CN111278512A - 面罩及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面罩，该面罩包含空气室、过滤器、风扇装置、传感器和控制器。传感器检测与由面罩的用户随时间呼入和呼出的空气的温度和/或相对湿度有关的参数。控制器计算取决于参数的一阶时间导数的第一值。基于该计算，控制器确定用户的吸气的开始和/或呼气的开始。因此，控制器能够准确地确定用户的吸气和/或呼气循环，从而补偿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的时间滞后。利用该信息，控制器与用户的吸气和/或呼气循环同步地操作风扇装置。

Description

面罩及控制方法

技术领域

本发明涉及一种面罩和控制方法，特别地涉及一种包含温度和/或相对湿度传感器的面罩。

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。时间滞后是温度值实时存在的时间与检测到该温度值的时间之间的差。基于不同类型的温度传感器测量原理，该时间滞后大约为几秒，诸如2秒到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 92/18201 A1公开了一种用于以呼吸同步的方式控制用于呼吸器的便携式空气供应单元的方法，该呼吸器至少覆盖用户的鼻子和/或嘴，并且具有进气口和出气口。

WO 2016/157159 A1公开了一种用户可佩戴设备，其包含与用于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。

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，提供了一种面罩，面罩包括：

空气室；

过滤器；

用于使面罩通风的风扇装置；

至少一个传感器，用于检测由用户随时间呼入和呼出的空气的温度和/或相对湿度；以及

控制器，该控制器适于：

计算第一值，该第一值取决于所述温度的一阶时间导数和/或取决于所述相对湿度的一阶时间导数；

基于第一值确定吸气的开始和/或呼气的开始；以及

基于所确定的吸气的开始和/或所确定的呼气的开始来控制风扇装置。

提出了使用关于时间的一阶导数(即，一阶时间导数、改变率或一阶导数)来准确地确定吸气的开始和/或呼气的开始的概念。当使用温度和/或相对湿度传感器时，这是特别有利的，因为这些传感器遭受感测延迟。例如，使用具有2秒到8秒的时间滞后的温度传感器检测到的空气的温度是2秒到8秒之前的空气的温度的测量。然而，通过计算所检测到的温度和/或湿度值随时间的瞬时差(例如改变率)，时间滞后变得无关紧要，并且可以准确地确定与用户的呼吸循环有关的信息。以这种方式，对取决于温度的一阶时间导数和/或取决于相对湿度的一阶时间导数的值的使用，补偿了检测到的温度或相对湿度随时间的变化与用户的吸气和呼气时序之间的时间滞后。利用该信息，控制面罩中的风扇装置以辅助用户的呼吸，从而使在面罩中呼吸更加舒适。

本发明的面罩具有使用温度传感器和/或湿度传感器的优点，它们与压差传感器相比更加便宜。因此，该面罩使用廉价的组件来监控用户的呼吸循环。传感器执行吸气/呼气检测以及提供反馈信息以用于控制面罩的舒适度的双重作用。

面罩使用取决于温度和/或相对湿度参数的一阶时间导数的值而不是参数本身来监控用户的呼吸循环。这有助于减少时间滞后的影响。

因此，将理解，发明人已经认识到，可以使用温度和/或湿度传感器代替压差传感器来准确地确定用户的吸气和/或呼气循环，并且该信息可以用于控制面罩中的风扇装置来使在面罩中呼吸更加舒适。

基于所确定的吸气的开始和/或所确定的呼气的开始，风扇装置被控制器控制。因此，例如，在吸气期间可以控制风扇以将空气吹到面罩中。例如，在呼气期间，风扇可以将很少的空气吹到面罩中，或不将空气吹到面罩中。

控制器可以适于通过获得温度的一阶时间导数和/或相对湿度参数的一阶时间导数、以及执行低通滤波来计算第一值。该低通滤波可以包括样本的时间平均，并且该低通滤波被用来减少信号中的噪声，以便获得可预测的交叉点集。

