專利名稱：用于存在干擾物時(shí)透皮并無(wú)創(chuàng)地檢測(cè)和測(cè)量機(jī)動(dòng)車駕駛員血液中酒精的系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可快速、準(zhǔn)確地確定機(jī)動(dòng)車駕駛員血液中酒精的存在，并且在喝入酒精的幾分鐘內(nèi)且存在干擾物(interferent)時(shí)透皮并無(wú)創(chuàng)地準(zhǔn)確測(cè)量酒精濃度的系統(tǒng)與方法。該系統(tǒng)使用嵌入機(jī)動(dòng)車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的傳感器陣列、圖像識(shí)別文庫(kù)、以及相關(guān)的圖像識(shí)別、分析物鑒別(Analyte Identification)和干擾物辨別算法，通過(guò)測(cè)量駕駛員的透皮吸收酒精濃度來(lái)確定駕駛員血液中酒精的存在。如果所測(cè)量的酒精超過(guò)預(yù)設(shè)的限制，則激活阻止車輛移動(dòng)的互鎖系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在酒精的影響下駕駛已經(jīng)并繼續(xù)成為美國(guó)致命的機(jī)動(dòng)車事故中的頭號(hào)原因。過(guò)去幾十年在阻止醉酒駕駛員(或酒精受損駕駛員)駕駛汽車方面已經(jīng)取得進(jìn)步的同時(shí)，該問(wèn)題依然存在并且涉及醉酒駕駛員的事故平均每天致36人死亡和700人受傷。然而，使用正確的技術(shù)，就算不能全部也能大部分阻止醉酒駕駛員造成的這些死亡和傷害。體內(nèi)酒量測(cè)定器系統(tǒng)(Breathalyzer)是目前可用于打擊酒精受損駕駛的主要手段。然而，由于體內(nèi)酒量測(cè)定器系統(tǒng)通常是引人注目、笨重且對(duì)駕駛員的傷害非常大的，因此體內(nèi)酒量測(cè)定器系統(tǒng)對(duì)已經(jīng)接受授權(quán)使用該系統(tǒng)的酒后駕駛(DUI)違法者的達(dá)標(biāo)率很低。需要的是車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是非入侵式的，以至于它的使用率與駕駛?cè)蝿?wù)無(wú)縫
纟口口。已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種其他的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)嘗試在駕駛員開車之前或開車的過(guò)程中測(cè)量駕駛員的損害并打擊醉酒駕駛。一些系統(tǒng)已經(jīng)嘗試通過(guò)要求駕駛員在給定的時(shí)間內(nèi)以任意的順序按動(dòng)按鈕來(lái)直接測(cè)量駕駛員的損害。其他系統(tǒng)已經(jīng)嘗試通過(guò)測(cè)量組織酒精濃度或呼吸酒精濃度來(lái)確定駕駛員的血液酒精濃度。然而，這些系統(tǒng)的復(fù)雜性、費(fèi)用和侵入性通常使得它們不適合廣泛使用和不能達(dá)標(biāo)。此外，存在各種干擾物(非酒精的物質(zhì))時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)中許多裝置的準(zhǔn)確性大大降低。比如丁烷、汽油、香水或者含酒精產(chǎn)品的這些干擾物，可示意或混淆現(xiàn)有技術(shù)的傳感器以顯示出假陽(yáng)性或不能顯示出潛伏酒精的存在。需要的是一種能夠快速、準(zhǔn)確地確定駕駛員血液中酒精的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在存在任何干擾物時(shí)無(wú)創(chuàng)地進(jìn)行該確定、并適合于廣泛使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)和方法，用于使用一組嵌入到任何機(jī)動(dòng)車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的傳感器來(lái)檢測(cè)駕駛員血液中酒精的存在，并在駕駛員開始喝入酒精的幾分鐘內(nèi)且存在干擾物時(shí)透皮地、快速地、準(zhǔn)確地并無(wú)創(chuàng)地確定駕駛員血液中酒精的濃度。該車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)的元件足夠緊湊，以便裝配在機(jī)動(dòng)車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)內(nèi)部，并且，該車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)是醉酒駕駛防止系統(tǒng)的一個(gè)組件，該醉酒駕駛防止系統(tǒng)可合并入機(jī)動(dòng)車內(nèi)，該機(jī)動(dòng)車可防止攝取了酒精或者其血液酒精濃度(BAC，Blood Alcohol Concentration)超過(guò)預(yù)設(shè)限制的駕駛員開車。