CN115297934B - 用以在呼吸期间处理空气的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于提高可由使用者佩戴以覆盖使用者的嘴和鼻子的空气面罩(204)的效率的装置，包括细长形腔室(202)，细长形腔室(202)能够在其近端流体联接到面罩(204)的空气开口(205、205')。由柔性材料形成的过滤器元件(206)在内部或外部缠绕在腔室的侧壁周围，并且具有至少是面罩表面积两倍大的表面积，用于过滤在任一方向流过腔室的空气，并且单向阀(227、228)与开口相关联地安装，用于允许使用者吸入的过滤空气从腔室通到面罩，或者允许使用者呼出的空气从面罩通到腔室。

Description

用以在呼吸期间处理空气的装置、系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及一种用于处理吸入和呼出的空气并用于监测空气质量、系统功能和使用者健康指标的装置、系统和方法。吸入和呼出的空气可以通过过滤或消毒，或通过气体吸收，或通过上述主箱的任何组合来进行处理。

背景技术

目前使用的大多数空气面罩都采用机械过滤器。这些过滤器具有有限的面积，为使用者提供有限的防护，产生显著的压降以至于引起污染的或感染的空气在外围泄漏，积累水分和不良气味，给使用者的肺带来压力，造成使用者呼吸更费力，因此缩短使用者可能遭受这种面罩不便的时间段。

众所周知，受感染的和毒性环境中的空气可以通过紫外线辐射、过滤或气体吸收来处理。为了在便携式呼吸装置中采用紫外线辐射，为节省电池的电力，极高的能量效率是至关重要的。高能量效率意味着低功耗和高功效。为了采用高水平的过滤，需要增加过滤器面积，但这成为一个巨大的挑战，因为便携式呼吸装置只有有限的表面积。有效的气体吸收需要足够的接触时间，但只有当处理后的空气流与便携式呼吸装置中的可用空间匹配时，才能实现这个要求。

这些问题中的一些问题可以通过鼓风机来解决，鼓风机产生主动空气流，这减少压降并且使得使用者的呼吸更为容易。然而，主动空气流本身并不能产生自然的呼吸循环，因为鼓风机供应的空气的体积也不等于吸入空气的体积，并且同样地，由鼓风机抽吸的空气体积不等于呼出空气的体积。主动流动本身既不允许提高紫外线消毒效率，也不允许增加气体吸收接触时间。

因此，需要提供一种吸入和呼出空气处理系统，以克服上述缺点，提供高水平的防护，并允许监测空气质量、系统功能和使用者的健康指标。

WO 2015/167098公开了一种面罩，该面罩具有主体、空气净化器以及控制单元，空气净化器联接到主体或形成在主体上并被配置为净化和排出引入其中的空气，控制单元联接到主体或形成在主体上并被配置为控制通过空气净化器净化和排出的空气体积。

WO 2017/192497公开了一种模块化便携式空气净化器装置，其可选地包括紫外线过滤器，紫外线过滤器能够向个人提供经过滤或以其他方式调节的空气流。它提供了很好的已知技术的讨论，包括负压呼吸器，负压呼吸器通常采取面罩或半面罩呼吸器的形式。面罩覆盖鼻子和嘴，空气由吸入负压通过过滤器抽吸。有人认为这些类型的面罩会增加呼吸窘迫，因为使用者必须克服通过空气过滤器带来的空气限制。它进一步指出，紧密装配是至关重要的，以防止未经过滤的空气围绕面罩进入而不通过过滤器进入。这些类型的面罩也会干扰正常的谈话，因为它们会覆盖鼻子和嘴。

WO/2008/070989公开了一种用于防护性面罩的面罩接口装置，防护性面罩是具有面罩过滤器和面罩呼气端口的类型，该面罩呼气端口具有呼气端口阀，呼气端口阀是常闭的并在呼气时可打开的类型。可安装到面罩呼气端口的呼气端口接口组件包括用于将呼气气体排放到大气的至少一个开口。单向阀被定位为控制通过开口流出的呼气气体流，并被设定为提供呼气末正压通气的开口压力。

US20100224193公开了一种包括面部面罩的呼吸设备，面部面罩联接到可选的预过滤器组件，预过滤器组件包括壳体，壳体包含预过滤器过滤介质。

众所周知，常规面部面罩的效率是有限的，这在很大程度上是由于它们的低表面积，这是由戴在面部上的现实决定的，并且必须合理地较为舒适。因此，已知通过将面罩联接到外部过滤器来提高面部面罩的过滤效率。因此，已知调适面部面罩用于联接到外部细长形过滤器上，外部细长形过滤器与面罩组件集成，或者呈佩戴在使用者背部的筒的形式，并经由柔性管件联接到面罩组件上。

另外，虽然已知使用单向阀来控制呼出的呼气气体的流动，但似乎并不知道控制在吸入之前的空气的流动。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种呼吸设备，该呼吸设备通过联接到面罩的轻质外部过滤筒来提高普通面部面罩的过滤效率。

本发明的另一个目的是提供一种装置和系统，用于在吸入或呼出期间进行空气处理并用于监测空气质量、系统功能和使用者健康指标。

根据本发明，这些目的通过一种用于在吸入和呼出期间处理空气的装置、系统和方法来实现，该装置、系统和方法具有相应独立权利要求的特征。

因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于提高可由使用者佩戴以覆盖使用者的嘴和鼻子的空气面罩的效率的装置，该装置包括：

