СИСТЕМА И СПОСОБ НЕИНВАЗИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ЯЙЦА
SYSTEM AND METHOD FOR NON-INVASIVE DETERMINATION OF EGG PROPERTIES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе и способу неинвазивного определения свойств яйца.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ниже перечислены ссылки на документы, являющиеся релевантными в качестве уровня техники для объекта изобретения, раскрытого в настоящей заявке:
патент США 4955728
патент США 4671652
опубликованная заявка на патент США номер: 2016/050891
опубликованная заявка на патент США номер: 2004/107912
опубликованная заявка на патент США номер: 2009/091742
опубликованная патентная заявка PCT номер: WO14/086335
опубликованная патентная заявка PCT номер: WO15/145435
"Gender Identification of Chicks Prior to Hatch" 50™ Annual National Breeders Roundtable, Сент-Луис, Миссури, 3-4 мая, 2001
Webster B, Hayes W, Pike TW (2015) "Avian Egg Odour Encodes Information on Embryo Sex, Fertility and Development" PLoS ONE 10(1): e0116345.
Opt Express. 2015 Feb 9;23(3):2048-57. doi: 10.1364/OE.23.002048 "Terahertz volatile gas sensing by using polymer microporous membranes."
Ссылки на указанные источники, приведенные в настоящей заявке, не следует понимать как означающие, что они каким-либо образом относятся к патентоспособности объекта изобретения, раскрытого в настоящей заявке.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Яйца, предназначенные для выведения с получением живой птицы, обычно просвечивают во время эмбрионального развития для определения прозрачных, некачественных и мертвых яиц (в настоящей заявке все из них названы «нежизнеспособными яйцами»). Нежизнеспособные яйца исключают из разведения для увеличения свободного пространства инкубатора. В патенте США No. 4955728, выданном на имя Hebrank, описано просвечивающее устройство, в котором для обнаружения жизнеспособных яиц используются инфракрасные датчики и испускаемое яйцом инфракрасное излучение. В патенте США No. 4671652, выданном на имя Asselt et al., описано просвечивающее устройство, в котором множество источников света и соответствующие оптические датчики расположены в определенном порядке, и в котором яйца проходят между источниками света и оптическими датчиками для определения жизнеспособных яиц.
В коммерческих инкубаторах яйца во время инкубации обычно содержат в инкубационных лотках. В выбранное время, обычно на восемнадцатый день инкубации, яйца удаляют из инкубатора. Неподходящие яйца (а именно: яйца, содержащие мертвые эмбрионы, некачественные эмбрионы, яйца, не содержащие эмбрионов, и прозрачные яйца) обнаруживают и удаляют, а жизнеспособные яйца обрабатывают (например, прививают) и затем переносят в инкубационные корзины.
При управлении инкубаторием может быть желательным разделять птиц на основании различных характеристик, таких как пол, заболевания, генетические особенности и т.д. Например, может быть желательным прививать самцов птиц конкретной вакциной, а самок птиц прививать другой вакциной. Разделение птиц по признаку пола при выведении также может быть важным и по другим причинам. Например, индеек, как правило, разделяют по признаку пола из-за разной скорости роста и потребности в питательных веществах самцов и самок индеек. В производстве инкубационных или пищевых яиц желательно оставлять только самок птиц. В разведении бройлеров желательно разделять птиц по признаку пола для большей эффективности использования кормов, улучшения равномерности производства и снижения стоимость производства.
К сожалению, традиционные способы определения пола птиц могут быть дорогостоящими, трудоемкими, затратными по времени и обычно требуют наличия подготовленного персонала, обладающего специальными навыками. Традиционные способы определения пола птиц включают определение пола по махровому перу, определение пола клоакальным методом и определение пола по крови или ДНК. Методом махрового пера можно определить пол приблизительно трех тысяч (3000) цыплят в час по цене приблизительно от 0,7 до 2,5 центов за цыпленка. Клоакальным методом можно определить пол приблизительно полутора тысяч (1500) цыплят в час по цене приблизительно от 3,6 до 4,8 центов за цыпленка. Определение пола по ДНК или крови выполняют путем анализа небольшого образца крови, взятого у птицы.
Было бы желательно определять пол птиц, а также другие свойства птиц до выведения. Определение пола до выведения может значительно снизить стоимость различных элементов птицеводства, и сократить или даже исключить нежелательное убийство птенцов мужского пола. Несмотря на то, что традиционные методики просвечивания позволяют довольно эффективно отличать жизнеспособные и нежизнеспособные яйца, указанные традиционные методики просвечивания не позволяют эффективно определять пол и другие свойства невылупившихся птиц.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к применению терагерцевого излучения (ТГц) для разделения птиц по признаку пола. Термин «ТГц излучение» в настоящей заявке, как правило, относится к любой частоте электромагнитных волн, лежащей в диапазоне от приблизительно 100 ГГц до 30 ТГц. Более конкретно, в настоящем изобретении предложены способ и система сбора летучих органических соединений и/или смеси соединений, и применение основанного на ТГц излучении обнаружения сигнатуры указанных собранных соединений для определения свойств яйца. Свойства яйца включают пол и/или фертильность. Термин «летучие соединения» или «ЛОС» в настоящей заявке, как правило, относится к летучему органическому соединению и/или смеси соединений.
Летучие соединения, выделяемые яйцами при развитии, передают информацию о фертильности яйца, а также о поле и стадии развития эмбриона. В частности, летучие соединения в яйцах, претерпевшие изменения во время инкубации, отличаются у оплодотворенных и неоплодотворенных яиц, и позволяют прогнозировать пол эмбриона непосредственно в 1 день после откладывания и до инкубации.
Методика согласно настоящему изобретению позволяет обнаруживать летучие соединения до инкубации яйца, благодаря методике ТГц спектроскопии, позволяющей обнаруживать вещества/соединения при очень низких концентрациях, ниже м.д. (миллионные доли).
