用于測量用戶心率的光學設備的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于測量用戶心率的光學設備。所述光學設備包括：–用于向用戶的皮膚中發射光的兩個光源（1,2），–用于感測由兩個光源中的每一個發射并且通過用戶的皮膚反射的光信號以便確定用戶心率的傳感器（3）。這兩個光源（1,2）位于距傳感器的不同距離處，以使得從兩個光源中的每一個接收的光信號具有到皮膚中的不同穿透深度。
【專利說明】
用于測量用戶心率的光學設備
技術領域
[0001]本發明涉及用于測量用戶心率的光學設備。
【背景技術】
[0002]光學心率測量的原理是基于向用戶的皮膚中發射光的光源的使用。這樣的測量被稱為光學體積描積術(PPG)。所發射的光在皮膚內散射，其中它被血液部分吸收。反射光從皮膚出射并且被傳感器捕獲。傳感器上的信號的量是血容量的指示。皮膚中的血容量在血流搏動時改變，并且作為結果，傳感器上的信號直接響應于搏動而改變。因而，傳感器直接測量皮膚中的用戶脈搏并且可以因此確定在給定時刻用戶的實際心率。
[0003]心率的測量在用戶處于運動中時變得更復雜。這樣的運動(即便是輕微的)生成運動偽像，其可以被限定為脈搏信號之上的噪聲信號。因此，為了獲取高度可靠的心跳測量，應當從所測量的脈搏信號中消除運動偽像。
[0004]歐洲專利申請EP1354553公開了一種用于通過使用光學體積描積術來檢測心跳的裝置，并且其甚至能夠檢測在用戶的運動之下的心跳。這樣的裝置包括用于選擇性地僅傳遞由PPG傳感器單元檢測到的PPG信號之中的特定頻帶內的信號的濾波單元。這樣的解決方案是相當復雜的并且可能并不總是可靠的。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提出一種用于測量用戶心率的光學設備，其具有比現有技術的設備更好的性能。本發明由獨立權利要求限定;從屬權利要求限定有利實施例。
[0006]依照本發明，提出一種用于測量用戶心率的光學設備，所述設備包括:
-用于向用戶的皮膚中發射光的兩個光源，
-用于從由兩個光源中的每一個發射并且通過用戶的皮膚反射的光接收光信號以便確定用戶心率的傳感器。
[0007]兩個光源位于距傳感器的不同距離處，以使得從兩個光源中的每一個接收的光信號具有到皮膚中的不同穿透深度。
[0008]在這樣的配置中，由兩個光源中的每一個發射的光信號在不同深度處干擾血管。因此，這樣的光學設備使得有可能使用兩個光源以便創建干擾不同血管的兩個光信號并且將從兩個光源接收的光信號結合，以使得運動偽像被基本上消除并且心率能夠被可靠地評估。
[0009]依照本發明的第一實施例，光學設備包括用于測量環境溫度的溫度傳感器和用于取決于所測量的環境溫度而選擇光源之一的控制單元。這使得取決于相關準則選擇一個光源成為可能。
[0010]依照本發明的另一實施例，由兩個光源發射的光信號可以具有相同或相似的波長。依照本發明的另一實施例，由兩個光源發射的光信號還可以具有不同波長。
[0011]依照本發明的又一實施例，一個光源關于用戶的皮膚表面抬起。
[0012]本發明的這些和其它方面將從以下描述的實施例顯現，并且將參照以下描述的實施例進行闡述。
【附圖說明】
[0013]現在將更加詳細地通過示例的方式參照附圖來描述本發明，其中:
圖1示出根據本發明的第一實施例的光學設備的操作，
圖2示出依照第一實施例的光源配置如何將脈搏分量和運動偽像分量結合以獲取由傳感器接收的光信號，以及
圖3示出根據本發明的第二實施例的光學設備的操作。
【具體實施方式】
