Контрольный пункт для пропуска людей, не представляющих угрозы заражения окружающих вирусным заболеванием с аэрозольным распространением
CHECKPOINT FOR THE PASSAGE OF PEOPLE WHO DO NOT POSE A THREAT OF INFECTING OTHERS WITH AN AEROSOL-TRANSMITTED VIRAL DISEASE

Изобретение относится к системам пропуска на контролируемые объекты и может быть использовано во время пандемии в аэропортах, больницах, на массовых мероприятиях и т.п.для свободного прохода людей, не представляющих опасности для окружающих и отделения, изоляции тех, кто может быть источником распространения вирусных заболеваний с целью последующего контроля. Устройство способно выявлять носителей вирусных заболеваний, распространяющихся аэрозольным путем, то есть, в виде отдельных вирусных частиц или их скоплений (например, COVID-19, корь, и др.).
Известна полезная модель CN 212583582 U, E05F 15/70, 17.04.2020, в которой описана дверь, способная отсекать посетителей с повышенной температурой тела, которая содержит дверную раму, блок сбора данных и механический рычаг, а также инфракрасный термометр, расположенный на конце механического рычага. Инфракрасное определение температуры тела, включая интеллектуальную механическую руку, может быть дополнено системой распознавания лиц, а металлоискатель используется для сканирования всего тела.
Аналогичный турникет описан в CN 202020169382 U, А61В 5/01, 2020-02-14. Турникет срабатывает по результатам бесконтактного измерения температуры пассажира или посетителя, который хочет пройти через него.
Однако, эффективность контроля состояния посетителей такими устройствами невелика, так как вирусные заболевания вообще и их активная фаза в частности далеко не всегда сопровождаются повышенной температурой.
В патенте AU 2020102228 (A4), А61В 5/01, 2020-10-29 описана система экспресс-диагностики коронавируса.
Изобретение использует искусственный интеллект и позволяет измерить сатурацию кислорода и температуру пациента. Система включает испытательный стенд, который имеет стетоскопы, подключенные к микрофону для прослушивания и записи звуков дыхания пациента, пульсоксиметр для измерения уровня насыщения крови кислородом, инфракрасный датчик температуры для измерения температуры пациента и компьютер, который состоит из программного обеспечения машинного обучения для объединения и анализа всех показаний для получения окончательного результата.
В данном решении инфекционная фаза вирусного заболевания диагностируется по одновременному появлению ряда косвенных признаков.
Известно, что так же диагностируют корь, краснуху или ветряную оспу (см. Агафонов А. П. и др. Корь. Современные представления о возбудителе. Клиника, диагностика, профилактика. С. 14. https://www.mbu.ru/assets/files/kor.pdf).
Данной системе присущ тот же недостаток, поскольку все перечисленные выше симптомы далеко не всегда проявляются именно в активной фазе (фазе выделения вирусов, когда пациент является их источником и представляет опасность для окружающих), если проявляются (в ряде случаев указанная симптоматика не проявляется вообще, несмотря на наличие заболевания).
Известен пропускной пункт в виде био-камеры по US 2004166550 A1 G01N 33/53, 2004-08-26, в которой пассажиры аэропорта, проходя через двери камеры (шлюза), оказываются под струей воздуха, который удаляет все биологически активные агенты с поверхности их кожи и одежды.
Шлюз выполнен с возможностью прохода пассажиров и содержит нагнетатель воздуха, средства сбора воздушных масс, полученных после обдува пассажира и в результате его дыхания, а также средства приема и тестирования собранного таким образом воздуха на наличие известных патогенов методом ELISA и блок управления. И, поскольку тестирование в данном устройстве продолжается дольше, чем пассажир находится в шлюзе, ему присваивается порядковый номер, по которому впоследствии подозрительного пассажира можно идентифицировать. Данное устройство является наиболее близким к предложенному.
Однако в случае непрерывного потока пассажиров пропускная способность шлюза оказывается недостаточной. Кроме того, идентифицироваться как потенциально опасные будут пассажиры, на одежде которых оказались патогенные биоагенты, но которые на самом деле не представляют опасности для окружающих, если заболевание передается аэрозольным путем.
