CN114340480A - 水合评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了对水合状态进行可靠、方便且无创的评估的方法和系统。这些方法和设备可以使用主动脉值打开和关闭的时间序列以及使用者的体位来推导确定使用者的水合状态的参数。使用者可以使用这个信息来做出近期生活方式的改变，从而可以改善身体活动能力、健康状况和整体幸福感。
Description
技术领域
本发明涉及确定个体的水合状态，并且具体地涉及可以确定个体的水合状态的穿戴式无创系统。
背景技术
以方便的方式确定个体的水合状态是运动员、普通消费者和老年人所希望的目标。
正如Jéquier和Constant(2010)所评述的，水是人体的重要组成部分，由于血管容量对认知功能、肾功能和心血管功能的影响，充分的水合对整体生理表现至关重要。Jéquier,E.,&Constant,F.(2010).Water as an essential nutrient:the physiologicalbasis of hydration[水作为必需营养素：水合的生理基础].European journal ofclinical nutrition[欧洲临床营养学杂志],64(2),115。
脱水(身体缺水)是一种生理状态，可能对人类健康和表现产生很大影响。图1显示了脱水对精神和身体的影响随失水减重百分比的变化而变化。早期影响包括易怒和身体活动能力峰值下降，而严重的影响包括昏迷和最终死亡。不幸的是，脱水可能难以评估，并且没有通用的黄金标准。如图2所展示的，人体大约60％是由水组成的，水包含在不同的细胞内间室和细胞外间室中。水合测量的复杂性在某种程度上源于多个身体间室中的水无处不在，以及间室之间的连续稳态流出。Armstrong(2007)谈到了(1)由于有多个含水间室而使准确定义水合是复杂的，以及(2)难以测量任何个别间室。Armstrong,L.E.(2007).Assessing hydration status:the elusive gold standard[评估水合状态：难以捉摸的黄金标准].Journal of the American College of Nutrition[美国营养学院杂志],26,575S-584S。
通过日常起居活动，个体会产生“每日缺水量”，即一个人为弥补因出汗、排尿和呼吸等造成的损失而需要消耗的水量。根据个体的体型和活动程度，每日缺水量为从约1至6L不等。必须对这种亏缺进行补充，主要通过口服摄入来补充。Armstrong,Lawrence E.“Assessing hydration status:the elusive gold standard[评估水合状态：难以捉摸的黄金标准]”Journal of the American College of Nutrition[美国营养学院杂志]26.sup5(2007):575S-584S。
每日需水量的巨大差异限制了使用标准表格或“经验法则”来指导口服补水。特别是排汗速率在个体之间和个体内差异很大，并且取决于包括基础生理、活动强度、环境温度和湿度以及所穿衣服或装备的量和类型在内的因素。因此，同一个体在不同日子进行相同活动的出汗率和总体失水量可能会有显著差异。
我们引导补液的先天机制，即“饮水止渴”机制，通常在生理扰动或挑战有限的情况下是有效的。然而，在有生理压力的条件下，“饮水止渴”反应已被表明是无效的。阿肯色大学的Stavros Kavouras最近在Medicine&Science in Sports&Exercise[体育及运动医学与学科]上发表的一篇论文表明，耐力自行车手在由于口渴而不是遵循预定补水时间表进行补水时会出现表现下降。Adams,J.D.等人“Dehydration Impairs CyclingPerformance,Independently of Thirst:A Blinded Study[脱水会影响骑行表现，与口渴无关：一项盲法研究]”Medicine and science in sports and exercise[体育及运动医学与学科]50.8(2018):1697-1703。
美国陆军研究员Robert Kenefick写道：“在超过90分钟的较长时间的活动中，特别是在高温下，在出汗率高的较高强度运动中，在关注表现的运动中，以及在期望碳水化合物摄入量为1克/分钟时，有计划的饮水是最佳的”。他还指出，60-90分钟的时间范围是一个主观的灰色地带，没有明确的证据支持按口渴或按计划进行水合(Kenefick,Robert W.“Drinking strategies:planned drinking versus drinking to thirst[饮水策略：计划饮水与饮水止渴]”Sports Medicine[体育医学]48.1(2018):31-37)。
充分的水合对于最佳身体活动能力至关重要，因为脱水直接影响血管空间内细胞外液的容量(称为血浆容量)。血浆容量的降低会减少在心舒期进入心脏的血液量，这是心脏放松并充满血液的心动周期阶段。在心舒期进入心脏的血液减少会降低舒张末期容量，从而减少在心缩期(心脏收缩阶段)离开心脏的血液量。结果是每搏量、心输出量和最大有氧动力(VO2 max)降低。
目前的水合评估技术包括：(1)通过同位素稀释测量或通过生物电阻抗分析估计的身体总水量，(2)血浆标志物，比如渗透压、钠、血细胞比容和血红蛋白变化、或有助于调节体液的激素的浓度，(3)尿液标志物，比如渗透压、比重或颜色，以及(4)可观察到的体征，比如唾液流量或临床脱水的身体的体征和症状。这些方法中的大多数都需要临床装备和/或专业知识，并且很不方便。
因此，在一天中的多个时间点方便地获得整体水合状态的能力具有重要价值，特别是对于承受生理压力且不能依靠饮水止渴机制来指导补液的个体。
Asada等人的标题为“Patient Monitoring Finger Ring Sensor[患者监测指环传感器]”的美国专利号5,964,701披露了一种结合到指环中的健康状态监测器，该健康状态监测器包括传感器，这些传感器可以包括用于测量皮肤温度的热电偶、电阻抗容积描记器、以及用于测量脉搏率以及血液成分浓度和血流量的一个或多个光学传感器。Rhee等人的标题为“Isolating Ring Sensor Design[隔离环传感器设计]”的美国专利号6,402,690B1披露了一种用于患者的健康监测系统，该健康监测系统测量患者手指处的比如皮肤温度、血流量、血液成分浓度和脉搏率等。该监测系统具有靠近手指的内环以及与内环机械分离的外环，该外环遮蔽内环使其免受外部负载的影响。Yang等人的标题为“Novel DesignConsiderations in the Development of a Photoplethysmography Ring[光电容积描记环开发中的新的设计考虑]”的美国专利申请公开号2016/0166161 A1披露了一种穿戴式健康监测设备，该穿戴式健康监测设备包括光源和检测器，该检测器被配置为接收从组织样本透射和/或反射的光，其中，光源和/或检测器结合到位于环状结构内的突起中。Haverinen等人的标题为“Wearable electronic device and method for manufacturingthereof[穿戴式电子装置以及其制造方法]”的美国专利申请2017/0042477 A1披露了一种穿戴式电子装置，该穿戴式电子装置可以佩戴在手指上，可操作以测量不同的生理参数(比如血容量脉搏)，以确定使用者的心率。von Badinski等人的标题为“Wearable ComputingDevice and Transmission Method[穿戴式计算装置和传输方法]”的美国专利号10,281,953 B2披露了一种穿戴式计算装置，该穿戴式计算装置被配置为用于佩戴在使用者手指上的环，包括使该装置能够执行多种功能的传感器模块，包括心率传感器和脉搏血氧仪。Workman和Bomsta的标题为“Pulse Oximetry Ring[脉搏血氧环]”的美国专利申请公开号2016/0066827 A1披露了一种穿戴式的手指可以提供多种生物特征(包括心率、血氧水平和皮肤温度)以及健康测量值(例如，跌倒检测、睡眠模式辨识和运动跟踪)。Lu等人的标题为“Wireless ring-type physical detector[无线环型体检器]”的美国专利申请2010/0298677 A1披露了一种环型体检器，该环型体检器使用光信号来检测血氧饱和度、心跳和连续血压。Lu等人还教导了这种环进一步包括用于改变环的内径的调整带。Yuan和Zhou的标题为“Ring-type pulse oximeter[环型脉搏血氧仪]”的美国专利申请公开号2020/0085360 A1披露了一种环型脉搏血氧仪，该环型脉搏血氧仪部分地包括弹性装置、光电二极管以及至少一个发光二极管，该至少一个发光二极管凸出地设置在环体的内圆周表面上。当戴上环后，按压弹性装置，使得光电二极管和至少一个发光二极管与手指贴合，并且发光二极管发射的光被手指衰减，然后被光电二极管接收并被处理来计算血氧饱和度。环型脉搏血氧仪对手指的一部分施加力，使得手指与光电二极管和发光二极管保持紧密贴合，从而提供舒适的佩戴体验以及对不同手指形状的适应性，以及提高测量准确度。
Lusted等人的标题为“Biometric sensor ring for continuous wear mobiledata applications[用于连续佩戴运动数据应用程序的生物特征传感器环]”的美国专利号9,711,060B1披露了一种佩戴在手指上用于估计使用者的情绪状态的生物特征传感环。该环配置有多个传感器，该多个传感器用于感测皮肤电活动(EDA)、光电容积描记(PPG)、温度和加速度。该发明从由生物特征感测环收集的数据中获得情绪指标，这些情绪指标包括心率(HR)、心率变异性(HRV)以及基于HRV的呼吸率。该环被配置用于产生可变的环几何形状以适应不同大小的手指，同时为使用者提供舒适的贴合度。Lusted等人教导了传感器必须与皮肤保持稳定接触，以便获取光学EDA和PPG数据。
正如以上对相关现有技术的评述所证明的那样，在使用穿戴式装置(特别是指环)来确定各种生理参数方面已经有了重大创新。然而，以上现有技术并未披露使用穿戴式装置基于主动脉瓣打开和关闭来确定水合。
发明内容
本发明的一些实施例提供了一种用于确定使用者的水合状态的设备，该设备包括：(a)环，该环的内表面具有有效内径，该环被配置为佩戴在该使用者的手指上；(b)光学传感器系统，该光学传感器系统包括：(i)一个或多个光学发射器，该一个或多个光学发射器与该环安装在一起使得由该一个或多个发射器发射的光被导向该手指；以及(ii)一个或多个检测器，该一个或多个检测器与该环安装在一起使得该一个或多个检测器产生检测器信号，该检测器信号表示了来自一个或多个发射器的、在与该手指的组织相互作用之后到达这些检测器的光，该一个或多个检测器被配置为检测指示该使用者的主动脉瓣打开和关闭的生理信号；(c)触发系统，该触发系统被配置为检测指示要启动水合测量的事件；(d)光学采样控制系统，该光学采样控制系统对该触发系统做出响应，被配置为以第一组操作参数操作该一个或多个发射器和该一个或多个检测器；e)分析系统，该分析系统对该检测器信号做出响应并且被配置为确定该使用者的主动脉瓣相继打开之间的心搏间期以及该使用者的主动脉瓣打开与关闭之间的射血间期；(f)水合确定系统，该水合确定系统被配置为根据该心搏间期和该射血间期来确定该使用者的水合状态；(g)反馈系统，该反馈系统被配置为提供反馈。一些实施例进一步包括：使用者输入系统，该使用者输入系统被配置为接收来自该使用者的输入，并且其中，该水合确定系统被配置为根据该心搏间期和该射血间期以及该输入来确定该使用者的水合状态。一些实施例进一步包括：姿势确定系统，该姿势确定系统被配置为响应于该光学传感器系统、该使用者输入系统或其组合而确定该使用者的姿势，并且其中，该水合确定系统被配置为在产生了该检测器信号时，根据该心搏间期、该射血间期以及该使用者的姿势来确定该水合状态。在一些实施例中，该水合确定系统被配置为根据第一姿势下的心搏间期和射血间期以及第二姿势下的心搏间期和射血间期来确定该水合状态。
在一些实施例中，该分析系统被进一步配置为确定该检测器信号对于水合确定的适用性。一些实施例进一步包括：运动传感器系统，并且其中，该分析被配置为响应于该运动传感器系统而确定该检测器信号的适用性。在一些实施例中，该光学采样控制系统被配置为响应于由该分析系统确定的该检测器信号的适用性而改变这些操作参数。在一些实施例中，该环可配置为采用多个有效内径，使得当该环被配置为采用第一有效内径时，已经与该光相互作用的该手指的组织中的静脉跨壁压小于零，并且已经与该光相互作用的该手指的组织中在心舒期的动脉跨壁压大于零。在一些实施例中，该环可配置为采用多个有效内径，使得该环能够被配置为采用第一有效内径，从而在该手指的组织中的血管中产生第一组跨壁压，并且该环能够被配置为采用第二有效内径，从而在这些血管中产生第二组跨壁压，其中，该第二组跨壁压中的压力小于该第一组跨壁压中的压力。在一些实施例中，该环可配置为两种稳定状态中的任一种，在第一稳定状态下，该环具有第一有效内径，而在第二稳定状态下，该环具有不同于该第一有效内径的第二有效内径。在一些实施例中，该环具有机械偏置件，该机械偏置件促使该环进入该第二稳定状态。在一些实施例中，该第二有效内径小于该第一有效内径。
在一些实施例中，该触发系统包括传感器，该传感器对该环的有效内径变化灵敏。在一些实施例中，该触发系统对该光学传感器系统、该使用者输入系统或其组合做出响应。一些实施例进一步包括：运动传感器系统，该运动传感器系统包括加速度计、陀螺仪或其组合；并且其中，该触发系统对该运动传感器系统做出响应。在一些实施例中，该环包括从该环的内表面突出的一个或多个压缩特征，并且其中，该有效内径能够通过该一个或多个压缩特征的运动而改变。在一些实施例中，该环包括一个或多个环特征，并且其中，该有效内径能够通过该一个或多个环特征沿着纵向轴线运动而改变。在一些实施例中，该环具有可减小的内圆周。在一些实施例中，该环具有环特征，这些环特征包括在该环内侧的突起，这些突起的配置可以在第一配置与第二配置之间变化，其中，当这些突起处于该第一配置时，该环具有第一有效内径，而当这些突起处于该第二配置时，该环具有不同于该第一有效内径的第二有效内径。
