CN109640794A - 光电容积描记传感器构造 - Google Patents

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Abstract

本文件公开了一种适用于测量光电容积描记图(PPG)的设备。光电容积描记传感器设备可以包括：限定表面的壳体；多个光学发射器，被构造为发射从表面延伸的辐射；至少一个光电传感器，被构造为捕获由多个光学发射器的至少一个子组发射的辐射，其中至少第一测量构造和第二构造由多个光学发射器和至少一个光电传感器限定，使得第一和第二测量构造通过包括至少一个光电传感器和至少一个光学发射器的至少部分不同组来提供不同的测量通道，并且第一和第二测量构造限定不同的空间构造，其中的每个相对于沿表面的假想线是线对称的。

Description

光电容积描记传感器构造
技术领域
本发明涉及被构造成光学测量用户的心脏活动的光电容积描记传感器。
背景技术
构造成测量光电容积描记图的传统传感器构造包括：两个发射器头部，构造成辐射具有光学波长的能量；以及光电二极管或类似的光学传感器，设置在发射器头部之间。由发射器发射的辐射从人体组织反射，例如在用户的手臂或耳朵中，并且所反射的辐射的一些特征是用户的心脏活动的函数。在动脉中行进的血液脉冲波(脉搏波)调制反射的辐射，这使得能够通过分析由光学传感器捕获的信号来测量心脏活动。
发明内容
本发明由独立权利要求的主题限定。实施方式在从属权利要求中限定。
附图说明
在下文中，将参考实施方式和随附附图更详细地描述本发明，在附图中
图1示出了可以应用本发明的实施方式的一般测量场景；
图2示出了可以应用本发明的实施方式的设备；
图3至图6示出了根据本发明的一些实施方式的用于光电容积描记(PPG)传感器的传感器头部布置；
图7至图9示出了根据本发明的一些实施方式的用于多个PPG测量构造的时间复用操作的解决方案；
图10示出了以不同方式执行复用的实施方式；
图11示出了根据本发明的一种实施方式的设备的框图；
图12示出了用于基于运动简档(profile)选择测量构造的实施方式；
图13示出了根据本发明的实施方式的用于同时(并存)使用多个测量构造的过程的流程图；
图14示出了运动干扰对PPG测量的影响；
图15示出了根据本发明的实施方式的用于检测运动干扰的过程的流程图；
图16示出了根据本发明的实施方式的用于组合测量通道的过程的流程图；以及
图17示出了采用图8的测量构造的另一实施方式。
具体实施方式
以下实施方式是示例性的。虽然说明书在文本的若干位置中可能涉及“一种”、“一个”或“一些”实施方式(一个或多个)，但这不一定意味着每个参考是针对相同的实施方式(一个或多个)，或者特定特征仅适用于单个实施方式。还可以组合不同实施方式的单个特征以提供其他实施方式。
图1示出了包括可以在本发明的一些实施方式的背景中使用的传感器装置的测量系统。传感器装置12、14可以构造成光学地测量光电容积描记图(PPG)。PPG表示器官的体积测量。PPG传感器12、14可以包括构造成发射辐射的发射器。发射器可以是发光二极管(LED)，其被构造为照亮用户20的皮肤。PPG传感器还可以包括光敏光电传感器，诸如光电二极管，其被构造为测量从被照亮的皮肤反射的光的变化。随着每个心动周期，心脏将血液泵送到外周动脉。尽管这种血液波脉冲在其传播时被动脉系统阻尼，但足以扩张皮下组织中的动脉和小动脉。如果发射器和光电传感器适当地抵靠皮肤放置，则可以将血液波脉冲检测为通过使用光电传感器测量的反射光的变化。每个心动周期表现为通过光电传感器获取的测量信号的变化。典型的应用是用户20的心脏活动诸如心率的光学测量。血液脉冲波可以由多个其他生理系统调制，并且因此，PPG还可以用于监测呼吸、氧饱和度和其他生理状况，甚至医学症状、病症和疾病。可以在人体的各个位置测量PPG，例如从手腕(传感器12)、头部、耳道或耳叶(传感器14)。
图2示出了腕式装置形式的PPG传感器装置12。腕式装置12可以是训练计算机，其被构造为在身体锻炼期间测量用户20的心脏活动。另外，腕式装置可以被构造为连续地或至少每当腕式装置12附接到用户20时测量用户20的日常活动。至少一些PPG传感器构造可以与这两种测量方案相关联。PPG传感器可以设置在腕式装置12的壳体的后侧，其中后侧被布置成面向用户的皮肤。面向用户的皮肤的壳体的后侧可以限定表面112，其在附接位置与用户的皮肤基本对齐(对准)。可以提供PPG传感器构造118，使得PPF传感器构造118的一个或多个发射器发射从表面延伸到用户的皮肤的辐射，并且进一步地，至少一个光电传感器被对齐以接收从用户的皮肤反射的发射的辐射。
根据本发明的一种实施方式，提供了一种PPG传感器设备，包括：限定表面112的壳体；多个光学发射器，被构造成发射从表面112延伸的辐射；以及至少一个光电传感器，被构造成捕获由多个光学发射器的至少一个子组发射的辐射。至少第一测量构造和第二构造由多个光学发射器和至少一个光电传感器限定，使得第一和第二测量构造通过包括至少一个光电传感器和至少一个光学发射器的至少部分不同组来提供不同的测量通道。此外，第一和第二测量构造限定不同的空间构造，其中的每个沿表面相对于假想线是线对称的。可以将相对于线的对称性理解成，使得线的一侧上的测量构造的元件(一个或多个)形成线的相对侧上的测量构造的元件(一个或多个)的镜像。在一种实施方式中，设备中提供的多个测量构造或甚至每个测量构造包括在对称线的两侧上的多个元件。在一种实施方式中，设备中提供的多个测量构造或甚至每个测量构造包括完全在对称线的一侧上的至少一个元件(发射器和/或光电传感器)。
