CN111182946B - 呼吸循环监控设备及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种呼吸循环监控设备。提供了一种设备，该设备包含用于覆盖用户的鼻子和/或嘴巴的面罩、第一温度传感器、第二温度传感器和控制器。面罩具有定义面罩容积的透气面罩壁。在使用中，面罩容积内部存在微气候。第一温度传感器位于面罩容积内部，以使它能够在微气候内部检测被吸入和呼出的空气的第一温度。第二温度传感器位于面罩壁的外部，在透气面罩壁的表面处或与其相邻，以使它能够在微气候外部检测相同空气的第二温度。控制器比较跨透气面罩壁的第一温度和第二温度，并且适于从第一温度和第二温度计算温度差参数。这样做，控制器能够确定用户的呼吸循环。

Description

呼吸循环监控设备及控制方法

技术领域

本发明涉及呼吸循环监控设备及控制方法，特别地涉及包含温度传感器的呼吸循环监控设备。

背景技术

空气污染是全世界关注的问题。世界卫生组织(WHO)估计每年有400万人死于空气污染。这个问题的一部分是城市的室外空气质量。近300个遭受烟雾的城市未达到国家空气质量标准。

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)。特别令人关注的是具有小于2.5μm的直径的颗粒(被称为“PM2.5”)的污染，因为它们能够渗透到肺(肺泡)的气体交换区域，并且非常小的颗粒(<100nm)可以穿过肺部影响其他器官。

由于这个问题在短期内不会显著改善，因此应对该问题的常用方法是戴上通过过滤提供更清洁空气的面罩，近年来中国和其他地区的面罩市场激增。例如，据估计，到2019年，中国将有42亿个面罩。

然而，在使用期间，面罩内部的温度和相对湿度增加，并且与面罩内部相对于外部的压力差异结合在一起，使呼吸不舒服。为了改善舒适度和有效性，可以在面罩上添加一个风扇，该风扇通过过滤器抽吸进空气。出于效率和寿命的考虑，这些风扇通常是电子换向的无刷DC风扇。

对使用电动面罩的佩戴者的好处是，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。

另外，在常规的非电动面罩中，吸气还会在面罩内引起轻微的负压，从而导致污染物泄漏到面罩中，如果这些污染物是有毒物质，则该泄漏可以被证明是危险的。电动面罩向脸部递送稳定的空气流，例如可以提供轻微的正压(可以通过呼气阀的阻力来确定)，以确保泄漏是向外而不是向内的。

当佩戴电动面罩时，有许多方法可以改善用户体验。这些方法趋向于集中在风扇速度的调节上，既改善用户舒适度又改善风扇的电效率。

例如，GB 2032284公开了一种呼吸器，其中通过压力传感器来测量面罩内部的压力，并且风扇速度根据传感器的测量而变化。

因此，经常在电动面罩中使用压差传感器，该压差传感器确定设备外部的空气与设备内部的空气之间的压力差异。压差传感器提供对用户的呼吸循环的准确监控，因为在检测到的压差随时间的变化与用户的吸气和呼气时序(timing)之间存在最小的时间滞后。该时间滞后约为毫秒或千分之一秒。但是，压差传感器价格昂贵。

温度传感器是一种较便宜的备选，但是在检测温度时会存在时间滞后，使得检测到的温度不是实时温度的真实反映。该时间滞后大约为几秒，诸如2秒-8秒，这与呼吸循环的持续时间(对于休息时的健康的成年人，通常3秒-5秒)相比是非常显著的。该时间滞后也因人而异。因此，当使用温度传感器来调节面罩中的风扇速度时，该时间滞后可能使得风扇与用户的呼吸循环相反地动作。例如，当用户呼气时，入口风扇可能被开启。这会使在面罩中呼吸不舒服。

因此，需要更便宜的备选传感器来检测面罩中的用户的呼吸循环，并且在检测到的参数随时间的变化与用户的吸气和呼气时序之间具有减小的时间滞后。

WO 2010/120891 A2描述了一种系统，其中第一传感器测量患者的呼吸气体的温度。第二传感器测量环境温度。两种温度都用于确定患者的呼吸状态。

WO 2016/157159 A1描述了一种用户可佩戴的设备，该设备包含与向佩戴用户提供功能的电子系统组合的呼吸器或呼吸空气过滤器。该设备可以包含一个或多个传感器，该一个或多个传感器被配置成感测指示用户的呼吸循环的一个或多个参数。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种呼吸循环监控设备，包括：

