CN114072209A - 呼吸分析遮罩及呼吸分析方法 - Google Patents

Abstract

具有过滤器和风扇的污染遮罩监测风扇的转速以及遮罩气室与周围环境之间的压力。然后从这些监测的参数获得呼吸流速信息，并且将呼吸流速信息提供给遮罩的用户。该遮罩既用作污染遮罩，又用作提供呼吸流速信息(例如用于个人健康和/或健康监测)的分析系统。

Description

呼吸分析遮罩及呼吸分析方法

技术领域

本发明涉及呼吸分析，例如用于确定呼吸量信息，诸如摄氧量值或最大摄氧量值(VO2max)。具体而言，本发明涉及使用遮罩进行呼吸分析，该遮罩用于在风扇的帮助下向遮罩佩戴者提供经过滤的空气。

背景技术

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中的室外空气质量。等级最差的是年度污染水平超过建议水平10倍的像德里这样的印度城市。众所周知，北京具有8.5倍的年度平均水平。然而，即使在像伦敦，巴黎和柏林这样的欧洲城市的该水平也高于世卫组织建议的水平。

由于这一问题在短时间内不会显著改善，因此处理这一问题的唯一方法是佩戴通过过滤来提供更清洁空气的遮罩。为了提高舒适性和有效性，可在遮罩上增加一个或两个风扇。这些风扇在使用期间接通，并且通常以恒定电压使用。出于效率和寿命的原因，这些通常是电换向无刷DC风扇。

对佩戴者来说，使用动力遮罩的好处是，肺部被减轻了在常规的非动力遮罩中由于抵抗过滤器的阻力进行吸入而引起的轻微压力。

此外，在常规的无动力遮罩中，吸入也会在遮罩内产生轻微的负压，这会导致污染物泄漏到遮罩中，如果这些污染物是有毒物质，则这种泄漏会证明是危险的。电动遮罩将稳定的空气流输送到面部，并且可例如提供轻微的正压，该正压可由呼气阀的阻力确定，以确保任何泄漏均是向外而不是向内的。

如果调节风扇操作或速度，则有若干个优点。这可用于在吸气和呼气序列期间通过更适当的通气来提高舒适度，或者可用于提高电效率。后者转化为更长的电池寿命或增加的通风。这两个方面均需要改进当前的设计。

为了调节风扇速度，可测量遮罩内的压力，并且可使用压力以及压力变化来控制风扇。

例如，遮罩内的压力可通过压力传感器测量，并且风扇速度可根据传感器测量结果而变化。压力传感器成本很高，因此希望提供一种监测遮罩内部压力的替代方法。

WO 2018/215225公开了一种遮罩，其中风扇的转速用作压力测量结果的代理。基于风扇的转速确定压力或压力变化。使用该压力信息，可跟踪用户的呼吸模式。

随着对上述空气污染问题的日益认识，越来越多的人在锻炼期间佩戴遮罩。在污染季节，人们仍然希望参加户外运动，因此污染面具在锻炼期间提供有吸引力的选择。

健身水平的指标对于规律锻炼的人也是感兴趣的。众所周知，VO2max(最大氧摄取值)指标可反映健康水平。

因此，感兴趣的是使运动遮罩能够提供呼吸量和呼吸流速信息，诸如摄氧(VO2)信息。

基本的VO2测量涉及锻炼期间的耗氧量。特定值VO2max是在增量锻炼期间测量的最大耗氧量。这是VO2测量的特殊情况，并且广泛用作健康指标。通常，为了测量VO2或VO2max，必须在跑步机或周期测力计上进行分级运动测试。用户还需要佩戴具有长管的遮罩，该管连接到远程分析系统，用于进一步呼吸通气，以及吸入和呼出空气的氧气和二氧化碳浓度分析。这是一种不方便且成本高的测试，因此它通常仅用于临床和运动测试。

希望能够使用过滤遮罩提供呼吸量信息，诸如VO2max指标，如在锻炼期间越来越普遍地佩戴的那样。

US 9399109公开了一种具有通气遮罩的CPAP系统。测量遮罩压力和鼓风机速度。这些测量结果使得能够确定吸气阶段和呼气阶段，从而可按正确的定时致动被引导的呼气阀。