细长形腔室，该细长形腔室能够在其近端流体地联接到面罩的空气开口，

过滤器元件，该过滤器元件由柔性材料形成，柔性材料在内部或外部缠绕腔室的侧壁，并且柔性材料具有的表面积至少是面罩的表面积的两倍，用于过滤在任一方向流过腔室的空气，以及

单向阀，单向阀与开口相关联地安装，用于允许使用者吸入的经过滤的空气从腔室通到面罩，或者允许使用者呼出的空气从面罩通到腔室。

在一些实施例中，可膨胀构件流体联接到腔室并可操作地联接到单向阀，用于在吸入和呼出期间引导空气通过过滤器；

由此，在吸入期间，空气被约束以流入腔室，之后再通过共同开口流出到使用者的肺部；以及

从使用者肺部呼出的空气被约束以从空气面罩流出。

该装置可以被改装到面罩上以形成一体式单元，或者该腔室可以适于附连到现有的面罩上，通常但不一定经由螺纹联接件。它也可以使用卡口联接件而附连或推入配合卡扣连接而附连，或者可以使用扣件固定。

根据本发明的系统包括与下面详细描述的辅助部件相组合的、具有或不具有一体式面罩的装置。

附图说明

为了更好地理解本发明及其在实践中的具体实施，现在将参考附图仅通过非限制性示例来描述实施例，附图中：

图1A和图1B示出了紫外线消毒系统的基本实施例；

图2A和图2B示出了在吸入和呼出阶段的图1的系统的基本实施例；

图3A至图3D示出了在完整呼吸循环中具有可膨胀构件的图2的系统的基本实施例；

图4A和图4B示出了带有延伸管的图3的系统的基本实施例；

图5A到图5C示出了增加表面积过滤器的图4的系统的实施例；

图6是图5的系统的实施例的更详细的剖视图；

图7A和图7B示出了具有不同的可膨胀构件布置的图5的系统的实施例；

图8A和图8B示出了具有头戴式布置的图7的系统的实施例；

图9A和图9B示出了具有柔软的颈部可佩戴布置的图7的系统的一个实施例；

图10A和图10B示出了具有刚性的颈部可佩戴布置的图7的系统的一个实施例；

图11A和图11B是图10的系统的剖视图；

图12是与图10的系统集成的电源和监测模块的剖视图；

图13A和图13B用绘图显示了图12的模块；

图14示出了具有头带支撑件的图8系统的一个实施例；

图15示出了具有颈部支撑件的图8和图14的系统的实施例；

图16是图15的系统的实施例的剖视图；

图17A和图17B是图15和图16所示的系统的电子模块及其所附连的木炭过滤器的立体图和剖视图；

图18A和图18B示出了图8和图14的系统的实施例的左侧和右侧视图；

图19是用于图8、图14和图18的系统的面罩的后视图。

具体实施方式

在以下对一些实施例的描述中，出现在多于一个图中或共有类似功能的相同部件将由相同的附图标记来参考。

图1A示出了根据本发明的第一实施例的系统200，包括至少间接连接到面罩204的腔室202，面罩204具有图19所示的空气开口205和205"，空气开口205和205"分别用作空气入口和空气出口。过滤器元件206与腔室202相关联地安装，过滤器元件206被配置为从吸入的空气或呼出的空气中移除病毒和细菌。在图中所示的实施例中，腔室是正圆柱体，过滤器元件同样是圆柱形的，并形成包围腔室的外壁表面的中空结构。然而，过滤器的几何形状和位置并不关键，只要过滤器能够在空气进入腔室之前对空气进行过滤即可。因此，过滤器可以同样地位于腔室内部，呈围绕腔室内壁的中空管道的形式。过滤器元件206具有典型的空气过滤器的结构，即微粒空气过滤器，以及可能的活性炭过滤器和另一个微粒过滤器以捕捉木炭灰尘。过滤器元件206还可以由适于移除位于粒子上的病毒和细菌的其他过滤材料形成。在该实施例中，过滤器元件206是二维的并且附连到腔室202结构的部分。在另一些实施例中(图5至8和图14至16)，过滤器元件206包围腔室202，以实现显著地更大的过滤器表面积，因而降低空气207(图2)在过滤器材料上的速度，从而显著地提高过滤效率。

包括腔室、过滤器和下面描述的可膨胀构件221的系统200可以是适于联接到面罩204的独立装置。替代地，该装置可以联接到面罩，以形成如图所示的集成系统，并且可以向其联接附加部件。为了一致性起见，在下面的描述中，我们将把该布置称为一个系统，而不管它是否包括面罩作为一体式部件。图1B示出了具有空气鼓风机208的图1A的系统，空气鼓风机208具有朝向腔室202内部的叶片209。

图1A和图1B都示出了具有暴露于腔室202内部的紫外线源210的系统200。紫外线源210附连到腔室202的各个壁之一，并由电池组214供电的控制器212驱动。控制器212和电池组214可以与系统200成一体，或者可以是由使用者携带并经由合适的连接器机械地和电气地联接到该系统的单独单元。控制器212可以打开或关闭鼓风机208和/或紫外线源210，或者调节流速和功率。

