CN112740154A - 便携式水合监测设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种可操作来监测水合的方法，包括将用户的手指压在设备的手指支架上，产生手指按压；通过至少一个传感器感测手指的存在；提供指示施加压力的警报；通过至少一个电磁发射器通过手指发射辐射；通过至少一个电磁检测器检测通过手指的辐射；通过同步线路验证电磁辐射是与一次或多次手指按压同步施加的；通过至少一个模数转换器将电磁检测器检测到的辐射转换为数字信息；通过处理单元使用存储在处理单元上的算法将手指压力数据和检测到的电磁辐射数据转换为水合水平；以及将水合水平传送到与设备耦接的至少一个警报单元。

Description

便携式水合监测设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年2月9日向美国专利商标局提交的第62/628,750号美国临时专利申请的优先权，出于所有目的将其全部内容合并于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种用于水合监测的便携式设备及其使用方法。

背景技术

市场上目前有许多监测设备，用于监测用户健康的各个方面。这样的设备能够跟踪诸如用户的心率、在整个定义的时期内的活动或在整个定义的时期内采取的步骤等因素。这样的设备可以是可穿戴的，并且在一些示例中可以集成到手表中。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述本技术的实现方式，在附图中：

图1示出了根据本公开的用于监测用户的水合的设备的示意图；

图2示出了根据本公开的用于水合监测设备的同步方法的示例；

图3A是示出根据本公开的用于确定健康目标的方法的流程图；

图3B是示出根据本公开的用于帮助用户实现健康目标的方法的流程图；

图4是示出根据本公开的水合良好的用户的功率谱密度的曲线图；

图5是示出根据本公开的具有1.97％脱水水平的用户的功率谱密度的曲线图；

图6是示出根据本公开的在水合良好的用户中测量的皮肤饱满程度(skinturgor)信号的曲线图；

图7是示出根据本公开的在具有1.97％脱水水平的用户中测量的皮肤饱满程度信号的曲线图；以及

图8是示出根据本公开的在水合监测设备上随着手指压力的变化而从用户获得的电磁信号的变化的曲线图。

具体实施方式

本公开涉及一种便携式非侵入性监测设备和用于抽查用户的水合状态的测量值的方法。上述监测设备及其使用方法不仅可以应用于移动设备、智能电话和可穿戴设备，而且可以应用于医疗应用，在这些医疗应用中，确定个人的水合状态至关重要，而不需要以前的水合历史。

如本文所使用的术语“手指按压”可以包括固有地为宽频带的阶跃响应。当用户的手指压在手指支架上时，血液会流入或流出用户手指末端的毛细血管。然而，该流动可能是不均匀的，并且时间响应会根据用户的水合状态而变化。

如本文所用，术语“水合状态”是指用户的当前水合水平。水合状态是指体内水分的正常状态。

如本文所用，术语“足够宽频带”是指手指按压在时间上足够可变以使设备收集用于所述方法的必要数据。

图1是示出了本文所述的设备的示意图，该设备可用于便携式非侵入性地监测用户的水合。具体而言，图1示出了能够评估用户的水合状态的便携式水合监测设备100的示例。例如，可以通过让用户将他/她的手指110压在与设备100相连的手指支架112上来评估水合状态。如本文所用，术语“手指”是指五个指骨中的任何指骨，包括拇指。此外，手指可以是右手手指或左手手指。如本文所使用的，术语“手指支架”可以包括任何合适的接触点，手指支架可以与压力传感器耦接，手指可以按压到压力传感器。在至少一个示例中，手指支架位于设备的顶部。在替代示例中，手指支架可以是来自设备的突起。在至少一个示例中，手指支架可以包括凹口，用户可以将手指放在凹口上。在至少一个实施例中，手指支架还可以包括嵌入到设备中的平坦表面；平坦表面可包括但不限于玻璃板、塑料板及其组合。在至少一个示例中，手指支架的平坦表面可以类似于指纹读取器中经常使用的表面。手指支架可以由一种或多种材料制成，包括但不限于塑料、玻璃、金属及其组合。

设备100可以进一步包括一个或多个压力传感器(例如惯性测量单元(IMU)114)、一个或多个电磁辐射发射器116以及一个或多个电磁辐射检测器122；上述元件中的每个元件都可以与手指支架112耦接。压力传感器/IMU 114和电磁辐射发射器116可以耦接以提供同步线路118。此外，压力传感器/IMU 114、电磁辐射发射器116和电磁辐射检测器122可以各自与处理器120耦接。一个或多个电磁辐射检测器122可以通过模数转换器124与处理器120耦接，转换器124允许由处理器读取通过电磁辐射检测器获得的数据。处理器120可以进一步与能够存储历史用户数据的存储器126、配置为存储水合数据的水合指数130以及配置为在设备100与外部设备134之间发送和接收信息的通信单元128耦接。水合指数130也可以与通信单元128耦接，并且可以被配置为在满足一个或多个预定情况时发出警报132。这样的情况可以包括但不限于用户的水合状态降低。警报可以包括但不限于视觉警报、听觉警报、指示用户的水合状态的显示、指示用户的水合状态的听觉消息等。然后可以经由通信单元128将警报132从设备100发送到外部设备134，以向用户提供与一种或多种情况有关的数据。

