CN115023185A - 用于确定光体积描记图的可穿戴设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确定光体积描记图的可穿戴设备，所述可穿戴设备包括至少第一光源，所述至少第一光源被布置成当所述可穿戴设备被先证者使用时，向所述先证者的身体上的至少一个进入点提供光。所述可穿戴设备还包括至少第一光检测器，所述至少第一光检测器被布置成检测通过所述先证者的身体、从所述光源接收到的光。所述可穿戴设备还包括控制装置，所述控制装置被布置成根据所述检测到的光计算光体积描记图。所述可穿戴设备还包括至少第一检测器光波导和第二检测器光波导，所述至少第一检测器光波导和第二检测器光波导被布置成当所述可穿戴设备被所述先证者使用时，检测所述先证者的身体上的至少两个不同位置的光，并将所述光馈送到所述至少第一光检测器。

Description

用于确定光体积描记图的可穿戴设备和方法

技术领域

本发明大体上涉及用于健康监测的可穿戴设备领域；更具体地，涉及用于确定光体积描记图的可穿戴设备和方法。

背景技术

通常，光体积描记术是通过照射受试对象的皮肤，以无创地分析组织底层微血管床的血容量变化。光体积描记图提供了关于心血管和其它生理系统的有价值的信息，例如与心跳、呼吸、血氧水平等相关的血流或血液不透明度的变化。目前，用于确定光体积描记图和全面健康监测的传统设备和其中使用的传感方法存在许多技术问题。主要问题之一是管理这种传统设备的功耗。通常，在光体积描记术中使用光发射器实现照射目的。在传统设备中，光发射器(例如，发光二极管)通常是光体积描记术的主要功耗来源。对于由尺寸受限的电池供电的传统可穿戴设备，管理功耗以便为这种光发射器供电变得更具挑战性。在一个示例中，具有多个光发射器可以提供更好的照射和输出信号，但也可能会带来电池快速耗尽的不良影响，或者可能进一步导致传统可穿戴设备的尺寸增加，这不合乎需要。

另一个技术问题是在确定光体积描记图时不准确，这导致健康指标不准确，如心率、呼吸频率等出现错误。例如，几乎每个人在特定的身体部位都有不同的身体特征，例如不同的静脉或动脉位置，可以仔细检查这些特征来确定光体积描记图。传统设备中使用的电流传感方法和光学装置容易出错，不足以处理这种身体特征位置差异，因此可能无法为每个人提供一致的、准确的测量结果。在某些情况下，在确定光体积描记图时，可能佩戴传统可穿戴设备的受试对象可能会进行某些体育活动，如锻炼，或者可能有一些身体移动，如手部移动。这种移动可能会导致运动伪影，从而导致使用传统可穿戴设备监测到的健康指标的准确性低得多。例如，由于手部移动，通过手腕或手指进行的心率监测不准确。在体育活动或任何身体移动期间提高准确性的一种方法可以是向光发射器馈送更多的电力，以使所得到的信号具有可接受信号质量。但是，增加功耗的不良影响又使可穿戴设备的电池耗尽，导致即使在非运动期间，传统设备可能也没有足够的电力来在一天或一周的时间内对受试对象进行测量，这不合乎需要。

因此，根据上述讨论，需要克服与用于确定光体积描记图和用于健康监测的传统设备和方法相关的上述缺点。

发明内容

本发明寻求提供一种用于确定光体积描记图的可穿戴设备和方法。本发明寻求提供一种现有的低效功率管理问题以及目前用于确定光体积描记图的容易出错的传感方法的方案，该传感方法会导致传统设备无法准确地监测的健康指标。本发明的目的是提供一种方案，该方法至少部分克服现有技术中遇到的问题，并提供能够高效地管理功耗并准确地确定光体积描记图以获得准确的健康指标的改进的可穿戴设备和方法。

本发明的目的是通过所附独立权利要求中提供的方案实现的。本发明的有利实现方式在从属权利要求中进一步定义。

在第一方面中，本发明提供了一种用于确定光体积描记图的可穿戴设备。所述可穿戴设备包括至少第一光源，所述至少第一光源被布置成当所述可穿戴设备被先证者使用时，向所述先证者的身体上的至少一个进入点提供光。所述可穿戴设备还包括至少第一光检测器，所述至少第一光检测器被布置成当所述可穿戴设备被所述先证者使用时，检测通过所述先证者的身体、从所述光源接收到的光。所述可穿戴设备还包括控制装置，所述控制装置被布置成根据所述检测到的光计算光体积描记图。所述可穿戴设备还包括至少第一检测器光波导和第二检测器光波导，所述至少第一检测器光波导和第二检测器光波导被布置成当所述可穿戴设备被所述先证者使用时，检测所述先证者的身体上的至少两个不同位置的光，并将所述光馈送到所述至少第一光检测器。

第一方面所述的可穿戴设备能够在高效地管理功耗的同时获得改进的输出信号。例如，以输出信号的形式获得改进的脉动生理波形(即信号的“AC”部分)，该脉动生理波形由于与心跳、呼吸、血氧水平等相关的血容量的变化而产生，这样可以准确地确定光体积描记图。由于第一检测器光波导和第二检测器光波导被布置成检测先证者的身体上的至少两个不同位置的光，因此与先证者的身体上的相关身体特征(如动脉)相互作用的机会显著增加。这种改进的光学装置和传感方法增加了先证者的身体上覆盖不同身体特征的读取(即测量)点的数量，从而提高了确定光体积描记图的准确性，而单个第一光源的功耗没有任何增加。

