CN106560155A - 用于测量生物信息的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于测量生物信息的设备和方法。用于测量生物信息的设备包括：第一传感器，被配置为测量包括动脉的脉搏波信息的第一生物信号；第二传感器，被配置为测量包括静脉的或毛细管的脉搏波信息的第二生物信号；生物信息估计器，被配置为基于第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟来估计用户的生物信息。

Description

用于测量生物信息的设备和方法
本申请要求于2015年10月6日提交到韩国知识产权局的第10-2015-0140481号韩国专利申请以及于2016年4月26日提交到韩国知识产权局的第10-2016-0050771号韩国专利申请的权益，所述两个韩国专利申请的全部公开出于各种目的通过引用合并于此。
技术领域
以下描述涉及一种测量生物信息的设备和方法，并且涉及用于通过分析脉搏波信号来提取用户的心血管特征的技术。
背景技术
用于在不使用血压袖带的情况下提取用户的心血管特征的非侵入性技术的代表示例包括脉搏波分析(PWA)方法和脉搏波速度(PWV)方法。PWA方法表示通过分析从身体的末端(诸如，指尖)测量的脉搏波信号的形状来获得用户的心血管特征的方法。在心脏收缩期间从左心室射出的血在大支脉(诸如，肾动脉或腹主动脉)分叉的位置处被部分地反射，并且该反射影响在身体的末端测量的脉搏波信号的形状。因此，用户的心血管特征可通过分析在末端测量的脉搏波形的形状来得到。另一方面，PWV方法表示通过测量脉搏波速度获得用户的心血管特征的方法。PWV方法可包括：在靠近心脏的位置测量心电图(ECG)并在身体的末端(诸如，指尖)测量脉搏波，并且基于ECG信号与脉搏波信号之间的延迟时间来估计用户的心血管特征。
发明内容
提供本发明内容用于以简化的形式来介绍在下面具体实施方式中进一步描述的构思的选择。本发明内容不意在标识要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不是意在作为帮助确定要求保护的主题的范围而被使用。
在一个总体方面中，一种用于测量生物信息的设备包括：第一传感器，被配置为测量包括动脉的脉搏波信息的第一生物信号；第二传感器，被配置为测量包括静脉的或毛细管的脉搏波信息的第二生物信号；生物信息估计器，被配置为基于第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟来估计用户的生物信息。
第一传感器可被配置为从手腕的腹侧测量第一生物信号，动脉的脉搏波信息可包括来自桡动脉或尺动脉的脉搏波信息。
第二传感器可被配置为从手腕的背侧测量第二生物信号，静脉的或毛细管的脉搏波信息可包括来自静脉或毛细管的脉搏波信息。
第一传感器可被布置在腕式可穿戴装置的带中，第二传感器可被布置在腕式可穿戴装置的主体的背侧上。
第一传感器可包括：第一光源，被配置为发射用于测量血管容积图的第一光；以及第一光检测器，被配置为检测与被用户的身体部分反射的第一光对应的第一反射光。
第二传感器可包括：第二光源，被配置为发射用于测量血管容积图的第二光；以及第二光检测器，被配置为检测与被用户的身体部分反射的第二光对应的第二反射光。第二光可具有比第一光短的波长。
第一传感器可被配置为使用从由压力传感器、阻抗传感器和压电元件构成的组中选择的至少一个来测量第一生物信号。
第二传感器可被配置为使用从由压力传感器、阻抗传感器和压电元件构成的组中选择的至少一个来测量第二生物信号。
生物信息估计器可被配置为：基于第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟来估计脉搏波速度随时间的变化的趋势，并基于估计的趋势来估计用户的生物信息的变化。
生物信息估计器可被配置为基于从第一生物信号的波形提取的特征点和从第二生物信号的波形提取的特征点，来确定时间延迟。
生物信息估计器可被配置为：基于第一生物信号的波形的最大斜率点与第二生物信号的波形的最小斜率点之间的时间延迟，来估计生物信息。
生物信息估计器可被配置为：沿着时间轴移动第一生物信号的波形和第二生物信号的波形中的至少一个，并且基于所述至少一个移动的第一生物信号的波形和第二生物信号的波形之间的相似性，来确定时间延迟。
生物信息估计器可被配置为基于时间延迟来估计用户的动脉僵硬度、血管年龄、血氧饱和度(SpO2)、心率和血压中的至少一个。
在另一总体方面中，一种用于测量生物信息的设备包括：第一传感器，被配置为测量包括动脉的脉搏波信息的第一生物信号；第二传感器，被配置为测量包括静脉的或毛细管的脉搏波信息的第二生物信号；以及信号处理器，被配置为将第一生物信号和第二生物信号转换成各自的数字信号。
信号处理器可被配置为：在将第一生物信号和第二生物信号转换成各自的数字信号之前，将第一生物信号和第二生物信号进行放大。
第一传感器可被布置在腕式可穿戴装置的带内，第二传感器可被布置在腕式可穿戴装置的主体的背侧上。
在另一个示例中，一种测量生物信息的方法包括：测量包括动脉的脉搏波信息的第一生物信号；测量包括静脉的或毛细管的脉搏波信息的第二生物信号；基于第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟，来估计用户的生物信息。
测量第一生物信号的步骤可包括：从用户的手腕的腹侧测量第一生物信号，动脉的脉搏波可包括来自桡动脉或尺动脉的脉搏波信息。
测量第二生物信号的步骤可包括：从用户的手腕的背侧测量第二生物信号，静脉的或毛细管的脉搏波信息可包括来自静脉或毛细管的脉搏波信息。
在另一总体方面中，一种非暂时性计算机可读介质可存储在被处理器执行时使得处理器执行上述方法的总体方面的指令。
仍在另一总体方面中，一种可穿戴装置包括：一个或多个传感器，被配置为检测来自动脉的第一脉搏波信息和来自静脉或毛细管的第二脉搏波信息；以及处理器，被配置为估计针对在第一脉搏波信息中检测的脉搏在第二脉搏波信息中传播并被反射的脉搏传导时间。