在一个实施例中，控制器还适于计算取决于温度的二阶时间导数和/或相对湿度的二阶时间导数的第二值，并且基于第一值和第二值来确定吸气的开始和/或呼气的开始。

这使得在使用一阶时间导数进行时序确定时仍然存在的剩余时间滞后得以补偿。特别地，二阶时间导数值(即，一阶时间导数值的导数)被使用。与仅单独使用第一值相比，使用第一值和第二值来确定吸气的开始和/或呼气的开始更加准确。以这种方式，相对于时间的一阶导数和相对于时间的二阶导数(即，一阶导数的导数、改变率的导数、或二阶导数)用来准确地确定吸气的开始和/或呼气的开始。这允许风扇装置与用户的呼吸更紧密地同步，从而进一步改善用户的舒适度。

在该实施例中，可以在以下情况下确定用户的吸气的开始：

m>0(或m≥0)；并且

m+t₁n＜0(或m+t₁n≤0)，其中m是第一值，t₁是表示与第一值相关联的传感器时间滞后的时间值，并且n是第二值。

时间t₁涉及剩余时间滞后，即使在使用一阶时间导数获得呼吸循环时序时，该剩余时间滞后也存在。例如可以通过校准过程获得时间值t₁。

这是一个简单的检查，其允许对吸气的开始时间的准确确定。m涉及一阶时间导数，并且提供关于用户当前正在吸气、呼气还是正在经历吸气和呼气之间的过渡的信息。可以根据用于监控用户的呼吸循环的特定传感器的感测延迟来调整和定制t₁。n涉及二阶时间导数，并且提供关于m如何改变的信息。不等式允许在感测延迟处预测m，因此，如果预测用户在感测延迟处正在吸气、呼气或经历吸气和呼气之间过渡，则由于该感测延迟，该事件是用户的当前呼吸循环的表示。

类似地，可以在以下情况下确定用户的呼气的开始：

m<0(或m≤0)；并且

m+t₁n＞0(或m+t₁n≥0)，其中m是第一值，t₁是表示与第一值相关联的传感器时间滞后的时间值，并且n是第二值。

这是一个简单的检查，其允许对呼气的开始时间的准确确定。不等式如上面所描述的那样。

优选地，第一值是平均第一值，其取决于温度的一阶时间导数和/或取决于相对湿度的一阶时间导数。以这种方式，第一值随时间的变化中的任何噪声被减少，并且信噪比增加。

在另一实施例中，风扇装置包括入口风扇和出口风扇，并且控制器适于确定吸气的开始和呼气的开始。以这种方式，当用户既吸气又呼气时，通风得到改善。

控制器可以适于：在吸气的开始处以第一速度操作入口风扇，并且在呼气的开始处以较低的第二速度操作入口风扇，以及在呼气的开始处以第三速度操作出口风扇，并且在吸气的开始处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。当呼吸循环与相应的风扇处于相反相位时，这可以使电池消耗最小化。

优选地，面罩还包括电池，以为至少一个传感器、控制器和风扇装置供电。

在本发明的另一方面，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：

检测由用户随时间呼入和呼出的空气的温度和/或相对湿度；

计算第一值，该第一值取决于温度的一阶时间导数和/或取决于相对湿度的一阶时间导数；

基于第一值确定吸气的开始和/或呼气的开始；以及

基于所确定的吸气的开始和/或所确定的呼气的开始来控制风扇装置。

方法还可以包括通过获得温度的一阶时间导数和/或相对湿度的一阶时间导数、以及执行低通滤波来计算第一值。

方法还可以包括：

计算第二值，该第二值取决于温度的二阶时间导数和/或取决于相对湿度的二阶时间导数；以及

基于第一值和第二值，确定用户的吸气的开始和/或呼气的开始。

在本发明的另一方面，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如上定义的面罩的控制器上运行时，该计算机程序代码装置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示出了包含风扇装置的面罩；

