利用远UV-C照射的防护呼吸器

申请号 CN202180083616.8 申请日 2021-12-13 公开(公告)号 CN117042644A 公开(公告)日 2023-11-10
申请人 XCMR股份有限公司; 发明人 R·A·沙朗斯基; K·凯利;
摘要 防护呼吸器,通过发射远UV‑C 辐射 (例如,具有以222纳米为中心的 波长 )来灭活用户嘴部和鼻子前面的杀灭区中的病原体。在一些实施方案中, 控制器 使用数学模型来确定所需的强度或发射时间以提供杀死 微 生物 (例如,SARS‑CoV‑2等病毒)的 阈值 概率。所需的强度或时间可以基于大气条件和/或用户的生理条件来确定。远UV‑C辐射可以在不与用户的 皮肤 或眼睛相交的通过杀灭区的方向上发射(例如,远离用户或穿过用户面部的 正面 )。备选地,控制器可以估计远UV‑C辐射随时间推移在用户的皮肤或眼睛处的注量并且调整发射的远UV‑C辐射。
权利要求

1.防护呼吸器,利用紫外线(UV)照射使用户嘴部和鼻子前面的杀灭区中的病原体失活,所述防护呼吸器包括:
电源;
一个或多个远UV‑C辐射源,所述一个或多个远UV‑C辐射源发射远UV‑C辐射通过所述杀灭区;以及
控制器,所述控制器使用数学模型来确定所述远UV‑C辐射的所需强度或发射所述远UV‑C辐射所需的时间,以提供杀死行进穿过杀灭区的生物阈值概率。
2.如权利要求1所述的防护呼吸器,其中,所述远UV‑C辐射具有以222纳米(nm)为中心的波长
3.如权利要求1所述的防护呼吸器,其中,所述微生物是病毒。
4.如权利要求1所述的防护呼吸器,其中,所述数学模型是通过使用计算流体学将模拟环境中的速度场、由所述一个或多个远UV‑C辐射源发射的所述远UV‑C辐射的注量以及使用实验室实验确定的所述微生物的失活反应的内在动力学相结合而开发的。
5.如权利要求1所述的防护呼吸器,其中:
所述所需强度或时间是基于一种或多种大气条件确定的;
所述控制器接收指示所述一种或多种大气条件的数据。
6.如权利要求5所述的防护呼吸器,其中,指示所述一种或多种大气条件的数据是从服务器、个人电子装置或定位信标接收的。
7.如权利要求5所述的防护呼吸器,其中,指示所述一种或多种大气条件的数据由一个或多个大气传感器确定。
8.如权利要求1所述的防护呼吸器,其中:
所述所需强度或时间是基于指示所述用户的一种或多种生理条件的数据来确定的;以及
所述控制器接收指示所述用户的所述一种或多种生理条件的数据。
9.如权利要求8所述的防护呼吸器,其中,指示所述一种或多种生理条件的数据是从个人电子装置或健身追踪器接收的。
10.如权利要求9所述的防护呼吸器,其中,指示所述一种或多种生理条件的数据由惯性测量单元、地理定位模或一个或多个生理传感器确定。
11.如权利要求1所述的防护呼吸器,其中,所述一个或多个远UV‑C辐射源发射所述远UV‑C辐射远离所述用户。
12.如权利要求1所述的防护呼吸器,其中,所述一个或多个远UV‑C辐射源沿不与所述用户的皮肤或眼睛相交的方向发射所述远UV‑C辐射穿过所述杀灭区。
13.如权利要求1所述的防护呼吸器,其中,所述控制器:
估计所述远UV‑C辐射随时间推移在所述用户的皮肤或眼睛处的注量;以及响应于该确定来调整由所述一个或多个远UV‑C辐射源发射的所述远UV‑C辐射。
14.如权利要求1所述的防护呼吸器,其中,所述控制器:
监测随时间推移的所述电源的充电平;以及
响应于该确定来调整由所述一个或多个远UV‑C辐射源发射的所述远UV‑C辐射。
15.利用紫外线(UV)照射使用户嘴部和鼻子前面的杀灭区中的病原体失活的方法,该方法包括:
使用数学模型来确定远UV‑C辐射的所需强度或发射所述远UV‑C辐射所需的时间,以提供杀死行进穿过所述杀灭区的微生物的阈值概率;以及
通过一个或多个远UV‑C辐射源发射远UV‑C辐射通过所述杀灭区。
16.如权利要求14所述的方法,还包括:
接收指示所述一种或多种大气条件的数据,
其中所述所需强度或时间是基于指示所述一种或多种大气条件的数据确定的。
17.如权利要求16所述的方法,其中,指示所述一种或多种大气条件的数据由一个或多个大气传感器确定。
18.如权利要求15所述的方法,还包括:
接收指示所述用户的所述一种或多种生理条件的数据,其中所述所需强度或时间是基于所述用户的一种或多种生理条件确定的。
19.如权利要求18所述的方法,其中,指示所述一种或多种生理条件的数据是从个人电子装置或健身追踪器接收的。
20.如权利要求19所述的方法,其中,指示所述一种或多种生理条件的数据由惯性测量单元、地理定位模块或一个或多个生理传感器确定。

说明书全文

利用远UV‑C照射的防护呼吸器

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2020年12月11日提交的美国临时专利申请第63/124,437号以及于2021年12月13日提交的美国临时专利申请第63/265,336号的优先权,所述申请通过引用并入本文。
[0003] 联邦资助
[0004] 无

背景技术

