JP2018101419A - ウェアラブル化学的脅威検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】概して、化学的脅威検出、より詳細には、屋内または屋外環境のためのウェアラブル化学的脅威検出器が提供される。【解決手段】一実施形態では、化学感知及び検出のための方法が開示される。方法は、（ａ）複数のウェアラブル化学検出器を展開することと、（ｂ）複数のウェアラブル化学検出器のうちの少なくとも１つによって、環境大気サンプルを受信することと、（ｃ）少なくとも１つのウェアラブル化学検出器から、環境大気サンプル中に存在する１つまたは複数の化学物質（複数可）の警報を受信することと、（ｄ）化学名、化学濃度、化学区分、または毒性水準のうちの少なくとも１つに関連するデータについて警報を分析することと、（ｅ）データを中央データ収集サイトに送信することと、を含む。さらに、開示される実施形態は、一度脅威が検出されると、ユーザに警告及び／または避難ルートを提供してもよい。【選択図】図４

Description

本開示は、概して、化学検出に関し、より詳細には、ユーザに警報及び／または命令を提供するウェアラブル化学的脅威検出器に関する。

化学的脅威検出は、概して、環境的背景における幾つもの既知の有毒化学蒸気についての認識及び有毒化学蒸気に対する警報に関する。軍事及び国土安全保障での適用は、国外または米国国内で軍隊または民間人に意図的に被害を与えるために敵対国またはテロリストによって使用される、化学兵器剤及び有毒な工業化学物質の検出を含む。かつての紛争の後に残された化学弾薬は、軍隊にケミカルハザードを日常的にもたらす。有毒化学物質を検出する能力は、多様な他の状況においても重要であり、火災、負傷、死亡、または健康問題を防止するために、家庭、会社、または工場における潜在的な有毒化学物質の検出を含む。化学薬剤及び有毒化学蒸気の早期検出は、概して、適切な避難、防護装備を身に着けることによる身体防護、または化学的脅威の発生源の封じ込めの機会を提供するのに十分な時間で、軍人または一般人に警告する機会を提供し得る。

典型的な化学的脅威検出器は、重く複雑であり、したがって、多数の集団で複数のデバイスを輸送及び展開することが困難となっている。さらに、化学的脅威検出器についての典型的なコストが、複数ユーザへの幅広い展開を妨げる。また、高感度の化学検出を実現することと、誤検出率を低下させる正確な化学検出結果を生成することとの間にはトレードオフが存在する。従来技術は、その意図した目的を充足するものと考えられている。しかしながら、改良されたウェアラブル化学的脅威検出器に対する必要性は、絶えず存在している。本開示は、この必要性に対する解決策を提供する。

本開示は、概して、化学的脅威検出に関し、より詳細には、ウェアラブル化学的脅威検出器に関する。一実施形態では、化学感知及び検出のための方法が開示される。方法は、（ａ）複数のウェアラブル化学検出器を展開することと、（ｂ）複数のウェアラブル化学検出器のうちの少なくとも１つによって、環境大気サンプルを受信することと、（ｃ）少なくとも１つのウェアラブル化学検出器から、環境大気サンプル中に存在する１つまたは複数の化学物質の警報を受信することと、を含む。方法は、また、（ｄ）化学名、化学濃度、化学区分、または毒性水準のうちの少なくとも１つに関連するデータについて警報を分析することと、（ｅ）データを中央データ収集サイトに送信することと、を含む。ある実施形態では、方法は、また、少なくとも１つのウェアラブル化学的脅威検出器によって、ユーザが従う命令を受信することを含んでもよい。命令は、脅威検出に関連してもよい。いくつかの実施形態では、命令は、検出された化学物質（複数可）を含む環境から出るための脱出軌道に関連してもよく、または複数のウェアラブル化学的脅威検出器から検出された化学物質（複数可）の位置ソースを三角法で求め、通信してもよい。また、いくつかの実施形態では、命令は、１つより多くの化学検出器によって受信されてもよく、命令は、検出された化学物質（複数可）の警報が誤検出であるかどうかを判断してもよく、または、命令は、例えば保護マスクを身に着ける、健康予防アクションなどの、ユーザによって実行されるべきアクションに関連してもよい。