在一些实施例中，该使用者反馈系统包括与该环安装在一起的一个或多个LED或触觉传感器。在一些实施例中，该使用者反馈系统包括与该环通信的外部装置，其中，该外部装置包括可视显示器。在一些实施例中，该一个或多个光学发射器和该一个或多个检测器与该环安装在一起，使得到达该检测器的光包括已经行进穿过该组织并与三层血管相互作用的大多数光子。在一些实施例中，从该环的中心测量的发射器与检测器之间的角度大于15度。
一些实施例提供了一种确定使用者的水合状态的方法，该方法包括：(a)提供环，该环被配置用于佩戴在该使用者的手指上，其中，该环包括：一个或多个光学发射器，该一个或多个光学发射器与该环安装在一起使得由该一个或多个发射器发射的光被导向该手指；以及一个或多个检测器，该一个或多个检测器与该环安装在一起使得该一个或多个检测器产生信号，该信号表示了来自一个或多个发射器的、在与该手指的组织相互作用之后到达该一个或多个检测器的光；(b)通过基于使用者的事件、基于时间的事件或基于信号的事件中的一个或多个来触发水合测量；并且随后(c)使用第一组操作参数操作该一个或多个发射器和该一个或多个检测器，并从该检测器获取表示光与该手指的采样区域相互作用的信号；d)根据该检测器信号确定该使用者的主动脉瓣相继打开之间的心搏间期以及该使用者的主动脉瓣打开与关闭之间的射血间期；(e)根据该心搏间期和该射血间期来确定该使用者的水合状态。一些实施例进一步包括：在步骤(c)之前，在该采样区域中的这些血管中建立第一组跨壁压，使得该采样区域中的静脉跨壁压小于零并且该采样区域中在心舒期的动脉跨壁压大于零。
一些实施例进一步包括：确定表明该检测器信号对于确定水合状态的适用性的指标。一些实施例进一步包括：确定该指标是否在预定界限内，并且如果不是，则在执行步骤(d)之前使用不同于该第一组操作参数的第二组操作参数来重复步骤(c)。一些实施例进一步包括：确定该指标是否在预定界限内，并且如果不是，则建立不同于该第一跨壁压的第二跨壁压，并在执行步骤(d)之前重复步骤(c)。一些实施例进一步包括：确定该指标是否在预定界限内，并且如果不是，则建立不同于该第一跨壁压的第二跨壁压，并在执行步骤(d)之前使用不同于该第一组操作参数的第二组操作参数来重复步骤(c)。
在一些实施例中，步骤(c)重复多次，每次使用一组不同的操作参数并一起产生多个检测器信号，并且其中，步骤(d)包括根据该多个检测器信号来确定该水合状态。在一些实施例中，步骤(c)重复多次，每次使用一组不同的操作参数并一起产生多个检测器信号，并且进一步包括针对这些检测器信号中的每个检测器信号确定指示该检测器信号对于确定水合状态的适用性的指标；并且其中，步骤(d)包括根据该多个检测器信号来确定该水合状态，该多个检测器信号是由针对该多个检测器信号中的每个检测器信号的指标加权的。在一些实施例中，在步骤(d)中，对应于预定范围之外的指标的检测器信号的权重为零。在一些实施例中，在该使用者处于第一姿势以产生第一检测器信号时以及在该使用者处于第二姿势以产生第二检测器信号时执行步骤(c)；并且其中，步骤(d)包括根据第一检测器信号和第二检测器信号来确定该水合状态。
在一些实施例中，该环具有可调整的有效内径，并且其中，建立跨壁压包括建立该环的有效内径。在一些实施例中，建立跨壁压包括将佩戴有该环的手定位到相对于心脏的预定高度。在一些实施例中，建立跨壁压包括将该环移至不同的手指区域。在一些实施例中，建立跨壁压包括将该环的一部分推向该手指。在一些实施例中，步骤(e)包括：当产生该检测器信号时，根据该心搏间期和该射血间期以及该使用者的姿势来确定该使用者的水合状态。
一些实施例进一步包括：通过与该环安装在一起的加速度计、与该环安装在一起的陀螺仪、或与该环安装在一起的光学传感器中的一个或多个来确定该使用者的姿势。一些实施例进一步包括：从该使用者接受该使用者的姿势的指示。
在一些实施例中，步骤(e)包括：在产生了该检测器信号时，根据该心搏间期和该射血间期，以及该使用者的年龄、性别、体重或身高中的一个或多个来确定该使用者的水合状态。在一些实施例中，步骤(c)执行两次，第一次使用建立透射主导采样的操作参数，而第二次使用建立反射主导采样的操作参数；并且确定哪个检测器信号具有最强的主动脉关闭信号，并在步骤(d)中使用该检测器信号。一些实施例进一步包括：在与该环分开并与之通信的装置上显示该水合状态。一些实施例进一步包括：使用该环向该使用者提供视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈。一些实施例进一步包括：提供外观彼此不同的多个环，并且如果为第一环供电的电池电量低，则向该使用者提供反馈，使得该使用者能够使用第二环。
一些实施例提供了一种用于确定使用者的水合状态的方法，该方法包括：(a)从对日常生活活动不显眼的穿戴式传感器获取信号，该穿戴式传感器被配置为检测使用者的测量区域中的血容量变化，这些变化指示当该使用者处于一种或多种不同姿势时该使用者的主动脉瓣的打开和关闭；(b)使用水合确定模型来根据在一种或多种姿势下确定的信号来确定该使用者的水合状态；(c)将该水合状态传达给该使用者。
在一些实施例中，步骤(a)进一步包括在获取信号的过程中确定该姿势以及该使用者维持该姿势。在一些实施例中，步骤(b)包括：(b1)确定相继的主动脉瓣打开之间的心搏间期；(b2)确定主动脉瓣打开与主动脉瓣关闭之间的射血间期；以及(b3)根据在一种或多种姿势下确定的心搏间期和射血间期来确定该水合状态。在一些实施例中，步骤(b)包括：(b1)确定相继的主动脉瓣打开之间的心搏间期；(b2)确定主动脉瓣打开与主动脉瓣关闭之间的射血间期；以及(b3)根据在一种或多种姿势下确定的心搏间期、射血间期和姿势来确定该水合状态。在一些实施例中，该传感器佩戴在该使用者的手指、手腕或上臂上。一些实施例进一步包括：在测量区域中所包含的这些血管中建立跨壁压，使得该区域中的静脉中的跨壁压小于零，而在心舒期该区域中的动脉中的跨壁压大于零。
附图说明
图1展示了脱水对精神和身体的影响。
图2呈现了人体中不同的含水间室。
图3是不同水合评估方法的误差灵敏性比较表。
图4示出了若干可测量信号与心脏功能之间的关系。
图5表示Sagawa压力-容量环。
图6表明了左心室容量与压力之间的关系。
图7展示了在改变水合的条件下的压力-容量曲线。
图8示出了本发明的示例测量位置。
图9示出了采样分辨率对确定主动脉瓣关闭的影响。
图10示出了降低跨壁压对搏动大小的影响。
图11是降低跨壁压对搏动大小的影响的第二示例。
图12示出了心率与射血时间之间的典型关系。
图13是两种水合程度下的心率对射血时间的示意图。
图14是示出体位对静脉回流的影响的图示。
图15示出了射血时间与身体姿势之间的关系。
图16示出了不同身体姿势下的心率与射血时间的关系。
图17展示了可以用于进行水合确定的一组输入。
图18展示了用于进行水合确定的一组替代性输入。
图19示出了用于测量主动脉瓣时间序列的设备的说明性实施例。
图20呈现了说明性实施例的系统可以如何交互的示例。
图21定义了手指或其他身体部位的坐标系。
图22定义了环型装置的有效内径。
图23示出了用于改变环的有效内径的示例机构。
图24示出了用于改变环的有效内径的示例机构。
图25示出了用于改变环的有效内径的示例机构。
图26示出了用于改变环的有效内径的示例机构。
图27示出了用于改变环的有效内径的示例机构。
图28示出了用于改变环的有效内径的示例机构。
图29示出了用于改变环的有效内径的示例机构。
图30示出了用于改变环的有效内径的示例机构。
图31呈现了用于确定水合状态的步骤的示例。
图32呈现了用于触发水合测量并提供反馈的示例过程。
图33呈现了用于在操作参数和跨壁压的可能变化下确定水合状态的示例过程。
图34示出了在运动引发的高渗性脱水期间的测量结果。
图35示出了在运动中在有和没有液体补充的情况下的测量结果。
图36展示了在模拟等渗性脱水期间的心率和射血时间。
图37示出了在模拟水合变化期间的心率、平均动脉压和射血时间。
图38示出了在运动中获取的心率和射血时间。
图39示出了在水合评估中使用位置变化的测量结果。
图40示出了可以提供给使用者的多对环的示例。
工业实用性以及实施本发明的模式
定义。为了本发明的目的，水合或脱水量被广义地定义为体内存在的水量的指标。当水摄入量与由正常生理过程(包括呼吸、排尿和出汗)或其他原因(包括腹泻和呕吐)导致的游离水损失的变化不一致时，就会发生水合状态的变化。身体总水量(TBH2O)表示约占体重的45-60％，其取决于年龄、性别和种族。TBH2O进一步分为细胞内液间室(ICF；约占身体总水量的60％)和细胞外液间室(ECF；约占身体总水量的40％)，它们与渗透活性的细胞内K+与细胞外Na+之比成比例。在正常生理过程中，这些间室动态平衡以维持全身液体平衡。
出于本发明的目的，脱水包括高渗性脱水、等渗性脱水和低渗性脱水。当身体流失的水分多于盐分时，就会发生高渗性脱水，从而增加血液的渗透压。出汗率增加是高渗性脱水的常见原因。当失水量等于或小于失盐量时，分别发生等渗性脱水或低渗性脱水。等渗性脱水通常由腹泻或失血引起。
如本文所使用的，有效循环量、血管容量和血容量是可互换的术语。有效循环量是指细胞外液间室的位于血管空间内并有效灌注组织的那部分。循环量是指在给定时间心脏的动脉、毛细血管、静脉、小静脉和心腔内循环的可供心脏泵血的液体总量。
如本文所使用的，主动脉值打开和关闭的时间进程是指包含有主动脉值的状态与一些时间测量值之间的关系的任何数据表示。
如本文所使用的，射血时间(ET)是主动脉瓣打开(AVO)与主动脉瓣关闭(AVC)之间的间期。在此间期，血液从左心室射出。
如本文所使用的，心搏间期(IBI)是指心动周期中类似点之间的间期。例如，IBI可以被定义为相继循环中主动脉瓣打开(AVO)之间的时间。
如本文所使用的，术语“身体姿势”、“体位”或“身体姿态”是指人体可以采取的不同身体构形。最常见的身体姿势包括仰卧位(仰面躺着)、坐位和站立位。
如本文所使用的，“位置变化”、“姿势变化”或“姿态变化”是指以改变返回心脏的静脉回流的方式改变体位的任何过程的术语。例如，经由位置变化来操纵静脉回流的一种简单方法是在仰卧位、坐位与站立位之间移动。
如本文所使用的，术语“确定模型”被广义地定义为采用定义的输入并应用计算或一组指定步骤来确定期望输出的任何过程。确定模型包括许多类别的模型，但可以大致分为“预测模型”和“匹配模型”。通过确定数据或数据特征与期望输出之间的关系来构建预测模型；一旦确定了关系，该模型就可以应用于新数据，而无需依赖训练或参考数据。这些模型不同于依赖于预先存在的训练或参考数据库的匹配模型。匹配模型确定新数据与参考数据的接近程度，以产生期望输出。预测模型的示例包括：回归模型，在该回归模型中，特征通过线性或非线性关系映射到输出；以及一些机器学习模型，在这些机器学习模型中，更复杂的数据表示被映射到期望输出。在这些通常被称为“深度学习模型”的方法中，有用的特征和表示以及将输入映射到期望输出的函数基本上是由模型在训练中学习。因为输入与输出之间的关系通常非常复杂(涉及多个层次结构中的数千个权重)，模型的工程师或架构师可能完全不知道模型已提取的特征或信息，或者那些信息是如何以及为什么组合来形成输出。在本发明的一些实施例中，确定模型可以使用从包含主动脉值的状态与一些时间测量之间的关系的数据表示中提取的特征作为输入。在其他实施例中，确定模型可以使用包含主动脉值的状态与一些时间测量之间的关系的原始或条件数据表示作为输入。确定模型还可以包括附加输入，比如体位或关于使用者的信息。给定的确定模型的输出是期望参数，比如水合状态。
跨壁压是描述血管壁两侧的压力的通用术语(跨壁的字面意思是“从该壁一侧到另一侧”)。如果存在正跨壁压(物体内部压力大于外部压力)，则柔性容器扩展，而如果存在负跨壁压，则柔性容器收缩。正跨壁压有时被称为“扩张”压力。
如本文所使用的，光电容积描记术(PPG)是一种光学测量技术，其可以用于检测组织中的血容量变化或具有与心动周期相关并包含主动脉值打开和关闭信息的信号。
如本文所使用的术语“信号”包括传输比如测量值等信息的任何手段，包括但不限于例如由比如PPG等生物或生理传感器收集或传输的模拟电波形或其数字表示。
术语“无创”是指一种不会在皮肤中造成破裂并且不会与除自然体孔口以外的内部体腔接触的方法或设备。PPG和EKG传感器是可以在不使皮肤破裂的情况下进行测量的无创传感器的示例。同样，PPG是无创采样的示例，其中，测量值是从皮肤表面以光学方式获得的，而无需将器械引入身体。
如本文所使用的，高保真信号是如实地反映基本真实信号的测量信号，几乎没有失真或噪声。
如本文所使用的，术语“发射器”描述了发射电磁辐射的任何装置。发射器的一个示例是发光二极管(LED)。
术语“光电检测器”、“光学检测器”或简称“检测器”是指通过使用各个光子的电效应检测入射光或对入射光做出响应的任何装置。
如本文所使用的，术语“三层血管”是指由以下三层构成的血管：内膜、中膜和外膜。三层血管包括动脉、小动脉、小静脉和静脉，但不包括由单层内皮细胞构成的毛细血管。
透射主导采样是指组织的光学采样，其中，大多数光子穿透并行进穿过组织，与三层血管相互作用(即，被三层血管反射、散射或吸收)。
反射主导采样是指组织的光学采样，其中，大多数光子不会穿透到组织深处，并且主要与毛细血管床中的血管相互作用(即被毛细血管床中的血管反射、散射或吸收)。
如本文所使用的，术语“可变形”广义地描述了在受到外力作用时改变其形状或容量的物体。变形过程可以发生在单个可变形部件中，例如，发生在具有弹性材料特性、可以拉伸或弯曲的部件中，或者通过刚性部件的相应移动而发生，例如在伸缩式展开和铰接件中看到的。
如本文所使用的，“基于使用者的”或“使用者发起的”事件或触发广义地是指响应于使用者的动作而执行水合确定的过程。使用者动作可以包括但不限于手势、指定动作、施加力、按钮按压、声音表达或通过表示使用者方的意志选择以获得水合评估的连接装置进行的通信。
如本文所使用的，术语“日常生活活动”或“日常起居活动”是指人们在正常生活中每天进行的常规活动。这些活动至少包括吃饭、洗澡、穿衣、上厕所以及上床睡觉和起床。
如本文所使用的，环的“有效内径”被定义为当作为纵向投影观察时可以内接在环中的可能存在的最大圆的直径。
