防污染面罩及控制方法
阅读：294发布：2021-04-13
专利汇可以提供防污染面罩及控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开 实施例 涉及面罩和控制方法。所述控制方法包括监测面罩的 风 扇转速或风扇转速的变化，并由此获得与整个风扇上的压 力 波动 幅度相关的第一值和与压力波动速率相关的第二值。之后，可以基于第一值和第二值来确定面罩是否被佩戴。这提供了对面罩是否被佩戴的可靠检测，并且只需要少量的风扇旋转 信号 采样 数据，因此节省了功率。，下面是防污染面罩及控制方法专利的具体信息内容。
1.一种面罩，包括：
空气腔室(18)；
过滤器(16)，用于过滤空气；
风扇(20)，用于将空气从所述空气腔室(18)外部吸入所述空气腔室内部，和/或将空气从所述空气腔室内部吸至所述外部；
用于确定所述风扇的转速的装置(34、36)；以及
控制器(30)，其特征在于，所述控制器适于：
从所确定的风扇转速或风扇转速的变化导出第一值和第二值，所述第一值在所述面罩被佩戴时与呼吸深度相关，所述第二值在所述面罩被佩戴时与呼吸速率相关；以及基于所述第一值和所述第二值来确定所述面罩是否被佩戴。
2.根据权利要求1所述的面罩，其中，所述第一值是采样窗内的风扇转速的最大摆幅，并且所述控制器适于将第一阈值设定为所述第一值。
3.根据权利要求2所述的面罩，其中，所述第一阈值取决于平均风扇转速。
4.根据权利要求2或3所述的面罩，其中，所述第二值是基于所述风扇转速的连续的最大值与最小值之间的时间的频率。
5.根据权利要求4所述的面罩，其中，所述控制器适于在所述第一值超过所述阈值、并且所述第二值位于预定范围内时，确定检测到呼吸，并且因此确定面罩被佩戴。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的面罩，其中，在检测呼吸的同时，以取决于所述第二值的速率对所述风扇转速进行采样。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的面罩，其中，所述控制器适于施加时间段，在所述时间段内，在确定所述面罩未被佩戴之前必须连续地检测不到呼吸。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的面罩，其中，所述控制器适于在确定所述面罩未被佩戴的条件下关闭所述风扇。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的面罩，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装置包括所述电机的内部传感器。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的面罩，其中，用于确定转速的所述装置(36)包括电路，所述电路用于检测至驱动所述风扇的电机的电源上的纹波。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的面罩，其中，所述控制器(30)适于从导出的压力或压力变化来确定呼吸循环，并且适于：
根据所述呼吸循环的阶段来控制出口阀(22)；和/或
在吸气时间的过程中关闭所述风扇。
12.根据权利要求1-11中任意一项所述的面罩，还包括：
检测电路，用于检测当所述风扇没有被电驱动时，由所述风扇的旋转引起的感应电流峰值或感应电压值峰；以及
启动电路，用于响应于所述检测电路的输出而启动所述风扇的电驱动。
13.一种用于控制防污染面罩的非治疗性的方法，其中，所述防污染面罩不是用于向患者输送治疗的面罩，所述方法包括：
用风扇将气体吸入和/或吸出所述面罩的空气腔室，所述面罩直接形成所述空气腔室与位于所述空气腔室外部的周围环境之间的边界；以及
确定所述风扇的转速，
其特征在于，所述方法还包括：
从所确定的风扇转速或风扇转速的变化导出第一值和第二值，所述第一值在所述面罩被佩戴时与呼吸深度相关，所述第二值在所述面罩被佩戴时与呼吸速率相关；以及基于所述第一值和所述第二值来确定所述面罩是否被佩戴。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一值是采样窗内的风扇转速的最大摆幅，并且所述方法包括将第一阈值设定为所述第一值，其中所述第二值是基于所述风扇转速中的连续的最大值与最小值之间的时间的频率，并且其中所述方法还包括：当所述第一值超过所述阈值、并且所述第二值位于预定范围内时，确定检测到呼吸，并且因此确定所述面罩被佩戴。
15.根据权利要求13或14所述的方法，包括：如果检测到所述面罩未被佩戴，则关闭所述风扇。
防污染面罩及控制方法
技术领域
背景技术
[0002] 据世界卫生组织(WHO)估计，每年有400万人死于空气污染。这一问题部分源于城市的室外空气质量。其中最差的是印度的城市，如德里，其年度污染水平超过推荐水平的10倍。众所周知，北京的年均污染水平是推荐安全水平的8.5倍。然而，即使在像伦敦、巴黎和柏林等欧洲城市，污染水平也高于WHO推荐的水平。
[0003] 由于该问题在短时间内无法显著改善，解决这一问题的唯一方法就是戴上面罩，面罩通过过滤提供更清洁的空气。为了提高舒适性和有效性，可以在面罩上添加一个或两个风扇。这些风扇在使用期间被接通，并且通常以恒定电压使用。出于效率和寿命原因，这些风扇通常是电换向无刷DC风扇。
[0005] 此外，在传统非动力面罩中，吸气还会引起面罩内轻微的负压，从而导致污染物泄漏至面罩中，如果是有毒物质，这种泄漏可能证明是危险的。动力面罩稳定地向面部输送气流，并且可以，例如，提供轻微的正压，其可以通过呼气阀的阻力来确定，以确保任意泄漏是向外而非向内的。
