張 艷，趙志東，石曉玲，張顯強*

·論著·

酒后血液和呼氣中乙醇含量的關(guān)系及數(shù)學(xué)模型建立

張 艷1,2，趙志東1，石曉玲1,2，張顯強1,2*

目的研究酒精呼氣測定儀測得的呼氣中乙醇含量(BrAC)與頂空氣相色譜法(HS-GC)檢測的血液乙醇含量(BAC)的關(guān)系，建立線性模型，以實現(xiàn)由BrAC對BAC的預(yù)測。方法選取2016年2—12月貴陽市涉嫌酒駕的53例健康駕駛員進行研究，檢測BrAC與BAC，以BrAC為自變量(X)，BAC為因變量(Y)，繪制散點圖，并建立線性模型。結(jié)果以BrAC與BAC數(shù)據(jù)擬合曲線得到曲線方程為Y=1.298 2X-5.017 5，R2=0.95。采用簡單隨機抽樣法抽取11個樣本，用所得線性模型進行預(yù)測，并與樣本實測值進行對比，預(yù)測值與實測值有較大偏差；去掉常數(shù)項，修改模型，得到曲線方程Y=1.229 4X，R2=0.99，2、3、8樣本預(yù)測值與實測值相差較大，殘差平方和(SSE)=621.70；對BAC取對數(shù)，得到線性方程：lnY=0.016 6X+3.218 5，R2=0.93，預(yù)測值與實測值均相差不大，SSE=239.06。結(jié)論可以用lnY=0.016 6X+3.218 5模型來實現(xiàn)BrAC對BAC的預(yù)測。

呼氣中乙醇濃度；血醇濃度；相關(guān)性；數(shù)學(xué)模型

乙醇是各類酒精飲料的主要成分，飲酒會造成反應(yīng)能力降低[1]，嚴(yán)重時導(dǎo)致行為失常、發(fā)生意外或事故，甚至引起呼吸中樞系統(tǒng)麻痹而死亡[2-3]。目前，酒后駕車引起的交通事故逐年上升[4-7]，在涉嫌酒駕的交通事故中，血液乙醇含量(BAC)的檢測結(jié)果是認定駕駛員責(zé)任的關(guān)鍵證據(jù)。目前，公安交通管理部門在交通執(zhí)法中，多使用酒精呼氣測定儀進行呼氣中乙醇含量(BrAC)的檢測[8]。針對當(dāng)事人對現(xiàn)場檢測結(jié)果有異議，或者飲酒后駕駛車輛發(fā)生交通事故的，《交通警察道路執(zhí)勤執(zhí)法工作規(guī)范》中明確規(guī)定應(yīng)立即采集不少于兩份的血液樣本用于對BAC的檢測。目前對于血液乙醇的檢測有直接進樣氣相色譜法[9-13]、頂空氣相色譜法(HS-GC)[14-17]，該方法檢測穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確度高，但對于BrAC與BAC的關(guān)系研究，在國內(nèi)目前鮮見報道。虞力英等[18]研究酒精在人體內(nèi)吸收、擴散和代謝的過程及BAC與BrAC的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并分析對BrAC檢測結(jié)果有影響的因素，如血球比容值、口腔酒精、胃液、動脈與靜脈酒精濃度的不同、體溫和呼氣溫度、吹氣技巧等。贠克明[19]對有飲酒習(xí)慣和無飲酒習(xí)慣者的BAC/BrAC的比值進行研究，利用BAC/BrAC均值計算所得BAC的準(zhǔn)確度，發(fā)現(xiàn)BAC>20 mg/dl時，BAC與BrAC有線性關(guān)系。WIGMORE等[20]認為方程BrAC=f(BAC)不是一條過原點的直線，截距總為負值。上述研究均沒有涉及建立模型來實現(xiàn)BrAC對BAC的預(yù)測。

本研究對貴州地區(qū)53例志愿者分別用酒精呼氣測定儀測定BrAC和HS-GC測定BAC的數(shù)據(jù)，試圖通過對BrAC與BAC的關(guān)系的研究，建立更為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，以實現(xiàn)通過BrAC數(shù)據(jù)對BAC的預(yù)測。

