CZ202334A3 - Senzor dechu pro roušku - Google Patents
Senzor dechu pro roušku Download PDFInfo
- Publication number
- CZ202334A3 CZ202334A3 CZ2023-34A CZ202334A CZ202334A3 CZ 202334 A3 CZ202334 A3 CZ 202334A3 CZ 202334 A CZ202334 A CZ 202334A CZ 202334 A3 CZ202334 A3 CZ 202334A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- thermistor
- voltage
- ntc thermistor
- sensor
- breath
- Prior art date
Links
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 230000036387 respiratory rate Effects 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011157 data evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 description 1
- 230000002458 infectious effect Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 210000004072 lung Anatomy 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 208000023504 respiratory system disease Diseases 0.000 description 1
- 238000002644 respiratory therapy Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/08—Measuring devices for evaluating the respiratory organs
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A41—WEARING APPAREL
- A41D—OUTERWEAR; PROTECTIVE GARMENTS; ACCESSORIES
- A41D13/00—Professional, industrial or sporting protective garments, e.g. surgeons' gowns or garments protecting against blows or punches
- A41D13/05—Professional, industrial or sporting protective garments, e.g. surgeons' gowns or garments protecting against blows or punches protecting only a particular body part
- A41D13/11—Protective face masks, e.g. for surgical use, or for use in foul atmospheres
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M16/00—Devices for influencing the respiratory system of patients by gas treatment, e.g. ventilators; Tracheal tubes
- A61M16/06—Respiratory or anaesthetic masks
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Pulmonology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Physical Education & Sports Medicine (AREA)
- Emergency Medicine (AREA)
- Hematology (AREA)
- Anesthesiology (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Physiology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Surgery (AREA)
- Respiratory Apparatuses And Protective Means (AREA)
Abstract
Řešení se týká senzoru zaznamenávajícího charakteristiku dechu, který je tvořen NTC termistorem (2), napěťovým děličem (3), výdechovým ventilem (4), hardwarovým analogovým filtrem (5), mikrokontrolerem (6) a A/D převodníkem (7), kde NTC termistor (2) je zapojen do obvodu napěťového děliče (3) a je v e-roušce mechanicky upevněn před výdechovým ventilem (4), přičemž NTC termistor (2) je pomocí vodičů propojen s hardwarovým analogovým filtrem (5) a hardwarový analogový filtr (5) je dále prostřednictvím A/D převodníku (7) propojen s mikrokontrolerem (6). Senzor podle předloženého vynálezu lze využít k měření frekvence vydechovaného vzduchu zejména u respirátorů a roušek.
Description
Senzor dechu pro roušku
Oblast techniky
Vynález se týká senzoru zaznamenávajícího charakteristiku dechu.
Dosavadní stav techniky
Vlivem nedávné pandemie nakažlivých respiračních onemocnění se značně rozšířilo nošení roušek a respirátorů. Pasivní nošení roušek je dnes již standardním stavem, pokud ovšem není potřeba monitorovat stav roušky na základě délky jejího nošení. V případě dlouhodobého nošení roušky, bez její výměny, roste riziko vzniku plísní a rozvoje bakterií, které mají v roušce příhodné podmínky pro svůj rozvoj. Cílem předkládaného vynálezu je podat senzorický systém pro nositelné roušky, který by byl schopen sebeevaluace z pohledu provozních parametrů, a který by zároveň informoval uživatele o nutnosti výměny filtru, popř. oznamoval jiné důležité informace související s jeho zdravotním stavem.
Metody a zařízení pro měření a hodnocení dechu využívají senzory pracující na bázi změn fyzikálních, případně chemických vlastností. Např. metoda a zařízení popsaná v přihlášce AU 2020 417750 využívá pro měření dechu senzory pracující na základě změny tlaku v trubici při inhalaci. Tohoto principu využívá i řešení popsané v přihlášce US 2022096777, kde je dechový senzor pro sledování plynulosti dechu při respirační terapii umístěn v nosní kanyle.
Jiný přístup je popsán v přihlášce AU 2020417219, kde je uveden přístroj pro kalibraci senzoru dechu se vzorkovací jednotkou s pouzdrem konfigurovaným pro příjem vzorku dechu. Senzor umístěný v pouzdru detekuje koncentraci oxidu uhelnatého ve vzorku dechu. Na základě změn v úrovni koncentrace oxidu uhelnatého v čase lze pak senzor dechu kalibrovat.
