroniska signalerna innehåller en minnesenhet för tillfällig och permanent lagring av information, samt en enhet för utförande av förprogrammerade sekvenser av logiska och aritmetiska operationer, till exempel beräkningar enligt algoritmen (2) för flera substanser. Dessa operationer utförs vanligtvis sekventiellt med hjälp av vanliga datorstrukturer, men kommer inte att öka systemets responstid i någon större utsträckning.

I metoden enligt uppfinningen kan provtagningspunkten ligga i omedelbar närhet av personens mun/näsa, men den behöver inte nödvändigtvis vara i fysisk kontakt med dem. Den ska företrädesvis inkludera en korrekt uppställning av mätcellen för att möjliggöra passage av utandningsluften förbi och genom den. Uppställningsproceduren kan eventuellt kräva aktivt deltagande från subjektets sida. Utandningsprovet kan vara något utspätt med luften från omgivningen när det når mätpunkten. Utandningsluftens specifika karaktäristika, t.ex. variationer i flödeshastighet, temperatur, fuktighet och koldioxidkoncentration analyseras, vilket utgör underlag för att bedöma provet som antingen godkänt eller ogiltigt. 532 488 Provtagningen kan innebära att individen får instruktioner att andas mot ett specifikt område.

Om individen är samarbetsvillig kommer detta att resultera i ett forcerat flöde av 0.5-l.5 I utandningsluft som kan analyseras på 20-50 cm avstånd. Passiv provtagning från en omedgörlig individ är också möjlig, men den kräver att analysen utförs på ett kortare avstånd, normalt 10-20 cm, på grund av lägre tlödeshastigheter och mindre volymer vid normal utandning.

Den ovan beskrivna provtagningsproceduren eliminerar behovet av ett munstycke, som annars är obligatoriskt i provtagningsinstrument. Användningen av ett utspätt prov förutsätter att koldioxidkoncentrationen i alveolerna har skattats med tillräcklig noggrannhet. I de fall då hög noggrannhet krävs kan den beskrivna proceduren åtföljas av en annan där ett rnunstycke används och där uppskattningsavvikelser elimineras.

De okända substanserna som kan detekteras kan vara etanol eller något annat medel som påverkar en persons hälsa eller beteende. Som tidigare nämnts bör mätning av koncentrationen av koldioxid och vattenånga företrädesvis ingå som referens. Systemet kan också innehålla en annan referensdetektor som arbetar inom ett våglängdsintervall som inte har någon känd substansabsorption. Innefattandet av en sådan detektor skulle exempelvis kunna användas för att upptäcka tillfälligt eller permanent signalbortfall på grund av att de reflekterande ytorna täcks av kondensvatten eller damm. Ett lämpligt våglängdsintervall för en sådan detektor är 3.9 um, en våglängd där de flesta substanser av intresse saknar toppar.

Systemet enligt uppfinningen innehåller också en indikator eller en display eller någon annan form av signalkommuriikation. Detta element kan vara delvis riktat mot individen för provtagning genom forcerad utandning i mätcellen.

Stödstrukturen ska företrädesvis kunna förändras mellan ett aktivt driftsläge då det finns åtminstone en öppning för att ta emot ett utandningsprov, och ett passivt driftsläge, då källan, de reflekterande ytorna, spridningselementet och detektorn är skyddade från omgivningen.

Denna förändring bör företrädesvis ske elektromekariiskt, varvid lägesväxlingen är helt eller delvis automatisk. 532 488 få Systemet enligt uppfinningen är skapat för drift inom ett brett temperaturintervall.

Kondensation av vattendroppar eller iskristaller från utandningsproverna på reflekterande ytor kan undvikas genom uppvärmning av desamma. Detta kan uppnås genom att elektrisk ström leds genom de reflekterande ytoma som också kan tjäna som en resistiv tunnfilm. Drift vid mycket höga temperaturer kan vara begränsad på grund av termiskt brus hos detektorelementen. Om små Peltier element införs kan driftsonirådet utökas genom terrnoelektrisk kylning.

Systemet ska företrädesvis innefatta ett hölje som inrymmer alla element och formar en fysiskt begränsad enhet. Stödstrukturen kan vara en integrerad del av hölj et. Stödstrtilcturen kan med fördel anpassas för läckagefri koppling av ett munstycke.

