CN110300545B - 腕部传感器式脉搏血氧测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种脉搏血氧测量装置，其通常围绕用户的腕部固定。该装置可以包括将该装置固定在例如佩戴者的尺骨的远端处的一个或多个机械特征。该装置可以包括由合适材料（例如，诸如硅的弹性体）形成的一个或多个突出部，所述合适材料使该装置紧密地贴合抵靠佩戴者的腕部并且甚至在佩戴者正在移动时也保持在适当位置，从而减少由该装置检测的信号中的运动伪信号。该装置可以包括一个或多个机械特征或翅片，其减少测量区域中的环境光或杂散光。该装置可以包括一个或多个检测器，以及一个或多个光源，其各自具有由于检测器和光源朝向佩戴者的尺骨的远端的虚拟中心点形成角度的方式而产生的不同的轴线。

Description

腕部传感器式脉搏血氧测量装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年12月23日提交的美国临时专利申请号62/438,501的优先权，在此其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明的实施例涉及可以佩戴在腕部上的装置（例如，脉搏血氧测量装置）及相关方法。

背景技术

该部分旨在介绍可能与下文描述的和/或要求保护的本发明的实施例相关的各个方面。相信该讨论将有助于提供背景信息以促进更好地理解本发明的实施例的各个方面。因此，应当理解，这些陈述要以这个角度来理解，并且不是作为对现有技术的承认。

在医学领域，医生通常期望监测其患者的某些生理特征。因此，已经开发了用于监测患者的生理特征的各种各样的装置。这种装置为患者、医生和其他健康护理人员提供他们所需的信息，以确保为他们的患者提供最佳可能的健康护理。因此，这种监测装置已成为现代医学不可或缺的一部分。

用于监测患者的某些生理特征的一种技术通常被称为脉搏血氧测量法，并且基于脉搏血氧测量技术建立的装置通常被称为脉搏血氧计。脉搏血氧测量法可以用于测量各种血液特征，诸如血红蛋白的动脉血氧饱和度（SPO2）以及对应于患者的每次心跳的血液脉动率。实际上，脉搏血氧测量法中的“脉搏”指的是在每个心动周期期间在测量部位处的随时间变化的动脉血量。本领域技术人员将了解，用于获得上述生理参数的脉搏血氧测量技术也可以被称为光电容积脉搏波描记法，或简称PPG。

脉搏血氧计通常利用非侵入性光学传感器，其检测来自患者组织内的光响应，所述光响应指示在照射部位处的组织内所吸收的光量。然后可以基于所吸收的光量计算一个或多个上述生理特征。更具体地，穿过组织的光通常被选择为具有可以被血液吸收的一个或多个光波长，被吸收的量与血液中存在的血红蛋白成分的量相关。然后可以使用在不同光波长处吸收的光量来使用各种算法估计动脉血液血红蛋白相关的参数。在血液压力波传播期间在照射部位处的动脉血的体积的脉动变化改变由传感器的光电检测器检测到的光响应的强度。

脉搏血氧测量的质量部分地取决于由光照射的组织的血液灌注特征，并且部分地取决于被照射的组织内的血液体积中的脉动变化的大小。脉搏血氧测量技术通常利用很好地灌注有血液的组织部位，诸如要在其上放置传感器的患者的手指、脚趾或耳垂。

例如，图1示出了根据现有技术的适于放置在用户（诸如患者）的手指12上的传感器10。传感器10包括由两个部分14和16形成的夹子，夹子适于在进行脉搏血氧测量时将传感器10夹持和约束到手指12。类似于传感器10的类型的传感器通常联接到电缆18，电缆18将传感器10联接到适于接收和处理来自传感器10的信号的监测系统。因此，在连续监测模式下使用的这种传感器通常需要患者（或用户）被限制在紧密靠近监测系统的某个区域，从而限制了患者的移动性。另外，由夹子部分14和16施加在患者的手指12上的夹紧压力可能随时间推移对于患者来说感觉不舒服或变得难以忍受，以至于达到患者可能想要移除传感器10并中止原本需要的监测的程度。因此，这种传感器不适合用于持续长时间的和连续的脉搏血氧测量。

此外，如任何生理信号测量装置可能发生的那样，测量数据中的伪信号和其他异常的出现会改变和/或降低所收集的数据的质量，以至于达到数据可能无法用于对发生的生理过程提供可靠指示的程度。在这方面，脉搏血氧测量装置也不例外，因为这种装置通常可能易于产生伪信号，例如由可能是随机的、自愿的或非自愿的患者运动引起的伪信号。因此，由这种情况产生的伪信号会使所获得的数据扭曲和歪斜失真，最终不利地影响脉搏血氧测量的质量。尽管生理信号测量的准确度和可靠性在很大程度上受到血液灌注量的影响以及受到组织部位内的非脉动血液的分布的影响，但增加或过量的运动量伪信号可能成为整个脉搏血氧测量的重要贡献因素。由于上述事实，脉搏血氧测量的反射几何结构可能不适用于用户身体的各个部分，诸如表征为具有弱血液灌注以及易于产生强烈运动伪信号的那些部分。另外，这种身体部分可能不适合于容纳采用向前透射几何结构的脉搏血氧测量装置，其中光发射器和检测器设置在相对侧处。在这种构造中，期望进行脉搏血氧测量的身体部分可能具有对于光穿透而言太厚的组织层，从而阻碍脉搏血氧测量。

申请人的以下专利公开的全部内容在此通过引用并入本文：名为“可佩戴的脉搏血氧测量装置”（Wearable pulse oximetry device）的美国专利号9,314,197以及美国专利号8,868,149和9,149,216，其各自名为“光电容积脉搏波描记装置和方法”（Photoplethysmography device and method）。

