CN117653024A - 用于耳外测量的传感器化的耳机器件 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于耳外测量的传感器化的耳机器件。耳机器件具有壳体，该壳体具有专用于获取至少一个测量量的测量部分，其中耳机器件布置在对象的耳朵外部。耳机器件设置有至少一个传感器，该传感器可操作地连接到壳体内的测量部分，用于获取表示测量量的信号，以及处理模块，该处理模块处理由传感器获取的信号，以便根据获取的信号提供用于监测测量量的处理输出信号。电连接元件在壳体内限定与传感器电连接的电路径。

Description

用于耳外测量的传感器化的耳机器件

优先权要求

本申请要求2022年9月8日提交的意大利专利申请No.102022000018342的优先权，其内容在法律允许的最大程度上通过引用整体并入本文。

技术领域

本申请涉及用于耳外测量的传感器化的耳机器件。

背景技术

开发用于在用户生命的任何时刻监测其身体状况或健康的电子系统的当前趋势是众所周知的；特别地，考虑到相同的器件通常由电池供电的事实，目的是开发廉价的便携式器件，该便携式器件可能具有能够以低的消耗水平实现持续的监测。

例如，可以监测的关于用户健康的生理量可以包括：心率(HR)和心率变异性(heart-rate variability HRV)；心电图(ECG)；血中氧饱和度(SpO₂)，例如，利用腕部或身体其他部位的红外辐射(IR)的photoplethysmography(PPG)技术；使用非侵入性技术，例如射频技术或以从PPG和ECG测量导出的方式的血压；以及利用传感器捕获人体在红外光谱中的发射的体温。

最近，例如在Andreozzi等人的文章“Forcecardiography:A Novel Technique toMeasure Heart Mechanical Vibrations onto the Chest Wall”Sensors(Basel)vol.20(14)，3885，July13，2020”中可以看到一种创新的技术，力心动描记术(forcecardiographyFCG)，提出了一种测量心脏在胸壁上的机械振动的新颖技术，其基于使用例如通过带子施加在对象的胸部上的力传感器来监测心脏的机械性能。这种力传感器获取与心肌收缩相关的振动，用于监测同一心肌的机械性能(例如，用于检测心率及其可变性)。Andreozzi等人的该参考文献通过引用整体并入本文。

可用于监测一个或多个上述量的器件例如是智能手镯或手表，智能皮带或贴片，或者甚至是耳机或类似的生物声学器件。

特别要强调的是，已知类型的器件被设计为在应用器件本身的身体区域(例如，在智能手表或手镯的情况下在手腕上，或者在耳机的情况下在耳道的内部或入口处)局部地实现测量和相应的处理。

具体参考耳机器件等，通常集成诸如电容传感器的传感器或诸如接近或接触传感器的其它类型的传感器。当连接到诸如智能电话，平板等的便携式电子器件时，这些传感器实现(单个或多个)触摸激活功能，诸如控制音乐的再现或电话交谈。上述传感器还可以用于获得用于补偿等目的的信息，例如用于过滤由于用户运动而产生的噪声。

如可以看到的，例如在Poh等人的“cardiovascular monitoring usingearphones and a mobiledevice”，IEEE pervasive computing 11(2012)18－26，中也已经提出：采集耳内体积描记测量(plethysmography measurements)的耳机用于心血管监测的用途。特别地，在这种情况下，耳机用反射光电传感器进行传感器化，被设计用于检测心动周期期间血管中的体积变化。Poh等人参考文献通过引用整体并入本文。

然而，需要进一步的开发。

发明内容

本公开的目的是提供一种监测解决方案，特别是用于监测指示对象的身体状况或健康的生理量的监测解决方案，其是已知解决方案的替代方案，特别是已知解决方案的改进。

在一个实施例中，耳机器件包括具有测量部分的壳体。该测量部分获取至少一个测量量，该测量量与布置在用户耳朵外部时的耳机器件有关。该器件中包括至少一个传感器，其可操作地连接到壳体内的测量部分。该传感器获取指示测量量的信号。该器件还包括处理模块，该处理模块处理由传感器获取的信号，从而提供作为获取信号的函数的处理后的输出信号，用于监测该测量量。该设计包括电连接元件，该电连接元件在壳体内限定连接到传感器的电路径。