別の実施形態では、化学物質を検出するためのシステムが、開示される。システムは、ハウジングと、ハウジング内に配置されるガス採取チャンバと、ガス採取チャンバに動作可能に接続され、またはガス採取チャンバ内に含まれるセンサと、ハウジング内に配置され、センサに動作可能に接続される電力管理システムと、を含む。システムは、また、センサに動作可能に接続されるコントローラを含む。検出システムは、プロセッサ、例えば、マイクロプロセッサと、メモリ、例えば、ソリッドステートメモリと、を含む。メモリは、プロセッサによる実行時に、システムに、ガス採取チャンバ内の環境大気サンプルを受信させ、環境大気内で検出された１つまたは複数の化学物質のセンサによる警報を受信させ、化学名、化学濃度、化学区分、または毒性水準のうちの少なくとも１つに関連するデータについて警報を分析させ、データを中央データ収集サイトに送信させる命令を記憶する。いくつかの実施形態では、センサは、最大約１６の化学的に適合されたナノセンサのアレイを含んでもよく、アレイは、電気抵抗トランスデューサプラットフォームからなるマイクロ電気機械システム上に支持されてもよい。また、ある実施形態では、各ナノセンサは、その上に配置される特定の化学物質または化学物質の分類を感知することを可能にする表面被覆（例えば、カーボンナノチューブ、ナノファイバ、もしくはナノワイヤ技術、分子刷込高分子、有機金属構造体、または他のナノ粒子技術）を有してもよい。実施形態では、電気化学応答（例えば、電圧または電流）が、センサ出力のための基礎として使用されてもよい。実施形態では、表面弾性波現象が、センサ出力のための基礎として使用されてもよい。実施形態では、比色現象が、センサ出力のための基礎として使用されてもよい。実施形態では、免疫化学（例えば、抗体−抗原）現象が、センサ出力のための基礎として使用されてもよい。実施形態では、システムは、また、存在する検出された化学物質（複数可）の状態（例えば、検出または未検出、化学的同一性、濃度、危険重大度など）を提供するように構成される警報機構を含んでもよい。警報機構は、視覚的指標、聴覚的指標、または振動式指標であってもよく、ある実施形態では、警報機構は、存在する検出された化学物質（複数可）の状態をリアルタイムに提供してもよい。追加的に、いくつかの実施形態では、システムは、環境大気サンプルをガス採取チャンバ内外へと循環させるためのポンプ、ならびに／またはハウジング及びコントローラに動作可能に接続され、ユーザに対して情報を表示するように構成されるグラフィカルユーザインタフェースをさらに含んでもよい。

対象開示の方法及びシステムのこれらの及び他の特徴は、図面と併せて解される好ましい実施形態の以下の詳細な説明から、当業者にさらに容易に明らかとなる。

対象開示が属する技術分野の当業者が、不要な実験を行うことなく対象開示のデバイス及び方法を作成及び使用する方法を容易に理解するように、その好ましい実施形態が、ある図面を参照して以下の本明細書に詳細に説明されることとなる。

本開示の例示的な実施形態にしたがって構築される、化学的脅威検出のためのシステムの正面概略斜視図であり、（例えば、能動的にポンプで吸い上げられる）ガスサンプル取り込み口及びグラフィカルユーザインタフェースを示す。 図１Ａのシステムの背面概略斜視図である。 （例えば、ポンプを必要としない）受動的なガスサンプル取り込み口及びＬＥＤライト警報指標を有する化学的脅威検出のためのシステムの別の例示的な実施形態の正面概略斜視図である。 図１のシステムで使用するセンサの概略図である。 本開示の例示的な実施形態による、化学感知のための方法の概略フロー図である。

ここで、同様の参照番号が対象開示の類似の構造的特徴または態様を同定する図面に対して、参照が行われることとなる。限定ではなく説明及び例示の目的で、本開示による化学検出システムの例示的な実施形態の部分投影図が、図１Ａ、図１Ｂ、及び図２に示され、概して参照符号１００によって指示される。本開示またはその態様によるシステムの他の実施形態は、説明されるように、図４に提示される。本明細書で説明されるシステム及び方法は、脅威が検出されると、警告、発生源の三角測量、及び／または避難ルートをユーザに提供するために使用され得る。