Systemet uppvisar minimal korskänslighet mellan mätningar av olika substanser. Detta uppnås genom optimering av systemets utförande, som innefattar sådana element som anpassning av strålningens vandringssträcka till det förväntade koncentrationsintervallet.

Spridning av strålningen i sidled är också av stor betydelse, eftersom det kommer att påverka spridningsegenskaperna. Andra viktiga faktorer är spridningselementets spektrumbredd, och dess förrnåga att undertrycka strålning utanför transmissionsfönstret.

Systemet ska med fördel kunna avgöra om en viss substans kommer från de övre eller undre luftvägarna. Hos en vuxen människa har de övre luftvägaina en volym på ungefär 150 ml, vilket motsvarar ca 30 % av den totala utandriingsvolymen. Vid forcerad och förlängd utandníng kommer andelen luft från de övre luftvägaina vara oförändrat på en absolut skala.

Utandníngsluften från de undre luftvägarna har förhöjda halter av både koldioxid och vattenånga, medan luften från de övre luftvägarna är vanligtvis fuktig men inte har förhöjda halter av koldioxid.

Det ska med fördel finnas en möjlighet för mätningar, som tillåter systemet att vara självtestande för vanliga fel som uppstår spontant eller genom medvetet manipulerande.

Stödstrukturen ska med fördel monteras ihop från ett litet antal delar, tillverkade genom polymergjutning genom injektion. 532 488 (gp Ett utförande av uppfinningen uppvisar ett system för detektion av åtminstone en flyktig substans i utandriingsprover, vilket system innefattar: en eller fler ytor som definierar en flödesväg längs vilken en individs utandningsluft kan vandra; en strålningskälla varvid de ovannämnda ytorna är i huvudsak reflekterande för åtminstone en del av strålningen som sänds från strålningskällan, och varvid strålningskällan så riktad att åtminstone en del av strålningen från strålningskällan vandrar längs flödesvägen och reflekteras upprepade gånger i nämnda yta eller ytor, och åtminstone en detektor positionerad för att ta emot strålningen från strålningskällan efter de upprepade reflektionema i ytorna och att utföra en analys relaterad till de delar av strålningen som har absorberats från det att strålningen länmade strålningskällan.

Flödesvägen ska med fördel ha ett tillräckligt stort tvärsnitt för att tillåta ett i stort sätt laminärt genomflöde av utandningsluften, så att områden med stillastående flöde i den ovarmämnda flödesvägen utgör mindre än 10% av strålningens vandringssträcka genom flödesvägen.

Systemet ska med fördel innefatta: en första detektor anordnad för att ta emot strålning från strålníngskällan efter att strålningen har vandrat en första sträcka längs flödesvägen, och att utföra en analys relaterad till de delar av strålningen som har absorberats av C02 och vattenånga från det att strålningen länmade strålningskållari, och en andra detektor anordnad att ta emot strålning från strålningskällan efter att strålningen har vandrat en andra sträcka längs flödesvägen, och att utföra en analys relaterad till de delar av strålningen som har absorberats av åtminstone en flyktig substans från det att strålningen länmade strålningskällan.

Den andra sträckan ska lämpligen vara längre än den första sträckan.

F IGURBESKRIVNING En detaljerad beskrivning av ett utförandeexempel av systemet enligt uppfinningen kommer att hänvisa till följande ritningar: Figur 1 är ett schematiskt blockdiagram av systemet enligt ett föredraget utförandeexempel. 533 438 lt) Figur 2 är ett diagram som avbildar vanliga och relevanta infraröda spektralegenskaper hos vissa material som ingår i systemet.

Figur 3 är ett diagram som visar vanliga signaler som uppstår när ett utandningsprov tas och analyseras.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Ett fördelaktigt utförandexempel av systemet enligt uppfmningen visas schematiskt i Figur 1.

Alla systemelement är inrymda i ett hölje l, vars storlek är relativt måttlig, vanligtvis mindre än 100 x 50 x 40 mm tack vare att de flesta ingående komponentema är små. eller miniatyriserade. Hölj et kan utformas för mobilt bruk, t. ex. som en handhållen enhet, eller för stationär installation, t. ex. i ett fordon.

En mekanisk stödstruktur 6, 7 definierar en mätcell 17 och innefattar ytor 4, 5 som är högreflekterande för infrarött ljus och som därför är pläterade med exempelvis en tunn guldñlm och uppvisar en reflektionskoefficient för infraröd strålning på 0.95 eller högre.

