CN112770665A - 身体安装式传感器单元 - Google Patents
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Abstract
一种身体上传感器单元(12)，包括PPG传感器和ECG传感器，其各自具有暴露在所述单元的皮肤接触表面(16)处的传感器部分。PPG包括光学检测器(22)和至少一个光源(20a、20b)。在所述至少一个光源与所述光学检测器之间设置的是光拦截表面元件(28)，其适于吸收由至少一个PPG光源(20a、20b)生成的谱组成的至少大部分的光。定位在该表面元件内或者形成该表面元件的是由所述ECG传感器包括的电极(32a、32b)，所述电极至少具有吸收由所述至少一个光源生成的所述光的谱组成的大部分的暴露皮肤接口表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种身体安装式传感器单元，特别地用于使用在监测人体的一个或多个参数中。
背景技术
在生理参数监测领域中，存在朝向例如用于由住院患者以及当在家时出院患者两者使用的例如穿戴在胸部上的身体上系统的增长的趋势。身体上单元可以例如采取皮肤附着的贴片的形式。不同的感觉模态可以并入在身体上单元中。
心电图(ECG)和光体积描记(PPG)是可以各自被用于测量心率(例如平均心率或心跳间间隔)的两个感觉方法。ECG利用心肌的电刺激。PPG测量传感器下面的血管床的血容量改变。
ECG利用放置在皮肤上的至少两个电极并且记录在一段时间内的心脏的电活动。电极检测由于每个心跳期间的去极化和复极化的心肌的电生理模式而出现的皮肤的下层传导组织的小电改变。这可以被用于检测许多生理参数，包括心率以及呼吸速率(例如，通过跟踪ECG信号中的心跳间间隔和/或调制的改变)。
光体积描记(PPG)是评价感兴趣区或者体积的光反射或透射的时变改变的光学测量技术。PPG基于以下原理：血液比周围组织吸收更多光，因此血液体积或者血压的变化(例如，随着每个心跳、呼吸运动等)相应地影响透射或反射。通过检测检测的血液相关信号的改变，可以获得对应于脉搏的周期信号。
脉搏血氧计是基于PPG的传感器的一个示范性应用或者功能。尽管这样的传感器的目的是获得血氧饱和度的量度，但是其还检测皮肤中的血液体积的改变，并且从而执行PPG感测。通过检测血液体积的改变，获得对应于光脉冲的周期信号。此外，该较高频脉搏率信号在跟踪呼吸速率的较低频信号之上调制。因此，利用PPG信号的适合的滤波，可以获得脉搏率和呼吸速率信号两者。因此，PPG传感器可以通常用于提供脉搏率和呼吸速率的量度。检测到的PPG信号的其他应用也是已知的，诸如例如通过在原始PPG信号上实现适当的数据处理对心房纤颤、睡眠阶段、呼吸暂停等的检测。
ECG和PPG两者具有伴随的优点和缺点。
ECG的优点包括，其普遍地临床上被接受为测量技术并且测量结果相对地不由身体的其他生理改变影响。ECG的缺点在于，其要求至少两个电接触点(相反，PPG仅要求与身体的一个(光学)接口点)以及通常与皮肤的好的接口。
PPG的优点包括，其仅要求与身体的一个接触点，并且可以在身体上的几乎任何位置被测量，这使其对不同的情况高度灵活。然而，PPG的缺点在于，其不普遍地临床上被接受为生理量度，并且测量结果稍微由生理改变影响，诸如血管运动。
将ECG和PPG模态两者包括在单个身体上测量单元(诸如腕戴式设备)中是已知的。然而，已知设备是大型并且笨重的，因为包括除PPG光学部件之外的ECG的多个电极需要显著的总表面积。这使其对于用户不舒适并且不实际，特别地如果长期穿戴。例如，在基于贴片的设备的情况下，另一问题在于，大表面积防止皮肤伸展。由于如果贴片面积太大则其可以更容易地从皮肤分离，因此这是不舒适的并且降低设备寿命。
此外，部件的放置要求仔细考虑(特别地在其中传感器准确度特别重要的情况下，诸如专业临床领域)，因为一些部件(诸如PPG光学传感器)要求其周围的表面间隙用于阻挡或拦截入射光(在PPG传感器的情况下)或用于阻挡灰尘或其他污染物的进入。对于一些设备，诸如基于贴片的单元，在某些部件(诸如ECG电极)周围还需要空间用于粘合以确保与皮肤维持适当的接触。欠考虑的放置能够减小对专业临床应用特别重要的传感器准确度(与例如主流消费电子器件应用相反)。
寻找经改进的身体上传感器设备，其当由用户穿戴时是更舒适并且更不笨重的，但是其中，传感器准确度未降低。
发明内容
本发明由权利要求书定义。
根据依据本发明的方面的范例，提供了一种身体安装式传感器单元，包括：
皮肤接触表面，其用于当所述单元处于身体安装配置中时与用户的皮肤接合；
PPG传感器，其包括：至少一个光源，其适于生成特定谱组成的光；以及至少一个光学检测器，其对所述谱组成的至少部分敏感，所述光源和光学检测器被布置为将光发射到与所述皮肤接触表面接触的皮肤并且从与所述皮肤接触表面接触的皮肤接收光；以及
ECG传感器，所述ECG传感器包括至少一个电极，其在所述皮肤接触表面处电学暴露；
由皮肤接触表面元件定义的皮肤接触表面的部分，所述元件具有布置在所述光学检测器与所述PPG传感器的至少一个光源之间的至少部分，其中，所述表面元件适于吸收所述谱组成的至少大部分，并且
其中，所述至少一个电极中的第一个被定位在所述表面元件的至少一部分处或形成在所述表面元件的至少一部分中，所述电极适于吸收所述谱组成的至少大部分。
本发明的实施例基于通过高效地共享用于多个功能的某些表面区域使总单位表面空间最小化。传感器准确度的减小通过某些光吸收材料部分的集成避免。