通過(guò)測(cè)量駕駛員的透皮吸收酒精濃度(TAC，Transdermal Alcohol Concentration)來(lái)檢測(cè)駕駛員血液中酒精的存在。駕駛員的透皮吸收酒精濃度可按如下操作進(jìn)行測(cè)量通過(guò)收集駕駛員手中散發(fā)的已排出汗液的(pre-perspiratory)蒸氣，將傳感器陣列放入蒸氣中，然后使用圖像識(shí)別文庫(kù)以及相關(guān)的圖像識(shí)別、分析物鑒別和干擾物辨別算法，以處理傳感器反應(yīng)數(shù)據(jù)。如果測(cè)量出TAC大于0，那么可知酒精存在于駕駛員的血液中，并且在零容忍的情況下激活合適的互鎖裝置(interlock)。利用車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)也可確定實(shí)際的BAC水平，通過(guò)首先測(cè)量駕駛員的TAC，然后使用靜脈注射人體試驗(yàn) (Intravenous Human Testing)中得出的查找表數(shù)據(jù)庫(kù)，以發(fā)現(xiàn)與該駕駛員的TAC對(duì)應(yīng)的 BAC0該數(shù)據(jù)庫(kù)可包括針對(duì)該駕駛員的生理和代謝信息。顯然，即使存在干擾物，本發(fā)明可進(jìn)行準(zhǔn)確的TAC測(cè)量。這是由于一個(gè)或多個(gè)化學(xué)電容傳感器陣列、以及相關(guān)的圖像識(shí)別、分析物鑒別和干擾物辨別算法的獨(dú)特組合，該獨(dú)特組合能夠?qū)Τ霈F(xiàn)的分析物進(jìn)行鑒別和量化。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)傳感器陣列中的化學(xué)電容傳感器涂覆如化學(xué)吸收劑聚合物的選擇性吸收材料(Selectively Absorbing Material)作為電介質(zhì)。酒精和干擾物(分析物)被吸收到該電介質(zhì)中，改變電介質(zhì)的介電常數(shù)并導(dǎo)致該傳感器電容增大或減小?？蓪?duì)電容的變化進(jìn)行電學(xué)檢測(cè)和測(cè)量。設(shè)計(jì)這些傳感器，使得至少兩個(gè)傳感器對(duì)相同的分析物有不同的響應(yīng)。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，選擇吸收特定目標(biāo)分析物的聚合物?；谶@種聚合物的吸收目標(biāo)分析物的能力，每個(gè)傳感器具有特定的和不同的聚合物涂層。每個(gè)聚合物涂層以不同的方式對(duì)每個(gè)分析物做出反應(yīng)。通過(guò)傳感器檢測(cè)時(shí)，不同的酒精濃度或酒精/干擾物混合物將產(chǎn)生不同的電容變化，以至于產(chǎn)生不同的傳感器反應(yīng)。因此，不同的酒精濃度或化學(xué)混合物將產(chǎn)生傳感器反應(yīng)尖峰信號(hào)的確切、獨(dú)特且可辨別的圖像，通過(guò)同時(shí)查看傳感器陣列上的各個(gè)傳感器反應(yīng)，可觀察到這些傳感器反應(yīng)尖峰信號(hào)。然后，通過(guò)圖像識(shí)別文庫(kù)處理產(chǎn)生的反應(yīng)圖像，該文庫(kù)包含大量的圖像化反應(yīng) (Patterned Response)，這些圖像化反應(yīng)對(duì)應(yīng)于酒精的傳感器輸出以及針對(duì)每個(gè)不同聚合物的潛在干擾物的傳感器輸出。針對(duì)每個(gè)不同的聚合物，在多種濃度、溫度和濕度水平下測(cè)量和記錄對(duì)每個(gè)分析物的反應(yīng)，并將這些反應(yīng)儲(chǔ)存在圖像識(shí)別文庫(kù)中。處理器利用圖像識(shí)別、分析物鑒別和干擾物辨別算法對(duì)蒸氣中的分析物進(jìn)行分類，即對(duì)分析物進(jìn)行鑒別和量化。在化學(xué)電容傳感器陣列中，在每個(gè)傳感器中使用不同的聚合物，如此，除了可增加更大的冗余度和精確度，還可提供干擾物抑制的基礎(chǔ)。化學(xué)電容傳感器陣列還可同其他傳感器技術(shù)相結(jié)合使用，比如用于增加靈敏度和干擾物鑒別的電阻式化學(xué) (chemi-resistive)傳感器、金屬氧化物傳感器和電化學(xué)傳感器。將每個(gè)傳感器聚合物組合(knsor-polymer Combination)的輸出饋入圖像識(shí)別文庫(kù)中針對(duì)該聚合物的通道。對(duì)于每個(gè)傳感器聚合物組合，這同時(shí)發(fā)生在各個(gè)單獨(dú)通道中。 然后，根據(jù)圖像識(shí)別算法處理每個(gè)聚合物通道的傳感器反應(yīng)，以鑒別從所給定的傳感器聚合物組合中產(chǎn)生這種信號(hào)的分析物的可能組合。接下來(lái)，使用分析物鑒別和辨別算法來(lái)確定出現(xiàn)的每個(gè)分析物的特性(identity)和濃度。在“零容忍”系統(tǒng)的情況下，僅鑒別酒精的存在就是足夠的。