在第一方面的第一种实现方式中，所述至少第一光检测器是光电二极管。

由于由第一检测器光波导和第二检测器光波导将在先证者的身体上的至少两个不同位置处检测到的光馈送到光电二极管，因此输出信号的信号质量显著提高，从而提高了确定光体积描记图的准确性。

在第一方面的第二种实现方式中，所述至少第一光源是发光二极管。所述可穿戴设备还包括至少第一源光波导和第二源光波导，所述至少第一源光波导和第二源光波导被布置成接收来自所述至少第一光源的光。在使用时，所述至少第一光源的所述光由所述至少第一源光波导和第二源光波导引导，以通过至少两个不同的进入点进入所述先证者的身体。

使用第一源光波导和第二源光波导接收来自至少第一光源的光，确保了可穿戴设备的功率效率，同时进一步提高了确定光体积描记图的准确性。由于使用多个源光波导将光照射在至少两个不同位置上以进入先证者的身体，因此与先证者的身体上的相关身体特征(如动脉)相互作用的机会显著增加。这改进了健康指标监测，例如，改进了临床生理测量、血管评估和自主神经功能。此外，在至少两个不同位置增强照射也增加了第一光检测器的传感能力，该第一光检测器从第一检测器光波导和第二检测器光波导接收来自先证者的身体上的至少两个不同位置的光。

在第一方面的第三种实现方式中，所述可穿戴设备包括一个光源和两个光检测器。

通过具有两个光检测器(例如，多个光电二极管)，输出信号的“AC”部分的功率(即，光体积描记图波形的脉动生理波形的质量和信号强度)增加，而可穿戴设备中单个光源的功耗没有任何增加。

在第一方面的第四种实现方式中，所述可穿戴设备对于每个光源包括至少三个源光波导，用于分离来自所述光源的所述光。

源光波导数量增加会增加与先证者的身体上的相关身体特征(如动脉)相互作用的机会，而光源的功耗没有任何增加。此外，增加与先证者的身体上的相关身体特征(如动脉)相互作用会提高确定光体积描记图的准确性，从而准确地监测先证者的健康指标。

在第一方面的第五种实现方式中，所述可穿戴设备对于每个光检测器包括至少三个检测器光波导，用于检测所述先证者的身体上的不同位置的光。

使用至少三个检测器光波导检测先证者的身体上的不同位置的光会增加先证者的身体上覆盖不同身体特征的读取(即测量)点的数量。读取点的数量增加会提高确定光体积描记图的准确性，而不增加光源的功耗。

在第一方面的第六种实现方式中，所述第一光源为可调谐激光器。所述可穿戴设备还包括光波导，所述光波导包括超表面，所述控制装置被布置成控制所述激光器的波长以控制所述至少一个进入点的位置。

在光源是可调谐激光器的情况下，具有超表面的光波导可用于将不同的光带引导到不同的位置(即不同的进入点)，以进入先证者的身体。因此，即使不同的人在特定的身体部位具有不同的身体特征，例如不同的静脉或动脉位置，控制装置也会通过使用光波导充分地处理这种身体特征差异(由于照射特定范围内的不同位置)，从而为每个人提供一致的、准确的测量。

在第一方面的第七种实现方式中，控制装置被布置成根据从所有光检测器的所有检测器光波导检测到的所述光计算所述光体积描记图。

由于所有光检测器的所有检测器光波导都用于检测光，因此输出信号的累积信号强度(例如，输出信号的AC分量的功率)增加，而可穿戴设备中单个光源的功耗没有任何增加。这种改进的光学装置和传感方法增加了先证者的身体上覆盖不同身体特征的读取(即测量)点的数量，从而提高了确定光体积描记图的准确性，而单个第一光源的功耗没有任何增加。

在第一方面的八种实现方式中，控制装置被布置成选择至少一个检测器光波导，以根据从所述至少一个选择的检测器光波导检测到的所述光计算所述光体积描记图。

选择至少一个检测器光波导能够获得从(与至少一个检测器光波导相关联的)至少一个点(与先证者的身体上的其它点相比)测量的具有相对较高的信号强度(例如，输出信号的AC分量的功率增加)的输出信号。因此，提高了确定光体积描记图的准确性，而第一光源的功耗没有任何增加。

在第一方面的第九种实现方式中，控制装置被布置成选择所述源光波导中的至少一个源光波导，以向所述先证者的身体提供光。

控制装置可以根据源光波导中的至少一个的选择，定位血管特征(例如，动脉或静脉)的适当位置，以将光提供到所述定位位置。因此，与先证者的身体的相关血管特征的相互作用会提高确定光体积描记图的准确性，从而能够准确地监测先证者的健康指标。

在第一方面的第十种实现方式中，所述可穿戴设备为手表、手镯或戒指。

在传统的可穿戴设备中，由于手部移动和确定传统传感器在皮肤表面的适当位置方面的挑战，健康指标监测，尤其是通过手表、手镯或戒指进行的监测是不准确的。与传统的可穿戴设备相比，本发明的可穿戴设备中的波导增强光学装置通过增加先证者的身体上覆盖不同身体特征的读取(即测量)点的数量来提高传感能力，从而减少由于手部移动而引起的任何运动伪影。这进一步增加了确定光体积描记图的准确性，而不增加第一光源的功耗。