US 6644310公开了一种具有使同步电机加速和减速的特定方法的CPAP系统。这使得能够实现变速鼓风机。

US 5134995公开了另一种CPAP系统，其中根据吸入的定时来控制鼻气压，特别是通过识别刚好在吸入之前的时间点来控制鼻气压。目的是抵消吸气负压，且从而保持颏舌肌的正常位置，以保持气道开放。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据依据发明的一个方面的示例，提供了一种污染遮罩，该污染遮罩包括：

外壁，当佩戴遮罩时，在外壁和用户面部之间限定气室；

过滤器，其直接在气室与气室外部的周围环境之间形成边界；

风扇，用于将空气从气室的外部抽吸到气室中和/或将空气从气室的内部抽吸到外部；

部件，用于确定风扇的转速；

部件，用于确定气室与周围环境之间的压力；

控制器，其适于分析随时间的风扇的转速以及随时间的压力，从而考虑过滤器的渗透特性来确定呼吸流速信息；以及

输出部，用于向用户提供呼吸流速信息。

本发明涉及一种污染遮罩。这意指一种装置，其主要目的是过滤用户呼吸的环境空气。遮罩不执行任何形式的患者治疗。特别地，由风扇操作产生的压力水平和流量仅旨在帮助提供舒适性(通过影响气室中的温度或相对湿度)和/或帮助提供穿过过滤器的流量，而不需要用户的显著的附加呼吸努力。与用户不佩戴遮罩的情况相比，遮罩不提供整体呼吸辅助。

如上所述，这种遮罩用作污染遮罩，并且当在锻炼期间佩戴时，还用作用于提供呼吸流量信息的分析系统。这为用户提供了关于他们个人健康和/或健身的信息。该信息可在不显著增加遮罩复杂性的情况下实现。风扇的转速和/或压力测量用于识别呼吸周期(即吸气和呼气周期)和流速。呼吸流量信息是在没有直接流量测量结果的情况下获得的。相反，呼吸流量信息从压力值(和遮罩结构的已知特性)得到，并且这些压力值本身又可从风扇旋转信息中得到，如下所述。

呼吸流量信息可为瞬时氧摄取率，或在前一时段内的平均值，或在预定时段内达到的最大值，或这些的组合。

控制器例如还控制风扇速度。例如，它可与用户的呼吸周期同步地控制风扇，以便节省功率。它可例如在吸入期间关闭。

用于确定气室与周围环境之间的压力的部件可由控制器实施，该控制器适于从风扇的转速得到气室与周围环境之间的压力，使得风扇速度用作压力测量结果的代理。

这样，风扇速度(用于驱动空气进入室和/或将空气从室排出的风扇)用作压力测量的代表。为了测量风扇速度，可使用风扇本身，从而不需要附加的传感器。室在正常使用中可为封闭的，使得室中的压力波动对风扇的负载状态具有影响，并且因此改变风扇的电特性。这避免了对单独的压力传感器的需要。

然而，用于确定气室与周围环境之间的压力的部件可替代地包括腔压力传感器或压差传感器。

在一个示例中，风扇由电子换向无刷电机驱动，并且用于确定转速的部件包括电机的内部传感器。内部传感器已经设置在此类电机中以使电机能够旋转。电机甚至可具有输出端口，在该输出端口上提供内部传感器输出。因此，存在传送适合于确定转速的信号的端口。

另选地，用于确定转速的部件可包括用于检测对驱动风扇的电机的电源上的纹波的电路。纹波是由通过电机线圈的开关电流引起的，其由于输入电压源的有限阻抗而引起电源电压的感应变化。

风扇可为双线风扇，并且用于检测纹波的电路包括高通滤波器。还没有合适风扇速度输出的电机所需的附加电路可被保持为最小。

所述控制器可适于：

基于压力和过滤器的过滤器渗透特性得到通过过滤器的过滤器流速；

从风扇转速得到风扇流速；以及

基于过滤器流速与风扇流速之和或之差值得到呼吸流速。

渗透特性可被预先知道并在由控制器实施的算法中考虑。例如，可在生产线上校准过滤器渗透性信息。例如，在过滤器制造之后，可通过流速和压力测量装置测量过滤器渗透性。然后可将渗透性信息写入控制器的存储器中，供控制器运行的算法使用。

通过组合关于风扇流速(来自风扇速度)和过滤器流速(来自过滤器两侧的压差)的信息，可确定来自用户的呼吸流，例如通过鼻子的呼吸流量。

控制器优选地适于根据压力(例如代理压力)确定吸气和呼气的定时，并且得到在吸气或呼气期间的呼吸流速。然后，可从呼吸吸入或呼出的时间内的呼吸流速得到呼吸流量。

然后控制器优选地从呼吸流量和呼吸速率得到VO2测量结果。在一个优选实施例中，在一段时间内记录最大VO2水平，并且将其作为呼吸流量信息提供给输出部。该时间段可为固定的持续时间，也可为可变的时间段，在该可变的时间段期间进行特定的锻炼任务，诸如跑步或骑车。