Методика с применением ТГц излучения позволяет различать яйца, содержащие эмбрионы мужского и женского пола, а также неоплодотворенные яйца с первого дня. Летучие органические соединения (ЛОС), образующиеся и выделяемые яйцами, несут информацию, касающуюся фертильности и пола. Указанные ЛОС собирают через пористую яичную скорлупу. Яйца каждого пола, а также неоплодотворенные яйца имеют уникальную смесь ЛОС, которую можно определить с помощью ТГц технологии. Как правило, яйца отбирают с использованием вакуумной всасывающей системы, и ЛОС улавливают в разряжаемый под давлением конденсатор. Система для сбора содержит вакуумный захват, содержащий разряжаемый под давлением конденсатор, выполненный в виде проницаемой под давлением мембраны, таким образом, что когда яйцо удерживается вакуумным захватом (т.е. удерживается при помощи системы всасывания), разряжаемый под давлением конденсатор расположен на пути прохождения ЛОС, выделяемых яйцом через скорлупу. Вакуум ускоряет поток летучих соединений, а использование разряжаемого под давлением конденсатора обеспечивает улавливание собранных летучих органических соединений с помощью мембраны при воздействии отрицательного давления (т.е. вакуума). Затем яйца сканируют с помощью ТГц волн и обнаруживают специфические ЛОС для каждого пола и/или неоплодотворенных яиц на основе индивидуальной области поглощения скелетных колебаний. Разряжаемый под давлением конденсатор после этого способен высвобождать/выделять уловленные пары с помощью стадии, включающей также положительное или отрицательное давление. Следует отметить, что без воздействия давления (положительного или отрицательного) разряжаемый под давлением конденсатор не может улавливать или высвобождать какие-либо вещества.
Таким образом, в соответствии с основным аспектом настоящего изобретения предложена система определения одного или более свойств яйца перед инкубацией. Указанная система содержит по меньшей мере один вакуумный захват, содержащий разряжаемый под давлением конденсатор и блок управления, выполненный с возможностью получения данных, указывающих на собранные летучие органические соединения, сканируемые с помощью электромагнитного излучения в ТГц диапазоне, и обработки указанных данных для регистрации импульса, указывающего на по меньшей мере одно свойство яйца, тем самым образуя информационные данные, указывающие на по меньшей мере одно свойство яйца. Вакуумный захват выполнен с возможностью удерживания яйца с помощью системы всасывания, а разряжаемый под давлением конденсатор расположен на пути распространения летучих органических соединений, выделяемых яйцом. Разряжаемый под давлением конденсатор выполнен с возможностью улавливания собранных летучих органических соединений.
Термин «разряжаемый под давлением конденсатор» относится к проницаемой под давлением мембране, способной улавливать летучие соединения при воздействии отрицательного давления и высвобождать/выделять такие уловленные летучие соединения, при необходимости, при воздействии давления, включая положительное давление.
Согласно некоторым вариантам реализации, блок управления выполнен с возможностью распознавания паттерна сигнатуры.
Согласно некоторым вариантам реализации, разряжаемый под давлением конденсатор выполнен с возможностью улавливания собранных летучих органических соединений в течение периода времени меньшего, чем период времени, затраченный на транспортировку яйца из каретки на конвейер. Указанный период времени может составлять менее 5 секунд.
Согласно некоторым вариантам реализации, указанная система дополнительно содержит спектроскопический узел, содержащий блок передачи излучения, выполненный с возможностью сканирования проницаемого конденсатора, удерживающего собранные летучие органические соединения, путем создания электромагнитного излучения в ТГц диапазоне в пределах окна сканирования, составляющего приблизительно 100 ГГц, и блок обнаружения, выполненный с возможностью обнаружения электромагнитного излучения, испускаемого собранными летучими органическими соединениями.
Согласно некоторым вариантам реализации, устройство обнаружения расположено на определенном расстоянии от проницаемого конденсатора. Указанное расстояние может составлять значение меньше длины волны электромагнитного излучения.
Согласно некоторым вариантам реализации, разряжаемый под давлением конденсатор имеет толщину, по меньшей мере в несколько раз превышающую длину волны электромагнитного излучения.
Согласно основному аспекту настоящего изобретения предложен способ определения одного или более свойств яйца до инкубации. Указанный способ включает получение данных, указывающих на то, что собранные летучие органические соединения просканированы электромагнитным излучением в ТГц диапазоне, и обработку указанных данных для определения сигнатуры, указывающей на по меньшей мере одно свойство, выбранное из пола и фертильности.
Согласно некоторым вариантам реализации, этап обработки данных для определения сигнатуры включает распознавание паттерна сигнатуры.
Согласно некоторым вариантам реализации, указанный способ дополнительно включает выполнение ТГц спектроскопии яйца.
Согласно некоторым вариантам реализации, указанный способ дополнительно включает сканирование собранных летучих органических соединений электромагнитным излучением в ТГц диапазоне в пределах окна сканирования, составляющего приблизительно 100 ГГц.
Согласно некоторым вариантам реализации, указанный способ дополнительно включает улавливание собранных летучих органических соединений при помощи системы всасывания, причем указанное улавливание осуществляют в течение периода времени меньшего, чем период времени, затраченный на транспортировку яйца из каретки на конвейер.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания объекта, раскрытого в настоящей заявке, и для иллюстрации его осуществления на практике, ниже варианты реализации описаны с помощью неограничивающих примеров со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
На Фиг. 1 приведена блок-схема системы согласно настоящему изобретению для определения свойств яйца перед инкубацией;
Фиг. 2A представляет собой изображение, иллюстрирующее вакуумный захват согласно настоящему изобретению;
Фиг. 2B представляет собой изображение, иллюстрирующее разряжаемый под давлением конденсатор согласно настоящему изобретению;
На Фиг. 3A показана блок-схема, иллюстрирующая методику определения свойств яйца перед инкубацией;
На Фиг. 3B показана блок-схема, иллюстрирующая методику распознавания паттерна согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения;
На Фиг. 4A-4C показаны ТГц спектры, полученные для яиц мужского и женского пола, и конденсатора сравнения соответственно;
На Фиг. 5A-5B показаны ТГц сигнатуры для самца и самки соответственно, полученные с использованием принципов настоящего изобретения; и
На Фиг. 6 показан график, иллюстрирующий стадию классификации паттернов и разделения по признаку пола, построенный при использовании принципов настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поскольку представленные варианты реализации настоящего изобретения преимущественно могут быть осуществлены с использованием электронных компонентов и схем, известных специалистам в области техники, подробности разъяснены ниже в той степени, которая, как показано выше, необходима для понимания и оценки основной идеи настоящего изобретения, чтобы не затруднять понимание или не уходить в сторону от принципов настоящего изобретения.