[0006] 如果风扇的操作或速度可以调节，则存在若干优点。这可以用于通过在吸气和呼气序列期间更适当的通气来改善舒适度，或者可以用于提高电效率。后者转化为更长的电池寿命或增加的通风。这两个方面都需要改进现有设计。
[0007] 为了调节风扇速度，可以测量面罩内的压力，并且压力和压力变化都可以用于控制风扇。
[0008] 例如，面罩内的压力可以用压力传感器测量，并且风扇速度可以根据传感器测量而变化。压力传感器非常昂贵，因而希望提供一种监测面罩内压力的替代方法。这些压力信息可以用于控制动力面罩内的风扇，但也可以用作需要压力信息的任意其它基于风扇的系统的一部分。
[0009] 风扇操作面罩是电池供电装置，因而希望尽可能地降低功耗和成本。一个问题在于，当面罩未被佩戴时，风扇可能仍然打开，这会导致不必要的功耗。可以提供专用于检测面罩何时被佩戴的传感器，但是这会增加呼吸面罩的成本。
[0011] 因此，希望找到一种检测面罩佩戴的低成本解决方案，从而能够检测从佩戴到未佩戴和/或从未佩戴到佩戴的转变。
[0012] WO2018/215225公开了一种解决方案，其中，风扇的转速用于代表压力测量。基于风扇的转速确定压力或压力变化。使用该压力信息，可以判断面罩是否被佩戴。
[0013] 当检测到压力变化下降至阈值以下时，判断面罩未被佩戴并且风扇可以关闭。
[0015] 特别地，如果采用低采样速率，可能会出现即使面罩仍然被佩戴也会关闭的情况。如果系统采样速率过低，虽然功耗很低，但可能无法获得可靠的呼吸信号。例如，如果采样速率过低，说话期间呼吸信号中的短尖峰可能会被遗漏。从而可能产生错误的关闭信号。
[0016] 如果系统采样速率过高，可以很好地跟踪呼吸，但也会包含背景噪声，并且功耗很高。
[0017] 如果用户正在说话，用户的呼吸会比正常呼吸浅得多，因此可能会检测不到。简单地设置不同的阈值可能并不合适，因为即使面罩没有被佩戴，基于对不是呼吸结果的轻微压力变化的检测，面罩也可能被打开。
[0018] EP0661071公开了一种用于在持续气道正压(CPAP)治疗的实施中自动停止-启动控制的设备和方法。当确定患者佩戴面罩时，启动CPAP治疗的实施。相反地，当确定患者不再佩戴面罩时，停止CPAP治疗的实施。在一个实例中，可以基于对流发生器的供电电流的分析来判断面罩是否被佩戴。
[0019] 仍然需要更精确的呼吸检测，并且需要一种避免处理大量采样风扇旋转数据的方式。
发明内容
[0021] 根据本发明一个方面的实施例，提供一种防污染面罩，包括：
[0022] 空气腔室；
[0023] 过滤器，例如直接形成空气腔室与空气腔室外部的周围环境之间的边界的过滤器；
[0024] 风扇，用于将空气从空气腔室外部吸入空气腔室内部，和/或将空气从空气腔室内部吸至外部；
[0025] 用于确定风扇转速的装置；以及
[0026] 控制器，控制器适用于：
[0027] 从所确定的风扇转速或风扇转速的变化导出第一值和第二值，当面罩被佩戴时，第一值与呼吸深度相关，第二值与呼吸速率相关；并且
[0028] 基于第一值和第二值判断面罩是否被佩戴。
[0029] 第一值与检测到呼吸时的呼吸深度相关，这意味着第一值与呼吸深度之间存在正相关。第二值与检测到呼吸时的呼吸速率相关，这意味着第二值与呼吸速率之间存在正相关。
[0030] 更一般地，例如，第一值可以涉及(即与之相关)整个风扇上的压力波动幅度(无论该压力波动是否是由呼吸引起的)，并且例如，第二值可以涉及(即与之相关)压力波动速率(无论该压力波动速率是否是由呼吸引起的)。“压力波动速率”是指由呼吸引起的周期性压力波动速率，而不是瞬时压力变化率。当面罩被佩戴并正常使用时，压力波动是由呼吸引起的，而当面罩未被佩戴时，任何检测到的压力波动将由其它因素引起。
[0031] 本发明涉及一种防污染面罩。这意味着一种主要目的在于过滤用户呼吸的环境空气的装置。面罩不进行任何形式的患者治疗。特别地，由风扇操作导致的压力水平和流动仅旨在帮助提供舒适性(通过影响空气腔室内的温度或相对湿度)和/或帮助提供穿过过滤器的气流而无需用户显著的额外呼吸努力。与用户没有佩戴面罩的情况相比，面罩不提供全面呼吸辅助。
[0032] 在该系统中，风扇速度(对于驱动空气进入腔室和/或将空气从腔室排出的风扇)可以用于压力测量的代表。为了测量风扇速度，可以使用风扇本身，从而不需要附加传感器。在正常使用中，腔室可以封闭，从而使腔室内的压力波动对风扇的负载条件具有影响，并进而改变风扇电特性。类似地，风扇电特性可以确定腔室的性质，例如腔室的容积，以及腔室是开放还是封闭容积。
[0033] 为了检测面罩是否已佩戴，分析风扇旋转信号以避免假阳性(即面罩被错误地检测为未佩戴)和假阴性(面罩被错误地检测为已佩戴)。这通过考虑压力波动水平和循环压力波动速率来实现，压力波动水平指示检测到呼吸时的呼吸深度，循环压力波动速率指示检测到呼吸时的呼吸速率。这样不仅可以检测正常呼吸(如在申请人已经提出但未公开的解决方案中)，还可以检测说话期间相关的压力波动。从而实现了以更低的采样速率可靠地检测呼吸。
[0034] 通过确定面罩是否被佩戴，面罩设计实现了在面罩未被佩戴时节省功率而无需任何附加传感器。特别地，如果没有检测到整个面罩上的压差，则表示两侧均处于大气压下，面罩未被佩戴。实际上，不再有封闭或部分封闭的腔室，从而使空气腔室向大气开放。如果检测到面罩未被佩戴，则可以关闭风扇。可以为该检测设置阈值，但通过额外考虑循环压力波动速率来避免错误的检测结果。
[0035] 例如，第一值是采样窗内风扇转速的最大摆幅，并且控制器适于将第一阈值设定为第一值。该摆动代表压力波动的程度，因此对于呼吸来说，其与呼吸深度相关。
