CN114088476B - 自适应采集控制的气溶胶病毒采集富集装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种自适应采集控制的气溶胶病毒采集富集装置及方法，包括：测试机箱、活动设置于其上的出气单元和磁力富集架，其中：位于测试机箱内的控制模块分别与出气单元和磁力富集架相连并传输采集控制信息，出气单元分别与测试机箱上的进气口和气液混合管相连，该气液混合管正对磁力富集架。本发明体积小，重量轻的同时，能够通过控制外接采集装置，实现区域内覆盖采集。

Description

自适应采集控制的气溶胶病毒采集富集装置及方法

技术领域

本发明涉及病毒气溶胶采样富集领域，尤其是涉及一种自适应采集控制的气溶胶病毒采集富集装置及方法。

背景技术

病毒检测技术中较为先进的方式是从空气中的气溶胶样本中直接检测病毒，但由于致病病毒的特征以及在气溶胶中的低浓度的性质，对病毒性气溶胶颗粒的检测需对其进行采集和富集。但现有气溶胶采集富集设备均以单一病毒检测为主要目标，缺乏通用性，无法满足常态防疫需求，且现有装置一般需手动调整采集设置，不利于扩展也无法灵活部署、采集范围受限。

现有的气候环境测试技术无法对多种气溶胶病毒进行自适应的采集和监测，不利于对新型气溶胶病毒进行扩展，对新型气溶胶病毒的扩展需手动更改设置，且无法对气溶胶病毒进行自动富集采集。

发明内容

本发明针对现有病毒性气溶胶采集富集装置无法满足常态化防疫下多病种检测需求以及部署、采集范围受限的缺陷，提出一种自适应采集控制的气溶胶病毒采集富集装置及方法，本发明体积小，重量轻的同时，能够通过控制外接采集装置，实现区域内覆盖采集。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种自适应采集控制的气溶胶病毒采集富集装置，包括：测试机箱、活动设置于其上的出气单元和磁力富集架，其中：位于测试机箱内的控制模块分别与出气单元和磁力富集架相连并传输采集控制信息，出气单元分别与测试机箱上的进气口和气液混合管相连，该气液混合管正对磁力富集架，待检测气体样本采集后，通过出气单元底部的出气喷头喷入气液混合管，驱动管内收集液面旋转上升，使待测气体样本与收集液充分混合，气液相的气溶胶粒子通过免疫磁珠实时捕捉；气液混合管完成采集后放置在磁力富集架上，通过磁力富集架底部磁力装置将富集病毒的免疫磁珠吸附在管底用于下一步病毒检测。

所述的控制模块包括：中央控制单元、空气采集单元、存储单元、计算单元、通信单元和远程采集控制单元，其中：中央控制单元分别与空气采集单元、存储单元、计算单元、通信单元、显示单元、远程采集控制单元相连，用于向各个功能单元发送控制指令；空气采集单元与中央控制单元相连，用于根据计算单元计算结构控制空气采集过程；存储单元与中央控制单元相连，用于存储控制器采集设置与对应病毒检测结果；计算单元与中央控制单元相连并根据自适应采集算法计算采集参数；通信单元与中央控制单元、远程采集控制单元相连，用于通过无线传输方式发送和接收病毒检测结果和人工采集设置与向外接无人设备发送控制指令；显示单元与中央控制单元相连，用于显示空气采集设置与病毒检测结果；远程采集控制单元与中央控制单元、通信单元相连，用于控制无人设备远程采集空气样本。

所述的自适应采集算法是指：1)从存储单元获取历史采集设置与对应检测结果((V⁽¹⁾，c⁽¹⁾)，(V⁽²⁾，c⁽²⁾)，...，(V^(m)，c^(m)))，通过通信单元获取试剂检测范围(c_min，c_max)，计算出理想浓度c_avg＝(c_min+c_max)/2。对应的拟合函数为h_θ(V＝)θ₀+θ₁V，其中：V⁽ⁱ⁾为单次空气采集量，单位为毫升；c⁽ⁱ⁾为对应的病毒浓度检测结果，c_max为当前病毒检测试剂所能检测的最大浓度，c_min为当前病毒检测试剂所能检测的最小浓度，病毒浓度的单位为个每毫升；

