CN115175605A - 用于生物学特性的光学测量的传感器设备 - Google Patents
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Abstract
一种设备，基底包括连接端口。基底包括用于实现基底的电路的迹线。电路连接至连接端口。光传感器机械地且电气地分别附接至基底的第一平面表面和电路。光源机械地且电气地分别附接至第一平面表面和电路。光源以第一距离横向于光传感器定位。光源的光信号以垂直于第一平面表面的角度从光源发出，并且反射器机械地附接至第一平面表面并且定位在光传感器与光源之间。光信号基本上被反射器反射离开光传感器。
Description
技术领域
本发明通常属于受检对象的生物学特性的光学测量的领域，并且涉及受检对象的血液相关参数的光学测量。具体而言，本发明涉及用于实现由检测器检测到的光学测量的某些特征的反射式血液测量的设备的结构。该结构提高了由检测器检测到的光学测量的信噪比。
背景技术
大多数光学血液脉搏测量(例如，脉搏血氧测定)可以利用需要可安装在薄的身体部位/器官(例如，指尖或耳垂)的两个相对侧上的传感器设备的透射式测量技术来执行。与透射式测量技术相比，反射式测量技术使用位于组织同一侧的光源和光检测器。
然而，反射式血液测量技术存在各种优点，在某些应用中特别是在各种类型的可穿戴医疗设备(例如，医用手表或贴片)中，其可以被认为是优选的。反射式血液测量技术的优点中的一些包括对身体的几乎任何部位(包括厚的器官)进行光学测量的能力等。其他优点可以与反射式测量技术的降低的能量消耗有关。与要求光穿过器官的整个宽度的透射式技术相反，降低的能量消耗源于从组织层反射光所需的最小能量。
然而，可能存在与反射式测量技术相关的各种局限，例如低信噪比(SNR)和低AC/DC比。光检测器中作为从(毛细)血管反射的光波信号的光检测的结果的交流电(AC)可能源自心脏活动。光检测器中作为光波信号的光检测的结果的直流电(DC)可以是从受检器官组织的其他部分反射的光波信号和从不穿过受检组织的器官表面直接反射的光波信号的组合。
克服反射式测量技术的局限的尝试可以包括通过增加提供给光源的电流和/或通过增加光源的数目来增加辐射光的功率。增加辐射光的功率和/或增加光源的数目也可能导致测量的光信号中噪声分量的相应增加。测量的光信号中噪声分量的相应增加可能是由于基线DC分量的相应增加造成的，并且因此可能无法提供令人满意的结果。因此，需要改善通过反射式血液测量技术测量的光学信号的质量以提供较高的AC/DC比并且提高测量的光学信号的信噪比。
发明内容
本发明公开了采用反射式测量技术的针对对象的生物学特性的光学测量而设计的传感器设备的结构。反射式测量技术可以用于测量受检对象的活组织中的血液特性(例如，心率、血液参数和/或血液分析浓度/水平)。本文所公开的光学测量传感器设备及其结构通过在该结构中包括通过相对于传感器设备的光检测器单元以适当角度和距离定位的反射器进行的一个或更多个光发射器的入射光的反射来克服与传统测量设置相关的缺陷。适当选择一个或更多个光源相对于光反射器(或一个或更多个光反射器相对于光发射器)的方向和距离显著提高了测量光学信号的幅度、SNR比和AC/DC比。
通过适当设置设备的光发射器与光检测单元之间的距离以及其光检测器与反射光照射方向之间的角度，可以显著改善通过反射式测量技术测量的光学信号。以这种方式，到达光检测器的光分量的大部分从被照射组织的灌注层(在本文中也称为远端组织层)被反射/散射，并且从被照射组织的未灌注层(本文也称为近表面组织层)反射/散射的光分量的大部分不到达检测器，并且因此不被测量。
因此，本发明的实施方式提供了由光检测单元检测到的光分量的大部分从包括血管的组织层散射，并且因此包含关于流过受检组织的血液的更多信息(即，光检测器中作为光检测的结果的脉动交流电(AC))。另一方面，由于从未灌注组织层反射/散射的许多光分量没有到达检测器并且因此没有被测量，因此光检测器中作为测量的光信号的光检测的结果的直流电(DC)显著降低，这提供了测量信号的SNR比和AC/DC比的显著增加。
在测量设备的可能测量设置中，根据一些可能的实施方式，使用至少一个光发射器和设备的结构来在受检组织上方发射一个或更多个预定波长范围的光。使用至少一个相邻定位的光检测器来检测从被照射组织反射的一个或更多个预定波长范围的光辐射。至少一个光发射器和至少一个光检测器以间隔开的关系布置以在它们之间获得特定距离，从而在它们各自的照射与检测方向之间获得特定角度。
在本文公开的设备构造的一些实施方式中，反射测量设备的光发射器与光检测器之间的特定距离和预定取向被配置成使得只有角度反射的预定范围内的光分量可以到达光检测器并对测量的光学信号有贡献。设备的构造通过其结构从而减少或在某些情况下基本上防止从器官表面(例如，角质层)直接反射而不穿过受检组织的任何层的直接反射的光分量和/或来自受检组织的未灌注的上层的反射散射的光分量等的收集。以上两种分量(直接表面反射和非灌注上层反射)是主要的DC分量。因此，这些分量的减少直接提高了AC/DC比。在本发明的一些其他示例性实施方式中，反射测量设备及其结构可以被配置成增加光发射。这样的构造可以延长发射光在给定组织层中的光路，从而增加光散射并提高收集从灌注组织层反射的光分量的概率。