[0005] 在过去十年中,流感、寨卡病毒(Zika)和冠状病毒的自然大流行在全球范围内造成了经济破坏以及发病率和死亡率。基于过去十年所证明的人畜共患疾病爆发(例如H1N1、SARS、MERS、寨卡病毒、埃博拉病毒(Ebola)、尔堡病毒(Marburg))以及弱势群体、每年新的弱势出生队列和经历免疫衰老的老年人的规模持续增加,自然大流行病可能会再次发生。COVID‑19说明了生物威胁的严重性,尤其是对美国而言,因为它的准备和应对手段不足。
[0006] 根据定义,新的生物威胁没有经过验证的疫苗或药物,仅需要依赖公共卫生措施,如个人卫生、物理隔离、表面和空气净化,以及佩戴个人防护装备(PPE),如口罩、手套和护目镜。在COVID‑19大流行期间,一次性PPE、洗手液和空气过滤器的储存和供应被证明极具挑战性。然而,PPE(从高过滤N‑95和KN‑95口罩到自制布口罩,质量各异)的使用急剧增加可能导致2020‑2021年以及2021‑2022初始季节的季节性流感发病率和流行率显著下降。
[0007] 高效的PPE,例如N95型口罩,通常是短期佩戴的一次性物品。同时,N95型口罩经常因佩戴不舒适、贴合度差而使用率低下。此外,当扩展以满足全球需求时,一次性物品是昂贵的解决方案。因此,需要有效、可重复使用、可扩展的PPE来应对呼吸道病原体,例如流感、冠状病毒、呼吸道合胞病毒(RSV)、人偏病毒(HMPV)等。这些呼吸道病毒是传染性呼吸道疾病致病和死亡的主要原因。
[0008] 波长在约200纳米(nm)和320nm之间的紫外线(UV)辐射对关键生物分子如脱核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)造成光化学损伤。因此,200‑320nm范围内的UV辐射有时被称为“杀菌UV”,可用于对表面和大量空气进行消毒。波长小于约240nm的UV辐射也会破坏蛋白质,这也会导致微生物和病毒失活。然而,长时间暴露于部分UV光谱的辐射会对人体皮肤和眼睛造成伤害。因此,为了利用杀菌UV照射的消毒特性,需要保护人体组织免于长时间暴露于具有在辐射可能损害人体组织的光谱部分中的波长的辐射。发明内容
[0009] 防护呼吸器,通过用户嘴部和鼻子前面的杀灭区发射远UV‑C辐射(例如,波长集中在222纳米左右),来为用户提供“近场”保护。在实施方案中,防护呼吸器包括电源、发射远UV‑C辐射的一个或多个远UV‑C辐射源,以及使用数学模型来确定所需的远UV‑C辐射强度或发射远UV‑C辐射所需的时间,以提供杀死行进穿过杀灭区的微生物(例如SARS‑CoV‑2等病毒)的阈值概率。该数学模型是通过使用计算流体学结合模拟环境中的速度场、远UV‑C辐射源发出的远UV‑C辐射的注量以及使用实验室实验鉴定的微生物灭活响应的内在动力学而开发的。
[0010] 因为所需的强度或时间可能取决于大气条件,所以在一些实施方案中,控制器接收指示一种或多种大气条件的数据。在一些实施方案中,数据由一个或多个大气传感器确定。在一些实施方案中,数据是从服务器、个人电子装置或定位信标接收的。
[0011] 因为那些大气条件可能取决于用户的一种或多种生理条件,所以在一些实施方案中,控制器接收指示用户的一种或多种生理条件的数据。在一些实施方案中,数据由惯性测量单元、地理定位模或一个或多个生理传感器确定。在一些实施方案中,数据是从个人电子装置或健身追踪器接收的。
[0012] 在一些实施方案中,远UV‑C辐射源发射远UV‑C辐射远离用户。在一些实施方案中,远UV‑C辐射源在不与用户的皮肤或眼睛相交的方向上发射远UV‑C辐射通过杀灭区。在其他实施方案中,控制器估计远UV‑C辐射随时间推移在用户皮肤或眼睛处的注量,并响应于该确定来调整由一个或多个远UV‑C辐射源发射的远UV‑C辐射。
[0013] 在一些实施方案中,控制器随时间的推移监测电源的充电平,响应于该确定来调整由一个或多个远UV‑C辐射源发射的远UV‑C辐射。附图说明
[0014] 参考附图可以更好地理解示例性实施方案的各方面。附图中的组件不一定按比例绘制,而是将重点放在说明示例性实施方案的原理上。
[0015] 图1A是紫外线(UV)穿透人体皮肤的示意图;
[0016] 图IB是紫外线穿透人眼的示意图;
[0017] 图2A是UV辐射的相对光谱有效性作为波长的函数的曲线图;
[0018] 图2B是作为波长的函数的阈限值的曲线图;
[0019] 图3是根据示例性实施方案的防护呼吸器的框图
[0020] 图4A和图4B是根据示例性实施方案的远UV‑C辐射源的示图;
[0021] 图4C是两个示例性远UV‑C辐射源的归一化输出的曲线图;
[0022] 图5A示出了根据可佩戴实施方案的防护呼吸器;
[0023] 图5B示出了根据另一可穿戴实施方案的防护呼吸器;
[0024] 图5C示出了根据另一可佩戴实施方案的防护呼吸器;
[0025] 图5D示出了根据另一可穿戴实施方案的防护呼吸器;
[0026] 图5E示出了根据另一可佩戴实施方案的防护呼吸器;
[0027] 图5F示出了根据另一可穿戴实施方案的防护呼吸器;
