CN109069075A - 凹形光学传感器 - Google Patents

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Abstract

凹形光学传感器，包括具有至少一个波长的至少一个光源，其中所述光源被配置为发射光束，以及响应于从光源发射的光束的至少一个光接收器。所述至少一个光源和所述至少一个光接收器都定位在凹面段上。凹面段可以是弹性段，或者可以进一步设置有弹性元件，该弹性元件构造成将传感器按压在身体部位上以获得最佳耦合并防止运动伪影。

Description

凹形光学传感器
技术领域
本主题涉及生理光谱和心血管监测。更具体地说，本主题涉及用于在各种身体部位中使用凹形光学传感器来获得改进的光电容积脉搏波描记(PPG)和脉搏血氧定量信号的系统和方法。
背景技术
监测心血管(或循环)系统的光谱和血液动力学需要高质量的信号。使用由光源(例如LED或激光器)和光敏元件(例如光电二极管或光频转换器)组成的光学传感器，然后用毛细管床照射身体组织，可以得到按照心跳随时间变化的信号。这样一个血量随心跳变化的信号可以转化为光强度变化的电信号。这种由与血量变化成比例的光吸收变化而产生的脉动波被称为光电容积脉搏波描记法，简称PPG。通过增加额外的波长，可以测量各种血液特性，例如血红蛋白的动脉血氧饱和度。额外的波长也可以用于测量血液的其他成分。在脉搏血氧定量法中，穿过组织的光通常选自几种可被血液吸收的波长，其量对应于血液中存在的血红蛋白成分的量。然后可以使用不同光波长下吸收的光量来使用各种已知算法估计动脉血液血红蛋白相关参数。
在血压波传播过程中，光强度(由传感器的光电探测器检测到)被照射部位处的动脉血的体积的脉动变化所改变。脉搏血氧定量测量结果的质量部分取决于被光照射的组织的血液灌注特性，部分取决于照射组织内血液体积的脉动变化的大小。脉搏血氧定量技术通常利用充满血液但也足够薄以使光照穿过其的组织部位。这些部位是光线可以通过的指尖、趾尖或耳垂。
大多数市场上可买到的脉搏血氧计被配置用于短时间的测量，并且使用夹持式(或“鳄鱼”)传感器，其从诸如指尖、趾尖或耳垂的无骨组织的一侧照射光，然后从另一侧收集侧。当光线穿过照明组织时，这种方法被称为“透射”。
血氧定量传感器通常例如通过合适的电缆耦合到监测系统。例如，如果这种传感器用于医院患者的生命体征监测。因此，这样的连续监视通常要求患者被限制在监视系统附近的特定区域，由此限制了患者的移动性。此外，夹子施加的夹捏压力可能超时导致不舒服的感觉，或者变得对患者过度，以至于患者可能想要移除传感器并停止另外所需的监测。结果，这种传感器不适合于长时间连续的脉搏血氧定量测量。
在可穿戴设备的近期发展中，手腕和智能手表使用反射式光学传感器来估计心率。这些设备长时间使用舒适，然而它们的反射式光学传感器的方法产生较差的PPG信号质量。这样的信号可能足以对脉冲进行计数，但PPG质量完全失真，因此对任何分析波形或执行准确的脉搏血氧定量法的尝试都是无用的。以下出版物显示了佩戴在使用者手腕上的一些已知的脉搏和/或血氧定量设备：US2010/056934，US2009/247885，US2010/331709，US2002/188210，US6,210,340；JP2009160274，JP20052705443，JP2009254522，JP2010220939，JP2005040261；WO2010/111127；KR20110006990，GB2341233。这种已知的设备使用反射(即，零度照射光)或透射(照射穿过组织的光)。
WO2011/013132描述了一种使用PPG设备测量一个或多个(光吸收相关)血液分析物浓度参数的系统，所述PPG设备被配置为通过用至少两个不同波长的光照射患者来实现PPG测量。该PPG设备还利用动态光散射测量(DLS)设备确定在每个波长处的相对吸光度，所述动态光散射测量(DLS)设备被配置为实现受试者的DLS测量，以通过流变学方式测量受试者的脉搏参数。该系统还具有电子电路，该电子电路被配置成根据PPG和DLS测量之间的时间相关性以及光吸收相关血液分析物浓度参数的评估值在时间上关联PPG和DLS测量的结果。
在最近的专利申请中，US 2014/0200423描述了放置在尺骨的远端上的脉搏血氧计。该血氧计在茎突上形成一个圆顶，用它的骨形圆顶形状作为反射器。该脉搏血氧定量设备具有圆顶状结构，该圆顶状结构被布置成固定尺骨(或肘骨)远端上方的区域，位于固定区域上方的检测器，以及位于所述固定区域周边处的具有不同波长的至少两个光源。该检测器布置成通过尺骨的远端来测量从至少两个光源发射的光的反射，反射与发射的光成20至160度范围内的角度。
应该注意的是，上述出版物都没有描述用于提高信噪比(SNR)和分析测得的脉动波的形状的专用传感器。因此，本主题的目的是提供用于基于所测量的脉动波的形状来估计目标循环系统的光谱和血液动力学的系统和方法。进一步的目的和优点将随着描述的进行而出现。
发明概述
根据第一方面，提供了能够与使用者的皮肤接触的凹形光学传感器，所述凹形光学传感器包括：
