METHOD TO CHECK THE VALIDITY OF A BREATH SAMPLE FOR DETERMINING THE BLOOD-ALCOHOL CONCENTRATION

Abstract: 1. A method of determining blood alcohol concentration by analysis of the breath alcohol concentration (AAK) in the volume of breath expired, wherein the values obtained by measuring the variation per unit time of the alcohol concentration in the breath are compared with a threshold value, characterised in that the increase in the expired concentration S(t) is calculated from the measured alcohol concentration in the breath (AAK) and the measured volume (V) expired per unit time according to the formula S(t) = d AAK(t)/d V(t).V(t)/AAK(t) and the measured values are only then called upon for further evaluation when S(t) lies between a given positive threshold value S+ and a given negative threshold value S-.

Description: Verfahren zum Sicherstellen gültiges Atemproben zum Bestimmen der Blutalkoholkonzentration Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sicherstellen gültiges \\Atemproben zum Bestimmen der Blutalkoholkonzentration durch Analyase der Alkoholkonzentration in alveolarer Exspirationsluft. Grundlage aller Messverfahren, die die Blutalkoholkonzentration (BAK) über die Analyse der Atemalkoholkonzentration (AAK) bestimmen, ist die Annahme, dass zwischen der Alkoholkonzentration des Blutes und derjenigen der Exspirationsluft ein feststehendes Ver-teilungsverhältnis besteht. Dies gilt Jedoch nur für dieJenigen Anteile der Exspirationsluft, die sich im Gleichgewicht mit der Alveolarkonzentration befinden. Für eine korrekte Bestimmung der BAK aus der Analyse der AAK ist daher die Abgabe einer Atemprobe, die in der endexspiratorischen Phase aus überwiegend Alveolarluft besteht, als notwendige Voraussetzung anzusehen. Näherungsweise kann dies anhand des zeitlichen Verlaufs der Exspirationskonzentration dadurch festgestellt werden, dass diese gegen Ende der Exspiration eine erkennbare Plateaubildung zeigt. Hierauf stützen sich auch eine Reihe von Verfahren, die den zeitlichten Verlauf der Konzentrationssteigung erfassen und bei Unter schreitung eines Schwellwertes die abgegebene Atemprobe als gül- tig bezeichnen (DE-OS 2 610 578, DE-AS 2 746 078). Dies ist aber noch an die Bedingung geknüpft, dass ein ununterbrochener Mindestvolumenstrom über eine Mindestzeit abgegeben wird, woraus ein er Iforderliches Mindestvolumen resultiert. Es findet also eine ausschliesslich logische Verknüpfung der Messgrössen Konzentrationsan stieg und Mindestvolumen Anwendung, ohne Berücksichtigung der körperlichen Konstitution des Probanden. Damit auch Personen mit geringer Vitalkapazität (VK) eine gültige Messung erzielen können, darf daher das Mindestvolumen bzw. der Mindestvolumenstrom nicht zu hoch angesetzt werden. Personen mit grosser Vitalkapazität ist es somit möglich, durch Reduzierung ihres Volumenstromes auf das geforderte Mindestmass den zeitlichen Konzentrationsanstieg soweit zu verringern, dass er den Schwellwert unterschreitet, obwohl noch lein erheblicher Teil an Lungenrestvolumen vorhanden wäre. In diesem Fall wUrde die zur Analyse benutzte Atemprobe deutlich unter der alveolaren Gleichgewichtskonzentration liegen und eine gerin 'gere Alkoholisierung vermuten lassen. iDer Einfluss der Ventilation (Atmung) vor der Probenabgabe auf den IVerlauf der ausgeschiedenen Atemalkoholkonzentration ist in Fig. 1 dargestellt. Kurve a beschreibt den Konzentrationsanstieg, wie er sich nach normaler Einatmung vor dem Test ergeben würde. Nach anfänglich grosser Steigung flacht die Kurve bereits nach wenigen Sekunden ab und mündet in die asymptotische Grenzgerade ein, die der alveolaren Gleichgewichtskonzentration entspricht. Wird vor der Probenabgabe die Atmung für mehrere Sekunden unterbrochen, so be wirkt dies einen noch steileren Anstieg und somit ein rascheres