CN209420996U - 一种可实时检测呼吸信号的口罩 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可实时检测呼吸信号的口罩，涉及柔性可穿戴设备领域。其中，这种口罩包括口罩本体、湿度传感器和信号处理器。湿度传感器，固定于口罩本体，包括湿度感应纤维及固定连接在湿度感应纤维两端的电极线。信号处理器，固定在口罩本体，包括依次连接的信号采集模块、信号处理模块、无线信号传输模块、电源模块和信号显示模块，用于将湿度传感器输出的信号转换成可视化数据。本实用新型提供的口罩，可多次重复使用，可实时检测呼吸时候引起的鼻腔和口腔周围湿度的变化，来获得呼吸深度、呼吸频率以及呼吸骤停等信息，对人体呼吸信号的监测具有较大的意义。

Description

一种可实时检测呼吸信号的口罩

技术领域

本实用新型涉及柔性可穿戴设备领域，具体而言，涉及一种可实时检测呼吸信号的口罩。

背景技术

人体的呼吸是人体与外界进行交换的活动，呼吸频率、深度对人体健康状况都有一定的影响。当出现呼吸骤停等问题，则可能会导致人体大脑损伤甚至死亡，因此人体呼吸信号的实时监测具有非常重要的意义。当人体进行呼吸时，会引发鼻腔和口腔周围环境的湿度发生变化，因此可使用湿度传感器检测人体的呼吸信号。但是，传统传感器一般为硬质传感器，忽略了传感器与人体的贴合度、舒适性以及生物相容性等问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种可实时检测呼吸信号的口罩，旨在改善传统呼吸信号监测器难以具有较高的人体贴合度和舒适性问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种可实时检测呼吸信号的口罩，包括：

口罩本体，包括分别包覆两侧脸颊的左部、右部和连接所述左部和右部且包覆鼻腔及口腔的中间部；

湿度传感器，固定于所述口罩本体，包括湿度感应元件及固定连接在所述湿度感应元件两端的电极线；

信号处理器，固定在所述口罩本体，包括依次连接的信号采集模块、信号处理模块、无线信号传输模块、电源模块和信号显示模块，用于将所述湿度传感器输出的信号转换成可视化数据；其中，所述信号采集模块与所述湿度传感器连接。

进一步地，所述湿度感应元件为纱线形状的湿度感应纤维。

进一步地，所述湿度感应纤维为单根感应纤维；或者为缠绕在一起的多根感应纤维；其中，所述感应纤维包括丝素蛋白纤维和掺杂在所述丝素蛋白纤维中的导电颗粒，采用湿法纺丝制得。

进一步地，所述感应纤维的直径为20～30μm，长度为1cm～6cm。

进一步地，所述中间部为立体结构，不与鼻腔及口腔贴合。

进一步地，所述湿度传感器固定于所述中间部的内表面上。

进一步地，所述湿度传感器的位置与人体脸部的人中位置相对应。

进一步地，所述湿度传感器的长度方向与人体唇部的长度方向一致。

进一步地，所述电极线通过加捻方式连接在所述湿度感应纤维两端。

进一步地，还包括夹持件，所述夹持件包括夹片和设置在所述夹片周缘的黏胶层，所述黏胶层与所述口罩本体粘接以将所述信号处理器固定在夹片和所述口罩本体之间。

通过采用上述技术方案，本实用新型可以取得以下技术效果：

本实用新型提供了一种可实时检测呼吸信号的口罩，可多次重复使用，通过该装置可实时检测呼吸时候引起的鼻腔和口腔周围湿度的变化，来获得呼吸深度、呼吸频率以及呼吸骤停等信息。此外，该装置中的传感器为湿度传感器，在兼具柔性的同时还具备高灵敏性。且当该湿度传感器制备成纱线状时，符合目前纺织加工设备的加工条件，可通过纺织织造方法将该传感器织入口罩，不会产生强烈的异物感，与人体面部贴合度好，舒适度高，生物相容性好。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是实施例1提供的可实时检测呼吸信号的口罩在第一视角下结构示意图；

