JP4351676B2 - 空中浮遊病原体検出システム - Google Patents

Description

本発明は、空中浮遊病原体検出システム及び方法に関する。

現在、炭疽菌などの生物兵器の放出を含む都市テロ攻撃は、現実的な問題である。攻撃兵器となる炭疽菌胞子は、人間の肺に入るため、非常に危険である。人に対する炭疽菌胞子の致死吸入量は、ＬＤ_５０（被曝した人の５０％を殺すのに充分な致死量）は２５００〜５００００胞子と見積もられる（非特許文献１を参照）。その他の生物兵器として可能性があるのは、ペスト菌（ペスト）、ボツリヌス菌（ボツリヌス中毒症）、および野兎病菌がある。この可能性がある脅威に鑑みて、現在そのような攻撃を検出する早期警戒システムに対する需要がある。この点において、十分な感度を有し、安価で、実際の場への配置に耐える堅牢な、空中浮遊病原体を検出するための装置またはシステムは存在していない。

サンプルにレーザ光を指向し、サンプル中を伝播する光を検出解析してサンプル中の粒子により散乱光を検出するレーザ粒子計数管が公知である。散乱光を検出するために設計された既存の検出器または粒子計数管の問題の１つは、入射照明光源信号から散乱光を抽出する必要があることである。これは、非常にノイズの多いバックグラウンド（レーザ光源によるグレア）から、弱い信号（小さな粒子による散乱）を検出することを意味する。このことが、レーザ粒子計数管を装置化する際に、長い間、主な問題となっていた。従来の設計によるレーザ粒子計数管は、高価な手の込んだ手段を用いて、レーザ照明光源からのグレアを減少させて大きなバックグラウンドノイズに対する粒子散乱を測定しているため、脆弱で高価になる。現在、従来の設計によるレーザ粒子計数管は脆弱で高価であり、この応用には不適である。レーザ粒子計数に用いる従来技法には、粒子の速度を測定して粒径情報を推論するレーザドップラー法、粒子が検出領域を横断するのに必要な時間を測定する過渡時間法、小さい粒子のみを測定可能な大角複数センサー設計などがある。パルスＵＶレーザを用いるレーザ誘起蛍光に基づくバイオセンサーの提案が、非特許文献２に記載されている。これは空気１リッターあたり５粒子のエアロゾル濃度を検出可能であるが、高価で精密な装置が必要である。オレゴン州グランツパスのＭｅｔ Ｏｎｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，Ｉｎｃ、コロラド州ボルダーのＰａｒｔｉｃｌｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．およびカリフォルニア州アナハイムのＴｅｒｒａ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｃｏｒｐ．により、その他の粒子計数管が製造されている。その設計のため、これらの粒子計数管の構成は、精密な光学アライメント、さらに精巧なセンサーと電子機器が必要である。これらの検出器は研究室での使用を意図しており、１台数千ドルもの費用がかかる。このため、これらの製品は実際の場への配置に不適であるばかりでなく、生物兵器検出用に特別に設計されてもいない。

空気サンプル中の粒子数が所定の最小値を超えた場合、空中浮遊アレルゲン粒子を検出して被害を受けやすい個々人に警報を発するように種々の検出器が設計されている。これらは、Ｈａｍｂｕｒｇｅｒらによる特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、および特許文献５に記載される。これらの検出器はすべて、光線の一部が空気中のすべての粒子により散乱するように環境空気中のサンプル中を通過する光線を指向する装置、所定のアレルゲン粒径範囲に対応する所定の角度範囲中で散乱する光のみを伝達する光線遮光装置、および伝達された光を検出する検出器を備える。検出器で検出された光が所定レベルを超えると、警報が作動する。これらの装置はアレルゲン粒子の存在に基づいて警告表示を行う目的には十分であるが、これらの装置は実際の場への配置に不適であり、さらに生物兵器を検出する病原体検出器に対するより厳密な要求仕様を満たしていない。

