DE102016218060A1

DE102016218060A1 - An einem handgelenk getragenes gerät zum erfassen eines biosignals

Info

Publication number: DE102016218060A1
Application number: DE102016218060.6A
Authority: DE
Inventors: Seul Ki Jeon; Nam Woong Hur; Eung Hwan Kim; Jin Ho Gwon; Sang Hun Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2016-01-04
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2017-07-06
Also published as: US10617360B2; US20170188953A1; KR101736997B1

Abstract

Ein Gerät zum Messen eines Biosignals enthält Folgendes: eine Lichtquelle, die eine vorbestimmte Lichtmenge in einen menschlichen Körper emittiert; eine lichtempfangende Einheit, die zumindest einen Teil der vorbestimmten Lichtmenge empfängt; und eine Abdeckung, die von dem menschlichen Körper berührbar ist und die Lichtquelle und die lichtempfangende Einheit schützt. Die Lichtquelle und die Abdeckung sind derart angeordnet, dass die Lichtquelle und die Abdeckung durch einen ersten Zwischenraum getrennt sind, die lichtempfangende Einheit und die Abdeckung sind derart angeordnet, dass die lichtempfangende Einheit und die Abdeckung durch einen zweiten Zwischenraum getrennt sind, und der erste Zwischenraum ist kleiner als der zweite Zwischenraum.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein an einem Handgelenk getragenes Gerät zum Erfassen eines Biosignals und genauer ein Gerät und ein Verfahren zum Erhöhen einer Qualität eines Biosignals basierend auf der Platzierung von lichtemittierenden und lichtempfangenden Vorrichtungen, die zum Erfassen eines Biosignals konfiguriert sind, und der Optimierung der konstruktiven Ausgestaltung von Optikvorrichtungen.
HINTERGRUND
In letzter Zeit wurden technologische Fortschritte zum Überwachen eines physischen Zustands in Echtzeit gemacht. Zu diesem Zweck kann ein Biosignal zum Überprüfen eines physischen Zustands in Echtzeit verwendet werden. Eine Biosignalmessung kann durch eine Schnittstelle zum Handhaben von Biosignalen und eine Technik zum Überwachen der Biosignale erzielt werden. Beispielsweise kann die Schnittstelle zum Handhaben der Biosignale einen Befehl oder eine Anweisung zum Erfassen von Biosignalen oder Betätigen einer medizinischen Vorrichtung in Erwiderung auf die Biosignale erzeugen. Die Technik zum Überwachen der Biosignale ermöglicht das Erkennen ausgeprägter Merkmale der Biosignale, um beispielsweise körperliche Erkrankungen zu bestimmen oder eine Geisteskrankheit zu diagnostizieren.
Es gibt verschiedene messbare Biosignale, wie beispielsweise Elektroenzephalographie (EEG), Elektrokardiographie (EKG), Elektromyographie (EMG), Photoplethysmographie (PPG), Elektrookulographie (EOG), Atmung und dergleichen. Unter denselben ist PPG eines der leichter überwachten Biosignale in Echtzeit.
Ein PPG-Signal, das basierend auf optischen Charakteristiken einer Messvorrichtung erfasst wird, lässt eine Herzfrequenz erkennen, die mit Herzimpulsen synchronisiert ist. Ein durch Herzimpulse erzeugter Druck lässt Blut durch Blutgefäße fließen. Der erzeugte Druck kann sich auf den Blutstrom in Kapillaren in Fingern, Zehen, Ohrläppchen oder dergleichen auswirken. Arterielles Blut, das durch distale Kapillaren des Körpers fließt, kann in Zellgewebe zugeführt werden, während dasselbe über Venen in das Herz zurückkehrt. Immer wenn Herzimpulse auftreten, wird folglich eine Blutflussrate des durch distale Kapillaren des Körpers fließenden arteriellen Bluts verändert, d. h. erhöht oder verringert.
Wenn indessen eine Lichtquelle eines PPG-Messsensors Licht in einen Teil des Körpers emittiert, wird ein Teil des Lichts im Blut, Knochen und/oder Gewebe absorbiert, während der andere Teil des Lichts eindringen gelassen oder reflektiert wird, um in eine lichtempfangende Vorrichtung zu gelangen. Absorbiertes Licht, das von einem ursprünglichen emittierten Licht subtrahiert wird, kann einem eingedrungenen Licht oder einem reflektierten Licht gleichen, das durch die lichtempfangende Vorrichtung erkannt wird. Die Veränderung des eingedrungenen oder reflektierten Lichts kann eine Blutflussveränderung erkennen lassen. Folglich verwendet der PPG-Messsensor die lichtempfangende Vorrichtung zum Erfassen einer Lichtmenge, so dass die mit den Herzimpulsen synchronisierte Blutflussveränderung gemessen werden kann.
Ein Gerät zum Messen des PPG-Signals kann relativ einfach implementiert werden und eine Bewegung eines Benutzers ohne Weiteres erkennen. Da das PPG-Signal durch Rauschen verzerrt werden kann, das durch die Bewegung des Benutzers verursacht wird, sollte das Gerät jedoch das erkannte Rauschen während des Handhabens des PPG-Signals beseitigen. Um das Rauschen effektiv zu verarbeiten, kann eine am Handgelenk getragene Vorrichtung verwendet werden.
ZUSANMENFASSUNG
Bei einer an einem Handgelenk eines Benutzers tragbaren Vorrichtung können ein Gerät und ein Verfahren zum Anordnen von lichtemittierenden und lichtempfangenden Vorrichtungen eine Leistung der Vorrichtung erhöhen, die zum Messen eines Photoplethysmographie-Signals (PPG-Signals) fähig ist. Eine optimierte Struktur und Ausgestaltung einer tragbaren Vorrichtung können eine Qualität des PPG-Signals verbessern und eine Genauigkeit der PPG-Signalmessungen erhöhen.