Техническим результатом данного изобретения является повышение достоверности и производительности тестирования, и, как следствие, пропускной способности контрольного пункта. В заявленном техническом решении ставится задача тестирования пассажиров, пациентов, посетителей, курьеров и пр. непосредственно в процессе прохождения ими контрольного пункта (шлюза) без задержки с целью выявления людей с активной фазой вирусного заболевания.
Указанный результат достигается тем, что в известном контрольном проходном пункте для пропуска людей, не представляющих угрозы заражения окружающих вирусным заболеванием с аэрозольным распространением, содержащем средство подачи воздуха, а также, по меньшей мере, одну управляемую преграду и средство управления этой преградой в зависимости от показаний средств приема и тестирования воздуха, отличающимся тем, что последние выполнены в виде средств отбора фиксированной порции воздуха, преимущественно порции выдоха, счетчика количества микрочастиц в диапазоне 0,05-0,55 мкм в отобранной порции воздуха и средства анализа показаний счетчика микрочастиц.
Следует отметить, что под отбором порции воздуха мы понимаем отбор той воздушной или газовой смеси, которая находится вблизи (не далее 80 см) от органов дыхания тестируемого, а лучше всего непосредственно из выдыхаемых им воздушных масс.
При этом средство подачи воздуха выполнено с возможностью подачи воздуха или иного пригодного для дыхания газа или смеси, очищенных от микрочастиц, в частности, смеси азота с кислородом и др.
Контрольный пункт может быть выполнен в виде шлюза с избыточным давлением или камеры, и в нем может быть как одна управляемая дверь (преграда) для входа и выхода, так и две преграды - входная и выходная, а также три - входная, для раздельного выхода здоровых людей и для выхода инфицированных (см. ниже). Средство управления преградой (преградами) выполняется на базе микроконтроллера, подключенного к соответствующим исполнительным механизмам и счетчику микрочастиц.
Кроме того, средство анализа показаний счетчика микрочастиц может быть выполнено в виде порогового компаратора и/или анализатора формы гистограммы, полученной в результате подсчета количества микрочастиц в каждом из поддиапазонов, на которые разбит диапазон счетчика микрочастиц, при этом средство анализа показаний счетчика микрочастиц выполнено с возможностью сопоставления текущего или усредненного измеренного числа микрочастиц в отобранной порции воздуха с фоновым значением, либо сопоставления полученной гистограммы с характерной для данного типа вируса из анализируемой группы заболеваний соответственно.
Средство анализа показаний счетчика может быть выполнено аппаратными средствами (особенно при сравнении с фоновым значением или иным предварительно установленным порогом), однако удобнее реализовать его в виде микроконтроллера, на вход которого поступает выходной код ячейки счетчика. В случае анализа вида гистограммы последний производит сопоставление соотношения выходных кодов счетчика или сравнение с заранее заданными пороговыми интервалами подиапазонно. Например, если интересующий нас диапазон 0,05-0,55 мкм разбит на поддиапазоны 0,05-0,2;0,2-0,37 и 0,37-0,55 мкм, а для интересующего нас вируса пороговые интервалы составляют 20-90; 210-400; 20-80 частиц на 0,1 литра, то показания счетчика микрочастиц 65,320,28 будут свидетельствовать, что полученная гистограмма имеет вид, свойственный данному заболеванию.
Кроме того, контрольный пункт может быть снабжен средствами подтверждения выдоха, подключенными к средству управления управляемой преградой.
Такими средствами может быть микрофон, видеокамера, а также выделение диапазона измерения 2-5 мкм для регистрации в счетчике микрочастиц, так что средство управления преградой разблокирует последнюю только в случае, если произошли два последовательных события: тестируемый выдохнул в средство отбора фиксированной пробы воздуха, и число микрочастиц в этой пробе оказалось ниже порогового при удовлетворительной гистограмме.
В качестве средства подтверждения выдоха может использоваться дополнительный поддиапазон счетчика микрочастиц 2-5 мкм, а средство анализа показаний счетчика микрочастиц выполнено с возможностью регистрации временного (совпадающего с временем выдоха или несколько его превышающего) превышения количества частиц (микрокапель) в данном диапазоне.
