CN106999073A - 光学生命体征传感器 - Google Patents
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Abstract
一种光学生命体征传感器包括：光源(110)，其具有生成指向用户的皮肤(1000)的光的降落单元(111、112)；至少一个光检测器单元(120)，其具有检测来自皮肤(1000)的光的多个光电二极管(121‑12n)；以及调节单元(140、150)，其被配置为调节光在光单元(111、112)与光电二极管(12‑12n)之间行进的有效距离。
Description
技术领域
本发明涉及光学生命体征传感器和操作光学生命体征传感器的方法。
背景技术
光学心率传感器是众所周知的，用于监测或检测诸如用户心率的生命体征。这样的心率传感器可以基于光体积描记PPG传感器，可用于采集体积器官测量结果。通过脉搏血氧仪，检测人皮肤的光吸收变化，并且基于这些测量结果，可以确定用户的心率或其他生命体征。PPG传感器包括诸如发光二极管LED的光源，其将光发射到用户的皮肤中。发出的光分散在皮肤中，至少部分被血液吸收。光的一部分离开皮肤，可被光电二极管捕获。由光电二极管捕获的光量可以是用户皮肤内的血液体积的指示。PPG传感器可以通过特定波长下的吸收测量结果来监测皮肤的真皮和皮下组织中血液的灌注。如果由于脉动心脏而改变血液量，则从用户皮肤返回的散射光也在变化。因此，通过借助于光电二极管监测检测到的光信号，可以确定用户皮肤中的用户脉搏，并且因此确定心率。
US 2014/0275852A1公开了一种包括运动传感器和PPG传感器的可佩戴健身监测设备。
US 2013/0261415A1公开了一种在透射模式下工作的光学生命体征传感器，包括若干发光二极管和若干光电二极管。该传感器包括处理单元，处理单元被配置为通过控制发光二极中的一个或多个管的强度和光检测器中的至少一个的增益来动态地配置传感器的操作几何结构。
US 2010/0081901A1公开了一种具有光学发光元件和光检测元件的光学生命体征传感器。光检测元件可以是自适应光检测元件，以选择性地检测特定波长的光或者来自用户的组织的某些区域的光。
WO 2014/184447A1涉及具有多个发光源和用于检测反射光强度的光检测器的便携式脉冲测量设备。相对于光检测器，发光源以非对称配置布置。
US 2010/0113948A公开了一种布置在用户耳后的PPG传感器。
图1示出了光学心率传感器的操作原理的基本表示。在图1中，心率传感器布置在用户的手臂上。心率传感器100包括以固定距离布置的光源110和光检测器120。光源110将光发射到用户的皮肤1000上或皮肤1000中。一些光被反射，并且可以通过光检测器120检测反射光。光学心率传感器可以被实现为PPG传感器。然而，这样的PPG传感器不容易适应于不同的操作情形。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学生命体征传感器，其能够在不同的操作条件下高效地检测用户的生命体征。
根据本发明的一个方面，提供一种光学生命体征传感器，其包括具有至少一个光单元的光源，每个光单元被配置为生成光。光源的光指向用户的皮肤。光学生命体征传感器还包括至少一个光检测器单元，其具有至少一个光电二极管，光电二极管被配置为检测指示来自至少一个光单元的光在用户皮肤中或从用户皮肤的反射的光。传感器还包括调节单元(其可以是机械的或光学的)，其被配置为相对于所述至少一个光电二极管之一的位置机械地调节所述至少一个光单元中的一个的位置，从而调节有源光单元和有源光电二极管之间的距离。
根据本发明的另一方面，传感器还包括控制单元，控制单元被配置为基于由控制单元中的信号分析单元分析的光检测器的输出信号的信号质量来控制调节单元的操作，从而进一步调节有源光单元和有源光电二极管之间的距离。
根据本发明的一个方面，提供了一种光学生命体征传感器，其包括具有被配置为生成光的至少一个光单元的光源。光源的光指向用户的皮肤。光学生命体征传感器还包括至少一个光检测器单元，其具有多个光电二极管，光电二极管被配置为检测指示来自至少一个光单元的光在用户的皮肤中或从用户的皮肤的透射或反射的光。调节单元可以包括或被实现为控制单元，其被配置为基于由控制器中的信号分析单元分析的光检测器的输出的信号质量来控制光源和/或光检测器单元的操作。至少一个光单元中的至少一个光单元和/或多个光电二极管中的至少一个光电二极管被选择和启用，从而调节有源光单元和有源光电二极管之间的距离或调节来自至少一个光源的光进入用户的皮肤的位置。
根据本发明的另一方面，由信号分析单元关于信噪比、输出信号的DC分量的幅度、输出信号的AC分量的幅度以及光检测器的输出信号的AC分量与DC分量之间的比率中的至少一个对信号质量进行分析。