处理器可被配置为基于脉搏传导时间的倒数值来估计心血管信息。
可穿戴装置可被配置为将所述一个或多个传感器中的每一个传感器放置在用户的一个身体位置，其中，所述一个身体位置对应于从由用户的上臂、下臂、手腕、大腿、小腿、脚踝和脖子构成的组中选择的一个。
仍在另一总体方面中，一种测量生物信息的方法包括：获得来自动脉的第一脉搏波信息和来自静脉或毛细管的第二脉搏波信息；使用处理器基于第一脉搏波信息和第二脉搏波信息，来估计脉搏传导时间；基于估计的脉搏传导时间来估计生物信息。
获得第一脉搏波信息和第二脉搏波信息的步骤可包括：使用可穿戴装置的传感器来测量生物信号。
第一脉搏波信息和第二脉搏波信息二者可从用户的一个身体位置来获得，其中，所述一个身体位置对应于从由上臂、下臂、手腕、大腿、小腿、脚踝和脖子构成的组中选择的一个。
第一脉搏波信息和第二脉搏波信息可从用户的身体的背侧和腹侧，或用户的身体的腹侧和背侧中，来分别获得。
获得第一脉搏波信息和第二脉搏波信息的步骤可通过可穿戴装置来执行，估计生物信号的步骤可通过从可穿戴装置无线接收数据的终端来执行。
从下面的具体实施方式、附图和权利要求，其它特征和方面将是清楚的。
附图说明
图1是示出用于测量生物信息的设备的示例的示图。
图2是示出用于测量生物信息的设备的另一示例的示图。
图3和图4是示出用于测量生物信息的设备的示例的示图。
图5是示出用于测量生物信息的设备的另一示例的示图。
图6至图8是示出通过生物信息估计器来确定生物信号之间的时间延迟的处理的示例的示图。
图9是示出通过生物信息估计器来确定生物信号之间的时间延迟的处理的另一示例的示图。
图10是示出通过生物信息估计器从生物信号之间的时间延迟信息得到速度信息的处理的示例的示图。
图11是示出测量生物信息的方法的示例的流程图。
贯穿附图和具体实施方式，相同的标号表示相同的元件。附图可不成比例，并且为了清楚、说明和方便，附图中的元件的相对大小、比例和描绘述可被夸大。
具体实施方式
提供下面详细的描述来帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解了本申请的公开之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物将是清楚的。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不受限于在此阐述的示例，但是除了必须按特定的顺序发生的操作之外，在理解了本申请的公开之后，操作顺序可被改变将是清楚的。另外，为了更加清楚和简明，本领域已知的特征的描述可被省略。
在此描述的特征可以以不同的形式来实现，并且不被解释为受限于在此描述的示例。相反，已经提供在此描述的示例，仅为了示出实现在此描述的方法、设备和/或系统的多个可行方式中的一些，这在理解了本申请的公开之后将是清楚的。
在此使用的术语仅为了描述一些示例的目的，并不是用于限制本公开的范围。除非上下文另外清楚地指示，否则单数术语也意在包括复数形式。术语“包含”、“包括”和“具有”指明存在叙述的特征、数字、操作、元件、组件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或多个其它的特征、数字、操作、元件、组件和/或它们的组合。
另外，诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)、等的术语可在此被用于描述组件。这些术语不意在定义对应的组件的本质、顺序或次序，而仅用于将对应的组件和其他组件进行区分。
以下将被描述的示例提供用于基于包括脉搏波信息的生物信号来估计用户的生物信息的方法和设备。脉搏波表示随着脉搏经由血管从心脏朝着身体的末端部分传播而产生的波，脉搏表示由于血液在每次心脏跳动时沿着动脉被推动引起的动脉的重复的扩张和舒张。每次心脏收缩时，含氧血液通过首先被注入到主动脉、然后注入到主动脉的分支的动脉，而从心脏供应到身体的其余部分。血液的注入引起主动脉的压力的改变。这种压力的改变沿着动脉树向下传播到在手和脚处的末梢小动脉(peripheral arteriole)。压力的改变可被测量，并显示为可被称为脉搏波的波形。
例如，生物信息包括心血管信息，诸如，血管或动脉僵硬度、血压、血管年龄、心率和血氧饱和度(SpO2)。动脉僵硬度指示血管的僵硬的程度，并且受血管的弹性和血管的内膜中的沉淀物的程度的影响。血压表示随着血液从心脏流到身体的其余部分通过循环血液施加在血管壁的压力。血管年龄表示指示血管的老化的程度的生理年龄，并且与动脉僵硬度有关。心率指示每小时心脏跳动的次数。SpO2指示在血液中的被氧结合的血红蛋白的量与血红蛋白的总量的比。
以下，将参照附图详细描述示例。在附图中相同的标号表示相同的元件，并且在此将省略已知的功能或配置。
图1是示出用于测量生物信息的设备的示例的示图。以下，用于测量生物信息的设备将被称为生物信息测量设备100。生物信息测量设备100从用户的身体测量生物信号，并基于测量的生物信号来估计用户的生物信息。例如，生物信息测量设备100可从身体部分(诸如，用户的手腕)测量生物信号，并基于测量的生物信号来估计用户的心血管信息。根据一个示例，生物信息测量设备100被包括在用户可日夜穿戴的可穿戴装置中。因此，生物信息测量设备100可在用户穿戴着可穿戴装置时，通过估计用户的心血管信息来连续监视用户的健康状况。
以下，将描述通过生物信息测量设备100基于从用户的手腕测量的生物信号执行的估计用户的生物信息的方法的示例。然而，本公开的范围不受限于示例；例如，生物信息测量设备100可从各个其他身体位置(诸如，前臂、腿、踝和颈部)测量生物信号，并且基于测量的生物信号来估计生物信息。另外，生物信息测量设备可实现在具有不同形状的可穿戴装置(诸如，环绕腿或胳膊的部分的环)中。
参照图1，生物信息测量设备100包括第一传感器110、第二传感器120、生物信息估计器130和控制器160。生物信息估计器130和控制器160的操作可通过至少一个处理器来执行。