出于本发明的目的，“采样”被定义为从使用者获取生理数据。相关术语“采样位点”、“采样区域”和“采样位置”是指使用者的执行采样的区域。当使用光学系统获取生理数据时，这些术语是指光与组织相互作用的区域。
如本文所使用的，术语“操作参数”是指可以在采样时配置的已建立的光学系统的所有获取参数，包括以下任一项或所有项：采样率、有源发射器组、(多个)发射波长、LED驱动电流、有源检测器组、检测器积分时间、样本取平均值、是否存在环境光消除以及模数转换范围。
用于穿戴式水合确定的方法
常规方法。多个小组曾试图生成无创穿戴式水合测量系统。大多数先前的尝试都试图测量皮肤或血液中水的浓度，并且通常属于以下方法之一：(1)对血液或组织中成分浓度的光谱确定，(2)基于阻抗的对身体含水量的测定，(3)搏动大小或灌注分析，或(4)基于化学计量学的对汗液的评估。简要讨论了这些方法以及其挑战。
吸收光谱学广义上是指测量因辐射与样本相互作用导致的随频率或波长变化的辐射吸收的光谱技术。吸收光谱学被用作分析化学工具来确定物质存在于样本中，并且在许多情况下，量化存在的物质的量。在实践中，由于仪表零点漂移、使用多个波长、仪器零点漂移、路径长度差和组织采样误差，实施吸收测量具有挑战性。吸收程度由光与位于光源与检测器之间的所有材料的相互作用确定。皮肤表面汗液中的含水量的吸收水平与皮肤中相同的水量的吸收水平相同，从而在依赖吸收的方法中产生了显著误差。另外，组织与光学测量系统之间的使测得的吸光度改变的物理关系或界面的变化表示有问题的误差源。在身体的典型运动过程中很容易发生这种变化。吸光度测量对组织-光学仪器界面的变化和皮肤表面污染(例如，由汗液或其他物质造成)是高度灵敏的。
Connor的标题为“Wearable Ring of Optical Biometric Sensors[光学生物特征传感器的穿戴式环]”的美国专利申请公开号2020/0000345 A1是试图解决生物特征参数的光谱测量技术挑战的发明示例，包括水合。Connor描述了一种穿戴式传感器环，该穿戴式传感器环包括光发射器和接收器的弓形阵列，这些光发射器和接收器被配置为共同跨越佩戴该环的手指、手腕或手臂的至少一半圆周。可以调整发射器的位置、发射角度、距离和压力，使得即使装置移位和/或旋转，发射器仍与手指、手腕或手臂的表面保持紧密的光学通信。
还提出了基于光学确定的血液浓缩来对水合进行光谱评估。该概念基于这样的事实：随着水合的变化，血管系统中的红细胞数量将保持大致不变，但血管间室中的液体量会减少。结果是脱水时发生轻度血液浓缩。大多数努力都在寻求将信号与动脉搏动隔离的分析方法。Benaron的标题为“Hydration Monitoring Sensor and Method for CellPhones,Smart Watches,Occupancy Sensors,and Wearables[用于蜂窝电话、智能手表、占用传感器和可穿戴产品的水合监测传感器以及方法]”的美国专利申请公开号2015/0148623 A1是使用可穿戴产品和其他使用光谱方法的装置进行水合监测的发明示例。Benaron披露了通过确定含水量的指标来估计水合，所述含水量的指标至少部分地基于采用对检测到的光进行光谱分析来确定的受试者的血流或组织的成分的浓度随时间变化的函数。
生物电阻抗分析(BIA)是一种用于估计身体组成(特别是身体脂肪和肌肉质量)的常用方法。在BIA中，微弱的电流流过身体并测量电压以便计算身体的阻抗(电阻)。BIA确定通过身体组织的电阻抗或对电流的流动阻力，然后可以使用该电阻抗或阻力来估计身体总水量(TBW)，该身体总水量可以用于估计无脂肪体重，并通过与体重的差来估计身体脂肪。脱水是影响BIA测量的公认因素，因为其会导致身体电阻增大。因此，在假设肌肉质量恒定下，可以使用BIA来确定水合的变化，其以身体总水量表示。在典型的用例中，测量过程需要将四个电极贴附到身体上，通常贴附到手和脚上。BIA能够以良好的准确度估计健康受试者的身体总水量。然而，BIA的生物物理原理限制了水合评估的准确度和适用性。O'Brien等人对此进行了很好的描述，他写道：“虽然BIA可以可靠地估计标准化临床条件下水合正常的个体的身体总水量和身体密度，但是体液和电解质含量的变化可以独立地改变生物阻抗测量值。因为水合变化通常会伴随体液和电解质含量的变化，所以对生物阻抗变化的解释往往会令人困惑。”O'Brien,C.,Young,A.J.,&Sawka,M.N.(2002).Bioelectrical impedanceto estimate changes in hydration status[用于估计水合状态变化的生物电阻抗].International Journal of Sports Medicine[国际体育医学杂志],23(05),361-366。因此，由于BIA依赖于水和电解质的浓度两者，水合类型(例如，等渗性或高渗性)将对水合评估产生显著影响。
Myers等人的标题为“Personal Hydration Monitor[个人水合监测器]”的美国专利申请公开号2016/0338639 A1是基于阻抗的穿戴式装置中的水合传感器的发明示例。Myers等人披露了一种穿戴式水合监测器，该穿戴式水合监测器包括位于柔性衬底上的柔性电极，该柔性电极被配置为使用由电极获得的皮肤阻抗测量值来测量个体的水合程度。Utter的标题为“Wearable Ring for Sleep Monitoring[用于睡眠监测的穿戴式环]”的美国专利申请公开号2015/0182164 A1是提出使用生物阻抗和其他各种其他传感器来检测柔性的穿戴式环中的脱水的发明的第二示例。Utter披露了选自由以下项组成的组的多个生物特征传感器的潜在用途：心率传感器、呼吸传感器、温度传感器、皮肤电导传感器、皮肤电导反应传感器、皮肤电反应(GSR)传感器、肌电图(EMG)传感器、皮肤电活动传感器以及皮肤电反应传感器。
其他努力建议使用搏动的大小和形状作为水合的指标。微弱的脉搏与严重脱水有关。然而，对于所提出的维持或优化生理表现的目的，搏动大小是一种不充分的方法。搏动大小通常被参数化为高度、宽度或曲线下方的面积(AUC)，其受外周脉管系统的血管舒张以及静水压力的影响。体温、或甚至传感器局部点位的温度变化都会由于动脉紧张度的变化而强烈影响搏动大小。另外，简单的手臂抬高将极大地改变搏动大小和形状两者。Hickey等人已经量化了变化的类型和幅度，如图6所示，他们的出版物研究了手臂抬高对PPG信号的影响，Hickey,M.,J.P.Phillips,and P.A.Kyriacou.“The effect of vascular changeson the photoplethysmographic signal at different hand elevations[血管变化对不同手部高度处的光电容积描记信号的影响].”Physiological measurement[生理测量]36.3(2015):425。Hickey的第二篇论文明确探讨了搏动形状响应于手臂抬高的变化，并发现了明显的形态变化。Hickey,M.,Phillips,J.P.,&Kyriacou,P.A.(2016).Investigationof peripheral photoplethysmographic morphology changes induced during a hand-elevation study[对在手部升高研究期间引起的外周光电容积描记形态变化的研究].Journal of clinical monitoring and computing[临床监测与计算杂志],30(5),727-736。因此，搏动大小测量将受到血管舒张和手臂位置的限制，而搏动形状测量将受到测量点位相对于心脏的关系的很大影响。
灌注方法也已用于评估水合。临床上最常用的方法是毛细血管再充盈测试。通过对指甲施加压力5秒来启动毛细血管再充盈测试。在压力释放后，观察者检查指甲颜色恢复正常所需的时间。如果恢复时间超过1至3秒，则可能存在脱水。基于类似原理的方法使用基于频率或振幅的PPG信号分析来确定所谓的“灌注指数”，该灌注指数评估动脉搏动相对于其他信号(通常是非搏动性平均值或“DC”信号)的强度。在Semler和Scott的标题为“Non-invasive portable dehydration diagnostic system,device and method[无创便携式脱水诊断系统、装置和方法]”的美国专利申请2013/0261468 A1中披露了这种方法。与仅基于搏动大小或形状的方法类似，基于灌注的方法受限于对采样点位相对于心脏的位置、采样点位的局部温度(其改变紧张度)和采样点位的灌注的灵敏度，这可能与整体水合状态无关。
基于汗液的评估集中在若干测量值上，包括汗液流失量以及汗液中的浓度测量值。所提出的测量包括皮质醇的测定，而其他测量使用为囊性纤维化测试而开发的测量方法来测量钠水平。已经研究了SW[Na+](汗液钠浓度，以mmol/l为单位)的使用并且Villiger等人的综述文章描述了许多限制，包括需要进行基线测量，其由于醛固酮和交感神经系统而受影响，Villiger,M.等人“Evaluation and review of body fluids saliva,sweatand tear compared to biochemical hydration assessment markers within bloodand urine[与血液和尿液中的生化水合评估标志物相比，体液唾液、汗液和泪液的评估和评述]”European journal of clinical nutrition[欧洲临床营养学杂志]72.1(2018):69。
新颖的方法。目前的方法与以前主要集中在确定水浓度的努力有很大不同。相反，本发明是基于主动脉瓣打开和关闭的时间进程。本发明的实施例旨在于日常起居活动期间使用。因此，该方法对血管舒张的变化、采样点位相对于心脏的位置、皮肤污染物(比如汗液)和组织-传感器界面的细微变化可能相对不太灵敏。因为本发明是基于对主动脉瓣打开和关闭的检测、由心脏集中产生的事件、外围采样点位的条件(例如，动脉紧张度、与传感器的精确对接、以及相对于心脏的位置)影响相对较小或没有影响。此外，因为本发明的测量方法同样本质上不受电解质浓度的影响，所以其能够检测等渗性脱水(例如，由腹泻失水引起)和高渗性脱水(例如，由汗液失水引起)。图3示出了先前讨论的常规方法对在典型使用过程中可能存在的混淆的灵敏度。对表格的检查说明了本发明在日常起居的目标使用环境中的价值。根据主动脉值打开和关闭的时间进程确定水合的能力是独特且有价值的，因为其解决了许多预先存在的测量问题并支持可以在日常起居活动期间使用的实施例。
使用主动脉值打开和关闭的时间进程来确定水合的能力需要了解心脏生理学。图4中展示了心脏功能与主动脉瓣状态的时间进程之间的关系。该图示出了时间轴，其中，在心动周期中定义了压力和容量关系，并展示了主动脉瓣和二尖瓣功能。
需要进一步的轴和关系来了解主动脉瓣时序如何与水合状态相关。Sagawa压力-容量环(或“PV环”)在压力与容量之间建立关系，其中，主动脉值状态被定义为该环中的关键转变。图5是PV环的示意图并且展示了充盈压力、每搏量与主动脉瓣打开和关闭之间的关系。为了产生左心室的压力容量环，绘制了在整个心动周期的相继时间点左心室压力(LVP)相对于左心室(LV)容量的关系。这产生了如图5所示的PV环。单个心动周期可以分为四个基本阶段：心室充盈(阶段a：心舒期，主动脉瓣关闭)、等容收缩(阶段b：主动脉值关闭)、射血(阶段c：主动脉值打开)和等容舒张(阶段d：主动脉值关闭)。PV环上的点1是心室充盈(心舒期)末期的压力和容量，并且因此表示心室的舒张末期压力和舒张末期容量(EDV)。随着心室开始等容收缩(阶段b)，LVP增加，但LV容量保持不变，从而形成垂直线(所有瓣膜均关闭)。一旦LVP超过主动脉舒张压，则主动脉瓣打开(点2)并开始射血(阶段c)。在这个阶段，LV容量随着LVP增加到峰值(收缩压峰值)而减小，然后随着心室开始舒张而减小。当主动脉瓣关闭时(点3)，射血停止，并且心室等容舒张。此时的LV容量是收缩末期(即，残余)容量(ESV)。当LVP下降到低于左心房压力时，二尖瓣打开(点4)，并且心室开始充盈。最初，随着心室充盈，LVP继续下降，因为心室仍在舒张。然而，一旦心室完全舒张，LVP就会随着LV容量的增加而逐渐增加。该环的宽度表示EDV与ESV之间的差，根据定义，该差为每搏量(SV)。
主动脉瓣的打开定义了心舒期结束，而主动脉瓣的关闭定义了心缩期结束，因此这两个事件的间隔时间与每搏量成正比。
为了量化水合，水合状态变化与主动脉瓣时序变化之间的关系必须是可量化的。量化水合的能力是基于左心室的机械特性和所产生的压力容量关系。在心舒期开始时，进入心室的血液充盈心室，并且压力变化程度最小。这个充盈阶段可以称为无压力充盈阶段。这种情况就像填充空的气囊一样。然而，随着心室进一步充盈，心脏开始舒展，并且压力急剧增加。这个充盈阶段可以称为受压充盈，因为心壁正变成受压。心脏的机械特性被设计成防止爆裂或故障情况。所产生的压力-容量曲线具有高度非线性关系，如图6所示。在脱水状况下，进入心脏的充盈压力较低，并且心脏在压力-容量曲线的更呈线性的区域内工作。未受压充盈与受压充盈之比将高于水合正常或过度水合的状况。
图7展示了未受压充盈与受压充盈比的影响以及由此产生的对每搏量的影响。压力容量曲线111展示了最低左心室舒张末期压力曲线，其中，大部分充盈发生在未受压条件下，如左心室压力的微小变化所证明的。该曲线表示脱水状态，其中循环量已减少。与压力-容量环111相关联的每搏量由标记为112的段示出。出于说明目的，左心室舒张末期压力以相等的增量增加，如水平线113所示。示出了左心室舒张末期压力每次增加所得到的压力容量曲线，并且压力容量曲线右侧的曲线图中展示了所得到的每搏量。压力容量曲线114处于最高左心室舒张末期压力并且对应于过度水合的状况。用虚线示出的曲线115是连接由上述压力-容量曲线所定义的多个不同的每搏量及其相关联的每搏量的端点的曲线。图示清楚地示出了每搏量随充盈压力的高度非线性响应，其可以用于确定水合。
因此，射血时间(其被定义为主动脉瓣打开与关闭之间的持续时间)直接对应于图5中的竖线b和d的间距所定义的每搏量，该每搏量可以用于评估水合状态，如图7所示。
本发明有效地将水合的变化转化为可观察的基于时间的测量值，其支持可以在日常起居活动期间使用的实施例。
