CN111065430B

CN111065430B - 呼吸面罩及面罩控制方法

Info

Publication number: CN111065430B
Application number: CN201880054578.1A
Authority: CN
Inventors: 石峻; 魏慧斌; 罗忠池; R·希尔比格
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2023-03-07
Anticipated expiration: 2038-08-13
Also published as: CN111065430A; EP3672670A1; EP3672670B1; WO2019038112A1

Abstract

呼吸辅助面罩使用空气泵装置(例如，风扇或微通道泵)，该空气泵装置用于使面罩容积通气。面罩在鼻呼吸类型和口腔呼吸类型之间进行区分，并且空气泵装置由此被控制以提供适当的流动位置和/或方向。以这种方式，无论使用者的呼吸类型如何，面罩的运行都是有效的。

Description

呼吸面罩及面罩控制方法

技术领域

本发明涉及呼吸面罩。

背景技术

空气污染是全世界关注的问题。世界卫生组织(WHO)估计每年有4百万人由于空气污染而死亡。该问题的一部分是城市中的室外空气质量。几乎300个被烟雾袭击的城市未能满足国家空气质量标准。

官方的室外空气质量标准将颗粒物质浓度定义为每单位体积的质量浓度(例如，μg/m³)。特别关注的是，关于具有直径小于2.5μm(被称为“PM2.5”)的颗粒的污染，因为直径小于2.5μm的颗粒能够穿透肺的气体交换区域(肺泡)，并且非常小的颗粒(<100nm)可以穿过肺，以影响其它器官。

由于该问题在短时间尺度上不会显著地改善，所以处理该问题的常见方式是佩戴面罩，该面罩通过过滤来提供更清洁的空气，并且近年来在中国和其他地方的面罩的市场经历了巨大的激增。例如，据估计，经过2019年，在中国将有4.2亿个面罩。

然而，在使用期间，面罩内部的温度和相对湿度增加并与面罩内部相对于外部的压力差相组合，使得呼吸不舒适。为了提高舒适度和有效性，可以将风扇添加到通过过滤器抽吸空气的面罩。出于效率和寿命的原因，这些通常是电换向的无刷DC风扇。

使用动力型面罩的佩戴者的益处是：减轻了由吸气引起的肺的轻微的应变，该轻微的应变是由在常规的非动力面罩中的过滤器的阻力引起的。

此外，在常规的非动力面罩中，吸气还在面罩内引起轻微的负压，这导致污染物泄漏到面罩中，如果这些污染物是有毒物质，这种泄漏会被证明是危险的。动力面罩能够将稳定的空气流输送到面部，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，以确保任何泄漏是向外的而不是向内的。

因此，风扇辅助面罩可以通过降低温度、湿度和呼吸阻力来改善佩戴的舒适性。

面罩可以被设置有吸气风扇或呼气风扇或这两者。吸气风扇辅助通过过滤器抽吸空气并且使得能够获得正的面罩压力。呼气风扇辅助面罩通气并确保呼出的二氧化碳被完全排出。

吸气风扇和/或呼气风扇的位置通常根据在使用面罩期间的预期的预设呼吸情况(例如鼻呼吸或口腔呼吸)进行模拟。然而，呼吸模式因人而异，并且这可能导致空气交换效率和舒适度的降低。

因此，需要为可能以不同方式呼吸的不同使用者提供最佳操作功能的动力(风扇辅助)面罩设计。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据按照本发明的一个方面的示例，提供了一种呼吸面罩，其包括：

面罩主体，用于覆盖使用者的鼻子和嘴，从而限定面罩室；

过滤器；

空气泵装置，用于使面罩室通气，其中该空气泵装置包括第一流动区域和第二流动区域，其中通过第一流动区域和第二流动区域的流动是可独立控制的；

传感器装置，用于在鼻呼吸类型和口腔呼吸类型之间进行区分；以及

控制器，用于根据所检测到的呼吸类型来控制空气泵装置，以提供通过第一流动区域和/或第二流动区域的流动。

该面罩设计使空气泵装置(其可以是单个风扇或多个风扇或微型泵装置)适应面罩佩戴者的呼吸类型。特别地，空气泵流动区域的位置或流动方向与鼻呼吸或口腔呼吸相匹配，以改善面罩的舒适度和通气的有效性。