该器件的测量部分被配置为被布置成与用户的手腕接触。该器件中的传感器可以是力传感器，其测量作为与用户心肌收缩相关的振动的函数的力，该特征用于心肺监测。

该耳机器件还可包括调节器件操作的控制模块。然而，由传感器捕获的测量量在某些情况下可能不影响该操作。该器件的电连接元件包括柔性印刷电路板，电路径被配置用于传感器和控制模块之间的连接。

由器件捕获的测量量可以是与用户相关联的生理量，目的在于监测用户的身体状况和/或健康状态。该器件还可以包括检测模块，该检测模块自动确定传感器对测量量的采集的开始以及处理模块的处理。该确定可以在检测到接近或接触用户身体的状况之后进行，其中耳机器件完全在耳外(out-of-ear)。

这个检测模块可以包括至少一个检测电极，该检测电极被布置在该壳体外部，对应于或邻近于该测量部分，以便在测量过程中面向用户的身体。检测模块可以检测由于接近或接触用户身体而引起的局部电荷的变化，随后发出用于开始获取和处理测量量的触发信号。

测量部分可以是壳体底部的厚度减小的部分，内部地形成设计成容纳传感器的凹槽。该厚度减小的部分可用作设计成将外部压力转换成施加到传感器上的力的柔性膜。传感器可以是MEMS传感器，并且包括半导体材料的管芯，其具有主表面，主表面的特征在于面向厚度减小部分的敏感区域。该器件的壳体还可包括从厚度减小部分向敏感区域延伸的突出元件，从而将外部压力集中在该敏感区域上。

传感器可以通过支撑板容纳在壳体内，支撑板在端部连接到电连接元件。这些电连接元件可以包括柔性印刷电路板，该柔性印刷电路板相对于支撑板横向延伸并且在与支撑板耦合的区域中结合有加强元件。该加强元件可提供加固(stiffening)并用作传感器的机械止动件。

在一种配置中，传感器可以是红外体温传感器。在这种情况下，可以在壳体中的测量部分处形成孔，该孔由对红外辐射透明的透镜封闭。该传感器可以布置在透镜下面的壳体中。在另一种结构中，传感器可以是安装在印刷电路板上的接触式温度传感器，其中导热材料布置在印刷电路板和壳体的测量部分之间。

耳机器件可以被配置为向外部电子装置提供获取的信号和/或处理的输出信号。该装置可以具有显示器，该显示器被设计成显示所采集信号的处理和/或分析结果，或者与这些信号相关联的其他信息。

处理模块可被设计为操作地耦合到由用户携带的另一耳机器件。这使得能够通过声音通信向用户传送关于力测量的执行的信息。

最后，描述了用于获取至少一个耳外测量量的电子系统。该系统可以包括如前所述的耳机器件和电子器件。该电子器件包括显示器，该显示器被设计为显示对所获取的信号的处理和/或分析的结果或与这些信号相关联的其他信息。

附图说明

为了更好地理解，现在参照附图仅通过非限制性示例来描述其实施例，其中：

图1是根据本公开的一个方面的耳机器件在用于监测对象的健康状况的应用中的示意图；

图2是本公开的一个实施例中的耳机器件的一部分的截面透视图；

图3示出了图2的耳机器件的放大部分；

图4示出了耳机器件的示例性使用；以及

图5是根据本公开的另一方面的耳机器件的变型实施例的示意图。

具体实施方式

如将详细描述的，本公开的一个方面提供了一种耳机器件，在图1中整体用1表示，该耳机器件被适当地传感器化和配置以用于专门在耳外(即，在耳机器件1的标准应用区域之外)测量量，特别是(但不仅是)生理类型的量。这样的量可以与或可以不与耳机器件1的标准操作相关联，即根据同一耳机器件1的操作状态对用户进行声音再现的操作。