根据本发明的一个方面，提供了一种计算机程序产品，其包括存储用于操作光学生命体征传感器的计算机程序代码单元的计算机可读存储器。
尽管已知的光学生命体征传感器如心率传感器在光源和光检测器之间具有预定和固定的距离，但是本发明的方面涉及一种光学生命体征传感器，其允许光源与光检测器之间的距离的变化。通过提供变化机构，根据本发明的一个方面的光学生命体征传感器允许适应不同的检测情况，如不同的用户，不同的气候条件。应当注意，在输出信号的AC分量相对于输出信号的DC分量增加时，光源和检测器之间的距离较大是有利的。另一方面，如果光源和光检测器之间的距离太大，则信噪比将会受到影响。信噪比以及电池寿命可能会受到影响。根据本发明的一个方面的光学生命体征传感器允许光源和光检测器之间的距离的调整。这种变化可以通过机械地改变光源和光检测器之间的距离来实现。备选地，可以提供多个光源和/或光检测器，因为控制单元可以从多个光源和/或光检测器之中选择至少一个光源和至少一个光检测器，其可以布置在不同位置处以便实现光源和光检测器之间的期望距离。备选地，可以在光源和放置在用户皮肤之上的光电二极管之间提供光导，其中，这种光源包括在不同位置处的多个可控输出。参考光检测器的、光从光导输出的位置是变化的。可控输出可以由可以是液晶或电致变色层的可操纵光学反射层来实现。
应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或上述实施例或方面与相应的独立权利要求的组合。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见并得以阐明。
附图说明
在下列附图中：
图1示出了光学生命体征传感器的操作原理的基本表示，
图2示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的示意性框图，
图3至图7分别示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的基本表示，
图8和图9分别示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的表示，并且
图10示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的示意性表示。
具体实施方式
根据本发明的方面，提供了一种基于光体积描记PPG传感器的光学生命体征传感器。这种PPG传感器如图1所示。光源将光发射到用户的皮肤1000上或者将其发射到用户的皮肤1000中，并且一些光被反射，并且可以由光检测器120检测反射光。可以分析光检测器的输出以确定用户的心率或其他生命体征。
根据本发明的一个方面的PPG传感器或光学生命体征传感器可以被实现为诸如智能手表的腕式设备。根据本发明的一个方面的光学生命体征传感器也可以被实现为例如佩戴在用户的耳后或用户的任何其他部分的设备，只要确保光学生命体征传感器被直接放置在用户的皮肤上。
图2示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的示意性框图。光学生命体征传感器100包括光源110和光检测器120。光源110在特定位置处向用户的皮肤1000上或皮肤中发光，并且光检测器120能够检测反射或透射的光。光源可以包括若干光单元111、112，其可以例如被实现为发光二极管LED。光检测器120可以包括若干光电二极管121、122，其用于检测从用户的皮肤1000反射或透射的光。光学生命体征传感器100还包括可以控制光源110和/或光检测器120的操作的控制单元140。控制单元140可以任选地接收光检测器120的输出。控制单元140包括用于分析光检测器120的输出信号的信号分析单元141。
任选地，光学生命体征传感器100可以包括可调节的光导130，其用于将来自光源110的光引导到用户的皮肤1000上。光导130可以布置在光源110和用户的皮肤1000之间。
此外，任选地，光学生命体征传感器100可以包括调节单元150，其用于调节光源110或光单元111、112中的一个与光检测器或光电二极管121、122之间的距离。调节单元150可以由控制单元140控制或者可以由用户进行调节。
此外，任选地，光学生命体征传感器100包括显示器160，通过该显示器可以提供(可调节的)反馈。特别地，可以通过绿色光或红色光或通过从红色转变成绿色或从红色经过黄色转变成绿色来实现对用户的反馈。该反馈用于使用户能够调节检测器的最佳距离。额外地或备选地，反馈可以是视觉、听觉或触觉或其组合。反馈可以经由显示器160或经由如扬声器等的其它反馈设备来提供。反馈的功能是改进传感器的调节以获得最佳性能。