第一传感器110测量包括动脉的脉搏波信息的第一生物信号。例如，第一传感器110可从桡动脉和尺动脉中的至少一个，测量包括动脉的脉搏波信息的第一生物信号。在手腕区域，桡动脉和尺动脉位于手腕的掌侧或腹侧的表面附近。因此，第一生物信号可从用户的手腕的腹侧来测量。
第一传感器110使用光源和光检测器、压力传感器、压电元件、阻抗传感器等来测量第一生物信号。在光源和光检测器被用于测量第一生物信号的示例中，第一传感器110可使用被配置为发射用于测量血管容积图(PPG)的光的光源以及被配置为检测在光被用户的皮肤组织反射时获得的光信号(例如，反射光)的光检测器，基于灌注到皮肤组织的血液的变化，来测量反射光的强度的变化。反射光的强度的变化可包括脉搏波信息。这里，光源可将基于频率调制的光信号发射到身体，光检测器可接收被身体反射的光并将接收的反射光转换成电信号。例如，光电二极管或光电晶体管可用作光检测器。
在压力传感器被用于测量第一生物信号的示例中，第一传感器110可通过使用充满传送压力的流体的袋、微型机电系统(MEMS)压力传感器等，来检测由于血液灌注的变化引起的皮肤压力的变化。压力的变化可包括脉搏波信息。在压电元件被用于测量生物信号的示例中，第一传感器110可通过使用压电元件(例如，聚偏二氟乙烯(PVDF))基于血液灌注的变化，来检测表面位移或接触力的变化。表面位移或接触力的变化可包括脉搏波信息。用于测量第一生物信号的压力传感器或压电元件的使用与使用光源和光检测器相比，可减少电力的消耗。
在阻抗传感器被用于测量第一生物信号的示例中，第一传感器110可使用阻抗传感器基于血管中的血液流动的变化，来检测阻抗的变化。阻抗的变化可包括脉搏波信息。根据一个示例，阻抗传感器可包括：被配置为将高频电流施加到用户的皮肤的一对外部电极以及被配置为测量电流沿着皮肤发生的电压降的一对内部电极。
第二传感器120测量包括与静脉、毛细管中的至少一个或二者对应的脉搏波信息(在此被称为静脉的或毛细管的脉搏波信息)的第二生物信号。例如，第二传感器120可从用户的手腕的背侧，测量包括静脉或毛细管的脉搏波分量的第二生物信号。与第一传感器110相同，第二传感器120使用光源和光检测器、压力传感器、压电元件或阻抗传感器来测量第二生物信号。根据使用的传感器的类型，第二传感器120的操作与第一传感器110的操作相同。因此，将省略重复的描述，并且可参照第一传感器110的描述来确定第二传感器120的操作。
根据一个示例，第一传感器110和第二传感器120中的一个或二者可包括多个传感器元件，并且第一传感器110和第二传感器120二者的传感器元件可以是相同类型的传感器。例如，第一传感器110可包括被配置为测量各个测量位置处的PPG信号的多个传感器元件。在这个示例中，生物信息估计器130可从通过多个通道被传送的PPG信号中，选择用于估计生物信息的参考PPG信号，并且基于选择的参考PPG信号来估计生物信息。例如，生物信息估计器130可选择具有最好信号质量(例如，最高信噪比(SNR))的PPG信号作为参考PPG信号。
生物信息估计器130确定通过第一传感器110测量的第一生物信号与通过第二传感器120测量的第二生物信号之间的时间延迟，并且基于确定的时间延迟来估计用户的生物信息。根据一个示例，时间延迟可对应于脉搏经由血管的长度传播所花费的脉搏传导时间。生物信息估计器130可包括，例如，用于基于时间延迟、数据库和查找表(LUT)来估计用户的生物信息的操作算法。例如，生物信息估计器130可基于确定的时间延迟，来估计用户的动脉僵硬度、血管年龄、血压、心率、SpO2和血流。
根据一个示例，生物信息估计器130可对第一生物信号和第二生物信号执行信号处理。信号处理的示例包括滤波、放大和模数转换。基于信号处理，生物信息估计器130可基于通过信号处理获得的生物信号来确定时间延迟。生物信号估计器130可通过分析第一生物信号的波形和第二生物信号的波形，来计算第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟。时间延迟表示当在第一生物信号中测量的脉搏波在第二生物信号中被反射时流逝的时间段。
根据一个示例，生物信息估计器130可从第一生物信号的波形提取特征点并从第二生物信号的波形提取对应的特征点，并且基于从第一生物信号和第二生物信号提取的特征点的时间来计算时间延迟。在这个示例中，特征点可包括从生物信号的波形提取的峰值点、谷点、最大斜率点、最小斜率点等。即，时间延迟可对应于脉搏作为第一生物信号中的特征点出现并传播到作为第二生物信号中的对应的特征点出现所花费的脉搏传导时间。例如，生物信息估计器130可从第一生物信号的波形提取最大斜率点并从第二生物信号的波形提取最小斜率点，并且基于提取的最大斜率点与提取的最小斜率点之间的时间差来计算时间延迟。
在另一个示例中，生物信息估计器130可沿着时间轴移动第一生物信号的波形或第二生物信号的波形，并且基于允许波形之间的相似性达到最大的时间移动值来计算时间延迟。将参照图9更具体地描述该示例。
当第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟被确定时，生物信息估计器130使用生物信息估计模型，从时间延迟估计用户的生物信息。例如，生物信息估计器130可将时间延迟信息输入到生物信息估计模型，并且从生物信息估计模型获得心血管信息，诸如，血压、动脉僵硬度和血管年龄。生物信息估计器130基于时间延迟来估计脉搏波速度随时间的变化趋势，并且基于估计的趋势来估计用户的生物信息的变化。
根据示例，生物信息测量设备100还可包括用户接口140、通信接口150或二者。用户接口140从用户接收信息或输出生物信息。
用户接口140从用户接收各种输入。例如，用户接口140可接收估计用户的生物信息所必要的用户信息。例如，用户信息可包括关于用户的年龄、身高、体重和性别的信息。除了测量的第一生物信号和测量的第二生物信号之外，生物信息估计器130还使用从用户接收的用户信息，来确定用户的生物信息。
用户接口140可包括输入装置和/或输出装置，例如，电容式或压电式触摸屏、显示面板、触摸板和键盘。用户接口140可在控制器160的控制下，配置用户接口屏来输出生物信息。可选择地，用户接口140可通过声音输出器(例如，扬声器)来输出生物信息。