面罩，用于覆盖用户的鼻子和/或嘴巴，面罩具有定义面罩容积的透气面罩壁，在使用中，面罩容积中存在微气候；

第一温度传感器，在面罩容积内部，第一温度传感器适于在微气候内部检测用户吸入和呼出的空气的第一温度；

第二温度传感器，在面罩容积外部的透气面罩壁的表面处或与其相邻，第二温度传感器适于在相同空气已经穿过面罩壁之前或之后，在微气候外部检测相同空气的第二温度；以及

控制器，其适于：

从第一温度和第二温度计算温度差参数；以及

基于所计算的温度差参数来确定用户的呼吸循环。

提出了使用两个温度传感器来检测用户吸入和呼出的空气跨面罩壁的温度改变的概念。以这种方式，可以监控跨面罩壁的温度改变，而不是仅监控面罩内部的温度。因此，本发明使用两个(或更多)温度传感器代替一个温度传感器，以更快地确定用户的呼吸循环。

在使用中，面罩内部存在微气候。一个温度传感器在微气候内部检测用户吸入和呼出的空气的温度，并且另一温度传感器在相同空气已经穿过面罩壁之前或之后(但并非一直到周围环境)，在微气候外部检测相同空气的温度。换句话说，一个温度传感器在面罩容积内部检测用户吸入和呼出的空气的温度，并且另一温度传感器在相同空气已经穿过面罩壁之前或之后(但并非一直到周围环境)，在面罩容积外部检测相同空气的温度。通常，由于微气候的存在以及面罩内部的通风比外部差的事实，面罩内部的空气比面罩外部的空气热。因此，面罩内部的温度倾向于比面罩外部的温度高。这会跨面罩壁产生温度差。

控制器处理跨面罩壁的温度，并且适于计算温度差参数。该温度差参数提供关于用户的呼吸循环的更准确的信息。因此，当在面罩壁的两侧使用两个温度传感器来监控用户的呼吸循环时，温度传感器的感测延迟(可以是2秒-8秒)变得无关紧要。

通过使用两个温度传感器来检测用户吸入和呼出的空气跨面罩壁的温度改变，可以准确地确定用户的呼吸循环。这具有以下益处，廉价的温度传感器可以代替昂贵的压差传感器，来准确地确定用户的呼吸循环。因此，本发明的设备使用廉价的组件，并且该设备具有广泛的适用性。传感器可以执行吸气/呼气检测的双重角色，以及提供反馈信息以用于控制面罩的舒适度。

通过确定用户的呼吸循环，该设备可以用于在一系列情况下监控健康，诸如步行、跑步等。备选地，该设备可以响应于所确定的呼吸循环来控制附加组件，诸如电动面罩中的风扇装置。

因此，将理解，发明人已经认识到可以使用两个温度传感器代替压差传感器来准确地确定用户的呼吸循环，并且该设备可以被用在一系列场景中。

第二温度传感器可以例如仅向一侧敞开，以使例如一侧被绝热材料密封(绝热侧)，并且另一侧被提供为热接触侧(感测侧)。感测侧朝向面罩壁，并且绝热侧朝向外部。以这种方式，第二温度传感器适于在面罩容积之外检测与透气面罩壁的表面相邻的温度，而不是检测环境温度。

在一个示例中，透气面罩壁是过滤器。以这种方式，第二温度传感器经过面罩的过滤器检测第二温度。面罩的目的是过滤并且向用户提供清洁的空气。过滤器可以形成透气面罩壁的全部或一部分。

可以基于第一温度和第二温度来计算温度差参数。优选地，通过从第二温度减去第一温度来计算温度差参数。这是用于准确地确定用户的呼吸循环的简单的计算。

在另一方面，第二温度传感器被安装在透气面罩壁的外表面上。这确保了第二温度传感器保持紧密接近透气面罩壁。

优选地，第二温度传感器面对透气面罩壁的外表面。这确保了第二温度传感器在用户吸入和呼出的空气已经穿过面罩壁之前或之后，检测该空气的温度，而不是检测环境空气的温度。

该设备可以进一步适于将与呼吸循环有关的数据传送给外部设备。这将使能健康监控。

该设备还可以包括：

用于使面罩通风的风扇装置，其中控制器还适于：

与用户的呼吸循环同步地控制风扇装置。

以这种方式，用户的呼吸循环被面罩的风扇装置充分辅助，使面罩中的呼吸更加舒适。

风扇装置可以包括入口风扇和出口风扇。这将改善面罩的通风，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到面罩中，而出口风扇将用户呼吸出的空气从面罩内部排出到外部。