米国特許第５６４６５９７号明細書 米国特許第５９６９６２２号明細書 米国特許第５９８６５５５号明細書 米国特許第６００８７２９号明細書 米国特許第６０８７９４７号明細書 Ｔ．Ｖ．ｌｎｇｌｅｓｂｙら「Ａｎｔｈｒａｘ ａｓ ａ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｗｅａｐｏｎ」ＪＡＭＡ，２８１巻，１７３５頁，１９９９年 Ｔ．Ｈ．Ｊｅｙｓらによる「Ｐｒｏｃ．ＩＲＩＳ Ａｃｔｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ」１巻，２３５頁，１９９８年

本発明の目的は、空中浮遊病原体または空中浮遊生物物質を検出するための新規でかつ改良された病原体検出システムおよび方法を提供することである。

本発明の１つの形態によれば、環境空気を収容するためのサンプル領域を有する外部筐体と、サンプル空気を通過するように収束光線を指向し、それによりサンプル領域中に存在する種々の寸法の粒子により光線の一部が種々の角度に散乱し、光線の散乱されない部分が散乱されないままである光源と、少なくとも光線の散乱されない部分を遮光し、少なくとも散乱光の部分を光路に沿って指向させる光線遮光装置と、光線遮光装置により検出器上に指向された光を検出し、かつ各パルスが粒径に比例する高さを有する出力パルスを生成する、光線遮光装置の下流側の光路中に位置する検出器と、所定時間における空気サンプル中で検出される空中浮遊粒子の粒径分布を得るためのパルス高さ判別器と、約１〜７ミクロンメートルの範囲の所定病原体寸法の粒子数が所定の通常レベルを超えると警告信号を発生する警報装置を備える病原体検出システムが提供される。

本発明の例示的な実施例において、パルス高さ判別器の出力は処理装置に接続され、処理装置は、各パルスの高さに基づいて所定時間における粒径分布を処理し、空中浮遊粒子の粒径分布のヒストグラムを生成し、出力装置上にヒストグラムを表示する。パルス高さ判別器は、入力するパルス高さを測定するピーク検出器と、各パルス高さの数を登録するコンパレータとレジスタとを備える。次に、各パルス高さは粒径に変換し、粒径分布のヒストグラムをＬＥＤ、液晶表示装置、コンピュータスクリーンなどの好適な表示装置上に表示する。

ある粒径範囲内のパルス数が所定の通常バックグラウンド値を超えると、可聴および／または可視の警報信号を生成するように警報装置を設けてもよい。１μｍ〜７μｍの粒径範囲内で空中浮遊する粒子の数が突然かつ局所的に増加するのは、通常、敵意のある生物物質の意図的な放出を意味する。

本発明の例示的な実施例において、反射器は、入射光線の散乱されない部分の一部を反射するために光線遮光装置上または光線遮光装置の上流側に位置し、第２の光検出器は反射器から反射される光を検出するように位置する。光検出器の機能は、半導体レーザである光源の出力を監視することである。これにより、装置の自己較正が可能となる。粒径測定は電気的なパルス高さ測定に拠り、そのため半導体レーザパワー出力の変動を説明するために重要となる。第１の検出器からの電気パルス信号は、結果がレーザパワー変動により影響を受けていないことを確認するために、第２の検出器からの監視信号により除算される。また、第２の光検出器の出力は、半導体レーザの性能を示すように監視される。第２の光検出器からの信号が、例えば開始パワーレベルの５０％になるように所定のレベルより低下すると、メンテナンスコールを起動するために「レーザパワー低下」警報を鳴動する。

サンプル領域と光線遮光装置との間に透明な隔壁スライドを設けてもよい。このスライドの目的は、塵またはその他の環境汚染物が光学要素および光検出器に到達するのを防ぐことである。これは、システムが過酷な実際の場への配置条件で使用される際に、特に有益である。スライドが、汚れて十分な光透過ができないと第２の光検出器により判断された場合に交換される。このように、レーザパワー警報は半導体レーザがパワーを失ったこと、またはスライドが汚れすぎたことのどちらかを示す。光線の散乱されない部分と散乱光線との両方の光強度が減少し、これら２つの信号の比が記録されるので、隔壁スライドがほどほどに汚れても粒子検出の正確性には影響を及ぼさない。