[0036] 采样窗选择为足以获取至少一个完整呼吸循环，例如6秒，以在10次呼吸/分的最低呼吸速率下获取完整呼吸循环。窗内数据采样速率可以选择为尽可能低，以节省功率和数据处理。采样速率可以是固定的，从而可以应付最快的呼吸速率。例如，对于30次呼吸/分的最快呼吸速率，采样速率可以是2Hz(最大呼吸频率的4倍)。
[0037] 然而，一种替代选择是在检测呼吸时，以取决于第二值的速率对风扇转速进行采样。这样可以保持最低采样速率以节省功率，
[0038] 例如，第一阈值取决于平均风扇转速。因此，由呼吸引起的风扇转速的变化可以取决于风扇转速本身。当风扇被驱动至更快速度时，给定呼吸模式可能会导致风扇转速的更大变化。
[0039] 平均风扇转速可以通过先前样本的测量获得，或者可以从控制器施加给风扇的驱动信号得知。这两种选择均旨在包含在本发明范围内。
[0040] 例如，第二值是基于风扇转速的连续的最大值和最小值之间的时间的频率。对于呼吸来说，即呼吸周期的一半。
[0041] 然后，控制器可以适用于在第一值超过阈值并且第二值位于预定范围内时，确定检测到呼吸并进而确定面罩被佩戴。因此，为了检测呼吸，需要检测特定呼吸深度和特定范围的呼吸速率。
[0042] 例如，预定范围为12-30个循环/分，对应于呼吸速率的典型范围。
[0043] 控制器可以适用于施加下述时间段：在该时间段内，必须连续地检测不到呼吸，然后才能确定面罩未被佩戴。这样降低了错误地关闭风扇的风险。
[0044] 过滤器，例如，直接形成空气腔室与空气腔室外部的周围环境之间的边界。这提供了一种紧凑布置，避免了对流输送通道的需求。这意味着用户能够通过过滤器吸气。过滤器可以具有多个层。例如，外层可形成面罩的主体(例如织物层)，而内层可用于去除更精细的污染物。然后，内层可以是可移除的以便于清洁或更换，但是，可以认为两个层共同构成过滤器，因为空气能够穿过该结构，并且该结构执行过滤功能。
[0045] 因此，过滤器优选包括空气腔室的外壁及可选的一个或多个其它过滤层。这提供了特别紧凑的布置，并且能够实现大的过滤面积，因为面罩主体执行过滤功能。因此，当用户吸气时，环境空气通过过滤器直接提供给用户。
[0046] 空气腔室内使用的最大压力，例如，低于4cm H2O，例如低于2cm H2O，例如低于1cm H2O，高于空气腔室外部的压力。如果风扇用于在空气腔室内提供增加的压力(例如在吸气期间进入空气腔室的流)，则仅需要提供很小的增加的压力，例如，以帮助用户吸气。
[0047] 风扇可以仅用于将空气从空气腔室内部抽吸至外部。这样，即使是在呼气期间，也可以促进新鲜的过滤空气到空气腔室的供应，进而提高用户的舒适度。在这种情况下，空气腔室内的压力可以一直低于外部(大气)压力，从而使新鲜空气总是被供应至面部。
[0048] 在一个实例中，风扇由电子换向无刷电机驱动，并且用于确定转速的装置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实现电机的旋转。电机甚至可以具有输出端口，内部传感器输出设置在输出端口上。因此，存在承载适用于确定转速的信号的端口。
[0049] 替代地，用于确定转速的装置可以包括用于检测供应至驱动风扇的电机的电力供应纹波的电路。该纹波源自通过电机线圈的合闸电流，由于输入电压源的有限阻抗，导致供电电压的感应变化。
[0050] 风扇可以是双线风扇，并且用于检测波动的电路包括高通滤波器。对于已经不具有合适风扇速度输出的电机的附加电路需求可以保持为最小。
[0051] 面罩还可以包括出口阀，用于可控地将空气腔室与外部通风。出口阀可以包括被动压力调节止回阀或主动驱动电可控阀。这可以用于使面罩更舒适。在吸气期间，通过关闭阀(主动地或被动地)防止未过滤的空气被吸入。在呼气期间，打开阀以排出呼出的空气。
[0052] 控制器可以适用于确定呼吸循环，并且根据呼吸循环的阶段控制可控阀。因此，压力监测提供了一种简单的方式来确定吸气阶段，这可以随后用于控制面罩的通气阀的时机，或判断面罩是否被佩戴及是否被使用。
[0053] 控制器可以适用于在吸气期间关闭风扇。这可以用于节省功率。如果以这种方式构造，在吸气期间关闭风扇对于通过过滤器呼吸没有困难的用户来说是期望的，可以节省功率。
[0054] 因此，该系统可以使面罩能够在不同模式下操作，并且在面罩未被佩戴时关闭。
[0055] 面罩可以进一步包括：
[0056] 检测电路，用于检测当风扇没有被电驱动时，由风扇的旋转引起的感应电流或电压尖峰；以及
[0057] 启动电路，用于响应检测电路的输出，启动风扇的电驱动。
[0058] 该特征实现了在面罩被佩戴时，通过检测由风扇的手动旋转引起的电尖峰来启动风扇。当风扇未被电驱动时，例如，这种旋转由佩戴面罩并通过风扇呼吸的用户引起。然后，检测这些移动以提供风扇的自动开启。这种方法不需要主动感测面罩被佩戴，而是相反地，由用户的呼吸为感测功能提供能量。感测可以低开销且低功耗地集成在风扇电路中。
[0059] 这样，风扇可以用作传感器，用于检测面罩从佩戴状态到非佩戴状态以及从非佩戴状态到佩戴状态的转变。
[0060] 根据本发明另一方面的实例提供了一种防污染面罩的控制方法，包括：
[0061] 使用风扇将气体吸入和/或抽出面罩的空气腔室，面罩直接形成空气腔室与空气腔室外部的周围环境之间的边界；
[0062] 确定风扇转速；
[0063] 从所确定的风扇转速或风扇转速的变化导出第一值和第二值，当面罩被佩戴时，第一值与呼吸深度相关，第二值与呼吸速率相关；以及
[0064] 基于第一值和第二值判断面罩是否被佩戴。