针对最佳PPG传感器准确度，提供了具有被布置在所述光学检测器与所述至少一个光源之间(例如，被内插在所述检测器与光源之间)的至少部分的光吸收表面元件。这是防止从所述光源到所述光学检测器的直接光穿透，其能够干扰读数。该部分因此吸收由所述光源生成的光的谱组成的至少大部分。
因此，所述表面元件例如是光阻元件。
由于所述皮肤接触表面的该部分应当在使用中接触所述皮肤，但是不具有另外的感测功能，发明人已经认识到，该区域可以有用地用于ECG电极的包括。该部分处的表面元件的重要光阻效应的降低通过确保电极(例如电极的至少皮肤接触表面部分)还吸收由至少一个PPG光源生成的谱组成的至少大部分。
以这种方式，可以在不减小PPG传感器读数的准确度的情况下减少传感器单元的总皮肤接触表面积。因此，这允许所述单元的总形状因子降低，而不损害用于例如所述专业临床领域中的生理参数监测的单元的可靠性。
所述第一电极可以位于所述表面元件处。这可以意指例如与所述表面元件一致定位，或者在表面元件的外部边界内。例如，其可以设置在所述表面元件之上或者被布置为由所述表面元件围绕。
在另外的范例中，所述第一电极可以形成所述表面元件的至少一部分。其可以形成全部所述表面元件。
出于本公开的目的，对光的引用被理解为包括对红外光和电磁谱的其他非可见部分的引用。
所述表面元件适于吸收由至少一个PPG传感器光源生成的光的谱组成的至少大部分。由此意指所述谱组成的至少50％、优选地所述谱组成的至少60％、更优选地所述谱组成的至少70％、并且甚至更优选地所述谱组成的至少80％。
所述光的谱组成指代由光包括的电磁辐射的分量波长(或频率)。
所述表面元件提供防止由所述至少一个光源生成的光到达所述光学检测器而不穿过皮肤的功能，即，防止光到所述检测器的直接穿透而没有由所述皮肤造成的任何中间吸收或所述皮肤上的反射。
在一些情况下，所述表面元件可以相对于所述皮肤接触表面的周围区上升或者升高以增强从所述至少一个光源直接传播的光的拦截。其可以相对于所述光学检测器上升从而限制光可以从其直接地传播到所述光学检测器中的角范围。特别地，与所述皮肤接触表面横向或者平行行进的光可以由所述表面元件阻挡或者拦截，并且由所述光吸收表面吸收。
在有利的范例中，所述表面元件可以逐深度延伸到用于拦截或阻挡在所述至少一个光源与所述光学检测器之间穿透身体的光的单元的体部中。
针对最大光拦截效应，所述表面元件可以是环形表面元件，其被布置为围绕至少所述PPG光学检测器和/或所述至少一个光源延伸。
为了构建简单起见，并且为了使光阻效应最大化，所述ECG的所述第一电极可以由吸收(所述至少一个光源适于生成的光的)所述谱组成的至少大部分的材料形成。例如，所述材料的颜色可以至少部分地促进该吸收。以这种方式，光吸收暴露表面颜色由例如所述电极的材料组成自动提供。
例如，所述第一电极可以包括材料或者由材料形成，所述材料包括：
导电硅材料，其被配置为实现对来自用户的、所述电极以接触方式被放置在其中的皮肤的水分的摄取或扩散，
导电粒子，所述粒子包括至少导电碳粒子，以及
清洁剂，其被配置为促进通过所述导电硅材料的离子的流动。
该范例材料提供干离子电极材料。由于碳粒子的包括，这样的材料可以容易地由暗光吸收颜色(诸如黑色或灰色)形成，以促进以上特征。所述碳还增强电导率。
该范例材料在WO 2016/189422中详细描述。在本申请的说明书和权利要求中概述的电极材料的所有选项和变化还可以适用于本发明的实施例的第一电极。
如上所述，所述至少一个电极中的第一个位于所述表面元件处或者形成所述表面元件的至少一部分。
在所述第一电极仅仅被定位在所述表面元件处的情况下，这意指所述表面被定位在(例如，被暴露在)落在所述表面元件的边界内的皮肤接触表面的区域处，即，被定位在由所述表面元件定义的皮肤接触表面的所述部分的边界内。其可以在一些情况下设置在所述表面元件之上，或者被布置由其涵盖或围绕。
在所述第一电极形成所述表面元件的至少一部分的情况下，其可以完全形成所述表面元件，即，所述电极的暴露表面可以提供由所述表面元件定义的皮肤接触表面的所述部分。在其他情况下，其可以仅形成所述表面元件的一部分，即，仅提供该部分。
如上所述，所述表面元件的至少部分被布置在所述PPG传感器的所述光学检测器与至少一个光源之间。
皮肤接触表面元件的至少部分可以跨越所述至少一个光学检测器与所述至少一个光源之间的距离，即，可以延伸从所述至少一个光学检测器到所述至少一个光源的全距离。
根据有利的范例，所述表面元件可以延伸超过所述至少一个光源。
例如，所述表面元件可以延伸远离所述光学检测器到所述至少一个光源与所述皮肤接触表面的外围之间的点或线。
所述表面元件从而可以涵盖所述至少一个光源，即，使得所述至少一个光源的光学输出区被定位在所述表面元件内或由所述表面元件涵盖。
所述表面元件可以是环形表面元件，其被布置为围绕所述PPG光学检测器延伸。
根据以上范例中的任一个，所述第一电极的表面元件和/或暴露表面可以是黑色或灰色，例如其由在颜色上为黑色或灰色的材料形成。颜色黑色或灰色吸收全部波长的光。灰色或黑色(从浅灰到全黑)的特定明暗度简单地配置吸收的入射光的数量或比例。较浅的灰色吸收比较深的灰色和黑色更小比例的入射光。针对最佳光吸收，所述表面元件可以是黑色。
根据一个或多个实施例，所述身体安装式传感器单元还可以包括围绕至少所述至少一个光源和光学检测器延伸的光阻环，所述环从所述皮肤接触表面突起并且用于在使用中与用户的皮肤接合以阻挡环境光的通道。所述光阻环可以形成例如边缘或突起唇，其以密封方式与所述皮肤接合以用于阻挡光的通道。所述环可以是光密封环。