空气泵装置例如用于控制空气进入面罩室和离开面罩室的通路。以这种方式，在吸入期间和呼出期间控制流动，并且不同的流动区域可以用于呼吸循环的不同部分，或者相同的流动区域可以用于吸入和流出两者。因此，如果需要，空气泵装置在吸入和呼出之间可被不同地配置。

传感器装置可以包括在面罩室内的不同位置处的多个传感器模块。这些不同的位置使得能够区分鼻呼吸和口腔呼吸。例如，一个传感器模块可以位于使用面罩时用于检测鼻呼吸流动的位置处，以及一个传感器模块位于使用面罩时用于检测口腔呼吸流动的位置处。

每个传感器模块可以包括温度传感器和相对湿度传感器。呼吸出的空气比面罩室的一般空气具有高的温度和更高的相对湿度。例如，用于嘴的呼气区域可以比用于鼻子的呼气区域低一点，尽管对于所有使用者它们可能不是不同的。因此，对于一些人，其用于嘴呼吸和鼻子呼吸的呼气区域可以是相似的。

空气泵装置可以包括泵通道的阵列。这提供了紧凑的泵装置。优选地，泵通道可单独地或成组地控制。例如，可以将泵通道分组成区域，这些区域然后如同单个单元而被控制。

每个泵通道可以例如具有可控制的泵流动方向。因此，单个泵通道装置既用作吸气(入口)又用作呼气(排气)泵。

泵通道可以例如包括形成第一流动区域的第一子阵列和形成第二流动区域的第二子阵列。一个流动区域可以与嘴成一直线，而另一个流动区域可以与鼻孔成一直线。

控制器可以例如进一步适于控制空气泵装置与使用者的呼吸循环同步。

本发明还提供一种控制面罩的方法，所述面罩包括面罩主体和空气泵装置，该面罩主体用于覆盖使用者的鼻子和嘴，从而限定面罩室，该空气泵装置用于控制面罩室的通气，其中方法包括：

检测鼻呼吸类型或口腔呼吸类型；以及

根据所检测到的呼吸类型来控制空气泵装置，以提供通过第一流动区域和/或第二流动区域的流动。

该方法根据鼻呼吸或口腔呼吸的检测，提供对泵流动的方向或位置的控制。

该方法可以包括控制空气进入面罩室以及离开面罩室的通路，从而提供吸气通气和呼气通气两者。

空气泵装置可以包括泵通道的阵列，并且控制空气泵装置包括控制泵通道的激活和流动方向。空气泵装置例如被控制为与使用者的呼吸循环同步。

本发明可以至少部分地在软件中实现。

参考下文所描述的(多个)实施例，本发明的这些和其它方面将是明显的并且被阐明。

附图说明

现在将参考附图详细地描述本发明的示例，其中：

图1示出了按照本发明的面罩；

图2示出了具有两个流动区域的空气泵布局的一个示例；

图3示出了具有微型泵通道的阵列的空气泵的一种设计；

图4示出了图1的面罩的部件；以及

图5示出了面罩控制方法。

具体实施方式

本发明将参照附图被描述。

应当理解，指示了装置、系统和方法的示例性实施例的具体实施方式和特定示例仅旨在说明的目的，而不旨在限制本发明的范围。根据以下描述、所附权利要求和附图，本发明的装置、系统和方法的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。应当理解，附图仅仅是示意性的，而不是按比例绘制的。还应当理解，在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。

本发明提供了一种呼吸辅助面罩，其中空气泵装置(例如，风扇或微通道泵)用于对面罩室通气。面罩在鼻呼吸类型和口腔呼吸类型之间区分，并且空气泵装置由此而被控制以提供适当的流动位置和/或方向。以这种方式，无论使用者的呼吸类型如何，面罩的运行都是有效的。

图1示出了戴有面罩12的对象10，该面罩12覆盖对象的鼻子和嘴。面罩的目的是在空气被对象吸入之前过滤空气，并且提供流入空气室18(即，面罩室或面罩容积)和/或流出空气室的空气的流动的主动控制。空气泵装置20提供主动流动控制。如下所述，空气泵装置可以是(一个或多个风扇的)风扇装置，或者它可以是泵通道的装置。