[0065] 第一值可以是采样窗内风扇转速的最大摆幅，并且该方法包括将第一阈值设定为第一值，第二值可以是基于风扇转速的连续最大值和最小值之间的时间的频率，并且该方法还可以包括当第一值超过阈值并且第二值位于预定范围内时，确定检测到呼吸并且进而确定面罩被佩戴。
[0066] 如果检测到面罩未被佩戴，则可以关闭风扇。
[0067] 因此，风扇速度用于针对压力测量或相对压力测量的代表，并且这种代表测量用于基于呼吸深度和呼吸速率来检测面罩是否被佩戴。这两者必须与用户的呼吸一致。
[0068] 该方法可以包括用电子换向无刷电机驱动风扇，并且用电机的内部传感器确定转速。替代地，转速可以通过检测供应至驱动风扇的电机的电力供应上的纹波获得。这可以应用于任意类型的电机，例如传统有刷DC电机。
[0069] 面罩可以包括电可控阀，用于可控地将空气腔室与外部通风。然后，可以从压力监测系统确定呼吸循环，并且该方法可以包括根据呼吸循环的阶段控制可控阀。替代地，面罩可以简单地具有压力调节释放阀。附图说明
[0070] 下面将结合附图详细描述本发明的实施例，其中：
[0071] 图1示出被实现为面罩的一部分的压力监测系统；
[0072] 图2示出压力监测系统的部件的一个实例；
[0073] 图3示出吸气和呼气期间的旋转信号；
[0074] 图4示出用于控制通过无刷DC电机的一个定子的电流的电路；
[0075] 图5示出应用于图4的电路的检测电路和启动电路；
[0076] 图6A-图6C示出用于采样风扇旋转信号的不同采样选项；
[0077] 图7示出包括说话的不同呼吸类型的压力变化和风扇速度变化；
[0078] 图8示出说话期间的压力变化和风扇速度变化；
[0079] 图9示出第一面罩操作方法；以及
[0080] 图10示出第二面罩操作方法。
具体实施方式
[0081] 本发明提供了一种防污染面罩。监测风扇转速或风扇转速的变化，并由此获得与整个风扇上的压力波动幅度相关的第一值和与循环压力波动速率相关的第二值。之后，可以基于第一值和第二值判断面罩是否被佩戴。这提供了对面罩是否被佩戴的可靠检测，并且只需要少量的风扇旋转信号采样数据，因此节省了功率。
[0082] 第一检测功能是提供风扇转速监测(代表压力测量)并使用该监测来检测面罩是否被佩戴，并且特别地，这实现了对从佩戴到未佩戴的转变的检测。第二检测功能实现了对从未佩戴(并且面罩风扇关闭)到佩戴的转变的检测。
[0084] 图1示出被实现为面罩的一部分的监测系统。
[0085] 图中示出佩戴面罩12的对象10，面罩12覆盖对象的鼻子和嘴。面罩的目的是在对象吸入空气之前过滤空气。为此，面罩主体本身用作空气过滤器16。空气通过吸气被吸入由面罩形成的空气腔室18。在吸气过程中，由于空气腔室18内的低压，出口阀22(例如止回阀)关闭。
[0086] 过滤器16可以仅由面罩主体形成，或者可以有多个层。例如，面罩主体可以包括由多孔织物材料形成的外罩，用作预过滤器。在外罩内部，更细过滤层可逆地附接至外罩。然后，更细过滤层可以移除以进行清洁和更换，而外罩可以，例如，通过擦拭来清洁。外罩还起到过滤作用，例如，避免大碎片(例如泥土)进入更细过滤器，而更细过滤器用于过滤细小颗粒物。可以存在多于两层。多个层一起用作面罩的总过滤器。
[0087] 当对象呼气时，空气通过出口阀22排出。该阀打开以能够容易地呼气，但在吸气期间关闭。风扇20有助于通过出口阀22移除空气。优选地，排出的空气比呼出的空气多，从而将额外的空气供给至面部。由于降低了相对湿度和冷却，这增加了舒适度。在吸气期间，通过关闭阀防止未过滤空气被吸入。因此，出口阀22的时机取决于对象的呼吸循环。出口阀可以是由整个过滤器16上的压力差操作的简单被动止回阀。然而，其可以替代地是电可控阀。
[0088] 如果面罩被佩戴，则腔室内将仅存在升高的压力。特别地，腔室由用户的面部封闭。当面罩被佩戴时，封闭腔室内的压力也将根据对象的呼吸循环而变化。当对象呼气时，将出现轻微的压力增加，而当对象吸气时，将出现轻微的压力下降。
[0089] 如果风扇以恒定驱动水平(即电压)被驱动，则不同的主导压力将表现为对风扇的不同负载，因为整个风扇上存在不同的压降。这种改变的负载将导致不同的风扇速度。
[0090] 第一检测功能部分地基于以下认识：风扇的转速可以用于代表整个风扇上的压力测量。其也部分地基于以下认识：压力水平和循环频率速率可以用于确定面罩是否被佩戴。本发明结合这些考虑以产生一种面罩，该面罩可以通过在不佩戴时关闭来节省功率，并且不需要复杂或昂贵的附加传感器。
[0091] 针对风扇一侧的已知压力(例如大气压力)，压力监测使得能够确定风扇另一侧的压力或至少压力变化。例如，该另一侧是封闭腔室，因而具有不同于大气压的压力。然而，通过检测风扇每一侧的相等压力，可以确定腔室不是封闭的，而是在两侧均连接至大气压力。
[0092] 因此，这种风扇速度变化的缺失可以用于确定面罩没有被佩戴，因此没有被使用。该信息可以用于关闭风扇以节省功率。
[0093] 申请人已经提出(但尚未公布)一种压力监测系统，该系统具有用于确定风扇转速的装置，以及用于从风扇转速导出压力或检测压力变化的控制器。然后，还提出了使用该压力信息来确定面罩是否被佩戴。
[0094] 用于确定转速的装置可以包括已经存在的来自风扇电机的输出信号，或者可以提供单独的简单感测电路作为风扇的附加部分。然而，在任一情况下均使用风扇本身，从而不需要附加传感器。
[0095] 图2示出所提出的压力监测系统的部件的一个实例。与图1相同的部件用相同的附图标记表示。
[0096] 除图1所示的部件外，图2还示出控制器30、本地电池32和用于确定风扇转速的装置36。