Erreichen der Gleichgewichtskonzentration; siehe Kurve b. l Ein gegensätzliches Verhalten ergibt sich für den Fall von forcierter Ventilation oder Hyperventilation vor dem Test. Die Kurve c weist im Vergleich zur Normalatmung eine wesentlich grössere Stei gung in der endexspiratorischen Phase auf, wobei der tatsächliche Wert der AAK auch nach der Uberschreitung einer Mindestzeit, hier zum Beispiel 4 sec, nicht mehr erreicht werden kann. Auch bei Hy perventilation kann der zeitliche Konzentrationsanstieg durch Reduzierung des Atemluftdurchsatzes soweit verringert werden, dass der geforderte Schwellwert für eine gültige Atemprobe erreicht wird. Alle bisher genannten Störeinflüsse, wie unzureichendes Probenvolumen oder Hyperventilation, führen grundsätzlich zu einer Unter bewertung der Atemalkoholkonzentration. Anders verhält es sich bei der Anwesenheit von Mundrestalkohol. Dies kann dann der Fall sein, wenn die Zeit zwischen Trinkende und Test weniger als 15 Minuten beträgt. Messtechnisch würde sich dabei ein Verlauf entsprechend Fig. 2 ergeben, der durch ein starkes überschwingen gekennzeichnet ist. Selbst gegen Ende der Exspiration kann der Einfluss von Mundrestalkohol noch so stark sein, dass ein weit über der tatsächlichen Atemalkoholkonzentration liegender Wert vorgetäuscht wird. Das gleiche gilt auch für Luftanteile, die nach Aufstossen aus dem Magen sich mit der Exspirationsluft vermischen. Hieraus resultierende Fehlbeurteilungen des Alkoholisierungsgrades sollten messtechnisch erkannt und ausgeschieden werden können. Der Erfindung vorausgehende Untersuchungen haben gezeigt, dass die wichtigste Einflussgrösse auf den Konzentrationssteigungsverlauf wäh rend der Exspirationsphase in dem vorangegangenen Inspirationsvo lumen liegt. Dabei zeigt sich bei gleichartiger Ausatmung eine quasilineare Abhängigkeit zwischen Inspirationstiefe und Steigung. Dies ist durch die Austauschvorgänge von Äthanol in den zuführenden Atemwegen bedingt. Die Einatmung alkoholfreier Luft führt zunächst zu einer starken Reduzierung der Oberflächenkonzentration, die im wesentlichen nur dadurch wieder rückgängig gemacht werden kann, dass das gleiche Volumen an alkoholgesättigter Alveolarluft bei der Ausatmung wieder vorbeiströmt. Dabei wird der Exspirationsi luft solange Alkohol entzogen, bis das Konzentrationsgleichgewicht in den zuführenden Atemwegen wiederhergestellt ist. Eine Verdoppelung des Einatmungsvolumens erfordert somit auch eine Verdoppelung des Ausatmungsvolumens, um gegen Ende der Exspiration eine Plateaubildung im Konzentrationsverlauf einzuleiten. Aus den Untersuchungen ist weiterhin zu erkennen, dass unter der Bedingung von gleichem Inspirations- und Exspirationsvolumen im Mittel nur 80 % des alveolaren Gleichgewichtskonzentrationswertes erreicht werden, weshalb vom Probanden noch weiteres Exspirationsvolumen gefordert werden muss. Dazu ist dieser jedoch nur dann in der Lage, wenn er nicht mehr als ungefähr 40 % seiner Vitalkapazität eingeatmet hat. Das zusätzlich notwendige Volumen vergrössert sich ausserdem noch mit steigendem Volumen der Messkammer des Analysegerätes, weshalb diese so klein wie möglich ausgebildet sein muB, Hieraus wird erkennbar, dass die Erfüllung der Mindestvolumenbedingung nur dann bei Personen mit vergleichbarer Vitalkapazität Anwendung finden kann, wenn ausserdem die gleiche Einatmungstiefe vorliegt. Ähnliches gilt für die Uberwachung des zeitlichen Konzen . trationsanstiegs. Aus ihm lassen sich nur dann Aussagen über die Annäherung an die Gleichgewichtskonzentration ableiten, wenn der dabei abgegebene Volumenstrom in einer bestimmten Relation zur Vitalkapazität des Probanden steht. Um eine gültige Probenabgabe feststellen zu können, müssten daher sowohl die Vitalkapazität als auch das In- und Exspirationsvolumen gemessen werden. In