控制器可以适于：在吸气期间以第一速度操作入口风扇，并且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，并且在吸气期间以较低的第四速度操作出口风扇。以这种方式，呼吸循环被充分地辅助。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，并且呼气循环由出口风扇辅助。

第二速度和第四速度可以为零。这在呼吸循环与相应的风扇处于相反阶段时，可以最小化电池的使用。

在本发明的另一方面，提供了一种控制呼吸循环监控设备的方法，该设备包括：面罩，用于覆盖用户的鼻子和/或嘴巴，面罩具有定义面罩容积的透气面罩壁，在使用中，面罩容积中存在微气候；第一温度传感器，在面罩容积内部，第一温度传感器适于在微气候内部检测由用户吸入和呼出的空气的第一温度；以及第二温度传感器，在面罩容积外部的透气面罩壁的表面处或与其相邻，第二温度传感器适于在相同空气已经穿过面罩壁之前或之后，在微气候外部检测相同空气的第二温度，其中该方法包括：

使用第一温度传感器检测第一温度；

使用第二温度传感器检测第二温度；

从第一温度和第二温度计算温度差参数；以及

基于所计算的温度差参数确定用户的呼吸循环。

该设备还可以包括风扇装置，并且因此该方法还可以包括：

使用风扇装置为面罩通风；以及

与用户的呼吸循环同步地控制风扇装置。

在本发明的另一方面，提供了一种包括计算机程序代码部件的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，该计算机程序代码部件适于实施上面定义的方法。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了在呼吸循环期间，使用压差传感器检测到的相对于时间的压差以及使用温度传感器检测到的相对于时间的温度；

图2示出了包含第一温度传感器和第二温度传感器的面罩；

图3示出了温度相对于时间，其首先使用面罩内部的温度传感器确定，且其次使用与面罩外部相邻的温度传感器确定；

图4示出了包含第一温度传感器、第二温度传感器、入口风扇和出口风扇的面罩的组件的一个示例；

图5示出了在呼吸循环期间的压差相对于时间以及温度差参数相对于时间；以及

图6示出了本发明的设备操作方法。

具体实施方式

本发明提供了一种呼吸循环监控设备。提供了一种设备，该设备包含用于覆盖用户的鼻子和/或嘴巴的面罩、第一温度传感器、第二温度传感器和控制器。面罩具有定义面罩容积的透气面罩壁。在使用中，面罩容积内部存在微气候。第一温度传感器位于面罩容积内部，以使它能够在微气候内部检测被吸入和呼出的空气的第一温度。第二温度传感器位于面罩壁的外部，在透气面罩壁的表面处或与其相邻，以使它能够在微气候外部检测相同空气的第二温度。控制器比较跨透气面罩壁的第一温度和第二温度，并且适于从第一温度和第二温度计算温度差参数。这样做，控制器能够确定用户的呼吸循环。

图1示出了在呼吸循环期间，使用压差传感器检测到的压差相对于时间的绘图101以及使用温度传感器检测到的温度相对于时间的绘图102。x轴是时间/秒。左侧的y轴是压差/Pa，并且右侧的y轴是温度/℃。

呼吸循环是吸气和呼气时序的模式。呼吸循环中存在一系列的峰和谷，峰和谷分别对应于呼气和吸气。呼吸循环可以由在时间上随吸气/呼气而变化的任何合适的参数表示。通常，通过监控压差相对于时间来检测呼吸循环，但是也可以使用其他参数，诸如温度、相对湿度、氧气和/或二氧化碳浓度等。

在吸气期间，面罩内部的压差降低(相对于外部环境压力的负压)，并且面罩内部的温度降低。在呼气期间，面罩内部的压差增加(正压)，并且面罩内部的温度增加。

压差传感器提供对用户的呼吸循环的准确监控，因为在检测到的压差随时间的变化中存在最小的时间滞后，并且因此压差紧随用户的吸气和呼气的时序。该时间滞后约为毫秒或千分之一秒。因此，图1中所描绘的压差相对于时间是用户的呼吸循环的准确表示。然而，压差传感器价格昂贵。

相反，温度传感器的使用更便宜。然而，温度传感器不提供用户的呼吸循环的准确表示，因为温度在时间上的检测存在时间滞后，并且因此相对于用户的实际吸气和呼气时间存在时间滞后。对于温度传感器，该时间滞后约为几秒，诸如2秒-8秒，这与呼吸循环的持续时间(对于休息的健康成年人，通常3秒-5秒)相比是非常显著的。该时间滞后也因人而异。因此，图1中描绘的温度相对于时间的绘图是用户的呼吸循环的不准确表示。通过比较温度相对于时间的绘图和压差相对于时间的绘图，可以在图1中看出与使用温度传感器相关联的时间滞后。因此，当使用温度传感器来调节在面罩的外壳中的风扇速度时，该时间滞后可能使得风扇与用户的呼吸循环相反地动作。例如，当用户呼气时，入口风扇可能开启。这使在面罩中呼吸不舒服。

