用于使用光传感器输出信号波动来进行粒子表征的方法和系统 |
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| 申请号 | CN201080014381.9 | 申请日 | 2010-03-11 | 公开(公告)号 | CN102369425A | 公开(公告)日 | 2012-03-07 |
| 申请人 | 夏普株式会社; | 发明人 | 付永吉; 迪帕克·阿亚加里; | ||||
| 摘要 | 使用光 传感器 输出 信号 的光 波动 分量来进行粒子表征的方法和系统。光波动分量的使用使得能够在无需以多个 波长 或者多个 角 度进行测量的情况下并且使用相对少量的计算来进行粒子表征(例如，提供与粒子尺寸、类型和 置信度 有关的信息)。该方法和系统允许将实时的空气传播粒子表征合并到便携式监视器中。在一些 实施例 中，该方法和系统还通过确定粒子 密度 信息，使用 输出信号 来进一步表征粒子。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于粒子表征的系统，包括： |
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| 说明书全文 | 用于使用光传感器输出信号波动来进行粒子表征的方法和系统 技术领域背景技术[0002] 已知部分基于本地环境情况来实时监视个人呼吸健康的移动系统。例如，Ayyagari等人的美国申请号为11/999,569(US-2009-0112114A1)、题为“Method and System for Self-Monitoring of Environment-Related Respiratory Ailments”并且在2009年4月30日公开的美国申请描述了一种系统，其中，便携式手持机实时输出使用本地收集的环境和生理传感器数据以及患者背景信息产生的呼吸健康信息。 [0003] 粒子感测具有很多应用。一种应用是呼吸疾病告警。暴露于空气传播粒子(airborne particle)与诸如哮喘、支气管炎以及呼吸感染等呼吸疾病紧密关联。因此，对空气传播粒子的患者的早期检测和告警可以使得患者采取呼吸健康保护动作(例如，离开具有高粒子密度的区域)并降低呼吸病痛的发生和严重性。其他粒子感测的应用包括生物细胞识别、多尘环境中的工人保护以及海水分析。 [0004] 对患者附近出现的空气传播粒子进行实时感测和报告的便携监视器是众所周知的。这些便携式监视器常常采用连续的光散射测量，检测空气传播粒子的存在，并向佩戴监视器的患者通知有粒子存在。虽然这种便携式监视器通知空气传播粒子的存在，然而众所周知，其不通过例如提供与粒子密度、尺寸和类型有关的信息来对粒子进行表征。对空气传播粒子的表征的缺失使得患者和他或她的卫生保健提供者没有做出最优的呼吸健康保护决定所需的信息。例如，对于给定的呼吸疾病或者患者来说，可以取决于检测到的粒子的类型(例如，烟、尘、花粉等)或者检测到的粒子是大还是小来指示不同的健康保护动作。 [0005] 对空气传播粒子进行表征的高级光传感器是众所周知的。这些高级传感器常常采用多个波长和/或多个角度的光散射测量来产生大量的散射光数据。然后，将该大量的光散射数据应用于数据库，以获得与粒子尺寸和/或类型有关的适合结果。相应地，这些高级传感器要求大量的管理费用，并且典型地不适于在便携式监视器中使用。 发明内容[0006] 在基本特征中，本发明提供了使用光传感器输出信号的光波动分量来进行粒子表征的方法和系统。在本发明的方法和系统中使用光波动分量使得可以在无需以多个波长或者多个角度进行测量的情况下并且使用相对少量的计算来进行粒子表征(例如，提供与粒子尺寸、类型和置信度有关的信息)。由此，本方法和系统允许将实时的空气传播粒子表征合并到便携式监视器中。在一些实施例中，本发明还通过确定粒子密度信息，使用输出信号来进一步表征粒子。 [0007] 在本发明的一个方面，用于粒子表征的系统包括：信号处理器以及与所述信号处理器通信耦合的光传感器，其中，所述信号处理器对从所述光传感器接收到的输出信号的光波动分量进行隔离，并使用所述光波动分量来确定粒子尺寸信息。 [0009] 在一些实施例中，所述信号处理器还使用所述光波动分量来确定粒子类型信息。 [0010] 在一些实施例中，所述信号处理器还使用至少一个预先确定的简档来确定所述粒子类型信息的置信指数。 [0011] 在一些实施例中，所述信号处理器还使用所述输出信号来确定粒子密度信息。 [0012] 在一些实施例中，所述信号处理器通过对所述输出信号应用高通滤波器来隔离光波动分量。 [0013] 在一些实施例中，所述高通滤波器是30Hz高通滤波器。 [0014] 在一些实施例中，所述信号处理器确定所述光波动分量的至少一个标准偏差，并将所述标准偏差与和粒子尺寸相关的至少一个标准偏差阈值相比较，以确定所述粒子尺寸信息。 [0015] 在一些实施例中，所述信号处理器确定所述光波动分量的至少一个标准偏差，并将所述标准偏差与和粒子类型相关的至少一个标准偏差简档相比较，以确定所述粒子类型信息。 [0016] 在本发明的另一个方面，用于粒子表征的系统包括：信号处理器以及与所述信号处理器通信耦合的光传感器，其中，所述信号处理器对从所述光传感器接收到的输出信号的光波动分量进行隔离，并使用所述光波动分量来确定粒子类型信息。 [0017] 在一些实施例中，该系统还包括：与所述信号处理器通信耦合的输出接口，其中，所述信号处理器向所述输出接口发送粒子类型信息，在所述输出接口上显示所述粒子类型信息。 [0018] 在一些实施例中，所述信号处理器还使用所述光波动分量和预先确定的简档来确定所述粒子类型信息的置信指数。 [0019] 在一些实施例中，所述信号处理器确定所述光波动分量的至少一个标准偏差，并将所述标准偏差与和粒子类型相关的至少一个标准偏差简档相比较，以确定所述粒子类型信息。 [0020] 在一些实施例中，所述信号处理器通过对所述输出信号应用高通滤波器来隔离光波动分量。 [0021] 在一些实施例中，所述高通滤波器是30Hz高通滤波器。 [0022] 在本发明的又一方面，用于粒子表征的方法包括以下步骤：从光传感器接收输出信号，隔离所述输出信号的光波动分量，使用所述光波动分量来表征粒子，以及在输出接口上显示在表征步骤中确定的粒子信息。 [0023] 在一些实施例中，所述粒子信息包括粒子尺寸信息。 [0024] 在一些实施例中，所述粒子信息包括粒子类型信息。 [0025] 在一些实施例中，所述粒子信息包括与粒子类型信息相关联的置信指数。 [0026] 在一些实施例中，所述粒子信息包括粒子密度信息。 [0027] 在一些实施例中，隔离步骤包括：将高通滤波器应用于所述输出信号。 [0028] 在一些实施例中，所述高通滤波器是30Hz高通滤波器。 [0029] 在一些实施例中，所述表征步骤包括以下子步骤：确定所述光波动分量的至少一个标准偏差，并将所述标准偏差与和粒子尺寸相关的至少一个标准偏差阈值相比较。 [0030] 在一些实施例中，所述表征步骤包括以下子步骤：确定所述光波动分量的至少一个标准偏差，并将所述标准偏差与和粒子类型相关的至少一个标准偏差简档相比较。 附图说明[0032] 图1示出了用于粒子检测和表征的系统。 [0033] 图2分别示出了在烟采样情状(regime)和尘采样情状下来自光传感器的示例性输出信号。 [0034] 图3A示出了在稳定的烟浓度期间，在光散射区域中随着时间的粒子漂移。 [0035] 图3B示出了在稳定的尘浓度期间，在光散射区域中随着时间的粒子漂移。 [0036] 图4A示出了在通过向输出信号应用高通滤波器所隔离出的烟采样情状下，图2的输出信号中的光波动分量。 [0037] 图4B示出了在通过向输出信号应用高通滤波器所隔离出的尘采样情状下，图2的输出信号中的波动分量。 [0038] 图5分别示出了针对不同的时间段，图4A和4B的光波动分量的标准偏差。 [0039] 图6分别示出了针对不同时间段，烟采样情状和尘采样情状的平均(均值)密度。 [0040] 图7示出了在本发明的一些实施例中，使用从光传感器接收的输出信号的光波动分量来进行空气传播粒子表征的方法。 [0041] 图8示出了本发明的一些实施例中，在输出接口上的粒子密度输出显示。 [0042] 图9示出了本发明的一些实施例中，在输出接口上的粒子尺寸、类型和置信度显示。 具体实施方式[0043] 图1示出了在本发明的一些实施例中的空气中传播粒子检测和表征系统。例如，可以将该系统集成到患者所佩戴的便携式监视器中。该系统包括通信地耦合在光传感器100和输出接口190之间的信号处理器180。光传感器100具有向第一透镜120提供入射光的光源，例如发光二极管(LED)。第一透镜120使入射光准直以产生准直光130。光散射区域140中的粒子对准直光130进行散射，以产生指示光散射区域140中存在粒子的散射光 150。散射光150通过第二透镜160并被光检测器170所记录，光检测器170将所记录的光变换为电压。光检测器170向信号处理器180发送与该电压成比例的输出信号。在执行模数变换之后，信号处理器18隔离输出信号的光波动分量，并使用该光波动分量来表征光散射区域140内的粒子，包括产生粒子密度、尺寸、类型和置信度信息中的一个或多个。