在至少一个示例中，该设备可以通过测量用户手指中皮肤的饱满程度和毛细血管再填充时间来获得数据，并根据所施加的压力来评估所述测量。例如，可以通过用电磁辐射询问手指的组织来进行这样的测量，如上所述，电磁辐射可以通过手指支架从设备朝着手指发射。反射回来的辐射的时间和数量可以通过设备中的电磁检测器来检测，如图1所描述的。为了获得准确的测量结果，必须跟踪询问的几个要素包括但不限于所反射的辐射量、所反射的辐射的频谱以及压在手指支架上的手指压力的时间，例如手指按压之间的时间。此类信息对于执行此处描述的分析至关重要。

在至少一个示例中，电磁辐射可以包括一个或多个近红外光。例如，电磁辐射发射器可以通过一个或多个发光器件(LED)来实现，电磁辐射检测器可以通过一个或多个硅光电二极管来实现。在至少一个示例中，可以使用多个LED；LED可以用于发射从600nm到1000nm的波长范围的光。600nm至1000nm之间的波长的使用可允许光相对较高地透射穿过生物组织，例如手指组织。另外，使用硅光电二极管作为电磁辐射检测器可以允许较高的光阻性，并且可以降低光源的总成本。例如，LED可以以约650nm至约950nm的重心和/或平均波长发光，以允许检测血红蛋白发色团(例如氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白)，并检测它们的总和(总血红蛋白(tHb))。

应当注意，本公开不限于光学监测。在替代示例中，可以使用包括但不限于皮肤电反应、皮肤电活动、皮肤电导反应、交感皮肤反应、皮肤电导水平、组织的生物阻抗及其组合的方法来监测组织。例如，电磁辐射发射可以包括频率范围从长波(约100Hz)到短波射频(约250MHz)的电信号的发射。

如上所述，该设备可以包括处理器，处理器可以用于控制上述每个子组件。另外，处理器可用于执行能够将在电磁辐射检测器处接收到的信号转换为水合指数的代码，水合指数可以指示用户的水合状态。另外，该设备可以配备有存储器，存储器可以存储指令并通过上述一个或多个处理器执行代码，存储器可以进一步存储从电磁辐射检测器收集的数据，并且可以与警报单元耦接。警报单元可以配置为发出警报，通知用户其水合水平已达到不理想的水平，例如，如果他们的水合水平过低。在至少一个示例中，警报单元可以进一步用于向用户提供关于他们的水合指数的信息。此外，在至少一个示例中，警报单元可以执行其他任务，包括但不限于传递对用户进行特定测量的请求、向用户提供有关用户的手指在手指支架上的正确放置的反馈以及向用户提供有关正确使用设备的反馈。警报单元可以进一步包括显示、听觉警报或显示和听觉警报两者。例如，警报单元发出的警报可以是但不限于视觉警报、听觉警报、指示用户的水合信息的显示或通知、指示用户的水合状态的听觉消息以及两个或多个上述警报的组合。

如上所述，该设备还可以配备有通信单元，通信单元可以用于将信息和数据从设备传输到一个或多个外部设备。例如，通信单元可以使用有线或无线通信(例如，蓝牙、Wi-Fi、ZigBee)来传输数据。可以通过发送到用户的移动设备的警报将数据传输给用户，移动设备包括但不限于智能电话、个人计算机(PC)、平板电脑、笔记本电脑或其组合。此外，如果用户的移动设备具有日历应用程序，则通信单元可以在智能电话、笔记本电脑、PC或平板电脑上的日历中生成提醒。这样的提醒不仅可以用于通知用户何时消耗液体，而且可以通知用户为了达到期望的水合水平需要喝多少液体。

在至少一个示例中，上述设备可以直接集成到可穿戴设备、手表、智能手机、手机、平板电脑、计算机、笔记本电脑或其组合中。当设备集成在可穿戴设备中时，可以穿戴设备，以在包括但不限于用户的手腕、手臂、胸部、头部、颈部、腰部、腿部和/或腹部的位置与用户耦接。

