TW201542161A - 使肌膚接觸最佳化用的可調式感測器支撐結構 - Google Patents

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Abstract

例示性實施例提供一種最佳化肌膚接觸用的可調式感測器支撐結構。例示性實施例的層面包含感測器陣列以及壓力施加裝置,感測器陣列包括安置在帶上的多個感測器單元,以使穿戴於使用者的測量位置上時,感測器陣列橫跨或除此之外對著血管;壓力施加裝置附接於感測器單元與帶之間且於感測器單元上朝向測量位置施加向外壓力,使得感測器單元獨立於帶的活動度下維持接觸使用者的肌膚,藉此改善接觸品質,其中壓力施加裝置包括以下的至少一者:彈性橋接結構、彈性發泡體結構以及感測器彈躍結構。

Description

使肌膚接觸最佳化用的可調式感測器支撐結構 【相關申請案的交叉參考】
本申請案主張於2014年3月24日所提申之美國臨時專利申請案第61/969,766號的優先權權益,此案的全部揭露內容以引用的方式併入本文中。
本發明概念是有關於一種可調式感測器支撐結構與使肌膚接觸最佳化用的方法。
可透過各種測量方法獲得生理數據,所述測量方法例如是能應用於可攜式裝置中的光體積描述器(photoplethysmograph,PPG)、心電圖(electrocardiogram,ECG)、生物電氣阻抗法(bio阻抗)以及其他方法。
舉例來說,可藉由在人體局部區域內偵測由血流的脈搏所使得的阻抗(impedance)變化來測量心律(heart rate)。透過測 量流動血液的電性特質之心律偵測可透過測量通過血液、動脈血管與外圍組織的電流所產生的電位以實現。利用阻抗感測方式的習知可穿戴式心律偵測器通常是使用胸帶穿戴於胸部或接近胸部處。在另一習知實施方式中,心律偵測器可沿著前臂的下側放置,以及沿著橈動脈以直線方式排列四個電極。
作為另一實例,心電圖為透過在人體表面觀察到的心臟活動所產生的電性電位之現象,且可用以解釋與心臟活動相關的各種層面。通常是藉由放置於使用者肌膚上的電極取得ECG讀值。運動雜訊(motion artifact)為與使用者肌膚相關的電極活動所產生的雜訊(亦即,電極活動使得電極位置周圍的肌膚形變,轉而使得電極附近的肌膚之電性特徵改變),且可產生與心臟活動不相關的ECG讀值,因此可能造成ECG讀值的錯誤解讀。
由於處理由運動雜訊所引入的高水平雜訊會變成整體測量訊號的增加部分,因此當在移動式或可攜式裝置中進行ECG測量以及心律偵測時,運動雜訊為所面臨的重大技術挑戰。
因此,所需要的是提供確保生理參數感測器與使用者的測量位置之間的接觸之系統與方法,以使得接觸改善,因此使得測量到的訊號之品質改善。
例示性實施例提供一種使肌膚接觸最佳化用的可調式感測器支撐結構。例示性實施例的層面包含感測器陣列,感測器陣 列包括安置於帶上的多個感測器單元,以使穿戴於使用者的測量位置上時,感測器陣列橫跨或或除此之外對著血管;以及壓力施加裝置,壓力施加裝置附接於感測器單元與帶之間,壓力施加裝置於感測器單元上朝向測量位置施加向外壓力,使得感測器單元獨立於帶的活動度下維持接觸使用者的肌膚,藉此改善接觸品質,其中壓力施加裝置包括以下的至少一者:彈性橋接結構(flexible bridge structure)、彈性發泡體結構(flexible foam structure)與感測器彈躍結構(sensor trampoline structure)。
10‧‧‧可穿戴式感測器平台
12、92‧‧‧帶
14‧‧‧手腕
14R‧‧‧橈動脈
14U‧‧‧尺動脈
16‧‧‧感測器模組
18‧‧‧基礎模組
20‧‧‧基礎計算單元
22‧‧‧電池
26‧‧‧顯示器
28‧‧‧感測器單元
30‧‧‧感測器板
32‧‧‧感測器運算單元
34‧‧‧扣環
36‧‧‧處理器
38‧‧‧記憶體
40‧‧‧輸入/輸出
42‧‧‧通訊介面
44‧‧‧感測器
46‧‧‧加速度感測器/陀螺儀
48‧‧‧溫度計
52‧‧‧功率管理單元
54‧‧‧光學感測器陣列
56‧‧‧操作系統及各種應用程式
58‧‧‧生物阻抗感測器陣列
60‧‧‧心電圖感測器
62‧‧‧光偵測器
64‧‧‧光源
68‧‧‧AFE
66‧‧‧光電單元
70‧‧‧GSR類比前端
72‧‧‧光學感測器類比前端
74‧‧‧類比至數位轉換器
76‧‧‧ECG類比前端
78‧‧‧生物阻抗類比前端
80‧‧‧壓力感測器
82‧‧‧微處理器
84‧‧‧資料獲取組件
86‧‧‧匯流排
90‧‧‧可調式感測器支撐結構
94‧‧‧壓力施加裝置
100‧‧‧彈性橋接結構
102‧‧‧翼
102A‧‧‧第一翼
102B‧‧‧第二翼
104‧‧‧測量位置
106‧‧‧橢圓形橋接
108‧‧‧狹縫
110‧‧‧孔洞
112‧‧‧橋接結構彈簧
119‧‧‧彈性發泡體結構
120‧‧‧發泡體島狀物
122‧‧‧隔離間隙
124‧‧‧導線
130‧‧‧彈性腔體結構
134‧‧‧內部腔體
136‧‧‧彈簧
140‧‧‧感測器彈躍結構
連同所附圖式,將有助於理解前文中發明內容所描述的特徵與功效以及下文本發明一般性概念之特定實施例的詳細描述:圖1是繪示模組感測器平台的實施例之示意圖。
圖2是圖1之模組感測器平台的實施例。
圖3是繪示模組感測器平台的另一實施例之示意圖。
圖4是繪示模組感測器平台的一實施例之方塊圖,包含與包括基礎計算單元及電池之組件連接的帶寬感測器模組。
圖5是用於手腕附近的實施例之帶安裝感測器與手腕接觸的橫截面示意圖。
圖6是繪示與用於手腕附近相關之具有自對準感測器陣列系統的模組感測器平台之另一實施例。
圖7為繪示又一實施例中包含實例感測器與光電單元自對準感測器陣列系統的模組感測器平台之組件的方塊圖。
圖8是依據例示性實施例的另一層面之手腕及可調式感測器支撐結構的實施例之橫截面示意圖。
圖9是帶(band)與包括彈性橋接結構的壓力施加裝置的實施例之橫截面示意圖。
圖10A至圖10F繪示組裝彈性橋接結構的例示性流程。
圖11與圖12是繪示帶上以串列排列且邊緣與邊緣連接的複數個所述彈性橋接結構之一實施例。
