用于生理测量传感器的传感器装置的制作方法

本申请一般涉及用于生理测量传感器的传感器装置。

背景技术：

本节阐明了有用的背景信息，而不是承认在此所描述的任何技术代表现有技术。

诸如脉搏传感器的测量用户的生理状况的各种计量设备已经变得很普遍以用于人们测量他们自己的心率、运动或其它生理参数或生物信号。例如，可以使用穿戴在衣服下面的胸带或使用腕戴的手表式传感器设备来执行测量。传感器测量用户的生理状况并产生对应于用户的皮肤或下层物质(例如，毛细血管和静脉)的特性的传感器信号。

例如，可以使用光电容积脉搏波描记法(ppg)传感器光学地监控脉搏或心率。ppg测量的一个挑战是测量对传感器位置敏感。应在最佳毛细血管床或动脉静脉处执行测量，以获得高质量和可靠的ppg信号。

技术实现要素：

在权利要求中阐述了本发明的示例的各个方面。

根据本发明的第一示例性方面，提供了一种装置，其包括：

多个光源，其被配置为发射光以用于从穿戴该装置的用户的组织进行反射；

至少一个光检测器，其被配置为检测进入光检测器的光以产生用于生理测量的被检测信号；以及

光传导元件，其被配置为将光导向光检测器，其中，该装置被配置为允许从用户的组织反射的光在多个空间上分离的位置处进入光传导元件。

在实施例中，该装置包括在所述多个位置处的多个开口，多个开口允许光进入光传导元件。也即是说，在每个所述位置处存在一开口。

在实施例中，所述多个光源被布置到多个感测区域中，每个感测区域包括至少一个光源，并且其中，光传导元件延伸通过感测区域，每个感测区域包括在相应的光源附近的所述多个开口中的至少一个。

在实施例中，光传导元件是纵向元件，其中光传导元件的一端耦接到光检测器，而另一端纵向延伸离开光检测器，并且其中，多个所述光源和所述开口沿着光传导元件的长度布置。

在实施例中，光传导元件是光导。

在实施例中，该装置包括在所述多个位置处的衍射结构，用于将从用户的组织反射的光导向光传导元件中。

在实施例中，衍射结构包括以下中的一个或多个：衍射光学元件、衍射光栅、周期性衍射图案、以及一系列衍射线。

在实施例中，该装置包括多个或一个以上的所述光检测器。

在实施例中，该装置包括多个或一个以上的所述光传导元件。

在实施例中，该装置包括两对或更多对所述光检测器和所述光传导元件。

实施例提供了一种包括根据第一方面的装置的用户可穿戴装置。

根据本发明的第二示例性方面，提供了一种用于使用用户可穿戴装置的传感器装置的方法，所述传感器装置包括：

多个光源，其被配置为发射光以用于从穿戴该装置的用户的组织进行反射；

至少一个光检测器，其被配置为检测进入光检测器的光以产生用于生理测量的被检测信号；以及

光传导元件，其被配置为将光导向光检测器，其中，传感器装置被配置为允许从用户的组织反射的光在多个空间上分离的位置处进入光传导元件，其中，该方法包括：

使用不同的光源来获得多个测量信号；以及

基于所获得的测量信号，选择一个或多个光源以用于生理测量。

在实施例中，该方法还包括：选择性地接通和断开多个光源以获得多个测量信号。

在实施例中，该方法还包括：选择性地打开和关闭在空间上分离的位置以获得多个测量信号。

在实施例中，该方法还包括：选择提供满足预定义质量标准的信号的一个或多个光源。

根据本发明的第三示例性方面，提供了一种包括计算机可执行程序代码的计算机程序，计算机可执行程序代码被配置为在被执行时控制可穿戴设备以执行第二方面的方法。

计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中。存储介质可以是非暂时性存储介质。

任何前述存储介质可以包括数字数据存储设备，诸如数据盘或磁盘、光存储设备、磁性存储设备、全息存储设备、光磁存储设备、相变存储器、电阻式随机存取存储器、磁性随机存取存储器、固体电解质存储器、铁电随机存取存储器、有机存储器或聚合物存储器。存储介质可被形成为在存储式存储器之外没有其它实质功能的设备，或者它可被形成为具有其它功能的设备的一部分，包括但不限于计算机、芯片组、以及电子设备的子配件的存储器。