所述光阻环可以围绕所述皮肤接触表面的外围区域延伸。外围区域意指比中心或中间更接近于所述皮肤接触表面的外围的区域。例如，所述外围区域可以是在从中心点与最外部外围之间的中路和最外部外围的任何地方之间径向延伸的外部环形区域，例如从所述皮肤接触表面的径向中点和所述外部外围的任何地方。
根据一个或多个范例，所述光阻环可以至少承载所述ECG传感器的另一电极，所述另一电极在所述环的皮肤接合表面处电学暴露。所述另一电极可以例如集成或者部分嵌入在所述环中或者承载在所述环的表面上。这提供针对所述另一电极的紧凑空间放置，因为相同皮肤接触区被用于如针对ECG电极接触的光阻元件。
根据任何实施例，所述PPG传感器的光学检测器可以有利地设置在所述皮肤接触表面的中心区域中。中心区域可以意指比外部外围更接近于所述表面的中心的区域。该区域可以例如从中心与外部外围之间的中点和中心的任何地方延伸。
通过将所述光学检测器定位在中心区域中，其与外围尽可能远程地定位。这使任何环境光(其可以以其他方式从外围泄露)通到所述光学检测器的穿透最小化。这改进测量结果的准确度。
在一些范例中，所述至少一个光源可以然后设置在所述光学检测器与所述皮肤接触表面的外围之间的位置处。
根据一个或多个范例，所述传感器单元可以包括多个光源，其被布置在所述光学检测器周围。所述皮肤接触表面的至少部分可以在所述光学检测器周围环形延伸，并且可以包括所述光源中的每个与所述光学检测器之间的部分。
根据一组实施例，所述身体安装式传感器单元可以采取身体安装式或可穿戴贴片的形式。在这种情况下，所述身体安装式单元可以例如采取柔性薄板或元件的形式，其具有跨皮肤接触表面的至少部分的粘合层，以用于使用在将所述贴片粘合到用户的皮肤中。所述贴片可以包括纺织品层。在其他范例中，所述贴片可以包括用于缓冲应用到皮肤的泡沫材料。
根据另一组实施例，所述身体安装式单元可以采取可穿戴设备的形式，例如，腕戴式设备。这可以是智能手表设备。在这种情况下，所述身体安装式单元可以包括具有皮肤接触表面的主要体部部分，并且该体部部分包括所述PPG传感器和ECG传感器或部分地由所述PPG传感器和ECG传感器形成。该体部部分可以耦合到用于将所述体部部分可移除地安装到用户的手腕的条带布置。
所述身体安装式传感器单元可以用于监测一个或多个生理参数。所述单元可以是生理参数监测单元。
根据任何实施例，所述身体安装式传感器单元还可以包括控制器，其适于从所述至少一个电极和从所述光学检测器接收信号输出，并且基于所述信号输出来导出一个或多个生理参数的量度。
所述一个或多个生理参数可以包括心率。所述一个或多个生理参数可以额外或备选地包括血氧饱和度水平(SpO2)、心跳间间隔率和/或呼吸速率。
所述生理参数可以额外或备选地包括血压或血压相关度量，诸如射血前期、脉搏传导时间、脉搏到达时间。这些量度例如可从PPG和ECG传感器信号的组合导出。
本发明的这些和其他方面将根据在下文中描述的(一个或多个)实施例而显而易见并且将参考在下文中描述的(一个或多个)实施例得到阐述。
附图说明
为了本发明的更好理解并且更清楚地示出其可以如何实现，现在将仅通过范例对附图进行参考，其中：
图1示出了根据本发明的一个或多个实施例的范例身体上传感器单元；
图2通过示出了根据一个或多个实施例的另外的范例身体上传感器单元的截面；
图3示出了根据一个或多个实施例的另外的范例身体上传感器单元；并且
图4描绘了根据一个或多个实施例的另外的范例身体上传感器单元的布局。
具体实施方式
本发明将参考附图来描述。
应理解到，详细描述和特定范例在指示装置、系统和方法的示范性实施例时旨在仅出于图示的目的并且不旨在限制本发明的范围。本发明的装置、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点将从以下描述、权利要求书和附图变得更好理解。应当理解，附图仅仅是示意性的并且未按比例绘制。还应当理解，相同附图标记贯穿附图被用于指示相同或者相似部分。
本发明提供身体上传感器单元，包括PPG传感器和ECG传感器，其各自具有暴露在单元的皮肤接触表面处的传感器部分。PPG包括至少一个光学检测器和至少一个光源。在至少一个光源与光学检测器之间设置的是光拦截表面元件，其吸收由PPG光源生成的光的至少大部分谱组成。定位在该表面元件处或者形成该表面元件的至少部分的是ECG传感器的电极，所述电极适于吸收由至少一个光源生成的所述光的大部分谱组成。
本发明利用PPG传感器。现在将简要概括PPG的基本原理。
光体积描记(PPG)是评价感兴趣区或者体积的光反射或者透射的时变改变的光学测量技术。PPG基于以下原理：血液比周围组织吸收更多光，因此随着每个心跳的血液体积的变化相应地影响透射或者反射。通过检测血液体积的改变，获得对应于光脉冲的周期信号。
除关于心率的信息之外，PPG波形可以包括可归因于其他生理现象(诸如呼吸)的信息。通过评价不同的波长(通常地红光和红外)处的透射率和/或反射率，还可以确定血氧饱和度。
PPG传感器例如包含至少一个LED，以及一个光检测器。LED和检测器被放置为使得LED将光引导到用户的皮肤中，其被反射或透射，并且由检测器检测到。反射/透射光的量由(除了其他之外)皮肤内的血液的灌注确定。
PPG系统例如包括红色LED、近红外LED和光电检测器二极管。PPG传感器通常与LED和光电检测器二极管一起直接地被配置在患者的皮肤上，通常在指部(手指或脚趾)或耳垂上。