通信接口150将数据发送到外部装置，并且从外部装置接收数据。例如，通信接口150可通过有线或无线通信(诸如，蓝牙或ZigBee)，将数据发送到网络或无线终端，诸如，移动装置、智能电话、个人计算机(PC)。通信接口150还可从外部装置接收命令或数据。通信接口150还可将关于测量的生物信号的信息(例如，波形信息和特征点信息)、时间延迟信息和估计的生物信息发送到外部装置。
控制器160控制第一传感器110、第二传感器120、生物信息估计器130、用户接口140和通信接口150的整体操作。例如，控制器160可控制在第一传感器110和第二传感器120中包括的传感器元件的激活或去激活，以及供应给传感器元件的电力。
图2是示出用于生物信息测量设备200的另一示例的示图。参照图2，生物信息测量设备200包括第一传感器110、第二传感器120、信号处理器210、通信接口250和控制器260。
第一传感器110测量包括动脉的脉搏波信息的第一生物信号，第二传感器120测量包括静脉的或毛细管的脉搏波信息的第二生物信号。对于第一传感器110和第二传感器120的详细的操作，可参考参照图1提供的第一传感器110和第二传感器120的描述。
信号处理器210对第一生物信号和第二生物信号执行信号处理。信号处理器210包括预处理器220、放大器230和模数转换(ADC)240。
根据一个示例，预处理器220将从第一传感器110和第二传感器120获得的电信号(诸如，电流信号)转换成电压信号，并且通过对电压信号进行滤波来消除噪声或获得必要的信号区域。放大器230将从预处理器220传输的信号进行放大，ADC 240将通过放大器230放大的信号转换成数字信号。
通信接口250将转换成数字信号的生物信号信息，通过有线或无线通信发送到外部装置。控制器260控制第一传感器110、第二传感器120、信号处理器210和通信接口250的整体操作。
图3至图5是示出在以手表形式提供的腕式可穿戴装置的生物信息测量设备的示例的示图。
根据一个示例，生物信息测量设备在用户的身体表面的两个或更多个不同的测量位置，测量包括脉搏波信息的PPG或身体表面压力波，并基于在不同的测量位置测量的两个或更多个信号之间的时间延迟来估计用户的生物信息。在这个示例中，为了保证足够的时间分辨率，测量位置可能需要彼此充分分开，以具有在测量位置测量的信号之间的足够的时间差。然而，为了增加在脉搏传播经过动脉树时的测量位置之间的行进距离(traveldistance)，测量装置的大小可能必须增大，否则在测量位置测量的信号可能不足以精确地得到时间延迟。因为可穿戴装置通常为了用户的方便被小型化，所以这样的配置可能不适于穿戴着可穿戴装置的用户的生物信息的连续监视。图3至图5中示出的生物信息测量设备的示例可保证在测量位置测量的信号之间的充分的时间延迟，并且还可缩短测量位置之间的外部距离，从而保持可穿戴装置的小尺寸以在性能没有退化的情况下提高用户方便性。
参照图3，第一传感器310被布置在可穿戴装置的带部分(诸如，带330)的内侧，从而允许用户将可穿戴装置穿戴在用户的手腕上。当用户穿戴着可穿戴装置时，第一传感器310可从手腕的掌侧，测量包括与动脉中的脉搏波对应的动脉的脉搏波信息的第一生物信号。第一传感器310可测量经过动脉朝向用户的身体的末端的脉搏波。脉搏波可来自位于手腕的腹侧附近的尺动脉340和桡动脉350中的至少一个。在这个示例中，两个传感器或传感器元件311和312实现第一传感器310。
在另一个示例中，第一传感器310可包括以阵列布置的多个传感器元件。例如，三个或更多个传感器元件可布置在可穿戴装置的环或带上。使用多个传感器元件可，例如，提高传感器元件与感兴趣的血管的对齐，从而提高将从血管获得的信号的质量。另外，因为用户不需要为了将传感器元件311和传感器元件312精确地放置在靠近尺动脉340或桡动脉350的位置而调整手腕上的可穿戴装置的位置，所以还可提高用户的方便性。放置在最靠近尺动脉或桡动脉的传感器元件可用于获得脉搏波的精确测量。
根据一个示例，每个传感器元件包括用于测量PPG的一对光源和光检测器。例如，电光源(诸如，发光二极管(LED)和激光二极管)或化学光源(诸如，荧光物质)可用作光源。然而，光源的类型不受限于前述的示例。在另一个示例中，光源可向身体表面发射红外光或红色的可见光，以从尺动脉340或桡动脉350测量光信号。从光源发射的光的波长可根据渗透进皮肤的深度、功率效率等来不同地确定。
根据另一个示例，第一传感器310可使用压力传感器、压电元件或阻抗传感器，基于尺动脉340或桡动脉350的血流的变化来测量脉搏波信号的变化。
参照图4，被配置为测量第二生物信号的第二传感器420被放置在可穿戴装置的主体430的背侧。在这个示例中，第二传感器420包括传感器元件421和传感器元件422。当用户穿戴着可穿戴装置时，第二传感器420从用户的手腕的背侧中的静脉440和静脉450或毛细管，测量包括脉搏波信息的第二生物信号。
在另一个示例中，像图3中示出的第一传感器310一样，第二传感器420可使用以阵列布置的多个传感器来实现。在另一个示例中，第二传感器420可只利用一个传感器元件或者三个或更多个传感器元件来实现。在另一个示例中，多个传感器元件的阵列被提供，并且根据传感器元件是否被适当地放置以检测动脉的脉搏波或者静脉的或毛细管的脉搏波，传感器元件中的一些传感器元件可用作为第一传感器310，而其他传感器元件可用作为第二传感器420。每个传感器元件可包括用于测量PPG的一对光源和光检测器。根据一个示例，第二传感器420的光源可发射具有比从第一传感器310的光源发射的光更短的波长的绿色的可见光。然而，从第二传感器420的光源发射的光的波长不受限于前述的示例。
在另一个示例中，第二传感器420可使用压力传感器、压电元件或阻抗传感器，基于静脉440和静脉450或毛细管的血流的变化来测量脉搏波信号的变化。