图2是实施例1提供的可实时检测呼吸信号的口罩在第二视角下结构示意图；

图3是实施例1提供的湿度传感器的结构示意图；

图4是本实用新型提供的信号处理器的模块图；

图5是实施例1提供的湿度感应纤维的SEM扫描电镜图；

图6是实施例1提供的可实时检测呼吸信号的口罩在人体佩戴时深呼吸的信号图；

图7是实施例2提供的可实时检测呼吸信号的口罩在人体佩戴时正常呼吸的信号图；

图8是实施例2提供的可实时检测呼吸信号的口罩在人体佩戴时出现呼吸骤停的信号图。

图中标记：1-口罩本体；11-左部；12-右部；13-中间部；14-呼吸孔；2-湿度传感器；21-湿度感应纤维；22-电极线；3-信号处理器；31-信号采集模块；32-信号处理模块；321-滤波单元；322-信号放大单元；323-信号分析单元；33-无线信号传输模块；34-信号显示模块。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

由图1、图2所示，在本实施例中提供了一种可实时检测呼吸信号的口罩，包括：口罩本体1、湿度传感器2和信号处理器3。

如图1所示，口罩本体1包括分别包覆两侧脸颊的左部11、右部12和连接所述左部11和右部12且包覆鼻腔及口腔的中间部13。除此之外，口罩本体1距离鼻腔附近的部位上还开设有呼吸孔14，所述呼吸孔的尺寸在1～3mm范围内，为贯穿口罩本体1的通孔。一方面，呼吸孔14便于人体呼吸，另一方面呼吸孔14的设置避免口罩内部由于长时间呼吸，口罩内湿度过大，影响湿度传感器2测量结果。

湿度传感器2，固定于所述口罩本体1，如图3所示，包括湿度感应元件及固定连接在所述湿度感应元件两端的电极线22。具有上述结构的湿度传感器2，可根据人体呼吸引起的鼻腔及口腔的环境湿度变化导致的湿度感应纤维21的电阻发生的变化来获得人体呼吸信息，此湿度传感器2灵敏度高。

进一步地，所述湿度感应元件可购买市售的材料，也可通过丝素蛋白溶液和导电材料以任意比例混合制备成不同形状的湿度感应元件。可以理解的是，所述湿度传感器2的形状随着湿度感应元件的形状变化而变化，若湿度感应元件为片状或薄膜状，制备形成的湿度传感器2为柔性片状或薄膜状。若湿度感应元件为纱线形状，则制备形成的湿度传感器2也为纱线形状。湿度传感器2也可以为条形，其形状不固定，只要满足其具有上述结构即可。

进一步地，在本实用新型的较佳实施例中，所述湿度感应元件为纱线形状的湿度感应纤维21。

在本实用新型的较佳实施例中，所述湿度感应纤维21可选用市售的湿敏纤维产品，例如选用海盐金溢绢纺有限责任公司生产的异形截面功能化纱线。图5为市售的异形截面功能化纱线的横截面图(购买公司：海盐金溢绢纺有限责任公司)，此截面呈现哑铃状，是市售的具有吸湿快干性能的湿敏材料，且具有拉伸与弯曲性能，其电阻能随着环境湿度变化而产生变化，可作为湿度感应纤维21用于制备纱线状的湿度传感器2。

在本实用新型的其他实施例中，所述湿度感应纤维21还可以为单根感应纤维；或者可以为缠绕在一起的多根感应纤维。其中，所述感应纤维包括丝素蛋白纤维和掺杂在所述丝素蛋白纤维中的导电颗粒，采用湿法纺丝制得。例如将丝素蛋白溶液和导电材料以任意比例混合，经过湿法纺丝得到感应纤维。此方法制备得到的湿度感应纤维21兼具高柔性、高灵敏度和导电性能好等优点。

更进一步地，所述感应纤维的直径为20～30μm，长度为1cm～6cm。该湿度传感器2直径小，柔韧性好，可作为织物的单根纱线单元，将该传感器轻易编织入纺织品中，不会产生异物感，舒适度高，生物相容性好。上述所说的湿度传感器2的直径指的是不包括电极线22的主体部分的直径。