在该实施例中，腔室202的内壁可由紫外线反射层覆盖，以允许紫外线源射线211的多次反射216。为了将紫外线辐射能量保持在腔室内，挡板218和区域障碍物220位于系统200的入口和出口处，并合作以形成迷宫，迷宫用于在腔室的各个内壁之间在内部反射紫外线辐射。朝向紫外线源208的迷宫218和220的表面被紫外线反射层覆盖，而迷宫的相反表面被紫外线吸收层覆盖。

朝向紫外线源210的叶片209的表面也可以被紫外线反射层覆盖，允许鼓风机208反射大部分直射光线211和射到鼓风机叶片209(图2)的反射光线216。

图2A示出了在吸入期间的图1B的系统。鼓风机208被配置为提供满足最大呼吸需求的稳定且连续的空气流207，从而避免经由空气面罩204的外部空气进入。因此，紫外线源210的功率应该高得多，因为待消毒的空气体积比进入肺部的实际空气体积大得多。鼓风机208在面罩内产生超压，这驱散了环境空气的进入，并因此消除了对面罩与使用者面部之间的紧密密封的需要。

图2B示出了呼出期间的图1B的系统，可以看出，入口空气鼓风机208维持与先前吸入时相同的空气流率。因此，这种配置不是能量高效的，因为当使用者吸入时，当空气鼓风机的操作是必要的时，以及当使用者呼出时，即使在呼出期间不需要鼓风机208将空气吸入系统，鼓风机208将空气吸入系统。

为了克服这个缺点，图3A至图3D的实施例将可膨胀构件221集成到图1和图2的系统中。在腔室202中先前由紫外线源射线211消毒的空气流222使可膨胀构件221充入足以准备吸入的空气量。每当可膨胀构件221达到其最大体积时，其接合与系统控制器212互联的传感器223并产生开关信号。控制器212响应于用于关闭空气鼓风机208和紫外线源210的开关信号，从而节省所需的来自电池组214的能量。在该实施例中，入口空气鼓风机208被配置为提供相对低且稳定的空气流率(仅约25％)，因为它应该低于最大呼吸流率(每秒400cc)，并且因此可以显著降低紫外线源210的功率。为了提供最大呼吸量，先前由空气鼓风机208充气的可膨胀构件221包含足量的已消毒空气，并准备通过人吸入来放气。

图3A示出了在呼出的早期阶段具有可膨胀构件221的系统200，此时可膨胀构件221在被人吸入而放气后达到其最小体积。在该实施例中，呼出的空气被空气面罩204的过滤层过滤，过滤层被结构化成优化呼出的空气过滤器。

图3B示出了在呼出的最后阶段具有可膨胀构件221的系统200，此时可膨胀构件221已经达到其最大体积。

图3C示出了在吸入初始阶段具有可膨胀构件221的系统200，此时可膨胀构件221处于其最大体积。

图3D示出了在吸入最后阶段的系统200，此时可膨胀构件221放气并达到其最小体积。

图4A和图4B示出了图3的系统200，其具有被配置用于呼出空气紫外线消毒的可膨胀管225。在该配置中，空气鼓风机208被配置为使空气流反向。

图4A显示了在吸入的早期阶段的可膨胀构件221，当其由于先前呼吸的呼出而完全充气时，空气鼓风机210在紫外线源210的紫外线辐射下经由腔室202的处理空间而移动可能被污染的呼出空气。

图4B显示了在吸入的最后阶段的可膨胀构件221，此时可膨胀构件221被完全放气。

图3和图4的实施例实现了高能量效率，因为鼓风机208通过腔室202的空气流率越低，对空气消毒所需的紫外线源210的功率就越低，这将在下面解释。

因此，典型的吸入-呼出循环时间约为5秒。在没有可膨胀构件221的情况下，空气流率将由标称吸入空气流率确定，其约为每秒400cc。利用可膨胀构件221，有大约两倍的时间来对可膨胀构件充气，因此通过腔室202的空气流率可以减少大约50％。如果空气流率降低到一半，则紫外线源210的功率也可以降低相同的比率。

应当指出的是，图1至图3中介绍的系统配置对于未受感染的人来说是最佳的，因为由过滤元件206和紫外线源210的消毒光这二者提供的吸入空气质量将高于由空气面罩204过滤层提供的呼出空气质量。

对于受感染的人来说，图4的系统配置可能更合适，因为由过滤元件206和紫外线源210的消毒光这二者提供的呼出空气质量将高于由空气面罩204的过滤层提供的吸入空气的质量。

为了允许系统200可配置为既用于被感染人也用于未被感染的人，可以提供图3和图4所示的可配置的单向阀227。阀227的流动方向可以根据使用者是否被感染而容易地由使用者改变。空气鼓风机208的空气流动方向将由控制器212相应地改变，以允许形成图1至图3中的系统200的配置，或者图4中的系统200的配置。

应当理解，可膨胀构件221不限于参考附图示出和描述的形状、尺寸和材料。

图1至图4所示的系统的操作可以以如下方式被监测：a)使用风速计250测量空气流率(图12和图13A)；b)基于呼吸的方向和流率而调节紫外线源210的功率：呼出时关闭紫外线源210，或者吸入时调节紫外线源210的功率。