耳机器件1另外具有通常设想用于这种器件的功能，包括扬声器，用于将电信号转换成膜的振动，以产生作为接收的电信号的函数的声波。

例如，并且如示意性地示出的，可以利用无线通信从可操作地耦合到同一耳机器件1的电子器件100(例如，智能电话H，平板计算机或便携式PC)接收这样的电信号。

特别地，耳机器件1包括暴露于外部环境并由例如聚氯乙烯(PVC)制成的壳体2。

该壳体2包括：头部部分2a，该头部部分限定了用于扬声器(未示出)的箱体并且被设计成插入耳朵中，在耳道附近或在耳道内；以及尖端部分2b，其典型地形成用于由用户操纵耳机器件1的部分，并且可以进一步携带一个或多个传感器(例如，接触或接近传感器，在此未示出)，以检测由用户施加的触摸并使得能够激活耳机器件1的功能(例如，暂停或恢复声音再现)。

根据本发明的一个方面，上述壳体2还包括测量部分3，其专用于检测至少一个测量量。在图1所示的实施例中，该测量部分3被设计成布置成与对象身体的一部分接触，特别是在对应于桡动脉(radial artery)的位置与手腕接触。

在该实施例中，耳机器件1被配置为执行力测量，以采集(根据前述力心动描记技术)与对象的心肺监测相关联的信号，特别是用于监测可能包括心率(HR)和/或心率变异性(HRV)的生理量。

耳机器件1在壳体2内包括可操作地耦合到前述测量部分3的至少一个传感器4(在前述图1中示意性地表示)，例如MEMS(微机电系统)类型的传感器，其被配置为实现前述测量量的检测。

测量部分3可以设计和配置成提供一定等级的抵抗水或其它液体侵入，从而提供相对于外部环境的密封。

在图1所示的实施例中，传感器4是力传感器，其被配置为获取作为与心肌收缩相关联的振动的函数的监测信号(所谓的FCG信号)(该监测信号可以指示心率，心率变异性和/或一个或多个其他生理参数)。

如图所示，耳机器件1包括壳体2内的处理电路(P)6，处理电路(P)6被配置为处理所获取的信号并提供作为所获取的该信号的函数的经处理的输出信号。

上述处理电路6例如可以集成在上述传感器4的管芯或封装内的同一传感器4中，例如以ASIC(专用集成电路)的形式。

备选地，处理电路6可以形成容纳在耳机器件1的壳体2中的控制模块(CM)7的一部分或由其实现，例如包括微控制器，微处理器或类似的数字处理单元，其具有管理和控制耳机器件1的一般操作的功能。这种管理和控制可以是例如作为接收信号的函数的声音再现，一个或多个开关元件的状态，或耳机器件1的空间位置(特别是其与耳朵的接近度)。在这种情况下，在壳体2内提供适当的导电路径，用于将上述传感器4连接到控制模块7。

在任何情况下，强调的是，控制模块不使用测量量来控制耳机器件1的操作。

备选地，由传感器4获取的信号的处理的至少一部分可以在壳体2的外部实现，并且通常在耳机器件1的外部实现，该耳机器件1具有适当的通信接口，特别是无线类型的通信接口，用于将获取的信号通信到壳体2外部的系统，例如朝向上述电子装置100。

更详细地，参考图2和图3，现在描述耳机器件1的可能实施例，其涉及通过高灵敏度的力传感器和机械耦合到对象，特别是手腕上的适当机构来测量心率，心率变异性和/或其它生理参数(然而，可以考虑不同的测量位置)。

在这种情况下，耳机器件1的壳体2的测量部分3设置在同一耳机器件1的尖端部分2b的远端，该尖端部分2b设置在离头部部分2a较大的距离处。

在该实施例中，前述测量部分3包括前述壳体2的基部11的厚度减小部分3’，其内部限定设计成容纳传感器4的凹部12。该厚度减小部分3’限定了柔性膜，该柔性膜设计成将外部压力转换成施加到传感器4的力(也将在下文中更详细地讨论)。

在图2和图3所示的示例中，厚度减小部分3’从壳体2的基部11的表面突出，以便为用户清楚地限定要执行测量的区域(具体地，要搁置在对象的手腕上的区域)。在一种可能的中，测量部分3的突出部分具有大约3mm的直径，以便于机械耦合到桡动脉。

