Un etilometro non invasivo

Gli etilometri vengono utilizzati per rilevare e misurare il tasso alcolico presente nell’aria emessa dai polmoni del soggetto sotto esame, utilizzando tecniche non invasive. Sono stati inventati da Robert Frank Borkenstein. Si tratta di dispositivi che forniscono una stima della concentrazione alcolica nel sangue o Bac (Blood alcohol concentration) espressa utilizzando unità di misura previste dalla normativa. Sebbene il volume di aria espirata dal soggetto sotto osservazione contenga solo un piccolo quantitativo di concentrazione di alcol, i risultati riflettono in modo relativamente preciso i valori reali. Gli etilometri di questo tipo si basano sul fatto che l’alcol evapora dal sangue in circolo nel corpo e si mescola all’aria contenuta nei polmoni. Dopo che l’alcol è stato assorbito dagli organi preposti alla digestione, entra in circolo nel sangue. Durante la respirazione, l’ossigeno contenuto nell’aria dei polmoni viene trasferito al sangue e l’anidride carbonica del sangue passa ai polmoni per essere espirata. Nei soggetti ubriachi, oltre all’anidride carbonica viene rilasciata nei polmoni anche una modesta quantità di alcol in seguito a un processo di scambio gassoso. In base alla legge di Henry, la quantità di alcol presente nel fiato di un individuo dipende dalla concentrazione di alcol nel sangue. In situazione di equilibrio, il rapporto tra il tasso alcolico nel sangue e nel fiato, detto Brac (Breath alcohol concentration) è di 2300:1 ed è costante.
Per ottenere una misura affidabile del tasso alcolico nel sangue, il fiato deve essere prelevato nella posizione più prossima possibile al vaso sanguigno. Nei polmoni sono presenti piccoli capillari profondi detti alveoli molto prossimi ai vasi sanguigni da cui sono separati solo da una membrana sottile. L’anidride carbonica proveniente dai vasi sanguigni viene emessa dagli alveoli assieme al contenuto alcolico. Il tasso alcolico nel fiato misura il livello di intossicazione di una persona in un momento specifico. I risultati possono subire variazioni nel corso della giornata. Il valore del tasso alcolico Bac deve risultare tanto più elevato quanto maggiore è il volume di alcol consumato. Se un individuo interrompe il consumo di alcol, il suo Bac può continuare ad aumentare perché parte dell’alcol precedentemente assunto può non essere ancora stato assorbito dal sangue al momento in cui è stata eseguito il prelievo iniziale. Dopo un periodo di tempo adeguato successivo all’interruzione del consumo, il livello di alcol nel sangue deve iniziare a diminuire, di conseguenza si riduce il tasso alcolico Bac. La continua richiesta di etilometri portatili, precisi, semplici da calibrare e utilizzare, in grado di garantire la sicurezza dei dati e potenzialmente integrabili con i moderni smartphone, ha suggerito a STMicroelectronics lo sviluppo di un etilometro basato sulla tecnologia embedded. L’architettura è compatta e semplice da calibrare anche da parte dell’utente con una connessione Nfc. L’impiego di una pompa di aria a solenoide ad alta qualità e di un sensore fuel-cell permette inoltre a questi dispositivi di generare misure precise.

Pompa di aria a solenoide

Il campione viene prelevato tramite una pompa di aria a solenoide e inviato successivamente al sensore su wafer (fuel-cell). Il sensore viene attivato per un intervallo di tempo predefinito, per esempio 200 mS. Il campione viene poi espulso tramite la pompa a solenoide per resettare il sensore in attesa del prelievo di un campione successivo. La procedura prevede quindi tre diverse fasi: Sampling, Holding e Reset. L’area della pompa di aria a solenoide è direttamente proporzionale al volume del campione. L’area di campionamento può essere ridotta proporzionalmente al volume del campione senza alcun effetto negativo sulla accuratezza di lettura del sensore. Per ottenere una misura precisa è sufficiente un campione con un volume compreso tra 0,25 e 0,50 cm3. È preferibile utilizzare una pompa di aria a solenoide di piccolo diametro anche se ciò significa una maggiore complessità dell’elettronica associata, poiché si riduce l’ampiezza del segnale e di conseguenza il rapporto tra segnale e rumore.

Sensori per l’etilometro

Il campionamento del fiato viene effettuato dal sensore Breath Analyzer. Esistono diversi tipi di sensore per questa applicazione: sensori fuel-cell, sensori a semiconduttore e a spettrofotometria. Ciascuno ha dei vantaggi e delle limitazioni rispetto agli altri.

