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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen betrifft diese Erfindung mehrere Ausführungsarten
für eine
Mehrfacherfassung und im Speziellen ein System, eine Einrichtung
und ein Verfahren, die Sensoren umfassen, die eine Kombination aus
chemischen Stimuli und physikalischen Stimuli detektieren können.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein
System einer elektronischen Nase oder ein künstliches Riechsystem ist eine
Einrichtung, die eine breite Vielfalt an Analyten in Fluiden wie
beispielsweise Dämpfen,
Gasen und Flüssigkeiten
detektieren kann. Die Einrichtung umfasst eine Sensoranordnung,
die in der Gegenwart eines Analyten eine Antwort wie beispielsweise
eine elektrische Antwort erzeugt. Die Einrichtung erzeugt einen
Ausgang einer eindeutigen Signatur für einen bestimmten Analyten.
Unter Verwendung von Mustererkennungsalgorithmen kann die Ausgangssignatur
mit einem bestimmten Analyten oder einer Mischung aus Substanzen,
die bekannt sind, in Korrelation gebracht und verglichen werden.
Durch Vergleichen der unbekannten Signatur mit den gespeicherten
oder bekannten Signaturen kann der Analyt identifiziert werden.
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Derzeit
im Handel erhältliche
Sensoren können
für eine
Vielfalt an Anwendungen verwendet werden. Diese kommerziellen Anwendungen
umfassen Umwelttoxikologie und Abhilfemaßnahmen, Biomedizin wie beispielsweise
Mikroorganismusklassifizierung oder -detektion, Materialqualitätssteuerung, Überwachung
von Nahrungsmittel- und landwirtschaftli chen Produkten, Produktion
in der Schwerindustrie, Umgebungsluftüberwachung, Arbeiterschutz,
Emissionssteuerung und Produktqualitätstests, aber sind nicht auf
diese beschränkt.
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Obwohl
in einigen Fällen
eine elektronische Nase ausreicht, den Analyten, der von Interesse
ist, genau zu bestimmen, bleiben andere physikalische Daten in der
Umgebung des Analyten undetektiert. Diese zusätzlichen Daten können verwendet
werden, um den Analyten zu identifizieren. Physikalische Parameter
des Analyten umfassen Temperatur, Feuchtigkeit, Farbe, pH-Wert,
Lösungskonzentration,
Wellenlängenabsorption,
Geschmack, Dampfdruck, Masse, Druck, optische Dichte, magnetisches
Feld, etc. aber sind nicht auf diese beschränkt. Durch Messen dieser physikalischen
Parameter in Verbindung mit Daten der elektronischen Nase kann eine
genauere Bewertung des Analyten und seiner Umgebung erreicht werden.
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Zum
Beispiel umfasst das Atmprüfgerät nach dem
derzeitigen Stand der Technik, das verwendet wird, um den Blutalkoholgehalt
zu bestimmen, einen Infrarotdetektor (IR). In bestimmten Fällen neigen IR-Detektoren
zu Störungen
durch andere flüchtige organische
Verbindungen (VOC), die das IR auch absorbieren (siehe Jones AW,
J. Anal Tox. 20: 522–527 (1996)).
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Hersteller
dieser Beweisinstrumente antworteten durch Hinzufügen von
zusätzlichen
Kanälen
mit den Bestrebungen, zwischen der IR-Signatur von Ethanol und anderen
flüchtigen
organischen Verbindungen zu unterscheiden. Diese flüchtigen
organischen Verbindungen umfassen Aceton, Toluol, Xylol, Methanol,
Isopropanol und Acetaldehyd, wobei die Auflistung auch Wasser, Kohlenmonoxid
und Kohlendioxid umfasst. Konzentrationen der anderen Analyten in
dem Testgas liegen im Wesentlichen in dem Bereich von 0,01 bis 0,10
mg/L. Diese Modifikationen sind jedoch immer noch unbedeutend.
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Es
sind Hybridsensorsysteme bekannt, die verschiedene Typen von chemischen
Sensoren enthalten. Zum Beispiel existiert ein System, das als das MOSES-System
bekannt ist, in dem ein modulares System verwendet wurde, das eine
Anordnung von verschiedenen halbleitenden Gassensoren auf der Grundlage
von Metalloxiden, Mikrowaagensensoren mit polymerbeschichtetem Quarz,
kalorimetrischen Sensoren und elektrochemischen Sensoren umfasste.
Das MOSES-System enthielt optional einen Halbleiter-Feldeffekttransistorsensor
(MOSFET). Das System ist darauf beschränkt, Gerüche unter Verwendung von chemischen
Sensoren zu detektieren (siehe H. Ulmer et al., Sensors and Actuators
B, 43, 24–33
(1997)).
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Zusätzlich offenbart
das US-Patent Nr. 5,801,297, das für Mifsud et al. am 01. September 1998
erteilt wurde, auch ein Hybridsystem mit chemischen Sensoren. Dieses
System umfasst ein erstes Gehäuse
mit einem ersten Detektionsmittel, wobei die erste Detektion eine
Vielzahl an Gassensoren unter Verwendung einer selben ersten Technologie
umfasst, die aus einer Halbleitergassensor-Technologie, einer Technologie
leitender Polymergassensoren oder einer Technologie von Gassensoren
mit oberflächenakustischen
Wellen ausgewählt
wird. Das System umfasst auch ein zweites Gehäuse mit einem zweiten Detektionsmittel.
Das zweite Detektionsmittel umfasst eine Vielzahl an Gassensoren
unter Verwendung einer selben zweiten Technologie, die aus einer
Halbleitergassensor-Technologie, einer Technologie leitender Polymergassensoren
oder einer Technologie von Gassensoren mit oberflächenakustischen
Wellen ausgewählt
wird. In diesem System ist die zweite Technologie von der ersten
Technologie verschieden.
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In
einem anderen Hybridsensorsystem ist eine Kombination einer elektronischen
Zunge und einer elektronischen Nase beschrieben. In diesem System
bestand die elektronische Nase aus einer Anordnung von Gassensoren
mit einer Mustersignalhandhabungsfähigkeit und Sensormustererkennungsalgorithmen.
Die elektronische Zunge bestand aus einer Geschmacksanalyse von
Flüssigkeiten
auf der Grundlage einer gepulsten Voltametrie. (Siehe F. Winquist
et al., Sensors and Acutators B 58, 512–217 (1999)).
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Des
Weiteren offenbart das US-Patent Nr. 5,832,411, das für Schatzmann
et al. am 03. November 1998 erteilt wurde, eine Vielzahl an Sensoreinheiten,
die über
einen Bereich verteilt sind und über
ein Netzwerk mit einer zentralen Überwachungseinheit kommunizieren.
Die Sensoreinheiten umfassen Sensoranordnungen, die ihnen in Ansprechen
auf die Gegenwart von ausgewählten
Verbindungen in der umgebenden Flüssigkeit Rohdaten bereitstellen.
Die rohen Sensordaten werden dann verarbeitet, um ein lokales Profil
zu berechnen. Die lokalen Profile von den einzelnen Sensoreinheiten
werden dann verwendet, um eine räumliche
und zeitliche Abbildung für
die Verbindungen in der Flüssigkeit
zu berechnen. Diese Abbildung kann dann für eine Vielfalt an Zwecken
verwendet werden, die ein Verfolgen und Vorhersagen der Strömung von
Verbindungen über
dem Bereich, ein Identifizieren der Quelle von Verbindungen in dem
Bereich, eine Überwachungsverringerung
und ein Steuern von industriellen Prozessen umfassen.
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Angesichts
des Vorhergehenden wird in der Technik ein System benötigt, das
sowohl physikalische Daten als auch chemische Daten in einer bestimmten
Umgebung, insbesondere in einer vernetzten Umgebung, erfassen kann.
Es wird ein System benötigt,
das auf eine Kombination aus einem chemischen Stimulus und einem
physikalischen Stimulus antworten kann. Die Antworten können gespeichert und
analysiert werden, um auf diese Weise den Analyten, der von Interesse
ist, zu identifizieren. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese
und andere Erfordernisse.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Handelsübliche künstliche
Riechsysteme werden weit verbreitet durch die Industrie verwendet, um
eine Qualitätssteuerung
von Produkten wie beispielsweise Wein, Bier, Kaffee und Käse bereitzustellen.
Diese Systeme sind beschränkt,
da sie chemische Aromen und Dämpfe
nur durch chemische Mittel detektieren. Andere physikalische Parameter
und Stimuli des Analyten bleiben undetektiert. Durch Detektieren
von sowohl chemischen Stimuli als auch physikalischen Stimuli können ein
Analyt und seine Umgebung genauer bewertet und identifiziert werden.
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Somit
stellt die vorliegende Erfindung in bestimmten Ausführungsformen
ein verteiltes Erfassungssystem in einer vernetzten Umgebung zum identifizieren
eines Analyten bereit, wobei das System umfasst: eine erste Sensoranordnung,
die mit dem Netzwerk verbunden ist, das Sensoren umfasst, die in
der Gegenwart eines chemischen Stimulus eine erste Antwort erzeugen
können;
eine zweite Sensoranordnung, die mit dem Netzwerk verbunden ist,
das Sensoren umfasst, die in der Gegenwart eines physikalischen
Stimulus eine zweite Antwort erzeugen können; und einen Computer, der
einen residenten Algorithmus umfasst, um die Antworten zu verarbeiten
und den Analyten zu identifizieren. In einer bevorzugten Ausführungsform
gibt der Algorithmus den relevantesten Sensor in dem Netzwerk an oder
wählt ihn
aus, um den Analyten zu identifizieren. Der Algorithmus wählt die
relevanteste Sensorausführungsart
aus, um sie in jeder Sensoranordnung für eine bestimmte Anwendung
zu verwenden. In dieser Ausführungsform
können
die Sensoren über
große räumliche
Bereiche aufgeteilt sein, wobei die Sensoranordnungen vernetzt sind.
