JP7271668B2 - デバイス及び方法 - Google Patents

Description

背景
フォトプレチィスモグラフィ（photoplethysmography:ＰＰＧ）は、組織の体積の変化を測定する光学的測定方法であり、光源および光検出器を必要とする。典型的には、皮膚の表面またはその近くに配置される光検出器は、血管組織から光検出器に透過または反射される光を検出する。この光は、心拍数を監視するために使用される血液循環量の変動を測定することに対応する。脈拍または心周期によって引き起こされる体積の変化は、光の強度のピークまたはトラフとして測定可能である。この手法は、血液の酸素飽和度など、血流に関連する他の側面を測定するためにも使用可能である。ＰＰＧ技術は、たとえばスマートフォンまたはスマートウォッチなどの個人消費者デバイスにおいて消費者の心拍を測定するために使用される。

ＰＰＧ技術の信頼性および有効性は、皮膚および血管組織を透過することに適した光の波長を使用することに依存している。すべての光の波長が血液に等しく吸収されるわけではない。たとえば、緑色の光に対応する波長は、血液中で最も強い吸収を示し、心拍に対応する最も高い脈動信号強度を与える。ＰＰＧの実際の実装では、光の様々な波長に対応するＬＥＤが使用される。緑色ＬＥＤは、心拍を検出するために使用される。赤外線（ＩＲ）ＬＥＤは、睡眠中の心拍を検出するために使用され、赤色ＬＥＤは、酸素飽和度を検出するために使用される。消費電力に関しては、各ＬＥＤが異なる効率を有する。緑色ＬＥＤは、特定の光度の光を出力するためにより高い電力量を消費するが、赤外線ＬＥＤは、それと同じ光度を出力するためにその電力の一部を消費する。

概要

本開示は、フォトプレチィスモグラフィで使用するための光増幅のためのエルビウムドープガラスを提供する。

本開示の一態様は、第１波長および第１強度を有する光を生成するように構成された第１光源と、第１面および第２面を有しかつドープされた希土類金属をさらに含み、第１波長および第１強度の光を受け取りかつ第２強度を有する第２波長の光を透過するように構成された増幅層と、ユーザから第２波長の光を受け取る光検出器と、少なくとも光検出器から受信した信号に基づいてユーザの体調を判断するように構成されたプロセッサとを備える、デバイスを提供する。第１波長は、増幅層の励起周波数であってもよく、第２強度は、第１強度よりも高くてもよい。

本開示の追加の態様は、第１波長および第１強度を有する光を生成するように構成された第１光源と、第１面および第２面を有しかつドープされた希土類金属をさらに含み、第１波長および第１強度の光を受け取りかつ第２強度を有する第２波長の光を透過するように構成された増幅層と、ユーザから第２波長の光を受け取る光検出器と、少なくとも光検出器から受信した信号に基づいてユーザの体調を判断するように構成されたプロセッサとを備える、デバイスを提供する。第１波長は、増幅層の励起周波数であってもよく、第２強度は、第１強度よりも高くてもよい。増幅層はまた、第３波長の光を透過することができ、光検出器は、第３波長の光を受け取ることができる。プロセッサは、第２波長の光に基づいて血中酸素レベルを監視するように構成され、および／または、プロセッサはまた、第３波長の光に基づいて心臓の状態を監視するように構成され得る。光検出器は、受信する光に応答して電気信号を生成することができる。デバイスは、光検出器に電気的に結合されたプロセッサを備えることができる。プロセッサは、第２波長の受信された光子に基づいてユーザの健康状態を評価するように構成され得る。デバイスはまた、可視光スペクトルを遮断する塗料をさらに備え得る。塗料は、増幅層の第１面または第２面のいずれかにあり得る。第１波長は、赤外線スペクトル内にあり得る。第１増幅層は、エルビウムドープリン酸塩ガラスから生成され得る。第１増幅層は、０．４モルパーセントから０．６モルパーセントの間のエルビウムを有するエルビウムドープリン酸塩ガラスであり得る。第２波長は、５５０ｎｍから７５０ｎｍの波長の範囲であり得る。

本開示の追加の態様は、第１励起波長を有しかつ第２励起波長を生成するように構成された増幅層を提供するステップと、光源によって第１励起波長に対応する第１波長の光を生成するステップと、増幅層で第１波長の光を受け取るステップと、受信された第１波長の光に応答して増幅層で第２波長の光を生成するステップと、増幅層からの第２波長の光をユーザに送信するステップと、光検出器でユーザから第２波長の光を受け取るステップと、プロセッサによって、少なくとも光検出器で受信された第２波長の光に基づいて第１ユーザの健康状態を評価するステップとを含む、ユーザの身体的パラメータを監視することを提供する。

