KR102332827B1 - 원위치에서의 호흡기 피팅 테스팅 - Google Patents
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Abstract
시스템이 제1 및 제2 응축 입자 카운터를 포함하고, 각각의 카운터는 유입구 포트, 성장 컬럼, 및 각각의 유입구 포트에서 검출된 입자를 카운트하기 위한 광학적 요소를 갖는다. 카운터는 심지를 포함하도록 구성되고, 심지는 물에 의해서 습윤된다. 차압 센서가 제1 유입구 포트에 커플링되고 제2 유입구 포트에 커플링된다. 센서는 압력 신호를 제공하도록 구성된다. 프로세서가 메모리에 커플링되고, 제1 신호, 제2 신호 및 압력 신호를 수신하도록 그리고 제1 신호 및 상기 제2 신호의 비율에 상응하는 출력을 생성하도록 그리고 그러한 비율을 압력 신호와 상호 관련시키도록 구성된다. 하우징이 제1 카운터, 제2 카운터, 차압 센서, 프로세서, 및 메모리를 수용하도록 구성된다.
Description
우선권 주장
본 특허출원은 2018년 11월 1일자로 출원되고, 그 전체가 본원에서 참조로 포함되는 미국 가특허출원 제62/754,542호의 우선권 이익을 주장한다.
연방정부 지원과 관련된 진술
연구 또는 개발
본 발명은 미국 국방위협감소국(DTRA)이 부여한 계약 HDTRA1-16-C-0065하에서 정부 지원으로 만들어졌다. 정부는 본 발명에서 특정 권리를 갖는다.
본 문헌은 일반적으로, 그러나 비제한적으로, 호흡기 마스크와 연관된 공기 중의 오염물질의 측정에 관한 것이다.
비상 대응 요원 및 군인은 공기 중의 오염물질로부터의 보호를 위해서 호흡기를 사용한다. 그러나, 이러한 호흡기의 효율성은 이용되는 필터의 품질뿐만 아니라, 사용자의 안면에 대한 호흡기의 피팅의 무결성(integrity)을 기초로 한다.
호흡기의 피팅을 테스트하기 위한 적합한 기술이 존재하지 않는다.
본 사용자 관련 대상(present user matter)의 예는 원위치에서의 호흡기 피팅 테스팅을 위한 이중-채널형의, 초미세 입자 카운터(counter)를 포함한다. 원위치에서의 호흡기 피팅 테스팅은 사용자에게 부착된 호흡기로 실시되고, 일부 예에서, 이는 사람-상에서의 피팅 테스팅으로 지칭된다.
하나의 예는, 호흡기 마스크가 사용자에 의해서 착용되는 동안 호흡기 마스크가 제공할 수 있는, 필터링 가능한 공기 중의 오염물질로부터의 보호의 정도를 측정하기 위한 것이다. 하나의 예는 사용자 상의 마스크의 피팅뿐만 아니라, 마스크의 필터의 유효성을 평가한다. 하나의 예는, 사용자가 육체적으로 활동하는 동안 매개변수를 측정하도록 구성된 착용 가능 장치이다. 하나의 예는 호흡기 테스팅 중에 사용자의 활동성 레벨에 관한 선택된 지표를 측정하고 기록하며, 그에 의해서, 호흡기의 성능을 저하시킬 수 있는 상황 또는 활동의 유형에 관한 연구를 촉진한다.
호흡기 피팅의 품질은 사용자의 활동성 레벨에 따라 달라질 수 있다. 본 사용자 관련 대상의 예는 사용 시에 마스크가 제공하는 보호의 레벨을 평가하기 위한 것이다. 그러한 평가는 착용 가능 센서를 통해서 해결될 수 있다.
하나의 예는 호흡기 마스크의 사용-시의 유효성을 평가하기 위한 착용 가능 장치를 포함한다. 보호의 정도는, 마스크 바로 외측의 공기 중의 입자 수 농도(number concentration) 및 사용자의 호흡 지역 내에 있는 마스크 내측의 농도를 측정하는, 물-기반의 응축 입자 카운터를 이용하여 결정될 수 있다. 이러한 공기 중의 입자는, 마스크에 침투하는 필터링되지 않은 공기의 양에 대한 추적자로서 작용한다. 마스크 외측의 입자 수 농도 대 마스크 내측의 입자 수 농도의 비율이 "보호 인자"로 지칭된다.
본 사용자 관련 대상의 예는, 초미세, 공기중 입자, 즉 직경이 약 10 nm 내지 약 200 nm 범위인 입자의 수 농도를 측정하도록 구성될 수 있다. 이러한 초미세 입자는 자연적으로 대기 중에 매우 많다. 호흡기 마스크의 바로 외측과 내측의 그 농도를 계산하는 것에 의해서, 주변 입자를 해결과제로 이용하여, 몇 초의 기간에 걸쳐 105 정도로 큰 보호 피트니스 인자를 검증할 수 있다. 따라서, 테스트를 위해서 입자 구름을 생성할 필요가 없이, 주변 입자를 이용하여 측정을 할 수 있다.
초미세 공기 중 입자는, 단일 입자 레벨에서 검출을 할 수 있도록, 응축 성장(condensational growth)을 필요로 한다. 응축 입자 카운터의 하나의 예는 20 nm 정도로 작은 초미세 입자를 검출할 수 있다. 상업적으로 입수할 수 있는 응축 입자 카운터의 하나의 예가 정적 테스팅을 위해서 설계되고, 사용자는 데스크탑 기구에 착석하고 그에 테더링된다. 이는, 사용자가 달리기, 점핑, 또는 다른 육체적인 활동을 하는 동안 측정하기에 적합하지 않다.