在至少一个示例中，压力传感器可以是压力板。在替代示例中，压力传感器可以是电容式力传感器。在又一替代示例中，该设备压力传感器可以是与跨阻抗放大器和模数转换器耦接的压电换能器。可以通过与压力传感器耦接并包含加速度计、陀螺仪、运动传感器及其组合的惯性测量单元(IMU)来启用压力传感器。在至少一个示例中，IMU可以是例如Invensense MPU-6000。虽然所述IMU可能不能精确地测量施加到压力传感器的压力，但是它可以被用来精确且快速地检测手指运动，并且IMU输出信号可以容易地与电磁辐射检测器同步。

在至少一个示例中，电磁辐射发射器和电磁辐射检测器可以被集成到单个封装中。例如，电磁辐射发射器和检测器可以一起封装在模块中，该模块包括一个或多个LED、一个或多个挡光元件以及一个或多个抗反射涂层的光电二极管。这种组合的电磁辐射发射器/检测器可以优化特定波长的检测并增加设备的可靠性，同时还提供减少的部件数和简化的设备制造。此外，模数转换器还可以与其他元件集成在一起，例如模拟前端(AFE)设备的一部分，该模拟前端设备也可以集成上述一个或多个LED所用的电流驱动器。在替代示例中，可以将AFE作为单独的组件包含在设备中。在又一替代实施例中，光学封装和AFE可以被集成到单个组件中。

如本文所述，该设备的某些部分的集成可以进一步简化各部分之间的同步，如图2所示。具体地，图2示出了LED与处理器之间的同步。如图所示，该设备200可以包括经由AFE_BUS 222与AFE 220耦接以及经由LED_N_INT 232与缓冲器230耦接的处理器210。该设备200可以进一步包括一个或多个可以与缓冲器230和AFE 220耦接的LED。在该示例中，可以通过处理器控制元件之间的同步，处理器可以通过AFE_BUS与AFE通信，AFE可以与电磁辐射发射器和电磁辐射检测器通信。在至少一个示例中，AFE_BUS可以是I2C或串行外围设备接口(SPI)。AFE_BUS数据可用于确定先进先出(FIFO)堆栈。为了准确记录时间，必须通过外部输入触发开始时间。在至少一个替代示例中，光发射的时间必须由处理器精确地记录并且与足够过采样的力信号相关。然后，在FIFO中的样本被记录之后，它们可以基于记录的触发时间相对于力样本进行同步。

外部输入可以通过一系列N个信号实现，其中N表示设备内使用的LED数量。例如，在至少一种配置中，N的值可以为2。这样，LED_N_INT表示处理器的第N个中断信号，该信号是通过LED的发射产生的。在至少一个示例中，在将每个LED_N_INT信号输入处理器之前，可以通过互斥布尔门(例如或门)将它们组合为单个信号。另外，可以包括使信号的上升变慢的电路，这可以允许处理器捕捉发射是否低于触发电平。在这种情况下，缓冲器可以主动将信号压低，此后它可能需要更长的时间才能上升回去，从而使处理器有时间触发中断。在替代方案中，可以使用比较器以及锁存器将信号锁存为低电平，直到积累了足够的触发信号为止，从而为处理器提供了备用的同步信号。

此外，在至少一个实施例中，可以通过使用一个或多个压力传感器/IMU 114来向处理器指示何时将手指按压到压力传感器或从压力传感器释放压力来实现上述同步。在所述示例中，同步过程可以允许处理器测量多次手指按压和检测到的数字化电磁信号的变化之间的时间差。在至少一个实施例中，可以使用与设备的处理器耦接的内部时钟来记录时间差。

在替代实施例中，同步过程可以直接在一个或多个压力传感器/IMU114和一个或多个电磁辐射发射器116之间进行。在所述示例中，同步过程可以使用在一个或多个压力传感器/IMU 114处的手指按压和/或释放的检测，以控制来自电磁辐射发射器的发射定时，使得仅当手指存在时(例如，当在压力传感器上检测到压力时)发射电磁辐射。

在又一替代示例中，可以通过在上述一个或多个压力传感器与检测到的电磁信号之间执行互相关来实现同步过程。当信号足够宽频带时，可以准确地测量相对延迟。可以采用各种技术来确保信号具有足够的宽频带。在至少一个示例中，该设备可以经由通信单元向用户提供视频或音频反馈，以提示用户调整用户将其手指压向压力传感器的速率(例如，用户通过手指与设备接触的压力或持续时间)；从而确保了宽频带信号的产生。在另一示例中，代替依赖于用户在手指支架上施加压力，该设备可以被配置为使用蜂鸣器、音圈、压电致动器或任何其他能够产生机械运动或调整压力的致动器中的一个或多个来产生宽频带信号。

