JP5259838B2 - 光センサ出力信号の変動を用いた、粒子評価のためのシステム - Google Patents

Description

本発明は、粒子評価に関し、より具体的にいうと、光センサ出力信号を用いた、粒子評価のための方法およびシステムに関する。

個人の呼吸器の健康状態を、ある程度局所的な環境状態に基づいて、リアルタイムで監視する移動式システムが知られている。例えば、２００９年４月３０日公開の、Ayyagari et al.の“Method and System for Self-Monitoring of Environment-Related Respiratory Ailments”を名称とする米国出願番号第１１／９９９，５６９（ＵＳ−２００９−０１１２１１４Ａ１）号は、携帯型ハンドセットが、局所的に収集された環境的および生理学的センサデータを用いて生成された呼吸器の健康に関する情報と、患者の背景情報とをリアルタイムで出力するシステムを記載している。

粒子センシングは、多くの用途を有している。１つの用途は、呼吸器疾患用の警告である。浮遊微小粒子に曝されることは、喘息、気管支炎、および呼吸器感染といった呼吸器の病気に密接に関連している。従って、浮遊微小粒子の早期の検出、および患者に浮遊微小粒子を警告することは、患者が、呼吸器の健康を管理する行動（例えば、粒子密度が高い場所からの避難）をとることを可能にし、呼吸器の苦痛の発生およびその重篤化を低減することを可能にする。粒子センシングの他の用途は、生物細胞の同定、塵の多い環境における労働者の保護、海水の分析を含む。

患者の近傍の浮遊微小粒子の存在をリアルタイムで検知すると共に報告する、移動式モニタが知られている。これらの移動式モニタは、多くの場合、浮遊微小粒子の存在を検出する持続的な光散乱測定を行い、モニタを装着している患者に、粒子の存在を知らせるものである。このような移動式モニタは、浮遊微小粒子の存在を知らせるものであるが、例えば、粒子密度、粒径、および粒子の種類に関する情報を提供することによって、浮遊微小粒子を評価するものであるとは知られていない。浮遊微小粒子の評価ができないため、依然として、患者、並びに患者の医療介護提供者が、呼吸器の健康管理に最適な決定を行うために必要な情報を得ることはできない。例えば、所定の呼吸器疾患に対して、またはその患者に対して、検出された粒子の種類（例えば、煙、塵、花粉など）に応じた、または、検出された粒子が大きいか若しくは小さいかに応じた、異なる健康管理行動が示されることが可能であろう。

浮遊微小粒子を評価する新型の光センサが知られている。これらの新型のセンサは、多くの場合、多数の波長および／または多数の角度において光散乱測定を行い、多数の散光データを生成する。その後、この多数の光散乱データをデータベースに用いて、粒径および／または粒子の種類に関する適切な結果を得る。従って、これらの新型のセンサは、オーバーヘッドが著しく大きく、典型的には、移動式モニタにおける使用には適していない。

本発明は、基本的一特徴において、光センサ出力信号の光の変動成分を用いた、粒子評価のための方法およびシステムを提供する。本発明の方法およびシステムでは、光の変動成分を使用することにより、多数の波長または多数の角度における測定をしなくても、比較的軽量の計算器を用いて、粒子の評価（例えば、粒径、粒子の種類、および、信頼度に関する情報の提供）が可能になる。このため、本方法およびシステムは、移動式モニタに、リアルタイムの浮遊微小粒子の評価を組み込むことが可能である。本発明はまた、幾つかの実施形態において、粒子密度情報を決定することにより粒子をさらに評価するために、出力信号を用いることも可能である。

本発明の一態様では、粒子評価のためのシステムは、信号処理装置と、信号処理装置に通信可能に結合された光センサとを備え、信号処理装置は、光センサから受信した出力信号の光の変動成分を分離し、この光の変動成分を用いて粒径情報を決定する。

幾つかの実施形態において、本システムは、信号処理装置に通信可能に結合された出力インターフェースをさらに備え、信号処理装置は、出力インターフェースに粒径情報を伝送する。粒径情報は、該出力インターフェース上に表示される。