der Praxis ist dies mit den Mitteln des Standes der Technik kaum möglich. Das Wissen um die oben genannten Zusammenhänge konnte deshalb bisher nicht dazu verwendet werden, ungültige Probenabgaben aus der Beurteilung des tatsächlichen Alkoholisierungsgrades auszuscheidenl Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, mit in der Praxis durch führbaren messtechnischen Methoden solche zuunrichtigen Ergebnissen führenden Atemproben aus der Beurteilung auszuscheiden. Aus der Analyse von ausschliesslich Exspirationsluft soll mit Hilfe einer einfachen Rechenvorschrift eine Aussage über den Grad der Annähe rung an di e die Gleichgewichtskonzentration abgeleitet werden. Die Lö- sung für diese Aufgabe ergibt sich nach der Erfindung durch die Feststellung, dass als einziger Entscheidungsparameter hierzu die volumenänderungsbezogene Steigung der Exspirationskonzentration mit folgender Definition: EMI4.1 herangezogen werden kann. Der zweite Term dient zur Normierung, um von der Höhe der Atemalkoholkonzentration AAK und der Grösse des Exspirationsvolumens V unabhängig zu werden. Diese Gleichung setzt also die prozentuale Konzentrationsänderung in Verhältnis zur prozentualen Volumenänderung. Ein besonderer Vorzug liegt noch darin, dass diese Gleichung unabhängig von der tatsächlichen Vitalkapazität des Probanden gilt. Zur Erläuterungder Erfindung dienen die Zeichnungen. In diesen ist: Fig. 1 die bereits erläuterte Darstellung der Abhängigkeit des zeitlichen Konzentrationsverlaufs in der Atemluft von der Ventilation vor dem Test, Fig. 2 die bereits erläuterte Darstellung des Konzentrationsver laufs bei vorhandenem Mundrestalkohol, Fig. 3 die Darstellung des Verlaufs der auf das Volumen bezogenen Steigung S(t) als Funktion des Exspirationsvolumens, wobei das Inspirationsvolumen die Parameter bildet, Fig. 4 eine Darstellung entsprechend Fig. 3, Jedoch aufgetragen über der ausgeschiedenen AAK,und Fig. 5 die Darstellung von Beispielen für die Anwendung des Stei gungskriteriums mittels verschiedener Schwellwerte. Mit der vorstehend genannten erfindungsgemässen Verwendung der Steigung der Exspirationskonzentration als einzigen Entscheidungs parameter wird der folgenden Beobachtung entsprochen: Trägt man den Verlauf der Atemalkoholkonzentration über der relativen Vitalkapazität auf, so zeigt sich bei gegebenem relativen Inspirationsvolumen, dass das Anstiegsverhalten sowohl von der Atemströmungsgeschwindigkeit als auch von der tatsächlichen Vitalkapazität der Versuchsperson unabhängig ist. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 3 dargestellt. Parameter ist das auf die Vitalkapazität bezogene relative Inspirationsvolumen. Kurve a gilt für' 20 % VK, die Kurven b und c für 40 bzw. 100 96 VK. In den beiden erstgenannten Fällen enden die Kurven bei 70 bzw. 90 % der VK, was der Summe aus Inspi rationsvolumen und Reservevolumen entspricht. Der Kurve c ging eiL ne vollständige Aus- und Einatmung voraus (forcierte Ventilation). Mit zunehmendem Inspirationsvolumen erhöht sich der Wert der Stei gung S in der endexspiratorischen Phase, da die Austauschprozesse in den Atemwegen noch nicht vollständig abgeschlossen sind. Aus dem Steigungsverlauf in Abhängigkeit von der ausgeschiedenen AAK lässt sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Grösse von S und der Annäherung an die alveolare Gleichgewichtskonzentration ableiten. So werden zum Beispiel 90 96 der tatsächlichen AAK nur dann erreicht bzw. überschritten, wenn die Bedingung S L 0,15 er füllt ist (Kurven a und b in Fig. 4). Bei unvollständiger Probenabgabe oder forcierter Ventilation ist dies jedoch nicht möglich. Ein besonderer Vorzug des erfindungsgemässen Verfahrens besteht dar in, dass der Grad der Annäherung an die alveolare Gleichgewichtskon-, zentration unabhängig von Inspirationsvolumen und