图3至图6示出了PPG传感器头部的不同空间布置。在附图中，光学发射器被示出为具有矩形布置，该矩形布置由外部矩形内侧的内部矩形组成。光电传感器由单个矩形示出。传感器头部可以包括一组光学发射器和一个或多个光电传感器。图3示出了包括两个有区别的PPG传感器头部的实施方式，每个传感器头部包括光电传感器322和两个发射器(LED)320。形成第一测量构造300的第一传感器头部包括第一光电传感器322和设置在光电传感器322的相对侧上的两个发射器320。形成第二测量构造302的第二传感器头部包括与第一光电传感器322不同的第二光电传感器，以及设置在第二光电传感器的相对侧上的两个发射器。两个传感器头部可以在表面112上相对于彼此远程设置，例如在表面的相对边缘上。在此上下文中可以限定远程，使得当装置在使用中并且附接到用户的皮肤时，从一个测量构造的发射器发射的辐射不能到达另一测量构造的光电传感器。或者即使低度光到达不同测量构造的光电传感器，级别很低使得其不会显著降低测量精度。因此，第一和第二测量构造300、302在空间上远离使得它们提供相互正交的测量通道。图3示出了对称线310，测量构造沿该对称线以线对称方式设置。对称线经由光电传感器在表面上行进，使得测量构造的发射器关于对称线310线对称地设置。换句话说，发射器320设置在距光电传感器322相等的距离处。当在用户20移动时执行测量时，例如跑步或游泳，这种构造提供了优点。如果设备相对于用户的皮肤移动，则测量构造的发射器320中的一个可以脱离接触。然后，较少的光可以从该发射器到达光电传感器322。通过传感器头部的适当空间布置，运动可以迫使另一个发射器更牢固地压靠皮肤，从而提供更好的皮肤接触和增加的到达光电传感器322的光量。因此，对称布置可以提供针对利用光电传感器322测量的测量信号中的运动伪影的补偿。在图3的实施方式中，两个测量构造可以在空间上布置成使得对称线310垂直于将设备附接到用户的手腕(或手臂)的带的纵向轴线。因此，对称线310还限定了用于设备相对于用户的皮肤移动的旋转轴线。这意味着当设备在用户的手部运动期间移动时，表面围绕旋转轴线稍微旋转，这产生了发射器320相对于用户的皮肤向相反方向移动的上述功能。在另一实施方式中，不同测量构造300、302的传感器头部在空间上布置成使得对称线310对齐，即平行于带的纵向轴线。下面描述测量构造300、302的功能用途。
在图3的实施方式中，测量构造300、302均相对于相同的对称线310线对称。图4示出了PPG传感器构造，其中不同测量构造400、402、404在表面112上与不同的假想对称线是线对称的。在该实施方式中，不同测量构造400至404采用相同的光电传感器并且每个具有有区别的发射器，其中发射器围绕光电传感器设置。在这种布置中，发射器都设置在距光电传感器相同的距离处，并且在空间上布置在表面上形成的假想环形物上。发射器也可以均匀地设置在环形物上。测量构造由光电传感器和相对于光电传感器设置在相对侧上的两个发射器组成。这种布置可以提供针对运动伪影的更好的补偿。在许多情况下，运动为在某个方向上的来回运动，因此降低了测量构造400、402、404中的一个的性能，而另一测量构造不受运动的影响。因此，提供关于不同对齐的对称线对称布置的多个测量构造可以在运动的影响下提供更好的性能。
在不同测量构造相对于不同对称线是线对称的一些实施方式中，对称线是平行的，即相对于彼此对齐但在表面上的不同位置处。在不同测量构造相对于不同对称线是线对称的其他实施方式中，对称线在表面上相对于彼此旋转。图4示出了这样的实施方式。对称线可以以规则的方式旋转，使得连续旋转之间的旋转角度是恒定的，例如在图4的实施方式中为60度。
图5示出了图4的实施方式的修改，其中提供了两个光电传感器，并且围绕每个光电传感器对称地设置发射器。测量构造可以以类似于图4的实施方式的方式布置，其中对称设置在光电传感器的相对侧上的发射器形成测量构造。在光电传感器之间提供的一些发射器可以属于多个测量构造。这种类比可以扩展到具有许多光电传感器和光学发射器的大型传感器阵列。在一种实施方式中，光电传感器和/或发射器形成矩阵，其中测量构造由矩阵的元件形成，使得每个测量构造包括矩阵的至少一个发射器和至少一个光电传感器。矩阵可以包括由光电传感器和发射器形成的多个行和多个列。在一种实施方式中，矩阵的大小可以是10x5、5x10、10x10或甚至更高。矩阵的一些元件可以是光电传感器，而其他元件是光学发射器。这样的布置可以使得能够任意选择测量构造，这使得能够非常灵活地适应各种测量条件。测量构造不需要固定，但控制设备的控制器可以在操作期间选择和调整测量构造的部件。
在图3至图5的实施方式中，发射器的数量已经高于光电传感器的数量。这是典型的布置，因为发射器诸如LED比光电传感器例如光电二极管制造成本更低。然而，在图3至图5中可以切换发射器和光电传感器的位置，使得光电传感器可以设置在发射器的位置处而发射器设置在光电传感器(一个或多个)的位置。