[0028] 图5G示出了根据另一可穿戴实施方案的防护呼吸器;
[0029] 图6A和图6B示出了根据示例性实施方案的杀灭区;
[0030] 图6C示出了根据另一示例性实施方案的杀灭区;
[0031] 图6D示出了根据另一示例性实施方案的杀灭区;
[0032] 图7A示出了示例性实验室实验;
[0033] 图7B示出了在图7A的实验期间失活响应的计算机模拟;
[0034] 图8A、图8B和图8C示出了根据示例性实施方案的使用计算流体动力学的模拟;
[0035] 图9是根据示例性实施方案的网络环境的示图;
[0036] 图10是说明根据示例性实施方案灭活微生物(例如,微小动植物和/或病毒颗粒,例如细菌、孢子、病毒、原生动物和/或真菌)的过程的流程图
[0037] 图11示出了根据便携式实施方案的防护呼吸器;以及
[0038] 图12示出了根据固定实施方案的防护呼吸器。

具体实施方式

[0039] 现在参考图示示例性实施方案的各种视图的附图。在本文的附图和附图描述中,某些术语仅为方便起见而使用,不应被视为限制本发明的实施方案。此外,在下面的附图和描述中,相同的标号自始至终指示相同的元件。
[0040] 虽然一些紫外线(UV)辐射会对人体组织造成损害,但最近的研究表明,波长在约200纳米(nm)到230nm之间的UV辐射(非正式地称为“远UV‑C”辐射)会导致对重要的哺乳动物组织(包括皮肤和眼睛)的最小损害。
[0041] 图1A是UV穿透人体皮肤170的示意图,人体皮肤170包括质层(死层)171、透明层173、颗粒层(粒层)175、棘层(棘状层)177、基底层(基层)178以及真皮179。如图1A所示,来自254nm源154的辐射可以穿透角质层171、透明层173和颗粒层175,直到它被棘层177吸收。
然而,相比之下,来自222nm源400的辐射是几乎完全被角质层吸收,即人体皮肤170中死细胞的外层。
[0042] 图1B是UV穿透人眼190的示意图,人眼190包括虹膜192、房水194、晶状体196和角膜198。如图1B所示,222nm辐射不会穿透角膜198外表面的死细胞层。由于远UV‑C辐射仅被人体皮肤和眼睛内的死细胞吸收,因此它对这些组织造成的损害很小或没有损害。最近涉及哺乳动物模型(无毛小鼠)和人体组织的实验支持这些结论。
[0043] 为了保护人类,包括美国政府工业卫生学家会议(ACGIH)和国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)在内的组织建立了阈限值(TLV),这是对一个人可以接触到而不会对健康产生不利影响的每种有害物质或事物的推荐暴露限值。最近证明远UV‑C辐射安全性的研究促使人们重新评估远UV‑C辐射的暴露限值。
[0044] 图2A是UV辐射的相对光谱有效性作为波长的函数(在水平轴上)的曲线图。如图2A所示,UV照射对人体组织造成损害的可能性在约270nm处达到峰值。在更长的波长下,辐射的能量不足以造成损害。在较短的波长下,它无法穿透产生新细胞的萌发层。然后使用这些光谱有效性值来确定每日(8小时)暴露限值(劳动者典型工作日的暴露限值)。
[0045] 图2B是以每平方厘米毫焦(mJ/cm2)为单位的阈限值作为波长的函数的曲线图。线201是ACGIH和ICNIRP提供的当前指南。鉴于最近的研究结果,线202和线203是针对人体皮肤(线203)和眼睛(线202)的暴露的阈限值(TLV)的更新指南。对8小时暴露限值的这些拟
2 2
议变更代表眼睛的允许暴露量增加7倍(从23mJ/cm 到161mJ/cm),皮肤的允许暴露量增加
2 2
20倍以上(从23mJ/cm至479mJ/cm)。
[0046] 如上所述,已证明暴露于远UV‑C辐射对人体组织比之前假设的要安全得多。同时,远UV‑C照射对消毒仍然有效。事实上,由于呼吸道病毒(包括SARS‑CoV‑2、HuCoV‑229E和甲型流感)是对远UV‑C辐射最敏感的病原体之一,灭活呼吸道病毒需要非常低剂量的远UV‑C辐射。由于ACGIH最近提出的暴露限值远远超过消毒应用中可能需要的远UV‑C辐射剂量,因此远UV‑C照射可以安全地用于灭活空气中、气溶胶中、表面上或水中的病原体。因此,公开了防护呼吸器和装置,它们利用远UV‑C照射的安全性和有效性来为个人和个人群体提供有效、可重复使用和可扩展的个人保护。
[0047] 图3是根据示例性实施方案的防护呼吸器300的框图。如图3所示,防护呼吸器300包括一个或多个远UV‑C辐射源400、控制器310和供电装置390。在一些实施方案中,防护呼吸器300还可以包括接近传感器320、通信模块320、大气传感器340、惯性测量单元350、地理定位模块360、麦克370和/或生理传感器380。
[0048] 远UV‑C辐射源400可以包括波长在约200nm到约230nm之间的任何UV辐射源。如下参考图4所述,远UV‑C辐射源400可以是光学过滤的氯化氪(KrCl*)准分子灯,其输出具有以222nm为中心的波长的远UV‑C辐射。