Dalším přístupem k monitorování dechu pak může být využití změny odporu na základě mechanické deformace senzoru z ohebného materiálu. Např. užitný vzor CZ 3632601 popisuje senzor dechu, který je umístěn ve dvojici ochranných pouzder, které jsou uchyceny na povrchu oděvu na hrudi nositele, a je tvořen ohebným páskem zalitým do epoxidu. Senzor obsahuje grafen, který vytváří elektricky vodivou dráhu, která při ohybu senzoru mění elektrický odpor.
Žádné z uvedených řešení známých ze stavu techniky však nevyužívá změnu teploty termistoru ovlivněnou změnou teploty vzduchu vydechovaného nositelem tak, jak je tomu u níže předkládaného vynálezu.
Podstata vynálezu
Senzorem dechu podle tohoto vynálezu je myšleno zařízení sloužící k monitorování frekvence nádechů a výdechů.
Hlavním prvkem senzoru dechu je NTC (Negative Temperature Coefficient) termistor. Termistor je součástka, která mění svůj elektrický odpor na základě své teploty. Označení NTC znamená, že má negativní charakteristiku, tedy že při zvyšující se teplotě jeho elektrický odpor klesá a naopak.
Tento termistor je v roušce podle předkládaného vynálezu mechanicky upevněn před výdechovým ventilem, např. jak je ilustrováno v obrázku 1.
- 1 CZ 2023 - 34 A3
Při výdechu, ohřátý vzduch z plic ofúkuje termistor a zahřívá jej. Elektrický odpor termistoru tedy začne při výdechu klesat. Při nádechu, se termistor zpravidla mírně ochladí, protože okolní teplota bývá obvykle nižší než teplota vydechovaného vzduchu. Pro samotnou konstrukci senzoru dechu byl vybrán termistor, který je rozměrově velmi malý. Díky takto malé konstrukci má termistor velice malou tepelnou kapacitu, a tak mění svou teplotu téměř okamžitě vzhledem k podnětu na změnu teploty. Na jeho vývody jsou připájeny vodiče s velmi malým průřezem (0,05 mm2) proto, aby byl omezen přenos tepla z termistoru do připojených vodičů. Příklad takového připojení vodiče k termistoru je ilustrativně znázorněn na obrázku 2.
Odpor termistoru není možné měřit přímou metodou, v rámci zjištění odporu se snímá napětí na termistoru. Napětí je stejnosměrné a pro účely dalšího zpracování je digitalizováno pomocí A/D převodníku.
NTC termistor je tak potřeba zapojit do obvodu napěťového děliče. K termistoru je tedy sériově připojen rezistor. Součet odporu tohoto rezistoru a odporu NTC termistoru definuje protékající proud. Protékající proud pak definuje úbytek napětí na NTC termistoru podle rovnice (1), kde U2 je úbytek napětí na termistoru, U1 je napájecí napětí celého obvodu, R1 je předřadný rezistor a R2 je hodnota odporu NTC termistoru.
U2 = U!
2 1 Rj+FL·, (1)
Příklad zapojení napěťového děliče je na obrázku 3.
Výstupní napětí z napěťového děliče je připojeno na hardwarový analogový filtr typu dolní propust. Filtr typu dolní propust je realizován pomocí rezistoru a kondenzátoru. Schéma takového filtruje zobrazeno na obrázku 4.
Mezní frekvence, tedy frekvence, od které filtr začíná svou funkcí snižovat amplitudu signálu je definovaná hodnotami použitých součástek podle rovnice (2), kde fc je mezní frekvence, R je hodnota odporu rezistoru a C je kapacita kondenzátoru.
L Ζ-π-R-C (2)
Graficky je pak přenos filtru tohoto typu znázorněn frekvenční charakteristikou, zobrazenou na obrázku 5.
Filtr typu dolní propust signály o frekvenci nižší, než je mezní frekvence propouští bez útlumu a signály s vyšší frekvenci tlumí. Standartní frekvence změny napětí pří snímání dechu je předpokládaná 2 Hz, tedy 2 nádechy za 1 sekundu. Mezní frekvence je tedy stanovena s dostatečným odstupem o této předpokládané hodnoty pro odstranění vysokofrekvenčního rušení.