本開示の追加の態様は、第１励起波長を有しかつ第２励起波長を生成するように構成された増幅層を提供するステップと、光源によって第１励起波長に対応する第１波長の光を生成するステップと、増幅層で第１波長の光を受け取るステップと、受信された第１波長の光に応答して増幅層で第２波長の光を生成するステップと、増幅層からの第２波長の光をユーザに送信するステップと、光検出器でユーザから第２波長の光を受け取るステップと、プロセッサによって、少なくとも光検出器で受信された第２波長の光に基づいて第１ユーザの健康状態を評価するステップとを含む、ユーザの身体的パラメータを監視することを提供する。身体的パラメータは、ユーザの心拍数であり得る。身体的パラメータは、ユーザの血中酸素レベルであり得る。増幅層は、第３波長の光を生成するように構成され得る。第２波長は、赤色の光に対応し、第３波長は、緑色の光に対応し得る。プロセッサによる評価は、追加の基礎となるユーザの健康状態を評価するための機械学習アルゴリズムの実行を含み得る。

本開示の追加の態様は、ハウジングと、第１光源と、増幅層と、光検出器と、プロセッサとを含むデバイスを提供する。ハウジングは、ユーザの皮膚に隣接して配置されるように適合された後部を含むことができ、後部は、希土類金属でドープされたガラスで少なくとも部分的に構成され得る。第１光源は、第１波長および第１強度を有する光を生成するように構成され得る。増幅層は、希土類金属がドープされ得る。増幅層は、第１面および第２面を有し、第１波長および第１強度の光を受け取りかつ第２強度を有する第２波長の光を透過するように構成され得る。光検出器は、ユーザから第２波長の光を受け取ることができる。プロセッサは、少なくとも光検出器から受信した信号に基づいてユーザの体調を判断するように構成され得る。第１波長は、増幅層の励起周波数であり、第２強度は、第１強度よりも高くてもよい。希土類金属は、エルビウムでもよい。ガラスは、可視光スペクトルを遮断するためにインクで少なくとも部分的に塗装され得る。

添付図面は、縮尺で描かれることを意図しているわけではない。様々な図面における同様の参照番号および指定は、同様の要素を示す。明確にする目的で、全ての図面において全ての構成要素がラベル付けされているわけではない。

本開示の態様による例示的なエルビウムドープガラス板の波長および強度のグラフである。 本開示の態様による例示的なエルビウムドープガラス板の波長および強度のグラフである。 本開示の態様によるユーザデバイスの図である。 本開示の態様によるユーザインターフェースの図である。 本開示の態様によるユーザインターフェースの図である。 本開示の態様によるエルビウムドープガラス板を有するデバイスの図である。 本開示の態様によるエルビウムドープガラス板を有するデバイスの図である。 本開示の態様による例示的な方法のフローチャートである。

詳細な説明
本開示は、概して、光増幅器および波長シフタとしてエルビウムドープガラスを使用する、方法、システム、およびデバイスに関する。特に、希土類金属はフォトルミネッセンスを示す。フォトルミネッセンスは、ある波長で光が材料に吸収され、別の波長で光が再放射されるといった現象である。特に、ドープされた材料を使用すると、フォトプレチィスモグラフィ（ＰＰＧ）などの特定の最適な目的に適した光の波長をダウンコンバートしかつ増幅することができる。エルビウムドープガラスなどのドープされた材料を使用すると、光を増幅し、デバイスの電力消費効率または特性を向上させることができる。エルビウムドープガラスにおいては、様々なドーピングレベルが存在することがあり、材料の重量、重量パーセンテージ、体積パーセンテージ、またはモルパーセンテージによって測定され得る。モルパーセントは、特定の成分の合計モルのパーセンテージであり、「モル％」と注釈付けされ得る。本開示において使用されるエルビウムは、エルビウムおよびエルビウム酸化物Ｅｒ_２Ｏ_３などのエルビウム化合物の両方を指すと理解されたい。

フォトルミネッセンスとは、光子、光または電磁放射を吸収した後のあらゆる形態の物質からの光の再放出のことである。希土類イオンおよび希土類イオンがドープされたガラスなどの特定の材料において、フォトルミネッセンス材料によって放出される光の強度またはルーメンは、吸収された強度よりも高い。

エルビウムドープガラスは、ナトリウムスルホリン酸塩ガラスのクラスであり得る。強いフォトルミネッセンス効果を示すドープガラスおよびその他の材料が発見されている。そのような材料のスペクトル分析は、特に、９７７ｎｍ励起で、ＮＰｂＰＥｒ－０．５ガラスが、強化された緑色発光を発することを明らかにしている。他のドープガラスもまた、同様の挙動を示し得る。

図１は、λ_ｅｘｃと表示された特定の波長の光にさらされたときに、エルビウムドープガラスから放出される光の波長および強度または光度のグラフ１００を示す。励起波長は、紫外線、可視、または赤外線といった光の波長であり得る。材料がそのような波長の光にさらされ、異なる波長の光が再放出される物理現象は、フォトルミネッセンスとして知られている。エルビウムドープガラスは、露出した光を吸収し、様々な波長および強度の光を放射する。横軸１０５は、放出される光の波長を示し、ナノメートル（ｎｍ）の単位で測定される。縦軸１１０は、任意の単位で放射される光の強度を示す。グラフ１００には、いくつかのピーク１２１～１２３もまた示されている。これらは、およそ４００ｎｍ近くのピーク１２１、４７５ｎｍ近くのピーク１２２、およそ５４０ｎｍ近くのピーク１２３など、様々な波長における強度のピークである。グラフ１００においては、ラベル付けされていない他のより小さなピークが見られる。フォトルミネッセンスのプロセスを通して、放出される光の振幅は、特定の波長でエルビウムドープガラスを励起する光の振幅よりも大きな振幅または強度を有する。ピークは、特定の波長の光子によって電子が励起されて２つの電子軌道状態間をジャンプし、別の軌道状態に戻り、それによって別の波長の光子を放出するときに発生する特定の励起および発光に対応する。