Auch wenn das PPG-Signal an dem Handgelenk mit ca. 1/10 bis 1/20 der Signalstärke eines an einer Fingerspitze messbaren Signals messbar ist, können ein Gerät und ein Verfahren zum Anordnen von lichtemittierenden und lichtempfangenden Vorrichtungen ferner ein Biosignal erfassen, wie beispielsweise Sauerstoffsättigung im Blut, das wegen einer geringen Signalqualität schwer zu messen oder zu erkennen sein kann.
Darüber hinaus kann ein Gerät zum Messen eines Biosignals eine Struktur und eine Anordnung von Komponenten aufweisen, die der Struktur eines menschlichen Körpers, der das Gerät trägt, entspricht.
Nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthält ein Gerät zum Messen eines Biosignals Folgendes: eine Lichtquelle, die eine vorbestimmte Lichtmenge in einen menschlichen Körper emittiert; eine lichtempfangende Einheit, die zumindest einen Teil der vorbestimmten Lichtmenge empfängt; und eine Abdeckung, die von einem menschlichen Körper berührbar ist und die Lichtquelle und die lichtempfangende Einheit schützt. Die Lichtquelle und die Abdeckung sind derart angeordnet, dass die Lichtquelle und die Abdeckung durch einen ersten Zwischenraum getrennt sind, die lichtempfangende Einheit und die Abdeckung sind derart angeordnet, dass die lichtempfangende Einheit und die Abdeckung durch einen zweiten Zwischenraum getrennt sind, und der erste Zwischenraum ist kleiner als der zweite Zwischenraum.
Die Lichtquelle und die lichtempfangende Einheit können mit einem Trennungsabstand von ca. 5 bis ca. 6 mm zwischen denselben angeordnet sein.
Die Lichtquelle kann zumindest einen Infrarotstrahl und/oder einen sichtbaren Strahl emittieren.
Eine Lichtmenge kann durch einen Abschnitt des menschlichen Körpers reflektiert werden und in die lichtempfangende Einheit gelangen, wobei der Abschnitt des menschlichen Körpers ein Handgelenk ist, und sowohl die Lichtquelle als auch die lichtempfangende Einheit kann sich über einer Speiche in dem Handgelenk befinden.
Positionen der Lichtquelle und der lichtempfangenden Einheit können basierend darauf differieren, ob das Gerät linkhändig oder rechtshändig bzw. für Linkshänder oder Rechtshänder ist.
Der erste Zwischenraum zwischen der Lichtquelle und der Abdeckung kann kleiner als ca. 1 mm sein, während der zweite Zwischenraum zwischen der lichtempfangenden Einheit und der Abdeckung kleiner als ca. 2 mm sein kann.
Das Gerät kann ferner eine Lichtbarriere enthalten, die zwischen der Lichtquelle und der lichtempfangenden Einheit ausgebildet ist.
Die Lichtbarriere kann sich derart in die Abdeckung erstrecken, dass ein Abschnitt der Abdeckung, der die Lichtquelle bedeckt, von einem Abschnitt der Abdeckung, der die lichtempfangende Einheit bedeckt, separat ist.
Das Gerät kann ferner eine über der lichtempfangenden Einheit angeordnete Linse enthalten.
Die Linse kann eine konkave Linse mit einer konvexen Oberfläche sein.
Das Gerät kann ein Photoplethysmographie-Signal (PPG-Signal) basierend auf einer Veränderung einer an der lichtempfangenden Einheit empfangenen Lichtmenge erfassen.
Des Weiteren enthält nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein PPG-Sensor Folgendes: eine Lumineszenzdiode und eine Fotodiode, die über einer Trägerschicht ausgebildet sind; eine isolierende Barriere, die zwischen der Lumineszenzdiode und der Fotodiode ausgebildet ist; und eine Abdeckung, die die Lumineszenzdiode und die Fotodiode schützt. Die Lumineszenzdiode und die Abdeckung sind derart angeordnet, dass die Lumineszenzdiode und die Abdeckung durch einen ersten Zwischenraum getrennt sind, die Fotodiode und die Abdeckung sind derart angeordnet, dass die Fotodiode und die Abdeckung durch einen zweiten Zwischenraum getrennt sind, und der erste Zwischenraum ist kleiner als der zweite Zwischenraum.
Die Lumineszenzdiode kann zumindest einen Infrarotstrahl und/oder einen sichtbaren Strahl emittieren.
Die Lumineszenzdiode und die Fotodiode können mit einem Trennungsabstand von ca. 5 bis ca. 6 mm zwischen denselben angeordnet sein.
Die Lumineszenzdiode kann eine Vielzahl von Lumineszenzdioden enthalten, die sich jeweils nebeneinander befinden.
Die Positionen der Lumineszenzdiode und der Fotodiode können gemäß einem Teil eines menschlichen Körpers differieren, auf dem der PPG-Sensor getragen wird.
Sowohl die Lumineszenzdiode als auch die Fotodiode kann sich über einer Speiche in einem Handgelenk befinden.
Der erste Zwischenraum kann kleiner als ca. 1 mm sein, während der zweite Zwischenraum kleiner als ca. 2 mm sein kann.
Die isolierende Barriere kann sich derart in die Abdeckung erstrecken, dass ein Abschnitt der Abdeckung, der die Lumineszenzdiode bedeckt, von einem Abschnitt der Abdeckung, der die Fotodiode bedeckt, separat ist.
Der PPG-Sensor kann ferner eine Sperrschicht enthalten, die einen Abschnitt der Abdeckung umgibt, der über der Fotodiode positioniert ist, wobei der Abschnitt der Abdeckung in eine konvexe Form ausgebildet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen, die enthalten sind, um ein weiteres Verständnis der Offenbarung zu liefern, und in dieser Anmeldung aufgenommen sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen (eine) Ausführungsform(en) der Offenbarung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern des Prinzips der Offenbarung. In den Zeichnungen:
zeigt 1 eine herkömmliche an einem Handgelenk tragbare Vorrichtung;
zeigt 2 eine erste Struktur eines Gerätes zum Messen eines Biosignals nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
beschreibt 3 eine Wirkung, die von der in 2 gezeigten ersten Struktur ausgehen kann;
zeigt 4 eine zweite Struktur des Gerätes zum Messen eines Biosignals nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
beschreibt 5 eine Wirkung, die von der in 4 gezeigten zweiten Struktur ausgehen kann;
zeigt 6 eine dritte Struktur des Gerätes zum Messen eines Biosignals nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
zeigt 7 eine vierte Struktur des Gerätes zum Messen eines Biosignals nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; und
zeigt 8 eine Wirkung, die von der in den 6 und 7 gezeigten dritten und vierten Struktur ausgehen kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun wird auf die Ausführungsformen der Offenbarung detailliert Bezug genommen werden, deren Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht sind. In den Zeichnungen werden gleiche Elemente durch gleiche Bezugsnummern angegeben und eine wiederholte Erläuterung derselben wird nicht erfolgen. Die Suffixe „-modul” und „-einheit” von Elementen hierin werden zur Einfachheit der Beschreibung verwendet und können folglich austauschbar verwendet werden und haben keine distinguierbaren Bedeutungen oder Funktionen.