过滤器直接在气室与气室外部的周围环境之间形成边界。这提供了一种紧凑的布置，其避免了对流动输送通道的需要。这意指用户能够通过过滤器呼吸。过滤器可具有多层。例如，外层可形成遮罩的主体(body)(例如织物层)，而内层可用于除去更精细的污染物。该内层然后可为可移除的以便进行清洁或更换，但是这两层可一起被认为构成过滤器，因为空气能够穿过该结构且该结构执行过滤功能。

因此，过滤器优选包括气室的外壁和任选的一个或多个另外的过滤层。由于遮罩主体执行过滤功能，这提供了特别紧凑的布置且能够实现大的过滤面积。因此，当用户吸气时，环境空气通过过滤器直接提供给用户。

风扇可仅用于将空气从气室内部抽吸到外部。这样，即使在呼气期间，它也可同时促进新鲜过滤空气向气室的供应，这提高了用户的舒适度。在这种情况下，气室中的压力可一直低于外部(大气压)压力，使得新鲜空气总是被供应到面部。

气室的体积例如小于250cm³。因此，它是一种紧凑的遮罩，适合在锻炼期间使用，没有与其他分析设备的物理连接。

本发明还提供了一种控制污染遮罩的非治疗性方法，该方法包括：

使用风扇将空气吸入和/或抽出遮罩的气室，其中遮罩包括过滤器，该过滤器直接在气室与气室外部的周围环境之间形成边界；

确定风扇的转速；

确定气室与周围环境之间的压力；

分析随时间的风扇的转速和随时间的压力，从而考虑过滤器的渗透特性来确定呼吸流速信息；以及

将呼吸流速信息作为输出提供给用户。

污染遮罩不是用于向患者输送治疗的遮罩。

该方法可包括根据风扇的转速确定气室与周围环境之间的压力，使得风扇速度用作压力测量结果的代理。

该方法可包括：

基于压力和过滤器的过滤器渗透特性得到通过过滤器的过滤器流速；

从风扇转速得到风扇流速；

基于过滤器流速与风扇流速之和或之差得到呼吸流速；

从呼吸吸入或呼出的时间内的呼吸流速得到呼吸流量；以及

从呼吸流量和呼吸率得到VO2测量结果。

注意，对于VO2计算，优选地获得关于用户体重的信息。预定义的表格然后可通过考虑该体重信息来提供呼吸流量和速率与VO2测量之间的映射。体重信息可包括关于年龄，性别和体重的信息。该信息可由用户通过在与遮罩通信的外部装置(例如智能电话)上运行的应用程序来输入。

附图说明

现在将参照附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了可用于提供呼吸流量信息的遮罩；

图2示出了压力监测系统的组件的一个示例；

图3A示出了吸气期间和呼气期间的旋转信号，而图3B示出了风扇转速如何随时间变化；以及

图4示出了用于控制通过无刷DC电机的定子之一的电流的电路；

图5A和5B示出了流动条件，并且用于解释由遮罩进行的处理；以及

图6示出了遮罩控制方法。

具体实施方式

将参照附图描述本发明。

应当理解，详细描述和特定示例虽然指示了设备，系统和方法的示例性实施例，但是仅用于说明的目的，而不旨在限制本发明的范围。根据以下描述、所附权利要求和附图，本发明的设备、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。应当理解，附图仅仅是示意性的且没有按比例绘制。还应当理解，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。

本发明提供了一种具有过滤器和风扇的污染遮罩，该遮罩监测风扇的转速和遮罩气室与周围环境之间的压力。然后从这些监测的参数获得呼吸流量信息，并且将呼吸流量信息(诸如氧摄取速率)提供给遮罩的用户。该遮罩既用作污染遮罩，又用作提供呼吸流量信息的分析系统，例如用于个人健康和/或健康监测。

图1示出了具有自动风扇速度控制的遮罩。

受试者10被示为佩戴覆盖受试者的鼻子和嘴的遮罩12。遮罩的目的是在空气被吸入受试者体内之前过滤空气。为此，遮罩主体本身用作空气过滤器16。通过吸入将空气吸入到由遮罩形成的气室18中。在吸入期间，诸如止回阀的出口阀22由于气室18中的低压而关闭。