本発明の別の形態によれば、光線の第１の部分が環境空気のサンプル中に存在する粒子により散乱され、かつ第２の部分が散乱されないままであるようにサンプルを通過する光線を指向する段階と、空気サンプルを透過する光線の両方の部分を受光して、光線部分を光線遮光装置に指向させる段階と、光線遮光装置で光線の少なくとも第２の部分を遮光して、光線の第１の部分の少なくとも一部を第１の検出器に指向させる段階と、第１の検出器から出力される電気パルスの高さを測定する段階と、所定の時間間隔での各パルス高さのパルス数を計数する段階と、パルス高さを粒径に変換する段階と、各粒径に対応するパルス数を計数する段階と、病原体寸法に対応する所定の粒径範囲内で検出されるパルス数を超えると警報信号を生成する段階から成る病原体検出方法が提供される。

前述のように、空中浮遊する攻撃兵器となる病原体または生物兵器の粒径範囲は、約１〜７μｍである。別の用途として、同じ方法を、ベリリウムまたはアスベスト粉塵などの有害な空中浮遊物質を検出するために用いてもよい。病原体寸法の粒子数が変化するかどうか環境空気を常に監視するように、環境空気をサンプル領域中に連続して送風する。監視される粒径範囲において有害な粒子は同じ低レベルであるが、この特定粒径範囲中で突然かつ局所的に数が増加するのは、空中浮遊病原体が故意または事故により放出されたことを示す。

本発明の例示的な実施例において、各粒径に対するパルス数に関するデータを検出された粒径分布のヒストグラムに変換する。次にこれを、公知の生物兵器粒径分布と比較し、検出された分布が公知の生物兵器粒径分布するときには警報を作動させる。粒径分布は、検出された特定の生物兵器を特定するために用いることができ、かつ攻撃兵器となる生物兵器を生成する製造工程を特定する法科学の道具を提供することができる。

本発明の病原体検出システム及び方法は、空中浮遊生物兵器またはその他の有害な物質の存在を検出するために用いることが可能である。光線遮光装置は、散乱されなかった入射レーザ光を止めることにより、光源により発生するバックグラウンドノイズを効率的に除去し、その後、空気サンプル中の粒子により散乱される光の角度分布および光の強度を検出し、検出器の出力を粒径分布ヒストグラムに変換してヒストグラムが所定の空中浮遊病原体粒径範囲内において異常に大きな粒子数をヒストグラムが示すときには警報信号を生成する。検出システムは、高感度、安価、かつ実際の場への配置に対しても十分堅牢である。システムは、病原体の種類を必ずしも厳密に検出しないが，生物兵器攻撃に対して高感度で安価な早期警戒を提供することが可能である。また、システムは、アスベストやベリリウム粉塵など肺に苦痛を起こすその他の有害な空中浮遊粒子についての早期警戒を行うように配置することも可能である。

本発明は、同様な参照番号は同様な部品を表す添付図面を参照した次の本発明の例示的な実施例の詳細な説明により、より理解できるであろう。

図１および図３〜５は、本発明の例示的な実施例による空中浮遊病原体検出システムを示し、図６はシステムからの例示的な出力を示す。ここで用いる「病原体」という用語は、十分な量のそのような粒子が空気中に存在する場合に、その粒子に曝された人間に害を与えたり殺したりする可能性があるすべての空中浮遊粒子のことを言う。システムは、テロリストやその他の人により故意に放出される空中浮遊生物兵器を検出するように意図されているが、アスベストやベリリウム粉塵など不用意に放出されたその他の有害な空中浮遊粒子の有害レベルを検出する民需用の応用に用いることも可能である。

検出システムは、特定の粒径範囲内の空中浮遊粒子を検出し、サンプル中で検出される範囲内の各粒径の粒子数を示す出力を生成し、さらに粒子数が通常のバックグラウンドレベルより大きな所定値を超えたとき警報信号を生成する。図１〜３に示すように、システムは、光学装置１０と、光線を光学装置に指向させる半導体レーザまたはその他の光源１２と、光学装置を透過する光を検出するための、光学装置の出力での第１の光検出器１４と、半導体レーザの光出力を検出するための第２の光検出器１６と、光検出器１４の出力を光検出器１６の出力により除算するための差動増幅器１８と、差動増幅器１８の出力に接続される増幅器２０と、ＡＤ変換器２２と、ウインドウコンパレータ回路２４と、回路２４の出力に接続される制御／出力表示装置を基本的に備える。低信号検出回路２６は半導体レーザパワーを検出する光検出器１６の出力に接続され、回路２６の出力は制御装置２５にも接続される。警報装置２８はコンピュータ２５にも接続される。