患者上的其他位置还可以是适合的，包括前额、鼻子或面部的其他部分、手腕、胸部、鼻柱、侧翼、耳道和/或嘴的内部，诸如脸颊或舌头。
可以提供超过一个LED。LED可以以不同波长发射光，该光通过患者的皮肤的血管床散射并且由光电检测器二极管接收。测量波长中每个处的改变的吸收率，从而允许PPG传感器(或连接到PPG传感器的检测器的额外的信号处理单元)单独确定归因于脉动动脉血的吸收率，而不包括例如静脉血、皮肤、骨骼、肌肉和脂肪。可以然后分析得到的PPG信号。
在透射脉冲中，传感器设备被放置在患者的身体的薄部分上。反射脉冲可以用作透射脉冲的备选方案。该方法不要求人的身体的薄部分并且因此非常适合于更普遍的应用，诸如脚、前额和胸部。
当将PPG和ECG集成在单个传感器单元中时，存在表面区空间上的大量的需求。这特别地是其中传感器测量结果的准确度特别重要(诸如在专业医学领域中)的情况，因为此处，额外元件可能需要用于光阻。
例如，在某些优选的情况下，当将PPG和ECG传感器集成在单个身体安装式单元(诸如贴片)中时，每个传感器模态(例如ECG电极和PPG光学检测器)至少要求用于传感器的第一区(例如近似1-2cm直径)以及优选地用于与皮肤进行接触的相应传感器周围的环形区(例如近似地1cm宽)。
在ECG传感器的情况下，该环形区可以例如是用于抵着用户的皮肤耦合传感器刷新并且用于防止水分、灰尘和其他污染物的进入的粘合剂环。在PPG光学检测器的情况下，该环形区域可以用于执行光拦截功能。特别地，其优选地具有PPG光学检测器与由身体或元件定义的光源之间的皮肤接触表面的部分，所述身体或元件是光吸收的以用于阻碍从PPG光源直接地到光学检测器的光的通道。
因此，在每个情况下，环形区用于改进传感器的准确度或可靠性。
如上文所讨论的，针对身体上传感器单元，减少设备的总要求皮肤接触面积在针对用户的舒适和实用性方面具有益处。特别地，这允许设备的形状因子减少，使其更不笨重，并且在基于贴片的设备的情况下，允许针对粘合剂的更多空间，因此改进粘合度并且因此贴片的寿命。
本发明的实施例提供具有PPG和ECG传感器两者的身体安装式传感器单元，其中，总皮肤接触面积通过将感测和光阻功能集成在某些共享表面部分内来减少。
图1示意性地描绘了根据本发明的实施例的范例身体安装式传感器单元12。示出的范例传感器单元采取贴片的形式。然而，这仅表示一个范例，并且下文概括的描述、解释和变化可以以相同优点适用于任何其他形式的身体安装单元，例如可穿戴设备，诸如腕戴式设备。
身体安装式传感器单元12包括体部部分14，其具有用于当单元在身体安装配置中时与用户的皮肤接合的皮肤接触表面16。因此，图1示出了单元的“下侧”，其当单元在安装配置中时应用到用户的皮肤区域。
在图1的贴片范例中，体部部分包括薄柔性板或垫元件(即，贴片)，其可以例如至少部分地包括纺织材料或柔性塑料材料。体部部分的皮肤接触表面16的全部或一部分可以利用粘合层涂敷以用于在使用中将单元粘附到用户的皮肤。
皮肤接触表面指代单元的暴露表面，其当单元被安装到身体时与用户的皮肤进行接触。其至少部分地由薄板或贴片元件的暴露外表面形成，并且还可以包括耦合或安装到薄板或贴片的元件的暴露表面。
在体部部分14内包括的是PPG传感器，包括两个光源(20a、20b)，其适于生成具有特定谱组成的光，并且光学检测器22对所述谱组成敏感。可以备选地提供超过两个光源，或者在其他范例中可以提供单个光源。在另外的范例中，还可以备选地提供超过一个光学检测器。
光源20a、20b和光学检测器22被布置为分别地在皮肤接触表面16处发射和接收光。特别地，每个包括用于分别地发射或接收光的皮肤接触表面处暴露的相应光学窗口。例如，每个光源20a、20b具有布置在用于在使用中发射光的皮肤接触表面处的光输出表面。光学检测器22具有布置在皮肤接触表面处的光输入窗口以用于在使用中接收从入射皮肤反射的光。
在一个或多个范例中，光学检测器22的光输入窗口包括用于在设备的使用期间将从皮肤反射的光引导到光学检测器中的光导或透镜。光导或透镜可以从皮肤接触表面16突起。其可以中凸地突起。
光源20a、20b中的每个可以以范例的方式包括一个或多个LED。光源可以适于生成具有任何谱组成的光。这可以包括可见光，但是也包括红外光或电磁谱的其他非可见部分。通常针对PPG，红光由光源生成。光学检测器可以是或包括光电检测器二极管。
为了使环境光到光学检测器22的穿透最小化，检测器被定位在皮肤接触表面16的中心区域处。两个光源被定位在光学检测器的任一侧在检测器与皮肤接触表面的外围之间。
体部部分还包括ECG传感器，该ECG传感器包括两个电极32a、32b，其各自布置为电学暴露在皮肤接触表面14处。在备选范例中可以提供超过两个电极。在其他范例中，仅一个电极可以包括在单元中。尽管ECG传感器通常要求来自两个电极的输入来运行，但是第二电极可以例如分离地被提供有ECG传感器，所述ECG传感器可操作地被布置为可与例如这样的电极耦合。
皮肤接触表面16包括设置在光源20a、20b与PPG的光学检测器22之间的表面元件28，该表面元件适于吸收由光源20a、20b生成的谱组成的至少大部分的光。表面元件定义光源与光学检测器之间的皮肤接触表面的部分。
例如，大部分意指至少50％，并且更优选地至少60％、或至少70％或至少80％。例如，其可以由具有吸收所述谱组成的光的颜色的材料形成。以这种方式，表面元件执行光阻功能，其起作用以至少部分地吸收在PPG传感器的方向上由光源发射的光。