发明内容

在本发明的一些实施例中，提供了一种装置（例如，脉搏血氧测量装置）以及对应的使用方法。

例如，在一些实施例中，提供了一种脉搏血氧测量装置，其包括具有不同波长的至少两个光源、响应于所述不同波长的至少一个检测器、腕带以及壳体，所述壳体联接到腕带以用于容纳所述至少两个光源和所述至少一个检测器。腕带可以包括突出部（例如，大致凹形的突出部），其适于紧密地贴合抵靠佩戴者的腕部并且甚至在佩戴者正在移动时也保持在适当位置。在一些实施例中，大致凹形的突出部还包括一个或多个脊部。在一些实施例中，大致凹形的突出部包括弹性体材料（例如，硅），其具有在30至75肖氏A之间（例如，近似50肖氏A）的柔软度（硬度）。在一些实施例中，大致凹形的突出部可以包括用于接收药物的中空内部部分。

在一些实施例中，脉搏血氧测量装置的腕带可以包括第一部分和第二部分，第二部分适于附接到第一部分（例如，经由扣钩）以将腕带围绕用户的腕部固定。腕带的第一部分可以包括大致凹形的突出部。腕带的第二部分可以包括第二突出部，第二突出部有助于将装置固定在对应于佩戴者的尺骨的远端的固定区域处。在一些实施例中，第二突出部是弯曲突出部，其大致遵循佩戴者的尺骨的轮廓。在一些实施例中，第二突出部大致形成为圆顶或球体的一部分的形状。

在一些实施例中，所述至少两个光源和所述至少一个检测器中的每一者都定位在壳体内，使得当腕带围绕佩戴者的腕部固定时，所述至少两个光源和所述至少一个检测器定位成邻近于尺骨的远端并且比半径更靠近尺骨，并且所述至少一个检测器定位成检测从所述至少两个光源发射的光。

在本发明的一些实施例中，提供了一种脉搏血氧测量装置，其包括具有不同波长的至少两个光源、响应于所述不同波长的至少一个检测器、腕带以及壳体，所述壳体联接到腕带以用于容纳所述至少两个光源和所述至少一个检测器，其中所述至少两个光源和所述至少一个检测器中的每一者大致朝向佩戴者的尺骨的远端的虚拟中心点形成角度并且所述至少两个光源和所述至少一个检测器中的每一者具有不同的轴线。

在一些实施例中，所述至少两个光源和所述至少一个检测器中的每一者都定位在壳体内，使得当腕带围绕佩戴者的腕部固定时，所述至少两个光源和所述至少一个检测器定位成邻近于尺骨的远端并且比半径更靠近尺骨，并且所述至少一个检测器定位成检测从所述至少两个光源发射的光。

在一些实施例中，脉搏血氧测量装置的所述至少两个光源和所述至少一个检测器中的至少一者包括大致圆顶形或圆锥形结构，其有助于将脉搏血氧测量装置及其对应的至少两个光源和至少一个检测器固定在固定区域处，所述固定区域在佩戴者的尺骨的远端处、邻近于佩戴者的尺骨的远端或在其外围处。

在本发明的一些实施例中，提供了一种脉搏血氧测量装置，其包括具有不同波长的至少两个光源、响应于所述不同波长的至少一个检测器、腕带以及壳体，所述壳体联接到腕带以用于容纳所述至少两个光源和所述至少一个检测器，其中所述壳体包括第一部分和第二部分，第一部分和第二部分相对于彼此以一定角度延伸。在一些实施例中，显示器可以固定到壳体的第一部分，并且所述至少两个光源和所述至少一个检测器可以固定到壳体的第二部分。在一些实施例中，壳体的第一部分以及壳体的第二部分一起大致类似于字母“L”的形状。在一些实施例中，壳体足够坚固以在佩戴者佩戴该装置时保持所述至少两个光源和所述至少一个检测器的定位，而同时具有轻微的柔韧性或弹性，以用作运动阻尼缓冲件，其减少由佩戴者的运动而引起的脉搏血氧测量装置的测量伪信号。

在一些实施例中，壳体包括接合壳体的第一部分和第二部分的第三部分，其中第三部分允许：响应于用户佩戴脉搏血氧测量装置时的法向力而在壳体的第一部分和第二部分之间进行轻微角度运动。

在一些实施例中，脉搏血氧测量装置的壳体包括铝或热塑性聚氨酯（TPU）。在一些实施例中，壳体具有在25肖氏A和35肖氏A之间的硬度。

在一些实施例中，所述至少两个光源和所述至少一个检测器中的每一者都定位在壳体内，使得当腕带围绕佩戴者的腕部固定时，所述至少两个光源和所述至少一个检测器定位成邻近于尺骨的远端并且比半径更靠近尺骨，并且所述至少一个检测器定位成检测从所述至少两个光源发射的光。

在本发明的一些实施例中，脉搏血氧测量装置可以包括垫，该垫通常安装到或以其他方式固定到壳体的内侧，其中垫包括一个或多个阻挡件，其用于紧密地贴合抵靠佩戴者的腕部，并在佩戴者佩戴脉搏血氧测量装置时防止杂散光进入所述至少两个光源和所述至少一个检测器的测量区域。

在本发明的各种实施例中，脉搏血氧测量装置的所述至少两个光源和所述至少一个光检测器可以相对于彼此设置，使得所发射的光适于在到达所述至少一个光检测器之前经由佩戴者的尺骨透照。在根据本发明的其他实施例中，所述至少两个光源和所述至少一个光检测器可以相对于彼此设置，使得所发射的光适于以反射模式到达所述至少一个光检测器。

在本发明的各种实施例中，脉搏血氧测量装置的所述至少两个光源可以选自包括以下部件的组：具有不同波长范围的LED、具有不同波长的激光二极管、以及LED和具有在所述LED范围之外的波长的激光二极管的组合。

在本发明的各种实施例中，该装置可以包括处理器，该处理器被构造成至少部分地基于由至少一个检测器检测到的光来计算血氧测量数据和/或其他数据。

下文结合附图来描述本发明的另外的实施例。

附图说明

为了更好地理解本发明的一些实施例并示出可以如何实现本发明的这些实施例，现在将通过示例参考所附附图，在附图中相同的数字至始至终表示对应的元件或部分。在所附附图中：

图1是现有技术的脉搏血氧计的图示；

图2是根据本发明的实施例的装置（例如，腕式脉搏血氧计）的透视图；

图3是图2的腕式脉搏血氧计的透视图，其示出了例如用于阻尼用户的运动对传感器测量的影响以及用于将该装置固定到用户的腕部的机械特征，并且示出了根据本发明的一些实施例的光源和检测器的构造；