图3示出了包括入口风扇和出口风扇的面罩的组件的一个示例；

图4示出了压差相对于时间以及温度差相对于时间；

图5示出了压差相对于时间的绘图和温度差相对于时间的绘图的放大部分；

图6示出了基于时间平均方法的具有减少的噪声的图4的压差相对于时间以及温度差相对于时间；

图7示出了本发明的面罩操作方法；

图8示出了针对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；

图9示出了针对行走的用户的压差相对于时间以及检测到的呼吸循环的时序；

图10示出了针对说话的用户的压差相对于时间以及检测到的呼吸循环的时序；以及

图11示出了针对佩戴具有入口风扇和出口风扇的面罩的休息的用户的压差相对于时间以及检测到的呼吸循环的时序，入口风扇和出口风扇与吸气的开始和呼气的开始同步运行。

具体实施方式

本发明提供一种面罩，该面罩包括空气室、过滤器、风扇装置、传感器和控制器。传感器检测与由面罩的用户随时间呼入和呼出的空气的温度和/或相对湿度有关的参数。控制器计算第一值，该第一值取决于参数的一阶时间导数。基于该计算，控制器确定用户的吸气的开始和/或呼气的开始。因此，控制器能够准确地确定用户的吸气和/或呼气循环，从而补偿检测到的参数随时间的变化中的时间滞后。否则，该时间滞后会妨碍对用户的吸气和呼气时序的准确确定。利用该信息，控制器与用户的吸气和/或呼气循环同步地操作风扇装置。

图1示出了针对呼吸循环的压差相对于时间的示例性变化101(如使用压差传感器检测到的)以及针对相同的呼吸循环的温度相对于时间的示例性变化102(如使用温度传感器检测到的)。x轴是时间/秒。左侧的y轴是压差/Pa，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，因为在检测到的压力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。因此，图1中描绘的压差相对于时间绘图101是用户的呼吸循环的准确表示。另外，使用压差传感器确定风扇控制点相对简单。风扇控制点是开启或关闭风扇的时间。对于压差传感器，这是面罩内部的压差达到0Pa的时间。例如，对于包含入口风扇和出口风扇的面罩，如果压差从负值增加到正值并且穿过0Pa，则出口风扇将开启，并且入口风扇将关闭。类似地，如果压差从正值减小到负值并且穿过0Pa，则入口风扇开启，并且出口风扇关闭。

但是，压差传感器价格昂贵。另外，压差传感器不能检测面罩内部的温度和/或相对湿度，并且因此，如果没有附加的传感器，风扇装置不能具有不同的工作速度(例如，低、中和高)，该工作速度取决于面罩内部的温度和/或相对湿度。因此，仅包含压差传感器的面罩无法完全响应面罩内部的状况。

相反，温度和/或相对湿度传感器的使用更加便宜。另外，温度和/或相对湿度传感器当然可以检测面罩内部的温度和/或相对湿度，从而可以响应于面罩内部的状况来调整风扇的工作速度。

但是，温度和/或相对湿度传感器不能直接提供用户的呼吸循环的准确表示，因为对温度和/或相对湿度的检测在时间上存在时间滞后，并且因此相对于用户的实际吸气和呼气时序存在时间滞后。对于温度传感器，该时间滞后约为2秒到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。因此，图1中描绘的温度相对于时间的绘图102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102和压差相对于时间的绘图101，可以在图1中看出与使用温度传感器相关联的时间滞后。如果检测到的温度随时间的变化与用户的吸气和呼气时序之间的时间滞后可以忽略，则温度相对于时间绘图将具有与压差相对于时间绘图相同的时序。因此，当使用温度传感器来调节风扇速度时，该时间滞后可能导致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。

本发明是基于提供一种面罩，该面罩使用取决于参数的一阶时间导数的值而不是(或以及)参数本身来监控用户的呼吸循环。这允许与用户的吸气和/或呼气循环同步地更准确地控制风扇装置。

图2示出了包含风扇装置的本发明的面罩。

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。面罩的目的是在用户呼入空气之前过滤空气。为此，在图1中，面罩主体本身用作空气过滤器12。通过吸气将空气抽吸到由面罩形成的空气室13中。在吸气期间，由于空气室13中的低压，诸如止回阀的出口阀15关闭。

当对象(subject)呼气时，空气通过出口阀15排出。该阀打开以使得能够容易呼气，但该阀在吸气期间关闭。风扇装置14使面罩通风，并且在所示的实施例中，有助于通过出口阀15去除空气。优选地，去除的空气多于呼出的空气，从而将附加的空气提供给面部。这由于降低了相对湿度和冷却而增加了舒适度。在吸气期间，通过关闭阀门，可以防止抽吸进未经过滤的空气。因此，出口阀门15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，其通过跨过滤器12的压差来操作。然而，它可以替代地是电子控制阀。

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，并调节面罩内部相对于外部的压差。风扇能够跟踪用户的呼吸循环，从而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，而出口风扇可以在呼气期间旋转。

