具体实施方式

将参考附图来描述本发明。

应当理解，详细说明和具体示例虽然指示了设备、系统和方法的示例性实施例，但是仅旨在用于说明的目的，而并不旨在限制本发明的范围。根据以下说明、所附权利要求书和附图，将更好地理解本发明的设备、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点。应该理解，附图仅是示意性的，并且未按比例绘制。还应该理解，贯穿附图，使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。

本发明提供了一种有源风扇辅助防污染面罩，其利用光学传感器来检测风扇的旋转，并且在风扇旋转期间检测旋转速度。基于对光学传感器信号的分析，实现呼吸循环检测和/或风扇的自动开启和/或关闭功能。光学传感器的使用提供了低成本和紧凑的方式来实现自动控制功能。由于检测是基于风扇旋转的光学分析而不是风扇电信号分析，因此它不需要任何特定的风扇设计。

因此，自动控制功能基于对风扇旋转的光学分析来检测用户的呼吸特性。这些呼吸特性例如包括用户是否正在向面罩呼吸，和/或他们的吸气和呼气的时间。

图1示出了可以检测到风扇旋转的面罩。

对象10被示出为戴着面罩12，所述面罩覆盖对象的鼻子和嘴。面罩的作用是在呼吸空气之前先过滤空气。为此，面罩主体本身用作空气过滤器16。空气通过吸气而被吸入到由面罩形成的空气腔室18中。在一个示例中，在吸气期间，由于空气腔室18中的低压，诸如止回阀的出口阀22被关闭。

过滤器16可以仅由面罩的主体形成，或者可以存在多层。例如，面罩主体可以包括由多孔纺织材料形成的外部覆盖物，其用作预过滤器。在外壳内部，较细的过滤层可逆地附接到外壳上。然后可以移除较细的过滤层以进行清洁和更换，而例如可以通过擦拭来清洁外部覆盖物。面罩还执行过滤功能，例如保护较细的过滤器免受大的碎屑(例如泥土)的侵害，而较细的过滤器则对细颗粒物进行过滤。可能有两层以上。多个层一起用作面罩的整体过滤器。

以呼气风扇为例，当对象呼气时，空气通过出口阀22排出。打开此阀以方便呼气，但在吸气期间将其关闭。风扇20辅助通过出口阀22排出空气。优选地，去除的空气多于呼出的空气，从而额外的空气被供应到面部。由于降低了相对湿度和冷却，因此增加了舒适度。在吸入过程中，通过关闭阀门，可防止吸入未过滤的空气。

因此，出口阀22的定时取决于对象的呼吸循环。出口阀可以是通过过滤器16两端的压力差操作的简单的被动止回阀。但是，它可以是电子控制阀。

当戴上面罩时，密闭室内的压力将根据对象的呼吸循环而变化。当对象呼气时，压力将略微增加，而当对象吸气时，压力将略微下降。

如果以恒定的驱动水平(即电压)驱动风扇，则由于风扇两端的压降不同，因此不同的主导压力将对风扇造成不同的负载。然后，这种改变的负载将导致不同的风扇速度。

本发明利用对风扇转速的光学探测。光学传感器24被提供用于检测风扇的旋转并且在风扇旋转期间检测旋转速度。

图2示出了系统部件的一个示例。与图1相同的部件使用相同的附图标记。

除了图1所示的部件之外，图2还示出了控制器30和本地电池32，并且还示出了光学传感器24包括光源24a和光探测器24b。

风扇20包括一组风扇叶片20a和风扇电动机20b。在一个示例中，风扇电动机20b是电子整流换向的无刷电动机。

光学传感器24包括在风扇叶片的一侧上的光源24a和在风扇叶片的相对侧上的光探测器。因此，当在风扇叶片之间存在间隙时，光到达探测器，并且当风扇叶片在空间中时，光被阻挡。

图3示出了光学传感器信号的典型波形，以光强度对时间的关系表示。光强度的峰对应于穿过风扇叶片之间的间隙的光，而谷对应于被风扇叶片阻挡的光。时间段T表示风扇速度。

因此，通过监视时间段，可以监视风扇速度。这继而使得能够监视风扇负载，这与戴着面罩时的吸气和呼气有所不同，而当不佩戴面罩时，风扇负载将更加恒定。以呼气风扇为例，在呼气过程中，由于呼气气流，风扇的转速将增加，从而导致频率更高。在吸气期间，风扇的转速将降低(与呼气相比)。

图4示出了各种可能的光强度模式。

图4(A)示出了完全关闭状态，其中光传感器已关闭，并且没有光传感器信号。

图4(B)示出了吸入期间的光强度。

图4(C)示出了呼气期间的光强度，与吸气相比(以呼气风扇为例)，风扇速度更快。

图4(D)示出了正常呼吸期间频率(对应于图3中的时间段T的倒数)如何随时间变化。

本发明利用风扇速度信息来提供自动风扇控制。最基本的功能是自动开启功能或自动关闭功能。

然而，此外，可以根据呼吸模式(即，吸气和呼气)来实现风扇旋转的自动调节。此外，可以根据用户活动(例如，坐着，步行，跑步，骑自行车)来实现按需气流递送。

这些功能可为消费者提供完全自定义的体验，并满足他们在各种用户场景下的舒适性、足够的空气流通和节能的需求。

图5用于说明自动开启功能。

从时间t0到t1，风扇关闭并且未佩戴面罩，因此没有风扇旋转。

从时间t1开始，用户戴上面罩。存在由用户的呼吸引起的风扇旋转。例如，可能要求用户吹入风扇以开始检测风扇的旋转。光学传感器定期执行测量，以便在时间t2处检测到风扇旋转。然后打开风扇并继续运行，而无需用户吹入风扇。