具有至少一个波长的至少一个光源，并被配置为允许发射光；以及
至少一个检测器，响应于来自光源的发射光，
其中所述至少一个光源和所述至少一个检测器两者都定位在凹面段上。
根据其他实施方案，所述至少一个光源与所述至少一个光接收器之间的角度不同于0度或180度。
根据其他实施方案，当佩戴在骨骼结构或使用者的身体部位上时，凹形光学传感器被激活。
根据其他实施方案，骨骼结构或身体部位不用于透射式光学传感器。
根据其他实施方案，所述至少一个光源包括单个波长，并且其中可以测量光电容积脉搏波描记(PPG)信号。
根据其他实施方案，所述至少一个光源包括至少两个波长，并且其中可以测量脉搏血氧定量。
根据其他实施方案，可以执行血液成分的光谱分析。
根据其他实施方案，传感器耦合到被配置为允许计算脉搏血氧定量数据的外部设备。
根据其它实施方案，传感器耦合到外部设备，该外部设备被配置为允许通过分析在至少一个光接收器中接收的脉搏波来计算血液动力学参数。
根据其他实施方案，可以测量心率。
根据其它实施方案，可以测量脉搏血氧定量。
根据其他实施方案，可以测量灌注指数。
根据其他实施方案，传感器还包括显示器。
根据其他实施方案，传感器还包括被配置为允许与外部设备进行无线通信的通信模块。
根据其他实施方案，可以估计使用者的心血管年龄。
根据其他实施方案，心血管年龄可以被用作总体健康分数。
根据其他实施方案，总健康分数被用作生活方式健康贡献的评估。
根据其它实施方案，传感器还包括生物测定模块，其中来自使用者的生理信号被用于验证使用者身份。
根据其他实施方案，传感器嵌入在平坦段内。
根据其他实施方案，平坦段具有类似于信用卡的形状。
根据其他实施方案，传感器被嵌入计算机化设备内。
根据其他实施方案，传感器嵌入在方向盘内。
根据其它实施方案，传感器被嵌入一件服装内。
根据其他实施方案，所述服装是从诸如袜子、胸罩、泳衣、衬衫、裤子、其中的组合等的服装组中选择的。
根据其他实施方案，传感器嵌入在称重秤中。
根据其他实施方案，传感器被嵌入运动训练机内。
根据其他实施方案，传感器被嵌入在按摩设备内。
根据其他实施方案，传感器被嵌入在心电图(ECG)贴片内。
根据其他实施方案，传感器被嵌入在可临时附接到使用者身体的贴片内。
根据其他实施方案，传感器是防水的。
根据第二方面，提供了监测设备，包括：
至少一个凹形光学传感器；以及
被夹在可佩戴设备上的微控制器，所述可佩戴设备被配置成至少部分地缠绕在使用者的身体部位上。
根据其他实施方案，微控制器被夹在身体部位上的条带上。
根据其他实施方案，微控制器被捆绑在使用者的手腕或手指上。
根据其他实施方案，所述至少一个凹面传感器用作脉搏血氧计。
根据第三方面，提供了监控系统，包括：
凹形光学传感器；
耦合到凹形光学传感器的可佩戴设备；
通信模块，被配置为允许数据的无线传输；以及
计算设备，其被配置为允许从所述通信模块接收信号以执行脉搏波分析并且导出血液动力学参数。
根据其他实施方案，所述可穿戴设备是环、手表、腕带、其组合等。
根据第四方面，提供了信号处理方法，包括：
提供至少一个光电容积脉搏波描记(PPG)传感器；
提供至少两个同步信道；以及
使用所述至少一个PPG传感器来使用所述同步信道以便获得具有降低的噪声的组合脉冲形状。
根据第五方面，提供了信号处理方法，包括：
提供ECG波信号；
用ECG波信号触发至少一个PPG信号，以形成具有降低的噪声的平均脉冲。
根据其他实施方案，该方法还包括使用小波和高阶导数来识别真实脉冲。
根据第六方面，提供了弹性凹形光学传感器，其包括：
具有至少一个波长的至少一个光源，其中所述光源被配置为发射光束；以及
响应于从光源发射的光束的至少一个光接收器，
其中所述至少一个光源和所述至少一个光接收器都定位在弹性凹面段上，所述弹性凹面段将所述凹面传感器按压在使用者的身体部位上以获得最佳的耦合。
根据其他实施方案，弹性凹面段使传感器相对于身体部位稳定，以防止运动伪影。
根据其他实施方案，所述传感器进一步设置有弹性元件，所述弹性元件构造成将传感器按压在身体部位上。
根据其他实施方案，所述弹性元件是弹簧或类似弹簧的元件。
除非另外定义，否则这里使用的所有技术和科学术语具有与本主题所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。尽管与本文所述相似或等同的方法和材料可以用于本主题的实践或测试，但是下面描述合适的方法和材料。如果发生冲突，将以包括定义在内的专利说明书为准。此外，材料、方法和实施例仅是说明性的，而不旨在限制。
附图说明
这里仅通过举例的方式参考附图来描述实施方案。现在具体参照附图详细说明，强调的是，所示出的细节是作为例子，并且是为了对优选实施方案的说明性讨论的目的，并且在提供被认为是最有用的容易理解实施方案的原理和概念方面的描述的内容的过程中进行了呈现。在这方面，没有试图以比基本理解所需要的更详细的方式显示结构细节，对于本领域技术人员来说，通过附图进行的描述对于实践中如何可以实施几种形式是显而易见的。
在附图中：
-图1示意性地示出了用于从手指测量脉搏血氧定量的市售传感器和方法。