本明細書で使用される「ユーザ」という用語は、例えば、コンピューティングデバイス、ワイヤレスデバイス、及び／もしくは化学検出デバイスを所有する人もしくは主体、上記デバイス（複数可）を操作もしくは利用する人、または上記デバイス（複数可）に別の方法で関連付けられる人もしくは主体を含む。「ユーザ」という用語は、限定を意図するものではなく、説明されたものの範囲を超えて多様な例を含み得ると考えられる。

図１Ａ、図１Ｂ、及び図２に示されるように、化学検出のためのシステム１００は、ハウジング１０２、及びハウジング１０２内に配置されるガス採取チャンバ１０４を含む。ガス採取チャンバ１０４は、ガス採取チャンバ１０４を周辺大気環境に露出する開口部１０６をその中に有する。開口部１０６によりガス採取チャンバ１０４を環境に露出することによって、環境ガス（例えば、大気、他のガス、及び／または化学蒸気）がガス採取チャンバ１０４に入ることが可能となる。図３に示すように、システム１００は、また、センサ１０８を含む。センサ１０８は、最大１６の化学的に適合されたナノセンサ１０９のアレイを含む。ある実施形態では、ナノセンサ１０９は、プラットフォーム１１１上に支持されてもよい。各ナノセンサ１０９は、特定の対象ガスまたは蒸気と相互作用する、化学的に固有の表面被覆を含む。特定のナノセンサ１０９が特定の化学物質と相互作用すると、上記ナノセンサの電気抵抗が、増加または減少のいずれかにより変化する。特定のナノセンサ１０９が、（他のナノセンサが反応しない場合がある一方で）特定の対象ガスに反応するとき、ナノセンサ１０９の電気抵抗は、ガス−センサ相互作用の結果として予測可能な方式で変化してもよい。各ナノセンサ１０９の応答特性を処理及び解釈して、自律的でリアルタイムに、連続して対象ガスの検出及び同定をもたらす、アルゴリズム一式によって応答信号が評価されてもよい。ある実施形態では、アルゴリズムは、前処理、ヒット検出、分類、同定、及び／または濃度測定を含む。アルゴリズムは、ナノセンサ１０９の応答特性を処理及び解釈して、自律的かつ連続的に、ほぼリアルタイムに所望の対象ガス／蒸気の検出をもたらし、例えば、可能性のある化学物質の選択されたセットから少なくとも１つの化学物質を検出する。

図１Ａ、図１Ｂ、及び図２に戻って、システムは、電力管理システム１１０、及びコントローラ１１２をさらに含む。センサ１０８は、ガス採取チャンバ１０４に動作可能に接続される。電力管理システム１１０は、ハウジング１０２内に配置され、センサ１０８に動作可能に接続される。

コントローラ１１２は、センサ１０８に動作可能に接続される。コントローラ１１２は、少なくとも１つの中央処理装置（ＣＰＵ）１１４、及び１つまたは複数のメモリ集積回路（ＩＣ）１１６を含む。メモリＩＣ１１６は、ＣＰＵ１１４による実行時に、システム１００に、ガス採取チャンバ１０４内の環境大気サンプルを受信させ、周辺環境大気中に存在する検出された化学物質（複数可）のセンサ１０８による警報を受信させ、化学名、化学濃度、化学区分、または毒性水準のうちの少なくとも１つに関連するデータについて警報を分析させる命令を記憶する。メモリＩＣ１１６によって記憶される命令は、さらに、ＣＰＵ１１４による実行時に、システム１００にデータを中央データ収集サイトに送信させる。