幾つかの実施形態において、信号処理装置は、光の変動成分を用いて、粒子種類情報をさらに決定する。

幾つかの実施形態において、信号処理装置はさらに、規定の少なくとも１つのプロファイルを用いて、粒子種類情報の信頼度指数を決定する。

幾つかの実施形態において、信号処理装置は、出力信号を用いて粒子密度情報をさらに決定する。

幾つかの実施形態において、信号処理装置は、出力信号に高域フィルタを適用することによって、光の変動成分を分離する。

幾つかの実施形態において、高域フィルタは、３０Ｈｚの高域フィルタである。

幾つかの実施形態において、信号処理装置は、光の変動成分の少なくとも１つの標準偏差を求め、この標準偏差を、粒径に関する少なくとも１つの標準偏差閾値と比較して、粒径情報を決定する。

幾つかの実施形態において、信号処理装置は、光の変動成分の少なくとも１つの標準偏差を求め、この標準偏差を、粒子の種類に関する少なくとも１つの標準偏差プロファイルと比較して、粒子種類情報を決定する。

本発明の他の一態様では、粒子評価のためのシステムは、信号処理装置と、信号処理装置に通信可能に結合された光センサとを備え、信号処理装置は、光センサから受信された出力信号の光の変動成分を分離し、この光の変動成分を用いて、粒子種類情報を決定する。

幾つかの実施形態において、本システムは、信号処理装置に通信可能に結合された出力インターフェースをさらに備え、信号処理装置は、出力インターフェースに粒子種類情報を伝送する。粒子種類情報は、該出力インターフェース上に表示される。

幾つかの実施形態において、信号処理装置はさらに、光の変動成分と規定のプロファイルとを用いて、粒子種類情報の信頼度指数を決定する。

幾つかの実施形態において、信号処理装置は、光の変動成分の少なくとも１つの標準偏差を求め、この標準偏差を、粒子の種類に関する少なくとも１つの標準偏差プロファイルと比較して、粒子種類情報を決定する。

幾つかの実施形態において、信号処理装置は、出力信号に高域フィルタを適用することによって、光の変動成分を分離する。

幾つかの実施形態において、高域フィルタは、３０Ｈｚの高域フィルタである。

本発明のさらに他の一態様では、粒子評価のための方法は、光センサから出力信号を受信するステップと、出力信号の光の変動成分を分離するステップと、光の変動成分を用いて粒子を評価するステップと、上記評価ステップにおいて決定された粒子情報を、出力インターフェース上に表示するステップとを含む。

幾つかの実施形態において、粒子情報は粒径情報を含む。

幾つかの実施形態において、粒子情報は粒子種類情報を含む。

幾つかの実施形態において、粒子情報は、粒子種類情報に関連する信頼度指数を含む。

幾つかの実施形態において、粒子情報は粒子密度情報を含む。

幾つかの実施形態において、上記分離するステップは、出力信号に高域フィルタを適用することを含む。

幾つかの実施形態において、高域フィルタは、３０Ｈｚの高域フィルタである。

幾つかの実施形態において、上記評価ステップは、光の変動成分の少なくとも１つの標準偏差を求めるサブステップと、この標準偏差を、粒径に関する少なくとも１つの標準偏差閾値と比較するサブステップとを含む。

幾つかの実施形態において、上記評価ステップは、光の変動成分の少なくとも１つの標準偏差を求めるサブステップと、この標準偏差を、粒子の種類に関する少なくとも１つの標準偏差プロファイルと比較するサブステップとを含む。

本発明のこれらの態様および他の態様は、下記の詳細な説明を、以下に簡単に説明する図面と一緒に参照することによって、より良好に理解されよう。当然ながら、本発明は、添付の特許請求の範囲によって、規定される。

