一種鼻部呼吸氣流監測儀及獲取口罩呼吸阻力的方法與流程

本發明涉及口罩呼吸阻力物理測量技術領域，特別是涉及一種鼻部呼吸氣流監測儀及獲取口罩呼吸阻力的方法。

背景技術：

呼吸阻力大小決定口罩佩戴舒適性。現行標準因是工業用防塵口罩，強調防護性能，但高呼吸阻力的口罩，并不適合普通民眾的日常使用，特別是老年人、體弱病者、小孩和存在呼吸系統疾病的患者，如果長時間佩戴極易因缺氧出現頭暈等不適現象，嚴重時還會造成肺損傷，往往口罩呼吸阻力達到100pa以上時就會呼吸困難。

公知的口罩呼吸阻力測評的物理測評方法當前主要存在兩個問題：一是大多采用物理模擬的裝置，然而模擬器難以完全替代真人，因為真人的呼吸系統遠比想象的復雜；二是當前缺乏面向真人受試的口罩呼吸阻力物理指標測評方法，有研究人員指出可以使用標準鼻壓測量法和鼻呼吸量測量法在吸氣和呼氣期間測量鼻氣流阻力，從而獲得口罩呼吸阻力值，然而這個方法會對受試者的呼吸造成干擾，且成本過高，使得小公司和個人無法承受，同時也沒法真正推向市場。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種鼻部呼吸氣流監測儀及獲取口罩呼吸阻力的方法，能夠獲得真人穿戴中的口罩呼吸阻力。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種鼻部呼吸氣流監測儀，包括全面罩、聚氣管和圖像獲取設備，所述全面罩包括罩體，所述罩體安置在罩架上，所述罩架的頂部通過連接帶與頭部緊固罩連接；所述罩架的后側邊緣部分設有面部密封圈；所述罩體的正面安裝有透明的聚氣管；所述聚氣管上設有孔洞，所述孔洞上安裝有細線；所述罩架通過第一支撐桿與圖像采集設備相連；所述圖像采集設備用于采集細線在聚氣管內的擺動圖片。

所述圖像采集設備還設有調節機構；所述調節機構包括調整桿、支撐架和第二支撐桿；所述罩架底部通過第二支撐桿與所述支撐架相連，所述支撐架的正面通過調整桿與圖像采集設備相連。

所述聚氣管通過設置在邊緣的凸緣與所述罩體連接。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種使用上述鼻部呼吸氣流監測儀獲取口罩呼吸阻力的方法，包括以下步驟：

(1)被試者將所述鼻部呼吸氣流監測儀戴上，并進行正常呼吸，同時圖像采集設備獲取細線的擺動圖片，并計算每張圖片的細線擺角，得到呼氣時和吸氣時細線最大擺角的平均值；

(2)被試者先戴上待測口罩，再在口罩外側戴上所述鼻部呼吸氣流監測儀，并進行正常呼吸，同時圖像采集設備獲取細線的擺動圖片，并計算每張圖片的細線擺角，得到呼氣時和吸氣時細線最大擺角的平均值；

(3)根據步驟(2)和(3)得到的呼氣時和吸氣時細線最大擺角的平均值計算呼氣細線擺角比和吸氣細線擺角比用以分別表征口罩的呼氣阻力和吸氣阻力。

所述步驟(1)和步驟(2)中被試者將鼻部呼吸氣流監測儀戴上后，待呼吸平穩后打開圖像采集設備采集細線位置的圖片，采集時間為1分鐘。

所述步驟(1)中按時間序列計算出不戴口罩時每張視頻圖片中的細線角度；如果第k張圖片的細線角度αk大于90°且小于180°，并符合αk-αk-1＞0且αk-αk+1＞0，則第k張圖片的細線角度αk則為一次呼吸周期中的呼氣時的細線角度最大值；計算出這次呼吸周期中的呼氣時細線最大擺角為αk-90°；如果第l張圖片的細線角度αl大于0°且小于90°，并符合αl-αl-1＜0且αl-αl+1＜0，則第l張圖片的細線角度αl為一次呼吸周期中的吸氣時的細線角度最小值；計算出這次呼吸周期中的吸氣時細線最大擺角為90°-αl；計算出呼氣時所有細線最大擺角角度的平均值αe和吸氣時所有細線最大擺角角度的平均值αi。