确定主动脉瓣关闭。有几种传感器技术能够感测主动脉瓣打开和关闭。然而，在无创穿戴式装置中可靠地检测主动脉关闭的能力提出了本发明具体解决的挑战。提供了感测技术的简要概述，随后深入讨论了本发明实施例的有助于可靠的主动脉关闭确定的一些创新要素。
在医疗环境中，主动脉瓣关闭通常根据通过多普勒超声或侵入性导管插入术测量的中央动脉压波形来确定。由于血液的短暂回流，瓣膜关闭会在主动脉血压中产生向下的凹口，称为切迹。很容易通过超声和导管插入术来检测切迹，但是这种测量系统不方便并且与日常起居活动不一致。
测量血容量变化的光学传感器(通常称为光电容积描记(PPG)传感器)具有测量主动脉瓣关闭的潜力，并且更适合用于穿戴式装置中。PPG传感器可以用于身体的不同位置，包括一根或多根手指、一只或多只耳朵、一只或多只手腕、胸部或前额。PPG装置还可以包括具有一维或多维空间分辨率的基于图像的系统。
比如激光多普勒血流仪、眼压计、脉搏转导和阻抗心电图(测量胸腔电导率)等对与心动周期相关的容量、流量或压力变化敏感的方法也可以用于获取指示主动脉瓣关闭的信号。
对与主动脉瓣运动相关联的振动灵敏的一组替代性方法包括心音描记术、心冲击描记术、心震描记术。心音描记术(PCG)是一种检测由心脏和血流产生的声音的方法。与听诊类似，PCG是使用麦克风从胸部无创地进行测量的最常用的方法。心冲击描记术(BCG)和心震描记术(SCG)两者都是研究心动周期产生的机械振动的方法。BCG是一种测量作用在身体上的心脏反作用力的方法。另一方面，SCG是一种测量心前区(心脏正前方的胸腔区域)局部振动的方法。
前述示例不包括可以感测与主动脉瓣的打开和关闭相关联的生理变化的技术的详尽列表，但说明了有可能用于本发明的多种不同的方法。图8展示了若干测量位置，在这些测量位置中，可以使用这种传感器来产生包含主动脉瓣打开和关闭信息的数据流，而不干扰日常起居活动。
以前的传感技术和图8中的传感器位置可能类似于目前可用并被设计用于其他目的的穿戴式装置，但是这种“现成”传感器不能用于可靠地确定主动脉瓣关闭。作为示例，许多当前可用的穿戴式PPG系统被设计成确定心率或心率变异性。这种确定仅需要测量与主动脉瓣打开相关联的信号或事件。在PPG测量点位，主动脉瓣打开表现为与脉搏到达相对应的血容量的快速增加。常规的穿戴式PPG心率监测器通常使用PPG信号的频率或频谱分析来识别PPG信号的周期性变化是否一致。在标题为“Wearable Heart Rate Monitor[穿戴式心率监测器]”的美国专利号10,178,973 B2中披露了这种方法的示例。Venkatraman披露了可以使用输出光学PPG信号的“周期性分量”的过程根据该PPG信号来确定使用者的心率。Venkatraman本身并不教导确定主动脉瓣关闭或主动脉瓣打开的事件。
因此，被设计成测量其他生理参数的装置不适合用于可靠地确定主动脉瓣关闭。在外周脉搏波形中，与主动脉瓣关闭相关联的信号是与主动脉瓣打开相关联的信号的1/100至1/50。使用穿戴式装置准确地检测主动脉关闭需要经过仔细考虑的测量系统，该测量系统结合不同于常规上用于检测其他生理参数的物理和操作特征。以下部分详述这些物理和操作特征，其中，一些细节和示例特定于光学感测技术。本领域技术人员将认识到，许多相同的原理可以与替代测量技术一起使用。
采样分辨率。以对使用者有用的水平评估水合的能力需要在时间域和信号振幅域两者中对血容量、流量或压力的变化具有高分辨率。在时间域中，接近或高于100Hz的采样率有助于在10ms内确定主动脉瓣打开和关闭的事件。采样率较低可能会增加射血时间计算的误差，从而增加随后的水合评估的误差。在信号振幅域中，振幅分辨率应该足以分辨与主动脉关闭相关联的变化，这些变化大约是与主动脉瓣打开相关的变化幅度的1％。在通过模数转换器将获取的信号数字化的实施例中，系统的位深度应该足够高，使得与主动脉瓣关闭相关的信号不会随着离散化而丢失。
在光学系统中，与主动脉瓣关闭相关联的信号振幅可以通过增加所使用的光的强度或亮度来增强，前提是检测器和数据获取系统的其他方面不饱和。可以通过增加LED驱动电流或通过增加使用中的LED数量或两者来增加光强度。还可以通过配置光学系统的附加操作参数、比如积分时间(在检测器处获取光子的时间长度)来增加信号振幅。在旨在长时间佩戴的穿戴式装置中，电池寿命始终是一个问题。由于LED启用会显著消耗电池电量，因此可以谨慎考虑LED的整体强度和使用持续时间，并仅在需要时使用。
图9表明了分辨率不足对确定主动脉瓣关闭的影响。图9A示出了在两个域中均以高分辨率采样的心脏脉冲的压力轨迹。根据压力波中的切迹来确定主动脉瓣关闭。当脉搏在图9B中以16Hz的低时间分辨率进行采样时，确定切迹时序的能力显著降低。16Hz的采样率通常用于穿戴式装置中的心率确定，但不足以用于确定主动脉瓣关闭。在图9C中，时间分辨率得到改善，但振幅的分辨率由于离散化而极大地降低。再次，主动脉瓣关闭的精确时序难以辨别。因此，本发明的实施例包括在时间和信号振幅维度上具有能够检测主动脉瓣关闭的分辨率的测量系统。
采样的血管。对于压力、容量或流量的测量，与主动脉瓣关闭相关联的切迹信号将在更近侧的动脉段处最大，并且将沿着脉管系统树而消散。该信号在较大的三层血管(比如动脉和小动脉)中比在很大程度上无弹性的毛细血管中更为明显。
由于其与光学系统有关，所以近红外光(其被血液和组织微弱吸收)可以穿透到组织深处(>1mm)并与更大的脉管系统段相互作用。这与可见光范围内(尤其是绿光)的较短波长形成鲜明对比，可见光被皮肤、血液和组织中的色素极大地吸收。对于绿光，毛细血管床有效地充当防止与较大血管直接相互作用的筛网。因此，采用较短波长(绿光或蓝光)并具有与毛细血管相互作用的短光学路径的光学传感器对与主动脉瓣关闭相关联的信号的灵敏度低于采用较长波长(红光和红外光)并具有与更近侧的动脉段相互作用的较长光学路径的传感器。
光学系统中光发射器和检测器的物理配置在确定光学路径长度和被采样的血管类型时也起着重要作用。当发射器和检测器紧邻放置(例如，间距<5mm)时，检测到的光子更有可能主要与毛细血管床中的表面血管相互作用。当检测器与发射器的间距更大时，到达检测器的光子更有可能与包含更近侧的动脉段的更深组织相互作用。由于可见光范围内的较短波长的光被组织极大地吸收，因此发射器和检测器必须相对更紧邻才能实现充分的光子检测。然而，当发射器与检测器的物理间距超过10mm时，可以使用红光和近红外范围内的较长波长，从而支持大多数光子与动脉段和小动脉段相互作用的光学路径。为了进一步促使与这些血管段的相互作用，可以将发射器和检测器布置成使得光学路径穿过已知的动脉解剖位置。例如，在手指中，突出的掌指动脉沿着手指两侧、靠近手的掌侧表面纵向延伸。因此，发射器和检测器的更靠近掌侧(腹侧)的放置可能有利于对动脉进行采样。
值得注意的是，与主动脉瓣关闭相关的SNR最大化可能不等同于主动脉瓣打开的SNR最大化。因为绿光被血液极大地吸收，与主动脉瓣打开相关联的搏动性信号的幅度可能明显大于用较长波长获得的信号。此外，绿光传感器由于其穿透深度较浅，因此受静脉间室的影响较小，从而降低了对一些与运动相关的伪影的灵敏度。结果是，对于测量心率和心率变异性的常规穿戴式系统，绿光可能是最佳的。例如，由Maeda等人教导了这一点(Maeda,Y.、Sekine,M.&Tamura,T.(2011)The advantages of wearable green reflectedphotoplethysmography[穿戴式反射绿光的光电容积描记术的优点]Journal of MedicalSystems[医学系统杂志],35(5),829-834)。
出于水合测量的目的，该系统试图通过对较大血管(比如维持主动脉瓣关闭信号更强的动脉和小动脉)进行更深入的采样来最大化与主动脉瓣关闭相关的SNR。
组织-传感器界面
所有感测技术的突出噪声源是测量装置相对于组织的运动。装置设计可以通过将感测部件相对于装置表面突出使得感测部件与组织保持一致的接触来缓解这个问题。
对于光学系统，装置设计还可以减少由环境光或杂散光引起的噪声。优选地，仅与组织相互作用的光线将被检测器捕获。然而，仅从皮肤或其他表面反射的光线，或者源自环境源的光线也可能被检测到并构成噪声源。本发明的实施例可以包括对检测到的光进行控制或限制的光管理部件。这些部件包括但不限于：物理阻挡器，这些物理阻挡器放置在检测器周围以限制可以到达光敏表面的光线角度；光学元件(比如光纤或透镜)，这些光学元件放置在光电检测器前面、类似地限制检测器的数值孔径；以及偏振器，这些偏振器以正交取向放置在光源与检测器之间以限制对仅经历表面反射的光线的检测。
另外，可以结合环境光消除(ALC)来去除环境光的干扰。ALC方法在LED作用和不作用时都检测光，从而允许通过LED不作用周期补偿LED作用周期中的信号。Kim等人披露了ALC电路的示例(Kim,Jongpal等人，“Ambient light cancellation inphotoplethysmogram application using alternating sampling and chargeredistribution technique[使用交替采样和电荷再分配技术的光电容积图应用中的环境光消除]”2015 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering inMedicine and Biology Society[2015年第37届IEEE医学和生物学工程学会国际年度会议](EMBC).IEEE,2015)。
生理信号大小
除了改变光学传感器系统的操作参数和配置之外，还可以通过改变搏动性信号的大小来增加SNR。
动脉搏动的大小可以通过降低血管跨壁压(TMP)(即，动脉壁两侧的压力梯度)来增加。随着TMP的降低，至少有三种机制来进行搏动大小的这种增强：(1)TMP降低通过局部静脉动脉反射(VAR)触发动脉扩张，(2)TMP降低触发肌源性反应，即，动脉壁平滑肌松弛，以及(3)因为血管顺应性是随TMP的变化而变化，所以TMP的降低会增加动脉顺应性，使得动脉压的给定变化会导致动脉容量的很大变化。可以通过在测量点位施加外部压力或升高测量点位相对于心脏的高度来降低静水压力而降低TMP。
最佳外部压力通常大于静脉压但小于动脉舒张压；超过这个点的压力将开始阻塞血流并扭曲脉搏波形。基于Balijepalli等人(2014)的研究，18-99岁人群有95％的舒张压高于60mmHg。如果采样点位接近或低于心脏水平，则50mmHg范围内的外部压力可能适于增大动脉搏动的幅度；图8示出了本发明的示例测量位置。
图9示出了采样分辨率对确定主动脉瓣关闭的影响。
图10和图11(如下文讨论的)，TMP对搏动大小的影响是分级的，因此任何可感知的外部压力(例如，大于5mmHg)都会使搏动有所增加。(Balijepalli,C.,
C.,Bramlage,P.,Erbel,R.,Humphries,K.H.,
K.-H.,&Moebus,S.(2014).Percentiledistribution of blood pressure readings in 35683 men and women aged 18 to 99years[35683名18至99岁男性和女性的血压读数百分比分布]Journal of HumanHypertension[人类高血压杂志]，28(3),193-200)。
通过比较，Brophy-Williams等人(2014)报告，“运动压缩”紧身衣施加的界面压力在5至30mmHg范围内，其决于下肢区域和身体姿势。Coltman等人(2015)发现，标准文胸肩带在静态位置可以施加约40mmHg的压力，在高强度活动过程中可以施加高达75mmHg的压力。因此，约50mmHg的外部压力尽管可能超出了旨在本质上舒适的服装或装置产生的压力范围，但并未超出标准服装施加的压力范围。(Brophy-Williams,N.,Driller,M.W.,Shing,C.M.,Fell,J.W.,&Halson,S.L.(2015)Confounding compression:The effects ofposture,sizing and garment type on measured interface pressure in sportscompression clothing[混杂压缩：姿势、尺码和服装类型对运动压缩服的测量界面压力的影响]Journal of Sports Sciences[体育科学杂志]，33(13),1403-1410)。(Coltman,C.E.,McGhee,D.E.,&Steele,J.R.(2015).Bra strap orientations and designs tominimise bra strap discomfort and pressure during sport and exercise in womenwith large breasts[最小化大乳房女性在体育运动中文胸肩带的不适和压力的文胸肩带取向和设计]Sports Medicine-Open[体育医学-开放]，1(1),21)。
图8中示出了TMP对搏动大小的影响的示例，示出了本发明的示例测量位置。
图9示出了采样分辨率对确定主动脉瓣关闭的影响。
图10和图11。图8示出了本发明的示例测量位置。
图9示出了采样分辨率对确定主动脉瓣关闭的影响。
图10示出了来自佩戴在手指根部的可调整的PPG环的检测器信号。信号已经过带通滤波以集中在搏动性分量上。大约每45s，通过环带上的棘轮机构，环在佩戴者的手指上逐渐收紧。这些收紧事件由灰色矩形103表示。曲线图下方指示了佩戴者报告的与不同松紧程度相关联的主观体验。最初在周期101中，使用者报告环“非常松”，搏动幅度为约100次检测器计数。在若干收紧事件之后，使用者报告环与手指“稳定接触”。在这个周期(102)的搏动大小为约150次计数。在这一点之后，每次收紧事件通过施加的外部压力越来越多地改变TMP，如搏动性信号大小的增加所证明的。当使用者报告环“非常紧”时，搏动大小增加到约1000次计数(周期103)。在进一步收紧后，使用者报告感觉手指有搏动，这指示外部压力正在接近动脉舒张压。累积地，由于采样点位外部压力增大导致动脉TMP降低，收紧事件使环的周长减少10％，并且信号大小增加10倍。
