CN115414027A - 一种口罩式鼻阻力测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种口罩式鼻阻力测试装置及方法，所述测试装置包括口罩本体和集成于口罩本体上的传感器组件以及数据处理单元。其中，传感器组件包括用于测量后鼻腔压力的压力传感器以及同时测量前鼻腔压力和鼻腔呼吸气体流速的柔性压力传感器，数据处理单元利用传感器组件传输的信号计算鼻阻力，并通过蓝牙模块或Wi‑Fi模块将鼻阻力数据传输到手机终端。本发明的测试装置结构简单、使用方便、成本低，可以实时进行鼻阻力的检测。

Description

一种口罩式鼻阻力测试装置及方法

技术领域

本发明涉及生理监测技术领域，具体涉及一种针对个人的便携型鼻阻力测试装置。

背景技术

鼻阻力即鼻腔对呼吸气流的阻力。鼻阻力检测设备大多配置有面罩以及探测器探头，对于医院等人员流动量大的检测场合，不同测试者使用时需要先对面罩及探测器探头进行消毒，以避免交叉感染。并且由于探测器探头尺寸存在与测试者鼻腔尺寸不完全匹配的情况，以及仅能对测试者某段时间的鼻阻力进行检测的原因，因此使得鼻阻力检测设备不仅价格昂贵，而且检测过程复杂、检测结果不能较准确的反映测试者的鼻阻力情况。

中国专利CN110755096A公开了一种鼻阻力测试装置，配备有面罩、与面罩相连通的通气管、安装在通气管上的呼吸流量传感器，以及用于测量呼吸流量传感器两侧气体压差的压力传感器和测量前、后鼻腔压力的压力传感器。但是，该装置中呼吸流量传感器增加了测试者呼吸的阻力，并且该装置中除了通气管，还需要利用多个管道连接两个压力传感器，既不利于彻底消毒，存在不同测试者使用时交叉感染的风险，也使得该装置的便携性、易用性较差，不利于实时检测。

因此，设计开发一种携带方便、易于消毒，并且能够准确检测测试者鼻阻力的装置是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种口罩式鼻阻力测试装置及方法，以解决鼻阻力检测设备存在的检测过程复杂(由不易就地开展、不易消毒等原因导致)、检测结果不准确，以及存在安全隐患的问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种口罩式鼻阻力测试装置，包括口罩本体和设置于口罩本体上的传感器组件以及数据处理单元；所述传感器组件包括用于测量后鼻腔压力的压力传感器以及用于同时测量前鼻腔压力和鼻腔呼吸气体流速的柔性压力传感器，这两个传感器分别与数据处理单元相连，在测试者佩带口罩本体的情况下，数据处理单元利用这些传感器输出的信号计算测试者的鼻阻力。

优选的，所述口罩本体包括多层过滤结构(例如N95口罩的三层熔喷布过滤结构)以及位于该过滤结构两侧的面层(例如N95口罩的内、外侧无纺布层)。

优选的，所述口罩本体上设置有用于连通测试者口腔与上述用于测量后鼻腔压力的压力传感器的立管，该压力传感器固定于该立管中。

优选的，所述用于同时测量前鼻腔压力和鼻腔呼吸气体流速的柔性压力传感器位于上述用于测量后鼻腔压力的压力传感器的上侧，并贴合在口罩本体中部，使该柔性压力传感器与由鼻腔呼出的气体可以进行平稳且连续的相互作用并形成输出信号(具有柔性的压力传感器，例如选自电阻型、电容型、晶体管型、压电型、摩擦电型中一种的柔性压力传感器，可沿口罩本体中线折叠，在佩带口罩本体后形成呈一定角度的打开状，作为收集鼻腔呼出气体并生成响应该气体的压力和流速变化的电信号的主要组件)，从而准确、快速的计算鼻阻力。

优选的，所述数据处理单元采用柔性电子电路，柔性电子电路包括单片机、无线通讯模块以及依次相连的放大器、滤波器和A/D转换器，A/D转换器以及无线通讯模块分别与单片机相连，上述两个传感器分别与放大器相连，从而可以将传感器组件输出的信号传输至单片机以进行与鼻阻力计算相关的处理，以及实现将鼻阻力数据通过无线通讯(蓝牙/Wi-Fi)传输到手机、笔记本、平板电脑等便携终端上。