在一些可能实施方式中，反射测量设备可以包括围绕光检测器布置的多个光发射器(例如，2、3或4或更多个)。从光发射器中的每一个发射的光被反射离开光检测器的方向。然而，注意，在一些实施方式中，可以使用单个光发射器以可接受的良好结果配置反射测量设备。此外，在本发明的可能实施方式中，当光检测器相对于设备的光发射器的方向和距离可以在测量设备的特定距离和预定测量的可接受范围内时，可以使用若干个光检测器来收集从受检组织反射的光分量。
本发明的实施方式可以用于实现佩戴在对象的身体部位的一部分例如但不限于胸片、头颈、躯干或四肢上(例如在手腕上，如手表)的可佩戴设备。
由本发明的测量设备测量的生物学特性可以包括心率、血流量、动脉血氧饱和度以及各种血液相关参数，例如物质/分析物(例如糖、胆固醇、血红蛋白、胆红素)在血液中的浓度、心脏参数等。因此，在一些可能实施方式中，光发射器被配置成以针对能够确定对象的一种或更多种生物学特性选择的多个波长照射受检组织。
本主题公开了一种设备，该设备具有包括连接端口的基底。基底包括用于实现基底的电路的迹线。电路连接至连接端口。光传感器机械地且电气地分别附接至基底的第一平面表面和电路。光发射器机械地且电气地分别附接至第一平面表面和电路。光发射器以第一距离横向于光传感器定位。光发射器以垂直于第一平面表面的角度发射光信号，所述光信号被机械地附接至第一平面表面并且定位在光传感器与光发射器之间的反射器反射。光信号基本上被反射器反射离开光传感器。反射器的截面的轮廓是线性轮廓、凹形轮廓、凸形轮廓和抛物线轮廓中的至少一种。
光发射器与光发射器之间的第一距离可以响应于反射由光发射器发射的光的反射器的轮廓而建立。光发射器可以包括透镜，该透镜被配置成以垂直于第一平面表面的角度准直光发射器的光信号。光发射器可以包括偏移透镜，该偏移透镜被配置成以远离垂直于第一平面表面的角度的第二角度准直光发射器的光信号。光发射器可以包括透镜，该透镜被配置成使光发射器的光信号偏振。光发射器可以包括棱镜，该棱镜被配置成反射光发射器的光信号。
该设备还可以包括第二反射器，该第二反射器被配置成反射从第二光发射器发射的光。第二光发射器机械地且电气地分别附接至第一平面表面和电路。第二光发射器的第二光信号以垂直于第一平面表面的角度从第二光发射器发出。第二光信号基本上被第二反射器反射离开光检测器。光传感器与第二光发射器之间的第二距离可以响应于第二反射器的轮廓而建立。
反射器的第二平面表面可放置在受检组织上以测量受检组织的生物学特性。第二平面平行于第一平面表面。该设备还可以包括用于实现该设备与受检组织的附接的附接设备。受检组织与反射器的第二平面表面接触。
该设备还可以包括控制单元，该控制单元可操作地连接至基底并且被配置成选择施加至受检组织的光信号和/或第二光信号的参数。该参数可以是波长和/或光强度。控制单元可以被配置成选择光信号或第二光信号并将其施加至受检组织。控制单元还可以被配置成感测来自响应于参数和/或相应的第一距离和第二距离施加的光信号和/或第二光信号的反射光信号。控制单元还可以被配置成接收和处理由光传感器感测到的反射光信号的测量数据以确定受检组织的生物学特性。生物学特性可以包括心率、氧饱和度、血红蛋白水平、血压、心输出量、每搏输出量、排汗、葡萄糖/糖水平、胆红素水平或脂肪水平。
附图说明
为了理解本发明并了解在实践中如何实施本发明，现在将参照附图仅通过非限制性示例的方式描述实施方式。除非另外明确指出，否则附图中所示的特征仅用于说明本发明的一些实施方式。在附图中，相同的附图标记用于表示相应的部分，并且在附图中：
图1示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面将传感器设备应用于受检组织的图示。
图2示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备的平面图和侧视图截面。
图3a、图3b、图3c、图3d、图3e和图3f示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备的区域的更多细节。
图4示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备的底侧的二维图。
图5a示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备及其应用于受检组织的部分截面侧视图。
图5b示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的图5a的简化示意图以说明灌注组织层中光相互作用的区域的特征。