紫外线源210的功率可以由与控制器212互联的紫外线传感器(未示出)连续地监测。控制器212可被配置为经由蓝牙或WiFi通信向智能手机、计算机或路由器报告系统变量(例如，紫外线源状态、电池状态)，以允许预防性维护并允许与系统200的先进HMI(人机接口)。

图5A至图5C示出了具有外围过滤器206的根据第二实施例的系统200。外围过滤器206具有显著地更大的过滤器面积，但是除了以任何方式分配给图5B(放气)和图5C(充气)所示的可膨胀构件221的空间之外，不需要额外的空间。在该实施例中，过滤器元件206上的空气速度相对于常用的面罩可以低至10％。由于可膨胀构件221和过滤器元件206的外围表面积这二者，实现了这种数量级的减小，并且确保了显著更高的过滤效率。

面罩204可以由对空气不可渗透的材料形成，或者可以是适于空气过滤器的典型结构。在该配置中，单向阀228堵塞来自柔性管231的空气供应，并且单向阀227允许直接获取可膨胀构件221内的过滤空气。在吸入阶段期间，呼吸孔234允许可膨胀构件221的外部与腔室202内部之间的空间236自由地被环境空气填充，从而将可膨胀构件221内的空气维持在环境压力下，并避免在吸入期间面罩204内的压降。

单向阀227，例如膜阀，允许吸入的空气通过柔性管225流入使用者的肺部。单向阀228，例如膜阀，允许呼出的空气经由柔性管231流回过滤器206。过滤器206的吸入和呼出部分由分隔壁235隔开。

单向阀227防止呼出的空气流经由管225进入腔室202，并迫使该空气经由管231流到呼出空气过滤器206，空气在空气过滤器206处被过滤。在呼出过程的同时，空气鼓风机208通过过滤器206的外表面将环境空气207输送进入可膨胀构件221，可膨胀构件221充当空气容器，该空气容器连续地积累足够的过滤空气以供后续的吸入。呼吸孔234将可膨胀构件221的外部与腔室202内部之间的空间236中的空气压力维持为等于环境空气压力。在呼出阶段，呼吸孔234允许在可膨胀构件221的外部与腔室202内部之间的空间中的空气自由排出，以便将可膨胀构件221内的空气维持在环境压力下，并将空气鼓风机208上的空气流动阻力减小到最小。

图5B示出了被分成两个部段的过滤器元件206：在右侧的吸入部段和在左侧的呼出部段。在该实施例中，呼出空气中的水蒸气内容物在远离面罩204的地方被过滤，因此造成佩戴者的不适感较小。

由当前实施例介绍的呼吸循环的顺序类似于上面参考图3A到图3D描述的顺序。

图6是图5的实施例的详细剖视部分视图。从该图中可以看出，鼓风机208从过滤器206与腔室202之间的空间收集过滤空气，并将该空气引导到可膨胀构件221中。

图7A示出了单向模块201的基本实施例，在吸入阶段中，单向模块201具有密封到腔室202基底的可膨胀构件221。电池214安装在腔室202的外部并连接到控制器212，控制器212控制空气鼓风机208，监测电池电压和到空气鼓风机208的电流，并收集环境参数，例如温度和湿度。

RFID读取器可以与控制器212互联，以识别过滤器206和鼓风机208的序列号，并经由嵌入式短程通信(例如，蓝牙、WiFi)将该信息发送到服务提供商数据库。

在该实施例中，可膨胀构件221靠近过滤器206的外表面附连到腔室202。这种接近可以允许过滤器206与可膨胀构件221之间的互连，并且还可以允许过滤器206与可膨胀构件221的功能通过单个结构来实现，单个结构可选地由过滤器206的相同材料制成。如图7A所示，可膨胀构件221的外部暴露于环境空气中，因此经由短柔性管225的吸入将引起可忽略的压降。通过消除压降，环境空气的污染空气经由面罩204的密封唇缘泄漏的风险可以忽略不计。

图7B示出了呼出期间图7A的单向模块201。经过滤的空气由空气鼓风机208输送到可膨胀构件221与腔室202的内部之间限定的过滤空气空间中。这个空间在呼出阶段膨胀，在吸入阶段开始之前达到其最大值。

图8A用绘图示出了图7的单向模块201的实施例，该单向模块201经由柔性管225联接到双向面罩204。

图8B示出了图8A的单向模块的剖视图，其中采样模块238(在图12、图13A和图13B中示出)内嵌地位于鼓风机208空气流内。每当使用者或服务提供商希望监测系统、模块或使用者的健康状况时，采样模块238可以附连到安装件240。采样模块238被配置为在过滤之前或之后收集粒子。当采样模块238位于柔性管231与呼出过滤器206之间时(图5)，它将收集使用者健康的证据。当采样模块238位于柔性管225与吸入过滤器206之间时，它将收集单向模块201性能的证据。通过将采样模块238附连到过滤器206的外部，它将收集环境空气污染或感染的证据。