一种鼻阻力测试方法，该测试方法包括以下步骤：

数据处理单元根据柔性压力传感器在测试者通过鼻腔呼吸中传输的信号，测量测试者的前鼻腔压力和鼻腔呼吸气体流速，并结合通过另一压力传感器测量的后鼻腔压力计算测试者的鼻阻力。

优选的，所述测试方法具体包括以下步骤：

1)测试者在平稳呼吸后佩带上述口罩式鼻阻力测试装置(具体指其口罩本体)进行鼻阻力监测，在监测过程中测试者用鼻腔呼吸；

2)测试者用口含住与压力传感器相连通的立管并使口腔内无气流，利用该压力传感器测得口腔压力并作为后鼻腔压力P1；同时利用柔性压力传感器收集测试者的鼻腔呼出气体，并将该气体的压力和流速转换成电信号，从而根据基于该电信号建立的线性关系，分别测得前鼻腔压力P2和鼻腔呼吸气体流速，并根据该气体流速计算鼻腔呼吸流量Q；

3)根据所述前鼻腔压力P2和后鼻腔压力P1计算前、后鼻腔压力差△P，利用公式R＝△P/Q得到鼻阻力R实时检测结果。

优选的，监测一侧鼻腔鼻阻力时，在步骤1前用鼻塞塞住测试者另一侧鼻腔。

优选的，所述线性关系包括前鼻腔压力P2与电信号幅值之间的线性关系，以及鼻腔呼吸气体流速与电信号频率之间的线性关系。

优选的，所述测试方法还包括以下步骤：将测试者的鼻阻力通过无线通讯传输到上述便携终端。

本发明的有益效果体现在：

本发明的鼻阻力测试装置可以采用日常佩戴口罩的方式与测试者面部结合，其不仅能够获得后鼻腔压力，而且能够利用柔性压力传感器获得前鼻腔压力和鼻腔呼吸气体流速，从而实现对测试者鼻阻力的实时检测，具有检测过程简单、检测结果准确可靠的优势，可以在针对个人的鼻阻力居家监测中广泛应用。

进一步的，本发明的鼻阻力测试装置通过口罩本体的材料结构选型，以及传感器组件的集成设计，还具备易于消毒的优势，使检测安全性明显提高，并降低了检测成本。

进一步的，本发明的鼻阻力测试装置能够将测试者的鼻阻力检测结果实时的传输到手机等便携终端上，促进鼻阻力的居家监测的开展。

附图说明

图1是本发明实施例中的口罩式鼻阻力测试装置的正面(外侧面)示意图；

图2是本发明实施例中的口罩式鼻阻力测试装置的反面(内侧面)示意图；

图3是图1所示数据处理单元的电路模块内、外部连接框图；

图中：1.口罩本体，2.系带，3.圆柱立管，4.压力传感器，5.柔性压力电传感器，6.数据处理单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，所述实施例仅用于解释本发明,而非对本发明保护范围的限制。

(一)口罩式鼻阻力测试装置的结构

如图1及图2所示，所述口罩式鼻阻力测试装置包括口罩组件、压力传感器4、柔性压力传感器5以及数据处理单元6。口罩组件为日常用到的N95口罩，包括口罩本体1以及连接于口罩本体1两侧边缘上的系带2，柔性压力传感器5直接集成在口罩本体1的反面上，压力传感器4通过圆柱立管3也集成在口罩本体1的反面上，数据处理单元6集成于口罩本体1的正面上，并分别与压力传感器4和柔性压力传感器5通过导线连接。

所述圆柱立管3的底部封闭，以便将压力传感器4通过粘贴的方式固定于圆柱立管3的底部内侧，圆柱立管3的底部与口罩本体1相连，圆柱立管3的顶部向口罩本体1反面外延伸一定距离，使得测试者的口部可以含住圆柱立管3的伸出端(敞开状)，从而使压力传感器4可以通过圆柱立管3的中空腔体与测试者的口腔连通。

所述柔性压力传感器5通过缝合的方式固定在口罩本体1反面上的中间部分，位置略高于圆柱立管3，当不同压力、流速的气体到达柔性压力传感器5表面时，其生成不同电信号作为输出响应。