  • I sensori per etilometro basati su fuel-cell elettrochimiche sono dispositivi che generano una corrente elettrica come risultato di una reazione chimica che avviene sulla superficie di un elettrodo. Nei sensori fuel-cell l’alcol è oggetto di una reazione di ossidazione chimica sulla superficie dell’elettrodo catalitico che dà origine a una risposta elettrica quantitativa. Questi sensori sono estremamente specifici e sensibili all’alcol e la misura che producono non può essere influenzata da sostanze diverse come acetone, monossido di carbonio o toluene. Hanno un’elevata stabilità di calibrazione e una vita utile di circa cinque anni. Questi sensori non sono in grado di rilevare se il campione di fiato è di provenienza alveolare. Ciò significa che possono generare valori erroneamente elevati se il soggetto ha bevuto di recente e ha ancora dell’alcol in bocca.
  • I sensori a semiconduttore rappresentano un metodo conveniente per misurare il tasso alcolico nel fiato anche se con alcuni compromessi sull’affidabilità e accuratezza. La tecnologia a semiconduttore utilizza un sensore a ossidi per misurare la reattività tra l’ossido di stagno del sensore e le molecole di etanolo nel campione di fiato. Quando le molecole di etanolo vengono a contatto con l’ossido di stagno la reazione modifica la resistenza elettrica del sensore. Il semiconduttore misura questa differenza e calcola una stima del tasso alcolico Bac del campione. Si tratta di sensori a prezzo conveniente grazie al costo ridotto di produzione, adatti soprattutto a sistemi portatili a basso consumo. L’aspetto negativo è rappresentato dalla loro instabilità e dalla elevata sensibilità all’atmosfera e all’altitudine.
  • La tecnologia a spettrofotometria viene utilizzata negli etilometri più grandi. La spettrofotometria funziona identificando le molecole in base all’assorbimento di luce infrarossa. In questo modo viene rilevato e misurato il livello di etanolo presente nel campione ed è possibile determinare il tasso alcolico. Questi dispositivi sono costosi e normalmente vengono resi disponibili solo su specifica richiesta.

Il progetto dell’etilometro di ST utilizza sensori a fuel-cell elettrochimiche in considerazione della maggiore stabilità di calibrazione, migliore accuratezza e maggiore durata.

L’architettura dell’etilometro

L’architettura hardware per etilometro illustrata in Fig. 2 è relativa a un sistema che funziona a batteria basato sull’unità centrale di un Mcu proprietario STM8L a 16 MHz. L’STM8L prevede un modulo integrato per il debug con un’interfaccia hardware che consente il collaudo e la verifica non intrusiva dell’applicazione e la programmazione ultra-veloce della Flash. Il dispositivo a bassissimo consumo STM8L152R8T6 funziona con un’alimentazione compresa tra 1,8 e 3,6 V. Una gamma completa di modalità di funzionamento per la riduzione dei consumi permette di progettare applicazioni a basso consumo. Il sistema etilometro viene alimentato da una batteria agli ioni di Litio da 3,7 V che può essere caricata utilizzando il circuito per la ricarica delle batterie STC4054GR e un normale adattatore da parete, mentre il circuito integrato per la rilevazione della tensione STM1061N31WX6F viene utilizzato per segnalare un livello di carica insufficiente della batteria. È possibile attivare automaticamente la retroilluminazione Led per il visore Lcd rilevando la luminosità ambientale tramite un apposito sensore di luce ambiente. Un microfono a condensatore viene utilizzato per rilevare che il soggetto sotto esame ha soffiato nella cannuccia attuando di conseguenza la pompa e prelevando un campione di aria preciso e di volume fisso e definito (0,25 ml). I campioni di aria con contenuto alcolico interagiscono col sensore fuel-cell che produce una corrente proporzionale alla concentrazione di alcol. La corrente generata dal sensore viene convertita in tensione tramite l’amplificatore operazionale TS507ILT configurato come amplificatore di trans-impedenza. Il convertitore analogico digitale a 12 bit integrato nell’STM8L viene utilizzato per campionare questa tensione proporzionale alla corrente del sensore integrata nel tempo. L’uscita che ne deriva viene convertita nel valore di tasso alcolico Bac utilizzando i coefficienti di un’equazione lineare di primo ordine ottenuti dal calcolo. Questa informazione viene riportata sul display Lcd e l’utente può, volendo, memorizzarla nella memoria Eeprom Dual Interface M24LR64E-R.

