酒后血液和呼气中乙醇含量的关系及数学模型建立

张 艳，赵志东，石晓玲，张显强*

·论著·

酒后血液和呼气中乙醇含量的关系及数学模型建立

张 艳1,2，赵志东1，石晓玲1,2，张显强1,2*

目的研究酒精呼气测定仪测得的呼气中乙醇含量(BrAC)与顶空气相色谱法(HS-GC)检测的血液乙醇含量(BAC)的关系，建立线性模型，以实现由BrAC对BAC的预测。方法选取2016年2—12月贵阳市涉嫌酒驾的53例健康驾驶员进行研究，检测BrAC与BAC，以BrAC为自变量(X)，BAC为因变量(Y)，绘制散点图，并建立线性模型。结果以BrAC与BAC数据拟合曲线得到曲线方程为Y=1.298 2X-5.017 5，R2=0.95。采用简单随机抽样法抽取11个样本，用所得线性模型进行预测，并与样本实测值进行对比，预测值与实测值有较大偏差；去掉常数项，修改模型，得到曲线方程Y=1.229 4X，R2=0.99，2、3、8样本预测值与实测值相差较大，残差平方和(SSE)=621.70；对BAC取对数，得到线性方程：lnY=0.016 6X+3.218 5，R2=0.93，预测值与实测值均相差不大，SSE=239.06。结论可以用lnY=0.016 6X+3.218 5模型来实现BrAC对BAC的预测。

呼气中乙醇浓度；血醇浓度；相关性；数学模型

乙醇是各类酒精饮料的主要成分，饮酒会造成反应能力降低[1]，严重时导致行为失常、发生意外或事故，甚至引起呼吸中枢系统麻痹而死亡[2-3]。目前，酒后驾车引起的交通事故逐年上升[4-7]，在涉嫌酒驾的交通事故中，血液乙醇含量(BAC)的检测结果是认定驾驶员责任的关键证据。目前，公安交通管理部门在交通执法中，多使用酒精呼气测定仪进行呼气中乙醇含量(BrAC)的检测[8]。针对当事人对现场检测结果有异议，或者饮酒后驾驶车辆发生交通事故的，《交通警察道路执勤执法工作规范》中明确规定应立即采集不少于两份的血液样本用于对BAC的检测。目前对于血液乙醇的检测有直接进样气相色谱法[9-13]、顶空气相色谱法(HS-GC)[14-17]，该方法检测稳定性好，准确度高，但对于BrAC与BAC的关系研究，在国内目前鲜见报道。虞力英等[18]研究酒精在人体内吸收、扩散和代谢的过程及BAC与BrAC的转化关系，并分析对BrAC检测结果有影响的因素，如血球比容值、口腔酒精、胃液、动脉与静脉酒精浓度的不同、体温和呼气温度、吹气技巧等。贠克明[19]对有饮酒习惯和无饮酒习惯者的BAC/BrAC的比值进行研究，利用BAC/BrAC均值计算所得BAC的准确度，发现BAC>20 mg/dl时，BAC与BrAC有线性关系。WIGMORE等[20]认为方程BrAC=f(BAC)不是一条过原点的直线，截距总为负值。上述研究均没有涉及建立模型来实现BrAC对BAC的预测。

本研究对贵州地区53例志愿者分别用酒精呼气测定仪测定BrAC和HS-GC测定BAC的数据，试图通过对BrAC与BAC的关系的研究，建立更为准确的数学模型，以实现通过BrAC数据对BAC的预测。

1 材料与方法

1.2 色谱条件 色谱柱1：Rtx-BAC 1，30 m×0.32 mm毛细管柱；色谱柱2：Rtx-BAC 2，30 m×0.32 mm毛细管柱；检测器1：FID，温度：250 ℃；检测器2：FID，温度：250 ℃；进样口温度：150 ℃；分流比6∶4；柱温：40 ℃；载气流速：5 ml/min；吹扫流量3 ml/min。

顶空进样：恒温炉65 ℃，样品流路温度105 ℃，传输线温度110 ℃，样品瓶恒温时间10 min，加压时间0.3 min，加压平衡时间0.3 min，导入时间0.8 min，导入平衡时间0.4 min，进样时间0.5 min，进样针冲洗时间0.4 min。