进一步地，如图2所示，所述湿度传感器2固定于所述中间部13的内表面上。其中，所述口罩本体1的内表面为穿戴口罩时靠近人体的一面，外表面为远离人体的一面。将湿度传感器2固定于中间部13，这样靠近鼻腔及口腔位置，湿度传感器2能及时检测到呼吸产生的湿度的变化，使获得的呼吸信号数据更为精准。

进一步地，所述中间部13为立体结构，不与鼻腔及口腔贴合，避免湿度传感器2和信号处理器3直接和脸部接触。一是为了防止湿度传感器2与脸接触后，贴覆在脸部上，不能及时感应鼻腔与口腔周围环境湿度变化。二是信号处理器3具有一定的体积，与脸部直接接触会造成脸部的不适。

进一步地，所述湿度传感器2的位置与人体脸部的人中位置相对应，位于人中位置的湿度传感器2，既可以检测到鼻腔环境的湿度，也可也检测到口腔周围环境的湿度。

更进一步地，所述湿度传感器2的长度方向与人体唇部的长度方向一致，确保能全面地检测鼻腔和口腔周围环境的湿度变化。

进一步地，所述湿度传感器2通过缝纫线固定在所述口罩本体1上。在本实用新型较佳实施例中，可以选用人造纤维或天然纤维的缝纫线，先将电极线22的两端固定在所述口罩本体1上，而后用采用平针缝法缝纫线将湿度传感器2固定在所述口罩本体1上直至不发生松动。

进一步地，所述电极线22通过加捻方式连接在所述湿度感应纤维21两端。所述电极线22可以为金属导电丝，或者可以为导电纱线。优选为导电纱线，所述导电纱线包括基底纱线和包裹在所述基底纱线表面的金属涂层。可以理解的是，所述金属导电丝和金属涂层的材质可以为金、银或铜等具有导电性的金属，所述金属涂层可通过蒸镀或溅镀的方式包裹在所述基底纱线表面。所述基底纱线为人造纤维或天然纤维，例如涤纶、丝素蛋白纤维等。因为所述湿度传感器2和电极线22均为纱线形态，所以可以通过加捻的方式将这二者进行连接。当湿度传感器2和电极线22其中一个损坏时，可轻易将这二者分开并进行更换。如图2所示，所述湿度传感器2通说电极线22与信号处理器3连接，图上只示出湿度传感器2一端的电极线22与信号处理器3连接，湿度传感器2另一端靠近呼吸孔14的电极线(图未示)埋入口罩本体1内表面和外表面的夹层中，在夹层中折向后与信号处理器3连接。

上述的湿度传感器2的工作原理：人体呼吸时鼻腔和口腔周围环境的湿度会随着呼吸的变化而变化，该湿度变化可引起湿度传感器2的电阻信号变化。当呼气时环境湿度变大，使得该湿度传感器2电阻变大；反之，当吸气时环境湿度变小，使得该传感器电阻变小，因而每次呼气与吸气间该湿度传感器2的电阻上升下降，因而通过信号处理器3采集和处理电阻变化信号后形成周期性的电阻信号图，用于表示呼吸频率信息。在这电阻信号图种包括代表呼气最大值的波峰信号和吸气最大值的波谷信号。除此之外，该湿度传感器2还可测量呼吸深度，当发现电阻信号图的波峰与波谷之间的幅度明显增大，则代表呼吸深度越强，即为深呼吸；反之，波峰与波谷之间的幅度明显减小，则代表呼吸深度越弱，即为浅呼吸。而对于呼吸骤停的信息测量在于，人体呼吸骤停时，鼻腔和口腔周围环境的湿度在一段时间内会基本保持不变，则电阻信号在此时间段内保持水平基本不变，以此来判断呼吸骤停信息。

信号处理器3，固定在所述口罩本体1，包括依次连接的信号采集模块31、信号处理模块32、无线信号传输模块33、电源模块和信号显示模块34，用于将所述湿度传感器2输出的信号转换成可视化数据；其中，所述信号采集模块31与湿度传感器2连接。