Целесообразно также источник воздуха или газа выполнить в виде нагнетателя, а средства отбора фиксированной порции воздуха расположить вне распространяющегося от него потока.
Проходя зону указанного потока, тестируемый производит вдох, а поток одновременно очищает его одежду, снижая фоновые значения числа микрочастиц.
При этом в качестве счетчика микрочастиц может использоваться оптический счетчик микрочастиц (лазерный, на основе светодиодов с подсветкой в одной или нескольких областях спектра и т.п.), который предварительно откалиброван на органический материал, в частности, липиды (что сделает измерения более достоверными).
Кроме того, контрольный проходной пункт может быть выполнен с по меньшей мере двумя управляемыми преградами, пространство между которыми преодолевается шагом за время, большее интервала времени, необходимого для вдоха, отбора фиксированной порции выдыхаемого воздуха и появления показаний счетчика микрочастиц.
Это позволяет завершить процедуру контроля, пока тестируемый находится между входом и выходом, но не задерживается для ожидания результата, поскольку, войдя в зону контроля, он производит вдох чистого воздуха, остановившись на мгновение у средства отбора пробы, он производит выдох в его направлении или в соответствующий сменный патрубок, и когда он подходит к выходу, зажигается зеленый индикатор и дверь разблокируется, или на основном выходе продолжает гореть красный, а зеленая стрелка загорается в направлении дополнительного выхода. При этом контрольный пункт может быть выполнен в виде шлюзас избыточным давлением, снабженного управляемыми входной, выходной и дополнительной выходной преградами, а средства управления могут быть выполнены с возможностью блокировки выходной преграды и разблокировки дополнительной выходной преграды при превышении показаний счетчика микрочастиц порогового значения или при характерном для вируса распределении микрочастиц.
Кроме того, контрольный пропускной пункт может быть также снабжен дополнительным выходным нагнетателем воздуха.
Этот нагнетатель устанавливается позади зоны контроля, в которой производится выдох и отбор фиксированной порции воздуха, по ходу потока пассажиров или посетителей. Это позволяет дополнительно очистить и изолировать контрольный пункт от основного помещения.
Кроме того, контрольный пункт (или его средство подачи воздуха) может быть снабжен источником отфильтрованного воздуха или газа непосредственно для вдыхания. При этом вдох может производиться не только из струи подаваемого воздуха, но и через одноразовый мундштук /патрубок. То же касается выдоха - выдох может быть сделан как в направлении сборника (раструба), так и, например, ртом через одноразовый патрубок. И, наконец, одноразовый патрубок для вдоха и выдоха может быть один, если система подачи и отведения воздуха разделены взаимоперекрывающимися клапанами. При этом контрольный пункт может быть снабжен системой смены одноразовых патрубков для вдоха и/или выдоха.
При этом счетчик микрочастиц может быть соединен с накопительной емкостью или размещен в накопительной емкости, выполненной со средством перемешивания воздуха. Это позволяет накапливать для тестирования воздушные массы нескольких выдохов, что может увеличить достоверность результата. Средство перемешивания (вентилятор и др.) должны препятствовать оседанию более крупных фракций.
И, наконец, контрольный пункт может быть снабжен информационными средствами, разъясняющими необходимое поведение тестируемого при его прохождении, в том числе, правильность выдоха (т.е. например, сделанного в правильном направлении и в достаточной близости от заборника масс выдоха).
В качестве таковых, помимо демонстрационного экрана перед входом в контрольный пункт, внутри него могут быть размещены светящиеся указатели направления движения, дисплей с наглядной видео-инструкцией о вариантах поведения при прохождении шлюза, голосовой информатор и др.
Разумеется, помимо вышеперечисленного, контрольный пункт может иметь дополнительное диагностическое оборудование и интерфейсы для связи с информационными системами. При этом, например, для более точного анализа гистограмм и улучшения алгоритмов работы могут использоваться статистические данные с других контрольных пунктов/шлюзов и облачные технологии. Это позволит вовремя определять новые типы аэрозольных инфекций и увеличить достоверность тестирования.