對(duì)于BAC的計(jì)算，這些算法利用圖像識(shí)別文庫(kù)中的輸出來(lái)鑒別和量化這些傳感器檢測(cè)到的分析物。這些算法可包括線性回歸建模、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和/或統(tǒng)計(jì)分析，用于說(shuō)明圖像識(shí)別文庫(kù)輸出，以鑒別和量化出現(xiàn)的分析物。一旦完成鑒別和量化，就從整個(gè)傳感器陣列的反應(yīng)中刪除干擾物引起的傳感器反應(yīng)。如此，可得到準(zhǔn)確的TAC測(cè)量結(jié)果，然后可使用嵌入的人體試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)將該TAC測(cè)量結(jié)果與駕駛員相應(yīng)的BAC相關(guān)聯(lián)，該人體試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)可包括駕駛員的生理數(shù)據(jù)。本發(fā)明的目的之一在于提供一個(gè)可廣泛使用、并在存在干擾物時(shí)能夠快速、準(zhǔn)確并無(wú)創(chuàng)地確定駕駛員的血液中是否存在酒精的系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于提供一個(gè)可廣泛使用的、并在存在干擾物時(shí)能夠快速準(zhǔn)確并無(wú)創(chuàng)地確定駕駛員的實(shí)際BAC水平的系統(tǒng)。


圖1為根據(jù)本發(fā)明操作的傳感器陣列的示意圖；圖2為確定機(jī)動(dòng)車駕駛員的透皮吸收酒精濃度(TAC)并將該TAC發(fā)送到該機(jī)動(dòng)車內(nèi)的系統(tǒng)的過(guò)程的操作流程圖；圖3示出了傳感器反應(yīng)尖峰信號(hào)的圖像；圖4為根據(jù)本發(fā)明建立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的俯視圖；圖5為確定機(jī)動(dòng)車駕駛員的血液酒精濃度(BAC)并將該BAC發(fā)送到該機(jī)動(dòng)車內(nèi)的系統(tǒng)的過(guò)程的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出了一種車內(nèi)酒精檢測(cè)的系統(tǒng)和方法，該車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)和方法使用化學(xué)電容傳感器陣列、圖像識(shí)別文庫(kù)以及相關(guān)的圖像識(shí)別、分析物鑒別和干擾物辨別算法的組合，以在駕駛員開始喝入酒精的幾分鐘內(nèi)并存在干擾物的情況下快速、準(zhǔn)確并無(wú)創(chuàng)地透皮檢測(cè)駕駛員血液中酒精的存在。然后，該系統(tǒng)向車輛決策模塊(Vehicle Decision Module)指示駕駛員血液中存在或不存在酒精，允許該車輛決策模塊決定允許還是阻止駕駛員駕駛機(jī)動(dòng)車輛。通常，車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)使用的一個(gè)或多個(gè)傳感器陣列包括多個(gè)傳感器。該陣列內(nèi)的至少兩個(gè)單獨(dú)的傳感器以不同的方式對(duì)相同的分析物進(jìn)行響應(yīng)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，這些傳感器為化學(xué)電容傳感器，并且每個(gè)傳感器具有自己獨(dú)特的聚合物涂層。這些傳感器基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)裝置，將電容的變化作為被測(cè)量的對(duì)象。更具體地，該傳感器陣列由圖1所示的多個(gè)電極對(duì)構(gòu)成。該電極對(duì)中的每個(gè)部件 (member)為驅(qū)動(dòng)電極或感應(yīng)電極。通常，傳感器陣列20包括基底1。在一個(gè)非限制性的實(shí)例中，將屏蔽層4配置在基底1的表面上。使用不同的聚合物感應(yīng)材料7a-7d涂覆各種電極對(duì)。每個(gè)電極對(duì)具有不同的且單獨(dú)的聚合物。感應(yīng)電極對(duì)12、13、14和15中的每個(gè)都包含各自的驅(qū)動(dòng)電極10和感應(yīng)電極11，將該電極提高到基底1的表面之上。各個(gè)內(nèi)腔(bore) 16提供通道，用于將聚合物7a_7d填充到傳感器聚合物7a-7d內(nèi)。通風(fēng)孔(vent) 17允許蒸氣進(jìn)入和離開各個(gè)傳感器。這些微電容傳感器為MEMS裝置，它們既可為固定的圓形平板形式，該圓形平板的直徑通常為350微米，也可為高位叉指型傳感器元件(element)，這些元件大約400微米X500微米，具有電極對(duì)12、13、14和15 (每個(gè)柱通常相隔3. 5微米)的間隔的感應(yīng)電極11和驅(qū)動(dòng)電極10，感應(yīng)電極11和驅(qū)動(dòng)電極10平行布置，并由2微米高的絕緣柱 (Insulating Post)支撐，該絕緣柱位于更下面的基底1上。