在解剖学上，诸如图3中示出的尺动脉340和桡动脉350的动脉在手腕的腹侧的表面附近穿过，在手掌肉部分的内侧形成拱形，并且沿更小的动脉和毛细管向每个手指的各个侧面延伸。通过动脉供应到手的血液在已经穿过毛细管之后，沿静脉，再次穿过手腕区域之后回到心脏。参照图4，大动脉不位于手腕的背侧，而手腕韧带环绕在手腕的背侧部分；因此，通过第二传感器420从手腕的背侧测量的第二生物信号可反映经过静脉440和静脉450或毛细管的脉搏波分量比经过主动脉的脉搏波分量多。
因此，通过图3所示的第一传感器310获得的第一生物信号与通过图4所示的第二传感器420获得的第二生物信号之间的时间延迟，可与向手传播的动脉中的脉搏波和在经过手的末端后向心脏传播的静脉或毛细管中的脉搏波之间的实际时间延迟具有高的相关性。因此，生物信息测量设备可使用包括从靠近手腕的腹侧表面的一个或多个动脉测量的动脉的脉搏波信息的第一生物信号以及包括从靠近手腕的背侧的静脉440和静脉450或毛细管测量的静脉的或毛细管的脉搏波信息的第二生物信号，容易地估计用户的生物信息，从而在获得精确测量的同时使得可穿戴装置小型化。
参照图5，可穿戴装置510确定脉搏穿过如参照图3描述的靠近用户的手腕的腹侧的动脉时的第一生物信号与脉搏穿过如参照图4描述的靠近手腕的背侧的静脉或毛细管时的第二生物信号之间的时间延迟，并且基于确定的时间延迟来估计心血管信息，诸如，脉搏、血压和动脉僵硬度。
在这个示例中，可穿戴装置510包括多个传感器520，以测量通过如参照图3和图4描述的第一传感器和第二传感器检测的第一生物信号和第二生物信号之外的生物信号或其他信号。传感器520可包括，例如，被配置为测量用户的运动信息的惯性传感器或运动传感器，或者被配置为测量用户的体温的温度传感器。可穿戴装置510通过分析由传感器520测量的脉搏波信号的波形来估计用户的生物信息，并且通过显示器来输出估计的生物信息。
可穿戴装置510可通过移动装置530为用户提供估计的生物信息。移动装置530可通过分析从可穿戴装置510接收的生物信息来验证用户的健康状况，并记录生物信息相对于时间的变化。
在图5所示的示例中，可穿戴装置510为用户提供通过与移动装置530交互工作由可穿戴装置510估计的生物信息。然而，可穿戴装置的配置不受限于此；在另一个示例中可通过安装在与可穿戴装置510交互工作的装置(例如，PC、平板PC和智能电视(TV))中的应用，将由可穿戴装置510估计的生物信号提供给用户。
另外，上述用于测量生物信息的设备的示例可以以其他形式的可穿戴装置(诸如，环、手镯、护腕、脚镯和环绕用户的身体部分(诸如，手臂、腿、手腕、膝盖、脚踝或脖子)的装置)来提供。可穿戴装置不受限于在图3至图5中示出的腕式可穿戴装置。例如，脚镯或手镯可用于从靠近脚踝和手腕的表面的动脉和静脉或毛细管测量第一生物信号和第二生物信号。根据一个示例，第一生物信号和第二生物信号可从大体上相同的身体部分的区域来测量。在这个示例中，考虑到手腕为下臂的区域，第一生物信号和第二生物信号二者都可从手腕来测量，而不是其中一个生物信号从手指或上臂来测量。因为第一生物信号包括动脉的脉搏波信息并且第二生物信号包括静脉的或毛细管的脉搏波信息，所以即使用于得到第一生物信号和第二生物信号的物理位置彼此接近，时间延迟也可被精确地估计。
图6至图8是示出通过生物信息估计器执行的确定生物信号之间的时间延迟的处理的示例的示图。
图6示出通过第一传感器在用户的手腕的掌侧测量的作为第一生物信号610的PPG波形的示例以及通过第二传感器620在手腕的背侧测量的作为第二生物信号620的PPG波形的示例。在用户在他或她的手腕上穿戴着生物信息测量设备的同时，生物信息测量设备可连续地测量第一生物信号610和第二生物信号620。在这个示例中，第一生物信号610包括基于动脉中的血流的变化的脉搏波信息，第二生物信号620包括基于静脉或毛细管中的血流的变化的脉搏波信息。由于血管中的血流基于心脏的收缩和舒张随时间来改变，因此图6中示出的脉搏波形可在动脉或静脉中被检测。
图7示出与通过对图6中所示的第一生物信号610执行去除趋势和低通滤波获得的第一信号710对应的波形的示例以及与通过对图6中所示的第二生物信号620执行去除趋势和低通滤波获得的第二信号720对应的波形的示例。去除趋势和低通滤波可通过生物信息估计器来执行。去除趋势是用于从信号的频域消除基础分量(base component)的信号处理方法。在这个示例中，假设从原始信号消除包括低频分量的趋势信号的方法可用于执行去除趋势。然而，示例的范围不限于此，并且诸如图7中示出的第一信号710和第二信号720中的信号波形可通过带通滤波器来获得。
参照图8，生物信息估计器可使用从第一生物信号810和第二生物信号820中的每一个提取的特征点，来计算第一生物信号810与第二生物信号820之间的时间延迟。生物信息估计器可从与图7中所示的第一信号710和第二信号720对应的第一生物信号810和第二生物信号820的各个波形来提取特征点，并且可基于提取的特征点来确定第一生物信号810与第二生物信号820之间的时间延迟。在这个示例中，时间延迟对应于在第一生物信号810检测的脉搏的特征点传播并且在第二生物信号820中被检测所花费的脉搏传导时间。
例如，参照图8，生物信息估计器可从第一生物信号810的波形提取正的最大斜率点830并且从第二生物信号820的波形提取负的最小斜率点840作为特征点。生物信息估计器可基于从第一生物信号810提取的正的最大斜率点830与从第二生物信号820提取的负的最小斜率点840之间的时间差，来确定第一生物信号810中的正的最大斜率点830的出现与第二生物信号820中的负的最小斜率点840的出现之间的时间延迟。生物信息估计器可通过对第一生物信号810和第二生物信号820的其它特征点重复地执行前述的处理，来连续地确定第一生物信号810与第二生物信号820之间随时间的时间延迟信息。
在另一个示例中，生物信息估计器从第一生物信号810和第二生物信号820提取峰值点、谷点、最大斜率点或最小斜率点作为特征点，并且基于提取的特征点来确定第一生物信号810与第二生物信号820之间的时间延迟。从第一生物信号的波形和第二生物信号的波形提取特征点的方法不限于前述的示例；因此，生物信息估计器可使用各种类型的特征点来确定时间延迟。