在图3至图5的实施方式中，每个测量构造可以提供单个测量通道。基本上，每个测量构造提供两个不同的发射器-传感器对，并且因此提供至少两个有区别的光路径。然而，当测量构造的发射器同时地辐射时，光电传感器将光路径组合成单个逻辑测量通道。
图6示出了适用于腕式装置12或耳式装置14的又一PPG传感器头部构造。图6的实施方式包括多个光电传感器610、616，其沿假想环形物605(在图6中由点划线示出)与多个光学发射器612、614以交替的方式一起布置在表面112上。在图6的实施方式中，两个光电传感器610、616设置在环形物的相对侧上，并且两个发射器612、614设置在环形物的相对侧上。第一测量构造600由第一光学发射器和沿环形物605相对于第一光学发射器相邻的光电传感器610、616组成，而第二测量构造602由第二光学发射器614和沿环形物605相对于第二光学614发射器相邻的光学传感器610、616组成。两个测量构造600、602均使用相同的光电传感器610、616但是使用不同的发射器612、614。
从发射器到光电传感器的箭头示出了测量通道。如可以看到的，该布置提供了四个有区别的测量通道，每个测量构造600、602两个。也就是说，由发射器612发射的辐射经由有区别的路径在光电传感器610、616中被接收，并且由发射器614发射的辐射经由有区别的路径在光电传感器610、616中被接收。这适用于来自耳垂的反射、来自耳道的反射以及来自手腕或手臂的反射。
在一种实施方式中，多个测量构造的操作被复用以提供相互正交的测量构造。在一种实施方式中，测量构造的发射器被构造为以时间复用的方式发射辐射。图7示出了用于控制图6的实施方式中的发射定时的实施方式。如图7所见，发射器(LED)612在与发射器614不同的时间发射，并且发射器612、614不同时发射。发射器612 614可以被构造为以周期性方式以不同的定时偏移发射而实现时间复用。在发射器的“接通”持续时间可能显著低于“断开”持续时间的意义上，发射周期的占空比可以是低的。占空比可以低于1/10、低于1/100、低于0.5/100或甚至更低。当测量构造的数量较高时，例如上述矩阵构造，这为时间复用提供了灵活性。在这样的构造中，操作测量构造的数量和可用测量通道的数量可能非常高，例如十或以上、100或以上。
当发射器612发射光时，与相应测量通道#1和#2相关联的光电传感器610、616接收辐射并根据所接收的辐射产生相应的测量信号。类似地，当发射器614发射光时，与相应测量通道#3和#4相关联的光电传感器610、616接收辐射并根据所接收的辐射产生相应的测量信号。因此，处理测量数据的处理器获取与不同测量通道相关联的四个有区别的测量信号。然后，处理器可以使用这种多样性来提高心脏活动测量的准确性，例如通过组合测量信号以试图减少运动伪影，如下面更详细描述的。
图8示出了图3的实施方式中的时间复用。对称线再次在图8中示出以方便读者。在该实施方式中，每个测量构造300、302的发射器顺序地接通。此外，关于不同测量构造的操作，同时照亮在不同测量构造中的对称线的相对侧上的发射器。换句话说，那些在空间上相对于彼此最远的发射器被同时照亮。如图1中所示，在第一阶段，以下发射器被构造为辐射：1)在对称线的第一侧上的第一测量构造的发射器以及2)在对称线的第二、相对侧上的第二测量构造的发射器。另外，在第二阶段，以下发射器被构造为辐射：1)在对称线的第二侧上的第一测量构造的发射器以及2)在对称线的第一侧上的第二测量构造的发射器。这种构造最小化不同测量构造之间的干扰。然而，应该理解的是，上述占空比使得能够一次照亮一个发射器的全部。
在另一实施方式中，同时照亮在不同测量构造中的对称线的同一侧上的发射器。当不同测量构造的传感器头部之间的距离足够高时，该构造可以产生与图8中所示的序列相对应的性能。
图9示出了图4的实施方式中的时间复用。在该实施方式中，测量构造的所有发射器同时发射，并且时间复用仅布置在不同测量构造之间。在第一阶段，仅第一测量构造400的发射器被构造为发射辐射。随后，仅第二测量构造402的发射器被构造为在第二阶段发射辐射。随后，仅第三测量构造404的发射器被构造为在第三阶段发射辐射。以这种方式，仅光电传感器的相对侧上的发射器同时地发射辐射。
图10示出了一种实施方式，其中不同测量构造的发射器被布置成发射不同波长的辐射。当与由光电传感器(一个或多个)感测的滤波测量信号组合时，这种解决方案能够进行频率复用。在图10中，发射器的每个图案表示有区别的波长。第一测量构造的发射器(一个或多个)可以构造为发射绿光，而第二测量构造的发射器(一个或多个)可以构造为发射红外光。第三测量构造的发射器(一个或多个)可以发射又一波长的光。已经发现绿光适合于在可能存在运动伪影的身体锻炼期间测量心脏活动。红外光对于测量氧饱和度可能是最佳的。关于传感器部分，光电传感器可以耦接到多条并行信号线，其中在每条信号线上设置滤波器。每个滤波器可以被构造为在由发射器发射的辐射的频带中的一个上提供通带。因此，由不同发射器发射的辐射可以在光电传感器部分中分离，并且可以通过使用与每个波长测量相关联有区别的信号处理算法来处理每个得到的信号。在图10的实施方式中，不同测量构造的发射器可以同时或以不同的发射定时发射。由于光电传感器从不同发射器感测的信号可以基于它们的波长分离，因此发射定时可能是不相关的。