본 사용자 관련 대상의 하나의 예는, 사용자가 육체적 활동을 하는 동안 호흡기 마스크의 내측 및 외측 모두에서 초미세 입자 농도를 측정하도록 구성된 착용 가능한, 이중 채널, 물-기반의 응축 입자 카운터를 포함한다. 하나의 예는, 호흡기 마스크의 내측 및 외측에서 입자 농도를 동시에 측정할 수 있게 하는, 2개의 채널을 갖는다.
본 사용자 관련 대상의 하나의 예는, 측정 중에 사용자의 활동성 레벨을 평가하기 위한 가속도계를 포함한다. 본 사용자 관련 대상의 하나의 예는, 사용자의 호흡의 특성 및 레이트(rate)의 표시인, 마스크에 걸친 압력 강하를 검출하기 위한 차압 센서를 포함한다. 본 사용자 관련 대상의 하나의 예는 2개의 측정 채널의 각각의 활동적 유동 모니터링을 제공한다. 하나의 예에서, 이러한 데이터의 전부가, 공통 타임 스탬프(time stamp)를 가지고, 온-보드 메모리에 기록되며, 그에 따라 누출(검출 될 때)이 사용자의 활동 및 호흡과 상호 관련될 수 있다. 종래 기술의 알코올-기반의 응축 입자 카운터와 달리, 본 사용자 관련 대상의 하나의 예는 물-기반의 응축 방법을 이용하고, 그에 따라 인간이 이러한 유기 용매에 노출되는 것을 방지할 뿐만 아니라 특별한 공급 물품의 필요성을 제거한다. 또한, 본 사용자 관련 대상의 하나의 예는 배터리로 전력이 공급되고, 움직임을 허용하고, 소형이다. 이는 사용자의 조끼, 벨트 또는 배낭에 장착될 수 있다. 이는 측정 중에 사용자에 의해서 착용될 수 있고, 그에 따라 활동적인, 사람-상에서의 측정을 가능하게 한다.
본 발명자는, 해결하고자 하는 문제가 활동적인 사용자에 의해서 착용될 때 호흡기 피팅을 측정하는 것을 포함한다는 것을, 특히, 인지하였다. 본 사용자 관련 대상은, 예를 들어 주변 환경 및 호흡기 마스크 아래의 필터링된-공기 분위기 모두에서 입자 카운트를 측정하는 것, 그리고 입자 카운트 측정치를 사용자 활동성 레벨의 측정치와 상호 관련시키는 것에 의해서, 이러한 문제에 대한 해결책을 제공하는데 도움을 줄 수 있다.
이러한 비제한적 예의 각각은 그 자체로 나타날 수 있거나, 하나 이상의 다른 예들과 다양한 순열 또는 조합으로 조합될 수 있다.
이러한 개요는 본 특허 출원의 사용자 관련 대상의 개요를 제공하기 위한 것이다. 이는 본 발명의 배타적인 또는 포괄적인 설명을 제공하기 위한 것이 아니다. 상세한 설명은 본 특허출원에 관한 추가적인 정보를 제공하기 위해서 포함된 것이다.
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반드시 실제 축척(scale)으로 그려진 것이 아닌 도면에서, 유사한 번호가 상이한 도면들 내의 유사한 구성요소를 설명할 수 있다. 상이한 문자 접미사를 가지는 유사한 번호가 유사한 구성요소의 상이한 경우를 나타낼 수 있다. 도면은, 예로서, 그러나 비제한적인 예로서, 본 문헌에서 설명된 다양한 실시예를 일반적으로 도시한다.
도 1은, 하나의 예에 따른, 이중 채널 입자 응축 성장 관, 광학적 검출기의 쌍, 차압 측정부 및 가속도계를 예시하는 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는, 하나의 예에 따른, 성장 관 및 광학적 검출기의 도면을 도시한다.
도 3은, 하나의 예에 따른, 내부 구성요소를 보여주는 시스템의 도면을 도시한다.
도 4a 및 도 4b는, 하나의 예에 따른, 시스템의 외측도를 도시한다.
도 5는, 하나의 예에 따른, 시스템의 도면을 도시한다.
도 6은, 하나의 예에 따른, 디스플레이 및 사용자 인터페이스 버튼을 포함하는 시스템의 도면을 도시한다.
도 7은, 하나의 예에 따른, 12-시간의 측정 기간에 걸쳐 샘플링 라인 중 하나에서 초고성능 필터(absolute filter)로 검출된 입자 카운트인, 제로 카운트(zero count)의 그래프를 도시한다.
도 8은, 하나의 예에 따른, 기울어지고 이동되는 동안 예시적인 시스템에 의해서 측정된 주변 입자 농도의 그래프를 도시한다.
도 9는, 하나의 예에 따른, 사용자가 제시된 데이터의 중간의 마스크를 착용한 상태에서, 사람-상에서의 테스팅의 그래프를 도시한다.
도 10은, 하나의 예에 따른, 측정 기간의 전체를 통해서 마스크를 착용한 동안의, 사람-상에서의 테스팅의 그래프를 도시한다.