在第二方面中，本发明提供了一种可穿戴设备用于确定先证者的光体积描记图的用途。

使用第二方面所述的可穿戴设备能够准确地监测先证者的健康指标，并实现第一方面所述的可穿戴设备的所有优点和效果。

在第三方面中，本发明提供了一种使用设备确定先证者的光体积描记图的方法。所述方法是在先证者佩戴设备时实现的。所述方法包括：从第一光源向所述先证者的身体上的至少一个点发射光。所述方法还包括：通过至少第一检测器光波导和第二检测器光波导接收所述光，所述至少第一检测器光波导和第二检测器光波导被布置成检测所述先证者的身体上的至少两个不同位置的光；将所述接收到的光馈送到光检测器。所述方法还包括：根据从至少一个光波导接收到的所述光计算所述光体积描记图。

第三方面所述的方法实现了第一方面的可穿戴设备的所有优点和效果。

在第三方面的第一种实现方式中，所述方法还包括：在第三方面所述的方法的步骤之前，针对所述设备相对于所述先证者的不同的至少第一位置和第二位置执行的步骤。所述方法还包括：从所述第一光源发射光；通过所述至少第一检测器光波导和第二检测器光波导接收所述光；将所述接收到的光馈送到所述光检测器。所述方法还包括：计算所述光体积描记图；确定所述第一位置和所述第二位置中的哪一个相对于彼此提供更好结果；将所述设备定位在提供所述更好结果的位置。

当确定第一位置和第二位置中的哪一个相对于彼此提供更好的结果时，输出信号的信号质量显著提高，从而提高了确定光体积描记图的准确性。换句话说，光体积描记图波形的脉动生理波形(即AC分量)的质量和信号强度显著增加，而可穿戴设备中单个光源的功耗没有任何增加。

需要说明的是，本申请中描述的所有设备、元件、电路、单元和模块可以通过软件或硬件元件或其任何类型的组合实现。本申请中描述的各种实体执行的所有步骤以及所描述的将由各种实体执行的功能旨在表明相应的实体适于或用于执行相应的步骤和功能。虽然在以下具体实施例的描述中，由外部实体执行的特定功能或步骤没有在执行该特定步骤或功能的该实体的具体详述元件的描述中反映，但是技术人员应该清楚，这些方法和功能可以在相应的硬件或软件元件或其任何组合中实现。应理解，在不脱离所附权利要求书定义的本发明的范围的情况下，可以对本发明的特征进行各种组合。

本发明的附加方面、优点、特征和目的从附图和结合以下所附权利要求书解释的说明性实现方式的详细描述中变得显而易见。

附图说明

结合附图阅读，可以更好地理解以上概述以及以下说明性实施例的详细描述。为了说明本发明，在附图中示出了本发明的示例性结构。但是，本发明不限于本文公开的具体方法和工具。此外，本领域技术人员应理解，附图不是按比例绘制的。在可能的情况下，相同的元件用相同的数字表示。

现在参考以下附图仅通过示例的方式描述本发明的实施例，在附图中：

图1是本发明的一个实施例提供的示出可穿戴设备的各种示例性组件的框图；

图2是本发明的一个实施例提供的用于实现用于确定光体积描记图的可穿戴设备的示例性场景的图示；

图3是本发明的一个实施例提供的描述不同先证者的身体部位的血管特征的不同示例性位置的图示；

图4是本发明的一个实施例提供的描述从在先证者的身体部位的不同位置处检测到的多个信号导出的输出信号的图示；

图5是本发明的另一个实施例提供的具有可调谐激光器作为光源和光波导的示例性可穿戴设备的图示；

图6是本发明的一个实施例提供的使用设备确定先证者的光体积描记图的方法的流程图。

在附图中，带下划线的数字用于表示带下划线的数字所在的项目或与带下划线的数字相邻的项目。不带下划线的数字是指由将不带下划线的数字与项目连接的线所标识的项目。当一个数字不带下划线并具有关联的箭头时，不带下划线的数字用于标识箭头指向的一般项目。

具体实施方式

以下详细描述说明了本发明的实施例以及可以实现这些实施例的方式。尽管已经公开了实施本发明的一些模式，但本领域技术人员应认识到，也可以存在用于实施或实践本发明的其它实施例。

图1是本发明的一个实施例提供的示出可穿戴设备的各种示例性组件的框图。参考图1，示出了可穿戴设备102。可穿戴设备102包括第一光源104和一个或多个光检测器，例如第一光检测器106。可穿戴设备102还包括控制装置108和多个检测器光波导110，例如第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B。还示出了与可穿戴设备102相关联的先证者112。可选地，在一种实现方式中，可穿戴设备102还包括多个源光波导114，例如第一源光波导114A和第二源光波导114B。

可穿戴设备102包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，这些合适的逻辑、电路、接口和/或代码用于当可穿戴设备102被先证者112使用时确定例如先证者112的光体积描记图。先证者112是指人(例如，用户或给定的受试对象)或任何生物。与先证者112相关联的光体积描记图可能用于测量(或指示)先证者的身体(以下称为先证者112的身体)的一个或多个健康指标。换句话说，可穿戴设备102可能用于根据所确定的光体积描记图监测可能佩戴可穿戴设备102的先证者112的身体的各种健康指标。由可穿戴设备102监测到的健康指标的示例包括但不限于先证者112的身体的心率、心率变异性(heart rate variability，HRV)、葡萄糖水平、血压和外周毛细血管氧饱和度(oxygen saturation，SPO2)水平。

根据实施例，可穿戴设备102是手表、手镯或戒指。在这种实施例中，可穿戴设备102被先证者112佩戴在手腕或手指上。可穿戴设备102还可以佩戴(或附接)在先证者112的身体的耳垂、颈部或前额上，或先证者112的任何其它适用于进行光体积描记的身体部位上。可穿戴设备102的实现的其它示例包括但不限于科技服饰、时尚电子设备、运动监测设备、识别设备(例如，基于特定健康指标的人类识别)、医疗设备、军事设备、游戏设备或其它可穿戴计算设备。