-图2示意性地示出根据示例性实施方案的定位在使用者的手指上方的凹形光学传感器的横截面视图。
-图3A示意性地示出根据示例性实施方案的放置在手指上的环形壳体的横截面图。
-图3B示意性地示出了根据另一示例性实施方案的环形壳体的透视图。
-图3C示意性地示出了根据又一示例性实施方案的环形壳体的透视图。
-图3D示意性地示出了根据另一示例性实施方案的环形壳体的透视图。
-图4A示出根据示例性实施方案的与能够在显示器上显示脉搏和氧气水平的专用可佩戴设备耦合的凹形光学传感器的图像，其中使用者将手指放置在凹形光学传感器上。
-图4B示出根据示例性实施方案的与能够在显示器上显示脉搏和氧气水平的专用可佩戴设备耦合的凹形光学传感器的图像，其中使用者将手指放入凹形光学传感器中。
-图4C示出了根据示例性实施方案的与能够在显示器上显示脉搏和氧气水平的专用可佩戴设备耦合的凹形光学传感器的附加图像，其中使用者将手指放置在凹形光学传感器上。
-图4D示出了根据示例性实施方案的与能够在显示器上显示脉搏和氧气水平的专用可佩戴设备耦合的凹形光学传感器的另一图像，其中使用者将手指放置在凹形光学传感器上。
-图5A示意性地示出根据示例性实施方案的手腕壳体中的凹形光学传感器的透视图。
-图5B示意性地示出根据示例性实施方案的手腕壳体的放大部分。
-图6示出根据示例性实施方案的嵌入计算机化设备侧面的凹形光学传感器的图像。
-图7示意性地图示了根据示例性实施方案的具有嵌入式凹形光学传感器的方向盘80。
-图8示意性地示出了根据示例性实施方案的具有嵌入式凹形光学传感器的一件服装。
-图9A示意性地示出根据示例性实施方案的附着到使用者身体的凹形光学传感器。
-图9B示意性地示出了根据示例性实施方案的监视婴儿的身体的凹形光学传感器。
-图10示意性地示出了根据示例性实施方案的具有嵌入式凹形光学传感器的称重秤。
-图11示意性地示出根据示例性实施方案的具有嵌入式凹形光学传感器的运动训练机。
-图12示意性地示出根据示例性实施方案的耦合到使用者身体的凹形光学传感器。
-图13A示意性地示出了根据示例性实施方案的具有由使用者的手指抓握的凹形光学传感器的扁平脉搏血氧计的侧视图。
-图13B示意性地示出了根据示例性实施方案的扁平脉搏血氧计的透视图。
-图14示意性地示出根据示例性实施方案的嵌入临床温度计中的凹形光学传感器。
-图15示意性地示出根据示例性实施方案的嵌入胸罩中的凹形光学传感器。
-图16示意性地示出了根据示例性实施方案的与环集成的凹形光学传感器。
-图17示意性地示出了根据示例性实施方案的与腕式手表集成的凹形光学传感器，还包括弹性构件。
-图18示意性地示出了根据一个示例性实施方案的与手镯集成的凹形光学传感器，还包括弹性构件和力限制器。
-图19根据示例性实施方案示意性地示出了与耳塞集成的凹形光学传感器，还包括弹性构件。
-图20示意性地示出了根据示例性实施方案的与通常由使用者的手掌保持的设备集成的凹形光学传感器，该设备例如是也被称为移动电话的便携式手机，还包括弹性构件。
发明详述
在详细解释至少一个实施方案之前，应当理解的是，本主题的应用并不限于在下面的描述中阐述的或者在附图中示出的部件的构造和布置的细节。主题能够具有其他实施方案或者以各种方式实践或执行。而且，应该理解的是，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被认为是限制性的。在讨论下面描述的各种附图时，相似的数字指代相同的部分。图一般不按比例绘制。
为了清楚起见，在一些附图中省略了非必要元素。
图1示意性地示出了用于从手指10测量脉搏血氧定量的市售传感器和方法。用于从手指10测量脉搏血氧定量的第一方法包括使用包括光源和光接收器的反射光学传感器12。光源被配置为朝向手指10的骨骼9周围的组织发送反射光束13。应该注意的是，利用反射式光学传感器12，光源和光接收器都位于在它们之间具有零度的相同的窗格上。
然后，光束13从骨骼9反射回来，并返回到反射式光学传感器12的光接收器，从而测量脉冲。可以理解的是，反射方法产生较差质量的光电容积脉搏波描记(PPG)信号，这主要是由于约95％的反射光束13从组织(例如，皮肤)表面反射而不是用于测量(例如由于噪声)的现象导致的。还应该注意的是，从表面反射回的任何光都会导致能量损失，因此降低了测量的效率。
用于从手指10测量脉搏血氧定量的第二种方法包括使用透射光学光传感器，其包括彼此相对的光源14和光接收器16，通常作为照射光15、穿过组织、从无骨组织的一侧到另一侧的夹子式(或“鳄鱼”型)光传感器来提供。可以理解的是，由于在指尖上的定位，长时间佩戴这样的设备对于使用者来说是不舒服的。
现在参照图2和图3A-3D，这些图显示了使用凹形光学传感器测量脉搏血氧定量的改进的解决方案。图2示意性地示出了定位在使用者的手指10上的凹形光学传感器20的横截面图。凹形光学传感器20包括至少一个通常为发光二极管(LED)的光源24和至少一个通常为光电二极管的光接收器26。至少一个光源24和至少一个光接收器26被定位成一个相对于另一个成一角度。为了最佳的操作，可以将手指10的横截面看作时钟，然后凹形光学传感器20应该放置在七点五分或八点十分或十一点一分等上。