Geeignete Netzwerke umfassen ein lokales Computernetzwerk, ein Intranet oder
das Internet.
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Verschiedene
Sensortypen und Kombinationen aus diesen umfassen die erste Sensoranordnung.
Sensoren, die chemische Stimuli detektieren können und zur Verwendung in
der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen volumenleitende Polymerfilme,
halbleitende Polymersensoren, Einrichtungen für oberfächenakustische Wellen, faseroptische
Mikrospiegel, Quarzkristallmikrowaagen, Sensoren mit leitenden/nicht
leitenden Bereichen und mit Farbstoff imprägnierte Polymerbeschichtungen
auf optischen Fasern, aber sind nicht auf diese beschränkt.
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Ähnlich kann
ein großer
Umfang an physikalischen Stimuli unter Verwendung der zweiten Sensoranordnung
der vorliegenden Erfindung detektiert werden. Diese Sensoren umfassen
optische Sensoren, mechanische Sensoren, Strahlungssensoren, thermische
Sensoren und Kombinationen aus diesen, aber sind nicht auf diese
beschränkt.
In einem bevorzugten Aspekt wird der physikalische Stimulus unter
Verwendung eines optischen Sensors detektiert. Optische Stimuli
können
als Wellenamplitude, Phase, Polarisierung, Wellengeschwindigkeit,
Brechungsindex, Emissionsvermögen,
Reflexionsvermögen
und Absorption gemessen werden. In einem bevorzugten Aspekt umfasst
die zweite Sensoranordnung einen IR-Sensor. Der IR-Sensor umfasst eine IR-Quelle,
um für
eine Detektion durch einen Detektor eine IR-Strahlung über eine
Gasprobe, die in einer Probenzelle enthalten ist, bereitzustellen.
Bei diesem Sensor gibt die Amplitude des Signals, das durch den
Detektor bei einer bestimmten Wellenlänge detektiert wird, die der
Absorptionswellenlänge
eines Gases, das von Interesse ist, entspricht, die Konzentration
von diesem Gas in der Probe an. Es können verschiedene Filter mit
den Infrarotsensoren verwendet werden, die für verschiedene Analyten spezifisch
sind. Um zum Beispiel Ethanol zu detektieren, wird ein 3,46 μm-Filter
verwendet. Wenn der Analyt bei dieser Frequenz absorbiert, kann
Ethanol vorliegen. Die Absorption kann dann unter Verwendung der
Sensoren, die den chemischen Stimulus detektieren, bestätigt werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
betrifft die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zum Überwachen
eines Analyten in einer Umgebung. In diesem Aspekt umfasst die Einrichtung
mindestens eine Sensoranordnung, wobei die Anordnung von Sensoren
mindestens zwei Sensoren, die eine erste Antwort in der Gegenwart
eines chemischen Stimulus erzeugen können; einen zweiten Sensor,
der eine zweite Antwort in der Gegenwart eines physikalischen Stimulus
erzeugen kann; einen Verbinder, der jeden der Sensoren, die die
mindestens eine Sensoranordnung und den zweiten Sensor umfassen,
mit einer zentralen Verarbeitungseinheit verbindet, die die ersten
und zweiten Antworten aufnimmt und speichert; und einen Analysator,
der ausgebildet ist, um die ersten und zweiten Antworten zu analysieren,
umfasst. Der Analysator überwacht
die Analyten in der Umgebung. Der Ausdruck "Überwachen", wie er hierin verwendet wird,
bezieht sich auf eine Detektion, eine Identifizierung, eine Quantifizierung,
eine Klassifikation oder eine Kombinationen aus diesen. Vorzugsweise
ist der zweite Sensor eine Anordnung von Sensoren. Die Einrichtung
ist eine in der Hand gehaltene Einrichtung sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden chemische Stimuli unter Verwendung von Sensoren detektiert,
die in dem US-Patent Nr. 5,571,401 offenbart sind, das für Lewis
et al. am 05. November 1996 erteilt wurde. Die Sensoren, die darin
beschrieben sind, sind leitende Materialien und nicht leitende Materialien,
die in einer Matrix von leitenden und nicht leitenden Bereichen
angeordnet sind. Das nicht leitende Material kann ein nicht leitendes
Polymer wie beispielsweise Polystyrol sein. Das leitende Material
kann ein leitendes Polymer, Ruß,
ein anorganischer Leiter und dergleichen sein. Die Sensoranordnungen
umfassen mindestens zwei Sensoren, typischerweise etwa 32 Sensoren,
und in bestimmten Fällen
1000 oder mehr Sensoren.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Übermitteln
einer Kombination aus chemischen und physikalischen Daten über ein
Computernetzwerk zur Identifikation eines Analyten bereit. Das Verfahren umfasst
ein Übertragen
von Sensordaten von einer ersten Sensoranordnung, die Sensoren umfasst,
die in der Gegenwart eines chemischen Stimulus eine erste Antwort
erzeugen können,
zu einem entfernten Ort; ein Übertragen
von physikalischen Daten von einer zweiten Sensoranordnung, die
Sensoren umfasst, die in der Gegenwart eines physikalischen Stimulus
eine zweite Antwort erzeugen können,
zu einem entfernten Ort; und ein Verarbeiten der Sensor- und physikalischen
Daten an dem entfernten Ort zur Identifizierung eines Analyten.
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Durch
Verwenden der vorliegenden Erfindung werden gegenüber herkömmlichen
Systemen zahlreiche Vorteile erreicht. Zum Beispiel erfasst das vorliegende
System zusätzliche
Stimuli, die in herkömmlichen
Erfassungssystemen undetektiert bleiben. Dieses Merkmal ermöglicht eine
nicht parallele Detektion und Identifikation von Analyten in einer Umgebung.
Durch Detektieren von zusätzlichen
Stimuli in der Umgebung wird ein stabileres System realisiert. Zusätzlich werden,
da das System mehrere Ausführungsarten
von Sensoren umfasst, weniger falsche Identifikationen gemacht.
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Die
vorhergehenden Ausführungsformen
sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
deutlicher ersichtlich, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen
und der detaillierten Beschreibung, die folgt, gelesen werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Ausführungsform
einer vernetzten Umgebung der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine verteilte Erfassungsumgebung der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine Schnittansicht von oben einer Ausführungsform eines Sensormoduls,
das vier Sensoreinrichtungen umfasst, die in zwei Probenkammern
montiert sind.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Sensormoduls,
das vier Sensoreinrichtungen umfasst, die in zwei Probenkammern
montiert sind.
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5 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnungseinrichtung.
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6 zeigt
einen Sensor auf IR/Polymer-Basis.
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7 zeigt
eine Schnittansicht einer Ausführungsform
einer Sensorkammer.
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8 zeigt
eine in der Hand gehaltene Einrichtung der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
ein Flussdiagramm der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG UND BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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I. SYSTEM
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Obwohl
elektronische Nasen im Handel erhältlich sind, sind sie auf die
Detektion von chemischen Stimuli wie beispielsweise Gerüche, Dämpfe, Fluide
und Gase beschränkt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Mehrfacherfassungsvorrichtung
bereit, die auf eine Vielzahl an Stimuli antworten kann, die sowohl
chemischer als auch physikalischer Natur sind. Durch Erfassen von
sowohl chemischen als auch physikalischen Stimuli kann eine genauere
Detektion oder Identifikation der Umgebung und des unbekannten Analyten
erreicht werden.
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In
einer Ausführungsform
können
die Systeme der vorliegenden Erfindung in einer vernetzten Umgebung
arbeiten. 1 stellt eine Umgebung dar, in
der die Systeme der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Diese
Darstellung ist lediglich eine Erläuterung und sollte den Schutzumfang der
Ansprüche
hierin nicht beschränken.
Fachleute werden andere Variationen, Abwandlungen und Alternativen
erkennen.
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Das
verteilte Erfassungssystem 100 umfasst ein Netzwerk 109 wie
beispielsweise das Internet. Das verteilte Erfassungssystem 100 umfasst
eine erste Sensoranordnung 108, die mit dem Netzwerk verbunden
ist, und Sensoren umfasst, die in der Gegenwart eines chemischen
Stimulus eine erste Antwort erzeugen; eine zweite Sensoranordnung 112, die
mit dem Netzwerk verbunden ist und Sensoren umfasst, die in der
Gegenwart eines physikalischen Stimulus eine zweite Antwort erzeugen
können;
und einen Computer 122, der einen residenten Algorithmus
umfasst. In einem bevorzugten Aspekt gibt der Algorithmus die relevanteste
Sensorausführungsart in
dem Netzwerk an, oder wählt
diese aus, um einen Analyten zu identifizieren.
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Das
Netzwerk ermöglicht
eine Kommunikation von jedem der Sensoren, wie beispielsweise einer mobilen
Sensoreinheit 125, mit der zentralen Verarbeitungseinheit
oder dem Computer. Eine Anzahl an verschiedenen Technologien kann
verwendet werden, um die Kommunikationen zwischen der ersten Sensoranordnung 108,
der zweiten Sensoranordnung 112 und dem Computer, der einen
residenten Algorithmus umfasst, zu implementieren.
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Um
eine Übertragung
von erfassten Stimuli eines Analyten bereitzustellen, umfassen die
ersten und zweiten Sensoranordnungen eine Kommunikationsschnittstelle,
die mit dem Computernetzwerk 109 gekoppelt werden kann.