第一光源104是当被供电时发射光的半导体器件(即光发射器)。换句话说，第一光源104用于当以光子的形式供电时，转换电子，所述光子以电磁辐射形式(即作为光)从第一光源104发射。第一光源104被布置成当可穿戴设备102被先证者112使用时，向先证者112的身体上的至少一个进入点提供光。根据实施例，至少第一光源104是发光二极管。在一种实现方式中，发光二极管是红外发光二极管。在另一种实现方式中，发光二极管是绿色发光二极管。在又一种实现方式中，发光二极管是红外发光元件和绿色发光元件的组合，它们根据指定的设置可替换地操作。例如，一种类型的彩色发光元件被一次“打开”以节省电力，但有利地在健康指标监测中使用绿光和红外光波长。根据另一实施例，至少第一光源104是可调谐激光器。可调谐激光器在操作时发射红光或近红外光的波长，用于照射佩戴可穿戴设备102的先证者112的身体部位(例如，手指部分、手腕部分等)。可选地，所述可调谐激光器用于发射绿光的波长或用于照射目的的其它波长。

一个或多个光检测器(例如，第一光检测器106)用于在光传播通过介质(例如，先证者112的身体)之后检测由光源(例如，第一光源104)发射的光信号(即，以光的形式)。一个或多个光检测器充当可穿戴设备102中的光接收器。因此，第一光检测器106被布置成当可穿戴设备102被先证者112使用时，检测通过先证者112的身体、从至少第一光源104接收到的光。根据实施例，至少第一光检测器106是光电二极管。在一个示例中，光电二极管是正-本征-负(positive-intrinsic-negative，PIN)二极管、雪崩光电二极管或能够检测光的其它类型的光电二极管。例如，在第一光源104实现为可穿戴设备102中的可调谐激光器的情况下，第一光检测器106可以实现为雪崩光电二极管。根据实施例，可穿戴设备102包括一个光源(例如，第一光源104)和两个光检测器(例如，第一光检测器106)。

控制装置108可以包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，这些合适的逻辑、电路、接口和/或代码用于根据由一个或多个光检测器(例如，第一光检测器106)检测到的光计算光体积描记图。控制装置108的示例可以包括但不限于微处理器、微控制器、复杂指令集计算(complex instruction set computing，CISC)处理器、专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)处理器、精简指令集(reduced instruction set，RISC)处理器、超长指令字(very long instruction word，VLIW)处理器、中央处理单元(central processing unit，CPU)、状态机、数据处理单元和其它处理器或电路。此外，控制装置108可以指一个或多个单独的处理器、处理设备或作为可穿戴设备102一部分的处理单元。

多个检测器光波导110(例如第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B)是用于引导波(例如，光形式的电磁波)的物理结构。多个检测器光波导110(例如第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B)捕获身体部位(例如，手指部分)上的不同位置的光，并向光检测器(例如，第一光检测器106)导引(或引导)从不同位置捕获的光，而具有最小的能量损失。换句话说，第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B被布置在可穿戴设备102中，以在可穿戴设备102被先证者112使用时检测先证者112的身体上的至少两个不同位置的光，并将检测到的光馈送到第一光检测器106。第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B可能是具有恒定横截面积或可变横截面积的波导。例如，第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B可以是具有恒定横截面积的波导，例如条形波导、肋形波导等。在另一个示例中，第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B是具有可变横截面积的波导，例如分段波导、光子晶体波导等。在又一个示例中，第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B是激光内切波导、光管、光纤等。

根据实施例，可穿戴设备102还包括至少第一源光波导114A和第二源光波导114B，所述至少第一源光波导114A和第二源光波导114B被布置成接收来自至少第一光源104的光。第一源光波导114A和第二源光波导114B中的每一个是类似于第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B的物理结构(例如，光纤)。在一个示例中，第一源光波导114A和第二源光波导114B中的每一个具有第一端和第二端。第一源光波导114A和第二源光波导114B中的每一个的第一端耦合到第一光源104。在使用时，第一源光波导114A和第二源光波导114B中的每一个的第二端被布置在可穿戴设备102中，使得由第一光源104发射的光被引导，以通过至少两个不同的进入点进入先证者112的身体。在一个示例中，在使用时，第一源光波导114A和第二源光波导114B中的每一个的第二端可能靠近或接触先证者112的身体上(例如，手腕、手指、颈部、额头上等)的两个不同的进入点。换句话说，至少两个不同的进入点暴露于通过第一源光波导114A和第二源光波导114B的第二端引导的光。例如，图2中示出和描述了多个源光波导114的示例性布置。在一个示例中，多个源光波导114和多个检测器光波导110各自都使用光子组件构造。可选地，多个源光波导114和多个检测器光波导110各自的芯部可能沉积有氮化硅(silicon nitride，SixNy)材料，以使光高效地通过。

根据另一个实施例，第一源光波导114A和第二源光波导114B是具有超表面的光波导。在使用时，第一源光波导114A和第二源光波导114B用于引导由至少第一光源104发射的光，以通过至少两个不同的进入点进入先证者112的身体。在图5中示出和描述了超表面的示例。光波导的超表面提供了限定的表面积，该表面积使光能够通过各种进入点(例如，两个或更多个不同的进入点)进入先证者112的身体。第一源光波导114A和第二源光波导114B的实现示例类似于如上所述的第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B的实现示例。