На фиг.1 показана накопительная емкость, фиг.2 иллюстрирует выполнение контрольного проходного пункта в виде шлюза, а фиг.3 схематично показывает возможное выполнение системы смены одноразовых патрубков для пункта в виде турникета (такая же система может использоваться для шлюза).
Устройство (фиг.1) содержит емкость 1 с впускным патрубком 2 (последний может быть выполнен съемным, с тем чтобы использовать одноразовый патрубок) и впускным клапаном 3, не позволяющем произвести вдох из емкости 1. В емкости 1 установлены также счетчик 4 микрочастиц, микровентилятор 5 и выпускной клапан 6. Клапаны 3 и 6 обеспечивают поддержание в полости емкости 1 небольшого избыточного давления при многократных выдохах в патрубок 2 одного пациента. Микровентилятор 5 образует воздушный поток 7, препятствующий осаждению микрочастиц при многократных выдохах. Позицией 8 обозначен патрубок емкости с очищенным воздухом или газом для предваряющего тестирование обдува пациента или вдоха (вместо очищенного от микро- и микрочастиц воздуха допускается перед тестированием вдыхать таким же образом очищенный газ - азот, кислород). Этим обеспечивается значительное снижение фоновых значений и повышение достоверности тестирования. Позиция 9 показывает место размещения пациента (тестируемого), а стрелки 10 - направление движения воздуха (обдува и выдоха). Позицией 11 обозначен дисплей, указывающий тестируемому направление движения, подсказывающий очередное действие и т.п.
Шлюз (фиг.2) содержит каркас 12, управляемые преграды в виде входной и выходной автоматических дверей 13,14 и дополнительную преграду (дверь) 15 в изолированное помещение. Блок управления 16 предназначен для управления дверями 13-15, подачей воздуха или газа в патрубок 8, забором воздуха через патрубок 17, а также сменой одноразовых патрубков соответствующей системы (см. ниже). Блок 16 может быть выполнен на базе микропроцессора и алгоритм его работы также описан ниже. Система 18 фото датчиков подключена к входам блока 16 и позволяет контролировать положение тестируемого.
Система смены одноразовых патрубков может быть образована Г-образной штангой 19, на которой установлен с возможностью вращения полый тор 20 с гнездами для установки патрубков 21-23 посредством манипулятора 24. Работа манипулятора 24 и поворот тора 20 также синхронизируются блоком 16. Управляемая преграда в этом случае выполнена в виде турникета 25.
Существо предложения базируется на исследованиях заявителя в части состава выдоха здоровых и инфицированных людей и заключается в контроле числа микрочастиц (наночастиц) в диапазоне 0,05-0,55 мкм в порции воздуха, отобранного из окружающего тестируемого человека пространства, причем наилучший результат достигается, если отбор производится на расстоянии не более 80 см от его органов дыхания, в порции распространяющегося от выдоха воздуха с соответствующей задержкой от момента начала выдоха, либо в течение двух-трех выдохов. Отбор пробы производится соответствующей помпой счетчика 4 в емкость 1 (на чертеже не показано), работа которого также синхронизируется блоком 16.
Под фиксированной порцией воздуха понимается фиксированный объем выдыхаемого воздуха, который отбирает помпа счетчика 4 для контроля в нем количества частиц.
Разблокировка или открывание управляемой преграды 14 (25) осуществляется блоком 16 при превышении показаний счетчика 4 порогового или фонового значения, характерных для данных условий в отсутствие зараженного человека или среднестатистического значения. Кроме того, если диапазон счетчика разбит на несколько (3 или 4) поддиапазонов, то вид полученной гистограммы также может анализироваться блоком 16, и решение о разблокировке двери 14 или турникета 25 приниматься в зависимости от ее вида, поскольку для каждого типа вирусного заболевания он свой, характерный только для этого заболевания. Если по результатам тестирования дверь 14 не открывается, блок 16 разблокирует дверь 15, и данный посетитель или пассажир проходит в отдельное помещение для дальнейшего контроля.