Любое упоминание в настоящем описании о способе применимо с соответствующими поправками к системе, позволяющей осуществить указанный способ.
Любое упоминание в настоящем описании о системе применимо с соответствующими поправками к способу, который может быть осуществлен с помощью указанной системы.
in ovo
На Фиг. 1 в виде блок-схемы проиллюстрирована система 100 согласно настоящему изобретению, созданная с возможностью определения свойств яиц до инкубации . Система 100 содержит вакуумный захват 102, содержащий разряжаемый под давлением конденсатор 104 и блок управления 106, выполненный с возможностью получения данных, указывающих на летучие органические соединения, высвобождаемые яйцом, сканируемым электромагнитным излучением в ТГц диапазоне, и обработки указанных данных для идентификации ТГц сигнатуры, указывающей по меньшей мере на одно свойство яйца, с целью получения таким образом информационных данных, указывающих по меньшей мере на одно свойство яйца. Известно, что терагерцевое (ТГц) излучение взаимодействует с полярными молекулами через вращательные и/или колебательные уровни перехода. Указанные взаимодействия проявляются как поглощение. Частотный ТГц-спектр, полученный при сканировании разряжаемого под давлением конденсатора, указывает на различные химические вещества, включая летучие органические соединения, имеющие индивидуальные специфические характерные признаки.
Как более подробно описано ниже, блок управления 106 выполнен с возможностью получения и обработки ответного сигнала, испускаемого яйцом, и определение спектральных особенностей, свидетельствующих о ТГц сигнатуре яйца. Например, ТГц сигнатура может содержать информацию о поле и/или фертильности яйца. Таким образом, информация, включенная в ТГц сигнатуру, связана с процессом сортировки. Система 100 выполнена с возможностью применения с по меньшей мере одном яйцом, имеющим свойства, определяемые при исследовании с применением ТГц, таким образом, что после исследования с помощью ТГц анализа можно определить пол и/или фертильность яйца. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что каждый пол (самец или самка) и/или фертильность яйца имеют свою собственную сигнатуру в ТГц диапазоне.
Согласно некоторым вариантам реализации, блок управления 106 выполнен с возможностью распознавания паттерна ТГц сигнатуры. Блок управления 106, как правило, выполнен в виде компьютерного/электронного устройства, содержащего среди прочего такие устройства как устройства ввода и вывода 106A, 106B, память 106C, и устройство обработки информации 106D. Таким образом, устройства блока управления 106 могут быть реализованы с помощью подходящей схемы и/или компонентов программного обеспечения и/или компонентов аппаратного обеспечения, включая машиночитаемый код, созданный для выполнения стадий способа 200 и/или 300, описанных в настоящей заявке.
Признаки настоящего изобретения могут включать стандартную или специализированную компьютерную систему, включая различные компоненты аппаратного обеспечения, более подробно описанные ниже. Признаки, входящие в объем настоящего изобретения, также включают машиночитаемые носители для переноса или хранения машиновыполняемых инструкций, машиночитаемых инструкций, или структуру хранящихся на них данных. Такие машиночитаемые носители могут представлять собой любые доступные носители, доступ к которым осуществляется через стандартную или специализированную компьютерную систему. В качестве примера, и не ограничиваясь указанным, такой машиночитаемый носитель может включать физический носитель информации, такой как RAM, ROM, EPROM, флеш-диск, CD-ROM или другой оптический дисковый накопитель, магнитный дисковый накопитель или другие магнитные запоминающие устройства, или любой другой носитель, который может быть использован для переноса или хранения необходимых средств программного кода в форме машиновыполняемых инструкций, машиночитаемых инструкций, или структуры данных, и доступ к которым может осуществляться через стандартную или специализированную компьютерную систему. Машиночитаемые носители могут содержать компьютерную программу или компьютерное приложение, загружаемое в компьютерную систему по сети, например, через глобальную сеть (WAN), например, Интернет.
В настоящем описании и представленной ниже формуле изобретения «блок управления» определен как один или более модулей программного обеспечения, один или более модулей аппаратного обеспечения или их комбинация, предназначенные для совместной работы для выполнения операций с электронными данными. Например, определение устройства обработки включает компоненты аппаратного обеспечения персонального компьютера, а также модули программного обеспечения, такие как операционная система персонального компьютера. Физическое расположение модулей не имеет значения. Компьютерная система может содержать один или более компьютеров, объединенных в компьютерную сеть. Аналогичным образом, компьютерная система может содержать отдельное физическое устройство, где внутренние модули (такие как память или процессор) работают совместно для выполнения операций с электронными данными. Хотя любая компьютерная система может быть мобильной, термин «мобильная компьютерная система» или термин «мобильное компьютерное устройство», используемые в настоящей заявке, главным образом включают ноутбуки, нетбуки, сотовые телефоны, смартфоны, беспроводные телефоны, персональные цифровые помощники, портативные компьютеры и сенсорные экраны, и тому подобные.
Блок управления 106 согласно настоящему изобретению может быть выполнен как часть узла обработки сигнала и/или в виде портативного (например, переносного) устройства считывания ТГц излучения. Устройство ввода информации 106A содержит модуль передачи данных для получения ответного ТГц сигнала, необязательно устройство вывода информации 106B для создания данных, относящихся к идентифицируемому яйцу (яйцам), память (т.е. энергонезависимый машиночитаемый носитель) 106C для хранения обучающейся базы данных, т.е. предварительно выбранных данных, характеризующих ТГц сигнатуры яиц как функцию от их свойств, и устройство обработки информации 106D, предназначенное для определения пола и фертильности яйца (яиц). База данных может быть построена с помощью Microsoft Access, Cybase, Oracle или других коммерческих систем управления базами данных. Согласно некоторым вариантам реализации система 100 выполнена в облачной конфигурации и/или и/или использует вычисления на базе Интернета таким образом, что части устройства обработки 106D и/или памяти 106C могут располагаться в нескольких различных географических точках. После получения ответного(ых) ТГц сигнала(ов), устройство обработки данных 106D начинает обработку согнала(ов). Результаты этапа обработки сигнала могут быть воспроизведены и/или сохранены на запоминающем устройстве и/или переданы на устройство передачи данных для передачи на устройство сортировки. Память 106C может включать инструкции, выполняемые устройством обработки данных 106D. В результате выполнения инструкций устройство обработки данных 106D может принимать ответный(ые) ТГц сигнал(ы), обрабатывать ответный(ые) ТГц сигнал(ы), определять по меньшей мере одно свойство яйца и выводить с помощью устройства вывода данных 106B сообщения, касающегося свойства указанного яйца. Сообщение может быть передано непосредственно на устройство сортировки для сортировки яиц соответствующим образом, в память 106C и может быть передано с помощью беспроводной и проводной связи внешним устройством в центральную базу данных.