信号处理器180向输出接口190发送粒子表征信息。在一些实施例中，输出接口具有用于向系统的用户(例如，哮喘病人或者呼吸健康专家)显示信息的显示屏，例如液晶显示器(LCD)屏幕或者发光二极管(LED)显示器屏幕。在一些实施例中，将光传感器100、信号处理器180和输出接口190集中在单个设备(如，用户所佩戴的便携式环境监视器)上。在其他实施例中，传感器100、处理器180和接口190分布在经由有线和/或无线连接通信的多个设备上。此外，由元件100、180、190中具体的一个执行的此处描述的功能可以在单个设备上执行或者分布在多个设备上。 [0044] 图2分别示出了在熏香烟(200-300nm)采样情状和Arizona尘(10-20μm)采样情状下，来自光传感器100的示例性输出信号210、220。在所示出的示例中，在不同时间执行烟和尘采样，然而为了示意的目的，将所产生的烟输出信号210和尘输出信号220显示在相同的图上。在这两个采样实例期间，光传感器100和信号处理器180被部署在闭合的空气腔中，并且采样频率是100Hz。针对来自光传感器100的输出信号210(熏香烟)、220(Arizona尘)，该图以“能力倾向单位(aptitude units)”(A.U.)示出了随采样数目变化的“能力倾向(aptitude)”。能力倾向与所记录的光检测器170所产生的光强度电压成比例。 [0045] 继续参考图2，在烟采样中，以大约3300的采样数将由200至300纳米空气动力(aerodynamic)直径范围中的细微粒子所组成的熏香烟引入到光散射区域140，导致到采样情状结束时输出信号210的能力倾向的可测量的增加(大约9500的采样数)。在尘采样中，以大约4800的采样数将由10至20微米空气动力直径范围中的大粒子所组成的Arizona尘引入到光散射区域140，导致到采样情状结束时输出信号220的能力倾向的可测量的增加(大约11,000的采样数)。通过参考输出信号210、220的能力倾向，粒子存在于光散射区域140中的时间是可确定的。然而，细微的烟粒子和大的尘粒子是不容易彼此区分开的，并且只通过参考信号210、220的能力倾向，粒子表征信息(例如粒子尺寸和类型)不是可确定的。相应地，在本发明的一个重要特征中，对信号210、220中每个的光波动分量进行隔离，以使得可以区分细微的烟粒子和大的尘粒子并且确定粒子表征信息。 [0046] 通过参考图3A和3B，示出了光波动的原理。图3A和图3B分别示出了在稳定的烟浓度和稳定的尘浓度时段期间，在光散射区域140中的粒子漂移。首先参考图3A，在稳定的烟浓度时段期间，在第一时间和第二时间之间，细微烟粒子在光散射区域140内或周围的漂移导致粒子密度的较小改变以及散射光的较小波动，光检测器170将对此进行记录。接下来参考图3B，在稳定的尘浓度时段期间，在第一时间和第二时间之间，大的烟粒子在光散射区域140内或周围的漂移导致粒子密度类似的较小改变；然而，由于尘粒子尺寸较大，该漂移导致散射光相对较大的波动，光检测器170将对此进行记录。从而，将高通滤波器应用于输出信号210、220，以过滤信号210、220的改变缓慢的密度分量，并隔离信号210、220的光波动分量，使得细微的烟粒子和大的尘粒子被区分开，并且确定粒子表征信息。 [0047] 图4A和4B分别示出了通过向输出信号210、220分别应用高通滤波器，从输出信号210、220中提取的光波动分量410、420。在所示出的示例中，高通滤波器是信号处理器180所应用的30Hz高通滤波器。首先参考图4A，将高通滤波器应用于与细微的烟粒子相关联的输出信号210展现了稳定的光波动分量410，反映出：由于细微的烟粒子在光散射区域 140中的漂移，散射光相对较小的波动。接下来参考图4B，将高通滤波器应用到与大的尘粒子相关联的输出信号220展现了不稳定的光波动分量420，反映出：由于大的尘粒子在光散射区域140中的漂移，散射光相对较大的波动。高通滤波器的应用使得可以通过下面更加详细地描述的方式将细微的烟粒子和大的尘粒子区分开来，并确定粒子表征信息。 [0048] 首先，针对每个采样情状，对每个时间段计算光波动分量的标准偏差。图5提供了示出针对光波动分量410、420的时间段分别计算的标准偏差510、520的图。每个时间段表示1秒的采样，以使得每个数据点表示100个连续采样的标准偏差。 [0049] 接下来，针对每个采样情状，将所计算的标准偏差与和粒子尺寸相关联的至少一个所配置的标准偏差阈值相比较，以将在每个时间段中检测到的粒子分类至尺寸类别(例如，小、中、大)。