圖13是繪示複數個彈性橋接結構的又一實施例,其中彈性橋接結構層疊於彼此頂部上以形成複數個橋接結構彈簧。
圖14是帶的橫截面示意圖,呈現包括發泡體島狀物之彈性發泡體結構的實施例。
圖15A與圖15B是帶的橫截面示意圖,呈現包括彈性腔體結構之彈性發泡體結構的實施例。
圖16是繪示實施例的示意圖,其中可調式感測器支撐結構的壓力施加裝置包括感測器彈躍結構。
現在將詳細描述本發明一般性概念的實施例,將伴隨所附圖式說明實施例的實例,全文中相同標號代表相同元件。下文中參照圖式描述實施例以說明本發明一般性概念。
透過參照下文中詳細描述的實施例與所附圖式,可更容易地理解本發明的優點與特徵以及實現其的方法。然而,本發明一般性概念可以許多不同形式實施,而不應解讀為限制於本文中所述的實施例。相反地,提供這些實施例是為了使本揭露通徹且完整,並對所屬技術領與中具有通常知識者完整地傳達本發明一般性概念,而本發明一般性概念僅由所附申請專利範圍所定義。在圖式中,為了清晰目的而擴大層與區塊的厚度。
另外,本文件中所使用的用語與術語是為了說明目的,而不應被視為限制。描述發明的上下文中,除非在本文中有其他指示或與上下文明顯矛盾,否則術語「一」與「所述」以及類似指稱(特別是以下申請專利範圍的上下文)應被視為涵蓋單數與複述兩者。除非有其他指示,術語「包括」、「具有」、「包含」及「含有」被視為開放性術語(亦即,意謂「包含」,但不限於此)。
如同對於發明所述技術領域中具有通常知識者應亦為顯而易見的,圖式中呈現的系統為可能類似於實際系統的模型。所描述的部分模組與邏輯結構能夠在由微處理器或類似元件所執行的軟體中實施,或在使用各種組件的硬體中實施,各種組件包含例如特定應用積體電路(application specific integrated circuits,ASICs)。如「處理器」等術語可包含或指稱硬體及/或軟體兩者。使用大寫字母不代表特定意義或不應指稱為特定意義。
本文中所使用的術語「組件」或「模組」是指軟體或硬體組件,例如進行特定作業的現場可程式化邏輯閘陣列(field programmable gate array,FPGA)或特定應用積體電路(ASIC),但不限於此。組件或模組可有利地配置以存在於可定址儲存介質中並配置以執行一個或更多處理器。因此,舉例而言,組件或模組可包含組件,例如軟體組件、目標導向軟體組件、(object-oriented software component)、類組件(class component)及任務組件(task component)、處理、功能、屬性(attribute)、程式(procedure)、次常式(subroutine)、程式代碼段(segments of program code)、驅動器(driver)、韌體(firmware)、微碼(microcode)、電路(circuitry)、資料、資料庫、資料結構、表、陣列以及變數(variable)。對於提供至組件或模組的功能可結合至少數組件或模組中,或者進一步分離為額外的組件或模組。
除非另外定義,本文中所使用的所有技術與科學術語具有本發明技術領域中具有通常知識者廣泛理解的相同意義。必須注意的是,除非有其他說明,本文中所提供的任一與所有實例或例示性術語的使用僅意欲更佳地闡明發明,而並非用以限制發明範圍。再者,除非有其它定義,不應過度解讀在常用字典中所定義之所有術語。
本發明的實施例是有關於一種可調式感測器支撐結構,包含感測器單元及附接於感測器單元與帶之間的壓力施加裝置。具有壓力施加裝置的帶穿戴於使用者的測量位置(例如手腕)附近,並朝著測量位置施加向外壓力到感測器單元上,以抵銷測量位置的各種位相並使感測墊片獨立於帶(以及任何附接至帶的其 他生理測量裝置)的活動度下維持適當接觸使用者的肌膚。依據例示性實施例,壓力施加裝置可包含一個或更多彈性島狀物結構、彈性發泡體結構及/或彈性網格。
圖1與圖2是繪示模組可穿戴式感測器平台的實施例之示意圖。圖1與圖2繪示可穿戴式感測器平台10之實施例的透視圖,而圖3繪示可穿戴式感測器平台10之另一實施例的分解圖。即使圖1與圖2中的可穿戴式感測器平台之組件可能實質上相同,模組及/或組件的位置可能不同。
在圖1所示的實施例中,可穿戴式感測器平台10可實施為適合人體部位(在此為使用者的手腕)之智慧型手錶或其他可穿戴式裝置。
可穿戴式感測器平台10可包含基礎模組18、帶12、扣環34、電池22以及耦合至帶12的感測器模組16。在一些實施例中,可穿戴式感測器平台10的模組及/或組件可由最終使用者(例如,消費者、病人、醫生等)移除。然而,在其他實施例中,可穿戴式感測器平台10的模組及/或組件由製造者整合至可穿戴式感測器平台10中,其目的為不讓最終使用者移除。可穿戴式感測器平台10可為防水的或水封的(water sealed)。
帶或環12可為一件式(one piece)或組合式的(modular)。可由織物製作帶12。舉例而言,考量廣泛範圍的可扭轉與可擴張的彈性網格/布料。帶12亦可配置為多重帶或配置於模組聯結中。在特定實施中,帶12可包含接扣或扣環機構以將手錶維持在適當 位置。在特定實施例中,在其他物件中,帶12將含有連接基礎模組18與感測器模組16的配線(未繪示)。亦可考量在基礎模組19與感測器模組16之間單獨使用無線通訊或者是在與配線搭配的狀態下使用無線通訊。
感測器模組16可藉由可移除方式附接於帶12上,以使感測器模組16位於可穿戴式感測器平台10的底部,換言之,在基礎模組18的相對端上。以所述方式配置感測器模組16,使其放置成至少部分接觸使用者的手腕之下側上的肌膚,如此感測器單元28感測來自使用者的生理數據。感測器單元28的接觸表面可配置於感測器模組16之表面上方、感測器模組16之表面處或感測器模組16之表面下方或所述配置處之組合。
基礎模組18附接至帶12,以使基礎模組18配置於可穿戴式感測器平台10的頂部上。以所述方式定位基礎模組18,以放置其至少部分接觸手腕的上側。