반드시 실제 축척(scale)으로 그려진 것이 아닌 도면에서, 유사한 번호가 상이한 도면들 내의 유사한 구성요소를 설명할 수 있다. 상이한 문자 접미사를 가지는 유사한 번호가 유사한 구성요소의 상이한 경우를 나타낼 수 있다. 도면은, 예로서, 그러나 비제한적인 예로서, 본 문헌에서 설명된 다양한 실시예를 일반적으로 도시한다.
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도 7은, 하나의 예에 따른, 12-시간의 측정 기간에 걸쳐 샘플링 라인 중 하나에서 초고성능 필터(absolute filter)로 검출된 입자 카운트인, 제로 카운트(zero count)의 그래프를 도시한다.
도 8은, 하나의 예에 따른, 기울어지고 이동되는 동안 예시적인 시스템에 의해서 측정된 주변 입자 농도의 그래프를 도시한다.
도 9는, 하나의 예에 따른, 사용자가 제시된 데이터의 중간의 마스크를 착용한 상태에서, 사람-상에서의 테스팅의 그래프를 도시한다.
도 10은, 하나의 예에 따른, 측정 기간의 전체를 통해서 마스크를 착용한 동안의, 사람-상에서의 테스팅의 그래프를 도시한다.
본 청구 대상의 예는, 소형이고, 배터리 동작 가능하고, 움직임을 허용하는 기구에서, 2개의 채널 내의 초미세 입자 수 농도의 동시적인 측정을 제공한다. 초미세 입자 검출을 위한 기술적 접근방식은 움직임을 허용하는, 물-기반의 입자 응축 방법을 이용한다. 그러한 방법의 하나의 예가, 미국 특허 8,801,838(Hering 등, 2014)에서 설명된 3-스테이지 층류 유동 물 응축 기술을 기초로 하는, 미국 특허 9,610,531(Hering 등, 2017)에서 설명되어 있다. 이는, 광학적으로 검출 가능한 액적(droplet)을 형성하기 위해서 응축물을 초미세 입자에 부가하기 위해서, 알코올 대신, 물을 이용한다. 또한, 수증기가 내부적으로 캡쳐되고, 그에 의해서 액체 보충이 없이 그리고 액체 저장용기가 없이 지속적인 동작을 제공한다. 이러한 기술을 기초로 하는 유닛은 움직임, 흔들림 또는 배향에 의해서 영향을 받지 않고; 이는 액체 저장용기의 제거로 인한 결과이다.
본 청구 대상의 하나의 예는 착용 가능한 호흡기 보호 평가 시스템을 포함한다. 하나의 예는 호흡기 피팅 테스트 측정을 위해서 구성된다.
하나의 예는 2개의 유동 채널을 가지며, 그 중 하나는 호흡기 마스크 내측의 공기 공간으로부터 샘플링하고, 다른 하나는 마스크 바로 외측의 주변 공기를 샘플링한다. 하나의 예에서, 호흡기 음료 관을 통해서, 호흡기 마스크 내측의 사용자의 호흡 공간에 접근한다. 예를 들어, 입자는, 호흡기의 음료 관 포트에 커플링된 가요성 관을 이용하여 측정될 수 있다.
각각의 채널 내의 유동은 성장 관을 통과하도록 구성되고, 그러한 성장 관에서 초미세 입자가 물 응축을 통해서 확대되어 광학적 검출기에 의해서 후속하여 카운트되는 액적을 형성한다. 이는, 마스크의 내측 및 마스크 바로 외측의 초미세 입자의 동시적인 검출을 제공한다.
이러한 2개의 값들 사이의 비율은 호흡기 마스크에 의해서 제공되는 순간적인 보호의 측정을 나타낸다. 일 예에서, 데이터가 1초마다 보고되어, 이러한 보호 인자에 관한 초별의 판독값을 산출한다.
이러한 입자 농도 측정에 더하여, 본 청구 대상의 하나의 예는 또한 (1) 사용자가 얼마나 깊게 그리고 빨리 호흡하는지에 관한 그리고 (2) 사용자가 얼마나 많이 움직이는지에 관한 표시자를 모니터링한다. 이러한 인자는 호흡기 마스크의 효율 조사를 촉진할 수 있는데, 이는 피팅이 사용자 활동성에 따라 달라질 수 있기 때문이다. 사용자의 호흡은, 도 1에 도시된 바와 같이, 마스크에 걸친 압력 강하를 검출하기 위한 차압 센서에 의해서 표시된다. 공기가 통과하는 필터는 압력 강하를 생성하고, 이러한 압력 강하는 공기 유량에 따라 달라진다. 따라서, 마스크의 내측과 외측 사이의 압력차는 각각의 호흡에서 변동되고, 그러한 변동의 범위는 사용자가 공기를 얼마나 빨리 들여 마시는지에 따라 달라진다. 따라서, 이러한 측정은 사용자의 호흡의 특성 및 레이트를 나타낸다. 본 청구 대상의 하나의 예에서, 이러한 매개변수는 10Hz의 레이트로 기록되고, 그에 따라 개별적인 호흡이 추적될 수 있다.
사용자의 움직임 및 배향은, 50Hz의 레이트로 3개의 좌표(x, y 및 z 방향)의 각각을 따라 가속도를 검출하는 온보드 가속도계에 의해서 모니터링될 수 있다. 이러한 데이터 세트는, 사용자가 정지 중인지, 걷고 있는지, 달리고 있는지, 점핑하고 있는지 등을 결정하기에 충분하다. 이러한 데이터의 전부가, 공통 타임 스탬프를 가지고, 온-보드로 기록되며, 그에 따라 누출(검출 될 때)이 사용자의 활동 및 호흡과 상호 관련될 수 있다.