前面已经说明了本发明的不同的非约束性的示例性方面和实施例。前述的实施例仅用于解释可以在本发明的实现中使用的所选方面或步骤。可以仅参考本发明的某些示例性方面来呈现一些实施例。应当理解，对应的实施例也可以应用于其它示例性方面。

附图说明

为了更完整地理解本发明的示例性实施例，现在结合附图参考以下描述，其中：

图1是示例性光学心率测量的简化图示；

图2是示例性生理传感器装置的简化图示；

图3-5示出示例性实施例的装置的仰视图；

图6a-6b示出图3的装置的横截面视图；

图7a-7c示出一些其它的实现示例；

图8示出示例性实施例的过程的流程图。

具体实施方式

通过参考图1到图8理解了本发明的示例性实施例及其潜在优点。在本文中，相同的附图标记表示相同的部件或步骤。

在本发明的各种示例性实施例中，提供了一种特别适用于用户可穿戴光学传感器设备的新型传感器装置。

在下文中，结合诸如光电容积脉搏波描记法(ppg)传感器的光学心率传感器来讨论各种示例性实施例。然而，各种实施例并非仅限于这些传感器类型。相反，示例性实施例的传感器装置也可以用于监控一些其它的生理状况。在本文中提及的生理状况可包括以下一项或多项：心率、血压、皮肤含水量、出汗、皮肤电导、皮肤电阻、皮肤阻抗、心阻抗图、氧饱和度、血糖水平。通常，各种实施例的传感器装置可用于根据用户的皮肤或用户的皮肤下面的物质(例如，毛细血管和静脉)的特性来监控用户的生理状况。

图1是示例性光学心率测量的简化图示。图1示出了简单的反射型ppg传感器，其包括led(发光二极管)101、光源、光电二极管(pd)102、以及光检测器。led(光发射器，光源)101发光，而光检测器102接收例如从用户的手腕103反射的光线。

在各种实施例中，提供了一种用于生理测量的新的传感器装置。具有纵向的光传导元件，其被配置为将光从多个位置沿着光传导元件的长度导向光检测器。光被允许沿着光传导元件的长度(即在光传导元件的中间)从光传导元件的侧面进入光传导元件，而不仅仅是从光传导元件的两端进入光传导元件。在这些位置附近有多个光源，以使得能够在不同位置处进行测量。在不同的实现示例中，可以存在一个光传导元件和一个光检测器，或者一个光传导元件和一个以上的光检测器，或者一个以上的光传导元件和一个光检测器，或者一个以上的光传导元件和一个以上的光检测器。在下文中讨论各种实施例的更详细的实现。

图2是示例性生理传感器设备200的简化图示，其中，可以实现各种实施例的传感器装置。装置200包括传感器部分203和带子(strap)部分202。可以在传感器部分203中实现各种实施例的传感器装置。装置200可以是用户可穿戴设备，其可以使用带子环绕在用户的身体部位上(例如，手腕或脚踝)。带子可以由适合的柔性、可弯曲和/或可拉伸的材料制成，诸如塑料、织物和皮革。在示例性实施例中，带子202和传感器部分203由一块材料一体成型。该材料可以包括或者由以下任何材料组成：塑料、金属、纳米纤维、碳纤维、皮革、织物和玻璃。

传感器部分203可以是被配置为在具有或不具有带子部分202的情况下集成到用户的服装中的设备。传感器部分203例如可以附着或集成到皮带、袜子、鞋子、帽子、衬衫或套衫的袖子或衣领、和/或裤子或裙子的腰带。传感器部分可以从服装上拆卸下来。传感器部分203可以具有像手表的形状，并且它可被配置为向用户显示时间或其它有用信息。

在实施例中，传感器部分203或整个装置200可以包括柔性部分和刚性部分。在实施例中，传感器部分203或整个装置200可以包括透明区域和/或半透明区域。

在实施例中，传感器部分203或整个装置200可以包括在传感器部分203和/或条状的带子202的底侧上的硅酮皮肤粘合层、水凝胶、水胶体和/或丙烯酸粘合剂，以消除运动伪影以及使得能够将传感器部分203任意地固定到用户身体上的任何期望位置而完全不需要带子202。也即是说，传感器部分203可以像石膏一样附着到用户的皮肤上。

