CN112770815B

CN112770815B - 防污染面罩和控制方法

Info

Publication number: CN112770815B
Application number: CN201980063449.3A
Authority: CN
Inventors: 苏伟; 陈伟忠; 孔涛
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: JP2021529070A; CN110947114B; CN110947114A; EP3856360A1; JP6944089B1; WO2020064520A1; CN112770815A; CN211751892U; EP3856360B1

Abstract

监测面罩的风扇旋转速度或风扇旋转速度的变化，并且由此获得与跨风扇的压力波动的幅值有关的第一值和与压力波动的速率有关的第二值。然后能够基于第一值和第二值来确定面罩是否被佩戴。这提供了对面罩是否被佩戴的可靠检测，并且只需要少量的风扇旋转信号的采样数据，因此节省了功率。

Description

防污染面罩和控制方法

技术领域

本发明涉及用于利用由风扇辅助的气流向呼吸装置的佩戴者提供经过滤的空气的防污染面罩。

背景技术

据世界卫生组织(WHO)估计，每年有400万人死于空气污染。

由于该问题在短时间内无法显著改善，因此解决这一问题的唯一方法就是佩戴面罩，面罩通过过滤来提供更清洁的空气。为了提高舒适度和有效性，能够在面罩上添加一个或两个风扇。这些风扇在使用期间被接通并且通常以恒定电压而使用。出于效率和寿命原因，这些风扇通常是电换向无刷DC风扇。

佩戴者使用动力面罩的益处在于：可以缓解肺部因抵抗常规的非动力面罩中的过滤器的阻力而吸气所引起的轻微应变。

此外，在常规的非动力面罩中，吸气还会引起面罩内的轻微负压，从而导致污染物泄漏至面罩中，如果这些污染物是有毒物质，则这种泄漏可能证明是危险的。动力面罩向面部递送稳定的空气流，并且可以例如提供轻微的正压(这可以通过呼气阀的阻力来确定)，以确保任意泄漏都是向外而非向内的。

如果调节风扇的操作或速度，则会有若干优点。这能够用于通过在吸气和呼气序列期间更加适当地通气来提高舒适度，或者能够用于提高电效率。电效率的提高会转化成更长的电池寿命或增大的通气。这两个方面都需要改进现有设计。

为了调节风扇速度，能够测量面罩内部的压力，并且压力和压力变化都能够用于控制风扇。

例如，能够用压力传感器来测量面罩内部的压力，并且能够根据传感器测量结果来改变风扇速度。压力传感器非常昂贵，因此希望提供监测面罩内部的压力的替代方法。这样的压力信息可以用于控制动力面罩内的风扇，但也可以用作需要压力信息的任何其他基于风扇的系统的部分。

风扇操作的面罩是电池操作的设备，因此希望将功耗降低到最低水平并保持成本最低。一个问题在于：当面罩未被佩戴时，风扇可能仍然处于打开状态，这会导致不必要的功耗。可以提供专用于检测面罩何时被佩戴的传感器，但是这会提高呼吸面罩的成本。

当戴上面罩时，用户通常会启动开关以接通风扇。这种开关会增加面罩成本，占用空间并且接通是不方便的。自动电子接通功能会避免这些缺点。然而，这通常还需要专用于感测面罩使用的传感器。

因此，希望找到较低成本的用于检测面罩佩戴的解决方案，从而能够检测从佩戴到未佩戴的转变和/或从未佩戴到佩戴的转变。

WO 2018/215225公开了一种解决方案，其中，使用风扇的旋转速度作为压力测量结果的代替物。基于风扇的旋转速度来确定压力或压力变化。通过使用该压力信息，能够确定面罩是否被佩戴。

当检测到压力变化下降至阈值以下时，确定面罩未被佩戴并且风扇能够被关闭。

如果以高采样率对风扇速度信号进行采样，则该方法能够很好地工作，因为随后能够对信号进行详细的分析。然而，优选采用较低的采样率以节省功率。

特别地，如果采用低采样率，则可能会出现面罩即使仍然被佩戴也会关闭的情况。如果系统采样率过低，虽然功耗会很低，但是可能无法获得可靠的呼吸信号。例如，如果采样率过低，在说话期间呼吸信号中的短尖峰可能会被遗漏。这可能产生错误的关闭信号。

如果系统采样率过高，则能够很好地跟踪呼吸，但也会包含背景噪声，并且功耗会很高。

如果用户正在说话，用户的呼吸会比正常呼吸浅得多，因此可能会检测不到用户呼吸。简单地设定不同的阈值可能并不合适，因为即使面罩未被佩戴，面罩也可能基于检测到不是呼吸结果的轻微压力变化而被打开。

EP 0661071公开了用于在施用持续气道正压(CPAP)处置中的自动化停止-启动控制的装置和方法。当确定患者佩戴面罩时，启动对CPAP处置的施用。相反地，当确定患者不再佩戴面罩时，停止对CPAP处置的施用。在一个示例中，可以基于对流量发生器的供电电流的分析来确定面罩是否被佩戴。

仍然需要更准确的呼吸检测，并且需要避免处理大量的采样风扇旋转数据的方式。

发明内容

本发明由权利要求来限定。

根据本发明一个方面的示例，提供了一种防污染面罩，包括：

空气腔室；

过滤器，例如，直接形成所述空气腔室与空气腔室外部的周围环境之间的边界的过滤器；

风扇，其用于将空气从所述空气腔室外部吸入到所述空气腔室中并且/或者将空气从所述空气腔室内部抽出到所述外部；

用于确定所述风扇的旋转速度的模块；以及

控制器，其适于：

根据所确定的风扇旋转速度或风扇旋转速度的变化来导出第一值和第二值，所述第一值在所述面罩被佩戴时与呼吸深度有关，所述第二值在所述面罩被佩戴时与呼吸速率有关；并且

基于所述第一值和所述第二值来确定所述面罩是否被佩戴。

第一值与在检测到呼吸时的呼吸深度有关，这意味着第一值与呼吸深度之间存在正相关。第二值与在检测到呼吸时的呼吸速率有关，这意味着第二值与呼吸速率之间存在正相关。

更一般地，第一值可以例如与跨风扇的压力波动的幅值有关(即，与之相关)(无论该压力波动是否是由呼吸引起的)，并且，第二值可以例如与压力波动的速率有关(即，与之相关)(无论该压力波动速率是否是由呼吸引起的)。“压力波动的速率”意味着由呼吸引起的循环压力波动的速率，而不是瞬时压力变化速率。当面罩被佩戴并正常使用时，压力波动是由呼吸引起的，而当面罩未被佩戴时，任何检测到的压力波动将是由其他因素引起的。