申请人已经发现，与仅在面罩内部监控吸入和呼出的空气的温度相比，设备的用户吸入和呼出的空气跨面罩的温度改变可以更准确地确定用户的呼吸循环。

图2示出了包含第一温度传感器14和第二温度传感器15的本发明的面罩11。

面罩可以附加地包含用于使面罩通风的风扇装置。例如，风扇装置可以包括入口风扇和/或出口风扇。

示出了佩戴面罩11的用户10，面罩11至少覆盖用户的鼻子和嘴巴。面罩具有定义面罩容积13的透气面罩壁12。面罩的目的是在用户吸入空气之前过滤空气。为此，在图2中，面罩主体本身用作空气过滤器。

备选地，过滤器可以仅被提供在风扇所在的入口的位置处，其与不需要是过滤器的透气面罩壁组合。如果始终存在穿过面罩壁从面罩容积内部到面罩容积外部的流(例如，由于风扇设置的流动条件)，则这是可能的。入口风扇可以被定位在过滤器之前或之后。在该布置中，排出的空气将不需要穿过过滤器。

在所有情况下，本发明都是基于透气层两侧上的温度监控，该透气层可以是过滤器部分，或者可以是单独执行过滤的透气层。

面罩主体是透气的并且执行过滤功能的面罩的优选布置将被描述。

通过吸气将空气抽吸到面罩容积13中。对于非电动面罩，将空气从外部跨透气面罩壁12抽吸到面罩容积13中。但是，如果面罩附加地包含风扇装置，则可以经由风扇装置(根据风扇装置的位置和旋转速度，可选地与透气面罩壁12组合)将空气从外部抽吸到面罩容积13中。在吸气期间，围绕用户鼻子和/或嘴巴的空气温度会降低。

通过呼气将空气从面罩容积13中抽出。对于非电动面罩，空气从面罩容积13跨透气面罩壁12被抽出到外部。然而，如果面罩附加地包含风扇装置，则可以经由风扇装置(根据风扇装置的位置和旋转速度，可选地与透气面罩壁12组合)将空气从面罩容积13抽出到外部。在呼气期间，围绕用户的鼻子和/或嘴巴的空气温度会升高。

第一温度传感器14适于在面罩容积13内检测第一温度。优选地，第一温度传感器14被安装在面罩容积13内，与用户10的嘴巴和/或鼻子相邻。第一温度传感器14检测用户吸入和呼出的空气的温度。第一温度响应于用户的呼吸循环而波动。

第二温度传感器15适于在面罩容积13外部的透气面罩壁12的表面处或与其相邻地检测的第二温度。第二温度传感器15检测用户吸入和呼出的与由第一温度传感器15检测的相同的空气的温度。第二温度传感器15不只检测环境空气的温度；第二温度响应于用户的呼吸循环而波动，并且不保持恒定。

第二温度传感器15优选地被安装在透气壁12的外表面上。这确保了第二温度传感器15保持紧密接近透气面罩壁12，以使第二温度传感器15检测跨透气面罩壁12的用户吸入和呼出的空气。第二温度传感器15可以具有感测侧和非感测侧。例如，温度传感器组件可以是半封闭的，即具有利用绝热材料(heat insulation material)密封的一侧(绝热侧，insulated side)和用于热接触的另一侧(感测侧)。因此，第二温度传感器优选面对透气壁12的外表面并且与周围环境绝热。例如，感测侧朝向面罩主体，并且绝热侧朝向外部/环境空气。这确保了第二温度传感器15检测用户吸入和呼出的空气的温度，而不是检测环境空气的温度。

第一温度传感器与第二温度传感器可以相同或不同。然而，由于第一温度和第二温度之间的差通常小于10℃，因此第一温度传感器和第二温度传感器优选相同。合适的第一和第二温度传感器是Sensirion(商标)STS3x传感器。

在使用中，面罩容积13中存在微气候。第一温度传感器14在微气候内部检测用户吸入和呼出的空气的温度，并且第二温度传感器15在微气候外部检测相同空气的温度。通常，由于微气候的存在以及面罩容积13内部的通风比外部差的事实，面罩容积13内部的空气比面罩容积外部的空气热。因此，第一温度趋于高于第二温度。