粒子を検出および評価するためのシステムを示す図である。 煙サンプリング動作状態中、および、粉塵サンプリング動作状態中の、光センサからの典型的な各出力信号を示す図である。 安定した煙濃度の周期の間の、光散乱領域における、経時的な粒子の浮遊を示す図である。 安定した粉塵濃度の周期の間の、光散乱領域における、経時的な粒子の浮遊を示す図である。 煙サンプリング動作状態中の、出力信号に高域フィルタを適用することにより分離された図２の出力信号の光の変動成分を示す図である。 粉塵サンプリング動作状態中の、出力信号に高域フィルタを適用することにより分離された図２の出力信号の変動成分を示す図である。 異なる時間断面の、図４Ａおよび図４Ｂの光の変動成分の標準偏差を示す図である。 異なる時間断面の、煙サンプリング動作状態および粉塵サンプリング動作状態の各平均密度を示す図である。 本発明の幾つかの実施形態における、光センサから受信された出力信号の光の変動成分を用いた、浮遊微小粒子の評価のための方法を示す図である。 本発明の幾つかの実施形態における、出力インターフェース上の粒子密度の出力表示を示す図である。 本発明の幾つかの実施形態における、出力インターフェース上の、粒径、粒子の種類、および信頼度の表示を示す図である。

図１は、本発明の幾つかの実施形態における、浮遊微小粒子の検出および評価のシステムを示す図である。本システムは、例えば、患者が装着する移動式モニタに集積化させることが可能である。本システムは、光センサ１００と出力インターフェース１９０との間を通信可能に結合された信号処理装置１８０を含む。光センサ１００は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源１１０を有している。光源１１０は、入射光線を第１のレンズ１２０に供給する。第１のレンズ１２０は、入射光線を視準して、視準された光１３０を生成する。視準された光１３０は、光散乱領域１４０内の粒子によって散乱され、散光１５０を生成する。散光１５０は、光散乱領域１４０内の粒子の存在を示すものである。散光１５０は、第２のレンズ１６０を通り抜けて、光学検波器１７０によって記録される。光学検波器１７０は、記録された光を電圧に変換する。光学検波器１７０は、信号処理装置１８０に、電圧に比例する出力信号を伝送する。信号処理装置１８０は、アナログ・デジタル変換を行った後、出力信号の光の変動成分を分離し、光の変動成分を用いて、光散乱領域１４０内の粒子を評価する。この評価は、粒子密度、粒径、粒子の種類、および、信頼度に関する１つ以上の情報を生成することを含む。信号処理装置１８０は、粒子の評価情報を、出力インターフェース１９０に伝送する。幾つかの実施形態において、この出力インターフェースは、例えば喘息患者または呼吸器の健康に関する専門家といったシステムのユーザに情報を表示するための、表示スクリーン、例えば、液晶表示（ＬＣＤ）スクリーンまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）表示スクリーンを有している。幾つかの実施形態では、光センサ１００、信号処理装置１８０、および出力インターフェース１９０は、ユーザが装着する携帯型環境モニタなどの単一の装置上で、連結されている。他の実施形態では、センサ１００、プロセッサ１８０、およびインターフェース１９０は、有線および／または無線の接続点を介して通信する多数の装置間で分散されている。さらに、ここに記載される要素１００、１８０、１９０のうちの特定の１つの要素によって実行される機能は、単一の装置上で実行されてもよいし、または、多数の装置の間に分散されて、実行されてもよい。

図２は、香煙（２００〜３００ｎｍ）のサンプリング動作状態およびアリゾナダスト（１０〜２０μｍ）のサンプリング動作状態中の、光センサ１００からの典型的な各出力信号２１０、２２０を示す図である。図示される実施例では、煙および粉塵のサンプリングは、異なる時間において行われたものであるが、結果として生じた煙出力信号２１０および粉塵出力信号２２０は、図解の目的のために、同じ図上に表示されている。例示されるこれら両方のサンプリングの間、光センサ１００および信号処理装置１８０は、閉鎖された空気室内に配置されており、サンプリング周波数は１００Ｈｚであった。この図は、サンプル番号に応じた、光センサ１００からの出力信号２１０（香煙）および出力信号２２０（アリゾナダスト）の「適性」を、「適性単位」（単位なし）において示す図である。この適性は、光学検波器１７０によって生成されると共に記録される光強度電圧に比例している。