Stödstrulduren 6, 7 används för att exakt positionera en strålningskälla 2, en konkav reflektor 3, spridningselement (t. ex. interferensfilter) 13, 14, detektorer 8, 9, t.ex. av thermopile- eller pyroelectrictypen.

Den optiska konstruktionen hos mätcellen l7 inklusive stödstrukturen 6, 7 möjliggör flertaliga reflektioner mellan ytorna 4 och 5 som visas av den streckade sicksacklinjen. Den konkava spegeln 3 ger en kollímerad stråle från strålningskällan 2. En första detektor 8 som innefattar ett första interferensfilter 13 är anordnad för detektion av C02 eller vattenånga och är positionerad för att ta emot strålning efter en relativt kort sträcka på vanligtvis 10 cm. En andra detektor 9 som innefattar ett andra interferensfilter 14 är anordnad för detektion av etanol och är positionerad för att ta emot strålning efter en relativt lång sträcka på vanligtvis 15-50 cm. Vandríngssträckornas längd är anpassad till de förväntade koncentrationsvärdena i typiska utandningsprover och till absorptionskoefficienterna av respektive substans. Om tio eller mer återspeglingar används är det möjligt att begränsa en vandringssträcka inuti stödstrukturen som är en potens mindre i storlek. Ett fördelaktigt utförande är att använda konkava reflekterande ytor belägna mittemot varandra, varvid varje yta sammanfaller på ett ställe med mittpunkten på radien till kurvan hos den motbelägna ytan. 532 438 ll Höljet 1 och mätcellen 17 har vanligtvis en rörforrnig struktur, med öppningar för in- och utgång (vänster respektive höger i Figur l) med tillräckligt stort tvärsnittsyta för att vidhålla ett laminärt flöde inuti mätcellen 17. Gropar, sådana som finns vid strålningskällari 2 och spegeln 3 kan skapa områden med stillastående luft, vilket har en negativ effekt på flödesöverföringstiden, och således på systemets respons- och återställningstid. Sådana ställen bör alltså minimeras och bör inte uppta mer än 10 % av strålningens vandringssträcka.

Utandningsprovet samlas genom att det får flyta genom stödstrukturen 6, 7 som visas av pilarna på vänster sida i Figur 1. Pump 16 kan aktivt öka luftflödet för att minimera eventuellt fördröjd respons på grund av lufttransport. Under drift har stödstrukturen 6, 7 relativt stora öppningar på både vänster och höger sida i området där luften exponeras för strålningen.

Detta är nödvändigt för att uppnå minimalt luftmotstånd. Detta tillåter å andra sidan att dammpartiklar och andra föroreningar kommer in i stödstrulmtren. Sådana föroreningar försämrar systemets prestanda. Stödstrukturen 6, 7 är därför försedd med lock 10, ll som kan öppnas och stängas, vilket hindrar föroreningarna från att komma in i stödstrulduren med undantag för provtagningstillfállen. Locken 10, ll kan således växelvis användas till att låta stödstrukturen skifta mellan aktivt och passivt läge. Locken 10, ll styrs företrädesvis delvis eller helt automatiskt med hjälp av elektromekanik.

En processor för elektroniska signaler 12 ingår också. Utsignalerna från therrnopile- eller pyroelectricdetektorer 8, 9 är vanligtvis av storleksordningen 10-100 uV, och den signalförlust som beror av absorbans hos ämnen utgör en mycket liten del av denna signal.

Det är därför nödvändigt att minimera elektroniskt brus och störningar för att uppnå tillräcklig signalupplösning. En föredragen teknik för detta är att modulera strålningskällan och att använda en synkron förstärkare med en hög förstärkningsfaktor, vanligtvis 100000 eller mer.

Modulering av infraröda strålningskällor begränsas i huvudsak av terrniska tidskonstanter hos dessa källor. Lasrar och dioder kan moduleras vid höga frekvenser, men tillgången till sådana källor är begränsad i våglängdsområdet 3-10 um där de flesta intressanta topparna ligger.

Svartkroppskällor kan moduleras till 10 Hz, vilket är acceptabelt med tanke på systemets responstid. Systemets responstid bör vara i samma storleksordning som den mänskliga synrealdionsförrnågan, dvs. delar av en sekund, eftersom responsen då kommer att uppfattas som omedelbar. Modulering vid 10 Hz är också lämplig med tanke på flickerbrus (rosa brus), som dominerar i många detektorer och förstärkare vid låga frekvenser.

