CN104379055A - 用于测量用户的生理参数的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设备，其用于测量携带所述设备的用户的生理参数。设备包括包含用于检测传感器信号的至少两个传感器元件（221，222，223）的传感器（22）和承载所述传感器的载体（26），其中所述传感器元件的电学接触件（34）引导在所述载体上、到所述载体中或者通过所述载体。被所述载体承载的一个或多个框架（41，42，43）形成在所述传感器和/或所述各个传感器元件周围，并且绝缘材料（32）填充在所述一个或多个框架与被相应框架围绕的传感器和/或传感器元件之间而不覆盖背离载体的相应传感器元件的顶表面。

Description

用于测量用户的生理参数的设备

技术领域

本发明涉及一种设备，其用于测量携带所述设备的用户的生理参数。另外，本发明涉及制造用于测量生理参数的设备的方法。

背景技术

心率监视器已经在休闲和运动领域中使用了一些年。存在这些设备的许多构造（make）。典型的设备具有（例如ECG）胸带或者腕带的形式，例如包括在手臂上进行测量的光学类型的传感器。例如从US 2009/048526得知这样的心率监视器。

US 2009/048526公开了一种用于监视用户心脏的监视装置，装置包括用于测量用户手臂的电学参数中的改变的若干传感器，从其可确定用户心脏的心电图、心率和/或心率变化中的改变。装置还包括用于从电学参数中的改变确定心电图、心率和/或心率变化的数据处理器；以及用于使心电图、心率和/或心率变化对于用户可得知的输出设备。仅使用单个腕带（特别地腕表），其具有在不使用例如胸带的情况下监视用户心脏的所有构件。在此，单个腕带至少提供有至少一个传感器并且特别地还包括数据处理器，并且更特别地还包括输出设备。

其它可穿戴测量设备使用用于测量皮肤的电导率的电导率传感器以利用用户的皮肤电导与用户的觉醒水平有关这一已知事实。

为了保护传感器一般通过其连接到诸如驱动器、处理器、控制器和/或电源之类的其它电学组件的电学组件，传感器的电学接触件一般覆盖有诸如环氧树脂之类的绝缘材料。然而，应当避免覆盖传感器元件、特别是发光二极管以及在光学传感器的情况下优选地还有光电二极管的顶表面，因为否则这承担所覆盖的传感器元件放松对用户皮肤的紧贴的风险，这可能降低信号质量或者甚至完全降低测量有用信号的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种设备，其用于测量携带所述设备的用户的生理参数，其中在不妨碍设备的性能的情况下安全地保护内部电学接触件。本发明的另一目的是提供制造这样的设备的简单方法。