图5c示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备及其应用于组织的部分截面侧视图。
图5d示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的图5c的简化示意图以说明灌注组织层中光相互作用的区域的特征。
图5e示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备及其应用于组织的部分截面侧视图。
图6示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备的平面图和侧视图截面。
图7示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备的平面图。
图8示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备的平面图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本公开内容的一个或更多个具体实施方式，这些附图在所有方面都应被认为仅是说明性的而不是以任何方式限制性的。为了提供对这些实施方式的简明描述，在说明书中并未描述实际实现方式的所有特征。附图中所示的元件不一定按比例绘制，而是强调清楚地说明本发明的原理。在不脱离本文所述的基本特征的情况下，本发明可以以其他特定形式和实施方式提供。
作为介绍，本发明公开了一种光学传感器设备，由此光学传感器设备的结构利用横向行进离开包括在光学传感器设备中的光检测器的光学信号提供对受检组织的照射。该结构的特征使得能够在反射光学信号的SNR比和AC/DC比显著提高的情况下从受检组织测量反射光学信号的幅度。
应当注意，本文公开的反射式测量技术和传感器设备的结构也用于减轻由于传感器设备所附接的身体部位/器官的运动而可能在光检测器的测量信号中引起的光学信号失真。
本文公开的技术可应用于血液特性、参数和/或分析物的几乎任何类型的光学测量，采用电磁辐射在活体组织中的光学吸收和散射效应。特别地，本文公开的技术可用于测量如通常在各种类型的非侵入性血液测量例如但不限于脉搏血氧测定、光电容积描记术(PPG)测量等中获得的脉动信号。例如，并且在不受限制的情况下，本文公开的光学测量技术可以用于测量血液脉冲、氧(O2)饱和度、血红蛋白水平、葡萄糖/糖水平、胆红素水平等。
现在参照图1，图1示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10的应用的图示。传感器设备10是下面进一步详细说明的反射式光学测量设备的示例。传感器设备10(由虚线示出)定位于壳体12的底侧，使得传感器设备10的反射器24(由虚线示出)与用户手腕的皮肤接触。另外定位于壳体12的底侧的是光检测器26(由虚线示出)。壳体12在其上表面上包括显示器13。壳体12被示出为其中可调节带15用于将手表附接至用户手腕的手表装置。把手(未示出)可以附接至壳体12以提供将传感器设备10压到用户身体的一部分上的方法。
示出了壳体12的底侧的侧视图100，其中，可调节带15附接至壳体12，基底20机械地且电气地可操作地附接在壳体12内并且可以从壳体12突出来并且包括与电池17的连接件。基底20包括提供传感器设备10的部件的电互连以及与例如到显示器13、电池17和微控制器(未示出)的连接的迹线(未示出)。传感器设备10机械地且电气地连接至壳体12、基底20和电池17。
可调节带15可以围绕手腕收紧，以将传感器设备10牢固地压在人的身体的一部分上。身体部位可以是脚踝或人的躯干四周。因此，可调节带15可以使得当前正在锻炼的人或作为患者的受检组织的生物学特性能够在较长时间段内被监测。生物学特性可以包括例如心率、氧饱和度、血红蛋白水平、血压、心输出量、每搏输出量、排汗、葡萄糖/糖水平、胆红素水平和脂肪水平。可以在显示器13上将生物学特性显示给用户。
现在参照图2，图2示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10的俯视图和侧视图截面AA。俯视图示出了安装在基底20上的反射器24，基底20在侧视图截面AA中被部分示出。光检测器26定位于反射器24的中心中。侧视图截面和俯视图中的区域30(由虚线椭圆示出)示出了反射器24如何覆盖光发射器22。光发射器22在俯视图中由虚线框示出。在侧视图截面AA中，光发射器22机械地且电气地附接至基底20的平面表面，其中两个光发射器22均横向定位在距光检测器26的中心距离d1处。虚线28展示了基底20的平面表面如何平行于反射器24的第二平面表面。为了测量受检组织的生物学特性，传感器设备10的反射器24的第二平面表面被压在受检组织上。反射器24由足够刚性从而不会由于传感器设备10被压在受检组织上而变形的材料制成。