图9是示出通过生物信息估计器来确定生物信号之间的时间延迟的处理的另一个示例的示图。
生物信号估计器可在不使用参照图8描述的特征点的情况下，使用信号波形之间的相似性来确定第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟。使用信号波形之间的相似性替代特征点，第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟可被鲁棒地确定以防噪声的影响。
参考图9，示出了与第一生物信号对应的波形f(t)的示例和与第二生物信号对应的波形g(t)的示例。另外，示出了通过沿着时间轴将波形f(t)移动T获得的波形f(t+T)的示例。在确定生物信号之间的时间延迟的处理的示例中，生物信息估计器计算从f(t+T)与g(t)之间的点积计算所产生的值的积分值，并且基于计算的积分值来确定第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟。
基于根据T的变化的积分值的变化，积分值可在波形f(t+T)和g(t)同相的情况下是大的，并且积分值可在波形f(t+T)和g(t)异相的情况下是小的。当波形f(t+T)和g(t)之间的相关性增大时，积分值也增大。生物信息估计器可确定将对应于与T对应的积分值中的从零点看去第一个最大积分值的T的值确定为时间延迟的值。计算波形f(t+T)与g(t)之间的相似性的方法不限于如在前述示例中描述的使用积分值的方法；各种其它方法可用于其它示例中。
图10是示出从时间延迟信息得到速度信息的处理的示例的示图。得到速度信息的处理可通过生物信息估计器来执行。
参照图10，第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟随时间被连续地估计，并且在上面的曲线图中被示为Δt。图10的下面的曲线图示出将时间延迟值Δt反相的结果。假设脉搏波行进的距离随时间基本是恒定的，则时间延迟值的倒数1/Δt与脉搏波的速度相关。因此，在这个示例中，速度信息可从时间延迟值的倒数值来得到。生物信息估计器可基于得到的速度信息来估计用户的生物信息。例如，用户的生物信息在给定的时间段发生的改变的程度可通过估计速度信息在给定的时间段发生的改变的程度来确定。因此，响应于获得用户的平均血压的参考值，生物信息估计器可通过将得到的速度信息的变化的趋势应用到平均血压的参考值，来确定用户的平均血压的变化的趋势。
图11是示出测量生物信息的方法的示例的流程图。该方法可通过包括至少一个处理器的生物信息测量设备来执行。
参照图11，在操作1110中，生物信息测量设备测量包括动脉的脉搏波信息的第一生物信号。例如，生物信息测量设备可使用光源和光检测器、压力传感器、压电元件或电阻抗传感器来检测PPG，从位于用户的手腕的腹侧表面附近的桡动脉和尺动脉中的至少一个，来测量动脉的脉搏波信息。
在操作1120中，生物信息测量设备测量包括静脉的或毛细管的脉搏波信息的第二生物信号。例如，生物信息测量设备可使用光源和光检测器、压力传感器、压电元件或电阻抗传感器来检测PPG，从位于用户的手腕的背侧表面附近的静脉和毛细管中的至少一个，来测量静脉的或毛细管的脉搏波信息。
在操作1130中，生物信息测量设备确定第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟，并且基于确定的时间延迟来估计用户的生物信息。例如，生物信息测量设备可从第一生物信号的波形和第二生物信号的波形提取特征点，并且基于特征点之间的距离来确定时间延迟。可选择地，生物信息测量设备可沿着时间轴移动第一生物信号的波形或第二生物信号的波形，并且基于使得波形之间的相似性最大的时间移动值来确定时间延迟。当第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟被确定时，生物信息测量设备可使用生物信息估计模型，从时间延迟估计生物信息，诸如，用户的血压、动脉僵硬度和血管年龄。例如，生物信息估计模型可将用户的平均血压值设置为参考值，并且通过将从第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟得到的速度的变化的趋势应用到设置的参考值，来确定平均血压值的变化的趋势。此外，通过将预设的权重应用到第一时间点的速度与第二时间点的速度之间的变化，第一点与第二点之间的区间的平均血压的变化可被确定。
对于在操作1110至操作1130中未描述的细节，可参考参照图1至图10描述的细节。
仅作为非详尽的示例，如在此描述的可穿戴装置可以是移动智能装置(诸如，戒指、手表、脚链、头带、项链、头盔)或可嵌入在服装中的装置。在一个示例中，可穿戴装置是被设计为可直接安装在用户的身体上的装置(诸如，项链或手表)。可穿戴装置可包括显示器，或者可不包括显示器。显示器可使用液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器、触摸屏或被配置为显示图像和信息的任何其他类型的显示器来实现。屏幕可以是提供用于渲染用户接口并接收用户输入的能力的，包括一个或多个硬件组件的物理结构。