对于非电动面罩，跨透气面罩壁12的吸入空气的流将与跨透气面罩壁12的呼出空气的流在相反的方向上。因此，用户吸入和呼出的空气的跨透气面罩壁12的温度改变是可检测的。

对于电动面罩，跨透气面罩壁12的吸入空气的流可以与跨透气面罩壁12的呼出空气的流在相反方向上。例如，入口风扇可以辅助吸气和/或出口风扇可以辅助呼气。备选地，跨透气面罩壁12的吸入空气的流可以与跨透气面罩壁12的呼出空气的流在相同方向上(即，总是从面罩容积内部到面罩容积外部)，这取决于风扇装置的位置和旋转速度。例如，入口风扇可以连续地操作，以使空气总是从面罩容积13跨透气面罩壁12传递到外部。优选地，从面罩容积13中去除比呼气更多的空气，以使附加的空气被提供给面部。由于降低了相对湿度以及冷却，这增加了舒适度。在这种情况下，尽管跨透气面罩壁12的吸入和呼出的空气的流将在相同方向上，但是在吸气和呼气期间穿过透气面罩壁12的空气的流速将不同，使得用户吸入和呼出的空气的跨透气面罩壁12的温度改变是可检测的。

图3示出了温度相对于时间，其首先使用面罩内部的温度传感器确定，且其次使用与面罩外部相邻的温度传感器确定。

在图3中，第一温度被描绘为绘图301，第二温度被描绘为绘图302。随着用户开始吸气和呼气以及建立微气候，绘图301和绘图302在温度上发散。在面罩容积13内检测的绘图301比在面罩容积13外检测的绘图302热，在面罩容积13内部的吸入和呼出的空气与面罩容积13外部的相同空气之间存在温度下降。因此，在透气面罩壁12的每一侧上的温度差的存在表明该设备在使用中，并且表明第一和第二温度传感器正在检测吸气和呼气。

从图3中可以看出，绘图301和绘图302的峰和谷一致，并且在所检测的第一温度与第二温度之间没有延迟。然而，与绘图301相比，绘图302的峰和谷的振幅更小。绘图302实际上是在用户的吸入空气和呼出空气已经穿过透气面罩壁12之前或之后的绘图301的轨迹(trace)。

通过在透气面罩壁12的每一侧上检测到相等的温度，然后可以确定面罩容积没有封闭而是在两侧连接到环境温度。以这种方式，没有检测到吸气和呼气。这也可以表示设备不在使用中，并且因此可以用于关闭设备以节省功率。

图4示出了包含第一温度传感器、第二温度传感器、入口风扇和出口风扇的面罩的组件的一个示例。与图2相同的组件被给予相同的附图标记。

除了图2中所示的组件之外，图4还示出了控制器20、本地电池21、具有入口风扇叶片16a和入口风扇电机16b的入口风扇16，以及具有出口风扇叶片17a和出口风扇电机17b的出口风扇17。

第一温度和第二温度被传送给控制器20。控制器然后从第一温度和第二温度计算温度差参数。以这种方式，监控了用户吸入和呼出的空气的跨面罩壁12的温度改变，而不是仅监控了用户在面罩内部吸入和呼出的空气的温度。

例如，可以通过从第二温度减去第一温度(T2-T1，其中T2是第二温度，T1是第一温度)来计算温度差参数。可以在图5中看到该计算的结果。

图5示出了在呼吸循环期间的压差相对于时间的绘图501以及温度差参数相对于时间的绘图502。

温度差参数相对于时间的绘图502实际上是温差相对于时间的绘图，因为控制器计算跨透气面罩壁的温度差。可以看出，与图1中的温度相对于时间的绘图102与压差相对于时间的绘图101的匹配相比，温度差参数相对于时间的绘图502与压差相对于时间的绘图501的匹配紧密的更多。如沿图5底部的垂直标记(与两个绘图的峰和谷对准)可以看出，绘图501和绘图502的峰和谷匹配的非常好。因此，控制器能够基于所计算的温度差参数来准确地确定用户的呼吸循环。因此，与一个温度传感器相比，本发明使用两个温度传感器来更准确地确定用户的呼吸循环。

更详细地考虑温度差参数计算，合适的计算的一个示例是从第二温度减去第一温度(T2-T1)。当第一温度高于第二温度时，如图5中可以看到，所得的温差为负值。如果将该计算应用于图3的数据，则当对第一温度和第二温度的峰计算时，温差值是最大负值。当对第一温度和第二温度的谷计算时，温差值是最小负值。