エルビウムドープガラスは、溶融急冷（急速冷却）法によって形成または合成され得る。（２０－ｘ）Ｎａ_２ＳＯ_４－２０ＰｂＯ－６０Ｐ_２Ｏ_５－ｘＥｒ_２Ｏ_３（ｘ＝０．１，０．３，０．５，０．７，１．０モル％）の組成など、ガラスの特定のモル組成を選択した後、材料が溶かされて型に注がれ、アニールされ、徐々に常温に戻され得る。ｘは、Ｅｒ_２Ｏ_３のモル濃度に応じて従来の組成で調整され得る変数である。

図２は、特定の波長λ_ｅｘｃの光にさらされたときに、２つのエルビウムドープガラスの波長および強度のグラフ２００を示す。上記の図１の例と同様に、励起波長は、紫外線、可視、または赤外線といった光の波長であり得る。２つの励起曲線、曲線２２０および曲線２３０が示されている。曲線２２０は、ガラスの０．５モル％をエルビウムが構成するエルビウムドープガラスに対応する。曲線２３０は、ガラスの０．１モル％をエルビウムが構成するエルビウムドープガラスに対応する。曲線２２０および曲線２３０は、一般的に、ピークの位置などの特性を共有するが、グラフは、フォトルミネッセンス効果によって生成された光の異なる振幅を反映する。エルビウムまたは使用される他のドーピング材料の「ドーピング率」または量は、ドープされた材料の異なるレベルにおいて異なる曲線をもたらす。いくつかの例において、ガラスは、グラフ２００に示される様々な励起ピークの高さを最適化する程度までドープされてもよい。他の例においては、ガラスは、フォトルミネッセンス効果によって生成される光が特定の波長のものになるようにドープされてもよい。特定のモルパーセンテージについて２つのグラフが示されているが、他のモルパーセンテージに対して他の曲線が経験的に導き出され、特定の用途に最も適した曲線が選択され得ることを理解されたい。図２から分かるように、「Ｅｒ－０．５」は、緑色光に対応するおよそ５５０ｎｍの範囲と、赤色光に対応するおよそ約６４０－６８０ｎｍの範囲で最も強い効果をもたらす。図２から分かるように、ドープガラスは、ドープガラスを励起するために使用される赤外線信号の振幅の１００－１０００倍の大きさの緑色光を生成する。

図３は、ユーザ３９９などのユーザによって使用され得るユーザデバイス３００を示す。ユーザデバイスは、ハウジング３０１とストラップ３０２とを含み得る。ハウジング３０１は、ユーザ３９９の皮膚と接触する背面部分などの構成要素を有し得る。背面部分は、背面部分に光を通過させるガラス部分を含み得る。たとえば、光源など、ハウジング３０１内に含まれる他の構成要素から、光が生成され得る。ユーザデバイス３００およびハウジング３０１はまた、ユーザ３９９にユーザデバイス３００からの情報を相互作用および閲覧させるユーザインターフェースを有し得る。ユーザインターフェースは、タッチスクリーンまたは他のデバイスの一部であり得る。ユーザデバイス３００またはハウジング３０１に含まれ得る追加の構成要素は、図４Ａおよび図４Ｂを参照して以下でさらに説明される。ハウジングは、さらに、図４Ａおよび図４Ｂに記載された構成要素を含むために適切な厚さであり得る。ストラップ３０２は、金属、皮革、布、または他の材料で作られたものなど、ユーザデバイスをユーザが保持するためのストラップであり得る。たとえば、ユーザデバイス３００は、スマートウォッチ、健康センサ、耳栓、イヤホン、オーバーイヤーヘッドホン、インイヤーヘッドホン、または他のウェアラブル、指輪、アンクレット、ネックレス、または他の宝飾品類であり得る。

図３Ｂおよび図３Ｃは、ディスプレイ３０３上にユーザの体調に関する情報を表示する様々な例示的なフォーマットを示す。ディスプレイ３０３は、以下で説明されるディスプレイ４９５と同様であり得る。たとえば、図３Ａは、方法５００などの本開示の態様を通して得られる情報をグラフ形式で示す。図３Ｂは、デバイス４００などのデバイスのユーザの現在の心拍数のグラフを示す。このグラフ表示は、ユーザの心拍の末尾の秒数を表示するために、リアルタイムで更新され得る。いくつかの例において、情報は、視覚的または聴覚的な方法を通してユーザに伝えられ得る。図３Ｃは、ユーザの体調についての情報をテキスト形式で表示することを示す。たとえば、図３Ｂは、１分間あたりの拍数（beats-per-minute:ＢＰＭ）における現在の心拍数、現在の血中酸素飽和度、および不整脈などのユーザにとって価値のあるその他の状態を示す。示されている例は、心臓血管の状態に関するものだが、心臓の他の側面が監視され得る。図３Ｃはまた、スマートフォンなどの別のユーザデバイスに情報を同期する機能、または、インターネットまたはクラウドなどの別のストレージユニットに情報を保存する機能など、他のオプションを示す。

