JP2009500768A - 訓練可能なセンサ及びネットワーク - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】監視システム１０は、音、光、温度、気圧、湿度、生物学的、同化促進性及び解剖学的データの少なくとも１つを監視する形態とされた少なくとも１つのセンサ１２、１００、１０２、１０４、１０６を含む。センサ１２、１００、１０２、１０４、１０６は、センサ１２、１００、１０２、１０４、１０６の作動を制御する形態とされたコントローラ１４と接続され、センサ１２、１００、１０２、１０４、１０６が警報状態及び事象に対して訓練可能であるようにする。好ましくは、センサ１２、１００、１０２、１０４、１０６及びコントローラ１４は、複数のセンサ１２、１００、１０２、１０４、１０６と相互接続され、対象とするデータと関係した多数の値が取得可能であるようにする。好ましくは、取得したデータは記憶させ且つ種類分けし、センサ１２、１００、１０２、１０４、１０６の作動可能性及び機能を増進させるものとする。

Description

本発明は、遠隔監視法の分野、より詳細には、環境状態を監視し得るような構造とされたセンサ、及び相互接続した監視アレーを提供し得るように複数のセンサを接続するシステムに関する。

環境状態及びパラメータを遠隔的に監視することは既知である。温度、気圧及び降水量のような気象状態と関係した環境上のパラメータは、遠隔の監視施設に配置された複数のセンサを通じて遠隔的に監視されることが多い。遠隔監視装置の各々は、感知されたデータを中央施設に通信し、この中央施設にて、オペレータ又はその他のシステムは、集められたデータを合成して監視中の地域の気象事象と関係したレポートを作製する。遠方に配置されたセンサは、単一のパラメータを監視する形態とされ、製造、作動、及び保守費用が高くなることが多い。かかるシステムは、普及しており、多岐に渡る地理的地域の気象状態を監視するが、これらのシステムは、悪意的、攻撃的及び（又は）病気の蔓延のような自然の生物学的事象の如き人間に影響する事象を監視することはできない。

陸上、海上、及び航空乗物のような効率のよい移動様式の登場により、長距離及び短距離に渡って多量及び少量の商品、材料、情報及び人間の輸送が比較的効率的に行なわれる。かかる様式及び気象状態の予想可能性は、環境上の危険を迅速に且つ効率的に通信し且つ管理する効率的な手段も提供する。すなわち、攻撃的意思を持った人間が目的とする方向に向けて且つ所定の有効面積にて拡散させるため、生物に危険な材料を特別に作ることが比較的容易となっている。かかる拡散の効果に対抗し又は、かかる拡散を防止するための防止策が試みられている。

かかる防止策は、全体として、広く関係したチェックポイント及び検出器を含む。かかるテロリズム対策を実行することは、時間を消費し、コスト高で、兵站
学的に複雑で、また、効果が限定的であることがしばしばである。すなわち、現在のセンサ及び検出器の形態は、全体として、所定の特徴を検出する形態とされたセンサを含む。例えば、アルコール系材料の存在を検出することのできるセンサが利用可能であるが、センサは、異なる型式のアルコール系材料を検出し且つ（又は）それらを区別するのに十分な設計とされていない。理解し得るように、検出可能であるが、目的とする標的材料と関係しても危険性を伴わない、自然に生じ及び（又は）派生的な材料が存在する。従って、かかる検出器システムは、実際には、危険性が全くないが、危険な材料の派生物があるとき、危険状態の警報を出すことが多い。すなわち、かかるシステムは、誤判定による警報状態を提供する場合がある。誤判定による警報状態は、危険検出システムの信頼性を損なうことになる。すなわち、誤判定による警報を頻繁に受けるオペレータは、それ以降の実際の警報状態を誤判定として無視する傾向となる。更に、多数回の誤った誤判定は、移動、輸送又は配分する様式を効率的に、危険を伴わずに利用することを妨げることとなる。従って、一般的な汚染物質及び（又は）危険な材料の種類を判別し、これによりセンサシステムの信頼性及び特定性を改良することが可能なセンサを提供することが望まれる。

また、汚染物質の事象に達するまでの移動特徴を検出することができるセンサを提供することも望まれる。特に生物学的に危険な事象の場合、汚染物質の事象の方向及び移動速度を知ることは、事象を封じ込め、影響を受ける地域を特定するため、また、最初の防御員のような人達にとって極めて重要であることが多い。生物学的監視は、非軍事的活動にとっても有益である。特に、医療施設は、疾病の蔓延及び診断に対して一層良く対処するため、病原体の移動及び判別に関係したデータを採取することによる利益を受けるであろう。従って、複数の環境にて作動し且つ、多数のパラメータを検出するよう作動可能な形態をとることができる低コストの動的監視システムを提供することが望まれる。

単に一例として、本発明は、センサシステムネットワーク、及びこのネットワークと共に作動可能な多数のセンサに関する。ネットワークは、所望のパラメータを監視する形態とされた複数の相互に接続したセンサを含む。所望のパラメータは、気圧、温度、エーロゾル粒子計数管、生物学的粒子計数管、生物学的パラメータ、及び生体表面のパラメータ、及び同様のものの任意のものとすることができる。センサより取得された情報は、中央施設に通信され、この中央施設にて、複数のセンサが相互に接続されたとき、感知した環境の全体像が発生され、濃度又は所望のパラメータの値が表示される。

本発明の１つの特徴は、コントローラと、コントローラと接続されたデータベースとを有する監視システムである。センサがコントローラと接続され、また、所望のパラメータを監視し且つ、データベースに対し監視された情報を投入する形態とされている。コントローラは、センサの作動を監視し且つ、データベースの情報に応答してその作動を調節する形態とされている。