现在参照图3a，图3a示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的区域30的更多细节。区域30示出了反射器24的反射表面32a和32b。在截面AA中，反射器24的反射表面32a和32b是线性形状的示例。光信号34a以垂直于基底20的第一平面表面的角度从光发射器22发出。光信号34a从反射表面32a以相对于虚线28成角度α被反射为反射光34b。光信号34a被反射离开光检测器26(未示出)。
现在参照图3b，图3b示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10的区域30b。图3b与图3a相同，不同之处在于透镜36被示出为放置在光源22的远端端部上。光信号34a仍然以垂直于基底20的第一平面表面的角度从光源22发出。然而，透镜36使光信号34a被准直成准直光束34c。准直光束34c使光信号34a的光线的扩散最小化。准直光束34c仍然以垂直于基底20的第一平面表面的角度从透镜36发出。准直光束32c从反射器24的反射表面32a以相对于虚线28成角度α被反射为反射光信号34b。准直光束32c被反射离开光检测器26(未示出)作为反射光信号34b。透镜36还可以包括使准直光束34c偏振的偏振滤光器(未示出)。反射器24还包括反射表面32b。在一些情况下，代替透镜36，设备可以包括用于将准直光束32c反射离开光检测器26的棱镜。
现在参照图3c，图3c示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10的区域30c。图3c与图3b相同，不同之处在于透镜36被放置在光源22的远端端部上并且朝向反射表面32a横向偏移。透镜36也可以更远地远离反射表面32a横向偏移。光信号34a仍然以垂直于基底20的第一平面表面的角度从光源22发出。然而，与图3b不同，透镜36使光信号34a被准直成准直光束34d。透镜36使光信号34a的光线的扩散和/或散射最小化。然而，与图3b不同，准直光束34d不与基底20的第一平面表面成垂直的角度。准直光束34d从反射器24的反射表面32a以相对于虚线28成角度α’被反射为反射光信号34b。光信号34a反射离开光检测器26(未示出)。由于透镜36朝向反射表面32a横向偏移，因此角度α’可能不如角度α反射得尖锐。透镜36还可以包括使准直光束34d偏振的偏振滤光器(未示出)。反射器24还包括反射表面32b。
现在参照图3d，图3d示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10的区域30d。图3d与图3c相同，不同之处在于透镜36放置在光源22的远端端部上并且远离光检测器26横向偏移。光信号34a仍然以垂直于基底20的第一平面表面的角度从光源22发出。透镜36使光信号34a被准直成准直光束34d。透镜36使光信号34a的光线的扩散和/或散射最小化。准直光束34d不与基底20的第一平面表面成垂直的角度。准直光束34d由于透镜36远离光检测器26横向偏移而远离光检测器26(未示出)偏斜。由于透镜36远离光检测器26横向偏移，因此角度α’可能不如角度α反射得尖锐。透镜36还可以包括使准直光束34d偏振的偏振滤光器(未示出)。传感器设备10的区域30d是其中透镜36的使用不需要反射器24的示例。因此，传感器设备10可以包括多个光源22和相应透镜36而无需任何反射器24。另一种可能性是传感器设备10可以包括光源22和反射器24、光源22/透镜36a和反射器24或光源22/透镜36而无反射器24的组合。
现在参照图3e，图3e示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10的区域30e。图3e与图3a、图3b和图3c相同，不同之处在于反射器24是在截面AA中形状上为凹形或抛物线的示例。光信号34a仍然以垂直于基底20的第一平面表面的角度从光源22发出。形状上为凹形或抛物线的反射器24将光信号34a从反射表面32a以相对于虚线28成角度β反射为反射光34b。角度β与图3a中所示的角度α相比由于反射器24为在截面AA中形状上为凹形或抛物线而可能更尖锐。反射器24还包括反射表面32b。
现在参照图3f，图3f示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10的区域30f。反射器24是在截面AA中形状上为凸形的示例。光信号34a仍然以垂直于基底20的第一平面表面的角度从光源22发出。截面AA处形状上为凸形的反射器24将光信号34a从反射表面32a以相对于虚线28成角度为β’反射成为反射光34b。角度β’与图3e中所示的角度β相比由于反射器24为在截面AA中形状上为凸形而可能更尖锐。反射器24还包括表面32b。
