CN111182945A - 一种面罩和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种呼吸辅助面罩。提供了一种面罩，其包括空气室、过滤器、风扇装置、传感器装置和控制器。风扇装置使面罩通风。传感器装置检测用户的呼吸循环。控制器识别正常循环呼吸周期和被干扰的呼吸周期。说话和笑是最常见的干扰呼吸循环的原因。当识别出正常循环呼吸周期时，控制器以与循环呼吸同步的第一模式控制风扇装置。然而，当识别出被干扰的呼吸周期时，控制器以与吸气和呼气的时序不同步的第二模式控制风扇装置。因此，在正常和被干扰的呼吸期间促进面罩中的呼吸。

Description

一种面罩和控制方法

技术领域

本发明涉及一种面罩和控制方法，特别地涉及一种用于向面罩的佩戴者提供过滤空气的面罩，其中气流由风扇装置辅助。

背景技术

空气污染是全世界都关心的问题。世界卫生组织(WHO)估计，每年有400万人死于空气污染。这个问题的部分是城市的室外空气质量。最糟糕的是像德里这样的印度城市，其年污染水平是建议水平的10倍以上。北京也是众所周知的，它的年平均水平是建议安全水平的8.5倍。然而，即使在伦敦、巴黎和柏林等欧洲城市，这一水平也高于世界卫生组织的建议。

造成空气污染的一个重要因素是悬浮在空气中的颗粒物。颗粒污染既来自自然来源(诸如火山、沙尘暴、森林和草原火灾、活植被和海浪花)，也来自人类活动(诸如燃料燃烧、运输、发电厂和各种工业过程)。除了这些首要颗粒来源之外，还有次要颗粒来源，它们是通过气体污染物的复杂大气化学反应产生的细颗粒。次要来源包括无机细颗粒(例如，由SO₂、NO₂、NH₃生成的硫酸盐、硝酸盐和铵盐以及(由挥发性有机气体的氧化生成)有机细颗粒。

官方室外空气质量标准将颗粒物浓度定义为每单位体积的质量浓度(例如μg/m³)。特别关注的是直径小于2.5μm(称为“PM2.5”)的颗粒的污染，因为它们能够穿透进入肺(肺泡)的气体交换区域，以及可能穿过肺以影响其它器官的非常小的颗粒(<100nm)。

由于该问题在短时间范围不会显著改善，因此解决该问题的唯一方法是佩戴通过过滤提供更清洁空气的面罩，以及近年来，中国和其它地方的面罩市场已经出现了巨大的增长。例如，据估计，2014年中国销售了超过19亿个口罩，自那以来，这个数字比去年同期增长了20％以上。然而，在使用期间，面罩内部的温度和相对湿度增加，以及与面罩内部相对于外部的压力差结合，使得呼吸不舒适。为了提高舒适性和有效性，可以向面罩添加风扇，该风扇通过过滤器吸入空气。出于效率和寿命的原因，这些通常是电换向无刷DC风扇。

使用电动面罩对佩戴者的益处在于，减轻了肺因相对于常规的非电动面罩中的过滤器的阻力吸气而引起的轻微应变。

此外，在传统的非电动面罩中，吸气还在面罩内引起轻微的负压，这导致污染物泄漏到面罩中，如果这些物质是有毒物质，该泄漏可能证明是危险的。电动面罩向面部输送稳定的气流，以及可以例如提供轻微的正压，该正压可以由呼气阀的阻力确定，以确保任何泄漏是向外的而不是向内的。

存在许多方法来改善佩戴电动面罩时的用户体验。这些方法倾向于关注风扇速度的调节，以改善用户舒适度并改善风扇的电效率。

例如，GB2032284公开了一种呼吸器，其中面罩内的压力由压力传感器测量，以及风扇速度根据传感器测量而变化。

然而，在电动面罩内说话是困难的，因为语音干扰风扇速度的调节。US2016/0271429公开了一种具有呼吸监测装置的呼吸装置。当检测到语音时，从检测信号中去除语音信号，使得仅由用户的呼吸产生的信号调节风扇速度。然而，该方法没有考虑到说话时对用户的吸气/呼气循环的干扰。

当使用面罩时，仍然需要进一步改善用户的舒适度，特别是在对用户的吸气/呼气循环干扰期间。

WO2016/157159A1描述了一种具有出口阀和入口风扇的呼吸面罩。基于佩戴面罩的用户的呼气阶段来控制阀和入口风扇。WO2016/157159A1在由于对用户的吸气/呼气循环的干扰而导致的佩戴舒适性问题上保持沉默。

发明内容

本发明由权利要求书限定。

根据本发明的一个方面的实施例，这提供了一种面罩，包括：

空气室；

过滤器；

风扇装置，用于使面罩通风；

传感器装置，用于检测用户的呼吸循环；以及

控制器，其适于：

从传感器装置输出识别正常循环呼吸周期，以及作为响应，以与循环呼吸同步的第一模式控制风扇装置；以及

从传感器装置输出识别被干扰的呼吸周期，以及作为响应，以与吸气和呼气的时序(timing)不同步的第二模式控制风扇装置。

本发明的面罩确保在正常呼吸期间(即，用户的呼吸循环不会由于说话等而被干扰，等)，通过以第一模式控制风扇装置，由风扇装置辅助呼吸。然而，当用户的呼吸被干扰时，风扇装置不能与用户的呼吸循环保持同步。在这种情况下，本发明的面罩通过以第二模式控制风扇装置来控制风扇装置以使面罩通风并降低面罩内的温度和相对湿度。当用户恢复正常呼吸时，风扇装置再次与用户的呼吸循环同步。当用户的呼吸被干扰(例如，在说话时)，本发明的面罩最终使得面罩中的呼吸更舒适。