Die Ausdrücke „ein” oder „eine”, wie hierin verwendet, sind als ein/eine oder mehr als ein/eine definiert. Der Ausdruck „ein weiterer/eine weitere/ein weiteres”, wie hierin verwendet, ist als zumindest ein zweiter/eine zweite/ein zweites oder mehr definiert. Die Ausdrücke „enthaltend” und/oder „mit”, wie hierin verwendet, sind als aufweisend (d. h. offener Übergang) definiert. Der Ausdruck „gekoppelt” oder „betriebsfähig gekoppelt”, wie hierin verwendet, ist als verbunden definiert, wenn auch nicht unbedingt direkt und nicht unbedingt mechanisch.
Bei der Beschreibung der Offenbarung werden bestimmte detaillierte Erläuterungen der verwandten Technik weggelassen, wenn davon auszugehen ist, dass dieselben das Wesen der Offenbarung unnötig verschleiern können. Die Merkmale der Offenbarung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen eindeutiger verständlich sein und sollten nicht durch die beiliegenden Zeichnungen beschränkt werden. Es ist einzusehen, dass alle Änderungen, Äquivalente und Ersetzungen, die nicht von dem Gedanken und dem technischen Bereich der Offenbarung abweichen, in der Offenbarung enthalten sind.
Vorausgehend zeigt 1 eine herkömmliche an einem Handgelenk tragbare Vorrichtung und den Nachteil derselben. Insbesondere beschreiben (a) und (b) der 1 ein Beispiel einer an einem Handgelenk tragbaren intelligenten Uhr, die einen Sensor zum Messen eines Biosignals enthält.
Wie bei (a) und (b) der 1 gezeigt, sind zum Verringern eines Stromverbrauchs eine lichtemittierende Vorrichtung und eine lichtempfangende Vorrichtung nebeneinander in einem Photoplethysmographie-Sensor (PPG-Sensor) angeordnet, der in der an einem Handgelenk tragbaren Vorrichtung enthalten ist. Die lichtemittierende Vorrichtung und die lichtempfangende Vorrichtung befinden sich in einer Mitte (CR) der an einem Handgelenk tragbaren Vorrichtung, die bei (a) und (b) der 1 beschrieben wird. Wenn ein Benutzer die Vorrichtung am Handgelenk desselben trägt, wird die Mitte (CR) der an einem Handgelenk tragbaren Vorrichtung meistens auf einer Mitte des Handgelenks desselben platziert. Da ein Photoplethysmographie-Signal (PPG-Signal), das an einem Handgelenk messbar ist, ca. 1/10 bis 1/20 der Signalstärke eines an einer Fingerspitze messbaren Signals aufweisen kann, kann ein PPG-Signal, das durch die tragbare Vorrichtung mit der lichtemittierenden Vorrichtung und der lichtempfangenden Vorrichtung, die sich in der Mitte (CR) befinden, gemessen wird, für eine Signalanalyse nicht ausreichend sein. Beispielsweise stellt es eine Herausforderung dar, wenn das PPG-Signal zum Erkennen einer Sauerstoffsättigung oder dergleichen im Blut verwendet wird, das eine akkuratere Signalanalyse als das Überprüfen von Herzimpulsen erfordert.
Um die oben beschriebenen Probleme zu bewältigen, ist es erforderlich, Anordnungen der lichtemittierenden Vorrichtung und der lichtempfangenden Vorrichtung zum Erfassen eines Biosignals in einer an einem Handgelenk tragbaren Vorrichtung zu optimieren und eine Ausgestaltung und eine Struktur von optischen Vorrichtungen zu verbessern. Bei einer tragbaren Vorrichtung kann/können eine optimierte Anordnung von Komponenten und/oder verbesserte Ausgestaltung und Struktur der Komponenten eine Qualität des Signals in Bezug auf das Biosignal verbessern und eine Genauigkeit zum Erfassen des Biosignals erhöhen. Um eine Leistung eines Biosignal-Messgerätes, das an einem bestimmten Teil des menschlichen Körpers tragbar ist, zu erhöhen, gibt es verschiedene Weisen, wie beispielsweise das Einstellen eines Trennungsabstands zwischen lichtemittierenden und lichtempfangenden Vorrichtungen, Einstellen eines Lichtdurchgangs/einer Lichtstrecke von der lichtemittierenden Vorrichtung zu der lichtempfangenden Vorrichtung, so dass der Lichtdurchgang/die Lichtstrecke einem Gefäßreichtum des bestimmten Teils des menschlichen Körpers entsprechen kann, Einstellen eines Zwischenraums zwischen den lichtemittierenden und lichtempfangenden Vorrichtungen und einem menschlichen Körper (z. B. Haut), Verbessern einer Struktur einer Lichtbarriere zwischen den lichtemittierenden und lichtempfangenden Vorrichtungen, um ein Licht zu isolieren und eine Leckage von Licht zu reduzieren, und Anwenden einer Linsensstruktur auf die lichtempfangende Vorrichtung zum Erhöhen einer Effizienz zum Empfangen eines Lichts. Durch ein oder mehrere der oben beschriebenen Mittel kann das Biosignal-Messgerät eine Qualität eines Signals verbessern und eine Genauigkeit zum Erfassen des Biosignals erhöhen.