次に図１を参照して、システムの光学装置１０をさらに詳細に説明する。この装置は、Hamburgerらの特許文献３および特許文献５に記載される光学システムと同じようなもの
であり、その内容は本明細書の一部を構成するものとしてここに援用される。光学システムは、管状またはその他の形状である外部筐体３０を備える。光源１２は、コリメートされたレーザ光線３２が筐体内の空気サンプル領域３４を通過するように指向せしめる。コリメートされた光線が空気サンプル中の粒子３５に衝突すると、光線の一部が、粒子の寸法に依存する反射角度で、反射または散乱される。そのため、光線の散乱された部分（散乱光）３６は空気サンプル中に粒子が存在することを示す。環境空気は、上記の参考特許に記載されたのと同じように、ファン装置３７により図１の矢印方向にサンプル領域３４を通って吸い込まれる。

レンズ３８が、サンプル領域を出る光線の散乱されなかった部分（非散乱光）と散乱された部分（散乱光）との両方の光路中の筐体内に位置する。光を吸収するように設計された所定の直径の遮光部材４０を、中心に有する。例示的な実施例において、遮光部材４０はレンズ３８の前面に接着したビニールの黒片であるが、その他の光線遮光装置を用いてもよい。部材４０の直径は、収束光線の少なくとも散乱されなかった部分が遮光されて、そして装置１０を透過するのを防ぐようなものである。円形の遮光部材４０の直径は、非収束光線の直径より大きな約２ｍｍでよく、散乱されなかった光および例えば５０ミクロンメートルなどの所定寸法よりも大きな粒子により散乱された光を遮光するように設計されていてもよい。必要に応じて、さらに大きな遮光部材を用いて５０ミクロンメートルよりも小さな粒子により散乱された光をさらに除去してもよい。レンズは、例えば上記の非特許文献５に記載されるように、中心の遮光部材４０を囲む遮光材料の円形リング（図示せず）を有してもよい。これは、所定の最小値よりも小さな粒子により散乱された光を遮光するために役立つだろう。しかし、別法として、レンズ及び筐体は、そのような粒子により散乱された光が透過しないように設計されてもよい。

前述のように、レンズ３８と光線遮光部材４０（もしあればさらに円形光線遮光リング）とを備える光線遮光装置は、５〜５０ミクロンメートルの所定アレルゲン粒径範囲からはずれる粒子により散乱された光の透過を遮るように設計された。しかし、本装置は、特に異なる粒径範囲の粒子、特に空中浮遊生物兵器や有害な塵を検出するように意図されている。そのような粒子の寸法は０．５μｍと小さいので、レンズ３８、筐体３０、および光線遮光部材４０は、０．５μｍ〜５０μｍの粒径範囲をはずれる粒子を透過した光が遮光され、０．５μｍ〜５０μｍの粒径範囲内の粒子により散乱された光線の部分４２が遮光部材４０を囲むレンズの円形リング部分を透過するような所定の寸法である。もしレンズ３８を透過した光線の部分をさらに限定したい場合には遮光部材の寸法を変えてもよい。

収束光線３２に加えて、光源１２はその表面から所定量のノイズをも発生する。そのようなノイズは、レンズ３８により第２のレンズ４４の中心の円形の遮光部材４５上に収束され、その結果、検出器１４に到達しないように遮られる。しかし、図１に示すように、レンズ３８を透過した光線の散乱された部分は、レンズ４４により検出器１４上に収束される。円形の遮光部材４５は遮光部材４０と同じでもよい。