在一个实施例中，传感器装置包括用于确定空气室外部的空气与空气室内部的空气之间的压力差的压力差传感器。压力差传感器容易获得以及易于使用。

在另一实施例中，风扇装置包括入口风扇和出口风扇。风扇改善面罩的通风以降低面罩内部的温度和相对湿度。入口风扇将新鲜空气带入面罩，出口风扇将用户呼气的空气从面罩内部排出到外部。

在一个方面，在第一模式期间，控制器适于在吸气期间以第一速度操作入口风扇和在呼气期间以较低的第二速度操作入口风扇，以及在呼气期间以第三速度操作出口风扇和在吸气期间以较低的第四速度操作出口风扇。以这种方式，呼吸循环被完全辅助。入口风扇和出口风扇与用户的呼吸循环同步；吸气循环由入口风扇辅助，而呼气循环由出口风扇辅助。

第二速度和第四速度可以是零。当呼吸循环处于与相应风扇相反的阶段时，这最小化了电池的使用。

在另一方面，在第二模式期间，控制器适于在被干扰的呼吸周期期间连续地操作入口风扇和出口风扇。以这种方式，面罩被连续地通风，以在用户的呼吸被干扰时降低面罩内的温度和相对湿度，以及针对将跟随对呼吸的干扰的吸气的短持续时间进行补偿。

在一个实施例中，传感器装置包括温度传感器和/或相对湿度传感器。同样，温度和相对湿度传感器容易获得以及易于使用。

在第一模式期间，控制器可适于附加地根据空气室中的温度和/或相对湿度水平来操作风扇装置。以这种方式，在正常呼吸期间，控制器考虑面罩内的温度和/或相对湿度水平，并确保风扇装置在面罩内的条件下为用户提供最合适的通风，同时还考虑功率消耗。

在第二模式期间，控制器可适于操作风扇装置以维持空气室中的温度和/或相对湿度水平。这改善了在被干扰的呼吸周期期间的用户舒适度。

在一个方面，控制器适于通过对时间窗口内的峰进行计数来检测被干扰的呼吸周期，其中，基于超过阈值的计数来检测被干扰的呼吸周期。这是检测被干扰的呼吸周期的简单方式，从而可以相应地控制风扇装置。

被干扰的呼吸周期可以例如作为说话或笑的结果而出现。每个这些呼吸的特征都是通过较短但较深的吸气而间隔开的重复的向外呼气。在另一方面，控制器适于基于峰的幅度来区分说话和笑。说话和笑是最常见的干扰呼吸循环的原因。

在本发明的一个方面，提供了一种控制面罩的方法，该面罩包括空气室、过滤器和用于使面罩通风的风扇装置，其中该方法包括：

检测用户的呼吸循环；

识别正常循环呼吸周期，以及作为响应，以与循环呼吸同步的第一模式控制风扇装置；以及

识别被干扰的呼吸周期，以及作为响应，以与吸气和呼气不同步的第二模式控制风扇装置。

风扇装置可以包括入口风扇和出口风扇，以及其中该方法包括在正常循环呼吸周期期间，在吸气期间以第一速度操作入口风扇和在呼气期间以较低的第二速度操作入口风扇，以及在呼气期间以第三速度操作出口风扇和在吸气期间以较低的第四速度操作出口风扇。

在第二模式期间，控制器可适于在被干扰的呼吸周期期间连续地操作入口风扇和出口风扇。

在本发明的另一方面，这提供了一种包括计算机程序代码装置的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，计算机程序代码装置适于实现上述方法。

附图说明

本发明的示例将被参考附图更详细的描述，其中：

图1示出由佩戴面罩并正常呼吸的用户生成的面罩内的压力相对于时间呼吸循环；

图2示出由佩戴面罩的用户在说话时生成的面罩内的压力相对于时间呼吸循环；

图3示出由佩戴面罩的用户在笑时生成的面罩内的压力相对于时间呼吸循环；

图4示出包含风扇装置的面罩；

图5示出包含入口风扇和出口风扇的面罩的部件的一个示例；

图6示出由佩戴面罩并正常呼吸的用户生成的面罩内的压力相对于时间呼吸循环，以及由入口风扇和出口风扇响应于用户的呼吸而生成的面罩内的压力相对于时间呼吸循环。

图7示出了在其中对局部呼气峰进行计数的时间窗口；

图8示出本发明的面罩操作方法；以及

图9示出对于包含入口风扇和出口风扇的面罩的、本发明的面罩操作方法的优选实施例。

具体实施方式

本发明提供一种呼吸辅助面罩。提供了一种面罩，其包括空气室、过滤器、风扇装置、传感器装置和控制器。风扇装置使面罩通风。传感器装置检测用户的呼吸循环。控制器识别正常的循环呼吸周期和被干扰的呼吸周期。说话和笑是对于呼吸循环干扰最常见的原因。当识别出正常的循环呼吸周期时，控制器以与循环呼吸同步的第一模式控制风扇装置。然而，当识别出被干扰的呼吸周期时，控制器以与吸气和呼气的时序不同步的第二模式控制风扇装置。因此，在正常和被干扰的呼吸期间促进面罩中的呼吸。

图1示出由佩戴面罩并正常呼吸的用户生成的面罩内的压力相对于时间呼吸循环。y轴是压力差/Pa，x轴是时间/秒。呼吸循环具有分别对应于呼气和吸气的峰和谷。

呼吸循环是吸气和呼气时序的模式。它可以由随吸气/呼气相对于时间变化的任何合适的参数来表示。通常，呼吸循环表示为压力相对于时间，但也可使用其它参数，诸如氧气和/或二氧化碳浓度、温度、相对湿度等。