Geeignete Kommunikationsschnittstellen umfassen eine Ethernet-Schnittstelle, eine
RS-232-Schnittstelle, einen Parallelport, einen Universal Serial
Bus (USB), eine Infrarotdatenverbindung, eine optische Schnittstelle
und eine HF-Schnittstelle, aber sind nicht auf diese beschränkt. Alternativ
können
die Sensoranordnungen in einigen Aspekten direkt mit dem Netzwerk
fest verdrahtet sein.
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Das
Computernetzwerk 109 kann eines einer Vielzahl an Netzwerken
sein, die ein weltweites Computernetzwerk, ein Internet, das Internet,
ein WAN, ein LAN oder ein Intranet umfassen. Es sei angemerkt, dass
ein Zugriff auf das Computernetzwerk durch ein Gateway ausgeführt wird.
Ein Gateway ist eine Maschine, zum Beispiel ein Computer, der eine Kommunikationsadresse
aufweist, die durch das Computernetzwerk erkannt werden kann.
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In
bestimmten Ausführungsformen
kann die Sensoranordnung über
die Kommunikationsschnittstelle unter Verwendung von entweder drahtlosen 125 oder
Kabeltechnologien mit dem Computernetzwerk 109 kommunizieren.
Drahtlose Technologien können
Infrarot, Funkwellen, Satellit und Mikrowellen umfassen. In bestimmten
Aspekten weisen die Sensoranordnungen Fähigkeiten für ein drahtloses Ethernet auf,
wie beispielsweise eine Funkkarte mit einem Media Access Controller.
In bestimmten Aspekten reguliert der Media Access Controller die
Daten von der Sensoranordnung zu dem Netzwerk.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das System der vorliegenden Erfindung eine erste Anordnung
von Sensoren, wobei diese Sensoren einen chemischen Stimulus detektieren.
Geeignete chemische Stimuli, die detektiert werden können, umfassen
Analyten in Fluiden wie beispielsweise einem Dampf, einem Gas, einer
Flüssigkeit,
einem Festkörper,
einem Geruch oder Mischungen aus diesen, aber sind nicht auf diese
beschränkt.
Dieser Aspekt der Einrichtung umfasst eine elektronische Nase. Geeignete
Sensoren, die die erste Anordnung von Sensoren umfassen, umfassen
volumenleitende Polymerfilme, halbleitende Polymersensoren, Einrichtungen
für oberflächenakustische
Wellen, faseroptische Mikrospiegel, Quarzkristallmikrowaagen, Sensoren
mit leitenden/nicht leitenden Bereichen und mit Farbstoff imprägnierte
Polymerbeschichtungen auf optischen Fasern und Kombinationen aus
diesen, aber sind nicht auf diese beschränkt. In einem bestimmten bevorzugten
Aspekt umfasst die elektronische Nase Sensoren mit leitenden/nicht
leitenden Bereichen. Es sollte Fachleuten leicht deutlich werden,
dass die Anordnung der elektronischen Nase Kombinationen der vorhergehenden
Sensoren umfassen kann.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System, das sowohl physikalische
als auch chemische Parameter messen oder detektieren kann. Auf diese Weise
kann eine stabilere und exaktere Analyse der Umgebung mit einer
genaueren Bestimmung der Identität
des unbekannten Analyten erreicht werden. Demgemäß umfasst das System in einer
Ausführungsform
eine zweite Anordnung von Sensoren, die einen großen Umfang
an physikalischen Stimuli detektieren können. Diese Sensoren umfassen
optische Sensoren, mechanische Sensoren, Strahlungssensoren, thermische
Sensoren und Kombinationen aus diesen, aber sind nicht auf diese
beschränkt.
In einem bevorzugten Aspekt wird der physikalische Stimulus unter
Verwendung eines optischen Sensors detektiert. Optische Stimuli
können
als Wellenamplitude, Phase, Polarisierung, Wellengeschwindigkeit, Brechungsindex,
Emissionsvermögen,
Reflexionsvermögen
und Absorption ausgedrückt
werden. In einem bevorzugten Aspekt umfasst die zweite Sensoranordnung
einen IR-Sensor.
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Eine
Konzentration von Gasen, wie beispielsweise CO, CO2,
Kohlenwasserstoffen (z.B. CH4), Carbonsäuren, Mikroorganismusabgasen
oder -stoffwechselprodukten, Ketonen, Alkoholen, Narkotikum-Gasen,
Abgasen, Freon oder anderen Gasen kann durch IR-Strahlung bestimmt
werden. Jede Art von Gas weist typischerweise eine oder mehrere ausgeprägte IR-Absorptionseigenschaften
auf und absorbiert eine IR-Strahlung bei oder in der Nähe einer
bestimmten Wellenlänge
besser. Die Absorption einer IR-Strahlung
bei einer Frequenz, die einer charakteristischen Absorptionswellenlänge einer
bestimmten Gasart entspricht, steht direkt mit der Konzentration
von dieser Art in der Gasprobe in Beziehung. Somit ist die Amplitude
des Signals, das durch den IR-Detektor bei einer Wellenlänge detektiert wird,
die einer charakteristischen Absorptionswellenlänge einer bestimmten Gasart
entspricht, umgekehrt proportional zu der Konzentration dieser Art
in der Gasprobe.
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Das
verteilte Erfassungssystem 100 kann in vielen verschiedenen
Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel können die Sensoreinheiten über eine Ölraffinerie
verteilt sein, um das Austreten von flüchtigen Gasen in die Atmosphäre zu überwachen. Ein
Ventilversagen wird zum Beispiel sofort entdeckt und ein Techniker
ausgesandt, bevor es ein schwerwiegendes Sicherheitsrisiko darstellten
oder den Betrieb der Raffinerie ernsthaft beeinträchtigen
kann. In dieser Ausführungsform
kann der Techniker eine in der Hand gehaltene Erfassungseinrichtung
haben, wie es in der WO 99/47905, die am 23. September 1999 veröffentlicht
wurde, beschrieben ist. Bei dem Vorfall des Austretens kann der
Techniker den Umfang und die Art des Austretens bewerten. Die in
der Hand gehaltene Einrichtung kann mit dem Netzwerk auf eine drahtlose
Art und Weise kommunizieren.
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Das
System kann auch verwendet werden, um Emissionspegel von Industrieanlagen,
wie beispielsweise chemische oder Textileinrichtungen, zu überwachen.
Die gesammelten Daten können
dann verwendet werden, um den Verlauf eines Schwadens von ausgeströmten gefährlichen
oder giftigen Gasen zu verfolgen und vorherzusagen. Im Falle eines
industriellen Vorfalls können
diese Informationen verwendet werden, um zuerst die sich in Windrichtung befindende
Bevölkerung
zu warnen, und später
den Einfluss des Vorfalls auf diese Umgebung abzuschätzen. In
vielen industriellen Einrichtungen wie beispielsweise einer nuklearen
Anlage kann das Sensorsystem verwendet werden, um den Umkreis zu überwachen.
In Verbrennungsanlagen, die gefährliche
Verbindungen erzeugen, können
die Vorgänge, die
verwendet werden, um Verbindungen zu zerstören, überwacht werden.
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Das
System der vorliegenden Erfindung kann in unzähligen anderen Anwendungen
zusätzlich
zu den vorangehenden verwendet werden. Diese Anwendungen umfassen
Umwelttoxikologie und Abhilfemaßnahmen,
Biomedizin, Materialqualitätssteuerung, Überwachung
von Nahrungsmittel- und landwirtschaftlichen Produkten, aber sind
nicht auf diese beschränkt.
Andere Anwendungen umfassen: Produktion in der Schwerindustrie (Kraftfahrzeuge,
Luftfahrzeuge, etc.), wie beispielsweise Umgebungsluftüberwachung,
Arbeiterschutz, Emissionssteuerung und Produktqualitätstests; Öl-/Gas-petrochemikalische
Anwendungen, wie beispielsweise eine Brennstoffgasdetektion, eine
H2S-Überwachung
und Detektion und Identifikation von gefährlichen Ausströmungen;
Notfallantwort- und Strafverfolgungsanwendungen, wie beispielsweise
Detektion und Identifikation von illegalen Substanzen, Brandstiftungsuntersuchung,
Identifikation eines gefährlichen Ölteppichs, Überwachung
von abgeschlossenen Räumen, und
Sprengstoffdetektion; Energieversorgungsanwendungen, wie beispielsweise
Emissionsüberwachung
und Transformatorfehlerdetektion; Nahrungsmittel-/Getränke-/landwirtschaftliche
Anwendungen wie beispielsweise Frischedetektion, Steuerung des Fruchtreifeprozesses, Überwachung
und Steuerung des Fermentierungsvorgangs, Aromazusammensetzung und
-identifikation, Produktqualität
und -identifikation, und Kühlmittel-
und Räuchermitteldetektion.
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Zusätzliche
Anwendungen umfassen kosmetische/Parfümanwendungen, wie beispielsweise Duftrezeptur,
Produktqualitätstests
und Fingerprinting; chemische/plastische/pharmazeutische Anwendungen,
wie beispielsweise Identifikation flüchtiger Emission, Ausströmungsdetektion,
Lösungsmittel-Rückgewinnungseffektivität, Umkreisüberwachung,
und Produktqualitätstests;
Giftmülldeponieanwendungen,
wie beispielsweise Detektion und Identifikation flüchtiger
Emission, Ausströmungsdetektion und
-identifikation, Transportanwendungen, wie beispielsweise Überwachung
von gefährlichem Ölteppich,
Auftankvorgänge,
Schiffscontainerinspektion und Diesel-/Benzin-/Flugbenzinidentifikation;
Anwendungen für
Gebäu de/Wohnviertel,
wie beispielsweise Detektion von Erdgas, Formaldehyddetektion, Rauchdetektion,
Steuerung von automatischer Ventilation (Kochen, Rauchen, etc.)
und Lufteinlassüberwachung;
Krankenhaus-/medizinische Anwendungen, wie beispielsweise Anästhesie-
und Sterilisationsgasdetektion, Detektion von ansteckenden Krankheiten,
Analyse von Atem-, Wund- und Körperfluiden,
und Telechirurgie, aber sind nicht auf diese beschränkt.