[0097] 风扇20包括风扇叶片20a和风扇电机20b。在一个实例中，风扇电机20b是电子换向无刷电机，并且用于确定转速的装置包括电机的内部传感器。电子换向无刷DC风扇具有内部传感器，该内部传感器测量转子的位置并以转子旋转的方式切换通过线圈的电流。因此，内部传感器已经设置在此类电机中，以实现对电机速度的反馈控制。
[0098] 电机可以具有输出端口，内部传感器输出34设置在输出端口上。因此，存在承载适用于确定转速的信号的端口。
[0099] 替代地，用于确定转速的装置可以包括用于检测连至电机20b的电源上的纹波的电路36。该纹波源自通过电机线圈的合闸电流，由于电池32的有限阻抗，导致供电电压的感应变化。例如，电路36包括高通滤波器，从而仅处理风扇旋转的频带中的信号。这提供了非常简单的附加电路，并且成本比传统的压力传感器低得多。
[0100] 这意味着电机可以是任意设计，包括没有内置传感器输出端子的双线风扇。其也将与具有电刷的DC电机一起工作。
[0101] 控制器可以基于相应的压力信息，利用转速信息来确定呼吸循环。
[0102] 如果出口阀22是电子切换阀，则呼吸循环时机信息可以用于根据呼吸循环的阶段控制出口阀22。因此，压力监测提供了一种简单的方式来确定吸气阶段，该信息随后可以用于控制面罩的出口阀22的时机。
[0103] 除控制出口阀之外，控制器还可以在吸气期间或呼气期间关闭风扇。控制器也可以在检测到面罩没有被佩戴时关闭风扇。这赋予了面罩不同的操作模式，从而可以用于节省功率。
[0104] 对于给定驱动水平(即电压)，由于风扇叶片上的负载减小，整个风扇上的风扇速度以更低压力增加。这导致增强的流动。因此，风扇速度与压力差之间存在反比关系。
[0105] 这种反比关系可以在校准过程中获得，或者可以由风扇制造商提供。例如，校准过程涉及在指示对象以正常呼吸规律地吸气和呼气的周期内分析风扇速度信息。之后，获取的风扇速度信息可以与呼吸循环匹配，然后由此设置用于区分吸气和呼气的阈值。
[0106] 图3示意性地示出转子位置(作为测量到的传感器电压)与时间的关系。
[0107] 转速可以从到风扇的DC电压的AC分量(由电机中的切换事件引起)的频率测量。该AC分量源自风扇汲取的电流变化，该电流变化施加在电源的阻抗上。
[0108] 图3将吸气期间的信号示出为曲线40，将呼气期间的信号示出为曲线42。在呼气期间，存在因增加的压力梯度导致风扇上的负载增加而引起的频率降低。因此，观察到的频率变化是由呼吸循环期间的不同风扇性能引起的。
[0109] 在呼气期间，风扇操作迫使空气从面部和面罩之间的区域排出。由于呼气变得更容易，这提高了舒适性。这样还可以将额外空气抽吸至面部，从而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面罩之间的空间内，从而冷却该空间。
[0110] 在吸气期间，出口阀(主动或被动地)关闭，可以关闭风扇以节省功率。这提供了基于呼吸循环检测的操作模式。
[0111] 如果风扇在部分呼吸循环中关闭，因而不提供压力信息，则可以从先前呼吸循环中推断出吸气阶段和呼气阶段的精确时机。
[0112] 对于风扇辅助的呼气，需要在出口阀再次打开之前恢复动力。这也确保了下一吸气-呼气循环保持在适当时机，并且获得足够的压力和流动。
[0113] 使用这种方法，可以容易地实现大约30％的功率节省，从而延长电池寿命。替代地，风扇的功率可以增加30％以提高有效性。
[0114] 在不同的风扇和阀配置下，风扇转速的测量实现了控制以增加舒适性。
[0115] 在过滤器与风扇串联的风扇配置中，压力监测可以用于测量过滤器的流动阻力，尤其是基于整个风扇和过滤器上的压降。这可以在接通后面罩尚未佩戴至面部的一段时间内完成。该阻力可以用于代表过滤器的年限。
[0116] 如上所述的第一检测功能利用风扇来提供代表压力测量结果，然后将其用于检测面罩未被佩戴。压力信息也可以用于如上所述的许多其它功能。该第一检测功能要求风扇是能活动的，因而能够检测从佩戴(风扇打开)到未佩戴的转变。当再次佩戴(或第一次佩戴)面罩时，用户可以操作手动开关以再次启动风扇。
[0117] 然而，当面罩第一次佩戴或在任何先前自动关闭之后佩戴时，希望能够自动打开风扇。这可以使用专用传感器实现，但这要求传感器长期活动，或者至少进行周期性的感测操作。这将使面罩再次变得复杂，并导致不期望的功耗。
[0118] 上述第二检测功能避免了对主开关或任意传感器的需求。实际上，风扇本身再次用作传感器。利用特殊的电子器件，即使是在风扇关闭时，也可以执行所述感测任务。
[0119] 当将带有风扇的面罩佩戴至面部并且用户开始呼吸时，由于空气被强制通过风扇，即使没有打开风扇，风扇也会旋转。速度检测功能是基于在风扇关闭的情况下不使用附加传感器而确定该旋转。该信号随后用于接通风扇以进行面罩的适当操作。
[0120] 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转子旋转的方式切换通过线圈的电流。
[0121] 然而，当风扇关闭时，即使风扇机械地旋转，也不再存在与风扇转速相关的信号。
[0122] 图4示出H桥电路，其用作逆变器，以从DC电源VDD、GND生成流向定子线圈50的交流电压。逆变器具有一组开关S1至S4，以在整个线圈50上生成交流电压。
[0124] 这些感应信号不能在供电线上测量，因为线圈连接至电子电路，但当没有驱动风扇旋转时，该电子电路通常被去激活。只有当电子开关以正确方式连接时，才能在供电线处测量这些信号。
[0125] 该问题可以通过使用直接在定子线圈的一个极上产生的脉冲来解决。
[0126] 该方法将结合图5进行说明。
[0127] H桥电路设置在高电压轨VDD+和虚拟接地之间。虚拟接地GND通过晶体管布置Q1连接至低电压轨VDD-。