图11示出了设备例如腕式装置12或耳式装置14的框图的实施方式。设备可以包括电子装置，该电子装置包括至少一个处理器100和至少一个存储器110。处理器100可以形成处理电子线路的一部分或者是处理电子线路的一部分。设备还可以包括用户接口124，其包括显示屏或另一显示单元、输入装置诸如一个或多个按钮和/或触敏表面，以及音频输出装置诸如扬声器。在一些实施方式中，用户接口124包括触觉输出装置，其被构造为向用户20提供触觉指示。
处理器100可以包括测量信号处理电子线路104，其被构造为处理从测量构造的光电传感器(一个或多个)获取的测量信号。在一些实施方式中，测量信号处理电子线路被构造为经由不同的测量通道获取测量信号并且根据确定的逻辑来组合测量通道的信号，如下所述。
设备可以包括连接到处理器100的通信电子线路102。通信电子线路可以包括适合于支持通信协议诸如蓝牙智能规范的软件和硬件。应当理解，其他通信协议是等同的解决方案，只要它们适合于建立个人区域网络(PAN)或适合于本文档中描述的测量场景。处理器100可以使用通信电子线路102以根据支持的无线通信协议来发送和接收帧。帧可以携带载荷数据，包括上述测量数据，诸如PPG测量数据。在一些实施方式中，处理器100可以使用通信电子线路109将测量数据发送到另一设备，例如到存储用户20的用户帐户的云服务器。
在一种实施方式中，设备包括至少一个PPG传感器形式的心脏活动传感器。PPG传感器可以包括一个或多个上述PPG传感器头部。PPG传感器可包括多个测量构造130、132......，如上所述。另外，设备可以通过通信电子线路102与至少一个心脏活动传感器122通信。至少一个心脏活动传感器122可以包括相对于设备的外部心脏活动传感器，例如被构造为测量用户20的心电图(ECG)的心脏活动传感器。心脏活动传感器(一个或多个)122可以包括与传感器(一个或多个)120不同或不同类型的心脏活动传感器(一个或多个)。
设备还可以包括一个或多个惯性传感器121。惯性传感器可以是陀螺仪或加速度计，并且设备可以包括陀螺仪和/或一个或多个加速度计，例如三轴加速度计。惯性传感器可以用于测量设备的运动，并且测量的运动可以用于减少PPG测量信号中的上述运动干扰或运动伪影。
处理器100还可以包括测量构造控制器106，其被构造为从一个或多个光电传感器和光学发射器的可用组选择测量构造130、132......，和/或控制多个测量构造的操作。例如，控制器106可以控制测量构造的时间复用，如上所述。另外，控制器106可以选择性地接通和断开测量构造。测量构造130、132，......可以是固定的，使得测量构造控制器106仅接通和断开测量构造130、132......，或者测量构造控制器106可以根据确定的标准从发射器和光电传感器的可用组动态地创建新的测量构造。
存储器110可以包括构造处理器100及其电子线路104、106的操作的一个或多个计算机程序产品(软件117)。存储器110还可以存储用户20的用户简档114。用户简档可以存储关于用户20的信息和用户的个人特征，诸如年龄、性别、体重、身高、表现指数、心率区、速度区以及常结合训练计算机使用的类似参数。存储器110还可以存储一个或多个体育简档119(例如跑步、骑自行车、游泳、滑雪、网球、羽毛球、力量训练、移动训练、室内体育运动和户外运动)。结合每个体育简档，可以限定PPG传感器的相关联的测量构造。这可以被理解为使得以上结合任何实施方式描述的所有测量构造的子组可以与体育简档相关联，并且不同的体育简档可以与不同测量构造相关联。这使得控制器106能够根据所选择的体育简档选择性地切换测量构造，如下面参考图12所述。
参考图12，设备可以为不同的运动简档提供使用不同测量构造。存储在存储器110中的运动简档119可以限定PPG传感器的唯一测量构造。例如，不同的运动简档可以采用不同数量的发射器和/或光电传感器。与(较)快速的运动相关联的运动简档可以采用比与(较)慢的运动相关联的体育简档更多数量的发射器和/或光电传感器。例如，作为体育运动简档的羽毛球或网球可以采用比长距离跑步更多数量的发射器和/或光电传感器。存储在存储器110中的每个运动简档可以与设备的测量模式相关联。测量模式可以限定用于在选择运动简档时获取测量数据的一个或多个测量构造。在框1200中，处理器100检测指示选择运动简档的输入，例如体育简档。输入可以是通过用户接口124从用户20接收的选择体育简档的用户输入，例如在开始身体锻炼之前。该输入可以是另一输入，例如指示用户已经上床并正在睡眠的运动检测输入，其中输入可以指示睡眠运动简档。另一运动检测输入可以指示密集(intensive)的运动简档，例如当用户未在设备中选择任何体育简档的情况下用户快速移动时。该情况可能是设备监测用户的日常活动，并且用户在正常活动期间进行快速运动。在接收到输入时，处理器可以访问存储运动简档119的数据库并检索与所指示的运动简档相关联的一个或多个测量构造。在一种实施方式中，处理器100可以在检索时立即激活所检索的测量构造(一个或多个)，例如在没有任何另外的输入的情况下。这可以适用于睡眠运动简档，例如，其中处理器100在检测到睡眠运动简档时激活一个或多个红外光学发射器和相关联的光电传感器(一个或多个)。在另一实施方式中，在接收到触发设备的测量模式的开始的另一输入时，测量构造控制器106可以激活与所选择的体育简档相关联的测量构造(一个或多个)130、132...作为对其他输入的响应。