Vitalkapazität aus der Grösse der Steigung S bestimmt werden kann. Der Vergleich der Grösse S mit einem Schwellwert liefert dabei eine Aussage, ob noch weiteres Volumen exspiriert werden muss, damit eine korrekte Bestimmung der Atemalkoholkonzentration durchgeführt werden kann. Eine weitere Anwendung dieses Steigungskriteriums ergibt sich im Falle von Mundrestalkohol. Hier treten zu Beginn der Exspiration kurzzeitig sehr viel höhere Konzentrationswerte auf als im weiteren Verlauf. Dadurch errechnen sich für die Grösse S negative Werte, aus denen eine solche Situation messtechnisch sicher erkannt werden kann. Zur schaltungstechnischen Darstellung der oben genannten Rechenvorschrift sind für die Messung der Zeitverläufe von Atemalkoholkonzentration und Exspirationsvolumen Zeitkonstanten T63 von 4 0,2 Sekunden erforderlich. Daher wird für die Alkoholmessung ein IR Analysegerät mit kleinem Messkammervolumen verwendet, wie es zum Beispiel in der DE-AS 2 805 972, DE-PS 2 659 898 (Prof. Adrian) be schrieben ist. Die Erfassung des Atemvolumens kann zum Beispiel mit Hilfe eines Thermistor-Anemometers vorgenommen werden, wobei Konstanttemperaturbetrieb in Hinblick auf das geforderte Auflö sungsvermögen zu bevorzugen ist. Hieraus ergibt sich eine dem Atemvolumenstrom V proportionale Messgrösse, aus der durch zeitliche Integration das Atemvolumen V gewonnen werden kann. Die Berechnung von S kann sowohl unter Verwendung von Analogrechen- bausteinen als auch durch digitale Rechenwerke durchgeführt werden Entsprechend dem Stand der Technik ist die digitale Lösung vorzu ziehen. Dazu werden die Eingangsgrössen AAK und V zeitlich abgeta stet. Ihre Ableitungen lassen sich dann als Differenz zweier auf einanderfolgender Abtastwerte darstellen. Zur Erhöhung der Rechen genauigkeit in der endexspiratorischen Phase kann eine Mittelwert bildung vorgenommen werden, indem mehrere aufeinanderfolgende Abtastwerte zusammengefasst werden. Der Messvorgang wird dadurch ausgelöst, dass die Betragsdifferenz zweier aufeinanderfolgender Abtastwerte von V grösser als ein vorgegebener Schwellwert wird; er wird beendet, sobald dieser Schwellwert zum ersten Mal wieder unterschritten wird. Durch Klappenventile wird dabei eine Einatmung des Probanden aus dem Gerät verhindert. Die Zeitdauer des gesamten Messvorgangs wird intern erfasst. Die Berechnung der volumenbezogenen Steigung erfolgt nun zu jedem Abtastzeitschritt, wobei das Ergebnis mit folgenden Schwellwerten verglichen wird: a) Positiver Schwellwert S+ Ein Erreichen oder Unterschreiten dieses Wertes signalisiert, dass die abgegebene Atemprobe sich der alveolaren Gleichgewichtskonzentration ausreichend angenähert hat, sie somit als gültig anerkannt werden kann. Die zu diesem Zeitpunkt gemessene Alkoholkonzentration wird nun unmittelbar der Anzeige zugeführt, wodurch der Messvor gang beendet wird. Es besteht wahlweise auch die Möglichkeit, den Zeitpunkt abzuwarten, an dem die Betragsdifferenz zweier Abtastwerte von V wieder unter den Schwellwert gesunken ist, um das eventuell noch vorhandene Restvolumen für die Probe zu gewinnen. b) Negativer Schwellwert S- Wird dieser betragsmässig über schritten, so erfolgt ein Abbruch des Messvorganges, verbun den mit einem Hinweis auf vorhandenen Mundrestalkohol. Der positive Schwellwert S+ lässt sich grössenmässig nicht exakt iestlegen. Sein genauer Wert hängt davon ab, welche Genauigkeit die verwendete Apparatur zulässt und welche Genauigkeit von den gesetzlichen Vorschriften verlangt wird. S+ liegt dann vor, wenn sich die tatsächliche AAK deren Endwert so weit angenähert hat, wie es die Messgenauigkeit zuläBt und die gesetzlichen Vorschriften verlangen. Die Praxis zeigt, dass S+ dann vorliegt, wenn sich die tatsächliche AAK deren Endwert bis auf etwa 5 Prozent angenä hert hat. In absoluten Zahlen bedeutet