除了告知用户其水合状态外，该设备还可以配置为向用户提供与用户的水合状态直接或间接相关的其他好处。例如，该设备可以配置为通过在睡觉前通知其水合水平是否处于预定水平(例如充分水合)来改善用户的睡眠。在另一个示例中，该设备可以配置为通过在体育赛事、训练、锻炼或任何其他体育活动之前通知用户水分是否充足来帮助其进行体育锻炼。另外，该设备可用于通过告知用户水分是否充足来提高用户的注意广度。此外，该设备可以通过通知用户他/她的水合状态来帮助用户实现他/她的减肥和/或心理意识目标。另外，该设备可以通过告知用户何时多喝水将有助于其实现其健康、美丽和/或皮肤护理目标。在至少一个示例中，这样的益处可以通过设备经由通信单元发送通知以指示用户在预定的时间点执行水合测量来实现。接下来，该设备可以使用时间趋势来预测在定义的时间段内用户脱水率的变化。例如，该设备可以使用预测的脱水率来确定用户的水合状态何时会降至预定阈值以下，该阈值可以根据所需活动进行设置(即，可以为某些活动设置某些水合水平)。最后，该设备可以通过通信单元通知用户何时应该消耗液体以及用户应该喝多少液体。

由处理单元执行以帮助用户实现他/她的健康目标的决策过程的至少一个示例在图3A和3B中示出。具体而言，图3A是示出用于请求用户执行水合测量的方法300的流程图。图3B是示出由设备执行以帮助用户实现他/她的目标的详细的决策过程305的流程图。

如图3A所示，方法300可以通过从设备向用户发送请求而在框310处开始。请求可以包括对人口统计信息的查询，包括但不限于年龄、性别、体重、身高及其组合。请求还可以包括对用户的健康目标的查询，这些目标可以包括但不限于减肥、精神警觉度、皮肤护理及其组合。基于人口统计数据和目标的用户输入，该方法可以进行到框320，其中设备可以检索水合阈值水平。例如，在框322处，该设备可以查阅库，库可以包括为了满足用户定义的目标可能需要的最小水合指数水平的数据库。在至少一个示例中，库可以被存储在位于设备内的内部非易失性存储器中。在替代示例中，库可以远程存储，并且设备可以配置为通过有线或无线连接访问库。在至少一个示例中，当库被远程存储时，该设备可以被配置为使用与设备耦接的通信单元经由在线服务器来访问库。在另一个示例中，当远程存储库时，可以使用来自任何给定用户的人口统计数据来填充用户的在线数据库，从而有利于使用机器学习方法，以基于较大的用户数量提取更好的水合指数阈值，然后可以使所有用户受益。

一旦设备从库中确定了相关的水合数据，则该方法可以前进至框330。在框330，该设备可以请求用户执行水合测量。在至少一个示例中，该测量可以是第一水合测量。或者，该测量可以是随后的测量。在图3A中未示出的至少一个替代示例中，可以在用户输入他/她的人口统计信息和健康目标之前执行所请求的测量。

图3B示出了用于辅助用户实现他/她的目标的替代方法305。具体地，方法305可以从框330开始，其中用户使用上述设备执行水合测量。在框340处，该设备可以收集与经由如上所述的传感器提供的水合测量有关的数据，并且可以使用该数据来计算新的水合指数。在框342处，该信息可以存储在水合指数数据库中。在至少一个示例中，该信息可以被存储在与设备一体的存储器126中，如图1所示。方法305然后可以前进到框350，其中设备可以将由水合测量结果得出的水合指数与水合阈值进行比较。水合阈值可以是与用户提供的活动、健康或保健目标有关的基于目标的水合阈值。如果方法305确定用户水合指数低于任何水合阈值，则方法305可以进行到框360，以计算不足。不足可以指示例如基于目标的水合水平(或期望的水合水平)与用户的实际水合水平之间的差异。这样，不足可以指示用户的脱水水平。接下来，在框362处，该设备可以基于计算出的水合不足来生成指示用户的脱水水平的警报。在框364处，该设备可以经由与设备耦接的通信设备发出警报，以指示可能要求用户采取一个或多个动作。例如，警报可以指示一种或多种状态，包括但不限于用户是否应该消耗液体、使用户达到阈值内的状态所需的推荐液体量、使用户恢复到水合状态所需的推荐液体量以及任何其他相关信息。在至少一个示例中，可以设置辅助阈值，使得仅在脱水水平超过辅助阈值时才产生警报。

接下来，在框370处，该设备可以将当前的水合指数与之前进行的水合测量进行比较，以估计用户的脱水率。如果在框330中进行的测量是第一测量，则可以使用用户人口统计数据来估计用户的标称脱水率。随着测量的重复，可以不断更新脱水率，以提高基于每个用户的计算准确性。例如，自适应滤波器可以与方法305结合使用；自适应滤波器可以包括但不限于维纳滤波器、最小均方滤波器和/或卡尔曼滤波器。