过滤器16可仅由遮罩的主体形成，或者可有多层。例如，遮罩主体可包括由多孔纺织材料形成的外罩，其用作预过滤器。在外罩内部，更精细的过滤层可逆地附着在外罩上。然后可移除更精细的过滤层以进行清洁和更换，而外罩可例如通过擦拭来清洁。外罩还执行过滤功能，例如保护精细免过滤器受大碎屑(例如泥浆)的影响，而精细过滤器执行精细颗粒物质的过滤。可能有两层以上。多个层一起用作遮罩的整体过滤器。

当受试者呼气时，空气通过出口阀22排出。该阀打开以便于呼气，但在吸气期间关闭。风扇20有助于通过出口阀22排出空气。优选地。排出的空气比呼出的多，从而向面部供应附加的空气。这由于降低了相对湿度并且进行冷却而增加了舒适性。在吸入期间，通过关闭阀，防止未过滤的空气被吸入。出口阀22的定时因此取决于受试者的呼吸周期。出口阀可为由过滤器16两侧的压力差操作的简单的被动止回阀。然而，它也可为电子控制阀。

如果佩戴遮罩且用户正在呼吸，则室内会有变化的压力。特别地，室由用户的面部封闭。当佩戴遮罩时，封闭室内的压力也将随着受试者的呼吸周期而变化。当受试者呼气时，将有轻微的压力增加，而当受试者吸气时，将有轻微的压力降低。

如果风扇以恒定的驱动电平(即电压)驱动，则不同的主导压力将表现为风扇的不同负载，因为跨风扇存在不同的压降。这种改变的负载将导致不同的风扇速度。因此，风扇的转速可用作测量风扇上压力的代表。这是优选的实施方式，因为它使用较少的传感器。

然而，本发明的概念可利用用于获得呼吸特性的压力传感器来实施。

针对风扇一侧的已知压力(例如大气压)，压力监测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的室，因此其压力不同于大气压力。

基于监测风扇转速检测到的压力变化可用于获得关于用户呼吸的信息。特别地，第一值可表示呼吸的深度，而第二值可表示呼吸的速率。

用于确定转速的部件可包括来自风扇电机的已经存在的输出信号，或者可提供单独的简单感测电路被作为风扇的附加部分。然而，在任何一种情况下均使用风扇本身，从而不需要附加的传感器。

图2示出了系统的组件的一个示例。与图1中相同的组件被赋予相同的附图标记。

除了图1所示的组件之外，图2示出了控制器30，自给电池32和用于确定风扇转速的部件36。它示出了用于向用户提供输出信息的输出部38。它可为集成显示器，但是更优选地，它是用于向诸如智能电话的远程装置发送数据的无线通信发射机(或收发机)，该远程装置然后可用作向用户提供数据的最终用户接口，并且任选地用于从用户接收控制命令以中继到控制器30。

智能电话还可用于输入用户信息以创建用户简档。用户简档至少包括用户的年龄，体重和性别，因为这些可用于在呼吸量和氧摄取水平之间转换，如下面进一步解释的。

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，并且用于确定转速的部件包括电机的内部传感器。电子换向无刷DC风扇具有测量转子位置并以使得转子旋转的方式切换通过线圈的电流的内部传感器。因此，内部传感器已经设置在此类电机中，以实现电机速度的反馈控制。

电机可具有输出端口，内部传感器输出34在该输出端口上被提供。因此，存在传送适于确定转速的信号的端口。

另选地，用于确定转速的部件可包括用于检测电机20b的电源上的纹波的电路36。纹波由通过电机线圈的开关电流产生，由于电池32上的有限阻抗，这引起电源电压的感应变化。电路36例如包括高通滤波器，以便仅处理风扇旋转的频带中的信号。这提供了极其简单的附加电路，并且比传统的压力传感器成本低得多。

这意指电机可为任何设计，包括没有内置传感器输出端的双线风扇。它还将与具有电刷的DC电机一起工作。

如果出口阀22是电子开关值，则呼吸循环定时信息可用于根据呼吸循环的相位来控制出口阀22。因此，风扇速度监测提供了一种确定吸入阶段的简单方法，该方法可用于控制遮罩出口阀22的定时。