在测量模式期间，测量构造控制器106可以选择性地激活和/或停用一个或多个测量构造。例如，测量信号处理电子线路104可以估计通过测量通道接收的测量信号的质量，并且在检测到低于确定的阈值的信号质量时，向测量构造控制器106输出通知。在接收到通知时，测量构造控制器106可以采用附加测量构造130、132......，从而提供额外的测量通道。
图13示出了一流程图，其示出从另一角度同时地使用多个测量构造。PPG传感器可以提供多个测量构造，其中测量构造中的至少一些专用于某种目的。例如，以确定的波长辐射的发射器可能比另一种更适合于测量一种生理状况。红外光可适合于测量氧饱和度，而绿光适合于测量身体锻炼期间的心率。可以在时间上以不同的方式测量这些不同的生理状况。例如，某种测量构造可以在连续基础上测量第一生理状况。因此，测量构造控制器106可以构造测量构造以在框1300中在连续基础上执行测量。可以限定连续基础，使得至少每当设备附接到用户20时执行测量。可以通过使用运动传感器来检测附接。如果运动传感器检测到运动，则可以检测到用户正在佩戴设备，并且测量构造控制器106可以执行框1300。可以同样使用另一传感器，例如压力传感器或接近传感器，检测设备与用户的皮肤、手腕、手臂或耳朵接触。
在框1302中，设备检测身体锻炼的开始。检测可以基于用户触发设备中的上述测量模式或用户指示所选择的体育简档。结果，测量构造控制器106可以确定检测是否导致需要激活新的测量构造(框1304)。如果需要新的测量构造，则测量构造控制器106可以选择并激活PPG传感器中的新测量构造以测量第二生理状况，例如心率(框1306)。当设备检测到测量模式或身体锻炼的结束时，测量构造控制器可以停用在框1306中激活的测量构造。因此，测量构造可以用于当装置附接到用户20时的总时间的有限时间段。测量不同生理状况的至少两个测量构造可以并行使用。
在一种实施方式中，测量构造控制器106可以通过使用时间作为参考来激活和停用测量构造。例如，如果设备被构造为通过使用PPG传感器来监测睡眠质量，则测量构造控制器可以在检测到用户的就寝时间时激活专用于该目的的一个或多个测量构造。检测可以基于时钟或基于检测用户的运动。运动传感器可以用于检测用户何时从用户的位置和/或运动(进入)睡眠，并且测量构造控制器106可以采用运动传感器的输出来激活和停用测量睡眠质量的测量构造(一个或多个)。
在一种实施方式中，测量信号处理电子线路104被构造为估计从至少一个测量通道获取的至少一个测量信号的信号质量。如上所述，PPG测量信号可能易受运动干扰。运动干扰可能是由设备松散地附接到用户20的皮肤引起的。图14示出了运动干扰对干净的PPG信号的影响。可以看出，运动干扰降低了测量信号的质量，并且使得PPG信号中的某些信号模式(信号图案)的检测更加困难。
图15示出了用于分析设备中的测量信号的实施方式。参考图15，测量信号处理电子线路104可以处理从至少一个测量构造获取的PPG测量信号(框1500)，以检测测量信号中表示运动干扰的信号模式(框1502)，并输出关于检测的通知(框1504)。在一种实施方式中，测量信号处理电子线路104被构造为估计测量信号的变异性(方差)，并且在检测到变异性超过阈值时，输出通知。如图14中所示，受干扰的PPG信号的变异性高于干净的PPG信号的变异性。另一种解决方案可以是将PPG测量信号的幅度与幅度阈值进行比较，并且在检测到幅度超过幅度阈值时，输出通知。在又一实施方式中，测量信号处理电子线路可以计算PPF测量信号的傅立叶变换，并将变换的PPG测量信号的样本与阈值进行比较。如果一个或多个样本超过阈值，则设备可以输出通知。
在一种实施方式中，框1504中的通知被输出到用户接口124，并告知用户20检查PPG传感器设备和用户的皮肤20之间的接触。输出可以指示用户20将设备更紧密地附接到用户的皮肤。
在一种实施方式中，测量信号处理电子线路104可以使用多个测量通道来计算表示生理状况的度量，诸如心率、氧饱和度和/或能量消耗。在度量的计算中使用多个测量通道可以改善计算的性能并且产生比使用单个测量通道时更可靠的度量。
在一种实施方式中，测量信号处理电子线路104可以在处理中的一个点处组合与不同测量通道相关联的信号。图16示出了用于进行组合的实施方式。参考图16，测量信号处理电子线路104从与第一测量构造相关联的第一测量通道获取第一PPG测量信号(框1600)，并且还从与第二测量构造相关联的第二测量通道获取第二PPG测量信号(框1602)。例如，测量构造可以是上面结合图3至图6中的任何一个描述的任何两种测量构造。在框1604中，测量信号处理电子线路计算第一测量信号的(快速)傅立叶变换。在框1606中，测量信号处理电子线路计算第二测量信号的(快速)傅立叶变换(FFT)。在框1608中，测量信号处理电子线路组合傅里叶变换的第一和第二测量信号，例如通过进行样本相关(sample-vise)求和操作。可以进行另一组合方法。例如，测量信号处理电子线路可以在求和之前利用不同的加权因子对信号进行加权，或者它可以进行选择组合，在这种情况下，它选择测量信号中的一个。在组合之后，测量信号处理电子线路可以估计表示生理状况的度量。