[0049] 控制器310可以是能够执行本文描述的功能的任何合适的计算装置。在图3的实施方案中,控制器310包括非暂时性计算机可读存储介质(存储器318)和硬件计算机处理器314。在其他实施方案中,控制器310可以是例如有限状态机。
[0050] 通信模块320可以是使防护呼吸器300能够直接和/或通过网络与其他电子装置通信的任何硬件装置。例如,通信模块320可以为呼吸器300提供使用直接、短程无线通信(例如,蓝牙)与其他呼吸器300和/或个人电子装置(例如,智能手机、活动监视器、健身追踪器等)通信的功能。
[0051] 距离传感器330可以是任何装置,该装置被适当地配置成在没有任何物理接触的情况下检测附近物体的存在并感测指示防护呼吸器300和附近物体之间的距离的数据。
[0052] 大气传感器340可包括用于收集指示防护呼吸器300周围大气的数据的任何电子装置。大气传感器340可包括温度传感器322、相对湿度传感器324、气压计326和/或风速传感器328。
[0053] 惯性测量单元350可以包括测量和报告防护呼吸器300的运动和/或方位的任何硬件装置。惯性测量单元350可以包括加速度计352、陀螺仪354和/或磁力计356。
[0054] 地理定位模块360可以包括使用例如卫星导航、网络识别、与定位信标的通信等来确定或估计防护呼吸器300的地理位置的任何硬件装置。
[0055] 麦克风370可以是感测可听噪声的任何硬件装置。供电装置390可以是向防护呼吸器300提供电力的任何硬件装置。在下文描述的可穿戴实施方案中,供电装置390可以是可充电电池。在其他实施方案中,供电装置390可以是到外部电源的有线连接。
[0056] 生理传感器380可以包括感测指示佩戴防护呼吸器300的用户的生理条件的数据的任何硬件装置。生理传感器380可以包括:光体积描记图(PPG)传感器382,其使用光源和位于皮肤表面的光电探测器,用于测量血液循环的体积变化,和/或皮肤电反应(GSR)传感器384,其检测由汗腺活动的变化引起的电(离子)活动的变化。来自PPG传感器382的数据可用于例如估计用户呼吸的频率、强度和幅度。
[0057] 防护呼吸器300的运动可能影响生理传感器380、大气传感器340等捕获的数据。因此,在一些实施方案中,控制器310可确定防护呼吸器300的运动并使用数字信号处理算法(例如存储在存储器318中)以从传感器接收到的受运动影响的数据中去除运动伪影。
[0058] 图4A和图4B是根据示例性实施方案的远UV‑C辐射源400的示意图。
[0059] 在图4A和图4B的实施方案中,远UV‑C辐射源400包括多个微腔440,每个微腔440存储低温等离子体。远UV‑C辐射源400还包括电连接到供电装置390的多个阳极420和阴极430。响应于阳极420和阴极430提供的功率,微腔440中的等离子体产生准分子460,准分子
460发射远UV‑C辐射450。在图4A和图4B中的实施方案中,准分子460是氯化氪。
[0060] 图4C是跨越UV光谱的两个示例性远UV‑C辐射源400的归一化输出(在对数标度上)的曲线图490。线491表示第一示例性远UV‑C辐射源400(未过滤)的归一化输出,线492表示第二示例性远UV‑C辐射源400(未过滤)的归一化输出。如图4C所示,氪氯化物(KrCl*)准分子灯具有以222nm为中心的占优的主峰,因此非常适合雾化病毒的灭活,如下所述。
[0061] 氪氯化物准分子灯还具有约258nm的次级峰。因为具有次级峰波长的辐射有可能对人体组织造成损害,所以图4A和图4B的远UV‑C辐射源400还包括滤光器480以衰减远UV‑C光谱之外的透射。在曲线图490中,线495表示具有滤光器480的第一示例性远UV‑C辐射源400的光学过滤输出,而线492表示具有滤光器480的第二示例性远UV‑C辐射源400远UV‑C辐射源400的归一化输出。如曲线图490中所示,当应用滤光器480时,它可以将潜在有害的次级峰降低大约100倍。
[0062] 这些示例性远UV‑C辐射源400被称为微腔等离子体(或简称为微等离子体),其特征在于在高达和超过一个大气压的压力下连续运行、低气体温度和纳升范围内的等离子体体积。腔体对等离子体的限制导致产生稳定、扩散和均匀的辉光放电,其电子温度为几个1 16 3
eV,电子密度为103‑10 立方厘米(cm)。这些值对于连续波(CW)、高压辉光来说是前所未有的,非常适合气相中光学发射器的有效激发。由于限制在微腔结构440中的等离子体的独特特性,图4A和图4B的示例性远UV‑C辐射源4004是轻薄的U辐射源,可在很长的使用寿命内提供即时照明和消光。
[0063] 不平衡光子通量(剂量)可能导致空间或时间段内的杀死率不一致。传统的UV灯具有圆柱形几何形状,因此不利于在没有特定固定装置的情况下对大面积进行均匀处理。相比之下,图4A和图4B的示例性远UV‑C辐射源400以平坦形状因素有效利用远UV‑C光子,在大面积表面或空间上提供均匀分布的辐射光子,以有效杀死目标空间中的微生物和病毒(空气、气溶胶、颗粒、液滴、表面、水等)。