除了控制出口阀之外，控制器可在吸气时间或呼气时间期间关闭风扇。这为遮罩提供了不同的操作模式，可用于省电。

对于给定的驱动电平(即电压)，由于风扇叶片上的负载减小，风扇速度在跨风扇两端的较低压力处增加。这导致流量增加。因此，在风扇速度和压力差之间存在反比关系。

这种反比关系可在校准期间获得，或者可由风扇制造商提供。校准过程例如包括分析在一段时间内的风扇速度信息，在这段时间内，受试者被指示以正常呼吸规律地吸气和呼气。然后可将所捕获的风扇速度信息与呼吸周期相匹配，然后可根据该呼吸周期设置阈值以区分吸气和呼气。

图3A示意性地示出了转子位置(作为测量的传感器电压)对时间的关系。

转速可从到风扇的DC电压的AC分量(由电机中的切换事件引起)的频率来测量。该AC分量源于风扇汲取的电流变化，该电流变化施加在电源的阻抗上。

图3A将吸气期间的信号显示为曲线40，而将呼气期间的信号显示为曲线42。在呼气期间，由于压力梯度的增加，风扇上的负荷增加，导致频率降低。所观察到的频率变化由呼吸循环期间的不同风扇性能导致。

图3B通过绘制风扇转速与时间的关系，示出了频率随时间的变化。在连续的最大值和最小值之间的风扇转速Δfan存在最大差异，这与呼吸深度相关。这是从风扇旋转信号得到的第一值。这些点之间的时间用于得到第二值，例如对应于该时间周期的频率(其是呼吸速率的两倍)。

注意，第一值可从原始风扇旋转信号获得，或者可首先执行平滑化。因此，基于未处理的实时速度或经处理的速度，存在至少两种不同的两种方式来计算最大摆动(swing)。实际上，在实时信号上增加了噪声或其他波动。平滑算法可用于处理实时信号并从平滑信号计算第一值。

在呼气期间，风扇操作迫使空气离开面部和遮罩之间的区域。这提高了舒适度，因为呼气更容易。它还可将附加的空气抽吸到脸上，这降低了温度和相对湿度。在吸气和呼气之间，风扇操作增加了舒适度，因为新鲜空气被吸入面部和遮罩之间的空间，从而冷却该空间。

在一个示例中，在吸气期间，出口阀关闭(主动或被动地)，并且风扇可关闭以节省功率。这提供了基于检测呼吸循环的操作模式。

如果针对呼吸循环的部分而关闭风扇，并且因此没有给出压力信息，则可从先前的呼吸循环推断吸气和呼气阶段的精确定时。

对于风扇辅助呼气，需要在出口阀再次打开之前恢复功率。这也确保了下一个吸气－呼气循环保持适当的定时，并且提供足够的压力和流量。

使用这种方法可容易地实现约30％的功率节省，从而导致延长的电池寿命。另选地，可将风扇的功率增加30％以提高效率。

利用不同的风扇和阀配置，风扇转速的测量使能控制以实现增加的舒适性。

在过滤器与风扇串联的风扇配置中，压力监测，特别是基于风扇和过滤器上的压降，可用于测量过滤器的流阻。这可在开启时完成，此时遮罩在一段时间内没有戴在脸上。这种阻力可用作过滤器的寿命的代表。

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使得转子旋转的方式切换通过线圈的电流。

图4示出了H桥电路，其用作逆变器以从DC电源VDD、GND向电机的定子线圈50生成交流电压。逆变器具有一组开关S1至S4，以在线圈50两端产生交流电压。开关由取决于转子位置的信号控制，并且这些转子位置信号可用于监测风扇旋转。

现在将解释压力信息(或代理压力信息)和风扇转速使得能够得到呼吸流量信息的方式。

基本上，遮罩需要计算用户的呼吸通气。基于呼吸通气，然后计算氧摄取速率VO2。任选地，基于不同活动的VO2水平，还可得到健身或运动进度的度量。因此，除了诸如摄氧率的生理数据之外，遮罩还可提供健身训练信息。

呼吸通气率由以下等式定义：

BVR＝V*f (1)

在此，BVR是以L/min为单位的呼吸通气率，V是个体呼吸量，并且f是呼吸频率(即呼吸速率)。

使用压差传感器或风扇旋转信号来测量呼吸通气率可应用于任何结构的智能遮罩，诸如具有呼气风扇方向、吸气风扇方向或两者。

简单地举例来说，假设呼出风扇方向。

通常，吸气量和呼气量是平衡的。为了得到BVR，需要呼吸量和呼吸频率。

一旦智能遮罩工作，控制器就可记录一段时间的数据，诸如5秒，这比个人的呼吸周期要长。在该数据量内，遮罩转速的最大和最小数据点以及对应的定时时刻使得能够容易地计算频率(见图3B)。

f＝1/2(t_max-tx_in) (2)