目標(biāo)分析物和聚合物7之間的交互更改了該聚合物的電介質(zhì)屬性，導(dǎo)致傳感器的電容在皮法(PF)范圍內(nèi)變化。所述MEMS 裝置可包括模擬放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、以及用于校準(zhǔn)、線性化、溫度與濕度補(bǔ)償?shù)臄?shù)字智能設(shè)備。聚合物吸收分析物的量取決于聚合物的化學(xué)屬性。通過(guò)實(shí)例，非極性聚合物容易吸收非極性分析物。相反，極性聚合物容易吸收極性分析物。因此，選擇傳感器的不同聚合物涂層，用于存在預(yù)期的干擾物的情況下分析物酒精的檢測(cè)。從基線(baseline)測(cè)量傳感器反應(yīng)尖峰信號(hào)，使得該化學(xué)濃度越高，可觀察到的反應(yīng)就越大；比如由電容變化引起的電壓隨時(shí)間的變化。傳感器陣列20還可包括用于環(huán)境濕度和溫度的傳感器。這些傳感器可為與基底 1整體制造的MEMS。然而，也可用分離的部件形成傳感器。每個(gè)傳感器陣列20內(nèi)的多個(gè)傳感器(電極對(duì)12-1 對(duì)恰當(dāng)干擾物的剔除是至關(guān)重要的。通常，當(dāng)存在干擾的化學(xué)物質(zhì)時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)時(shí)酒精探測(cè)器容易產(chǎn)生虛假讀數(shù)。 個(gè)別地，傳感器12、13、14或15中的任何一個(gè)可能無(wú)法區(qū)分酒精和干擾物，但當(dāng)結(jié)合使用多個(gè)傳感器時(shí)，可鑒別和量化各個(gè)分析物。通過(guò)比較多個(gè)涂覆有不同的聚合物的化學(xué)電容器的反應(yīng)，就能夠利用產(chǎn)生的聚合物反應(yīng)圖像將干擾物從酒精中區(qū)分開。為了可靠地測(cè)量透皮吸收酒精濃度(TAC)，車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)獲取傳感器陣列20 的輸出，鑒別和量化所有檢測(cè)的分析物，然后減去干擾物對(duì)整個(gè)傳感器反應(yīng)的貢獻(xiàn)，若有的話，僅僅剩下酒精的貢獻(xiàn)。傳感器陣列20可由十個(gè)傳感器通過(guò)非限制性實(shí)例構(gòu)成(根據(jù)上述的圖1可構(gòu)造每個(gè)傳感器)，每個(gè)傳感器涂覆有不同的聚合物7以最大化化學(xué)空間的覆蓋范圍。當(dāng)存在分析物時(shí)，每個(gè)傳感器會(huì)產(chǎn)生各自的具有變化高度峰值的輸出信號(hào)。該峰值高度與分析物的濃度成比例，反過(guò)來(lái)，該峰值高度為傳感器涂覆的聚合物的函數(shù)。在最好的情況下，至少一個(gè)傳感器將給每個(gè)分析物提供獨(dú)特的信號(hào)峰值，并且至少兩個(gè)傳感器在相同分析物存在的情況下產(chǎn)生不同的信號(hào)。即使存在具有寬的頻譜范圍內(nèi)的可能的干擾物時(shí)，傳感器陣列20 中的每個(gè)傳感器生成由各個(gè)變化引起的傳感器反應(yīng)的圖像，允許酒精或任何其他目標(biāo)分析物的檢測(cè)、鑒別和測(cè)量。此外，通過(guò)鑒別聚合物最大化檢測(cè)和系統(tǒng)應(yīng)用，這些聚合物對(duì)可能的干擾物中的目標(biāo)分析物(比如酒精)具有獨(dú)特反應(yīng)。車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)的第二元件是使用圖像識(shí)別文庫(kù)以及相關(guān)的圖像識(shí)別、分析物鑒別和干擾物辨別算法，在存在干擾物的情況下鑒別和測(cè)量酒精。中央處理器(CPU)利用儲(chǔ)存在圖像識(shí)別文庫(kù)中的數(shù)據(jù)，通過(guò)使用圖像識(shí)別算法鑒別和量化這些傳感器檢測(cè)的分析物。該文庫(kù)包含反應(yīng)圖像，這些反應(yīng)圖像表示每種聚合物反應(yīng)出來(lái)的酒精和干擾物的不同混合狀態(tài)和濃度。然后使用可包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)分析的分析技術(shù)(下面討論)從每個(gè)單獨(dú)信號(hào)的分析中提取TAC的值。通過(guò)鑒別和量化出現(xiàn)的分析物，并從整個(gè)反應(yīng)中減去干擾物的反應(yīng)部分，來(lái)確定實(shí)際的TAC。這就產(chǎn)生了每個(gè)傳感器聚合物組合的TAC水平值。 接下來(lái)可對(duì)(A)具有或沒有酒精、或者(B)出現(xiàn)的酒精的實(shí)際值，進(jìn)行概率性確定。在優(yōu)選的實(shí)施例中，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)一套實(shí)例學(xué)習(xí)輸入輸出映射。