采样模块238被配置为在采样表面上收集粒子，该采样表面可以是常规的皮氏培养皿(图13A)，或者通过过滤膜，例如尼龙膜(未示出)、玻璃表面或能够捕获和保留粒子的任何其他收集表面或材料来收集粒子。上述各种模块238的采样原理是不同的：皮氏培养皿可以通过其凝胶琼脂捕获粒子，而过滤膜可以通过其结构、玻璃或允许病毒存活相对长时段的其他表面来捕获粒子，并且可以通过在呼出期间在单向模块中发生的水分冷凝来捕获粒子。在采样模块238的操作期间，随着时间的推移，在采样模块238上洗涤的空气总量是显著的(通常在每秒100至200cc之间——每8小时至少2.8平方米)，因此，假设污染的粒子包含在空气中，收集污染粒子的几率非常高。这允许在以下参数上建立全面的监测过程：a)环境空气的污染水平；b)由系统200及其模块201提供的保护水平；c)呼出空气的污染水平。

假设由诸如医院的组织广泛实施系统200，可以在部门和个人水平上建立整个组织的总体污染图。采样模块238可以基于特定或广泛的监测目标来配置。例如，对于Covid-19快速响应监测，采样模块238可以被配置为能够收集0.1微米粒子的过滤膜。在单向模块的呼出空气出口处的采样模块238可以向医务人员提供医院不同部门的健康指标，并且每当需要时可以触发特定的调查。在单向模块的吸入空气入口处的采样模块238可以提供部门空气质量指标，并且在需要时可以触发特定的调查。为了广泛监测，采样模块238可以被配置为皮氏培养皿。

采样模块238的分析源自其配置：可以基于已经完善的技术来分析皮氏培养皿。过滤膜微粒内容物可以通过背压脉冲转移到液体或空气中，然后使用已知的技术进行分析。

为了识别采样模块238并将样本与特定使用者ID相关联，可以将RFID芯片(未示出)附连到样采样模块238。采样模块238与单向模块201之间的配对可以通过控制器212上的RFID读取器或外部RFID读取器来实现，外部RFID读取器收集采样模块238的ID和单向模块201的ID(也通过RFID芯片)，并将两者链接到服务提供商数据库中的使用者和时间戳。

图9A和图9B示出了在吸入和呼出单向模块中具有可膨胀构件的双向系统200的基本实施例。在该实施例中，可膨胀构件221与过滤器元件206隔开。盒242内的第一空气鼓风机208(图9B)将吸入的空气从过滤器206输送到可膨胀构件221(在右侧)，第二空气鼓风机(未示出)将呼出的空气从过滤器206输送到可膨胀构件221(在左侧)。

将意识到，吸入和呼出单向模块在图9A和图9B以及下面的图中的位置的左或右是任意的。

图10A示出了双向系统200的基本实施例，该双向系统200具有分别用于吸入和呼出的单独单向模块201，每个单向模块201配备有嵌入在相应腔室202内的可膨胀构件221。各个单向模块中的每一个单向模块的操作原理类似于图7至图9所示的单向模块的操作原理。在该实施例中，腔室202、嵌入式可膨胀构件221和空气鼓风机208被组装并插入过滤器206的封壳内(图11A和图11B)。过滤器206的封壳可以由织物形成，并且具有颈枕(飞行枕)的总体形状。为了避免通过将过滤织物粘附到腔室202的表面而阻塞空气流，腔室202形成波纹外形，从而允许空气鼓风机208经由波纹所形成的纵向隧道在过滤器元件206与腔室202的外部之间输送空气。腔室202的总体轮廓可以是椭圆形的，其竖向轴线比水平轴线更短。轮廓可能会在尺寸上变化，从典型的衬衫衣领尺寸，到极端情况下的颈枕尺寸。衣领/枕头形状的过滤器元件206的总表面积至少是任何其他面部面罩过滤器的两倍。增加的过滤表面积允许使用较低的空气鼓风机功率，并提供改进的过滤性能。

图10B示出了图10A的系统200，其中单向吸入模块201以剖视图示出。

该实施例的另一个重要方面是设计——公众可以接受衣领状系统200的外部织物的形状、颜色和质地作为别致时尚物品——其可以鼓励公众保护自己而免于因外观不佳而尴尬。为了允许使用者改变系统200的外观，可以将系统200插入到时尚衣领中，甚至插入到不同颜色、形状和质地的整件衬衫中。时装衣领的织物应允许自由空气流动和低压降。这一要求很容易实现，因为低密度织物以低生产成本大量存在。

图11A示出了图10A的系统在呼出阶段结束时的完全剖视图，图11B示出了同一系统在吸入阶段结束时的完全剖视图。本实施例的各个单向模块201中的每一个单向模块的操作原理类似于图7至图9所示的单向模块201的操作原理。因此，如果我们将左侧单向模块201视为呼出模块，则该模块的动作如下：a)呼出的空气向左侧可膨胀构件221充气。在该动作期间，可膨胀构件221外部和腔室202内部的空间中的空气经由开口244(图10B)自由地排出到大气中，从而防止面罩204内部的压力积聚；b)左侧鼓风机208持续地给左侧可膨胀构件221放气，并经由左侧过滤器元件206将呼出的空气输送出系统。空气流量比(体积空气流量与过滤器面积的比率)非常低，因此鼓风机208的功率要求将显著地更低，过滤器206的性能将显著更高。

同样地，将右侧单向模块201视为吸入模块，其动作如下：a)吸入的空气使右侧可膨胀构件221放气。在该动作期间，右侧可膨胀构件221外部和右侧腔室202内部的空间中的空气经由开口244(图10B)从大气自由进入，从而防止上述空间内部和面罩204内部的压降；b)右侧鼓风机208持续地给右侧可膨胀构件221充气，并将空气经由右侧过滤器元件206输送到右侧可膨胀构件221中。如先前所指出，空气流量比非常低，从而导致在较低功率下改善过滤性能。