コントローラ１１２は、また、支援回路（またはＩ／Ｏ）１１８を含む。ＣＰＵ１１４は、多様なプロセス及びハードウェア（例えば、モータまたは他のハードウェア）を制御するための産業用設定において使用され、プロセス（例えば、ガス採取チャンバ内の大気サンプル、センサ、データなど）を監視する、任意の形態のコンピュータプロセッサのうちの１つであってもよい。メモリ１１６は、ＣＰＵ１１４に接続され、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、またはローカルもしくはリモートの任意の他の形態のデジタル記憶装置などの、容易に利用可能なメモリのうちの１つまたは複数であってもよい。ソフトウェア命令及びデータは、ＣＰＵ１１４に命令するために符号化され、メモリ１１６内に記憶されてもよい。支援回路１１８は、また、従来の方式でＣＰＵ１１４を支援するために、ＣＰＵ１１４に接続される。支援回路１１８は、従来のキャッシュ、電力供給、クロック回路、入力／出力回路、サブシステムなどを含んでもよい。コントローラ１１２によって読み取り可能なプログラム（またはコンピュータ命令）は、本明細書（以下）で説明される方法を実現し、及び／またはどのタスクが実行可能かを判断する。プログラムは、コントローラ１１２によって読み取り可能なソフトウェアであってもよく、例えば、環境大気サンプル取り込み口、警報、データ、送信などを監視及び制御するためのコードを含んでもよい。ある実施形態では、コントローラ１１２は、ＰＣマイクロコントローラであってもよい。コントローラ１１２は、また、化学検出用のシステムによって、実行されるプロセスのシーケンス、及び／または実行されるモードを自動化してもよい。

ある実施形態では、システム１００は、その中に配置されるポンプ１２０（破線で示される）をさらに含む。いくつかの実施形態では、ポンプ１２０は、ガス採取チャンバ１０４に動作可能に接続される。ポンプ１２０は、環境大気サンプルをガス採取チャンバ１０４内へ、及び／またはガス採取チャンバ１０４外へと循環させてもよい。したがって、ポンプ１２０は、ナノセンサアレイを周辺大気に露出するために、センサにわたって周辺環境大気を連続的に引き寄せるように動作してもよい。ある実施形態では、局所的な環境条件が補償され得るように局所条件を監視しアルゴリズムにフィードバックを提供するために、温度及び／または湿度センサもまた、ハウジング１０２内に配置される。さらに、いくつかの実施形態では、クリップ１３０は、ハウジング１０２に動作可能に接続されてもよい。クリップ１３０によって、ユーザは、システム１００を自分のベルト、他の機器などに取り付け可能にしてもよい。

いくつかの実施形態では、システム１００は、リアルタイムセンサ信号出力を提供しながら、自律的及び／または連続的に動作する。センサ信号出力は、警報機構１２２によって提供される警報を含んでもよい。警報機構１２２は、存在する検出された化学物質（複数可）の状態をユーザに提供するように構成される。警報機構１２２は、本技術分野において既知の他の指標のうち、視覚的指標、聴覚的指標、または振動式指標であってもよい。いくつかの実施形態では、警報機構１２２は、図１に示されるグラフィカルユーザインタフェース１２４などのグラフィカルユーザインタフェースであってもよく、他の実施形態では、警報機構１２２は、図２のＬＥＤライト１２６などのライトであってもよい。グラフィカルユーザインタフェース１２４は、ハウジング１０２及びコントローラ１１２に動作可能に接続されてもよい。グラフィカルユーザインタフェース１２４は、ユーザに対して情報を表示するように構成される。

警報機構１２２は、存在する検出された化学物質（複数可）の状態をユーザにリアルタイムに提供する。さらに、下で論じられるいくつかの実施形態では、警報機構１２２は、ユーザに避難命令を提供してもよく、ユーザに対する化学物質の発生源及び／もしくは位置を三角法で求めてもよく、（例えば、必要な安全機器の使用に関連して）ユーザに安全命令を提供してもよく、ならびに／またはユーザに対し、化学名、化学濃度、化学区分、及び／もしくは化学毒性水準の警報を出してもよい。

図４は、化学感知のための方法４００の概略フロー図を示す。動作４１０において、複数のウェアラブル化学検出器が展開される。ある実施形態では、展開は、戸外であってもよく、他の実施形態では、展開は、屋内であってもよい。展開は、１人のユーザまたは複数のユーザにウェアラブル化学検出器を持たせることを含んでもよい。