基礎模組18可包含基礎計算單元20及顯示器26,可在顯示器26上提供圖示使用者介面(graphical user interface,GUI)。基礎模組18進行下述功能,包含例如顯示時間、進行計算及/或顯示數據(包含由感測器模組16所收集到的感測器數據)。除了與感測器模組16通訊,基礎模組18可與穿戴於使用者的其他人體部位上的其他感測器模組(未繪示)無線通訊以形成人體區域網絡,或可與其他無線可存取裝置(未繪示,如智慧型手機、平板電腦、顯示器或其他運算裝置)通訊。如後文中將參照圖4進行 更完整討論,基礎計算單元20可包含處理器36、記憶體38、輸入/輸出40、通訊介面42、電池22與一組感測器44,例如加速度感測器(accelerometer)/陀螺儀46與溫度計48。
感測器模組16收集來自使用者的數據(例如生理、活動數據、睡眠統計資料及/或其他數據),且感測器模組16與基礎模組18通訊。感測器模組16包含安置於感測器板30中的感測器單元28。針對特定實施,因為可攜式裝置(例如腕表)的體積非常小且電力受限,所揭露類型的感測器單元28可特別適合於在腕表中實施感測器測量。在一些實施例中,感測器模組16可調整地附接至帶12,使得基礎模組18並非固定式定位,而是能根據手腕的生理結構而不同地配置。
感測器單元28可包含光學感測器陣列、溫度計、流電肌膚反應(galvanic skin response,GSR)感測器陣列、生物阻抗(BioZ)感測器陣列、心電圖(ECG)感測器或其任何組合。感測器單元28可取得周圍外界的資訊並將其提供至可穿戴式模組感測器平台10。感測器28亦可與其他組件一起作用以提供使用者或環境輸入並提供回饋給使用者(provide user or environmental input and feedback to a user)。舉例而言,MEMS加速度感測器可用於測量如位置、動作、傾斜、震動與振動的資訊供處理器36使用。亦可運用其他感測器。感測器模組16亦可包含感測器運算單元32。感測器單元28亦可包含生物感測器(例如脈搏、血氧濃度計、體溫、血壓、體脂肪等)、用以偵測物件的鄰近度之近接偵測器(proximity detector)及環境感測器(例如溫度、濕度、周圍光線、壓力、高度、方位(compass)等)。
在其他實施例中,扣環34亦提供ECG電極。當接觸扣環34時,一個或多個感測器單元28及扣環34上的ECG電極能夠形成完整的ECG訊號電路。感測器運算單元32可分析數據、對數據進行操作(例如,計算)、傳達數據,且在一些實施例中,可儲存由感測器單元28所收集的數據。在一些實施例中,感測器運算單元32從一個或多個感測器單元28的感測器接收(舉例而言,ECG訊號的指標性數據),並處理所接收的數據以形成訊號的預定義代表(舉例而言,ECG訊號)。
感測器運算單元32亦可配置以傳達數據及/或已接收之數據的經處理形式至一個或多個用以進一步處理、顯示、通訊及類似者的預定義接收器(例如基礎計算單元20)。舉例而言,在特定實施中,基礎計算單元20及/或感測器運算單元判斷數據是否可信,並判斷出數據中的可靠性指示(indication of confidence)給使用者。
因為感測器運算單元32可整合至感測器板30,因此在圖1中以虛線呈現之。在其他實施例中,可省略感測器運算單元32或將其配置於可穿戴式感測器平台10的其他處或遠離可穿戴式感測器平台10。在可省略感測器運算單元32的一實施例中,基礎計算單元20可進行在其他情況下由感測器運算單元32所進行的功能。透過感測器模組16與基礎模組18的組合,可收集、傳遞、 儲存、分析並呈現數據給使用者。
圖1所繪示的可穿戴式感測器平台10類似於圖2與圖3所繪示的可穿戴式感測器平台10。因此,可穿戴式感測器平台10包含帶12、電池22、扣環34、包含顯示器/GUI 26的基礎模組18、基礎計算單元20及包含感測器單元28的感測器模組16、感測器板30、及可選的感測器運算單元32。然而,如圖3中可見,已改變特定模組的位置。舉例而言,與圖1中的扣環34相比,圖3中的扣環34較接近顯示器/GUI 26。相似地,在圖3中,電池22與基礎模組18一起安置。在圖1所示的實施例中,電池22安置於帶12上,且與顯示器26對向配置。然而,應理解的是,在一些實施例中,電池22對基礎模組18充電並可選地對基礎模組18的內部電池(未繪示)充電。如此一來,可連續地穿戴可穿戴式感測器平台10。因此,在各種實施例值中,可改變模組與其他組件的位置及/或功能。
圖3是繪示模組可穿戴式感測器平台10及包括基礎模組18的組件之一實施例的示意圖。可穿戴式感測器平台10類似於圖1與圖2中的可穿戴式感測器平台10,且因此包含具有相似標號的類似組件。在本實施例中,可穿戴式感測器平台10可包含帶12及附接至帶12的感測器模組16。可移除的感測器模組16可更包含附接至帶12的感測器板30及附接至感測器板30的感測器單元28。感測器模組16亦可包含感測器運算單元32。
可穿戴式感測器平台10包含圖3中類似於基礎計算單元 20的基礎計算單元20以及圖3中一個或更多電池22。舉例而言,可提供類似於圖1與圖2中之電池22的永久及/或可移除的電池22。在一實施例中,基礎計算單元20可透過通訊介面42與感測器運算單元32通訊或控制感測器運算單元32。在一實施例中,通訊介面42可包括串列介面。基礎計算單元20可包含處理器36、記憶體38、輸入/輸出(I/O)40、顯示器26、通訊介面42、感測器44及功率管理單元52。
處理器36、記憶體38、輸入/輸出40、通訊介面42及感測器44可經由系統匯流排(未繪示)耦合在一起。處理器36可包含具有一個或多個核心的單一處理器或具有一個或多個核心的複數個處理器。處理器36可與輸入/輸出40一起配置以接受、接收、轉換及處理由使用者所給予的言語音頻命令。舉例而言,可使用音頻編碼器。處理器36可執行操作系統(operating system,OS)及各種應用程式56的指令。處理器36可控制裝置組件之間的命令交流及I/O介面上的通訊。操作系統56的實例可包含但不限於Linux AndroidTM及Android Wear。