本発明の別の特徴に従い、センサが提供され、また、所望のパラメータを監視する形態とされている。センサは、センサをイーサネット（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ）上にて作動させる構造とされた入力部と、イーサネット、インターネット（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）及びイントラネットの少なくとも１つと接続可能な出力部とを含む。センサは、多数のセンサからセンサを識別する形態とされた識別子を含む。センサの出力部は、センサの作動状況をネットワークに通信する。

本発明の別の特徴は、少なくとも１つの楕円形反射器と、少なくとも１つの光源とを有するセンサを含む。光源は、放射線を放出し、この放射線は、粒子プローブ領域上に収束される。検出器は、反射器に近接して配置され且つ、対象とする粒子の前方散乱を取得する形態とされている。好ましくは、粒子プローブ領域及び検出器は、少なくとも１つの楕円形反射器の焦点に配置されるものとする。

本発明の更なる特徴に従い、生物学的粒子を監視する構造とされたセンサが開示されている。センサは、第一の周波数にて発動する構造とされた第一の励起子と、第一の周波数と相違する第二の周波数にて発動する構造とされた第二の励起子とを含む。検出器は、第一の励起子及び第二の励起子に近接して向き決めされ且つ、標的粒子内にて誘発された蛍光を監視する形態とされている。

本発明の別の特徴は、プロセッサと接続された金属酸化物センサを有するセンサシステムを含む。センサは、出力値と、出力値を取り囲む信号範囲とをプロセッサに通信する形態とされている。プロセッサは、出力値と、出力値を取り囲む信号範囲とを処理して気相分子を識別する形態とされている。

本発明の更なる特徴は、紫外線範囲に近接する第一の信号を発生させる形態とされた第一の励起子を有するセンサを開示する。センサは、紫外線範囲に近接する第二の信号を発生させる形態とされた第二の励起子を含む。１対の光センサが第一及び第二の励起子に近接する位置に配置され且つ、粒子放出エネルギを取得する形態とされている。コントローラは、エミッタの作動と光センサのゲーティングとを同期化して粒子を識別する。好ましくは、センサは、蛍光の寿命、対の光センサ間の強度比、及び粒子寸法を監視して病原性材料と非病原性材料とを識別するものとする。

独特のセンサ識別子を収集し、変換器のエレクトロニクスデータシートを採取し、位置及び時間に依存する拡張マークアップ言語（ＸＭＬ）フォーマット化したデータを収集し且つ、単一のパッケージにて解析エキスパート−システムを提供する能力は、新規な特徴であるとみなされる。本発明の別の特徴は、堅固で且つ信頼性があり、これにより不稼働時間及び作動コストを減少させる装置を提供する。本発明の別の目的は、上述した特徴の１つ又はより多くを有し、しかも最小限の装置を使用して比較的簡単に製造し且つ組み立てることができる装置を提供することである。

本発明の上記及びその他の特徴及び目的は、以下の説明及び添付図面と共に検討したとき、一層良く認識され且つ理解されよう。しかし、以下の説明は、本発明の好ましい実施の形態を示すもので、単に説明のために掲げたものであり、限定的なものではないことを理解すべきである。本発明の精神から逸脱せずに、本発明の範囲内にて多数の変更例及び改変例を為すことができ、本発明は、かかる全ての改変例を含むものである。

本発明を構成する有利な点及び特徴並びに本発明により提供される典型的な機構の構造及び作用の明確な理解は、幾つかの図にて同一の要素は同様の参照番号にて表示し、また、図１ないし図１８が本発明の色々な形態を示す、添付図面に図示し且つ本明細書の一部を形成する一例であり、従って非限定的な実施の形態を参照することにより容易に明らかになるであろう。

本発明を構成する有利な点及び特徴並びに本発明により提供される典型的な機構の構造及び作用は、本明細書に記載した、一例であり、従って非限定的な実施の形態を参照することにより容易に明確に認識されよう。図面に図示した本発明の好ましい実施の形態を説明するため、明確化のため特定の技術用語を使用する。しかし、本発明は、このようにして選ばれた特定の語に限定することを意図するものではなく、特定の語の各々は、同様の目的を実現するため同様の態様にて作用する技術的等価物の全てを包含するものであることを理解すべきである。例えば、「接続された」、「装着された」という語又はこれと同様の語がしばしば使用される。これらの語は、直接接続することに限定されず、その接続が当該技術の当業者により等価物であると認識されるその他の要素を通じて接続すること含むみのである。

本発明及びその色々な形態及び有利な点の詳細は、以下の説明にて詳細に記載した非限定的な実施の形態に関してより詳細に説明する。本発明の特定の実施の形態については、色々な重要な形態を示す作用を果たす、以下の非限定的な例によって更に説明する。これらの例は、単に、本発明が実施可能である態様を理解するのを促進し、また、当該技術の当業者が本発明を実施することを更に可能にすることを意図するものである。従って、実施例は、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

本発明の１つの実施の形態は、コントローラと、コントローラと接続されたデータベースとを有する監視システムである。センサがコントローラと接続され、また、所望のパラメータを監視し且つ、データベースに対し監視された情報を投入する形態とされている。コントローラは、センサの作動を監視し且つ、データベースの情報に応答してその作動を調節する形態とされている。