在本发明的第一方面中，呈现了一种设备，其用于测量携带所述设备的用户的生理参数，其包括：

-传感器，其包括用于检测传感器信号的至少两个传感器元件，

-承载所述传感器的载体，其中所述传感器元件的电学接触件引导在所述载体上、到所述载体中或者通过所述载体，

-一个或多个框架，其由所述载体承载并且形成在所述传感器和/或所述各个传感器元件周围，

-绝缘材料，其填充在所述一个或多个框架和被相应框架围绕的传感器和/或传感器元件之间而不覆盖背离载体的相应传感器元件的顶表面。

在本发明的另一方面中，呈现了一种制造这样的设备的方法，其包括：

-在用于承载传感器的载体上布置所述传感器，其包括用于检测传感器信号的至少两个传感器元件，

-将所述传感器元件的电学接触件形成在所述载体上、到所述载体中或者通过所述载体，

-在所述传感器和/或所述各个传感器元件周围形成所述载体上的一个或多个框架，

-将绝缘材料填充在所述一个或多个框架和被相应框架围绕的传感器和/或传感器元件之间而不覆盖背离载体的相应传感器元件的顶表面。

在从属权利要求中限定本发明的优选实施例。应当理解，所要求保护的方法具有与所要求保护的设备和从属权利要求中所限定的类似和/或等同的优选实施例。

本发明是基于以下想法：使用整个传感器周围或者各个传感器元件周围的一个或多个框架，其以这样的方式制作以便保留传感器的性能。例如，这些框架中的至少一个帮助防止传感器跨皮肤的漂移。此外，取决于传感器的种类，一个或多个框架可以附加地帮助分离由一个或多个传感器元件发射的信号和/或由一个或多个传感器元件接收的信号。一个或多个框架特别地服务于当绝缘材料被倾倒在框架和相应传感器元件之间的电学接触件之上时对其进行限制，使得它不溢出和负面地影响设备的正确运转。

一般地，测量一个或多个生理参数（例如心率、血压、呼吸率、皮肤电导率、皮肤湿度等）的特定种类的传感器对于本发明而言不是本质的。在优选实施例中，所述传感器是光学传感器，其包括至少一个光发射元件（特别地，LED）以用于向用户皮肤发射光和至少一个光接收元件（特别地，光电检测器）以用于接收从用户皮肤反射的光。这样的实施例可以例如被用于心率监视。在这样的实施例中，一个或多个框架服务于防止从光发射元件发射的直射光进入光接收元件。

优选地，所述至少一个光接收元件（特别地，每个光接收元件）被分离的接收器框架围绕，所述接收器框架具有大于载体与被所述接收器框架围绕的相应光接收元件的顶表面之间的距离的离载体的高度。特别地，已经发现，该高度差在这样的光学传感器中有利于避免与直射光的光干涉。此外，因为接收器将推到用户皮肤中，所以机械接触将在皮肤与传感器之间增加。另一优点在于，将迫使从LED行进到光接收器的光穿过皮肤的较深区域和较浅区域。这将增加光学信号的鲁棒性。

在具有光学传感器的这样的设备的实际实现方案中，接收器框架的顶边缘与被所述接收器框架围绕的相应光接收元件的顶表面之间的高度差在从0mm至0.5mm的范围中，特别地在从0.1mm至0.2mm的范围中。

另外，优选地，所述至少一个光发射元件（特别地，每个光发射元件）被发射器框架围绕，所述发射器框架具有小于或等于载体与被所述发射器框架围绕的相应光发射元件的顶表面之间的距离的离载体的高度。特别地，已经发现，该高度差在这样的光学传感器中有利于最优化光发射元件与用户皮肤之间的光学接触。因为框架较低，所以光发射元件的表面将最佳地推到用户皮肤中，这避免可能形成并且导致光学信号中的较大伪像的空气间隙。

在具有光学传感器的这样的设备的实际实现方案中，发射器框架的顶边缘与被所述发射器框架围绕的相应光发射元件的顶表面之间的高度差在从0.1mm至0.8mm的范围中，特别地在从0.2mm至0.5mm的范围中。如果两个框架在光接收和光发射元件之间的位置处重合，框架将高于光发射元件自身，但是仅在该侧处。

优选地，载体与所述至少一个光发射元件的顶表面之间的距离等于或者小于载体与所述至少一个光接收元件的顶表面之间的距离。这确保（多个）光接收元件被进一步推到用户皮肤中，这使得能够实现较好接触，防止整个设备的移动并且确保散射到皮肤中的光的较好收集。

在另一实现方案中，出于实际原因，例如在其中检测器和至少一个光发射元件接近的情况中，在检测器与至少一个光发射元件之间可以仅存在一个壁。如果情况是这样，相应地光接收和光发射元件的框架二者的框架壁重合。这意味着光发射元件的框架壁将高于光发射元件自身的表面，但是仅在光接收元件所位于的侧面处。根据以上提及的要求，光发射元件的框架的其余部分将低于元件自身的表面。

根据可替换的实施例，所述传感器是电学传感器，其包括用于接触用户皮肤和测量用户皮肤的电导率的两个皮肤电导电极。该实施例可以例如被用于压力监视。

一般地，设备可以将其传感器信号输出到另一设备（例如到计算机），其中传感器信号被处理。可替换地，如实施例中优选的，设备还包括诸如用于处理所述传感器信号的处理器之类的附加组件，特别地在使用光学传感器时用于确定用户的心率。