现在参照图4，图4示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10的底侧的二维图。传感器设备10的底侧示出了基底20。基底20可以构成用于传感器设备10的壳体或者可以被包括并可操作地附接至用于传感器设备10的单独的壳体。壳体或单独的壳体可以另外提供把手或如上所述的可调节带以使传感器设备10能够被压到组织上。基底20还提供了多个反射器24、光源22和光检测器26与基底20的机械附接件。多个反射器24被示出为以光检测器26所在的基底20的第一平面表面的中心彼此同心。
基底20还提供与光源22和光检测器26的电附接件(未示出)。电附接件可以包括提供光源22彼此电互连、与光检测器26和可以连接至电互连的附加部件的连接的迹线。光源22和光检测器26被示出为附接至基底20的表面，但可以定位并附接至表面下方。附加部件可以包括可以用于设置可以从光源22发出的光学信号的电流水平、光强度和波长的驱动器电路。附加部件还可以包括可连接至附加部件和迹线的微控制器或微处理器(未示出)。微控制器可以用于选择响应于身体的哪个生物学特性部分将激活和应用哪个光源22和/或多个光源22并由光检测器26监测哪个光源22和/或多个光源22。进一步执行由光检测器26监测的生物学特性的分析，以将该分析的数据存储和显示在相应的存储器或显示器例如可以可操作地附接至微控制器的显示器13中。附加部件还可以包括用于微控制器的连接器。连接器可以设置在传感器设备10的壳体上，或者传感器设备10可以提供至另一计算设备(云或服务器)的无线连接，以实现数据的远程分析、存储和显示。
作为非限制性示例，光源22可以是多色发光二极管(LED)。多色LED通常具有红光(波长[λ]≈670纳米[nm])、蓝色(λ≈460nm)和绿色(λ≈550nm)三种可选波长。白光可以由微控制器通过对LED驱动器电路的附加控制来选择红色、蓝色和绿色波长/色温。由微控制器对哪个波长、色温和/或波长和色温的组合的选择可以响应人体中具有不同吸收和反射率水平的不同组织。
吸收和反射率水平也可能与波长有关。由微控制器对哪个光源22、波长、色温和/或波长和色温的组合的选择还可以响应于如在下面的描述中进一步详细讨论的光源22到光检测器26的距离。
现在参照图5a，图5a示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10及其应用于组织50的部分截面侧视图。组织50包括例如形成皮肤的表皮的未灌注的近表面组织层S1和S2。组织50还包括可以包括血管16的远端灌注的组织层S3、S4和S5。传感器设备10被示出为压靠组织层S1，使得反射器24的第二平面表面与组织层S1接触。反射器24与组织层S1接触是为了能够测量组织50的生物学特性。反射器24的第二平面表面与基底20的第一平面表面平行并且由虚线28表示。示出了四个光源22。
为了便于说明，一个光源22被示出为具有从该一个光源22发射出的光信号34a。当与横向定位于光检测器26的右侧较大距离d1处的另一光源22相比时，该一个光源横向定位于光检测器26的右侧较短距离d2处。类似地，其他两个光源22也被示出为横向定位于光检测器26的左侧。当与两个光源22中在较大距离d1处的另一光源22相比，横向定位于光检测器26的左侧的其他两个光源22中的一个定位于较短距离d2处。来自光源22的光信号34a垂直于第一平面表面和第二平面表面两者发射。光信号34a被反射器24的反射表面32a以相对于虚线28成角度α反射为反射光34b’。
反射光34b’的取向的角度α允许光源22定位于光检测器26附近的相对短的距离d2处。光检测器26附近的相对短的距离d2可以保证反射光34b’的光分量L0’、L1’和L2’从未灌注组织层S1和S2反射。朝向光检测器26的光方向可以垂直于第一平面表面和第二平面表面两者。因此，从未灌注的近表面组织层S1和S2朝向光检测器26反射的光分量L0’、L1’和L2’的数目减少以提供提高的SNR和AC/DC比。其中，光检测器26中的交流电(AC)可以是从(毛细)血管16反射的光34b’的光波信号的光检测的结果，该交流电(AC)可能源自心脏活动。其中，光检测器26中的直流电(DC)可以是从组织50的其他部分反射的光34b’的光波信号和从不穿过组织50的表面层S1和S2直接反射的光波信号的光检测的结果。
光检测器中作为光波信号的光检测的结果的直流电(DC)可以是经反射的光波信号的组合。
另一方面，使分别从灌注组织层S3、S4和S5反射的光分量L3’、L4’和L5’行进更远的距离进入组织50，直到它们朝向光检测器26反射为止。相对于垂直于组织50表面进入的光信号，比较由光分量L3’、L4’和L5’行进的更大距离。因此，通过光分量L3’、L4’和L5’可以与更大量的相应的灌注组织层S3、S4和S5相互作用，使得光分量L3’、L4’和L5’包含的脉动AC信息量显著增加。