如上所述，上述传感器4是高灵敏度的力传感器，例如具有小于0.1mN的分辨率(理解为可由传感器检测的力的最小变化)。

例如，上述力传感器可以如美国专利公开No.2017/0343430中所描述的那样制造，该专利公开的内容通过引用全部结合于此。

特别地，传感器4由半导体材料(例如硅)的管芯14制成，该管芯14具有主表面14a，该主表面14a以一定间隙面对前述厚度减小部分3’，在该厚度减小部分3’处设置力传感器的敏感区域15(具有比前述主表面14a的相应延伸小的延伸)。

因此，耳机器件1在前述测量部分3处包括例如呈薄尖端形式的突出元件16，其从厚度减小部分3’朝向前述敏感区域15延伸，以便将外部压力集中在敏感区域15上并放大所施加的力。

更详细地，传感器4由支撑板17承载在壳体2内，支撑板17在其端部处耦合至柔性PCB18，柔性PCB18限定用于将传感器4电连接至控制模块7(这里未示出)以及传输所获取的信号和/或所处理的输出信号(根据处理电路6对所获取的信号的处理是在传感器4的内部还是外部实施)的电路径(整体由18’表示)。

在所示的实施例中，上述柔性PCB18在相对于支撑板17的横向方向上延伸，并且在连接到支撑板17的区域中具有加强部分19，该加强部分19具有硬化(stiffening)功能并且用作传感器4的机械止动件，从而在测量部分3上施加强大的力时防止其在壳体2内移位。

根据本公开的一个方面，耳机器件1还包括检测模块22，其被配置为当耳机器件1完全脱离耳朵时(在先前描述的示例中，当耳机器件1从耳朵中取出并被布置为与手腕的皮肤接触以执行心血管监测时)，特别是在确定接近或接触(或相反地远离)用户身体的状况时，自动确定传感器4和相关联的处理电路6对测量量的采集和处理的开始(以及可能的结束)。

上述检测模块22电连接到耳机器件1的处理电路6或上述控制模块7，或者备选地，可以至少部分地由相同的处理电路6(可能在传感器4内)或由控制模块7实现。

在可能的实施例中，检测模块22包括至少一个检测电极24(它们中的两个在图3中示出)，其由金属材料(诸如氯化银，氯化银或不锈钢)制成，可能涂覆有电介质材料层，布置在壳体2的外部，在对应于测量部分3的位置处或在测量部分3的附近，特别是在前述厚度减小部分3’处，以便在执行测量期间布置成面向用户的身体。

在可能的实现方式中，检测模块22被配置为检测由于接近或接触用户身体而引起的局部电荷的变化(以及电场和电势的随之而来的变化)，并且因此发出用于开始(或停止)采集和处理测量量的触发信号。

图4是在获取测量量的状况下，在用于获取对象手腕上的FCG信号的示例中使用耳机器件1的可能情况的示意图。

耳机器件1被示为以无线模式，特别是以TWS(True Wireless Stereo真实无线立体声)技术可操作地耦合到电子装置100，电子装置100例如是便携式的，诸如智能电话或平板，或可穿戴式的，诸如智能手表或手镯。

在可能的实现方式中，可以在前述电子器件30的显示器31上向用户提供用于执行测量的指令；此外，在同一显示器31上，可以提供关于由处理电路6(和/或控制模块7)所获取的信号的处理和/或分析的结果或其他信息。

例如，如相同的图4所示，所获取的FCG信号或与所获取的相同信号相关联的其它信息的时间图可以在显示器31上示出。

根据本公开的另一方面，备选地或附加地，用于执行测量的指令(或与相同测量相关联的其他信息)声音通信(例如，通过语音合成或其他类似工具)通过另一耳机器件(在图3中由33表示)提供给用户，该另一耳机器件插入到用户的耳朵中并且与耳机器件1一起形成一对耳机。

在这种情况下，甚至可以不设想上述电子器件100的介入，因为与用户的通信的管理可以完全由上述处理电路6和/或耳机器件1的控制模块7通过与另一耳机器件33的通信耦合来实现。

根据本公开的另一方面，存在于耳机器件1的壳体2外部的一个或多个状态LED(或类似的显示元件)35可用于发信号通知(例如，通过点亮，或具有特定的间歇闪烁)耳机器件1的测量量的获取或关于测量量的获取的前述操作的一些其它操作状态。

