一种能反复使用及实时呼吸监测的功能口罩

技术领域

本申请涉及医疗防护技术领域，特别是涉及一种能反复使用及实时呼吸监测的功能口罩。

背景技术

新型冠状病毒(COVID-19)在全世界范围的爆发严重影响了全球经济的增长和人类的健康，其主要是以呼吸道通过飞沫进行传播。对于绝大多数呼吸道传染性病毒以及其他疾病来说，佩戴口罩是预防以及减少此类疾病传播的最有效的方法。因此，面对新型冠状病毒的肆虐传播，各国政府呼吁民众，在人流密集处活动必须佩戴口罩。然而，新型冠状病毒的持续的变异以及潜伏期的延长导致了防控工作的愈来愈艰难，并且口罩等防护物资也面临着严重短缺的局面。导致口罩供应严重短缺的因素有诸多方面，其中最根本的原因是由于目前我们所常见的防护口罩都是采用熔喷无纺布，一次性使用特性产生大量废弃口罩，给环境带来承重负担。虽然，一次性医用口罩能够抑制绝大多数传染性病原体，但是当顽固的病原体在口罩上积聚时，长时间的佩戴可能会降低防护效果，因此，它的使用时效仅有4~8小时左右。此外，对于已使用过后的口罩进行回收处理也带来很多问题，如若处理不当会导致传染性病原体的二次传播的风险。针对于已经感染新型冠状病毒的患者而言，在防止病毒再次传播给他人的同时也能够对自身的健康状态进行实时的监测。呼吸作为一项重要的生命体征，能够反映基础健康状况的一个重要指标。因此，在新冠疫情大流行的国际大形势驱使下，非常需要一种具有可重复佩戴的实时监测呼吸口罩。

发明内容

针对以上问题，本申请提供一种能反复使用及实时呼吸监测的功能口罩，通过提供实时的呼吸状态的监测测并且构建了病人的呼吸骤变以及呼吸骤停状况的报警系统。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种能反复使用及实时呼吸监测的功能口罩，包括口罩本体及设置在口罩本体中心位置处的呼吸阀，呼吸阀内侧设有杀病菌病毒和监测于一体的传感集成单元，传感集成单元包括杀病菌和病毒模块以及传感模块，传感模块位于内侧，正对贴近口鼻呼吸处，口罩本体外侧设有信号处理单元、报警显示单元，报警显示单元和信号处理单元通过导线连接，信号处理单元通过导线和传感集成单元连接；传感集成单元连有外接电源引线，供加热杀病菌和病毒使用，所述杀病菌和病毒模块自外而内由固定圆环框、具有抗菌抗病毒特性的金属导电网格层及具有排气孔的耐热基底构成；所述传感模块自外而内由电极网格层、易失电子的第一摩擦层、垫片和易得电子的第二摩擦层构成。

进一步地，所述信号处理单元包含采集信号的噪声滤波、信号放大、数模转换模块；所述报警显示单元包含微型显示屏、蜂鸣器以及电源管理模块（电源管理模块为现有技术，是将开发程序以及硬件集成到一个微型的PCB板上构建的模块。其中主要包含了Arduino Uno3开发板中一些需要的功能）。

进一步地，耐热基底为聚酰亚胺薄膜；金属导电网格层的材料与电极网格层的材料相同，选自银纳米线、铜纳米颗粒、碳纳米管和石墨烯中的一种；固定圆环框材质为亚克力板，第一摩擦层的材料为尼龙6纳米纤维薄膜；垫片为具有双面粘性的胶带；第二摩擦层的材料为聚偏氟乙烯。

进一步地，所述耐热基底上的排气孔采用激光点射技术在耐热基底上打孔，孔直径在150微米至250微米，通过孔密度来调节排气孔的气流量。

所述传感集成单元中的传感模块是基于摩擦纳米发电机的接触分离模式的传感器，通过呼吸气流产生的机械振动使第一摩擦层与第二摩擦层相互接触及分离，并通过静电感应效应产生表征呼吸状态的特征电信号。

所述传感模块产生的表征呼吸状态的特征电信号通过信号处理单元进行噪声滤波以及信号放大，所述信号处理单元传送出去的信号再由报警显示单元接收并将其转码后显示在微型显示器上。