본 청구 대상의 하나의 예는 2개의 측정 채널의 각각의 능동적 유동 모니터링을 포함한다. 각각의 광학적 헤드를 빠져 나가는 유동은, 각각의 채널 내의 유동에 관한 판독값을 제공하도록 교정된 압력 변환기를 갖는, 유동 계량 오리피스를 통과한다. 이는, 1-초 시간 스케일로, 2개의 채널의 각각 내의 능동적 유동 측정을 제공한다. 이는, 큰 호흡이 채널들 사이에 분할된 유동을 일시적으로 변경하는 경우에, 샘플링된 공기의 부피에 대한 카운트의 비율인, 입자 농도 측정의 정확도를 유지한다. 이러한 측정이 도 1에 도시되어 있다.
본 청구 대상의 하나의 예는, 도 2에 도시된 바와 같이, 이중 채널 물 응축 성장 관 및 소형 광학적 검출기의 쌍에서, 미국 특허 9,610,531에서와 같은 움직임-허용 입자 응축 기술을 이용한다.
이중 채널 성장 관은, 각각 분리된 온도들에서의, 3개의 스테이지를 가지며, 그러한 스테이지들에는 모세관 작용을 통해서 스테이지들 사이에서 물을 운반하는 연속적인 심지(wick)가 걸쳐진다. "컨디셔너"라고 지칭되는 제1 스테이지는 유입 유동을 냉각 및 가습한다. "개시부"라고 지칭되는 제2 스테이지는, 수증기를 유동에 부가하고 그에 의해서 초미세 입자의 응축 성장을 개시하는데 필요한 포화를 생성하는, 온난하고 습윤된 벽을 갖는다. "조절부"로 지칭되는 제3 스테이지는 유동을 냉각시키고 포화 조건을 유지하면서 수증기를 회수한다. 컨디셔너 스테이지 및 조절부 스테이지에서 회수된 물은 모세관 작용을 통해서 개시부로 운반되고, 개시부에서 물이 증발되어 포화를 생성한다.
도 2는 이중 채널 설계에서 소형화를 가능하게 하는 일부 설계 양태를 도시한다. 3개의 스테이지가 블록(21, 22 및 23)에 의해서 확인되는 한편, 광학적 헤드(26A 및 26B)가 상단부에 위치되어 있다. 기구는, 공통되는 히트 싱크를 갖는 열 펌프로서 각각 동작하는, 3개의 열 전기 장치를 이용한다. 공기 유량은 채널마다 100cc/분으로 유동한다. 열 전기 장치의 크기, 및 스테이지들 사이의 커플링은 전력 소비를 감소시키도록 구성될 수 있다. 광학적 검출기는 정방향 산란 검출기의 소형화된 버전일 수 있다. 전체적인 포커스 거리가 유지되었지만, 각각의 광학적 헤드의 폭은 1.3 인치로부터 0.75 인치로 감소되었다. 레이저 모듈은, 양 광학적 검출기들이 제 위치에, 즉 옆으로 나란히 장착되는 동안, 레이저가 정렬될 수 있도록 구성될 수 있다. 전자기기는, 광학적 헤드에 장착되는 단일 기판 상에서 광 다이오드 검출기 전자기기와 함께 레이저 제어부를 포함하도록 구성될 수 있다. 하나의 예에서, 광학기기는, 교체가 용이할 수 있는, 완전한 모듈로서 구성된다.
하나의 예는, 선택된 구성요소 및 전자기기를 소형 패키지 내에 수용하기 위해서, 접힌 회로기판을 포함한다. 디스플레이 및 마이크로프로세서 칩은 기구의 상단부에 장착된 하나의 기판 상에 위치된다. 이는 연부 연결부를 통해서, USB 및 전력 연결부뿐만 아니라, 팬을 위한 마이크로-연결부, 온도 센서, 열 전기 장치, 펌프 등을 가지는 전력 기판에 연결된다. 이는 더 얇고 더 인체 공학적인 패키지를 가능하게 한다.
추가적인 크기 감소가, 전기 케이블링 및 압력 센서 연결을 고려한, 구성요소들의 주의 깊은 배치를 통해서 달성될 수 있다. 도 3은, 케이스 내의 내부 구성요소의 장착을 보여주는, 케이스 내의 일 예의 내부도이다. 이러한 예에서, 전력 회로기판은 좌측 측면을 따르고, 상단부에서 디스플레이 기판에 연결된다. 리본 케이블이 주 기판과 광학기기 기판 사이에서 연장된다. 전력 기판 상의 다양한 마이크로-연결부가 측면에 장착되어 구성요소로의 직접적인 연장을 제공한다.
도 4는 본 청구 대상의 일 예의 외측도를 도시한다. 통기 흡입구가 전방 표면 상에 위치되고, 저-효율 필터에 의해서 보호된다. 통기 유동이 하단 표면에서 외측으로 배출된다. 배터리 도어가 또한 전방 표면 상에 위치되고, 용이하게 접근될 수 있다. 피그테일(pigtail)이 배터리 교환을 가능하게 한다. 디스플레이가 상단 표면 상에 배향되고, 장치가 파우치 내에 설치될 때 또는 조작자에 의해서 유지되는 동안, 가시적으로 유지된다. 조립된 시스템이 도 5에 도시되어 있다. 배터리는 케이스 외측의 도어를 통해서 접근될 수 있다. 공기 흡입구는 배터리 도어를 통해서 위치되고, 현장-교체 가능 분진 필터를 포함한다. 크기는 860cm3이고, 배터리를 포함한 중량은 780g이다.