E32 488 l§l Signalbearbetning inkluderar vidare omvandling från analog till digital signal samt upptagande av signalerna i en mikroprocessor, vilket tillåter komplexa sekventiella, aritmetiska och logiska operationer som baseras på program som finns lagrade i enhetens permanenta minne. En rad operationer följer därefter, varvid signalerna från detektorerna 8, 9 jämförs med referensdata som finns lagrade antingen i tillfälliga eller permanenta minnesceller. Den elektroniska enheten 12 kan innehålla flera integrerade kretsar av standardtyp på ett kretskort, eller kan vara helt integrerat i ett kiselblock som en ASIC (Application-Specific Integrated Circuit).

En indikator eller display 15 ingår också för att ge uppmaningar eller visa mätresultat för användaren. En uppmaning kan vara att be individen att utföra en forcerad utandning i riktning mot stödstrukturen 6, 7 så att ett utandningsprov kan tas.

Systemet innehåller vanligtvis en temperatursensor 18 som mäter den aktuella temperaturen inuti mätcellen. Den har företrädesvis liten termisk massa för att minimera responstiden, och kan antingen vara av resistans-typen eller ett termoelement. Den kopplas till den elektroniska enheten l2 som sörjer för en adekvat formatering av signalen. Sensom 18 kan också vara självuppvärmd, vilket tillåter mätningar av flödeshastigheten med hjälp av ”hot-wire” anemometri. Denna mätning kan användas för att kompensera för ett oönskad flödesberoende av källan 3. Kompensationen kan innehålla en negativ återkoppling, eller en öppen lösning, där kompensationen utförs genom en beräkningsalgoritrn.

Systemet är företrädesvis utformat med redundans, dvs. de viktigaste variablema bestäms genom fler än en operation, vilket minimerar risken för misstag. En stor felkälla är tex. att strålningskällan på grund av variationer i strålningsintensiteten och strålningsspridningen.

Genom att använda en eller flera extra detektorer avstämda för en specifik våglängd är det möjligt att detektera sådana variationer så fort de uppstår och ge en varningssignal. På samma sätt är det möjligt att uppnå skydd mot alla andra fel som kan uppstå slumpmässigt eller genom avsiktligt manipulerande.

Från Figur l och beskrivningen ovan bör framgå att systemet enligt uppfmningen består av ett begränsat antal komponenter som kräver okomplicerat montage. Det använda materialet är antingen billigt eller används i så små mängder att materialkostnaden blir låg. 532 483 Figur 2 visar ett typiskt diagram över uppförande hos systemets olika komponenter med tanke på infraröda våglängdsintervall. Kurva 20 motsvarar strålningen från en vanlig svartkroppskälla som fungerar vid ca 600°C. En sådan källa fungerar således som en bredbandskälla med ett relativt stort spann. Användande av flera källor med olika temperaturer gör att området kan breddas ytterligare.

Kurvan Zl motsvarar reflexionen från polerat guld som funktion av våglängden, med en reflektionskoefficient på ungefär 0.99. Motsvarande värde för aluminium är 0.98. Detta medför att en reflektionskoefficient på runt 0.95 eller högre är möjlig med båda materialen.

Fem eller t.o.m. fler reflektioner är således möjliga utan signifikant förlust i signalstyrka.

Kurvorna 22, 23 och 24 motsvarar transmissionen hos vanliga interferensfilter inställda på absorptionstoppar av etanol, C02 och vatten på 3.4, 4.26 respektive 2.8 um.

Transmissicnstopparnas bredd ligger vanligtvis på mellan 50 och 200 nm. Med känd teknik kan interferensfilter utformas med stor precision och mycket hög reproducerbarhet. Detta uppnås genom att filtret anpassas med flera lager och toleransen av tjockleken.

Korskänsligheten mellan olika substanser är i hög grad beroende av fxltrets parametrar. Det kan också påverkas genom tillsats av olika material, till exempel ett material med tydliga absorbansgränser som visas av kurvan 25. Ett highpassfilter med skarpa gränser kan innehålla en halvledare med ett väldefinierat energigap. Lowpassbarriären kan vara beroende av quantummolekylära vibrationer.