所述的口罩在使用一段时间后，在杀病菌和病毒模块处接入直流电源，通过产生的焦耳热进行杀病菌和病毒过程，接入的直流电源为3.0 V，产生的温度为65℃~70℃。

本申请中的金属导电网格层、电极网络层是同时通过拉伸纺丝法将导电银单质网格缠绕在聚酰亚胺薄膜上制备而成，具体过程为：将硝酸银和聚吡咯烷酮溶解在乙腈中，聚吡咯烷酮和硝酸银的浓度分别为0.5 g/mL和0.2 g/mL，搅拌均匀后得到黄色粘稠液体，将其注入到1mL 注射器中，针头的内径约60微米，然后，将1 mL 注射器固定在注入泵上，再用直流转动马达和金属架自制接收板（接收板为方框形），接受板的两边分别黏附一层PI薄膜作为一个接收基底，注入泵推进速度为每小时1毫升以及自制接收板的转动的速度为500r/min，得到均匀的微米级单根线，接收完成后，将附有硝酸银和聚吡咯烷酮混合物的十字网格的PI薄膜从接收板上揭下，在260℃下，加热处理2小时，得到聚酰亚胺薄膜为基底的导电银单质网格，聚酰亚胺薄膜的两侧均形成导电银单质网格，一侧作为电极网络层，另一侧作为金属导电网格层，两根导线用少量的银浆直接粘在金属导电网格层两端的表面作为外接电源引线。

所述传感集成单元通过摩擦起电和静电感应耦合效应将呼吸气流产生的机械能转换为电信号，该信号能够映射实时呼吸状态。

所述传感模块的灵敏度由摩擦纳米发电机的第一摩擦层和第二摩擦层的厚度及其两者之间的间隙决定。

所述传感模块置于口罩内侧，正对贴近口鼻呼吸处，并且能够直接接收到呼吸所产生气流的变化。气流的变化促使摩擦层产生电信号被传感模块接收，根据电信号的变化反映出人体呼吸状态的生理特征。

所述信号处理单元，分别设置在口罩外侧,并与传感模块连接。经过数据处理和传输部件将实时的电信号发送出去。

所述可重复使用的呼吸监测口罩的重复性体现在杀病菌病毒模块，将口罩佩戴一定时间后，表面吸附的微生物以及菌类经过直流电源加热处理后，可以反复循环使用。

附图说明

图1为本申请功能口罩的结构示意图；

图2为本申请功能口罩的金属导电网格层的SEM图和XRD图；

图3为本申请功能口罩的传感集成单元的结构截面图；

图4为本申请功能口罩的传感模块的工作原理图；

图5为本申请功能口罩的信号处理单元的流程图；

图6为本申请功能口罩在呼吸监测方面的应用场景；

图7为本申请功能口罩在不同的呼吸状态下，产生的电压信号；

图8为本申请功能口罩在不同的呼吸状态下，产生的电压信号以及对应的预警信号；

图9为本申请功能口罩的电加热杀病菌和病毒的示意图，温度变化图以及稳定性测试图；

图10为本申请功能口罩杀病菌前后的对比图；

图中：10.口罩本体，20.呼吸阀，30.传感集成单元，31.杀病菌和病毒模块，32.传感模块，310.固定圆环框，311.金属导电网络层，312.耐热基底，323.电极网络层，324.第一摩擦层，325.垫片，326.第二摩擦层，40.信号处理单元，50.报警显示单元，60.外接电源引线。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，进一步对本发明进行详细描述。

实施例1

本申请提供了一种能反复使用及实时呼吸监测的功能口罩，通过将传感集成单元置入到口罩的呼吸阀内侧，通过气体的呼出与吸入的反复过程中，将机械能转换为电能，输出的电信号特征随着呼吸强度和频率变化，能够实时监测生物体的呼吸状态。与此同时，具有杀病菌病毒特性的金属导电网格层的存在使其能够循环使用。

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。

图1为本申请实施例中能反复使用及实时呼吸监测的功能口罩的结构示意图。

从图1中可以看出，该口罩包括：口罩本体10及设置在口罩本体10中心位置处的呼吸阀20；呼吸阀20内侧设有杀病菌病毒和监测于一体的传感集成单元30；口罩本体10外侧设有信号处理单元40和报警显示单元50；报警显示单元50和信号处理单元40通过导线连接，信号处理单元40通过导线和传感集成单元30连接；传感集成单元30连有外接电源引线60，供加热杀病菌病毒使用。其中，传感集成单元30包括：杀病菌和病毒模块31以及传感模块32，传感模块32位于内侧，正对贴近口鼻呼吸处。杀病菌和病毒模块31自外而内由固定圆环框310、金属导电网格层311以及耐热基底312构成。传感模块32自外而内由电极网格层323、易失电子的第一摩擦层324、垫片325和易得电子的第二摩擦层326构成。

接下来对本申请中的可重复使用的呼吸监测口罩的组成部件进行详尽的介绍。

本申请中的口罩本体10为商用带有呼吸阀的口罩，材质为以下材料的一种或几种：无纺布，熔喷布，热风棉。

本申请中的呼吸阀20一般为硅胶阀片和塑料外壳构成；

本申请中的固定圆环框310由亚克力板切割制成，板厚为2毫米；内径和外径分别为30毫米和40毫米。

本申请中的金属导电网格层311由线宽约10微米单质银网格构成，金属导电网格层311的两端分别连有外接电源引线60。

本申请中的耐热基底312由厚度为25微米聚酰亚胺薄膜构成，能够承受350 ℃高温。

本申请中的电极网格层323由线宽约10微米单质银网格构成。

本申请中的第一摩擦层324由静电纺丝法制成的尼龙6纳米纤维薄膜（厚度为30~60微米），参考文献（Electrospinning and electrospun nanofibers: Methods,materials, and applications . Chemical reviews, 2019, 119(8): 5298-5415.）中的方法。