本发明涉及一种防污染面罩。这意味着主要目的在于过滤要由用户呼吸的环境空气的设备。面罩不执行任何形式的患者处置。特别地，由风扇操作引起的压力水平和流动仅仅旨在辅助提供舒适性(通过影响空气腔室中的温度或相对湿度来实现)和/或辅助提供穿过过滤器的气流而无需用户进行显著的额外呼吸努力。与用户没有佩戴面罩的情况相比，面罩并不提供全面呼吸辅助。

在该系统中，风扇速度(对于驱动空气进入腔室和/或将空气从腔室排出的风扇)可以用作压力测量结果的代替物。为了测量风扇速度，可以使用风扇本身，使得不需要额外的传感器。在正常使用中，腔室可以是封闭的，使得腔室中的压力波动对风扇的负载条件具有影响，因此改变风扇电特性。类似地，风扇电特性可以确定腔室的性质，例如，腔室的容积，以及腔室是开放的容积还是封闭的容积。

为了检测面罩是否被佩戴，分析风扇旋转信号，使得避免假阳性(即，面罩被错误地检测为未被佩戴)和假阴性(面罩被错误地检测为被佩戴)。这是通过考虑压力波动水平和循环压力波动速率这两者来实现的，压力波动水平指示在检测到呼吸时的呼吸深度，循环压力波动速率指示在检测到呼吸时的呼吸速率。以这种方式，不仅可以检测正常呼吸(如在申请人已经提出但未公开的解决方案中的那样)，还可以检测到与说话期间有关的压力波动。这使得能够以降低的采样率可靠地检测呼吸。

通过确定面罩是否被佩戴，这种面罩设计使得能够在面罩未被佩戴时节省功率而无需任何额外的传感器。特别地，如果没有检测到跨面罩的压力差，则这指示面罩两侧均处于大气压下并且面罩未被佩戴。实际上，不再有封闭或部分封闭的腔室，使得空气腔室向大气开放。如果检测到面罩未被佩戴，则可以关闭风扇。可以为这种检测设定阈值，但是通过额外考虑循环压力波动速率来避免错误的检测结果。

例如，所述第一值是在采样窗口期间的风扇旋转速度的最大摆幅，并且所述控制器适于将第一阈值设定为所述第一值。该摆幅表示压力波动的程度，因此对于呼吸来说，该摆幅与呼吸深度有关。

采样窗口被选择为足以捕获至少一个完整呼吸循环，例如，采样窗口被选择为6秒以捕获在10次呼吸/分钟的最低呼吸速率下的完整呼吸循环。窗口内的数据采样率能够被选择为尽可能得低，以节省功率和数据处理。采样率可以是固定的，使得能够应付最快的呼吸速率。例如，对于30次呼吸/分钟的最快呼吸速率，采样率可以是2Hz(最大呼吸频率的4倍)。

然而，一种替代选项是，在检测到呼吸时，以取决于所述第二值的速率对所述风扇旋转速度进行采样。以这种方式，能够维持最低采样率以节省功率，

例如，所述第一阈值取决于平均风扇旋转速度。因此，由呼吸引起的风扇旋转速度的变化可以取决于风扇旋转速度本身。当风扇被驱动至更快速度时，给定呼吸模式可能会引起风扇旋转速度的更大变化。

平均风扇旋转速度可以通过对先前样本的测量来获得，或者可以根据由控制器施加给风扇的驱动信号得知。这两种选项均旨在被本发明包括在内。

例如，所述第二值是基于所述风扇旋转速度的相继的最大值和最小值之间的时间的频率。对于呼吸来说，这是呼吸周期的一半。

然后，所述控制器可以适于在所述第一值超过所述阈值并且所述第二值位于预定范围内时确定检测到呼吸并且因此确定所述面罩被佩戴。因此，为了检测呼吸，需要检测特定的呼吸深度和特定范围的呼吸速率。

例如，预定范围为12-30个循环/分钟，其对应于呼吸速率的典型范围。

所述控制器可以适于应用以下时间段，必须在所述时间段期间持续检测不到呼吸，然后才能确定所述面罩未被佩戴。以这种方式，降低了错误地关闭风扇的风险。

过滤器例如直接形成空气腔室与空气腔室外部的周围环境之间的边界。这提供了紧凑的布置，避免了对流传递通道的需要。这意味着用户能够通过过滤器吸气。过滤器可以具有多个层。例如，外层可以形成面罩的主体(例如，织物层)，而内层可以用于去除更细的污染物。然后，内层可以是可移除的，以便于清洁或更换，但是，可以认为这两个层共同构成过滤器，因为空气能够穿过该结构，并且该结构执行过滤功能。

因此，过滤器优选包括空气腔室的外壁并且任选包括一个或多个其他过滤器层。这提供了特别紧凑的布置，并且实现了大的过滤器面积，因为面罩主体执行过滤功能。因此，当用户吸气时，环境空气通过过滤器被直接提供给用户。

在使用时空气腔室中的最大压力例如低于4cm H₂O，例如低于2cm H₂O，例如低于1cm H₂O，这高于空气腔室外部的压力。如果风扇用于在空气腔室中提供增大的压力(例如在吸气期间进入空气腔室的流)，则仅需要提供很小的增大的压力，以例如辅助用户吸气。

风扇可以仅用于将空气从空气腔室内部抽出到外部。以这种方式，即使是在呼气期间，也可以同样促进新鲜的过滤空气被供应到空气腔室，进而提高用户的舒适度。在这种情况下，空气腔室中的压力可以一直低于外部(大气)压力，使得新鲜空气总是被供应到面部。

在一个示例中，所述风扇由电子换向无刷电机驱动，并且用于确定旋转速度的所述模块包括所述电机的内部传感器。在这样的电机中已经提供了内部传感器以使得电机能够旋转。电机甚至可以具有输出端口，在该输出端口上提供内部传感器输出。因此，存在承载适用于确定旋转速度的信号的端口。