[0064] 如上文参考图4A和图4B所描述的,在一些实施方案中,远UV‑C辐射源400可以是微等离子体氯化氪准分子灯。然而,在其他实施方案中,防护呼吸器300可以包括其他远UV‑C辐射源400,包括准分子激光器、发光二极管(LED)、激光二极管等。
[0065] 图5A至图5G示出根据各种可穿戴实施方案的防护呼吸器300。在图5A的实施方案中,防护呼吸器300a被实现为使得远UV‑C辐射源400结合在吊坠500a中,吊坠500a可以戴在用户的脖子上以通过用户的鼻子和嘴部前面的体积发射远UV‑C辐射450,有效地覆盖了个体的呼吸量。
[0066] 在图5B至图5D的实施方案中,防护呼吸器300b至300d被实现为头饰500b、500c和500d,每个都包括在用户面部前方延伸的吊杆510。在那些实施方案中,远UV‑C辐射源400可以结合在吊杆510中以发射远UV‑C辐射450穿过用户鼻子和嘴部前面的区域。在那些实施方案中的一些实施方案中,远UV‑C辐射源400可以向用户的面部发射远UV‑C辐射450。在图5E中,防护呼吸器300e被实现为具有帽檐520的帽子500d。在那些实施方案中,远UV‑C辐射源
400可以附接到帽檐520的底部以发射远UV‑C辐射450穿过用户鼻子和嘴部前面的区域。在图5F中,防护呼吸器300f实现为头盔500f,其中远UV‑C辐射源400从前面伸出以发射远UV‑C辐射450穿过用户鼻子和嘴部前面的区域。在图5G的实施方案中,防护呼吸器300g被实现为使得远UV‑C辐射源400结合在眼镜500g中。
[0067] 在可穿戴实施方案中,防护呼吸器300发射远UV‑C辐射450通过用户鼻子和嘴部前面的杀灭区600。图6A至图6D示出了根据各种示例性实施方案的杀灭区600。
[0068] 在一些可穿戴实施方案中,例如吊坠500a和眼镜500g,防护呼吸器300配置成使得远UV‑C辐射源400发射远离用户皮肤和眼睛的远UV‑C辐射450。如图6A和图6B中所示,杀灭区600a是包括在用户的嘴部和鼻子前面的平面(例如测量为大约10cm×10cm)的空气体积。在图6C的实施方案中,杀灭区600b包括圆锥形的空气体积,其顶点位于用户嘴部的前面。
[0069] 在其他实施方案中,防护呼吸器300可以配置成使得一些远UV‑C辐射被用户的皮肤或眼睛吸收。在图6D的实施方案中,杀灭区600d是包括用户的嘴部、鼻子以及在一些实施方案中包括用户的眼睛的体积。
[0070] 如上所述,防护呼吸器300配置成通过发射远UV‑C辐射450灭活微生物(包括微小动植物和/或病毒颗粒,例如细菌、孢子、病毒、原生动物和/或真菌)。在一些实施方案中,防护呼吸器300配置成提供杀死行进穿过杀灭区600的特定微生物的阈值概率(例如,90%、99%、99.9%等)。在照射期间杀死特定微生物的概率p(或被杀死的那些微生物的比例)取决于远UV‑C辐射450的注量D和特定微生物的敏感性常数k:
[0071] p=1‑e‑D*k
[0072] 同时,远UV‑C辐射450的注量D取决于远UV‑C辐射450沿该微生物路径的强度I和微生物暴露于该远UV‑C辐射450的时间t:
[0073] D=∫I(t)·dt
[0074] 简要地回顾参考图5A,在远UV‑C辐射源400是点源的实施方案中,远UV‑C辐射450的强度I随着距远UV‑C源400的距离的平方反比而下降。同时,微生物暴露的时间t取决于微生物的速度和通过远UV‑C辐射450的距离d。粒子通过远UV‑C辐射450的路径越长,吸收的辐射或注量越大,粒子内微生物的杀灭率越高。通过较长相对距离(例如,图5A中的距离d3)的粒子比通过较短相对距离(例如,图5A中的距离d1)的粒子暴露于远UV‑C辐射450的时间更长,这可能导致接收到的更高水平的注量D的接受。
[0075] 返回参考图3,在一些实施方案中,控制器310确定发射远UV‑C辐射450以实现杀死所选微生物(例如SARS‑CoV‑2病毒)的预定概率p(例如90%、99%等)所需的强度I。在其他实施方案中,由UV‑C辐射源400发射的UV‑C辐射450的强度I可以是恒定的。在那些实施方案中的一些实施方案中,控制器310可以确定发射远UV‑C辐射450以实现杀死所选微生物的预定概率p所需的时间t。
[0076] 除了距远UV‑C辐射源400的距离和微生物穿过远UV‑C辐射450的距离d之外,实现杀死特定微生物的概率p所需的强度I和/或时间t取决于微生物的速度,微生物的速度取决于杀灭区600中的气溶胶颗粒尺寸分布和大气条件(湿度、风速或局部通风)。因此,在一些实施方案中,防护呼吸器300收集指示杀灭区600的大气条件的数据。
[0077] 在一些实施方案中,例如,防护呼吸器300可以接收指示杀灭区600中的空气温度的数据(例如,来自温度传感器322)、杀灭区600中的相对湿度(例如,来自相对湿度传感器324)、杀灭区600中的绝对大气压力和/或大气压力的变化(例如,使用来自气压计326的大气压力读数)、和/或杀灭区600中的风速或通风(例如,使用来自风速传感器328的数据)。