图11示出了TMP对搏动大小的影响的第二示例，在这种情况下使用静水压力的操纵来改变TMP。图11示出了来自佩戴在手指根部的PPG环的经过带通滤波的检测器信号。在整个实验过程中，环的大小是恒定的，但受试者的手臂位置会发生变化，如灰色矩形1105所示。在周期1101中，手臂以放松体位垂放在受试者体侧。采样点位被估计为在心脏右心房下方50cm处，由于这些血管中的竖直血液柱施加的静水压力，导致约37mmHg的附加压力使静脉壁和动脉壁扩张。这个周期中的搏动大小恰低于400次计数。在周期1102中，受试者举起其手，使得采样点位大致与肩膀齐平。相对于心脏的垂直移位的变化降低静水压力，从而相应地降低TMP。因此，搏动大小增加到2倍以上，达到近1000次计数。在周期1103中，受试者将其手臂伸到头顶上方的舒适位置。采样点位现在估计在右心房上方67cm处，产生大约-50mmHg的静水压力。这降低TMP，从而导致搏动大小进一步增加到大约1500次计数。在周期1104中，受试者缓慢放下其手臂。正如所预期的，搏动大小逐渐降低。
降低采样点位的TMP提供了减少与主动脉瓣关闭无关的生理信号的额外好处。生理噪声的一大来源是静脉血。由于静脉系统在相对较低的压力下运行，因此在运动过程中容量扰动很容易造成局部影响。血管床中的静脉血在细微运动中很容易变形，从而改变光吸收并产生显著的带内噪声源。可以通过将静脉TMP降低到零以下来管理这种噪声源，从而有效地使静脉塌陷，使得其容量最小化。这不仅稳定了静脉对血管容量的贡献，而且还降低了非搏动性源对光的整体吸收。
搏动信号的幅度也可以通过经由血管舒张增加采样点位处动脉和小动脉的横截面积来增强。这可以通过例如使用嵌入在设备中的加热元件在采样点位加热组织来实现。
使用者状态差异的管理
有效的水合评估系统可以管理与水合状态变化无关的使用者状态差异或个体差异。以下段落描述了可能表示水合评估的潜在混淆的生理状态差异，以及有效地管理这些差异的方法。
心率
本发明的一些实施例提供了在存在心率变化的情况下确定水合的能力。心率受许多变量的影响，这些变量包括海拔、年龄、身体活动、温度、压力、酒精以及兴奋剂(比如咖啡)。因此，有用的水合评估系统可以在存在由多种来源引起的心率变化的情况下提供准确的水合评估。
在水合恒定的情况下，心率的变化会改变射血时间。射血时间的变化主要是因心脏充满血液的时间较少而发生。出于检测水合的目的，在一些实施例中，这些与水合无关的变化可以通过使用心率作为附加的独立参数来有效地补偿射血时间改变使得可以准确地确定水合来减轻。
图12示出了单个水合程度下心率与射血时间之间的典型关系，其根据Lance等人的以下文献再现：(Lance,V.Q.,&Spodick,D.H.(1976).Heart rate--left ventricularejection time relations[心率——左心室射血时间关系].Variations duringpostural change and cardiovascular challenges[姿势变化和心血管挑战过程中的变化].Heart[心脏],38(12),1332-1338)。射血时间随心率大致呈线性关系下降，但是大量研究表明，精确的关系因人而异，并且根据年龄、性别和健身水平而变化。
图13展示了在确定水合时不考虑心率的情况下可能发生的潜在误差。该图示出了两种不同水合程度下的心率与射血时间之间的关系。线78示出了仅使用射血时间作为水合指标的潜在误差。如果以显著不同的心率获取测量值，则可能会错过从正常到脱水的水合变化。相反，心率增加可能被误解为水合降低。尽管心率发生了变化，本发明的一些实施例仍使用心率和主动脉时序信息两者来有效地确定水合。
补偿心率变化的能力可以对所有个体使用简单的校正。然而，可以通过使用更精细和使用者特定的方法来改进水合测量。该系统可以使用基于年龄、性别、体重指数(BMI)或健身水平的“匹配队列”方法。使用者可以将这种人口统计信息输入到装置中，或者输入到与装置通信的应用程序中，以支持改进的心率校正。
水合评估系统可以要求使用者进行一种心率校准或补偿程序。这种程序可以要求使用者在测量周期内获得心率心脏瞬时升高，而水合状态的变化很小或不显著。更广泛的校准可以要求使用者提供两种不同水合状态下的心率变化。
体位
使用者状态的另一种潜在差异是静脉回流到心脏的程度。仰卧(平躺)时，胸部的大静脉血液充盈或充满血液。当静脉被拉伸时，附加的容量会增加压力。仰卧位的结果是中心静脉压增加、舒张末期容量增加以及每搏量增加。站立时，腿部大静脉的压力增加。例如，在心脏下方一米处，重力作用会增加约74mm Hg的压力。从仰卧到站立的变化会导致腿部中静脉扩张和血池。所产生的血液到腿部的转移会减少中心静脉中的血液，并且心脏充盈压力会下降。图14是上述生理学的图示。
图15中示出了恒定水合状态下体位对射血时间的影响。该图示出了使受试者切换4种位置的测量结果(射血时间以ms为单位)：双腿抬起、仰卧、坐着和站着。腿部向上与放平之间的估计容量变化估计为150ml。如图所示，体位变化会影响主动脉时序，并且是潜在的水合误差。例如，由位置变化导致的静脉回流减少可以模拟水合变化。
因此，当个体处于固定的体位(例如站着)时，可以使用水合评估系统。图14的检查示出了站立位降低中心静脉压和舒张末期压力。图6和图7的重新检查示出了在较低舒张末期压力下对水合变化的总体灵敏性最大。因此，要求受试者在水合测量期间始终站立(而不是坐下或躺下)可以提高水合测量的准确度。
替代性地，可以考虑测量时使用者的体位信息。身体姿势可以通过多种方式确定，包括直接测量、推断测量或自我报告测量。
心率对射血时间的影响与体位相互作用。这由Miyamoto等人在图16中再现(Miyamoto,Y.,Higuchi,J.,Abe,Y.,Hiura,T.,Nakazono,Y.,&Mikami,T.(1983).Dynamicsof cardiac output and systolic time intervals in supine and upright exercise[仰卧和直立位运动中的心输出量和心缩间期的动力学].Journal of AppliedPhysiology[应用生理学杂志],55(6),1674-1681)。仰卧位下使射血时间与心脏相关的斜率比直立位(站立位)下的斜率更陡。因此，可以同时考虑身体姿势和心率，以进行有效的水合评估。
体位变化
除了控制体位外，还可以使用获取不同体位的测量值来执行水合评估。此外，体位的变化可以用于产生自我参考测量值，其中，将位置之间的变化程度进行比较或计算并与现有标准进行比较。所使用的比较标准可以是用于所有使用者的一般基于人群的标准。比较标准可以是“匹配的”标准，其中，选择的标准基于与匹配使用者特性的使用者队列相关联的参数。例如，潜在匹配特征可以包括但不限于性别、年龄、体重指数、身高、身体健康、使用烟草等。最终标准化可以是基于自定标准。使用者可以在充分水合时建立他们的响应并在所定义的脱水程度下建立二级反应标准。在使用中，可以使用自我参考方法来获得早上起床时的水合状态。该系统可以使用从睡眠到坐着再到站立的姿势转变作为用于获得在三种不同静脉回流条件下的主动脉瓣时序的方法。比较单独个体的日常趋势的能力使系统能够识别可能影响生理表现的水合中的小扰动。
结合信息
图17和图18示出了将关于使用者状态的信息结合到水合状态的有效确定中。如图17所示，水合评估主要取决于主动脉瓣打开和关闭的时间进程，从中确定心搏间期(IBI；心率的倒数)和射血时间(ET)。附加输入可以包括：身体姿势，该身体姿势可以基于使用者依从性假设、基于来自使用者的输入获取或从传感器确定；以及关于使用者的生理信息(比如年龄、体重和身高)。然后，水合确定模型使用这些输入来产生期望的水合状态输出。
图18表示先前示例的变体。在这个示例中，水合确定模型结合了在超过一种身体姿势下获取的主动脉瓣打开和关闭的时间进程。如前所述，姿势可以基于使用者依从性假设、基于使用者输入获取或从传感器确定。同样如前所述，关于使用者的人口统计信息可以包括对水合确定模型的附加输入。与图17不同的是，本示例中的水合确定模型不采用显式计算的ET和IBI作为输入；相反，该模型使用包含与主动脉瓣打开和关闭相关联的信息的数据表示。可以训练深度神经网络，特别是那些具有卷积层或循环结构的神经网络，以基于数据流，使用数据流中与主动脉瓣的打开和关闭固有相关联的信息来预测水合状态。确定模型所使用的数据流可以是原始的(未经处理的)，或者可以在输入到模型中之前以某种方式处理、过滤或转换。
本领域技术人员将认识到，上述结合信息以用于水合确定的方法包括有限的示例，并且许多其他方法是可能的。
用于水合评估的示例设备
图19示出了能够基于主动脉瓣打开和关闭进行水合测量的设备(1904)的说明性实施例。在示例实施例中，该设备被配置为佩戴在手指上的环。该设备包括一个或多个下述操作系统。描述了每个系统的功能要素，但是也可以存在附加能力。
关键操作系统
该设备包括光学传感器系统，该光学传感器系统包括一个或多个发射器(1905和1906)以及一个或多个检测器(1907和1908)。该光学传感器系统用于在采样位置将光子发射到组织中并检测与组织相互作用的光子。在这个实施例中，物理阻挡器1920围绕检测器以限制杂散光的影响。发射器可以具有相同的发射波长或不同的波长。给定的发射器也可以表示LED封装，该LED封装具有发射多个波长的能力。检测器的作用面积、光谱灵敏度或其他参数可以相同或不同。光学传感器系统可以被配置为执行时分复用和解复用，使得可以在相同的获取周期内获取来自多个波长的信号。光学传感器系统可以进一步被配置为执行环境光消除。
使用运动传感器系统(例如，加速度计1909)来在采样位置获得运动信息。在替代性实施例中，运动传感器系统可以包括在至少一个维度上量化运动的传感器，比如加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计和高度计。这些传感器中的一个或多个可以存在于惯性测量单元(IMU)中。运动传感器系统还可以基于来自光学传感器系统的检测器信号的变化来量化运动程度。用于运动评估的其他系统包括光学或图像检测系统。运动传感器系统可以使用单一的运动评估信息源或根据需要组合来自传感器的信息。
触发系统(例如，按钮1910)被配置为检测触发(例如，按下按钮)，然后启动水合测量。在其他实施例中，触发系统可以被配置为检测基于传感器的触发、基于使用者的触发或基于时间的触发。基于传感器的触发是指基于传感器信号启动水合测量。例如，很少或没有运动(如由光学传感器系统感测到的)或检测到大的搏动信号(如由光学传感器系统感测到的)可以指示存在合适的测量条件，并且可以单独或组合地构成触发事件。基于使用者的触发是指基于使用者产生的任何有意活动来启动水合测量。示例包括使用设备本身的活动或使用与设备通信的外部装置的活动。与设备的直接交互可以包括以定义的方式或以定义的手或手指手势轻敲、转动或扭转装置。在这些情况下，触发系统将被配置为对运动传感器系统做出响应。替代性地或另外，触发系统可以被配置为对使用者输入系统做出响应，如下定义。例如，使用者可以与智能手机上的应用程序交互以启动水合评估。进一步示例可以包括基于语音命令或定义的声音序列的触发事件。最后，基于时间的触发是指基于绝对或相对时序来启动水合测量。这些触发器包括自水合测量以来经过的时间(例如，自上次成功测量以来的30分钟)、一天中的特定时间(例如，每天上午6:00和晚上10:00)、或由使用者的昼夜节律决定的时间(例如，在使用者入睡或起床后)。
光学采样控制系统(1911)用于建立和改变光学传感器系统的操作参数。操作参数包括可以在启动采样时配置的光学传感器系统参数，包括发射器和检测器选择、波长选择、采样频率、检测器积分时间、环境光消除和采样持续时间。在水合测量过程中，当需要检测主动脉瓣的打开和关闭时，图19所示的光学传感器系统的以下操作参数可能是适合的：在接近最大强度(例如，60mA的驱动电流)下使用具有近红外波长(例如，峰值波长为940nm)的两种发射器(1905和1906)；使用检测器1908以促成长光学路径，对动脉和小动脉进行深度采样，最大积分时间为100μs；采样频率大于100Hz；获取持续时间为30秒。上述操作参数仅供说明之用；这些参数的变化也可能是合适的。当不进行水合测量时，光学采样控制系统可以指定一组不同的操作参数。例如，如果仅确定心率，则可以更改操作参数以减少电力需求并延长电池寿命。这些操作参数可以包括：使用以次最大强度(例如，15mA)发射绿光(例如，530nm的峰值波长)的单个发射器1906；使用检测器1907来促成光子在很大程度上与毛细血管床相互作用的短光学路径；16Hz的采样频率。在不需要光学测量的期间，光学采样控制系统还可以完全停用光学传感器系统(实现所有检测器的0Hz有效采样率和所有发射器的0mA驱动电流)以进一步节省电力。
分析系统(1912)从光学传感器系统中的一个或多个检测器接收信号并确定射血时间和心搏间期。分析系统可以组合或以其他方式聚集来自一个或多个检测器和一个或多个波长的信号。分析系统还可以使用来自运动传感器系统(例如，加速度计和/或陀螺仪)的信号，这些信号可以用于最小化或消除检测器信号中由运动或其他伪影引起的噪声。此外，该系统可以结合信号或从先前的采样周期提取的特征。分析系统可以采用滤波或信号变换、噪声消除、特征检测、算法过程、概率模型、预测模型或其他分析技术。
分析系统还可以包括信号适用性系统(1913)，该信号适用性系统确定指示所获取的信号对于水合确定的适用性的指标，使得将产生可靠的结果。适用性的确定可以基于多种因素，包括原始或经处理的检测器信号的稳定性和一致性、提取特征(比如ET和IBI)的一致性或基于模型的可能性、通过运动传感器系统确定的运动幅度、检测器信号中估计的运动污染程度。信号稳定性系统可以使用异常值检测方法、异常检测方法、概率模型或其他技术来评估适用性。信号适用性系统可以被配置为确定缺乏信号适用性的原因，并经由反馈系统向使用者提供这种诊断信息，使得可以采取纠正措施。另外，信号适用性系统可以被配置为向光学采样控制系统提供信息，使得可以实施操作参数的改变以提高获取信号的质量。
