一种鼻部呼吸气流监测仪及获取口罩呼吸阻力的方法

摘要

本发明涉及一种鼻部呼吸气流监测仪，包括全面罩、聚气管和图像获取设备，所述全面罩包括罩体，所述罩体安置在罩架上，所述罩架的顶部通过连接带与头部紧固罩连接；所述罩架的后侧边缘部分设有面部密封圈；所述罩体的正面安装有透明的聚气管；所述聚气管上设有孔洞，所述孔洞上安装有细线；所述罩架通过第一支撑杆与图像采集设备相连；所述图像采集设备用于采集细线在聚气管内的摆动图片。本发明还涉及使用上述鼻部呼吸气流监测仪获取口罩呼吸阻力的方法。本发明能够获得真人穿戴中的口罩呼吸阻力。

说明书

技术领域

本发明涉及口罩呼吸阻力物理测量技术领域，特别是涉及一种鼻部呼吸气流监测仪及获取口罩呼吸阻力的方法。

背景技术

呼吸阻力大小决定口罩佩戴舒适性。现行标准因是工业用防尘口罩，强调防护性能，但高呼吸阻力的口罩，并不适合普通民众的日常使用，特别是老年人、体弱病者、小孩和存在呼吸系统疾病的患者，如果长时间佩戴极易因缺氧出现头晕等不适现象，严重时还会造成肺损伤，往往口罩呼吸阻力达到100Pa以上时就会呼吸困难。

公知的口罩呼吸阻力测评的物理测评方法当前主要存在两个问题：一是大多采用物理模拟的装置，然而模拟器难以完全替代真人，因为真人的呼吸系统远比想象的复杂；二是当前缺乏面向真人受试的口罩呼吸阻力物理指标测评方法，有研究人员指出可以使用标准鼻压测量法和鼻呼吸量测量法在吸气和呼气期间测量鼻气流阻力，从而获得口罩呼吸阻力值，然而这个方法会对受试者的呼吸造成干扰，且成本过高，使得小公司和个人无法承受，同时也没法真正推向市场。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种鼻部呼吸气流监测仪及获取口罩呼吸阻力的方法，能够获得真人穿戴中的口罩呼吸阻力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种鼻部呼吸气流监测仪，包括全面罩、聚气管和图像获取设备，所述全面罩包括罩体，所述罩体安置在罩架上，所述罩架的顶部通过连接带与头部紧固罩连接；所述罩架的后侧边缘部分设有面部密封圈；所述罩体的正面安装有透明的聚气管；所述聚气管上设有孔洞，所述孔洞上安装有细线；所述罩架通过第一支撑杆与图像采集设备相连；所述图像采集设备用于采集细线在聚气管内的摆动图片。

所述图像采集设备还设有调节机构；所述调节机构包括调整杆、支撑架和第二支撑杆；所述罩架底部通过第二支撑杆与所述支撑架相连，所述支撑架的正面通过调整杆与图像采集设备相连。

所述聚气管通过设置在边缘的凸缘与所述罩体连接。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种使用上述鼻部呼吸气流监测仪获取口罩呼吸阻力的方法，包括以下步骤：

(1)被试者将所述鼻部呼吸气流监测仪戴上，并进行正常呼吸，同时图像采集设备获取细线的摆动图片，并计算每张图片的细线摆角，得到呼气时和吸气时细线最大摆角的平均值；

(2)被试者先戴上待测口罩，再在口罩外侧戴上所述鼻部呼吸气流监测仪，并进行正常呼吸，同时图像采集设备获取细线的摆动图片，并计算每张图片的细线摆角，得到呼气时和吸气时细线最大摆角的平均值；

(3)根据步骤(2)和(3)得到的呼气时和吸气时细线最大摆角的平均值计算呼气细线摆角比和吸气细线摆角比用以分别表征口罩的呼气阻力和吸气阻力。

所述步骤(1)和步骤(2)中被试者将鼻部呼吸气流监测仪戴上后，待呼吸平稳后打开图像采集设备采集细线位置的图片，采集时间为1分钟。

所述步骤(1)中按时间序列计算出不戴口罩时每张视频图片中的细线角度；如果第k张图片的细线角度α_k大于90°且小于180°，并符合α_k-α_k-1＞0且α_k-α_k+1＞0，则第k张图片的细线角度α_k则为一次呼吸周期中的呼气时的细线角度最大值；计算出这次呼吸周期中的呼气时细线最大摆角为α_k-90°；如果第l张图片的细线角度α_l大于0°且小于90°，并符合α_l-α_l-1＜0且α_l-α_l+1＜0，则第l张图片的细线角度α_l为一次呼吸周期中的吸气时的细线角度最小值；计算出这次呼吸周期中的吸气时细线最大摆角为90°-α_l；计算出呼气时所有细线最大摆角角度的平均值α_e和吸气时所有细线最大摆角角度的平均值α_i。