该组合可用于减少运动干扰。当通过不同测量构造测量测量信号，并且测量通道基本上正交或不相关时，运动干扰可以被认为是不相关的噪声，而PPG信号在测量通道中是相关的。通过对两个信号求和将它们组合在一起然后可以在放大PPG信号分量的同时衰减运动干扰，从而改善信号质量和度量的估计质量。
在另一实施方式中，测量信号处理电子线路104通过采用从惯性传感器(一个或多个)121接收的运动测量信号来减少运动干扰。在一种实施方式中，设备计算通过使用上述测量构造中的一个或多个获取的PPG测量信号(一个或多个)的FFT，并且还计算从惯性传感器(一个或多个)121接收的运动测量信号的FFT。测量信号处理电子线路可以确定包含来自运动测量信号的FFT的大量运动干扰的一个或多个频率分量，并从PPG测量信号的FFT消除这些频率分量。以这种方式，可以从PPF测量信号去除周期性运动干扰。
在另一实施方式中，测量信号处理电子线路可以采用运动测量信号作为补充，用于在暂时不可能从PPG测量信号估计生理状况的情况下确定生理状况，例如设备到用户的皮肤的高干扰或不良附接。设备可以提供映射数据库，其将运动测量信号的特征映射到生理状况。在一种实施方式中，特征是运动测量信号的周期性，并且生理状况是心率。心率是运动程度的函数。另外的输入可以是由用户选择的身体锻炼的体育简档，并且设备可以选择与体育简档相关联的一个或多个测量构造，如上所述。在正常条件下，设备可以测量来自通过使用与一个或多个测量构造相关联的一个或多个测量通道获取的PPG信号(一个或多个)的生理状况，诸如心率或能量消耗。在检测到不可能从PPG测量信号(一个或多个)估计生理状况时，测量信号处理电子线路104可以激活从运动测量信号(一个或多个)估计生理状况的运动估计算法。在一种实施方式中，运动估计算法获取从PPF测量信号(一个或多个)估计的生理状况的最新值，监测运动测量信号的特征的变化，并基于变化来调整生理状况的最新值。例如，如果生理状况是心率并且特征是运动的周期性，如果周期性减小，则运动估计算法可以减小表示生理状况的值。如果周期性增加，则运动估计算法可以增加表示生理状况的值。在另一实施方式中，运动估计算法可通过使用映射数据库将特征的绝对值映射到生理状况的值。
在图16的实施方式中，对变换的测量信号进行组合。在其他实施方式中，可以在不同的时期进行组合。例如，测量信号处理电子线路104可以针对每个测量通道独立地计算度量，然后组合表示不同测量通道的度量。在其他实施方式中，可以组合测量信号的时域表示。
图17示出了另一实施方式，其采用与图8的实施方式相同的传感器布置，但是光学发射器的照亮以不同的方式构造。在图17的实施方式中，存在两个相互正交的测量构造：第一测量构造，在包括光电传感器和多个光学发射器的装置112的一半上；以及第二测量构造，在包括光电传感器和多个光学发射器的装置112的相对的一半上。在每个测量构造中，多个光学发射器与一光电传感器相关联。在该实施方式中，相同测量构造的多个光学发射器被构造为同时发射而同时其他测量构造(一个或多个)的光学发射器不发射。参照图17，第一测量构造的发射器在第一阶段发射，并且第二测量构造的发射器在第一阶段之后的第二阶段发射。以这种方式，每个测量构造可以被构造为一次并且以有序的方式发射。当所有阶段都已完成并且所有测量构造都照亮了它们的发射器时，程序可以从第一阶段再次开始。
图17的实施方式以直接的方式适用于本文所述的其他测量构造。
在图17的实施方式中，测量构造控制器106可以控制阶段的顺序和激活。换句话说，测量构造控制器106可以确定测量构造中的哪一个将在各时刻发射。例如，该确定可以基于正在进行的身体锻炼的阶段或测量的类型。可能存在需要来自皮肤的某一部分的测量的情况。测量构造控制器106可以存储与测量构造的位置相关联的信息，从而能够进行确定并进行测量的空间聚焦。
在图17的另一实施方式中，通过布置每个光学发射器一次发射，甚至可以获得更多数量的阶段。例如，在第一阶段中，第一测量构造的发射器中的一个发射；第一测量构造的另一发射器在第二阶段发射；第二测量构造的发射器中的一个在第三阶段发射；第二测量构造的另一个发射器在第四阶段发射。在该实施方式中，每个发射器一次发射，这实现更多数量的空间测量位置和测量阶段。
如本申请中所使用的，术语“电子线路”指的是以下所有内容：(a)仅硬件电路实现，诸如仅在模拟和/或数字电子线路中的实现，以及(b)电路和软件(和/或固件)的组合，诸如(如适用)：(i)处理器(一个或多个)的组合或(ii)软件/处理器(一个或多个)的部分，包括数字信号处理器(一个或多个)、软件和存储器，其一起工作以使设备执行各种功能，以及(c)电路，诸如微处理器(一个或多个)或微处理器(一个或多个)的一部分，其需要软件或固件来操作，即使软件或固件物理上不存在。“电子线路”的定义适用于本申请中该术语的所有使用。作为另外的示例，如在本申请中所使用的，术语“电子线路”还将覆盖仅处理器(或多个处理器)或处理器的一部分及它的(或它们的)随附软件和/或固件的实现。术语“电子线路”例如并且如果适用于特定元件，还将覆盖用于移动电话的基带集成电路或应用处理器集成电路，或服务器、蜂窝网络装置或其他网络装置中的类似集成电路。