图3-5示出了示例性实施例的装置的仰视图。

图3示出了装置300，其包括细长的主体部分340、光检测器309、多个光源301-308和光传导元件310。光传导元件310的一端耦接到光检测器309，以使得光传导元件310将光导向光检测器309中。光源301-308被布置到多个感测区域331-334中。在所示示例中，每个感测区域331-334包括两个光源。光传导元件310延伸通过感测区域并且包括布置在每个感测区域331-334处的开口311-314。开口311-314允许光进入光传导元件310。

光传导元件310例如可以包括光导、光纤、透镜、玻璃或者具有适合的光学特性的一些其它光学元件。

在实施例中，开口311-314包括衍射结构或衍射元件，其将进入开口的光导向光传导元件310中并且通过光传导元件310而到光检测器309。

衍射结构/元件可被配置为经由衍射或者经由折射来引导光。衍射结构/元件例如可以包括衍射光学元件、衍射光栅、周期性结构/图案和/或一系列衍射线/狭缝/凹槽。

在图3的示例中，每个感测区域331-334包括两个光源，但也可以使用其它替代方案。例如，在每个感测区域中可以有一个或三个或n个光源。n例如可以是1、2、3、5或10。每个区域的光源数量不必相同。

光源301-308可以彼此相似或不同。例如，光源的波长在一个传感器结构中可以相同或不同。光源可以发射例如绿、红或红外(ir)光。此外，光源与光传导元件之间的距离可以在不同的感测区域之间变化。以这种方式，可改变光穿透到用户的组织中的深度。

图4示出了装置400，其代表图3的装置300的变形。装置400包括细长的主体部分340、光检测器309、多个感测区域331-334和光传导元件310。与图3的装置类似，光传导元件310的一端耦接到光检测器309，以使得光传导元件310将光导向光检测器309中。感测区域331-334包括光源，光传导元件310延伸通过感测区域并且包括布置在每个感测区域处的开口。开口允许光进入光传导元件310。

附加地，装置400包括布置在感测区域334的相对侧上的心电描记法(ecg)电极401和402。所示的电极401和402具有细长的形状，但应理解，所示电极401和402的形式和布置仅是一个示例，而其它布置也是可能的。在替代的实现中，该装置可以包括任何数量的其它电极以用于附加测量的目的。

图5示出了装置500，其代表图3和图4的装置300和装置400的变形。装置500包括细长的主体部分340、光检测器309、多个光源301-305、307和光传导元件310。光传导元件310的一端耦接到光检测器309，以使得光传导元件310将光导向光检测器309中。光传导元件310沿着细长的主体部分340的长度从光检测器309开始延伸，并且光传导元件310包括被布置成允许光进入光传导元件310的开口311-314。

光源301-305、307被布置在开口311-314附近，以使得光源301和305位于开口311附近，光源302位于开口312附近，光源303和307位于开口313附近，光源304位于开口314附近。

细长的主体部分340例如由薄和/或柔性材料制成。该材料例如可以是塑料、纳米纤维、织物、皮革等。

应注意，结合图3-5中的装置之一讨论的任何细节可以应用到其它图3-5之一中的装置。

图6a-6b示出了图3的装置的横截面视图，以图示将从所测量的皮肤区域反射的光收集到一个光检测器的原理。

图6a示出了细长的主体部分340、光源304和308、以及光传导元件310的横截面。光传导元件310的底侧包括衍射结构/元件314。细长的主体部分340的底侧包括粘合剂层610和611。注意，这仅是一个示例，而不是强制性的特征。图6a还示出了用户620的皮肤。

箭头601和602示出了光源304和308发射的光。所发射的光从用户620的皮肤下面的组织反射，并且由箭头603和604所示的反射光到达光传导元件310的衍射结构314。衍射结构314以受控的方式将反射光线603和604导向光传导元件310中，并且通过光传导元件310而到光检测器(图6a中未示出)。

需要注意，图6a为了图示目的而示出了传感器与皮肤之间的间隙，但在实际实现中可能没有这样的间隙。相反，传感器340接触皮肤620或者间隙相对很小。

图6b示出了光传导元件310和光检测器309的横截面。光传导元件310的底侧包括衍射结构/元件314。到达衍射结构314的光线631由衍射结构314导向光传导元件310中。在光传导元件310(诸如光导)内部，光如箭头632所图示地基于schnell定律反射并行进，从而光线被传导到光检测器309。