图3示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的基本表示。根据本发明的该方面，光学生命体征传感器100被实现为如智能手表的腕式设备。光学生命体征传感器100包括可被实现为发光二极管LED的两个光单元111、112。在第一和第二光单元111、112之间，提供具有多个光电二极管121-12n的光检测器120，每个光电二极管121-12n处于不同的位置处。任选地，第一和第二发光二极管111、112和光电二极管121-12n被布置成一行。
任选地，所有光电二极管121-12n被启用，并且信号分析单元141可以接收来自所有光电二极管121-12n的信号，并且可以确定哪个信号具有最佳的信号质量。信号质量可以基于信噪比或由AC或DC幅度或由AC分量和DC分量之间的比率来确定。控制单元140可以选择提供最佳信号质量的一个或多个光电二极管121-112n，并且可以停用其它光电二极管121-112n。控制单元140可同时或随后启用所有光电二极管，以便检测所有光电二极管121-12n的信号质量，并确定哪一个具有最佳的信号质量。关于最佳信号质量的决定可以关于信噪比、最佳AC或DC幅度或AC和DC幅度之间的最佳比率来确定。
由于每个光电二极管121-12n具有不同的位置，因此至少一个发光二极管111、112与选定的光电二极管121-12n之间的距离改变。例如基于信号分析单元141的结果，由控制单元140选择有源发光二极管111、112与有源光电二极管121-12n之间的距离的变化。根据本发明的该方面，在光电二极管和发光二极管的位置之间不存在机械变化。相反，选择光电二极管121-12n中的至少一个。因此，可以提供冗余光检测器。这些可用于三个光电二极管或用于三个光电二极管和三个发光二极管的对。可以选择具有最佳信号或最佳信号质量的对以便排除黑点对皮肤的影响，黑点即没有检测到信号的点。
如果光电二极管同时使用，它们可以增强信号或使信号衰弱。如果要增强信号，则可以同时使用多个光电二极管。
任选地，第一发光二极管111的波长可以不同于第二发光二极管的波长。尽管在图3中仅示出了两个发光二极管，但是应当注意，发光二极管的数量也可以是较大的数量。
根据本发明的该方面，控制单元140可以选择第一或第二发光二极管111、112或者可以同时选择它们。然而，选择发光二极管之一是优选的。具体而言，选择在光电二极管处产生最佳信号质量的发光二极管，并且可以通过增加其电流输入来增加发光二极管的输出。这是有利的，因为系统的鲁棒性增加。鉴于用户的皮肤和传感器之间的运动，鲁棒性特别重要。
鉴于传感器的功耗，产生光电二极管的最佳输出信号的发光二极管的选择是有利的，因为一个发光二极管的功耗将小于多个发光二极管的功耗。
控制单元140适于启用或停用发光二极管111、112和光电二极管121-12n以降低光学生命体征传感器的功耗。
图4示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的基本表示。在本发明的该方面中，图3描绘了该解决方案的备选方案。此处，仅提供单个发光二极管111，同时提供在不同位置处的若干光电二极管121-12n。发光二极管111布置在光电二极管121-12n之间。任选地，光电二极管121-12n和发光器件111的位置布置成一行。如本发明的前一方面所述，控制单元140可以控制发光二极管111以及光电二极管121-12n的操作，以实现具有良好信号质量的输出信号，同时仍然考虑传感器的功耗。
图5示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的基本表示。根据本发明的该方面，提供了彼此靠近或相邻布置的两个发光二极管111、112。光电二极管121-12n的布置对应于根据图4的本发明的方面。控制单元140的操作对应于根据图2的控制单元140的操作。
图6示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的基本表示。根据图6的本发明的光学生命体征传感器100基本上对应于根据图5的光学生命体征传感器，但光检测器120包括四个臂120a、120b、120c、120d，每个具有若干光电二极管，其中，四个臂以十字形式布置，第一和第二发光二极管111、112布置在十字形的中心处。根据该方面的控制单元140的操作对应于根据图2的方面的控制单元140的操作。
图7示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的基本表示。根据本发明的该方面的光学生命体征传感器100基于根据图6的光学生命体征传感器。然而，光检测器120包括六个臂120a-120h，每个臂具有若干光电二极管，其中臂120a-120h布置在第一和第二发光二极管111、112的周围，第一和第二发光二极管111、112布置在臂的中心中。
根据图7的方面的控制单元的操作对应于根据图2的方面的控制单元140的操作。