在框380处，该设备可以使用以上确定的脱水率来预测用户水合指数可能下降到用户生成的水合阈值以下的下一个时间点。另外，方法305可以估计使用户从他/她的脱水状态回到正常状态所需的液体量。然后，该设备可以生成提醒，例如日历事件。在框384，可以经由设备的通信单元发出提醒，以通知用户他们应该消耗多少流体以及何时消耗它。

接下来，方法305可以前进至框390，其中设备可以估计何时需要下一次水合测量以增加水合指数和水合趋势的准确性。在至少一个示例中，可以通过使用卡尔曼滤波器跟踪误差协方差并为用户执行附加的水合测量直到不确定性水平降低并且协方差降到期望阈值以下来执行预测。作为说明性示例，误差协方差可以初始估计为0.1，期望阈值可以设置为0.05。期望阈值可以例如基于用户输入来确定。在替代示例中，可以在设备中预设期望阈值。一旦该方法预测何时需要下一次水合测量，则方法305可以前进至框400。在框400处，该设备可以确定下一次水合测量的时间是否已经到来。如果未到来，则设备可以等待直到下一次测量的时间到来，如框402中所述。当设备确定到了下一次测量的时间时，方法305可以进行到框330，该设备向用户指示现在该进行下一次水合测量了。之后，可以根据需要重复方法305。

或者，如果设备在框350确定水合指数不小于用户生成的水合阈值，则方法305可以直接进行到框370，并且可以将水合指数与先前的水合测量值进行比较，并计算用户的水合趋势。然后，方法305可以前进到框380，以预测用户的水合指数何时接下来可以下降到用户生成的阈值以下并且如上所述进行。

除了健康目标之外，本文所述的便携式水合监测设备还可以在临床环境中使用以协助医疗保健提供者。例如，水合监测设备可用于协助从业者为其患者进行液体管理。该设备还可以用于帮助医生解决各种麻烦，包括但不限于保持患者体内平衡(例如通过诊断包括但不限于血容量过多和血容量不足的病症)、协助管理患者的适当血容量、管理患者的输入和输出(I/O)以及其他各种医疗问题。在另外的示例中，本文所述的设备可以在急诊室设置中使用，以便检查急性和/或慢性脱水的迹象，确定要(口服或静脉内)给药以将患者带回水合和体内平衡等的液体量。在又一示例中，该设备可由麻醉师在手术室环境中使用以帮助确定手术过程中的患者液体需求，或由重症监护室中的临床医生使用以帮助确保将患者保持在他们的脱水阈值的安全范围内。此外，皮肤灌注会受到患者血压的影响。这样，本文描述的设备也可以用于诊断高血压和/或低血压。在又一个示例中，本文所述的设备可用于通过确保用户体内的适当流体水平来促进肾脏保护。本文所述的设备还可以用于通过监测用户的水合状态来降低发生低血压事件的风险，该设备还可以帮助防止可能由于低血压事件(例如跌倒)而导致的伤害作用。

除上述内容外，该设备还可用于协助老年人的护理。例如，老年患者可能会逐渐失去通过仅饥渴需求来确定自己的脱水水平的能力。这样，老年人可以特别受益于能够提醒他们何时应监测其水合水平、何时消耗液体以及消耗多少液体的提醒的设备。此外，便携式水合监测设备可以通过在某些手术后对患者的水合水平进行家庭监测，使患者更快地从医院护理中康复。此外，便携式水合监测设备可有助于防止已经住院或已接受过医疗手术的患者再次住院，从而大大降低了医疗费用，并使患者和医疗保健提供者都受益。

在另一个示例中，该设备可以用于协助军事人员和/或急救人员。诸如本文所述的便携式水合监测设备在检测热损伤发作之前的脱水和肌肉骨骼损伤(MSI)之前的疲劳方面可以非常有效。例如，根据《医疗监测月报》(MSMR)，仅在2010年就有2887起热伤。此外，据报告，2006年至2010年之间发生了14018起热伤，其中25.7％的病例来自两个陆军哨所，布拉格和本宁。最近的另一份报告指出，伊拉克自由行动(OIF)和持久自由行动(OEF)中34％的医疗后送是MSI的直接结果，是战斗伤亡的两倍多。

作为军事适用性的另一个示例，本文描述的设备可以在战区找到应用。例如，在医疗帐篷中，医务人员可以使用本文所述的设备在行军结束时诊断疑似MSI或中暑的患者中的脱水情况。此外，该设备可用于确认士兵是否已按要求的速率有效消耗了液体，从而可以取代普遍使用的强迫液体消耗技术。