사용자 인터페이스는, 도 6에 도시된 바와 같이, 유닛의 상단부 상에 장착된 디스플레이(화면) 및 버튼을 통한다. 소프트웨어는, 네비게이션을 위한 위/아래 그리고 엔터(enter) 및 나가기(escape) 버튼으로, 메뉴 구동된다. 전력(온/오프) 버튼은, 3초 초과로 눌릴 때, 전력을 턴온 및 턴오프시키고, 그렇지 않은 경우에 사용자가 메뉴 내에서 하나의 레벨을 올리기 위해서 실행하는 나가기(escape)로서 작용한다. 사용자 인터페이스는, 표 1에 나열된 바와 같이, 주 화면 및 3개의 보조화면을 갖는다. 주 화면으로부터, 사용자는 "카운트"를 선택할 수 있고, 이는 "농도" 또는 "비율"의 선택사항을 제공한다. 농도 화면의 예가 도 6에 도시되어 있고, 각각의 채널에 의해서 측정되는 수 농도를 디스플레이한다. 이러한 예에서, 양 라인들이 주변 공기로부터 샘플링하고, 그에 따라 농도 판독값들을 비교할 수 있다. 비율 보조-화면은 이러한 2개의 채널들 사이의 카운트의 비율을 디스플레이하고, 2개의 채널들 사이의 정확도(즉, 1.0±0.1 이내의 비율)를 검사하는데 또는 평균 마스크-내 농도로 나눈 평균 주변 입자 농도의 작동 5-초 비율로서 계산된 실시간 보호 인자를 확인하는데 유용하다. 5-초 간격은 평균화를 위해서 이용될 수 있고, 일 예에서, 변수로 저장되며, 랩탑을 통해서 또는 화면으로부터 선택될 수 있다.
"피팅 테스트" 화면은 사용자가 미리-프로그래밍된 피팅 테스트를 작동시킬 수 있게 한다. 기구에 연결된 랩탑을 통해서 테스트 프로토콜을 프로그래밍할 수 있도록, 소프트웨어가 구성될 수 있다. 조작자는 시작을 위해서 "엔터"를 누르고, "나가기"를 누르는 것에 의해서 임의의 지점에서 종료할 수 있다. 일 예에서, 화면은, 각각의 단계에서, 통과/실패 상태 및 보호 인자, 그리고 테스트의 종료에서 누적적인(조화 중간값(harmonic mean)) 보호 인자를 보여준다. 결론에서 디스플레이되는 요약 화면은 각각의 단계에서의 보호 인자를 보여준다.
본 청구 대상의 하나의 예는 온-보드 데이터 저장, 및 데이터를 저장하고 실시간을 전송하기 위한 Wi-Fi 능력을 포함한다. Wi-Fi 채널은 데이터를 라우터에 송신하고, 이어서 라우터는 랩탑 컴퓨터와 통신한다. 이러한 데이터는 텍스트 파일로 저장되고, 이러한 데이터를 랩탑이 판독할 수 있게 하기 위해서 (Python와 같은) 적절한 프로그램을 통해서 판독된다. 온-보드 저장부는 플래시 메모리를 포함하고, USB 연결을 통해서 랩탑에 다운로드된다. 일 예에서, Wi-Fi 및 플래시 메모리 데이터 모두는 동일 파일 구조를 공유한다.
보호 인자의 측정은 매우 낮은 입자 농도의 측정을 수반하고, 다시 말해서 잘못된 카운트가 적어야 한다. 이는, 다른 라인이 주변 공기를 샘플링하는 동안, 하나의 라인 상의 필터를 이용하여 긴 지속시간(예를 들어, 밤새) 동안 채널의 쌍을 동작시키는 것에 의해서 테스트될 수 있다. 결과의 예가 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있다. 주변 입자 농도가 2,000 내지 10,000/cm3의 범위에 있는 반면, 필터링된 공기 라인은 1 카운트/시 미만을 산출하였다. 이러한 하나의 카운트가 보호 인자의 30-s 판독값 중에 발생되는 경우에도, 상응하는 마스크-내 농도는 0.02/cm3일 것이고, (2,000/cm3의 주변 농도에서의) 표시된 보호 인자는 105일 것이다.
본 청구 대상의 하나의 예를 이용한 실험실 테스트 데이터가 도 8a 및 도 8b에 도시되어 있다. 보호 인자의 평가를 위해서 실시되는 바와 같이, 하나의 샘플링 라인이 호흡기에 연결될 수 있고, 다른 라인은 주변 공기를 샘플링한다. 온-보드 센서에 의해서 측정된 바와 같은, 가속도, 각각의 채널 내의 수 농도뿐만 아니라 주변 벤치탑(benchtop) 응축 입자 카운터로부터의 수 농도, 그리고 (5-초 작동 평균으로서 계산된) 결과적인 보호 인자가 도시되어 있다. 제 위치에서의 호흡기로, 레벨 2 시스템에 의해서 표시된 보호 인자는 350으로부터 3,500까지 변경되었고, 중간값은 사용자가 서 있는 동안 4,900이었고, 사용자가 점핑하는 동안 1,100이었다. 호흡기가 제거되었을 때, 보호 인자는 0.92였고, 이는 양 채널들에 의한 10%의 주변 입자 이내의 측정을 나타낸다.