[0078] 在可穿戴实施方案中,杀灭区600包括用户鼻子和嘴部前面的区域。因此,在那些可穿戴实施方案中,杀灭区600中的大气条件可能高度依赖于用户的行为(例如,用户呼吸的频率、强度和幅度)。因此,在一些实施方案中,防护呼吸器300可以收集指示用户生理条件的数据。在一些实施方案中,例如,防护呼吸器300可以接收指示用户活动水平的数据(例如,来自地理定位模块360和/或惯性测量单元350)。在那些实施方案中,控制器210可以存储指示用户生理条件的信息(例如,性别、体重、身高、吸烟状况、肺部健康等)。用户的活动水平和用户的生理条件共同与用户呼吸的频率、强度和幅度高度相关。
[0079] 在其他实施方案中,防护呼吸器300可以接收指示用户生理条件的数据(例如,来自PPG传感器382的指示血液循环体积变化的数据、来自GSR传感器384的指示皮肤电反应的数据,等等),它们也与用户呼吸的频率、强度和幅度高度相关。
[0080] 在其他实施方案中,防护呼吸器300可以接收声音数据(例如,来自麦克风370)并执行数学模型(存储在例如存储器318中)以隔离指示用户呼吸的声音。
[0081] 在一些可穿戴实施方案中,防护呼吸器300可以佩戴在用户身体上特别适合收集指示呼吸的数据的位置。在远UV‑C辐射源400结合在例如图5A的吊坠500a中的实施方案中,防护呼吸器300b‑300d可包括惯性测量单元350,惯性测量单元350收集指示用户胸部运动的数据,该数据与用户呼吸的频率、强度和幅度高度相关。在远UV‑C辐射源400结合在图5B的头饰500b或图5C或图5D的头戴式耳机500c或500d中的实施方案中,防护呼吸器300b‑300d可包括在用户太阳穴上的PPG传感器382以测量指示血液循环体积变化的数据。
[0082] 为了确定远UV‑C辐射450达到杀死所选微生物的预定概率p所需的强度I(和/或发射远UV‑C辐射450所需的时间量t),控制器310使用基于实验室实验和计算流体动力学开发的数学模型(存储在例如存储器318中)。
[0083] 图7A示出了测量雾化病毒的灭活响应的内在动力学的示例性实验室实验700。
[0084] 在示例性实验室实验700中,使用雾化器710将经雾化病毒引入石英通道750。石英通道750包括发射远UV‑C辐射450的多个远UV‑C辐射源400。经雾化的病毒在通过石英通道750时,暴露于远UV‑C辐射450。使用生物气溶胶采样器790在石英通道750的输出处收集样本。然后分析这些样本以确定暴露于远UV‑C辐射450的经雾化的病毒的灭活反应。
[0085] 为了确定已知病毒的灭活反应,使用那些病原体的生物替代物进行实验室实验。例如,使用能够感染细菌但不能影响人体组织的噬菌体进行实验。例如,为了确定冠状病毒的灭活反应,选择了对紫外线辐射的反应与那些冠状病毒相似的噬菌体。例如,T1和T1UV噬菌体、Φ6噬菌体、Qβ噬菌体和小鼠肝炎病毒(MHV)都具有相似的对数线性(一阶)行为,并且对冠状病毒都略显保守。
[0086] 在使用那些实验室实验测量了已知病原体的灭活反应的内在动力学之后,那些已知病原体的灭活反应然后通过使用计算流体动力学的计算机模型来模拟。
[0087] 图7B示出了实验700期间失活反应的计算机模拟。热图740是通过石英通道750的速度矢量场图。图像760是远UV‑C辐射源400之一的注量率等值线图。将该速度场和远UV‑C辐射源400的注量率与特定病原体的灭活动力学相结合,使系统能够开发出预测特定病原体灭活反应的数学模型,如当它通过通道750时,如图像780所示。
[0088] 图8A至图8C进一步说明了使用计算流体动力学的模拟,其通知由防护呼吸器300的控制器310执行的模型以确定远UV‑C辐射450实现杀死所选微生物的预定概率p所需的强度I(和/或发射远UV‑C辐射450所需的时间量t)。
[0089] 图8A是房间中气流810的模拟,该房间包括佩戴防护呼吸器300的用户820和向用户820散发病毒(例如,通过咳嗽或呼吸)的人860(未示出)。图8B示出了由用户820佩戴的防护呼吸器300的远UV‑C辐射源400发射的远UV‑C辐射450的模拟注量率的热图840。使用计算流体动力学,系统结合了用户820(图8A所示)的环境中的速度场、防护呼吸器300(图8B所示)的远UV‑C辐射源400发射的远UV‑C辐射450的注量率和特定病原体灭活的固有动力学(使用实验室实验确定,例如图7A中所示)以开发特定病原体通过防护呼吸器300的杀灭区600的灭活反应的数学模型。图8C是图8A和8B中防护呼吸器300的用户820周围的预测的失活反应的热图,预测的失活反应是通过数学模型所确定的。使用该数学模型(以及,在一些实施方案中,指示杀灭区600中的大气条件的数据),控制器310确定远UV‑C辐射450所需的强度I(和/或发射远UV‑C辐射450所需的时间量t)以传递所需的注量D,以在特定微生物(例如SARS‑CoV‑2)通过杀灭区600时达到杀死该特定微生物的预定概率p。