1 材料與方法

1.2 色譜條件 色譜柱1：Rtx-BAC 1，30 m×0.32 mm毛細管柱；色譜柱2：Rtx-BAC 2，30 m×0.32 mm毛細管柱；檢測器1：FID，溫度：250 ℃；檢測器2：FID，溫度：250 ℃；進樣口溫度：150 ℃；分流比6∶4；柱溫：40 ℃；載氣流速：5 ml/min；吹掃流量3 ml/min。

頂空進樣：恒溫爐65 ℃，樣品流路溫度105 ℃，傳輸線溫度110 ℃，樣品瓶恒溫時間10 min，加壓時間0.3 min，加壓平衡時間0.3 min，導(dǎo)入時間0.8 min，導(dǎo)入平衡時間0.4 min，進樣時間0.5 min，進樣針沖洗時間0.4 min。

1.4 乙醇含量檢測

1.4.1 BrAC檢測 駕駛員分別吹氣3次，吹氣時，深呼吸，從肺部深處呼出氣體，保持勻速呼氣，且3次呼氣速度相對一致，取平均值。

1.4.2 BAC檢測 按照中華人民共和國公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《生物樣品血液中乙醇的頂空氣相色譜檢驗方法》(GA/T1073-2013)進行[18]。

1.4.2.1 定性測定 以叔丁醇為內(nèi)標(biāo)，頂空氣相色譜氫火焰離子化檢測器檢測，以平行操作的乙醇對照品比較，按雙柱保留時間定性。

1.4.2.2 定量測定 采用內(nèi)標(biāo)曲線法進行定量，定量數(shù)據(jù)為FID2的數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：Y=0.057 4X-0.026 6，Y為乙醇與叔丁醇的峰面積比值，X為乙醇工作溶液濃度(mg/100 ml)。

1.4.2.3 平行試驗 按以上步驟對同一樣品進行平行試驗，即每例涉嫌酒駕駕駛員靜脈血各取兩份，平行操作測定結(jié)果，按兩份樣品的平均值計算，雙樣相對誤差不得超過5%。雙樣相對誤差(%)=(X1-X2)/×100。其中，X1、X2為兩份樣品平行定量測定的結(jié)果。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析，采用Origin 9軟件作圖。

2 結(jié)果

2.1 模型建立 BrAC極小值為27 mg/100 ml，極大值為106 mg/100 ml，平均值為64 mg/100 ml；BAC極小值為43.00 mg/100 ml，極大值為147.39 mg/100 ml，平均值為78.83 mg/100 ml。以BrAC為自變量(X)，BAC為因變量(Y)，作散點圖，見圖1。

2.2 線性模型 由圖1可見，BrAC與BAC大致呈線性趨勢，嘗試建立線性模型，擬合曲線得到曲線方程為Y=1.298 2X-5.017 5，R2=0.95(見圖2)。采用簡單隨機抽樣法抽取11個樣本，用所得線性模型進行預(yù)測，并與樣本實測值進行對比，預(yù)測值與實測值有較大偏差(見表1)。

注：BrAC=呼氣中乙醇含量，BAC=血液乙醇含量
圖1 BrAC與BAC散點圖
Figure1 Scatter plot of BrAC and BAC

圖2 BrAC與BAC線性方程Figure 2 Linear equations of BrAC and BAC

2.3 修正常數(shù)項的線性模型 通過對線性方程進行檢驗，預(yù)測值與實測值有較大偏差，去掉常數(shù)項，修改模型，曲線強制過原點，得到曲線方程Y=1.229 4X，R2=0.99(見圖3)。取同樣的樣本，用所得的修正常數(shù)項的線性模型進行預(yù)測，并與樣本實測值進行對比，大部分樣本用該擬合模型得到的預(yù)測值與實測值相差不大，但2、3、8樣本預(yù)測值與實測值相差較大，殘差平方和(SSE)=621.70(見表2)。

圖3 BrAC與BAC修正常數(shù)項的線性方程Figure 3 Linear equations for correction of constant of BrAC and BAC

2.4 對數(shù)模型 對BAC取對數(shù)，做線性模型，得到線性方程：lnY=0.016 6X+3.218 5，R2=0.93(見圖4)。取同樣的樣本，用對數(shù)變換的模型進行預(yù)測，得到預(yù)測結(jié)果并與樣本實測值進行對比，該擬合模型得到的預(yù)測值與實測值都相差不大，SSE=239.06(見表3)。