Nun in Bezug auf die gegenwärtig offenbarten Ausführungsformen zeigt 2 eine erste Struktur eines Gerätes zum Messen eines Biosignals nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Wie in 2 gezeigt, kann das Gerät zum Messen eines Biosignals eine Lichtquelle 22, 26, die zum Emittieren einer vorbestimmten Lichtmenge in einen menschlichen Körper konfiguriert ist, und eine lichtempfangende Vorrichtung 24, 28 enthalten, die zum Empfangen eines Teils der vorbestimmten Lichtmenge konfiguriert ist, die von der Lichtquelle 22, 26 emittiert wird. Während (a) insbesondere einen Fall zeigt, in dem ein Abstand zwischen der Lichtquelle 22 und der lichtempfangenden Vorrichtung 24 kurz ist, zeigt (b) einen Fall, in dem ein Abstand zwischen der Lichtquelle 26 und der lichtempfangenden Vorrichtung 28 größer als ein vorbestimmter Abstand ist.
Da eine Signalstärke von durch die lichtempfangende Vorrichtung 24 empfangenen Signalen stärker wird, während ein Trennungsabstand zwischen der Lichtquelle 22 und der lichtempfangenden Vorrichtung 24 näher wird, kann in Bezug auf (a) der 2 die lichtempfangende Vorrichtung 24 zu der Lichtquelle 22 benachbart sein, um einen Leistungsverbrauch zu reduzieren. Der Trennungsabstand zwischen der Lichtquelle 22 und der lichtempfangenden Vorrichtung 24 kann beispielsweise kleiner als oder gleich ca. 2 mm sein. Hierin gibt es zwei Strahlentypen, die durch die lichtempfangende Vorrichtung 24 empfangen werden, nachdem dieselben durch die Lichtquelle 22 emittiert werden, (d. h. einen ersten Strahl, der in die lichtempfangende Vorrichtung 24 eingetreten bzw. gelangt ist, nachdem derselbe durch eine Haut reflektiert wird, und einen zweiten Strahl, der in die empfangende Vorrichtung 24 gelangt ist, nachdem derselbe durch einen inneren Teil unter der Haut reflektiert wird). Der erste Strahl (1) kann erzeugt werden, da sich Brechungsindizes einer Atmosphäre und der Haut eines Menschen unterscheiden. Im Gegensatz zu dem zweiten Strahl (2), der durch einen inneren menschlichen Körper hindurch geliefert bzw. zugeführt wird, kann der erste Strahl (1), der eingetreten ist, nachdem derselbe durch die Haut reflektiert wird, als Art von Rauschen betrachtet werden, das nicht zum Messen eines Biosignals beiträgt.
In Bezug auf (b) der 2 werden zum Vermeiden, dass die lichtempfangende Vorrichtung 28 ein Rauschen, wie beispielsweise einen ersten Strahl (1), empfängt, die lichtempfangende Vorrichtung 28 und die Lichtquelle 26 mit einem Trennungsabstand von ca. 5 bis 6 mm angeordnet. Wenn ein Trennungsabstand zwischen der lichtempfangenden Vorrichtung 28 und der Lichtquelle 26 eingestellt wird, kann hierin der erste Strahl (1), der zugeführt wird, nachdem derselbe durch eine Haut reflektiert wird, nicht in die lichtempfangende Vorrichtung 28 gelangen. In diesem Fall kann eine Signalqualität in Bezug auf einen zweiten Strahl (2), der zugeführt wird, nachdem derselbe durch einen inneren Teil eines menschlichen Körpers reflektiert oder gebrochen wird, erhöht werden.
3 beschreibt eine Wirkung, die von der in 2 gezeigten ersten Struktur ausgehen kann.
Wie in 3 gezeigt, können in zwei Fällen, in denen ein Trennungsabstand zwischen einer lichtempfangenden Vorrichtung und einer Lichtquelle, die einen roten Strahl und/oder einen Infrarotstrahl emittiert, der zum Erkennen einer Sauerstoffsättigung verwendet wird, 2 mm und 5 mm beträgt, Qualitäten von Signalen miteinander verglichen werden. 3 zeigt, dass die Qualität von Signalen in dem Fall, in dem der Trennungsabstand zwischen der lichtempfangenden Vorrichtung und der Lichtquelle 5 mm beträgt, besser als in dem Fall ist, in dem der Trennungsabstand 2 mm beträgt.
Wie oben beschrieben wurde, kann bei einem Biosignalsensor eine Signalqualität verbessert werden, wenn ein Trennungsabstand zwischen einer lichtempfangenden Vorrichtung und einer Lichtquelle zum Vermeiden des Empfangens eines durch eine Haut reflektierten Strahls ausreichend ist. Eine Stärke von gültigen Signalen, die durch die lichtempfangende Vorrichtung empfangen werden, kann jedoch auch schwach sein. Ferner kann sich ein optimierter Trennungsabstand zwischen der lichtempfangenden Vorrichtung und der Lichtquelle sogar aufgrund der Hautfarbe eines Benutzers oder des Gefäßreichtums eines Benutzers in einem bestimmten Körper, an dem der Biosignalsensor getragen wird, unterscheiden. Folglich könnten mehrere Faktoren zum Erhalten des optimierten Trennungsabstands zwischen der lichtempfangenden Vorrichtung und der Lichtquelle berücksichtigt werden.
4 zeigt eine zweite Struktur des Gerätes zum Messen eines Biosignals nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Wie in 4 gezeigt, kann das Gerät zum Messen des Biosignals eine Lichtquelle 32A, 32B, die zum Emittieren einer vorbestimmten Lichtmenge in einen menschlichen Körper konfiguriert ist, eine lichtempfangende Einheit 34, die zum Empfangen eines Teils der vorbestimmten Lichtmenge konfiguriert ist, und eine Abdeckung 38 enthalten, die von dem menschlichen Körper berührt werden kann und zum Schützen der Lichtquelle 32A, 32B und der lichtempfangenden Einheit 34 konfiguriert ist. Die Lichtquelle 32A, 32B und die lichtempfangende Einheit 34 können auf einem Substrat (oder eine Trägerschicht 30) ausgebildet werden. Als Beispiel, aber nicht als Einschränkung, kann die Lichtquelle 32A, 32B eine Lumineszenzdiode (LED), die zumindest einen Infrarotstrahl und/oder einen sichtbaren Strahl emittiert, enthalten, während die lichtempfangende Einheit 34 eine Fotodiode (PD) enthalten kann, die ein Licht oder einen Strahl erfasst, um ein elektrisches Signal zu erzeugen.