在這種情況下，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將圖像識(shí)別文庫(kù)的輸出當(dāng)作輸入，并且產(chǎn)生TAC作為網(wǎng)絡(luò)的輸出。在優(yōu)選的非限制性的實(shí)例中，也可包括溫度和濕度傳感器的輸入，以彌補(bǔ)周圍環(huán)境對(duì)這些傳感器的影響。考慮到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和輸入圖像(即圖像識(shí)別文庫(kù))的訓(xùn)練集， 根據(jù)每個(gè)聚合物反應(yīng)圖像，可變權(quán)值的集合確定該網(wǎng)絡(luò)的輸出。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括這些因素如網(wǎng)絡(luò)類型、每層中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和這些節(jié)點(diǎn)之間的連接。可按照如下步驟開發(fā)初始神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1)從各種解決方法中的初始集合[總體 (populations)]開始，其中，所述解決方法是為實(shí)現(xiàn)某個(gè)目標(biāo)的候選策略；2)隨機(jī)改變(如轉(zhuǎn)變和/或重組)現(xiàn)有數(shù)據(jù)總體中的一些或所有個(gè)體；幻根據(jù)各個(gè)特定目標(biāo)定量地評(píng)估該總體中每個(gè)個(gè)體的價(jià)值；4)利用選擇規(guī)則從總體中選擇各解決方法的子集作為下一代的母體(parents) ；5)除非滿足了停止準(zhǔn)則(halting criterion)，否則返回到步驟2?，F(xiàn)在參見圖3，該圖中顯示了傳感器反應(yīng)尖峰信號(hào)19的圖形，傳感器反應(yīng)尖峰信號(hào)19表示隨時(shí)間變化的電壓信號(hào)，該信號(hào)是由各個(gè)傳感器陣列20對(duì)各種分析物的交互作用產(chǎn)生的。每個(gè)傳感器，正如表示傳感器陣列20內(nèi)不同聚合物涂層的傳感器P1-P7，展示了對(duì)所示特定分析物A1-A5的不同反應(yīng)。每個(gè)傳感器P1-P7在這些傳感器周圍的環(huán)境下檢測(cè)這些特定分析物的存在或不存在。選擇具體的聚合物以對(duì)目標(biāo)分析物進(jìn)行鑒別。當(dāng)暴露于不同濃度的特定分析物中時(shí)，每個(gè)聚合物產(chǎn)生獨(dú)特類型的信號(hào)峰值圖像，包括根本沒有峰值的圖像。通常，特定分析物的濃度越高，峰值就越大。反應(yīng)的獨(dú)特性能夠產(chǎn)生匹配文庫(kù)的圖像。對(duì)每種分析物設(shè)置的每種傳感器聚合物的獨(dú)特圖像反應(yīng)，也能夠使計(jì)算裝置160利用圖像識(shí)別文庫(kù)和基于鑒別及量化算法116的相關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用這一系列的傳感器反應(yīng) 19對(duì)酒精的存在或不存在進(jìn)行判斷。現(xiàn)在參見附圖，尤其是圖2，示出了車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)的操作流程圖。當(dāng)暴露于已排出汗液的蒸氣中時(shí)，傳感器陣列20內(nèi)的各個(gè)傳感器12-15產(chǎn)生獨(dú)特的傳感器反應(yīng)尖峰信號(hào)19a-19n。綜合來(lái)看，這些傳感器反應(yīng)尖峰信號(hào)19a-19n形成傳感器陣列反應(yīng)圖像，該圖像為圖像識(shí)別文庫(kù)116及其相關(guān)聯(lián)的圖像識(shí)別、分析物鑒別和干擾物辨別算法118提供輸入。如上所述，圖像識(shí)別文庫(kù)116包括多個(gè)圖像，這些圖像經(jīng)驗(yàn)上通過(guò)控制試驗(yàn)程序得出， 對(duì)應(yīng)于潛在的反應(yīng)圖像19。專用集成電路(ASIC)或CPU 160使用這些鑒別和量化算法處理圖像識(shí)別文庫(kù)116的輸出，確定TAC水平。正如下面將要說(shuō)明的，所述CPU和圖像識(shí)別文庫(kù)116構(gòu)成了計(jì)算裝置160的一部分。CPU 160將通過(guò)通道基礎(chǔ)(Channel Basis)在通道上的每個(gè)傳感器輸出與儲(chǔ)存在圖像匹配文庫(kù)116中的已知反應(yīng)進(jìn)行比較，以在每個(gè)通道基礎(chǔ)上產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)匹配162。然后，在表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)118的非限制性的實(shí)施例中，根據(jù)這些算法由CPU 116處理圖像的匹配結(jié)果162，以根據(jù)匹配結(jié)果162確定酒精的存在和/或存在的酒精的量的概率，該概率反過(guò)來(lái)是傳感器陣列輸出19的比較結(jié)果的函數(shù)。