Le curve di risposta

Normalmente vengono adottati due diversi metodi per calcolare i valori finali di tasso alcolico Bac, e cioè il metodo della tensione di picco e quello della integrazione di corrente. Nel caso del metodo della integrazione di corrente, le misure del sensore dell’etilometro vengono trasformate in una tensione equivalente da un apposito blocco circuitale. La tensione risultante è direttamente proporzionale alla corrente elettrica generata dal sensore. Viene definita una soglia di corrente per stabilire la risoluzione minima; i valori che superano la soglia identificano un tasso alcolico oltre i limiti definiti per l’ubriachezza. Viene inoltre definita una finestra temporale durate la quale si esegue il prelievo del campione di fiato tramite il sensore dell’etilometro. Tutti i valori che superano la soglia in corrente vengono integrati e mediati all’interno della finestra temporale definita, in modo da generare il valore finale del tasso alcolico Bac. Nel caso del metodo della tensione di picco, l’uscita in corrente del sensore dell’etilometro viene inviata a un circuito specifico per la conversione ad una tensione equivalente. I picchi delle tensioni in uscita vengono poi elaborati dal microcontrollore utilizzando il convertitore analogico digitale interno e infine i valori in uscita dal convertitore analogico digitale vengono ulteriormente processati per generare il valore di tasso alcolico Bac.

Equazioni chimiche

Nel caso del sensore fuel-cell (utilizzato nella soluzione di ST), sono disponibili due terminali, cioè anodo e catodo. Quando viene analizzato il campione del fiato di un ubriaco, il contenuto alcolico è rilevato dall’anodo e convertito in acido etanoico, detto anche acido acetico.

  • CH3 CH2 OH(Alcol) + H2O(Acqua)CH3 COOH (Acido etanoico) +4H++4e-
    A livello del catodo, l’ossigeno presente nell’atmosfera viene ridotto in acqua.
  • O2 (Ossigeno atmosferico) + 4H++4e- 2H2O (Acqua)
    Considerando il sistema chimico nel suo insieme, i prodotti risultano essere acido etanoico e acqua, come descritto nell’equazione:
  • CH3 CH2 OH (Alcol) + O2 (Ossigeno atmosferico) CH3 COOH (Acido etanoico) +H2O (Acqua)

La corrente elettrica viene prodotta dal flusso di elettroni tra anodo e catodo, come descritto nella precedente equazione. Questa corrente è proporzionale alla concentrazione di contenuto alcolico sull’anodo. Viene prelevata dal microcontrollore ed elaborata per ottenere il valore di tasso alcolico Bac da visualizzare sul display Lcd.

La calibrazione del dispositivo

I sensori a fuel-cell per etilometri possono essere soggetti a errori in seguito alla corrosione/infezione dell’anodo/catodo causate dallo sporco o da altre reazioni chimiche. Per questo è necessaria una pulitura e calibrazione da eseguire normalmente una volta all’anno. Esistono diversi metodi per calibrare questi sensori, con processi secchi o umidi. I metodi secchi prevedono l’esposizione dei filamenti del sensore fuel-cell a una miscela gassosa di nitrogeno ed etanolo e la successiva calibrazione del sensore utilizzando il dispositivo portatile. Questo metodo è meno costoso ma anche meno preciso. Nel caso di metodi umidi, i filamenti del sensore fuel-cell vengono impregnati con una soluzione di etanolo e acqua e poi il sistema viene simulato per eseguire la calibrazione. Questa strategia di calibrazione è costosa e richiede strumentazione ingombrante ma permette di raggiungere una migliore precisione. Il valore di tasso alcolico Bac misurato dall’etilometro è dato da

  • Bac %=  (Adc value)/Threshold

dove Adc value è il valore ottenuto dopo l’integrazione in corrente, Threshold è la soglia di riferimento per ottenere la percentuale corretta Bac%. Durante la calibrazione, il valore Threshold viene modificato per ottenere i risultati corretti. Il valore standard di Threshold nella scheda dimostrativa sviluppata da ST con STM8L è di 0x5000. Se il sensore dell’etilometro viene esposto a una qualche soluzione/miscela campione per la quale è noto il tasso alcolico Bac%, è possibile regolare il valore di soglia in modo che l’uscita Bac% dell’etilometro corrisponda con precisione al valore noto di Bac%. ST ha sviluppato un’applicazione Android, NfcV-reader, per comunicare con smartphone con interfaccia Nfc e modificare il valore Threshold dell’etilometro.

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