[0014]本發明涉及用于測量用戶心率的光學設備。所述設備包括用于向用戶的皮膚中發射光的至少兩個光源，以及用于從由兩個光源中的每一個發射并且通過用戶的皮膚反射的光接收光信號以便確定用戶心率的傳感器。光學設備包括用于接收傳感器信號并且用于響應于傳感器信號而確定用戶的脈搏和/或心率的處理單元。根據本發明，兩個光源位于距傳感器的不同距離處，使得從兩個光源中的每一個接收的光信號具有到皮膚中的不同穿透深度。可以使所述光信號的波形在幅度和/或相位方面不同。本發明的該方面和其它方面將在以下實施例中更加詳細地解釋。在不同實施例中，兩個光源作為示例是兩個發光設備LED。可替換地，光源還可以是激光器。在下文中，傳感器還優選為光電檢測器二極管。它還可以是光電晶體管。光學設備可以是手表的形式，其被佩戴在用戶的手腕或手臂處。
[0015]根據本發明的第一實施例，如圖1中所示，提出使用由具有相同波長的兩個LED發射的光。兩個LED I和2向用戶的皮膚中發射光。兩個LED I和2例如是兩個綠色LED。所發射的光在皮膚內散射，其中它取決于所發射的光干擾血管(諸如毛細血管袢C、小動脈A和小靜脈V)有多深而被血液部分吸收。反射光從皮膚出射并且被光電檢測器二極管3捕獲。在本實施例中，可以在圖1中看到，兩個LED I和2位于距光電檢測器二極管3的不同距離處。由于兩個LED I和2中的每一個與光電檢測器二極管3之間的距離是不同的，這創建針對到達光電檢測器二極管3的光的不同穿透深度。兩個LED I和2在不同時間脈動并且與光電檢測器二極管3同步，并且來自兩個深度的信號可以同時測量。在圖1中，信號al*p(t)表示從LED I接收的小脈搏信號，并且信號a2*p(t)表示從LED 2接收的大脈搏信號，兩個脈搏信號用于確定心率，并且al和a2是取決于血液吸收的常數。LED和光電檢測器二極管的這樣的配置的一個優點在于脈搏信號的幅度取決于所述信號的穿透深度。血管越深，脈搏信號越大。血管越淺，信號越低，因為那些血管大部分是毛細血管并且不顯露很多心率信號。
[0016]如之前所解釋的，心率的測量在用戶處于運動中時更復雜，在該情況下運動偽像信號被添加到脈搏信號。這在圖2中圖示，其中我們可以看到，由光電檢測器二極管接收的結果得到的光信號I(t)是脈搏信號p(t)和運動偽像信號m(t)之和。更具體地，從第一 LED接收的第一光信號Il(t)是小脈搏信號al*p(t)和第一運動偽像信號bl*m(t)之和，并且從第二 LED接收的第二光信號I2(t)是大脈搏信號a2*p(t)和第二運動偽像信號b2*m(t)之和。從圖2清楚的是，運動偽像存在于兩個光信號中，但是運動偽像信號對小脈搏信號比對大脈搏信號具有多得多的影響。事實上，兩個運動偽像信號是相當類似的。這是因為兩個LED的顏色是相同的，并且光經過檢測器的相同側。因此本發明使得以不同比率混合兩者均以反射率測量的光信號的脈搏分量和運動偽像分量成為可能。
[0017]根據如圖3中所示的本發明的第二實施例，提出關于用戶的皮膚表面抬起LED中的一個。在圖3上，最靠近光電檢測器二極管的第一 LED 11被抬起。
[0018]如在第一實施例中那樣，兩個LED11和12向用戶的皮膚中發射光，但是在第二實施例中，LED 11關于用戶的皮膚表面抬起距離d。兩個LED 11和12還例如是兩個綠色LED。如之前所解釋的，所發射的光在皮膚內散射，并且其取決于所發射的光干擾血管(諸如毛細血管袢C、小動脈A和小靜脈V)有多深而被血液部分吸收。反射光從皮膚出射并且被光電檢測器二極管13捕獲。根據該第二實施例，從第一LED 11接收的第一光信號并未深入地穿透皮膚并且因而被更多地吸收。相比于第一實施例，這大幅減少了脈搏分量并且因而增加來自第一光信號中的運動偽像分量的貢獻。
[0019]根據本發明的另一實施例，由兩個LED發射的光信號具有不同波長。例如，最靠近光電檢測器二極管的LED是藍色LED，另一個LED為綠色LED。事實上，藍光具有比綠光更小的穿透深度。由于波長不同，從綠色LED到藍色LED，運動偽像將在較大程度上是不同的。
[0020]根據本發明的另一實施例的光學設備包括兩個LED和光電檢測器二極管，由兩個LED發射的光信號具有相同或相似的波長，并且兩個LED位于距光電檢測器二極管的不同距離處。根據這樣的實施例的光學設備進一步包括用于測量環境溫度的溫度傳感器和用于取決于所測量的環境溫度選擇兩個LED中的一個的控制單元，諸如控制器。