表面元件28阻碍或阻挡直接地从光源20a、20b到光学检测器22的光的通道，该光能够干扰检测器读数。从而增强PPG传感器准确度和可靠性。
更特别地，表面元件被布置用于防止由光源生成的光到达光学检测器而不穿过皮肤，即，防止光到检测器的直接穿透而没有由皮肤造成的任何中间吸收或由皮肤造成的反射。
在一些范例中，表面元件28可以是层元件，并且可以具有逐深度延伸到传感器单元的体部部分14中的体部。以这种方式，表面元件可以被布置为阻挡光穿透光源中的任一个与光学检测器之间的体部部分。
在图1的范例中，该表面元件28是黑色或灰色。然而，可以备选地使用吸收所述谱组成的其他颜色。此外，在图1的范例中，表面元件是环形表面元件并且围绕PPG的光学检测器22延伸。
根据某些范例，PPG光学检测器22与光源20a、20b中的每个之间的典型最小距离可以在5mm与8mm之间。这仅是示范性的，并且发明构思不限于这样的尺度。在这些情况下，光吸收表面元件可以具有5mm与8mm之间的最小径向延伸。例如，表面元件可以是具有5mm与8mm之间的环形环宽度的环形表面元件。
为了有效节省空间，ECG的所述电极中的第一个32a被布置为提供，即，形成所述光吸收表面元件28，其中，电极吸收由光源20a、20b生成的所述谱组成的至少大部分的光。形成电极的材料的颜色可以至少部分地促进这一点。电极材料(例如，至少形成电极的暴露表面的材料)的颜色可以是黑色或灰色。
特别地，在该范例中，第一电极被布置在体部部分中，使得其暴露表面在两个光源20a、20b与光学检测器22之间延伸。因此，电极形成光吸收表面元件，其定义皮肤接触表面16的一个部分，并且吸收由光源20a、20b生成的谱组成的至少大部分的光(例如具有是如此吸收的颜色)。第一电极32a特别地以环形形状提供从而提供环形表面元件。
尽管在该范例中，光阻表面元件跨越PPG光学检测器与光源之间的距离，但是在其他范例中，其可以仅覆盖该距离的部分。例如，其可以被布置为简单地内插在光学检测器与光源之间。
如上所述，第一电极32a适于吸收所述谱组成的至少大部分的光。例如，其至少具有吸收所述谱组成的光的暴露表面。
在一些情况下，电极32a可以在其暴露表面上提供有导电涂层或者皮肤，该涂层或者皮肤对所述谱组成的至少大部分的光吸收。例如，涂层或皮肤的颜色可以促进这一点。
在其他范例中，电极32a可以由吸收至少大部分所述谱组成的材料形成或组成(完全地)。由于电极自己的材料组成提供光吸收性质，这提供结构上更简单的布置。
根据本发明的任何实施例，电极可以由材料形成，所述材料包括：
导电硅材料，其被配置为实现对来自用户的、所述电极以接触方式被放置在其中的皮肤的水分的摄取或扩散，
导电粒子，所述粒子包括至少导电碳粒子，以及
清洁剂，其被配置为促进通过导电硅材料的离子的流动。
在WO 2016/189422的说明书和权利要求中详细描述了该材料的实施方式。在本申请的说明书和权利要求中概述的电极材料的所有选项和变化还可以适用于本发明的实施例的第一电极。
现在将概括用于电极材料的实现选项的非限制性选择。
电极可以由包括硅材料、导电粒子和清洁剂的材料形成。在一些范例中，除碳之外，导电粒子可以包括石墨、和/或银片或粒子。
在一些范例中，导电粒子可以与硅材料混合以形成导电硅材料。在一些范例中，电极材料可以包括大约25至75％权重的范围的硅材料、大约20至50％权重的范围的导电粒子和大约5至25％权重的范围的清洁剂。在一些范例中，电极材料可以包括50％权重的硅材料、35％权重的导电粒子和15％权重的清洁剂。在一些范例中，电极材料可以通过将15g的清洁剂和35g的导电粒子与50g的硅材料混合来形成。
在一些范例中，硅材料、导电粒子和清洁剂可以使用混合挤出、高速混合过程混合，其可以在大约10至150℃的温度范围处执行。在一些实施例中，硅材料、导电粒子和清洁剂可以使用高速混合或混合挤出设备混合。
在一些范例中，导电硅材料可以被配置为向第一电极提供水分调节性质。在一些实施例中，导电硅材料可以是亲水性导电硅材料或聚二甲硅氧烷材料。导电硅材料的添加亲水性质引起来自对象的皮肤和来自对象的皮肤周围的空气的水分摄取。因此，电极的导电硅材料提供针对皮肤的舒适层。在一些实施例中，导电硅材料可以包括导电液体硅橡胶。在一些实施例中，导电硅材料可以包括可商购的
LR 3162材料。
在一些范例中，肥皂或清洁剂可以包括α-烯烃磺酸盐、肥皂、钠(C14-16)烯烃磺酸盐、和烯烃磺酸盐。在一些范例中，肥皂或清洁剂与导电硅材料混合以形成均匀材料。在一些实施例中，清洁剂可能不仅与硅材料混合，而且化学键合到硅(例如，聚二甲硅氧烷)材料的骨干上。在一些实施例中，肥皂或清洁剂可以包括可商购的Bio-
AS-90Beads。在一些实施例中，9％的清洁剂(例如，Bio-
AS-90Beads)可以添加到导电硅材料(例如，
LR 3162)。
在一些范例中，清洁剂被配置为将水吸收到硅材料中。在一些实施例中，清洁剂被配置为通过水的重量吸收超过20％。水与离子(由清洁剂添加的)的相互作用被配置为用作盐桥。在一些实施例中，水和/或身体/体液与离子(由清洁剂添加的)的相互作用被配置为用作离子更丰富的电解质-电极桥。
在一些范例中，混合到导电硅材料中的清洁剂添加剂可以被配置为改进通过导电硅材料的离子流。这改进干硅电极的电极-电解质接口。在一些实施例中，电极被配置为使得电流能够横穿电极-电解质接口。在一些范例中，添加到硅材料的清洁剂可以具有要么液体形式要么粉末/固体形式。