Figur 3 visar schematiskt ett antal variabler som hör till ett utandningsprov taget i omedelbar närhet från en person som funktion av tiden. Variablerna är: a) flödeshastighet, b) temperatur, c) relativ fuktighet, d) COrkoncentration, och e) förväntat värde av koncentrationen av substansen X i personens blod.

Flödeshastigheten (Figur 3a) kommer att ha ett bakgrundsvärde nåra 0 om systemet inte innehåller en aktiv pump. Vid 1 sekund kommer individen att utföra en forcerad utandning under ca 1.5 sekunder. Luftflödeshastigheten stiger omedelbart till en eller flera meter per sekund, och avtar sedan. En normal utandning är något kortare i tid, och ger lägre flödeshastighet. Varje andetag detekteras tydligt på ett mätavstånd av 10-50 cm, eftersom 532 ilåß får" inandning inte påverkar mätningarna. Signalstyrkan minskar med ökat avstånd, och beror också på öppningens storlek.

Samtidigt med början hos flödeshastighetskurvan kommer temperaturen att stiga från bakgrundsvärdet (rumstemperatur 23 °C i Figur 3b) till ett värde närmare kroppstemperaturen.

Det kommer dock inte att uppnå kroppstemperatur på grund av provets utspädning. Utslaget vid temperaturmätningen kommer att vara mindre tydligt än vid flödeshastighetsmätrtingen om det inte finns en mekanism för aktiv lufttransport.

På samma sätt kommer relativa fuktigheten (RH) stiga fiån omgivningens nivå (35% i figur 3c) till en nivå som är beroende av utspädningen. Luftvägarnas slemhinnor är normalt effektiva luftfuktare, som resulterar i att outspädd utandningsluft har nästan 100% RH.

Registreringen av temperatur- och fitktighetsförändringar förväntas vara nästan samtidig.

COz-kurvan kommer att starta på en bakgrundsnivå nära noll, eller 0.04~0.l%, beroende på ventilationen i omgivningen, där 1000 ppm (0.1%) räknas som ett hygieniskt maxvärde.

Luften i alveolema har ett oväntat konstant värde på 5.3% hos en normal individ i vila, och uppvisar måttliga variationer med aktivitetsgrad, ålder, kön osv. Det är därför fördelaktigt att mäta absoluta COg-koncentrationen, dvs. värdet på platån i Figur 3d, för att bestämma utspädningsgrad. Början av COg-kurvan är något fördröjd jålnfört mfid dß andra KUIVOYIIa, vilket beror på att de övre luttvägarna utgör en ”död volym” på ca 150 ml, eller 30% av den totala utandningsvolym (ett lugnt andetag) hos en vuxen person i vila.

Den signal som motsvarar substansen X visas i Figur 3e. Denna registrering börjar samtidigt med COz-registreringen, eftersom båda substansema kommer från alveolema För att utandningsluftsprovet ska representera luften från alveolerna måste både substans- och C02- kurvorna uppvisa en tydlig platå. En ytlig eller ofullständig utandning kan inte användas för att fastställa koncentrationer i alveolerna eller blodet.

Från beskrivningen som härrör Figur 3 framgår att det finns ett antal förutsättningar för att analysera ett utandningsprov från en person. Dessa kriterier kan användas för att skapa lämpliga provtagningsförhållanden, samt för att undvika manipulering. 532 483» 1% Från beskrivningen som härrör till figur 3 framgår också att provtagnings- och analysprocessens dynamiska egenskaper är väsentliga i föreliggande uppfimiing. Kravet for tidsramen för hela processen bestäms huvudsakligen av mänsklig uppfattningsfönnåga, som har nämnts tidigare. Kravet för själva detekteringen bestäms huvudsakligen av utandningens kinetik. Som visas i figur 3, är en tidsram på delar av en sekund önskvärd.

Det framgår från både den generella och den detaljerade beskrivningen av uppfinningen att metoden och systemet snarare kan användas for realtidsanalys än för analyser av enstaka prover. Uppfinningen möjliggör analys av utandningsluften andetag för andetag och ger därigenom en möjlighet att i detalj studera en rad fysiologiska processer. Det kan vara av intresse att exempelvis studera koncentrationer av vissa substanser inklusive etanol som funktion av tiden.

Som redan har nämnts ovan kan metoden och systemet med fördel användas på så sätt att utsignalerna blockerar/låser upp start eller drift av ett fordon eller en annan maskin.