図２をさらに説明する。煙サンプリングでは、２００〜３００ナノメータの空気力学的径の範囲の微粒子からなる香煙が、およそのサンプル番号３３００において、光散乱領域１４０内に導入され、結果的に、出力信号２１０の適性は、サンプリング動作状態が終了するまで（およそのサンプル番号９５００まで）、ある程度増大した。粉塵サンプリングでは、１０〜２０マイクロメータの空気力学的径の範囲の大粒子からなるアリゾナダストが、およそのサンプル番号４８００において、光散乱領域１４０内に導入され、結果的に、出力信号２２０の適性は、サンプリング動作状態が終了するまで（およそのサンプル番号１１，０００まで）、ある程度増大した。粒子が光散乱領域１４０内に存在していた時間は、出力信号２１０、２２０の適性を参照することによって、確認可能である。しかし、微細な煙粒子と大きな粉塵粒子とを区別することは、容易ではなく、粒径および粒子の種類といった粒子の評価情報は、信号２１０、２２０の適性を参照するだけでは確認できない。従って、本発明の重要な特徴では、各信号２１０、２２０の光の変動成分を分離して、微細な煙粒子と大きな粉塵粒子とを区別し、粒子の評価情報を確認することが可能である。

光の変動の原理を、図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明する。図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、安定した煙濃度および安定した粉塵濃度の周期の間の、光散乱領域１４０における粒子の浮遊を示す図である。最初に図３Ａを参照すると、安定した煙濃度の周期の間に、煙微粒子が、第１の時間と第２の時間との間に光散乱領域１４０の中および周りに移動することによって、結果的に、粒子密度はわずかに変動し、光学検波器１７０が記録する散光は小さく変動する。次に、図３Ｂを参照すると、安定した粉塵濃度の周期の間に、大きな粉塵粒子が、第１の時間と第２の時間との間に光散乱領域１４０の中および周りに移動することによって、結果的に、粒子密度は同じくわずかに変動するが、塵粒の寸法が大きいため、この移動は、光学検波器１７０が記録する散光の変動を比較的大きくする。従って、高域フィルタを出力信号２１０、２２０に適用して、信号２１０、２２０のゆっくりと変動する密度成分をフィルタして、信号２１０、２２０の光の変動成分を分離する。これにより、微細な煙粒子と大きな粉塵粒子とを区別することが可能になると共に、粒子の評価情報を確認することが可能になる。

図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ、各出力信号２１０、２２０に高域フィルタを適用することによって、出力信号２１０、２２０から抽出された光の変動成分４１０、４２０を示す図である。図示された実施例では、高域フィルタは、３０Ｈｚの高域フィルタであり、信号処理装置１８０によって適用される。最初に図４Ａを参照すると、煙微粒子に関する出力信号２１０に高域フィルタを適用することにより、光の変動成分４１０が明らかになる。光の変動成分４１０は、安定しており、光散乱領域１４０における煙微粒子の浮遊からの散光の変動が比較的小さいことを反映している。次に図４Ｂを参照すると、大きな粉塵粒子に関する出力信号２２０に高域フィルタを適用することにより、光の変動成分４２０が明らかになる。光の変動成分４２０は、比較的不安定であり、光散乱領域１４０における大きな粉塵粒子の浮遊からの散光の変動が比較的大きいことを反映している。高域フィルタを適用することによって、微細な煙粒子と大きな粉塵粒子とを区別することが可能になり、粒子の評価情報を確認することが可能になる。これについては、以下に詳細に説明する。

最初に、各サンプリング動作状態の、光の変動成分の標準偏差を、時間断面について計算する。図５は、光の変動成分４１０、４２０の、各時間断面で計算された各標準偏差５１０、５２０を示す図を提供するものである。各時間断面とは、サンプリングの１秒を示すものであり、各データ点は、１００個の連続したサンプルの標準偏差を示している。

次に、各サンプリング動作状態について、計算された標準偏差を、粒径に関して設定された少なくとも１つの標準偏差閾値と比較して、各時間断面において検出された粒子を、１つのサイズカテゴリ（例えば、小さい、中程度、大きい）に分類する。図５では、標準偏差が、適性単位でプロットされている。厳密に例示するならば、２０適性単位よりも大きな標準偏差は、１つの時間断面において検出された粒子が大きいことを示していてよく、２０〜１５適性単位の標準偏差は、１つの時間断面において検出された粒子が中程度であることを示していてよく、１５〜１０適性単位の標準偏差は、１つの時間断面において検出された粒子が小さい（微粒子である）ことを示していてよく、１０適性単位よりも小さい標準偏差は、不明確な粒径を示していてよい。図５にプロットされた標準偏差データ点に標準偏差閾値を適用すると、標準偏差５１０によって示される煙粒子は、ほとんどの場合「小さい」として分類され、標準偏差５２０によって示される塵粒は、ほとんどの場合「大きい」として分類される。