所述步驟(2)按時間序列計算出不戴口罩時每張視頻圖片中的細線角度；如果第m張圖片的細線角度βm大于90°且小于180°，并符合βm-βm-1＞0且βm-βm+1＞0，則第m張圖片的細線角度βm則為一次呼吸周期中的呼氣時的細線角度最大值；計算出這次呼吸周期中的呼氣時細線最大擺角為βm-90°；如果第n張圖片的細線角度βn大于0°且小于90°，并符合βn-βn-1＜0且βn-βn+1＜0，則第n張圖片的細線角度βn為一次呼吸周期中的吸氣時的細線角度最小值；計算出這次呼吸周期中的吸氣時細線最大擺角為90°-βn；計算出呼氣時所有細線最大擺角角度的平均值βe和吸氣時所有細線最大擺角角度的平均值βi。

有益效果

由于采用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果：本發明通過鼻部呼吸氣流監測儀與計算機視覺技術結合獲得呼氣與吸氣細線擺角比，用以表征口罩呼吸阻力的物理值，與傳統的口罩呼吸阻力物理值的測試儀器(tsi8130與8386多參數通風表)相比，可以測評真人佩戴時的口罩呼吸阻力值，同時還能測得被試在不同運動狀態下的口罩呼吸阻力值，并且不會對口罩佩戴者的呼吸造成干擾，且成本低，操作程序簡單、快捷及準確，便于實際應用。

附圖說明

圖1是為本發明鼻部呼吸氣流監測儀整體結構示意圖；

圖2為鼻部呼吸氣流監測儀側視圖；

圖3為本發明聚氣管結構示意圖；

圖4為本發明的流程示意圖；

圖中，全面罩1、透明罩體2、頭部緊固罩3、松緊搭扣4、聚氣管5、細線6、攝像頭7、usb接頭8、調整桿9、支撐架10、支撐桿11、攝像頭支撐桿12、全面罩罩架13、連接扣14、面部密封圈15、連接帶16、孔洞17、凸緣18。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

本發明涉及一種基于細線擺角比獲取口罩呼吸阻力方法的具體步驟如下：

1.如圖1-3所示，本發明首先設計了鼻部呼吸氣流監測儀，包括全面罩1，所述全面罩1包含透明罩體2、頭部緊固罩3、松緊搭扣4、全面罩罩架13、連接扣14、面部密封圈15與連接帶16，所述的面部密封圈15由硅膠材料制成；此外，鼻部呼吸氣流監測儀還包括聚氣管5，所述聚氣管5為透明塑料材質，包括孔洞17，可用于安裝細線6，凸緣18可實現與全面罩相連，所述的細線6顏色為紅色；鼻部呼吸氣流監測儀還包括攝像頭7，所述的攝像頭7通過usb接頭8將視頻連入電腦，所述的攝像頭7通過支撐架10、支撐桿11、調整桿9與攝像頭支撐桿12與全面罩1相連，可以通過所述的調整桿9調節攝像頭7的位置，以保證準確拍攝到細線的擺動視頻。

2.標準站姿下，被試佩戴鼻部呼吸氣流監測儀，進行正常呼吸，適應一段時間后，被試呼吸較平穩時，打開攝像頭采集大約1分鐘的細線擺動視頻，最后保存視頻。

3.標準站姿下，被試首先佩戴上待測口罩，在待測口罩外側佩戴上鼻部呼吸氣流監測儀，進行正常呼吸，適應一段時間后，被試呼吸較平穩時，打開攝像頭采集大約1分鐘的細線擺動視頻，最后保存視頻。

4.對獲取來的視頻進行處理，獲得呼氣擺角比與吸氣擺角比。

將獲得的視頻按固定的幀速率按時間順序保存成多幀圖片，將每張視頻圖片二值化，采用最小外接矩形的算法計算出每張圖片中細線的角度，根據公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)計算出呼氣擺角比與吸氣擺角比。