舉例而言,記憶體38可包括含不同記憶體類型(包含RAM(例如DRAM及SRAM)ROM、快取記憶體、虛擬記憶體微型硬碟、硬碟、microSD卡及快閃記憶體)的一個或更多記憶體。輸入/輸出40可包括輸入資訊及輸出資訊的組件集合。實例組件包括具有接受輸入、輸出或其他經處理數據之能力的輸入/輸出40,實例組件包含麥克風、通信話、相機及揚聲器。輸入/輸出40可亦 包含音訊晶片(未繪示)、顯示器控制器(未繪示)及觸控螢幕控制器(未繪示)。
通訊介面42可包含用於支持單向或雙向無線通訊的組件,且可包含在一些實施中經由網絡、在其他實施中經由線路介面或複數個介面的用於無線通訊的無線網絡介面控制器(或相似組件)。在一實施例中,通訊介面42主要是用以遠端接收顯示器26所顯示並更新的數據(包含串流數據)。然而,在替代實施例中,除了傳遞數據,通訊介面42亦可支援語音傳遞。在一例示性實施例中,通訊介面42支援低無線射頻功率(radio frequency,RF)通訊及中無線射頻功率通訊。在特定實例中,無線通訊的類型可包含藍芽低耗能技術(Bluetooth Low Energy,BLE)、無線區域網路(wireless local area network,WLAN)、WiMAX、被動射頻識別(radio-frequency identification,RFID)、網路配接器及數據機。然而,在另一實施例中,無線通訊的實例類型可包含廣域網路(Wide Area Network,WAN)介面、Wi-Fi、WPAN、多躍點(multi-hop)網路或如3G、4G、5G或長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)的行動網路。舉例而言,其他無線選擇可包含超寬頻(ultra-wide band,UWB)及紅外線。通訊介面42亦可包含除了無線以外的其他通訊裝置類型(未繪示),例如透過接觸及/或USB通訊的串列通訊。舉例而言,可連同通訊介面42使用micro USB型USB、隨身碟或其他有線連結。
在一實施例中,顯示器26可與基礎計算單元20整合; 同時在另一實施例中,顯示器26可在基礎計算單元20外部。顯示器26可為平面的或彎曲的,例如根據可穿戴式感測器模組平台10在其上的人體部位(例如手腕、腳踝、頭部等)的相近曲度彎曲。
顯示器26可為觸控螢幕或手勢控制的。顯示器26可為有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode,OLED)顯示器、薄膜電晶體液晶顯示器(Thin-Film-Transistor Liquid Crystal Display,TFT LCD)或其他適合的顯示器技術。顯示器26可為主動式矩陣(active-matrix)。實例顯示器26可為AMOLED顯示器或SLCD。顯示器可為3D或可彎折的。感測器44可包含任何類型的微機電系統(microelectromechanical systems,MEMs)感測器。舉例而言,所述感測器可包含加速度感測器/陀螺儀46及溫度計48。
功率管理單元52可耦合至電源22且可包括傳達及/或控制至少基礎計算單元20的功率函數之微控制器。功率管理單元52與處理器36通訊並協調功率管理。在一些實施例中,功率管理單元52判定功率水平是否低於特定閥值水平。在其他實施例中,功率管理單元52判定用於第二充電的時間量是否經過(elapsed)。
電源22可為永久電池或可移除電池、燃料電池或光伏電池(photo voltage cell)等。電池22可為可拋棄式的。在一實施例中,電源22可包括例如可充電鋰離子電池或可使用類似者。功率管理單元52可包含用於對電池22充電的電壓控制器及充電控 制器。在一些實施中,可使用一個或更多太陽電池作為電源22。電源22亦可透過AC/DC電源供應器提供電源或充電。電源22可透過非接觸式或接觸式充電來充電。在一實施例中,功率管理單元52亦可透過功率介面52傳達及/或控制可移除之感測器模組16的電池功率供給。在一些實施例中,電池22埋置於基礎計算單元20中。在其他實施例中,電池22在基礎計算單元20的外部。
亦可使用其他可穿戴式裝置形態。舉例而言,可穿戴式感測器模組平台可以以下形態實施:腿帶或臂帶、胸帶、腕表、由使用者所穿戴的一塊布料的物件(例如緊身衣)或任何其他由使用者所穿戴的實體裝置或裝置集合,其足以確保感測器單元28接觸位於特定測量位置之使用者肌膚上的大致位置,以獲得精準且可靠的數據。
圖5為手腕14的橫截面圖。更具體而言,作為實例,圖6為繪示可穿戴式感測器模組10之實施的示意圖。圖6的上部繪示纏繞使用者的手腕14之橫截面的可穿戴式感測器模組10,而圖6的下部顯示展平狀態的帶12。
依據本實施例,可穿戴式感測器模組10至少包含光學感測器陣列54,且亦可包含可選的感測器,例如流電肌膚反應(GSR)感測器陣列56、生物阻抗(BioZ)感測器陣列58及心電圖(ECG)感測器60或可包括感測器陣列的任何組合。
依據另一實施例,感測器單元28配置成感測器陣列,其包括安置於或擺放在帶12上的分離感測器陣列,如此一來,當帶 12穿戴於人體部位上時,每一感測器陣列可橫跨或除此之外對著(straddle or otherwise address)特定血管(亦即靜脈、動脈或微血管)或具有較高電性反應而與血管無關的區域。
具體而言,如圖5與圖6中所見,感測器陣列可佈置為實質地垂直於血管(亦即,橈動脈14R及/或尺動脈14U)的縱軸並重疊血管的寬度以獲得最佳訊號。在一實施例中,穿戴帶12的方式可以是使得包括感測器陣列的感測器單元28接觸使用者的肌膚但不會過緊,如此可避免帶12在人體部位(例如使用者的手腕14)的任何移動,且避免帶12在感測器接觸點處造成使用者的不適。
在另一實施例中,感測器單元28可包括光學感測器陣列54,光學感測器陣列54可包括測量相對血流、脈搏及/或血氧水平的光體積描述器(photoplethysmograph,PPG)感測器陣列。在本實施例中,光學感測器陣列54可安置在感測器模組16上,以使光學感測器陣列54的位置與動脈(例如橈動脈或尺動脈)足以接近,以進行具有充分準確度與可信度的足夠測量。