도 9a 내지 도 9e는, 호흡기가 사용자가 착용한 조끼에 장착된, 사람-상에서의 테스팅의 결과를 보여준다. 여기에서의 결과는, 사용자가 마스크를 착용하는 동안의, (CBOA로 알려진) 화학적 생물학적 동작 분석 중에 실시된 테스팅을 보여준다.
x, y, 및 z 축의 각각을 따른 가속도계 데이터가 도 9a에 도시되어 있고, 이는 이러한 테스트에서 대부분 작았다. 하나의 추적에서의 1-g 판독값은 중력, 및 유닛의 배향을 나타낸다. 외측으로부터의 공기압과 마스크 내측의 공기압의 차이인, 압력차 데이터가 도 9b에 도시되어 있다. 이러한 도 9의 예에서, 대상이 그의 호흡기 마스크를 착용한 9:02 AM 직후까지, 압력차는 거의 0이다. 10Hz로 기록된 후속 압력 변동은, 사용자의 호흡기를 통한 호흡에 의해서 생성된, 압력 강하 및 과다 압력에 기인한다. 도 9c는 5%만큼 변동되는 각각의 채널에 대한 유동 판독값을 보여주고, 이는 대부분, 사용자의 호흡에 의해서가 아니라, 펌프에 의해서 도입되는 맥동에 기인한다. 그러한 데이터는 이러한 유동 변동에 대해서 보정된다. 도 9d는, 1초마다 보고된 외측/마스크-내 입자 농도의 비율로서 계산된, 1Hz 보호 인자를 보여준다. 마스크 내측의 입자 카운트가 0일 때, 무한 보호 인자를 방지하기 위해서, 이를 0.5 카운트에 상응하는 농도로 가정한다. 마스크 착용 전에, 보고된 보호 인자는 약 1이고, 이는 채널들 사이의 일치를 나타낸다. 마스크를 이용할 때, 보호 인자는 약 2000이었다.
동일한 테스트에서의 후자로부터의 데이터를 도 10에 도시하였다. 그러한 도면은, 사용자가 마스크를 전체를 통해서 착용할 때, CBOA 중에 실시되는 사람-상에서의 테스팅을 보여준다.
여기에서, 사용자의 활동 중의 보호 인자의 상당한 변화가 명백하고, 1-초 평균화된 값은 30 내지 50,000 범위이다. 도 10a, 도 10b, 도 10c, 도 10d, 및 도 10e에 표시된 플롯은, 본 시스템의 일 예로 얻어질 수 있는 데이터의 유형을 도시한다. 또한, 데이터는, 마스크가 착용되었을 때 마스크의 성능의 가변성이 있다는 것을 보여준다.
부가 내용
본 청구 대상의 하나의 예는, 사용자 호흡 공간 내로의 미필터링 공기의 침투의 동시적인 측정을 통해서, 그리고 또한 호흡 레이트 및 가속도계 판독값에 의해서 표시되는 바와 같은 사용자의 활동성 레벨에 관한 동시적인 검출 및 기록을 통해서, 사용자가 육체적으로 활동하는 동안 호흡기에 의해서 제공되는 보호를 측정하기 위한 착용 가능 장치를 포함한다. 소형화되고, 배터리-전력 공급되며 착용 가능한 유닛에서, 시스템은 호흡기 보호 인자의 측정을 사용자의 활동성 레벨의 중요 표시자의 측정과 동시에 커플링시킨다. 또한, 일 예는, 초미세 입자 검출을 가능하게 하기 위해서, 알코올 대신 물을 이용하고, 2개의 채널을 단일 유닛으로 조합한다. 가속도계 센서 및 내측/외측 마스크 차압 센서를 포함하는, 착용 가능한, 이중 채널의, 물-기반의, 초미세 입자 카운팅은 사용-중의 호흡기 피팅 및 무결성을 보다 잘 이해할 수 있는 기회를 제공한다.
일 예의 선택된 특징은 이하를 포함한다:
· 마스크 내측 및 외측의 동시적인 검출을 위한 이중 채널
· ~7 nm 입자 검출
· (알코올을 필요로 하지 않는) 증류수 또는 수돗물에서의 동작 가능성
· 채널들 사이의 ±10% 정확도
· 보호 인자에서의 1 Hz의 분해능
· ±2 g의 움직임-허용
· 4시간 초과의 배터리 동작
· 각각의 채널의 능동적 유동 모니터링
· (사용자의 움직임을 나타내는) 온-보드, 50 Hz 가속도계 판독값
· (호흡을 나타내는) 마스크에 걸친 압력차의 온-보드, 10 Hz 측정
· 내부 데이터 로깅(internal data logging)
· Wi-Fi를 통한 데이터 전송
· 표준 피팅 테스트 포함
· 780g, 860cm3 패키지
· 조끼, 벨트 스트랩, 또는 배낭에 장착될 수 있는 운반 포켓.
· 소프트웨어는, 수신될 때, 하나 이상의 유닛으로부터의 데이터를 수신, 프로세스 및 디스플레이한다.
성능 데이터는 이하를 보여준다:
· 7 nm의 하한 검출 문턱값,
· 상용 응축 입자 카운터에 의해서 얻어지는 주변 입자 수 농도에 상응하는, 유사한 주변 입자 수 농도 값
· 배향에 대한 비민감성
· 흔들기 및 ±2g 가속도에 대한 비민감성
· 1/시간 미만의 잘못된 카운트 레이트
· 사용자가 움직이는 동안을 포함한, 호흡기 마스크의 내측 및 외측에서의 입증된 측정 능력.