在实施例中，光传导元件310包括被配置为防止光线从光传导元件中泄漏出去的涂层。涂层例如可以位于光传导元件的表面651上或者光传导元件的表面652上或者位于这两者上。涂层例如可以是反射镜或一些其它适合的涂层。

在实施例中，存在一个以上的位于同一位置的光检测器，而光传导元件将反射光传送到所有这些位于同一位置的光检测器。例如，可以存在两个或更多平行的光检测器。位于同一位置的光检测器可以对不同的波长敏感。

图7a-7c图示了一些进一步的实现示例。所有这些实现示例可以彼此组合或者与在前面讨论的示例性实现组合。

图7a是具有一个以上的光导/从一个以上的方向收集光的示例的仰视图。图7a的装置700包括光检测器309和耦接到光检测器309的光传导元件310、710、711和712，以使得光传导元件310、710、711和712将光导向光检测器309中。光传导元件310、710-712包括允许光线进入光传导元件的衍射结构/元件314、714-716。此外，装置700包括位于衍射结构/元件314、714-716附近的多个光源304、308、704-709。在每个光传导元件上仅示出一个衍射元件，但可以存在一个以上的衍射元件。

图7b是其中光在光传导元件中被导向不同方向的示例的横截面图示。所示装置包括光检测器309和309’以及光传导元件750。光传导元件750的一端耦接到光检测器309，而光传导元件的另一端耦接到光检测器309’。在光传导元件750的侧面上存在衍射元件314和314’。衍射元件314和314’被配置为将光导向朝向不同光检测器的不同方向，以使得进入衍射元件314的光线631被导向光检测器309，进入衍射元件314’的光线631’被导向光检测器309’。

图7c是其中收集来自更大区域的反射光的示例的仰视图。所示装置包括光检测器和光传导元件310。光传导元件310的一端耦接到光检测器309。此外，该装置包括被配置为将光导向光传导元件310中的衍射结构/元件774。在所示示例中，由衍射元件所覆盖的区域大于光传导元件310的横截面，从而收集来自更大区域的光。

又一个实施例是例如在图3的装置中包括两个光检测器和两个光传导元件。光传导元件可以是平行的或交错的或交织的。在这样的实现中，开口可被设置在光传导元件内，以使得如果其中一个光传导元件的一些感测区域受到环境光的不利影响，则至少另一个光传导元件可产生更好的测量信号。应理解，各种不同的几何形状是可能的。

在包括一个以上的光传导元件的实现中，元件可被置于相同的材料中，或者元件可以是单独的组件。附加地或可替代地，光传导元件可以包括用于不同波长的多个材料层。

图8示出了示例性实施例的过程的流程图。该过程例如可以在图3-7c的装置之一中在控制光源和光检测器的操作的处理器或其它处理单元中实现。处理器未在图3-7c中示出，但明显这种处理器可以在用户可穿戴设备中实现。

该示例性实施例的过程涉及ppg测量，但该过程也可适用于其它光学测量。该过程包括以下阶段：

801：过程开始。

802:测量来自每个可用的led位置或感测区域的ppg信号。在示例性实现中，每个位置或感测区域中的led被连续地接通和断开，以分别测量每个位置并获得多个测量结果。在替代实施例中，在每个感测区域中的光传导元件内的开口被连续地打开和关闭，以分别测量每个位置并获得多个测量结果。例如，lcd或电润湿可用于打开和关闭开口。此外，机械地打开和关闭开口也是可能的。应注意，在该示例中测量了所有可用的测量位置，但在替代实施例中仅测量位置的一些子集。也即是说，不必始终测量所有可用的位置。

803:测量结果被存储在表格中以进一步处理。

804:检查是否有任何测量结果超过先前设定的阈值。如果没有结果超过阈值，则该过程移动到阶段805中的睡眠期(因为无法获得合理的测量结果)。该过程从阶段805中的睡眠期返回到阶段802以测量每个led位置。注意，在该示例中使用了某些阈值。可替代地或附加地，也可以使用一些其它信号质量标准。

806:如果存在超过阈值的结果，则该过程移动到阶段806以读取配置设置，以查找最优或期望数量的led位置n。n可以是1与该布置中包括的led最大数量之间的任意数。例如，n可以是1、2、3、5或10。