現將討論光學感測器陣列54的進一步細節。大體而言,每一分離光學感測器54的配置與佈置可根據個案而巨變。在一實施例中,光學感測器陣列54可包含多個分離光學感測器54形成的陣列,其中每一分離光學感測器54為至少一光偵測器62及鄰近光偵測器62之至少二相配光源(at least two matching light sources)64的組合。在一實施例中,在帶12上,每一分離光學感 測器54與其鄰近的分離光學感測器54之間以大約5mm至2mm的預定距離分隔。
在一實施例中,光源64可各包括發光二極體(light emitting diode,LED),其中每一分離光學感測器中的LED發出不同波長的光。由LED所發出的光色之實例可包含綠、紅、近紅外光及紅外光波長。每一光偵測器62將所接收的光能轉換成電性訊號。在一實施例中,訊號可包括反射光體積描述器訊號。在另一實施例中,訊號可包括穿透性光體積描述器訊號。在一實施例中,光偵測器62可包括光電晶體。在另一實施例中,光偵測器62可包括電荷耦合裝置(charge-coupled devices,CCD)。
圖7繪示在又一實施中可穿戴式感測器模組的組件之另一配置方式的方塊圖。在本實施中,ECG 60、生物阻抗感測器陣列58、GSR陣列56、溫度計48及光學感測器陣列54可耦合至光電單元66,其中光電單元66控制帶12上的感測器並接收來自帶12上的感測器的數據。在另一實施中,光電單元66可以是帶12的一部分。在另一實施中,光電單元66可與帶12分離。
光電單元66可包括ECG類比前端(analog front end,AFE)76及生物阻抗(BIOZ)類比前端78、GSR類比前端70、光學感測器類比前端72、處理器36、類比數位轉換器(analog-to-digital converter,ADC)74、記憶體38、加速度感測器46、壓力感測器80及電源22。
如本文中所使用,AFE 68可包括相應偵測器及類比至數 位轉換器74或處理器36之間的類比訊號調節電路介面。ECG類比前端76及生物阻抗類比前端78與ECG 60及生物阻抗感測器陣列58交換訊號。GSR類比前端70可與GSR陣列56交換訊號,且光學感測器類比前端72可與光學感測器陣列54交換訊號。在一實施例中,GSR類比前端70、光學感測器類比前端72、加速度感測器46及壓力感測器80可透過匯流排86耦合至類比至數位轉換器74。類比至數位轉換器74可將物理量(例如電壓)轉換為代表振幅的數位數字。
在一實施例中,ECG類比前端76及生物阻抗類比前端78、記憶體38、處理器36及類比至數位轉換器74可包括微處理器82的組件。在一實施例中,GSR類比前端70及光學感測器類比前端72亦可為微處理器82的一部分。一實施例中的處理器36可包括精簡指令集電腦(reduced instruction set computer,RISC),例如由安謀控股公司(ARM Holdings)製造的Cortex 32位元RISC ARM處理器核心。
根據例示性實施例,處理器36可執行校準與資料獲取組件84,其可執行感測器校準與資料獲取功能。在一實施例中,感測器校準功能可包括用於將一個或多個感測器陣列與血管自對準的程序。在一實施例中,可在自感測器接收資料之前在啟動時執行感測器校準,或在操作期間以周期性間隔執行感測器校準。
在另一實施例中,感測器單元28亦可包括流電肌膚反應(GSR)感測器陣列56,而流電肌膚反應(GSR)感測器陣列56 可包括四個或多於四個GSR感測器,其可測量隨著水分含量而改變的皮膚的電導。傳統上,需要兩個GSR感測器以沿著皮膚表面測量電阻。根據此實施例的一個態樣,GSR感測器陣列56顯示為包含四個GSR感測器,其中可選擇四個中的任兩個來使用。在一實施例中,GSR感測器56可在帶上以2mm至5mm的距離間隔開。
在另一實施例中,感測器單元28亦可包括生物阻抗(BioZ)感測器陣列58,而生物阻抗感測器陣列58可包括四個或多於四個生物阻抗感測器58,其測量生物電阻抗或對流經組織的電流的作用力(measure bioelectrical impedance or opposition to a flow of electric current through the tissue)。傳統上,僅需要兩組電極以測量生物阻抗,其中一組用於「I」電流,且另一組用於「V」電壓。然而,根據例示性實施例,可提供包含至少四至六個生物阻抗感測器58的生物阻抗感測器陣列58,其中可選擇電極中的任四個以用於「I」電流對以及「V」電壓對。可使用多工器(multiplexor)來進行選擇。在所示的實施例中,生物阻抗感測器陣列58被顯示為橫跨於動脈(例如,橈骨動脈或尺骨動脈)。在一實施例中,生物阻抗感測器58可在帶上以5mm至13mm的距離間隔開。在一個實施例中,構成生物阻抗感測器58的一個或多個電極可與流電肌膚反應感測器56中的一者或多者多路傳輸(multiplexed)。
在又一實施例中,帶12可包含一個或多個心電圖(ECG)感測器60,其測量一段時間內使用者的心臟電性活動。此外,帶 12亦可包括用於測量溫度或溫度梯度的溫度計48。
圖8為依據例示性實施例的另一層面之手腕14及可調式感測器支撐結構90的實施例之橫截面示意圖。在一實施例中,可調式感測器支撐結構90可包含一個或多個感測器陣列,各感測器陣列具有多個安置於帶92上的感測器單元28,如此一來,當穿戴於使用者的測量位置上時,如上文中所述,感測器陣列橫跨或除此之外對著血管。
依據例示性實施例,可調式感測器支撐結構90更包含附接於感測器單元28及帶92之間的壓力施加裝置94,其於感測器單元28上朝向測量位置施加向外壓力(exerts outward pressure on the sensor units towards the measurement site),使得感測器單元28獨立於帶12的活動度(motion activity)下維持接觸使用者的肌膚,藉此改善接觸品質(contact quality)。
依據例示性實施例,可透過使用複數個實施例(包含以下的至少一者:彈性橋接結構、彈性發泡體結構及感測器彈躍結構)來提供壓力施加裝置94的可調性。