本申请中的垫片325是由厚度约为50微米的双面胶带切割而成，内径和外径分别为30毫米和40毫米。

本申请中的第二摩擦层326由静电纺丝法制成的聚偏氟乙烯纳米纤维薄膜（厚度100~150微米），参考文献（Electrospinning and electrospun nanofibers: Methods,materials, and applications . Chemical reviews, 2019, 119(8): 5298-5415.）中的方法。

本申请中的金属导电网格层311、电极网络层323是同时通过拉伸纺丝法将导电银单质网格缠绕在聚酰亚胺薄膜上制备而成。原材料分别为硝酸银和聚吡咯烷酮，将硝酸银和聚吡咯烷酮溶解在乙腈中，聚吡咯烷酮和硝酸银的浓度分别为0.5 g/mL和0.2 g/mL。经过搅拌均匀后得到黄色粘稠液体。将其注入到1mL 注射器中，针头的内径约60微米。然后，将1 mL 注射器固定在注入泵上，再用直流转动马达和金属架自制接收板（接收板为方框形）。注入泵推进速度为每小时1毫升以及自制接收板的转动的速度为500 r/min，得到均匀的微米级单根线。接受板的两边分别黏附一层PI薄膜作为一个接收基底，接收完成后，将附有硝酸银和聚吡咯烷酮混合物的十字网格的PI薄膜从接收板上揭下，在260℃下，加热处理2小时，得到聚酰亚胺薄膜为基底的导电银单质网格（聚酰亚胺薄膜的两侧均形成导电银单质网格，一侧作为电极网络层323，另一侧作为金属导电网格层311，两根导线用少量的银浆直接粘在金属导电网格层311层两端的表面作为外接电源引线60，其中，银浆购买厂家为广州楷翔电子，型号为EN-06B8）。图2所示，由SEM图可知导电银网格是由横纵交错银线构成。另外，该材料的XRD图与银的标准卡片01-089-3722完全匹配，证实该导电材料为银材料。

本申请中传感模块的工作原理分为四个瞬时状态，如图3所示给出了该功能器件的截面图，图中省略了充当支撑底的固定圆环框。当呼气时，由于呼出气流的作用，将第一摩擦层324与第二摩擦层326接触并产生感应电荷，如图4 (A) 所示。随着呼出气流对第二摩擦层326的压强的减弱，第二摩擦层326会逐渐返回到原来的平衡位置，该过程中由于静电感应的作用在第一摩擦层324与电极网格层323之间会产生感应电荷，在外部闭合的回路中产生电流，如图4 (B) 所示。当吸气时，在吸气气流的作用下，将第二摩擦层326相对于原来的反方向形变，导致第一摩擦层324与第二摩擦层326之间的距离进一步增大。达到第二摩擦层326的形变极限时，感应处于静电平衡状态，如图4 (C)所示。随着吸入气压的减弱，第二摩擦层326从最大形变状态恢复到原来的平衡位置。此时，由于第一摩擦层324与第二摩擦层326距离的减小，两者之间的静电感应作用增强，进而改变第一摩擦层324与电极网格层323之间的感应电荷分布，在电极网格层323形成的闭合回路产生反向的电流，如图4(D) 所示。

本申请中的耐热基底312是由经过激光打孔的聚酰亚胺薄膜构成，薄膜厚度为25微米。其中，打孔的目的是为了让整个器件具有透气性。孔径约为200微米，孔径密度为2 cm× 2 cm 内包含400个孔。

本申请中的信号处理单元40是由商用静电放大器ADA44530-1以及AD/DA数模转换模块 PCF8591（数模转换模块是将传感电信号转换为对应的高低电平信号，高电平为5 V，低电平为0 V。具体来说，当阈值电压设为0.3 V时，传感器产生的电信号高于该值时，对应转换为高电平；小于该值时，对应转好为低电平。）组成。通过呼吸产生的电信号先由静电放大器ADA44530-1进一步放大，再通过自制的数模转换模块将电信号转换为对应的高低电平信号。

本申请报警显示单元50是由示波器（RIGOL DS2000A）、商用低功耗的蜂鸣报警器器以及Arduino Uno3开发板组成。其中，示波器（RIGOL DS2000A）上的双通道分别显示实时的呼吸电信号以及高低电平信号（高电平为5 V）。Arduino Uno3开发板应用于写入程序并控制蜂鸣报警器的作用。