[0021]這樣的實施例已經基于以下觀察而實現。當LED與光電檢測器二極管之間的距離增加時，則由光電檢測器二極管接收的光的量大幅減少并且脈搏幅度增加。由于由光電檢測器二極管接收的光的量在較低距離處更重要，因此可能優選的是使用最靠近光電檢測器二極管的LED，然而這是以較低脈搏幅度為代價的。當環境溫度降低時該情形可能變得不同，這造成到皮膚中的較低血液灌注，特別是在皮膚的表皮層中。結果是最靠近光電檢測器二極管的第一LED的脈搏信號的幅度快速減小，這對于在距光電檢測器二極管的較大距離處的第二LED而言不是相同的。事實上，由該第二LED發射的光信號進入皮膚的較深層中，其中血管更大并且其另外受環境溫度的降低影響較少，從而導致大得多的脈搏信號。
[0022]基于上文，提出一種光學設備，其因而具有位于距光電檢測器二極管的不同距離處的兩個LED、溫度傳感器和控制單元以基于由溫度傳感器測量的溫度自動選擇兩個LED中的一個。在功率節約模式中，控制單元配置成切換到最靠近光電檢測器二極管的第一LED。當外部寒冷時，例如當由溫度傳感器測量的環境溫度處于預定的閾值(諸如10°C)以下時，控制單元配置成自動切換到位于較大距離處的第二 LED。
[0023]在本說明書和權利要求中，元件之前的詞語“一”或“一個”不排除多個這樣的元件的存在。另外，詞語“包括”不排除所列出的那些之外的其它元件或步驟的存在。
[0024]權利要求中的括號中的參考標記的包括意在幫助理解并且不意在是限制性的。
[0025]通過閱讀本公開，其它修改對本領域技術人員將是明顯的。這樣的修改可以牽涉本領域中已知的并且可以替代于或附加于本文已經描述的特征而使用的其它特征。
【主權項】
1.用于測量用戶心率的光學設備，所述設備包括: -用于向用戶的皮膚中發射光的兩個光源(1，2;11，12;21，22)， -用于從由所述兩個光源中的每一個發射并且通過用戶的皮膚反射的光接收光信號以便確定用戶心率的傳感器(3; 13; 23)， 其中所述兩個光源(I，2)位于距傳感器的不同距離處，使得從所述兩個光源中的每一個接收的光信號(I1,12)具有到皮膚中的不同穿透深度。2.如權利要求1中所述的光學設備，進一步包括用于測量環境溫度的溫度傳感器和用于取決于所測量的環境溫度而選擇光源中的一個的控制單元。3.如權利要求2中所述的光學設備，其中控制單元配置成選擇: -在功率節約模式中最靠近傳感器的光源， -當由溫度傳感器測量的環境溫度在預定的閾值以下時離傳感器最遠的光源。4.如權利要求1至3中所述的光學設備，其中由所述兩個光源發射的光信號具有相同或相似的波長。5.如權利要求4中所述的光學設備，其中由所述兩個光源發射的光的顏色是綠色。6.如權利要求1至3中所述的光學設備，其中由所述兩個光源發射的光信號具有不同的波長。7.如權利要求6中所述的光學設備，其中由一個光源發射的光的顏色是綠色并且由另一光源發射的光的顏色是藍色，并且其中與藍色光源相比，綠色光源放置在距傳感器更大的距離處。8.如前述權利要求中任一項中所述的光學設備，其中一個光源(12)關于用戶的皮膚表面被抬起。9.如前述權利要求中任一項中所述的光學設備，其中由光源發射的光信號在不同時間處脈動并且與傳感器同步。10.如前述權利要求中任一項中所述的光學設備，其中光源是發光二極管。11.如前述權利要求中任一項中所述的光學設備，其中傳感器是光電檢測器二極管。12.如前述權利要求中任一項中所述的光學設備，布置用于佩戴在手腕處。
【文檔編號】A61B5/00GK105939656SQ201580007273
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年1月22日
【發明人】C.N.普雷蘇拉
【申請人】皇家飛利浦有限公司