替代地，用于确定旋转速度的所述模块可以包括用于检测针对电机的电源上的纹波的电路，所述电机驱动所述风扇。该纹波源自通过电机线圈的切换电流，该电机线圈会因输入电压源的有限阻抗而引起供电电压的感应变化。

风扇可以是双线风扇，并且用于检测波动的电路包括高通滤波器。针对已经不具有合适的风扇速度输出的电机所需的额外电路能够被保持为最小。

面罩还可以包括用于使空气腔室与外部可控地通气的出口阀。出口阀可以包括被动压力调节止回阀或主动驱动电控阀。这可以用于使面罩更舒适。在吸气期间，通过(主动地或被动地)关闭阀，会防止吸入未过滤的空气。在呼气期间，打开阀，使得排出呼出的空气。

控制器可以适于：确定呼吸循环，并且取决于呼吸循环的相位来控制该受控阀。因此，这种压力监测提供了简单的方式来确定吸气相位，这可以随后用于控制对面罩的排气阀的定时，或者用于确定面罩是否被佩戴以及是否被使用。

控制器可以适于在吸气期间关闭风扇。这可以用于节省功率。如果以这样的方式进行配置，对于通过过滤器呼吸没有困难的用户来说希望在吸气期间关闭风扇以节省功率。

因此，该系统可以使得面罩能够在不同模式下操作，并且在面罩未被佩戴时被关闭。

所述面罩还可以包括：

检测电路，其用于检测当所述风扇未被电驱动时由所述风扇的旋转引起的感应电流尖峰或感应电压尖峰；以及

启动电路，其用于响应于来自所述检测电路的输出而启动对所述风扇的电驱动。

该特征使得能够通过检测由风扇的手动旋转引起的电尖峰而在面罩被佩戴时启动风扇。当风扇未被电驱动时，这种旋转例如是由佩戴面罩并通过风扇呼吸的用户引起的。然后检测到这些移动，以便提供风扇的自动开启。这种方法不需要主动感测面罩被佩戴，而是替代地，由用户的呼吸为感测功能提供能量。这种感测可以被集成到风扇电路中，从而具有低开销和低功耗。

以这种方式，风扇可以用作传感器，该传感器用于检测面罩从佩戴状态到非佩戴状态以及从非佩戴状态到佩戴状态的转变。

根据本发明的另一方面的示例提供了一种控制防污染面罩的方法，包括：

使用风扇将气体吸入和/或抽出所述面罩的空气腔室，所述面罩直接形成所述空气腔室与所述空气腔室外部的周围环境之间的边界；

确定所述风扇的旋转速度；

基于所述第一值和所述第二值来确定所述面罩是否被佩戴。

所述第一值可以是在采样窗口期间的风扇旋转速度的最大摆幅，并且所述方法包括将第一阈值设定为所述第一值，所述第二值可以是基于所述风扇旋转速度的相继的最大值和最小值之间的时间的频率，并且所述方法还可以包括：当所述第一值超过所述阈值并且所述第二值位于预定范围内时，确定检测到呼吸并且因此确定所述面罩被佩戴。

如果检测到所述面罩未被佩戴，则关闭所述风扇。

因此，风扇速度用作针对压力测量或相对压力测量的代替物，并且这种代替测量用于基于呼吸深度和呼吸速率这两者来检测面罩是否被佩戴。这两者必须与用户的呼吸相一致。

该方法可以包括：使用电子换向无刷电机来驱动风扇，并且由电机的内部传感器来确定旋转速度。替代地，可以通过检测被供应到驱动风扇的电机的电力供应上的纹波来获得旋转速度。这可以应用于任何类型的电机，例如，常规的有刷DC电机。

面罩可以包括用于使空气腔室与外部可控地通气的电控阀。然后可以根据压力监测系统来确定呼吸循环，并且该方法可以包括取决于呼吸循环的相位来控制该受控阀。替代地，面罩可以仅仅具有压力调节释放阀。

附图说明

现在将参考附图来详细描述本发明的示例，在附图中：

图1示出了被实施为面罩的部分的压力监测系统；

图2示出了压力监测系统的部件的一个示例；

图3示出了在吸气期间和在呼气期间的旋转信号；

图4示出了用于控制通过无刷DC电机的定子中的一个定子的电流的电路；

图5示出了应用于图4的电路的检测电路和启动电路；

图6A-6C示出了用于对风扇旋转信号进行采样的不同采样选项；

图7示出了针对包括说话的不同呼吸类型的压力变化和风扇速度变化；

图8示出了在说话期间的压力变化和风扇速度变化；

图9示出了第一面罩操作方法；并且

图10示出了第二面罩操作方法。

具体实施方式

本发明提供了防污染面罩。监测风扇旋转速度或风扇旋转速度的变化，并且由此获得与跨风扇的压力波动的幅值有关的第一值和与循环压力波动的速率有关的第二值。然后能够基于第一值和第二值来确定面罩是否被佩戴。这提供了对面罩是否被佩戴的可靠检测，并且只需要少量的风扇旋转信号的采样数据，因此节省了功率。

第一检测功能是提供风扇旋转速度监测(作为压力测量的代替物)并使用这种监测来检测面罩是否被佩戴，并且特别地，这使得能够检测从佩戴到未佩戴的转变。第二检测功能使得能够检测从未佩戴(并且面罩风扇关闭)到佩戴的转变。

这两种检测功能的目的都是避免需要来自任何传感器的显著功耗，并且不需要显著的额外的硬件复杂性。

图1示出了被实施为面罩的部分的监测系统。

对象10被示为佩戴面罩12，面罩12覆盖对象的鼻子和嘴巴。面罩的目的是在对象吸入空气之前过滤空气。为此，面罩主体本身用作空气过滤器16。通过吸气将空气吸入由面罩形成的空气腔室18。在吸气期间，由于空气腔室18中具有低压，因此出口阀22(例如，止回阀)关闭。