图4A和图4B分别是根据本发明一些实施例的图2的脉搏血氧计的侧视图和透视图；

图5是根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的另一侧视图；

图6A、图6B和图6C分别是根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的侧视图和两个透视图；

图7和图8是根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的另外的透视图；

图9是根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的仰视图；

图10是根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的俯视图；

图11是根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的另一侧视图；

图12和图13是根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的另外的透视图；

图14是示出根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的各种部件的分解视图。

图15是示出根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的硬件功能的方框电路图；

图16是表明由根据本发明的一些实施例的根据图2的脉搏血氧计产生的脉搏血氧测量数据的准确度的曲线图。

图17是表明由根据本发明的一些实施例的由根据图2的脉搏血氧计产生的脉搏率数据的准确度的曲线图；

图18是根据本发明的一些实施例的根据图2的脉搏血氧计的PPG信号质量的曲线图；

图19A、图19B、图20A、图20B、图21A和图21B示出了用于根据本发明的一些实施例的腕戴式脉搏血氧计的光源构造的实施例；

图22和图23示出了用于根据本发明的一些实施例的光源和检测器的外壳；以及

图24至图29示出了根据本发明的另一实施例的装置（例如，腕式脉搏血氧计）的多个视图。

具体实施方式

现在详细地参考具体附图，要理解，所示出的细节仅仅是示例性的，并且仅仅是出于本发明的优选实施例的说明性讨论的目的。结合附图进行的描述将使本领域普通技术人员明白在实践中可以如何实施本发明的若干形式和实施例。

还要理解，本发明的实施例不将其应用限于以下描述中所阐述的或附图中所示出的结构的细节以及部件的布置结构。可以以各种其他方式实践或实施本发明的实施例。另外，要理解，本文所采用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应视为限制性的。

现在转到附图，图2是根据本发明的示例性实施例的装置200的透视图。装置200可以是适于佩戴在用户的腕部上的腕式血氧计装置，如在图2中进一步示出的。在一些实施例中，装置200适于在用户在腕部上佩戴装置200时从用户获得包括例如脉搏数据、氧饱和度（SPO2）数据和/或其他数据的数据。因此，用户可以以类似于佩戴手表、手环或适于佩戴在用户的腕部上的衣服、装饰品或服装的任何物品的方式佩戴装置200。以这种方式，用户可以在执行用户原本将在日常生活中执行的任何例行和普通操作（诸如步行、跑步、骑自行车等）时佩戴装置200。根据本技术的实施例，装置200可以被需要或希望获得例如脉搏血氧测量和脉搏率数据的那些用户在任何时间或地点方便地佩戴而不需要被附接到复杂的监测装置或被限制在某些监测区域。因此，装置200是独立的自供能装置，其适于获得、分析和处理例如各种光电磁信号，从所述各种光电磁信号最终获得脉搏血氧测量数据。装置200还可以包括有线或无线接口，由此装置200可以将数据信号通信和/或传送到外部和/或远程装置。因此，在一些实施例中，装置200可以收集血氧测量数据并将其提供给任何远程用户、诸如医院或诊所的机构、或者需要用户的这种脉搏血氧测量数据或者对用户的这种脉搏血氧测量数据感兴趣的任何人。

如图2中所示出的，装置200可以包括显示器202，显示器202显示例如由装置200测量的数据。这种数据可以包括脉搏率数据（例如，“PULSE 76”）、以及关于佩戴者的血红蛋白的血氧饱和度（例如，“SPO² 97%”）的数据。在一些实施例中，显示器202可以是LED显示器，诸如例如有机发光二极管（“OLED”）显示器、液晶显示器（“LCD”）或任何其他合适的显示器。在一些实施例中，装置200可以包括一个或多个物理按钮或用户输入界面（例如，字母数字按钮或用户界面，其中用户可以在装置处于使用中时根据期望或需要输入数字和/或字母的任何组合）。替代性地或另外地，在一些实施例中，一个或多个按钮或用户界面输入可以放置在装置200的任意侧或多侧处或装置200的用户可接近的任何其他区域。在一些实施例中，装置200可以替代性地或另外地测量和/或显示其他数据，包括例如关于一个或多个生命体征的数据、关于一种或多种血液分析物的数据、血压数据（例如，“BP 117/76”），和/或关于每搏输出量的数据（例如，“SV 73”）。

如由图2和图3进一步示出的，装置200包括腕带或手环（204a、204b），其适于围绕佩戴者的腕部延伸。在一些实施例中，手环可以由任何柔性和/或可拉伸的材料制成，诸如橡胶、硅、软塑料或布或其任何组合，以用于在用户佩戴装置200时为其提供舒适的贴合性和感觉。手环可以包括第一侧204a，其适于经由扣钩206与第二侧204b接合，扣钩206可以包括：例如凸形附接构件，其用于基于佩戴者的腕部尺寸而与形成在手环204a中的一个或多个合适的调节孔配对（如所示出的）；摩擦配合扣钩或任何其他合适的附接机构（例如，钩和毛圈搭扣或者说尼龙搭扣）。

在一些实施例中，手环204a可以包括突出部208。突出部208可以适于阻尼佩戴者的运动对装置200的传感器测量的影响，并且适于在手环的两侧204a和204b接合时将装置固定到佩戴者的腕部。在一些实施例中，突出部208可以具有大致凹形的外表面（也参见例如图4A、图12和图14）。这种轮廓可以使突出部208以及因此装置200能够紧密地贴合抵靠佩戴者的腕部并且甚至在佩戴者正在移动时也将其保持在适当位置。在一些实施例中，突出部208可以包括例如一个或多个脊部224，以进一步使装置200能够紧密地贴合抵靠佩戴者的腕部并且不论佩戴者是否正在移动都使其保持在适当位置（也参见例如图4A、图12和图14）。突出部208可以由任何柔性和/或可拉伸的材料制成，诸如橡胶、硅、软塑料或布或其任何组合，以用于在用户佩戴装置200时为其提供舒适的贴合性和感觉。例如，在一些实施例中，突出部208可以由具有在30至75肖氏A之间（例如，近似50肖氏A）的柔软度（硬度）的弹性体材料（例如，硅）完全地形成或否则至少部分地包括该弹性体材料（例如，涂层）。在一些实施例中，突出部208可以是至少部分中空的并且可以包含例如用于存储诸如用于急诊介入的一个或多个药丸的急诊药物的空间。在一些实施例中，突出部208可以与腕带204a一体形成或以其他方式附接到腕带204a。在一些实施例中，腕带204a可以包含开口或密封件226，急诊药物通过该开口或密封件226可以被插入和接近（也参见例如图5）。开口或密封件226可以经由任何合适的机构打开和关闭，所述机构包括例如摩擦配合件、卡合配合件、可重新密封的膜或尼龙搭扣。