在吸气期间，面罩内的压力降低(相对于外部环境压力为负压)，而在呼气期间，面罩内的压力增加(正压)。呼吸循环的频率和幅度是相对稳定的。吸气的持续时间约为1.5秒，以及呼气的持续时间约为3.5秒。

图2示出由佩戴面罩的用户在说话时生成的面罩内的压力相对于时间呼吸循环。

说话发生在呼气循环中，以及在呼气循环期间可以看到压力的小波动。因此，在吸气周期之间存在更紧密间隔的局部呼气峰。吸气是短的(约500ms)，以及当用户进行短但深的呼吸时，面罩内的压力有相对大的降低。在说话期间的吸气循环期间的压力的峰幅度大于在正常呼吸期间的吸气循环期间的压力的峰幅度。

图3示出由佩戴面罩的用户在笑时生成的面罩内的压力相对于时间呼吸循环。

笑也发生在呼气循环中，以及在呼气循环期间可以看到压力的大波动。同样，在吸气周期之间存在更紧密间隔的局部呼气峰。这些波动大于说话期间的波动。在一些情况下，在呼气循环中的笑期间面罩内的压力超过40Pa。

风扇生成通过面罩的气流，以降低面罩内部的温度和相对湿度以及调节面罩内部相对于外部的压力差。风扇能够跟踪用户的呼吸循环，以使面罩中的呼吸更舒适。例如，存在于面罩中的入口风扇可以在吸气期间旋转，以及可以在呼气期间停止旋转，在风扇第一次启动时具有时间延迟，以及在用户吸气/呼气和风扇速度的调节之间具有时间延迟。通常，该时间延迟不是问题，因为与用户的吸气和呼气循环的总持续时间相比，该时间延迟是可忽略的(如可在图1中看到的，吸气的典型持续时间是1.5s，呼气的典型持续时间是3.5s)。

然而，当呼吸被干扰时，诸如在说话或笑等期间，该时间延迟是有问题的。在这样的呼吸周期中，吸气的持续时间短(典型地为500ms)，以及已经发现风扇不能与用户的吸气/呼气循环保持同步。这可能导致风扇彼此抵消，干扰通过面罩的气流，以及增加面罩内部相对于外部的压力，使得呼吸不舒适。例如，入口风扇可能在呼气期间旋转，以及出口风扇可能在吸气期间旋转。

说话和笑是两个呼吸周期，在这两个周期中，用户的呼吸被干扰。从图2和3中可以看出，说话和笑都与短持续时间的吸气和呼气循环(cycle)的波动有关。其他与短持续时间的吸气和呼气循环波动相关的呼吸周期包括唱歌、吹口哨、哼唱、叹气、咳嗽、屏息和打呵欠。

在这些情况的每一个中，存在如上所解释的增加数目的局部呼气峰，使得时间窗内的呼气峰的计数将超过阈值。因此，被干扰的呼吸周期相对于正常的循环呼吸周期具有短的吸气循环(典型地为500ms)和波动的呼气循环。

在优选实施例中，说话与第一阈值相关联，而笑与更高的第二阈值相关联。检测到的干扰可能是由唱歌、吹口哨、哼唱、打哈欠、屏息和叹气引起的，以及还可以使用更复杂的阈值来区分这些中的一些或全部。

在本发明的面罩中，实施算法并且监测呼吸周期(通常是与用户的呼气周期相对应的峰)。这种监测能够区分正常循环呼吸周期和被干扰的呼吸周期，并相应地控制风扇装置。在正常的循环呼吸期间，风扇装置以与用户的循环呼吸同步的第一模式运行。在被干扰的呼吸期间，风扇装置以与用户的循环呼吸不同步的第二模式运行。总之，无论呼吸周期如何，这都会使面罩中的呼吸更加舒适。

图4示出了包含风扇装置的本发明的面罩。

用户10被示出为佩戴至少覆盖用户的鼻子和嘴的面部面罩11。面罩的目的是在空气被用户吸入之前过滤空气。为此目的，在图1中，面罩本体本身起空气过滤器12的作用。空气通过吸气被吸入由面罩形成的空气室13中。在吸气期间，出口阀15(诸如止回阀)由于空气室13中的低压而关闭。

当对象呼气时，空气通过出口阀15排出。该阀被打开以使得呼气容易，但在吸气期间关闭。风扇装置14使面罩通风，以及在所示的实施例中，辅助通过出口阀15去除空气。优选地，去除比呼气更多的空气，从而将额外的空气供应到面部。由于降低了相对湿度和冷却，这增加了舒适性。在吸气期间，通过关闭阀门，可防止吸入未经过滤的空气。因此，出口阀15的时序取决于对象的呼吸循环。出口阀可以是通过跨过滤器12的压力差操作的简单被动止回阀。然而，它可以替代地是电动控制阀。

风扇装置14可包括入口风扇或出口风扇以使面罩通风。入口风扇通过过滤器12将空气从空气室13外部抽入空气室中。入口风扇可定位在过滤器12之前或之后。出口风扇将空气从空气室13的内部抽到外部。在该实施例中，排出空气不需要通过穿过过滤器，但是它也可以通过出口风扇被抽吸通过过滤器。

在正常的循环呼吸周期期间，入口风扇或出口风扇辅助用户的呼吸。例如，如果存在入口风扇，则其可以在吸气期间打开以及在呼气期间关闭。备选地，如果存在出口风扇，其可以在吸气期间关闭以及在呼气期间打开。