现在参照图5b，图5b示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的图5a的简化示意图以说明灌注组织层S1至S5中光相互作用的区域的特征。区域58a(示出为阴影)包括照射扇区56a与在扇区54的一部分内重合的灌注层S3至S5的交集。照射扇区56a由从反射表面32a反射为反射光34b’的光信号34a(未示出)形成。光信号L3’、L4’和L5’从灌注组织层S3、S4和S5朝向光检测器26反射。光检测器26接收到的光信号的接收视场由扇区54指示。灌注组织层S3、S4和S5中光相交区域58a因此取决于相对于虚线28的角度α，使得光分量L3’、L4’和L5’从灌注组织层S3、S4和S5朝向光检测器26反射。
因此，通过减少(或完全排除)从非灌注组织层光S1和S2反射的光分量L0’、L1’和L2’的量(如图5a所示)，显著减少在反射测量中由光检测器26测量的光学信号中的基线DC分量。另一方面，由于从灌注组织层朝向光检测器26反射的光分量L3’、L4’和L5’的光路由于角度α而增加。光分量L3’、L4’和L5’指示与灌注组织层S3、S4和S5的相互作用更强烈。因此，光分量L3’、L4’和L5’可以包含明显更多的血液相关信息，并且对由光检测器26测量的光学信号贡献更大量的脉动AC分量。
现在参照图5c，图5c示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10及其应用于组织50的部分截面侧视图。图5c与图5a的相似之处在于，当与横向定位于光检测器26的右侧较大距离d1处的另一光源22相比时，一个光源横向定位于光检测器26的右侧较短距离d2处。在下面描述中，关注横向定位于光检测器26的右侧距光检测器26较大距离d1处的光源22。光源22包括透镜36，透镜36朝向光检测器26向左横向偏移。光信号34a仍然以垂直于基底20的第一平面表面的角度从光源22发出。
然而，与图5a不同，透镜36使光信号34a准直成准直光束34d。透镜36使光信号34a的光线的扩散和/或散射最小化。然而，与图5a不同，准直光束34d不与基底20的第一平面表面成垂直的角度。准直光束34d从反射器24的表面32b以相对于虚线28成角度β横向向光源22的右侧反射为反射光34b”。角度β可能不如角度α尖锐，因为透镜36朝向反射表面32a向光源22的左侧横向偏移。透镜36还可以包括使准直光束34d偏振的偏振滤光器(未示出)。横向定位于光源右侧的反射器24也可以包括反射表面32a。
现在参照图5d，图5d示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的图5c的简化示意图以说明灌注组织层S1至S5中光相互作用的区域的特征。区域58b(示出为阴影)包括照射扇区56b与在扇区54的一部分内重合的灌注层S3至S5的相互作用。照射扇区56b由从反射表面32b反射为反射光34b”的光信号34b(未示出)形成。光信号L3”、L4”和L5”从灌注组织层S3、S4和S5朝向光检测器26反射。光信号L3”、L4”和L5”朝向光检测器26反射。光检测器26接收到的光信号的接收视场由扇区54指示。
光检测器26中的交流电(AC)可以是从(毛细)血管16反射的光34b”的光波信号的光检测的结果，该交流电(AC)可能源自心脏活动。其中，光检测器26中的直流电(DC)可以是从组织50的其他部分反射的光34b”的光波信号和从不穿过组织50的表面层S1和S2直接反射的光波信号的光检测的结果。因此，灌注组织层S3、S4和S5中光相交区域58a取决于相对于虚线28的角度β，使得光分量L3”、L4”和L5”从灌注组织层S3、S4和S5朝向光检测器26反射。此外，从光相交区域58b中由光检测器26测量的光学信号L0”、L1”和L2”中的基线DC分量比由光相交区域58a所示由光检测器26测量的DC分量显著减少得更多。因此，朝向光检测器26反射的光分量L3”、L4”和L5”可能包含显著更多的血液相关信息，并且对由光检测器26测量的光学信号贡献更大量的脉动AC分量。
现在参照图5e，图5e示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10及其应用于组织50的部分截面侧视图。图5e与图5a相似，不同之处在于一个光源22示出为具有从一个光源22发射出的光信号34a。当与横向定位于光检测器26的右侧较短距离d2处的另一光源22相比时，一个光源横向定位于光检测器26的右侧较长距离d1处。来自光源22的光信号34a垂直于第一平面表面和第二平面表面两者发射。光信号34a被反射器24的反射表面32a以相对于虚线28成角度α’反射为反射光34b”’。
反射光34b”’的取向的角度α’允许光源22定位于光检测器26附近的相对长的距离d1处。光检测器26附近的相对长的距离d1可以保证反射光34b”’的光分量L0”’、L1”’和L2”’以与图5a的光分量L0’、L1’和L2’相比相对于朝向光检测器26的光方向显著更小的锐角角度从未灌注组织层S1和S2反射。朝向光检测器26的光方向可以垂直于第一平面表面和第二平面表面两者。因此，从未灌注的近表面组织层S1和S2朝向光检测器26反射的光分量L0”’、L1”’和L2”’的数目减少，以提供提高的SNR和AC/DC比。