以这种方式计算温差将温度相对于时间的绘图转换成镜像图像绘图(即关于温度绘图具有大约180度的相移)。该镜像图像绘图(诸如图5中的绘图502)与压差相对于时间的绘图(诸如图5中的呼吸循环501)更紧密地匹配。因此，与压差相对于时间的绘图一样，温差相对于时间的绘图现在是用户的呼吸循环的准确表示。

当然，将理解，可以对第一温度和第二温度执行备选的温度差参数计算以确定用户的呼吸循环。峰和谷的时序至关重要，而不是信号的振幅。温度差参数当然可以通过从第一温度中减去第二温度(T1-T2)计算，只是给出了符号反转的版本。该绘图的峰将对应于吸气，并且该绘图的谷将对应于呼气。

备选地，在实施减法之前，第一温度和第二温度可以按适当的因子缩放。因此，温度差参数可能不是简单的直接减法。实际上，可以使用更复杂的代数函数来组合这两个温度值，但是仍然具有到温度差的联系，并且因此与跨透气膜的温度下降有关系。再次，可以使用发现其可以允许准确确定用户的呼吸循环的任何这种计算。

呼吸循环信息可以被实施在一系列应用中。例如，控制器可以适于将与呼吸循环有关的数据传送给外部设备。例如，外部设备可以是用户的智能电话，并且传输可以是经由Wi-Fi、蓝牙、ZigBee或其他无线技术的无线。这种传输将使得能够由用户或另一方进行健康监控。

呼吸循环信息还可以用于控制电动面罩中的风扇速度。风扇生成穿过面罩的空气的流，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。风扇能够追踪用户的呼吸循环，以使在面罩中呼吸更加舒适。例如，面罩中存在的入口风扇可以在吸气期间旋转，并且出口风扇可以在呼气期间旋转。

该设备还可以包括用于使面罩通风的风扇装置。风扇装置可以包括入口风扇或出口风扇以使面罩通风。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，则可以在吸气期间将其开启，并且在呼气期间将其关闭。备选地，如果存在出口风扇，则可以在吸气期间将其关闭，并在呼气期间将其开启。

在不使用面罩时，可以将其关闭。在一种设计中，面罩包括用于启动和停止风扇装置的开关。这允许用户完全控制何时启动和停止风扇装置。例如，当不使用面罩时，用户可以确保始终关闭风扇装置。当面罩开启时，风扇装置可以开始操作。备选地，可以替代地使用传感器来检测面罩何时被佩戴以提供对风扇装置的自动控制。面罩然后可以直接进入其操作模式。

如图4中所描绘的，风扇装置可以包括入口风扇16和出口风扇17。以这种方式，吸气/呼气循环被充分地辅助。入口风扇和出口风扇与用户的呼吸循环同步；吸气被入口风扇辅助，以将新鲜空气带入到面罩中，并且呼气被出口风扇辅助，以将用户呼吸出的空气从面罩内部排出到外部。

在一个示例中，风扇电机16b和17b是电子换向的无刷电机。出于效率和寿命的原因，电子换向无刷电机是优选。

在使用中，可以运行入口风扇16和出口风扇17，使得控制器20适于：在吸气期间以第一速度操作入口风扇16并且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并且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的第一和第二速度以及出口风扇17的第三和第四速度是指旋转速度。

当确定从呼气到吸气的过渡时，控制器20将信号发送到入口风扇电机16b，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，进口风扇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部压力的减小。

相反，如果确定从吸气到呼气的过渡，则控制器20将信号发送到出口风扇电机17b，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，并且入口风扇16以第二速度运行。这补偿了在呼气期间面罩内部压力的增加。

当入口风扇16和出口风扇17两者都存在时，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。在感觉和声音方面，这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并且取决于由入口风扇16和出口风扇17产生的面罩内部的压差。例如，如果空气通过过滤器被抽吸到面罩中并且通过阀门从面罩中抽出，则入口风扇16将需要生成比出口风扇17更高的压力。这可能通过对入口风扇16使用第一速度来实现，第一速度比用于出口风扇17的第三速度更高。

第二速度和第四速度可以是零或最小非零速度。当呼吸循环处于不需要相应风扇的阶段时，关闭风扇可以使电池消耗最小化。备选地，第二速度和第四速度可以为非零。以最小的非零第二速度运行入口风扇16和以最小的非零第四速度运行出口风扇17的好处之一是，风扇以低的空旋转速度运行，这使用了最小的功率，但减少了延时。另外，至少以最小水平连续地运行入口风扇和出口风扇，确保了在吸气和呼气之间的过渡期间将入口风扇的操作切换到出口风扇时，以及在呼气和吸气之间的过渡期间将出口风扇的操作切换到入口风扇时，延迟最小。因此，面罩中的空气流动可以更容易地与用户的呼吸循环同步，最终使在面罩中呼吸更加舒适。