风扇装置14可以包括入口风扇或出口风扇以使面罩通风。入口风扇例如通过过滤器(而不是通过面罩11的壁，该壁此时可以是不透气的)将空气从空气室13外部抽吸到空气室中。入口风扇可以被定位在这种过滤器之前或之后。出口风扇将空气从空气室13内部抽吸到外部。在该实施例中，废气将不需要穿过过滤器，但是它也可以被出口风扇抽吸通过过滤器。

入口风扇或出气风扇有助于用户的呼吸。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。

风扇装置14可以包括入口风扇和出口风扇。以这种方式，吸气/呼出循环被完全辅助。入口风扇和出口风扇与用户的呼吸循环同步；由入口风扇辅助吸气以将新鲜空气带到面罩中，并且由出口风扇辅助呼气，以将由用户呼出的空气从面罩内部排出到外部。

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14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装置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。

图3示出了包含入口风扇和出口风扇的面罩的组件的一个示例。与图2中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3还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和传感器22，传感器22用于检测与由用户10呼入和呼出的空气的温度和/或相对湿度有关的参数。

传感器22检测与由面罩的用户随时间呼入和呼出的空气的温度和/或相对湿度有关的参数，例如以生成如图1中所示的绘图102。

例如，温度传感器用于检测面罩内部的温度，并且因此检测由用户随时间呼入和呼出的空气的温度。合适的温度传感器是Sensirion(商标)STS3x传感器。相对湿度传感器例如用于检测面罩内部的相对湿度，并且因此检测用户随时间呼入和呼出的空气的相对湿度。合适的相对湿度传感器是Sensirion(商标)SHT3x传感器。SHT3x是高精确度的温度和相对湿度传感器，其可以用于检测温度和相对湿度两者。

备选地，传感器22可以是温度和相对湿度传感器，以用于检测用户随时间呼入和呼出的空气的温度和相对湿度。

也可以使用附加传感器来检测其他参数，诸如二氧化碳和/或氧气传感器，或者可以使用以上传感器的任何组合。传感器22检测参数，并且该信息被传送到控制器20。然后，控制器20计算取决于该参数的一阶时间导数的第一值。

在使用温度和/或相对湿度传感器的情况下，风扇控制点是温度和/或相对湿度达到局部最大值(呼气结束处)或局部最小值(吸气结束处)的时间。在局部最大值和最小值处，参数的改变率为零，即检测到的温度和/或相对湿度的一阶时间导数为零：

和/或

其中T是温度，t是时间，并且RH是相对湿度。t实际上表示采样间隔，并且因此表示传感器的采样率。

通过计算取决于参数的一阶时间导数的第一值，可以确定参数的改变率是零的时间，并且因此可以确定吸气的开始和/或呼气的开始的时间。

第一值可以是参数的一阶时间导数。一种近似是简单的离散时间间隔上的参数的差值，并且这使得能够减少计算的次数。例如，第一值可以是ΔT_i＝T_i-T_i-1和/或ΔRH_i＝RH_i-RH_i-1，其中T_i和RH_i是时间i处的参数，并且T_i-1和RH_i-1是时间i-1处的参数。i和i-1总是在切换。因此，ΔT_i和ΔRH_i分别是温度差值和相对湿度差值。另外，因为t表示传感器的采样率，所以该参数的一阶时间导数的绘图实际上与该参数随时间的差值的绘图相同。

图4将一组呼吸循环的压差相对于时间示为绘图401，并且将呼吸循环的温度差相对于时间示为绘图402。x轴为时间/秒。左侧的y轴是压差/Pa，并且右侧的y轴是以℃为单位的温度差。

在吸气期间，面罩内部的温度差降低并且为负值。在呼气期间，面罩内部的温度差升高并且为正值。

从图4可以看出，与图1中的温度相对于时间的绘图相比，温度差相对于时间的绘图与压差相对于时间的绘图更加紧密地匹配。因此，与温度相对于时间相比，温度差相对于时间提供了对呼吸循环的更准确的表示。该设备因此使用取决于该参数的一阶时间导数的第一值来监控呼吸循环。

控制器20基于所计算的第一值来确定用户的吸气的开始和/或呼气的开始。第一值指示用户正在吸气、呼气还是经历在吸气和呼气之间的过渡。如果第一值为负，则用户正在吸气直到恰好在第一值变为正之前为止，此时用户正在经历吸气和呼气之间的过渡。如果第一值为正，则用户正在呼气直到恰好在第一值变为负之前为止，此时用户正在经历呼气和吸气之间的过渡。