Открывание двери 13, подача воздуха в патрубок 8, поворот полого тора 20 и забор порции воздуха (выдыхаемого тестируемым человеком) последовательно производятся после того как блок 16 по показаниям системы 18 определил, что тестируемый (или группа) сначала находится перед дверью 13, а затем внутри каркаса 12. После того, как тестируемый покинул шлюз, производится его продувка через патрубки 8 и 17, продувка емкости 1 помпой счетчика 4, а при необходимости и обеззараживание ультрафиолетом, посредством разбрызгивания обеззараживающего раствора и т.п.
Вариант устройства с турникетом работает аналогично, но в отличие от шлюза с избыточным давлением простая система турникетов не обеспечивает достаточной изоляции и защиты в условиях плохой экологии и загрязненности воздуха микрочастицами. В последнем случае желательно использовать отфильтрованные массы воздуха (газа) непосредственно для вдоха, и забор выдоха обеспечивать также через патрубок/мундштук. В любом случае, фоновые показания счетчика микрочастиц в отсутствии испытуемого или при имитации выдоха однозначно говорят о работоспособности установленного в данном месте турникета или шлюза. Если турникет устанавливается на месте обычного устройства, например, для контроля пропусков или идентификаторов сотрудников учреждения, либо при контроле оплаты при проходе в платную зону и др. - разумеется, он может выполнять эту функцию параллельно с задачей выявления инфицированных, для чего система управления может иметь соответствующие входы/датчики для считывания пропусков и интерфейсы для взаимодействия с локальной информационной системой.
Рассмотрим другие возможные примеры реализации устройства, в том числе, в мобильном варианте. В период пандемии в месте прохода потока людей на вход (в транспортную систему, концертный зал, на стадион и т.п.) ставится (на разборном каркасе) палатка из полиэтилена или другого мало пропускающего воздух материала с одним входом и двумя выходами, которые закрыты гибкими занавесями, с достаточной степенью перекрывающими воздушный поток. В верхней части палатки стоит нагнетатель воздуха с фильтром для очистки от микрочастиц - для обеспечения изолирующего избыточного давления в палатке. При этом внутреннее пространство соответствующим направлением струй нагнетателя и/или дополнительными занавесями разделено на три зоны: с мощными потоками на входе для обдува и вдоха, с меньшими потоками для облегчения забора масс выдоха и с потоками в направлении выхода для улучшения изоляции. Для перекрытия выхода в палатке размещен, например, перекидной турникет, перекрывающий основной выход либо дополнительный - например, в помещение для дальнейшего тестирования (турникет работает, как описано выше, под управлением системы анализа выдоха человека на основе лазерного счетчика микрочастиц с настройкой на пороговое значение или характерную для конкретной инфекции гистограмму распределения, на вход которого воздух подается из системы забора масс выдоха в виде раструба или другого заборника). Турникет изначально открыт для прохода в помещение для дополнительного тестирования, а основной выход открывается только после приема выдоха и отрицательного теста.
Может быть предусмотрена стерилизация внутреннего объема источниками УФ при отсутствии людей, а при необходимости, введение дополнительной паузы для этого. Возможна также химическая дезинфекция поверхностей и решеток локальными автоматическими распылителями растворов.
Шлюз может быть дополнен средствами информации и мотивации к правильному выдоху (видео-инструкция на экране, голосовой информатор и. т.п), а также средствами контроля (подтверждения) произведенного выдоха (это может быть информация от счетчика о наличии капельных частиц в диапазоне 2-5 мкм как свидетельство выдоха, либо микрофон для регистрации звука выдоха или голоса, если тестируемый для выдоха мотивирован говорить (отвечать), видеокамера с процессором цифровой обработки изображения и др.). С помощью видеокамеры и распознавания изображений также может контролироваться отсутствие респиратора на лице и т.п., что важно ввиду влияния наличия маски класса FFP2 и выше на результат теста. Разумеется, аппаратный комплекс шлюза может быть дополнен пирометром, тепловизором, измерителем пульса и другими стандартными средствами диагностики.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет практически без задержки пропускать посетителей в учреждения и помещения всех типов с одновременным контролем их на наличие активной фазы вирусного заболевания в реальном времени, что особенно важно в период пандемии.
Заявители:
1. ООО «АВТЭКС»
Генеральный директор ООО «АВТЭКС» А.В. Фокин
2. А.П.Кирпичников