2)待优化的目标函数为

由最小二乘法对待求参数θ₀，θ₁求导可求得

根据拟合函数可解得理想空气采集量V_t＝(c_avg-θ₀)/θ₁，并将当次空气采集量和对应病毒检测结果通过通信单元传入存储单元，以更新历史数据。

本发明所限定的自适应采集控制算法通过历史采集数据与病毒气溶胶富集结果，自适应调整下一次空气采集量，使病毒浓度在富集之后能够落在病毒检测试剂量程范围内。自适应采集控制算法可实现对不同种类、大小的病毒富集，并且根据不同病毒检测需求调整采集参数，具有良好的扩展性。自适应采集控制通过华为开源物联网操作系统LiteOS上层软件定义实现，可通过Wi-Fi、蓝牙等无线通信方式对接空气采集设备和样本检测设备，在实现自适应控制的基础上为其他应用的开发预留了空间。

技术效果

本发明基于自适应采集算法通过历史数据调整采集设置并通过检测结果实时更新采集设置，不同于手动设置采集参数，根据历史数据或从零收集采集数据，并通过最小二乘法优化方法快速收敛，达到理想的采集设置。相比于现有技术手段，本发明可检测气溶胶尺寸范围广：利用免疫磁珠富集技术与自适应采集控制方法，病毒粒径检测范围0.05-10μm。基于自主可控的国产开源物联网操作系统开发上层应用，根据检测结果调整采集参数，完成对不同种类、大小的病毒的采集富集。同时，为使用者开发其他应用预留空间。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为出气单元结构示意图；

图3为磁力富集架结构示意图；

图4为控制模块示意图；

图5为自适应采集算法示意图；

图6为实施例流程图；

图中：测试机箱1、交互单元2、进气口3、出气单元4、气液混合管5、磁力富集架6、控制模块7、底面8、出气喷头9、卡簧10、磁性底架11。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种自适应采集控制的气溶胶病毒采集富集装置，包括：测试机箱1、活动设置于其上的出气单元4和磁力富集架6，其中：位于测试机箱1内的控制模块7分别与出气单元4和磁力富集架6相连并传输采集控制信息，出气单元4分别与测试机箱1上的进气口3和气液混合管5相连，该气液混合管5正对磁力富集架6。

所述的测试机箱1上进一步设有与控制模块7相连的交互单元2。

如图2所示，所述的出气单元4的底面8上设有5个出气喷头9，出气喷头9相对于出气单元4轴线均匀分布，在垂直方向上位于同一高度，并沿所述的出气单元底部向下倾斜；待测气体通过从出气喷头9喷入气液混合管5，形成旋转的向下驱动力，驱动气液混合管5管内收集液面旋转上升，在出气喷头9下方形成半圆弧形包裹液面，使待测气体样本与收集液充分混合。

所述的气液混合管5包括：上部圆筒和下部圆锥筒，其中：上部圆筒的上端设有开口，下端与下部圆锥筒大端连接，上部圆筒的顶部内壁设有用于与出气单元4连接的螺口。气液混合管5下部圆锥筒内设有收集液，用于吸收待检测气体中的气溶胶。收集液内设有病毒免疫磁珠，用于吸附分散后的病毒气溶胶粒子。

所述的气液混合管5的中部外壁设有卡口用于将气液混合管5固定设置在磁力富集架6上。

如图3所示，所述的磁力富集架6活动设置于测试机箱1内，能在水平和竖直方向自由旋转，磁力富集架6上设有用于活动设置气液混合管5的弹性固定卡簧10用于对接气液混合管5的卡口；磁力富集架6的底部设有磁性底架11。

所述的磁性底架11可为固定永久磁铁，其大小与气液混合管底部大小匹配。

如图1所示，所述的磁力富集架6位于测试机箱1的下端，通过管架水平旋转收入测试机箱1中或在使用时水平旋出，用于放置气液混合管5。竖直方向旋转管架可将气液混合管5内的收集液倒出。

如图4所示，所述的控制模块7包括：中央控制单元、空气采集单元、存储单元、计算单元、通信单元和远程采集控制单元，其中：中央控制单元分别与空气采集单元、存储单元、计算单元、通信单元、显示单元、远程采集控制单元相连，用于向各个功能单元发送控制指令；空气采集单元与中央控制单元相连，用于根据计算单元计算结构控制空气采集过程；存储单元与中央控制单元相连，用于存储控制器采集设置与对应病毒检测结果；计算单元与中央控制单元相连并根据自适应采集算法计算采集参数；通信单元与中央控制单元、远程采集控制单元相连，用于通过无线传输方式发送和接收病毒检测结果和人工采集设置与向外接无人设备发送控制指令；显示单元与中央控制单元相连，用于显示空气采集设置与病毒检测结果；远程采集控制单元与中央控制单元、通信单元相连，用于控制无人设备远程采集空气样本。