圖4 BrAC與BAC對數(shù)模型的線性方程Figure 4 Linear equations of logarithmic model of BrAC and BAC

指標(biāo)1234567891011BrAC3664695398924357695259BAC45.5864.1070.9861.44124.67109.3847.9661.5978.3167.0867.84預(yù)測值41.7278.0784.5663.79122.21114.4250.8168.9884.5662.4971.58

注：BrAC=呼氣中乙醇含量，BAC=血液乙醇含量

表2 11個樣本HS-GC檢測的BAC和修正常數(shù)項的線性模型預(yù)測值(mg/100 ml)Table 2 The BAC by HS-GC and linear model predictive values of correction of constant in 11 samples

表3 11個樣本HS-GC檢測的BAC和對數(shù)模型預(yù)測值(mg/100 ml)Table 3 The BAC by HS-GC and linear model predictive values of logarithmic model in 11 samples

3 討論

本研究對BrAC與BAC的關(guān)系進行深入研究，并建立數(shù)學(xué)模型，可實現(xiàn)由BrAC對BAC的準(zhǔn)確預(yù)測。建立的模型線性擬合相關(guān)性好，模型曲線在低濃度到高濃度的預(yù)測結(jié)果均較為可靠。

贠克明[19]在《法醫(yī)毒物動力學(xué)》著作中指出BAC>20 mg/dl時，BrAC與BAC有線性關(guān)系。本研究對BrAC與BAC的關(guān)系進行進一步探討，分別對線性模型進行修正常數(shù)項和對BrAC取對數(shù)后建立線性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)對BAC取對數(shù)后，與BrAC建立的線性模型擬合相關(guān)性更好，預(yù)測結(jié)果與實測值更為接近。

WIGMORE等[20]認為，方程BrAC=f(BAC)不是一條過原點的直線，且截距總為負值；在BAC<15 mg/100 ml時，曲線可能并不適用，所以曲線與坐標(biāo)軸的交點只能由求得的BAC曲線用外推法求得。同時還發(fā)現(xiàn)，隨著BrAC的降低，曲線的斜率持續(xù)增大，本研究結(jié)果與之相符，BAC與BrAC呈指數(shù)函數(shù)的曲線增長，對BAC取對數(shù)后與BrAC線性關(guān)系良好。在53個樣本中存在兩個樣本實測值與預(yù)測值偏差較大的情況，這可能是由于測試個體的體質(zhì)差異以及吹氣技巧的掌握程度不同，導(dǎo)致出現(xiàn)實測值與預(yù)測值的偏差。

本數(shù)學(xué)模型選用的酒精呼氣測定儀與貴州省交通管理局統(tǒng)一配發(fā)到各地州及其縣市的檢測儀品牌、型號一致，因而本數(shù)學(xué)模型可以為本地區(qū)交通執(zhí)法過程中通過BrAC數(shù)值對BAC的大致推測提供科學(xué)依據(jù)。由于BrAC檢測較BAC檢測而言，具有操作簡便、檢測成本低、對受測人體無心理和生理傷害的特點，使得BrAC檢測在科學(xué)研究中具有較好的運用前景，但由于沒有一個合適的推測模型，阻礙其運用，本模型的建立一定程度上填補了該領(lǐng)域的空白。

但本研究未對影響B(tài)rAC與BAC關(guān)系的其他因素進行考察，虞力英等[18]指出血球比容值、酒精同化的不同階段、靜脈-動脈采樣的不同、環(huán)境和身體的溫度和濕度、呼氣模式、口腔酒精、胃液等因素，均會對BrAC產(chǎn)生較大影響，因此后續(xù)研究工作還有待進一步完善。

因此，對數(shù)變換的模型lnY=0.016 6X+3.218 5，R2=0.93，可以用來通過BrAC數(shù)據(jù)對BAC進行較為準(zhǔn)確的預(yù)測，模型線性擬合相關(guān)性較好，預(yù)測結(jié)果與BAC實測值相差小。由于存在個體差異，不可能對BAC結(jié)果實現(xiàn)完全相同的預(yù)測，但由于BrAC的檢測屬于無創(chuàng)性檢測，對被檢測者的心理和生理上無傷害，在交通安全執(zhí)法管理和司法鑒定實際工作中應(yīng)予以推廣，本研究建立的BrAC與BAC關(guān)系的線性模型可在實際工作中是切實可行的。