光学装置１０は、次の点において、前述の２つの特許に記載される光学装置と異なる。第１に、反射器４６は、光線遮光部材４０上に、または光線遮光部材４０の前に、設置される。反射器は、傾斜鏡またはコーティングしたプリズムセットである。この反射器は、散乱されずに入射したレーザ光を、第２の光検出器１６に、またはモニター用の光検出器１６に、反射するように設計される。第２に、サンプル領域３４と光線遮光装置３８、４０との間に透明な隔壁スライド４７が設置される。スライドの目的は、塵またはその他の環境汚染物が光学要素および光検出器に到達するのを防ぐことである。これは、システムが過酷な実際の場への配置条件で使用される際に、特に有益である。スライドが汚れて十分な光透過ができないと第２の光検出器により判断された場合に交換できるように、スライドは取り外し可能に取付けられる。このように、レーザパワー警報は半導体レーザがパワーを失ったこと、またはスライドが汚れすぎたことを示す。光線の非散乱光と散乱光との両方の光強度が減少すること、そしてこれら２つの信号の比が記録されるので、隔壁スライドが少しばかり汚れた程度では粒子検出の正確性には影響を及ぼさない。

例示された実施例における光線「遮光」装置は、所定の角度領域中で散乱された光のみをレンズに透過するように、中央の遮光領域および任意に外周の遮光リングを有するレンズであるが、別の実施例における遮光装置は、上記のような中央の光吸収遮光装置または所定直径の中央開口を有する凹面鏡である。この場合の検出器１４は、ここにその内容が本明細書の一部を構成するものとして援用されるＨａｍｂｕｒｇｅｒらの特許文献４に記載されるように、凹面鏡からの反射光を検出するように設置される。光線の散乱されない部分の一部を第２の検出器上に指向するために、傾斜鏡またはプリズムを図１に示すのと全く同じ方法で用いてもよい。

システム設計は、光の波長に相当する寸法を有する粒子による光のミー散乱の原理に基づく。ミー散乱において、散乱光の角度分布および強度の両方が粒径および粒子形状に強く依存する。ミー散乱は次の特性により特徴付けられる。すなわち、１）散乱光が進行方向に集中する、２）散乱光強度の角度分布は散乱する粒径に非常に敏感である、３）粒子の散乱断面積は単調であるが複雑に粒径に比例する。波長が０．６７μｍの可視半導体レーザ光出力光線などの可視光を用いると、ミー散乱法はミクロンメートル粒径範囲の空中浮遊粒子を検出し特徴付けるのに好適である。ミー散乱断面積と粒子半径との関係を図２に示す。

システムの光学装置１０は、サンプル中を透過する光の光路中に位置する光線遮光装置３６を用いて所定範囲外に散乱された光を除去するために、散乱角が粒径に比例するという原理を用いている。前述のようにおよび図２に示すように、粒子の散乱断面積は単調であるが複雑に粒径に比例するので、システムの残りの部分は、検出器１４で検出された異なる高さを持つパルスの間で判別をすることによりサンプル中の粒径分布を検出するように、設計される。そのため、検出器１４からの電気的なパルス出力の高さは粒径に依存する。

図３に示すように、検出器１４の出力は差動増幅器１８の１つの入力に接続されるが、一方、検出器１６の出力（それは、半導体レーザ出力に対応する）は、増幅器１８のもう１つの入力に接続され、これらの信号の比は増幅器１８から出力される。図４は、パルス高さ測定回路の概略図であり、本発明の例示的な実施例において、変換器２２、ウインドウコンパレータ２４、および表示装置２５を構成する。図５は、デジタル変換装置をより詳細に示す略図である。光検出器の出力は、パルス信号となり、例えば図４に示すような信号６０であり、各パルスが空気サンプル中の粒子により散乱された光を表すものでありかつパルス高さが粒径に比例するものである、一連のアナログパルスのパルス信号である。光検出器から入力される各パルスは、ＤＣバックグラウンドを除去するためにハイパスフィルタ６２を通過し、その後バッファ６４を通って、入力されたパルスの高さを測定するピーク検出器６５に達する。ピーク検出器６５の出力は、パルス高さ情報を搬送する一連の一定電圧レベルパルスである。好適なＡＤ変換器およびピーク検出器回路の一例を図５により詳細に示し、図５Ａは回路の種々の箇所におけるパルス出力を示す。図５Ａ中の
出力信号「ピーク出力」は、選別のためにウインドウコンパレータ装置に送られる。図５Ａ中に示されるその他のパルスは、ウインドウコンパレータに計数を行い記憶するように命じるタイミング信号およびイネーブル信号である。