生物信息估计器、控制器、用户接口、通信接口、信号处理器、预处理器、放大器、模数转换器、第一传感器、第二传感器、生物信息测量设备、输入装置、输出装置、显示器以及图1至图5中示出的执行本申请中描述的操作的其它组件、元件和设备，通过硬件组件来实现，其中，硬件组件被配置为执行本申请中描述的由硬件组件执行的操作。可被用于在适当的地方执行本申请中描述的操作的硬件组件的示例包括：控制器、传感器、生成器、驱动器、存储器、比较器、算数逻辑单元、加法器、减法器、乘法器、除法器、积分器、电路以及被配置为执行本申请中描述的操作的任意其他电子组件。在其他示例中，执行本申请中描述的操作的硬件组件中的一个或多个硬件组件通过计算硬件(例如，通过一个或多个处理器或计算机)来实施。处理器或计算机可通过一个或多个处理元件(诸如，逻辑门阵列、控制器和算术逻辑单元、数字信号处理器、微型计算机、可编程逻辑控制器、现场可编程门阵列、可编程逻辑阵列、微处理器或被配置为以定义的方式响应并执行指令来实现期望的结果的任意其他装置或装置的组合)来实现。在一个示例中，处理器或计算机包括存储由处理器或计算机执行的指令或软件的一个或多个存储器，或者连接到存储由处理器或计算机执行的指令或软件的一个或多个存储器。通过处理器或计算机实现的硬件组件可执行指令或软件(诸如，操作系统(OS)和在OS上运行的一个或多个软件应用)，以执行本申请中描述的操作。硬件组件还可响应于指令或软件的执行来访问、操控、处理、创建并且存储数据。为了简单起见，单数术语“处理器”或“计算机”可用于本申请中所述的示例的描述，但是在其他的示例中，多个处理器或计算机可被使用，或者一个处理器或计算机可包括多个处理元件或多种类型的处理元件或两者。例如，单个硬件组件或者两个或更多个硬件组件可通过单个处理器，或者两个或更多个处理器，或者处理器和控制器来实现。一个或多个硬件组件可通过一个或多个处理器，或者处理器和控制器来实现，一个或多个其他硬件组件可通过一个或多个其他处理器，或者另一个处理器和另一个控制器来实现。一个或多个处理器或者处理器和控制器可实现单个硬件组件或者一个或多个硬件组件。硬件组件可具有任意一个或多个不同的处理配置，其示例包括：单个处理器、独立处理器、并行处理器、单指令单数据(SISD)多处理、单指令多数据(SIMD)多处理、多指令单数据(MISD)多处理以及多指令多数据(MIMD)多处理。
图6至图11所示的执行本申请中描述的操作的方法通过计算硬件(例如，通过一个或多个处理器或计算机)来执行，一个或多个处理器或计算机如上所述地被实现为执行指令或软件，以执行本申请中描述的通过该方法执行的操作。例如，单个操作或者两个或更多个操作可通过单个处理器或者两个或更多个处理器或者一个处理器和一个控制器来执行。一个或多个操作可通过一个或多个处理器或者一个处理器和一个控制器来执行，并且一个或多个其他操作可通过一个或多个其他处理器或者另一个处理器和另一个控制器来执行。一个或多个处理器或者一个处理器和一个控制器可执行单个操作或者两个或更多个操作。
用于控制计算硬件(例如，一个或多个处理器或计算机)实现硬件组件并执行如上所述的方法的指令或软件可被编写为计算机程序、代码段、指令或它们的任意组合，以单独地或共同地指示或配置一个或多个处理器或者计算机作为机器或专用计算机来操作，以执行由硬件组件执行的操作和如上所述的方法。在一个示例中，指令或软件包括由所述一个或多个处理器或者计算机直接执行的机器代码(诸如，由编译器生成的机器代码)。在另一个示例中，指令或软件包括由一个或多个处理器或者计算机使用解释器执行的高级代码。基于附图中所示的框图和流程图以及说明中的相关描述(其公开了用于执行由硬件组件执行的操作和如上所述的方法的算法)，可使用任意编程语言来编写指令或软件。
用于控制计算硬件(例如，一个或多个处理器或者计算机)实现硬件组件并且执行如上所述的方法的指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构可被记录、存储或固定在一个或多个非暂时性计算机可读存储介质中，或者可被记录、存储或固定在一个或多个非暂时性计算机可读存储介质上。非暂时性计算机可读存储介质的示例包括：只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、CD-ROM、CD-R、CD+R、CD-RW、CD+RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD+R、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM、BD-ROM、BD-R、BD-R LTH、BD-RE、磁带、软盘、磁光数据存储装置、光学数据存储装置、硬盘、固态硬盘以及任何其它装置，其中，该任何其它装置被配置为：以非暂时性方式存储指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构，并且为一个或多个处理器或者计算机提供指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构，以使一个或多个处理器或者计算机能够执行指令。在一个示例中，指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构分布于联网的计算机系统，以使指令和软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构通过一个或多个处理器或者计算机以分布的形式来存储、访问和执行。

Claims (27)

1.一种用于测量生物信息的设备，所述设备包括：
第一传感器，被配置为测量包括动脉的脉搏波信息的第一生物信号；
第二传感器，被配置为测量包括静脉的或毛细管的脉搏波信息的第二生物信号；
生物信息估计器，被配置为基于第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟来估计用户的生物信息。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，第一传感器被配置为从手腕的腹侧测量第一生物信号，动脉的脉搏波信息包括来自桡动脉或尺动脉的脉搏波信息。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，第二传感器被配置为从手腕的背侧测量第二生物信号，静脉的或毛细管的脉搏波信息包括来自静脉或毛细管的脉搏波信息。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，第一传感器被布置在腕式可穿戴装置的带中，第二传感器被布置在腕式可穿戴装置的主体的背侧上。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，第一传感器包括：
第一光源，被配置为发射用于测量血管容积图的第一光；