过滤器16可以仅由面罩的主体形成，或者也可以有多个层。例如，面罩主体可以包括由多孔织物材料形成的外罩，该外罩用作预过滤器。在外罩内部，更细过滤器层可逆地附接至外罩。然后，更细过滤器层可以被移除以进行清洁和更换，而外罩可以例如通过擦拭来清洁。外罩还执行过滤功能，从而例如保护更细过滤器免受大碎片(例如，泥土)损害，而更细过滤器执行对细小颗粒物的过滤。可以存在两个以上的层。多个层一起用作面罩的总过滤器。

当对象呼气时，空气通过出口阀22排出。该阀打开以使得能够容易地呼气，但在吸气期间关闭。风扇20辅助通过出口阀22移除空气。优选地，移除的空气比呼出的空气更多，使得额外的空气被供应给面部。由于降低了相对湿度和冷却，这提高了舒适度。在吸气期间，通过关闭该阀而防止吸入未过滤空气。因此，出口阀22的定时取决于对象的呼吸循环。出口阀可以是由跨过滤器16的压力差操作的简单被动止回阀。然而，替代地，出口阀也可以是电控阀。

如果面罩被佩戴，则腔室内部只会存在升高的压力。特别地，腔室由用户的面部所封闭。当面罩被佩戴时，封闭腔室内部的压力也将根据对象的呼吸循环而变化。当对象呼气时，将出现轻微的压力增大，而当对象吸气时，将出现轻微的压力下降。

如果以恒定驱动水平(即，电压)驱动风扇，则不同的主导压力将其自身表现为对风扇的不同负载，因为跨风扇存在不同的压降。这种改变的负载将引起不同的风扇速度。

第一检测功能部分地基于以下认识：风扇的旋转速度可以用作针对跨风扇的压力测量结果的代替物。第一检测功能也部分地基于以下认识：压力水平和循环频率速率可以用于确定面罩是否被佩戴。本发明结合这些考率因素而创建了以下面罩，该面罩能够通过在不被佩戴时得到关闭来节省功率，并且不需要复杂或昂贵的额外的传感器。

针对已知风扇一侧的压力(例如，大气压力)的情况，压力监测使得能够确定风扇另一侧的压力或至少压力变化。该另一侧例如是封闭腔室，其因此具有不同于大气压力的压力。然而，通过检测到风扇的每一侧的压力相等，能够确定腔室不是封闭的，而是在两侧都连接到大气压力。

因此，这种风扇速度变化的缺失可以用于确定面罩未被佩戴，因此确定面罩未被使用。该信息能够用于关闭风扇以节省功率。

申请人已经提出了(但尚未公布)压力监测系统，该系统具有用于确定风扇的旋转速度的模块以及用于根据风扇的旋转速度导出压力或检测压力变化的控制器。然后，申请人还提出了使用该压力信息来确定面罩是否被佩戴。

用于确定旋转速度的模块可以包括已经存在的来自风扇电机的输出信号，或者可以提供单独的简单感测电路作为风扇的额外的部分。然而，在任一情况下均使用风扇本身，使得不需要额外的传感器。

图2示出了所提出的压力监测系统的部件的一个示例。用相同的附图标记表示与图1相同的部件。

除了图1所示的部件以外，图2还示出了控制器30、本地电池32和用于确定风扇旋转速度的模块36。

风扇20包括风扇叶片20a和风扇电机20b。在一个示例中，风扇电机20b是电子换向无刷电机，并且用于确定旋转速度的模块包括电机的内部传感器。电子换向无刷DC风扇具有内部传感器，该内部传感器测量转子的位置并以转子旋转的方式切换通过线圈的电流。因此，在这样的电机中已经提供了内部传感器，以实现对电机速度的反馈控制。

电机可以具有输出端口，在该输出端口上提供内部传感器输出34。因此，存在承载适用于确定旋转速度的信号的端口。

替代地，用于确定旋转速度的模块可以包括用于检测被供应到电机20b的电力供应上的纹波的电路36。该纹波源自通过电机线圈的切换电流，该电机线圈会因电池32的有限阻抗而引起供电电压的感应变化。电路36例如包括高通滤波器，使得仅处理风扇旋转的频带中的信号。这提供了非常简单的额外的电路，并且成本比常规的压力传感器的成本低得多。

这意味着电机能够是任意设计方案，包括没有内置传感器输出端子的双线风扇。电机也将与有刷DC电机一起工作。

控制器可以基于对应的压力信息，使用旋转速度信息来确定呼吸循环。

如果出口阀22是电子切换阀，则呼吸循环定时信息可以用于取决于呼吸循环的相位来控制出口阀22。因此，压力监测提供了简单的方式来确定吸气相位，该吸气相位随后可以用于控制对面罩的出口阀22的定时。

除了控制出口阀以外，控制器还可以在吸气时间期间或在呼气时间期间关闭风扇。控制器也可以在检测到面罩未被佩戴时关闭风扇。这赋予了面罩不同的操作模式，从而可以用于节省功率。

对于给定驱动水平(即，电压)的情况，由于风扇叶片上的负载减小，因此风扇速度因较低的跨风扇压力而增大。这使得流动增强。因此，风扇速度与压力差之间存在反比关系。

这种反比关系可以在校准过程期间获得，或者可以由风扇制造商提供。例如，该校准过程涉及在其中用命令指示对象以正常呼吸方式规律地吸气和呼气的周期内分析风扇速度信息。然后，能够将所捕获的风扇速度信息与呼吸循环进行匹配，然后据此能够设定用于辨别吸气与呼气的阈值。

图3示意性地示出了转子位置(作为测得的传感器电压)与时间的关系。

旋转速度可以是根据去往风扇的DC电压的(由电机中的切换事件引起的)AC分量的频率测得的。该AC分量源自风扇汲取的电流变化，该电流变化被施加在电源的阻抗上。

图3将在吸气期间的信号示为标绘图40并且将在呼气期间的信号示为标绘图42。在呼气期间，存在因压力梯度增大引起风扇上的负载增大而引起的频率降低。因此，观察到的频率变化是由在呼吸循环期间的不同风扇性能引起的。

在呼气期间，风扇操作迫使空气从面部与面罩之间的区排出。由于使呼气变得更容易，这提高了舒适度。这还能够将额外的空气抽吸到面部上，从而降低了温度和相对湿度。在吸气与呼气之间，风扇操作提高了舒适度，因为新鲜空气被吸入到面部与面罩之间的空间中，从而冷却了该空间。