在一些实施例中，腕带204a和204b可以联接到壳体（210a、210b），所述壳体可以容纳包括以下的部件：例如各种电气装置、机械装置、光学装置和其他装置，诸如电池、处理器、集成电路板、一个或多个传感器、一个或多个诸如发光二极管的光源、分流器和/或有助于装置200的功能和完整性的其他装置。在一些实施例中，显示器202（图2）可以安装到或以其他方式固定到壳体的第一顶部部分210a。在一些实施例中，壳体的顶部部分210a可以容纳或以其他方式包括图15的方框电路图（在下文描述）中的一个或多个（例如，所有）部件。在一些实施例中，一个或多个诸如发光二极管（LED）的光源（例如，212），和/或一个或多个诸如光电二极管的传感器（例如，214和/或216）可以安装到、固定到壳体的第二部分210b或以其他方式被第二部分210b容纳。在一些实施例中，当从侧面观察时，壳体（例如，刚性壳体）可以是大致L形的，因为第二部分210b可以大致围绕佩戴者的腕部或在佩戴者的腕部的侧部处（也参见例如图4a和图14）相对于壳体的第一部分210a以一定角度延伸。在一些实施例中，壳体（210a、210b）可以由适于容纳和保护装置200的部件免受外部元件和力的影响的任何适当坚固且耐用的材料制成，例如金属或硬塑料。壳体（210a、210b）可以是适当坚固的以保持装置200的光源212和/或传感器214和216的定位。在一些实施例中，壳体（210a、210b）可以同时具有轻微的柔韧性或弹性，以用作运动阻尼缓冲件，其减少由佩戴者的运动引起的装置200的测量伪信号。例如，壳体的第一部分210a和第二部分210b之间的接合界面（例如，弯头）210c可以允许响应于在装置200被用户佩戴时的法向力而在第一部分210a和第二部分210b之间进行轻微角度运动。例如，在一些实施例中，壳体（210a、210b、210c）可以完全由铝和/或热塑性聚氨酯（TPU）形成或另外包括铝和/或热塑性聚氨酯（TPU），铝和/或热塑性聚氨酯（TPU）具有例如在25肖氏A和35肖氏A之间（例如，近似30肖氏A）的硬度。在一些实施例中，所有部分210a、210b和210c可以一体地形成在一起，例如，如下文结合图14所示出和进一步描述的。

在一些实施例中，装置200可以包括结构218，结构218有助于将装置200固定在对应于佩戴者的尺骨的远端的固定区域处，其中固定区域被用作测量区域。结构218可以是大致形成为圆顶或球体的一部分的形状的弯曲突出部。在一些实施例中，由一个或多个传感器或检测器214和/或216来实施测量，所述一个或多个传感器或检测器定位成在所述固定区域上方或邻近于所述固定区域，以检测由一个或多个光源212发射的光。例如，光源212可以是具有不同波长的两个光源，所述光源位于固定区域处、固定区域上方或邻近于固定区域（例如，在其外围处）。例如，光源212可以包括用于发射波长为660 nm的光的红色发光二极管（LED）以及用于发射波长为940 nm的光的红外LED。在一些实施例中，光源212、检测器214和检测器216中的一者或多者可以包括大致圆顶形或圆锥形结构，其有助于将固定装置200及其对应的光源和传感器固定在对应于佩戴者的尺骨的远端的固定区域处（也参见例如图4B和图20A、图20B、图21A和图21B）。在一些实施例中，装置200可以包括仅一个传感器（例如，214或216）。

在一些实施例中，结构218可以是垫的一部分或者与垫成一体，所述垫通常安装到或以其他方式固定到壳体部分210b的内侧。在一些实施例中，垫（例如，包括结构218）的一些或全部可以完全由柔性和/或可拉伸材料形成或另外包括柔性和/或可拉伸材料，诸如橡胶、硅、软塑料或布或其任何组合，以为在用户佩戴装置200时为其提供舒适的贴合性和感觉。例如，在一些实施例中，垫（例如，包括结构218）可以完全由具有在30至75肖氏A之间（例如，近似50肖氏A）的柔软度(硬度)的弹性体材料（例如，硅）形成或另外包括该弹性体材料，其可以是与用于突出部208的材料相同的材料。在一些实施例中，垫可以包括一个或多个阻挡件（例如，翅片）220，所述阻挡件用于在用户佩戴装置200时例如紧密地贴合抵靠佩戴者的腕部和/或用于防止环境光或杂散光进入测量区域。垫可以包括例如在垫的一侧上的第一阻挡件220以及在垫的第二侧（通常为相对侧）上的第二阻挡件。例如，在一些实施例中，每个阻挡件220可以是近似1到5毫米宽并且从垫的面向用户的表面向外延伸近似1到5毫米。在一些实施例中，阻挡件220可以沿垫的侧部的整个部分或任何部分延伸。