図４Ａは、ＰＰＧを実行するために使用され得るデバイス、デバイス４００を示す。デバイス４００は、光源４１０などの光源、光を検出可能な光検出器４２０Ａおよび４２０Ｂなどの１または複数の光センサ、層４３３などの赤外線を透過させ得るインク層、光源４１０から受け取った光を増幅する増幅層４３２などのガラス層、および背面ガラス４３１などのガラス保護層、および電子機器４９９を備え得る。電子機器４９９は、図４Ｂを参照して以下に説明される電子機器４９９の特徴の一部または全部であり得る。図４において、光は、ラベル付けされていない実線の矢印で示され、矢印は、光の進行方向を示す。光は、皮膚４５０などの真皮に入射し得る。皮膚４５０が示されているが、たとえば爪または軟組織など、人体の他の部分にデバイスは適用され得る。層４３１～４３３は、それぞれ第１面および第２面を有することができ、光源に対して異なる順列で配置され得る。

図４Ａは、光源４１０を示す。光源の一例は、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。ＬＥＤは、電流を流すと光を発する半導体光源である。半導体中の電子は正孔と再結合し、光子の形でエネルギーを放出する。ＬＥＤは、特定の波長または波長範囲で光を放出するために設計または選択され得る。他の例において、光源４１０は、特別に設計された半導体、白熱灯、無電極ランプ、またはハロゲンランプなどの市販の光源で作られ得る。他の例において、光源３１０は、６６０ｎｍの波長に近い赤色光を生成するように構成されたＬＥＤ、５３０ｎｍの波長に近い緑色光を生成するように構成されたＬＥＤなど、異なる波長の光を生成するように構成された１または複数の光源でさらに作成され得る。ＰＰＧを実行するときに、心血管系の異なる側面を測定するために、これらの異なる光源が選択されてもよい。たとえば、循環器システム内でのこれらの色の相対的な吸収と反射のために、緑色光は心拍に関する情報を提供する一方で、赤色光は血中酸素飽和度についての情報を提供してもよい。光源４１０は、増幅層４３２の励起波長に対応する光を生成するために構成または選択され得る。たとえば、９７７ｎｍの赤外線が選択され得る。赤外線の使用は、他の高周波／低波長の光の生成と比較すると、よりエネルギー効率がよい。これは、赤外線がより少ない電力を使って生成されかつ単一の光源から生成される一方で、フォトルミネッセンスを通して１つよりも多い波長の光を依然として生じさせるためである。以下でさらに説明するように、光源は、皮膚４５０に到達する前に増幅層４３２によって増幅され得る。

光検出器４２０Ａまたは４２０Ｂなどの光検出器は、光を電流に変換する半導体デバイスであり得る。光検出器は、表面に当たる光子の数に比例した電流を生成できる。光検出器に光子が吸収されたときに電気が発生するため、光検出器は、光のセンサとして機能することができる。光検出器は、光の強度および／または波長を感知できる任意のデバイスであり得る。光検出器４２０Ａおよび４２０Ｂは、フォトダイオードまたは光センサであり得る。いくつかの例において、光検出器４２０Ａおよび光検出器４２０Ｂは、特定の波長の光に対してより感度が高くなるように選択され得る。いくつかの例において、光検出器４２０Ａは、緑色光に対してより高感度であるか、または緑色光のみに感度を有すように選択または構成される一方で、光検出器４２０Ｂは、赤色光に対してより高感度であるか、または赤色光のみに感度を有するように構成され得る。光検出器４２０Ａおよび光検出器４２０Ｂは、光検出器のアレイで作ることもできる。追加の回路、較正、または電子機器は、より良い信号対雑音比を確保しかつ周囲光の影響を低減するために、光検出器または電子機器４９９に組み込まれ得る。

また、図４Ａにおいては、皮下層４５１、真皮層４５２、および表皮層４５３を有する皮膚４５０が示されている。表皮層４５３は、皮膚のより薄い層であり、光を透過させることができる。皮膚は、静脈４６０および動脈４７０などの静脈および動脈を含む。光源４１０から生成された光は、デバイス４００から皮膚４５０に放射され得る。放射された光は、表皮層４５３、真皮層４５２を通過し、静脈４６０または動脈４７０などの皮膚内の静脈および動脈で反射され、光検出器４２０Ａまたは４２０Ｂに戻され得る。皮膚４５０に当たる光は、光の入射角に応じて皮膚内の様々な層で反射する。浅い角度で皮膚に当たる光は、最上層または表皮層４５３で反射する。この反射光は、動脈と相互作用しないため、心拍情報をほとんどまたは全く含まない。より急な角度で皮膚に当たる光は、皮膚の最上層を透過して、静脈４６０および動脈４７０などの血液を運ぶ静脈および動脈が集中している皮下層４５１または真皮層４５２などの他の層に侵入する。これらの層で反射する光は心拍信号を運び、ＰＰＧの目的のために役立つ。ここに記載された増幅層などの様々な構成要素は、受信された情報または信号を改善するために光が皮膚４５０に入射する角度を改善するように形成され得る。光検出器に送信された光の変化は、心拍数、脈拍、血液中の酸素飽和度、またはその他の健康関連情報など、心血管系の様々な側面を決定するために使用され得る。いくつかの例において、波形は、光検出器４２０Ａによって受信された光の連続的またはほぼ連続的な監視から導き出され得る。光源４１０および光検出器４２０Ａおよび４２０Ｂは、光の放射を制御しかつ皮膚４５０から受け取った光を監視および分析するために電子機器４９９に接続され得る。