湿度传感器2的电极线22、信号采集模块31、信号处理模块32、无线信号传输模块33、电源模块与电路板上的连接线焊接，形成一个具有湿度检测功能的电路板。而信号显示模块34则与无线信号传输模块33进行无线连接。电源模块为整个电路提供电源，如图4所示，当湿度传感器2感受到鼻腔和口腔周围换将的湿度变化后，湿度感应纤维21的电阻发生变化，而与湿度传感器2连接的信号采集模块31采集到该电阻变化信号后传输给信号处理模块32。所述信号处理模块32包括信号放大单元322、滤波单元321以及信号分析单元323。由于电阻信号小，需先通过信号放大单元322放大后才能进入滤波单元321。滤波单元321可将电阻变化信号当中的干扰信号除去，而后通过信号分析单元323对电阻变化信号进行分析处理，得到相关的呼吸信号数据。然后呼吸信号数据通过无线信号传输模块33无线传输到信号显示模块34上。所述信号显示模块34接收到无线信号传输模块33发送的呼吸信号数据，而后在终端载体显示，所述终端可以是个人电脑或移动手机，做到实时检测呼吸信号数据。

可以理解的是，电源模块可以采用的是2000mAh的锂电池，无线信号传输模块33可以采用NRF52832主控蓝牙芯片，所述芯片兼具信号处理模块32当中的信号分析单元323的功能，还可通过蓝牙连接将湿度数据传输到信号显示模块34的终端。而信号采集模块31、信号处理模块32为现有技术，这里就不在赘述。

进一步地，本实用新型提供的可实时检测呼吸信号的口罩还包括夹持件，所述夹持件包括夹片和设置在所述夹片周缘的黏胶层，所述黏胶层与所述口罩本体1粘接以将所述信号处理器3固定在夹片和所述口罩本体1之间。在本实用新型的较佳实施例中，所述夹持件为布质材料，周缘的黏胶层为热塑性粘合衬，通过热压法将夹持件周缘与口罩部粘合，夹持件与口罩本体1形成的容置空间就可放置电路板，当电路板或湿度传感器2损坏时，也可通过拆卸夹持件对电路板维修或重新在电路板上重新焊接新的湿度传感器2。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的一种可实时检测呼吸信号的口罩，其制备步骤如下所示：

(1)湿度传感器的制备：

将5cm长的异形截面功能化纱线(购买公司：海盐金溢绢纺有限责任公司，其截面如图5所示)的两端与作为电极线22的铜丝进行连接，通过加捻的方式将铜丝连接固定在异形截面功能化纱线的两端，制成纱线状湿度传感器2。

(2)信号处理器的制备：

信号处理器3电路板的制备：将湿度传感器2的电极线22、信号采集模块31、信号处理模块32、NRF52832主控蓝牙芯片、锂电池在同一块电路板上的连接线进行焊接，而NRF52832主控蓝牙芯片与作为信号显示模块34的手机通过蓝牙连接。

(3)可实时检测呼吸信号的口罩的制备：

采用涤纶缝纫纱，将湿度传感器2采用平针法缝制在口罩的中间部13，再用夹持件采用热压法将电路板放置在夹持件与中间部13形成的容置空间中，就可得到可实时检测呼吸信号的口罩。

图6是实施例1提供的可实时检测呼吸信号的口罩在人体佩戴时深呼吸的信号图。在电阻信号图中可发现，代表呼气最大值的波峰值和吸气最大值的波谷值相差较大，且间隔时间长，代表了此时人体正在进行深呼吸运动，证明了本实施例提供的可实时检测呼吸信号的口罩可用于测量呼吸深度数据。

实施例2

本实施例提供的一种可实时检测呼吸信号的口罩，与实施例1不同之处在于：

(1)湿度传感器2的制备：

首先，将蚕丝除杂后放进质量分数为0.5％的碳酸氢钠溶液中进行脱胶，漂洗、烘干后获得丝素纤维。而后将丝素纤维置于9.5mol/L的LiBr溶液溶解、过滤后得到初始丝素蛋白溶液。将初始丝素蛋白溶液置于3500kDa的透析袋中进行透析，得到质量分数为40％丝素蛋白溶液。