Согласно некоторым вариантам реализации, блок управления 106 активирует спектроскопический узел 108, выполненный с возможностью получения ТГц сигнатуры. Спектроскопический узел 108 необязательно может являться частью системы согласно настоящему изобретению. Устройство обработки 106D подает сигнал на блок передачи ТГц излучения 108A для создания ТГц излучения, проходящего через разряжаемый под давлением конденсатор 104 (находящийся на оптическом пути ТГц излучения). Устройство ввода данных 106A принимает паттерн сигнала излучения с помощью устройства обнаружения излучения 108B. Паттерн сигнала излучения представляет собой излучение, не поглощенное разряжаемым под давлением конденсатором 104. Паттерн сигнала излучения содержит ТГц сигнатуру. Устройство обработки 106D может передавать данные, касающиеся паттерна сигнала (например, пол и/или фертильность) с помощью устройства для вывода данных 106B, с помощью передачи данных (например, через сеть сотовой связи) на модуль передачи данных центрального компьютера. Устройство обработки 106D может регистрировать полученные данные в обучаемой базе данных в памяти 106C и/или может запрашивать/перекрестно сопоставлять полученные данные с данными, содержащимися в обучаемой базе данных, для определения свойств яйца и может передавать указанную информацию о яйце на мобильное устройство, на которое устройство обработки 106D может передать сигнал для отображения сообщения с соответствующей информацией о яйце. Для этого предварительно отобранные данные, содержащиеся в обучаемой базе данных, могут применяться для сравнения ТГц паттерна/сигнатуры собранных летучих органических соединений с сигнатурами свойств яйца, содержащимися в обучаемой базе данных.
Вакуумный захват 102 выполнен с возможностью удерживания яйца с помощью системы всасывания. Разряжаемый под давлением конденсатор 104 выполнен в виде проницаемого конденсатора, способного улавливать собранные летучие органические соединения. Таким образом, оплодотворенные яйца подвергаются воздействию отрицательного давления на внешнюю поверхность яйца для создания вакуума. Чашеобразное устройство под давлением, например, всасывающее чашеобразное устройство, может содержать вакуумный захват и может быть отцентрировано над внешней поверхностью скорлупы, предпочтительно непосредственно над «воздушным мешком». Затем вакуумный захват смещается вниз по отношению к яйцу и через разряжаемый под давлением конденсатор подается вакуум отрицательного давления, улавливая летучие соединения из воздушного мешка и других частей яйца. Рабочий диапазон использования вакуума составляет приблизительно 600 мм рт.ст в течение короткого периода времени. Временной диапазон применения указанного вакуума составляет от приблизительно одной секунды до пяти секунд.
Разряжаемый под давлением конденсатор 104 может представлять собой проницаемую под давлением мембрану, выполненную в виде плотной сжатой структуры из волокон (например, сетки), таким образом, что указанная проницаемая под давлением мембрана отвечает на воздействие/снятие вакуума, как разряжаемый под давлением конденсатор. Разряжаемый под давлением конденсатор может быть выполнен в виде мембраны из метаматериала, то есть материала, свойства которого обусловлены не свойствами основных веществ, а его структурой. Мембрана из метаматериала может содержать множество слоев метаматериала, заключенных в пластиковый корпус, выполненный с точностью ± 10 микрон.
Согласно некоторым вариантам реализации, система 100 содержит спектроскопический узел 108, содержащий блок передачи излучения 108A, выполненный с возможностью создания излучения в ТГц частотах, и блок обнаружения 108B, выполненный с возможностью обнаружения электромагнитного излучения, испускаемого собранными летучими органическими соединениями. В частности, блок передачи излучения 108A выполнен с возможностью облучения яйца излучением с длиной волны в диапазоне от приблизительно 100 ГГц до 30 ТГц и сканирования проницаемого конденсатора, удерживающего собранные летучие органические соединения, в пределах окна сканирования, составляющего приблизительно 100 ГГц. Несмотря на то, что в целях лучшего понимания изобретения, блок передачи излучения 108A и блок обнаружения 108B представлены как два отдельных материальных элемента, они могут быть объединены в одном материальном элементе или одном и том же корпусе. Согласно конкретному неограничивающему примеру блок передачи излучения 108A выполнен с возможностью создания регистрирующих и референсных компонентов электромагнитного излучения по существу в том же частотном спектре, и анализа/сканирования частоты. Блок обнаружения 108B может быть расположен на первой траектории анализирующих компонентов излучения после прохождения через разряжаемый под давлением конденсатор 104 и на второй траектории референсных компонентов излучения, непосредственно выходящей из блока передачи 108A. Спектроскопический узел 108 может быть выполнен с возможностью создания предварительно заданной разницы в частотах между частотами регистрирующего компонента излучения и референсного компонента излучения, взаимодействующими на в блоке обнаружения 108B таким образом, что сигнал, полученный при взаимодействии между регистрирующим и референсным компонентами, свидетельствует об одном или более свойствах яйца в точке воздействия на яйцо регистрирующего излучения. Например, спектроскопический узел 108 может быть выполнен в виде спектроскопического узла, описанного в патенте США No: 9279723, выданном на имя заявителя настоящего изобретения. Система 100 согласно настоящему изобретению может содержать спектроскопический узел 108, как описано выше, или может непосредственно принимать данные, излучаемые собранными летучими органическими соединениями, полученные внешним спектроскопических узлом, описанным выше или традиционно используемым в области техники. Например, один способ спектроскопии заключается в воздействии излучения с волнами в ТГц диапазоне непосредственно на скорлупу яйца и получении спектральных данных, таких как область скелетных колебаний или сигналы затухания импульсов в качестве ответных сигналов. Спектроскопические системы включают спектроскопию в ТГц диапазоне с использованием фотосмешения, гетеродинного обнаружения и импульса с линейной частотной модуляцией. Другой метод спектроскопии заключается в использовании ТГц резонансного поля в фотонном кристалле, волноводном устройстве или умножителе частоты.