ガラス層４３１は、光を通過させかつデバイス４００の他の構成要素を覆うガラスの層であり得る。ガラス層４３１は、ソーダライムガラス、鉛ガラス、アルミノケイ酸塩などのケイ酸塩ガラスから形成され、または、アモルファス金属もしくはポリマーガラスなどのシリカを含まないガラスから形成される。分子液体または溶融塩はまた、ガラス層４３１を構成するためにも使用され得る。ガラス層４３１は、さらなる耐久性、および、引っかき、亀裂、または粉砕に対する耐性を提供するために、硬化または緩和され得る。他の例において、アルカリアルミノケイ酸塩などの化学的に強化された市販のガラスが使用され得る。

増幅層４３２は、希土類金属ドープガラスで作られ得る。いくつかの例において、希土類金属はエルビウムであり得る。増幅層４３２は、特定の励起波長および強度の光を受け取り、フォトルミネッセンスのプロセスを通じて、他の波長のより高い強度の光を再放出する。たとえば、図２に戻って参照すると、増幅層４３２を構成するために、放出された光の振幅を最大化するためにドープされたガラスが選択され得る。他の例において、増幅層４３２は、ドープされている１または複数の光ガラスファイバから作られ得る。さらに他の例において、増幅層４３２は、１つよりも多い種類のドープされたガラスで作成される可能性があり、それは、デバイスのより柔軟な設計を可能にし、または１つよりも多い強い発光ピークを必要とするアプリケーションを可能にするだろう。エルビウムドープガラスは、任意の形状または構成に形成され得るため、増幅層はまた、任意の使用事例に合わせて成形され得る。いくつかの例において、皮膚４５０への光のより良い入射を保証するために、ガラスがより湾曲されていてもよい。いくつかの例において、エルビウムドープガラスは、光ファイバとして形成され得る。いくつかの例において、一部のみから放出されるように光をさらに方向付けるために、増幅層がいくつかの側面において反射面でコーティングされ得る。他の例において、光ファイバは、光を皮膚４５０に向けるために、増幅層４３２に埋め込まれ得る。他の例において、増幅層４３２の形状は、増幅された光が増幅層の表面で均一な束でより広がることを確実にすることができる。

層４３３は、選択的に特定の波長の光を通過させ、他の波長の光を遮断する層であり得る。いくつかの例において、層４３３は、赤外線を通過させるが、他の波長の光が透過することを妨げる。たとえば、層４３３は、赤外線透過インクが塗装されたガラスで作られ得る。層４３３は、増幅層４３２またはガラス層４３１の長さに沿って延在し得る。他の例において、層４３３は、光源４１０または光検出器４２０Ａが見え得るガラス層４３１の部分にのみ延在することができる。したがって、ユーザデバイスに組み込まれると、デバイス４００の使い易さに影響を与えることなく、内部構成要素は、ユーザに見えなくなる。赤外線透過インクは、市販の塗料から選択されるか、赤外線以外の光を遮断する材料から特別に作り込まれ得る。

層４３１～４３３は、連続する長方形の隣接層として示されているが、層の配置、サイズ、形状、連続性を変え得ることを理解されたい。たとえば、デバイス３００などのスマートウォッチの他のデバイスに適合できるように、層が湾曲され得る。いくつかの例において、手首を模倣するデバイスまたはハウジングに層をより適切に組み込むために、層は、人間の手首または他の身体部分の曲率に従うことができる。他の例において、スマートフォンのカメラレンズなどのモールディングの周りにフィットするように層が形成され得る。いくつかの例において、追加の構造剛性、増幅、熱放散、または靭性を提供するために、追加の層が層内または中間層に挿入され得る。他の例において、層の間の結合力を増加させたり、熱膨張および熱収縮のための追加のスペースを可能にしたりするために、真空が層の間に存在し得る。いくつかの例において、デバイス４００の一端からデバイスの他端まで異なる順列で配置され得る複数の層が使用され得る。さらに、層の周囲または層の間に、光学フィルタなどの他の構成要素が含まれ得る。いくつかの例において、光学フィルタは、ユーザの体調を監視するために使用されない光に対応することができる。