在另一方面，风扇装置14包括入口风扇和出口风扇。以这种方式，吸气/呼气循环被完全辅助。入口风扇和出口风扇与用户的呼吸循环同步；吸气由入口风扇辅助以将新鲜空气带入面罩，以及呼气由出口风扇辅助以将用户呼出的空气从面罩内部排出到外部。

当面罩未使用时，其可以被关闭。在一个实施例中，面罩包括用于启动和停止风扇装置14的开关。这将允许用户完全控制何时启动和停止风扇装置。例如，用户可以确保当面罩不使用时风扇装置一直关闭。当面罩被启用(switched on)时，风扇装置可以以由控制器确定的第一模式或第二模式开始操作。备选地，可以替代地使用传感器装置来检测何时佩戴面罩以提供风扇装置的自动控制。面罩然后可以直接进入其操作模式。

图5示出包含入口风扇和出口风扇的面罩的部件的一个示例。与图4相同的部件被给予相同的附图标记。

除了图4中所示的部件之外，图5示出了具有入口风扇叶片16a和入口风扇电机16b的入口风扇16、具有出口风扇叶片17a和出口风扇电机17b的出口风扇17、控制器20、本地电池21和用于检测用户的呼吸循环的传感器装置22。

在一个示例中，风扇电机14b和15b是电动换向无刷电机。出于效率和寿命的原因，优选电动换向无刷电机。电动换向无刷DC风扇具有内部传感器，其测量转子的位置以及以转子旋转的方式切换通过线圈的电流。

用于检测用户的呼吸循环的传感器装置22可以是用于确定空气室外部的空气和空气室内部的空气之间的压力差的压力差传感器。例如，对于在入口风扇和出口风扇的一侧处的已知的压力(例如，大气压力)，压力监测使得能够确定入口风扇和出口风扇的另一侧上的压力或至少压力变化。该另一侧例如是封闭室，该封闭室因此具有不同于大气压力的压力。以这种方式，可以检测吸气和呼气。

通过在入口风扇和出口风扇的每一侧上检测相等的压力，然后可以确定室不是关闭的，而是在两侧上连接到大气压力。以这种方式，没有检测到吸气和呼气。这还可以发出面罩未被佩戴的信号，以及因此可以用于关闭风扇以节省电力。

合适的压力差传感器是来自Sensirion(商标)的传感器，诸如SDP31其具有-500Pa至500Pa的测量范围、0.1Pa的零点精度和小于3ms的流动停止响应时间。这种传感器可以实时地跟踪用户的呼吸循环。优选地，传感器包括具有-500Pa至500Pa的测量范围的压力差传感器。这覆盖了呼吸压力范围。也可以使用其它传感器来确定用户是在吸气还是呼气。例如，可以使用温度、相对湿度、二氧化碳、氧气或上述传感器中的任何传感器的组合。

该压力差信息被发送到控制器20。控制器20然后识别正常的循环呼吸周期或被干扰的呼吸周期。作为响应，控制器20在正常循环呼吸周期期间以第一模式控制入口风扇16和出口风扇17，以及在被干扰的呼吸周期期间以第二模式控制入口风扇16和出口风扇17。在第一模式中，控制器与循环呼吸同步地控制入口风扇16和出口风扇17。在第二模式中，控制器与吸气和呼气的时序不同步地控制入口风扇16和出口风扇17。

如果识别出正常的循环呼吸周期，控制器还确定用户是在吸气还是呼气。例如，空气室内部的空气相对于空气室外部的空气的压力降低将对应于吸气，以及空气室内部的空气相对于空气室外部的空气的压力升高将对应于呼气。

在正常循环呼吸周期期间的使用中，入口风扇16和出口风扇17可以运行，使得在第一模式期间，控制器20适于在吸气期间以第一速度操作入口风扇16以及在呼气期间以较低的第二速度操作入口风扇16，以及在呼气期间以第三速度操作出口风扇17以及在吸气期间以较低的第四速度操作出口风扇17。入口风扇16的第一速度和第二速度以及出口风扇17的第三速度和第四速度是指旋转速度。

当确定从呼气到吸气的转变时，控制器20向入口风扇电机16b发送信号以将入口风扇叶片16a的旋转速度从第二速度增加到第一速度。控制器20还向出口风扇电机17b发送信号以将出口风扇叶片17a的旋转速度从第三速度降低到第四速度。以这种方式，在吸气期间，入口风扇16以第一速度运行，并且出口风扇17以第四速度运行。这补偿了在吸气期间面罩内压力的降低。

相反地，如果确定从吸气到呼气的转变，控制器20向出口风扇电机17b发送信号以将出口风扇叶片17a的旋转速度从第四速度增加到第三速度。控制器20还向入口风扇电机16b发送信号以将入口风扇叶片16a的旋转速度从第一速度降低到第二速度。以这种方式，在呼气期间，出口风扇17以第三速度运行，入口风扇16以第二速度运行。这补偿了呼气期间面罩内压力的增加。

当入口风扇16和出口风扇17都存在时，入口风扇16的第二速度优选地与出口风扇17的第四速度相同。这在感觉和声音方面提供了一致的用户体验。

入口风扇16的第一速度可以与出口风扇17的第三速度相同或不同，这取决于面罩的入口流动路径和出口流动路径的设计以及由入口风扇16和出口风扇17产生的面罩内部的压力差。例如，如果空气通过过滤器被吸入面罩以及通过阀从面罩抽出，入口风扇16将需要生成比出口风扇17更高的压力。这可以通过使用入口风扇16的第一速度来实现，该第一速度高于出口风扇17的第三速度。