此外，经常需要急救人员在不满意的条件下进行多余的物理活动。例如，扑灭被火焰吞噬的建筑物内的火灾的消防员通常在相对短的时间内损失大量的流体，在这种情况下，本文所述的设备可用于警告消防员出任务时何时需要消耗一定量的水。急救人员还可以在到达现场时使用该设备对受害者进行诊断。此外，该设备可用于监测在温暖的地方从事繁重劳动的劳动者。例如，在热带地区在阳光直射下工作的建筑工人，在这种情况下，即使存在少量脱水，中暑的风险也会增加。

图4示出了在水合用户中从诸如上述便携式水合监测设备上的多次手指按压检测到的电磁辐射的功率谱密度(PSD)的曲线图。在本示例中，当用户多次将他/她的拇指按在水合监测设备上时获得数据。该设备记录了手指按压产生的电磁信号。然后将电磁信号零填充以确保恒定的最小长度。然后对填充的信号求平方，使用傅立叶分析进行转换，然后转换为相对于标准偏差归一化的功率信号。最终，将信号转换为对数空间(分贝-dB)，产生图4所示的曲线图。相比之下，图5示出了来自同一用户的多次手指按压在他们执行了锻炼之后导致相对于他的水合裸体体重(NBW)测量的1.97％的流体损失的PSD的曲线图。

如上所述，通过手指流入和流出毛细血管的血液可以变化。然而，该流动可能不均匀，并且时间响应可以根据用户的水合状态而变化。也就是说，当用户水合程度更高时，血液流动会更快，从而导致用户功率谱密度(PSD)中的功率分量更强，尤其是在频谱的高频范围内，这对应于更快的响应时间。因此，PSD在频谱的较高范围(例如，大于或等于15Hz)的幅度可以用于确定用户的水合状态。

如图4所示，在水合状态下，在15Hz下的PSD约为-20dB(如水平虚线所示)，图5示出了在脱水状态下，在15Hz下的PSD约为-30dB(如水平虚线所示)。如图所示，功率约降低了10dB，相当于用户的NBW水合降低了1.97％。

在替代方法中，可以通过测量被监测的生物组织的传递函数来更精确地测量频谱变化。即，通过捕获手指按压压力的频谱以及检测到的电磁辐射波形的频谱，可以计算两者的比值，从而获得归一化的传递函数。然后，如上所述，可以使用在一定频率范围(例如，大于或等于15Hz)的PSD功率的变化来确定用户的水合状态的变化。替代方法的优点在于，它对用户手指按压活动的变化不太敏感。如果该设备检测到用户缓慢地按下手指而无法正确检测，则如上所述，该设备还可以发出警报，从而为用户提供适当的反馈，例如增加手指按压的节奏和/或速度。

通过手指按压来确定用户的水合状态的另一种方法在图6中示出。在本示例中，定义为tHb与压力传感器检测到的负荷之间的比值(以克为单位)的皮肤饱满程度用于确定水合状态。使用估计的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的总和来计算tHb，估计的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度由来自红光和近红外光的检测到的模数转换器(ADC)计数与从血红蛋白吸收频谱获得的伪逆矩阵的乘积给出。注意，由于皮肤饱满程度是通过比值来计算的，因此在电磁辐射信号和压力信号之间需要良好的同步(例如在约1ms之内)。

例如，图6的曲线图示出了三个序列，每个序列包含水合用户的五次手指按压。在每个序列中，手指压力会从强(例如，比动脉强)变轻(例如，手指轻轻触摸设备)。如图所示，具有高手指压力的时间点对应于数据中的低平稳段；具体地，高压力对应于低tHb和高负荷，因此饱满程度是最低的。相应地，手指轻压点对应于高平稳段。具体而言，低压力对应于高tHb和低负荷，因此饱满程度最大。

图7示出了在相同用户进行锻炼之后导致其体液损失的相应曲线图，该损失相对于他/她的水合NBW为1.97％的脱水。如图所示，用户的高饱满程度点保持在约5tHb/g的相同水平，而用户点的低饱满程度点从约-10tHb/g的平均水平下降到约-13tHb/g。因此，图6-7示出了手指按压期间的低饱满程度点可用于确定给定用户的水合阶段。

另外，可以通过使用不同的饱满程度定义来测量用户的水合状态。在至少一个示例中，可以将皮肤饱满程度定义为HbO₂与施加的手指压力的比值。在替代示例中，皮肤饱满程度可以定义为HHb与所施加的手指压力的比值。