在一些范例中，硅材料可以填充有导电粒子(至少碳并且还任选地例如石墨和/或银)以获得电性质。在一些实施例中，添加到硅材料的导电粒子可以具有要么液体形式要么粉末/固体形式。这使得材料针对电子而不是针对离子导电。通过将离子添加到导电硅材料中，两个性质改变以便于降低与皮肤相互作用的电极路径的阻抗。第一，离子的交换变得可能并且经修改的硅酮被配置为从与皮肤接触的汗吸收/拖曳水。在一些实施例中，水摄取不仅来自皮肤，而且来自例如空气水分、自来水、潮湿存储封装、和/或淋浴。水的吸收被配置为充当盐桥。以这种方式，硅酮可以被修改为块状亲水性化合物或块状粒子导电亲水性化合物。
在一些范例中，第一电极32a可以具有向下延伸(逐深度)到身体安装式传感器单元12的体部部分14中或者形成该体部部分的一部分的体部。该凹陷部分可以然后提供进一步的光阻效应，抑制通过PPG光学检测器22与光源20a、20b之间的体部部分的材料的光的潜在穿透。下文将描述这样的范例。
尽管在图1中所图示的布置中，表面部分28由第一电极32a形成，但是这不是实质性的。在备选范例中，电极可以定位在较宽的光吸收表面元件28处或内。在这种情况下，第一电极可以仅形成表面元件28的一个部分或者可以安装在光吸收表面元件的部分之上并且在其上延伸。
图1的范例身体安装式传感器单元12还包括被布置为在体部部分14的外围周围延伸的光阻环30。以这种方式，光阻环在光源20a、20b和PPG的光学检测器22周围延伸或包含光源20a、20b和PPG的光学检测器22。环从皮肤接触表面14突起，使得当身体安装传感器单元12被安装到身体时，环与用户的入射皮肤密封接合从而阻挡通到PPG光学检测器22的环境光的通道。
在图1的特定范例中，为了进一步节省空间，光阻环承载ECG传感器的另一电极32b，另一电极在环的皮肤接合表面处电学暴露。另一电极可以整体地包括在环中，或可以安装或耦合到环的皮肤接合表面。
在使用中，身体安装式传感器单元12被附接或安装到具有与对象的皮肤接合应用的皮肤接触表面的体。在图1中所示的贴片实施例的情况下，贴片利用抵着皮肤应用的皮肤接触表面粘附到患者的皮肤。跨皮肤接触表面16的一个或多个部分的粘合剂层起作用以将贴片粘附到皮肤。可以备选地使用如对于技术人员而言将显而易见的将贴片粘附到皮肤的其他模块。
利用安装到身体的身体安装式传感器单元12，ECG电极与皮肤电接触布置，并且PPG光源20a、20b和光学检测器22与皮肤光学通信地布置。
传感器单元12还可以包括控制器(未示出)，其被布置为从电极中的每个并且从光学检测器接收信号输出，并且基于信号输出来导出一个或多个生理参数的量度。控制器还可以控制PPG的光源和光学检测器。
更特别地，在使用中，光源20a、20b可以被控制为将光引导到用户的皮肤中，所述光反射或透射并且由光学检测器22检测。反射/透射光的量由(除了其他之外)皮肤内的血液的灌注确定。
入射光通过患者的皮肤的血管床散射并且由光学检测器接收。可以测量光的改变吸收率，从而允许检测器(或连接到检测器22的信号处理单元)单独确定归因于脉动动脉血的吸收率，不包括例如静脉血、皮肤、骨骼、肌肉和脂肪。可以然后分析得到的PPG信号。
光源20a、20b与光学检测器22之间的光吸收表面元件28确保进入光学检测器的基本上所有光是从皮肤反射的光而非直接地从光源20a、20b接收。直接从光源传播的光由表面元件28拦截并且基本上被吸收。
表面元件28可以相对于皮肤接触表面的周围区上升或者升高以增强直接从光源20a、20b传播的光的拦截。
图2示出了通过根据一个或多个实施例的另外的范例身体安装式传感器单元12的截面视图。在这种情况下传感器单元以手腕安装式设备的形式图示，其具有体部部分14和用于将体部部分可释放地安装到用户的手腕的耦合条带80。然而，针对该范例的传感器部件的所描述的布置可以适用于任何类型的身体安装式单元，包括例如身体安装式贴片单元。相对于图1的范例所描述的以上选项或变化中的任一个也可以适用于目前描述的范例。
如在图1的范例中，传感器单元12包括具有皮肤接触表面16的体部部分14。包括在体部部分内或作为体部部分的一部分的是PPG传感器，其具有基本上中心布置在皮肤接触表面16内的光学检测器22和布置在光学检测器的任一侧的两个LED光源20a、20b。
光学检测器在皮肤接触表面处光学暴露，特别地具有在皮肤接触表面16处暴露的光输入窗口。
光源20a、20b各自在皮肤接触表面处光学暴露，每个具有在皮肤接触表面16处光学暴露的光输出窗口。光源中的每个在使用中适于生成具有定义的谱组成的光输出。
还由体部部分14包括的是具有两个电极(32a、32b)的ECG传感器。
在该范例中，电极32a中的第一个由导电并且吸收如由光源20a、20b生成的谱组成的至少大部分的光的材料形成。该第一电极被布置为使得电极32a的电暴露表面33从PPG光学检测器22的外部外围延伸，并且到LED光源并超过LED光源。其延伸到光源与皮肤接触表面的外围之间的点。以这种方式，电极的暴露表面涵盖或者围绕光源。在该范例中，暴露表面是环形的并且完全围绕并且涵盖光学检测器22和光源20a、20b两者。
由于第一电极32a的材料吸收与如由光源20a、20b生成的相同的谱组成的光，因此其形成吸收该谱组成的光的表面元件。
如可以在图2中看到的，第一电极32a的体部逐深度延伸到传感器单元12的体部部分14中并且从而部分地形成或者构成体部部分的体部。