第二速度和第四速度可以是零或最小非零速度。在一个实施例中，第二速度和第四速度为零。当呼吸循环处于与相应风扇相反的阶段时，这最小化了电池的使用。备选地，第二速度和第四速度可以是非零的。以最小非零第二速度运行入口风扇16和以最小非零第四速度运行出口风扇17的益处之一是风扇以使用最小功率但减少等待时间的低的空转速度运行。此外，至少以最小水平连续运行入口风扇和出口风扇，确保了当在吸气和呼气之间的转换期间将入口风扇的操作切换到出口风扇时，以及当在呼气和吸气之间的转换期间将出口风扇的操作切换到入口风扇时存在最小延迟。因此，减少了在使用期间改变风扇速度所需的脉冲，从而可以更快地进行期望的风扇速度改变。因此，面罩中的空气流可以更容易地与用户的呼吸循环同步，最终使得面罩中的呼吸更舒适。

风扇速度可以适合于用户的呼吸(例如，呼吸频率和潮气量)，以及可以被调整以考虑不同的呼吸情形(例如，诸如走路和跑步的运动)。

可以在校准过程期间确定要使用的速度，或者可以由风扇制造商提供这些速度。校准过程例如涉及在用户被指示以正常呼吸规律地吸气和呼气的时间段内分析风扇速度信息。捕获的风扇速度信息然后可以用于确定适当的风扇速度。控制器还可以为用户提供调节较高的第一和第三速度、以及较低的第二和第四速度以及任何中间速度的设置(settings)。

在最简单的示例中，入口风扇16和出口风扇17的旋转速度在两个设定值之间交替，其中在检测到的吸气和呼气之间的转变处实现旋转速度的改变。

还可以有多个中间旋转速度，入口风扇和出口风扇可以在第一速度和第三速度之间以及在第二速度和第四速度之间运行该中间旋转速度。然而，第二速度和第四速度通常设置最小旋转速度。理想情况下，最小旋转速度可在延迟时间和功率效率之间实现最佳平衡。第一速度和第三速度典型地取决于用户的呼吸(例如，呼吸频率和潮气量)，以及可以被调整以考虑不同的呼吸情形(例如，诸如走路和跑步的运动)。在一个简单的实施例中，第一速度和第三速度设定最大旋转速度。以这种方式，第一速度和第三速度一方面理想地在延迟时间和功率效率之间提供最佳的平衡，另一方面又为用户提供了辅助。

入口风扇和出口风扇的旋转速度例如由脉宽调制信号控制，由此占空比控制旋转速度。

图6示出由佩戴面罩并正常呼吸(即，呼吸压力加上风扇压力)的用户生成的面罩内的压力相对于时间呼吸循环61，以及由入口风扇16和出口风扇17响应于用户的呼吸而生成的面罩内的压力相对于时间62。左边的刻度是面罩内的压力，以及右边的刻度是风扇压力。图6从呼气开始。当用户呼气以及由用户生成的压力61增加时，由风扇生成的压力62减小以平衡面罩内部的压力差。这通过使入口风扇16以第二速度运行以及使出口风扇17以第三速度运行使得出口风扇17的旋转速度高于入口风扇16的旋转速度来实现。在后续的吸气检测，当用户吸气以及由用户生成的压力61减小时，由风扇生成的压力62增加以平衡面罩内部的压力差。这通过使入口风扇16以第一速度运行以及使出口风扇17以第四速度运行使得入口风扇16的旋转速度高于出口风扇17的旋转速度来实现。以这种方式，面罩中的空气流与用户循环的呼吸循环同步，最终使得面罩中的呼吸更舒适。

在典型的呼气循环期间，面罩内的压力在吸气和呼气之间的转变期间快速增加，以及然后缓慢减小到零的压力差。然而，在呼气循环期间的压力减小不是恒定的，以及在总的压力减小期间，压力以小的增量增加和减少地波动。这可以在图1-3和图6中看到，在呼吸循环中有多个峰和谷。

当用户的呼吸被干扰时，呼吸循环从其基线循环波动。基线循环在呼吸循环中具有分别对应于呼气和吸气的一系列峰和谷。当用户通过他们的嘴发出声音时，包括说话、笑、唱歌、吹口哨、哼唱、叹气、咳嗽和打哈欠，他们的呼吸被干扰。在吸气时，用户将进行短而深的呼吸，而在呼气时，呼吸循环将根据所发出的特定声音而波动。吸气的持续时间可以如此短，使得当用户的呼吸被干扰时，风扇装置14不能与用户的呼吸循环保持同步。用户还可以有意地屏住他们的呼吸。因此，为了避免风扇装置14干扰用户的呼吸，风扇装置14以与吸气和呼气的时序不同步的第二模式运行。由此这意味着风扇装置的控制方式与吸气和呼气阶段的时序不再直接相关。例如，风扇装置的控制独立于被干扰的呼吸周期期间的呼吸循环改变，而是以仅考虑当前检测到被干扰的呼吸周期这一事实的方式来控制。

当存在入口风扇16和出口风扇17时，在第二模式期间，控制器可适于在被干扰的呼吸周期期间例如以单速(single speed)连续地操作入口风扇16和/或出口风扇17。以这种方式，入口风扇16和/或出口风扇17可以连续运行以在风扇内部生成一致的空气压力，而不管用户是吸气还是呼气。例如，入口风扇16可以以第一速度运行和/或出口风扇17可以以第三速度运行。这确保面罩被连续地通风，以在用户的呼吸被干扰时降低面罩内的温度和相对湿度，以及针对将跟随到呼吸的干扰的吸气的短的持续时间进行补偿。