在一些实施例中，当用户佩戴该装置时，光源212和传感器214和/或216中的每一者通常可以大致朝向佩戴者尺骨的远端面向。在一些实施例中，尽管存在这种大致定位，但是光源212和传感器214和/或216中的每一者可以具有其自己的不同且独立的轴线，例如，如由唯一的x坐标、唯一的y坐标和唯一的z坐标以及相对于佩戴者的尺骨的远端的虚拟中心点222的角度取向所反映的那样（也参见例如图4A和4B）。换句话说，在一些实施例中，光源212和传感器214和/或216中的每一者相对于佩戴者的尺骨的远端的虚拟中心点222的视线或轴线是不对称的。例如，在这种实施例中，即使光源212和传感器214通常彼此邻近，但是其各自具有不同的轴线，所述不同的轴线由212和214中的每一者大致朝向佩戴者尺骨的远端的虚拟中心点222形成角度的方式而产生。作为另一示例，即使光源212和传感器216通常彼此邻近，但是其各自具有不同的轴线，所述不同的轴线由212和214中的每一者大致朝向佩戴者的尺骨的远端的虚拟中心点222形成角度的方式而产生。

在一些实施例中，由传感器214和/或216测量来自光源212的光的反射，所述光的反射既不处于反射模式也不处于透射模式，而是与发射光成例如20°和160°之间的角度。被称为透照的这种模式允许实现出色的信噪比，其第一次实现在腕部上连续且可靠地测量血氧数据。如本文所使用的术语“透照”是光学测量模式，其中所测量的光以大于0°（其对应于简单反射）且小于180°（其对应于简单透射）的角度反射离开表面。通常但非排他地，透照模式下的反射角在近似20°和近似160°之间。在透照模式下，所测量的光由光源发射，以一定角度撞击可以是弯曲的反射表面，并且以一定角度反射到检测器。在实践中，透照包括穿越各种光路的光，所述光路具有在光源中的共同起点以及在检测器中的测量点。在其他实施例中，来自光源212的光的反射在反射模式下由传感器214和/或216测量。在一些实施例中，来自光源212的光的反射在透照模式下由传感器214和/或216中的一者测量并且在反射模式下由传感器214和/或216中的另一者测量。

图4A和图4B分别是根据本发明的一些实施例的图2的装置的侧视图和透视图。在图4A中，从侧面示出了装置200的壳体的部分210a、210b和210c。另外，佩戴者的尺骨的远端的虚拟中心点示意性地示出为点222。沿由图4A中的截面A-A指示的方向观察装置200产生图4B中所示出的视图。在图4B中，大致从佩戴者的腕部的角度示出光源212和传感器214和/或216。如可以看到的，212、214和216中的每一者具有不同的轴线，所述不同的轴线由212、214和216中的每一者大致朝向佩戴者的尺骨的远端的虚拟中心点222形成角度的方式而产生。

图5是根据本发明的一些实施例的图2的装置的另一侧视图。图5示出了例如装置200的腕带204a以及开口226，急诊药物（例如，一个或多个药丸）可以通过开口226被插入到突出部208的至少部分中空的部分并且从该中空部分被接近。沿由图5中的截面B-B指示的方向观察装置200产生图4A中所示出的视图。

图6A、6B和6C分别是根据本发明的一些实施例的图2的装置的另外的侧视图和两个透视图。沿由图6A中的截面C-C指示的方向观察装置200产生图6B中所示出的视图。在一些实施例中，装置200可以包括一个或多个突出部602（例如，圆形突出部），其用于例如增加佩戴者的舒适感以及装置与佩戴者的腕部的贴合性。突出部602可以完全由柔性和/或可拉伸材料形成或另外包括柔性和/或可拉伸材料，诸如橡胶、硅、软塑料或布或其任何组合，以用于在用户佩戴装置200时为其提供舒适的贴合性和感觉。例如，在一些实施例中，突出部602可以完全由弹性体材料（例如，硅）形成或另外包括弹性体材料（例如，硅），所述弹性体材料具有30至75肖氏A之间（例如，近似50肖氏A）的柔软度（硬度），所述弹性体材料可以是用于突出部208和/或垫220的相同材料。在其他实施例中，突出部602可以完全由铝和/或热塑性聚氨酯（TPU）形成或另外包括铝和/或热塑性聚氨酯（TPU），其具有例如在25肖氏A和35肖氏A之间（例如，近似30肖氏A）的硬度，所述铝和/或热塑性聚氨酯（TPU）可以是与壳体（210a、210b、210c）相同的材料。在一些实施例中，突出部602可以与壳体（210a、210b、210c）一体地形成。

图6C示出了根据本发明的一些实施例的关于光源212和传感器214和/或216的另外的细节。沿由图6A中的截面D-D指示的方向观察装置200产生图6C中所示出的视图。在一些实施例中，光源212和检测器216之间的中心点可以相隔近似11.3毫米（mm）。在其他实施例中，它们可以相隔在约7 mm至15 mm之间，或相隔在约8 mm至13 mm之间。光源212的中心点与光源212的外环之间的距离可以在1 mm和8 mm之间，或者在1 mm和4 mm之间（例如，相隔近似3.1 mm）。在一些实施例中，光源212和检测器214之间的中心点可以相隔近似13.6毫米（mm）。在其他实施例中，它们可以相隔在约9 mm至17 mm之间，或相隔在约10 mm至14 mm之间。在一些实施例中，突出部218可以具有等于约19 mm的虚拟周长，其通常可以足以包围光源12和/或检测器214的至少一些部分。在其他实施例中，突出部218的虚拟周长可以是约15 mm至24 mm并且可以取决于例如佩戴者的尺骨的远端的尺寸（例如，基于佩戴者的尺骨的远端的尺寸被选择）。

图7和8是根据本发明的一些实施例的图2的装置的另外的透视图。

图9是根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的仰视图。

图10是根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的俯视图。

图11是根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的另一侧视图。在图11中，装置壳体的最外面的部分呈部分剖视图，以进一步示出光源212、检测器214和检测器216的定位。

图12和图13是根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的另外的透视图。在这些图中，装置壳体的最外面的部分和显示器202呈部分剖视图，以进一步示出光源212、检测器214和检测器216的定位。

图14是示出根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的各种部件的分解视图。如所示出的，在一些实施例中，壳体（上文称为210a、210b和210c）可以包括第一部件1402、第二部件1404和第三部件1406。第一部件1402可以通过使用一个或多个螺钉1408或其他固定装置固定到第二部件1404。在一些实施例中，第三部件1406（例如，由例如与突出部208为相同材料的弹性体形成）可以胶合或以其他方式固定到第二部件1406。部件1410（例如，由例如与突出部208为相同材料的弹性体形成）可以包括用于容纳光源212、检测器214和检测器216的各种元件，其中部件1410的这些元件通过至少部件1404和1406中的对应开口配合。部件1410可以在其另一侧上被部件1402包入。