因此，风扇的自动开启功能基于检测到在未激活风扇时(在时间t1之前)由用户的呼吸引起的风扇旋转，并且在风扇关闭时的可能不连续的光学感测模式。

不连续的感测模式可以节省电力，并且在关闭或待机状态下都存在。例如，传感器每隔几秒钟被唤醒，例如2秒、4秒或更长时间。

图6用于说明自动关闭功能。

从时间t0到t1，风扇已打开并且面罩被佩戴。风扇转速遵循取决于用户的呼吸模式的周期，因此存在最大频率f_max和最小频率f_min。

这表示面罩的正常操作，其可以被定义为连续模式，在该连续模式下光学传感器连续记录并处理光电探测器的光强度信号。

用户在时间t1取下面罩。风扇仍然被驱动，但是不再存在由用户的呼吸引起的风扇速度的调节。检测到此变化，并且风扇已经被关闭。

例如，在正常使用期间，记录风扇旋转的时间段，例如4秒或8秒，并计算该时间段内的频率。在此期间确定最大和最小频率f_max和f_min。

然后可以将差值f_max-f_min与基于实际测试预先确定的阈值f_阈值进行比较。

如果差异f_max-f_min小于阈值f_阈值，则表示未检测到呼吸，并且将OFF信号发送到控制器以关闭风扇。

因此，风扇的自动关闭功能基于检测到均匀的风扇速度。

如上所述(在图4和6中最清楚地显示)，呼吸模式改变风扇的转速。

这意味着光学感测可用于检测呼吸循环，即吸气和呼气时间。

如果使用电子开关的出口阀，则可以然后使用呼吸循环定时信息用于根据呼吸循环的相位来控制出口阀22。除了控制出口阀外，控制器还可以在吸气时间或呼气时间期间关闭风扇。

风扇速度还可用于监视用户的活动水平。例如，当光强度图案的频率增加并且达到某个值时，可以确定用户正在执行高强度活动。风扇转速可以增加以进一步辅助用户呼吸。

光学传感器的光源可以采取任何合适的形式。一个示例是可以使用现有的光输出指示器，从而没有额外的部件成本。小型低成本光电探测器也可是可用的。

图2显示了位于风扇相对两侧的光源和探测器，但可以使用反射风扇叶片或应用于风扇叶片的反射垫，使得光源和探测器可以位于同一侧，以给出紧凑的布置。

作为另一替代方案，可以使用光导将来自光源(例如可以安装在PCB的顶部)的光传输到风扇叶片的区域。然后，光探测器可以直接探测光，也可以探测反射光。光导可以从风扇叶片的径向外侧沿径向向内传递光，然后风扇叶片可以将该径向光反射到探测器，所述探测器例如在PCB的底侧上。光源可以具有其他功能，例如“ON”指示灯亮，并且光导只是导出一些输出光以用作感测光。

风扇通常是离心式或轴流式风扇。

图7示出了面罩的操作方法，包括：

在步骤70中，使用风扇将空气从空气腔室的外部抽取到所述空气腔室和/或将空气从所述空气腔室的内部抽取到外部；

在步骤72中，检测所述风扇的旋转，并在旋转过程中，检测旋转速度；并且

在步骤74中，基于对检测到的旋转的分析，实现风扇的自动开启和/或关闭功能。

该方法还可以包括：

在步骤76中，基于检测风扇速度随时间的变化来检测用户的呼吸循环；和/或

在步骤78中，基于检测风扇速度随时间的变化来检测用户的呼吸频率，并根据呼吸频率来控制风扇。

可以看出，本发明可以应用于许多不同的面罩设计中，具有风扇辅助的吸入或呼出，以及由过滤膜形成的空气腔室或密封的空气腔室。

因此，如上所述的一种选择是使用风扇仅用于例如在排气门打开时将空气从空气腔室内部抽吸到外部。在这种情况下，可以通过风扇将面罩体积内部的压力保持在外部大气压力以下，从而在呼气期间干净的过滤后的空气会净流入面罩体积。因此，可能在呼气期间由风扇并且在吸气期间(当风扇可能关闭时)由用户引起低压。

另一种选择是使用风扇，仅用于将空气从周围环境抽取到空气腔室内部。在这种情况下，风扇操作以增加空气腔室中的压力，但是使用中的空气腔室中的最大压力保持比空气腔室外部的压力高4cmH₂O以下，特别是因为不旨在高压辅助呼吸。因此，可以使用低功率风扇。

在所有情况下，空气腔室内部的压力优选地保持高于外部大气压力低于2cmH₂O，或甚至低于1cmH₂O或甚至低于0.5cmH₂O。因此，所述防污染面罩不用于提供连续的正气道压力，并且不是用于向患者输送治疗的面罩。

面罩优选地是电池驱动的，因此特别关注低功率操作。

如上所述，实施例利用可以用软件和/或硬件以多种方式实现的控制器来执行所需的各种功能。处理器是控制器的一个示例，其采用可以使用软件(例如，微代码)编程的一个或多个微处理器来执行所需的功能。然而，控制器可以在采用或不采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与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使用的控制器部件的范例包括但不限于，常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实现方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，诸如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以编码有一个或多个程序，所述程序当在一个或多个处理器和/或控制器上运行时执行所需的功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内，或者可以是可转移的，使得存储在其上的一个或多个程序可以加载到处理器或控制器中。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。