In Bezug auf (a) der 4 kann das Gerät zum Messen des Biosignals ferner eine Lichtbarriere 36 enthalten, die zwischen der Lichtquelle 32A, 32B und der lichtempfangenden Einheit 34 ausgebildet ist. Um mit gültigen Strahlen eingetretenes Rauschen zu reduzieren, wird bevorzugt, dass das gesamte Licht oder die gesamten Strahlen mit Ausnahme der gültigen Strahlen, die von der Lichtquelle 32A, 32B emittiert werden, durch einen inneren Teil unter einer Haut reflektiert oder gebrochen werden. Folglich ist es erforderlich, dass die lichtempfangende Einheit 34 von den anderen Komponenten des Gerätes mechanisch isoliert ist. Die Lichtbarriere 36 ist eine Art Abschirmung (oder mehrere Abschirmungen), die verhindert, dass ein von der Lichtquelle 32A, 32B emittierter Strahl in die lichtempfangende Einheit 34 gelangt, ohne durch einen menschlichen Körper zu gehen oder durch denselben reflektiert oder gebrochen zu werden. Insbesondere kann die Lichtbarriere 36 in die Abdeckung 38 erweitert werden, um die lichtempfangenden Einheit 34 von der Lichtquelle 32A, 32B zu isolieren. Die Lichtbarriere 36 kann über dem Substrat oder der Trägerschicht 30 über eine Verbindungsschicht 35 ausgebildet werden.
Damit die lichtempfangende Einheit 34 mehr Strahlen oder Licht erfasst sowie die Lichtquelle 32A, 32B nicht versperrt wird, um einen Strahl zu emittieren, kann ferner ein oberer Abschnitt der Lichtbarriere 36 schmäler oder kleiner als ein unterer Abschnitt der Lichtbarriere 36 sein, die die lichtempfangende Einheit 34 von der Lichtquelle 32A, 32B isoliert.
In Bezug auf (b) der 4 ist ein erster Abstand D1 zwischen der Lichtquelle 32A, 32B und der Abdeckung 38 kleiner als ein zweiter Abstand D2 zwischen der lichtemittierenden Einheit 34 und der Abdeckung 38. Zwar sind die Lichtquelle 32A, 32B und die lichtempfangende Einheit 34, die in dem bei (a) der 4 gezeigten Gerät enthalten sind, auf der gleichen ebenen Oberfläche, d. h. dem Substrat 30, ausgebildet, aber zum Verbessern einer Qualität von Signalen ist es von Vorteil, dass die Lichtquelle 32A, 32B so weit wie möglich näher an einer Haut angeordnet wird, aber die lichtempfangende Einheit 34 so weit wie möglich von der Haut entfernt angeordnet wird. Denn, da die Lichtquelle 32A, 32B näher an der Haut angeordnet wird, kann mehr Licht oder können mehr Strahlen in einen menschlichen Körper zugeführt werden und Rauschen, das einen Oberflächenreflexions-Strahl, z. B. einen durch die Haut reflektierten Strahl, enthält, reduziert werden. Da sich die lichtempfangende Einheit 34 näher an der Haut befindet, wird indessen eine Menge erfassbarer Strahlen verringert, da ein Bereich, der optisch empfangen werden kann, kleiner ist.
Als Beispiel, aber nicht als Einschränkung, ist es beim Tragen einer tragbaren Vorrichtung zum Messen eines Biosignals an einem Handgelenk erforderlich, das gesamte Licht oder die gesamten Strahlen, die in einem größtmöglichen Bereich bestehen, zu empfangen, da ein Gefäßreichtum an dem Handgelenk nicht gleichmäßig ist. Wenn sich die tragbare Vorrichtung jedoch so weit entfernt von einer Haut befindet, kann eine Signalstärke sehr schwach sein. Folglich wird erfordert, dass sich die Lichtquelle 32A, 32B und die lichtempfangende Einheit 34 in einem angemessenen Abstand von der Haut (oder einem menschlichen Körper) entfernt befinden.
Wie bei einem Fall, der bei (b) der 4 gezeigt ist, können, damit der erste Abstand D1 zwischen der Lichtquelle 32A, 32B und der Abdeckung 38 kleiner als der zweite Abstand D2 zwischen der lichtempfangenden Einheit 34 und der Abdeckung 38 ist, ein Teil des Substrates oder der Trägerschicht 30, wo sich die lichtempfangende Einheit 34 befindet, und ein anderer Teil des Substrates oder der Trägerschicht 30, wo sich die Lichtquelle 32A, 32B befindet, verschiedene Höhen aufweisen. Das unterschiedliche Einstellen einer Höhe des Substrates oder der Trägerschicht 30 ist nur ein Beispiel. Zudem können Pufferschichten oder Trägerschichten (nicht gezeigt) ausgebildet werden, um den ersten Abstand D1 kleiner als den zweiten Abstand D2 zu machen.
5 beschreibt eine Wirkung, die von der in 4 gezeigten zweiten Struktur ausgehen kann. Insbesondere zeigt (a) eine Qualität von Signalen basierend auf verschiedenen Höhen der Lichtquelle 32A, 32B, die in 4 gezeigt sind, während (b) eine Qualität von Signalen basierend auf verschiedenen Höhen der lichtempfangenden Einheit 34 zeigt, die in 4 gezeigt sind.
In Bezug auf (a) der 5 ist eine Qualität von Signalen in einem Fall, in dem die Höhe der Lichtquelle ca. 1,6 mm beträgt, besser als in einem anderen Fall, in dem die Höhe der Lichtquelle ca. 0,8 mm beträgt.