在一个示例中，传感器装置22包括温度传感器和/或相对湿度传感器。

在第一模式期间，控制器20可适于附加地根据空气室中的温度和/或相对湿度水平来操作风扇装置14。以这种方式，在正常呼吸期间，控制器考虑面罩内的温度和/或相对湿度水平，以及确保面罩在面罩内的条件下为用户提供最合适的通风，同时还考虑功率消耗。

在第二模式期间，控制器可适于操作风扇装置以维持空气室中的温度和/或相对湿度水平，但独立于如上所述的吸气和呼气的时序。这改善了在被干扰的呼吸周期期间的用户舒适度。例如，使用温度和/或相对湿度传感器来测量面罩内部的温度和/或相对湿度，并确定第二模式下的风扇装置工作速度。在这点上，风扇装置在第二模式下可以具有不同的工作速度，例如，低、中等和高，以及工作速度可以与面罩内的温度和/或相对湿度成比例地增加。可以通过将面罩内部的温度(T)和/或相对湿度(RH)值与预设温度和/或相对湿度值进行比较来确定第二模式的速度。例如，预设温度可以为26℃(T₁)和30℃(T₂)以及预设相对湿度可以为50％(RH₁)和80％(RH₂)。然后，如果T>T₂或RH>RH₂，则风扇装置在第二模式下具有高的工作速度。然而，如果T₁≤T≤T₂或RH₁≤RH≤RH₂，则风扇装置在第二模式下具有中等工作速度。或者，如果T<T₁或RH<RH₁，则风扇装置在第二模式下具有低的工作速度。

在一个示例中，传感器装置22包括用于确定空气室13外部的空气与空气室13内部的空气之间的压力差的压力差传感器，以及温度传感器和/或相对湿度传感器。这些传感器可以与控制器20结合一起工作以识别用户的呼吸周期并确定风扇装置14的第一模式和第二模式。

如上所解释的，可以基于局部呼气峰的存在来检测被干扰的呼吸周期。图7示出了在其中对局部呼气峰进行计数的时间窗口。这些局部呼气峰出现在整个呼气周期期间，即，它们没有被吸气周期间隔。

时间窗口71确定正被监测的呼吸循环的时间长度。它对应于控制器的闪存中的实时数据存储深度。因此，时间窗口是滑动时间窗口，其提供用户的当前呼吸循环的快照，允许风扇装置被实时控制。例如，时间窗口71可以设置为1s，以及传感器可以以10Hz的速率采样呼吸循环，在时间窗口71中给出呼吸循环的十个采样。

可以通过对时间窗口71内的呼气峰进行计数来监测用户的呼吸循环的波动，其中，基于超过阈值的计数来检测被干扰的呼吸周期。可以通过参考相同持续时间的时间窗口内的正常循环呼吸周期中的峰数目来确定阈值。阈值是在相同持续时间的时间窗口内超过正常循环呼吸周期中的呼气峰的数量的值。因此，可以将时间窗口71内的呼气峰的数目，与相同持续时间的时间窗口内的正常循环呼吸周期内的峰的数目进行比较，以便识别被干扰的呼吸周期。阈值可以随用户而变化，以及可以在校准过程期间为用户确定阈值。

当用户的呼吸不被干扰时，计数低于阈值。呼气循环的波动最小，以及控制器20以如上所述的第一模式操作风扇装置14。然而，当用户的呼吸被干扰时，计数超过阈值。呼吸循环的波动被识别，以及控制器20以如上所述的第二模式操作风扇装置14。

对时间窗口内的呼气峰进行计数对应于确定呼吸循环内局部呼气峰的频率并将该频率与基线呼吸循环中预期的频率(即，正常循环呼吸周期)进行比较。可以使用阈值频率值来确定用户的呼吸是否被干扰。

当用户的呼吸恢复正常时，即，用户不再通过他们的嘴发出声音，以及恢复正常的循环呼吸周期时，控制器20确定频率已经下降到阈值频率值以下，以及风扇装置14再次跟踪用户的呼吸。风扇装置14再次在第一模式下操作。

以这种方式，持续监测用户的呼吸循环，并且控制器20可以标识不同的呼吸周期。控制器20能够选择风扇工作模式(第一模式或第二模式)并根据所识别的呼吸周期控制风扇装置14。

系统能够基于图2和图3的曲线之间的差异来区分笑和说话。

一个差异是局部峰的时序，即，局部峰出现的频率。

例如，当用户笑时，局部呼气峰的频率可能比当用户说话时更高(因为笑是典型地短于通过语音的变化的突发序列)。在说话期间，呼气峰的频率可能超过第一阈值，但不超过较高的第二阈值。在笑期间，呼气峰的频率可能超过较高的第二阈值。因此，计数值的不同的第一阈值和第二阈值(即，频率)可以被采用。可以在校准过程期间确定第一阈值和第二阈值。第一阈值优选为至少0.5Hz，更优选为至少1Hz。第二阈值优选为至少5Hz，更优选为至少10Hz。