过滤器21被设置为与空气泵装置20串连。

所示的示例具有双向空气泵送。

通过吸气并且通过空气泵装置提供的辅助，将空气抽吸到空气室18中。

在呼气期间，空气从空气室18排出。在该示例中，呼气通过相同的空气泵装置并且因此也通过过滤器21(即使排出的空气不需要被过滤)。

风扇装置的运行优选地也随着使用者的呼吸循环而被定时。为此，压力传感器24被设置为要么用于测量空气室18内部的压力，要么用于测量空气室的内部和外部之间的压差。

具有辅助吸气和/或辅助呼出、以及具有不同的过滤器设计的各种面罩设计是可能的。当存在辅助吸气和呼气两者时，可以存在单个空气泵装置或单独的吸气空气泵和呼气空气泵。

面罩还包括用于区分鼻呼吸类型和口腔呼吸类型的传感器装置。在所示的示例中，传感器装置包括传感器模块组26a至26e，传感器模块组26a至26e在面罩室18中的不同位置处，例如在面罩12的内侧上的不同位置处。每个传感器模块26a至26e包括温度传感器和相对湿度传感器。

当使用者呼气时，呼出气流的方向和扩散将取决于正在发生的是鼻呼吸还是口腔呼吸。呼出气流具有与面罩室中的其他空气不同的温度和相对湿度特性(通常为37摄氏度的体温和100％的相对湿度)。因此，传感器信号组能够区分鼻呼吸和口腔呼吸。可以仅存在两个传感器，一个用于检测鼻呼吸，一个用于检测口腔呼吸。在极限处，可以存在单个传感器模块。例如，对于从鼻呼吸类型和口腔呼吸类型之间确定呼吸类型，仅在一个位置感测可能是足够的(由于仅有两种可能性)。

空气泵装置20至少包括第一流动区域和第二流动区域，特别是指向鼻子的一个区域和指向口腔的一个区域。面罩具有控制器28，用于根据所检测到的呼吸类型来控制空气泵装置，以提供通过第一流动区域和/或第二流动区域的流动。

图2示出了用于空气泵装置的最基本的装置，其中存在第一流动区域20a和第二流动区域20b。通过第一流动区域和第二流动区域的流动是可独立控制的。

以这种方式，在一个时刻，可以选择第一流动区域20a以实现空气流动，并且该区域可以与鼻呼吸相关联。第一流动区域20a具有被选择以使得其面向鼻孔的位置。它还可以具有朝向鼻孔的流动方向。

在另一时刻，可以选择第二流动区域20b以实现空气流动，并且该区域可以与口腔呼吸相关联。第二流动区域20b具有被选择以使得其面向口腔的位置。它还可以具有朝向口腔的流动方向。

流动区域可以产生彼此平行的流动，但是它们可以具有非平行的流动方向。

对于吸气，当根据所使用的呼吸类型而将向内流动被引导到嘴或鼻子时，所提供的呼吸辅助是最有效的。类似地，对于呼气，当呼出流动与由空气泵装置提供的向外的流动流对准时，对于去除呼出空气(而不是面罩室中的其他空气)的通气是最有效的。因此，对于具有吸气泵(或风扇)的面罩和/或对于具有呼气泵(或风扇)的面罩，流动区域的控制是有益的。

在所有情况下，面罩设计使空气泵装置适应面罩佩戴者的呼吸类型。

在所示的示例中，空气泵装置用于控制空气进入面罩室和离开面罩室的通路。以这种方式，在吸入期间和呼出期间控制流动，并且不同的流动区域可以用于呼吸循环的不同部分，或者相同的流动区域可以用于吸入和呼出两者。因此，如果需要，空气泵装置在吸入和呼出之间可被不同地配置。

图3示出了泵通道30的阵列的形式的空气泵装置20。这提供了紧凑的微型泵装置。泵通道可以被分组，使得一个组形成区域20a，另一组形成区域20b。然后，这些组可以如同单个单元而被控制。然而相反，泵通道30可以是可独立控制的，使得可以以更动态的方式控制流动区域。例如，可以通过选择使用中的流动通道的数量来控制流速。

通道30可以被分组成行和列，其中每个区域20A、20B包括行或列的组。

每个泵通道30可以具有可控制的泵流动方向。因此，单泵通道装置既用作吸气(入口)泵又用作呼气(排气)泵。可以在呼气期间(如由控制器确定的)仅有提供向外流动的泵通道，以及在吸气期间仅有提供向内流动的泵通道，但是在不同的流动通道处也可以同时向内和向外流动。