可以根据用户的呼吸(例如，呼吸频率和潮气量)来定制风扇速度，并且可以调整风扇速度以顾及不同的呼吸场景(例如，像步行和跑步的运动)。

要使用的速度可以在校准过程期间确定，或者它们也可以由风扇制造商提供。校准过程例如涉及在一时段上分析风扇速度信息，在该时段期间，用户被指示以正常呼吸规律地吸气和呼气。然后，所捕获的风扇速度信息可以用于确定合适的风扇速度。控制器还可以为用户提供设置器(settings)，以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。

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过渡处实施旋转速度的改变。

还可以存在多个中间旋转速度，在中间旋转速度处，入口风扇和出口风扇可以在第一和第三速度之间以及在第二和第四速度之间运行。但是，第二和第四速度通常设定最小旋转速度。最小旋转速度理想地在滞后时间和功率效率之间提供最佳平衡。第一和第三速度通常取决于用户的呼吸(例如，呼吸频率和潮气量)，并且可以被调整以顾及不同的呼吸场景(例如，像步行和跑步的运动)。在一个简单的实施例中，第一和第三速度设定最大旋转速度。以这种方式，第一和第三速度一方面理想地在滞后时间和功率效率之间提供最佳的平衡，另一方面又给予用户辅助。

入口和出口风扇的旋转速度例如由脉冲宽度调制信号控制，由此占空比控制旋转速度。

面罩还可以包括阀。当存在进口阀时，可以与入口风扇相邻地提供进口阀，当存在出口阀时，可以与出口风扇相邻地提供出口阀。因此，风扇装置可以包括风扇和阀。例如，风扇装置可以包括入口风扇和入口阀、入口风扇和出口阀，或出口风扇和出口阀，或风扇和阀的任何组合。一方面，面罩还包括用于将空气从面罩容积13内部排出到外部的阀。在吸气期间，由于面罩容积13中的低压，诸如止回阀的出口阀关闭。当用户呼气时，空气通过出口阀排出。该阀被打开以使得能够轻松呼气，但在吸气期间其被关闭。

在吸气期间，通过关闭阀门，防止抽吸进未过滤的空气。因此，出口阀门的时序取决于对象的呼吸循环。出口阀可以是简单的被动止回阀，其通过跨透气面罩壁的压差来操作。然而，它可以替代地是电子控制阀。

图6示出了本发明的设备操作方法。该方法用于控制设备，该设备包括：面罩11，用于覆盖用户10的鼻子和/或嘴巴，该面罩具有定义面罩容积13的透气面罩壁12；第一温度传感器14，在面罩容积内部；以及第二温度传感器15，在面罩容积之外的透气面罩壁的表面处或与其相邻。该方法包括以下步骤。

在步骤601，使用第一温度传感器检测第一温度。

在步骤602中，使用第二温度传感器检测第二温度。

在步骤603中，从第一温度和第二温度来计算温度差参数。

在步骤604中，基于所计算的温度差参数来确定用户的呼吸循环。

该设备还可以包括风扇装置，并且因此该方法还可以包括使用风扇装置使面罩通风并且与用户的呼吸循环同步地控制风扇装置。

本发明还提供了一种包括计算机程序代码部件的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，该计算机程序代码部件适于实施本发明的方法。

本发明的方法利用控制器，可以利用软件和/或硬件以多种方式实施该控制器，以执行所需的各种功能。处理器是控制器的一个示例，处理器采用一个或多个微处理器，该微处理器可以使用软件(例如微代码)进行编程以执行所需的功能。然而，控制器可以在采用或不采用处理器的情况下实施，并且还可以被实施成执行一些功能的专用硬件与执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电路装置)的组合。

可以在本公开的各种实施例中采用的控制器组件的示例包括但不限于常规的微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质(诸如，易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM)相关联。可以利用一个或多个程序对存储介质进行编码，这些程序在一个或多个处理器和/或控制器上执行时，将执行所需的功能。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，使得可以将存储在其上的一个或多个程序加载到处理器或控制器中。