Vysokofrekvenční rušení, které zatěžuje měřený průběh, by znesnadňovalo správné vyhodnocení průběhu napětí po digitalizaci signálu A/D převodníkem v použitém mikrokontroleru. Na obrázku 6 je ukázka průběhu změřeného na vstupu filtru. Signál je tedy zatížen vysokofrekvenčním rušením a na obrázku 7 je ukázka průběhu napětí měřeného na výstupu filtru, kde je rušení již odfiltrováno.
Výstup analogového filtruje připojen k analogově digitálnímu převodníku, který je integrovaný v mikrokontroleru. A/D převodník je použit pro efektivní digitalizaci měřeného průběhu. Digitalizace napěťového signálu z NTC termistoru je nezbytná pro další numerické zpracování a
-2CZ 2023 - 34 A3 vyhodnocení dat v použitém mikrokontroleru.
A/D převodník nejprve napěťový průběh navzorkuje v časové oblasti. V čase se určí okamžiky, kdy je snímáno napětí na termistoru. Napěťový průběh je tedy rozdělen na jednotlivé body vzorky v časové oblasti. Jednotlivé vzorky jsou pak v dalším kroku kvantovány na jednotlivé úrovně. Každé z těchto úrovní je přiřazena digitální hodnota, pomocí které je pak interpretován analogový měřený vzorek. Když je tento jeden vzorek digitalizován, probíhá v dalším kroku samotné zpracování napěťového průběhu ve formě výpočtu dechové frekvence.
Prvním krokem v samotném zpracování digitalizovaných dat je výpočet diskrétní derivace. Derivace je počítána jako rozdíl nového změřeného vzorku a vzorku získaného v minulém měření. Dalším krokem je vyhodnocení, zdaje derivace kladná a průběh napětí ze senzoru dechu tedy stoupá, nebo je derivace záporná a průběh napětí klesá. Pokud je 10 takovýchto po sobě jdoucích derivací záporných, je vyhodnoceno, že průběh napětí spolehlivě klesá a je vynulováno počítadlo kladných derivací. Pokud je 10 po sobě jdoucích derivací kladných, je vyhodnoceno, že průběh napětí spolehlivě stoupá. V tom případě je uložen časový údaj, kdy k tomuto stavu došlo a od tohoto časového údaje je odečten časový údaj, kdy k tomuto stavu došlo v předchozím případě. Rozdíl těchto dvou časových údajů je požit při počítání dechové frekvence. Podle vzorce (3) se vypočte počet nádechů za jednu minutu.
V , o 60000 počet nádechu =----— rozdíl času (3)
Objasnění výkresů
Vynález je blíže ilustrován pomocí výkresů, kde na:
obrázku 1 je znázorněno umístění senzoru v respirátoru, obrázku 2 příklad připojení vodiče k termistoru, obrázku 3 příklad zapojení napěťového děliče, obrázku 4 schéma filtru typu dolní propust, obrázku 5 amplitudová charakteristika filtru typu dolní propust, obrázku 6 průběh napětí na termistoru zatížení vysokofrekvenčním rušením, obrázku 7 průběh napětí na výstupu filtru.
Příklad uskutečnění vynálezu
Senzor dechu pro roušku je tvořen NTC termistorem o rozměrech 1,5 x 0,8 x 0,4 mm, kde NTC termistor je zapojen do obvodu napěťového děliče a je v roušce mechanicky upevněn před výdechovým ventilem. NTC termistor je pomocí vodičů propojen s hardwarovým analogovým filtrem a hardwarový analogový filtr je dále prostřednictvím A/D převodníku propojen s mikrokontrolerem.
Osoba používající roušku vydechuje vzduch, který tepelně působí na NTC termistor. Vydechovaný vzduch dále proudí výdechovým ventilem ven z prostoru roušky. Tepelně
-3 CZ 2023 - 34 A3 ovlivněný NTC termistor mění svůj elektrický odpor a na napěťovém děliči se vytvoří odpovídající úbytek napětí. Prostřednictvím vodičů je hodnota napětí odpovídající tomuto úbytku na termistoru přivedena na analogový hardwarový filtr. Analogový filtr je typu dolní propust s mezní frekvencí 2,57 Hz a sníží amplitudu všech napětí s frekvencí nad touto hranicí.