应当指出的是，吸入模块和呼出模块可以具有相似的尺寸，如图9至图11所示，或者可以具有不同的尺寸：a)不相等的过滤器206面积；b)不相等体积的可膨胀构件221。换句话说，两个半部分的相应体积可以专用于不同相对比例的可膨胀构件和过滤器。因此，在一侧，可以将更多的可用体积或可用过滤器面积分配给一个模块的可膨胀构件或过滤器面积，而以消耗另一个模块为代价，反之亦然。

图9至图11的实施例的衣领状系统200的不相等分配的可能示例是：a)可膨胀构件221的整个体积仅分配给吸入模块；b)过滤器206的完整面积仅分配给吸入模块；c)基于功能标准的其他分配(用于积极识别使用者的系统)也是有效的。

图12示出了集成到腔室202中的电源和监测模块248的剖视图，图13A和图13B是其详细视图。本实施例中所示的电源和监测模块248允许基于采样模块安装件240与鼓风机208的气流的接近性进行高效的空气采样，从而允许测量吸入空气流和呼出空气流以及呼出空气温度。鼓风机208的连续操作允许在采样模块238上高效地收集微粒。电源和监测模块248是可拆卸的，因此能够以简单和方便的方式安装和移除采样模块238。

可以使用集成在单向模块201的接口管252(图12)内部的微型流量计250进行空气流量测量。为了保持接口管252密封，流量计叶片的旋转速度可以通过集成在流量计叶片末端中的小磁体和与控制器212互联的磁传感器之间的相互作用来测量(图13A和图13B)。测量流量计叶片旋转速度的另一种可能性是通过与覆盖叶片(未示出)的反射表面相互作用的发光二极管254(图13B)。在这种情况下，二极管254区域中的接口管252应该对光透明。

为了允许对吸入和呼出的极低空气流率具有高灵敏度，流量计叶片可以绕直径在0.05-0.5mm范围内的细绳256旋转，细绳256沿着管252轴线在两个安装件258之间拉紧，如图13A所示。

呼出空气的温度可以通过与控制器212互联的温度传感器来测量。

为了对双向系统200灭菌，可以使用便携式高压釜(未示出)。高压釜可以通过外部热源(例如，家用烤箱)或通过被配置为将高压釜温度升高到所需水平和维持在所需水平的嵌入式热元件来对系统200灭菌。当使用外部热源时，高压釜壁应由高导热材料(如铝)制成。当使用内部热源时，高压釜壁应被热隔离。另一个内部的，普遍易得的热源是热水，可以从各种开水装置煮沸和供应热水。

图14示出了图5A至图5C以及图8A和图8B的系统的实施例的使用。空气面罩204适于通过在面罩框架的周边上拉紧的柔性密封唇缘密封到使用者的面部。单向阀227和228具有与图5A至图5C所示功能类似的功能。柔性管225和231在面罩204与面部之间产生有限的联接力。头带260稳定地支撑单向模块201和系统200在使用者头上的重量。

为了使空气面罩204适于传导使用者的声音，通信膜262可以装配在面罩的前端。替代地，空气面罩204可以具有麦克风，该麦克风有线地或无线地与外部扬声器接互联。

图15用绘图示出了单向模块201的细节，该单向模块201具有仿形颈部支托270，该仿形颈部支托舒适地抵靠使用者的颈部的后面，同时经由可膨胀管225和柔性管231在相对端流体联接到面罩，如图18A和18B中最佳地示出。在模块201的一端表面上是电子组件，该电子组件包括通/断开关、麦克风插座、扬声器和用于连接电池充电器的USB口。

图16显示了图15的单向模块201的剖视图。该模块201具有与图7的模块201相同的结构和功能。毒性气体吸收木炭过滤器264可以与鼓风机208嵌置地联接。来自过滤器元件206的空气与吸收过滤器264之间的接触时间将显著更长，这是由于鼓风机208引起的低空气速度。再次，如关于紫外线消毒和空气过滤器所解释的，可膨胀构件221允许的减小的空气速度有助于显著更高的消毒、过滤和吸收效率。如关于图7所解释的，在该实施例中，可膨胀构件221与过滤器206(在图的右侧)的接近允许过滤器206与可膨胀构件221之间的互连，以形成单个结构，这可以降低安装要求。典型的单一结构包括通过前唇缘或后唇缘附连到可膨胀构件221的唇缘上的圆柱形封壳过滤器206，该可膨胀构件221一般可以是典型用于食品储存的类型的薄塑料袋。

典型地，模块201、柔性管225和面罩204在佩戴之前彼此互连。为了形成如图14和图18A和图18B所示的单个结构，伸缩连杆268连接到柔性管231上，并且卡扣装配到模块201一侧的联接元件266(如图16所示)上。位于系统右侧和左侧的伸缩连杆268(图18A和图18B)允许系统200被调节以适合使用者的头部。

图17A和图17B显示了根据另一实施例的电源和监测模块248的立体图和剖视图。模块248并入了控制器212、电池214、通/断开关、USB充电器插座、扬声器和麦克风插头。吸收过滤器264是可选的，并且可以在联接到模块201之前由使用者联接到模块248。