所述压力传感器4的引出导线需要穿透圆柱立管3及口罩本体1，柔性压力传感器5的引出导线需要穿透口罩本体1；压力传感器4和柔性压力传感器5的引出导线在穿透口罩本体1后紧贴在口罩本体1的正面，并与采用粘贴方式固定在口罩本体1正面上的数据处理单元6连接。

如图3所示，所述数据处理单元6采用柔性电子电路模块，包括放大器、滤波器、A/D转换器、单片机和无线通讯(例如蓝牙、Wi-Fi)模块。压力传感器4以及柔性压力传感器5输出的信号经过放大(放大器)、滤波(滤波器)、模数转换(A/D转换器)后传输至单片机，经单片机计算处理后通过蓝牙/Wi-Fi模块传输结果到手机终端。

所述压力传感器4为压阻式压力传感器，该类型传感器尺寸小、成本低，便于集成在口罩本体上的圆柱立管3中。柔性压力传感器5为接触分离型摩擦电传感器。单片机为通用型单片机。

(二)鼻阻力测试原理

测试者用口含住圆柱立管3伸出端并闭合，口腔内没有气体的流动，口腔压力等于后鼻腔压力，从而可以利用圆柱立管3内部的压力传感器4测量后鼻腔压力。

根据柔性压力传感器5能够将到达其表面的气体的不同压力和流速转换为相应电信号的特性，预先建立鼻腔呼出的气体的压力(可等价于前鼻腔压力)大小与柔性压力传感器5输出电信号幅值之间的线性关系，以及建立鼻腔呼出的气体的流速大小与柔性压力传感器5输出电信号频率之间的线性关系，并将描述这两组线性关系的方程编程到数据处理单元6的单片机中。当测试者鼻腔呼吸气流到达柔性压力传感器5后，柔性压力传感器5输出相应的电信号，并经过放大器、滤波器、A/D转换器的处理后传输到单片机。单片机利用处理后的柔性压力传感器5输出电信号的幅值和频率，结合相应的线性方程得到测试者前鼻腔压力大小以及气体流速的大小，并根据以下公式计算得到相应气体流量，即鼻腔呼吸流量Q：

Q＝Sv

其中，S表示接触分离型摩擦电传感器面积，v表示鼻腔呼出的气体的流速。

鼻阻力由前、后鼻腔压力差△P和鼻腔呼吸流量Q的比值决定，即单片机根据以下公式计算出鼻阻力R：

R＝△P/Q

其中：△P＝|P1-P2|，P1表示后鼻腔压力，P2表示前鼻腔压力，Q表示鼻腔呼吸流量。

(三)检测双侧鼻腔鼻阻力

(1)测试者静坐10min，之后戴上口罩式鼻阻力测试装置进行监测，在监测过程中，测试者只能用鼻腔呼吸；

(2)测试者用口部含住圆柱立管3并闭合，由于此时口腔内没有空气流动，因此由圆柱立管3内的压力传感器4测得的口腔压力等于后鼻腔压力P1；柔性压力传感器5收集鼻腔呼出的气体，并将其压力和流速转换为电信号，由此同时测得测试者的前鼻腔压力P2和鼻腔呼吸流量Q；

(3)根据所测得的前鼻腔压力P2和后鼻腔压力P1，利用公式△P＝|P1-P2|，得到前、后鼻腔压力差△P，利用公式R＝△P/Q得到鼻阻力R。

(4)监测时间结束，去掉口罩式鼻阻力测试装置，对其进行表面消毒即可。

(四)检测单侧鼻腔鼻阻力

(1)测试者用鼻塞塞住其中一个鼻孔，静坐10min，之后戴上口罩式鼻阻力测试装置进行监测，在监测过程中，测试者只能用鼻腔呼吸；

(2)测试者用口部含住圆柱立管3并闭合，由于此时口腔内没有空气流动，因此由圆柱立管3内的压力传感器4测得的口腔压力等于后鼻腔压力P1；柔性压力传感器5收集鼻腔呼出的气体，并将其压力和流速转换为电信号，由此同时测得测试者的前鼻腔压力P2和鼻腔呼吸流量Q；