在第一實施例中,彈性橋接結構可具有容許(allowing)諸如摺疊的各種容許自由度(allowed degrees of freedom)以及複數個撓曲點(multiple flex points)。本實施例包含將材料摺疊成3D橋接結構,其壓縮且撓曲成二維(compress and flex in two dimensions)。第二實施例可包含具有或不具有彈簧之以所需位相(topology)形成的彈性發泡體結構/材料,其協助支撐並調整感測器單元28。在第 三實施例中,壓力施加裝置94可包括感測器彈躍結構。在各實施例中,壓力施加裝置94可包括各種經設計的支撐結構及/或材料,以使感測器單元28被容許推動以更接近測量位置或離測量位置更遠。
當具有壓力施加裝置94的帶92穿戴於使用者的測量位置(例如手腕14)時,因帶92具有對應於手腕14的變化位相之順應性(compliance),手腕14的變化位相可使得力量同時地施加於壓力施加裝置94上。因此,壓力施加裝置94藉由在測量平面法線方向上調整感測器陣列及/或個別感測器單元28以補償測量位置的變化位相。在一實施例中,個別感測器單元28為獨立於另一感測器單元而可調整的。
在一實施例中,在空間受限的局部區域中,測量位置可為大致平面的,但可具有橫跨(across)較大空間區域的變化位相。依據一實施例,對應於不同測量位置區域的感測器單元28可與個別壓力施加裝置一起配置,以使在個別測量位置區域中的感測器單元28彼此以機械方式去耦合(mechanically decoupled from one another)且在z高度上為獨立可調的。
即使例示性實施例將感測器陣列描述為附接至壓力施加裝置94,但在另一實施例中,壓力施加裝置94可附接至單一感測器單元28或附接至不是以陣列方式排列的數個感測器單元28。
圖9是帶92及壓力施加裝置90包括彈性橋接結構100之實施例的橫截面圖。在一實施例中,彈性橋接結構100包括兩 個可彎曲翼(第一翼102A及第二翼102B(統稱為翼102))。第一翼102A的一末端附接至帶92的一側,且第二翼102B的一末端附接至帶92的相對側。每一翼102的開放末端反折疊到彼此上(folded back on one another)以形成橢圓形橋接106,其中兩翼102的開放末端皆自由懸掛(free hanging)在橢圓形橋接106上方。至少一感測器單元28(例如,電極)可附接至翼102的至少一者之開放末端,但較佳是如圖所示將感測器單元28附接至兩翼上。此彈性橋接結構100可與放置於橢圓形橋接106中面向測量位置104的凸側上的感測器單元28形成實質上凸狀的橢圓形橋接106。
依據本實施例,彈性橋接結構100經配置以能夠進行多維撓曲。當對橢圓形橋接106的凸側上的翼102施加超過閥值量的力量時,彈性橋接結構100可藉由壓縮及撓曲更寬來反應,以容納所施加的力量。
圖10A至圖10F繪示組裝彈性橋接結構100的例示性製程。圖10A呈現製程可包含在塑膠膜上印刷電路及/或蝕刻電路中之至少一者,其可形成帶92的至少一部分,以及雷射切割塑膠膜以形成可兩階段摺疊的翼102的形狀。亦可將翼102形成為具有狹縫108以及孔洞110的型態,狹縫108是用以形成翼102的開口,孔洞110是用以固定感測器單元28。如在一實施例中所示,可將狹縫108切割成「U」形,但也可以是其他形狀。
圖10B與圖10C呈現第一摺疊階段,其中翼102遠離帶92向上摺疊,使得翼大約垂直於帶92而直立。
圖10D呈現第二摺疊階段,其中翼102的開放末端朝向帶92向下摺疊,使得翼的開放末端及形成狹縫108的材料大約平行於帶92。
圖10E呈現翼102的每一者的開放末端插入相對翼(opposite wing)的「U」形狹縫108中,以使翼102的頂部彼此對準(例如,透過個別孔洞110),藉此形成在壓力下彎曲且撓曲的橢圓形橋接106。可以一些種類的固定器(例如膠、U型釘及類似物)將翼扣持或固定在一起。
接著將感測器單元28固定至橢圓形橋接106(例如透過翼102中的孔洞110),以形成坐落於橢圓形橋接106頂上的翹翹板狀結構,如圖10F所示。在一實施例中,可將感測器單元28印刷於翼102上,或感測器單元28可為翼102的一部分,或感測器單元28可以其他方式附接至翼102。在一實施例中,感測器單元28本身可形成將翼102扣持在一起的固定機構。
所完成的彈性橋接結構100為多維的,其中翼102可獨立地上下移動(2D撓曲),同時橢圓形橋接106可壓縮並撓曲(2D撓曲)。可利用數個方法以最佳化橋接形成的功能性,包含但不限於調整橋接長度、調整材料性質(亦即,厚度、彈性係數等)以及加入支撐材料以包覆橋接(例如熱塑性聚氨酯、閉孔(closed)發泡體材料等)。
依據進一步實施例,可調式感測器支撐結構可包括複數個彈性橋接結構100。
圖11與圖12是繪示帶92上以串列排列且邊緣與邊緣(edge-to-edge)連接的複數個彈性橋接結構100之一實施例的示意圖。圖11呈現印刷、蝕刻及切割後處於展平位置的翼102及帶92。圖12呈現複數個彈性橋接結構100,其為翼102彎曲成橢圓形橋接106且感測器單元28固定至每一橢圓形橋接106之後所形成的結構。在一實施例中,彈性橋接結構100可僅覆蓋帶92的一部分,而在另一實施例中,彈性橋接結構100可實質上覆蓋帶92的全部並覆蓋大部分(若並非全部)的手腕。
圖13是繪示複數個彈性橋接結構100的又一實施例,其中彈性橋接結構層疊於彼此頂部上以形成複數個橋接結構彈簧112。在所示實例中,三個橢圓形橋接106與翼及感測器單元28兩者形成於複數個橋接結構彈簧112的頂部上。複數個橋接結構彈簧112調整高度並壓縮,使得感測器單元28朝向肌膚推動並減少運動雜訊。
依據例示性實施例,彈性橋接結構100及112的每一者可獨立於彼此而撓曲,且在其上的每一感測器單元28亦可獨立地撓曲。彈性橋接結構102自然地採取在結構上具有最小應力的形狀,因此彈性橋接結構102固有地(inherently)處於「擴張」位置。因順應於手腕形狀所致的力量會壓縮彈性橋接結構102,因此產生朝向測量位置向外施壓的反作用力。透過對形狀變化反應的彈性橋接結構100,四肢形狀相對於帶92的變化(取決於四肢的移動)程度降低。因此,彈性橋接結構100透過調整橋接高度處理四肢 對帶92的相對位移。