[0128] 虚拟接地可以根据电路的操作状态在VDD+与VDD-之间变化。
[0129] 风扇具有开关控制电路52，并且包括开关、线圈和控制电路的风扇电路连接至作为供电电压线的VDD+和GND。控制电路向开关提供开关信号，但是为了避免图5混乱，这些控制信号线未示出。例如，控制电路包括用于转子位置感测的霍尔传感器。
[0130] 一个线圈端子Co1向检测电路54提供输出。由于存在叠加的DC电压，因此在检测电路54和线圈端子Co1之间使用电容器C1和电阻器R1的高通滤波器。来自高通滤波器的脉冲由二极管D2整流，并使电荷存储在存储电容器C2中。
[0131] 存储电容器建立晶体管布置Q1(示出为Darlington双极晶体管对)的基极电压。存储电容器防止晶体管布置与脉冲同相地快速接通和断开。
[0132] 一旦电容器C2上存储了足够电荷，晶体管布置Q1将接通(产生闭合电路)，并且风扇将开始运行，因为供电电压随后增加至完全VDD+顶部VDD-电压摆动。该运行产生足够的脉冲以保持风扇运行。
[0133] 这提供了非常简单的实施方式。
[0134] 为了使用图5的电路关闭风扇，例如，基于如上所述的面罩未被佩戴的检测，可以驱动晶体管布置Q1的基极接地足够长的时间以停止风扇旋转。这可以使用关断电路51来实现，诸如对电容器C2放电的晶体管。
[0136] 当图5中的风扇关闭时，所有开关S1-S4打开(无致动)。此时没有任何电力供应。
[0137] 对电容器C2充电的脉冲将升高Q1的基极的电压，并最终将其接通。接着，虚拟接地GND的电平被拉低至VDD-。此时，电流可以从VDD+流至VDD-。这就给线圈和风扇的控制电路52提供了动力，只要有足够的电压，风扇随后便开始运行。
[0138] 当C2被充电且Q1接通时，关断电路51用于使电容器C2放电以停止风扇。例如，npn晶体管或FET晶体管可以用于使电容器C2短路。短路信号可以从呼吸模式中导出。如果没有测量到频率波动，则使电容器C2短路以关断晶体管布置，并且因为GND-上升，回到电压VDD+，由此降低供电电压。
[0139] 本发明提供了对上述自动关闭功能，即对面罩未被佩戴的检测的强化。面罩未被佩戴的检测的使用方式与上文所述相同，但是检测更精确，同时还实现了风扇旋转信号的低采样速率。
[0140] 本发明可以使用如图2所示的系统实现，但使用不同方法并且因此使用由控制器执行的分析实现。
[0141] 与上述系统一样，对风扇旋转信号的分析(通过查看风扇转速或风扇转速的变化)产生与风扇上的压力波动幅度相关的第一值。当第一值与呼吸信号一致时，第一值与呼吸深度相关。第一值可以包括采样窗内最大风扇转速和最小风扇转速之差。此外，导出第二值，第二值与循环压力波动速率有关，即当第二值与呼吸信号一致时，第二值与呼吸速率相关。
[0142] 在本申请中，术语“呼吸深度”通常用于表示与特定类型的呼吸相关的量或流速特性，而不是呼吸速率。举例来说，轻呼吸、说话时的呼吸和正常呼吸在下面作为不同的呼吸类型来讨论。例如，在对象静止的情况下，可以认为轻呼吸类型具有低呼吸深度。正常呼吸类型具有更大的呼吸深度。可以用作这种呼吸深度的测量的一种已知测量是潮气量，即每次呼吸的量。然而，从以上讨论中可以清楚地看出，在一个实例中，第一值可以对应于整个风扇上的压力波动。因此，这不是潮气量的实际测量，而是提供了与潮气量测量类似的与不同类型呼吸的相关性。因此，该测量“涉及”呼吸深度，正如潮气量测量是呼吸深度的一个度量(并且因此也涉及呼吸深度)。
[0143] 例如，如果在给定时间单位内输送大潮气量，则该大潮气量将对应于高流速，进而对应于大压差，以及大风扇转速差。如果在相同给定时间单位内输送小潮气量，则该小潮气量将对应于低流速，进而对应于小压差，以及小风扇转速差。
[0144] 循环压力波动速率以及因此风扇旋转信号中的循环波动速率对应于呼吸速率，因为一次呼吸对应于整个风扇上的压力波动的一个完整循环，并且因此对应于风扇旋转信号波动的一个完整循环。因此，基于风扇转速中的连续的最大值和最小值之间的时间的频率实际上与呼吸速率有关。
[0146] 正常成人的呼吸频率范围是12-18次呼吸/分(BrPM)。当对象开始锻炼时，呼吸频率也会增加。在极高强度活动中，呼吸速率可以达到30BrPM。
[0147] 风扇旋转信号的采样需要以足够收集由呼吸信号产生的变化的速率来执行。为了对风扇旋转信号进行采样而不因呼吸导致分量失真，根据Shannon采样理论，采样速率应当是最大信号频率的至少2倍(fs≥2fmax)。这里，最大呼吸频率是30BrPM，即0.5Hz。
[0148] 因此，一种方法是设定fs≥2fmax＝1Hz。因此，理论上，可以使用1Hz的采样速率。然而，实际上，1Hz的采样速率是不够的。
[0149] 图6A示出在30BrPM下2s的采样周期内随时间(x轴)的风扇速度信号(y轴)。采样速率为1Hz，并且采样点可以均在风扇速度为零时。
[0150] 因此，如图6B和图6C所示，需要至少2Hz的采样速率。因此，2Hz采样速率是30BrPM呼吸信号的最小采样速率。
[0151] 因此得出fs＝4f。
[0152] 这里，fs是最小采样速率，f是实时呼吸频率。
[0153] 有两种可能的方法来设定采样速率。
[0154] 实际上，呼吸频率不会维持在稳定值，相反地，其取决于用户呼吸特性(正常呼吸、说话、大笑等)。这意味着没有固定的最小采样速率。
[0155] 一种方法是，作为最坏的情况，基于最快呼吸频率来设定采样速率。基于该最快呼吸频率，可以设定固定采样速率。这不是一种功率有效的方法，因为在一些低呼吸频率的情况下，该采样速率将高于实际所需的采样速率。30BrPM的最快呼吸频率意味着固定采样速率可以是2Hz。