本発明の別の実施の形態に従い、センサが提供され、また、所望のパラメータを監視する形態とされている。センサは、センサをイーサネット上にて作動させる構造とされた入力部と、イーサネット、インターネット及びイントラネットの少なくとも１つと接続可能な出力部とを含む。センサは、多数のセンサからセンサを識別する形態とされた識別子を含む。センサの出力部は、センサの作動状況をネットワークに通信する。

本発明の別の実施の形態は、少なくとも１つの楕円形反射器と、少なくとも１つの光源とを有するセンサを含む。光源は、放射線を放出し、この放射線は、粒子プローブ領域上に収束される。検出器は、反射器に近接して配置され且つ、対象とする粒子の前方散乱を取得する形態とされている。好ましくは、粒子プローブ領域及び検出器は、少なくとも１つの楕円形反射器の焦点に配置されるものとする。

本発明の更なる実施の形態に従い、センサは生物学的粒子を監視する構造とされている。センサは、第一の周波数にて発動する構造とされた第一の励起子と、第一の周波数と相違する第二の周波数にて発動する構造とされた第二の励起子とを含む。検出器は、第一の励起子及び第二の励起子に近接して向き決めされ且つ、標的粒子内にて誘発された蛍光を監視する形態とされている。

本発明の別の実施の形態は、プロセッサと接続された金属酸化物センサを有するセンサシステムを含む。センサは、出力値と、出力値を取り囲む信号範囲とをプロセッサに通信する形態とされている。プロセッサは、出力値と、出力値を取り囲む信号範囲とを処理して気相分子を識別する形態とされている。

本発明の更なる実施の形態は、第一の紫外線エネルギを発生させる形態とされた第一の励起子を有するセンサを開示する。センサは、第二の紫外線エネルギを発生させる形態とされた第二の励起子を含む。１対の光センサが第一及び第二の励起子に近接する位置に配置され且つ、粒子放出エネルギを取得する形態とされている。コントローラは、エミッタの作動と光センサのゲーティングとを同期化して粒子を識別する。好ましくは、センサは、蛍光の寿命、対の光センサ間の強度比、及び粒子寸法を監視して病原性材料と非病原性材料とを識別するものとする。

図１に示したように、監視システム１０は、多数のセンサ１２と、コントローラ１４とを含む。多数の通信リンク１６は、センサ１２と、コントローラ１４との間の通信を許容する。選択随意の通信リンク１８は、システムにおけるセンサ１２の各々間の通信を許容する。理解し得るように、リンク１６、１８は、ローカルエリアネットワーク（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）すなわちＬＡＮ接続のような物理的接続とし、又はセンサ及びコントローラの一方にトランスミッタ及びレシーバをそれぞれ含めることにより生成された無線通信リンクとすることができる。センサ１２の各々は、所望のパラメータを監視する形態とされた検出器２０を含む。プロセッサ２２は、センサ１２及びコントローラ１４の一方と接続され且つ、検出器２０の作動を指令する形態とされている。データベース２４は、コントローラ１４と接続され且つ、監視システム１０のセンサ１２の各々により取得されたデータを受け取り且つ維持する形態とされている。プロセッサ２６がコントローラ１４に装着されて、コントローラ１４及びデータベース２４の作動を監視する。別個の構成要素として示されているが、センサ１２及びコントローラ１４は一体化して共通の装置にし、センサが完全に持ち運び可能であり且つ、自己充足型の監視装置となるようにすることが可能であることが理解される。

図２には、監視システム１０の一例としての制御プロトコルの図解図が示されている。１つ又はより多くのセンサ１２から成るセンサアレーがセンサから取得した情報をインターフェース又はセンサインターフェース３０に、また、多ユーザシステム３４へのセンサノード３２に通信する。多ユーザシステム３４は、データベース／プロセッサ３６と通信可能に接続され且つ、センサアレー２８により取得した情報を監視する形態とされている。システム３４は、標的事象が生じたとき、事故レポートすなわち警報３８を発生させる。パラメータに依存して、センサアレー２８は、警報を監視する形態とされており、その警報は、監視したパラメータと直接、関係した人間に指令することができる。すなわち、センサアレー２８が生物学的又は化学的に有害な放出物を監視する形態とされているならば、監視されたパラメータの性質を考慮して必要と考えられるように、警報３８は、現場の人間、付近の最初の防御員、又はその他の人間に向けることができる。更に、監視システム１０の連続的なリアルタイムの非接触式性質の作動は、警報事象を比較的便宜に、インラインオペレーションにて監視し且つ分析することを許容する。連続的で且つ継続的なデータベース２４の作動は、センサアレー２８のセンサ１２の監視を連続的に且つリアルタイムにて更新することを許容する。かかる形態は、情報を取得する間、センサ１２の制御を作用可能に調節することを許容し、これにより環境事象に対してセンサ１２を大急ぎで（ｏｎ−ｔｈｅ−ｆｌｙ）順応化することを許容する。

図３には、監視システム１０の１つの選択随意の形態が示されている。図３に示したように、第一の安全プロトコル４０は、監視システム１０の遮蔽された部分４２への無権限のアクセスを防止する。情報は、センサアレー２８により収集され且つ、データベース２４に通信され、また、コンピュータ４４にてその情報にアクセスすることができる。イーサネット接続部４６は、センサアレー２８を電源と接続し且つ、センサアレーにより取得された情報をコンピュータ４４に通信する。安全システム４８は、コンピュータ４４と接続され、安全システム４８にて保持された情報への制限されたアクセスのみが許容される。理解し得るように、センサアレー２８により取得された情報の全ては、安全プロトコル４０の後方にて封じ込むことができる。別の安全プロトコル５０は、安全システム４８からの指令をさもなければ監視システム１０と連絡しない遠方の防御員５２に通信することを許容する。すなわち、警報状態のときにのみ、警報状態が生じたとの
指令が遠方の防御員に送られる。かかる構造は、システム１０を監視する人員を少なくし且つ、警報状態が生じる迄、システム１０が比較的中断されずに作動することを許容する。遠方の防御員５２はインターネット接続部５４を介して安全システム４８と接続されているが、無線接続のようなその他の接続形態が考えられ且つ特許請求の範囲に属するものと理解する。