至少一个光接收器26被配置为测量从光源24发射并且穿过手指10的组织的光束25，由此由于凹形光学传感器20的凹面形状，可以实现改进的测量。具体而言，由于凹形形状，在至少一个光源24和至少一个光接收器26之间为0°之间(即，反射方法)和/或之间为180°(即，透射方法)的情况下的测量被排除在考虑之外。
在一些实施方案中，凹形光学传感器20包括作为光源24的一对红色和红外(IR)LED以及位于手指的另一侧的作为光传感器26的光电二极管。应该注意的是，不像指尖(无骨)，指根包括骨骼，因此LED-PD对需要位于附接到手指的圆弧上。任选地，光源24使用不同波长的光束。
可以理解的是，与市场上可买到的解决方案相反，可以将凹形光学传感器佩戴在手指的骨骼部分上，同时在透射方法中通过组织传输光束(没有来自骨骼的反射)。因此，在通常认为不适合这种测量的地方可以实现高质量的测量。另外，使用者可以长时间佩戴凹形光学传感器，例如作为一个环，而不会感觉到任何不适(与鳄鱼夹相反)，并且不干扰手和手指的正常功能。
此外，与将手指放在平坦表面上并使用反射式脉搏血氧定量传感器(如市售解决方案所建议的)相比，如果手指放置在其上，凹形光学传感器提供了更好的信噪比。
图3A示意性地示出佩戴在使用者的手指10上的环形壳体30的横截面视图，其中可看到骨骼9。环形壳体30可以被配置成包括具有光源24和光传感器26的凹形光学传感器20。示出了光束25的方向。
图3B示意性地示出了包括凹形光学传感器20'的环形壳体30'的横截面图。环形壳体30'被构造成配合到使用者的手指上，使得可以任选地为金属支撑件的条带31包围手指10。条带可以包括微控制器。凹形光学传感器20可以被嵌入到环形壳体30'中，使得光束可以被发射并且被凹形光学传感器20'接收，同时穿过戴着环的手指的组织。优选地，光束从光源24发射并由光接收器26接收。
环形壳体30'还包括能够处理由传感器测量的信息的处理器单元以及被配置为向使用者显示信息的显示器39。例如，显示器39连续显示脉搏和氧气水平。
任选地，凹形光学传感器可以被定位在处理器单元和显示器的近侧。
图3C示意性地示出了环形壳体30”的另一个实施方案的透视图。环中的凹形传感器中的光接收元件被包括光接收器和模拟前端芯片24”的具有以下功能的部件替代：
a.当手指放置在环内时，可以通过光接收器和电路来控制环的另一侧的LED 26”，从而产生PPG信号.这些LED可以具有能够被光传感器接收的不同的波长或波长范围。
b.该芯片还包括用于ECG的电信号的模拟前端。为此，该环在环内具有至少一个干电极27，并且一个电极被对侧的手或腿接触。
c.芯片包括高频发生器，可以将这些频率注入身体以测量生物阻抗。通过至少两个电极输送的电频率是几千赫的频率。任选地，可以使用开尔文布置的2或4个电极，其中2个电极用于注入频率，2个电极用于接收。
通过使用2-4个内部电极，可以获得与之前讨论的光电容积脉搏波描记器(PPG)类似的阻抗体积描记器(IPG)。通过使用至少一个，优选两个内部电极和一个但优选两个外部电极(将被对侧手或腿接触)，我们可以进行身体脂肪、身体肌肉、水等的百分比的身体组成测量。
电极和模拟前端可以用于测量Gslvsnic皮肤反应(GSR)。这样，环可以用如环、腕带或耳机等一个小尺寸形式进行许多使用者身体生理参数的全套电光测量。
图3D示出了另外的环形壳体32的透视图。可以理解的是，附加的环形壳体32具有两个主要部分：包括显示器39的顶部部分33，以及底部部分35。优选地，顶部部分33还包括分析测量信号所需的各种处理、计算和控制元件。
在与相应的计算机化设备(例如，移动电话或平板电脑)进行无线通信的一些实施方案中，由于与提供显示器的对应设备的通信，显示器可能不是必需的。
底部部分35可以是弹性的以便装配到身体的不同部分上(例如，装配到不同尺寸的手指上)。底部部分35还可以包括具有各种传感器的内部段36(例如具有弧形形状)，以允许测量所需的医疗信息。可以理解的是，环形壳体的弹性指状物附件确保传感器被压靠在皮肤上，并且压力处于正确的范围内。太小的压力可能不能提供良好的耦合，而太多的压力可能将血液从受挤压的组织中挤出，并可能导致低的灌注指数(脉动部分和恒定部分之间的比率)。
在一些实施方案中，环形壳体还可以包括能够将信息无线传输到外部设备的通信模块，例如智能电话或PC。在一个优选实施方案中，环形壳体还可以包括电力存储单元或电池。
应该注意的是，环形壳体的结构具有光学传感器的部件(即，LED和光接收器，如光电二极管或光频率转换器)的精确定位，使得发射的光束不被骨骼阻挡。此外，精确定位确保不使用反射方法，由此大部分光束从皮肤的外表面而不是从毛细管床反射。此外，环形壳体具有由于手指的小尺寸所需的小型化电子部件。
如之前所示，传感器可嵌入在围绕身体部位(例如手指或手腕)包裹的可穿戴设备内，然而，应当理解，其也可部分地围绕身体部位缠绕。
现在参照图4A-4D，这些图显示凹形光学传感器和可穿戴设备的图像。