換言之，計(jì)算裝置160使用圖像識(shí)別文庫(kù)116的輸出，來(lái)鑒別和量化傳感器檢測(cè)到的包括酒精在內(nèi)的分析物。這樣，會(huì)得到TAC水平值。接下來(lái)，將生成的TAC測(cè)量值提供給機(jī)動(dòng)車上各個(gè)特定的元件。作為這種元件中的一個(gè)，車輛決策模塊(VDM) 119，會(huì)激活電氣或機(jī)械元件如車輛互鎖裝置117，以在零容忍的實(shí)施例中防止TAC測(cè)量值大于0的任何車輛移動(dòng)。這種元件中的另一個(gè)，駕駛員信息接口(DII) 122，提供數(shù)字或發(fā)光二極管(LED)顯示器，該顯示器可從駕駛員的座位上看到，用于指示酒精存在、酒精不存在、或該駕駛員的BAC值。此外，還會(huì)記錄可包括時(shí)間、溫度和濕度的信息?，F(xiàn)在參見圖4，一種車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)施例的各個(gè)元件(通常表示為100)安裝在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中，如圖所示。安裝有一個(gè)或多個(gè)采集點(diǎn)110，優(yōu)選地，在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)100邊緣部分的背面上安裝一個(gè)或多個(gè)采集點(diǎn)110，并將這些采集點(diǎn)安裝在便于從駕駛員的手掌上采集已排出汗液的蒸氣的位置上。這些采集點(diǎn)Iio通過(guò)惰性管(Inert Tubing) 130機(jī)械地連接到位于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中心的傳感器設(shè)備120中。傳感器設(shè)備120連接到并使用低壓(通常12 伏)直流電源，并且使用微型氣泵140將已排出汗液的蒸氣從通過(guò)惰性管130的采集點(diǎn)110 牽引入傳感器設(shè)備120中。在傳感器設(shè)備120處也測(cè)量環(huán)境溫度和濕度。一旦已排出汗液的蒸氣到達(dá)傳感器設(shè)備120，該已排出汗液的蒸氣就指向傳感器陣列150，在該陣列中，該已排出汗液的蒸氣暴露在傳感器陣列150(例如具有傳感器陣列 20的結(jié)構(gòu))之內(nèi)的各種聚合物中。如上所述，通過(guò)分別在η個(gè)傳感器12-15上的聚合物和已排出汗液的蒸氣之間的交互作用，生成傳感器的電容反應(yīng)圖像。與環(huán)境溫度和濕度測(cè)量結(jié)果一起，將電容反應(yīng)圖像19轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)并通過(guò)電氣連接傳送到計(jì)算裝置160中。將計(jì)算裝置160電連接到傳感器設(shè)備120中，使得該計(jì)算裝置160可從傳感器陣列接收需要的輸入數(shù)據(jù)。計(jì)算裝置160包括處理單元、用于儲(chǔ)存圖像識(shí)別文庫(kù)116的存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒介、以及輸入和輸出端口 ；其中，在該處理單元中運(yùn)行圖像識(shí)別、分析物鑒別和干擾物辨別算法。所述圖像識(shí)別算法一旦接收輸入，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用所述輸入產(chǎn)生TAC 輸出。然后，硬線連接地或無(wú)線地將該TAC輸出發(fā)送給特定的車輛系統(tǒng)117、119和122?，F(xiàn)在參見圖5，示出了一種車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)的可替代操作實(shí)施例的操作流程圖。 使用相似的數(shù)字指示相似的結(jié)構(gòu)；主要的不同之處在于利用數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)TAC來(lái)確定BAC。當(dāng)暴露于已排出汗液的蒸氣和可能的其他干擾物時(shí)，傳感器12-15中的每個(gè)都會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)尖鋒信號(hào)19a-19n。綜合來(lái)看，這些傳感器反應(yīng)尖鋒信號(hào)形成傳感器反應(yīng)圖像19， 傳感器反應(yīng)圖像19給圖像識(shí)別文庫(kù)116提供輸入。計(jì)算裝置160利用圖像識(shí)別文庫(kù)116的輸出和相關(guān)聯(lián)的圖像識(shí)別、分析物鑒別和干擾物辨別算法118，根據(jù)輸入信號(hào)圖像識(shí)別和量化傳感器陣列20所檢測(cè)到的分析物。通過(guò)執(zhí)行這些處理算法如上面所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)118， 獲得TAC的測(cè)量結(jié)果。