Разряжаемый под давлением конденсатор 104 расположен на пути распространения летучих органических соединений. Разряжаемый под давлением конденсатор 104 также расположен в пределах оптического пути электромагнитного излучения, испускаемого блоком передачи 108A.
Например, разряжаемый под давлением конденсатор 104 может быть расположен на некотором расстоянии от спектроскопического узла 108. На разряжаемый под давлением конденсатор 104 спектроскопическим узлом 108 подается сигнал в некотором положении, которое может быть удалено от вакуумного захвата, и ответный сигнал, содержащий ТГц сигнатуру, передается на блок управления 106 через проводное/беспроводное соединение или по сети. В качестве альтернативы разряжаемый под давлением конденсатор 104 может представлять собой часть спектроскопического узла 108. В этом случае спектроскопический узел 108 содержит держатель образца, на котором размещается и анализируется разряжаемый под давлением конденсатор 104.
Согласно некоторым вариантам реализации система может подключаться к сети передачи данных с главным компьютером, который является внешним по отношению к блоку управления 106. В качестве альтернативы, спектроскопический узел 108 может быть также присоединен к блоку управления 106 с помощью соединения любого типа. Блок управления 106 выполнен с возможностью управления работой спектроскопического узла 108 и необязательно также вакуумного захвата 102. Блок управления 106 может быть интегрирован в спектроскопический узел 108 или может быть отдельным элементом, связанным со спектроскопическим узлом 108 через проводную или беспроводную сеть. В случае, когда блок управления 106 интегрирован в спектроскопический узел 108, то определение ТГц сигнатуры не требует и не использует никаких электронных компонентов, схем или антенн. Подробно не показано, но следует понимать, что обмен сигналами и связь между модулями системы осуществляется с помощью соответствующей проводной или беспроводной связи. Например, спектроскопический узел 108 и блок управления 106 могут быть связаны с помощью ИК (инфракрасного), РЧ (радиочастотного, включая Bluetooth) или кабельного управления. Если спектроскопический узел 108 и блок управления 106 объединены в один и тот же физический корпус, то ТГц сигнатура сохраняется в блоке управления 106. Рассматриваемыми в настоящей заявке соединениями могут быть любые типы соединений, подходящие для передачи сигналов от или к соответствующим узлам, блокам или устройствам, например, через промежуточные устройства. Соответственно, если не подразумевается или не указано иное, указанные соединения могут представлять собой, например, прямые или непрямые соединения. Соединения могут быть проиллюстрированы или описаны, подразумевая одиночные соединения, множество соединений, однонаправленные соединения или двунаправленные соединения. Однако в различных вариантах реализации выполнение соединений может отличаться. Например, вместо двунаправленных соединений могут использоваться отдельные однонаправленные соединения, и наоборот. Кроме того, множество соединений может быть заменено одним соединением, которое передает множество сигналов последовательно или мультиплексировано во времени. Аналогичным образом, одиночные соединения, несущие несколько сигналов, могут быть разделены на различные соединения, несущие подмножества указанных сигналов. Таким образом, существует множество вариантов передачи сигналов.
Блок передачи 108A расположен на определенном расстоянии от проницаемого конденсатора 104. Расстояние между блоком передачи 108A и проницаемым конденсатором 104 может быть выбрано таким образом, чтобы его значение было максимально приближено, но составляло меньше длины волны электромагнитного излучения. Например, указанное расстояние может быть выбрано таким образом, чтобы его значение было менее 1 мм для излучения в диапазоне от приблизительно 400 ГГц до 500 ГГц. Согласно конкретному и неограничивающему примеру расстояние между блоком передачи 108A и проницаемым конденсатором 104 выбрано таким образом, что его значение лежит в диапазоне от приблизительно 0,599 до 0,749 мм. В этой связи следует понимать, что с учетом пути распространения излучения в ТГц диапазоне, в случае, когда расстояние между блоком передачи 108A и проницаемым конденсатором 104 выбрано таким образом, что его значение составляет менее длины волны электромагнитного излучения, полученный(ые) сигнал(ы) будет экранирован от окружающей среды (т.е., не будет подвержен влиянию изменений внешней среды, таких как изменение влажности, температуры, …), что устраняет необходимость получения ответного(ых) сигнала(ов) в контролируемых условиях внешней среды (например, в чистом помещении, например, под вытяжкой, или в инертных условиях, включая очистку азотом или газообразным гелием). Более того, такое маленькое расстояние между блоком передачи 108A и проницаемым конденсатором 104 исключает поглощение ТГц сигнала окружающей средой.
Более того, согласно некоторым вариантам реализации, толщина разряжаемого под давлением конденсатора 104 может быть выбрана таким образом, чтобы она по меньшей мере в несколько раз (например, по меньшей мере в четыре раза) превышала длину волны электромагнитного излучения. Указанная толщина должна быть выбрана так, чтобы она была достаточно большой, обеспечивая захват значительного количества летучих органических соединений, позволяя проводить анализ, обеспечивая возможность определения ТГц сигнатуры. Например, толщина разряжаемого под давлением конденсатора 104 может быть выбрана таким образом, чтобы она составляла 3-4 мм для излучения в диапазоне приблизительно от 400 ГГц до 500 ГГц.