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Ein
Endgerät 122 ist
mit einem Server verbunden. Diese Verbindung kann durch ein Netzwerk, wie
beispielsweise ein Ethernet, einen asynchronen Transfermodus, einen
IEEE-Standard-1553-Bus, eine Modemverbindung, einen Universal Serial
Bus, etc. bestehen. Die Kommunikationsverbindung braucht keine Übertragung über Kabel
zu sein, sondern kann eine Infrarot-, Funkwellenübertragung, etc. sein. Der
Server ist mit dem Internet 109 gekoppelt. Das Internet
ist symbolisch als eine Wolke oder eine Sammlung von Serverroutern 109 gezeigt.
Die Verbindung von dem Server zum Internet besteht typischerweise
durch ein Übertragungsmedium
mit relativ hoher Bandbreite, wie beispielsweise eine T1- oder T3-Leitung.
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2 stellt
eine Ausführungsform
eines Systems der vorliegenden Erfindung dar. Diese Darstellung
ist lediglich eine Erläuterung
und sollte den Schutzumfang der Ansprüche hierin nicht beschränken. Für Fachleute
sollten andere Variationen, Abwandlungen und Alternativen leicht
deutlich sein.
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2 ist
ein Blockdiagramm 200 eines Systems der vorliegenden Erfindung.
In dieser Umgebung, wie beispielsweise einer Krankenhauseinrichtung,
werden Daten von einem Patienten von einer Anzahl an Sensoranordnungen 201, 203, 204 und 205 aufgenommen.
Die Sensoranordnungen können direkt
an einem Objekt wie beispielsweise einem Kranken hausbett, oder darin,
oder an dem Patienten (wie beispielsweise ein Thermometer) angeordnet sein.
In dieser Ausführungsform
ist Sensor 201 eine Anordnung chemischer Sensoren zum Detektieren des
Atems des Patienten. Unter Verwendung der Atemprobe kann das Wohlbefinden
des Patienten überwacht
werden. Sensor 203 ist ein berührungsloser Sensor, wie beispielsweise
eine Videoüberwachungseinrichtung.
Sensor 204 ist eine Anordnung von Thermistoren, die temperaturempfindliche
Widerstände
sind, die die Temperatur des Patienten überwachen (beispielsweise orale
und anale Kavitäten).
Sensor 205 ist ein optischer Sensor, wie beispielsweise
ein IR-Sensor, der eine genauere Identifikation des Atems des Patienten
ermöglicht.
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Um
eine Übertragung
von erfassten Stimuli von Analyten, zum Beispiel Atem und Temperatur, bereitzustellen,
umfassen die erste und die zweite Sensoranordnung eine Kommunikationsschnittstelle 211,
die mit dem Computernetzwerk gekoppelt sein kann. Elektrische Signale
werden danach von den Sensoren in einen Multiplexer 225 geführt, der
dazu dient, die Sensoranordnungen eine nach der anderen mit einem
Analog-Digital-(A/D-)Wandler 230 oder direkt
mit einem Computer 235 zu verbinden. Der Computer 235 steuert
den Multiplexer 225 und den A/D-Wandler 230 für das geeignete
Timing.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist der Computer über
das Netzwerk mit einer Anordnung von Aktuatoren 253 verbunden,
die mit verschiedenen Zubehöreinrichtungen
in Wechselwirkung stehen. Diese Aktuatoren können Alarmsignale, pneumatische
Ventile zum Verabreichen von Arzneimitteln etc. einsetzen. Das System
umfasst optional Peripherieeinrichtungen 262, die eine
Datenaufzeichnungseinrichtung, ein Display, einen Monitor, etc. umfassen,
aber nicht auf diese beschränkt
sind.
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Im
Betrieb ist das System der vorliegenden Erfindung beim Identifizieren
eines Analyten genauer als eine einzelne Anordnung allein. Zum Beispiel kann
in dem Fall von Diabetikern und Personen, die während einer langen Zeitdauer
keine Nahrung zu sich genommen haben, Aceton im Blut erscheinen, und
in die Lungenalveolen und letztendlich in den Atem eintreten. Zusätzlich weist
eine Person, die Ethanol konsumiert hat, Ethanol in ihrem Atem auf. Aceton
und Alkohol weisen beide Kohlenwasserstoffabsorptionen auf, d.h.
das 3,34 μm-Band
in dem Infrarotspektrum. Wenn die IR-Sensoren jedoch in Verbindung
mit den chemischen Sensoren verwendet werden, bestätigt die
Anordnung chemischer Sensoren, dass der Kohlenwasserstoff, der vorliegt,
entweder Alkohol oder Ethanol ist. Somit liefert ein Ansatz einer
Tandem-Sensoranordnung zum Detektieren von Analyten eine genauere
Bewertung des Analyten, der von Interesse ist.
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Unter
Verwendung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Gesundheit und das
Wohlbefinden eines Patienten zu überwachen.
Die WO 98/29563, die am 09. Juli 1998 veröffentlicht wurde, offenbart
zum Beispiel ein Verfahren zum Überwachen
von Zuständen
bei einem Patienten, in dem eine Probe von einem Patienten über eine
Zeitdauer erhalten wird. Die Proben werden dann über einen Gassensor strömen gelassen,
und eine Antwort wird gemessen. Danach wird die Antwort mit bekannten Antworten
für bekannte
Zustände
in Korrelation gebracht. Die Zustände umfassen den Fortschritt und/oder
Rückschritt
eines Krankheitszustands, bakterielle Infektionen, Virus-, Pilz-
oder parasitäre
Infektionen, die Effektivität
einer Behandlung und den Fortschritt eines Heilungsprozesses, aber
sind nicht auf diese beschränkt.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann das System der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um
andere medizinische Zustände
zu überwachen,
wie es in der WO 99/13786 dargelegt ist, die am 23. Dezember 1999 veröffentlicht
wurde. Wie es hierin offenbart ist, charakterisieren flüchtige Markierungsgase
die Detektion oder Diagnose eines Krankheitszustands oder von Beschwerden.
Die Verfahren und Vorrichtungen können vorteilhafterweise verwendet
werden, um flüchtige
Markierungsgase und -verbindungen zu detektieren, die Beschwerden, Krankheitsabläufe, Infektionen,
Krankheit und Wohlbefinden angeben. Unter Verwendung dieser Markierungsgase
und -verbindungen können
Krankenhausärzte
die Diagnoseinstrumente und die Systeme, Einrichtungen, Verfahren
der vorliegenden Erfindung verwenden, um Diagnosen zu machen und
geeignete Behandlungen zu gestalten. Verschiedene Markierungsgase
umfassen Alkane, Alkene, Alkine, Diene, alizyklische Kohlenwasserstoffe,
Arene, Alkohole, Ether, Ketone, Aldehyde, Carbonyle, Carbanione, polynukleäre Aromaten,
Biomoleküle,
Zucker, Isoprene, Isoprenoide, VOC, VOA, Indole, Skatole, Diamine,
Pyridine, Piccoline, ein Abgas eines Mikroorganismus, Methylamine,
Isobutylamine, Putreszin, Cadaverin, Histamin, Tyramin, Phenethylamin
und Fettsäuren,
aber sind nicht auf diese beschränkt.
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II. EINRICHTUNG
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In
einer anderen Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zum Überwachen
eines Analyten in einer Umgebung bereit. Die Einrichtung umfasst
mindestens eine Sensoranordnung, wobei die mindestens eine Sensoranordnung mindestens
zwei Sensoren, die in der Gegenwart eines chemischen Stimulus eine
erste Antwort erzeugen können;
einen zweiten Sensor, der in der Gegenwart eines physikalischen
Stimulus eine zweite Antwort erzeugen kann; einen Verbinder, der
die mindestens eine Sensoranordnung und den zweiten Sensor mit einer
zentralen Verarbeitungseinheit verbindet, wobei die zentrale Verarbeitungseinheit
die ersten und zweiten Antworten aufnimmt und speichert; und einen
Analysator, der ausgebildet ist, um eine Vielzahl an Antworten zu analysieren,
wobei der Analysator den Analyten in der Umgebung überwacht,
umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einrichtung
eine in der Hand gehaltene Einrichtung.
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Die
Einrichtung der vorliegenden Erfindung kann ein in der Hand gehaltenes
Modell wie beispielsweise das, das in der WO 99/47905, die am 23. September
1999 veröffentlicht
wurde, und in der US-Patentanmeldung Nr. 09/518,179, die am 02. März 2000
eingereicht wurde, offenbart ist, oder eine Desktop-Modell-Einrichtung
sein, wobei sich die Sensoranordnung(en) in nächster Nähe zueinander befinden. In
bestimmten Ausführungsformen,
in denen eine Vielzahl an Anordnungen verwendet wird, können die
Sensoren über
größere räumliche
Bereiche aufgeteilt sein, wobei die Sensoranordnungen über ein
Netzwerk, wie beispielsweise ein lokales Computernetzwerk oder das
Internet, verbunden sind.