在另外的实施方式中，该设备还可以使用生物阻抗信号代替光作为电磁辐射信号的源。在这样的示例中，可以通过生物阻抗与所施加压力的比值来给出皮肤饱满程度。

图8示出了基于多次手指按压来确定用户的水合状态的又一方法。使用原型设备收集在图8的曲线图中提供的数据，并且在当前情况下，该设备被配置为评估用户手指的光电描记器(PPG)中是否存在变化。也就是说，血管的体积、尤其是位于末端的血管的体积是根据随着心脏在整个身体循环系统中泵送动脉血而产生的压力波而变化的。随着血液量的增加，光的吸收也随之增加，从而导致与用户心率同步的时间变化。但是，当施加到要监测的组织(在当前情况下为手指)的压力增加到超过动脉压时，组织将不再能够根据心跳来改变其体积。结果，PPG中的幅度变化消失，导致手指被按下的清晰指示。同样，当消除压力时，变化返回，并且返回发生的速度是毛细管再填充时间以及水合的直接量度。

图8指示的第一虚线在约30秒处显示了用户的手指被按压到设备上的时间点。注意，在该时间点之前，检测到的信号在所有三个波长的光中都呈现明显的幅度变化，包括IR(950nm峰值，在此以点划线表示)，红色(650nm峰值，在此处以虚线表示)，和绿色(峰值为540nm，此处以实线表示)。但是，在手指被充分按下之后，PPG幅度消失了。手指压力的这种增加可以通过压力传感器或与设备耦接的IMU单元来确认。第二条虚线在约44秒处显示了释放手指压力但手指保持与手指支架接触(例如轻压)的时间点，从而可以继续进行监测，包括检测PPG幅度的返回。

在图8所示的示例中，也可以使用由第三LED发出的绿光，其频谱中心在540nm的波长处。绿光尤其被血红蛋白吸收，可以轻松检测到少量组织内的心率峰值。

图8的曲线图还示出了该设备可以有效地从用户的手指获取PPG信号。因此，该设备还可用于通过其他使用PPG信号通常测量的指标(包括通过心率、心率变异性(HRV)以及交感神经系统VS副交感神经系统的激活)非侵入性地监测患者，包括它们在运动训练中的用途、运动过度训练的检测以及运动员训练的管理。此外，PPG信号还可用于测量用户的呼吸频率和血压。

另外，PPG信号可以用作用户是否将他/她的手指正确地放置在手指支架上的指示器。例如，该设备可以通过通信单元为用户提供有关调整用户手指位置的反馈，直到该设备检测到具有足够高幅度的PPG信号为止。相反，该设备还可以通过压力传感器检测手指的存在，并通过通信单元为用户提供有关正确手指放置的反馈。

该设备可以进一步包括温度计，温度计能够测量用户手指的皮肤温度。这种温度计可用于检测皮肤温度何时较低而PPG信号不存在，从而表明存在血管收缩的可能性。在本示例中，该设备可以经由通信单元向用户发出警报，以通知用户预热他/她的手。

另外，图8中示出的曲线图示出了：该设备可以有效地测量用户的动脉压。例如，该设备可以使用压力传感器来跟踪动脉压，因为在PPG幅度消失(或重新出现)时(与用户施加更多(或更小)压力时相对应)时获得了压力读数。

用户的搏出量(SV)可以根据用户的水合状态而变化。例如，当用户体内水分减少时，其SV也可以降低。由于可以通过SV与心率的乘积来确定用户的心输出量(CO)，因此该设备可以配置为测量用户的SV和CO。

此外，该设备可以包括配置成从用户进行测量的心电图(EKG)单元。然后，该设备可以使用EKG脉冲和PPG脉冲之间的时间延迟来确定从心脏到末端(例如手指)的脉搏传导时间(PTT)，因为PTT与动脉顺应性成正比，因此与血压成反比。这可以通过本文公开的设备提供另一种监测血压的方法。

上面的公开指出，可以使用五个手指中的任何一个来执行上述测量。但是，应该注意的是，在所有手指中，用户的拇指受光电容积描记图中音量变化的影响最大。这样，拇指在便携式非侵入性水合监测中尤其有用。然而，使用食指进行的测量也可能是有益的，因为便携式设备的用户通常在与触摸屏和指纹读取器进行交互时习惯使用食指。

以上示出和描述的实施例仅是示例。即使在前面的描述中已经陈述了本技术的许多特征和优点以及本公开的结构和功能的细节，但是本公开仅是说明性的，并且在本公开的原理内至在所附权利要求书中所使用的术语的广泛一般含义所指示的范围内可以对细节进行改变，尤其是部件的形状、尺寸和布置等主题。因此，将理解，可以在所附权利要求书的范围内修改上述实施例。

Claims (20)