所述附加组件优选地在不同于所述传感器的表面上布置在所述载体上。这防止所述附加组件妨碍传感器元件与皮肤之间的良好接触。

在另一实现方案中，出于可制造性的原因，所述附加组件安装在不同于传感器组件的载体上。在该情况中，具有传感器组件的载体优选地直接安装在具有所述其它组件的载体上。

一般地，可以使用任何种类的绝缘材料。优选地，所述绝缘材料是环氧树脂。

为了固定或者将设备附接到用户皮肤，设备优选地还包括用于将设备固定到用户皮肤的固定元件。所述固定元件可以是例如腕带、粘合条、创可贴或者带子。

根据本发明的另一方面，呈现了一种设备，其用于测量携带所述设备的用户的生理参数，所述设备包括：

-传感器，其包括用于检测传感器信号的至少两个传感器元件，其中所述传感器是光学传感器，其包括用于向用户皮肤发射光的至少一个光发射元件（特别地，LED），以及用于接收从用户皮肤反射的光的至少一个光接收元件（特别地，光电检测器），以及

-承载所述传感器的载体，

其中载体与所述至少一个光发射元件的顶表面之间的距离等于或者小于载体与所述至少一个光接收元件的顶表面之间的距离。

优选地，在所述方面的进一步改进中，至少一个光发射元件与至少一个光接收元件之间的空间填充有光吸收（例如黑色）材料（例如环氧树脂）以避免光能够从至少一个光发射元件直接进入到至少一个光接收元件。另外，在改进中，在光接收元件与光发射元件之间提供单个框架。然后，仅在不面向光接收元件的那些侧上，载体与所述至少一个光发射元件的顶表面之间的距离等于或者小于载体与所述至少一个光接收元件的顶表面之间的距离。

附图说明

本发明的这些及其它方面将从以下描述的（多个）实施例显而易见并且参考以下描述的（多个）实施例进行阐述。在以下附图中

图1示出通过已知心率监视设备的横截面，

图2示出通过根据本发明的设备的第一实施例的横截面，

图3示出通过根据本发明的设备的第二实施例的横截面，

图4示出通过根据本发明的设备的第三实施例的横截面，

图5示出通过根据本发明的设备的第四实施例的横截面，以及

图6示出制造根据本发明的设备的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出通过已知设备10的横截面，所述已知设备10用于测量携带所述设备的用户1的生理参数（图1仅示出用户的手臂）。它包括用于测量用户1的至少一个生理参数的传感器12和容纳所述传感器12的外壳14。通过固定16（例如腕带）将外壳保持在用户的手臂上。

在该实施例中，传感器12包括两个传感器元件121,122，并且可以是用于测量或者监视心率的心率监视传感器。但是一般地，测量一个或多个生理参数（例如心率、血压、呼吸率、皮肤电导率、皮肤湿度等）的特定种类的传感器对于本发明而言不是本质的。

外壳14可以是例如腕带、腕表或者如使用在例如运动中的监视设备的类型的外罩。特定种类和形式的外壳14对于本发明而言也不是本质的，而是主要服务于将传感器12保持在关于用户1的期望的定位处并且可选地容纳比如电池、处理单元、显示器、用户接口等的另外的元件。

在该实施例中，设备10实现为用于监视用户的心率的心率监视设备10，并且传感器12是包括光发射元件121和光接收元件122的光学传感器。光学心率监视器的原理依赖于将光照射在皮肤内部的光源121（通常为LED）。光在皮肤中被散射，其中它或多或少被血液吸收。光离开皮肤并且它被光接收元件122（通常为光电二极管）捕获。光接收元件122上的信号量是血量的指示。当心脏搏动时，皮肤中的血量改变，并且因此光接收元件122上的信号也改变。光接收元件122因此直接测量皮肤中的脉搏和因此的心率。通过对每单位时间（例如每10秒）的脉搏数目进行计数，获取每分钟心搏的数目（即心率）。