因此，可以仅基于局部峰的频率来区分笑和说话。然而，下面描述考虑滑动时间窗口内的局部峰的大小的优选方法。为此目的，计算峰到谷幅度。

例如，可以通过如下计算峰到谷幅度来确定局部呼气峰的幅度。在时间t、t-1、t-2、t-3和t-4处的四个压力差值P被提及以解释该过程。

一个时间点，例如P(t-l)，当在时间点每一侧的压力更高时，被识别为谷，即P(t)-P(t-1)>0以及P(t-1)-P(t-2)<0。

另一个时间点，例如P(t-3)，当在时间点每一侧的压力更低时，被识别为峰，即，P(t-2)-P(t-3)<0以及P(t-3)-P(t-4)>0。

峰到谷幅度然后为P(t-3)-P(t-1)。这提供了对局部峰高度的测量。该局部峰可以在吸气和呼气压力之间，或者在两个吸气压力之间，或者在两个呼气压力之间。

从图2和图3中可以看出，说话的特征在于在被干扰周期期间呼吸循环中的小的局部波动，而笑的特征在于大的局部波动。因此，存在幅度差以及频率差。

然后可以对大的峰到谷的出现和小的峰到谷的出现进行连续计数，以区分笑和说话。然后为每个检测到的峰到谷的幅度设置幅度阈值。

例如，counter₁对应于时间窗口中的当幅度超过阈值时的峰数目，而counter₂对应于时间窗口中的当幅度低于阈值时的峰数目。总峰计数由counter₁+counter₂定义。该总峰计数用于以上面所解释的方式区分正常呼吸循环和被干扰呼吸循环。它指示时间窗口中的峰总数。

对于被干扰的呼吸循环的时间周期，如果counter₁高于counter₂，则用户正在笑，而如果counter₁小于counter₂，用户正在说话。

当检测到笑时，控制器可以还适于将此信息传输到外部设备。以这种方式，用户可以具有他们在佩戴面罩时笑过的次数的记录。这种智能面罩可以帮助提高用户参与度。例如，如果用户笑过的次数高，面罩可以祝贺用户，或者如果用户笑过的次数低，面罩可以鼓励用户更多地笑。

以这种方式，存在用于所有局部峰的频率的阈值和与那些局部峰的幅度相关的阈值。还可以存在与呼吸循环相关的一个或多个附加阈值，以进一步区分不同类型的呼吸周期。此信息可传输到外部设备以用于后续分析。

控制器20还可以适于将与呼吸循环相关的数据传输到外部设备。例如，外部设备可以是用户的智能电话，以及传输可以是经由Wi-Fi、蓝牙、ZigBee或其他无线技术的无线传输。

图8示出了本发明的面罩操作方法。方法用于控制面罩，该面罩包括空气室13、过滤器12和用于使面罩通风的风扇装置14。方法包括以下步骤：

在步骤72中，检测用户的呼吸循环。

在步骤74中，识别正常的循环呼吸周期，以及作为响应，以与循环呼吸同步的第一模式控制风扇装置14。

在步骤76中，识别被干扰的呼吸周期，以及作为响应，以与吸气和呼气不同步的第二模式控制风扇装置14。典型地，该步骤在用户说话或大笑时执行。

风扇装置14可包括入口风扇16和出口风扇17，以及方法可包括在正常循环呼吸周期期间，在吸气期间以第一速度操作入口风扇16和在呼气期间以较低的第二速度操作入口风扇16，以及在呼气期间以第三速度操作出口风扇17和在吸气期间以较低的第四速度操作出口风扇17。

控制器20可适于在被干扰的呼吸周期期间连续地操作入口风扇16和出口风扇17。

图9示出了用于包含入口风扇16和出口风扇17的面罩的、优选的面罩操作方法。

在步骤80中，软件被初始化，包括设置风扇装置14的默认工作模式、设置默认温度和相对湿度范围以及设置用于风扇装置14的压力差值。

在步骤81中，对面罩内部的温度和/或相对湿度以及压力差进行采样。

在步骤82中，将采样的温度和/或相对湿度与默认温度和/或相对湿度范围进行比较，以确定风扇装置的工作速度。

在步骤83中，将风扇装置的默认工作模式调整到所确定的风扇装置的工作速度。

在步骤84中，如上所解释的，通过设置时间窗口并对时间窗口中的峰进行计数(以及可选地还分析峰到谷的幅度)来确定呼吸周期的类型。

对于正常呼吸循环，在步骤85中，入口风扇16和出口风扇17基于时间窗口内呼气峰的计数处于或低于阈值而在第一模式下运行。它确定用户是在吸气还是呼气。

在步骤86中，当用户吸气时，入口风扇16以第一(高)速度运行，出口风扇17以第四(低)速度运行。

在步骤87中，当用户呼气时，出口风扇17以第三(高)速度运行，入口风扇16以第二(低)速度运行。

对于被干扰的呼吸循环，在步骤88中，当时间窗口内的呼气峰的计数超过阈值时，入口风扇16和出口风扇17以第二模式运行，特别地，入口风扇16以第一(高)速度运行，出口风扇17以第三(高)速度运行。

在步骤89中，基于时间窗口内的高幅度峰和低幅度峰的计数来确定用户正在说话。

在步骤90中，基于时间窗口内的高幅度峰和低幅度峰的计数来确定用户正在笑。

本发明还提供一种包括计算机程序代码装置的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，计算机程序代码装置适于实现本发明的方法。

本发明的方法利用可以用软件和/或硬件以多种方式实现的控制器来执行所需的各种功能。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个示例，该一个或多个微处理器可以使用软件(例如，微码)以执行所需的功能。在一个方面，面罩还包括微控制器单元，用于处理时间窗口内呼气峰的计数并用于控制风扇装置模式。然而，控制器可在采用或不采用处理器的情况下实施，并且还可以被实施为用以执行一些功能的专用硬件与用以执行其它功能的处理器(例如，一个或多个编程微处理器和相关电路)的组合。