根据实施例，可穿戴设备102对于每个光源包括至少三个源光波导，用于分离来自光源的光。至少三个源光波导(例如，多个源光波导114)分离来自光源(例如，第一光源104)的光并向先证者112的身体上的至少三个进入点引导所述光。术语“分离(splitting或split)”是指从一个源点接收光，并将该接收到的光引导到多个目的地点，这类似于发光点的分离(或划分)。根据实施例，可穿戴设备102对于每个光检测器包括至少三个检测器光波导检测器，用于检测先证者112的身体上的不同位置的光。至少三个检测器光波导检测器检测先证者112的身体上的至少三个不同位置的光，并将所述光馈送到光检测器(例如，第一光检测器106)。

在操作中，先证者112可以佩戴可穿戴设备102并使可穿戴设备102“通电”。在一种实现方式中，可穿戴设备102可以通过有线或无线通信网络通信耦合到外部设备，例如智能手机或其它显示设备。在这种情况下，可穿戴设备102可以基于外部设备的用户提供的用户输入被“通电”或“断电”。在另一种实现方式中，可在可穿戴设备102中提供硬件按钮或用户界面，以控制可穿戴设备12，例如“打开”或“关闭”可穿戴设备102。

可穿戴设备102包括第一光源104，该第一光源104被布置成当可穿戴设备102被先证者112使用时，向先证者112的身体上的至少一个进入点提供光。第一源光波导114A和第二源光波导114B被布置成接收来自至少第一光源104的光。在使用时，第一光源104的光由至少第一源光波导114A和第二源光波导114B引导，以通过至少两个不同的进入点进入先证者的身体。可选地，对于每个光源，至少三个源光波导被布置用于分离在先证者112的身体上的至少三个进入点处的来自光源的光。在第一光源104被实现为可调谐激光器的情况下，控制装置108被布置成控制第一光源104的波长，以控制先证者112的身体上的至少一个进入点(或多个进入点)的位置。换句话说，先证者112的身体上的一个或多个进入点(或位置)被来自多个源光波导114的每个源光波导的光照射。例如，手指、手腕、耳垂、颈部等皮肤表面上的不同点被穿过暴露皮肤表面下的组织微血管床的光的光子照射，以无创地分析血容量变化，以及血液或暴露组织中血管结构的可能的其它变化。此外，当皮肤表面上的不同点被照射时，与先证者112的身体上的相关身体特征(如动脉)相互作用的机会显著增加。

多个检测器光波导110(例如，第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B)被布置成当可穿戴设备102被先证者112使用时，检测先证者112的身体上的至少两个不同位置的光并将所述光馈送到光检测器(例如，第一光检测器106)。用于检测先证者112的身体上的至少两个不同位置的光的至少第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B的布置是有利的，因为该布置通过增加先证者112的身体上覆盖不同身体特征(例如，动脉和静脉)的读取(即测量)点的数量来提高可穿戴设备102的传感能力，而不增加第一光源104的功耗。第一光检测器106被布置成当可穿戴设备102被先证者112使用时，检测通过先证者112的身体、从至少第一光源104接收到的光。第一光检测器106检测由第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B引导的光。

包括控制装置108的可穿戴设备102被布置成根据从先证者112的身体检测到的光计算光体积描记图。通过可穿戴设备102计算光体积描记图的准确性取决于光与先证者112的身体上的身体特征(特别是血管特征，例如动脉)的相互作用的次数。可以观察到，相互作用的次数越多，计算得到的光体积描记图的准确性越高。

根据实施例，控制装置108被布置成根据从所有光检测器的所有检测器光波导的检测到的光计算光体积描记图。多个检测器光波导110(例如，第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B)将光馈送到相应的光检测器。通常，具有多个光检测器(例如，第一光检测器106)增加了在所有光检测器处检测到的信号(例如，光形式的电磁波或电磁信号)的交流(alternating current，AC)分量的总功率(或强度)。根据实施例，控制装置108用于对在所有光检测器处检测到的此类信号执行求和，以获得最终输出信号。这种求和信号(即最终输出信号)的AC分量具有增加的功率，从而使确定光体积描记图的准确性提高，而第一光源104的功耗没有任何增加。例如，图4中示出和描述了示例性求和操作。

根据实施例，控制装置108被布置成选择源光波导(例如，多个源光波导114)中的至少一个源光波导，以将光提供给先证者112的身体。在一个示例中，控制装置108从三个源光波导中选择一个源光波导，用于引导从第一光源104发射的光。控制装置108可能选择被布置在先证者112的身体上可能与血管特征(例如，动脉)相互作用的特定位置(例如，最佳位置或进入点)处的源光波导。例如，基于模拟或试运行，控制装置108用于根据源光波导(多个源光波导114)中的至少一个源光波导的选择，定位一个或多个血管特征(例如，动脉或静脉)的适当位置，以将光提供到定位位置。此外，这种选择对于每个先证者(例如，先证者112)可能不同。因此，控制装置108被布置成为每个先证者从多个源光波导114中选择一个或多个源光波导，以便增加光与对应先证者的身体中的动脉的相互作用。与每个先证者的相关血管特征的相互作用会提高确定光体积描记图的准确性，从而能够为每个先证者一致地、准确监地测健康指标。