デバイス４００は、特定の構成で示されているが、これらの構成要素の他の配置が本開示の範囲内であることを理解されたい。たとえば、いくつかの例において、これらの構成要素は、機械式時計、スマートウォッチ、スマートリング、携帯電話、イヤホン、ヘッドフォン、アームバンド、またはラップトップコンピュータなどのユーザデバイスに配置され得る。他の例において、デバイス４００は、ペンダント、ネックレス、バングル、イヤリング、アームバンド、リング、アンクレット、または他の宝飾品などの宝飾品に統合され得る。さらに他の例において、デバイス４００および／またはその構成要素は、ポンプベースの血圧計などの医療デバイスに統合され得る。

図４Ｂは、電子機器４９９の追加の態様を示す。電子機器４９９は、電源４９０と、プロセッサ４９１と、メモリ４９２と、データ４９３と、ユーザインターフェース４９４と、ディスプレイ４９５と、通信インターフェース４９７と、指示部４９８とを備えていてもよい。電源は、バッテリ、化学セル、コンデンサ、ソーラーパネル、または誘導充電器などの電気を発生させる任意の適切な電源であってもよい。プロセッサ４９１は、市販のマイクロプロセッサまたは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの従来のプロセッサであってもよい。メモリは、プロセッサによって実行される命令およびデータを含み、プロセッサによってアクセス可能な情報を格納してもよい。メモリ４９２は、プロセッサによってアクセス可能な情報を格納するために動作する種類のメモリであってもよく、非一時的なコンピュータ可読媒体、または、ハードドライブ、メモリカード、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、光ディスク、およびその他の書き込み可能および読み取り専用メモリなど、電子デバイスの助けで読み取ることができるデータを格納する他の媒体を含んでいてもよい。ここに開示される主題は、前述の異なる組み合わせを含んでいてもよく、それにより、命令およびデータの異なる部分が異なる種類の媒体に格納される。電子機器４９９のデータ４９３は、指示部４９８に従ってプロセッサによって取得、保存、または変更され得る。たとえば、本開示は特定のデータ構造によって限定されないが、データ４９３は、複数の異なるフィールドおよびレコード、ＸＭＬ文書、またはフラットファイルを有するテーブルとして、リレーショナルデータベース内のコンピュータレジスタに格納され得る。データ４９３はまた、バイナリ値、ＡＳＣＩＩ、またはユニコードなどであるがこれらに限定されず、コンピュータ可読フォーマット内でフォーマットされ得る。さらに、データ４９３は、番号、説明テキスト、所有権コード、ポインタ、他のメモリ(他のネットワークロケーションを含む)に格納されたデータへの参照、または関連データを計算するために関数によって使用される情報など、関連情報を識別するのに十分な情報を備えていてもよい。

指示部４９８は、デバイス４００の様々な構成および機能を制御してもよい。たとえば、指示部４９８は、光源４１０を選択的に起動するか、光検出器４２０によって得られた情報を処理するために実行され得る。いくつかの例において、アルゴリズムは、電子機器４９９に含まれる指示部４９８のサブセットとして、またはその一部として含められ得る。指示部４９８は、光検出器で受け取られた光線を通じて受け取られた情報もしくは光線を分析することによって生成された情報、またはメモリに格納された情報など、受け取られた情報を解釈または処理するアルゴリズムを含み得る。たとえば、ユーザの身体的パラメータは、アルゴリズムを介して抽出または分析され得る。アルゴリズムは、波の形状、周波数、周期、信号のフーリエ解析、高調波解析、パルス幅、パルス面積、ピーク－ピーク間隔、パルス間隔、光検出器によって受信された光の強度もしくは量、波長シフト、光検出器４２０Ａまたは４２０Ｂによって生成または受信された信号の１次または２次導光など、波形に関する任意のまたは全ての情報を、制限なく使用することができる。オキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビンにおける酸素の吸収、心臓不整脈、心拍数、心室の早期収縮、拍動の欠落、収縮期および拡張期ピーク、大動脈硬化指数を計算するために、他のアルゴリズムが含められ得る。さらに他の例において、人工学習または機械学習アルゴリズムは、血圧およびストレスレベルなどのユーザの体調に関連する情報を(心拍数の変動から）抽出するために、決定論的および非決定論的な方法の両方で使用され得る。ＰＰＧはまた、一定の距離だけ離れた皮膚上の２点間の脈波伝播速度を計算することによって、血圧を測定するために使用され得る。脈波伝播速度は、血圧に比例し、その関係は、血圧を計算するために使用され得る。いくつかの例において、アルゴリズムは変更することができ、または、ユーザの体重、身長、年齢、コレステロール、遺伝情報、体脂肪率、もしくは他の身体的パラメータなど、ユーザによって電子機器４９９のメモリに入力された情報を使用することができる。他の例において、光検出器および／またはプロセッサによって生成された情報に基づいて不整脈などの既知または未検出の健康状態を検出および監視するために、機械学習アルゴリズムが使用され得る。