動作４２０において、環境大気サンプルが、複数のウェアラブル化学検出器のうちの少なくとも１つによって受信される。上で論じられたように、環境大気は、ポンプを経てガス採取チャンバ内外へと循環されてもよい。ウェアラブル化学検出器内に配置されるセンサは、１つまたは複数の化学物質、有毒ガスなどの存在及び濃度を判断してもよい。

動作４３０において、環境大気サンプル中に存在する検出された化学物質（複数可）の警報が、少なくとも１つのウェアラブルポータブル化学検出器によって受信される。警報は、多様な形態のうちの１つであってもよい。いくつかの実施形態では、警報は、例えば、ＬＥＤまたはグラフィカルユーザインタフェースによる視覚的警報であってもよく、他の実施形態では、警報は、聴覚的警報であってもよい。いくつかの実施形態では、警報は、振動式または任意の他の適当な警報方式であってもよい。

動作４４０において、警報は、化学名、化学濃度、化学区分、及び／または毒性水準のうちの少なくとも１つに関連するデータについて分析される。ある実施形態では、分析されるデータは、グラフィカルユーザインタフェース上に配置されてもよい。

動作４５０において、データは、中央データ収集サイトに送信される。中央データ収集サイトは、オンサイトまたはオフサイトの、サーバ、ハードドライブ、コンピュータなどであってもよい。ある実施形態では、動作４１０、動作４２０、動作４３０、動作４４０、及び／または動作４５０のうちのいずれかが、検出された化学物質がもはや検出されなくなるまで、繰り返されてもよい。したがって、各ウェアラブル化学検出器は、自律的及び／または連続的に動作して、リアルタイムセンサ信号出力及び／または命令をユーザに提供してもよい。

いくつかの実施形態では、方法４００は、少なくとも１つのウェアラブル化学検出器によって命令を受信することをさらに含み、命令は、ユーザが従うべきものである。命令は、脅威検出に関連してもよい。脅威は、１つまたは複数の化学物質（複数可）が、ウェアラブル化学検出器のうちの少なくとも１つによって受信される環境大気サンプル中にあるときに検出されてもよい。脅威によって、ユーザが適切な個人安全保護のない領域内にいることが危険となる可能性がある。

さらに、命令は、検出された化学物質（複数可）を含む環境から出るための脱出軌道に関連してもよい。したがって、命令は、視覚的指標または聴覚的指標によって、汚染領域を安全に去るための脱出経路にユーザを案内してもよい。他の実施形態では、命令は、複数のウェアラブル化学検出器から検出された化学物質（複数可）の位置ソースを三角法で求め、通信してもよい。例えば、複数のウェアラブル化学検出器が、ほぼ同一の一般領域内で利用されるとき、それぞれのポータブル化学検出器は、互いに通信するように構成される。通信は、ピアツーピアネットワークを経て、インターネット接続を介して、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）接続を経るなどして、発生してもよい。検出器の通信は、ユーザがさらに装着している携帯電話、無線などによって促進されてもよい。それぞれの通信するウェアラブル化学検出器は、例えば、測定される化学濃度に関連する情報を通信してもよい。そのような通信は、脅威が除去され得るように、検出された化学物質（複数可）の発生源または位置が、例えば、三角法によって判断されることを可能にしてもよい。ある実施形態では、命令は、ユーザによって実行されるべきアクションに関連してもよい。いくつかの実施形態では、アクションは、ユーザが防護マスク、防護服などを着用するための命令などの、健康予防アクションであってもよい。例えば、検出された化学物質（複数可）の領域から離れる各ユーザを指揮するために、または、ある例においては、検出された化学物質（複数可）の発生源またはプルームに向かって各ユーザを指揮するために、各ウェアラブル化学検出器は、命令を受信してもよい。いくつかの実施形態では、命令は、検出された化学物質の警報が、誤検出かどうかをユーザに通信してもよい。