图2示出通过根据本发明的设备20的第一实施例的横截面，所述设备20用于测量携带所述设备的用户的生理参数。所述设备20包括传感器22，其包括用于检测传感器信号的至少两个（在此为三个）传感器元件221,222,223，其中所述传感器是光学传感器，其包括用于向用户皮肤发射光的两个光发射元件221,223（特别地，两个LED），以及用于接收从用户皮肤反射的光的至少一个光接收元件222（特别地，光电检测器）。另外，设备20包括外壳或者外罩（未示出；一般地可以与图1中示出的外壳14类似或者等同）和承载所述传感器22的载体26。然而，该实施例对于与光学传感器一起使用不是优选的，因为其允许光从光发射元件直接去往光接收元件而不穿过皮肤。

在该设备20中，载体26与所述光发射元件221,223的顶表面221a，223a之间的距离小于载体26与所述光接收元件222的顶表面222a之间的距离，即存在高度距离Δh。该解决方案具有以下优点：来自光发射元件221,223的大部分光朝向皮肤直接耦合（即没有空气层的介入）并且进一步耦合到光接收元件222。另外，没有来自光发射元件的光能够直接进入光接收元件222而不穿过皮肤。

为了保护电学组件，（多个）光发射元件和（多个）光接收元件的电学接触件应当优选地覆盖有诸如环氧树脂之类的绝缘材料。然而，应当避免绝缘材料覆盖（多个）光发射元件，因为否则皮肤不能围绕光发射元件，这给出空气间隙和皮肤在光发射元件上的降低的紧贴的风险。在图3中描绘根据本发明的设备30的一般可能的实施例，其中加入环氧化物32以保护光发射元件221,223的接触件而不覆盖光发射元件221，223的顶表面221a，223a。

可以通过实际加入环氧化物32以覆盖组件（即传感器元件221,222,223）的电学接触件34来进一步改进该实施例，以这样的方式以便最小地干扰传感器的正确运转。就像如图3中所示的环氧化物的倾倒尚不是最佳的，因为环氧化物可能溢出。创建限制环氧化物的附加结构是允许大量生产的选项。

图4示出根据本发明的设备40的进一步改进的实施例。在该实施例中，在设备中创建限制绝缘材料的结构（其未在图4中示出）。特别地，在适合于大量生产的该实现方案中，在传感器元件221,222,223周围形成框架41,42,43，其在绝缘材料被倾倒在框架与传感器元件的旋光部分之间的空间36中的传感器元件的电学接触件34之上时将限制绝缘材料。

在图4中示出的实施例中，每个传感器元件221,222,223被单独框架41,42,43围绕。在其它实施例中，相同或者所有框架与彼此组合，或者所有传感器元件被共同框架围绕。

为了进一步改进这样的设备使得它不负面地影响设备的运转，已经发现，光发射元件221,223周围的框架41,43优选地低于光发射元件221,223的顶表面221a，223a。换言之，在这样的经改进的实现方案中，光发射元件221,223（特别地，每个光发射元件）被分离的发射器框架41,43围绕，所述发射器框架41,43具有小于或者等于载体26与被所述发射器框架41,43围绕的相应光发射元件221,223的顶表面221a，223a之间的距离的离载体26的高度。这可以通过关系h_FR-LED < h_LED在图4中进行量化。优选地，发射器框架的顶边缘41a，43a与被所述发射器框架41,43围绕的相应光发射元件221,223的顶表面221a，223a之间的高度差在从0.1mm至0.8mm的范围中，特别地在从0.2mm至0.5mm的范围中。