1.4 乙醇含量检测

1.4.1 BrAC检测 驾驶员分别吹气3次，吹气时，深呼吸，从肺部深处呼出气体，保持匀速呼气，且3次呼气速度相对一致，取平均值。

1.4.2 BAC检测 按照中华人民共和国公共安全行业标准《生物样品血液中乙醇的顶空气相色谱检验方法》(GA/T1073-2013)进行[18]。

1.4.2.1 定性测定 以叔丁醇为内标，顶空气相色谱氢火焰离子化检测器检测，以平行操作的乙醇对照品比较，按双柱保留时间定性。

1.4.2.2 定量测定 采用内标曲线法进行定量，定量数据为FID2的数据。标准曲线方程为：Y=0.057 4X-0.026 6，Y为乙醇与叔丁醇的峰面积比值，X为乙醇工作溶液浓度(mg/100 ml)。

1.4.2.3 平行试验 按以上步骤对同一样品进行平行试验，即每例涉嫌酒驾驾驶员静脉血各取两份，平行操作测定结果，按两份样品的平均值计算，双样相对误差不得超过5%。双样相对误差(%)=(X1-X2)/×100。其中，X1、X2为两份样品平行定量测定的结果。

1.5 统计学方法 采用SPSS 19.0软件进行统计学分析，采用Origin 9软件作图。

2 结果

2.1 模型建立 BrAC极小值为27 mg/100 ml，极大值为106 mg/100 ml，平均值为64 mg/100 ml；BAC极小值为43.00 mg/100 ml，极大值为147.39 mg/100 ml，平均值为78.83 mg/100 ml。以BrAC为自变量(X)，BAC为因变量(Y)，作散点图，见图1。

2.2 线性模型 由图1可见，BrAC与BAC大致呈线性趋势，尝试建立线性模型，拟合曲线得到曲线方程为Y=1.298 2X-5.017 5，R2=0.95(见图2)。采用简单随机抽样法抽取11个样本，用所得线性模型进行预测，并与样本实测值进行对比，预测值与实测值有较大偏差(见表1)。

注：BrAC=呼气中乙醇含量，BAC=血液乙醇含量
图1 BrAC与BAC散点图
Figure1 Scatter plot of BrAC and BAC

图2 BrAC与BAC线性方程Figure 2 Linear equations of BrAC and BAC

2.3 修正常数项的线性模型 通过对线性方程进行检验，预测值与实测值有较大偏差，去掉常数项，修改模型，曲线强制过原点，得到曲线方程Y=1.229 4X，R2=0.99(见图3)。取同样的样本，用所得的修正常数项的线性模型进行预测，并与样本实测值进行对比，大部分样本用该拟合模型得到的预测值与实测值相差不大，但2、3、8样本预测值与实测值相差较大，残差平方和(SSE)=621.70(见表2)。

图3 BrAC与BAC修正常数项的线性方程Figure 3 Linear equations for correction of constant of BrAC and BAC

2.4 对数模型 对BAC取对数，做线性模型，得到线性方程：lnY=0.016 6X+3.218 5，R2=0.93(见图4)。取同样的样本，用对数变换的模型进行预测，得到预测结果并与样本实测值进行对比，该拟合模型得到的预测值与实测值都相差不大，SSE=239.06(见表3)。

图4 BrAC与BAC对数模型的线性方程Figure 4 Linear equations of logarithmic model of BrAC and BAC

指标1234567891011BrAC3664695398924357695259BAC45.5864.1070.9861.44124.67109.3847.9661.5978.3167.0867.84预测值41.7278.0784.5663.79122.21114.4250.8168.9884.5662.4971.58

注：BrAC=呼气中乙醇含量，BAC=血液乙醇含量

表2 11个样本HS-GC检测的BAC和修正常数项的线性模型预测值(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个样本HS-GC检测的BAC和对数模型预测值(mg/100 ml)Table 3 The BAC by HS-GC and linear model predictive values of logarithmic model in 11 samples

3 讨论

本研究对BrAC与BAC的关系进行深入研究，并建立数学模型，可实现由BrAC对BAC的准确预测。建立的模型线性拟合相关性好，模型曲线在低浓度到高浓度的预测结果均较为可靠。