図４には、センサ１２のシステム及びコントローラ１６のシステムの一例としての隔離状態が示されている。センサ１２の検出器２０により発生された信号は、調整され５６、アナログ（Ａ）からデジタル（Ｄ）にデジタル化される５８。データは、記憶装置６０内に記憶され、コントローラ又はマイクロコントローラ６２は、記憶されたデータをＸＭＬメッセージにフォーマット化する。権限の識別（ＩＤ）６４がセンサ１２により取得された情報に割り当てられ、無権限のデータの取得及びその取得したデータの伝送を防止する。通信装置６６は、センサ１２をコントローラ１４のような監視システム１０のその他の作動構成要素と接続するのを許容する。コントローラ１４は、センサ１２の通信装置６６と通信する構造とされた相互的な通信装置又はアクセス層６８を含む。理解し得るように、通信装置６６、６８は、通信インターフェースの形態に関係なく、センサ１２とコントローラ１４との間の通信を許容する構造とされている。すなわち、センサ及びコントローラが無線通信を好むならば、通信装置６６、６８は、その両者の間の無線通信を容易にする構造とされている。同様に、有線通信が望まれるならば、通信装置６６、６８は、センサ１２及びコントローラ１４を有線接続することを許容する構造とされている。コントローラ１４は、作動を制御し且つコントローラ１４とセンサ１２との間にて情報を交換する構造とされたサーバ７０を含む。サーバ７０は、複数のセンサをコントローラ１４と接続し且つ通信することも可能にする。

図５には、監視システム１０の一例としての通信プロトコルが示されている。少なくとも１つの信号プロセス、又は例えば、アルゴリズム７２は、センサ１２から受け取ったデータを処理し且つ、好ましくは、データをメモリモジュール７４に記憶する。更に、所望である場合、信号処理アルゴリズム７２は、データを記憶する前、又は記憶した後、センサ１２により取得したデータをエンコードすることができる。変換器のエレクトロニクスデータシート７６は、センサの較正及び制御情報を含むことができる、センサ１２に関する情報を記憶する。ウェブサーバ７８は、センサ１２から収集されたデータを外部から視認し、監視し、操作し及びポーリングすることを許容する通信インターフェースを提供する。センサが採集した情報は、暗号化されているかどうかを問わず、伝送制御プロトコル／インターネットプロトコル又はＴＣＰ／ＩＰプロトコルを通して伝送されたＸＭＬパケット内にて伝搬される。選択随意のポーリングサービス８２は、サーバ７８上にて作動し且つ、監視システム１０と接続されたセンサからデータをポーリングする。センサに関するデータ及びセンサからのデータは、関連するデータベース８４内に記憶し、信号処理サービス８６は、データ８４からデータを問い合わせ、そのデータを以下に更に詳細に説明するように、ルールに基づいたアルゴリズム毎に処理する。センサパラメータサービス８８は、監視システムのセンサから且つセンサへの更新したパラメータの情報を維持する。選択随意の分析サーバ９０は、地域のデータセットのシステム傾向を分析し且つ、正常でないセンサの測定値に基づいて警報を発生すると共に、ルールに基づいた誤警報の消息を検討する。分析サーバ９０は、部分的に、センサ１２の作動性能に応答して監視システム１０の作動を自動的に更新する。

図６には、データベース２４の一例としての組織化した構造が示されている。理解し得るように、データベース２４は、センサ１２と接続され、コントローラ１４と接続され又はこれらから遠方にある任意のものとすることができる。データベース２４は、データを取得する間、センサ１２と連続的に連絡してセンサ１２により監視された情報が最大限、取得されるのを保証することが好ましい。更に、センサ１２は、センサ１２がコントローラ１４と連絡していないときでさえ、データの取得及び保存を続行することを許容するようデータベースを含むことが更に理解される。かかる構造は、センサとの接続が確立される迄、データの取得を続行することを許容する。センサのデータは、記憶領域９４内に収集され、該記憶領域は、タイムスタンプ、ネットワークパケット情報及び未処理のセンサデータを記録する。試験限界値又は作動範囲のようなセンサ１２の作動パラメータに関する情報は、作動パラメータの記憶領域９６内に記憶させ、望まし作動のためセンサ１２の形態を設定し、また、センサの作動状態を評価するため使用される。センサにより取得したデータが処理された後、データベース２４は、センサが取得したデータにより決定されたように、分析した情報を記憶する構造とされた分解したデータ表９８を含む。

図７には、システムと接続された複数の異なる形態のセンサを有する一例としての監視システム１０が示されている。粒子計数管センサ１００及び生物学的粒子計数管センサ１０２は、流体の流れ及び同様のものを監視する構造とされている。例えば、医療施設において、流れにて運ばれた微粒子を監視するためセンサ１００、１０２を暖房、換気及び空調（ＨＶＡＣ）システム内に配置することができる。生体表面センサ１０４は、監視システム１０と接続され且つ壁、器具、手、カテーテル及び同様のものを汚染物質の有無について表面を試験する構造とされている。更に、遠隔作動の形態とされたとき、生体表面センサ１０４は、患者の体内の病原性物質を監視する構造とされている。センサ１０６は、環境の刺激に応答してセンサの作動を動的に調節する構造とされた訓練可能なセンサである。