其次，将丝素蛋白溶液与多壁碳纳米管溶液混合，得到纺丝液；其中，纺丝液中丝素蛋白与多壁碳纳米管的质量比为1：0.35。采用湿法纺丝工艺将纺丝液注入到乙醇中凝固得到初生纤维，初生纤维经由拉伸到4cm长度、在40～60℃条件下的水蒸汽处理后得到掺杂导电颗粒的丝素蛋白纤维，将此掺杂导电颗粒的丝素蛋白纤维作为湿度感应纤维21。

最后，将湿度感应纤维21两端与作为电极线22进行连接，电极线22为在涤纶表面蒸镀银材料形成的导电纱线。通过加捻的方式将导电纱线连接固定在湿度感应纤维21的两端，制成纱线状湿度传感器2。

图7是实施例2提供的可实时检测呼吸信号的口罩在人体佩戴时深呼吸的信号图。图8是实施例2提供的可实时检测呼吸信号的口罩在人体佩戴时出现呼吸骤停的信号图。图8的电阻信号图与图7的电阻信号图相比，可发现，图8的电阻信号图的电阻信号在某段时间内保持水平基本不变。这是由于人体呼吸骤停时，鼻腔和口腔周围环境的湿度在一段时间内会基本保持不变，湿度传感器2的电阻几乎不发生改变，证明了本实施例提供的可实时检测呼吸信号的口罩可用于测量呼吸骤停数据。

综上，本实用新型提供的可实时检测呼吸信号的口罩，可实时检测呼吸时候引起的鼻腔和口腔周围湿度的变化，来获得呼吸深度、呼吸频率以及呼吸骤停等信息，对未来应用于人体呼吸信号的实时监测具有较大的意义。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可实时检测呼吸信号的口罩，其特征在于，包括：

口罩本体，包括分别包覆两侧脸颊的左部、右部和连接所述左部和右部且包覆鼻腔及口腔的中间部；

湿度传感器，固定于所述口罩本体，包括湿度感应元件及固定连接在所述湿度感应元件两端的电极线；

信号处理器，固定在所述口罩本体，包括依次连接的信号采集模块、信号处理模块、无线信号传输模块、电源模块和信号显示模块，用于将所述湿度传感器输出的信号转换成可视化数据；其中，所述信号采集模块与所述湿度传感器连接。

2.根据权利要求1所述的可实时检测呼吸信号的口罩，其特征在于，所述湿度感应元件为纱线形状的湿度感应纤维。

3.根据权利要求2所述的可实时检测呼吸信号的口罩，其特征在于，所述湿度感应纤维为单根感应纤维；或者为缠绕在一起的多根感应纤维；其中，所述感应纤维包括丝素蛋白纤维和掺杂在所述丝素蛋白纤维中的导电颗粒，采用湿法纺丝制得。

4.根据权利要求2所述的可实时检测呼吸信号的口罩，其特征在于，所述感应纤维的直径为20～30μm，长度为1cm～6cm。

5.根据权利要求1所述的可实时检测呼吸信号的口罩，其特征在于，所述中间部为立体结构，不与鼻腔及口腔贴合。

6.根据权利要求1所述的可实时检测呼吸信号的口罩，其特征在于，所述湿度传感器固定于所述中间部的内表面上。

7.根据权利要求1所述的可实时检测呼吸信号的口罩，其特征在于，所述湿度传感器的位置与人体脸部的人中位置相对应。

8.根据权利要求7所述的可实时检测呼吸信号的口罩，其特征在于，所述湿度传感器的长度方向与人体唇部的长度方向一致。

9.根据权利要求2所述的可实时检测呼吸信号的口罩，其特征在于，所述电极线通过加捻方式连接在所述湿度感应纤维两端。

10.根据权利要求1所述的可实时检测呼吸信号的口罩，其特征在于，还包括夹持件，所述夹持件包括夹片和设置在所述夹片周缘的黏胶层，所述黏胶层与所述口罩本体粘接以将所述信号处理器固定在夹片和所述口罩本体之间。