图4A示意性地示出与能够在显示器上显示脉搏和氧气水平的专用可穿戴设备40耦合的凹形光学传感器25，其中使用者将手指放置在凹形光学传感器25上。在一些实施方案中，可以修改现有的具有凹形光学传感器的脉冲血氧计(例如夹式传感器)，使得使用者仅需要将手指放置在凹形光学传感器25上(仅通过触摸操作)而不是插入手指。
图4B示出与能够在显示器上显示脉搏和氧气水平的专用可穿戴设备40耦合的凹形光学传感器20，其中使用者将手指放入凹形光学传感器20中。
应该注意的是，凹形光学传感器可以被设置为仅在基底上具有光源(例如，LED)和光接收器(例如，光电二极管)的裸露传感器，使得为了能够监视，使用者仅将皮肤按压到该基底上。任选地，该基底可以耦合到配置成允许用以下中的至少一个进行分析的处理器(例如处理芯片)：
-脉搏血氧测定算法；
-血压算法；以及
-估计以生理年龄表示的总健康分数。
图4C和图4D示出与能够在显示器上显示脉搏和氧气水平的专用可穿戴设备40耦合的凹形光学传感器25，其中使用者将手指放置在凹形光学传感器25上。
可以理解的是，环形脉搏血氧计是新一代的脉搏血氧计，可以长时间佩戴而不会突兀。环形脉搏血氧计可以测量手指根部而不是指尖的氧饱和度，因此更加稳定，紧紧贴合手指，不易受运动伪影的影响，也不易受到寒冷天气引起的差的血液循环的影响。有兴趣在锻炼、积极的生活方式和在山上徒步旅行、乘飞机以及其它娱乐活动期间了解他们的氧饱和度变化的使用者可能会从这种高质量的脉搏血氧计中受益匪浅(与老一代的鳄鱼型设备相比)。
应该注意的是，尽管上述解决方案教导将凹形光学传感器放置在手指上，但是其也可以适用于身体的其他部分。例如，接收来自手腕的脉搏血氧计信号的可穿戴腕式设备(例如类似于智能手表)。另一个实施例是可以提供较长监测时间的可穿戴式耳机。
现在参考图5A-5B，这些图显示了使用可佩戴在使用者的手腕上的凹形光学传感器来测量脉搏血氧定量的改进的解决方案。图5A示意性地示出了手腕壳体50中的凹形光学传感器的透视图。手腕壳体50包括能够围绕使用者的手腕的带子(类似于手表的带子)。手腕壳体50还包括显示器59(类似于图3A-3B所示的环壳体)，其被配置为向使用者显示信息。
在一些实施方案中，手腕壳体可以进一步包括能够将信息无线地传输到外部设备(例如智能电话或PC)的通信模块。在优选实施方案中，手腕壳体还可以包括蓄电单元或电池。
图5B示意性地示出了手腕壳体50的放大部分。手腕壳体50包括在带51的一侧(与环形壳体相反，凹形光学传感器定位在中心处)的凹形光学传感器。因此，手腕壳体50的凹形光学传感器包括光源54和相应的光接收器56，使得光可以从光源54朝向光接收器56发射并穿过使用者手腕的组织。
任选地，凹形光学传感器可以嵌入到现有可穿戴设备(例如手表或智能手表)的带子中，然后利用从凹形光学传感器收集的数据以类似于手腕壳体50的方式进行操作。
在一些实施方案中，类似的设备可以装配到人体的其他部分上。例如，围绕使用者腿部的可佩戴带。
现在参照图6，其示意性地示出了嵌入到计算机化设备70(例如，智能电话或平板电脑)的侧面中的凹形光学传感器72。通过将凹形光学传感器72嵌入到使用者每天所持有的物品中，可以测量所需的信号，使得使用者不需要改变日常惯例。任选地，嵌入到计算机化设备70的侧面的凹形光学传感器72可以与计算机化设备的处理器耦合以便在内置显示器上显示信息，或者可选地，可以耦合到外部设备以存储测量的数据。
任选地，传感器可以被嵌入在弹性缓冲垫(在该图中未示出)内。
现在参考图7，示意性地示出了具有嵌入式凹形光学传感器82的方向盘80。在一些实施方案中，凹形光学传感器可以嵌入到其他日常使用的物体中，以便监测心血管活动。例如，可以实现嵌入在汽车的方向盘80中使得可以实现对驾驶员健康状况的不显眼追踪的光源和相应的光接收器(作为凹形光学传感器82)。实际上，形成监视器设备。
现在参考图8，示意性地示出了具有嵌入式凹形光学传感器92的一件服装90。在一些实施方案中，凹形光学传感器92可以被嵌入由使用者佩戴的织物中。因此，凹形光学传感器92可以被嵌入到服装和/或鞋子中，以允许连续监视。例如，只要袜子被使用者佩戴，具有嵌入式凹形光学传感器92的袜子90可以持续地监视始终与嵌入的凹形光学传感器92接触的使用者的(脚部)皮肤。
嵌入在袜子90中的这种凹形光学传感器92对于监测婴儿、在运动活动期间的监测或者在医院或家中的常规连续监测患者可能是特别有用的(与现有的强制检测器的方法相反)。
现在参考图9A，示意性地示出了附接到使用者100的身体的凹形光学传感器102。在一些实施方案中，凹形光学传感器102可以被提供为利用粘合剂临时附接到使用者100的身体或者可选地附有一个专用的条带的贴片。这样的贴片可以允许持续监测使用者100的心血管健康信号。例如，贴片可以附着到使用者100的手臂，并且光束从凹形光学传感器102的光源发射，通过通过手臂的组织，然后被凹形光学传感器102的光接收器接收。