对于呼吸量计算，需要计算吸入或呼出的量。该示例基于呼出的呼吸量。该量取决于呼吸流速FR_鼻子(例如来自鼻子)和风扇流速FR_风扇，以及通过过滤器的空气流量。有两种情况：

(i)FR_鼻子<FR_风扇，此时P_腔<0，并且通过过滤器的空气流动方向是从外部到内部；

(ii)FR_鼻子>FR_风扇，此时P_腔>0，通过过滤器的气流方向是从内部到外部。

图5A示出了FR_鼻子<FR_风扇，P_腔<0并且过滤器气流进入室18的情况。

图5B示出了FR_鼻子>FR_风扇，P_腔>0且过滤器气流离开室18的情况。

这两个图像均与风扇打开时的呼气有关。

过滤器渗透性性能(由K值表示)提供了压力(P)和通过过滤器的气流FR_过滤器之间的线性关系：

FR_过滤器＝K*P (3)

随着压力P的增加，通过过滤器的流速(L/s)将增加。K值是渗透系数，不同的过滤器具有不同的K值。

基于已知的过滤器渗透性性能，一旦已经从压力传感器测量到压力或间接地从风扇信号测量到压力，则可以获得FR_过滤器值。

根据压力值(或风扇信号)，通过过滤器的流动方向也是已知的。结果。可计算每个时刻的呼吸流速FR_鼻子：

如果P_腔＜0，则FR_鼻子＝FR_风扇-FR_过滤器 (4a)

这对应于图5A所示的流动。

如果P_腔＞0，则FR_鼻子＝FR_风扇+FR_过滤器 (4b)

这对应于图5B所示的流动。

风扇速度(对于恒定风扇驱动信号)满足以下关系：

n(t)/n(0)＝P_腔(t)/P_腔(0) (5)

其中n(0)是当腔压力为P_腔(0)时的默认风扇速度，其中P_腔(0)是腔压力的基线，这意指用户没有进行呼吸。n(t)是在时间t和腔压力为P_腔(t)时的风扇速度。结果，根据风扇旋转反馈信号，也容易计算呼吸流速FR_鼻子。

根据呼吸流速，呼吸量V可被确定为一个周期内的积分，即在本示例中的一个呼气周期：

在此t₀是呼气循环开始的时间，t_n是呼气结束的时间。因此，基于等式(1)－(6)，可计算通气率BVR。

氧气消耗的瞬时速率VO2可根据以下等式计算：

其中VO2表示在时间t的氧气吸收速率，并且单位为每分钟氧气升数。值a和b是常数且取决于年龄和性别。BM是体重，单位为kg。

为了实现从体重和通气率到氧摄取的这种转换，使用用户简档，从中提取用户的体重，年龄和性别。年龄、性别和体重的信息例如在用户第一次使用遮罩时使用智能手机(或其他用户输入装置)上的应用程序输入，以便设置他们的用户简档。他们当然可更新该简档以反映他们的体重随时间的变化(并且可自动更新年龄)。

值a和b可按已知的方式确定，例如，在美国环境保护局，北卡罗来纳州，2002年(U.S.Environmental Protection Agency,North Carolina,2002)，由空气质量规划和标准办公室开发的暴露模型中使用的选定算法、分布和数据库指南。

可使用通风速率和氧气消耗速率之间的任何其他已知的映射。此类映射是近似，并且许多不同的近似是可能的。

利用等式(7)，可计算当用户使用遮罩时的VO2消耗。

通过跟踪这种连续和近瞬时VO2确定的最大值，可记录VO2max值。例如，用户可进行3km或5km的跑步，通过在跑步期间记录VO2的最大值，可估计VO2max值。

多年来，对递增运动的经典呼吸通气反应一直是运动生理学中许多研究的来源。当增加锻炼强度时，需要更多的氧气量来支持锻炼。结果，呼吸通气增加(频率和呼吸容量增加)。然而，对于受过训练的人来说，在相同的工作速率下，通风可低20－30％。