1.一种设备，包括：

至少一个压力传感器；

耦接至所述至少一个压力传感器的处理单元；

耦接至所述处理单元的至少一个电磁辐射发射器；

耦接至所述处理单元的至少一个电磁辐射检测器；

耦接至所述处理单元的至少一个模数转换器；

耦接至所述处理单元的存储器；

耦接至所述处理单元的同步线路；

耦接至所述同步线路的手指支架；以及

耦接至所述处理单元的至少一个警报单元。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被集成在可穿戴设备；智能手机；手机；手表；平板电脑；笔记本电脑；电脑；和/或其组合中的至少一个内。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个警报单元可操作以提供选自包括视觉警报、听觉警报、指示用户的水合状态的显示、指示用户的水合状态的听觉消息及其组合的组的警报。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述视觉警报指示手指按压是否足够宽频带。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述压力传感器选自包括压力板、电容式力传感器、压电传感器及其组合的组。

6.根据权利要求1所述的设备，进一步包含惯性测量单元(IMU)，所述惯性测量单元选自包括加速度计、陀螺仪、运动传感器及其组合的组。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述同步线路包括以下至少之一：

在所述至少一个压力单元与所述处理单元之间的触发信号；

在所述至少一个电磁辐射发射器与所述处理单元之间的触发信号；以及

在所述至少一个压力单元、所述至少一个电磁辐射发射器与所述处理单元之间的触发信号。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备可操作以执行选自包括以下各项的组的一个或多个任务：优化用户的水合、改善用户的睡眠、改善用户的锻炼、改善用户的运动表现、改善用户的注意广度、协助用户达成减肥目标、协助用户改善健康状况、协助用户达到美感、协助用户达成与护肤相关的目标及其组合。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备可用于选自包括以下各项的组的一种或多种医疗应用：保持患者体内平衡；管理患者的输入；管理患者的输出；促进肾脏保护；评估低血压事件的风险；评估由于低血压事件导致跌倒的风险；管理患者的血量；诊断血容量过多；诊断血容量不足；检查急性脱水；检查慢性脱水；诊断高血压；诊断低血压；和/或其组合。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备可操作以防止选自包括脱水、中暑及其组合的组的医疗问题。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备可操作以测量选自包括以下各项的组的值：光体积描记图(PPG)，心率，心率变异性，呼吸率，血压，交感神经系统的激活，副交感神经系统的激活，运动员的过度训练，运动训练的管理，搏出量，心输出量及其组合。

12.根据权利要求1所述的设备，进一步包括由选自包括以下各项的组的元件产生的一个或多个压力波：一个或多个蜂鸣器、压电致动器、音圈、机械致动器及其组合。

13.根据权利要求1所述的设备，进一步包括EKG，所述EKG可操作以测量脉搏传导时间(PTT)、血压及其组合中的至少一项。

14.一种用于监测水合的方法，包括：

将用户的手指压在设备的手指支架上，以产生手指按压；

通过至少一个传感器感测手指的存在；

提供指示施加压力的警报；

通过至少一个电磁发射器通过手指发射辐射；

通过至少一个电磁检测器检测通过手指的辐射；

通过同步线路验证电磁辐射是与一次或多次手指按压同步施加的；

通过至少一个模数转换器将所述电磁检测器检测到的辐射转换为数字信息；以及

通过处理单元使用存储在所述处理单元上的算法将手指压力数据和检测到的电磁辐射数据转换为水合水平；以及

将所述水合水平输送到与所述设备耦接的至少一个警报单元。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述算法可操作为将电磁辐射数据转换为选自包括氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、总血红蛋白浓度及其组合的组的发色团浓度。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，使用选自包括以下各项的组的过程来计算所述水合水平：

测量所述一次或多次手指按压与检测到的电磁辐射的变化之间的时间延迟；

测量所检测到的电磁辐射的频谱变化；

测量所述一次或多次手指按压的传递函数的变化，其中，所述传递函数由所述压力数据的频谱与检测到的电磁辐射数据的比值给出；

测量饱满程度，其中，所述饱满程度由tHb与压力负荷的比值给出；

测量饱满程度，其中，所述饱满程度由HbO₂与压力负荷的比值给出；

测量饱满程度，其中，所述饱满程度由HHb与压力负荷的比值给出；

测量饱满程度，其中，所述饱满程度由生物阻抗与压力负荷的比值给出；以及

其组合。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述手指是拇指。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述手指是食指。

19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电磁辐射包括在从约600nm至约1000nm的波长范围内的光辐射和在从约100Hz至约250MHz的范围内的电脉冲中的至少一种。

20.一种设备，包括：

至少一个压力传感器，用于测量至少一根手指施加的压力；

至少一个电磁辐射发射器，用于将电磁辐射发射到所述至少一根手指中；

至少一个电磁辐射检测器，用于检测通过所述至少一根手指传输的电磁辐射；

至少一个模数转换器，用于将由所述至少一个电磁辐射检测器检测到的电磁辐射数字化；

处理单元，可操作以处理由所述模数转换器数字化的数据；

存储器，由所述处理单元用来存储数据并执行算法；

同步线路；

手指支架，用于放置所述至少一根手指；以及

至少一个警报单元。

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