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In
einer spezifischen Ausführungsform,
wie beispielsweise einer in der Hand gehaltenen Einrichtung, enthält eine
Sensorkammer eine Anordnung von chemischen Sensoren und eine Infrarotsensoranordnung.
In diesem Aspekt erzeugt eine Lichtquelle über einen Probenpfad eine Breitbandstrahlung.
Eine Analyten-Quelle, wie beispielsweise ein menschlicher Atem,
der Alkohol enthält,
wird in das Sensormodul eingeführt.
Die Anordnung chemischer Sensoren antwortet mit einem Signal wie
beispielsweise einem elektrischen Signal.
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In 3 wird
die Testprobe durch ein Sensormodul 30 von einer Einlassöffnung 31 durch
die Probenkammer 32 und zu einer Auslassöffnung 38 geleitet.
Sensoranordnungseinrichtungen 33, wie beispielsweise ein
Polymerverbundwerkstoff, sind so angeordnet, dass die Testprobe
sich seitlich über
die freigelegten chemisch empfindlichen Sensoren bewegt. Ablenkplatten 37 sind
an den Enden von jeder Sensoranordnung angeordnet, um dabei zu helfen, ein
effizientes Strömungsmuster
bereitzustellen. Die IR-Quelle 39 ist
zentral angeordnet und tritt in die Probenkammer ein. (Ein) IR-Filter 34a, 34b, 34c, 34d ist/sind
in dem Pfad des IR-Strahls versetzbar. Mindestens ein IR-Sensor 36 ist
jenseits der Filter angeordnet. Ein anderer Sensor ist vor dem Filter
angeordnet (36a).
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Im
Betrieb tritt eine Strahlung, die von einer IR-Strahlungsquelle 39 ausgeht,
in eine Messkammer 35 ein; die in der Probenkammer angeordnet
ist. In bestimmten Ausführungsformen
ist ein Resonanzverstärker
mit den IR-Sensoren verbunden, wobei der Resonanzverstärker ein
Schmalbandverstärker ist,
der so angeordnet ist, dass er regelbar ist. Ein Filterelement und
ein Gleichrichter sind mit dem Ausgang des Resonanzverstärkers verbunden.
Zusätzlich
zu dem ersten IR-Sensor jenseits des Filters (der Filter) ist ein
zweiter Sensor in dem Pfad des Strahls vor dem Filter (den Filtern)
angeordnet und empfängt somit
die ungefilterte Strahlung, die direkt von der IR-Quelle ausgeht.
Er darf jedoch nicht in den Pfad des Strahls gebracht werden, da
er sonst die Strahlung verschleiern würde. Vorzugsweise ist der zweite Detektor
in dem Reflektionsbereich des Filters (der Filter) angeordnet und
empfängt
die ungefilterte Strahlung, die von der Vorderseite des Filters
reflektiert wird.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Sensormoduls,
das vier Sensoreinrichtungen umfasst, die in zwei Probenkammern 43 montiert
sind. In 4 ist das Sensormodul so gezeigt,
dass es für
eine nicht entfernbare Befestigung an einer Leiterplatte (PCB) ausgebildet ist,
aber es könnte
alternativ als ein Einsteckmodul wie beispielsweise ein Sensormodul
ausgebildet sein. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst das Sensormodul
vier Einsteck-Sensoranordnungseinrichtungen 41, wobei jede
acht chemisch empfindliche Sensoren 53 aufweist (5).
Das Sensormodul kann eine größere oder
kleinere Anzahl an Sensoranordnungseinrichtungen umfassen, und jede Sensoranordnungseinrichtung
kann eine größere oder
kleinere Anzahl an Sensoren umfassen. Die vier Sensoranordnungseinrichtungen 41 sind
paarweise vertikal auf eine Platte 46 montiert. Eine Abdeckung 47 mit
einem Paar lang gestreckter Aussparungen ist über der Platte 46 befestigt,
um zwei separate Probenkammern 43 zu definieren, eine für jedes
Paar Sensoranordnungseinrichtungen 41. Die Sensoranordnungseinrichtungen 41 haben
eine ähnliche
Form und Größe, und
jede kann in jedem der vier Verbinder oder Steckplätze 42,
die in der Platte 46 ausgebildet sind, aufgenommen werden.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnungseinrichtung 52.
In einer Ausführungsform
umfasst jede Sensoranordnungseinrichtung 52 eine Anordnung
von acht chemisch empfindlichen Sensoren 53, von denen
jeder eine bestimmte charakteristische Antwort liefert, wenn er
einer Testprobe ausgesetzt wird, die Analyten trägt, die erfasst werden sollen.
In einer anderen Ausführungsform sind
die Sensoren unter Verwendung von chemisch empfindlichen Widerständen implementiert,
die bestimmte Widerstandswerte liefern, wenn sie einer Testprobe
ausgesetzt werden. Ein Verbinder 51 für mehrere elektrische Kontakte
ist entlang der unteren Kante der Sensoranordnungseinrichtung 52 angeordnet,
und ist für
ein Einsetzen in einen von vier Steckplätzen 42 ausgebildet.
Geeignete Sensoranordnungen dieser Art sind in dem US-Patent Nr. 5,575,401
offenbart, das in den Namen von Nathan S. Lewis et al. veröffentlicht
wurde und den Titel "Sensor
Arrays for Detecting Analytes in Fluids" trägt. Sensoren,
die in der WO 99/27357, die am 06. Juni 1999 veröffentlicht wurde, offenbart
sind, sind auch zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet.
Es sollte Fachleuten leicht deutlich werden, dass verschiedene alternative
chemisch empfindliche Sensoren oder Einrichtungen ebenfalls verwendet werden
können.
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Gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der Erfindung sind eine Strahlungsquelle in der Form einer IR-Strahlungsquelle,
die dem Strahlungseinlass vorgeschaltet ist, ein Filter, wie beispielsweise
ein Filter mit einem Bandpass bei 3,46 μm, ein erster IR-Sensor, der
jenseits des Filters angeordnet ist, ein zweiter IR-Sensor, der
in dem Pfad des Strahls jenseits der Strahlungsquelle der Probenkammer
vor dem Filter angeordnet ist, ein Verstärker, der mit dem Ausgang des
ersten Sensors verbunden ist, eine Referenzspannungsquelle, die
mit dem Ausgang des zweiten Sensors verbunden ist, wobei die Ausgänge des
Verstärkers
und die Referenzspannungsquelle mit einem Differenzialverstärker verbunden
sind, vorgesehen.
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Die
IR-Strahlungsquelle kann eine einfache Glühlampe in einer Quarzbirne
sein. Die Strahlung wird jenseits des Strahlungsauslasses der Probenkammer
in zwei Teile aufgeteilt, von denen ein Teil das Messsignal umfasst
oder liefert und der andere Teil als eine Steuervariable und eine
Referenzvariable des optischen Zustands der Messkammer wirkt. Mit
beiden Teilen werden gleichzeitig Operationen durchgeführt. Somit
treten keine Fehler auf, die andernfalls in Anordnungen, in denen
sich zwei verschiedenen Probenkammern befinden, oder als ein Ergebnis
von sukzessiven Messungen auftreten. Das Signal des ersten Detektors
wird zu einem Resonanzverstärker
oder Signalverstärker
geführt.
Das Signal des zweiten Detektors wird mittels eines Verstärkers zu
einer Referenzspannungsquelle geführt und steuert die letztere.
Die zwei Spannungen, das heißt,
die Signalspannung und die Referenzspannung, werden subtrahiert,
und die Differenz wird in dem Differenzialverstärker verstärkt. Die Referenzspannungsquelle überwacht
unter anderem den optischen Zustand der Messkammer und der Strahlungsquelle.
Die Spannung, die durch die Referenzspannungsquelle geliefert wird, ändert sich
auf eine Änderung
der Strahlungsintensität
hin. Somit werden Änderungen
an dem Strahlungsaus lass, die dem Analytengehalt in dem Dampf nicht
zugeordnet werden können,
von der Messung dadurch entfernt, dass gleiche Spannungen, die in
den Mess- und Steuerpfaden auftreten, voneinander subtrahiert werden.
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In
die Probenkammer wird Hintergrundluft eingeführt, um die Vorrichtung einzustellen.
Der zweite IR-Sensor wird dann so eingestellt, dass die Signale
in den zwei Verstärkern
gleich sind und die Differenz Null wird. Wenn der Dampf, der den
Analyten enthält,
jetzt in die Probenkammer eingeführt wird,
wird die Intensität
der Infrarotstrahlung, die aus dem ganzen Bereich durch das Filter
herausgefiltert wird, durch eine Absorption durch die Moleküle des Analyten
reduziert, während
der sichtbare Teil der Strahlung, der an der Vorderseite des Filters
reflektiert wird, nicht durch den Analyten beeinflusst wird, und
keine Änderung
der Referenzspannung bewirkt.
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Es
wird das Lambert-Beer'sche
verwendet: φe/φo = e–mcd wobei φe der Ausgangsstrom von dem ersten IR-Sensor
ist; φo der Eingangsstrom von dem zweiten IR-Sensor
ist, m eine Konstante des Analyten ist; d die Pfadlänge ist
und c die Konzentration des Analyten ist. Unter Verwendung der vorangehenden
Gleichung ist es möglich,
die Konzentration des Analyten, der von Interesse ist, zu berechnen.
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Es
wurde bereits erwähnt,
dass der zweite Detektor in dem Pfad des Strahls vor dem Filter
angeordnet ist, und somit die ungefilterte Strahlung empfängt, die
direkt von der Messkammer austritt. Er darf jedoch nicht in den
Pfad des Strahls gebracht werden, da er andernfalls die Strahlung
verschleiern würde.