这是因为运动增加了心肌中每平方毫米的毛细血管数，从而增加了葡萄糖和氧气向努力工作的心肌细胞的输送。因此，增加了心脏的效率。随着运动，肺容量增加，这加速了肺中气体交换的速率，从而确保产生大量氧合的血液。最后，受过训练的运动员肌肉释放的乳酸比未受过训练的受试者少，训练可以提高肝脏清除循环乳酸的能力。

如果人们进行适当的训练，可显著降低通风吸入量，提高健身水平。

本发明的遮罩提供了可用作反映健康水平的反馈的信息，并且可被监测以在遵循锻炼方案的长时间锻炼后得到改善。在不同的锻炼强度下，通气量和VO2将不同。

锻炼协议可基于任何种类的运动活动，诸如慢跑，跑步或骑自行车。例如，用户可在每天相同的受控时间内在相同距离的运行期间佩戴遮罩。使用从遮罩到诸如智能手表或智能电话的远程装置的数字连接，用户可在每次运行完成时获得通气和VO2数据。该数据可被存储在智能电话中，并且该数据可在每次用户想要看到进度时被绘制。用户可看到健身改善水平。数据可被处理成以便以更用户友好的方式呈现，例如给出适合度和进度信息。

遮罩可仅用于覆盖鼻子和嘴(如图1所示)，或者它可为完整的遮罩。遮罩用于过滤环境空气。

上述遮罩设计具有由过滤材料形成的主气室，用户通过该主气室吸入空气。也如上所述，另一种遮罩设计具有与风扇串联的过滤器。在这种情况下，风扇帮助用户通过过滤器吸入空气，从而减少用户的呼吸努力。出口阀能够排出呼出的空气，并且入口阀可设置在入口处。

本发明可使用检测到的由呼吸引起的压力变化来控制入口阀和/或出口阀。

如上所述的一种选择是使用风扇仅用于将空气从气室内部抽吸到外部，例如当排气阀打开时。在这种情况下，遮罩容积内的压力可由风扇维持在外部大气压力以下，从而在呼气期间有净流动的清洁过滤空气进入遮罩容积。因此，低压可由呼气期间的风扇和吸气期间的用户(当风扇关闭时)引起。

另一种选择是使用风扇仅用于将空气从周围环境抽吸到气室内部。在这种情况下，风扇运行以增加气室中的压力，但是在使用中气室中的最大压力保持在比气室外部的压力高4cmH2O以下，特别是因为不需要高压辅助呼吸。因此，可使用低功率风扇。

因此可看出，本发明可应用于许多不同的遮罩设计，具有风扇辅助的吸气或呼气，以及具有由过滤膜形成的气室或具有密封的气密气室。

在所有情况下，气室内部的压力优选保持在外部大气压以上2cmH2O以下，或甚至1cmH2O以下或甚至0.5cmH2O以下。因此，污染遮罩不用于提供持续气道正压，并且不是用于向患者输送治疗的遮罩。

遮罩优选地由电池操作，因此低功率操作是特别令人感兴趣的。

图6示出了遮罩控制方法。该方法包括：

在步骤70中，使用风扇将空气吸入和/或抽出遮罩的气室，该风扇直接在气室和气室外部的周围环境之间形成边界；

在步骤72中，确定风扇的转速；

在步骤74中，确定气室与周围环境之间的压力；

在步骤76中，分析风扇的转速随时间的变化和压力随时间的变化，从而确定呼吸流速信息；以及

在步骤78中，将呼吸流速信息作为输出提供给用户。

步骤74可包括根据风扇的转速确定气室与周围环境之间的压力，使得风扇速度用作压力测量结果的代理。

分析步骤76例如包括以下子步骤：

在子步骤76a中，基于该压力并且基于该过滤器的过滤器渗透特性来得到穿过该过滤器(16)的过滤器流速；

在子步骤76b中，从风扇转速得到风扇流速；

在子步骤76c中，基于该过滤器流速与该风扇流速之和或之差得到呼吸流速；

在子步骤76d中，从呼吸吸气或呼气的时间内的呼吸流速得到呼吸流量；以及

在子步骤76e中，从呼吸流量和呼吸流速得到VO2测量结果。

该VO2测量可为提供给用户的呼吸流量信息。VO2测量结果的最大记录值可替代地或附加地被提供作为呼吸流量信息。

可用附加的功能和用户界面选项来补充遮罩，但是这些均在本公开的范围之外。

如上所述，实施例利用可用软件和/或硬件以多种方式实施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，该微处理器可使用软件(例如，微代码)编程以执行所需功能。然而，控制器可在使用或不使用处理器的情况下实施，且还可实施为执行某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电路)的组合。