现在参考图9B，该图示意性地示出了监测婴儿105的身体的凹形光学传感器107,108。应该注意的是，用于婴儿监测的商业上可用的设备由于婴儿的小脚通常使用透射式脉搏血氧计。因此，使用上述具有凹面传感器的袜子或贴片可以为监测婴儿提供便利的解决方案。特别地，由婴儿穿着袜子或者可选地将贴片108附着到婴儿105的脚上。任选地或可替代地，凹形光学传感器也可以嵌入婴儿的尿布夹子107中。在每种情况下，凹形光学传感器与婴儿105的皮肤接触，由此光通过婴儿105的组织从源传递到接收器。
现在参考图10，示意性地示出了具有嵌入式凹形光学传感器112的称重秤110。在一些实施方案中，凹形光学传感器112可以被嵌入通常用于(通过通常站在秤上)测量使用者重量的称重秤110中。例如，凹形光学传感器112可以被嵌入到“浴室秤”中，从而使使用者赤脚踏在秤上自动启动心血管监测，由此使用者的皮肤接触嵌入的凹形光学传感器112。例如，使用者将脚101放置在称重秤110上，从凹形光学传感器112的光源发出的光束穿过脚的组织，然后由凹形光学传感器112的光接收器接收。任选地，如果检测到预定的最小重量，则压力传感器可以启动凹形光学传感器112的操作。
现在参考图11，该图示意性地示出了具有嵌入式凹形光学传感器122的运动训练机120。在一些实施方案中，凹形光学传感器122可以嵌入到运动训练机120中，诸如可以见于健身房。例如，凹形光学传感器122可以被嵌入到机器120的一部分中以被使用者的手抓住，类似于当前商业上可获得的嵌入到这种机器中的ECG电极。
现在参考图12，示意性地示出耦合到使用者的身体的凹形光学传感器132。例如凹形光学传感器132可以耦合到使用者的身体，以便估计心血管手术中的改善。例如，凹形光学传感器132可以耦合到男性生殖器，以便利用从凹形光学传感器132的光源发射、穿过身体的组织、然后通过凹形光学传感器132的光接收器接收的光束来监测心血管系统的操作。
现在参照图13A-14B中，这些图显示了平坦的脉搏血氧计。图13A示意性地示出了具有由使用者的手指10抓握的凹形光学传感器142的扁平脉搏血氧计140的侧视图，并且图13B示意性地示出了扁平脉搏血氧计140的透视图。
在一些实施方案中，凹形光学传感器142可以被嵌入到平坦基底中，使得使用者仅将手指10放置在凹形光学传感器142上，以允许测量期望的数据，而不是将传感器缠绕在身体的部分上(例如手指周围)。应该注意的是，传感器的这种使用类似于图4A、4C和4D中所示的凹形光学传感器，因为它取代了目前使用的夹子型(“鳄鱼式”)传感器。
可以理解的是，通过以小尺寸(例如以信用卡尺寸)提供平坦的脉搏血氧计140，平坦的血氧计140可以始终由使用者(例如在钱包中)携带，使得其可以在任何期望的时刻使用。优选地，扁平脉搏血氧计140具有椭圆形凹陷，其中可以嵌入凹形光学传感器142，具有光源144(例如LED)和相应的光接收器146(例如光电二极管)。任选地，光导管144和光接收器146被定位在凹陷中的弹性箔片上，以便于按压手指10。因此，使用者可以简单地将手指10放置在凹陷中以便开始测量。此外，这种小而轻的平坦的脉搏血氧计140容易携带在使用者的口袋中，并且不具有可以破裂的机械运动部件，从而防止磨损。
在一些实施方案中，扁平脉搏血氧计140还可以包括显示器143，例如适用于小型设备且特别适用于信用卡尺寸的电子纸显示器。优选地，显示器143显示血氧定量和脉搏数据。
应该注意的是，凹形光学传感器的最佳操作需要传感器的轻微的压力与皮肤的接触以获得良好的信号，而没有接触或者太高的压力可能导致信号质量和信噪比(SNR)大大劣化。
现在参考图14，示意性地示出嵌入临床温度计170中的凹形光学传感器172。凹形光学传感器172可以嵌入温度计170的与使用者的皮肤接触的部分中，从而允许脉搏血氧定量测量。任选地，脉搏血氧定量测量结果可以显示在专用显示器171中。
现在参考图15，示意性地示出了嵌入胸罩180中的凹形光学传感器182。嵌入凹形光学传感器182的这种日常使用的服装可以提供用于连续监视的手段。根据一些实施方案，凹形光学传感器182是防水的，可以嵌入泳衣的胸罩中。特别适合那些经常去泡温泉和/或每晚洗热水澡的人作为增加循环的方法。因此，一个防水的贴片或夹子可能会给出在水中停留多久的指示，因为它会降低血压，而且如果人们在高温下停留时间过长，可能会产生负面影响。
通常，本文所描述的传感器可以嵌入到任何选择的服装内，例如但不限于袜子、胸罩、泳衣、衬衫、裤子、其中的组合等。传感器可嵌入在任何设备或医疗设备内，例如但不限于按摩设备、运动活动设备、心电图(ECG)贴片或任何其他医疗设备。
通常使用光学传感器进行的测量，尤其是使用本文公开的凹形光学传感器进行的测量取决于凹形光学传感器与皮肤之间的接触力，其是由凹形光学传感器施加在皮肤上的压力的函数。接触力过低可能会导致耦合不良，因此没有足够的光线穿透毛细血管床。另一方面，过高的接触力可能会将血液从测量的组织中挤出，并可能导致信号质量差。此外，包括光学传感器的可佩戴装置受到使用者的移动影响，这可能影响光学传感器压靠使用者皮肤的接触力。因此，需要保持光学传感器在皮肤上的压力恒定并且在一定的力范围内。