In Bezug auf (b) der 5 kann eine Qualität von Signalen durchschnittlich verbessert werden, da eine Höhe der lichtempfangenden Einheit höher ist.
Wenn der erste Abstand zwischen der Lichtquelle und der Abdeckung kleiner als 1 mm ist, während der zweite Abstand zwischen der lichtempfangenden Einheit und der Abdeckung größer als der erste Zwischenraum und kleiner als 2 mm ist, kann folglich eine Qualität von Signalen des Gerätes zum Messen des Biosignals erhöht werden.
6 zeigt eine dritte Struktur des Gerätes zum Messen eines Biosignals nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere zeigt (a) eine Struktur der menschlichen Hand und des Handgelenks, während (b) eine Anordnung und eine Struktur des Gerätes zum Messen des Biosignals zeigt.
Da eine innere Struktur eher in einem menschlichen Handgelenk als einer menschlichen Fingerspitze sehr unregelmäßig oder verschieden ist, kann sich eine Qualität von Signalen in dem Gerät basierend auf einer Positionsdifferenz von ca. 1 bis 2 mm unterscheiden. Da das an dem Handgelenk getragene Gerät zum Messen des Biosignals im Allgemeinen einen reflektierten Strahl und keinen eingedrungenen Strahl handhaben kann, kann eine Qualität von Signalen leicht erhöht werden, da eine durch einen menschlichen Körper oder ein menschliches Gewebe reflektierte Menge an Strahlen größer ist.
In Bezug auf (a) der 6 gibt es im menschlichen Handgelenk zwei Hauptknochen: eine Speiche und eine Elle. Unter denselben weist die Speiche eine größere Ebene oder Fläche als die Elle auf und die Speiche befindet sich im Allgemeinen eher näher an einer Mitte CL in dem Handgelenk als die Elle. Wenn das Gerät zum Messen des Biosignals ausgestaltet ist, um an dem Handgelenk getragen zu werden, kann die Knochenstruktur des menschlichen Handgelenks berücksichtigt werden. Da viel Licht oder viele Strahlen durch einen Knochen reflektiert werden können und die Speiche eine größere Fläche aufweist, kann/können mehr Licht oder mehr Strahlen eher an einem Teil über der Speiche als der Mitte CL des menschlichen Handgelenks reflektiert werden. Da optische Sensoren näher an der Speiche und nicht in der Mitte des Handgelenks angeordnet werden, kann folglich eine Qualität von Signalen verbessert werden.
In Bezug auf (b) der 6 enthält das Gerät zum Messen des Biosignals eine Lichtquelle 12 und eine lichtempfangende Vorrichtung 14. Sowohl die Lichtquelle 12 als auch die lichtempfangende Vorrichtung 14 ist auf einer Seite von der Mitte CL angeordnet. Bei dem Gerät zum Messen des Biosignals basierend auf reflektiertem Licht oder reflektierten Strahlen sollte eine lichtempfangende Vorrichtung Licht oder Strahlen erkennen oder sammeln, das/die durch einen menschlichen Körper (z. B. einen Knochen, ein Blutgefäß, ein Gewebe etc.) reflektiert wird/werden. Folglich kann erwünscht werden, dass die Lichtquelle 12 und die lichtempfangende Vorrichtung 14, die auf einer Seite von der Mitte CL angeordnet sind, über der Speiche platziert werden können.
Im Gegensatz zu einem Gerät, das die in der Mitte CL angeordnete Lichtquelle 12 und lichtempfangende Vorrichtung 14 enthält, können sich bei dem Gerät, das die auf einer Seite von der Mitte CL angeordnete Lichtquelle 12 und lichtempfangende Vorrichtung 14 enthält, Positionen der Lichtquelle 12 und der lichtempfangenden Vorrichtung 14 basierend darauf unterscheiden, ob das Gerät für Linkshänder oder Rechtshänder ist.
7 zeigt eine vierte Struktur des Gerätes zum Messen des Biosignals nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere beschreibt (a) eine Struktur einer Linse 45, die über der lichtempfangenden Vorrichtung ausgebildet ist, und (b) Funktionen und Wirkungen der Linse 45.
Wie in 7 gezeigt, kann ein Biosignal-Messgerät 40 ferner die Linse 45 enthalten, um eine Effizienz zum Empfangen oder Erfassen eines Lichtes oder von Strahlen in einer lichtempfangenden Vorrichtung 44 zu erhöhen. Die über der in dem Biosignal-Messgerät 40 enthaltenen lichtempfangenden Vorrichtung 44 ausgebildete Linse 45 kann eine Art einer konkaven Linse sein, die ein Licht oder Strahlen auf der lichtempfangenden Vorrichtung 44 sammelt oder fokussiert, um eine Leistung zu verbessern. Eine Außenfläche der Linse 45 kann jedoch wie eine konvexe Linse hervorstehen, so dass ein Teil der Außenfläche oder die gesamte Außenfläche an eine Haut 49 angehaftet werden kann oder durch dieselbe bedeckt werden kann. Als Beispiel, aber nicht als Einschränkung, kann ein Teil einer Abdeckung über der lichtempfangenden Vorrichtung 44 in eine konvexe Form ausgebildet werden. Wenn die Haut 49 die Linse 45 bedeckt, kann der Eintritt von Licht oder Strahlen, das/die auf der Peripherie des Biosignal-Messgerätes 40 bestehen und als Rauschen betrachtet werden, blockiert bzw. gesperrt werden sowie eine Menge an Licht oder Strahlen, das/die von einem inneren Teil des menschlichen Körpers in der Haut 49 eingetreten sind, erhöht werden, so dass eine Signalqualität verbessert wird.
Außerdem kann das Biosignal-Messgerät 40 ferner eine Sperrschicht 47 enthalten, die einen Teil der Linse 45 mit einer konvexen Form umgibt. Die Sperrschicht 47 kann auf der Peripherie des Biosignal-Messgerätes 40 bestehendes Licht oder bestehende Strahlen effektiv sperren, das/die über die Linse 45 gesammelt werden kann/können.