807:选择1-n个led位置以进行测量。例如，可以选择具有最佳信号质量的位置，或者可以选择超过阈值的任何位置。

808:测量来自所选择的led位置或感测区域的ppg信号。例如，可以连续地测量不同的位置。

809:检查来自所选择的led位置的测量结果是否在先前设定的阈值内。如果是，则该过程继续在阶段808中测量所选择的led位置。

810:如果不是来自所选择的led位置的所有测量结果都在先前设定的阈值范围内，则检查它们中的至少一些是否在先前设定的阈值范围内。如果是，则该过程返回到阶段802以测量所有led位置。

811：如果没有一个测量结果在阈值范围内，则检查在某些可用的led位置处的环境光水平是否低于先前设定的阈值。如果是，则该过程返回到阶段802以测量所有led位置。如果环境光水平没有低于该阈值，则该过程移动到阶段805中的睡眠期(因为无法获得合理的测量结果)。

除了图8中所示的阶段之外，该过程还可以包括检查是否有足够的电池电量以继续测量，如果没有，则该过程结束。

在示例性实施例中，来自不同感测区域或不同光源的信号电平在执行实际测量之前或者甚至在测量期间被校准。校准阶段允许考虑光源与相应的衍射元件之间的距离和/或光在光传导元件中行进的距离和/或来自其它衍射元件的可能的光泄漏可能会以不同的方式被检测的光衰减。

应注意，例如，使用一个以上的光传导元件允许减少光沿着光传导元件的长度通过其它衍射元件的可能泄漏。此外，其中打开和关闭光传导元件内的开口的实施例允许减少光沿着光传导元件的长度通过其它衍射元件/开口的可能泄漏。

应注意，图8示出了示例性实现，并且对所示过程的进行改变的变形是可能的。例如，并非需要某些所示的阶段，并且可以在一定程度上改变阶段的顺序。例如，可以固定测量led位置的数量，从而不需要阶段806。附加地或可替代地，例如检查环境光水平不是强制性的。

在不以任何方式限制所附权利要求的范围、解释或应用的情况下，本文公开的一个或多个示例性实施例的技术效果是改进的生理测量。

本文公开的一个或多个示例性实施例的另一个技术效果是构造具有多个感测区域的薄传感器条的能力。本文公开的一个或多个示例性实施例的又一个技术效果是一个检测器组件可足以用于从多个空间上分离的位置进行测量。

本文公开的一个或多个示例性实施例的另一个技术效果是在传感器设计方面更具灵活性。当试图最佳地定位单个生理测量传感器以进行测量时，用户之间的个体生理差异可能引起挑战。例如，血管的确切位置在个体之间变化，用户的运动可能在测量期间将传感器移动到非最佳位置并且重新定位传感器可能是困难的。在示例性实施例中，能够将传感器的一个确切区域定位在用户的身体上的某个位置处并不重要，因为可以测量多个位置。以这种方式，实现了减少用户之间的个体生理差异对测量的影响。

本文公开的一个或多个示例性实施例的另一个技术效果是单个传感器可用于实现多个位置处的测量，即，提供了灵活的测量点选择。因此，传感器定位不再那么重要，因为传感器能够适应变化的状况和个体生理差异。本文公开的一个或多个示例性实施例的另一个技术效果是不需要大量的附加组件来实现多个位置处的测量。例如，实施例使得能够使用具有多个光源的一个光检测器。

本文公开的一个或多个示例性实施例的另一个技术效果是能够采用容易穿戴的柔软的柔性条或带来生产传感器。本文公开的一个或多个示例性实施例的另一个技术效果是相同的实现可用于对人体的不同部位进行测量，例如，环绕手腕、手臂、腿部，在胸部上或环绕胸部，在前额上等。

如果需要，在本文中讨论的不同功能可以采用不同顺序执行和/或彼此同时执行。此外，如果需要，前述功能中的一个或多个可以是可选的或者可以组合。

尽管在独立权利要求中阐述了本发明的各个方面，但本发明的其它方面包括来自所描述的实施例和/或具有独立权利要求的特征的从属权利要求的特征的其它组合，而不仅仅包括在权利要求中阐明的组合。

在此还应注意，虽然前文描述了本发明的示例性实施例，但这些描述不应被视为具有限制性意义。相反，在不背离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以存在若干变形和修改。