dies, dass S+ zwischen +0,2 und +0,1, vorzugsweise zwischen +0,15 und +0,1 liegen sollte. Der negative Schwellwert S- sollte zwischen -0,2 und -0,3 liegen und vorzugsweise -0,3 betragen. Er ist so zu wählen, dass er bei geringem Mundrestalkohol sicher unterschritten wird. Die Anwendung des beschriebenen Verfahrens soll an drei Beispielen in Fig. 5 erläutert werden. Dazu ist die Ordinate in folgende Be reiche unterteilt: Bereich I: O ' S(t) k S+ Bereich II: s(t) S+ Bereich III: S(t) = S Die uebergänge zwischen den Bereichen sind dabei durch Schwellwerte 5+ S+ und S- gekennzeichnet. Bei normaler Ventilation vor dem Test verringert sich im Verlauf der Exspiration die Grösse S(t) stetig, bis sie schliesslich von Be reich II nach Bereich I wechselt und dort bis zum Ende der Ausat mung verbleibt (Kurve a). Sobald der Schwellwert 5+ unterschritten wird, ist eine solche Atemprobe als gültig anzusehen. Bei einem angenommenen S+ = 0,15 wäre dies bereits nach drei Sekunden der Fall. Möglich ist es aber auch, das Ende der Exspiration abzuwar ten, das durch ein Unterschreiten eines Mindestatemluftdurchsatzes gekennzeichnet ist. Kurve b deutet entweder auf Störungen der Austauschvorgänge vor dem Test oder auf unzureichendes Probenvolumen hin. Letzteres wäre aus dem Messwert des Exspirationsvolumens zu entnehmen. Da 5(t) während des gesamten Verlaufs im Bereich II verbleibt, ist diese Messung ungültig und muss wiederholt werden. Ein Beispiel für den Einfluss von Mundrestalkohol auf den Verlauf der volumenbezogenen Steigung zeigt Kurve c. Charakteristisch hierfür ist das Überstreichen der Bereiche in der Reihenfolge II, I und III. Sobald der Schwellwert S- unterschritten wird (zum Bei spiel bei S- s -0,3), kann die Messung abgebrochen werden, da unter diesen Umständen keine physiologisch relevanten Ergebnisse zu erzielen sind. Zusätzlich kann ausserdem die zeitliche Ableitung von S(t) gebildet werden. Wenn hierbei zwei Nullstellen in Verbindung mit Vorzeichenwechsel auftreten, so kann hieraus ebenfalls auf Störeinflüsse durch Mundrestalkohol geschlossen werden. Im Anschluss an den Messvorgang werden die Messwerte für Exspirationsvolumen und Zeitdauer angezeigt. Sie stellen im Falle einer positi- ven Atemprobe eine wichtige Information für die forensische Bewertung des Atemalkoholkonzentrationswertes dar. Falls keine Anzeige des AAK-Wertes erfolgt, so lassen sich aus ihnen Hinweise für das Exspirationsverhalten des Probanden zum Zwecke einer Wiederholungst messung ableiten.

Claims: |PatentansprUche 1. Verfahren zum Sicherstellen gültiges Atemproben zum Bestimmen der Blutalkoholkonzentration durch Analyse der Alkoholkonzen I tration in alveolarer Exspirationsluft, dadurch gekennzeich nest, dass die Atemalkoholkonzentration (AAK) und das Exspira tionsvolumen pro Zeiteinheit gemessen und daraus die Steigung der der Exspirationskonzentration s(t) nach der Formel EMI10.1 errechnet wird und die Atemproben dann zur weiteren Auswer tung herangezogen werden, wenn S(t) zwischen einem positiven Schwellwert S+ und einem negativen Schwellwert S- liegt, wobei S+ vorliegt, wenn sich die tatsächliche AAK deren Endwert so weit angenähert hat, wie es die Messgenauigkeit zulässt und die gesetzlichen Vorschriften verlangen, und S- bei normalen Ven tilationsbedingungen vor und während der Probenabgabe Null be trägt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass S+ vor liegt, wenn sich die tatsächliche AAK deren Endwert bis auf 5 96 angenähert hat. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für S ein Betrag zwischen +0,2 und +0,1 angenommen wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für S- ein Betrag von -0,3 angenommen wird.

Inventors: SLEMEYER, ANDREAS, DR.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1981
Main classification: G01N33
IPC codes: G01N33