[0156] 替代方法是基于先前的呼吸循环数(例如一个或两个)，以动态方式设定采样速率。结果，根据呼吸特性实时动态地调节频率fs。
[0157] 呼吸频率可以使用以下等式实时确定：f＝1/2(tmax-tmin)，
[0158] tmax是呼吸循环中最大数据点的时刻。
[0159] tmin是呼吸循环中最小数据点的时刻。
[0160] 特别地，一对连续的最小值和最大值用于确定循环周期的一半。
[0161] 然后，使用所得到的频率来判断该频率是否对应于呼吸信号的合理范围(12～30BrPM)。频率f是与压力波动速率相关的第二值。如果速率(即频率)在允许的范围内，则压力波动是由呼吸引起的，否则，压力波动可能是由其它空气扰动引起的。
[0162] 除了设定适当的风扇旋转信号采样速率外，还需要确定待存储在存储器中的采样数据量。采样时间窗(T)确定所需数据缓冲器尺寸，并且在呼吸跟踪期间实时地更新(重写)数据。基于呼吸速率10-30BrPM，采样时间窗需要记录至少一个呼吸循环。基于10BrPM，采样时间段是6秒。
[0163] 用于第一值和第二值的阈值用于确定检测到的压力信号是否是真实呼吸信号。如果没有正确地设置阈值，则很可能会错误地关闭风扇，或者可能需要在面罩仍然工作时关闭面罩。
[0164] 图7示出压力(Pa，曲线70，使用左y轴)和风扇转速(RPM，曲线72，使用右y轴)。图中示出正常呼吸阶段74、轻呼吸阶段76和说话阶段78。
[0165] 第一值，例如采样窗内的最大风扇转速与最小风扇转速之差，可以从图7测量为：
[0166] 正常呼吸：信号峰谷值7792-7310＝482RPM；
[0167] 轻呼吸：峰谷值7630-7518＝112RPM；
[0168] 说话：峰谷值7791-7487＝304。
[0169] 如果在分析轻呼吸时使用正常呼吸阈值，则轻呼吸将被检测为没有呼吸。因此，呼吸阈值应当考虑最坏的情况(最轻呼吸)。然而，如果阈值过低，则存在错误检测的风险。
[0170] 最轻呼吸量发生在呼吸量为0.5L的最低活跃状态(例如坐)期间。基于12BrPM的呼吸速率和0.5L的容积，风扇旋转信号差(ΔRPM)可以在不同的风扇速度设置下进行测试。
[0171] 下表1示出不同风扇速度设置下基于12BrPM、0.5L的测试数据，其中存在一些泄露。
[0172] 表1
[0173]风扇速度设置 ΔRPM 阈值
5000RPM 165RPM 82RPM
6500RPM 347RPM 173RPM
7400RPM 365RPM 132RPM
8500RPM 464RPM 232RPM
5000RPM 165RPM 82RPM
6500RPM 347RPM 173RPM
7400RPM 365RPM 132RPM
8500RPM 464RPM 232RPM
[0174] 该表示出可以根据主要风扇速度设置来设定阈值，即优选地，使第一值的第一阈值取决于采样窗内的平均风扇转速，该平均风扇转速一般对应于风扇速度设置。风扇速度设置可以是控制器已知的，并且作为输入提供，或者可以测量实际平均风扇速度(例如基于风扇旋转信号的低通滤波形式)。
[0175] 阈值被设定为接近ΔRPM值的一半。这是因为使用降低的采样速率意味着真实呼吸信号的峰值和谷值可能不被采样，如图6B所示。
[0176] 图8示出与图7(压力曲线70和RPM曲线72)相似的说话时间段的曲线。图中示出说话期间的压力信号幅度变化比正常呼吸期间的变化更明显。然而，风扇旋转信号示出比正常呼吸期间更小的信号幅度。这是因为压力传感器的响应时间比风扇信号快得多。说话之后的突然吸气通过压力感测来检测，但是风扇信号并不会那么快地反映该峰值信号。
[0177] 这也是使用风扇旋转信号的一个优点。风扇旋转信号将在更长的时间内作出反应，使得降低的采样速率能够获取说话后突然的吸气信号的效果。对于2Hz的采样速率，峰值呼吸信号需要至少0.5s的时间段。
[0178] 对说话呼吸信号的分析表明，风扇旋转信号的反应总是长于0.5s，因此，即使在最小2Hz采样速率的情况下，风扇旋转反馈信号也能够获取说话信号，而压力信号可能无法获取该呼吸信号。
[0179] 下表2示出图8的压力信号70中的12个连续下降中何时出现压力峰值以及何时出现旋转信号峰值。
[0180] 表2
[0181]
[0182]
[0183] 呼吸的检测是基于将第一阈值应用于第一值，例如ΔRPM>阈值，并且将范围应用于第二值，例如12≤f≤30。如果这些条件都满足，则检测到呼吸，并且系统将保持风扇开启。
[0184] 如果f<12或f>30，或ΔRPM≤阈值，则呼吸已经消失。
[0185] 当呼吸已经消失时，可以应用延迟时间段，在该延迟时间段内，必须连续地检测不到呼吸，然后才能确定面罩未被佩戴。例如，在实施关闭之前，可以在稍后提供10秒的时间段。
[0186] 在上述实例中，与呼吸深度相关的第一值是采样窗内风扇转速的最大摆幅。然而，这是一种最简单的实施方式。风扇转速的其它分析可以用于确定表示呼吸深度的信号。例如，可以附加地或替代地使用风扇转速的变化率。此外，如果确定极端采样值异常，则可以在分析中忽略这些值。因此，在风扇转速的分析中可以考虑附加约束，或附加参数，以生成表示呼吸深度的值。
[0187] 在上述实例中，与呼吸速率相关的第二值是基于风扇转速中的连续的最大值和最小值之间的时间的频率。然而，这也是一种最简单的实施方式。频率可以替代地从阈值风扇转速的交叉点导出。
[0188] 在另一实例中，机器学习算法可以应用于风扇转速信号，并且随后可以提取表示呼吸速率的值和表示呼吸深度的值。然后，将不需要从风扇旋转信号中明确地提取风扇旋转信号的最大值和最小值，或任意特定时间段。