ウインドウコンパレータ装置は、それぞれ所定の電圧範囲（ウインドウ電圧）中のパルスを検出するように設計された一連のウインドウコンパレータ６６（一例として図４の符号１〜１０）を有する。各ウインドウコンパレータ６６は、入力されるパルス高さがそのウインドウ電圧内の場合のみ（例えば、コンパレータＮｏ．５に対して５ｍＶ〜７．５ｍＶ）、信号をそれに対応付けられたデジタル計数管６８に送る。計数管６８の出力は、各粒径容器内の粒子数を表示する表示パネル７０に接続される。このように、出力表示装置２５は、対応する計数管からの入力に基づいて各粒径について順に点灯する発光ダイオード（ＬＥＤ）アレーにより粒径分布のヒストグラムを生成する棒グラフを備える。棒グラフは異なる粒径に対して色が異なってもよい。出力は、粒径分布のヒストグラムをその表示スクリーン上に表示するようにプログラムされたコンピュータに接続してもよい。

ウインドウコンパレータ装置２４は、複数のコンパレータ６６、および関心のある範囲の粒径に対応するパルスを計数するための計数管または容器６８を有する。図４において、そのような１０個の容器を示す。しかし、０．５ミクロンメートル間隔で１〜７ミクロンメートルの粒径に対しては１４個の容器が必要である。例えば、１〜５μｍであるより限定された病原体の粒径範囲のように、より大きいまたは小さい粒径範囲が必要である場合には、より少ないまたは多い数のコンパレータおよび計数管を設けてもよい。図６は粒径分布のヒストグラムの例を示す。この例は１〜１９μｍの範囲内の分布を示すが、前述のように、制御装置はより小さな範囲である１〜７μｍについて粒径分布のヒストグラムを表示するようにプログラムされてもよいものとする。制御装置２５の出力は、筐体の前面の警報灯やブザーなどのように、可視および／または可聴の警報装置２８に接続されてもよい。

テキサス州オースチンのＮａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＬａｂＶｉｅｗソフトウェアなど、出力表示ヒストグラムを生成するようにあらゆる好適なソフトウェアを用いてもよい。このソフトウェアは、病原体または生物兵器の粒径に対応する粒径範囲内の計数が通常の環境レベルよりも高い所定レベルを超えたとき、出力を生成して可聴警報２８を起動するために用いてもよい。これは、誤った警報を減少あるいは無くすのに役立つ。コンピュータの出力は、ＰＣＲに基づく炭疽菌検出装置などの、より精巧な生物兵器検出装置を起動するために用いてもよい。このような組合せにより、費用対効果が大きく、誤った警報を発生する危険をさらに減らせる。

改良された装置において、空中浮遊粒子の粒径分布のヒストグラムは、そのような生物兵器用の処理工程が工程中で使用される機械に特有のシグニチャ粒径分布を有することが知られているので、攻撃兵器となる公知の生物兵器のヒストグラムと比較してもよい。このように、本発明の検出システムは、生物兵器を製造する者の可能のある出所に関する法科学的情報を提供することができる。

前述のように、テロ攻撃で使用される可能性が最も高い生物兵器は、１μｍ〜７μｍの粒径範囲を有する。下の表１は、Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｄｉｓｅａｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌにより分類されている、分類Ａの生物テロ兵器の特徴を示す。

環境空気中において、粒径が１μｍ〜７μｍの範囲にある非常に低くて一定の濃度の空中浮遊粒子が自然に発生する。大都市地域のスモッグの粒径範囲および局所塵源の急激な成長は、それぞれ０．３μｍと５μｍにピークがある。花粉と他のアレルゲンは開花期中の空気にも存在し、アレルゲン微粒子の粒径範囲は、５〜５０μｍである。このように、攻撃兵器となる生物兵器の典型的な粒径範囲（１〜７μｍ）中には、これらの自然に発生する空中浮遊粒子はない。そのため、本発明の検出システムは、この特別な粒径範囲中の粒子を検出して、０．５μｍの間隔で検出した粒径範囲を表示する出力を生成する。この粒径範囲内において空中浮遊粒子の数が突然急激に増加することは、敵対的な生物兵器または病原体が故意に放出されたことを意味する可能性が高い。システムは、関心のある粒径範囲内の粒子の自然なバックグラウンドレベルを検出して記憶するように調整した後、空中浮遊粒子数が突然増加するのを検出したとき警報を作動させるために、これをその後の出力ヒストグラムに対する比較レベルとして用いることができる。図６の粒径分布ヒストグラムは、１〜７μｍの粒径範囲において検出される粒子数が通常レベルを超えている有害となりうる状況を示す。