所述步骤(2)按时间序列计算出不戴口罩时每张视频图片中的细线角度；如果第m张图片的细线角度β_m大于90°且小于180°，并符合β_m-β_m-1＞0且β_m-β_m+1＞0，则第m张图片的细线角度β_m则为一次呼吸周期中的呼气时的细线角度最大值；计算出这次呼吸周期中的呼气时细线最大摆角为β_m-90°；如果第n张图片的细线角度β_n大于0°且小于90°，并符合β_n-β_n-1＜0且β_n-β_n+1＜0，则第n张图片的细线角度β_n为一次呼吸周期中的吸气时的细线角度最小值；计算出这次呼吸周期中的吸气时细线最大摆角为90°-β_n；计算出呼气时所有细线最大摆角角度的平均值β_e和吸气时所有细线最大摆角角度的平均值β_i。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过鼻部呼吸气流监测仪与计算机视觉技术结合获得呼气与吸气细线摆角比，用以表征口罩呼吸阻力的物理值，与传统的口罩呼吸阻力物理值的测试仪器(TSI 8130与8386多参数通风表)相比，可以测评真人佩戴时的口罩呼吸阻力值，同时还能测得被试在不同运动状态下的口罩呼吸阻力值，并且不会对口罩佩戴者的呼吸造成干扰，且成本低，操作程序简单、快捷及准确，便于实际应用。

附图说明

图1是为本发明鼻部呼吸气流监测仪整体结构示意图；

图2为鼻部呼吸气流监测仪侧视图；

图3为本发明聚气管结构示意图；

图4为本发明的流程示意图；

图中，全面罩1、透明罩体2、头部紧固罩3、松紧搭扣4、聚气管5、细线6、摄像头7、USB接头8、调整杆9、支撑架10、支撑杆11、摄像头支撑杆12、全面罩罩架13、连接扣14、面部密封圈15、连接带16、孔洞17、凸缘18。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明涉及一种基于细线摆角比获取口罩呼吸阻力方法的具体步骤如下：

1.如图1-3所示，本发明首先设计了鼻部呼吸气流监测仪，包括全面罩1，所述全面罩1包含透明罩体2、头部紧固罩3、松紧搭扣4、全面罩罩架13、连接扣14、面部密封圈15与连接带16，所述的面部密封圈15由硅胶材料制成；此外，鼻部呼吸气流监测仪还包括聚气管5，所述聚气管5为透明塑料材质，包括孔洞17，可用于安装细线6，凸缘18可实现与全面罩相连，所述的细线6颜色为红色；鼻部呼吸气流监测仪还包括摄像头7，所述的摄像头7通过USB接头8将视频连入电脑，所述的摄像头7通过支撑架10、支撑杆11、调整杆9与摄像头支撑杆12与全面罩1相连，可以通过所述的调整杆9调节摄像头7的位置，以保证准确拍摄到细线的摆动视频。

2.标准站姿下，被试佩戴鼻部呼吸气流监测仪，进行正常呼吸，适应一段时间后，被试呼吸较平稳时，打开摄像头采集大约1分钟的细线摆动视频，最后保存视频。

3.标准站姿下，被试首先佩戴上待测口罩，在待测口罩外侧佩戴上鼻部呼吸气流监测仪，进行正常呼吸，适应一段时间后，被试呼吸较平稳时，打开摄像头采集大约1分钟的细线摆动视频，最后保存视频。

4.对获取来的视频进行处理，获得呼气摆角比与吸气摆角比。

将获得的视频按固定的帧速率按时间顺序保存成多帧图片，将每张视频图片二值化，采用最小外接矩形的算法计算出每张图片中细线的角度，根据公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)计算出呼气摆角比与吸气摆角比。