关于光接收元件222周围的接收器框架42，优选地，这高于光接收元件222的顶表面222a。换言之，在这样的经改进的实现方案中，接收器框架42具有大于载体26与被所述接收器框架42围绕的光接收元件222的顶表面222a之间的距离的离载体26的高度。这可以通过关系h_FR-PD > h_PD在图4中进行量化。优选地，接收器框架42的顶边缘42a与被所述接收器框架42围绕的光接收元件222的顶表面222a之间的高度差在从0mm至0.5mm的范围中，特别地在从0.1mm至0.2mm的范围中。

出于可制造性的原因，可能发生的是在光接收元件与光发射元件之间仅存在一个框架壁，例如在其中光接收元件和光发射元件接近的情况中。如果情况是这样，相应地光接收和光发射元件的框架二者的框架壁重合。这意味着光发射元件的框架壁将高于光发射元件自身的表面，但是仅在光接收元件所位于的侧面处。根据以上提及的要求，光发射元件的框架的其余部分将低于元件自身的表面。

（多个）光发射元件的顶表面的高度应当低于光接收元件周围的框架42的顶边缘42a。高度差应当在从0.1至1 mm的范围中，优选地在从0.2至0.8 mm的范围中。

如以上所解释的，绝缘材料将保护传感器元件的电学接触件34。然而，这些电学接触件34应当另外与诸如驱动器、检测电子器件、处理器或者电源之类的其它元件接触，这意味着在载体26（其可以是PCB（印刷电路板））上存在到这些附加电子器件的一些“外部”电学连接。图5示出通过根据本发明的设备50的第四实施例的横截面。所述设备50包括这样的附加电子器件，诸如处理器52和驱动器54。外部电学连接未被置于与传感器元件221,222相同的载体26的表面上。否则，它们连接到的部分将妨碍皮肤与传感器元件之间的良好接触。例如，外部电学连接可以被置于载体26的侧表面上。

如以上所提及的，在根据本发明的设备中可以使用不同种类的传感器。例如，在实施例中，所述传感器22是包括用于接触用户皮肤并且测量用户皮肤的电导率的两个皮肤电导电极（例如图2中示出的传感器元件221,222）的电学传感器。更进一步地，在这样的设备中一般可以使用两个或更多的传感器，并且传感器元件的数目对于本发明而言也不是本质的。

在图6中描绘制造如本文所提出的用于测量生理参数的设备的方法的流程图。在第一步骤S1中，在载体26上布置包括用于检测传感器信号的至少两个传感器元件221,222的传感器22。在第二步骤S2中，在所述载体26上、到所述载体26中或者通过所述载体26形成所述传感器元件的电学接触件。在第三步骤S3中，在所述传感器22和/或所述各个传感器元件221,222周围，一个或多个框架41,42形成在所述载体26上。在第四步骤中，在所述一个或多个框架41,42与被相应框架41,42围绕的传感器22和/或传感器元件221,222之间填充绝缘材料32而不覆盖背离载体26的相应传感器元件221,222的顶表面221a，222a。

总之，根据本发明，提出了实现电学接触件的保护而不对设备的性能具有负面影响的方式。为此目的，使用传感器元件周围的（多个）框架，其以这样的方式制作以便保留传感器的性能。例如，这些框架中的至少一个帮助防止传感器跨皮肤的漂移；而且，这些框架中的至少一个可以服务于防止直接发射的光进入光接收元件。优选地，除面向光接收元件的侧面的可能例外，（多个）光发射元件周围的框架的高度应当小于（多个）光发射元件的表面的高度。此外，（多个）光接收元件周围的框架可以高于（多个）光接收元件的表面。

虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被视为是说明性或者示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时，通过研究附图、公开内容和随附的权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的其它变型。

在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或者步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或者其它单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能被用于获益。

权利要求中的任何参考标记不应解释为限制范围。

Claims (15)