Vorzugsweise ist der zweite Detektor in dem Reflexi onsbereich des
Filters angeordnet und empfängt
die ungefilterte Strahlung, die von der Vorderseite des Filters
reflektiert wird.
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Die
erste Sensoranordnung umfasst mindestens zwei Sensoren, die in der
Gegenwart eines chemischen Stimulus eine erste Antwort erzeugen
können.
Die zweite Sensoranordnung umfasst mindestens zwei Infrarotsensoren,
die beispielsweise in der Gegenwart eines physikalischen Stimulus
eine zweite Antwort erzeugen können;
einen Verbinder, der jeden der Sensoren, die die mindestens zwei
Sensoranordnungen umfassen, mit einer zentralen Verarbeitungseinheit
verbindet, die die ersten und zweiten Antworten aufnimmt und speichert;
und einen Analysator, der ausgebildet ist, um eine Vielzahl an Antworten
von den mindestens zwei Sensoranordnungen zu analysieren, wobei
der Analysator die Analyten in der Umgebung überwacht.
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6 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform von noch einem anderen
Sensormodul, das eine einzelne Sensoranordnungseinrichtung 60 umfasst.
In einer spezifischen Ausführungsform
umfasst die Sensoranordnungseinrichtung 60 Zweiunddreißig chemisch
empfindliche Sensoren, die in einem zweidimensionalen Gitter angeordnet
sind, und ist in einer im allgemeinen horizontalen Ausrichtung auf
einen Sockel 61 montiert. Natürlich kann die Sensoranordnungseinrichtung 60 eine
größere oder
kleinere Anzahl an Sensoren umfassen.
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Wie
es in 7 gezeigt ist, wird die Testprobe, die analysiert
wird, von einer Einlassöffnung 71 zu
einer Messkammer 75 geleitet, und von dort dahin, wo sie über die
chemisch empfindlichen Sensoren 70 hinwegtritt. Die Testprobe
tritt dann durch eine Auslassöffnung
aus. Es sei wieder angemerkt, dass verschiedene alternative chemisch
empfindliche Sensoren und Einrichtungen ebenfalls verwendet werden
könnten.
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8 erläutert eine
in der Hand gehaltene Einrichtung der vorliegenden Erfindung. Wie
es hierin erläutert
ist, umfasst die in der Hand gehaltene Einrichtung 80 ein
lang gestrecktes Gehäuse 81 mit
einem unteren Ende, das eine Größe aufweist,
um bequem durch die Hand eines Bedieners ergriffen und getragen
werden zu können.
Ein Display 82 und verschiedene Druckknopfsteuerschalter 83a bis 83c sind
an der Oberseite des Gehäuses
angeordnet, damit sie der Bediener bequem Erkennen und auf sie Zugreifen
kann. Die Druckknopfschalter 83 werden verwendet, um die
Einrichtung während
ihrer verschiedenen Betriebsarten zu steuern. Das Display 82 zeigt
Informationen über
solche Betriebsarten und die Ergebnisse der Erfassung der Einrichtung
an.
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In
bestimmten Ausführungsformen
kann die Identifikation von Analyten und die Bestimmung einer Probenkonzentration
durch einen "Analysator" ausgeführt werden.
(Siehe die US-Patentanmeldung Seriennr. 09/518,179, die am 02. März 2000
einereicht wurde). Der Analysator kann, wie er hierin verwendet wird,
ein Prozessor, ein DSP-Prozessor, ein speziell entworfener ASIC
sein, oder durch andere Schaltkreise gebildet sein, die entworfen
sind, um die hierin beschriebenen Analysefunktionen auszuführen. Der Analysator
kann auch ein Universalprozessor sein, der Programmcodes ausführt, die
geschrieben wurden, um die erforderlichen Analysefunktionen auszuführen.
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In
einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung Sensoreinrichtungen
bereit, die für
eine Feuer- und Rauchdetektion geeignet sind. In bestimmten Fällen ist
der effektivste Weg, einen Feuerausbruch zu detektieren, Endprodukte
des Oxidationsprozesses ausfindig zu machen und zu detektieren.
Diese drei elementaren Einheiten (Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff)
und drei Verbindungen (Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserdampf) sind
immer an den nachfolgenden chemischen Reaktionen oder der Verbrennung
bei einem Feuer beteiligt.
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In
bestimmten bevorzugten Aspekten kann Kohlendioxid, das sogleich
zu Beginn des Feuers reichlich erzeugt wird, einfach unter Verwendung
von nicht dispersiven Infrarottechniken (NDIR) der vorliegenden
Erfindung genau gemessen werden. Der durchschnittliche Pegel der
Konzentration des Kohlendioxids in der Umgebung von ungefähr 200 ppm verhindert
die Detektion von zusätzlichen
durch das Feuer verursachte Größen nicht,
solange der Kohlendioxidsensor so entworfen ist, dass er solch eine gute
Empfindlichkeit aufweist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Strahlung von einer Quelle eines quasi-schwarzen Körpers, die
elektrisch gepulst ist, durch eine Gasprobenkammer zu einem Detektor
geleitet, der mit einem Einzel-Durchlassbandfilter
ausgestattet ist, dessen Durchlassbereich in einem Band starker
Absorption von Kohlendioxid liegt. In der bevorzugten Ausführungsform
wird das Absorptionsband bei 4,26 μm verwendet.
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Der
Detektor erzeugt ein elektrisches Signal, das mit der Intensität der Strahlung
in Beziehung steht, die auf ihn fällt. Dieses Signal verringert
sich, wenn sich die Konzentration von Kohlendioxid in der Probenkammer
erhöht,
wenn das Feuer sich ausbreitet. Ein elektronischer Schaltkreis,
der auf dieses Signal antwortet, erzeugt Signale, die für die Konzentration
des Kohlendioxids repräsentativ
sind, und für die Änderungsrate
der Konzentration repräsentativ sind.
Diese Signale werden mit vorhandenen Schwellpegeln verglichen, und
ein Alarm wird entsprechend einer integrierten Regel erzeugt.
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III. SENSOREN
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In
einer Ausführungsform
enthält
die Mehrfacherfassungseinrichtung der vorliegenden Erfindung mindestens
zwei Sensoranordnungen. In bestimmten Aspekten umfasst die erste
Sensoranordnung mindestens zwei Sensoren, die in der Gegenwart eines
chemischen Stimulus eine erste Antwort erzeugen können. Geeignete
chemische Stimuli, die detektiert werden können, umfassen einen Dampf,
ein Gas, eine Flüssigkeit,
einen Festkörper,
einen Geruch oder Mischungen aus diesen, aber sind nicht auf diese
beschränkt.
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Geeignete
Sensoren für
die Systeme und Einrichtungen der vorliegenden Erfindung, die die erste
Sensoranordnung umfassen, umfassen Sensoren mit leitenden/nicht
leitenden Bereichen, einen SAW-Sensor, einen Quarzmikrowaagensensor,
einen Sensor mit leitender Zusammensetzung, einen chemischen Widerstand,
einen Metalloxidgassensor, einen Sensor mit organischem Gas, einen
MOSFET, eine piezoelektrische Einrichtung, einen Infrarotsensor,
einen Sintermetalloxidsensor, einen Pd-Gate-MOSFET, einen Metall-FET-Aufbau,
eine elektrochemische Zelle, einen Sensor mit leitendem Polymer,
einen Katalysatorgassensor, einen Sensor mit organischem halbleitenden
Gas, einen Festkörperelektrolytgassensor
und einen piezoelektrischen Quarzkristallsensor, aber sind nicht
auf diese beschränkt.
Es sollte Fachleuten leicht deutlich werden, dass die Anordnung
der elektronischen Nase Kombinationen der vorhergehenden Sensoren
umfassen kann.
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In
bestimmten Ausführungsformen
kann ein zweiter Sensor ein einzelner Sensor oder eine Sensoranordnung
sein, der oder die in der Gegenwart von physikalischen Stimuli eine
zweite Antwort erzeugen kann oder können. Die Sensoren zur physikalischen
Detektion detektieren physikalische Stimuli. Geeignete physikalische
Stimuli umfassen thermische Stimuli, Strahlungsstimuli, mechanische
Stimuli, Druck, visuelle, magnetische Stimuli und elektrische Stimuli,
aber sind nicht auf diese beschränkt.
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Thermische
Sensoren können
Stimuli detektieren, die Temperatur, Wärme, Wärmeströmung, Entropie, Wärmekapazität, etc.
umfassen, aber nicht auf diese beschränkt sind. Strahlungssensoren
können
Stimuli detektieren, die Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, Ultraviolettstrahlen,
sichtbare, Infrarot-, Mikrowellen und Funkwellen umfassen, aber
nicht auf diese beschränkt
sind. Mechanische Sensoren können
Stimuli detektieren, die Verschiebung, Geschwindigkeit, Beschleunigung,
Kraft, Drehmoment, Druck, Masse, Strömung, akustische Wellenlänge und
Amplitude umfassen, aber nicht auf diese beschränkt sind. Magnetische Sensoren
können
Stimuli detektieren, die Magnetfeld, Fluss, magnetisches Moment,
Magnetisierung und magnetische Permeabilität umfassen, aber nicht auf
diese beschränkt sind.
Elektrische Sensoren können
Stimuli detektieren, die Ladung, Strom, Spannung, Widerstandswert, Leitfähigkeit,
Kapazität,
Induktivität,
dielektrische Permittivität,
Polarisation und Frequenz umfassen, aber nicht auf diese beschränkt sind.