优选地，面罩还包括电池，以为第一和第二温度传感器、控制器和风扇装置(当存在时)供电。

面罩可以只覆盖鼻子和嘴巴(如图2中所示)，也可以是全脸面罩。

所示的示例是用于过滤环境空气的面罩。然而，该面罩可以与来自外部供应的呼吸气体一起使用，该外部供应例如是呼吸辅助设备，诸如连续正气压(CPAP)系统。

将会看到，本发明可以应用于许多不同的设备设计，诸如呼吸器，其具有风扇辅助的吸气和呼气，并且具有由透气面罩壁或过滤膜形成的面罩容积。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，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所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不意味着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都不应当被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种呼吸循环监控设备，包括：

面罩(11)，用于覆盖用户(10)的鼻子和/或嘴巴，所述面罩具有定义面罩容积(13)的透气面罩壁(12)，在使用中，所述面罩容积中存在微气候；

第一温度传感器(14)，适于在所述面罩容积(13)内部检测由所述用户吸入和呼出的空气的第一温度；

第二温度传感器(15)，被安装在所述透气面罩壁(12)的外表面上，所述第二温度传感器(15)面对所述透气面罩壁(12)的所述外表面，其中所述第二温度传感器(14)被适配使得所述第二温度传感器(14)检测跨所述透气面罩壁(12)的由所述用户吸入和呼出的所述空气的第二温度；以及

控制器(20)，其适于：

从所述第一温度和所述第二温度计算温度差参数；以及

基于所计算的所述温度差参数确定所述用户的呼吸循环。

2.根据权利要求1所述的呼吸循环监控设备，其中第二温度传感器(15)包括具有绝热材料的第一侧和热接触的第二侧。

3.根据权利要求1或2所述的呼吸循环监控设备，其中所述透气面罩壁(12)是过滤器。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的呼吸循环监控设备，其中通过从所述第二温度减去所述第一温度来计算所述温度差参数。

5.根据权利要求1-2中任一项所述的呼吸循环监控设备，其中所述控制器(20)还适于将与所述呼吸循环有关的数据传送给外部设备。

6.根据权利要求1-2中任一项所述的呼吸循环监控设备，其中所述设备还包括：

风扇装置(16，17)，用于使所述面罩(11)通风，其中所述控制器(20)还适于：

与所述用户的所述呼吸循环同步地控制所述风扇装置(16，17)。

7.根据权利要求6所述的呼吸循环监控设备，其中所述风扇装置(16，17)包括入口风扇(16)和出口风扇(17)。

8.根据权利要求7所述的呼吸循环监控设备，其中所述控制器(20)适于：在吸气期间以第一速度操作所述入口风扇(16)，并且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)，并且在吸气期间以较低的第四速度操作所述出口风扇(17)。

9.根据权利要求8所述的呼吸循环监控设备，其中所述第二速度和所述第四速度为零。

10.根据权利要求1所述的呼吸循环监控设备，其中所述第一温度传感器(14)被安装在所述面罩容积(13)内，与所述用户(10)的所述嘴巴和/或鼻子相邻。

11.根据权利要求1所述的呼吸循环监控设备，其中所述第二温度传感器(14)包括感测侧和非感测侧，其中所述感测侧朝向所述透气面罩壁(12)放置并且所述非感测侧面向周围环境。

12.根据权利要求11所述的呼吸循环监控设备，其中所述非感测侧是绝热侧。

13.根据权利要求12所述的呼吸循环监控设备，其中所述非感测侧是利用绝热材料而绝热的绝热侧。

14.一种控制呼吸循环监控设备的方法，其中所述设备包括：面罩(11)，用于覆盖用户(10)的鼻子和/或嘴巴，所述面罩具有定义面罩容积(13)的透气面罩壁(12)，在使用中，所述面罩容积中存在微气候；第一温度传感器(14)，在所述面罩容积(13)内部，所述第一温度传感器适于在所述微气候内部检测由所述用户吸入和呼出的空气的第一温度；以及第二温度传感器(15)，在所述面罩容积(13)外部的所述透气面罩壁(12)的表面处或与其相邻，所述第二温度传感器适于在相同空气已经穿过所述面罩壁之前或之后，在所述微气候外部检测所述相同空气的第二温度，其中所述方法包括：

使用所述第一温度传感器(14)检测所述第一温度；

使用所述第二温度传感器(15)检测所述第二温度；

从所述第一温度和所述第二温度计算温度差参数；以及

基于所计算的所述温度差参数来确定所述用户的呼吸循环。

15.根据权利要求14所述的控制呼吸循环监控设备的方法，所述设备还包括风扇装置(16，17)，其中所述方法还包括：

使用所述风扇装置(16，17)为所述面罩(11)通风；以及

与所述用户的所述呼吸循环同步地控制所述风扇装置(16，17)。

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