如图5所示，所述的自适应采集算法具体包括：

1)从存储单元获取历史采集设置与对应检测结果((V⁽¹⁾，c⁽¹⁾)，(V⁽²⁾，c⁽²⁾)，...，(V^(m)，c^(m)))，通过通信单元获取试剂检测范围(c_min，c_max)，计算出理想浓度c_avg＝(c_min+c_max)/2。对应的拟合函数为h_θ(V)＝θ₀+θ₁V，其中：V⁽ⁱ⁾为单次空气采集量，单位为毫升；c⁽ⁱ⁾为对应的病毒浓度检测结果，c_max为当前病毒检测试剂所能检测的最大浓度，c_min为当前病毒检测试剂所能检测的最小浓度，病毒浓度的单位为个每毫升；

2)待优化的目标函数为

由最小二乘法对待求参数θ₀，θ₁求导可求得

根据拟合函数可解得理想空气采集量V_t＝(c_avg-θ₀)/θ₁，并将当次空气采集量和对应病毒检测结果通过通信单元传入存储单元，以更新历史数据。

如图6所示，本装置通过以下方式进行具体测试：将本装置设置在待测区域内，通过计算单元设置气体采集量，由远程采集控制单元控制无人机到指定区域采集待检测空气样本，待检测空气样本采集完成后，控制无人机与进气口3对接，由空气采集单元控制抽气泵转速与工作时间，通过输气通道将待测气体输入出气单元；也可通过无接触一次性吹嘴实现无接触的人体样本采集。待测气体输入进气单元后，由设置在其底部的出气单元底面8上的出气喷头9喷出到气液混合管5中的收集液中。由于设置在出气单元底面8上的五个出气喷头9相对于出气单元7轴线均匀分布，在垂直方向上位于同一高度，并沿出气单元底部8向下倾斜，待测气体从出气喷头9喷出，驱动气液混合管5中的收集液面旋转上升，全面包裹气流，使所有采集的待测气体能够喷射到收集液表面，实现大体积气液高效混合和样本采集。气溶胶粒子在气液相混合下通过气液混合管5内的病毒免疫磁珠实时捕捉，将气溶胶粒子实时分散、吸附到磁珠上。气溶胶粒子采集完成后，将气液混合管5从出气单元取下，并将气液混合管5固定在磁力富集架6上静置。磁力富集架6上设置的磁力底架10通过磁力作用将收集液内的磁珠吸附在气液混合管5底部。通过竖直方向旋转磁力富集架6管架，将测试液倒出，将吸附病毒的磁珠保留在气液混合管5底部用于下一步病毒检测。病毒检测后，由通信单元将病毒检测数据录入至存储单元。

经过模拟实验，以无历史数据的新型气溶胶病毒为检测对象，验证本方法的高效性，能够得到的实验数据是：模拟实验假设某气溶胶病毒A浓度对环境温度敏感，其浓度与温度和采集体积存在线性关系C(V，T)＝1+3V+0.1T，待拟合函数为h_θ(V)＝θ₀+θ₁V+θ₂T。为模拟实际采样，在采样时加入均值为0，方差为1的高斯白噪声。五次采样分别为{(100,300),(200,300),(300,300),(400,300),(500,300)}。模拟实验结果如下表，证明本方法能快速拟合目标函数并且具有较强的抗干扰能力。

	θ<sub>0</sub>	θ<sub>1</sub>	θ<sub>2</sub>
				1	0.9993	0.7870	0.9290
2	0.9988	0.0967	3.0107
				3	0.9972	0.1016	2.9962
4	0.9991	0.0960	3.0027
				5	0.9990	0.1011	2.9999
误差	0.1％	1.1％	0.01％

本发明相对于传统气溶胶病毒采集富集装置的优点如下：

1)自适应采集算法动态调整采集参数，保证对待测病毒气溶胶进行有效富集的前提下使其满足检测试剂的检测范围，实现了对不同病毒采集参数的自适应设置，实现可靠准确的病毒检测。

2)基于自主可控的国产开源物联网操作系统开发上层应用，支持科研人员自定义开发上层软件；可对接待测空气样本采集端，控制无人设备到指定地点采集待测空气样本，扩大了采集范围，降低了部署难度；也可对接病毒检测端，上载新发、异变的病毒模型，可扩展性强。