从前面的描述中可以清楚地看出本发明的优点。

在任何情况下，强调的是，本文的公开内容以廉价且简单的方式提供了使用广泛地与便携式电子器件结合使用的器件(耳机)进行量的测量，特别是用于监测用户的身体状况或健康状况的生理特性的量的测量。

本公开还使得能够有利地利用相同的便携式电子器件，以便于执行测量和/或显示与相同测量的结果相关联的信息。

最后，清楚的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对本文所描述和示出的内容进行修改和变化。

特别地，强调的是，可以提供另外的和不同的传感器用于耳机器件1的传感器化，并且因此可以设想例如生理特性的另外的和不同的量的获取。

在这点上，耳机器件1的上述传感器4可以包括红外体温传感器。

在这种情况下，壳体2的测量部分3(在这种情况下也可以被布置在同一壳体2的尖端部分2b的远端处)可以包括在壳体2中制作的孔(例如，具有0.5cm的深度)以及对红外辐射透明的保护透镜，该红外辐射例如在包括在5μm与20μm之间的波长范围内(对应于传感器4的检测频率带宽)。在这种情况下，传感器4可以容纳在壳体2内的保护透镜下面。可以基于传感器4的特性来调整保护透镜的光学特性。

在该示例中，测量体温的对象可以是耳机器件1的用户或者甚至是耳机器件1的测量部分3可以应用于其上的不同人。

另一示例性实施例可以设想在耳机器件1中使用接触式温度传感器。

在这种情况下，壳体2内的传感器4可以包括SMD(表面安装器件)类型的标准温度传感器，其可以安装在印刷电路板上，例如再次安装在壳体2的尖端部分2b的前述远端处。

适当的导热材料，例如以环的形式，可以布置在印刷电路板和壳体2的测量部分3之间，该测量部分3与待测量的对象接触，以便确保高导热率并因此保证快速响应时间。

再次强调的是，上述测量部分3相对于耳机器件1的壳体2的布置也可以相对于已经示出的内容而改变，即使在壳体2的尖端部分2b的远端处的布置可以证明对于大多数测量应用是有利的。

例如，如图5中示意性示出的，测量部分3可以设置在壳体2的头部2a处，在与容纳扬声器的区域相反的方向上具有突起，该区域将被插入到用户的耳朵中。

此外，再次强调的是，耳机器件1可以包括耦合到壳体2的另外的传感器，例如前面提到的用于实现触摸(或敲击)控制功能的电容或接近传感器。

Claims (18)

1.一种耳机器件，包括：

壳体，具有测量部分，所述测量部分被配置为获取相对于被布置在用户耳朵外部的所述耳机器件的至少一个测量量；

至少一个传感器，操作性地耦合到所述壳体内的所述测量部分并且被配置为获取指示所述至少一个测量量的信号；

处理模块，被配置为处理由所述至少一个传感器获取的所述信号，所述处理模块被配置为提供用于监测所述至少一个测量量的经处理的输出信号，经处理的所述输出信号是所获取的信号的函数；以及

电连接元件，在所述壳体内限定与所述至少一个传感器电连接的电路径；

其中所述测量部分被配置为被布置为在对应于动脉的位置与所述用户的手腕接触，并且其中所述至少一个传感器是力传感器，所述力传感器被配置为执行力的测量以用于心肺监测，所述力是与所述用户的心肌收缩相关联的振动的函数。

2.根据权利要求1所述的耳机器件，进一步包括被配置为控制所述耳机器件的操作的控制模块，其中所述至少一个测量量不被所述控制模块用于控制所述耳机器件的操作。

3.根据权利要求2所述的耳机器件，其中所述电连接元件包括柔性印刷电路板，并且所述电路径被配置为用于将所述至少一个传感器电连接到所述控制模块。

4.根据权利要求1所述的耳机器件，其中所述至少一个测量量是与所述用户相关联的生理量，用于监测所述用户的身体状况和/或所述用户的健康状态。

5.根据权利要求1所述的耳机器件，进一步包括检测模块，所述检测模块被配置为在所述耳机器件完全处于耳外时，在确定所述耳机器件接近或接触所述用户的身体的状况之后，自动确定由所述至少一个传感器开始获取所述至少一个测量量并且由所述处理模块进行处理。