其中，光检测器26中的交流电(AC)可以是从(毛细)血管16反射的光34b”的光波信号的光检测的结果，该交流电(AC)可能源自心脏活动。其中，光检测器26中的直流电(DC)可以是从组织50的其他部分反射的光34b”的光波信号和从不穿过组织50的表面层S1和S2直接反射的光波信号的光检测的结果。另一方面，与将光源22定位在较短距离d2处相比，由于将光源22定位在距离d1处，使分别从远端灌注组织层S3、S4和S5朝向光检测器26反射的光分量L3”’、L4”’和L5”’行进更大的距离。由光分量L3”’、L4”’和L5”’行进的更大距离与更大量的相应灌注组织层S3、S4和S5相互作用，使得光分量L3”’、L4”’和L5”’包含的脉动AC信息的量显著增加。
现在参照图6，图6示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10的平面图和侧视图截面BB。平面图示出了多个光孔60，多个光孔60放置在基底20中的定位于围绕光检测器26的同心圆(由虚线所示)中。侧视图截面BB示出了机械地且电气地附接在基底20中的多个光源22。基底20还可以提供与光源22和光检测器26的电附接件(未示出)。电附接件可以包括提供光源22彼此电互连、与光检测器26和附加部件的连接的迹线。微控制器例如可以连接至如以上关于图4所描述的电互连。光源22和光检测器26被示出为嵌入基底20的表面中。
定位于并可操作地附接在光源22与孔60之间的是反射器24，反射器24可以实现为光纤电缆。从光源22发射出的光可以根据光纤电缆的全内反射(TIR)特性通过光纤电缆从光源22传送至孔60。基底20可以是不透光材料并且还可以由足够刚性从而不会由于传感器设备10被压到受检组织上而变形的材料制成。对于横向定位于光检测器26的左侧和右侧的两个光源22，示出了由微控制器控制的在距离d2处成角度α的可能的光的发射。以上关于图5a和图5b详细描述了横向定位于光检测器26的左侧和右侧的两个光源22的操作。对于横向定位于光检测器26的右侧的一个光源22，示出了由微控制器控制的在距离d1处成角度α’的可能的光发射。以上关于图5a、图5b和图5e详细描述了横向定位于光检测器26的右侧的一个光源22的操作。对于横向定位于光检测器26的左侧的一个光源22，示出了由微控制器控制的在距离d1处成角度β的可能的光发射。以上关于图5c和图5d详细描述了横向定位于光检测器26的左侧的一个光源22的操作。示出了横向定位于光检测器26的左侧和右侧分别具有δ’和δ角度的可能的光发射的附加光源22。
光源22还可以包括或还可以不包括用于将从光源22发出的光信号准直进入光纤电缆的透镜36(未示出)。透镜36可以定位于光纤电缆的端部处并且附接至由虚线28示出的基底20的第一平面表面。光源22还可以包括或还可以不包括用于使准直光信号和/或来自光源22的光信号偏振的偏振滤光器(未示出)。偏振滤光器(未示出)可以安装在由虚线28示出的基底20的第一平面表面上。
现在参照图7，图7示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10的平面图。平面图示出了反射器24的四叶草形状。与图4类似，多个四叶草形状的反射器24可以定位成相对于基底20的光检测器26所在的第一平面表面的中心彼此同心。两个光源22示出为在相应的距离d3和d4处，然而，多个光源可以定位于反射器24的四叶草形状的其他部分处，并且类似地具有多个四叶草形状反射器24。反射器24的反射表面的四叶草形状的侧截面例如线性、凸形、凹形或抛物线，如图3a至图3c和图3f所示。
现在参照图8，图8示出了根据本公开内容的一个或更多个说明性方面的传感器设备10的底侧的二维图。基底20被示出为具有机械地附接至基底20的两个反射器24。两个反射器24彼此同心。光检测器26定位于较小的反射器24的中心中，并且机械地且电气地附接至迹线80。类似地，光源22机械地且电气地附接至迹线80。迹线80提供了光源22与控制线之间到与每个光源22相关联的驱动器电路的互连。带状电缆80机械地且电气地附接至基底20并提供连接端口82a。连接端口82a提供到迹线80的连接。该连接可以允许进一步电连接至如上所述的微处理器和/或显示器13。传感器设备10可以容纳在如图1所示的壳体12中。
注意，本文公开的反射式测量技术对于便携式装置也非常有用，因为反射式测量技术提供的提高的SNR比和AC/DC比减轻了由于设备所附接的身体部位/器官的运动而在测量信号中引起的信号失真。
本发明的结构实现了各种波长的发射和各种特性的测量。某些波长从相同受检组织反射不同。因此，本发明还公开了选择光发射器与光检测器之间的角度以及它们之间的距离的最佳组合。