3)通过控制系统可实现对大流量场景内的多个采集富集装置统一操作和管理，无需手动设置，降低了与病毒接触的风险。

综上，本发明无需手动更改采集参数设置，可针对不同或新出现气溶胶病毒进行自适应动态参数调整，具有更强的可扩展性，并可通过远程通信单元进行参数设置，减少了接触，降低了感染风险。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种自适应采集控制的气溶胶病毒采集富集装置，其特征在于，包括：测试机箱、活动设置于其上的出气单元和磁力富集架，其中：位于测试机箱内的控制模块分别与出气单元和磁力富集架相连并传输采集控制信息，出气单元分别与测试机箱上的进气口和气液混合管相连，该气液混合管正对磁力富集架，待检测气体样本采集后，通过出气单元底部的出气喷头喷入气液混合管，驱动管内收集液面旋转上升，使待测气体样本与收集液充分混合，气液相的气溶胶粒子通过免疫磁珠实时捕捉；气液混合管完成采集后放置在磁力富集架上，通过磁力富集架底部磁力装置将富集病毒的免疫磁珠吸附在管底用于下一步病毒检测；

所述的控制模块包括：中央控制单元、空气采集单元、存储单元、计算单元、通信单元和远程采集控制单元，其中：中央控制单元分别与空气采集单元、存储单元、计算单元、通信单元、显示单元、远程采集控制单元相连，用于向各个功能单元发送控制指令；空气采集单元与中央控制单元相连，用于根据计算单元计算结构控制空气采集过程；存储单元与中央控制单元相连，用于存储控制器采集设置与对应病毒检测结果；计算单元与中央控制单元相连并根据自适应采集算法计算采集参数；通信单元与中央控制单元、远程采集控制单元相连，用于通过无线传输方式发送和接收病毒检测结果和人工采集设置与向外接无人设备发送控制指令；显示单元与中央控制单元相连，用于显示空气采集设置与病毒检测结果；远程采集控制单元与中央控制单元、通信单元相连，用于控制无人设备远程采集空气样本；

所述的自适应采集算法包括：

1)从存储单元获取历史采集设置与对应检测结果((V⁽¹⁾，c⁽¹⁾)，(V⁽²⁾，c⁽²⁾)，...，(V^(m)，c^(m)))，通过通信单元获取试剂检测范围(c_min，c_max)，计算出理想浓度c_avg＝(c_min+c_max)/2，对应的拟合函数为h_θ(V)＝θ₀+θ₁V，其中：V⁽ⁱ⁾为单次空气采集量，单位为毫升；c⁽ⁱ⁾为对应的病毒浓度检测结果，c_max为当前病毒检测试剂所能检测的最大浓度，c_min为当前病毒检测试剂所能检测的最小浓度，病毒浓度的单位为个每毫升；

2)待优化的目标函数为

由最小二乘法对待求参数θ₀，θ₁求导可求得

根据拟合函数可解得理想空气采集量V_t＝(c_avg-θ₀)/θ₁，并将当次空气采集量和对应病毒检测结果通过通信单元传入存储单元，以更新历史数据。

2.根据权利要求1所述的自适应采集控制的气溶胶病毒采集富集装置，其特征是，所述的出气单元的底面上设有若干出气喷头，出气喷头相对于出气单元轴线均匀分布，在垂直方向上位于同一高度，并沿所述的出气单元底部向下倾斜；待测气体通过从出气喷头喷入气液混合管，形成旋转的向下驱动力，驱动气液混合管管内收集液面旋转上升，在出气喷头下方形成半圆弧形包裹液面，使待测气体样本与收集液充分混合。

3.根据权利要求1或2所述的自适应采集控制的气溶胶病毒采集富集装置，其特征是，所述的气液混合管包括：上部圆筒和下部圆锥筒，其中：上部圆筒的上端设有开口，下端与下部圆锥筒大端连接，上部圆筒的顶部内壁设有用于与出气单元连接的螺口；下部圆锥筒内设有收集液，用于吸收待检测气体中的气溶胶，收集液内设有病毒免疫磁珠，用于吸附分散后的病毒气溶胶粒子。

4.根据权利要求3所述的自适应采集控制的气溶胶病毒采集富集装置，其特征是，所述的气液混合管的中部外壁设有卡口用于将气液混合管固定设置在磁力富集架上。

5.根据权利要求3所述的自适应采集控制的气溶胶病毒采集富集装置，其特征是，所述的磁力富集架活动设置于测试机箱内，能在水平和竖直方向自由旋转，磁力富集架上设有用于活动设置气液混合管的弹性固定卡簧用于对接气液混合管的卡口；磁力富集架的底部设有磁性底架。

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