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In
bestimmten Ausführungsformen
sind thermische Sensoren zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
geeignet, die Thermoelemente, wie beispielsweise halbleitende Thermoelemente, Rauschthermometrie,
Thermoschalter, Thermistoren, Metallthermistoren, halbleitende Thermistoren, Thermodioden,
Thermotransistoren, Kalorimeter, Thermometer, Indikatoren und Faseroptik
umfassen, aber nicht auf diese beschränkt sind.
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In
anderen Ausführungsformen
sind verschiedene Strahlungssensoren zur Verwendung in der vorliegenden
Erfindung geeignet, die Mikrosensoren für Kernstrahlung, wie beispielsweise
Szintillationszähler
und Festkörper detektoren,
Ultraviolett-, Mikrosensoren für
sichtbare Strahlung und Strahlung in der Nähe von Infrarot, wie beispielsweise
fotoleitfähige
Zellen, Fotodioden, Fototransistoren, Infrarotstrahlungsmikrosensoren;
wie beispielsweise fotoleitfähige
IR-Sensoren und pyroelektrische Sensoren umfassen, aber nicht auf
diese beschränkt
sind. Optische Sensoren detektieren auch sichtbare Wellen, Wellen
im nahen Infrarot und Infrarotwellen.
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In
bestimmten anderen Ausführungsformen sind
verschiedene mechanische Sensoren zur Verwendung in der vorliegenden
Erfindung geeignet, und umfassen Verschiebungsmikrosensoren, Sensoren
für kapazitive
und induktive Verschiebung, Sensoren für optische Verschiebung, Ultraschallverschiebungssensoren,
pyroelektrische, Geschwindigkeits- und Strömungsmikrosensoren, Transistorströmungsmikrosensoren,
Beschleunigungsmikrosensoren, piezoresistive Mikrobeschleunigungsmesser, Kraft-,
Druck- und Spannungsmikrosensoren und piezoelektrische Kristallsensoren,
aber sind nicht auf diese beschränkt.
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In
bestimmten anderen Ausführungsformen sind
verschiedene chemische oder biochemische Sensoren zur Verwendung
in der vorliegenden Erfindung geeignet, und umfassen Metalloxidgassensoren,
wie beispielsweise Zinnoxidgassensoren, Sensoren mit organischen
Gasen, Chemokondensatoren, Chemodioden, wie beispielsweise eine
anorganische Schottky-Einrichtung,
einen Metalloxidfeldeffekttransistor (MOSFET), piezoelektrische
Einrichtungen, ionenselektive FET für pH-Sensoren, polymere Feuchtigkeitssensoren,
Sensoren mit elektrochemischen Zellen, Pellistorgassensoren, piezoelektrische
Sensoren oder Sensoren für
oberflächenakustische
Wellen, Infrarotsensoren, Oberflächenplasmonensensoren
und faseroptische Sensoren, aber sind nicht auf diese beschränkt.
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Verschiedene
andere Sensoren, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
geeignet sind, umfassen Sintermetalloxidsensoren, Phthalocyaninsensoren,
Membranen, einen Pd-Gate-MOSFET, elektrochemikalische Zellen, leitende
Polymersensoren, Lipidbeschichtungssensoren und Metall-FET-Strukturen,
aber sind nicht auf diese beschränkt.
In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
umfassen die Sensoren Metalloxidsensoren wie beispielsweise Tuguchi-Gassensoren,
Katalysatorgassensoren, Sensoren mit organischem halbleitenden Gas,
Festkörperelektrolytgassensoren,
piezoelektrische Quarzkristallsensoren, Faseroptiksonden, eine Einrichtung
eines mikroelektromechanischen Systems, eine Einrichtung eines mikrooptoelektromechanischen
Systems und Langmuir-Blodgett-Filme,
aber sind nicht auf diese beschränkt.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst die vorliegende Erfindung eine Detektion unter Verwendung
von Sensoren, wie sie in dem US-Patent Nr. 5,814,524 offenbart sind,
das für
Walt et al. am 29. September 1998 erteilt wurde. Darin ist ein System
zur optischen Detektion und Identifikation offenbart, das einen
optischen Sensor, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen
Erfassung zum Detektieren und Auswerten von einem oder mehreren Analyten,
die von Interesse sind, entweder allein oder in Mischungen, umfasst.
Das System umfasst ein stützendes
Element und eine Anordnung, die aus heterogenen, semiselektiven
Polymerfilmen gebildet ist, die als Erfassungsrezeptoreinheiten
arbeiten und unter Verwendung von spektralen Erkennungsmustern eine
Vielzahl an verschiedenen Analyten detektieren können. Unter Verwendung von
diesem System ist es möglich,
ein Betrachten und chemisches Erfassen mit bildgebenden chemischen
Fasersensoren zu kombinieren.
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IV. SENSORAUSWAHL
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In
bestimmten Ausführungsformen
umfasst das System der vorliegenden Erfindung einen Algorithmus
zur Optimierung von Sensorausführungsarten. 9 stellt
ein Flussdiagramm des Optimierungsalgorithmus dar, durch welchen
die Sensorauswahl durchgeführt
wird. Das Diagramm ist lediglich eine Erläuterung und sollte den Schutzumfang
der Ansprüche
hierin nicht beschränken.
Andere Variationen, Abwandlungen und Alternativen sollten Fachleuten
leicht deutlich werden.
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Unter
den Sensoren verschiedener Typen ist es möglich, dass Sensoren einer
bestimmten Art oder Ausführungsart
für eine
bestimmte Anwendung besser geeignet sind. Das System der vorliegenden Erfindung
sammelt Antworten von Sensoren verschiedener Typen, und wendet einen
Algorithmus zur Auswahl eines geeigneten Sensors an, um optimale Sensortypen
oder -ausführungsarten
für eine
bestimmte Verwendung oder Anwendung zu bestimmen. In bestimmten
Aspekten wird ein genetischer Algorithmus verwendet. Der genetische
Algorithmus der vorliegenden Erfindung kann für eine Auswahl einer prädiktiven
Variablen bei Klassifizierungs- oder Regressionsmodellen verwendet
werden.
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In
Schritt 901 umfasst die Starteingabe eine Matrix von Prädiktorvariablen
(Sensorantworten) und eine Matrix von vorhergesagten Variablen (kategorische
oder kontinuierliche Variablen). Der Ausgang ist eine Population 990,
die die Fitness-Konvergenzkriterien, die in dem genetischen Algorithmus
umfasst sind, bestanden hat. Die Fitness der Endmitglieder der Population
wird bereitgestellt, und Mitglieder der Endpopulation enthalten
1en und 0en. Wie es unten gezeigt ist, bedeutet eine 1, dass eine
Variable umfasst war, und eine 0 bedeutet, dass sie nicht umfasst war.
Die Fitness hängt
von einer Vielzahl an Auswahlkriterien ab. Geeignete Sensorauswahlkriterien umfassen
die Vorhersagefehlerrate, den Typ von Analyt der detektiert werden
soll, eine Sensorverfügbarkeit,
Kosten, Leistungsverbrauch, Umgebungsbedingungen, Polymerauswahl,
etc., aber sind nicht auf diese beschränkt. Zum Beispiel antworten
bestimmte Analyten stärker
auf bestimmte Polymertypen, zum Beispiel antworten Ammoniak und
Methanol auf Polypyrrol. Zusätzlich
werden Analyten aus brennbarem Gas leicht mit Metalloxidsensoren
detektiert.
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Der
genetische Algorithmus der vorliegenden Erfindung hilft bei der
Bestimmung, welcher Sensortyp in einer bestimmten Anordnung für eine bestimmte
Anwendung verwendet werden soll. Der Auswahlvorgang kann während oder
nach dem Erfassungsvorgang durchgeführt werden, oder er kann ein
iterativer Auswahlvorgang sein. In bestimmten Aspekten sind die
Sensoren verschiedener Ausführungsarten,
Typen oder Arten für
eine bestimmte Anwendung geeigneter. Das System der vorliegenden Erfindung
sammelt Antworten von Sensoren verschiedener Typen und wendet Algorithmen
zur Auswahl geeigneter Sensoren an, um für seine bestimmte Anwendung
optimale Sensortypen zu bestimmen.
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In
bestimmten Aspekten basieren die genetischen Algorithmen auf Prinzipien
der natürlichen Evolution
und Auswahl. Zuerst wird eine zufällige Population möglicher
Modelle (Lösungen) 910 oder
eine erste Generation ausgewählt.
In einer Ausführungsform
wird ein mögliches
Modell in einer binären
Form erzeugt, in der eine 1 angibt, dass eine Sensorvariable (oder
ein Term, der davon hergeleitet wird) umfasst ist, und eine 0 angibt,
dass eine Sensorvariable nicht umfasst ist, zum Beispiel können Mitglieder
in einer Population die Formen aufweisen:
00111001011101...
11101010011000...
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Für jeden
Modellaufbau wird zur Auswertung 920 eine Klassifizierungs- oder Regressionsanalyse ausgeführt, und
die Vorhersagefehlerrate wird bestimmt, auf der die Fitness-Kriterien
basieren 925. Die Modelle werden dann auf der Grundlage
der Fitness-Kriterien eingeordnet. Die Modellformen mit dem niedrigsten
Vorhersagefehler können
bestehen bleiben und sich vermehren. Paare dieser Modelle werden
zufällig
unter Verwendung einer Kreuzungstechnik 940 ausgewählt, um
sich zu vermehren. Neue Generationen und Mutationen 945 werden
somit erzeugt. Fitness-Kriterien
werden wieder angewandt. Der Vorgang wird bis zu den maximalen Generationen,
die erlaubt sind, fortgeführt, 950,
bevor der Algorithmus endet und die Endpopulation 990 prüft. Der
Algorithmus kann auch enden, wenn die Konvergenzkriterien erreicht
sind 960. Die Ausgabe ist die Endpopulation 990 entweder
bei Konvergenz 960 oder bei maximal erlaubten Generationen 950. Die
Variablen, zum Beispiel Sensoren, die in der Endpopulation am stärksten vorhanden
sind, sind die, die ausgewählt
werden. Somit kann durch Verwenden des genetischen Algorithmus der
vorliegenden Erfindung der beste Sensor für die bestimmte Anwendung bestimmt
werden.