姿势确定系统(1914)是用于确定使用者的身体姿势的系统。在图19的说明性实施例中，姿势确定系统被配置为对运动传感器系统1909做出响应。一般来说，许多技术可以用于执行姿势确定，但是方法可以大致分为(1)直接测量、(2)推断测量和(3)自我报告确定。用于确定姿势的直接测量包括来自能够检测身体运动的传感器(比如加速度计、陀螺仪、磁力计和相机或其他成像平台)的数据。这些传感器可以佩戴在使用者身上，或者可以从未贴附的位置观察使用者，或者其组合。用于确定姿势的推断测量依赖于使用者的当前活动。例如，当睡觉时，假设使用者处于仰卧位或半卧位是合理的。当以显著速度(例如，>30mph)行进时，人们可以推断出汽车或其他车辆中的就座位置。在一些实施例中，姿势确定的自我报告测量包括使用者采用使用者输入系统(1917)报告他们的姿势。
水合确定系统(1915)采用IBI、ET和潜在的附加信息(比如使用者输入)来确定使用者的水合状态。所产生的信息可以经由反馈系统(1901)传达给使用者。
包括显示器LED 1901的反馈系统向一个或多个接收者提供反馈。接收者可以包括使用者和/或一个或多个相关方，比如对使用者的水合状态感兴趣的教练、队友、护理人员或医疗专业人员。如本文所使用的，反馈是指与水合状态或水合测量有关的任何信息的传递。例如，反馈可以传达使用者的水合状态、在水合测量期间获取的信号的质量、或进行测量或采取纠正措施的指令。可以实时或近乎实时地提供关于水合状态的反馈，从而允许接收者做出近期的生活方式、液体消耗、活动或药物改变，以改善表现、恢复、健康状况和总体幸福感。在替代实施例中，可以在装置本身上或在与该装置通信的外部装置(比如智能电话、计程器、智能水瓶、智能手表或个人计算机)上提供反馈。反馈可以是视觉的(例如，经由可读的显示器或LED)、听觉的(例如，哔哔声、音调模式或语音)、触觉的(例如，通过振动或触觉技术产生)、呈动作的形式(例如，智能水瓶的盖子突然打开)或其任何组合。
使用者输入系统(蓝牙接收器1917)允许将信息从使用者传递到装置。在其他实施例中，使用者输入系统可以被配置为接收多种形式的输入，包括物理交互、语音交互、手势交互和其他通信方法。例如，为了接收物理输入，使用者输入系统可以包括按钮或开关。为了接收手势输入，使用者输入系统可以包括对运动传感器系统做出响应的手势检测系统。手势可以包括轻敲装置、旋转装置或动作序列(比如使用者拍手三次)。通信方法的附加示例包括使用电磁波或超声波的无线传输，其中，使用者输入系统将包括适当的接收器。
获得有用的水合测量的过程涉及多种不同的系统之间的协调和依赖。图20描绘了图19的说明性实施例中所描述的系统之间的操作关系。替代性实施例可以包括交互的子集、附加交互、其他不同的依赖关系。
用于降低跨壁压的机构
该设备可以配置有改变采样位点处的跨壁压的机构。为了促进有效描述这些机构以及其操作，图21定义了基于佩戴该设备的手指的坐标系。纵向尺寸与手指的长度(特别是指骨的长度)对齐。正交径向尺寸定义为从手指中心到皮肤表面。垂直于纵向轴线和径向轴线两者的圆周尺寸定义为围绕手指的圆周。可以为其他身体部位定义类似的坐标系。例如，手腕的纵向尺寸与尺骨和桡骨的长度对齐，而上臂的纵向尺寸与肱骨对齐。
该设备可以被配置为通过向采样点位或邻近采样点位处施加外部压力来降低跨壁压。因为手指和其他身体部位是具有有限变形能力的半刚性物体，所以施加到一个位置的压力以合理的效率传递到整个组织体积。对于手指，相邻区域被认为在给定的指骨内。外部压力可以局部地、周向地、在单个纵向位置处施加或沿着纵向轴线分布。
该设备可以被配置为通过减小围绕手指或其他身体部位的全部或重要部分的内表面的有效内径来降低跨壁压。有效内径被定义为从纵向投影观察到的、设备内表面可以内接的最大圆。图22展示了确定可以部分或完全环绕身体部位的多种不同环型形式的有效内径。在图22A至图22F中，粗黑线表示环的内表面；虚线表示最大的内接圆和对应的直径。图22F示出了具有开口形式的环的有效内径(即，不完全环绕或包围身体部位)。
出于说明的目的，将讨论几种用于改变有效内径的不同机构，如结合到指环中的机构；这些机构中的大多数同样适用于佩戴在手腕、上臂或其他身体部位上的装置。出于解释的目的，在采样点位施加较小压力的配置将被称为“佩戴状态”，而施加较大压力(并因此降低跨壁压)的配置将被称为“测量状态”。
一种改变有效内径的手段是通过环的内圆周的总体变化，类似于收紧或松开皮带。这种类型的实施例被认为具有可减小的内圆周。图19中的说明性实施例包括这样一种改变有效内径的手段：一体式棘轮机构1903，该一体式棘轮机构可以在测量状态下收紧环1921的内柔性表面，并且在佩戴状态下松开。图23A至图23B示出了内圆周总体减小的第二示例。这个示例实施例示出了在施加力时能够挠曲的开口形式的环。在佩戴状态下(图23A)，环的形式保持打开。为了达到测量状态(图23B)，使用者向环的侧面(开口两侧)施加力以将环压缩到定义的停止位置。触发系统可以被配置为感测何时接触2301，在环的开口端相遇，并且开始水合测量。这个过程构成基于使用者的触发，以及基于检测有效内径变化的触发。信号适用性系统可能需要在整个信号获取过程中保持持续接触作为信号适用性的标准。图23C至图23E中示出了被配置为环的总体圆周变化的实施例的附加示例。图23C与图23A的装置的类似之处在于，使用者施加力减小了圆周并将环压缩到限定的停止点。图23D还从打开形式变为关闭形式，并结合了夹具机构以在测量状态下保持减小的圆周配置，使得使用者不需要在整个测量周期中施加持续的力。图23E结合了螺钉或“滚轮”机构，该机构逐渐改变圆周，从而产生逐渐增加或减少跨壁压的能力。
一种改变有效内径的替代方法是经由将一个或多个压缩特征移至环的内部。图24展示了具有安装在环的顶部上的单一压缩特征(不对称块2501)的实施例的示例。在佩戴状态下(图24A至图24B)，该特征被旋转使得其不压缩手指。为了进入测量状态(图24C)，使用者将压缩特征旋转90度，在此，压缩特征锁定为稳定配置。特征的旋转会使有效内径产生显著变化。图25展示了附加类型的压缩特征环的图示。在所有情况下，都有一种经由局部移动在环内部产生突起的机构。图25A的实施例经由径向尺寸中的力操作，该力将压缩特征移向环的内部。图25B的实施例通过在径向尺寸上用相反的力挤压环来操作，迫使柔性元件“向上隆起”到环的内部中。图25C经由闩锁进行操作，当“向上翻转”时，该闩锁将压缩旋转到环的内部中。
替代性实施例构成突起环，这些突起环包括在环的内表面上改变配置的多个突起。突起可以连接在一起或独立作用以改变有效内径。图26是操作中的突起环的图示。在佩戴状态下，环与手指之间的材料处于“向下”状态，并且填充环与手指2601之间的较小容积。环与手指之间的材料是在柔性支撑层2603上、由许多刚性突起2602组成的材料。当环已沿顺时针方向旋转时，突起向支撑层倾斜并且有效内径更小2604。在测量状态下，环与手指之间的材料处于“向上”状态，并且填充环与手指之间的放大容积状态2605(为清楚起见，材料大小被放大)。当环以逆时针方向旋转时，突起旋转或移至更垂直的位置2606，从而导致有效内径减小2607。表现出这种行为的突起型材料是基于摩擦各向异性的系统、马海毛越野攀岩皮、“梳状元件”是适度刚性但安装在柔性材料中的刷子、内部结构材料、平行肋、鳃、旋转百叶窗和3D打印结构，包括毛发状元件。Bafekrpour等人已经对系统的应力和力相互作用进行了建模，并展示了几种类型的结构(Bafekrpour、Ehsan等人，“Internallyarchitectured materials with directionally asymmetric friction[具有方向不对称摩擦的内部结构材料]”，Scientific reports[科学报告]5(2015):10732)。突起可以由单根细丝、小块或“褶皱或百叶窗”组成。如果所有突起都连接在一起，则一个突起的运动可以促进其他突起的运动。为了促进这种协调的构象变化，可以在突起之间放置材料，以便在突起部位之间产生连接的相互作用。另外，突起之间的材料或突起与支撑层的贴附可以在突起的原始位置或静止位置赋予构造偏差。突起之间的材料可以用于在突起部位之间产生连接的相互作用或影响突起的原始位置或静止位置的偏差。图27是突起环的示例实施例，其中，只有环的上半部具有突起。所展示的环示出了连接突起的内表面。如图27所示，环的逆时针旋转导致构型改变和内径减小。随着突起结构变得更加垂直2703，环的逆时针旋转导致内表面2702的视线压缩。这种压缩会产生固有的机械偏差，使结构恢复到佩戴状态。该图展示了连接的结构，但在实施中存在许多差异，包括独立的部位、平行四边形或其他几何形状2701。存在突起环概念的许多变体，包括不同的材料类型、将环锁定到测量模式的能力、以及具有不对称弯曲轮廓的突起结构。取决于实施的细节，突起环的概念可以被实施为将一个或多个压缩特征移至环的内部，如图27所示。然而，如果突起结构具有奇异的内表面，则结果是环的内圆周发生总体变化。
另一种改变有效内径的方法是通过环特征沿着纵向轴线运动。图28示出了配置有这种方法的装置的示例。在佩戴状态配置中(图28A)，包括环的末端的特征2801在同一横截面中彼此邻接。该装置可以具有维持或稳定这种佩戴配置的机构，未示出。在纵向维度上施加相反的力2802会导致构象变化，从而产生测量状态配置(图28B)。在这种配置中，环的端部2801在纵向维度上彼此绕过并且不再位于同一横截面中。由此产生的配置变化减小了有效内径，并通过在采样区域处或附近施加力来降低采样点位处的跨壁压。“测量状态”构象表示原始或低应力配置，因此装置在整个测量过程中保持这种状态。该环被设计成使得系统的固有机械偏置保持稳定的测量状态。图29呈现了环实施例的第二示例，该环实施例被构造成通过特征沿着纵向轴线的运动来减小有效内径。在佩戴状态下(图29A)，包括线环的特征2901与环的本体平行定位。在这种配置中，有效内径最大。经由释放机构(未示出)，线环在纵向维度上远离环枢转，从而导致测量状态的有效内径变化减小(图29B)。本示例实施例中的力机制由线环产生：每个线环的纵向末端在联接点处相对地联接到环点2902，使得环的弹簧/回弹刚度产生自动偏置机构。当线环围绕联接点枢转时，线环的扭转特性产生偏置力，该偏置力以机械方式将环推向打开或展开配置。这种固有的机械偏差产生了稳定的测量配置。线环在手指顶部施加力，手指顶部与环底部的内表面相对，从而实现采样区域处跨壁压的降低。
能够产生内部有效直径变化的附加环实施例是两个或更多个刚性本体的相应运动。这些环系统可以经由两个环或其他几何形状相对于另一个的旋转和平移运动来产生有效内径的变化。图30展示了旋转和平移的概念。在旋转设计中，环相对于彼此旋转，但旋转轴线不一样。例如，虚线环围绕点3001旋转。由于非对称旋转点，旋转导致有效内径发生变化，如交叉影线区域所示。可以通过相对于另一个平移一个环或几何形状来进行类似的更改。在佩戴配置中，环位于同心位置，并且内部有效直径最大。当一个环相对于另一个环平移时，有效内径减小，如交叉阴影区域所示。
上述实施例本质上是说明性的，并且不表示产生跨壁压降低的所有物理机制。基于改变有效内径的目标，普通技术人员可以开发多种变体或替代性方案。
测量状态的稳定性
如图示和随后描述的，几个环实施例要求环的使用者在测量过程中保持力或压力。这种依赖于使用者的维护力实施例的示例包括下图中所示的那些环：图23A至图23B、图23C、图25B以及图27。其他实施例包括用于稳定测量状态配置的物理机制，例如闩锁或保持部件：23D、25A以及25C。还可以经由棘轮机构19或螺钉机构23E实现稳定的测量配置。图24展示了由旋转元件的形状引起的稳定状况。图28和图29表示其中系统的固有机械偏差产生稳定的测量状态而引起跨壁压降低的实施例。使用者可能更喜欢具有稳定测量状态的环实施例，因为它们在测量周期中不需要操作员的参与。另外，这些环将生成不受由使用另一只手引起环运动影响的测量数据。
水合评估的示例方法
操作方法是本发明的重要要素；应在预期的使用环境中获取关键信息并满足标准，个人将在该环境中进行日常活动并且可以参加运动和体育赛事。身体活动的增加会导致心率增加、皮肤污染和外周血管舒张。本发明的水合评估方法对这些预期条件和潜在误差源是稳健的。操作方法和相关联的系统通过对误差源最小化、信号优化、生理信号操纵和对使用者的反馈进行明智的平衡，来进行这种较难的测量。
水合确定过程
获得水合测量值的过程涉及一系列步骤，这些步骤提供了稳健和可靠的装置性能。图31是这种过程的示例实施例。水合测量过程由触发事件启动，该触发事件可以是基于传感器的、基于使用者的或基于时间的。在检测到这样的触发事件之后，启动水合测量过程。光学采样控制系统向光学传感器系统提供一组操作参数。光学传感器系统以及在一些实施例中的运动传感器系统然后获取指定测量周期的信号。在信号获取之后，传感器信号由分析系统分析，并且同时或随后由信号适用性系统分析适用性。如果确定信号不充分，则经由反馈系统向接收者提供反馈。如果确定信号是充分的，则将由分析系统和潜在的其他系统提取的信息提供给水合确定系统。确定水合状态，并将这信息提供给接收者。在这步骤之后，装置可以在“佩戴模式”下进入“空闲”状态，在等待检测到另一个触发事件时使用一组经修改的功能(例如，评估使用者运动和心率)。
触发水合测量
图32中展示了水合测量触发子过程的示例。所披露的实施例设想了多种触发方法。在这个示例过程中，仅当使用者请求时(通过特定手势、与连接装置的交互、或环的物理变形)，或者自上次测量以来已经过了相当长的间隔时间，才会触发水合测量。在这个示例实施例中，向使用者提供关于水合确定状态的反馈：如果触发了测量过程，则指示器LED会连续闪烁绿光。在替代实施例中，反馈可以采取其他形式。这个示例触发子流程支持电池省电，这是小型穿戴式系统的重要目标。除非使用者特别触发，否则仅每30分钟进行一次水合测量。实际上，几乎不需要更频繁的水合确定，因为系统性水合的生理变化相对缓慢，在几十分钟到几小时内发生。
水合确定的替代性方法
图33呈现了用于水合确定的替代性过程，包括系统之间的协调交互、功率管理以及使用者参与以实现可靠的结果。如图31所示，在触发事件之后，光学采样控制系统将一组操作参数指派给光学传感器系统，并且从一个或多个传感器系统获取信号。与图31的偏差在评估信号的适用性后开始。如果适用性量度指示信号不充分，则光学采样控制系统可以改变操作参数，并重复信号获取/分析步骤。