8 zeigt eine Wirkung, die von der in den 6 und 7 gezeigten dritten und vierten Struktur ausgehen kann. Darin liefern (a) bis (d) verglichene Ergebnisse in Bezug auf die Qualitäten von Signalen, die jeweils durch ein grundlegendes Prototyp-Modell (1^st Proto), ein Mitten-Modell (Test BD@Mid), das sowohl die Lichtquelle als auch die lichtempfangende Vorrichtung enthält, die auf der Mitte CL angeordnet sind, ein Speichen-Modell (Test BD@Radial), das sowohl die Lichtquelle als auch die lichtempfangende Vorrichtung enthält, die auf einer Seite von der Mitte CL angeordnet sind, ein ebenes Modell (2^nd Proto(Glass)), das ein ebenes Glas ohne eine Linse enthält, und ein Linsen-Modell (2^nd Proto(Lens)), das eine Linse über der lichtempfangenden Vorrichtung enthält, erhalten wurden.
Insbesondere zeigt (a) der 8 eine Qualität von Signalen basierend auf einer Gleichstrom-Komponente (DC-Komponente), die durch einen PPG-Sensor unter Verwendung eines Infrarotstrahls gemessen werden, während (b) der 8 eine Qualität von Signalen basierend auf einer Wechselstrom-Komponente (AC-Komponente) zeigt, die durch den PPG-Sensor unter Verwendung des Infrarotstrahls gemessen werden. Ferner beschreibt (c) der 8 eine Qualität von Signalen basierend auf einer Gleichstrom-Komponente (DC-Komponente), die durch einen PPG-Sensor unter Verwendung eines roten Strahls gemessen werden, während (d) der 8 eine Qualität von Signalen basierend auf einer Wechselstrom-Komponente (AC-Komponente) zeigt, die durch den PPG-Sensor unter Verwendung des roten Strahls gemessen werden. Hierin kann ein durch den PPG-Sensor gemessenes PPG-Signal eine Wechselstrom-Komponente (AC-Komponente), die zum Überwachen einer Veränderung einer mit Herzimpulsen (z. B. Herzschläge) synchronisierten Blutmenge verwendet wird, und eine Gleichstrom-Komponente (DC-Komponente), wie beispielsweise ein Signal im niedrigen Frequenzband, enthalten, die zum Erkennen eines Biosignals verwendet wird, das für eine Atmung, eine Reaktion des vegetativen Nervensystems und/oder eine Regulierung der Körpertemperatur relevant ist.
In Bezug auf (a) bis (d) der 8 weist das Speichen-Modell (Test BD@Radial), das sowohl die Lichtquelle als auch die lichtempfangende Vorrichtung enthält, die auf einer Seite von der Mitte CL angeordnet sind, ungeachtet dessen, ob der PPG-Sensor den Infrarotstrahl oder den roten Strahl verwendet, eine bessere Qualität von Signalen basierend auf der Gleichstromkomponente (DC-Komponente) als das Mitten-Modell (Test BD@Mid) auf, das sowohl die Lichtquelle als auch die lichtempfangende Vorrichtung enthält, die auf der Mitte CL angeordnet sind. Das Linsen-Modell (2^nd Proto(Lens)), das eine Linse über der lichtempfangenden Vorrichtung enthält, weist eine etwas schlechtere Qualität von Signalen basierend auf der Gleichstromkomponente (DC-Komponente) als das ebene Modell (2^nd Proto(Glass)) auf.
In Bezug auf die Qualität von Signalen basierend auf der Wechselstrom-Komponente (DC-Komponente) weist das Speichen-Modell (Test BD@Radial), das sowohl die Lichtquelle als auch die lichtempfangende Vorrichtung enthält, die auf einer Seite von der Mitte CL angeordnet sind, ungeachtet dessen, ob der PPG-Sensor den Infrarotstrahl oder den roten Strahl verwendet, eine bessere Leistung als das Mitten-Modell (Test BD@Mid) auf, das sowohl die Lichtquelle als auch die lichtempfangende Vorrichtung enthält, die auf der Mitte CL angeordnet sind. Ferner weist das Linsen-Modell (2^nd Proto(Lens)), das eine Linse über der lichtempfangenden Vorrichtung enthält, eine bessere Leistung als das ebene Modell (2^nd Proto(Glass)) auf.
Als Beispiel, aber nicht als Einschränkung, kann, wenn die oben beschriebene Anordnung und/oder Struktur auf einen PPG-Sensor zum Überwachen der Veränderung der mit Herzimpulsen synchronisierten Blutmenge angewandt wird, eine Qualität der an einem Handgelenk erhaltenen Biosignale um das 7- bis 10-fache über eine herkömmliche am Handgelenk tragbare Vorrichtung (z. B. wie in 1 gezeigt) hinaus verbessert werden. Bei Verwendung verbesserter Biosignale kann ein Biosignal-Messgerät Informationen in Bezug auf eine Sauerstoffsättigung in einem Blut erkennen oder extrahieren, die aufgrund einer geringen Qualität der Signale nicht gemessen oder erkannt werden können.
Wie oben beschrieben wurde, kann eine Signalqualität in Bezug auf ein PPG-Signal durch eine Struktur und eine Anordnung von sowohl lichtemittierenden als auch lichtempfangenden Vorrichtungen, die in einem PPG-Sensor enthalten sind, um ca. das 7- bis 10-fache verbessert werden.
Zudem kann ein Biosignal-Messgerät, wie oben beschrieben wurde, eine Struktur und Ausgestaltung aufweisen, die zum Ermöglichen einer akkuraten Messung eines Biosignals in einem menschlichen Körper geeignet sind.
Die zuvor erwähnten Ausführungsformen werden durch eine Kombination von strukturellen Elementen und Merkmalen der Offenbarung auf eine vorbestimmte Weise erzielt. Jedes strukturelle Element oder Merkmal sollte selektiv berücksichtigt werden, sofern nicht separat spezifiziert. Jedes strukturelle Element oder Merkmal kann ausgeführt werden, ohne mit anderen strukturellen Elementen oder Merkmalen kombiniert zu werden. Auch können einige strukturelle Elemente und/oder Merkmale miteinander kombiniert werden, um die Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden. Die in den Ausführungsformen der Offenbarung beschriebene Reihenfolge von Operationen kann verändert werden. Einige strukturelle Elemente oder Merkmale von einer Ausführungsform können in anderen Ausführungsformen enthalten sein oder durch entsprechende strukturelle Elemente oder Merkmale anderer Ausführungsformen ersetzt werden.