如图3中所示蜂窝结构的每个单元包括单独的泵单元，并且它们可以单独控制或被连接以实现简单的实施方式。一个简单的示例是，用于单元的控制端子在每行中连接在一起，并且不同的行被单独控制。例如，行1、2、3和4可以同时被控制以使得这些行用作进气单元，而行5、6、7和8可以同时被控制用作排出单元。每一行将具有被连接到控制器的若干条线(例如3)。

通常，一个端子连接到正电压，另一个端子连接到负电压，并且第三端子连接到可以是正或负的控制电压。

通过切换第三端子，每个单个单元的隔板膜通过静电吸引和静电排斥朝向第一端子或第二端子移动。这产生期望的微流动。通过控制施加到第三端子的信号序列来控制流速，并且通过切换第一端子和第二端子，也可以控制流动方向。

对于完整的实现，为了更好的性能，每个单元可以有多于三个的端子。在行之间有绝缘层。

举例来说，每个单元是六边形的，其具有在相对的表面上的第一端子和第二端子，以及第三端子被设置为在它们之间移动。

在该示例中，泵通道全部是平行的，然而替代地，泵通道可以在不同的组中具有不同的方向。

图4示出了面罩的部件的一个示例。与图1中相同的部件以相同的附图标记给出。

该示例示出了两个传感器模块26a、26b。第一个传感器模块具有温度传感器40a和相对湿度传感器40b，并且第二个传感器模块具有温度传感器42a和相对湿度传感器42b。

当然，对于区域20a、20b的形状和位置以及它们被指向的方式，存在许多选择。

感测模块可以是单独的单元，或者它们可以组合到空气泵装置的设计中。控制器可以基于报告最高温度和湿度的传感器模块和报告最低温度和湿度的传感器模块的识别来确定呼吸类型。

然后，通道(或通道的组)可以被控制为开启向内流动、开启向外流动或关闭。

图5示出了控制面罩的方法。

在步骤50中，识别鼻呼吸类型或口腔呼吸类型。

在步骤52中，根据所检测到的呼吸类型来控制空气泵装置，以提供通过第一流动区域和/或第二流动区域的流动。

微型泵阵列包括通道的阵列。例如，可以有数十或数百个泵通道。每个微型泵例如包括压电致动器，该压电致动器被固定到形成泵室的隔膜。多个泵室可以按行或列连接。

这种类型和其它类型的微型泵结构是已知的。例如，US2009/0232683公开了使用压电致动器的微型泵装置。US2012/0304993公开了在呼吸辅助装置内的这种微型泵的使用。

通常，微型泵是可以控制和操纵小流体体积的设备，具有在微米或毫米范围内的功能尺寸(例如，通道宽度)。

容积力(例如重量或惯性)通常在微型泵内变得可忽略，而表面力可以支配泵的行为。存在机械和非机械微型泵设计。机械系统包含移动部件，其通常是致动和阀膜或襟翼。驱动力可以通过利用压电、静电、热-气动、气动或磁性效应来产生。非机械泵使用电-流体动力、电-渗透、电化学或超声流动产生而起作用。

可以使用任何合适的微型泵设计。

在上述示例中，入口(用于吸气辅助)和排气(用于通气)由空气泵装置控制。相反，呼气可以通过诸如止回阀的出口阀。由于空气室中的低压，该阀可以在吸气期间关闭。当对象呼气时，空气通过出口阀排出。然后该阀打开以实现容易的呼气，但在吸气过程中关闭。以这种方式，防止未过滤的空气被抽吸。然后，出口阀的时机取决于对象的呼吸周期。出口阀可以是由跨面罩的压力差操作的简单的被动止回阀。然而代替的，它可以是电子控制阀。

因此，设计可以仅具有用于辅助呼吸的吸气空气泵装置，并且例如用于维持正压力。

类似地，装置可以仅具有呼气空气泵装置，并且使用者可以人工地通过过滤器吸气。在呼气期间，可以从空气室18中去除比呼出的空气更多的空气，使得通过入口向面部提供额外的空气。由于降低相对湿度和冷却，这增加了舒适性。例如，可以提供最小的排气流速率，用于降低空气室内的相对湿度。

以上示例利用温度和相对湿度测量。代替的，仅有这些测量中的一个测量可能足够。另外，可以替代地进行其他测量，诸如力测量，其用于检测朝向传感器流出的空气的流动的力。

空气泵装置也可以设置为具有传感器装置。例如，诸如电流的驱动信号可取决于泵通道上的外部负载(例如，针对通道的气流)。因此，空气泵装置的驱动电路装置能够实施感测。

本发明可以用风扇代替微型泵来实现，例如通过具有两个吸气风扇和/或两个呼气风扇来实现。

如上所述，实施例利用控制器。控制器可以用软件和/或硬件以多种方式实现，以执行所需的各种功能。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个示例，微处理器可以使用软件(例如，微代码)编程以执行所需的功能。然而，控制器可以在使用或不使用处理器的情况下实现，并且还可以被实现为用于执行一些功能的专用硬件和用于执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电路)的组合。

可以在本公开的各种实施例中采用的控制器部件的示例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA).