本開示の方法及びシステムは、上述し図面に示したように、より軽い総重量を含む優れた特性、生産コストの減少、検出速度の向上、より信頼できる化学的同定及び濃度測定、ユーザ命令、ユーザビリティの改善、及び電力消費の減少を、改善されたウェアラブル化学的脅威検出器にもたらす。本開示の装置及び方法は、好ましい実施形態を参照して示され、説明されているが、当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなくそれに対して変更及び／または修正が行われ得ることを容易に理解するであろう。

Claims (19)

1. 大気中の化学物質を検出するための方法であって、
   （ａ）少なくとも１つのウェアラブル化学検出器を展開することと、
   （ｂ）前記少なくとも１つのウェアラブル化学検出器内で、環境大気サンプルを取得することと、
   （ｃ）可能性のある化学物質の選択されたセットからの少なくとも１つの化学物質が、前記環境大気サンプル中に存在することを検出することと、
   （ｄ）前記検出することに関連するデータを分析することと、
   （ｅ）化学名、化学濃度、化学区分、または毒性水準のうちの少なくとも１つを判断することと、
   （ｆ）前記判断された情報を中央データ収集サイトに送信することと、
   を含む、前記方法。
2. ユーザが従う、少なくとも１つのウェアラブル化学検出器による命令を受信することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記命令は、脅威検出に関連する、請求項２に記載の方法。
4. 前記命令は、検出された前記化学物質（複数可）を含む環境から出るための脱出軌道に関連する、請求項２に記載の方法。
5. 前記命令は、複数のウェアラブル化学検出器から判断される、検出された前記化学物質（複数可）の位置ソースを三角法で求め、通信する、請求項２に記載の方法。
6. 前記命令は、複数の化学検出器によって受信される、請求項２に記載の方法。
7. 前記命令は、存在する１つまたは複数の検出された化学物質の警報が、誤検出であるかどうかを判断する、請求項２に記載の方法。
8. 前記命令は、ユーザによって実行されるべきアクションに関連する、請求項２に記載の方法。
9. 前記アクションは、健康予防アクションである、請求項８に記載の方法。
10. １つまたは複数の検出された化学物質が、もはや検出されなくなるまで、（ｂ）〜（ｆ）を繰り返すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. ウェアラブル大気中化学物質検出システムであって、
    ハウジングと、
    前記ハウジング内に配置されるガス採取チャンバと、
    前記ガス採取チャンバに動作可能に接続されるセンサと、
    前記ハウジング内に配置され、前記センサに動作可能に接続される電力管理システムと、
    前記センサに動作可能に接続されるコントローラであって、
    プロセッサ、及び
    前記プロセッサによる実行時に、前記システムに、
    前記ガス採取チャンバ内で環境大気サンプルを取得させ、
    抵抗の変化について前記センサを電子的に監視させ、
    化学物質の選択されたセットのうち少なくとも１つの化学物質が、前記環境大気サンプル中に存在することを電子監視することによって検出させ、
    化学名、化学濃度、化学区分、または毒性水準のうちの少なくとも１つを判断させ、
    前記判断された情報を中央データ収集サイトに送信させる、命令を記憶するメモリ集積回路（ＩＣ）を含む、前記コントローラと、を備える、前記システム。
12. 前記センサは、最大約１６の化学的に適合されたナノセンサのアレイを備える、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記アレイは、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）電気抵抗トランスデューサプラットフォーム上に支持される、請求項１２に記載のシステム。
14. 各ナノセンサは、その上に配置された化学的に固有の表面被覆を有する、請求項１２に記載のシステム。
15. 警報機構をさらに備え、前記警報機構は、化学検出イベントの状態を提供するように構成される、請求項１１に記載のシステム。
16. 前記警報機構は、視覚的指標、聴覚的指標、または振動式指標である、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記警報機構は、存在する検出された化学物質（複数可）の状態をリアルタイムに提供する、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記環境大気サンプルを前記ガス採取チャンバ内外へと循環させるためのポンプをさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
19. 前記ハウジング及び前記コントローラに動作可能に接続されるグラフィカルユーザインタフェースをさらに備え、前記グラフィカルユーザインタフェースは、ユーザに対して情報を表示するように構成される、請求項１１に記載のシステム。

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