[0090] 如上所述,在可穿戴实施方案中,防护呼吸器300通过发射远UV‑C辐射450穿过用户嘴部和鼻子前面的杀灭区600来保护用户(并降低用户感染附近其他人的可能性)。在一些实施方案中,防护呼吸器300还保护用户免于暴露于不安全量的远UV‑C辐射。
[0091] 在一些可穿戴实施方案中,防护呼吸器300被实现为使得远UV‑C辐射源400发射远UV‑C辐射450远离用户(例如,如图5C所示)通过用户嘴部和鼻子前面的杀灭区600(例如,如图6A至图6C所示)。在其他可穿戴实施方案中,防护呼吸器300被实现为使得远UV‑C辐射源400发射远UV‑C辐射450穿过用户鼻子和嘴部前面的杀灭区600(例如,如图6A‑6B中所示)而不向用户的皮肤或眼睛发射远UV‑C辐射450(例如,如图5A所示)。然而,在一些实施方案中,由一个或多个远UV‑C辐射源400发射的一些远UV‑C辐射450可以被用户的皮肤或眼睛吸收。
因此,在那些实施方案中的一些实施方案中,控制器310可以配置成限制向用户发射的远UV‑C辐射450的量。
[0092] 简要地回顾参考图3,在一些实施方案中,控制器310接收指示远UV‑C辐射源400中的一个或多个远UV‑C辐射源与用户之间的距离的数据(例如,来自距离传感器330)。使用该距离和向用户发射的远UV‑C辐射450的强度I,控制器310可以确定用户皮肤或眼睛位置处的远UV‑C辐射450的注量。在那些实施方案中的一些实施方案中,控制器310可以随时间推移确定远UV‑C辐射450的总剂量并调整向用户发射的远UV‑C辐射450的强度I(或向用户发射远UV‑C辐射450的时间t)以限制被用户的皮肤和/或眼睛吸收的远UV‑C辐射450的剂量。例如,控制器310可以降低远UV‑C辐射450的强度I(或发射远UV‑C辐射450的时间t)以防止防护呼吸器300在预定时间段(例如,8小时)或用户期望佩戴防护呼吸器300的用户指定的时间段内朝向用户发射超过阈限值的远UV‑C辐射450。
[0093] 在防护呼吸器300包括多于一个远UV‑C辐射源400的实施方案中,控制器310可以使用来自距离传感器330的数据来确定哪个远UV‑C辐射源400正在朝向用户的皮肤或眼睛发射远UV‑CC辐射450(以及那些远UV‑C辐射源400中的每个之间的距离)并在预定时间段或用户指定的时间段内限制远UV‑C辐射450的强度I(和/或发射远UV‑C辐射450的时间t)。
[0094] 在供电装置390是可充电电池的实施方案中,控制器310还可以监测电池随时间存储的电荷量并限制远UV‑C辐射450的强度I(和/或发射远UV‑C辐射450的时间t)使得防护呼吸器300在预定时间段或用户期望佩戴防护呼吸器300的用户指定的时间段内发射远UV‑C辐射450。
[0095] 图9是根据示例性实施方案的网络环境900的图。如图9所示,防护呼吸器300可以通过一个或多个广域网950例如互联网与服务器920通信(例如,使用通信模块320)。附加地或备选地,防护呼吸器300可以使用直接无线通信协议(例如,蓝牙)与个人电子装置940(例如,智能手机)配对。在那些实施方案中,防护呼吸器300可以通过个人电子装置940与服务器920通信。在那些实施方案的一些实施方案中,个人电子装置940也可以与活动追踪器960(例如,健身追踪器、腕带、智能手表等)配对。
[0096] 通过与服务器920通信,防护呼吸器300能够接收由控制器310用来确定远UV‑C辐射450输送所需的注量D以在特定微生物(例如SARS‑CoV‑2)穿过杀灭区600时实现杀死该特定微生物的预定概率p所需的强度I(和/或发射远UV‑C辐射450所需的时间量t)。
[0097] 如上文参考图3所述,在一些实施方案中,远UV‑C辐射450所需的强度I(和/或发射远UV‑C辐射450所需的时间量t)是使用指示防护呼吸器300周围的大气条件的数据和/或用户的生理条件(例如,呼吸)来确定的。在图3的实施方案中,防护呼吸器300包括大气传感器340、惯性测量单元350、地理定位模块360、麦克风370和/或生理传感器380。然而,在其他实施方案中,个人电子装置940和/或活动跟踪器960可能包括一些或所有这些传感器。在那些实施方案中的一些实施方案中,防护呼吸器300可以从个人电子装置940和/或活动跟踪器
960接收指示大气条件和/或用户生理条件的数据。
[0098] 如图9所示,在一些实施方案中,防护呼吸器300可以从其他来源接收指示大气条件的数据。例如,防护呼吸器300可以从定位信标980接收指示大气条件的数据(例如,指示防护呼吸器300位于具有提供特定空气交换率的特定通风系统建筑物中)。
[0099] 在一些实施方案中,每个防护呼吸器300配置成与其他防护呼吸器300通信(例如,经由蓝牙、网状网络、局域网、蜂窝网络等)。在那些实施方案中的一些实施方案中,每个防护呼吸器300可以确定远UV‑C辐射450的所需强度I(和/或发射远UV‑C辐射450所需的时间量t)——如数学模型所规定的——用于防护呼吸器300共同实现杀死每个用户的杀灭区600中的指定微生物的预定概率p。