在該實(shí)施例中，然后將生成的TAC值輸入到數(shù)據(jù)庫(kù)或查找表30中，利用該數(shù)據(jù)庫(kù)或查找表30，通過(guò)計(jì)算裝置160將TAC值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的BAC值。在優(yōu)選實(shí)施例中，數(shù)據(jù)庫(kù) 30從人體試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出來(lái)，并且該數(shù)據(jù)庫(kù)可使用通過(guò)擴(kuò)展人體靜脈試驗(yàn)收集的駕駛員特定信息和常規(guī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將駕駛員的BAC和該駕駛員的TAC相關(guān)聯(lián)。該駕駛員特定信息可包括，但不限于生理數(shù)據(jù)如性別、年齡和身體質(zhì)量指數(shù)(BMI，Body Mass hdex)。在該實(shí)施例中，將BAC提供給車輛決策模塊117和駕駛員信息接口 122。只要駕駛員的BAC值高于建立該系統(tǒng)時(shí)所選擇的預(yù)設(shè)限制，該實(shí)施例中的車輛決策模塊117就制動(dòng)車輛。該實(shí)施例中， 駕駛員信息接口 122提供從駕駛員的座位上可看到的BAC值的顯示(數(shù)字或LED)。上述實(shí)例與機(jī)動(dòng)車的方向盤有關(guān)。然而，本發(fā)明可應(yīng)用于任何車輛操作控制或利用手控的機(jī)械設(shè)備。如上所述，通過(guò)提供傳感器陣列和圖像匹配文庫(kù)，根據(jù)算法分析處理， 可提供用于任何與車輛和/或重型機(jī)械設(shè)備相關(guān)的操作控制的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)防止操作人員在喝入酒精的情況下操作該裝置。而且，雖然上述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與CPU或ASIC芯片執(zhí)行的算法分析有關(guān)，但是可使用其他統(tǒng)計(jì)模型，根據(jù)感測(cè)操作人員的已排出汗液的蒸氣預(yù)測(cè)TAC水平存在的概率。最后，本發(fā)明可以通過(guò)實(shí)例的方式使用化學(xué)電容傳感器陣列。本發(fā)明可使用能夠針對(duì)已排出汗液的蒸氣的存在產(chǎn)生獨(dú)特的傳感器圖像的其他傳感器技術(shù)， 如電阻式化學(xué)傳感器、金屬氧化物傳感器和電化學(xué)傳感器。 本發(fā)明在本文中已經(jīng)顯示和描述了認(rèn)為是最實(shí)際和優(yōu)選的實(shí)施例。然而，需要認(rèn)識(shí)到的是，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變更，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)進(jìn)行顯而易見的修改。上述技術(shù)的其他直接應(yīng)用包括但不限于飛機(jī)、火車、輪船、重型設(shè)備和核反應(yīng)堆中的轉(zhuǎn)向或控制機(jī)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種用于探測(cè)和測(cè)量血液中酒精的設(shè)備，其特征在于，包括傳感器陣列，配置為處理人體散發(fā)的已排出汗液的蒸氣，所述已排出汗液的蒸氣包含一個(gè)或多個(gè)分析物；所述傳感器陣列中的各個(gè)傳感器，配置為對(duì)出現(xiàn)的分析物產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)；至少一個(gè)傳感器對(duì)分析物酒精產(chǎn)生可識(shí)別的信號(hào)；該傳感器陣列中至少兩個(gè)傳感器相同的分析物產(chǎn)生不同的響應(yīng)信號(hào)；圖像識(shí)別文庫(kù)，配置為儲(chǔ)存對(duì)應(yīng)于所述傳感器陣列一個(gè)或多個(gè)輸出的信號(hào)圖像；計(jì)算裝置，配置為接收來(lái)自所述傳感器陣列中的各個(gè)輸出，比較所述陣列輸出與儲(chǔ)存在所述圖像識(shí)別文庫(kù)中的所述信號(hào)圖像，并根據(jù)該比較結(jié)果確定透皮吸收酒精含量測(cè)量結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述計(jì)算裝置通過(guò)對(duì)圖像識(shí)別文庫(kù)的輸出進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，確定透皮吸收酒精含量測(cè)量結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述傳感器的輸出是出現(xiàn)目標(biāo)分析物時