ユーザインターフェース４９４は、タッチスクリーンまたはボタンなど、デバイス４００に対してユーザを交流させるスクリーンであってもよい。ディスプレイ４９５は、ＬＣＤ、ＬＥＤ、携帯電話ディスプレイ、電子インク、またはデバイス４００に関する情報を表示する他のディスプレイであり得る。ユーザインターフェース４９４は、ユーザからの入力およびユーザへの出力の両方を可能にする。通信インターフェース４９７は、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、赤外線、電波、および／または他のアナログおよびデジタル通信規格などの規格を介したデータ通信を可能にするハードウェアおよびソフトウェアを含み得る。通信インターフェース４９７は、電子機器４９９を更新し、デバイス４００によって生成された情報を他のデバイスと共有することができる。いくつかの例において、通信インターフェース４９７は、メモリ４９２に格納された履歴情報を、表示、保存、またはさらなる分析のための別のユーザデバイスに送信することができる。他の例において、通信インターフェース４９７は、光検出器によって生成された信号を、そのデバイス上に表示するために、リアルタイムまたはその後に別のユーザデバイスに送信することができる。

図５は、ユーザの身体的パラメータを監視する例示的な方法５００のフローチャートを示す。

ブロック５０５において、光源は、光ビームまたは光子などの光を生成することができる。たとえば、光源は、光源４１０とすることができる。生成された光は、希土類金属の既知の励起波長に対応し得る第１励起波長を有することができる。生成された光は、増幅層４３２などの増幅層の１つの表面に入射することができる。光を生成するプロセスはエネルギー集約的であるため、高強度の光を生成することは、より多くのエネルギーを要求し、これにより、デバイス４００などのデバイスが、より大きな電源に対応するためにかさばったり、再充電が必要になるまでの機能時間が短くなったりし得る。さらに、単一の光源においては光の波長を厳密に制御できないため、より大きな波長スペクトルの光が生成されるか、赤と緑の光に対応する専用の光源が必要になり得る。以下でさらに説明するように、励起波長に対する特定の応答を備えて設計されたドープガラス板の使用は、緑色と赤色の光を生成することができ、ユーザの身体的パラメータを監視するために使用され得る。

ブロック５１０において、ブロック５０５で生成された光は、増幅層４３２または図１および図２で参照されるエルビウムドープガラス板などのフォトルミネッセンス材料によって吸収され得る。フォトルミネッセンス材料によって受け取られた光は、増幅層４３２によって増幅され得る。このプロセス中に、強度および波長のスペクトルを持つ光は、増幅層４３２によって生成され得る。増幅は、数回行われ得る。

ブロック５１５において、増幅層４３２によって生成された光が放出され得る。光は、増幅層の１または複数の面を透過し得る。いくつかの例において、増幅層は、光が増幅層の一方の表面のみを通過するように形成され得る。

ブロック５２０において、光は、真皮４５０などの真皮に伝達され得る。ブロック５２０において、光は、静脈４６０、動脈４７０、または他の毛細血管などの表皮内のシステムおよび器官からさらに反射され得る。増幅された光は、真皮に入射し、光の一部は、真皮からまたは真皮を介して反射して戻され得る。

ブロック５２５において、光は、光検出器４２０Ａおよび４２０Ｂなどの光検出器によって検出され得る。受信された光は、光検出器によってデジタルまたはアナログの電気信号に変換され、電子機器４９９などの電子機器に送信され得る。

ブロック５３０において、受信信号、および光検出器から受信した光は、電子機器４９９などの電子機器によって分析され得る。上記の図４Ｂを参照すると、電子機器４９９は、ブロック５２５で受信された光を通して収集された情報からユーザの身体的パラメータの側面を分析することができるアルゴリズムを含み得る。

方法５００は特定の順序で以下に説明されるが、動作は異なる順序または同時に実行されてもよいことを理解されたい。さらに、動作は追加または省略してもよい。

上記の開示を参照して説明したように、ドープされたフォトルミネッセンス材料の使用は、ユーザから受け取った信号を増加させ、ユーザの体調を監視するためにデバイスのエネルギー要件を減らすことができる。この開示内で使用されているように、光の粒子／波動の二元性、光のビーム、光線、光子、または光は、波長および振幅を有する光の量子を伝達することを意図しており、交換可能に使用され得る。

本開示は多くの特定の実装の詳細を含むが、これらは、請求できる範囲の限定として解釈されるべきではなく、むしろ、特定の実装に特有の特徴の説明として解釈されるべきである。個別の実装のコンテキストにおいてこの明細書で説明されている特定の機能はまた、単一の実装で組み合わせて実装されてもよい。逆に、単一の実装のコンテキストで説明されている様々な機能はまた、複数の実装で個別に、または任意の適切なサブコンビネーションで実装されてもよい。さらに、特徴は、特定の組み合わせで機能するものとして上記で説明され、最初はそのように主張されている場合もあるが、請求された組み合わせからの１または複数の特徴は、場合によっては組み合わせから削除され、請求された組み合わせは、サブコンビネーションまたはサブコンビネーションのバリエーションに向けられてもよい。

同様に、動作は特定の順序で図面に示されているが、これは、望ましい結果を達成するために、そのような動作が示されている特定の順序または連続する順序で実行されること、または示されている全ての動作が実行されることを必要とするものとして理解されるべきではない。特定の状況において、マルチタスクおよび並列処理が有利であってもよい。