作为响应，控制器与用户的吸气和/或呼气循环同步地控制风扇装置14。

对于包括入口风扇16和出口风扇17的风扇装置14，当温度差从负值增加到正值(并且穿过基线温度0℃)时，出口风扇17开启，并且入口风扇16关闭。类似地，当温度差从正值减小到负值(并且穿过基线温度0℃)时，入口风扇16开启，并且出口风扇17关闭。

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，并且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差的减小。

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差的增加。

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。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排出，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中确定，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，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。第一和第三速度也可以被调整以顾及面罩内部的状况，诸如温度和/或相对湿度。例如，第一和第三速度可以具有三个不同的设定，诸如低、中和高，并且该速度可以与面罩内部的温度和/或相对湿度成比例地增加。

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。

监控随时间的温度差、而不是监控随时间的温度在一定程度上补偿了时间滞后，并且因此温度差绘图对用户的实际呼吸循环提供了很好的近似。然而，温度差相对于时间的绘图仍然不是用户的呼吸循环的完全准确的表示，如果将温度差相对于时间的绘图放大，这是明显的。

图5示出了压差相对于时间的绘图501和温度差相对于时间的绘图502的放大部分。x和y轴与图4的那些相同。它示出了温度差绘图的平滑版本，如下文进一步解释的。

从图5可以看出，在温度差相对于时间的绘图和压差相对于时间的绘图之间仍然存在时间滞后，并且因此在温度差相对于时间与用户的实际吸气和呼气时序之间仍然存在时间滞后。该时间滞后被示为Δt，例如它在0.2s至0.8s的范围内。

当温度差穿过0℃时，将基于时间差绘图，在时间t2处开启出口风扇(即检测到的呼气的开始)。然而，当压差穿过0Pa时，出口风扇应当时间t0处开启(实际的呼气的开始)。温度差不是用户的呼吸循环的完全准确的表示，并且因此基于温度差的检测到的吸气的开始和/或检测到的呼气的开始与实际的吸气的开始和/或实际的呼气的开始之间存在时间滞后Δt。

可以通过计算取决于参数的二阶时间导数的第二值来进一步补偿时间滞后Δt。第二值可以简单地是参数的二阶时间导数，即参数的一阶时间导数的导数，并且因此是参数的一阶时间导数的斜率(或改变率)。第二值可以同样是作为在离散时间间隔上的参数中的差值的改变的近似，以便减少计算的次数。例如，第二值可以是Δ²T_j＝ΔT_j-ΔT_j-1和/或Δ²RH_j＝ΔRH_j-ΔRH_j-1，其中T_j和RH_j是在时间j处的参数，并且T_j-1和RH_j-1是在时间j-1处的参数。j和j-1总是切换。因此，Δ²T_j和Δ²RH_j分别是温度差值的改变和相对湿度差值的改变。

控制器能够基于第一值和第二值确定吸气的开始和/或呼气的开始。与仅单独使用第一值相比，使用第一值和第二值来确定吸气的开始和/或呼气的开始更加准确。以这种方式，相对于时间的一阶导数和相对于时间的二阶导数用来准确地确定吸气的开始和/或呼气的开始。这允许风扇装置与用户的呼吸更紧密地同步，从而进一步改善用户的舒适度。

第一值提供关于用户是正在吸气、呼气还是经历吸气和呼气之间的过渡的第一近似。如果第一值为负，则用户通常正在吸气，但是在负时段结束处，用户正经历吸气和呼气之间的过渡，或者正在呼气，例如，在如图5中描绘的t1和t2之间。如果第一值为正，则用户通常正在呼气，但是在正时段结束处，用户正经历呼气和吸气之间的过渡，或者正在吸气，例如在如图5中描绘的t4和t3之间。第二值有助于准确地确定吸气和呼气之间的过渡。以这种方式，第一值和第二值都可以用于更准确地确定吸气和呼气之间的过渡。