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In
einer Ausführungsform
wird der erweiterte kompakte genetische Algorithmus (ECGA von Extended
Compact Genetic Algorithm) verwendet. Auf der Grundlage der Analyse,
die diesen Algorithmus verwendet, können empirische Beziehungen
für eine Populationsgröße und Konvergenzzeit
hergeleitet werden, und werden mit den existierenden Beziehungen
verglichen. Nach einem Anwenden des ECGA wird eine Auswahl eines
optimalen Sensors mit einer verbesserten Effizienz der Sensorauswahlfähigkeiten
des Systems erhalten.
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Eine
Sensor-/Merkmalsauswahl kann eine Wellenlängenauswahl (Lucasius, C. B.;
Beckers, M. L. M.; Kateman, G., Anal. Chim. Acta 1994, 286, 135–153 und
Vankeerberghen, P.; Smeyers-Verbeke, J.; Leardi, R.; Karr, C. L.;
Massart, D. L. Chemom. Intell. Lab. Syst. 1995, 28, 73–87); eine
Merkmalsauswahl (Leardi, R. J. Chemom. 1994, 8, 65–79.); und eine
Auswahl kinetischer Parameter (Hibbert, D. B., Chemom. Intell. Lab.
Syst. 1993, 19, 319–329)
umfassen.
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In
einer anderen Ausführungsform
wird der genetische Bayes'sche
Optimierungsalgorithmus (BOA) mit Entscheidungsgraphen eingesetzt
(Pelikan, Goldberg & Sastry,
2000). Der BOA stellt eine verbesserte Optimierung einer Sensorauswahl
für verschiedene
Anwendungen bereit.
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Die
Computerplattform, die verwendet wird, um die obige Ausführungsform
zu implementieren, umfasst Computer der Pentium-Klasse, Power PC-Computer,
Digital-Computer, SunMicrosystems-Computer, etc.; Computerbetriebssysteme
können
WINDOWS NT, DOS, MacOs, UNIX, VMS, etc. umfassen; Programmiersprachen
können
C, C++, Pascal, JAVA, eine objektorientierte Sprache, etc. umfassen.
Verschiedene Abwandlungen der erläuterten Ausführungsformen
sowie andere Ausführungsformen
der Erfindung sollten Fachleuten in Bezug auf diese Beschreibung
leicht deutlich werden. Eine Anzahl der obigen Vorgänge kann
getrennt oder in Hardware, Software oder beiden kombiniert sein, und
die verschiedenen Ausführungsformen,
die beschrieben sind, sollten nicht beschränkend sein.
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V. ANALYSE
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Verschiedene
Analysen, die zum Identifizieren von Analyten und Quantifizieren
einer Konzentration geeignet sind, umfassen eine Hauptkomponentenanalyse,
eine Linearanalyse nach Fischer, neuronale Netze, genetische Algorithmen,
Fuzzy-Logik, Mustererkennung und andere Algorithmen, aber sind nicht
auf diese beschränkt.
Nachdem die Analyse abgeschlossen ist, werden die sich ergebenden
Informationen auf einer Anzeige angezeigt oder zu einem Host-Computer übertragen.
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Viele
der Algorithmen sind Algorithmen auf der Grundlage von neuronalen
Netzen. Ein neuronales Netz weist eine Eingangsschicht, Verarbeitungsschichten
und eine Ausgangsschicht auf. Die Informationen in einem neuronalen
Netz werden über
die Verarbeitungsschichten verteilt. Die Verarbeitungsschichten
sind aus Knoten gebildet, die die Neuronen durch ihre Verbindungen
zu ihren Knoten simulieren.
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Im
Betrieb werden die Sensordaten, wenn ein neuronales Netz mit einer
Sensoranordnung kombiniert wird, durch die Netze ausgebreitet. Auf diese
Weise wird eine Reihe von Vektormatrixmultiplikationen ausgeführt, und
unbekannte Analyten können
leicht identifiziert und bestimmt werden. Das neuronale Netz wird
durch Korrigieren der falschen oder unerwünschten Ausgänge von
einer gegebenen Eingabe trainiert. Ähnliche wie statistische Analyse die
zugrunde liegenden Muster in einer Sammlung von Daten aufdeckt,
ordnen neuronale Netze konsistente Muster auf der Grundlage von
vorbestimmten Kriterien in einer Sammlung von Daten an.
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Geeignete
Mustererkennungsalgorithmen umfassen Hauptkomponentenanalyse (PCA),
Fisher Linear Discriminant-Analyse (FLDA), Soft Independent Modeling
of Class Analogy (SIMCA), K-nearest Neighbors (KNN), neuronale Netze,
genetische Algorithmen, Fuzzy-Logik und andere Mustererkennungsalgorithmen,
aber sind nicht auf diese beschränkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Fisher Linear Discriminant-Analyse (FLDA) und die Canonical Discriminant-Analyse
(CDA) und Kombinationen aus diesen verwendet, um die Ausgangssignatur und
die ver fügbaren
Daten von der elektronischen Bibliothek zu vergleichen. Die Arbeitsprinzipien
verschiedener Algorithmen, die zur Verwendung in der vorliegenden
Erfindung geeignet sind, sind offenbart (siehe Shaffer et al., Analytica
Chimica Acta, 384, 305–317
(1999)).
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In
bestimmten Fällen
wird eine statistische Metrik verwendet, wie es in der WO 99/61902,
die am 02. Dezember 1999 veröffentlicht
wurde, offenbart ist. Ein Verfahren zum Unterscheiden von verschiedenen
Gerüchen
und Dampf ist hierin offenbart. Die Verfahrensschritte umfassen,
dass eine Vielzahl an d Sensoren in einer Anordnung bereitgestellt
wird, wobei jeder Sensor verschiedene elektrische Antworten auf
verschiedene Gerüche
hat; die Sensoren ersten und zweiten Gerüchen ausgesetzt werden; erste
und zweite Datenpunktsätze
von jedem der Sensoren erzeugt werden, wobei jeder Satz dem ersten
oder zweiten Geruch entspricht und jeder Datenpunkt durch einen
Vektor in einem d-dimensionalen Raum dargestellt wird; eine Achse
in dem d-dimensionalen Raum bestimmt wird, wobei die Achse die Eigenschaft
aufweist, dass Projektionen der Datenpunkte auf die Achse in dem
d-dimensionalen Raum eine optimale Trennung aufweisen; und der erste
Geruch von dem zweiten Geruch durch die Trennung gelöst wird.
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In
anderen Ausführungsformen
wird die Hauptkomponentenanalyse verwendet. Die Hauptkomponentenanalyse
(PCA) umfasst eine mathematische Technik, die eine Anzahl an in
Korrelation stehenden Variablen in eine kleinere Anzahl an nicht
in Korrelation stehenden Variablen transformiert. Die kleinere Anzahl
an nicht in Korrelation stehenden Variablen ist als Hauptkomponenten
bekannt. Die erste Hauptkomponente oder der erste Eigenvektor trägt zu der
Variabilität
in den Daten soviel wie möglich
bei, und jede nachfolgende Komponente trägt zu der verbleibenden Variabilität so viel
wie möglich
bei. Das Hauptziel der PCA ist es, die Dimensio nalität des Datensatzes
zu reduzieren, und neue grundlegende Variablen zu identifizieren.
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In
der Praxis vergleicht die PCA die Struktur von zwei oder mehr Kovarianzmatrizen
auf eine hierarchische Art und Weise. Zum Beispiel könnte eine Matrix
mit einer anderen identisch sein, mit der Ausnahme, dass jedes Element
der Matrix mit einer einzigen Konstante multipliziert ist. Die Matrizen
sind somit proportional zueinander. Spezieller. teilen die Matrizen
identische Eigenvektoren (oder Hauptkomponenten), aber ihre Eigenwerte
unterscheiden sich durch eine proportionale Konstante. Eine andere
Beziehung zwischen Matrizen ist, dass sie gemeinsam Hauptkomponenten
teilen, aber ihre Eigenwerte sich unterscheiden. Die mathematische
Technik, die in der PCA verwendet wird, wird Eigenanalyse genannt. Der
Eigenvektor, der zu dem größten Eigenwert
gehört,
hat die gleiche Richtung wie die erste Hauptkomponente. Der Eigenvektor,
der zu dem zweitgrößten Eigenwert
gehört,
bestimmt die Richtung der zweiten Hauptkomponente. Die Summe der
Eigenwerte ist gleich der Spur der hermitischen Matrix, und die
maximale Anzahl an Eigenvektoren ist gleich der Anzahl an Zeilen
dieser Matrix. (siehe Advances in Multivariate Statistical Analysis,
S. 31–43,
in A. K. Gupta (Hrsg.), Reidel, Boston; und Flury, B. (1988) Common
Principal Components and Related Multivariate Models, Wiley, New
York). Es sind statistische Pakete und Softwareprogramme zum Ausführen von einer
Hauptkomponentenanalyse im Handel erhältlich (SAS Institute Inc.,
Cary, North Carolina, USA oder www.sas.com).