身体安装式传感器单元12还包括围绕皮肤接触表面16的外围延伸的光阻环30。这从皮肤接触表面突起以用于当单元被安装到手腕时与用户的皮肤进行(光)密封接合。这帮助防止光在下面穿透体部部分14，其中，其可以干扰光学检测器。
由第一电极32a形成的光吸收表面元件从PPG光学检测器22延伸，超过光源20a、20b并且直到光阻环30。
第二电极32b安装为在光阻环的皮肤接触表面处电学暴露，如在图1的范例中。
PPG光学检测器22在皮肤接触表面处稍微突起。这归因于在光学检测器之上提供的突起透明盖。这充当用于光学检测器的光学窗口。其可以适于对透镜元件起作用：在其接收在光学检测器22内之前聚焦、引导或以其他方式光学处理光。突起光学窗口然而不是实质性的，并且在其他范例中可以省略。
尽管在该范例中，光阻第一电极跨越从PPG光学传感器到光阻环的整个距离(即，桥接该距离)，但是这不是实质的。例如，其可以仅被布置在光学检测器与光源之间。例如，其可以被布置为至少内插PPG光学检测器和光源。
以另外的范例的方式，图3图示了另一范例身体安装式传感器单元12。该范例以身体安装式贴片单元的形式示出。然而，传感器部件的相同配置可以应用到任何形式的身体安装式单元，包括例如可穿戴设备。
该图示的范例类似于图2的范例，包括从PPG光学检测器22的外围延伸并且直到并且超过设置在PPG光学检测器的任一侧的光源20a、20b的第一ECG电极32a。以这种方式，电极的暴露表面涵盖光源。
在该范例中，暴露表面是环形的并且完全围绕光学检测器22和光源20a、20b两者。第一电极被示出稍微短于光阻环30的内周长而停止。然而，电极可以备选地一直延伸到光阻环的内周边。
如在以上图2的范例中，所述第一32a电极由导电并且吸收由光源20a、20b生成的谱组成的大部分的光的材料形成。
第二电极32b再次布置为电学暴露在光阻环的皮肤接触表面处，如在图1和2的范例中。
体部部分14的皮肤接触表面16可以包括用于在使用中将贴片粘附到用户的身体的粘合层涂层。
图4通过范例示出了另外的范例身体安装式传感器单元12的布局。身体安装式传感器单元包括PPG传感器和ECG传感器。如在图1和图3的范例中，该单元采取身体安装式贴片的形式。
贴片包括具有皮肤接触表面16的体部部分14。在皮肤接触表面上包括的是彼此空间分离的两个圆垫元件50a、50b，垫元件用于在使用中与用户的皮肤接合。在垫元件中的第一个的表面处暴露的是PPG传感器的光学检测器22和两个光源20a、20b。ECG传感器的第一电极32b的电学暴露表面形成在光学检测器22与光源20a、20b恰上面的点之间延伸的环形光吸收表面元件28。该光吸收表面元件从而涵盖并且围绕光源20a、20b。
在备选范例中，第一ECG电极32a的暴露表面可以延伸以覆盖比图1所示的面积更大的面积，或者可以覆盖更小的面积。在最小值处，由ECG电极32a形成的光吸收表面元件28应当具有布置为内插在光学检测器22与光源20a、20b之间的至少部分。
关于图1、图2或图3的以上范例中的任一个的光源20a、20b、光学检测器22和环形第一电极32a所描述的特征和选项也可以应用于图4的范例中的这些元件。
暴露在第二垫元件50b的皮肤接触表面处的是第二ECG传感器电极32b。该电极覆盖第二垫元件50b的整个表面积。然而，这仅以范例的方式。在另外的范例中，第二电极暴露表面可以覆盖较小面积。
通常，由于ECG传感器灵敏度被改进，因此针对第一或第二ECG电极的较大表面积是有利的。
因此，两个ECG电极的空间分离在图4的本范例中比在图1的范例中更大。例如，在其中心脏的任一侧的ECG电极的放置是期望的情况下，这可以是优选的。图4的贴片可以例如利用应用在定位在对象的心脏的任一侧的皮肤的相应区域上的两个垫元件50a、50b附接到胸部。例如，两个垫元件可以分开至少5cm或至少10cm。
皮肤接触表面16可以包括用于在使用中将贴片粘附到用户的身体的粘合层涂层。垫元件可以至少部分地涂有用于将电极和PPG部件粘附到身体的粘合层。
尽管上文详细描述的两个实施例涉及基于贴片的单元，但是其他身体安装式单元也可以根据设备提供，诸如腕戴式设备、胸带设备、头部穿戴设备、脚踝穿戴设备、颈部穿戴设备或任何其他形式的身体安装式设备。
如上文所讨论的，某些实施例利用控制器。控制器可以利用软件和/或硬件以多种方式实施，从而执行所需的各种功能。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个示例，该一个或多个微处理器可以使用软件(例如，微代码)来编程以执行所需的功能。然而，控制器也可以在采用或不采用处理器的情况下实施，并且还可以被实施为用于执行一些功能的专用硬件和用于执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电路)的组合。
可以在本公开内容的各种实施例中采用的控制器部件的示例包括但不限于常规的微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。
在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一种或多种存储介质相关联，这一种或多种存储介质例如为易失性和非易失性计算机存储器，例如，RAM、PROM、EPROM和EEPROM。可以利用一个或多个程序来编码存储介质，这一个或多个程序当在一个或多个处理器和/或控制器上运行时执行所需的功能。各种存储介质可以被固定在处理器或控制器内，或者可以是可转移的，使得存储在其上的一个或多个程序可以被加载到处理器或控制器中。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分而供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统分布。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