Für jemanden mit Fähigkeiten in der Technik wird offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an der Offenbarung vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken oder Bereich der Offenbarung abzuweichen. Folglich ist vorgesehen, dass die Offenbarung die Modifikationen und Variationen dieser Offenbarung deckt, vorausgesetzt, dass dieselben innerhalb des Bereiches der beiliegenden Ansprüche und Äquivalente derselben liegen.

Claims

Gerät zum Messen eines Biosignals, aufweisend: eine Lichtquelle, die eine vorbestimmte Lichtmenge in einen menschlichen Körper emittiert; eine lichtempfangende Einheit, die zumindest einen Teil der vorbestimmten Lichtmenge empfängt; und eine Abdeckung, die von dem menschlichen Körper berührbar ist und die Lichtquelle und die lichtempfangende Einheit schützt, wobei die Lichtquelle und die Abdeckung derart angeordnet sind, dass die Lichtquelle und die Abdeckung durch einen ersten Zwischenraum getrennt sind, die lichtempfangende Einheit und die Abdeckung derart angeordnet sind, dass die lichtempfangende Einheit und die Abdeckung durch einen zweiten Zwischenraum getrennt sind, und der erste Zwischenraum kleiner als der zweite Zwischenraum ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle und die lichtempfangende Einheit mit einem Trennungsabstand von ca. 5 bis ca. 6 mm zwischen denselben angeordnet sind.
Gerät nach Anspruch 2, wobei die Lichtquelle zumindest einen Infrarotstrahl und/oder einen sichtbaren Strahl emittiert.
Gerät nach Anspruch 2, wobei: eine Lichtmenge durch einen Abschnitt des menschlichen Körpers reflektiert wird und in die lichtempfangende Einheit gelangt, der Abschnitt des menschlichen Körpers ein Handgelenk ist, und sich sowohl die Lichtquelle als auch die lichtempfangende Einheit über einer Speiche in dem Handgelenk befindet.
Gerät nach Anspruch 4, wobei Positionen der Lichtquelle und der lichtempfangenden Einheit basierend darauf differieren, ob das Gerät für Linkshänder oder Rechtshänder ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei der erste Zwischenraum zwischen der Lichtquelle und der Abdeckung kleiner als 1 mm ist, während der zweite Zwischenraum zwischen der lichtempfangenden Einheit und der Abdeckung kleiner als 2 mm ist.
Gerät nach Anspruch 1, ferner mit einer zwischen der Lichtquelle und der lichtempfangenden Einheit ausgebildeten Lichtbarriere.
Gerät nach Anspruch 7, wobei sich die Lichtbarriere derart in die Abdeckung erstreckt, dass ein Abschnitt der Abdeckung, der die Lichtquelle bedeckt, von einem Abschnitt der Abdeckung über der lichtempfangenden Einheit separat ist.
Gerät nach Anspruch 1, ferner mit einer Linse, die über der lichtempfangenden Einheit angeordnet ist.
Gerät nach Anspruch 9, wobei die Linse eine konkave Linse mit einer konvexen Oberfläche ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Gerät ein Photoplethysmographie-Signal (PPG-Signal) basierend auf einer Veränderung einer an der lichtempfangenden Einheit empfangenden Lichtmenge erfasst.
Photoplethysmographie-Sensor (PPG-Sensor), aufweisend: eine Lumineszenzdiode und eine Fotodiode, die über einer Trägerschicht ausgebildet sind; eine isolierende Barriere, die zwischen der Lumineszenzdiode und der Fotodiode ausgebildet ist; und eine Abdeckung, die die Lumineszenzdiode und die Fotodiode schützt, wobei die Lumineszenzdiode und die Abdeckung derart angeordnet sind, dass die Lumineszenzdiode und die Abdeckung durch einen ersten Zwischenraum getrennt sind, die Fotodiode und die Abdeckung derart angeordnet sind, dass die Fotodiode und die Abdeckung durch einen zweiten Zwischenraum getrennt sind, und der erste Zwischenraum kleiner als der zweite Zwischenraum ist.
PPG-Sensor nach Anspruch 12, wobei die Lumineszenzdiode zumindest einen Infrarotstrahl und/oder einen sichtbaren Strahl emittiert.
PPG-Sensor nach Anspruch 12, wobei die Lumineszenzdiode und die Fotodiode mit einem Trennungsabstand von ca. 5 bis ca. 6 mm zwischen denselben angeordnet sind.
PPG-Sensor nach Anspruch 12, wobei die Lumineszenzdiode eine Vielzahl von Lumineszenzdioden enthält, die sich jeweils nebeneinander befinden.
PPG-Sensor nach Anspruch 12, wobei die Positionen der Lumineszenzdiode und der Fotodiode gemäß einem Teil eines menschlichen Körpers differieren, auf dem der PPG-Sensor getragen wird.
PPG-Sensor nach Anspruch 12, wobei sich sowohl die Lumineszenzdiode als auch die Fotodiode über einer Speiche in einem Handgelenk befindet.
PPG-Sensor nach Anspruch 12, wobei der erste Zwischenraum kleiner als 1 mm ist, während der zweite Zwischenraum kleiner als 2 mm ist.
PPG-Sensor nach Anspruch 12, wobei sich die isolierende Barriere derart in die Abdeckung erstreckt, dass ein Abschnitt der Abdeckung, der die Lumineszenzdiode bedeckt, von einem Abschnitt der Abdeckung, der die Fotodiode bedeckt, separat ist.
PPG-Sensor nach Anspruch 12, ferner mit einer Sperrschicht, die einen über der Fotodiode positionierten Abschnitt der Abdeckung umgibt, wobei der Abschnitt der Abdeckung in eine konvexe Form ausgebildet ist.