根据实施例，控制装置108被布置成选择至少一个检测器光波导，以根据从至少一个选择的检测器光波导检测到的光计算光体积描记图。控制装置108可能选择捕获信号(即，光形式的电磁信号或电磁波)的检测器光波导，该信号的信号强度大于由其它检测器光波导捕获的信号的信号强度。根据光与先证者112的身体中的动脉的相互作用执行选择。换句话说，选择至少一个检测器光波导能够获得从(与至少一个检测器光波导相关联的)至少一个点(与先证者112的身体上的其它点相比)测量的具有相对较高的信号强度(例如，输出信号的AC分量的功率增加)的输出信号。因此，提高了确定光体积描记图的准确性，而第一光源104的功耗没有任何增加。

图2是本发明的一个实施例提供的用于实现用于确定光体积描记图的可穿戴设备的示例性场景200的图示。结合图1的元件描述图2。参考图2，示出了包括佩戴在手指204上的可穿戴设备202的示例性场景200。在该实施例中，可穿戴设备202为戒指的形式。可穿戴设备202包括第一光源206、第一光检测器208、第二光检测器210、一组源光波导212、第一组检测器光波导214和第二组检测器光波导216。还示出了手指204的背侧218A和近侧218B，该手指204包括表皮218、静脉220、动脉222、远节指骨224、肌腱226和近节指骨228。

根据示例性场景200，可穿戴设备202对应于可穿戴设备102(图1)。在该实施例中，第一光源206是发光二极管，第一光检测器208和第二光检测器210中的每一个都是光电二极管。此外，在该实施例中，一组源光波导212、第一组检测器光波导组214和第二组检测器光波导组216中的每一个都是光纤。在一个示例中，可穿戴设备202可能包括电池、用于数据存储的存储器、网络接口，为了简洁起见，这些都没有示出。电池为第一光源206供电。在一个示例中，可穿戴设备202可以通过网络接口(例如，无线地)通信耦合到外部设备，例如智能手机。

根据示例性场景200，第一光源206被布置成向手指204的近侧218B提供光，如图所示。该组源光波导212(例如，在这种情况下是五个波导)被布置成在工作时从其第一端接收来自第一光源206的光。第一光源206的光被该组源光波导212引导，以通过穿过表皮218的五个不同的进入点(例如，通过暴露于表皮218的该组源光波导212中的每一个源光波导的第二端，如图所示)进入手指204。因此，在五个不同的点处照射包括皮下组织(例如，动脉222)的表皮218，而第一光源206没有任何额外功耗。例如，来自动脉222的反射光由第一组检测器光波导214和第二组检测器光波导216检测。

第一组检测器光波导214被布置在距离该组源光波导212的限定距离处。第一组检测器光波导214被布置成检测手指204上五个不同位置处的光，并将检测到的光馈送到第一光检测器208。类似地，第二组检测器光波导216被布置在距离该组源光波导212的限定距离处，并与第一组检测器光波导214大致相对，以增加覆盖范围并检测来自动脉222的反射光。第二组检测器光波导216被布置成检测手指204上五个不同位置处的光，并将检测到的光馈送到第二光检测器210。因此，第一光检测器208从第一组检测器光波导214接收光(例如，电磁辐射形式的第一信号，即光)，并且第二光检测器210从第二组检测器光波导216接收光(例如，电磁辐射形式的第二信号，即光)。控制装置108用于根据在第一光检测器208和第二光检测器210处检测到的光计算光体积描记图。一段时间内检测到的光指示反射光和散射光强度如何随着每次血流脉搏而变化。散射光强度通常相对于与心跳、呼吸、血氧水平(blood oxygen，SPO₂)等相关联的血流或血液不透明度的变化而随时间变化。与传统的可穿戴设备相比，可穿戴设备202中的波导增强光学装置通过增加先证者112的身体上覆盖不同血管特征(例如，动脉222)的读取(即测量)点的数量来提高可穿戴设备202的感测能力，从而减少了由于手部移动而引起的任何运动伪影，并提高了确定光体积描记图的准确性，而第一光源206的功耗没有任何增加。此外，增加先证者112的身体上覆盖不同血管特征(例如，动脉222)的读取(即测量)点的数量使得能够测量指示变化血流的散射光子数量的甚至很小的或以其它方式常规未检测到的变化。

根据实施例，控制装置108用于对在第一光检测器208和第二光检测器210处检测到的信号(即第一信号和第二信号)执行求和，以获得最终输出信号。通常，由第一光检测器208和第二光检测器210检测到的反射光通过对应的光检测器(例如，第一光检测器208和第二光检测器210)转换为包括交流(alternating current，AC)部分和直流(directcurrent，DC)部分的电信号。因此，光体积描记图波形(即最终输出信号)包括通常叠加在缓慢变化的(“DC”)基线上的脉动(“AC”)生理波形。因此，通过将所有这些信号相加，由于例如随每次心跳同时发生的心脏血容量变化而产生的最终输出信号的脉动生理波形(即“AC”分量或部分)的质量和强度显著增加，而可穿戴设备202中的第一光源206没有任何功耗增加。在一个示例中，输出信号的脉动(“AC”)生理波形可能用于准确地测量准确心率，即使先证者(例如，先证者112)正在进行体育活动或手部移动。在另一个示例中，输出信号的缓慢变化的基线波形(即DC部分)可用于测量某些其它健康指标，例如呼吸、交感神经系统活动和温度调节。