对第一值和第二值进行处理以确定用户的吸气和/或呼气的开始。对第一值和第二值的处理导致吸气和/或呼气的确定比仅依靠第一值确定发生的更早。

例如，假设0.2s的时间滞后Δt，并且在时间t1处获得第一值和第二值。

作为第一近似，ΔT＞0意指用户正在呼气，并且ΔT＜0意指用户正在吸气(其中ΔT是第一(即温度差)值)。

但是，在图4中可以看出，温度差相对于时间的绘图在每个吸气-呼气过渡处在零附近有许多波动。因此，在风扇控制点处，使用该绘图的交叉点没有给出表示吸气和呼气之间改变的单个值。具体地，波动信号可能无法触发风扇控制点信号。因此，可能无法适当地控制风扇。

温度差相对于时间的绘图中的波动是由于检测到的参数值中的噪声引起的。在传感器具有高采样率以便完全反映用户的呼吸循环的情况下，波动尤其成问题。在这些情况下，可以通过执行时间窗口平均来降低温度差相对于时间的绘图中的噪声。

例如，可以通过计算下式来获得第一值的平均值：

其中ΔT_j是经平均的第一值，并且ΔT_i、ΔT_i-1和ΔT_i-2是与时间i、i-1和i-2相关联的第一值。可以对相对湿度执行类似的计算。

应用平均计算以进一步对第一值的计算进行处理。可以在图6中看到将平均计算应用于图4的温度差相对于时间的绘图的结果。

从图6明显的是，温度差相对于时间的绘图601比图4中的对应绘图具有更少的波动。因此，可以更容易地确定风扇控制点。

该时间平均函数本质上是离散的(基于样本的)低通滤波功能。可以使用其他的低通滤波方法来去除第一值中的噪声。

如上所述，第二值可以被定义为：

n＝Δ²T_j(或n＝Δ²RH_j)，其中平方表示二阶微分。

在以下情况下可以确定用户的呼气的开始：

m＜；并且

m+＝t₁n≥0，其中m是第一值，t₁是表示时间滞后Δt的时间值，并且n是第二值。

作为示例，值t₁可以被选择作为时间滞后Δt的固定估计、或刚好小于该时间滞后的值。注意，这是基于一阶导数(ΔT)的吸气时序(timing)与实际循环时序之间的时间滞后(而不是基于温度或相对湿度绘图的较大的时间滞后)。

值m＜0通常指示正在发生吸气。但是，如果m+t₁n≥0，则可以确定呼气。

参考图5，可以假设时间t1在时间t2之前0.2秒。在时间t1处，绘图502的倾斜度(即，其中倾斜度为n＝d²T/dt²)使得绘图本身(即，m＝dT/dt)到时间点t2达到零。因此，假设在t1和t2之间具有如在时间t1处确定的倾斜度的线性绘图，则m+0.2n＝0。将到达m中的交叉点，其提供m+0.2n≥0。

因此，通过检查二阶导数，可以在已经到达第一值中的交叉点之前的0.2秒(在该示例中)的时间，预先预测。

类似地，可以在以下情况下确定用户的吸气的开始：

m＞0；并且

m+t1_n＜0。

对于不同的传感器，时间滞后Δt(在导数dT/dt的交叉点与实际的呼吸循环之间)将不同。可以将其设置为校准例程的一部分，并且它表示仅基于第一值的检测与吸气和呼气循环的真实时序之间的通常的时间滞后。

使用第二值的结果是，风扇控制时间可以从t2和t3改善为t1和t4，如图5中所描绘的。

作为示例：

用于温度传感器信号T与实际呼吸循环之间的时间滞后的值的通常范围是2s至8s；

用于相对湿度传感器信号RH与实际呼吸循环之间的时间滞后的值的通常范围是6s至10s；

用于在温度传感器一阶导数信号dT/dt与实际呼吸循环之间的时间滞后的值的通常范围是0.2s至0.8s；

用于相对湿度一阶导数信号dT/dt与实际呼吸循环之间的时间滞后的值的通常范围是0.6s至1.0s。

应当理解，可以基于所计算的第一值和第二值，使用备选的不等式和等式来确定吸气的开始和/或呼气的开始。例如，可以将第一值和第二值与不同的设定值进行比较，和/或可以将第一值和第二值按适当的因子缩放。

在一个实施例中，第一值是取决于参数的一阶时间导数的平均第一值。在该上下文中，平均意指平均值。

图7示出了本发明的设备操作方法。该方法用于控制面罩。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701中，检测与由用户10随时间呼入和呼出的空气的温度和/或相对湿度有关的参数。