图18A和图18B显示了在使用者头上的系统200的整个组件。为了在模块201与使用者颈部之间提供柔软和舒适的接触，柔性支撑件270可以联接到模块201的前侧。支撑件270和面罩204与头带260彼此合作，以将系统200稳定在使用者的头上。

图19是面罩204的后视图。

图1至图15中任一图所示的系统的实时监测可以按如下方式进行：a)致动空气鼓风机208；b)测量吸入和呼出空气流；c)测量呼出和吸入温度；d)对鼓风机电流采样；e)通过蓝牙TM通信将收集的数据上传到使用者的智能手机；f)将数据从智能手机上传到云应用程序；e)分析使用者的呼吸数据曲线并限定正常呼吸流动-温度数据曲线；以及g)寻找偏差并如果检测到这种偏差则向使用者发送消息。

解释说明：a)空气流量增加可指示对更高流量的需求增加；b)空气流量减少可指示过滤器206堵塞或肺功能退化；c)呼出空气温度升高指示使用者身体的温度更高；d)从空气流测量中得出的频繁呼吸可以指示使用者的总体状况，并且与呼出空气温度一起有更明显指示使用者健康偏差。

通过将模块248的测量值经由通信链路传输到心率监测装置(未示出)，例如智能手表、胸带或其他装置，并将所传输的数据与心率测量值实时同步，可以实现先进的监测。然后可以对组合的测量值加以分析，并将其显示给使用者(例如在智能手机上)。通过对组合数据的分析，可以为使用者提供不同情况(包括体育活动、紧急活动和健康监测活动)下的心肺功能性指示。该系统的附加价值与先进监测是双重的：对使用者进行防护和向使用者提供健康指标。这一点极为重要，尤其是在需要快速检测健康状况的疫情时期。

替代方式是使系统控制器212适于经由通信链路从心率监测装置接收心率测量值，并使控制器212上的测量值同步。在这种情况下，可以在使用者的智能手机上对测量值进行分析和显示，并可以上将其传到服务提供商的云数据库中。

注意：在所有实施例中，服务提供商可以是雇主组织(例如，医院)或销售该系统的公司或从远程源接收测量数据的监测中心。

空气质量的离线监测可以按如下方式执行：a)致动空气鼓风机208；b)由被鼓风机气流冲刷的采样模块238收集感染粒子；c)将采样模块238的ID与使用者ID相关联；d)移除采样模块238并分析所收集的内容物；e)将分析与使用者ID相关联。

对上述实施例的描述并不旨在限制，保护的范围仅由所附权利要求书提供。

特别地，应当指出的是，参考一个或更多个实施例描述的特征是通过举例说明的方式而不是通过对那些实施例的限制来描述的。因此，除非另有说明，或者除非特定的组合明显是不允许的，否则仅参考一些实施例描述的可选特征也被假定同样适用于所有其他实施例。

还应指出的是，权利要求书构成描述的一体式部分，并且旨在提供对权利要求中所叙述但在前述描述中未详细描述的特征的支持。

将意识到，当过滤器缠绕在腔室的内部或外部周围以基本上覆盖腔室的完整表面时，过滤器的表面积将是腔室直径及其长度的函数。并非是限制性的，腔室的长度通常大约15厘米，其直径通常大约8厘米，使得腔室侧壁的表面积为πx15x8＝377cm²。这大约是常规空气面罩面积的四倍。还将意识到，过滤器可以是套筒的形式，其对置边缘形成像甜甜圈一样的闭合结构；但它也可以是一个开放的C形结构，或者它可以螺旋缠绕以形成重叠结构，这种重叠结构起到多层结构的作用。

Claims (17)

1.一种用于提高能够由使用者佩戴以覆盖使用者的嘴和鼻子的空气面罩(204)的效率的装置，所述装置包括：

细长形腔室(202)，所述细长形腔室能够在其近端流体联接到所述空气面罩(204)的空气开口(205、205')，

过滤器元件(206)，所述过滤器元件由柔性材料形成，所述柔性材料在内部或外部缠绕所述细长形腔室的侧壁上，用于过滤在任一方向流过所述细长形腔室的空气，以及

单向阀(227、228)，所述单向阀与所述开口相关联地安装，

空气鼓风机(208)，所述空气鼓风机被配置为连续供应用于吸入的空气或排出呼出的空气，以及

可膨胀构件(221)，所述可膨胀构件流体地联接到所述细长形腔室；

其特征在于：

所述单向阀(227、228)被配置为用于允许使用者吸入的净化的和/或经过滤的空气从所述细长形腔室通到所述空气面罩或允许使用者呼出的空气从所述空气面罩通到所述细长形腔室，

所述可膨胀构件(221)可操作地联接到所述单向阀，用于在吸入或呼出期间引导空气通过所述过滤器元件；

由此，如果所述开口被配置为空气入口，则在吸入期间，空气被约束以流入所述细长形腔室并且用净化的和/或经过滤的待被吸入的空气对所述可膨胀构件(221)进行充气，之后通过所述开口流出到使用者的肺部；以及