好ましくは、データベース２４及びサーバ７８は、例えば、センサ１００、１０２、１０４又は１０６のような複数のセンサ１２と相互に接続され且つ、所望の領域を監視する形態とされている。監視される汚染物質の型式に依存して、環境の所望の監視を実現し得るように、センサ１００、１０２、１０４、１０６の任意の組み合わせを形成することができる。センサ１００、１０２、１０４、１０６は、監視ネットワーク上にて混成させ、走査される領域の汚染物質をほぼ完全に決定することができることが更に理解され且つ認識される。複数のセンサ１００、１０２、１０４、１０６の配分形態は、高性能の環境監視システムも提供することが更に理解される。すなわち、複数のセンサを設置することが兵站学的に実際的でない適用例において、センサ１００、１０２、１０４、１０６を遠方の場所まで遠隔操作にて搬送し且つ、例えば、遠隔制御車両によりその場所にて自動的に配分することが考えられる。搬送手段、利用される特定型式のセンサ及び作動可能とされたセンサの数に関係なく、監視システム１０は、複数の質因子について領域を監視する動的、堅牢で且つ効率的な手段を提供する。

アプリケーションサーバ及びデータベース１０８、１０９は、監視システム１０と接続され且つセンサ１００、１０２、１０４、１０６の作動を制御し、また、監視すると共に、センサから取得した情報をそれぞれ記録し且つ監視する形態とされている。アプリケーションサーバ１０８は、必要な命令をセンサ１００、１０２、１０４、１０６の各々に通信し、センサが監視する形態とされたパラメータと相関するパラメータに従ってセンサが作動するようにする形態とされている。アプリケーションサーバ１０８及びデータベース１０９は、これらに接続されたセンサの数及び識別を監視する形態とされている。かかる形態は、システムの情報が確実であることを保証し且つ、取得することを望むパラメータのセンサの作動可能性により決定されたように、センサを含めることと排除することとを継続的に行なうことを許容することにより動的監視システムを提供する。

次に、センサ１００、１０２、１０４、１０６について詳細に説明する。上述したように、本発明に従った監視システムは、任意の数のセンサ１００、１０２、１０４、１０６及びそれらの任意の組み合わせを含むことができる。図８ないし図１２には、粒子計数管センサ１００が示されている。粒子計数管センサ１００は、リアルタイムにて連続的に作動し、また、消耗部品は含まず、菌、細菌及びその他の生存可能な有機体のようなエーロゾルにて運ばれる有機体を検出する構造とされている。エミッタ又は光源１１０は、粒子プローブ領域１１４上に収束される、線１１２で示した放射線を発する。粒子に衝突する放射線は、散乱され且つ、反射器１１６のアレーにより検出器１１８上に反射される。好ましくは、反射器１１６は、楕円形であり且つプローブ領域１１４の回りに同心状に配置されるものとする。好ましくは、検出器１１８は光検出器であり、粒子プローブ領域１１４及び検出器１１８が反射器１１６の焦点に配置されるものとする。光粒子の寸法は、異なる散乱角度にて信号振幅を分析することにより計算することができる。好ましくは、低コストの検出器１１８は、反射器１１６の各々から反射した光を収集する。図９に示したように、複数の検出器１１８をプローブ領域１１４の回りに配置することは、粒子の衝突と関係した大部分のエネルギを取得し、これにより可能な複数の粒子型式から粒子の型式を正確に決定することを可能にする。図１０に示したように、光源１１０から発する放射線１１２を粒子プローブ領域１１４上に収束させれば、反射器１１６により反射された放射線は検出器１１８に散乱される。粒子プローブ領域１１４及び検出器１１８は、楕円形反射器１２０の１つの焦点に配置される。

図１１及び図１２を参照すると、検出器１１８及び反射器１１６を粒子プローブ領域１１４の回りに配置することは、通過する粒子を効率良く識別することを保証することになる。異なる光検出器１１８にて信号振幅を分析することにより、粒子の形状、これにより、その型式を決定することができる。楕円形の反射器を配置し且つ、散乱エネルギを収束させることは、検出器１１８の構造を極めて経済的なものとすることを許容する。好ましくは、反射器は、アルミめっきした射出成形プラスチックにて出来たものとする。