本発明の病原体検出システムは病原体の種類を特定しないが、通常の気象条件において関心ある範囲での空中浮遊粒子が比較的少ないために、空中浮遊生物兵器攻撃に対する高感度で費用対効果の高い警報として機能を果たす。この範囲内のすべての粒子は、人の肺に侵入でき、それらを吸い込んだ人に対して潜在的に有害あるいは致命的である。地域付近の人に避難警報を発することにより、そのような生物兵器に曝されることを減らす。

同じ検出システムおよび方法を、製造設備中の潜在的に有害な粉塵の危険レベルを検出するために用いることもできる。有害なアスベスト繊維は５μｍの粒径範囲にあり、典型的な長さが５μｍ以上であり直径が１〜２μｍである。ベリリウム粉塵も、１〜５μｍの範囲にあるときに肺に吸い込むと有害である。本発明の検出システムは、アスベストを含む建物に設置することができる。あるいは、作業員がそのような建物で働く際に、１〜５μｍの範囲において異常なピークが検出されて、空気中のアスベスト繊維が危険なレベルであることを示す可能性がある場合に警報を発することができる。同様に、１〜５μｍの粒径範囲中の粒子数が突然増加した場合に警報信号を発するために、作業員がベリリウム部品を加工する際に検出器をその付近に用いる。それにより、有害レベルのベリリウム粉塵が存在することを表示することもできる。検出器が同じ粒径範囲の無害粒子とアスベストまたはベリリウム粉塵を区別できなくても、アスベストまたはベリリウム環境中の作業において、この粒径範囲で検出される粒子レベルが急激に増加することは、その地域からの避難またはさらに詳しい検査が必要な潜在的に危険な状況を提示する。

上記の検出システムにおいて、２段階の検出および判別工程が用いられており、システムの光学装置１０によって関心のある粒径範囲を含む所定の角度範囲の外側に散乱される光を最初に除去する。次に、検出された出力パルスをパルス高さに応じて判別し、各高さのパルス数を計数して０．５μｍ以内の粒径に変換し、さらに、新しいヒストグラムを好適な時間間隔で生成して変化する粒子分布状況を示しながら、結果をヒストグラムとして表示する。しかし、粒径分布ヒストグラムを表示する代わりに、別法として、検出装置の光学部分を配置して、粒子１〜７μｍの粒径範囲に対応する散乱光信号のその部分のみを検出器１４に指向させて、検出器の出力が所定の閾値レベルを超えたときにシステムの残りの部分が警報信号を発するように構成してもよい。これにより出力の正確さが減少し、検出される粒径範囲内の粒径の判別ができなくなるが、それでも公知の空中浮遊病原体に対応する粒径範囲で異常に大量の粒子が存在すると比較的正確な警報を発生することができる。図１の光学組立品１０は、より大きな中央遮光領域を形成して７μｍよりも大きな粒径を有する粒子により散乱される光を遮光するように変更することのみが必要である。また、検出器の出力において閾値レベルを判別し、判別器からの出力信号を供給して検出した信号が選択した閾値よりも高いときに警報を起動するように出力回路を変更する。

本発明の病原体検出器は種々の応用において使用可能である。本発明の病原体検出器は、現場作業員用の携帯可能な手持ち式の検出器として実現することもできる。この場合、外部筐体は、光学装置と電気回路を支持して空中浮遊病原体の範囲内の粒子を計数し、各粒径に対して現在の粒子数を表示するＬＥＤを有する。レーザ低パワー状態に対する可聴の警報および警告灯も内蔵する。この場合、検出器は電池駆動である。単独で使用するディスクトップ型は、オフィスビルなどでの使用が可能である。これは屋外型と同じであるが、壁にある差込口の標準電気からＡＣ／ＤＣ変換器を経由して電力を供給される。後者の場合、検出器は、オフィスのディスク上に設置された状態で生物兵器に汚染された手紙や荷物を防止するように意図される。