6.根据权利要求5所述的耳机器件，其中所述检测模块包括至少一个检测电极，所述至少一个检测电极被布置在所述壳体外部的对应于、或接近所述测量部分的位置，以便在执行所述测量期间被布置成面向所述用户的身体；并且所述检测模块被配置为检测由于接近或接触所述用户的身体而引起的局部电荷的变化，并且因此发出用于开始获取和处理所述至少一个测量量的触发信号。

7.根据权利要求1所述的耳机器件，其中所述测量部分是所述壳体的基部的厚度减小部分，所述厚度减小部分内部地限定凹部，所述凹部被设计成容纳所述至少一个传感器，所述厚度减小部分限定柔性膜，所述柔性膜被设计成将外部压力转换成施加到所述至少一个传感器的力。

8.根据权利要求7所述的耳机器件，其中所述至少一个传感器是MEMS传感器，所述MEMS传感器包括半导体材料的管芯，所述管芯具有主表面，所述主表面具有面向所述厚度减小部分的敏感区域；并且其中所述壳体在所述测量部分处进一步包括突出元件，所述突出元件从所述厚度减小部分朝向所述敏感区域延伸以便将所述外部压力集中在所述敏感区域上。

9.根据权利要求6所述的耳机器件，其中所述至少一个传感器在所述壳体内由支撑板承载，所述支撑板在所述支撑板的末端部分处耦合到所述电连接元件；并且其中所述电连接元件包括柔性印刷电路板，所述柔性印刷电路板在相对于所述支撑板的横向方向上延伸并且在与所述支撑板耦合的区域中具有加强元件，所述加强元件具有加固以及用于所述至少一个传感器的机械止挡件的功能。

10.根据权利要求1所述的耳机器件，其中所述至少一个传感器是红外体温传感器；其中孔被设置在所述壳体中在所述测量部分处，所述孔由对红外辐射透明的透镜封闭；并且所述至少一个传感器被布置在所述壳体中在所述透镜下方。

11.根据权利要求1所述的耳机器件，其中所述至少一个传感器是接触式温度传感器并且被安装在印刷电路板上，导热材料被布置在所述印刷电路板和所述壳体的所述测量部分之间。

12.根据权利要求1所述的耳机器件，被配置为将所获取的所述信号和/或经处理的所述输出信号提供给在所述耳机器件外部并且具有显示器的电子装置，所述显示器被设计为显示对所获取的所述信号的处理和/或分析的结果或与所获取的所述信号相关联的其他信息。

13.根据权利要求1所述的耳机器件，其中所述处理模块被配置为可操作地耦合到由所述用户携带的另一耳机器件，以用于经由声音通信向所述用户传送关于执行所述力的测量的信息。

14.一种电子系统，用于获取至少一个耳外测量量，所述电子系统包括：

根据权利要求1所述的耳机器件；以及

电子装置，其中所述电子装置具有显示器，所述显示器被设计为显示对所获取的信号的处理和/或分析的结果或与所获取的所述信号相关联的其他信息。

15.一种耳机器件，被配置用于测量用户的生理量，所述耳机器件包括：

壳体，包括：限定用于扬声器的箱体的头部；用于由用户操纵的尖端部；以及被配置为获取相对于布置在用户耳朵外部的所述耳机器件的至少一个测量量的测量部分；

至少一个传感器，在所述尖端部分内并且被配置为获取指示所述至少一个测量量的信号；以及

处理电路，在所述尖端部分内并且被配置为处理从所述至少一个传感器获取的信号并且输出基于所获取的所述信号的经处理的信号。

16.根据权利要求15所述的耳机器件，其中所述测量部分被布置为接触所述用户的身体的与桡动脉相关联的部分。

17.根据权利要求15所述的耳机器件，其中所述至少一个传感器是力传感器，所述力传感器被配置为获取指示以下中的一项或多项的监测信号：心率、心率变异性和/或所述用户的其它生理参数。

18.根据权利要求15所述的耳机器件，进一步包括检测模块，所述检测模块被配置为基于与所述用户的身体接近或接触的状况来确定所述测量量的获取和处理的开始和结束。