1.设备，其用于测量携带所述设备的用户的生理参数，所述设备包括：

-传感器（22），其包括用于检测传感器信号的至少两个传感器元件（221,222,223），

-承载所述传感器的载体（26），其中所述传感器元件的电学接触件（34）引导在所述载体上、到所述载体中或者通过所述载体，

-一个或多个框架（41,42,43），其被所述载体承载并且形成在所述传感器和/或所述各个传感器元件周围，

-绝缘材料（32），其填充在所述一个或多个框架与被相应框架围绕的传感器和/或传感器元件之间而不覆盖背离载体的相应传感器元件的顶表面。

2.如权利要求1中所要求保护的设备，其中所述传感器是光学传感器，其包括用于向用户皮肤发射光的至少一个光发射元件（221,223），特别地LED，以及用于接收从用户皮肤反射的光的至少一个光接收元件（222），特别地光电检测器。

3.如权利要求2中所要求保护的设备，其中所述至少一个光接收元件，特别地每个光接收元件，被分离的接收器框架（42）围绕，所述接收器框架具有大于载体与被所述接收器框架围绕的相应光接收元件的顶表面之间的距离的离载体的高度。

4.如权利要求3中所要求保护的设备，其中接收器框架的顶边缘与被所述接收器框架围绕的相应光接收元件的顶表面之间的高度差在从0mm至0.5mm的范围中，特别地在从0.1mm至0.2mm的范围中。

5.如权利要求2中所要求保护的设备，其中所述至少一个光发射元件，特别地每个光发射元件，被发射器框架（41,43）围绕，所述发射器框架具有小于或者等于载体与被所述发射器框架围绕的相应光发射元件的顶表面之间的距离的离载体的高度。

6.如权利要求5中所要求保护的设备，其中发射器框架的顶边缘与被所述发射器框架围绕的相应光发射元件的顶表面之间的高度差在从0.1mm至0.8mm的范围中，特别地在从0.2mm至0.5mm的范围中。

7.如权利要求2中所要求保护的设备，其中载体与所述至少一个光发射元件（221,223）的顶表面之间的距离等于或者小于载体与所述至少一个光接收元件（222）的顶表面之间的距离。

8.如权利要求1中所要求保护的设备，其中所述传感器是电学传感器，其包括用于接触用户皮肤并且测量用户皮肤的电导率的两个皮肤电导电极（221,222）。

9.如权利要求1中所要求保护的设备，还包括附加组件（52），特别是用于处理所述传感器信号的处理器（52）。

10.如权利要求9中所要求保护的设备，其中所述附加组件（52）在不同于所述传感器的表面上布置在所述载体上。

11.如权利要求1中所要求保护的设备，其中所述绝缘材料（32）是环氧树脂。

12.如权利要求1中所要求保护的设备，还包括用于将设备固定到用户皮肤的固定元件（16）。

13.如权利要求11中所要求保护的设备，其中所述固定元件（16）是腕带、粘合条、创可贴或者带子。

14.制造如权利要求1中所要求保护的用于测量生理参数的设备的方法，所述方法包括：

-在用于承载传感器的载体（26）上布置所述传感器（22），其包括用于检测传感器信号的至少两个传感器元件（221,222,223），

-在所述载体上、到所述载体中或者通过所述载体形成所述传感器元件的电学接触件（34），

-在所述传感器和/或所述各个传感器元件周围的所述载体上形成一个或多个框架（41,42,43），

-在所述一个或多个框架与被相应框架围绕的传感器和/或传感器元件之间填充绝缘材料（32）而不覆盖背离载体的相应传感器元件的顶表面。

15.设备，其用于测量携带所述设备的用户的生理参数，所述设备包括：

-传感器（22），其包括用于检测传感器信号的至少两个传感器元件（221,222,223），其中所述传感器是光学传感器，其包括用于向用户皮肤发射光的至少一个光发射元件（221,223），特别地LED，以及用于接收从用户皮肤反射的光的至少一个光接收元件（222），特别地光电检测器，以及

-承载所述传感器的载体（26），

其中载体与所述至少一个光发射元件（221,223）的顶表面之间的距离等于或者小于载体与所述至少一个光接收元件（222）的顶表面之间的距离。