検出器は建物の安全対策用複合システムの一部であり、中央の監視コンピュータや制御ステーションに接続されて各部屋に設置される多数の検出器から成る。制御ステーションは、各部屋からの粒子数を監視して、病原体寸法の粒子が異常に増加した場合には原因を解析して、建物内の潜在的な拡散パターンを予測するようにプログラムできる。より大規模な分散型システムは、軍事基地や都市の区画などの大きな建物の集合体で用いることができる。検出器は、潜在的な生物兵器粒子の増加の原因およびすべての生物兵器の潜在的な拡散を再度解析することが可能な中央制御ステーションにデータを送信するための無線送信機を有する。

本発明の病原体検出システムおよび方法は、コンパクトかつ安価であり、空中浮遊生物兵器などの潜在的に有害な病原体またはアスベストやベリリウム粉塵などの有害な塵の存在に対して早期に警告する堅牢な手持ち式装置を提供することが可能である。システムは必ずしも病原体を厳密に指定しないが、潜在的に有害な病原体を直ちに表示して、避難および消毒する地域に警報を発する。また、上記のように、粒径分布のヒストグラムは生物災害およびその可能性のある原因を示すのに十分である。

本発明の例示的な実施例を一例として説明したが、当該分野の技術者は、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲内において、開示された実施例に対して種々の変形を行えることを理解すべきである。

本発明の例示的な実施例による空中浮遊病原体検出システムの光学装置の概略図である。 空中浮遊粒子径に対する入射光のミー散乱断面積の関係を示すグラフである。 図１の光学システムを内蔵する本発明の例示的な実施例による病原体検出システムの概略図である。 パルス高測定および表示回路の概略図である。 図４の回路のＡＤ変換部の概略図である。 回路中の種々の箇所におけるパルス波形を示す概念図である。 病原体径の粒子が警戒状態を発動させる所定量を超えて数えられた状況において、図３および４のシステムにより表示される例示的な出力ヒストグラムを示す。

Claims (5)

1. 環境空気を収容するためのサンプル領域を有する外部筐体と、
   サンプル領域の一方側から可視光を発して、サンプル空気を通過するように収束光線を指向させ、サンプル領域中に存在する種々の寸法の粒子により光線の一部が種々の角度に散乱されると共に、光線の非散乱光を散乱されないままにする可視半導体レーザ光源と、
   サンプル領域の他方側にある光線遮光装置であって、光線の非散乱光を遮光し、散乱光を光路に沿って指向させる光線遮光装置と、
   前記光線遮光装置により検出器上に指向された光を検出し、かつ各パルスが粒径に比例する高さを有する出力パルスを生成する、前記光線遮光装置の下流側の光路中に位置する第１の光検出器と、
   光線の非散乱光の光路中にあり且つ前記光線遮光装置の前面に位置して光路中の非散乱光を反射する反射器と、
   前記反射器から反射される光を検出するように位置する第２の光検出器と、
   前記第１の光検出器と前記第２の光検出器の出力が接続されて、前記第１の光検出器の出力を前記第２の光検出器の出力で除算して、散乱光のピーク値を表す出力パルス信号を生成する差動増幅器と、
   前記差動増幅器の前記出力パルス信号を用いて粒子の寸法を求めて、所定時間における空気サンプル中で検出される空中浮遊粒子の粒径分布を得るパルス高さ判別器と、
   前記パルス高さ判別器に接続されて、１〜７μｍの範囲の所定病原体寸法の粒子数が所定の通常レベルを超えると警告信号を発生する警報装置と、
   を備える病原体検出システム。
2. 前記パルス高さ判別器の出力に接続されている処理装置であって、各パルスの高さに基づいて所定時間における粒径分布を処理し、空中浮遊粒子の粒径分布のヒストグラムを生成し、出力装置上にヒストグラムを表示する処理装置を備える請求項１に記載のシステム。
3. 前記第２の光検出器の出力に接続されて光源の出力パワーの減少を検出するパワーモニターと、パワーモニターに接続されて光源のパワーが所定レベルよりも低下すると警報信号を発生する警報器とを備える請求項１に記載のシステム。
4. 前記サンプル領域と前記光線遮光装置との間に位置する透明な隔壁スライドを備える請求項１に記載のシステム。
5. 前記隔壁スライドが筺体中に取り外し可能に設置される請求項４に記載のシステム。

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