(3)根据所测得的前鼻腔压力P2和后鼻腔压力P1，利用公式△P＝|P1-P2|，得到前后鼻腔压力差△P，利用公式R＝△P/Q得到正常呼吸侧鼻腔的鼻阻力R；

(4)将鼻塞取出，将另一个鼻孔用鼻塞塞住，然后按照以上同样步骤检测另一侧鼻腔的鼻阻力R。

(5)监测时间结束，去掉口罩式鼻阻力测试装置，对其进行表面消毒即可。

总之，本发明的口罩式鼻阻力测试装置具有结构简单、使用方便、成本低、便携的特点，避免了因消毒不彻底而造成的交叉感染的情况，能够针对个人进行实时的鼻阻力检测，不仅检测过程便捷、检测数据准确可靠，而且测试者的鼻阻力检测结果可实时的传输到手机等便携终端上，从而实现并完善了鼻阻力的居家监测。

Claims (10)

1.一种口罩式鼻阻力测试装置，其特征在于：包括口罩本体(1)和设置于口罩本体(1)上的传感器组件以及数据处理单元(6)；所述传感器组件包括用于测量后鼻腔压力的压力传感器(4)以及用于测量前鼻腔压力和鼻腔呼吸气体流速的柔性压力传感器(5)，压力传感器(4)和柔性压力传感器(5)分别与数据处理单元(6)相连。

2.根据权利要求1所述一种口罩式鼻阻力测试装置，其特征在于：所述口罩本体(1)包括多层过滤结构以及位于该过滤结构两侧的面层。

3.根据权利要求1所述一种口罩式鼻阻力测试装置，其特征在于：所述口罩本体(1)上设置有用于连通测试者口腔与压力传感器(4)的立管，压力传感器(4)固定于该立管中，压力传感器(4)为电阻型、电容型、晶体管型、压电型或摩擦电型。

4.根据权利要求1所述一种口罩式鼻阻力测试装置，其特征在于：所述柔性压力传感器(5)贴合在口罩本体(1)中部，并位于压力传感器(4)上侧，柔性压力传感器(5)为电阻型、电容型、晶体管型、压电型或摩擦电型。

5.根据权利要求1所述一种口罩式鼻阻力测试装置，其特征在于：所述数据处理单元(6)采用柔性电子电路，柔性电子电路包括单片机、无线通讯模块以及依次相连的放大器、滤波器和A/D转换器，A/D转换器以及无线通讯模块分别与单片机相连，压力传感器(4)以及柔性压力传感器(5)分别与放大器相连。

6.一种鼻阻力测试方法，其特征在于：该测试方法包括以下步骤：

数据处理单元(6)根据柔性压力传感器(5)在测试者通过鼻腔呼吸中传输的信号，测量测试者的前鼻腔压力和鼻腔呼吸气体流速，并结合测试者的后鼻腔压力计算测试者的鼻阻力。

7.根据权利要求6所述一种鼻阻力测试方法，其特征在于：所述测试方法具体包括以下步骤：

1)测试者在平稳呼吸后佩带如权利要求1所述的口罩式鼻阻力测试装置进行鼻阻力监测，在监测过程中测试者用鼻腔呼吸；

2)测试者用口含住与压力传感器(4)相连通的立管并使口腔内无气流，利用压力传感器(4)测得口腔压力并作为后鼻腔压力P1，同时利用柔性压力传感器(5)收集测试者的鼻腔呼出气体，并将该气体的压力和流速转换成电信号，从而根据基于该电信号建立的线性关系，分别测得前鼻腔压力P2和鼻腔呼吸气体流速，并根据该气体流速计算鼻腔呼吸流量Q；

3)根据所述前鼻腔压力P2和后鼻腔压力P1计算前、后鼻腔压力差△P，利用公式R＝△P/Q得到鼻阻力R实时检测结果。

8.根据权利要求7所述一种鼻阻力测试方法，其特征在于：监测一侧鼻腔鼻阻力时，在步骤1前用鼻塞塞住测试者另一侧鼻腔。

9.根据权利要求7所述一种鼻阻力测试方法，其特征在于：所述线性关系包括前鼻腔压力P2与电信号幅值之间的线性关系，以及鼻腔呼吸气体流速与电信号频率之间的线性关系。

10.根据权利要求6所述一种鼻阻力测试方法，其特征在于：所述测试方法还包括以下步骤：将测试者的鼻阻力通过无线通讯传输到便携终端。

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