Systemet och metoden enligt uppfinningen definieras av kraven nedan och begränsas inte på något sätt av utförandeexemplet som beskrivs ovan.

Orden ”innefattar” och ”som innefattar” som används i beskrivningen och kraven, innebär att specifika moment, steg eller enheter är inkluderade. Dessa ord utesluter inte närvaro av andra moment, steg eller enheter.

Egenskaper beskrivna ovan, eller kraven nedan, eller medföljande skisser, uttryckta i deras specifika form eller som hjälpmedel för att utföra den beskrivna funktionen, eller en metod eller process för att uppnå beskrivna resultat kan var för sig eller i vilken kombination som helst användas för att använda uppfinningen i dess olika former.

Claims (9)

1. 0 15 20 25 30 PATENTKRAV 5312 433 1. Ett system för detektion och analys av åtminstone en flyktig substans i utandningsluftsprover från ett objekt, kännetecknat av: åtminstone en källa för infraröd strålning anpassad till ett våglängdslntervall med specifika absorptionstoppar hos nämnda substans; ett flertal reflekterande ytor för nämnda strålning anordnade för kollimation mot åtminstone en detektor som ger ett flertal elektriska utsignaler som motsvarar transmissionen av nämnda strålning inom våglängdsintervall motsvarande nämnda absorptionstoppar; minst en mätcell som innehåller en mekanisk stödstruktur som definierar läget hos nämnda strålningskälla, de reflekterande ytoma och detektorn, och som är anordnad för mottagning och avlägsnande av nämnda utandningsprov och för dess exponering för nämnda strålning; minst en processor för elektroniska signaler med förmåga att analysera nämnda signaler i förhållande till förprogrammerad information beträffande infraröda absorptionsspektra hos nämnda substans; varvid nämnda system ger ett svar som visas på en display eller meddelas på annat sätt och som uppfattas som omedelbar; där nämnda provet samlas från fri luft i objektets omedelbara närhet.

2. Ett system enligt krav 1 för detektion och analys av ett flertal flyktiga substanser.

3. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av att respons- och återställningstid hos systemet huvudsakligen bestäms av överföringstiden av nämnda prov genom nämnda mätcellen. 10 15 20 25 30 10. 11. 12. 532 QEB i? Ett system enligt krav 1 kännetecknat av att respons- och återställningstiden av nämnda systemet är mindre än 10 sekunder. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av att nämnda mâtcell har inlopps- och utloppsöppningar med tillräcklig stor tvärsnittsarea för att bibehålla laminärt luftflöde inuti mätcellen så att områden med stillastående flöde inte överskrider 10% av nämnda strålnings vandringssträcka. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av att nämnda mätcellen är rörformig. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av hjälpmedel för aktiv transport av nämnda prov genom nämnda mätcell, t.ex. en pump eller en fläkt. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av att den nämnda strålningskälla är en uppvärmd glödtråd som huvudsakligen utgör en svartkroppsstrålare anpassad för en moduleringsperiod som är betydligt kortare än reaktionstiden hos normala objekt. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av att strålningens vandringssträcka är betydligt längre än mätcellens dimensioner. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av att nämnda reflekterande ytor är åtminstone delvis konkava och uppvisar en reflektionskoefficient för nämnda strålning över 0.95, och där varje yta år sammanfaller i en punkt med mittpunkten på radien hos kurvan hos en motsatt yta. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av den nämnda strålning är åtminstone delvis kollimerad och genomgår ett flertal reflektioner, där det nämnda flertalet är större än fem. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av minst ett spridande eller absorberande element som innehåller minst ett interferensfilter eller ett diffraktionsgaller av hög upplösning med bestämda eller elektroniskt styrda egenskaper. 10 15 20 25 30 13. 1