図１３には、生物学的粒子計数管センサ１０２の一例が示されている。センサ１０２は、潜在的に有害な生物学的エーロゾル及び粒子蛍光の有無について周囲環境を連続的に監視することを許容する。生物学的有機体内に保持された主要な生物学的蛍光物質（ｆｌｕｏｒｏｐｈｏｒｅｓ）に同調させた放射線により励起されたとき、固有の粒子蛍光を使用して生物学的粒子と非生物学的粒子とを区別するのを助けることができ、また、周囲環境の通常の成分である生物学的粒子と危険であるとみなすことができる成分とをかなりの程度判別することさえも可能にする。しかし、生物学的蛍光物質からの固有の蛍光は一般に微弱であり、また、空気で運ばれた生物学的粒子内の蛍光物質の量は、通常極めて少量であるから、励起放射線は強力でなければならない。しかし、一般にかかる励起のために利用される固体相高調波レーザは、比較的高価であり且つ多ポイント検出又は広範囲のフィールドの監視が望まれる場合に実用的ではない。センサ１０２は、複数の紫外線（ＵＶ）レーザ放出ダイオード（ＬＥＤｓ）を含み、また、軽量、持ち運び可能で且つ経済的な生物学的物質のセンサを許容する。センサ１０２は、極めて短時間（〜ｎｓ）、定格電流（２００ｍＡ）の約１０倍の電流を使用して２８０ｎｍ及び３７０ｎｍ ＵＶ ＬＥＤＳを連続的に作動させることにより励起させ、その結果、１００ｍＷの光学パワーとなるように制御される複数のＵＶ ＬＥＤｓ１２６を含む。理解し得るように、これらの値は、好ましく且つ一例にしか過ぎない。粒子が矢印１２８により示した流れに沿ってセンサ１０２を通過すると、検出器１３０は、粒子からの生物学的粒子の散乱に関係した信号を取得する。検出器１３０は、図１４に示したように、放射線が楕円形反射器１３２と接触するとき、誘発された蛍光を測定する。反射された放射線は、例えば、光検出器１３０のような検出器に向けられ、また、近接センサ１０２を通過する粒子の性質を決定すべく利用される。センサ１０２は、所定の環境にて解放された対象とする種及び化合物を検出する極めて経済的な手段である。更に、センサは、それ自体のオンボードプロセッサを通じてエーロゾル物質を検出し且つ、サブＰＰＭ（１００万当たりの部分）のレベルに対して感受性であるように訓練することができる。これと代替的に、センサ１０２は、取得したデータを単に遠隔のコントローラに通信する構造としてもよい。

図１５には、一例としての生体表面センサ１０４が示されている。センサ１０４は、例えば炭疽菌又は炭疽のような表面における生物学的物質の存在を検出すると共に、活性な型式の物質と不活性な型式の物質とを識別する構造とされている。センサ１０４は、センサを遠隔的に作動させ且つ持ち運び可能である構造ともされている。センサ１０４は、対象とする粒子中に励起を生じさせる形態とされた１対のエミッタ１３６、１３８を含む。好ましくは、エミッタ１３６、１３８は、紫外線帯域内のエネルギを含む広スペクトルの光パルスを発する形態とされたキセノンフラッシュ管である。フィルタ（図示せず）は、その中心がエミッタ１３６の約２８０ｎｍにあるようにされた狭小帯域の放出物を提供する。エミッタ１３８は、約３７０ｎｍの狭小帯域となるようにフィルタリングされる高スペクトル光パルスを発する。光パルスは、走査することを望む表面１４０に入射する。ＵＶは、生物学的材料の自然の蛍光物質により吸収され且つ可視スペクトル帯域内にてエネルギを再度、発する。一体型の球／レンズ１４２が放射線を収集し且つ入射する光をビームスプリッタ１４４により２つの成分に分離する。Ｘ、Ｙの間のスペクトル帯域のエネルギの第一の部分は、光センサ１４６により検出される。エネルギの第二の部分は、Ｚ、Ｗの間のスペクトル帯域にてエネルギを通過させるようフィルタリングされる。エネルギの第二の部分は、別の光センサ１４８により検出される。エミッタ１３６、１３８により発生されたパルスは、検出器１４６、１４８にて受け取った信号のスイッチングと同期化されて放出分の蛍光寿命を測定する。蛍光寿命、検出器１４６、１４８からの強度と粒子寸法との比を組み合わせる結果、センサ１０４により監視された病原性及び非病原性の生物学的材料を極めて特定的に識別することができることになる。センサ１０４の作動は、離れた距離から表面を監視する連続的なリアルタイムの作動センサを提供することになる。従って、センサ１０４は、空気で運ばれる汚染粒子を送り出し、更に、その他の表面を汚染する結果となるであろう表面を刺激することなく表面を分析することを可能にする。センサ１０４は、生存可能な病原性有機体をその他の生物学的材料から判別し得る構造とされている。センサ１０４は、医薬、食品サービス、軍用に適用される。

図１６ないし図１８には、本発明に従った別のセンサの作動可能なプロトコルの一例が示されている。センサ１０６は、確認可能な酸化物値を有する値を監視し得る構造とされたバイオメトリックに訓練可能なセンサである。該センサは、環境的監視及び医学的監視の双方を行うことができる。

細菌及び菌のような生きた有機体は、代謝によって気体状副産物を生じさせる。気体センサは、毒性である場合もあるこれらの気体状種を感知することができる。かかる副産物の存在は、特定の生存する有機体の存在の示標として使用される。同様に、人間は、代謝する間、気体状副産物を発生させる。気体状副産物の種を変化させ、また、毒性及びその他の健康に関する質のパラメータの非侵襲的示標として作用する、人間の色々な健康上の変化を生じさせる。ヘルスケアのツールとして、センサ１０６を携帯電話又はその他の移動可能な個人用エレクトロニクス装置に配置することは、健康を示すパラメータを便宜に且つ比較的常時、監視することを許容する。装置に向けて発音すると、吐息の排気が装置の上部空間内に収集される。センサ１０６は、この上部空間内の気体状副産物を測定し且つ分析のため、その情報をセンサネットワークに送る。

センサ１０６は、金属酸化物センサ（ＭＯＳ）又はタグチ（Ｔａｇｕｃｈｉ）センサとしてより一般的に知られた型式のものである。かかるセンサは、高温度にて作動する、表面活性的、粒子状、半導性酸化物（通常ＳｎＯ_２）系の気体感知フィルム１５０を含む。フィルム１５０の粒子寸法は、１０ナノメートルのように小さくすることができる。確率論的センサ信号は、周囲気体が影響を与える、センサ抵抗中の一時的な顕微鏡的変動によって表わされる。センサの直流抵抗は、粒子間境界１５２における潜在的障壁を通じての電荷キャリア輸送(charge carrier transport)によって支配される。障壁は、金属酸化物の結晶が空気中で加熱され、酸素が吸収され、酸素がその負電荷のためドナーとして作用するとき、形成される。障壁の高さは、還元性気体の存在下にて酸素イオンの濃度が低下するとき、減少する。その結果、直流抵抗は減少する。この抵抗は、典型的に、還元性気体の存在の測定値として使用される。センサの抵抗と脱酸気体の濃度との間の関係は、特定の気体濃度範囲に渡って次式によって表わすことができる。