如上所述,另一實施例的壓力施加裝置為彈性發泡體結構。在一實施例中,彈性發泡體結構可包括發泡體島狀物(foam islands),同時在另一實施例中,彈性發泡體結構可包括彈性腔體結構。
圖14是帶92的橫截面之示意圖,呈現包括發泡體島狀物120之彈性發泡體結構119的實施例。彈性發泡體結構119可包括多個安置於帶92上的發泡體島狀物120,其中每一發泡體島狀物120的至少一部分支撐至少一感測器單元28。依據一實施例,隔離間隙120形成於至少一部分的發泡體島狀物120之間,隔離間隙是由發泡體島狀物120的形狀所形成,當施加力量至感測器單元28時,隔離間隙使發泡體島狀物120得以擴張。帶92可包括彈性印刷電路板(printed circuit board,PCB),且導線124可插入且穿過發泡體島狀物結構120以將感測器單元28連接至帶92。在一實施例中,發泡體島狀物120可由例如發泡體體及/或熱塑性合成橡膠(例如熱塑性聚氨酯)建構。
圖15A及圖15B是帶92的橫截面之示意圖,呈現包括彈性腔體結構132之彈性發泡體結構119的實施例。彈性腔體結構132可包括在帶92上以所需位相形成的合成橡膠或發泡體體,其中彈性腔體結構132的至少一部分支撐至少一感測器單元28。依據一實施例,內部腔體134形成於彈性腔體結構130中,當施加力量給感測器單元28而彈性腔體結構130壓縮時(upon compression of the flexible cavity structures 130 upon application of force to the sensor units 28)能擴張體積(expansion volume)。導線124可放置於內部腔體134中,用以將感測器單元28連接至帶92。
圖15B是繪示彈性腔體結構130的另一實施例之示意圖。在本實施例中,彈性腔體結構130可形成,且其腔體134可含有彈簧136,彈簧136是配置以對彈性腔體結構130提供更有彈性的支撐及/或在感測器單元28與帶92之間傳遞電性訊號。
亦如圖15B中所示,在發泡體島狀物120及彈性腔體結構130兩者的實施例以及彈性發泡體結構的其他相關結構性配置中,彈性發泡體結構119的彈性可透過調整擴張體積與接觸區域的比例來調整。
圖16是繪示實施例的示意圖,其中可調式感測器支撐結構90的壓力施加裝置94包括感測器彈躍結構140。依據本發明的一實施例,感測器彈躍結構140可包括支撐複數個感測器單元28的多維類彈簧網格(multi-dimensional spring-like mesh)。感測器彈躍結構140實質上可由導線(wire)所建構,並在多維度上展現彈簧張力,以對感測器單元28提供彈性支撐。在一實施例中,在施加力量給感測器單元28時,感測器彈躍結構140容許感測器單元28在z高度上獨立地移動,如有需要,還可同時從側對側地扭轉(twisting from side-to-side)。感測器彈躍結構140可配置以傳遞電性訊號至感測器單元28及/或從感測器單元28傳遞電性訊號至基礎92。在一實施例中,感測器彈躍結構140可附接至基礎92或在 基礎92的位置中使用。
此外,在所有可調式感測器支撐結構的實施例中,帶92可含有額外電路及/或功能性電性組件,其包含但不限於應用特定積體電路、場式可程式閘陣列(field programmable grid array)、電池、微控制器或其他。
上述實施例主要是在高度與平面上對感測器進行調整的被動機構,其中包括可調式感測器支撐結構的材料可根據可壓縮性、熱膨脹係數來選擇,以最佳化作為生理改變(如人體部位形狀之存在)之反應而施加於感測器單元28的力量。
然而,依據另一實施例,可提供具有主動調整機構的可調式感測器支撐結構。在一實施例中,回應於偵測來自人體的生理訊號(ECG、PPG、生物阻抗、流電肌膚反應及類似者)的感測器單元28,可透過主動調整機構接收此訊號的品質並用以主動地最佳化感測器單元與人體的接觸。作為一實例,可使用主動調整機構將感測器單元28朝向人體推動,以基於訊號品質改善肌膚接觸。所得的回饋迴圈可最佳化感測器單元28在高度與平面性的位相,並減少調整位相時因將速度調整與所需速度一致所致的運動雜訊。在一實施例中,主動調整機構可包含電磁線圈、機械驅動或液壓驅動的迷你伺服馬達(mini-servo motor)。
此用以調整感測器單元28的主動智慧型方法亦將在主動使用中產生肌膚與感測器接觸的動態性質上有價值的資訊。除了來自加速度感測器、陀螺儀或GPS的資訊,此資訊可用於所取得 之感測器訊號的數據處理期間之雜訊降低(artifact reduction)。
在進一步實施例中,主動調整機構可針對欲儲存的特定使用者/人體部位產生最佳化感測器位相設定,由於人體輪廓類似於指紋,因此最佳化感測器位相設定可用以識別可調式感測器支撐結構的穿戴者。
也可使用其他種類的裝置以與使用者互動。舉例而言,可調式感測器支撐結構可對使用者提供任何形式的感測性回饋(例如,視覺回饋、聽覺回饋或觸覺回饋);且可調式感測器支撐結構可從使用者接收任何形式的輸入,包含聲學輸入、說話輸入或觸覺輸入。
可以以下類型的運算系統實施本文中所述的系統及技術:包含後端組件(例如,作為數據伺服器)的運算系統、或包含中介軟體組件(例如,應用伺服器)的運算系統、或包含前端組件(例如,具有圖示使用者介面或網路瀏覽器的用戶端電腦,使用者可透過圖示使用者介面或網路瀏覽器與本文中所述的系統及技術之實施互動)的運算系統、或包含所述後端組件、中介軟體組件或前端組件的任何組合的運算系統。系統的組件可以任何形式或媒介的數位數據通訊(例如,通訊網路)互連。通訊網路的實例包含區域網路(local area network,LAN)、廣域網路(wide area network,WAN)及網際網路。