本文創(chuàng)新點：

由于呼氣酒精檢測具有操作簡便、檢測成本低、對受測人體無傷害的特點，被廣泛應(yīng)用在交通執(zhí)法部門對駕駛員乙醇含量的檢測中，但呼氣中乙醇含量(BrAC)與血液乙醇含量(BAC)常存在差別。本文建立了BrAC與BAC關(guān)系的線性模型，填補該領(lǐng)域研究的空白，為貴州地區(qū)交通執(zhí)法部門在交通執(zhí)法過程中通過BrAC數(shù)值對BAC的推測提供了科學(xué)依據(jù)，也為BrAC在乙醇代謝方面的運用提供了研究基礎(chǔ)。

作者貢獻：張艷進行文章的構(gòu)思與設(shè)計、撰寫論文；張艷、張顯強進行研究的實施與可行性分析、負責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校、對文章整體負責(zé)，監(jiān)督管理；張艷、石曉玲進行數(shù)據(jù)收集；石曉玲進行數(shù)據(jù)整理；張艷、趙志東進行統(tǒng)計學(xué)處理；張艷、趙志東、張顯強進行結(jié)果的分析與解釋；趙志東、張顯強進行論文修訂。

本文無利益沖突。

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RelationshipbetweenBloodandExpirationAlcoholConcentrationandEstablishmentofMathematicalModel

ZHANGYan1,2,ZHAOZhi-dong1,SHIXiao-ling1,2,ZHANGXian-qiang1,2*

1.GuizhouPoliceOfficerVocationalCollege,Guiyang550005,China2.GuizhouProvinceRoadTrafficAccidentEngineeringResearchCenter,Guiyang550005,China

*Correspondingauthor:ZHANGXian-qiang,Postdoctoralscholar,Professor;E-mail：zhangxianqiang@126.com

ObjectiveTo study the relationship between concentration of alcohol in the exhaled breath at end-exhalation (BrAC) determined by breathalyzer and blood alcohol concentration (BAC) determined by HS-GC and to establish a linear model in order to achieve the prediction of BAC by BrAC.MethodsFrom February to December in 2016,53 healthy drivers who were suspected of drunk driving in Guiyang were selected.The BrAC and BAC were determined.A scatter plot was drawn and a linear model was established with BrAC as the independent variableXand BAC as the dependent variableY.ResultsThe curve equation was obtained by fitting the data of BrAC and BAC:Y=1.298 2X-5.017 5，R2=0.95.A simple random sampling method was used to extract 11 samples.The linear model was used to predict the samples,and the results were compared with the samples′ real values.The predicted values were in great deviation from the true ones.Removed the constant,modified the model,and got the curve equation:Y=1.229 4X，R2=0.99.The predicted values of 2,3 and 8 samples differed greatly from the true values,and the sum of squared errors of prediction(SSE)=621.70.Took the logarithm of BAC and got the linear equation:lnY=0.016 6X+3.218 5,R2=0.93.There was little difference between the predicted and the true values,SSE=239.06.ConclusionThe modellnY=0.016 6X+3.218 5 can be used to achieve the prediction of BAC by BrAC.

BrAC；BAC；Correlation；Mathematical model

R 595.6

A

10.3969/j.issn.1007-9572.2017.07.y07

2017-04-12；

2017-06-15)

(本文編輯：賈萌萌)

貴州省道路交通事故鑒定工程技術(shù)研究中心研究項目([2015]10021號)

1.550005貴州省貴陽市，貴州警官職業(yè)學(xué)院

2.550005貴州省貴陽市，貴州省道路交通事故鑒定工程技術(shù)研究中心

*通信作者：張顯強，博士后，教授；E-mail：zhangxianqiang@126.com

張艷，趙志東，石曉玲，等.酒后血液和呼氣中乙醇含量的關(guān)系及數(shù)學(xué)模型建立[J].中國全科醫(yī)學(xué)，2017，20(29)：3633-3637.[www.chinagp.net]

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