图15是示出根据本发明的一些实施例的图2的脉搏血氧计的硬件功能的方框电路图。通常，在一些实施例中，装置200操作以产生红色和红外光学信号，其用于心率和SPO2测量。为了实现装置200的这些和其他特征，在一些实施例中，装置200能够实现进入的光学信号的检测和测量、运动检测、温度感测、信号处理、无线传输和数据接收、至少心率、SPO2和电池充电状态的视觉显示、触觉警报、电池供电以及电源和电池管理。图15包括以下九个构建块：模拟前端（AFE）1502、微控制器单元（MCU）1504、警报换能器（触觉）1506、传感器（例如，加速度计、皮肤温度和触觉传感器）1508、PPG传感器（例如，LED和光电二极管）1510、显示面板1512和无线电台1514（例如，蓝牙）、以及电源管理电路1516。该装置还可以包括用户按钮或用户界面控制，其用于例如打开/关闭装置、在屏幕之间进行导航和/或对应用程序请求作出反应。下文提供了根据本发明的各种实施例的另外的细节。

在一些实施例中，AFE块1502可以是适合于脉搏血氧计应用的完全集成的模拟前端（AFE）。它可以包括带有集成模数转换器（ADC）的低噪声接收器通道、LED传输部分以及用于传感器和LED故障检测的诊断。AFE块1502可以是可构造的定时控制器。这种灵活性可以使用户能够控制装置定时特征。为了降低时钟要求并提供低抖动时钟，还可以集成通过外部晶振起作用的振荡器。AFE块1502可以通过使用合适的接口（诸如，例如SPI^TM接口）与外部微控制器或主处理器通信。

根据本发明的一些实施例的MCU块1504及其附接的存储器可以负责装置200的所有控制和内务处理任务以及SPO2和心率信号处理和计算。MCU块1504可以存储并被构造成运行一个或多个计算机程序和/或应用程序。用于这种程序和/或应用程序的计算机指令可以存储在MCU块1504的一个或多个非瞬态计算机可读介质中。

根据本发明的一些实施例的警报换能器1506可以包含一个或多个触觉换能器，其在每当遇到故障或佩戴者的SPO2水平低于某个水平时就提供触觉警报。

根据本发明的一些实施例的传感器1508可以包括以下传感器中的一些或全部：（i）加速度计和陀螺仪，其用于提供运动和位置数据；（ii）皮肤温度传感器，其用于提供皮肤温度数据；以及（iii）触摸传感器，其用于检测该装置是否附接到佩戴者的腕部。

根据本发明的一些实施例的显示器1512可以是OLED显示器（例如，96×96像素），并且可以显示所计算的SPO2和心率以及一个或多个状态符号和错误消息。

根据本发明的一些实施例的无线电台1514可以实施一个或多个合适的无线通信功能（例如，蓝牙4（BLE）标准），并且可以用于在装置200与例如专用控制和监测应用（例如，在佩戴者的诸如移动电话的移动装置上运行）和/或经由因特网或蜂窝通信网络访问的远程监测设施之间建立一个或多个通信信道。

根据本发明的一些实施例的电源和电池管理块1516可以接受合适的电池（例如，锂离子聚合物电池）、产生所有必需的电压、对电池进行充电、以及监测电池状况。

图16是表明由根据本发明一些实施例的根据图2的脉搏血氧计产生的脉搏血氧测量数据的准确度的曲线图。如在图16中示出的，在本发明的一些实施例中的从通常根据图2的装置得到的脉搏血氧测量数据（SPO2）与由4次独立的CO-血氧计测量结果的平均值确定的参考功能性动脉血氧饱和度（SaO2）之间存在紧密相关性（相关性=0.98；p值<0.0001）。

图17是表明由根据本发明的一些实施例的根据图2的脉搏血氧计产生的脉搏率数据的准确度的曲线图。如在图17中示出的，从在本发明的一些实施例中的通常根据图2的装置得到的脉搏率（PR）与由标准心电图（ECG）装置确定的参考心率（HR）之间存在紧密相关性（相关性=0.98；p值<0.0001）。

图18是由根据本发明的一些实施例中的根据图2的装置的脉搏血氧计针对红色和红外光源中的每一者得到的PPG信号质量的曲线图。y轴反映信号的交流电（AC）与直流电（DC）部分的比，并且x轴是以秒为单位的时间。

图19A、图19B、图20A、图20B、图21A和图21B示出了用于根据本发明的一些实施例的腕戴式脉搏血氧计的光源构造（例如，图2中的装置200的光源212的构造）的实施例。图19A和图19B示出了穿过圆顶形透镜（例如，4或5 mm圆顶形透镜）的光，所述圆顶形透镜附接到发光二极管（LED），并且它们之间没有空间（图19A）或具有10微米的空间（图19B）。如所示出的，当透镜和LED之间存在空间时，光线更集中。当透镜和LED之间没有空间时，杂散光更为普遍。

图20A和图20B示出了根据本发明的一些实施例的用于光源的外壳的构造。如所示出的，在图20A和图20B两者中，外壳包括突出的内环2002以及外环2004。在一些实施例中，由图20A和图20B中所示出的结构容纳的光源（例如，一个或多个LED）可以大致放置在由内环2002包围的区域内。在各种实施例中，光源可以定位成低于、等于或高于内环2002的高度。

在一些实施例中，内环2002可以具有大于零但小于或等于外环2004的高度（h）的高度。例如，在一些实施例中，外环2004的高度可以在约1毫米（mm）（或更小）至约15 mm之间（例如，近似4 mm）。内环2002的高度可以在约1毫米（mm）（或更小）至约15 mm之间（例如，近似2 mm）。例如，将内环2002的基部定位在外环2004的高度的一半处可以使杂散光减少近似40%。