在步骤702中，计算第一值，该第一值取决于该参数的一阶时间导数。

在步骤703中，基于第一值来检测用户的吸气的开始和/或呼气的开始。这补偿了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的时间滞后。

在步骤704中，与用户的所确定的吸气循环和/或所确定的呼气循环同步地控制风扇装置14。

方法还可以包括计算第二值，该第二值取决于参数的二阶时间导数；并且基于所计算的第一值和第二值来确定用户的吸气的开始和/或呼气的开始。

图8示出了用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。这示出了可以由控制器实施的算法的基本思想。

在步骤801中，软件被初始化并且入口风扇16和出口风扇17被启动。

在步骤802中，记录面罩内部的前三个温度，给出数据T_i、T_i-1和T_i-2。

在步骤803中，针对T_i、T_i-1和T_i-2计算第一值。例如，ΔT_i＝T_i-T_i-1。

在步骤804中，针对T_i、T_i-1和T_i-2计算平均第一值：

在步骤805中，针对T_j计算第二值：

Δ²T_j＝ΔT_j-ΔT_j-1＝n.

在步骤806中，如果m≥0，则用户当前正在呼气，接下来是步骤807。

在步骤807中，如果m+0.2n≤0，则接下来是步骤808，并且开启入口风扇，并且关闭出口风扇以辅助吸气。因此，确定ΔT将很快变为负，并且呼气实际上已经结束。

在步骤809中，如果m＜0，则用户当前正在吸气，接下来是步骤810。

在步骤810中，如果m+0.2n≥0，则接下来是步骤811，并且开启出口风扇，并且关闭入口风扇以辅助呼气。因此，确定ΔT将很快变为正，并且吸气实际上已经结束。

本发明还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，该计算机程序代码装置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。

优选地，该设备还包括电池，以为传感器22、控制器20和风扇装置14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。图2中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。

另外，图2中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呼吸空气。该过滤器包括与入口风扇(当存在时)串联的过滤器部件。空气室的外壁可以限定过滤器。备选地，可以与不透气的外壳组合地，仅将过滤器提供在入口风扇(当存在时)的位置处。在这种情况下，入口风扇辅助用户通过过滤器抽吸进空气，从而减少了用户的呼吸负担。可以与入口风扇(当存在时)相邻地提供入口阀，并且可以与出口风扇(当存在时)相邻地提供出口阀。在一个实施例中，面罩还包括用于将空气从空气室13内部排放到外部的阀。

可以看出，本发明可以被应用于医疗呼吸机和许多不同的面罩设计，其具有风扇辅助的吸气和呼气，并且具有由过滤膜形成的空气室或具有密封的气密空气室。

示例

在示例中，所使用的传感器是Sensirion(商标)的SHT3x传感器，其具有2.5×2.5×0.9mm的尺寸大小。使用该传感器的典型精确度是2％的相对湿度和0.3℃的温度。感测范围是0％至100％的相对湿度以及-40℃至125℃的温度。采样率相对高，诸如10Hz或更高。该传感器由微控制器通过I2C接口控制。样本数据被存储在微控制器闪存缓冲器中。

在第一示例中，在将图8的优选方法应用于图6的数据之前，基于十次呼吸的时间滞后ΔT(针对第一值的时序与实际呼吸循环之间)是0.23s。在将优选方法应用于该数据之后，基于十次呼吸的时间滞后减少到大约0.081s，这接近于传感器的采样时间(0.1s)。

在第二示例中，在图9-图11中示出了由佩戴面罩的用户随时间呼入和呼出的空气的温度的经计算的一阶时间导数。

图9示出了针对行走的用户的、压差相对于时间的绘图901和使用图8的算法的呼吸节律检测绘图902；

图10示出了针对说话的用户的、压差相对于时间的绘图1001和使用图8的算法的呼吸节律检测绘图1002；以及

图11示出了针对佩戴具有入口风扇和出口风扇的面罩的休息的用户的、压差相对于时间的绘图1101和使用图8的算法的呼吸节律检测绘图1102，入口风扇和出口风扇与吸气的开始和呼气的开始同步运行。

显然，在一系列场景中(即在图9中的行走、图10中的说话和图11中的坐下)，这些检测到的呼吸循环与压差相对于时间的绘图(即，真实的呼吸循环时序)匹配良好。因此，可以使用本发明的面罩来准确地确定用户的吸气的开始和/或呼气的开始。