根据一些实施方案，本主题提供凹形光学传感器，该凹形光学传感器包括弹性或弹力构件(例如弹簧)，该弹性或弹力构件被配置为不变地并且以一定的接触力保持凹形光学传感器按压在皮肤上。这通过使用具有弹性常数k的弹性构件来实现，该弹性构件适合于以适当的压力将凹形光学传感器按压在皮肤上，如上所述。
图16示意性地示出了根据示例性实施方案的与环190集成的凹形光学传感器192。根据该实施方案，环190结构用作弹性构件，其恒定地并且以一定的接触力将凹形光学传感器按压到皮肤上。LED 194和PD 196包括传感器。
图170示意性地示出了根据示例性实施方案的与腕式手表200集成的凹形光学传感器202，其进一步包括弹性构件204，例如弹簧，其被定位为邻近凹形光学传感器202，使得凹形光学传感器202恒定地且以一定的接触力按压到皮肤上。
图18示意性地示出了根据示例性实施方案的与手镯210集成的凹形光学传感器212，还包括弹性构件214和力限制器216。根据一些实施方案，弹性构件214是弹簧，定位靠近凹形光学传感器212，使得按压凹形光学传感器212恒定地且以一定的接触力按压在皮肤上。根据另外的实施方案，力限制器216以限制由弹性构件214施加在凹形光学传感器上的力的方式定位成邻近凹形光学传感器212。因此，力限制器216被配置为另外控制由凹形光学传感器212施加的抵靠皮肤的接触力，并且帮助更精确地调整接触力。应该注意的是，包括力限制器216不限于嵌入在手镯210中的凹形光学传感器212，并且还包括弹性元件，而是包括弹性元件和力限制器的任何类型的凹形光学传感器在本主题的范围内。
图19示意性地示出了根据示例性实施方案的与耳塞220集成的凹形光学传感器222，其进一步包括弹性构件224，例如弹簧，所述弹性构件定位成邻近凹形光学传感器222，使得凹形光学传感器222恒定地且以一定的接触力按压在皮肤上。
图20示意性地示出了根据示例性实施方案的与通常由使用者的手掌保持的设备240(例如便携式手机)集成的凹形光学传感器242，其任选选地包括弹性构件244，例如弹簧，定位成与凹形光学传感器242邻近，以将凹形光学传感器242恒定地且以一定的接触力按压在皮肤上。在计算设备的监视器上可以显示输出数据，例如血液中的氧饱和度。
根据以上公开的一些实施方案，具有或不具有力限制器的弹性构件与凹形光学传感器一起使用。然而，具有或不具有力限制器的弹性构件也可以与本领域已知的任何形状和类型的光学传感器一起使用，例如但不限于平面光学传感器和反射式光学传感器。
在以上描述中，实施方案是主题的实施例或实现方式。“一个实施方案”，“实施方案”或“一些实施方案”的各种出现不一定都指代相同的实施方案。
尽管可以在单个实施方案的上下文中描述主题的各种特征，但是这些特征也可以单独地或以任何合适的组合来提供。相反地，尽管为了清楚起见可以在单独的实施方案的上下文中描述主题，但是主题也可以在单个实施方案中实现。
实施方案可以包括上面公开的不同实施方案的特征，并且实施方案可以包含来自上面公开的其他实施方案的元件。在特定实施方案的上下文中主题的元素的公开不被视为仅限于在具体实施方案中使用它们。
此外，要理解的是，主题可以以各种方式执行或实施，并且可以在除以上描述中概述的实施方案之外的实施方案中实现。除非另外定义，本文使用的技术和科学术语的含义通常如主题所属领域的普通技术人员通常理解的那样。
可以理解的是，为了清楚起见，在单独实施方案的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方案中组合提供。相反地，为了简洁起见而在单个实施方案的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合来提供。
虽然已经结合其具体实施方案描述了主题，但是显而易见的是，对于本领域技术人员而言，许多替换、修改和变化将是显而易见的。因此，旨在涵盖落入所附权利要求书的精神和广泛范围内的所有这些替代、修改和变化。

Claims (44)

1.凹形光学传感器，包括：
具有至少一个波长的至少一个光源，其中所述光源被配置为发射光束；以及
响应于从所述光源发射的光束的至少一个光接收器，
其中所述至少一个光源和所述至少一个光接收器都被定位在凹面段上。
2.如权利要求1所述的传感器，其中所述至少一个光源与所述至少一个光接收器之间的角度不同于0度或180度。
3.如权利要求1所述的传感器，其中所述凹形光学传感器在使用者的佩戴在骨骼结构或身体部位上时被激活。
4.如权利要求3所述的传感器，其中，所述骨骼结构或所述身体部位不用于透射式光学传感器。
5.如权利要求1所述的传感器，其中所述至少一个光源包括单个波长，并且其中可以测量光电容积脉搏波描记(PPG)信号。
6.如权利要求1所述的传感器，其中所述至少一个光源包括至少两个波长，并且其中可以测量脉搏血氧定量。
7.如权利要求6所述的传感器，其中，可以执行血液成分的光谱分析。
8.如权利要求1至7中任一项所述的传感器，其中所述传感器耦合到被配置为允许计算脉搏血氧定量数据的外部设备。
9.如权利要求1至8中任一项所述的传感器，其中所述传感器耦合到外部设备，所述外部设备被配置为允许通过分析在所述至少一个光接收器中接收的脉搏波来计算血液动力学参数。