在一些实施例中，外壳包含内环2002但不包含外环2004。在一些实施例中，内环2002可以具有零高度（即，没有内环），在这种情况下，由该结构容纳的光源可以大致放置在由外环2004包围的区域内，并且可以在各种实施例中定位成低于、等于或高于外环2004的高度。在一些实施例中，设置既不包含内环2002也不包含外环2004的外壳。

图21A和图21B各自示出了根据本发明的一些实施例的光源的外壳的构造。尽管以侧视图示出，但是它们可以分别与图20A和图20B中所示出的外壳相同或类似。如所示出的，在图21A和图21B的实施例两者中，外壳是大致圆锥形的并且以一定角度延伸。当该角度从约56.5度增加到约59度（增加约2.5度）时，来自光源的杂散光减少约80%。在其他实施例中，外壳可以是至少部分柱形的。在一些实施例中，外壳的最大直径（在外环处的外壳的顶部处测量）可以在约1 mm（或更小）至约30 mm的范围内、或在从约5 mm至约20 mm的范围内（例如，约14 mm并且形成约60度的角度）。在一些实施例中，外壳还可以覆盖邻近的检测器（例如，但是在检测器上留下开口，如图21A和图21B中部分示出的）。在一些实施例中，内环的直径可以是约1 mm（或更小）至约25 mm、或从约5 mm至约20 mm（例如，约8 mm）。

图22和23示出了根据本发明一些实施例的光源和检测器的外壳。这些外壳可以是部件1410（图14）的实施例，其中光源和检测器的外壳是至少部分柱形的。在图22中示出了该部件的前侧，其可以是用于包含在装置（例如，装置200）内的插入件，光从所述前侧发射。在图23中示出了该部件的后侧。在一些实施例中。这种外壳可以具有上文结合图20A、图20B、图21A和图21B描述的一般尺寸（例如，在高度和直径方面）。在一些实施例中，外壳的内环和外环形成弹簧状构造（例如，由它们的像加莫什卡（garmoshka）的共同构造产生，和/或在其他实施例中基于包括一个或多个弹簧）。在一些实施例中，外壳可以是弹性的、柔性的和弹簧状的，以用于固定到佩戴者和/或用作运动（伪信号）的阻尼器并且将对应的光学元件的光学轴线朝向点222引导以维持透照和/或反射构造。

图24至图29示出了根据本发明的另一实施例的装置（例如，腕式脉搏血氧计）的多个视图。例如，图24示出该装置可以测量和/或显示关于SPO2、脉搏率、蓝牙状态、通知（信封图标）和电池充电水平的数据。在图26中，可以设置用于接收或接近急诊药物（例如，一个或多个药丸）的开口2602（例如，与开口226相同或类似）。在一些实施例中，图24至29中所示出的装置可以在所有其他方面与装置200（图2）相同或相似。

根据本发明的一些实施例的血氧测量方法包括：将装置固定在尺骨的远端上方的区域处。这可以例如通过使用突出部218、突出部208和/或光源212、检测器214和/或检测器216的一个或多个圆顶形突出部来实施。此后，在固定区域处、邻近于固定区域或在其外围处的一个或多个检测器可以检测由尺骨的远端反射的光，其中所述光由在固定区域处、邻近于固定区域或在其外围处的具有不同波长的一个或多个（例如，至少两个）光源发射。在一些实施例中，检测和发射可以由检测器214和/或216以及一个或多个发射器212执行，其各自具有不同的轴线，所述不同的轴线由检测器和发射器中的每一者大致朝向佩戴者的尺骨的远端的虚拟中心点222形成角度的方式而产生。在一些实施例中，该方法还可以包括例如通过一个或多个突出部220阻止杂散光进入固定区域。在一些实施例中，该方法还可以包括通过使相干光源反射离开骨头来测量脉搏。

在以上描述中，实施例是本发明的示例或实施方式。“一个实施例”、“实施例”或“一些实施例”的各种表示方式不一定都指代相同的实施例。

尽管可能在单个实施例的上下文中描述了本发明的实施例的各种特征，但是这些特征还可以单独提供或以任何合适的组合提供。相反，尽管为了清楚起见，本文中可能在单独的实施例的上下文中描述了本发明的实施例，但是本发明还可以在单个实施例中实施。

本发明的实施例可以包括来自上文所公开的不同实施例的特征，并且实施例可以包含来自上文所公开的其他实施例的元件。在具体实施例的上下文中公开本发明的一些实施例的元件不应被视为限制它们仅在具体实施例中使用。

此外，要理解，本发明的实施例可以以各种方式实施或实践，并且本发明的实施例可以以除了上文描述中概述的方式之外的其他方式来实施。

本发明不限于附图或不限于本文所包含的对应的描述。例如，在根据本发明的一些实施例的方法中，流程不需要经历每个所示出的步骤或状态，或者以与所描述的完全相同的顺序来进行。

除非另外限定，否则本文所使用的技术和科学术语的含义应理解为本发明所属领域的普通技术人员通常理解的那样。

虽然本说明书涉及有限数量的实施例，但这些实施例不应被解释为对本发明范围的限制，而是作为一些优选实施例的示例。其他可能的变型、修改和应用也在本发明的实施例的范围内。

Claims (21)

1.一种脉搏血氧测量装置，所述装置包括：

具有不同波长的至少两个光源；

至少一个检测器，其响应于所述不同波长；

腕带；以及

壳体，其联接到所述腕带以用于容纳所述至少两个光源和所述至少一个检测器；

其中，所述腕带包括：

第一部分，其包括凹形的突出部，所述突出部适于紧密地贴合抵靠佩戴者的腕部并且甚至在所述佩戴者正在移动时也保持在适当位置，其中，所述凹形的突出部还包括面向佩戴者的腕部的部分和用于接收药物的中空内部部分，并且其中，所述面向佩戴者的腕部的部分还包括一个或多个脊；以及

第二部分，其适于附接到所述第一部分，以用于将所述腕带围绕用户的腕部固定，并且其中，所述第二部分包括第二突出部，所述第二突出部有助于将所述装置固定在对应于所述佩戴者的尺骨的远端的固定区域处，并且其中，所述固定区域被用作测量区域。

2.如权利要求1所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述凹形的突出部包括弹性体材料，所述弹性体材料具有在30至75肖氏A之间的硬度。