在信号不足是由于对主动脉瓣打开或关闭的检测失败或不可靠的情况下，光学系统操作参数的变化可以实现信号适用性。作为示例，高保真采样定义了一类操作参数，该类操作参数支持检测主动脉瓣打开和主动脉瓣关闭事件，并且包括增加的采样率、增加的光强度、增加的检测器积分时间和增加的样本平均的任何组合。这些增加是相对于标准保真采样中使用的操作参数定义的，该采样仅实现检测主动脉瓣打开或相关信号，即心率确定。使用高保真采样成本较高，因为其消耗的功率比标准保真采样所需的要多得多。额外的功耗给电池大小有限的穿戴式装置带来了挑战，并且要求通过节能来延长电池寿命。因此，本发明的实施例可以仅在必要时采用高保真采样并且以分阶段的方式尽可能地延长电池寿命。
在一些实施例中，操作参数的改变还可以包括发射器波长和有源发射器和检测器组的改变，以影响光子与之相互作用的光学路径和血管结构。可见范围内的较短波长和近侧发射器和检测器的选择促进了反射主导采样，即组织的光学采样，其中，大多数光子不会穿透到组织深处，并且主要与毛细血管床中的血管相互作用(即被毛细血管床中的血管反射、散射或吸收)。近红外范围内的更长波长以及选择具有更大物理间距(>5mm)的发射器和检测器促进了透射主导采样，即对大多数光子穿透并行进穿过组织的组织进行光学采样，与三层血管相互作用(即，被三层血管反射、散射或吸收)。尽管主动脉瓣关闭的检测通常由透射主导采样辅助，但在使用者运动较大时，反射主导采样可能是优选的，因为反射主导信号不太可能被静脉源污染。因此，示例实施例可以首先获取具有与透射主导采样一致的一组操作参数的信号，然后根据信号适用性，获取具有与反射主导采样一致的第二组操作参数的附加信号。
如果没有获取合适的信号并且操作参数处于最大水平(例如，LED驱动电流不能安全地增加)，或者功耗或电池使用量超过定义的阈值，则可以采取附加步骤。如图33所示，降低跨壁压可以用于改善信号质量。跨壁压降低可以通过多种过程实现，包括(1)相对于心脏水平升高采样区域，(2)手动地将装置推向采样区域，(3)将装置移至另一个采样区域(比如具有较大圆周的同一手指的区域，或具有较大圆周的不同手指的区域)，使得施加更大的外部压力，或(4)减小装置的有效内径，使得向采样区域施加更大的外部压力。这些过程可以单独使用或组合使用以产生期望的效果。由于这些改变需要使用者的积极参与，因此会向使用者提供反馈。随着信号的获取和分析，信号适用性系统可以连续获得跨壁压的降低是否产生了合适信号的期望效果。在一些实施例中，系统可以与跨壁压的变化同时、并行或依次修改操作参数，以便以最小的功率消耗获得合适的信号。取决于用于降低跨壁压的机构，改变可以是递增的(例如，逐渐抬起佩戴装置的手指，或使用如图23E所示的装置的实施例缓慢减小有效内径)或离散的(例如，将装置移至另一个手指区域或使用如图28所示的装置实施例)。期望的跨壁压降低程度是有限的：通过任何机制或机制的组合在心舒期将动脉跨壁压降低到零以下将开始阻塞动脉血流并扭曲搏动波形。超过该点的透壁压的附加降低不会改善信号，并且可能使信号不适合用于水合确定。如图33中的示例过程所示，如果已产生最大可实现的跨壁压变化降低并且信号仍然不适合用于水合确定，则向使用者提供反馈。
机会采样。根据期望的水合测量频率、使用者的状态和一天中的时间，机会采样可以有效地简化装置操作并延长电池寿命。例如，考虑两个不同的活动：睡觉和车辆操作。在任一活动过程中，装置可以在很少或不存在运动(由嵌入式加速度计确定)时进行机会采样。在睡觉的情况下，仰卧姿势可以帮助产生较大的搏动，并且在驾驶时将手放在方向盘上或换挡的动作可能会产生期望的跨壁压降低。如果系统检测到强烈的搏动性信号(在“佩戴模式”操作中通过标准保真采样确定)，则装置可以触发水合确定的启动并实施高保真采样。可以理解，存在用于获取能够确定主动脉打开和关闭并且适合用于水合确定的信号的主动(例如，使用者参与)和被动(即，机会主义)方法。
系统演示
在运动引起的高渗性脱水期间的水合评估。为了表明使用本发明进行水合评估的可行性，进行了运动引起脱水的方案。受试者在加热室(78度)中以适度用力水平运动60分钟，不消耗液体。然后测试受试者进入恢复阶段，使用口服补液来以先前研究支持的消耗率补充体液，目的是将受试者的体重恢复到基线值。在基线(运动前)、运动后立即以及在整个恢复阶段以大约一小时的增量进行参考和新的水合测量。参考水合测量包括净重、尿量、尿比重和尿液颜色。用本发明进行了新的水合测量。使用放置在手指根部的近红外光电容积描记(PPG)传感器获取主动脉瓣时间序列，同时受试者以单一体位(站立位)休息。
图34A示出了研究方案的示意图，指示了相对于循环和增量补液的测量周期的时序。图34B示出了受试者随时间的体重变化百分比。图34C示出了每个阶段消耗的体液量，并且图34D示出了每次测量时尿液颜色的变化。正如许多先前的研究中所见，由于膀胱充盈，尿液导出的水合指数将滞后于体重。图34E示出了从本发明的实施例获得的无创水合评估。从PPG测量中提取IBI和ET并输入线性水合确定模型中。对该图的检查展示了测量结果与由体重变化定义的受试者的水合状态之间的密切关系。
为了确认新的水合测量值相对于与运动相关联的其他生理变化的特异性，进行了第二项研究。图35A示出了一般实验设计和方案变体。在方案1中，受试者重复上述运动引起的脱水。受试者失去了大量体液，从而导致因体液流失，体重减轻4.5％。第二天，受试者进行方案2，在相同的条件下以匹配的动力输出进行运动，但在运动中以与出汗率一致的速率消耗液体。这个方案被设计为最小化运动引起的显著生理变化的存在的水合变化。图35B的检查示出了受试者的体重在运动期间通过消耗近2L体液得以维持(图35C)。图35D示出了在方案2中，尿液基本上没有变化，或者在运动后可能甚至更轻。图35E中对主动脉瓣打开和关闭产生的结果的检查示出了方案之间的明显区别，方案2示出了运动后水合状态几乎没有变化或甚至略微增加。
在一项涉及11名竞技自行车手的大型研究中重复了图35A中展示的实验设计。参与者在没有或存在口服液补充的情况下完成了标准化的骑行方案。在脱水和随后的补液过程中以约1.5小时的间隔评估的参考水合状态根据体重变化百分比和尿液比重来确定。在没有进行液体补充的情况下运动时，受试者体重最大减轻了2.1％至3.6％，平均减轻2.8±0.5％(平均值为±SD)。在进行规定补液的情况下运动时，受试者平均损失为0.4±0.5％。
使用图17中概述的输入和确定模型方法，基于IBI和ET的无创测量来评估水合状态。在所有受试者中，相对于水合正常基线和补液恢复期，在脱水峰值处估计的水合状态显著降低(在所有情况下，P<0.0001，针对多个比较进行了校正，两个样本t次测试)。结合来自所有受试者和访问的数据(n＝176次观察)，训练二进制分类器以检测1.5％的脱水。当使用5倍交叉验证方法对未见数据进行测试时，模型实现了超过90％的准确度和曲线(AUC)值下方的ROC面积超过0.90。
等渗性水合模拟变化期间的水合评估
通过在不进行运动的情况下改变固定体位处的血浆容量，或相关联地改变体温，对本发明的示例实施例进行另外的演示。下半身负压是一种用于引起血管容量减少并产生等渗性脱水模拟状态的实验方法。使用下半身负压将血液拉入下半身并通过可以迅速逆转的低血容量产生短暂脱水。图36示出了通过有效处理主动脉瓣信息可获得的有价值的见解。使用指尖的近红外PPG传感器记录主动脉瓣时间序列信息。使用介于0与75mmHg之间的负压，并且在每个级别下保持压力大约10分钟。虚线表示每个压力下HR与射血时间数据的最小二乘线性拟合。“0R”条件表示恢复期。在负压变化之间发生的心率增加表示维持心输出量的生理反应。对该图的检查展示了具有每个模拟脱水程度的定义的点分组。该图有效地表明了可以如何使用射血时间和心率来定义使用者的水合状态。
进行了第二操纵水合状态的实验，以模拟等渗性脱水以及过度水合。下半身负压或下半身正压引起循环量的变化。下半身压力在离散阶段从-30mmHg变化到+40mmHg。招募了十三名年龄从19岁至39岁不等的健康男性受试者参加这项研究。
图37中示出了平均心率(HR)、平均动脉压(MAP)和射血时间随下半身压力(LBP)变化。较细的线表示各个体受试者，而带有十字的较暗的线表示组平均值。较低的LBP对HR(图37A)和MAP(图37B)的影响在整个样本中相对微妙且不均匀。使用重复测量方差分析(ANOVA)测试来评估不同条件下的差异，在小组层面没有发现HR的显著变化(F4,12＝0.7,p＝0.48)，而MAP被示出为随LBP的增加而增加的趋势(F4,12＝2.3，p＝0.069)。相比之下，负LBP以分级方式减少射血时间，而正LBP略有增加(F4,12＝55.0,p<10-16)。受试者内单向ANOVA证实了对所有受试者的强烈影响(p<0.005，针对多个比较进行了校正)。这些结果强调了射血时间在检测水合状态变化方面的独特价值，相比之下，HR和MAP对循环量的轻微变化相对不灵敏。
运动时的水分评估。进行了一项没有体液补充的运动研究。在运动期的开始、中间和结束时，要求受试者通过改变动力输出来在预定义的范围内明确改变他们的心率。图37是获得的结果的曲线。使用指尖上的近红外PPG传感器记录主动脉瓣时间序列信息。对曲线的检查展示了随着对象变得越来越脱水，点的分组非常明显。此外，数据表明了确定在受试者在剧烈运动中经历心率变化时的水合状态的能力。
位置变化的水合评估。图39表明了使用体位变化来增强或加强水合评估的价值。运动引发的脱水研究方案如前所述执行，但受试者在每次测量期间切换仰卧位、坐位和站立位等体位。使用放置在手指根部的近红外PPG传感器获得主动脉瓣打开和关闭的序列。图39A中示出了在每个周期和体位期间的心率和射血时间测量值。如图所示，初始基线测量示出了心率变化最小，射血时间变化60ms。然而，随着2.5％的水合变化，由位置引起的变化程度明显更大，心率变化为约每分钟16次搏动，射血时间变化为115ms。随着受试者恢复，姿势引起的变化程度会降低，直到观察到接近基线的变化。
位置变化信息的添加增加了关于水合状态的附加信息，这些信息可以有效地结合起来，如图18所示。图39B示出了水合确定模型的输出，该水合确定模型线性地组合了从仰卧位到站立位的IBI和ET的变化以提供水合评估。当使用者早上离开床或在工作时从办公桌移至站立位时，获得位置变化信息的能力可以被动地发生。
系统使用场景
提供以下用例以帮助说明系统的价值和创造性。所呈现的用例包括有限的示例，并且本领域技术人员将认识到使用本发明的附加场景。
军事行动。本发明的实施例可以用于由于防弹衣要求和由军事行动导致的整体生理压力而处于脱水风险中的军事人员。军事人员在可能包括战斗风险的极端环境条件下穿上重要的防护装备。总的来说，这些条件会给身体带来巨大的生理压力，并带来身体和认知方面的后果。人们可以通过考虑在中东行动的军事单位来理解这个问题。尽管关注水消耗以保持士兵身体健康，但战斗条件可能会造成严重的干扰，再加上110°F的温度，为降低生理表现产生理想环境。如果士兵在战斗中受伤，脱水还会使他们面临更大的丧失生命的风险；如果发生出血(等渗性脱水)，当基线血管容量已经减少时，身体维持对重要器官充分灌注的能力会严重受损。所描述的水合评估系统可以提供对血管容量的监督，而不会对士兵的时间、行为或装备造成额外负担。因此，本发明对军事人员具有重要价值。
老年患者评估。本发明的一个实施例适用于监测老年人由于有限的储备以及跌倒或认知功能丧失的后果而导致的水合状态。随着年龄的增长，体内水分含量减少，脱水风险增加，后果更加严重。另外，“饮水止渴”机制失去效力。脱水与住院老年人的死亡率增加有关，并且可能导致紧急住院并增加反复住院的风险。脱水是老年人住院的常见原因，也是美国住院的十大最常见诊断之一。有证据表明，医院和其他保健机构中老年患者的脱水率很高，被认为是一种形式或虐待。脱水的影响与比如认知障碍或急性意识模糊、跌倒或便秘等各种疾病有关。脱水与中风和心肌梗塞的风险增加有关。1999年的一项研究表明，与脱水相关的支出很大，该研究估计可避免的因脱水而住院的费用为11.4亿美元。液体摄入量不足是由于吞咽能力下降、活动能力下降、或理解和沟通障碍等限制因素造成的。
对老年人水合的评估表明本发明对于避免跌倒、认知失误、心血管事件风险增加和肾结石发展的价值。在这种场景下，反馈系统可以被配置为向家庭成员、远程监控服务或辅助生活环境中的护理站报告状态信息。该系统可以使用从睡眠到坐着再到站立的然后可以修改或抵消姿势转变作为用于在三种不同静脉回流条件下获得主动脉瓣时序的方法。比较单独个体的日常趋势的能力能够检测到对生理脆弱的个体可能很重要的小扰动。
日常生活。本发明的实施例对一般人群具有普遍适用性。出于说明的目的，考虑一位从事国际旅行的商务行政人员。用于给喷气式飞机座舱加压的干燥空气加上有限的饮料服务会导致容量耗尽。该行政人员可以使用水合评估系统来有效地确保液体摄入量是适当的。使用者的负担很小，仅需要行政人员戴上环或其他穿戴式装置，使得获得主动脉瓣打开和关闭信息。
运动后评估。本发明的实施例也适用于任何希望恢复运动的运动员。示例场景可能涉及与朋友一起度过充满活力的滑雪日。个人自我评估其水合状态的能力可能会因多种因素而受到阻碍，例如，高山空气干燥；由氧气浓度降低引起的呼吸率增加，其导致呼吸液损失增加；非常具有挑战性的出汗(“黑钻”)跑步；滑雪后饮酒(一种已知的利尿剂)。水合评估系统可以提供最佳液体摄入和恢复的信息，使得滑雪之旅的第二天和第一天一样愉快。其他用例场景包括背靠背足球比赛、网球比赛、多日帆船比赛、亚利桑那州阳光下的18洞高尔夫球场和马拉松训练。
运动内评估。运动员可以使用本发明的实施例来在运动中进行水合维持。使用场景包括“饮水止渴”方法已被表明无效的任何耐力事件。夏威夷铁人三项赛事因水合管理不善而以史诗般的失败而闻名。以水合复杂性而闻名的类似事件是跨哥斯达黎加的拉鲁塔山地自行车比赛。许多北美运动员前往哥斯达黎加参加这项赛事，但对热带潮湿环境缺乏经验，并且还担心饮用未经处理的水。该赛事是一项重要的耐力赛事，骑行时间通常超过4小时。在赛事期间使用生理评估系统确定循环量的能力具有很大价值，允许运动员在整个赛事期间将水合保持在基线水平。该系统可以提供水合状态的实时评估，将水合状态显示在标准的计程器装置上，以及在循环量快速变化或进展到危险的低水平时发出警报。
为方便起见采用多环。在环类型实施例中，小型装置的大小显著限制了电池大小和功率容量。如上所讨论的，可以实施用于电池省电的过程。替代地或另外，可以向使用者提供一组两个或更多个装置，使得一个装置可以在另一个装置被佩戴的同时进行充电。图40A示出了一对环的示例。一个环可以在白天佩戴，而另一个环在晚上佩戴。替代性地，可以佩戴一个环，直到提供电池电量不足的通知，从而促进使用者将环“调换”为第二个环。如图40B所示，这对环可以具有彼此不同的外观，这有助于环的交换。这样的实施例为使用者连续佩戴水合确定装置提供了方便的解决方案。