在一种实施方式中，结合图12至16描述的过程中的至少一些可以由包括用于执行所述过程中的至少一些的对应装置(手段)的设备来执行。用于执行过程的一些示例手段可以包括以下中的至少一个：检测器、处理器(包括双核和多核处理器)、数字信号处理器、控制器、接收器、发送器、编码器、解码器、存储器、RAM、ROM、软件、固件、显示器、用户接口、显示电子线路、用户接口电子线路、用户接口软件、显示软件、电路和电子线路。在一种实施方式中，至少一个处理器100、存储器110和计算机程序代码形成处理手段或者包括一个或多个计算机程序代码部分，用于根据图12至16的实施方式中的任何一个或其操作来执行一个或多个操作。
本文描述的技术和方法可以通过各种手段来实现。例如，这些技术可以以硬件(一个或多个装置)、固件(一个或多个装置)、软件(一个或多个模块)或其组合来实现。对于硬件实现，实施方式的设备(一个或多个)可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理装置(DSPD)、可编程逻辑装置(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于执行本文所述功能的其他电子单元或其组合内实现。对于固件或软件，可以通过执行本文所述功能的至少一个芯片组(例如过程、功能等)的模块来进行实现。软件代码可以存储在存储器单元中并由处理器执行。存储器单元可以在处理器内或在处理器外部实现。在后一种情况下，它可以经由各种手段通信地耦接到处理器，如本领域中已知的。另外，本文描述的系统的部件可以由附加部件补充和/或重新布置，以便促进关于其描述的各个方面的成就等，并且它们不限于给定附图中所阐述的精确构造，如本领域技术人员所理解的。
如所描述的，实施方式还可以以由计算机程序或其部分限定的计算机过程的形式来进行。结合图12至16描述的方法的实施方式可以通过执行包括对应指令的计算机程序的至少一部分来进行。计算机程序可以是源代码形式、目标代码形式或某种中间形式，并且它可以存储在某种载体中，该载体可以是能够承载程序的任何实体或装置。例如，计算机程序可以存储在计算机或处理器可读的计算机程序分发介质上。例如，计算机程序介质可以是例如但不限于记录介质、计算机存储器、只读存储器、电载体信号、电信信号和软件分发包。计算机程序介质可以是非暂时性介质。用于执行如所示和所述的实施方式的软件的编码完全在本领域普通技术人员的范围内。
对于本领域技术人员而言显而易见的是，随着技术的进步，该发明构思可以通过各种方式实施。本发明及其实施方式不限于上述实例，而可以在权利要求的范围内变化。

Claims (22)

1.一种光电容积描记传感器设备，包括：
限定表面的壳体；
多个光学发射器，被构造为发射从所述表面延伸的辐射；
至少一个光电传感器，被构造为捕获由所述多个光学发射器的至少一个子组发射的辐射，
其中，至少第一测量构造和第二构造由所述多个光学发射器和所述至少一个光电传感器限定，使得所述第一测量构造和所述第二测量构造通过包括至少一个光电传感器和至少一个光学发射器的至少部分不同组来提供不同的测量通道，并且所述第一测量构造和第二测量构造限定不同的空间构造，所述不同的空间构造中的每个相对于沿所述表面的假想线是线对称的。
2.根据权利要求1所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述第一测量构造和所述第二测量构造相对于相同的假想线是线对称的。
3.根据权利要求1所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述第一测量构造和所述第二测量构造相对于不同的假想线是线对称的。
4.根据任一前述权利要求所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述第一测量构造和第二测量构造在空间上相隔开使得它们提供相互正交的测量通道。
5.根据任一前述权利要求所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述第一测量构造和第二测量构造被构造为执行相对于彼此复用的测量，其中所述复用提供于不同的测量通道。
6.根据权利要求5所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述第一测量构造的至少一个光学发射器被构造为发射具有与由所述第二测量构造的至少一个光学发射器发射的辐射的波长不同的波长的辐射。
7.根据权利要求5所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述第一测量构造的至少一个光学发射器的发射与所述第二测量构造的至少一个光学发射器的发射是时间复用的。