第一光检测器，被配置为检测与被用户的身体部分反射的第一光对应的第一反射光。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，第二传感器包括：
第二光源，被配置为发射用于测量血管容积图的第二光；
第二光检测器，被配置为检测与被用户的身体部分反射的第二光对应的第二反射光，
其中，第二光具有比第一光短的波长。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，第一传感器被配置为：使用从由压力传感器、阻抗传感器和压电元件构成的组中选择的至少一个来测量第一生物信号。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，第二传感器被配置为：使用从由压力传感器、阻抗传感器和压电元件构成的组中选择的至少一个，来测量第二生物信号。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，生物信息估计器被配置为：基于第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟来估计脉搏波速度随时间的变化的趋势，并基于估计的趋势来估计用户的生物信息的变化。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，生物信息估计器被配置为：基于从第一生物信号的波形提取的特征点和从第二生物信号的波形提取的特征点，来确定时间延迟。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，生物信息估计器被配置为：基于第一生物信号的波形的最大斜率点与第二生物信号的波形的最小斜率点之间的时间延迟，来估计生物信息。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，生物信息估计器被配置为：沿着时间轴移动第一生物信号的波形和第二生物信号的波形中的至少一个波形，并且基于所述至少一个移动的第一生物信号的波形和第二生物信号的波形之间的相似性，来确定时间延迟。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，生物信息估计器被配置为：基于时间延迟来估计用户的动脉僵硬度、血管年龄、血氧饱和度、心率和血压中的至少一个。
14.一种用于测量生物信息的设备，所述设备包括：
第一传感器，被配置为测量包括动脉的脉搏波信息的第一生物信号；
第二传感器，被配置为测量包括静脉的或毛细管的脉搏波信息的第二生物信号；
信号处理器，被配置为将第一生物信号和第二生物信号转换成各自的数字信号。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，信号处理器被配置为：在将第一生物信号和第二生物信号转换成各自的数字信号之前，将第一生物信号和第二生物信号进行放大。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，第一传感器被布置在腕式可穿戴装置的带内，第二传感器被布置在腕式可穿戴装置的主体的背侧上。
17.一种测量生物信息的方法，所述方法包括：
测量包括动脉的脉搏波信息的第一生物信号；
测量包括静脉的或毛细管的脉搏波信息的第二生物信号；
基于第一生物信号与第二生物信号之间的时间延迟，来估计用户的生物信息。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，测量第一生物信号的步骤包括：
从用户的手腕的腹侧测量第一生物信号，动脉的脉搏波包括来自桡动脉或尺动脉的脉搏波信息。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，测量第二生物信号的步骤包括：
从用户的手腕的背侧测量第二生物信号，静脉的或毛细管的脉搏波信息包括来自静脉或毛细管的脉搏波信息。
20.一种可穿戴装置，包括：
一个或多个传感器，被配置为：检测来自动脉的第一脉搏波信息和来自静脉或毛细管的第二脉搏波信息；
处理器，被配置为：估计针对在第一脉搏波信息中检测的脉搏在第二脉搏波信息中传播并被反射的脉搏传导时间。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，处理器被配置为基于脉搏传导时间的倒数值来估计心血管信息。
22.根据权利要求20所述的装置，其中，可穿戴装置可被配置为：将所述一个或多个传感器中的每一个传感器放置在用户的一个身体位置，其中，所述一个身体位置对应于从由用户的上臂、下臂、手腕、大腿、小腿、脚踝和脖子构成的组中选择的一个。
23.一种测量生物信息的方法，所述方法包括：
获得来自动脉的第一脉搏波信息和来自静脉或毛细管的第二脉搏波信息；
基于第一脉搏波信息和第二脉搏波信息，来估计脉搏传导时间；
基于估计的脉搏传导时间来估计生物信息。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，获得第一脉搏波信息和第二脉搏波信息的步骤包括：使用可穿戴装置的传感器来测量生物信号。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，第一脉搏波信息和第二脉搏波信息二者从用户的一个身体位置来获得，其中，所述一个身体位置对应于从由上臂、下臂、手腕、大腿、小腿、脚踝和脖子构成的组中选择的一个。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，第一脉搏波信息和第二脉搏波信息从用户的身体的背侧和腹侧，或者从用户的身体的腹侧和背侧来分别获得。
27.根据权利要求23所述的方法，其中，获得第一脉搏波信息和第二脉搏波信息的步骤通过可穿戴装置来执行，估计生物信号的步骤通过从可穿戴装置无线接收数据的终端来执行。
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