注意，如上所述的第一值和第二值的使用可以被诸如医疗呼吸机的呼吸循环监控设备采用，以准确地确定该设备的用户的吸气的开始和/或呼气的开始。因此，本发明可以提供一种呼吸循环监控设备，包括：

传感器，用于检测与由设备的用户随时间呼入和呼出的空气的温度和/或相对湿度有关的参数；

控制器，该控制器适用于：

计算取决于该参数的一阶时间导数的第一值；

计算取决于该参数的二阶时间导数的第二值；以及

基于所计算的第一值和第二值，确定用户的吸气的开始和/或呼气的开始。

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 (14)

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；

至少一个传感器(22)，用于检测由用户(10)随时间呼入和呼出的空气的温度和/或相对湿度；以及

控制器(20)，所述控制器(20)适于：

计算第一值，所述第一值取决于所述温度的一阶时间导数和/或取决于所述相对湿度的一阶时间导数；

基于所述第一值确定吸气的开始和/或呼气的开始；以及

基于所确定的所述吸气的开始和/或所确定的所述呼气的开始来控制所述风扇装置(14)。

2.根据权利要求1所述的面罩，其中所述控制器适于通过获得所述温度的所述一阶时间导数和/或所述相对湿度的所述一阶时间导数、以及执行低通滤波来计算所述第一值。

3.根据权利要求1或2所述的面罩，其中所述控制器还适于：

计算第二值，所述第二值取决于所述温度的二阶时间导数和/或取决于所述相对湿度的二阶时间导数；以及

基于所述第一值和所述第二值确定所述吸气的开始和/或所述呼气的开始。

4.根据权利要求3所述的面罩，其中在以下情况下确定所述吸气的所述开始：

所述第一值大于零；并且

m+t₁n＜0，其中m是所述第一值，t₁是表示与所述第一值相关联的传感器时间滞后的时间值，并且n是所述第二值。

5.根据权利要求3或4所述的面罩，其中在以下情况下确定所述呼气的所述开始：

所述第一值小于零；并且

m+t₁n＞0，其中m是所述第一值，t₁是表示与所述第一值相关联的传感器时间滞后的时间值，并且n是所述第二值。

6.根据前述权利要求中任一项所述的面罩，其中所述第一值是平均第一值，所述平均第一值取决于所述温度的所述一阶时间导数和/或取决于所述相对湿度的所述一阶时间导数。

7.根据前述权利要求中任一项所述的面罩，其中所述风扇装置(14)包括入口风扇(16)和出口风扇(17)。

8.根据权利要求7所述的面罩，其中所述控制器(20)适于：在所述吸气的所述开始处以第一速度操作所述入口风扇(16)，并且在所述呼气的所述开始处以较低的第二速度操作所述入口风扇(16)，以及在所述呼气的所述开始处以第三速度操作所述出口风扇(17)，并且在所述吸气的所述开始处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所述的面罩，其中所述第二速度和所述第四速度为零。

10.根据前述权利要求中任一项所述的面罩，其中所述面罩还包括电池(21)，以用于为所述至少一个传感器(22)、所述控制器(20)和所述风扇装置(14)供电。

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

检测由用户(10)随时间呼入和呼出的空气的温度和/或相对湿度；

计算第一值，所述第一值取决于所述温度的一阶时间导数和/或取决于所述相对湿度的一阶时间导数；

基于所述第一值确定吸气的开始和/或呼气的开始；以及

基于所确定的所述吸气的所述开始和/或所确定的所述呼气的所述开始，来控制所述风扇装置(14)。

12.根据权利要求11所述的方法，包括：通过获得所述温度的所述一阶时间导数和/或所述相对湿度的所述一阶时间导数、以及执行低通滤波来计算所述第一值。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述方法还包括：

计算第二值，所述第二值取决于所述温度的二阶时间导数和/或取决于所述相对湿度的二阶时间导数；以及

基于所述第一值和所述第二值，确定所述用户的所述吸气的开始和/或所述呼气的开始。

14.一种计算机程序，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至10中任一项所述的面罩的所述控制器上运行时，所述计算机程序代码装置适于实施根据权利要求11至13中任一项所述的方法。

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