在吸气期间，出口阀(主动地或被动地)关闭，并且能够关闭风扇以节省功率。这提供了基于呼吸循环检测的操作模式。

如果针对呼吸循环的部分关闭风扇并因此不提供压力信息，则能够根据先前呼吸循环来推断出对吸气相位和呼气相位的精确定时。

对于风扇辅助的呼气，需要刚好在出口阀再次打开之前恢复电力供应。这也确保了下一吸气-呼气循环保持适当定时并且可以获得足够的压力和流动。

通过使用这种方法，可以容易地实现大约30％的功率节省，从而延长了电池寿命。替代地，针对风扇的功率能够增大30％以提高有效性。

在不同的风扇和阀的配置下，对风扇旋转速度的测量实现了控制以提高舒适度。

在过滤器与风扇串联的风扇配置中，压力监测可以用于测量过滤器的流动阻力，特别是基于跨风扇和过滤器的压降来实现这一点。这能够在接通后面罩尚未被戴上面部的一段时间内完成。该阻力能够用作针对过滤器的年限的替代物。

如上所述的第一检测功能利用风扇来提供压力测量的替代物，该替代物然后用于检测面罩未被佩戴。压力信息也可以用于如上所述的许多其他功能。该第一检测功能要求风扇是激活的，因此使得能够检测从佩戴(风扇打开)到未佩戴的转变。当再次佩戴(或第一次佩戴)面罩时，用户可以操作手动开关以再次启动风扇。

然而，当面罩第一次被佩戴时或者在任何先前的自动关闭之后被佩戴时，希望风扇能够自动接通。这可以通过使用专用传感器来实现，但是这要求专用传感器长期激活，或者至少进行周期性感测操作。这将使面罩再次变得复杂并且会导致不希望的功耗。

上述第二检测功能避免了对主开关或任意传感器的需要。实际上，风扇本身再次用作传感器。利用特殊的电子器件，即使是在风扇关闭时，也能够执行这种感测任务。

当将具有风扇的面罩戴到面部上并且用户开始呼吸时，由于空气被迫使通过风扇，即使没有接通风扇，风扇也会旋转。速度检测功能基于在风扇关闭的情况下不使用额外的传感器而确定该旋转。该信号随后用于接通气扇以对面罩进行适当操作。

如上所述，使用电子换向无刷DC电机的风扇具有内部传感器，该内部传感器测量转子的位置并以转子旋转的方式切换通过线圈的电流。

然而，当风扇关闭时，即使风扇机械地旋转，也不再存在与风扇旋转速度有关的信号。

图4示出了H桥电路，其用作逆变器，以从DC电源VDD、GND生成流入定子线圈50的交流电压。逆变器具有一组开关S1至S4，以在线圈50两端生成交流电压。

当风扇关闭时，无法从电源线VDD、GND获得电信号。然而，由于当风扇被迫旋转时，定子线圈50相对于转子中的磁体移动，因此会因电磁感应而生成电信号。

这些感应信号无法在供电线上测量，因为线圈连接到电子电路，当没有驱动风扇旋转时，该电子电路通常是去激活的。只有当电子开关以正确方式连接时，才能在供电线处测量这些信号。

这个问题能够通过使用直接在定子线圈的一个极上生成的脉冲来解决。

这种方法将参考图5进行说明。

H桥电路被提供在高电压轨VDD与虚拟接地之间。虚拟接地GND通过晶体管布置Q1连接到低电压轨VDD-。

虚拟接地可以取决于电路的操作状态而在VDD+与VDD-之间变化。

风扇具有开关控制电路52，并且包括开关、线圈和控制电路的风扇电路连接到作为供电电压线的VDD+和GND。控制电路向开关提供开关信号，但是为了避免使图5混乱，并未示出这些控制信号线。例如，控制电路包括用于转子位置感测的霍尔传感器。

一个线圈端子Co1向检测电路54提供输出。由于存在叠加的DC电压，因此在检测电路54与线圈端子Co1之间使用电容器C1和电阻器R1的高通滤波器。来自高通滤波器的脉冲由二极管D2整流并且使电荷被存储在存储电容器C2中。

存储电容器建立针对晶体管布置Q1(被示为Darlington双极晶体管对)的基极电压。存储电容器防止晶体管布置与脉冲同相地快速接通和断开。

一旦在电容器C2上存储了足够的电荷，晶体管布置Q1就将接通(产生闭合电路)，并且风扇将开始运行，因为供电电压随后增大到完全VDD+顶部VDD-电压摆幅。该运行生成足够的脉冲以保持风扇运行。

这提供了非常简单的实施方式。

为了使用图5的电路来关闭风扇，例如基于如上所述的针对面罩未被佩戴的检测，可以驱动晶体管布置Q1的基极接地足够长的时间以使风扇停止旋转。这可以通过使用关断电路51(例如，使电容器C2放电的晶体管)来实现。

对于超低功率，能够用MOSFET及任选的选通放大器来替换开关Q1。数字逻辑电路能够用于将线圈旋转信号和面罩佩戴或未佩戴信号路由至门驱动器。

当在图5中风扇关闭时，所有开关S1-S4都打开(无致动)。此时没有任何电力供应。

对电容器C2充电的脉冲将使Q1的基极的电压升高并最终将其接通。然后，虚拟接地GND的电平被拉低至VDD-。此时，电流能够从VDD+流到VDD-。这就给线圈和风扇的控制电路52提供了电力，只要有足够的电压，风扇随后便开始运行。

当C2被充电且Q1接通时，关断电路51用于使电容器C2放电以使风扇停止。例如，npn晶体管或FET晶体管可以用于使电容器C2短路。短路信号可以根据呼吸模式中导出。如果没有测量到频率波动，则使电容器C2短路以关断晶体管布置，由此降低供电电压，这是因为GND-上升回到电压VDD+。

本发明提供了对如上所述的自动关闭功能(即，对面罩未被佩戴的检测)的强化。针对面罩未被佩戴的检测的使用方式与上文所述相同，但是检测更准确，同时还实现了风扇旋转信号的低采样率。