图3是本发明的一个实施例提供的描述不同先证者的身体部位的血管特征的不同示例性位置的图示。结合图1和图2的元件描述图3。参考图3，示出了在不同先证者的相应手指部分304A、304B、304C、304D和304E中不同的动脉302A、302B、302C、302D和302E的示例性位置。因此，对于不同的先证者，对应的光源306A、306B、306C、306D和306E的适当位置是不同的。类似地，不同先证者的相应手指部分304A、304B、304C、304D和304E的光检测器308A、308B、308C、308D和308E的适当位置是不同的。换句话说，同一身体部位(即手指)中的血管特征(例如，动脉302A、302B、302C、302D和302E)的位置因不同的先证者而异。因此，照射和检测光的优化位置也因不同的先证者而异。因此，用于发射光的发光二极管310(即光源)的位置和用于捕获光形式的信号的光电二极管312的位置可能被布置或定位在戒指314(即，可穿戴设备)中的指定范围内。这种布置确保了对不同血管特征的增强覆盖，从而提高了确定光体积描记图的准确性，而由电池供电的发光二极管310的功耗没有任何增加。

图4是本发明的一个实施例提供的描述从在先证者的身体部位的不同位置处检测到的多个信号导出的输出信号的图示。结合图1、图2和图3的元件描述图4。参考图4，示出了具有第一光源404和四个光检测器(例如，第一光检测器406、第二光检测器408、第三光检测器410和第四光检测器412)的可穿戴设备402的一部分。还示出了第一信号414A、第二信号414B、第三信号414C、第四信号414D中的每一个的AC分量。第一信号414A、第二信号414B、第三信号414C和第四信号414D分别在第一光检测器406、第二光检测器408、第三光检测器410和第四光检测器412处检测。

根据实施例，微处理器416(例如，图1的控制装置108的示例)用于对第一信号414A、第二信号414B、第三信号414C和第四信号414D执行求和，以获得AC分量的功率增加的输出信号418，从而提高了微处理器416确定光体积描记图的准确性，而第一光源404的功耗没有任何增加。

图5是本发明的另一个实施例提供的具有可调谐激光器504作为光源和具有超表面508的光波导506的示例性可穿戴设备502的图示。结合图1、图2、图3和图4的元件描述图5。参考图5，示出了包括可调谐激光器504作为光源的可穿戴设备502。还示出了光波导506，其具有布置在可穿戴设备502的内侧的超表面508。在该实施例中，可穿戴设备502是可以佩戴在手指部分510上的戒指的形式。在一个示例中，可调谐激光器504可以是本领域已知的可调谐混合硅/III-V激光器。可调谐混合硅/III-V激光器可以包括由混合III–V/硅激光器和在指定波长窗口中工作的硅马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator，MZM)组成的硅光子集成电路发射器。

根据实施例，可穿戴设备502的控制装置512用于控制可调谐激光器504的波长，以通过具有设置在可穿戴设备502的内侧的超表面508的光波导506将不同的光带导引到不同的位置(即朝向手指部分510的不同进入点)。

图6是本发明的一个实施例提供的使用设备确定先证者的光体积描记图的方法600的流程图。结合图1至图5的元件描述图6。方法600由例如在图1至图5中描述的可穿戴设备102、202、402或502执行。方法600包括步骤602和608。

在步骤602中，光从第一光源向先证者(例如，先证者112)的身体上的至少一个点发射。第一光源的示例是例如在图1至图5中示出和描述的第一光源104、206或404、光源306A、306B、306C、306D或306E，或可调谐激光器504。

在步骤604中，光被至少第一检测器光波导和第二检测器光波导接收，所述至少第一检测器光波导和第二检测器光波导被布置成检测先证者的身体上的至少两个不同位置的光。第一检测器光波导和第二检测器光波导的示例是例如在图1、图2和图5中示出和描述的多个检测器光波导110(例如，第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B)、第一组检测器光波导214、第二组检测器光波导216，或光波导506。

在步骤606中，接收到的光被馈送到光检测器。光检测器的示例是例如在图1至图5中示出和描述的第一光检测器106、208或406、第二光检测器210或408、光检测器308A、308B、308C、308D和308E、第三光检测器410或第四光检测器412。

在步骤608中，根据从至少一个光波导接收到的光计算光体积描记图。在一个示例中，根据在多个检测器光波导110处接收到的光计算光体积描记图。控制装置108(图1)被布置成根据从先证者112的身体检测到的光计算光体积描记图。

根据实施例，方法600还包括在步骤602至步骤608之前，针对设备(这种可穿戴设备102、202、402或502)相对于先证者112的至少不同的第一位置和第二位置执行某些操作或步骤。这些操作或步骤包括：从第一光源104、206或404发射光；通过至少第一检测器光波导110A和第二检测器光波导110B接收光；将接收到的光馈送到光检测器(例如，第一光检测器106、208或406)。方法600还包括计算光体积描记图，并确定第一位置和第二位置中的哪一个相对于彼此提供更好结果。例如，控制装置108用于执行试运行(或模拟或实验)，以定位血管特征(例如，动脉或静脉)的适当位置，以针对设备(这种可穿戴设备102、202、402或502)相对于先证者112的不同的第一位置和第二位置，将光提供到定位位置。更好结果是指根据针对设备(这种可穿戴设备102、202、402或502)的不同的第一位置和第二位置计算得到的光体积描记图测量健康指标的准确性水平。方法600还包括将设备定位在提供更好结果的位置。当确定第一位置和第二位置中的哪一个相对于彼此提供更好结果时，相应地定位设备。因此，输出信号的信号质量显著提高，从而使确定光体积描记图的准确性提高。换句话说，输出信号(例如，输出信号418)的脉动生理波形(即AC分量)的质量和信号强度显著增加，而第一光源104、206或404的功耗没有任何增加。