Claims (15)
1.一种身体安装式传感器单元(12)，包括：
皮肤接触表面(16)，其用于当所述单元处于身体安装配置中时与用户的皮肤进行接合；
PPG传感器，其包括：至少一个光源(20a、20b)，其适于生成特定谱组成的光；以及光学检测器(22)，其对所述谱组成的至少部分敏感，所述至少一个光源和所述光学检测器分别被布置为将光发射到与所述皮肤接触表面接触的所述皮肤并且从与所述皮肤接触表面接触的所述皮肤接收光；以及
ECG传感器，所述ECG传感器包括至少一个电极(36a、36b)，所述至少一个电极在所述皮肤接触表面处电学地暴露；
所述皮肤接触表面(16)的由皮肤接触表面元件(28)定义的部分，所述元件具有被布置在所述PPG传感器的所述光学检测器(22)与所述至少一个光源(20a、20b)之间的至少部分，其中，所述表面元件(28)适于吸收所述谱组成的至少大部分，并且
其中，所述至少一个电极中的第一电极(32a)被定位在所述表面元件(28)的至少一部分处或者形成在所述表面元件(28)的至少一部分中，所述电极适于吸收所述谱组成的至少大部分。
2.根据权利要求1所述的身体安装式传感器单元(12)，其中，所述表面元件(28)和/或所述第一电极(32a)在颜色上是黑色或灰色的。
3.根据权利要求1或2所述的身体安装式传感器单元(12)，其中，所述第一电极(32a)由包括以下各项的材料形成：
导电硅材料，其被配置为实现对来自用户的、所述电极以接触方式被放置在其中的皮肤的水分的摄取或扩散，
导电粒子，所述粒子包括至少导电碳粒子，以及
清洁剂，其被配置为促进通过所述导电硅材料的离子的流动。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的身体安装式传感器单元(12)，其中，所述第一电极(32a)被定位在所述表面元件(28)的所述至少部分处或者形成所述表面元件(28)的所述至少部分的至少一部分。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的身体安装式传感器单元(12)，其中，所述皮肤接触表面元件的所述至少部分跨越所述至少一个光学检测器与所述至少一个光源之间的距离。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的身体安装式传感器单元，其中，所述表面元件(28)延伸远离所述光学检测器(22)到所述至少一个光源(20a、20b)与所述皮肤接触表面的外围之间的点或线。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的身体安装式传感器单元(12)，其中，所述表面元件(28)是环形表面元件，所述环形表面元件被布置为围绕至少所述光学检测器(22)和/或所述至少一个光源延伸。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的身体安装式传感器单元(12)，其中，所述单元还包括光阻环(30)，所述光阻环至少围绕所述至少一个光源(20a、20b)和所述光学检测器(22)，所述环从所述皮肤接触表面(16)突起以用于在使用中与用户的皮肤进行接合以阻挡环境光的通道。
9.根据权利要求8所述的身体安装式传感器单元(12)，其中，所述光阻环(30)围绕所述皮肤接触表面(16)的外围区域延伸。
10.根据权利要求8或9所述的身体安装式传感器单元(12)，其中，所述光阻环(30)至少承载所述ECG传感器的所述至少一个电极中的另一个电极(32b)，所述另一个电极电学地暴露在所述环的皮肤接合表面处。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的身体安装式传感器单元(12)，其中，所述光学检测器(22)被设置在所述皮肤接触表面(16)的中心区域中，并且所述至少一个光源被设置在所述光学检测器与所述皮肤接触表面的外围之间的位置处。
12.根据权利要求1-11中的任一项所述的身体安装式传感器单元，其中，所述传感器单元包括多个光源，所述多个光源被布置在所述光学检测器周围，所述皮肤接触表面元件的所述至少部分围绕所述光学检测器环形地延伸并且包括所述光源中的每个光源与所述光学检测器之间的部分。
13.根据权利要求1-12中的任一项所述的身体安装式传感器单元(12)，其中，所述身体安装式传感器单元采取身体安装式贴片或可穿戴贴片的形式。
14.根据权利要求1-12中的任一项所述的身体安装式传感器单元(12)，其中，所述身体安装式传感器单元采取可穿戴设备的形式，所述可穿戴设备例如是腕戴式设备。
15.根据权利要求1-14中的任一项所述的身体安装式传感器单元(12)，还包括控制器，所述控制器被布置为从所述至少一个电极(32a、32b)并且从所述光学检测器(22)接收信号输出，并且基于所述信号输出来导出一个或多个生理参数的量度。
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