運算系統可包含用戶端以及伺服器。用戶端以及伺服器通常彼此遠離且通常經由通信網路而互動。用戶端以及伺服器的 關係根據在各別電腦上執行且彼此具有用戶端-伺服器關係的電腦程式而產生。各種基於雲端的平台及/或其他資料庫平台可用於模組感測器平台10的特定實施方案中,例如接收並發送資料至模組感測器平台10。一個所述實施方案為用於多模態互動的架構(未繪示)。所述架構可用作可穿戴裝置(如模組感測器平台10)與其他裝置、網站、線上服務以及應用程式的較大雲端之間的人工智慧層。此架構亦可透過(例如,藉由監視及比較)所封存的資料轉譯來自模組感測器平台10的資料,如此可接著用於向(例如)使用者或保健專業人員警報條件的改變。此架構可進一步促進模組感測器平台10與其他資訊(諸如(略舉)社群媒體、運動、音樂、電影、電子郵件、文字訊息、醫院、處方)之間的互動。
已揭露一種用於提供可調式感測器支撐結構的方法及系統。已依據所示實施例描述本發明,且可對實施例有所變化,且任何變化皆在本發明的精神及範圍內。因此,本技術領域中具有通常知識者可做出許多修飾,而不偏離附隨申請專利範圍的精神及範圍。
10‧‧‧可穿戴式感測器平台
12‧‧‧帶
16‧‧‧感測器模組
18‧‧‧基礎模組
20‧‧‧基礎計算單元
22‧‧‧電池
26‧‧‧顯示器
28‧‧‧感測器單元
30‧‧‧感測器板
32‧‧‧感測器運算單元
34‧‧‧扣環

Claims (10)

  1. 一種可調式感測器支撐結構,包括:感測器陣列,包括安置於帶上的多個感測器單元,以使穿戴於使用者的測量位置上時,所述感測器陣列橫跨或除此之外對著血管;以及壓力施加裝置,附接於所述感測器單元與所述帶之間,所述壓力施加裝置於所述感測器單元上朝向所述測量位置施加向外壓力,使得所述感測器單元獨立於所述帶的活動度下維持接觸所述使用者的肌膚,藉此改善接觸品質,其中所述壓力施加裝置包括以下的至少一者:彈性橋接結構;彈性發泡體結構;以及感測器彈躍結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的可調式感測器支撐結構,其中對應至不同測量位置區域的所述感測器單元與個別所述壓力施加裝置一起配置,以使在個別所述測量位置區域中的所述感測器單元彼此以機械方式去耦合且為獨立可調的。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的可調式感測器支撐結構,其中所述彈性橋接結構包括:兩個可彎曲翼,包括第一翼與第二翼,其中所述第一翼的一末端附接至所述帶的一側,且所述第二翼的一末端附接至所述帶的相對側, 其中每一所述翼的開放末端反折疊到彼此上以形成橢圓形橋接,且所述第一翼與所述第二翼的開放末端皆自由懸掛在所述橢圓形橋接上方;且其中至少一所述感測器單元附接至至少一所述翼的開放末端。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的可調式感測器支撐結構,其中所述彈性橋接結構的安裝包括:在塑膠膜上印刷及/或蝕刻電路,所述電路可形成所述帶的至少一部分,且雷射切割所述塑膠膜以形成可兩階段摺疊的翼的形狀,其中每一所述翼具有狹縫;在第一摺疊階段期間,遠離所述帶而摺疊所述翼,以使所述翼大約垂直於所述帶而直立;在第二摺疊階段期間,朝向所述帶而摺疊所述翼的開放末端,使得所述翼的開放末端以及由所述狹縫形成的材料大約平行於所述帶;將每一所述翼的開放末端插入所述相對翼的所述狹縫中,以使所述翼的頂部彼此對準,因而兩個所述翼對準,藉此形成在壓力下彎曲且撓曲的橋接;以及將所述感測器單元附加至所述翼。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的可調式感測器支撐結構,更包括在所述帶上以串列排列且邊緣與邊緣連接的複數個所述彈性橋接結構。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的可調式感測器支撐結構,更包括:層疊於彼此頂部上的複數個所述彈性橋接結構,其中複數個所述彈性橋接結構形成複數個橋接結構彈簧。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的可調式感測器支撐結構,其中所述彈性發泡體結構包括:多個發泡體島狀物,安裝於所述帶上,其中每一所述發泡體島狀物的至少一部分支撐至少一所述感測器單元;隔離間隙,形成於至少一部分的所述發泡體島狀物之間,所述隔離間隙是由所述發泡體島狀物的形狀所形成,當施加力量至所述感測器單元時,所述隔離間隙使所述發泡體島狀物得以擴張;以及導線,插入且穿過內部腔體,以將所述感測器單元連接至所述帶。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的可調式感測器支撐結構,其中所述彈性發泡體結構包括:彈性腔體結構,以所需的位相形成於所述帶上,其中所述彈性腔體結構的至少一部分支撐至少一所述感測器單元;內部腔體,形成於所述彈性腔體結構中,當施加力量給所述感測器單元而所述彈性腔體結構壓縮時能擴張體積;以及導線與彈簧中至少一者,插入且穿過所述內部腔體以將所述感測器單元連接至所述帶。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的可調式感測器支撐結構,其 中所述彈性發泡體結構包括:所述感測器彈躍結構,包括支撐複數個所述感測器單元的多維類彈簧網格,所述感測器彈躍結構實質上是由導線所建構,並在多維度上展現彈簧張力,以對所述感測器單元提供彈性支撐,使在施加力量給所述感測器單元時,所述感測器單元在z高度上獨立地移動,同時進行側對側扭轉。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的可調式感測器支撐結構,更包括主動調整機構,其中所述主動調整機構對偵測人體之生理訊號的所述感測器單元反應,所述主動調整機構接收所述生理訊號的品質並用以主動地最佳化與所述人體接觸的所述感測器單元。
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