[0100] 在一些实施方案中,防护呼吸器300可以从服务器920接收指示大气条件的数据。例如,可能与确定远UV‑C辐射450的所需强度I(和/或者发射远UV‑C辐射450所需的时间量t)相关的一种大气条件是防护呼吸器300是在室内还是室外。因此,在一些实施方案中,控制器310可输出防护呼吸器300的地理位置(例如,由地理定位模块360确定)并且服务器920可基于该位置确定防护呼吸器300是在室内还是室外。为了确定防护呼吸器300是在室内还是室外,服务器920可以存储建筑物位置的二维地图并确定防护呼吸器300的位置是否在建筑物之一内。另外,服务器920可以存储地形图并确定防护呼吸器300的高度是高于还是低于地平面(指示用户在上层或在地下室)。
[0101] 图10是示出根据示例性实施方案的由防护呼吸器300执行以灭活微生物(例如,微小动植物和/或病毒颗粒,例如细菌、孢子、病毒、原生动物和/或真菌)的过程1000的流程图。如上文所详述的,防护呼吸器300通过发射远UV‑C辐射450使微生物失活。在一些实施方案中,防护呼吸器300配置成在足够的时间t内发射具有足够强度I的远UV‑C辐射450以提供杀死行进穿过杀灭区600的特定微生物(例如,SARS‑CoV‑2病毒)的阈值概率(例如,90%、99%)。
[0102] 为了确定远UV‑C辐射450的所需强度I和/或达到杀死所选微生物的阈值概率所需的时间t,在步骤1002中防护呼吸器300将数学模型存储在存储器318中。如上所述,可以通过使用计算流体动力学来开发数学模型以组合各种模拟环境中的速度场、远UV‑C辐射源400发射的远UV‑C辐射450的注量率,以及所选微生物的灭活反应的内在动力学(在实验室实验中确定)。如上文参考图9所述,在一些网络连接的实施方案中,可以从服务器920接收数学模型。在其他实施方案中,数学模型可以在制造时存储在存储器318中。
[0103] 如上所述,达到杀死特定微生物的阈值概率p所需的强度I(和/或所需的时间t)取决于微生物的速度,微生物的速度可能取决于杀灭区600中的大气条件。因此,在一些实施方案中,在步骤1004中防护呼吸器300接收指示防护呼吸器300周围环境中的大气条件的数据。如上文参考图9所述,指示大气条件的数据可以从服务器920、个人电子装置940、定位信标980等接收。如上文参考图3所述,指示大气条件的数据可以从一个或多个大气传感器340(结合在防护呼吸器300、个人电子装置940等中)接收。
[0104] 如上所述,杀灭区600中的大气条件可能取决于用户的生理条件。因此,在一些实施方案中,在步骤1006中防护呼吸器300接收指示用户生理条件的数据。如上文参考图9所述,可以从个人电子装置940、活动跟踪器960等接收指示用户生理条件的数据。如上文参考图3所述,指示用户生理条件的数据可以从惯性测量单元350、地理定位模块360、一个或多个生理传感器380等(结合到防护呼吸器300、个人电子装置940、活动跟踪器960等中)接收。
[0105] 在步骤1008中,控制器310确定达到杀死特定微生物的阈值概率p所需的强度I(和/或所需的时间t)。
[0106] 在一些实施方案中,防护呼吸器300配置成使得远UV‑C辐射源400中的一个或多个向用户的皮肤和/或眼睛发射远UV‑C辐射450。因此,在一些实施方案中,在步骤1010中控制器310确定被用户吸收的远UV‑C辐射450的注量率D并且在步骤1012中调整由远UV‑C辐射源400中的一个或多个发射的UV‑C辐射450的强度I和/或那些一个或多个远UV‑C辐射源400发射远UV‑C辐射450的时间t以防止在预定时间段(例如,8小时)或用户期望佩戴防护呼吸器
300的用户指定的时间段内被用户的皮肤或眼睛吸收的远UV‑C辐射450的注量超过阈限值。
[0107] 在一些实施方案中,防护呼吸器300的供电装置390是可充电电池。因此,在一些实施方案中,控制器310在步骤1014中确定供电装置390中剩余的电荷量并调整远UV‑C辐射450的强度I(和/或发射远UV‑C辐射450的时间t)使得防护呼吸器300在整个预定时间段(例如,8小时)或用户期望佩戴防护呼吸器300的用户指定的时间段内发射远UV‑C辐射450。
[0108] 如上所述,在一些实施方案中,防护呼吸器300可以是可穿戴的。然而,防护呼吸器300不限于此。
[0109] 图11示出了根据便携式实施方案的防护呼吸器300。在图11的便携式实施方案中,防护呼吸器300被实现为包括一个或多个发射远UV‑C辐射450的远UV‑C辐射源400的棒1100。
[0110] 图12示出了根据固定实施方案的防护呼吸器300。在图12的实施方案中,防护呼吸器300被实现为包括一个或多个发射远UV‑C辐射450的远UV‑C辐射源400的物体1200(在该示例中,台灯)。
[0111] 虽然上面已经阐述了优选实施方案,但是阅读了本公开的本领域技术人员将容易理解在本发明的范围内可以实现其他实施方案。因此,本发明应被解释为仅受任何所附权利要求的限制。
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