本发明可以使用如图2所示的系统来实施，但是由控制器实施了不同的方法并且因此实施了不同的分析。

与上述系统中一样，对风扇旋转信号的分析(通过查看风扇旋转速度或风扇旋转速度的变化)产生与跨风扇的压力波动的幅值有关的第一值。当第一值与呼吸信号一致时，该第一值与呼吸深度有关。第一值可以包括在采样窗口期间的最大风扇旋转速度和最小风扇旋转速度之差。另外，导出第二值，该第二值与压力波动循环速率有关，即，当第二值与呼吸信号一致时，该第二值与呼吸速率有关。

在本申请中，术语“呼吸深度”通常用于表示与特定类型的呼吸相关联的体积或流速特性，而不是呼吸速率。举例来说，轻呼吸、说话时的呼吸和正常呼吸在下面作为不同的呼吸类型来讨论。例如，在对象静息的情况下，可以认为轻呼吸类型具有低呼吸深度。正常呼吸类型具有更大的呼吸深度。一种可以用作这种呼吸深度的度量的已知度量是潮气量(即，每次呼吸的体积)。然而，根据以上讨论可以清楚地看出，在一个示例中，第一值可以对应于跨风扇的压力波动。因此，这不是潮气量的实际度量，而是提供了与潮气量测量结果类似的与不同类型呼吸的相关性。因此，第一值“涉及”呼吸深度，正如潮气量测量是呼吸深度的一个度量(并且因此与呼吸深度有关)一样。

例如，如果在给定时间单位内递送了大潮气量，则该大潮气量将对应于高流速，并且因此对应于大压力差，并且因此对应于大风扇旋转速度差。如果在相同的给定时间单位内递送小潮气量，则该小潮气量将对应于低流速，并且因此对应于小压力差，并且因此对应于小风扇旋转速度差。

循环压力波动速率以及因此风扇旋转信号中的循环波动速率对应于呼吸速率，因为一次呼吸对应于跨风扇的压力波动的一个完整循环，并且因此对应于风扇旋转信号波动的一个完整循环。因此，基于风扇旋转速度的相继的最大值和最小值之间的时间的频率实际上与呼吸速率有关。

应当相应地理解说明书和权利要求书。

正常成人的呼吸频率范围是12-18次呼吸/分钟(BrPM)。当对象开始锻炼时，呼吸频率也会增高。在极高强度活动中，呼吸速率能够达到30BrPM。

对风扇旋转信号的采样需要以足够收集由呼吸信号产生的变化的速率来执行。为了对风扇旋转信号进行采样而没有因呼吸导致分量失真，根据Shannon采样理论，采样率应当是最大信号频率的至少2倍(fs≥2fmax)。这里，最大呼吸频率是30BrPM，即，0.5Hz。

因此，一种方法是设定fs≥2fmax＝1Hz。因此，理论上，可以使用1Hz的采样率。然而，实际上，1Hz的采样率是不够的。

图6A示出了在30BrPM下在2s的采样周期内随时间(x轴)的风扇速度信号(y轴)。采样率为1Hz，并且采样点可以均在风扇速度为零时。

因此，如图6B和图6C所示，需要至少2Hz的采样率。因此，2Hz的采样率是针对30BrPM呼吸信号的最小采样率。

因此得出：

fs＝4f

这里，fs是最小采样率，并且f是实时呼吸频率。

有两种可能的方法来设定采样率。

实际上，呼吸频率不会维持在稳定值，而是，呼吸频率取决于用户呼吸特性(正常呼吸、说话、大笑等)。这意味着没有固定的最小采样率。

一种方法是基于最快呼吸频率来设定采样率(作为最坏的情况)。基于该最快呼吸频率，可以设定固定采样率。这不是功率高效的方法，因为在一些低呼吸频率的情况下，该采样率将高于实际所需的采样率。30BrPM的最快呼吸频率意味着固定采样率可以是2Hz。

替代方法是基于先前的呼吸循环数(例如，一个或两个)，以动态方式设定采样率。结果，取决于呼吸特性来实时动态地调节频率fs。

能够使用以下公式来实时确定呼吸频率：

f＝1/2(t_max-t_min)

t_max是呼吸循环中的最大数据点的时刻。

t_min是呼吸循环中的最小数据点的时刻。

特别地，一对相继的最小值和最大值用于确定循环周期的一半。

然后，使用所得到的频率来判定该频率是否对应于呼吸信号的合理范围(12～30BrPM)。频率f是与压力波动速率有关的第二值。如果该速率(即，频率)在允许的范围内，则压力波动是由呼吸引起的，否则，压力波动可能是由其他空气扰动引起的。

除了设定合适的风扇旋转信号采样率以外，还需要确定要被存储在存储器中的采样数据的量。采样时间窗口(T)确定所需的数据缓冲器大小，并且该数据在呼吸跟踪期间得到实时更新(重写)。基于10-30BrPM的呼吸速率，采样时间窗口需要记录至少一个呼吸循环。基于10BrPM，采样时间段是6秒。

针对第一值和第二值的阈值用于确定检测到的压力信号是否是真实呼吸信号。如果没有恰当地设定阈值，则很可能会错误地关闭风扇，或者可能需要在面罩仍然工作时关闭面罩。

图7示出了压力(以Pa为单位，标绘图70，使用左y轴)和风扇旋转速度(以RPM为单位，标绘图72，使用右y轴)。图中示出了正常呼吸相位74、轻呼吸相位76和说话相位78。

从图7中可以测量到第一值(例如，在采样窗口期间的最大风扇旋转速度和最小风扇旋转速度之差)为：

正常呼吸：信号峰谷值7792-7310＝482RPM；

轻呼吸：峰谷值7630-7518＝112RPM；

说话：峰谷值7791-7487＝304。

如果在分析轻呼吸时使用正常呼吸阈值，则轻呼吸将被检测为没有呼吸。因此，呼吸阈值应当考虑最坏的情况(最轻呼吸)。然而，如果阈值过低，则存在错误检测的风险。

最轻呼吸量发生在呼吸量为0.5L的最低活跃状态(例如，坐着)期间。基于12BrPM的呼吸速率和0.5L的呼吸量，能够在不同的风扇速度设置下测试风扇旋转信号差(ΔRPM)。