(shí)電容變化的函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述傳感器陣列中的至少一個(gè)傳感器為環(huán)境濕度的傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，所述傳感器陣列中的至少一個(gè)傳感器為環(huán)境溫度的傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述計(jì)算裝置通過(guò)確定對(duì)應(yīng)于干擾物的陣列輸出的部分并通過(guò)從陣列輸出中減去由干擾物引起的信號(hào)部分，確定透皮吸收酒精含量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備配置在車輛內(nèi)，該車輛包括操作控制器，至少傳感器配置在該操作控制器內(nèi)，該操作控制器為運(yùn)轉(zhuǎn)該車輛與該車輛的使用者相接觸；該車輛還包括與所述計(jì)算裝置通信并根據(jù)透皮吸收酒精含量測(cè)量結(jié)果從計(jì)算裝置接收信號(hào)的車輛決策模塊，該車輛決策模塊根據(jù)透皮吸收酒精含量測(cè)量結(jié)果阻止車輛移動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述操作控制器為方向盤。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述圖像識(shí)別文庫(kù)和計(jì)算裝置配置在所述操作控制器上。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備還包括駕駛員信息接口，該駕駛員信息接口配置為從所述計(jì)算裝置接收輸出信號(hào)并為車輛操作員提供可視的、指示操作員血液中存在或不存在酒精的顯示。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備還包括人體數(shù)據(jù)庫(kù)，該人體數(shù)據(jù)庫(kù)配置為儲(chǔ)存用于將透皮吸收酒精含量測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換成血液酒精含量測(cè)量結(jié)果的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，將所述計(jì)算裝置可操作地連接到該人體數(shù)據(jù)庫(kù)以確定人的血液酒精含量。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備還包括駕駛員信息接口，該駕駛員信息接口配置為從所述計(jì)算裝置接收輸出信號(hào)并為車輛操作員提供可視的、指示操作員血液中存在或不存在酒精濃度的顯示。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述計(jì)算裝置配置為通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析圖像識(shí)別文庫(kù)的輸出確定透皮吸收酒精含量和測(cè)量結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可在喝入酒精的幾分鐘內(nèi)并存在干擾物時(shí)透皮并無(wú)創(chuàng)地、快速且準(zhǔn)確地檢測(cè)與測(cè)量機(jī)動(dòng)車駕駛員血液中酒精的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)包括嵌入機(jī)動(dòng)車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的傳感器陣列、通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析各種組合和濃度下的各種分析物產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)、用于確定駕駛員透皮吸收酒精濃度的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識(shí)別算法、以及從人體試驗(yàn)中得出的數(shù)據(jù)庫(kù)，該人體試驗(yàn)將駕駛員透皮吸收酒精濃度與駕駛員血液酒精濃度相關(guān)聯(lián)。所述檢測(cè)系統(tǒng)與機(jī)動(dòng)車決策模塊相結(jié)合，該機(jī)動(dòng)車決策模塊可防止血液酒精濃度(BAC)超過(guò)預(yù)設(shè)限制的駕駛員駕駛機(jī)動(dòng)車。
文檔編號(hào)A61B5/00GK102438510SQ201080022201
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2010年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者丹尼斯·貝爾哈穆爾, 凱瑟琳·卡羅爾, 約翰·卡羅爾 申請(qǐng)人:索比爾轉(zhuǎn)向傳感器公司