图8示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的表示。根据本发明的该方面的光学生命体征传感器100包括具有至少一个发光二极管111、112的光源以及具有至少一个光电二极管121的光检测器。具有至少一个光电二极管121的光检测器120可以耦合到调节单元150，调节单元150可以调节至少一个发光二极管111、112和至少一个光电二极管121之间的距离。调节单元150优选地是机械调节单元。任选地，调节单元150包括耦合到至少一个光电二极管121的调节环151。通过电或机械地转动环151，至少一个光电二极管121旋转。在图8中，描绘了光电二极管121的三个不同位置121a、121b、121c。应该指出，更多的位置是可能的。因此，通过转动环151，可以调节至少一个发光二极管111、112与至少一个光电二极管121之间的距离。信号分析单元141在启用调节单元期间分析光检测器120的输出信号，以确定至少一个光电二极管121的位置，在所述位置处，实现最佳信号质量，例如以信噪比、AC或DC幅度或输出信号的AC和DC之间的比率的次序。
图9示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的表示。根据本发明的该方面，光学生命体征传感器100包括布置在调节单元150的环151上的三个不同的光电二极管121-123和至少一个发光二极管111、112。利用调节单元150可以相对于至少一个光电二极管121、123的位置调节至少一个发光二极管111、112的位置。因此，可以调节光电二极管与发光二极管之间的距离。
这可以由可以直接或间接地转动环151的用户机械地执行。额外地或备选地，在根据图8的方面以及在根据图9的方面中，控制单元140可以控制环的转动。根据本发明的该方面，信号分析单元141可以在启用调节单元150(即环151的转动)期间分析光检测器的输出信号。如果达到最佳信号质量，可以停止借助于调节单元50的调节。
根据本发明的方面，根据图8或图9的光学生命体征传感器可以与根据图2至7之一的光学生命体征传感器组合。因此，借助于调节单元和调节环151的机械调节可以与图3、图4、图5、图6或图7的发光二极管111、112和光电二极管121-12n的布置组合。
借助于发光二极管和光电二极管的机械调节，可以调节至少一个发光二极管与至少一个光电二极管之间的光学路径的长度。这可以例如根据用户的皮肤类型或形态来进行。
根据本发明的一个方面，只能使用一对发光二极管和一对光传感器。因此，可以实现低复杂度且低成本的布置，同时仍然能够根据用户的皮肤类型和形态来调节光学路径的长度。
根据本发明的一个方面，根据图8和9的实施例的发光二极管111、112以及光检测器121-12n的布置可以任选地对应于根据图3、图4、图5、图6或图7的发光二极管和光电二极管的布置。
根据本发明的一个方面，根据本发明的光学生命体征传感器中的光学路径的长度的调节是通过机械调节发光二极管和光电二极管的相对或绝对位置来执行的。
图10示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的示意图。根据本发明的该方面的光学生命体征传感器100包括例如发光二极管形式的光源110以及光电二极管120形式的光检测器。在发光二极管110和光检测器120之间可以布置光导130。光导130包括第一端130a和第二端130b。第一端130a耦合或指向光源110，即来自光源110的光耦合到光导130中。光导130包括若干例如电压相关的反射元件131-133，其可以由电源电压或控制电压启用。电压相关的反射元件131-133布置在不同的位置。在操作期间，控制单元140可以启用电压相关反射元件131-133中的一个，使得来自光源110的光行进通过光导130并且在电压相关反射元件131-133之一处离开光导。由于电压相关的反射元件131-133被布置在不同的位置处，通过控制电压相关的反射元件，可以调节光进入用户的皮肤1000的位置，或者可以调节离开光导的光与光检测器120之间的距离。与本发明的其它方面一样，信号分析单元141可以检测光检测器120的输出信号，同时启用若干电压相关反射元件131-133，以便确定其中光检测器的信号质量是最佳的电压相关的反射元件。
根据本发明的各方面，控制单元140可以控制有源光源和有源光检测器或光电二极管之间的有效距离。
根据本发明的另一方面，还可以根据图10的方面引入机械调节单元。此处，除了光导130的操作之外，还可以提供机械调节单元以进一步机械地调节光导130的位置。
研究附图、公开内容和权利要求，所公开的实施例的其他变型可以由本领域技术人员在实践所要求保护的发明中理解和实现。
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权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。