Ｒ_Ｓ＝Ａ［Ｃ］−ａ
ここで、Ｒ_Ｓ＝センサの電気抵抗、Ａ＝勾配、［Ｃ］＝気体濃度、ａ＝Ｒ_Ｓ曲線の定数である。好ましくは、センサ１０６は、単に嵌合型電極（ＩＤＥ）上にて片側壁付きのカーボンナノチューブ（ＳＷＮＴｓ）を成形することにより製造される。センサ１０６の応答性は、ＮＯ２に対する４４ｐｐｂ及びニトロトルエンに対する２６２ｐｐｂの検出限界点にてサブｐｐｍから数百ｐｐｍまでの濃度に渡って直線的である。検出応答の時間は数秒程度であり、また、回復時間は、数分である。気体から有機体蒸気への拡大した検出能力の原因は、個別の半導性ＳＷＮＴの導電率にて直接的な電荷移送が行なわれ、追加的な電子ホッピング効果がＳＷＮＴの間にて物理的に吸収した分子を通じてチューブ間の導電率に加わるためである。かかる構造は、極めて応答性に富み、余剰な電力を消費せず、比較的小型であり、敏感に作動し且つ堅固な気体センサを提供することになる。

考えた技術的実証は、従来の化学センサの検出信号には確率論的プロセスが存在するとの理解に基づくものである。この場合、変動活動は、スペクトル分析によってのみならず、高順位の統計的方法によっても得ることができる価値あるセンサ情報を含むことが分かった。実際上、化学センサと該化学センサが検出する分子との間の相互作用は、常に、確率論的プロセスである。更に、吐息の確率論的な指紋法(stochastic fingerprinting)は、健康状態の示標である。上述したプロセスは、次の化学的等式によって表わすことができる。
（式）
センサ１０６の測定値の変化は、センサとの時間に依存する相互作用から生ずる(また、相互作用する生物学的分子に起因する可能性もある）化学物質の「確率論的指紋」の示標である。単に平均値を得るのではなくて、センサ１０６は、全体として平均値に近似する入力範囲を取得する構造とされている。かかる構造は、センサ１０６が高い特定性をもって粒子の型式を決定することを許容する。図１７及び図１８に示したように、センサ１０６により発生された信号は、感知される特定の粒子を表示する信号を発生する形態とされている。センサ１０６は、センサ内に存在する微細な変動を考慮し且つ、変動増進感知（ＦＥＳ）に基づいて作動し、この変動増進感知は、化学物質（又は潜在的に生物学的物質）の極めて低濃度により影響を受ける、既にセンサ中に存在する微細な変動を利用するものである。

センサ１０６の感度及び選択性は、１兆分の１レベルまで粒子を検出する構造とされている。これらの改良の原因は、一部分、センサ１０６から取得した確率論的情報を利用して濃度を推定し且つ、化学的種の識別を実現することにある。小さいセンサアレーは、性能及び信頼性を更に向上させる。すなわち、既知の粒子の試料が取得され且つセンサ１０６にて分析したならば、センサ１０６は、試験した粒子の「指紋」を識別する構造とされている。従って、センサ１０６は、非侵襲的、連続的、リアルタイム、低コスト、極めて持ち運び可能、堅牢で且つ訓練可能なセンサを提供する構造とされている。酸化性応力は、病気を示し又は有毒物質への露呈を示す一般的な示標である。このため、酸化性応力の色々な発現を検出することは、有毒物質への露呈に対する予備的スクリーニングとして使用することもできる。従って、人間の吐息を分析感知することは、健康状態の経済的で非侵襲的な監視手段である。

上述したように、本発明に従った監視システムは、監視する環境又は事象当たり多くの異なるセンサ、無数のセンサの向き及び形態を含む。例えば、監視システムは、ユーザ設定可能な多数の警報レベル、約−２０℃と約＋７０℃との間にて作動可能な堅牢な構造体、低電圧から少なくとも１２０Ｖの作動入力までの多数の作動電力範囲を含む。好ましくは、監視システムは、ＩＥＥＥ８０２．３（イーサネット）又は無線通信インターフェースを含み、センサの各々は、警報又は警告状態を便宜に識別することを許容するよう独特に識別されている。好ましくは、センサ１００、１０２、１０４、１０６は、互換可能であり且つ監視システム１０と任意の形態にて組み合わせることができ、また、監視システムと遠隔的に且つ確実に通信することを許容する。システムは、システムのセンサの作動を監視し且つ記録する構造とされたデータベースを含むことが好ましい。

監視システム１０及びセンサ１００、１０２、１０４、１０６は、極めて動的で且つ自由度の高い監視システムを提供する。監視システムは、センサ１００、１０２、１０４、１０６の任意の組み合わせ及びそれらの任意の数を含むことができる。理解し得るように、センサの数、センサの配分及びネットワークと接続されたセンサの多様性は、全て、感知されたパラメータを規定し且つ、監視のため規定された地理学的地域を画成することに寄与する。理解し得るように、センサ１００、１０２、１０４、１０６の任意のものを携帯電話、又は車両又はコンピュータを含む、可動かどうかを問わないその他の個人用装置内に組み込むことは、広範囲にて効果的で且つ応答可能な監視システムを提供することになろう。