本申请中的应用电子元器件都选自商用低功耗器件，报警系统的原理流程如图5所示。首先，佩戴者呼吸时产生的气压将传感模块32中的第一摩擦层324产生形变并于第二摩擦层326接触并摩擦，在摩擦起电和静电感应耦合效应下，产生电信号。通过该模块采集到了成年人在正常呼吸时，能够产生~0.3 V的电压。因此，0.3 V电压作为判断条件的阈值电压。之后，该信号经过信号处理单元50进一步放大，再经过自制的数模转换模块将其器转换为数字信号。当实时监测电压值超过0.3 V 时，产生一个高电平电压值为5 V，低于0.3 V时，处于低电平电压值为0 V。根据高低电平作为判别依据，数字信号再经过微程序控制单元中的上传的程序判别是否满足程序条件。最后，将呼吸产生的电信号以及转换后的数字信号实时显示在示波器中。

本申请实施例可重复使用的呼吸监测口罩在呼吸监测方面的应用场景如图6所示。可重复使用的呼吸监测口罩可以分辨出微弱呼吸、正常呼吸、急促呼吸以及深呼吸状态，因此，该呼吸监测口罩作为传感器可用于实时监测病患的健康状态。如图7所示，通过对这些输出电信号的强度和频率经过进一步的分析，可以很容易地分辨出当前测试者的呼吸状态。传感模块32的灵敏度取决于第一摩擦层324与第二摩擦层326的厚度以及间距。

本申请中的可重复使用的呼吸状态监测口罩在应用中的演示如图8所示。演示中包含三种呼吸状态的情景：第一种是呼吸状态先由正常变为急促的情景；第二种是由深呼吸变为呼吸骤停的情景；第三种是由微弱呼吸变为呼吸骤停情景。

在第一种情景下，呼吸频率的变化是该情景的主要特征。对于健康状态的成年人的呼吸频率一般为每分钟12~20次，换算成呼吸频率为0.2 Hz~0.33 Hz范围，超过该范围属于呼吸急促情况。为了能够准确判断该情形下的呼吸频率，设定0.4 Hz阈值。在微程序控制单元中写入判别程序，当呼吸产生的电信号高于阈值电压（0.3 V）时，对应输出高电平（电压值为5 V），当呼吸产生的电信号低于阈值电压（0.3 V）时，对应输出低电平（电压值为0V）。在连续呼吸过程中，产生电信号具有周期性，通过数模转换模块转换形成的高低电平信号也具有周期性，并且能够换算出呼吸频率。当呼吸频率大于或等于预设0.4 Hz阈值为判别依据，并且延续至2秒以上作为判断条件。当条件满足时，控制程序反馈给蜂鸣报警器，使其发出警报声，此过程这种的电信号如图8（a）所示。

在第二种情景下，呼吸产生的电信号强弱的变化是该情景的主要特征。深呼吸时产生的电信号，比正常呼吸时产生的电信号偏大。因此，成年人正常呼吸产生0.3 V的电压值作为阈值电压，当超过该阈值时，属于深呼吸的情况。在微程序控制单元中写入判别程序，当呼吸产生的电信号高于阈值电压（0.3 V）时，对应输出高电平（电压值为5 V），当呼吸产生的电信号低于阈值电压（0.3 V）时，对应输出低电平（电压值为0 V）。在深呼吸的过程中，将数模转换模块得到的高低电平信号作为判别依据，并且延续至5秒以上作为判断条件。当条件满足时，判定为深呼吸状态。而后，随着呼吸骤停，随之产生的电信号也会消失，数模转换模块产生的高电平信号也会消失，微程序控制单元反馈给蜂鸣报警器，使其发出警报声，此过程中产生的电信号如图8（b）所示。

在第三种情景下，呼吸产生的电信号强弱的变化是该情景的主要特征。微弱呼吸时产生的电信号，比正常呼吸时产生的电信号偏小。因此，成年人正常呼吸产生0.3 V的电压值作为阈值电压，当低于该阈值且非零时，属于微弱呼吸的情况。在微程序控制单元中写入判别程序，当呼吸产生的电信号低于阈值电压（0.3 V）且非零时，对应输出高电平（电压值为5 V），当呼吸产生的电信号等于0 V时，对应输出低电平（电压值为0 V）。在呼吸的过程中，将数模转换模块得到的高低电平信号作为判别依据，并且延续至5秒以上作为判断条件。当条件满足时，判定为微弱呼吸状态。而后，随着呼吸骤停，随之产生的电信号也会消失，数模转换模块产生的高电平信号也会消失，微程序控制单元反馈给蜂鸣报警器，使其发出警报声，此过程中产生的电信号如图8（c）所示。

本申请中的可重复使用的呼吸监测口罩（12.5 × 12.5 mm

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。