「または」への言及は、「または」を使用して説明されるあらゆる用語が、単一、複数、および全ての説明された用語のいずれかを示し得るように、包括的であると解釈され得る。「第１の」、「第２の」、「第３の」などのラベルは、必ずしも順序を示すことを意味するものではなく、一般的に、類似または類似のアイテムまたは要素の間を区別するために単に使用され得る。

本開示に記載された実装に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかであり、ここで定義される一般的な原理は、本開示の精神または範囲から逸脱することなく、他の実装に適用され得る。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に示される実装に限定されることを意図するものではなく、本開示、ここに開示される原理および新規な特徴と一致する最も広い範囲が与えられ得る。

Claims (20)

1. 第１波長および第１強度を有する光を生成するように構成された光源と、
   ドープされた希土類金属を含み、前記第１波長および前記第１強度の光を受信しかつ第２強度を有する第２波長の光をユーザに向けて透過させるように構成された増幅層と、
   前記ユーザから前記第２波長の光を受信する光検出器と、
   少なくとも前記光検出器から受信した信号に基づいて前記ユーザの体調を判断するように構成されたプロセッサとを備え、
   前記第１波長は、前記増幅層の励起周波数であり、
   前記第２波長は、前記第１波長と異なり、
   前記第２強度は、前記第１強度よりも高い、デバイス。
2. 前記増幅層は、第３波長の光をさらに透過し、
   前記光検出器は、前記第３波長の光を受信し、
   前記第３波長は、前記第１波長及び前記第２波長と異なる、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記プロセッサは、前記第２波長の光に基づいて血中酸素レベルを監視するように構成され、
   前記プロセッサは、前記第３波長の光に基づいて心臓の状態を監視するように構成されている、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記光検出器は、受信した前記第２波長の光に応答して電気信号を生成する、請求項１～３のいずれか１項に記載のデバイス。
5. 前記光検出器に電気的に結合されたプロセッサをさらに備える、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記プロセッサは、受信された前記第２波長の光子に基づいて前記ユーザの健康状態を評価するように構成されている、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記増幅層上に、可視光を遮断する塗料をさらに備える、請求項１～６のいずれか１項に記載のデバイス。
8. 前記第１波長は、赤外波長である、請求項１～７のいずれか１項に記載のデバイス。
9. 前記増幅層は、エルビウムドープリン酸塩ガラスである、請求項１～８のいずれか１項に記載のデバイス。
10. 前記増幅層は、０．４モルパーセントから０．６モルパーセントの間のエルビウムを有するエルビウムドープリン酸塩ガラスである、請求項９に記載のデバイス。
11. 前記第２波長は、５５０ｎｍから７５０ｎｍの波長の範囲である、請求項１～１０のいずれか１項に記載のデバイス。
12. ユーザの身体的パラメータを監視する方法であって、
    励起波長を有しかつ第２波長を生成するように構成された増幅層を提供することと、
    光源によって前記励起波長に対応する第１波長の光を生成することと、
    前記増幅層で前記第１波長の光を受信することと、
    受信された前記第１波長の光に応答して前記増幅層で前記第２波長の光を生成することと、
    前記増幅層からの前記第２波長の光を前記ユーザに送信することと、
    光検出器で前記ユーザから前記第２波長の光を受信することと、
    プロセッサによって、少なくとも前記光検出器で受信された前記第２波長の光に基づいて前記ユーザの健康状態を評価することとを含み、
    前記第２波長は、前記第１波長と異なる、方法。
13. 前記身体的パラメータは、前記ユーザの心拍数である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記身体的パラメータは、前記ユーザの血中酸素レベルである、請求項１２に記載の方法。
15. 前記増幅層で第３波長の光を生成することをさらに含み、
    前記第３波長は、前記第１波長及び前記第２波長と異なる、請求項１２～１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記第２波長は、赤色の光に対応し、
    前記第３波長は、緑色の光に対応する、請求項１５に記載の方法。
17. 前記プロセッサによる前記評価は、追加の基礎となる前記ユーザの健康状態を評価するための機械学習アルゴリズムの実行を含む、請求項１２～１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 第１波長および第１強度を有する光を生成するように構成された光源と、
    ユーザの皮膚に隣接して配置されるように適合された後部を含むハウジングとを備え、前記後部は、増幅層で少なくとも部分的に構成されており、前記増幅層は希土類金属ドープガラスを含み、前記増幅層は、前記第１波長および前記第１強度の光を受信しかつ第２強度を有する第２波長の光を前記ユーザに向けて透過させるように構成され、
    前記ユーザから前記第２波長の光を受信する光検出器と、
    少なくとも前記光検出器から受信した信号に基づいて前記ユーザの体調を判断するように構成されたプロセッサとを備え、
    前記第１波長は、前記増幅層の励起周波数であり、
    前記第２波長は、前記第１波長と異なり、
    前記第２強度は、前記第１強度よりも高い、デバイス。
19. 前記希土類金属は、エルビウムである、請求項１８に記載のデバイス。
20. 前記増幅層は、可視光を遮断するためにインクで少なくとも部分的に塗装されている、請求項１８または請求項１９に記載のデバイス。

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