在不脱离所附权利要求所定义的本发明范围的情况下，可以对上文描述的本发明的实施例进行修改。“包括”、“结合”、“具有”、“是”等用于描述和要求保护本发明的表述旨在以非排他的方式解释，即允许未明确描述的项目、部件或元素也存在。对单数的引用也应解释为与复数有关。本文使用的词语“示例性”表示“作为一个示例、实例或说明”。任何被描述为“示例性的”实施例不一定解释为比其它实施例更优选或更有利，和/或排除其它实施例的特征的结合。本文使用的词语“可选地”表示“在一些实施例中提供而在其它实施例中没有提供”。应理解，为了清楚起见而在单独实施例的上下文中描述的本发明的一些特征还可以在单个实施例中组合提供。相反，为简洁起见而在单个实施例的上下文中描述的本发明的各个特征也可以单独提供、以任何合适的组合提供，或适合于本发明的任何其它描述的实施例。

Claims (14)

1.一种用于确定光体积描记图的可穿戴设备(102、202、402、502)，其特征在于，包括：

至少第一光源(104、206、404)，被布置成当所述可穿戴设备(102、202、402、502)被先证者(112)使用时，向所述先证者的身体上的至少一个进入点提供光；

至少第一光检测器(106、208、406)，被布置成当所述可穿戴设备(102、202、402、502)被所述先证者(112)使用时，检测通过所述先证者的身体、从所述至少第一光源(104、206、404)接收到的光；

控制装置(108)，被布置成根据所述检测到的光计算光体积描记图；

至少第一检测器光波导(110A)和第二检测器光波导(110B)，被布置成当所述可穿戴设备(102、202、402、502)被所述先证者(112)使用时，检测所述先证者的身体上的至少两个不同位置的光，并将所述光馈送到所述至少第一光检测器(106、208、406)。

2.根据权利要求1所述的可穿戴设备(102、202、402、502)，其特征在于，所述至少第一光检测器(106、208、406)是光电二极管。

3.根据权利要求1所述的可穿戴设备(102、202、402、502)，其特征在于，所述至少第一光源(104、206、404)是发光二极管(310)，所述可穿戴设备(102、202、402、502)还包括至少第一源光波导(114A)和第二源光波导(114B)，在使用时，所述至少第一源光波导(114A)和第二源光波导(114B)被布置成接收来自所述至少第一光源(104、206、404)的光，并且其中，所述至少第一光源(104、206、404)的所述光由所述至少第一源光波导(114A)和第二源光波导(114B)引导，以通过至少两个不同的进入点进入所述先证者的身体。

4.根据权利要求3所述的可穿戴设备(102、202、402、502)，其特征在于，包括一个光源和两个光检测器。

5.根据权利要求3或4所述的可穿戴设备(102、202、402、502)，其特征在于，对于每个光源，包括至少三个源光波导，用于分离来自所述光源的所述光。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的可穿戴设备(102、202、402、502)，其特征在于，对于每个光检测器，包括至少三个检测器光波导，用于检测所述先证者的身体上的不同位置的光。

7.根据权利要求1所述的可穿戴设备(102、202、402、502)，其特征在于，所述至少第一光源(104、206、404)是可调谐激光器(504)，所述可穿戴设备(102、202、402、502)还包括光波导(506)，所述光波导(506)包括超表面(508)，所述控制装置(108)被布置成控制所述可调谐激光器(504)的波长，以控制所述至少一个进入点的位置。

8.根据上述权利要求中任一项所述的可穿戴设备(102、202、402、502)，其特征在于，所述控制装置(108)被布置成根据从所有光检测器的所有检测器光波导检测到的所述光计算所述光体积描记图。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的可穿戴设备(102、202、402、502)，其特征在于，所述控制装置(108)被布置成选择至少一个检测器光波导，以根据从所述至少一个选择的检测器光波导检测到的所述光计算所述光体积描记图。

10.根据权利要求3所述的可穿戴设备(102、202、402、502)，其特征在于，所述控制装置(108)被布置成选择所述源光波导中的至少一个源光波导，以向所述先证者的身体提供光。

11.根据上述权利要求中任一项所述的可穿戴设备(102、202、402、502)，其特征在于，所述可穿戴设备为手表、手镯或戒指(314)。

12.一种根据上述权利要求中任一项所述的可穿戴设备(102、202、402、502)用于确定先证者(112)的光体积描记图的用途。

13.一种使用根据权利要求1至11中任一项所述的设备确定先证者(112)的光体积描记图的方法(600)，其特征在于，包括以下步骤，当所述先证者(112)佩戴所述设备时，

从第一光源(104、206、404)向所述先证者的身体上的至少一个点发射光；

通过至少第一检测器光波导(110A)和第二检测器光波导(110B)接收所述光，所述至少第一检测器光波导(110A)和第二检测器光波导(110B)被布置成检测所述先证者的身体上的至少两个不同位置的光；

将所述接收到的光馈送到光检测器；

根据从至少一个光波导接收到的所述光计算所述光体积描记图。

14.根据权利要求13所述的方法(600)，其特征在于，在权利要求13所述的步骤之前，针对所述设备相对于所述先证者(112)的不同的第一位置和第二位置，执行以下步骤：

从所述第一光源(104、206、404)发射光；

通过所述至少第一检测器光波导(110A)和第二检测器光波导(110B)接收所述光；

将所述接收到的光馈送到所述光检测器；

计算所述光体积描记图；

确定所述第一位置和所述第二位置中的哪一个相对于彼此提供更好结果；

将所述设备定位在提供所述更好结果的位置。

Images