可以在本公开的各种实施例中采用的控制器部件的示例包括但不限于，常规微处理器、专用集成电路(ASICs)以及现场可编程门阵列(FPGAs)。

在各种实施方式中，处理器或控制器可以与诸如RAM、PROM、EPROM以及EEPROM之类的易失性和非易失性计算机存储器之类的一个或多个存储介质相关联。存储介质可以用当在一个或多个处理器和/或控制器上执行时，实现所需功能的一个或多个程序来编码。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内，或者可以是可传输的，使得存储在其上的一个或多个程序可以被加载到处理器或控制器中。

控制器还可以适于将与呼吸循环相关的数据传输到外部设备。以这种方式，用户可以具有他们的呼吸由于说话、笑等而被干扰的次数的记录。

优选地，面罩还包括电池以向风扇装置14、传感器装置22和控制器20供电。

面罩可以用于仅覆盖鼻子和嘴(如图4中所示)，或者它可以是全脸面罩。

示例示出的是用于过滤环境空气的面罩。然而，面罩可与来自外部供应的呼吸气体一起使用，例如呼吸辅助设备(诸如连续正空气压力(CPAP)系统)。

上面所描述的面罩设计具有由过滤材料形成的主空气室，用户通过该主空气室吸入空气。当存在时，过滤器包括与入口风扇串联的过滤器构件。空气室的外壁可以限定过滤器。备选地，当存在时，过滤器可以仅设置在入口风扇的位置处、与不可渗透的外壳结合。在这种情况下，入口风扇辅助用户通过过滤器吸入空气，从而减少用户的呼吸努力。当存在时，可邻近入口风扇设置入口阀，当存在时，可邻近出口风扇设置出口阀。在一个方面，面罩还包括用于将空气从空气室13内部排出到外部的阀。

可以看出，本发明可以应用于许多不同的面罩设计，具有风扇辅助的吸气和呼气，以及具有由过滤膜形成的空气室或具有密封的气密空气室。

通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，以及不定冠词“一”或“一个”不排除多个。仅仅在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种面罩(11)，包括：

空气室(13)；

过滤器(12)；

风扇装置(14)，用于使所述面罩通风；

传感器装置(22)，用于检测用户(10)的呼吸循环；以及

控制器(20)，其适于：

从所述传感器装置输出识别正常循环呼吸周期，以及作为响应，以与所述循环呼吸同步的第一模式控制所述风扇装置(14)；以及

其特征在于，所述控制器(20)进一步适于：

从所述传感器装置输出识别被干扰的呼吸周期，以及作为响应，以与吸气和呼气的时序不同步的第二模式控制所述风扇装置(14)。

2.根据权利要求1所述的面罩，其中所述传感器装置(22)包括压力差传感器，所述压力差传感器用于确定所述空气室(13)外部的空气与所述空气室(13)内部的空气之间的压力差。

3.根据权利要求1或2所述的面罩，其中所述风扇装置(14)包括入口风扇(16)以及出口风扇(17)。

4.根据权利要求3所述的面罩，其中在所述第一模式期间，所述控制器(20)适于在吸气期间以第一速度操作所述入口风扇(16)和在呼气期间以较低的第二速度操作所述入口风扇(16)，以及在呼气期间以第三速度操作所述出口风扇(17)和在吸气期间以较低的第四速度操作所述出口风扇(17)。

5.根据权利要求4所述的面罩，其中所述第二速度和所述第四速度为零。

6.根据权利要求4或5所述的面罩，其中在所述第二模式期间，所述控制器(20)适于在所述被干扰的呼吸周期期间，连续地操作所述入口风扇(16)和所述出口风扇(17)。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的面罩，其中所述传感器装置(22)包括温度传感器和/或相对湿度传感器。

8.根据权利要求7所述的面罩，其中在所述第一模式期间，所述控制器(20)适于附加地根据所述空气室(13)中的温度和/或相对湿度水平来操作所述风扇装置(14)。

9.根据权利要求7或8所述的面罩，其中在所述第二模式期间，所述控制器(20)适于操作所述风扇装置(14)以保持所述空气室(13)中的温度和/或相对湿度水平。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的面罩，其中所述控制器(20)适于通过对时间窗口(71)内的峰进行计数来检测所述被干扰的呼吸周期，其中所述被干扰的呼吸周期基于超过阈值的计数而被检测。

11.根据权利要求10所述的面罩，其中所述控制器(20)适于基于所述被干扰的呼吸周期内的所述峰的幅度来区分说话和笑。

12.一种控制面罩(11)的方法，所述面罩包括空气室(13)、过滤器(12)以及用于使所述面罩通风的风扇装置(14)，其中所述方法包括：

检测用户(10)的呼吸循环；

识别正常循环呼吸周期，以及作为响应，以与所述循环呼吸同步的第一模式控制所述风扇装置(14)；以及

其特征在于，所述方法进一步包括：

识别被干扰的呼吸周期，以及作为响应，以与所述吸气和呼气不同步的第二模式控制所述风扇装置(14)。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述风扇装置(14)包括入口风扇(16)和出口风扇(17)，以及其中所述方法包括，在所述正常循环呼吸周期期间，在吸气期间以第一速度操作所述入口风扇(16)和在呼气期间以较低的第二速度操作所述入口风扇(16)，以及在呼气期间以第三速度操作所述出口风扇(17)和在吸气期间以较低的第四速度操作所述出口风扇(17)。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中在所述第二模式期间，所述控制器(20)适于在所述被干扰的呼吸周期期间，连续地操作所述入口风扇(16)和所述出口风扇(17)。

15.一种计算机程序，所述计算机程序包括计算机程序代码装置，当所述计算机程序在根据权利要求1-11中任一项所述的面罩的所述控制器(20)上运行时，所述计算机程序代码装置适于实现权利要求12-14中任一项所述的方法。

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