Согласно некоторым вариантам реализации, система 100 содержит множество вакуумных захватов 102, содержащихся на каретке, расположенной над множеством яиц, находящихся на конвейере. Вакуумные захваты 102 выровнены таким образом, что в каждом аналитическом цикле каретка, содержащая множество вакуумных захватов (например, расположенных линейно или в виде матрицы) перемещается вниз по направлению к яйцам таким образом, что каждый вакуумный захват удерживает с помощью системы всасывания одно яйцо одновременно. В этом случае блок управления 106 помимо ТГц сигнатуры получает данные о расположении яйца на конвейере, что впоследствии обеспечивает надлежащую сортировку.
Согласно некоторым вариантам реализации, спектроскопический узел 108 и вакуумный захват 102 расположены в одной и той же аналитической камере, таким образом, что анализ летучих органических соединений выполняется в режиме реального времени. В качестве альтернативы, разряжаемый под давлением конденсатор 104 может быть снят с вакуумного захвата 102 и проанализирован в отдельной аналитической камере после улавливания летучих органических соединений.
Согласно некоторым вариантам реализации, проницаемый конденсатор 104 выполнен с возможностью улавливания собранных летучих органических соединений в течение периода времени меньшего, чем период времени, затраченный на транспортировку яйца из каретки на конвейер. В связи с этим следует отметить, что способность системы определять ТГц сигнатуру обеспечивает высокую скорость анализа, что является важным параметром для коммерческого использования в птицеводстве. Следует понимать, что, как описано выше, ТГц излучение позволяет получить идентифицируемую сигнатуру даже в случае, когда накопленные летучие органические соединения присутствуют в сборе паров в очень низкой концентрации, ниже миллионных долей (м.д.). Другими словами, ТГц сигнатура чувствительна к минимальным изменениям в составе паров и обеспечивает высокочувствительное обнаружение. Высокая разрешающая способность ТГц сигнатуры позволяет определять различия между сигнатурами различных полов. При недостаточно высокой разрешающей способности сигнатуры, ТГц сигнатуры будут перекрываться и различить их будет невозможно. Напротив, применение инфракрасного излучения не обеспечивает идентифицируемый сигнал. Спектроскопический анализ с использованием инфракрасного излучения, включая сбор газа и разделение различных химических компонентов, приводит к неудовлетворительным результатам. Более того, высокая скорость доставки газа, требуемая для инфракрасной спектроскопии, не позволяет производить сбор носителя и разделенных компонентов на небольшой пощади. Кроме того, период времени для сбора определенного количества летучих органических соединений, которое можно проанализировать спектроскопически с использованием инфракрасного излучения, значительно выше. Например, время, необходимое для получения идентифицируемых данных инфракрасного спектра, составляет приблизительно полчаса. Кроме того, концентрация летучих органических соединений в упомянутом выше подходе является слишком низкой, чтобы обеспечить надлежащее поглощение инфракрасного излучения. Другими словами, для обеспечения идентифицируемого сигнала требуются гораздо более высокие концентрации. Использование методов комбинационного рассеяния (эффект Рамана) может обеспечить идентифицируемый сигнал даже при низких концентрациях летучих органических соединений, однако, время сбора данных составляет намного дольше, чем при применении методики согласно настоящему изобретению, и поэтому не подходит для коммерческого использования, в котором скорость сортировки яиц является важным параметром. Более того, следует отметить, что методики, известные в данной области техники, использующие ТГц-спектроскопию, обеспечивают спектральный анализ каждого химического компонента собранных летучих органических соединений, отдельно показывая присутствие в определенной концентрации каждого собранного летучего органического соединения, что является высокозатратным по времени. Поскольку период времени, затрачиваемый на улавливание минимального количества собранных летучих органических соединений, находящихся в концентрации, достаточной для обеспечения идентифицируемой сигнатуры, меньше, чем период времени, затрачиваемый на транспортировку яйца из каретки на конвейер, то методика согласно настоящему изобретению не увеличивает общее время обычного процесса транспортировки. Например, если вакуумная обработка для транспортировки яиц перед сортировкой и транспортировкой в инкубатор составляет менее 5 секунд (например, 3 секунды), период времени, затраченный на улавливание минимального количества собранных летучих органических соединений, также составляет менее 5 секунд (например, 3 секунды) и может быть интегрировано в процесс сортировки яиц перед инкубацией.
Блок управления 106 может содержать устройство для сортировки, которое управляет отводящим устройством, расположенным на конце отводящего конвейера. Указанное сортирующее устройство имеет доступ к данным, полученным с помощью устройства обработки данных 106D, указывающим на одно или более свойств яйца, в обучаемой базе данных, хранящимся в памяти, и использует указанные данные для выполнения сортировки. Указанные данные также могут включать параметры сортировки и результаты сравнения. После того, как данные сохранены в обучаемой базе данных, такие данные могут быть проанализированы с использованием известных инструментов для анализа баз данных, таких как язык запросов, такой как, например, Microsoft SQL. Согласно указанному сравнению устройство для сортировки определяет, какие яйца являются яйцами женского и мужского пола, и, если яйца женского пола, их фертильность. Таким образом, сортирующее устройство выполнено с возможностью получения от устройства обработки 106D с помощью модуля передачи, данных, указывающих на одно или более свойств яйца, и управления отводящим устройством для селективного перенаправления отсортированных яиц. Указанное устройство для сортировки затем может классифицировать яйца и активировать отводящее устройство. Указанное отводящее устройство перенаправляет яйца с непрерывной ленты конвейера на другой конвейер или средства сбора. Указанное отводящее устройство может иметь форму вала соленоида, являющегося зубчатым, таким образом, что он или образует продолжение конвейера, или переход. Функции устройства для сортировки может выполнять устройство обработки данных 106D, образуя единое устройство.
На Фиг. 2A показана фотография, иллюстрирующая вакуумный захват 102, содержащий разряжаемый под давлением конденсатор и выполненный с возможностью удерживания яйца с помощью системы всасывания. На Фиг. 2B показана фотография, на которой изображен разряжаемый под давлением конденсатор 104, выполненный в виде проницаемой под давлением мембраны, расположенной на пути распространения ЛОС, выделяемых из яйца через скорлупу. Как описано выше, разряжаемый под давлением конденсатор 104 выполнен с возможностью улавливания накопленных летучих органических соединений с помощью мембраны при воздействии отрицательного давления.