[0189] 图9示出用于检测从佩戴到未佩戴的转变的面罩操作方法。该方法可以可选地从在步骤80中自动打开风扇开始。
[0190] 随后，该方法包括：
[0191] 在步骤90中，执行初始化。这涉及设定数据缓冲器采样时间(例如6s)、采样速率(例如2Hz)、第一值阈值、第二值范围和延迟时间段(例如10秒)。第一阈值根据表1设定。该表对于不同的系统或风扇可以是不同的。
[0192] 在步骤91中，使用风扇将空气吸入和/或抽出面罩空气腔室；
[0193] 在步骤92中，确定风扇的转速；以及
[0194] 在步骤94中，从所确定的风扇转速或风扇转速的变化中导出第一值和第二值，第一值与整个风扇上的压力波动幅度相关，第二值与压力波动的速率相关。
[0195] 在步骤96中，如上所述，该方法包括基于第一值和第二值确定面罩是否被佩戴。如果面罩未被佩戴，并且在延迟时间的持续时间内检测到这种情况，则可以关闭风扇以节省功率。
[0196] 这实现了上述第一检测功能。
[0197] 该方法可以包括用电子换向无刷电机驱动风扇，并且用电机的内部传感器确定转速。替代地，转速可以通过检测供应至驱动风扇的电机的电力供应波动获得。
[0198] 该方法可以包括从压力监测系统确定呼吸循环。当使用电控出口阀时，可以根据呼吸循环的阶段来控制该出口阀。
[0199] 图10示出用于检测从未佩戴到佩戴的转变的面罩操作方法。
[0200] 该方法包括：
[0201] 在步骤100中，检测当风扇没有被电驱动时，由风扇的旋转引起的感应电流或电压尖峰；以及
[0202] 在步骤102中，响应于检测到的感应电流或电压尖峰，开始风扇的电驱动。
[0203] 该方法还可以包括(随后)如果检测到面罩未被佩戴，在步骤104中关闭风扇。该检测可以基于图9的步骤91-96。
[0204] 类似地，图9中打开风扇的初始步骤80可以基于图10所示方法的步骤100和102来执行。
[0205] 面罩可以仅覆盖鼻子和嘴(如图1所示)，或者可以是全面罩。
[0206] 所示实例是用于过滤环境空气的面罩。
[0207] 上述面罩设计具有由过滤材料形成的主空气腔室，用户通过该主空气腔室吸入空气。
[0208] 同样如上所述，一种替代面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。出口阀使得呼出的空气能够被排出，并且入口阀可以设置在入口处。
[0209] 本发明可以再次应用于检测由呼吸引起的压力变化，以控制入口阀和/或出口阀。在该实例中，风扇需要在吸气期间打开，以帮助用户通过串联过滤器吸入空气，但在呼气期间，当出口阀打开时，风扇可以关闭。因此，当不需要风扇操作时，所导出的压力信息可以再次用于控制风扇以节省功率。还可以实现对面罩是否被佩戴的检测。
[0210] 可以看出，本发明可以应用于许多不同的面罩设计，具有风扇辅助的吸气或呼气，并且具有由过滤膜形成的空气腔室或具有密封的气密空气腔室。
[0211] 因此，如上所述的一种选择是，例如当排气阀打开时，仅使用风扇将空气从空气腔室内部抽吸至外部。在这种情况下，面罩容积内的压力可以通过风扇保持在外部大气压力以下，从而在呼气期间，存在进入面罩容积的清洁过滤空气的净流。因此，低压可以在呼气期间由风扇引起，或在吸气期间(当风扇可以关闭时)由用户引起。
[0212] 一种替代选择是，仅使用风扇将空气从周围环境吸入空气腔室内。在这种情况下，风扇运行以增加空气腔室内的压力，但在使用时，空气腔室内的最大压力保持在比空气腔室外部的压力高4cm H2O以下，尤其是因为不打算进行高压辅助呼吸。因此，可以使用低功率风扇。
[0213] 在所有情况下，空气腔室内的压力优选保持在高于外部大气压力2cm H2O以下，或甚至1cm H2O以下或甚至0.5cm H2O以下。因此，防污染面罩并非用于提供持续气道正压，并且不是用于向患者输送治疗的面罩。
[0214] 面罩优选地是电池供电的，因此，低功率操作是特别感兴趣的。
[0215] 呼吸循环的检测是作为监测能力的附加使用的优选特征，但这是可选的。
[0216] 如上所述，实施例利用控制器来执行各种所需功能，控制器可以用软件和/或硬件以多种方式实现。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个实例，该微处理器可以用软件(例如，微代码)编程以执行所需功能。然而，控制器可以在使用或不使用处理器的情况下实现，并且还可以实现为执行某些功能的专用硬件和处理器(例如，一个或多个编程微处理器及相关电路)的组合以执行其它功能。
[0218] 在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以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，该程序执行所需功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器中，或者可以是可运输的，从而使存储在其中的一个或多个程序可以加载至处理器或控制器中。
[0219] 在实践所要求保护的发明的过程中，通过学习附图、公开内容及所附权利要求，本领域技术人员对于所公开实施例的其它变型是可以理解并实现的。在权利要求中，“包括”一词不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中的事实不指示这些措施的组合不能被用于获得优势。权利要求中的任意附图标记不应理解为限定其范围。
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