本発明を実施するため当該発明者が考える最良の形態が上記に開示されているが、本発明の実施は、これらにのみ限定されるものではない。背景となる本発明の着想の精神及び範囲から逸脱せずに、本発明の特徴の色々な追加、改変及び再配置を実施することが可能であることが明らかであろう。更に、個々の構成要素は、必ずしも開示された材料にて製造する必要はなく、実質的に任意の適した材料にて製造することができる。更に、個別の構成要素は、必ずしも開示された形状にて形成し又は開示された形態にて組み立てる必要はなく、実質的に任意の形状にて提供し又は実質的に任意の形態にて組み立てることができる。更に、本明細書に記載されたモジュールは物理的に分離しているが、該モジュールが関係した装置内に該モジュールを一体化することができることが明らかであろう。更に、開示された実施の形態の各々にて開示された全ての特徴は、かかる特徴が相互に排他的である場合を除いて、開示されたその他の実施の形態の各々に開示された特徴と組み合わせ又はこれらの特徴にて置換することができる。

本発明に従った監視システムの図である。 図１に示した監視システムの一例としてのコントローラを示す図である。 図１に示した監視システムの別の実施の形態を示す図である。 図１に示した監視システムのセンサシステム及びコントローラシステムの一例としての隔離状態を示す図である。 図１に示した監視システムの一例としての通信プロトコルを示す図である。 図１に示した監視システムのデータベースの一例としての組織化した構造を示す図である。 システムと接続された複数の異なる形態のセンサを有する図１の監視システムの図である。 図７に示した監視システムの粒子計数管センサの図である。 図７に示した監視システムの粒子計数管センサの図である。 図７に示した監視システムの粒子計数管センサの図である。 図７に示した監視システムの粒子計数管センサの図である。 図７に示した監視システムの粒子計数管センサの図である。 図７に示した監視システムの生物学的粒子計数管センサの図である。 図１３に示したセンサの楕円形反射器の図である。 図７に示した監視システムの生体表面センサ１０４を示す図である。 図７に示した監視システムの別のセンサにより取得されたデータの図形的表現を示す図である。 図７に示した監視システムの別のセンサにより取得されたデータの図形的表現を示す図である。 図７に示した監視システムの別のセンサにより取得されたデータの図形的表現を示す図である。

Claims (10)

1. 監視システム（１０）において、
   データベース（２４）を有するプロセッサ（２２、２６）と、
   監視されたパラメータをデータベース（２４）に通信する少なくとも１つのセンサ（１２、１００、１０２、１０４、１０６）と、
   プロセッサ（２２、２４）及び少なくとも１つのセンサ（１２、１００、１０２、１０４、１０６）と接続され且つ監視されたパラメータの履歴に基づいて少なくとも１つのセンサの作動を制御する形態とされたコントローラ（１４）とを備える、監視システム（１０）。
2. 請求項１に記載の監視システム（１０）において、センサ（１２、１００、１０２、１０４、１０６）は、センサ（１２、１００、１０２、１０４、１０６）を作動させる形態とされ且つイーサネット、インターネット、ＬＡＮ及びイントラネットの少なくとも１つと接続可能である入力部を更に備える、監視システム（１０）。
3. 請求項１に記載の監視システム（１０）において、センサ（１２、１００、１０２、１０４、１０６）は、第一の周波数にて作動する形態とされた第一の励起子（１１０、１２６）と、第一の周波数と異なる第二の周波数にて作動する形態とされた第二の励起子（１１０、１２６）とを更に備える、監視システム（１０）。
4. 請求項３に記載の監視システム（１０）において、第一の励起子（１１０）及び第二の励起子（１２６）は、紫外線放出部及び紫外線ＬＥＤの少なくとも一部分を有するフラッシュ管の少なくとも１つである、監視システム（１０）。
5. 請求項４に記載の監視システム（１０）において、プロセッサ（２６、３６）は、励起子（１１０、１２６）の発動と１対の検出器（１１８）のゲーティングとを同期化する形態とされる、監視システム（１０）。
6. 請求項５に記載の監視システム（１０）において、プロセッサ（２６、３６）は、粒子の蛍光寿命、対の検出器（１１８）間の強度比及び粒子寸法を決定して粒子を識別する形態とされる、監視システム（１０）。
7. 請求項１に記載の監視システム（１０）において、センサ（１２、１００、１０２、１０４、１０６）は、散乱した粒子放射線を光検出器（１１８）まで前方に向ける形態とされた楕円形反射器（１１６）を更に備える、監視システム（１０）。
8. 請求項７に記載の監視システム（１０）において、光検出器（１１８）及びプローブ領域（１１４）は、楕円形反射器（１１６）の焦点にて向き決めされる、監視システム（１０）。
9. 請求項１に記載の監視システム（１０）において、センサ（１２、１００、１０２、１０４、１０６）は金属酸化物センサであり、プロセッサ（２６、３６）は、金属酸化物センサの出力値及び出力値に全体として近似する信号範囲を取得する形態とされる、監視システム（１０）。
10. 請求項９に記載の監視システム（１０）において、プロセッサ（２６、３６）は、取得した出力値及び信号範囲を履歴と比較し、また、比較によって決定されたようにセンサ（１２、１００、１０２、１０４、１０６）の作動の調節及び作動の維持の少なくとも一方を実行する形態とされる、監視システム（１０）。

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