次に、各サンプリング動作状態について、計算された１つ以上の標準偏差を、粒子の種類に関する少なくとも１つの規定の標準偏差プロファイルと比較して、サンプリング動作状態において検出された粒子の種類と、この種類の識別用の信頼度指数とを識別する。１つ以上の標準偏差５１０を、標準偏差プロファイル（および、場合によっては、他の粒子の種類、例えば、花粉、胞子、煤煙、煙霧などのための、他の許容される標準偏差プロファイル）と比較して、標準偏差５１０によって示される、サンプリング動作状態において検出された粒子を香煙粒子として識別する。プロファイルの比較を、１つ以上の標準偏差５２０についても同様に行い、標準偏差５２０によって示される、サンプリング動作状態において検出された粒子をアリゾナダスト粒子として識別する。実施によっては、プロファイル比較が、瞬時の標準偏差または平均標準偏差と許容される標準偏差プロファイルとを比較するものであってもよい。所定の粒子の種類にとって許容される標準偏差プロファイルは、粒子の種類を含む実証的検定から決定され、単一の値であってもよいし、または、様々な値を含んでいてよい。信頼度指数は、標準偏差５１０、５２０と、対応する各標準偏差プロファイルとの間の適合の質に基づいて生成される。信頼度指数は、例えば、１と５との間の値であってよい。

図６は、異なる時間断面の、煙サンプリング動作状態および粉塵サンプリング動作状態について計算された各平均密度値６１０、６２０を示す図である。各時間断面とは、サンプリングの１秒を示しており、各データ点は、１００個の連続したサンプルの平均密度を示す。

図７は、本発明の幾つかの実施形態における、光センサから受信された出力信号の光の変動成分を用いた、浮遊微小粒子の評価のための方法を示す図である。信号処理装置１８０は、光センサ１００から出力信号を受信し（７１０）、出力信号に高域フィルタを適用して、出力信号の光の変動成分を分離する（７２０）。信号処理装置１８０は、光の変動成分の、各時間断面の標準偏差を計算する（７３０）。信号処理装置１８０は、各時間断面の標準偏差を、様々な粒径（例えば、小さい、中程度、大きい）の標準偏差閾値と比較して、各時間断面において検出された粒子を１つの粒径カテゴリに分類する（７４０）。信号処理装置１８０はまた、１つ以上の時間断面の標準偏差を、異なる粒子の種類（例えば、煙、塵、花粉、胞子、煤煙、煙霧）の許容される標準偏差プロファイルと比較して、検出された粒子の種類、および、関連する信頼度指数を識別する（７５０）。信号処理装置１８０はまた、出力信号から、各時間断面において検出された粒子の平均密度を計算する（７６０）。信号処理装置１８０は、粒子密度、粒径、粒子の種類、および信頼度情報を、出力インターフェース１９０に伝送して、粒子の評価情報を、出力インターフェース１９０上において、粒子評価システムのユーザに表示する（７７０）。

図８は、本発明の幾つかの実施形態における、出力インターフェース１９０上の粒子密度の出力表示８００を示す図である。表示８００は、粒子密度を、時間に応じて、ヒストグラムの形に示すものである。ヒストグラムの棒は、粒子評価システムのユーザに、最新の時間水平軸における異なる時間において、粒子密度が、高かった、中程度であった、または低かったかを知らせる。幾つかの実施形態において、これらの棒は、色分けされており（例えば、高い＝赤色、中程度＝黄色、低い＝緑色）、粒子密度情報をユーザに親切な方法で伝達する。さらに、表示８００は、可聴または触知可能な情報を伴っていてよい。例えば、粒子密度が高い時間において、出力インターフェース１９０は、警報を出してもよいし、または振動してもよい。