На Фиг. 3A показана блок-схема 200, в качестве примера описывающая способ, осуществляемый описанной выше системой 100, использующая блок управления 106 согласно настоящему изобретению для определения сигнатуры ТГц спектра и определения одного или более свойств яйца перед инкубацией. Указанная блок-схема иллюстрирует работу системы для получения данных о свойствах яйца. Способ 200 включает этапы получения данных, свидетельствующих о том, что собранные летучие органические соединения просканированы с помощью электромагнитного излучения в ТГц диапазоне на этапе 202 и обработки указанных данных для определения сигнатуры, указывающей на по меньшей мере одно свойство, выбранное из пола и фертильности на этапе 204. Этап 204 обработки может включать этап 206 распознавания паттерна сигнатуры.
Согласно некоторым вариантам реализации перед этапом 202 получения данных, указывающих на собранные летучие органические соединения, способ 200 дополнительно включает выполнение ТГц спектроскопии яйца на этапе 210. Этот этап может осуществляться путем сканирования собранных летучих органических соединений, уловленных разряжаемым под давлением конденсатором, электромагнитным излучением в ТГц диапазоне в пределах окна сканирования, составляющего приблизительно 100 ГГц (например, путем сбора 500 измерений контрольных точек). Такое узкое окно сканирования позволяет быстро просканировать яйцо и снизить период времени, требуемый для анализа. Более того, указанное узкое окно сканирования также обеспечивает быстрое шумоподавление и повышение точности измерений.
Согласно некоторым вариантам реализации, перед этапом 210 осуществления спектроскопии яйца в ТГц диапазоне, способ 200 может включать этап 208 улавливания собранных летучих органических соединений с помощью системы всасывания, причем указанное улавливание осуществляется в течение периода времени меньшего, чем период времени, затраченный на транспортировку яйца из каретки на конвейер, как описано выше.
Согласно некоторым вариантам реализации, перед этапом 208 улавливания собранных летучих органических соединений с помощью системы всасывания, способ 200 может включать этап 214 получения референсного спектра путем спектроскопии с ТГц диапазоне не содержащего соединений референсного разряжаемого/проницаемого конденсатора, представляющего собой такой же разряжаемый/проницаемый конденсатор, который используется на этапе 210. Согласно некоторым вариантам реализации, способ 200 может включать этап очистки разряжаемого/проницаемого конденсатора, содержащего уловленные летучие соединения, для дальнейшего использования путем воздействия положительного/отрицательного давления.
Согласно конкретному и неограничивающему примеру, выполнение ТГц спектроскопии осуществляется путем сканирования конденсатора и сбора 500 измерений контрольных точек. На этапе 204, где происходит обработка спектральных данных, спектр яйца, полученный с помощью проницаемого конденсатора, содержащего ЛОС яйца, на этапе 210 сравниваются с референсными спектральными данными, полученными на этапе 214.
Согласно некоторым вариантам реализации, способ 200 может дополнительно включать этап 212 записи ТГц сигнатуры в обучаемую базу данных. Указанная обучаемая база данных может быть выполнена для обеспечения ТГц области скелетных колебаний/сигнатуры, связанных с одним или более свойством яйца. Например, способ 200 может включать хранение в обучаемой базе данных предварительно отобранных данных, указывающих на сигнатуру сигнала и/или свойства яйца с указанной сигнатурой. Этап 204 обработки данных может дополнительно включать сравнением полученных ТГц данных с данными, содержащимися в обучаемой базе данных. Полученные ТГц данные могут быть зарегистрированы в обучаемой базе данных. Зарегистрированные полученные ТГц данные могут использоваться для дальнейшего анализа последующих яиц. Необязательно, этап 204 обработки данных может дополнительно включать оценку одного или нескольких свойств яйца на основе данных, содержащихся в обучаемой базе данных. Оценка одного или более свойств может быть выполнена с использованием статистического анализа, в котором полученные ТГц данные сравниваются с ТГц данными, содержащимися в обучаемой базе данных, и выполняется статистическое сравнение. Если показан предварительно заданный уровень сходства, то считается, что ТГц данные обладают определенным свойством. После этапа 210 выполнения ТГц спектроскопии конденсатор может быть разряжен от содержащихся в нем ЛОС различными способами, которые включают десорбцию ЛОС и разряжение с использованием вакуума или потока высокого давления.
На Фиг. 3B показана блок-схема 300, в качестве примера описывающая способ, осуществляемый описанной выше системой 100, использующей блок управления 106 согласно настоящему изобретению для определения сигнатуры ТГц спектра и определения одного или более свойств яйца перед инкубацией, основывающийся на распознавании паттерна. Более подробно, работа блока управления 106 включает этап математической интерпретации распознавания паттерна на основе обучающего алгоритма, такого как алгоритм ускорения нейронной сети (Neural Network Acceleration algorithm (NNA)). Интерпретация распознавания паттерна основана на определении специфических признаков указанного паттерна, как например, определение основных и побочных пиков, количество основных и побочных пиков, ширина указанных пиков и расстояние между ними.
Согласно некоторым вариантам реализации, этап обработки 204 согласно описанному выше способу 200 может включать следующие этапы: необязательный этап предварительной обработки 310, предназначенный для исключения нерелевантных спектральных трендов, присутствующих в измерениях, и для фильтрации случайного шума при измерениях; этап выделения характерных признаков 312, предназначенный для оценки наиболее релевантных векторов, определяющих данные, с использованием анализа основных компонентов; и этап классификации паттернов 314 с использованием комбинированного линейного и нелинейного подхода к распознаванию паттернов.
Согласно конкретному и неограничивающему примеру, необязательный этап обработки 310 может включать этап создания обучаемой базы данных. Указанный этап создания обучаемой базы данных может включать этапы сбора спектрограмм, предварительной обработки спектрограмм, как показано выше, и обработку полученных результатов преобразованием Фурье. Этап предварительной обработки 310 выполняют с использованием референсных спектральных данных, полученных на этапе 214, описанном выше, и спектральных данных яйца, полученных на этапе 210, описанном выше. Этап выделения характерных признаков 312 может включать этап вычитания обработанных референсных данных из обработанных данных, полученных для образца. Полученные в результате данные относятся к или представляют собой информацию, касающуюся только яиц (не включают данные для разряжаемого по давлением конденсатора). За указанным этапом вычитания обработанных референсных данных (например, результаты для разряжаемого под давлением конденсатора) из обработанных данных, полученных для образца, (например, результаты, полученные для яичного образца) может следовать этап второго преобразования Фурье информации, относящейся к яйцу, с получением специфичных связанных с яйцом сигналов, включая среди прочего сигналы для разделения по признаку пола.