본 청구 대상의 하나의 예는 2개의 채널을 이용하고, 각각의 채널은 별도의 성장 관들 및 별도의 광학기기를 갖는다. 단일 채널 및 밸브 또는 스위치에 의해서 선택되는 포트들을 이용하는 시스템과 달리, 2개의 포트가 동시에 측정될 수 있다. 일 예는 공통 열 유닛(가열 및 냉각)을 이용한다.
본 청구 대상의 일 예의 프로세서는, 차압 센서로부터의 압력 신호를 프로세스하도록 그리고 호흡 레이트 및 연관된 활동성을 구분하도록 구성될 수 있다.
심지 재료는 나일론, 고밀도 폴리에틸렌 수지(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌 수지(LDPE), 폴리에틸렌, 스테인리스 스틸, 소결 재료, 세라믹, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 니트로셀룰로오스, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 기타 친수성 재료를 포함할 수 있다. 심지는 완전히 습윤될 수 있고, 모세관 작용에 의해서 운반하도록 설계될 수 있고, 작은 기공(미크론-이하), 균일한 기공일 수 있다.
심지는 증류수 또는 수돗물로 습윤될 수 있다. 보충수를 위한 저장용기가 필요하지 않고 - 자가-유지 물 심지를 이용한다.
비특허 문헌
Hering, S.V., Lewis, G.S., Spielman, S.R.(2018) A MAGIC Concept for Self-Sustained, Water based, Ultrafine Particle Counting. Aerosol Science and Technology, accepted, in press.
Hering, S. V., Speilman, S. R., Lewis, G. L. Moderated, water-based condensational growth of particles in a laminar flow. Aerosol Science and Technology 48:401-40, 2014.
다양한 주석
전술한 설명은 상세한 설명의 일부를 형성하는 첨부 도면에 대한 참조를 포함한다. 도면은, 예시로서, 본 발명이 실시될 수 있는 구체적인 실시예를 도시한다. 이러한 실시예는 또한 본원에서 "예"로서 지칭된다. 일부 예는 도시되거나 설명된 요소 이외의 요소를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명자는 또한, 그러한 요소만이 도시되거나 설명된 예가 제공되는 것을 고려한다. 또한, 본 발명자는, 특별한 예(또는 그 하나 이상의 양태)와 관련한, 또는 본원에서 도시되거나 설명된 다른 예(또는 그 하나 이상의 양태)와 관련한, 도시되거나 설명된 그러한 요소(또는 그 하나 이상의 양태)의 임의 조합 또는 치환을 이용하는 예를 또한 고려한다.
본 문헌과 임의의 문헌 사이의 일치되지 않는 용법의 이벤트에서, 이러한 문헌에서의 용법이 우선한다.
본 문헌에서, 특허 문헌에서 일반적인 바와 같이, 임의의 다른 경우 또는 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"의 이용과 관계없이, 하나 또는 하나 초과를 포함하기 위해서 부정관사("a" 또는 "an")가 사용된다. 본 문헌에서, 달리 표시되지 않는 한, "또는"은 비배타적인 것을 지칭하기 위해서 사용되거나, "A 또는 B"가 "A를 포함하나 B는 포함하지 않는", "B는 포함하는 A는 포함하지 않는", 그리고 "A 및 B를 포함하는"을 포함하도록 사용된다. 본 문헌에서, "포함하는" 및 "여기에서"와 같은 용어는 "포괄하는" 및 "그 점에서"라는 각각의 용어의 일반적인 영어의 균등물로서 사용된 것이다. 또한, 이하의 청구항에서, "포괄하는" 및 "포함하는"은 개방형이고, 다시 말해서, 청구항에서 해당 용어 이후에 나열된 것 이외의 요소를 포함하는 시스템, 디바이스, 물품, 조성물, 제형, 또는 프로세스가 여전히 해당 청구항의 범위 내에 포함될 것이다. 또한, 이하의 청구항에서, "제1", "제2", 및 "제3" 등의 용어는 단지 표시로서 사용된 것이고, 그 대상에 수치적 요건을 부여하기 위한 것은 아니다.
문맥에서 달리 표시되지 않는 한, "평행", "수직", "둥근" 또는 "정사각형"과 같은 기하형태적 용어는 절대적인 수학적 정밀도를 필요로 하지 않을 것이다. 그 대신에, 그러한 기하형태적 용어는 제조 또는 등가 함수로 인한 변동을 허용한다. 예를 들어, 만약 요소가 "둥근" 또는 "대체로 둥근"으로 설명된다면, 정확하게 원이 아닌 구성요소(예를 들어, 악간 타원형인 또는 많은-면의 다각형인 구성요소)가 여전히 이러한 설명에 포함된다.