図９は、本発明の幾つかの実施形態における、出力インターフェース１９０上の、粒径、粒子の種類、および信頼度の表示９００を示す図である。表示９００は、粒径情報を、時間に応じて折れ線グラフに示すものである。折れ線の垂直方向の高さは、粒子評価システムのユーザに、最近の時間水平軸における異なる時間において、粒径が、大きかった、中程度であった、小さかった（微粒子）、または不明確であったかを知らせる。例えば、変動成分の計算された標準偏差がほとんどゼロである飽和の期間の間は、粒径は不明確であり得る。表示９００はまた、最近の時間における粒子の種類をテキストフォーマットにおいて示すと共に、識別された粒子の種類の正確さに関する信頼度指数を示す。信頼度指数は、例えば、１と５との間の数字であってよい。さらに、表示９００は、可聴または触知可能な情報を伴っていてよい。例えば、患者が感受性を有することが知られている粒径または粒子の種類が検出された時に、出力インターフェース１９０は、警報を出してもよいし、または振動してもよい。

ここに記載される、信号処理装置１８０によって実施されるような機能は、マイクロプロセッサ上で実行可能なソフトウェア、カスタム回路、または、これらの組み合わせを用いて、実施可能である。

本発明は、本発明の原理または本質的特徴から逸脱することなく、他の特定の形態においても実施可能であることは、当業者には明らかであろう。従って、本明細書は、あらゆる点において、説明のためのものであり、決して限定するためのものではないと見なされる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示されており、本発明の意味および範囲に属する全ての変更は、本発明に包含されるものであることが意図される。

Claims (12)

1. 浮遊粒子評価のための、ユーザが装着する携帯型システムであって、
   信号処理装置と、
   上記信号処理装置に通信可能に結合された光センサとを備え、
   上記信号処理装置は、上記光センサから受信した出力信号の光の変動成分を分離し、上記光の変動成分を用いて浮遊粒子の粒径情報を決定し、
   上記信号処理装置は、上記光の変動成分の少なくとも１つの標準偏差を求め、上記標準偏差を、粒径に関する少なくとも１つの標準偏差閾値と比較して、上記粒径情報を決定するすることを特徴とするシステム。
2. 上記信号処理装置に通信可能に結合された出力インターフェースをさらに備え、上記信号処理装置は、上記出力インターフェースに上記粒径情報を伝送し、上記粒径情報は、上記出力インターフェース上に表示されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 上記信号処理装置は、さらに、上記光の変動成分を用いて粒子種類情報を決定することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 上記信号処理装置は、さらに、規定のプロファイルを用いて上記粒子種類情報の信頼度指数を決定することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 上記信号処理装置は、さらに、上記出力信号を用いて粒子密度情報を決定することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 上記信号処理装置は、少なくとも部分的に、上記出力信号に高域フィルタを適用することによって上記光の変動成分を分離することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 上記高域フィルタは３０Ｈｚの高域フィルタであることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 浮遊粒子評価のための、ユーザが装着する携帯型システムであって、
   信号処理装置と、
   上記信号処理装置に通信可能に結合された光センサとを備え、
   上記信号処理装置は、上記光センサから受信された出力信号の光の変動成分を分離し、上記光の変動成分を用いて浮遊粒子の粒子種類情報を決定し、
   上記信号処理装置は、上記光の変動成分の少なくとも１つの標準偏差を求め、上記標準偏差を、粒子の種類に関する少なくとも１つの標準偏差プロファイルと比較して、上記粒子種類情報を決定することを特徴とするシステム。
9. 上記信号処理装置に通信可能に結合された出力インターフェースをさらに備え、上記信号処理装置は、上記出力インターフェースに、上記粒子種類情報を伝送し、上記粒子種類情報は、上記出力インターフェース上に表示されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 上記信号処理装置は、さらに、上記光の変動成分と規定のプロファイルとを用いて、上記粒子種類情報の信頼度指数を決定することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
11. 上記信号処理装置は、上記出力信号に高域フィルタを適用することによって、上記光の変動成分を分離することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
12. 上記高域フィルタは３０Ｈｚの高域フィルタであることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。

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