Claims (8)
1.光学生命体征传感器，包括：
-光源(110)，其具有至少一个光单元(111、112)，每个光单元被配置为生成光，其中，所述至少一个光单元(111、112)的所述光指向用户的皮肤(1000)，
-至少一个光检测器单元(120)，其具有至少一个光电二极管(121-12n)，所述至少一个光电二极管被配置为检测指示来自所述至少一个光单元(111、112)的所述光在所述用户的所述皮肤(1000)中或者从所述用户的所述皮肤(1000)的反射的光，以及
-调节单元(150)，其被配置为调节所述光在所述至少一个光单元(111、112)与所述至少一个光电二极管(121-112n)之间行进的有效距离，其中，所述调节单元(150)被配置为机械地调节来自所述至少一个光单元(111、112)的所述光进入所述用户的所述皮肤(1000)的位置，或者被配置为相对于所述至少一个光电二极管(121-12n)中的一个的位置机械地调节所述至少一个光单元(111、112)中的一个的位置，从而调节所述光在有源光单元(111、112)与有源光电二极管(121-12n)之间行进的距离。
2.根据权利要求1所述的光学生命体征传感器，其中，所述至少一个光检测器单元(120)包括多个光电二极管(121-12n)，所述多个光电二极管被配置为检测指示来自所述至少一个光单元(111、112)的所述光在所述用户的所述皮肤(1000)中或者从所述用户的所述皮肤(1000)的反射的光；并且所述光学生命体征传感器还包括控制单元(140)，所述控制单元被配置为通过选择和启用来自所述至少一个光单元(111、112)之中的至少一个光单元(111、112)和/或来自所述多个光电二极管(121-12n)之中的至少一个光电二极管(121-12n)从而进一步调节所述光在有源光单元(111、112)与有源光电二极管(121-12n)之间行进的距离，或者进一步调节来自所述至少一个光源(111、112)的所述光进入用户的所述皮肤(1000)的位置，基于由所述控制单元(140)中的信号分析单元(141)分析的所述光检测器(120)的输出信号的信号质量来控制所述光源(110)和/或所述光检测器单元(120)的操作。
3.根据权利要求2所述的光学生命体征传感器，其中，由所述信号分析单元(141)关于以下中的至少一个对所述信号质量进行分析：信噪比、所述输出信号的DC分量的幅度、所述输出信号的AC分量的幅度以及所述光检测器(120)的所述输出信号的所述AC分量与所述DC分量之间的比率。
4.根据权利要求1所述的光学生命体征传感器，还包括控制单元(140)，所述控制单元被配置为基于由所述控制单元(140)中的信号分析单元(141)分析的所述光检测器(120)的输出信号的信号质量来控制所述调节单元(150)的调节操作，从而调节所述光在有源光单元(111、112)与有源光电二极管(121-12n)之间行进的距离。
5.根据权利要求4所述的光学生命体征传感器，其中，由所述信号分析单元(141)关于以下中的至少一个对所述信号质量进行分析：信噪比、所述输出信号的DC分量的幅度、所述输出信号的AC分量的幅度以及所述光检测器(120)的所述输出信号的所述AC分量与所述DC分量之间的比率。
6.根据权利要求1所述的光学生命体征传感器，还包括具有多个可控反射单元(131-133)的光导(130)，所述多个可控反射单元被布置为邻近于所述至少一个光单元(111、112)，并且被配置为当被启用时朝向所述用户的所述皮肤(10009引导来自所述至少一个光单元(111、112)的所述光，从而调节所述光在所述至少一个光单元(111、112)与所述至少一个光电二极管(121-12n)之间行进的距离。
7.一种操作光学生命体征传感器的方法，所述光学生命体征传感器包括具有至少一个光单元(111、112)的光源(110)和具有至少一个光电二极管(121-12n)的至少一个光检测器(120)，所述方法包括以下步骤：
-朝向用户的皮肤(1000)引导所述光源(110)的光，
-由所述至少一个光电二极管(121-112n)检测指示来自所述至少一个光单元(111)的所述光在用户的所述皮肤(1000)中或者从用户的所述皮肤(1000)的反射的光，并且
-机械地调节所述光进入所述用户的所述皮肤(1000)的位置，和/或
-机械调节所述至少一个光单元(111、112)与所述至少一个光电二极管(121-12n)之间的距离。
8.一种包括计算机可读存储器的计算机程序产品，所述计算机可读存储器存储计算机程序代码单元，所述计算机程序代码单元用于令根据权利要求1所述的光学生命体征传感器执行根据权利要求7所述的操作光学生命体征传感器的方法的步骤。
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