可在本发明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，处理器或控制器可与诸如易失性和非易失性计算机存储器(诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM)的一个或多个存储介质相关联。存储介质可用一个或多个程序编码，当在一个或多个处理器和/或控制器上执行时，这些程序执行所需的功能。各种存储介质可固定在处理器或控制器内，或者可为可运输的，使得存储在其上的一个或多个程序可加载到处理器或控制器中。

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本发明时可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(a)”或“一个(an)”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种污染遮罩，包括：

外壁(12)，用于在所述遮罩被佩戴时，在所述外壁与用户的面部之间限定气室(18)；

过滤器(16)，直接在所述气室与在所述气室外部的周围环境之间形成边界；

风扇(20)，用于将空气从所述气室(18)外部抽吸到所述气室中和/或将空气从所述气室内部抽吸到所述外部；

用于确定所述风扇的转速的部件(34，36)；

用于确定所述气室与所述周围环境之间的压力的部件；

控制器(30)，适于分析随时间的所述风扇的所述转速以及随时间的所述压力，从而考虑所述过滤器的渗透特性来确定呼吸流速信息；以及

输出部(38)，用于向所述用户提供所述呼吸流速信息。

2.根据权利要求1所述的遮罩，其中用于确定所述气室与所述周围环境之间的压力的部件由所述控制器实施，所述控制器适于从所述风扇的所述转速得到所述气室与所述周围环境之间的压力，以使得所述风扇速度被用作压力测量结果的代理。

3.根据权利要求1所述的遮罩，其中用于确定所述气室与所述周围环境之间的压力的所述部件包括压差传感器。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的遮罩，其中：

所述风扇(20)由电子换向无刷电机驱动，并且用于确定转速的所述部件包括所述电机的内部传感器；或者

用于确定转速的所述部件(36)包括用于检测驱动所述风扇的电机的电源上的纹波的电路。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的遮罩，其中所述控制器适于：

基于所述压力并基于所述过滤器的所述渗透特性来得到穿过所述过滤器(16)的过滤器流速；

从所述风扇转速得到风扇流速；以及

基于所述过滤器流速与所述风扇流速之和或之差来得到呼吸流速。

6.根据权利要求5所述的遮罩，其中所述控制器适于根据所述压力确定吸气和呼气的定时，并且所述控制器适于得到在吸气或呼气期间的所述呼吸流速。

7.根据权利要求5或6所述的遮罩，其中所述控制器适于从呼吸吸入或呼出的时间内的所述呼吸流速得到呼吸流量。

8.根据权利要求7所述的遮罩，其中所述控制器适于从所述呼吸流量和呼吸速率得到VO2测量结果。

9.根据权利要求8所述的遮罩，其中所述控制器适于记录一段时间内的最大VO2水平，并且将其作为所述呼吸流量信息提供给所述输出部。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的遮罩，其中所述过滤器包括所述气室的外壁(16)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的遮罩，其中所述风扇仅用于将空气从所述气室内部抽吸到所述外部。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的遮罩，其中所述气室的容积小于250cm³。

13.一种控制污染遮罩的非治疗性方法，所述方法包括：

(70)使用风扇将空气抽吸入和/或抽吸出所述遮罩的气室，其中所述遮罩包括过滤器，所述过滤器直接在所述气室与在所述气室外部的周围环境之间形成边界；

(72)确定所述风扇的转速；

(74)确定所述气室与所述周围环境之间的压力；

(76)分析随时间的所述风扇的所述转速和随时间的所述压力，从而考虑所述过滤器的渗透特性来确定呼吸流速信息；以及

(78)将所述呼吸流速信息作为输出提供给用户。

14.根据权利要求13所述的方法，包括根据所述风扇的所述转速确定所述气室与所述周围环境之间的压力，以使得所述风扇速度被用作压力测量结果的代理。

15.根据权利要求13或14所述的方法，包括：

(76a)基于所述压力并基于所述过滤器的所述渗透特性来得到穿过所述过滤器(16)的过滤器流速；

(76b)从所述风扇转速得到风扇流速；

(76c)基于所述过滤器流速与所述风扇流速之和或之差来得到呼吸流速；

(76d)从呼吸吸入或呼出的时间内的所述呼吸流速得到呼吸流量；以及

(76e)从所述呼吸流量和呼吸速率得到VO2测量结果。

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