不戴口罩时的1分钟内呼气的所有细线最大摆角平均值为α_e，

式中，p为1分钟内呼气时出现细线最大角度的次数，α_kp为第p次呼吸周期中呼气时出现的细线最大角度值；一次呼吸周期中呼气时的细线角度最大值α_k的计算方法如下：如果第k张图片的细线角度α_k大于90°且小于180°，并符合α_k-α_k-1＞0且α_k-α_k+1＞0，则第k张图片的细线角度α_k则为一次呼吸周期中的呼气时的细线角度最大值；计算出这次呼吸周期中的呼气时细线最大摆角为α_k-90°。

不戴口罩时的1分钟内吸气的所有细线最大摆角平均值为α_i，

式中，q为1分钟内吸气时所有细线最小角度的次数，α_lq为第q次呼吸周期中吸气时的细线最小角度值；一次呼吸周期中的吸气时的细线角度最小值α_l的计算方法如下：如果第l张图片的细线角度α_l大于0°且小于90°，并符合α_l-α_l-1＜0且α_l-α_l+1＜0，则第l张图片的细线角度α_l为一次呼吸周期中的吸气时的细线角度最小值；计算出这次呼吸周期中的吸气时细线最大摆角为90°-α_l。

佩戴口罩时的1分钟内呼气的所有细线最大摆角平均值为β_e，

式中，r为1分钟内呼气时所有细线最大角度的次数，β_mr为第r次呼吸周期中呼气时的细线最大角度值；一次呼吸周期中的呼气时的细线角度最大值β_m的计算方法如下：如果第m张图片的细线角度β_m大于90°且小于180°，并符合β_m-β_m-1＞0且β_m-β_m+1＞0，则第m张图片的细线角度β_m则为一次呼吸周期中的呼气时的细线角度最大值；计算出这次呼吸周期中的呼气时细线最大摆角为β_m-90°。

佩戴口罩时的1分钟内呼气的所有细线最大摆角平均值为β_i，

式中，s为1分钟内吸气时所有细线最小角度的次数，β_ns为第s次呼吸周期中吸气时的细线最小角度值；一次呼吸周期中的吸气时的细线角度最小值β_n的计算方法如下：如果第n张图片的细线角度β_n大于0°且小于90°，并符合β_n-β_n-1＜0且β_n-β_n+1＜0，则第n张图片的细线角度β_n为一次呼吸周期中的吸气时的细线角度最小值；计算出这次呼吸周期中的吸气时细线最大摆角为90°-β_n。

获得被测口罩与不戴口罩时的呼气细线摆角比R_e，

获得被测口罩与不戴口罩时的吸气细线摆角比R_i，

计算被测口罩的呼气与吸气细线摆角比方法：

(1)用matlab软件打开视频，并将视频按时间顺序保存成多帧图片。

(2)用matlab将每张视频图片中的红色细线提取出来并二值化，采用最小外接矩形的算法计算出每张图片中细线的角度。

(3)根据公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)计算出的一名被试使用测试口罩的呼气摆角比值与吸气摆角比值的结果如表1所示。根据该表可以发现，吸气摆角比与呼气摆角比都随着口罩的呼吸阻力值增大而增大，与实际测得的口罩呼吸阻力值呈正相关。同时还能发现佩戴口罩比不戴口罩时的吸气摆角值更大，而呼气摆角值却更小，可以解释为佩戴上口罩使得用户需要更大的吸气气流，佩戴口罩阻隔了呼气时产生的气流。

表1

经过实验验证，本发明可以快捷计算并得到呼气与吸气细线摆角比，用以表征口罩呼吸阻力的物理值，可以测评真人佩戴时的口罩呼吸阻力值，同时还能测得被试在不同运动状态下的口罩呼吸阻力值，获取了复杂的实际使用场景中的真实口罩呼吸阻力物理值。

本发明基于图像采集设备准确获取鼻部呼吸气流监测仪上细线的摆动图片，基于细线摆角比快速算出口罩呼吸阻力物理值。鼻部呼吸气流监测仪不会对口罩佩戴者的呼吸造成干扰，且成本低，而且操作程序简单、快捷及准确，为口罩呼吸阻力的物理测评提供了一个基于细线摆角比的新的测评方法与指标，为解决面向真人的口罩呼吸阻力物理测评的工效问题奠定基础。