3.如权利要求1所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述凹形的突出部包括具有50肖氏A的硬度的硅弹性体材料。

4.如权利要求1所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述第二突出部是弯曲的突出部，其遵循所述佩戴者的尺骨的轮廓。

5.如权利要求4所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述第二突出部形成为圆顶或球体的一部分的形状。

6.如权利要求1所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述至少两个光源和所述至少一个检测器中的每一者定位在所述壳体内，使得当将所述腕带围绕所述佩戴者的腕部固定时，所述至少两个光源和所述至少一个检测器定位成邻近于所述尺骨的所述远端，并且所述至少一个检测器定位成检测从所述至少两个光源发射的光。

7.一种脉搏血氧测量装置，该装置包括：

具有不同波长的至少两个光源；

至少一个检测器，其响应于所述不同波长；

腕带；以及

壳体，其联接到所述腕带以用于容纳所述至少两个光源和所述至少一个检测器，

其中，所述腕带包括：

第一部分，其包括凹形的突出部，所述突出部适于紧密地贴合抵靠佩戴者的腕部，所述凹形的突出部包括具有一个或多个脊的面向佩戴者的腕部的部分和用于接收药物的中空内部部分；和

第二部分，其适于附接到所述第一部分，以用于将所述腕带围绕用户的腕部固定，并且其中，所述第二部分包括第二突出部，所述第二突出部有助于将所述装置固定在对应于所述佩戴者的尺骨的远端的固定区域处，并且其中，所述固定区域被用作测量区域；并且

其中，所述至少两个光源和所述至少一个检测器中的每一者朝向佩戴者的尺骨的远端的虚拟中心点形成角度，并且所述至少两个光源和所述至少一个检测器中的每一者具有不同的轴线。

8.如权利要求7所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述至少两个光源和所述至少一个检测器中的每一者定位在所述壳体内，使得当将所述腕带围绕所述佩戴者的腕部固定时，所述至少两个光源和所述至少一个检测器定位成邻近于所述尺骨的远端，并且所述至少一个检测器定位成检测从所述至少两个光源发射的光。

9.如权利要求7所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述至少两个光源和所述至少一个检测器中的至少一者包括圆顶形或圆锥形的结构，其有助于将所述脉搏血氧测量装置及其对应的至少两个光源和至少一个检测器固定在对应于佩戴者的尺骨的远端的固定区域处。

10.一种脉搏血氧测量装置，所述装置包括：

具有不同波长的至少两个光源；

至少一个检测器，其响应于所述不同波长；

腕带，其中所述腕带包括：

第一部分，其包括凹形的突出部，所述突出部适于紧密地贴合抵靠佩戴者的腕部并且甚至在佩戴者正在移动时也保持在适当位置，所述凹形的突出部还包括面向佩戴者的腕部的部分和用于接收药物的中空内部部分；以及

第二部分，其适于附接到所述第一部分，以用于将所述腕带围绕用户的腕部固定，并且其中，所述第二部分包括第二突出部，所述第二突出部有助于将所述装置固定在对应于所述佩戴者的尺骨的远端的固定区域处，并且其中，所述固定区域被用作测量区域；并且

壳体，其联接到所述腕带以用于容纳所述至少两个光源和所述至少一个检测器；

其中，所述壳体包括第一壳体部分和第二壳体部分，所述第一壳体部分和第二壳体部分相对于彼此以一定角度延伸，其中显示器固定到所述第一壳体部分并且所述至少两个光源和所述至少一个检测器固定到所述第二壳体部分；

其中，所述壳体的所述第一壳体部分和所述壳体的所述第二壳体部分一起为“L”形。

11.如权利要求10所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述壳体足够坚固以在佩戴者佩戴所述装置时保持所述至少两个光源和所述至少一个检测器的定位，而同时具有柔韧性或弹性以用作运动阻尼缓冲件，所述运动阻尼缓冲件减少由所述佩戴者的运动引起的所述脉搏血氧测量装置的测量伪信号。

12.如权利要求11所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述壳体包括接合所述壳体的所述第一壳体部分和所述第二壳体部分的第三壳体部分，其中，所述第三壳体部分允许：响应于用户佩戴所述脉搏血氧测量装置时的法向力而在所述壳体的所述第一壳体部分和所述第二壳体部分之间进行的角度运动。

13.如权利要求10所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述壳体包括铝或热塑性聚氨酯(TPU)。

14.如权利要求13所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述壳体具有在25肖氏A和35肖氏A之间的硬度。

15.如权利要求10所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述至少两个光源和所述至少一个检测器中的每一者定位在所述壳体内，使得当将所述腕带围绕所述佩戴者的腕部固定时，所述至少两个光源和所述至少一个检测器定位成邻近于所述尺骨的所述远端，并且所述至少一个检测器定位成检测从所述至少两个光源发射的光。

16.如权利要求15所述的脉搏血氧测量装置，还包括垫，所述垫安装到或以其他方式固定到所述壳体的内侧，其中所述垫包括一个或多个阻挡件，所述阻挡件用于在佩戴者佩戴所述脉搏血氧测量装置时紧密地贴合抵靠佩戴者的腕部并且防止杂散光进入所述至少两个光源和所述至少一个检测器的测量区域。

17.如权利要求1-16中任一项所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述至少两个光源和所述至少一个检测器相对于彼此设置成使得发射光适于在到达所述至少一个检测器之前经由所述尺骨透照。

18.如权利要求1-16中任一项所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述至少一个检测器适于测量相对于发射光的入射路径成在20°和160°之间的角度的透照。

19.如权利要求1-16中任一项所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述至少一个检测器适于测量相对于发射光的入射路径成在70°和110°之间的角度的透照。

20.如权利要求1-16中任一项所述的脉搏血氧测量装置，其中，所述至少两个光源是选自包括以下部件的组中的部件：具有不同波长范围的LED、具有不同波长的激光二极管、以及LED和具有在所述具有不同波长范围的LED的范围之外的波长的激光二极管的组合。

21.如权利要求1-16中任一项所述的脉搏血氧测量装置，还包括至少一个处理器，其被构造成从由所述至少一个检测器检测的光计算血氧测量数据。