10.如权利要求1至9中任一项所述的传感器，其中心率可以被测量。
11.如权利要求1至10中任一项所述的传感器，其中脉搏血氧定量可以被测量。
12.如权利要求1至11中任一项所述的传感器，其中灌注指数可以被测量。
13.如权利要求1至12中任一项所述的传感器，还包括显示器。
14.如权利要求1至13中任一项所述的传感器，还包括被配置为允许与外部设备进行无线通信的通信模块。
15.如权利要求1至14中任一项所述的传感器，其中，使用者的心血管年龄可以被估计。
16.如权利要求15所述的传感器，其中所述心血管年龄可被用作总体健康分数。
17.如权利要求16所述的传感器，其中所述总体健康分数被用作生活方式健康贡献的评估。
18.如权利要求1至17中任一项所述的传感器，还包括生物测定模块，其中来自使用者的生理信号被用于验证所述使用者身份。
19.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器嵌入在平坦段内。
20.如权利要求19所述的传感器，其中所述平坦段具有类似于信用卡的形状。
21.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器被嵌入计算机化设备内。
22.如权利要求1所述的传感器，其中，所述计算机化设备是从诸如智能电话、移动电话、手机、平板电脑、平板设备、耳机、其中的组合等的计算机化设备中选择的。
23.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器嵌入在方向盘内。
24.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器嵌入在一件服装内。
25.如权利要求24所述的传感器，其中，所述一件服装是从诸如袜子、胸罩、泳衣、衬衫、裤子、其中的组合等的服装组中选择的。
26.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器嵌入在称重秤中。
27.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器被嵌入运动训练机内。
28.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器被嵌入在按摩设备内。
29.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器被嵌入在心电图(ECG)贴片内。
30.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器被嵌入在可临时附着到使用者身体的贴片内。
31.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器是防水的。
32.监视设备，包括：
至少一个凹形光学传感器；以及
微控制器，该微控制器被夹在被配置为至少部分地围绕使用者的身体部位缠绕的设备上。
33.如权利要求32所述的设备，其中所述设备是可穿戴设备，并且所述微控制器夹在所述身体部位上的条带上。
34.如权利要求32-33所述的设备，其中，所述微控制器被捆绑在使用者的手腕或手指上。
35.如权利要求32所述的设备，其中所述至少一个凹面传感器用作脉搏血氧计。
36.监视系统，包括：
凹形光学传感器；
耦合到凹形光学传感器的设备；
通信模块，被配置为允许数据的无线传输；以及
计算设备，其被配置为允许从所述通信模块接收信号以执行脉搏波分析并且导出血液动力学参数。
37.如权利要求36所述的监视系统，其中所述设备是从包括戒指、手表、腕带、其组合等的组中选择的可佩戴设备。
38.信号处理方法，包括：
提供至少一个光电容积脉搏波描记(PPG)传感器；
提供至少两个同步信道；以及
使用所述至少一个PPG传感器来使用所述同步信道以便获得具有降低的噪声的组合脉冲形状。
39.信号处理方法，包括：
提供ECG波信号；
用所述ECG波信号触发至少一个PPG信号，以形成具有降低的噪声的平均脉冲。
40.如权利要求39所述的方法，还包括使用小波和高阶导数来识别真实脉冲。
41.弹性凹形光学传感器，包括：
具有至少一个波长的至少一个光源，其中所述光源被配置为发射光束；以及
响应于从所述光源发射的光束的至少一个光接收器，
其中所述至少一个光源和所述至少一个光接收器都定位在弹性凹面段上，所述弹性凹面段将所述凹面传感器按压在使用者的身体部位上以获得最佳的耦合。
42.如权利要求41所述的弹性凹形光学传感器，其中，所述弹性凹面段使所述传感器相对于所述身体部位稳定以防止运动伪影。
43.如权利要求1至30中任一项所述的传感器，进一步设置有弹性元件，所述弹性元件构造成将所述传感器按压在身体部位上。
44.如权利要求43所述的传感器，其中所述弹性元件是弹簧或类似弹簧的元件。
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