4. 1

5. 1

6. 1

7. 1

8. 1

9. 20. 532 433 Ett system enligt krav 1 kännetecknar av att nämnda detektorn är av thermopile- eller pyroelectrictypen. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av att nämnda processor för elektroniska signaler innehåller minst en minnesenhet för tillfällig eller permanent lagring av information, och minst en enhet för exekvering av förprogrammerad sekvens av logiska och aritmetiska operationer. Ett system enligt krav 1 kännetecknar av att en av nämnda substanser är koldioxid, varvid mätningen av dess koncentration i ett objekts omedelbara närhet i kombination med ett beräknat värde på koldioxidkoncentrationen i alveoler används för att bestämma provets utspädningsgrad. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av att minst en av nämnda substanser är etanol eller ett annat ämne som påverkar en persons beteende. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av en indikator eller en display riktad till nämnda objekt för att ge en instruktion att avlämna ett utandningsprov genom en forcerad utandning i riktning mot nämnda mätcell. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av att nämnda stödstrukturen kan växla mellan ett aktivt driftsläge där öppningama för mottagande och avlägsnande av ett utandningsprov finns tillgängliga, och ett passivt driftsläge där nämnda källa, reflekterande ytor, spridningselement och detektor är skyddade från omgivningen. Ett system enligt krav 18 kännetecknat av att växlingen mellan de olika lägena sker via elektromekaniska organ. Ett system enligt krav 18 kännetecknat av att växlingen mellan de olika lägena är delvis eller helt automatisk. 10 15 20 25 30 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 532 438 Ett system enligt krav 1 kännetecknat av ett hölje som inrymmer alla element och därigenom bildar en begränsad och fysiskt integrerad enhet anpassad att användas som en handhållen enhet eller för stationär installation i exempelvis ett fordon. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av en minimal korskânslighet mellan bestämningen av nämnda substanser. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av att nämnda stödstruktur är anpassad för fastsättning av minst ett munstycke genom vilket ett outspätt andningsprov kan tas. Ett system enligt krav 1 känneteoknat av att det ger en indikation om ifall nämnda substanser härstammar från de övre eller de undre andningsvägama. Ett system enligt krav 1 känneteoknat av att den nämnda stödstrukturen monteras ihop från ett litet antal delar som tillverkas genom injektionsgjutning. Ett system enligt krav 1 kännetecknar* av åtminstone en sensor 18 för mätning av temperatur eller luftflödeshastigheten inuti nämnda mätcellen. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av kompensation för oönskade beroendeförhållanden genom en negativ återkoppling eller genom inkluderandet av en beräkningsalgoritm. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av en realtidsanalys av nämnda utsignaler inklusive analys av substratkoncentrationer i andetag för andetag. Ett system enligt krav 1 kännetecknat av att nämnda signaler efter behandling är inrättade att styra blockering/upplåsning av start eller drift av ett fordon eller en annan maskin. 10 15 20 25 30 532 1183 30. En metod för detektion och analys av minst en flyktig substans i ett objekts utandningsprover, kännetecknar! av följande steg: 31. 32. 33. positionering av en mätcell i ett objekts utandningsluftsflöde, för att tillåta mottagande och avlägsnande av nämnda utandningsprov; exponering av nämnda utandningsprov inuti nämnda mätcetl för infraröd strålning från minst en källa inom minst en våglängdsintervall med absorptionstoppar specifika för nämnda substans; detektion av nämnda strålning efter passage genom nämnda prov för att åstadkomma ett flertal utsignaler som motsvarar transmission av nämnda strålningen inom vâglängdsintervaller motsvarande nämnda absorptions-toppar, varvid passagen genom provet förlängs genom ett flertal reflekterande ytor; analys av nämnda signaler i förhållande till förprogrammerad information som innehåller absorptionskoefficienter för nämnda substans inom det infraröda området; varvid respons på detektion och analys visas på en display eller meddelas på annat sätt och uppfattas som omedelbar. En metod enligt krav 30 för detektion och analys av ett flertal flyktiga substanser. En metod enligt krav 30 kännetecknar! av att respons- och återställningstid bestäms huvudsakligen av överföringstiden av nämnda prov genom nämnda mätcellen. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att respons- och återställningstiden av nämnda systemet är mindre än 10 sekunder. En metod enligt krav 30 kännetecknad av den nämnda analys inkluderar variationer av nämnda signaler med tiden. 10 15 20 25 30 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 532 G88 En metod enligt krav 30 kännetecknad av att det nämnda objekt uppmanas att utföra en forcerad utandning i riktning mot nämnda mätcellen. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att flödet hos nämnda prov genom nämnda rnätcell är i stort sett laminärt, vilket uppnås genom att nämnda mätcell är rörformig och har inlopps- och utloppsöppningar med tillräcklig stor tvärsnittsarea och att områden med stillastående flöde i mätcellen inte överskrider 10% av nämnda strålningens vandringssträcka. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att nämnda provet samlas och avlägsnas l fri luft i det nämnda objektets omedelbara närhet. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att nämnda stödstruktur är ordnad att tillåta positionering i utandningsluftsflödet i nämnda objekts omedelbara närhet. En metod enligt krav 30 kännetecknad av aktiv transport av nämnda utandningsprov genom nämnda mätceil med hjälp av en pump eller en fläkt. En metod enligt krav 30 kännetecknad av modulering av den nämnda källa anpassad för en moduleringsperiod som är betydligt kortare än reaktlonstiden hos normala objekt. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att strålningens vandringssträcka är betydligt längre än den nämnda stödstrukturens dimensioner. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att de nämnda reflekterande ytoma för strålningen är åtminstone delvis konkava och uppvisar en reflektionskoefficient för nämnda strålning på över 0.95, varvid varje yta sammanfaller i en punkt med mittpunkten på radien av kurvan av en motsatt yta. 10 15 20 25 30 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 532 1338 rått En metod enligt krav 30 kännetecknad av att den nämnda strålningen är åtminstone delvis kollimerad och genomgår ett flertal reflektioner, där det nämnda flertalet är större än fem. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att spridning eller absorption av nämnda strålningen utförs av minst ett interferensfilter eller ett diffraktionsgaller av hög upplösning med bestämda eller elektroniskt styrda egenskaper. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att nämnda detektionen genomförs av minst ett thermopile eller pyroelectric-element. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att nämnda mätcell är rörformig och har inlopps- och utloppsöppníngar för mottagande och avlägsnande av ett utandningsprov och varvid öppningama har tillräcklig stor tvärsnittsarea för att bibehålla huvudsakligen laminärt luftflöde så att områden med stillastående flöde inte överskrider 10% av nämnda strålnings vandringssträcka. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att den nämnda signalanalysen utförs av minst en processor för elektroniska signaler som innehåller åtminstone en minnesenhet för tillfällig eller permanent lagring av information, och minst en enhet för exekvering av förprogrammerad sekvens av logiska och aritmetiska operationer. En metod enligt krav 30 kännetecknar! av att en av nämnda substanser är koldioxid, varvid mätningen av dess koncentration i ett objekts medelbara närhet i kombination med ett skaffat värde på koldioxidkoncentrationen i alveoler används för att bestämma provets utspädningsgrad. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att minst en av nämnda substanser är etanol eller ett annat ämne som påverkar en persons hälsa eller beteende. 10 15 20 25 30 50. 51. 52. 53. 55. 56. 57. 532 438 q: fw n? En metod enligt krav 30 kännetecknad av att metoden ger en indikation riktad till nämnda individ att avlämna ett utandningsprov genom en forcerad utandning i riktning mot nämnda stödstruktur. En metod enligt krav 30 kännetecknar! av växling av nämnda stödstruktur mellan ett aktivt driftsläge där åtminstone en öppning för mottagande av utandningsprovet finns tillgänglig, och ett passivt driftsläge där nämnda källa, reflekterande ytor, spridningselement och detektor är skyddade från omgivningen. En metod enligt krav 51 kännetecknad av elektromekaniska hjälpmedel för åtminstone delvis automatisk växling mellan nämnda lägen. En metod enligt krav 30 kânnetecknad av en minimal korskänslighet mellan bestämningen av nämnda substanser. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att nämnda stödstrukturen är anpassad för fastsättning av åtminstone ett munstycke genom vilket ett outspätt utandningsprov kan tas. En metod enligt krav 30 kännetecknar! av att en indikation ges som indikerar om nämnda substanser härstammar från de övre eller de undre andningsvägarna. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att bestämningen av nämnda substanser innehåller operationer som ger möjlighet för sjätvtester för att minimera vanliga slumpmässiga eller avsiktliga misstag. En metod enligt krav 30 kännetecknad av kompensation för oönskade beroendeförhållanden genom en negativ återkoppling eller genom inkluderandet av en beräkningsalgoritm. 5 532 488 in 58. En metod enligt krav 30 kännetecknad av en realtidsanalys av nämnda utsignaler inkluderande en analys av substratkoncentrationer andetag för andetag. 59. En metod enligt krav 30 kännetecknad av att nämnda signaler efter behandling är inrättade att styra blockering/upplåsning av start eller drift av ett fordon eller en annan maskin.