如果所述开口是空气出口，那么在呼气期间中，空气被约束以从使用者的肺部流入所述细长形腔室并且用呼出的空气对所述可膨胀构件(221)进行充气之后将净化的和/或经过滤的空气排出进入环境中。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述过滤器元件由折叠或卷制的薄过滤介质制成以形成中空结构，在所述中空结构的相对两端具有开口，其中各个开口中的一个开口以整体构造流体联接到所述可膨胀构件(221)的开口。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述细长形腔室的轮廓和尺寸被设计为适于插入整体衬衫的衬衫衣领中，或者其中所述细长形腔室被设计为通过两个柔性管与所述空气面罩互连的罐。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，所述装置包括至少一个紫外线源，所述至少一个紫外线源选自下列选项：灯泡或LED及其任何组合，用以(i)如果所述单向阀被配置为用于允许使用者吸入的净化空气从所述细长形腔室通到所述空气面罩，则在吸入之前对空气进行净化，或者(ii)如果所述单向阀被配置为用于允许使用者呼出的空气从所述空气面罩通到所述细长形腔室，则在呼出的空气被释放到环境中之前对呼出的空气进行净化。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述过滤器元件戴在使用者的头上。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述空气鼓风机被配置为使空气运动通过所述细长形腔室，并且用至少一次吸入或呼出所需的空气体积对所述可膨胀构件进行充气或放气，或者，其中所述空气鼓风机被配置为提供足以满足呼吸需求的最小气流，从而以尽可能低的流率处理进入所述细长形腔室的空气，以使处理效率最高。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中对于相接续的呼吸循环的每个呼吸循环，所述可膨胀构件被循环地充气或放气。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述可膨胀构件设置在所述细长形腔室内，或者其中所述可膨胀构件联接到所述细长形腔室的外部。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述可膨胀构件由所述空气鼓风机充气并通过吸入而放气，或者其中所述可膨胀构件通过呼出而充气并通过所述空气鼓风机而放气。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述细长形腔室和面罩形成一体式单元。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述空气面罩被配置为通过在所述空气面罩的框架的周边上拉紧的柔性膜而密封到使用者的面部，并且所述膜的中央部分具有切口，所述切口适于匹配使用者的鼻子和嘴唇的尺寸和形状，其中所述空气面罩的框架被配置为能够附连到不同尺寸的膜上，并且具有不同尺寸和形状的切口，从而允许使用者选择最适合他或她的面部的膜，其中所述空气面罩具有适于传导使用者的声音的通信膜，或者，其中所述空气面罩具有麦克风，所述麦克风用于与外部扬声器进行有线或无线互联。

12.一种监测系统，所述系统包括根据权利要求1至11中任一项所述的装置，并且所述系统还包括至少一个采样模块，所述采样模块联接到所述装置的外部或内部中的至少一者，并且每个采样模块被配置为分别在吸入之前和呼出之后收集空气粒子和感染物，其中所述至少一个采样模块和所述过滤器元件形成一体式单元，其中：

所述空气鼓风机(208)被配置为连续地供应用于吸入的空气，同时在所述空气面罩内产生过压，并且

还设有控制器(212)，所述控制器被配置为感测所述空气鼓风机的马达电流，并将电流数据输送到远程计算机或中央数据库，以便允许将测得的电流与阈值的偏差解释为过滤器阻塞、呼吸循环停滞点或马达故障。

13.根据权利要求12所述的监测系统，其中所述控制器包括微处理器和相应传感器，所述相应传感器能够感测空气温度、空气湿度、大气压力、电池电压和健康状态、吸入流率、呼出流率和呼出空气温度，其中所述控制器具有通信信道，所述通信信道能够至少间接地将所述相应传感器采集的信息传输到中央数据库或智能手机。

14.根据权利要求12或13所述的监测系统，其中所述空气面罩被配置为通过在所述空气面罩的框架的周边上拉紧的柔性膜而密封到使用者的面部，并且所述膜的中央部分具有切口，所述切口适于匹配使用者的鼻子和嘴唇的尺寸和形状，其中所述空气面罩的框架被配置为能够附连到不同尺寸的膜上，并且具有不同尺寸和形状的切口，从而允许使用者选择最适合他或她的面部的膜，其中所述空气面罩具有适于传导使用者的声音的通信膜，或者，其中所述空气面罩具有麦克风，所述麦克风用于与外部扬声器进行有线或无线互联。

15.一种用于使用根据权利要求12所述的监测系统来监测空气质量、系统功能和使用者健康指标的方法，所述方法包括：

识别控制器/电源并且监测模块ID；

启动控制器的传感器采样；

使系统运行并且对初始/标称测量值进行收集；

经由通信链路将ID和初始测量值传输到智能手机或中央数据库；

经由通信链路将ID和周期性的或触发的测量值传输到智能手机或中央数据库；

存储初始测量值和周期性测量值；

分析测量值以检测偏差，所述偏差与环境空气质量、系统功能或使用者健康指标相关；以及

每当偏差被解释为安全、健康或维护问题时，提供警报。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述测量值经由通信链路传输到心率监测装置，并与心率测量值实时同步，从而向使用者提供心肺功能指示，以检测心肺功能的偏差，或帮助使用者改善心肺功能，其中所述控制器经由通信链路从心率监测装置接收心率测量值，并且被配置为基于同步测量值来分析心肺功能，并将其指示数据传送到远程计算装置。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述心率监测装置包括智能手表或胸带。