下表1示出了在不同风扇速度设置下基于12BrPM、0.5L的这种测试数据，其中存在些许泄露。

表1

该表示出可以取决于主要风扇速度设置来设定阈值，即，优选地，使针对第一值的第一阈值取决于在采样窗口期间的平均风扇旋转速度，该平均风扇旋转速度一般对应于风扇速度设置。风扇速度设置可以是控制器已知的并且是作为输入而被提供的，或者可以测量实际平均风扇速度(例如基于风扇旋转信号的低通滤波版本)。

阈值被设定为接近ΔRPM值的一半。这是因为使用降低的采样率意味着真实呼吸信号的峰值和谷值可能并未得到采样，如图6B所示。

图8示出了与图7(压力标绘图70和RPM标绘图72)相似的针对说话时段的标绘图。图中示出在说话期间的压力信号幅度变化比在正常呼吸期间的压力信号幅度变化更明显。然而，风扇旋转信号示出比在正常呼吸期间的信号幅度更小的信号幅度。这是因为压力传感器的响应时间比风扇信号快得多。说话之后的突然吸气是通过压力感测来检测的，但是风扇信号并不会那么快地反映出该峰值信号。

这也是使用风扇旋转信号的优点。风扇旋转信号将在更长的时间上做出反应，使得降低的采样率能够捕获说话之后的突然吸气信号的效果。对于2Hz的采样率，尖峰呼吸信号需要至少0.5s的时间段。

对说话呼吸信号的分析表明：风扇旋转信号的反应总是长于0.5s，使得即使在最小2Hz的采样率的情况下，风扇旋转反馈信号也能够捕获说话信号，而压力信号可能无法捕获该呼吸信号。

下表2示出了在图8中的压力信号70中的12个相继下降中何时出现压力峰值以及何时出现旋转信号峰值。

表2

循环	压力峰值时间(s)	RPM峰值时间(s)
			1	0.5	0.8
2	1	1.1
			3	0.3	0.6
4	0.2	0.6
			5	0.5	0.6
6	0.5	0.9
			7	0.5	0.9
8	0.3	0.6
			9	1.3	1.7
10	0.6	0.8
			11	0.7	0.4
12	0.6	0.4

呼吸的检测基于将第一阈值应用于第一值(例如，ΔRPM>阈值)并且将范围应用于第二值(例如，12≤f≤30)。如果这些条件都得到满足，则检测到呼吸并且系统将保持风扇开启。

如果f<12或f>30或ΔRPM≤阈值，则呼吸已经消失。

当呼吸已经消失时，可以应用延迟时间段，必须在该延迟时间段期间持续检测不到呼吸，然后才能确定面罩未被佩戴。例如，可以在提供10秒的时段之后才实施关闭。

在上述示例中，与呼吸深度有关的第一值是在采样窗口期间的风扇旋转速度的最大摆幅。然而，这是最简单的实施方式。对风扇旋转速度的其他分析也可以用于确定表示呼吸深度的信号。例如，可以额外地或替代地使用风扇旋转速度的变化速率。此外，如果确定极端采样值是异常的，则可以在分析中忽略这些值。因此，在对风扇旋转速度的分析中可以考虑额外的约束或额外的参数，以便生成表示呼吸深度的值。

在上述示例中，与呼吸速率有关的第二值是基于风扇旋转速度的相继的最大值和最小值之间的时间的频率。然而，这也是最简单的实施方式。该频率可以替代地从阈值风扇旋转速度的交叉点导出。

在另外的示例中，可以将机器学习算法应用于风扇旋转速度信号，并且随后可以提取表示呼吸速率的值和表示呼吸深度的值。然后，这将不需要从风扇旋转信号中明确提取风扇旋转信号的最大值和最小值或任意特定时间段的最大值和最小值。

图9示出了用于检测从佩戴到未佩戴的转变的面罩操作方法。该方法可以任选地从在步骤80中自动打开风扇开始。

随后，该方法包括：

在步骤90中，执行初始化。这涉及设定数据缓冲器采样时间(例如，6s)、采样率(例如，2Hz)、第一值阈值、第二值范围以及延迟时间段(例如，10秒)。根据表1设定第一值阈值。该表对于不同的系统或风扇可能是不同的。

在步骤91中，使用风扇将空气吸入和/或抽出面罩空气腔室；

在步骤92中，确定风扇的旋转速度；并且

在步骤94中，根据所确定的风扇旋转速度或风扇旋转速度的变化来导出第一值和第二值，第一值与跨风扇的压力波动的幅值有关，第二值与压力波动的速率有关。

在步骤96中，该方法包括如上所述的那样基于第一值和第二值来确定面罩是否被佩戴。如果面罩未被佩戴并且在延迟时间的持续时间内检测到这种情况，则可以关闭风扇以节省功率。

这实施了上述第一检测功能。

该方法可以包括：使用电子换向无刷电机来驱动风扇，并且通过电机的内部传感器来确定旋转速度。替代地，可以通过检测被供应到驱动风扇的电机的电力供应上的纹波来获得旋转速度。

该方法可以包括从压力监测系统确定呼吸循环。当使用电控出口阀时，可以取决于呼吸循环的相位来控制该电控出口阀。

图10示出了用于检测从未佩戴到佩戴的转变的面罩操作方法。该方法包括：

在步骤100中，检测当风扇未被电驱动时由风扇的旋转引起的感应电流尖峰或感应电压尖峰；并且

在步骤102中，响应于检测到的感应电流尖峰或感应电压尖峰而开始对风扇的电驱动。

该方法还可以包括(随后)在检测到面罩未被佩戴的情况下在步骤104中关闭风扇。这种检测可以基于图9的步骤91-96。

类似地，图6中的打开风扇的初始步骤80可以基于图10的方法的步骤100和102来执行。

面罩可以仅覆盖鼻子和嘴巴(如图1所示)，也可以是全面罩。

所示示例是用于过滤环境空气的面罩。

上述面罩设计具有由过滤材料形成的主空气腔室，用户通过该主空气腔室吸入空气。

同样如上所述，替代面罩设计具有与风扇串联的过滤器。在这种情况下，风扇辅助用户通过过滤器吸入空气，由此减少用户的呼吸努力。出口阀使得呼出的空气能够被排出，并且入口阀可以被提供在入口处。