8.根据任一前述权利要求所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述第一测量构造由第一光电传感器和围绕所述第一光电传感器对称设置的多个光学发射器组成，并且其中所述第二测量构造由与所述第一光电传感器不同的第二光电传感器和围绕所述第二光电传感器对称设置的多个光学发射器组成。
9.根据前述权利要求1-7中任一项所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述第一测量构造由第一光电传感器和围绕所述第一光电传感器对称设置的第一组光学发射器组成，并且其中所述第二测量构造由所述第一光电传感器和围绕所述第二光电传感器对称设置的第二组光学发射器组成，其中所述第一组光学发射器和所述第二组光学发射器限定不同组的光学发射器。
10.根据任一前述权利要求所述的光电容积描记传感器设备，包括多个光电传感器，其中所述多个光电传感器沿所述表面上的假想环形物以与所述多个光学发射器交替的方式布置。
11.根据权利要求10所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述第一测量构造由第一光学发射器和沿所述环形物相对于所述第一光学发射器相邻的光电传感器组成，并且其中所述第二测量构造由不同于所述第一光学发射器的第二光学发射器和沿所述环形物相对于所述第二光学发射器相邻的光电传感器组成。
12.根据权利要求11所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述第一测量构造的光电传感器与所述第二测量构造的光电传感器相同。
13.根据权利要求11或12所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述第一测量构造提供多个不同的测量通道，一个测量通道从所述第一光学发射器到所述第一测量构造的所述光电传感器中的每个，并且其中所述第二测量构造提供多个不同的测量通道，一个测量通道从所述第二光学发射器到所述第二测量构造的所述光电传感器中的每个。
14.根据任一前述权利要求所述的光电容积描记传感器设备，还包括：控制器，被构造为从所述第一测量构造的至少一个光电传感器获取第一组测量数据，并且从所述第二测量构造的至少一个光电传感器获取第二组测量数据，并组合所述第一组测量数据和所述第二组测量数据。
15.根据任一前述权利要求所述的光电容积描记传感器设备，还包括：控制器，被构造为接收指示运动简档的输入，并且基于指示所述运动简档的所述输入而选择性地激活所述第一测量构造和所述第二测量构造中的至少一个。
16.根据权利要求15所述的光电容积描记传感器设备，还包括：存储器，所述存储器存储包括多个体育简档的多个运动简档；以及与每个体育简档相关联的测量模式，所述测量模式指示当选择所述体育简档时是否应使用至少所述第一测量构造和所述第二测量构造；以及
其中所述控制器被构造为接收指示体育简档的输入，以确定与所述体育简档相关联的测量模式，并且基于所接收的体育简档的指示并且还基于所述存储器中的与所述体育简档相关联的所述测量模式而选择性地激活所述第一测量构造和所述第二测量构造中的至少一个。
17.根据权利要求15或16所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述存储器还存储：与睡眠相关联的睡眠运动简档；以及与所述睡眠运动简档相关联的指示当选择所述睡眠运动简档时是否应使用至少所述第一测量构造和所述第二测量构造的测量模式，并且其中所述控制器被构造为接收指示所述睡眠运动简档的激活的输入，以确定与所述睡眠运动简档相关联的测量模式，并且基于所接收的睡眠运动简档的指示并且还基于所述存储器中的与所述睡眠运动简档相关联的所述测量模式而选择性地激活所述第一测量构造和所述第二测量构造中的至少一个。
18.根据任一前述权利要求所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述第一测量构造被布置为测量用户的第一生理状况，并且所述第二测量构造被布置为测量所述用户的第二生理状况，并且其中所述第一测量构造和所述第二测量构造被布置为并存使用。
19.根据权利要求17所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述第一测量构造被布置为至少总是在所述光电容积描记传感器设备附接到所述用户时进行测量，并且其中当所述光电容积描记传感器设备附接到所述用户时选择性地接通和断开所述第二测量构造。
20.根据任一前述权利要求所述的光电容积描记传感器设备，还包括：处理器，被构造为处理从至少所述第一测量构造和第二测量构造中的至少一个获取的测量信号，以检测表示所述测量信号中的运动干扰的信号模式，并且输出关于所述检测的通知。
21.根据权利要求20所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述通知被输出到用户接口，并告知用户检查所述光电容积描记传感器设备与所述用户之间的接触。
22.根据权利要求20或21所述的光电容积描记传感器设备，其中，所述处理器被构造为基于所述测量信号的变异性来检测所述信号模式。
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