Analogovým filtrem upravené napětí je prostřednictvím A/D převodníku přivedeno do mikrokontroleru.
Mikrokontroler analyzuje hodnoty napětí a na jejich základě vypočte dechovou frekvenci osoby nosící roušku. Údaj o dechové frekvenci je pak možné odeslat k dalšímu zpracování.
Průmyslová využitelnost
Senzor podle předloženého vynálezu lze využít k měření frekvence vydechovaného vzduchu 15 zejména u respirátorů a roušek.
Claims (1)
1. Senzor dechu pro roušku, vyznačující se tím, že je tvořen NTC termistorem, napěťovým děličem, výdechovým ventilem, hardwarovým analogovým filtrem, mikrokontrolerem a A/D 5 převodníkem, kde NTC termistor je zapojen do obvodu napěťového děliče a je v roušce mechanicky upevněn před výdechovým ventilem, přičemž NTC termistor je pomocí vodičů propojen s hardwarovým analogovým filtrem a hardwarový analogový filtr je dále prostřednictvím A/D převodníku propojen s mikrokontrolerem.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2023-34A CZ310098B6 (cs) | 2023-01-30 | 2023-01-30 | Senzor dechu pro roušku |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2023-34A CZ310098B6 (cs) | 2023-01-30 | 2023-01-30 | Senzor dechu pro roušku |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ202334A3 true CZ202334A3 (cs) | 2024-08-07 |
| CZ310098B6 CZ310098B6 (cs) | 2024-08-07 |
Family
ID=92107886
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2023-34A CZ310098B6 (cs) | 2023-01-30 | 2023-01-30 | Senzor dechu pro roušku |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ310098B6 (cs) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10561863B1 (en) * | 2012-04-06 | 2020-02-18 | Orbital Research Inc. | Biometric and environmental monitoring and control system |
| CN108904939A (zh) * | 2018-07-24 | 2018-11-30 | 河南科技大学第附属医院 | 一种心内科双重呼吸装置 |
| CN209106371U (zh) * | 2018-07-26 | 2019-07-16 | 温州大学 | 一种用于呼吸检测的智能口罩 |
-
2023
- 2023-01-30 CZ CZ2023-34A patent/CZ310098B6/cs unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ310098B6 (cs) | 2024-08-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU722212B2 (en) | Apparatus and method for monitoring and analysing breathing | |
| EP1789142B1 (en) | Disposable sleep and breathing monitor | |
| US6544192B2 (en) | Patient monitor and method of using same | |
| JP3641431B2 (ja) | 患者監視装置及びその使用法 | |
| EP1906829B1 (en) | Method and device for measurement of exhaled respiratory gas temperature | |
| US6216702B1 (en) | Internal registration of gas/air—and other fluid flows in a human body and use of pressure sensors for such registration | |
| US20210022643A1 (en) | Method and apparatus for measuring airway resistance and lung compliance | |
| EP2236080B1 (en) | Sensor | |
| JP6566047B2 (ja) | 体温計 | |
| US4326404A (en) | Respiratory monitor | |
| JP2010131264A (ja) | 呼吸気情報測定センサ | |
| Stemler et al. | Effects of respiratory equipment on endurance in hard work | |
| CZ202334A3 (cs) | Senzor dechu pro roušku | |
| CN118697323A (zh) | 一种针对慢阻肺患者呼吸流量的数字疗法管理系统 | |
| US10945636B2 (en) | Temperature based respiratory detection | |
| Presti et al. | Feasibility assessment of an FBG-based soft sensor embedded into a single-use surgical mask for respiratory monitoring | |
| JP2022500206A (ja) | 呼吸測定のための方法および装置 | |
| Polgar | Comparison of methods for recording respiration in newborn infants | |
| JP3141088U (ja) | 睡眠時無呼吸検出装置 | |
| Small et al. | Monitoring of Respiration by Means of an Additively Manufactured Barium Titanate-based Hygroscopic Sensor | |
| Shaikh et al. | Respiratory parameter measurement and analysis using differential pressure sensor | |
| CN209826731U (zh) | 一种睡眠呼吸障碍检测装置 | |
| Scotti | LIFE sensorized garments for noninvasive and continuous respiratory monitoring: validation in different experimental conditions | |
| JP2007260127A (ja) | 呼吸測定器、並びに、睡眠状態判定システム |