本发明可以再次应用于检测由呼吸引起的压力变化，以控制入口阀和/或出口阀。在该示例中，风扇需要在吸气期间打开以辅助用户通过串联的过滤器吸入空气，但在呼气期间当出口阀打开时风扇可以关闭。因此，当不需要风扇操作时，所导出的压力信息可以再次用于控制风扇以节省功率。还可以实施对面罩是否被佩戴的检测。

可以看出，本发明可以应用于许多不同的面罩设计，这些不同的面罩设计具有风扇辅助的吸气或呼气，并且具有由过滤膜形成的空气腔室或具有密封的气密空气腔室。

因此，如上所述的一种选项是，例如当排气阀打开时，仅使用风扇将空气从空气腔室内部抽出到外部。在这种情况下，可以通过风扇将面罩容积内部的压力维持低于外部大气压力，使得在呼气期间存在进入面罩容积的清洁的过滤空气的净流。因此，低压可以在呼气期间由风扇引起并且在吸气期间(当风扇可能关闭时)由用户引起。

替代选项是，仅使用风扇将空气从周围环境吸入空气腔室内部。在这种情况下，风扇运行以增大空气腔室中的压力，但在使用时空气腔室中的最大压力保持低于4cm H₂O，这高于空气腔室外部的压力，具体是因为不打算进行高压辅助呼吸。因此，可以使用低功率风扇。

在所有情况下，空气腔室内部的压力优选保持低于在2cm H₂O，或者甚至低于1cmH₂O，或者甚至低于0.5cm H₂O，这高于外部大气压力。因此，防污染面罩并非用于提供持续气道正压，并且不是用于向患者递送治疗的面罩。

面罩优选是电池供电的，因此，低功率操作是特别感兴趣的。

呼吸循环的检测是作为监测能力的额外使用的优选特征，但这是任选的。

如上面所讨论的，实施例利用控制器来执行所需的各种功能，该控制器能够使用软件和/或硬件以多种方式实施。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个示例，这一个或多个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，控制器可以在使用或不使用处理器的情况下实施，并且还可以被实施为执行某些功能的专用硬件与用于执行其他功能的处理器(例如，一个或多个经编程的微处理器及相关联的电路)的组合。

可以在本公开内容的各种示例中采用的控制器部件的示例包括但不限于常规的微处理器、专用集成电路(ASIC)以及现场可编程门阵列(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相关联，这一个或多个存储介质例如为易失性和非易失性计算机存储器，例如，RAM、PROM、EPROM和EEPROM。可以利用一个或多个程序来编码存储介质，所述一个或多个程序当在一个或多个处理器和/或控制器上运行时执行所需的功能。各种存储介质可以被固定在处理器或控制器内，也可以是可转移的，使得被存储在其中的这一个或多个程序能够被加载到处理器或控制器中。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词并不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”并不排除多个。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示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被解释为对范围的限制。

Claims

1.一种面罩，包括：

空气腔室(18)；

包括多个层的过滤器(16)，其用于过滤空气；

风扇(20)，其用于将空气从所述空气腔室(18)外部吸入到所述空气腔室中并且/或者将空气从所述空气腔室内部抽出到所述外部；

用于确定所述风扇的旋转速度的模块(34、36)；以及

控制器(30)，其特征在于，所述控制器适于：

基于所述第一值和所述第二值来确定所述面罩是否被佩戴。

2.根据权利要求1所述的面罩，其中，所述第一值是在采样窗口期间的风扇旋转速度的最大摆幅，并且所述控制器适于将第一阈值设定为所述第一值。

3.根据权利要求2所述的面罩，其中，所述第一阈值取决于平均风扇旋转速度。

4.根据权利要求2或3所述的面罩，其中，所述第二值是基于所述风扇旋转速度的相继的最大值和最小值之间的时间的频率。

5.根据权利要求4所述的面罩，其中，所述控制器适于在所述第一值超过所述阈值并且所述第二值位于预定范围内时确定检测到呼吸并且因此确定所述面罩被佩戴。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的面罩，其中，在检测到呼吸时，以取决于所述第二值的速率对所述风扇旋转速度进行采样。

7.根据权利要求1至3中的任一项所述的面罩，其中，所述控制器适于应用以下时间段，必须在所述时间段期间持续检测不到呼吸，然后才能确定所述面罩未被佩戴。

8.根据权利要求1至3中的任一项所述的面罩，其中，所述控制器适于在确定所述面罩未被佩戴的条件下关闭所述风扇。

9.根据权利要求1至3中的任一项所述的面罩，其中，所述风扇(20)由电子换向无刷电机驱动，并且用于确定旋转速度的所述模块包括所述电机的内部传感器。

10.根据权利要求1至3中的任一项所述的面罩，其中，用于确定旋转速度的所述模块(36)包括用于检测被供应到驱动所述风扇的电机的电力供应上的纹波的电路。

11.根据权利要求1至3中的任一项所述的面罩，其中，所述控制器(30)适于根据所导出的压力或压力变化来确定呼吸循环，并且适于：

取决于所述呼吸循环的相位来控制出口阀(22)；并且/或者

在吸气时间期间关闭所述风扇。

12.根据权利要求1至3中的任一项所述的面罩，还包括：

13.一种用于控制防污染面罩的非治疗性方法，其中，所述防污染面罩不是用于向患者递送治疗的面罩，所述方法包括：

使用风扇将气体吸入和/或抽出所述面罩的空气腔室，所述面罩直接形成所述空气腔室与位于所述空气腔室外部的周围环境之间的边界；并且

确定所述风扇的旋转速度，

其特征在于，所述方法还包括：

基于所述第一值和所述第二值来确定所述面罩是否被佩戴。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一值是在采样窗口期间的风扇旋转速度的最大摆幅，并且所述方法包括将第一阈值设定为所述第一值，其中，所述第二值是基于所述风扇旋转速度的相继的最大值和最小值之间的时间的频率，并且其中，所述方法还包括：当所述第一值超过所述阈值并且所述第二值位于预定范围内时，确定检测到呼吸并且因此确定所述面罩被佩戴。

15.根据权利要求13或14所述的方法，包括如果检测到所述面罩未被佩戴，则关闭所述风扇。