如上文所述和相关图中所示，本发明提供了一种用于以显著提高的SNR比和AC/DC比实现反射测量配置以测量受检组织/对象的生物学特性的结构。尽管已经描述了本发明的特定实施方式，但是应当理解，本发明不限于此，因为本领域技术人员可以做出修改，特别地根据前述教导做出修改。如技术人员将理解的，本发明可以采用来自上述技术中的一种以上的技术以多种方式实施，所有这些都不超出本发明的范围。
Claims (14)
1.一种设备，所述设备包括：
包括连接端口的基底，其中，所述基底包括用于实现所述基底的电路的迹线，其中，所述电路连接至所述连接端口；
光传感器，机械地且电气地分别附接至所述基底的第一平面表面和所述电路；
光源，其中，所述光源机械地且电气地分别附接至所述第一平面表面和所述电路，其中，所述光源以第一距离横向于所述光传感器定位，其中，所述光源的光信号以垂直于所述第一平面表面的角度从所述光源发出；以及
反射器，所述反射器机械地附接至所述第一平面表面并且定位在所述光传感器与所述光源之间，其中，所述光信号基本上被所述反射器反射离开所述光传感器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反射器的表面的垂直于所述第一平面表面的截面的轮廓是线性轮廓、凹形轮廓、凸形轮廓和抛物线轮廓中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光传感器与光源之间的所述第一距离响应于围绕所述光传感器的所述反射器的轮廓而建立。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源包括透镜，所述透镜被配置成以垂直于所述第一平面表面的角度准直所述光源的所述光信号。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源包括偏移透镜，所述偏移透镜被配置成以远离垂直于所述第一平面表面的角度的第二角度准直所述光源的所述光信号。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源包括透镜，所述透镜被配置成以垂直于所述第一平面表面的第三角度使所述光源的所述光信号偏振。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源包括棱镜，所述棱镜被配置成以垂直于所述第一平面表面的角度反射所述光源的所述光信号。
8.根据权利要求3所述的设备，还包括：
第二反射器，其中，所述第二反射器围绕所述反射器；
第二光源，其中，所述第二光源机械地且电气地分别附接至所述第一平面表面和所述电路，其中，所述第二光源的第二光信号以垂直于所述第一平面表面的角度从所述第二光源发出，其中，所述第二光信号基本上被所述第二反射器反射离开所述光传感器，其中，所述光传感器与所述第二光源之间的第二距离响应于所述第二反射器的轮廓而建立。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述第二反射器的表面的垂直于所述第一平坦表面的截面的轮廓是线性轮廓、凹形轮廓、凸形轮廓和抛物线轮廓中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反射器的垂直于所述第一平面表面的截面的轮廓是线性轮廓、凹形轮廓、凸形轮廓和抛物线轮廓中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反射器的第二平面表面能够放置在受检组织上以测量受检组织的生物学特性，其中，所述第二平面表面平行于所述第一平面表面。
12.根据权利要求11所述的设备，还包括用于实现将所述设备附接至所述受检组织的附接设备，其中，所述受检组织与所述反射器的所述第二平面表面接触。
13.根据权利要求8所述的设备，还包括控制单元，所述控制单元可操作地连接至所述基底，并且被配置成选择施加至所述受检组织的所述光信号或所述第二光信号中至少之一的参数，其中，所述参数是波长和光强中至少之一。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述控制单元被配置成：
选择所述光信号或所述第二光信号中至少之一并将其施加至所述受检组织；
从所述受检组织感测来自响应于所述参数以及相应的第一距离和第二距离中至少之一施加的所述光信号和所述第二光信号中至少之一的反射光信号；以及
接收并处理由所述光传感器感测到的所述反射光信号的测量数据以确定所述受检组织的所述生物学特性，其中，所述生物学特性包括心率、氧饱和度、血红蛋白水平、血压、心输出量、每搏输出量、排汗、葡萄糖/糖水平、胆红素水平和脂肪水平中至少之一。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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