Этап классификации паттернов 314 может включать этапы сравнения всех полученных результатов с обучаемой базой данных. При создании обучаемой базы данных те же самые яйца были исследованы методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) для определения пола. Затем все векторы, полученные в результате математической обработки и вариации (т.е. математически вычисленные различия) между образцами «преобразуются» для определения пола и разделения в две группы, как показано на Фиг. 6.
После создания обучаемой базы данных, все последующие данные измерения яиц сравниваются с обучаемой базой данных с использованием одних и тех же математических процессов. На Фиг. 4A-4C показаны ТГц спектры, полученные для яиц мужского пола (4A), яиц женского пола (4B) и неиспользованного конденсатора в качестве образца сравнения (4C) соответственно. Сканирование выполняется в пределах окна, составляющего 100 ГГц, в диапазоне от 390 ГГц до 490 ГГц, с шагом 0,2 ГГц с получением 500 контрольных точек. В частности, на графике на Фиг. 4C показан спектр яйца, полученный вместе с сопряженным калибровочным спектром для использования в качестве сравнительного контроля согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 5A-5B показана ТГц сигнатура, полученная для яйца женского пола (5A), яйца мужского пола (5B) соответственно, с использованием методики идентификации обработки, описанной в отношении Фиг. 3B выше согласно настоящему изобретению. Более подробно, на Фиг. 5A показан средний результат этапа 204, описанного выше, после удаления нерелевантных спектральных трендов, присутствующих в измерениях, и для фильтрации случайного шума при измерениях. По оси X представлены 500 контрольных точек измерения, а по оси Y представлена интенсивность преобразования Фурье. Вычисление частоты пиков в описанных выше графиках осуществляется следующим образом:
Частота = 400 ГГц + 100 ГГц/500 контрольных точек.
Как ясно показано на Фиг. 5A-5B, методика согласно настоящему изобретению позволяет получить различные ТГц сигнатуры, указывающие на различные свойства яйца. Например, показано, что ТГц сигнатура для яиц женского пола содержит один основной пик после приблизительно 140 контрольных точек. ТГц сигнатура для яиц мужского пола содержит несколько пиков (приблизительно 5), определяя сложную ТГц сигнатуру по меньшей мере после приблизительно 140 и 180 контрольных точек. Например, этап классификации паттернов может включать определение пола яйца путем определения количества основных пиков. Согласно конкретному и неограничивающему примеру, при обнаружении трех пиков пол яйца определяют как мужской. При обнаружении двух пиков пол яйца определяют как женский. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что сигнал паттерна определяет ТГц сигнатуру, в которой равные расстояния между основными пиками постоянны для каждого пола. Более подробно, различие между яйцами мужского и женского пола и неоплодотворенными яйцами обусловлено различиями в соотношении содержания ЛОС. Как правило, оплодотворенные яйца содержат больше (более высокая концентрация) спиртов и ароматических соединений по сравнению с неоплодотворенными яйцами, которые содержат те же самые соединения, но в гораздо более низких концентрациях. Яйца мужского и женского пола содержат одинаковые ЛОС, но также различаются по соотношению между ними. Яйца женского пола содержат более высокие концентрации длинноцепочечных кетонов и ароматических спиртов и альдегидов. Каждая комбинация или смесь ЛОС имеет отдельную ТГц сигнатуру, которую можно преобразовать с использованием принципов настоящего изобретения в отдельные пики преобразования Фурье. Таким образом, определение специфических признаков паттерна, таких как количество пиков, расстояние между основными пиками, определение основных и побочных пиков и ширины пиков позволяет определять свойства яйца. Другими словами, авторы настоящего изобретения обнаружили, что получение соотношения между ТГц сигнатурами различных свойств яйца позволяет определить указанные свойства, и что специфическая идентификация каждого компонента ЛОС, также как и каждой концентрации не является обязательной для определения свойств яйца. Такая способность системы согласно настоящему изобретению очень важна в птицеводческий промышленности, поскольку она значительно снижает время определения свойств яйца.
На Фиг. 6 представлен этап классификации паттернов и разделения по признаку пола, осуществляемого с использованием этапа классификации паттернов 314 согласно описанному выше способу 300. Как ясно показано на фигуре, методика согласно настоящему изобретению позволяет различать пол. В частности, на оси X представлен номер яйца, а по оси Y расстояние между векторами мужских и женских яиц, полученные на этапе 312 описанного выше способа 300.
В формуле изобретения термин «содержит» не исключает присутствия других элементов или этапов помимо перечисленных в указанном пункте. Кроме того, термины, используемые в настоящей заявке в единственном числе, определены как один или более одного. Кроме того, вводные фразы, такие как «по меньшей мере один» и «один или более» в формуле изобретения не следует понимать как подразумевающие, что включение в пункт других элементов в единственном числе (употребляемые с неопределенными артиклями «a» или «an») ограничивает конкретный пункт, содержащий такой включенный элемент изобретениями, включающими только этот элемент, даже если в указанном пункте присутствуют вводные фразы «один или более» или «по меньшей мере один» и элементы в единственном числе (неопределенные артикли «a» или «an»). То же самое справедливо в отношении определенных артиклей. Если не указано иное, такие термины как «первый» и «второй» используются исключительно для различия элементов, описываемых указанными терминами. Таким образом, не всегда указанные термины указывают на временную или иную приоритетность таких элементов. Сам факт того, что определенные признаки заявлены в отличных друг от друга пунктах, не означает, что использование комбинация указанных признаков не будет полезным.
Хотя в настоящей заявке проиллюстрированы и описаны определенные признаки настоящего изобретения, для специалиста в области техники будут очевидны множество модификаций, замен, изменений и эквивалентов. Таким образом, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения охватывает все такие модификации и изменения, как подпадающие под объем настоящего изобретения.