贠克明[19]在《法医毒物动力学》著作中指出BAC>20 mg/dl时，BrAC与BAC有线性关系。本研究对BrAC与BAC的关系进行进一步探讨，分别对线性模型进行修正常数项和对BrAC取对数后建立线性关系，发现对BAC取对数后，与BrAC建立的线性模型拟合相关性更好，预测结果与实测值更为接近。

WIGMORE等[20]认为，方程BrAC=f(BAC)不是一条过原点的直线，且截距总为负值；在BAC<15 mg/100 ml时，曲线可能并不适用，所以曲线与坐标轴的交点只能由求得的BAC曲线用外推法求得。同时还发现，随着BrAC的降低，曲线的斜率持续增大，本研究结果与之相符，BAC与BrAC呈指数函数的曲线增长，对BAC取对数后与BrAC线性关系良好。在53个样本中存在两个样本实测值与预测值偏差较大的情况，这可能是由于测试个体的体质差异以及吹气技巧的掌握程度不同，导致出现实测值与预测值的偏差。

本数学模型选用的酒精呼气测定仪与贵州省交通管理局统一配发到各地州及其县市的检测仪品牌、型号一致，因而本数学模型可以为本地区交通执法过程中通过BrAC数值对BAC的大致推测提供科学依据。由于BrAC检测较BAC检测而言，具有操作简便、检测成本低、对受测人体无心理和生理伤害的特点，使得BrAC检测在科学研究中具有较好的运用前景，但由于没有一个合适的推测模型，阻碍其运用，本模型的建立一定程度上填补了该领域的空白。

但本研究未对影响BrAC与BAC关系的其他因素进行考察，虞力英等[18]指出血球比容值、酒精同化的不同阶段、静脉-动脉采样的不同、环境和身体的温度和湿度、呼气模式、口腔酒精、胃液等因素，均会对BrAC产生较大影响，因此后续研究工作还有待进一步完善。

因此，对数变换的模型lnY=0.016 6X+3.218 5，R2=0.93，可以用来通过BrAC数据对BAC进行较为准确的预测，模型线性拟合相关性较好，预测结果与BAC实测值相差小。由于存在个体差异，不可能对BAC结果实现完全相同的预测，但由于BrAC的检测属于无创性检测，对被检测者的心理和生理上无伤害，在交通安全执法管理和司法鉴定实际工作中应予以推广，本研究建立的BrAC与BAC关系的线性模型可在实际工作中是切实可行的。

本文创新点：

由于呼气酒精检测具有操作简便、检测成本低、对受测人体无伤害的特点，被广泛应用在交通执法部门对驾驶员乙醇含量的检测中，但呼气中乙醇含量(BrAC)与血液乙醇含量(BAC)常存在差别。本文建立了BrAC与BAC关系的线性模型，填补该领域研究的空白，为贵州地区交通执法部门在交通执法过程中通过BrAC数值对BAC的推测提供了科学依据，也为BrAC在乙醇代谢方面的运用提供了研究基础。

作者贡献：张艳进行文章的构思与设计、撰写论文；张艳、张显强进行研究的实施与可行性分析、负责文章的质量控制及审校、对文章整体负责，监督管理；张艳、石晓玲进行数据收集；石晓玲进行数据整理；张艳、赵志东进行统计学处理；张艳、赵志东、张显强进行结果的分析与解释；赵志东、张显强进行论文修订。

本文无利益冲突。

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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)

(本文编辑：贾萌萌)

贵州省道路交通事故鉴定工程技术研究中心研究项目([2015]10021号)

1.550005贵州省贵阳市，贵州警官职业学院

2.550005贵州省贵阳市，贵州省道路交通事故鉴定工程技术研究中心

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

张艳，赵志东，石晓玲，等.酒后血液和呼气中乙醇含量的关系及数学模型建立[J].中国全科医学，2017，20(29)：3633-3637.[www.chinagp.net]

ZHANG Y,ZHAO Z D,SHI X L,et al.Relationship between blood and expiration alcohol concentration and establishment of mathematical model[J].Chinese General Practice,2017，20(29)：3633-3637.