在图5中，以能力倾向单位来绘制标准偏差。严格地，以示例的方式，大于20能力倾向单位的标准偏差可以指示在时间段中检测到的粒子是大的，标准偏差在20和 15能力倾向单位之间可以指示在时间段中检测到的粒子是中等的，标准偏差在15和10能力倾向单位之间可以指示在时间段中检测到的粒子是小(细微)的，小于10能力倾向单位的标准偏差可以指示不确定的粒子尺寸。将这些标准偏差阈值应用于图5中所绘制的标准偏差数据点，标准偏差510所表示的烟粒子通常被分类为“小”，标准偏差520所表示的烟粒子通常被分类为“大”。 [0050] 接下来，针对每个采样情状，将一个或多个所计算的标准偏差与和粒子类型相关联的至少一个预先确定的标准偏差简档相比较，以识别在采样情状中检测到的粒子的类型以及类型识别的置信指数。将一个或多个标准偏差510与标准偏差简档(以及可能地，针对其他粒子类型(如，花粉、孢子、煤烟、浮质等)的其他公认的标准偏差简档)相比较，以将标准偏差510所表示的在采样情状中检测到的粒子识别为熏香烟粒子。类似地，针对一个或多个标准偏差520执行简档比较，将标准偏差520所表示的在采样情状中检测到的粒子识别为Arizona尘粒子。取决于实现，简档比较可以将即时标准偏差或平均标准偏差与公认的标准偏差简档相比较。针对给定粒子类型的公认的标准偏差简档由涉及粒子类型的经验性试验确定，并且可以是单值的或者可以包括值的范围。分别基于标准偏差510、520与匹配的标准偏差简档之间的匹配质量，产生置信指数。例如，置信指数可以是在1和5之间的值。 [0051] 图6是示出了分别针对不同时间段，针对烟采样情状和尘采样情状计算的平均(均值)密度值610、620。每个时间段表示1秒的采样，以使得每个数据点表示100个连续采样的平均密度。 [0052] 图7示出了在本发明的一些实施例中，使用从光传感器接收到的输出信号的光波动分量来进行空气传播粒子表征的方法。信号处理器180从光传感器100接收输出信号(710)，并向输出信号应用高通滤波器以隔离输出信号的光波动分量(720)。信号处理器180计算光波动分量的针对每个时间段的标准偏差(730)。信号处理器180将每个时间段的标准偏差与针对不同粒子尺寸(例如，小、中、大)的标准偏差阈值相比较，以将在每个时间段中检测到的粒子分类为特定粒子尺寸类别(740)。信号处理器180还将一个或多个时间段的标准偏差与针对不同粒子类型(例如，烟、尘、花粉、孢子、煤烟、浮质)的公认的标准偏差简档相比较，以识别检测到的粒子的类型和相关的置信指数(750)。信号处理器180还由输出信号计算在每个时间段中检测到的粒子的平均密度(760)。信号处理器180向输出接口180发送粒子密度、尺寸、类型和置信度信息，在输出接口180上向粒子表征系统的用户显示粒子表征信息(770)。 [0053] 图8示出了在本发明的一些实施例中，在输出接口190上的粒子密度输出显示800。显示800以柱状图格式根据时间示出了粒子密度。柱状图的柱形向粒子表征系统的用户告知：在最近的时间范围中，不同时间的粒子密度是高、中还是低。在一些实施例中，对柱形进行颜色编码(例如，高＝红，中＝黄，低＝绿)，以通过用户友好的方式传达粒子密度信息。此外，显示800可以伴随以可听到或者可触知的信息。例如，在高粒子密度时，输出接口190可以发出告警或者振动。 [0054] 图9示出了在本发明的一些实施例中，在输出接口190上的粒子大小、类型和置信度显示900。显示900以线图格式根据时间示出了粒子尺寸信息。线的垂直高度向粒子表征系统的用户告知：在最近的时间范围中，不同时间的粒子大小是大、中还是小(细微)，或者是不确定的。例如，当所计算的波动分量的标准偏差接近零时，在饱和时段期间，粒子大小可以是不确定的。关于所识别的粒子类型的正确性，显示900还以文本格式示出了最近时间的粒子类型以及置信指数。例如，置信指数可以是在1和5之间的数。此外，显示900可以伴随以可听到或者可触知的信息。例如，在检测到已知患者对其过敏的粒子尺寸或者粒子类型时，输出接口190可以发出告警或者振动。 [0056] 本领域普通技术人员将意识到，在不背离本发明的精神和本质特征的情况下，可以通过其他特定的形式来实施本发明。因此，本描述在各个方面被视为示意性的而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求指示，并且旨在将其等效物的含义和范围中所伴有的所有改变包括在其中。 |
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