본원에서 설명된 방법 예는 적어도 부분적으로 기계 또는 컴퓨터로 구현될 수 있다. 일부 예는, 전술한 예에서 설명된 바와 같은 방법을 실시하기 위한 전자 디바이스를 구성하도록 동작될 수 있는 명령어로 인코딩된, 컴퓨터-판독 가능 매체 또는 기계-판독 가능 매체를 포함할 수 있다. 그러한 방법의 구현예는, 마이크로코드, 조립 언어 코드, 고차원의 언어 코드, 또는 기타와 같은, 코드를 포함할 수 있다. 그러한 코드는 여러 방법을 실시하기 위한 컴퓨터 판독 가능 명령어를 포함할 수 있다. 코드는 컴퓨터 프로그램 제품의 일부를 형성할 수 있다. 또한, 예에서, 코드는, 예를 들어 실행 중에 또는 다른 시간에, 하나 이상의 휘발성, 비-일시적, 또는 비-휘발성의 유형적(tangible) 컴퓨터-판독 가능 매체에 유형적으로 저장될 수 있다. 이러한 유형적 컴퓨터-판독 가능 매체의 예는, 비제한적으로, 하드 디스크, 분리 가능한 자기 디스크, 분리 가능한 광학 디스크(예를 들어, 콤팩트 디스크 또는 디지털 비디오 디스크), 자기 카세트, 메모리 카드 또는 스틱, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 리드 온리 메모리(ROM), 및 기타를 포함할 수 있다.
전술한 설명은 예시적인 것이고 제한적인 것은 아니다. 예를 들어, 전술한 예들(또는 그 하나 이상의 양태들)이 서로 조합되어 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어 전술한 설명을 검토한 당업자에 의해서, 다른 실시예가 이용될 수 있다. 요약서는 기술적 개시 내용의 특성을 신속하게 파악할 수 있게 하기 위해서 제공된 것이다. 제출된 요약서는, 청구항의 범위 또는 의미를 해석 또는 제한하기 위해서 이용되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 또한, 전술한 상세한 설명에서, 다양한 특징들이 함께 조합되어 개시 내용을 합리화할 수 있다. 이는, 청구되지 않은 개시된 특징이 임의의 청구항에서 필수적이라는 것을 의미하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 본 발명의 사용자 관련 대상은 특별한 개시된 실시예의 모든 특징을 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 이하의 청구항은 여기에서 예 또는 실시예로서 상세한 설명에 포함되며, 각각의 청구항은 별개의 실시예로서 독자적으로 존재하며, 그러한 실시예가 다양한 조합 또는 순열로 서로 조합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 범위는, 첨부된 청구범위에 의해서 부여되는 전체 균등 범위와 함께, 첨부된 청구항을 참조하여 결정되어야 할 것이다.
Claims (13)
- 시스템이며:
제1 유입구 포트, 제1 성장 컬럼, 및 상기 제1 유입구 포트에서 검출된 입자를 카운트하기 위한 제1 광학적 요소를 갖는 제1 응축 입자 카운터로서, 상기 제1 유입구 포트에서 카운트된 입자에 상응하는 제1 신호를 제공하도록 구성된, 제1 응축 입자 카운터;
제2 유입구 포트, 제2 성장 컬럼, 및 상기 제2 유입구 포트에서 검출된 입자를 카운트하기 위한 제2 광학적 요소를 갖는 제2 응축 입자 카운터로서, 상기 제2 응축 입자 카운터는 상기 제2 유입구 포트에서 카운트된 입자에 상응하는 제2 신호를 제공하도록 구성되고; 상기 제1 응축 입자 카운터 및 상기 제2 응축 입자 카운터는 심지를 포함하도록 구성되고, 상기 심지는 물에 의해서 습윤되는, 제2 응축 입자 카운터;
상기 제1 유입구 포트에 커플링되고 상기 제2 유입구 포트에 커플링되며, 압력 신호를 제공하도록 구성된 차압 센서;
메모리에 커플링되고, 제1 신호, 제2 신호 및 압력 신호를 수신하도록 그리고 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호의 비율에 상응하는 출력을 생성하도록 그리고 상기 비율을 상기 압력 신호와 상호 관련시키도록 구성된 프로세서; 및
상기 제1 응축 입자 카운터 및 상기 제2 응축 입자 카운터, 상기 차압 센서, 상기 프로세서, 및 상기 메모리를 수용하도록 구성된 하우징을 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 하우징에 커플링된 가속도계를 더 포함하고, 상기 가속도계는 감지된 가속도에 상응하는 가속도 신호를 제공하도록 구성되고, 상기 프로세서는 상기 가속도 신호를 수신하도록 구성되는, 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 가속도계는 3차원의 가속도에 감응하는, 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 가속도 신호를 상기 비율과 상호 관련시키도록 구성되는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 심지는 나일론, 고밀도 폴리에틸렌 수지(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌 수지(LDPE), 폴리에틸렌, 스테인리스 스틸, 소결 재료, 세라믹, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 니트로셀룰로오스, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 친수성 재료로부터 선택된 재료를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 응축 입자 카운터 및 상기 제2 응축 입자 카운터 모두에 커플링된 열 유닛을 더 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 하우징이 저장용기를 가지지 않는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 프로세서에 커플링된 무선 송수신기를 더 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 프로세서에 커플링되고 상기 하우징에 의해서 운반되는 배터리를 더 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 프로세서는 보호 인자를 계산하도록 구성되는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 하우징에 부착되고 상기 비율을 보여주도록 구성된 디스플레이를 더 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 유입구 포트는 제1 관의 제1 단부에 커플링되도록 구성되고, 상기 제1 관은 호흡기 마스크에 커플링된 제2 단부를 가지는, 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 제2 유입구 포트는 제2 관의 제1 단부에 커플링되도록 구성되고, 상기 제2 관은 상기 호흡기 마스크에 근접하여 종료되는 제2 단부를 가지는, 시스템.
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