不戴口罩時的1分鐘內呼氣的所有細線最大擺角平均值為αe，

式中，p為1分鐘內呼氣時出現細線最大角度的次數，αkp為第p次呼吸周期中呼氣時出現的細線最大角度值；一次呼吸周期中呼氣時的細線角度最大值αk的計算方法如下：如果第k張圖片的細線角度αk大于90°且小于180°，并符合αk-αk-1＞0且αk-αk+1＞0，則第k張圖片的細線角度αk則為一次呼吸周期中的呼氣時的細線角度最大值；計算出這次呼吸周期中的呼氣時細線最大擺角為αk-90°。

不戴口罩時的1分鐘內吸氣的所有細線最大擺角平均值為αi，

式中，q為1分鐘內吸氣時所有細線最小角度的次數，αlq為第q次呼吸周期中吸氣時的細線最小角度值；一次呼吸周期中的吸氣時的細線角度最小值αl的計算方法如下：如果第l張圖片的細線角度αl大于0°且小于90°，并符合αl-αl-1＜0且αl-αl+1＜0，則第l張圖片的細線角度αl為一次呼吸周期中的吸氣時的細線角度最小值；計算出這次呼吸周期中的吸氣時細線最大擺角為90°-αl。

佩戴口罩時的1分鐘內呼氣的所有細線最大擺角平均值為βe，

式中，r為1分鐘內呼氣時所有細線最大角度的次數，βmr為第r次呼吸周期中呼氣時的細線最大角度值；一次呼吸周期中的呼氣時的細線角度最大值βm的計算方法如下：如果第m張圖片的細線角度βm大于90°且小于180°，并符合βm-βm-1＞0且βm-βm+1＞0，則第m張圖片的細線角度βm則為一次呼吸周期中的呼氣時的細線角度最大值；計算出這次呼吸周期中的呼氣時細線最大擺角為βm-90°。

佩戴口罩時的1分鐘內呼氣的所有細線最大擺角平均值為βi，

式中，s為1分鐘內吸氣時所有細線最小角度的次數，βns為第s次呼吸周期中吸氣時的細線最小角度值；一次呼吸周期中的吸氣時的細線角度最小值βn的計算方法如下：如果第n張圖片的細線角度βn大于0°且小于90°，并符合βn-βn-1＜0且βn-βn+1＜0，則第n張圖片的細線角度βn為一次呼吸周期中的吸氣時的細線角度最小值；計算出這次呼吸周期中的吸氣時細線最大擺角為90°-βn。

獲得被測口罩與不戴口罩時的呼氣細線擺角比re，

獲得被測口罩與不戴口罩時的吸氣細線擺角比ri，

計算被測口罩的呼氣與吸氣細線擺角比方法：

(1)用matlab軟件打開視頻，并將視頻按時間順序保存成多幀圖片。

(2)用matlab將每張視頻圖片中的紅色細線提取出來并二值化，采用最小外接矩形的算法計算出每張圖片中細線的角度。

(3)根據公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)計算出的一名被試使用測試口罩的呼氣擺角比值與吸氣擺角比值的結果如表1所示。根據該表可以發現，吸氣擺角比與呼氣擺角比都隨著口罩的呼吸阻力值增大而增大，與實際測得的口罩呼吸阻力值呈正相關。同時還能發現佩戴口罩比不戴口罩時的吸氣擺角值更大，而呼氣擺角值卻更小，可以解釋為佩戴上口罩使得用戶需要更大的吸氣氣流，佩戴口罩阻隔了呼氣時產生的氣流。

表1

經過實驗驗證，本發明可以快捷計算并得到呼氣與吸氣細線擺角比，用以表征口罩呼吸阻力的物理值，可以測評真人佩戴時的口罩呼吸阻力值，同時還能測得被試在不同運動狀態下的口罩呼吸阻力值，獲取了復雜的實際使用場景中的真實口罩呼吸阻力物理值。

本發明基于圖像采集設備準確獲取鼻部呼吸氣流監測儀上細線的擺動圖片，基于細線擺角比快速算出口罩呼吸阻力物理值。鼻部呼吸氣流監測儀不會對口罩佩戴者的呼吸造成干擾，且成本低，而且操作程序簡單、快捷及準確，為口罩呼吸阻力的物理測評提供了一個基于細線擺角比的新的測評方法與指標，為解決面向真人的口罩呼吸阻力物理測評的工效問題奠定基礎。