在各种实施方式中，处理器或控制器可以与诸如易失性和非易失性计算机存储器(诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM)的一个或多个存储介质相关联。存储介质可以被编码有一个或多个程序，当在一个或多个处理器和/或控制器上执行该一个或多个程序时，该一个或多个程序执行所需的功能。各种存储介质可以被固定在处理器或控制器内，或者可以是可传输的，使得存储在其上的一个或多个程序可以被加载到处理器或控制器中。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员可以在实践所要求保护的发明的过程中理解并实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。事实上，在相互不同的从属权利要求中陈述的某些措施并不指示这些措施的组合不能被用于获得优势。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims

1.一种呼吸面罩，包括：

面罩主体(12)，用于覆盖使用者的鼻子和嘴，从而限定面罩室(18)；

过滤器(21)；

空气泵装置(20)，用于使所述面罩室(18)通气，其中所述空气泵装置包括第一流动区域和第二流动区域，其中通过所述第一流动区域和所述第二流动区域的流动是能够独立控制的；

传感器装置(26a-26e)，用于在鼻呼吸类型和口腔呼吸类型之间进行区分；以及

控制器(28)，用于根据所检测到的呼吸类型来控制所述空气泵装置，以提供通过所述第一流动区域和/或所述第二流动区域的流动；所述第一流动区域和/或所述第二流动区域用于配置流入和/或流出所述面罩室的气流的位置和/或方向。

2.根据权利要求1所述的面罩，其中所述空气泵装置(20)用于控制进入所述面罩室(18)和离开所述面罩室(18)的空气的通路。

3.根据权利要求1所述的面罩，其中所述传感器装置包括在所述面罩室(18)内的不同位置处的多个传感器模块(26a-26e)。

4.根据权利要求3所述的面罩，其中一个传感器模块位于在使用所述面罩时用于检测鼻呼吸流动的位置处，并且一个传感器模块位于在使用所述面罩时用于检测口腔呼吸流动的位置处。

5.根据权利要求3所述的面罩，其中每个传感器模块包括温度传感器和相对湿度传感器。

6.根据权利要求1所述的面罩，其中所述空气泵装置包括泵通道(30)的阵列。

7.根据权利要求6所述的面罩，其中所述泵通道(30)能够单独地或成组地控制。

8.根据权利要求7所述的面罩，其中每个泵通道(30)具有可控的泵流动方向。

9.根据权利要求6所述的面罩，其中所述泵通道包括形成所述第一流动区域的第一子阵列(20a)和形成所述第二流动区域的第二子阵列(20b)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的面罩，其中所述控制器(28)还适于控制所述空气泵装置与所述使用者的呼吸循环同步。

11.一种控制面罩的方法，所述面罩包括面罩主体(12)和空气泵装置(20)，所述面罩主体(12)用于覆盖使用者的鼻子和嘴，从而限定面罩室(18)，所述空气泵装置(20)用于控制所述面罩室(18)的通气，其中所述方法包括：

检测鼻呼吸类型或口腔呼吸类型；以及

根据所检测到的呼吸类型来控制所述空气泵装置(20)，以提供通过第一流动区域(20a)和/或第二流动区域(20b)的流动；所述第一流动区域和/或所述第二流动区域用于配置流入和/或流出所述面罩室的气流的位置和/或方向。

12.根据权利要求11所述的方法，包括：控制进入所述面罩室(18)以及离开所述面罩室(18)的空气的通路。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述空气泵装置(20)包括泵通道(30)的阵列，并且控制所述空气泵装置包括：控制所述泵通道的激活和流动方向。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，包括：控制所述空气泵装置与所述使用者的呼吸循环同步。

15.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读程序指令，当所述计算机可读程序指令被处理器或控制器执行时，使得所述处理器或控制器执行根据权利要求11至14中任一项所述的方法。