本文引用的每篇出版物均通过援引并入本文中。
通过本发明检测的主动脉时间进程还允许确定其他参数，使得一般生理评估系统是可能的。这样的系统可以向使用者提供关于睡眠质量和持续时间、压力、活动和心率中的一个或多个的信息。这些附加参数可从用于进行水合评估的设备导出。
本领域技术人员将意识到本发明还可以按本文描述和设想的特定实施例之外的多种形式来体现。因此，在不脱离所附权利要求中描述的本发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上有所不同。
尽管本披露内容的概念容易受到各种修改和替代性形式的影响，但其特定实施例已在附图中以示例的方式示出并在本文中进行了详细描述。然而，应当理解，并不意欲将本披露内容的概念限制为所披露的特定形式，相反，意图是涵盖与本披露内容和所附权利要求一致的所有修改、等同物和替代性方案。
说明书中对“一个实施例”、“实施例”，“说明性实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是并非每个实施例必须包括该特定的特征、结构或特性。而且，这样的短语不一定是指相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，无论是否明确描述，都认为结合其他实施例实现这样的特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围内。另外，应当理解，以“A、B和C中的至少一个”形式包括在列表中的项目可以表示(A)；(B)；(C)；(A和B)；(A和C)；(B和C)；或(A、B和C)。类似地，“A、B或C中的至少一个”形式列出的项目可以表示(A)；(B)；(C)；(A和B)；(A和C)；(B和C)；或(A、B和C)。
在一些情况下，所披露的实施例可以在硬件、固件、软件或其任何组合中实施。所披露的实施例还可以被实施为由暂时性或非暂时性机器可读(例如，计算机可读)存储介质携带或存储在其上的指令，这些指令可以由一个或多个处理器读取和执行。机器可读存储介质可以体现为用于以机器可读的形式存储或传输信息的任何存储装置、机构或其他物理结构(例如，易失性或非易失性存储器、介质盘或其他介质装置)。
在附图中，一些结构或方法特征以特定布置和/或顺序示出。然而，应当理解，可能不需要这样的特定布置和/或顺序。相反，在一些实施例中，这样的特征可以按与说明性附图中所示不同的方式和/或顺序来布置。另外，在特定图中包含结构特征或方法特征并不意味着表示在所有实施例中都需要这种特征，并且在一些实施例中，可能不包括这种特征或可能与其他特征组合。
Claims (51)
1.一种用于确定使用者的水合状态的设备，包括：
(a)环，该环的内表面具有有效内径，该环被配置为佩戴在该使用者的手指上；
(b)光学传感器系统，该光学传感器系统包括：(i)一个或多个光学发射器，该一个或多个光学发射器与该环安装在一起使得由该一个或多个发射器发射的光被导向该手指；以及(ii)一个或多个检测器，该一个或多个检测器与该环安装在一起使得该一个或多个检测器产生检测器信号，该检测器信号表示了来自一个或多个发射器的、在与该手指的组织相互作用之后到达这些检测器的光，该一个或多个检测器被配置为检测指示该使用者的主动脉瓣打开和关闭的生理信号；
(c)触发系统，该触发系统被配置为检测指示要启动水合测量的事件；
(d)光学采样控制系统，该光学采样控制系统对该触发系统做出响应，被配置为以第一组操作参数操作该一个或多个发射器和该一个或多个检测器；
(e)分析系统，该分析系统对该检测器信号做出响应并且被配置为确定该使用者的主动脉瓣相继打开之间的心搏间期以及该使用者的主动脉瓣打开与关闭之间的射血间期；
(f)水合确定系统，该水合确定系统被配置为根据该心搏间期和该射血间期来确定该使用者的水合状态；
(g)反馈系统，该反馈系统被配置为提供反馈。
2.如权利要求1所述的设备，进一步包括使用者输入系统，该使用者输入系统被配置为接收来自该使用者的输入，并且其中，该水合确定系统被配置为根据该心搏间期和该射血间期以及该输入来确定该使用者的水合状态。
3.如权利要求2所述的设备，进一步包括姿势确定系统，该姿势确定系统被配置为响应于该光学传感器系统、该使用者输入系统或其组合而确定该使用者的姿势，并且其中，该水合确定系统被配置为在产生了该检测器信号时，根据该心搏间期、该射血间期以及该使用者的姿势来确定该水合状态。
4.如权利要求2-3中任一项所述的设备，其中，该水合确定系统被配置为根据第一姿势下的心搏间期和射血间期以及第二姿势下的心搏间期和射血间期来确定该水合状态。
5.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其中，该分析系统被进一步配置为确定该检测器信号对于水合确定的适用性。
6.如权利要求5所述的设备，进一步包括运动传感器系统，并且其中，该分析被配置为响应于该运动传感器系统而确定该检测器信号的适用性。
7.如权利要求5所述的设备，其中，该光学采样控制系统被配置为响应于由该分析系统确定的该检测器信号的适用性而改变这些操作参数。
8.如权利要求1-7中任一项所述的设备，其中，该环可配置为采用多个有效内径，使得当该环被配置为采用第一有效内径时，已经与该光相互作用的该手指的组织中的静脉跨壁压小于零，并且已经与该光相互作用的该手指的组织中在心舒期的动脉跨壁压大于零。
9.如权利要求1-8中任一项所述的设备，其中，该环可配置为采用多个有效内径，使得该环能够被配置为采用第一有效内径，从而在该手指的组织中的血管中产生第一组跨壁压，并且该环能够被配置为采用第二有效内径，从而在这些血管中产生第二组跨壁压，其中，该第二组跨壁压中的压力小于该第一组跨壁压中的压力。
10.如权利要求8所述的设备，其中，该环可配置为两种稳定状态中的任一种，在第一稳定状态下，该环具有第一有效内径，而在第二稳定状态下，该环具有不同于该第一有效内径的第二有效内径。
11.如权利要求10所述的设备，其中，该环具有机械偏置件，该机械偏置件促使该环进入该第二稳定状态。
12.如权利要求11所述的设备，其中，该第二有效内径小于该第一有效内径。
13.如权利要求8所述的设备，其中，该触发系统包括传感器，该传感器对该环的有效内径变化灵敏。
14.如权利要求1-13中任一项所述的设备，其中，该触发系统对该光学传感器系统、该使用者输入系统或其组合做出响应。
15.如权利要求1-14中任一项所述的设备，进一步包括运动传感器系统，该运动传感器系统包括加速度计、陀螺仪或其组合；并且其中，该触发系统对该运动传感器系统做出响应。
16.如权利要求8所述的设备，其中，该环包括从该环的内表面突出的一个或多个压缩特征，并且其中，该有效内径能够通过该一个或多个压缩特征的运动而改变。
17.如权利要求8所述的设备，其中，该环包括一个或多个环特征，并且其中，该有效内径能够通过该一个或多个环特征沿着纵向轴线运动而改变。
18.如权利要求8所述的设备，其中，该环具有可减小的内圆周。
19.如权利要求8所述的设备，其中，该环具有环特征，这些环特征包括在该环内侧的突起，这些突起的配置可以在第一配置与第二配置之间变化，其中，当这些突起处于该第一配置时，该环具有第一有效内径，而当这些突起处于该第二配置时，该环具有不同于该第一有效内径的第二有效内径。
20.如权利要求1-19中任一项所述的设备，其中，该使用者反馈系统包括与该环安装在一起的一个或多个LED或触觉传感器。
21.如权利要求1-19中任一项所述的设备，其中，该使用者反馈系统包括与该环通信的外部装置，其中，该外部装置包括可视显示器。
22.如权利要求1-19中任一项所述的设备，其中，该一个或多个光学发射器和该一个或多个检测器与该环安装在一起，使得到达该检测器的光包括已经行进穿过该组织并与三层血管相互作用的大多数光子。
23.如权利要求1-19中任一项所述的设备，其中，从该环的中心测量的发射器与检测器之间的角度大于15度。
24.一种确定使用者的水合状态的方法，该方法包括：
(a)提供环，该环被配置用于佩戴在该使用者的手指上，其中，该环包括：一个或多个光学发射器，该一个或多个光学发射器与该环安装在一起使得由该一个或多个发射器发射的光被导向该手指；以及一个或多个检测器，该一个或多个检测器与该环安装在一起使得该一个或多个检测器产生信号，该信号表示了来自一个或多个发射器的、在与该手指的组织相互作用之后到达该一个或多个检测器的光；
(b)通过基于使用者的事件、基于时间的事件或基于信号的事件中的一个或多个来触发水合测量；并且随后
(c)使用第一组操作参数操作该一个或多个发射器和该一个或多个检测器，并从该检测器获取表示了光与该手指的采样区域的相互作用的信号；
(d)根据该检测器信号确定该使用者的主动脉瓣相继打开之间的心搏间期以及该使用者的主动脉瓣打开与关闭之间的射血间期；
(e)根据该心搏间期和该射血间期来确定该使用者的水合状态。
25.如权利要求24所述的方法，进一步包括在步骤(c)之前，在该采样区域中的这些血管中建立第一组跨壁压，使得该采样区域中的静脉跨壁压小于零并且该采样区域中在心舒期的动脉跨壁压大于零。
26.如权利要求24所述的方法，进一步包括确定表明该检测器信号对于确定水合状态的适用性的指标。
27.如权利要求26所述的方法，进一步包括确定该指标是否在预定界限内，并且如果不是，则在执行步骤(d)之前使用不同于该第一组操作参数的第二组操作参数来重复步骤(c)。
28.如权利要求25所述的方法，进一步包括确定该指标是否在预定界限内，并且如果不是，则建立不同于该第一跨壁压的第二跨壁压，并在执行步骤(d)之前重复步骤(c)。
29.如权利要求25所述的方法，进一步包括确定该指标是否在预定界限内，并且如果不是，则建立不同于该第一跨壁压的第二跨壁压，并在执行步骤(d)之前使用不同于该第一组操作参数的第二组操作参数来重复步骤(c)。
30.如权利要求24所述的方法，其中，步骤(c)重复多次，每次使用一组不同的操作参数并一起产生多个检测器信号，并且其中，步骤(d)包括根据该多个检测器信号来确定该水合状态。
31.如权利要求24所述的方法，其中，步骤(c)重复多次，每次使用一组不同的操作参数并一起产生多个检测器信号，并且进一步包括针对这些检测器信号中的每个检测器信号确定指示该检测器信号对于确定水合状态的适用性的指标；并且其中，步骤(d)包括根据该多个检测器信号来确定该水合状态，该多个检测器信号是由针对该多个检测器信号中的每个检测器信号的指标加权的。
32.如权利要求31所述的方法，其中，在步骤(d)中，对应于预定范围之外的指标的检测器信号的权重为零。
33.如权利要求24所述的方法，其中，在该使用者处于第一姿势以产生第一检测器信号时以及在该使用者处于第二姿势以产生第二检测器信号时执行步骤(c)；并且其中，步骤(d)包括根据第一检测器信号和第二检测器信号来确定该水合状态。
34.如权利要求25所述的方法，其中，该环具有可调整的有效内径，并且其中，建立跨壁压包括建立该环的有效内径。
35.如权利要求25所述的方法，其中，建立跨壁压包括将佩戴有该环的手定位到相对于心脏的预定高度。
36.如权利要求25所述的方法，其中，建立跨壁压包括将该环移至不同的手指或同一手指的不同采样区域。
37.如权利要求28所述的方法，其中，建立跨壁压包括将该环的一部分推向该手指。
38.如权利要求24所述的方法，其中，步骤(e)包括：当产生该检测器信号时，根据该心搏间期和该射血间期以及该使用者的姿势来确定该使用者的水合状态。
39.如权利要求38所述的方法，进一步包括通过与该环安装在一起的加速度计、与该环安装在一起的陀螺仪、或与该环安装在一起的光学传感器中的一个或多个来确定该使用者的姿势。
40.如权利要求38所述的方法，进一步包括从该使用者接受该使用者的姿势的指示。
41.如权利要求24所述的方法，其中，步骤(e)包括：在产生了该检测器信号时，根据该心搏间期和该射血间期，以及该使用者的年龄、性别、体重或身高中的一个或多个来确定该使用者的水合状态。
42.如权利要求24所述的方法，其中，步骤(c)执行两次，第一次使用建立透射主导采样的操作参数，而第二次使用建立反射主导采样的操作参数；并且确定哪个检测器信号具有最强的主动脉关闭信号，并在步骤(d)中使用该检测器信号。
43.如权利要求24所述的方法，进一步包括在与该环分开并与之通信的装置上显示该水合状态。
44.如权利要求24所述的方法，进一步包括使用该环向该使用者提供视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈。
45.如权利要求24所述的方法，进一步包括提供外观彼此不同的多个环，并且如果为第一环供电的电池电量低，则向该使用者提供反馈，使得该使用者能够使用第二环。
46.一种用于确定使用者的水合状态的方法，该方法包括：
(a)从对日常生活活动不显眼的穿戴式传感器获取信号，该穿戴式传感器被配置为检测使用者的测量区域中的血容量变化，这些变化指示当该使用者处于一种或多种不同姿势时该使用者的主动脉瓣的打开和关闭；
(b)使用水合确定模型来根据在一种或多种姿势下确定的信号来确定该使用者的水合状态；
(c)将该水合状态传达给该使用者。
47.如权利要求46所述的方法，其中，步骤(a)进一步包括在获取信号的过程中确定该姿势以及该使用者维持该姿势。
48.如权利要求46所述的方法，其中，步骤(b)包括：(b1)确定相继的主动脉瓣打开之间的心搏间期；(b2)确定主动脉瓣打开与主动脉瓣关闭之间的射血间期；以及(b3)根据在一种或多种姿势下确定的心搏间期和射血间期来确定该水合状态。
49.如权利要求47所述的方法，其中，步骤(b)包括：(b1)确定相继的主动脉瓣打开之间的心搏间期；(b2)确定主动脉瓣打开与主动脉瓣关闭之间的射血间期；以及(b3)根据在一种或多种姿势下确定的心搏间期、射血间期和姿势来确定该水合状态。
50.如权利要求45-49中任一项所述的方法，其中，该传感器佩戴在该使用者的手指、手腕或上臂上。
51.如权利要求45-50中任一项所述的方法，进一步包括：在测量区域中所包含的这些血管中建立跨壁压，使得该区域中的静脉中的跨壁压小于零，而在心舒期该区域中的动脉中的跨壁压大于零。
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