用於節能的、低噪聲的光電容積描記傳感器模塊的光學布置的製作方法
2023-05-15 01:07:21 2
本公開涉及生物計量監測裝置，更具體地，涉及用於包括在生物計量監測裝置內的功率節能的、低噪聲的光電容積描記(ppg)傳感器模塊的光學布置。
技術背景
以下描述和實施例僅作為背景提供，並且旨在揭示被認為與本公開可能相關的信息。不必特意承認或解釋為任何以下信息構成影響本文要求保護的主題的可給予專利權的特徵的現有技術。
傳感器、電子設備和電源小型化的最新進展已經允許提供小尺寸的個人健康監測裝置，本文中也稱為生物計量監測裝置。這些生物計量監測裝置可以從嵌入在所述監測裝置內的各種傳感器或裝置收集和/或導出一種或多種類型的生理數據和/或環境數據，並且可以將這類數據提供給用戶接口而用於跟蹤個人的健康或運動狀態。可以由生物計量監測裝置監測的信息的示例類型包括但不限於心率、血壓、氧飽和度、呼吸率、皮膚溫度和/或體溫、燃燒的卡路裡、爬樓和/或下樓的樓層、曝光、地理位置和/或前進方向、高度、步行速度和/或行進距離等。
特別地，在現今生物計量感測技術可用於各種身體狀況的人(從尋求提高運動表現的嚴肅認真的運動員到僅尋求更健康的、更積極的生活方式的人)之後，心率監測是最受歡迎的一種生物計量感測技術。精確的心率監測能夠精確計算消耗的卡路裡，使其更容易維持飲食養生方案。
心率測量傳統上限於使用連結到外部裝置(如智慧型手機或專用健身手錶)或連結到集成到健身設備上的電觸摸板的胸帶。這些心率測量解決方案帶來了獨特的問題。例如，許多人發現胸帶穿起來不方便或不舒服，而其他人發現智慧型手機難以在跑步或騎行時進行監測，並且健身手錶太笨重了。由於集成到健身設備上的電觸摸板不是可穿戴式生物計量監測裝置，因此只能在使用者與觸摸墊接觸時從這些裝置獲取心率測量值。
最近，在腕戴式生物計量監測裝置中提供了心率監測技術，因此只要使用者佩戴所述裝置，就提供了更方便舒適的方式來測量心率。然而，常規的腕戴式監測裝置的測量準確度經常受到以下所列項的不利影響：手腕中較弱(與胸部相比)的血流信號、由使用者的運動引入測量信號的複雜運動偽影、皮膚組成和顏色的差異和/或設計不良的傳感器模塊。常規的腕戴式監測裝置也趨向於是昂貴的且耗電量大的，這限制了這類裝置的電池壽命。一些腕戴式生物計量監測裝置也是笨重的且佩戴麻煩。
因此，需要一種改進的生物計量監測裝置，所述生物計量監測裝置在空間受限的可穿戴式裝置中提供精確的心率監測，同時降低功耗並延長電池壽命。雖然本文描述的是可穿戴式生物計量監測裝置，並且更具體地是腕戴式生物計量監測裝置，但是本文所描述的傳感器模塊可用於各種各樣的可穿戴式設備(包括活動跟蹤健身帶和條帶、計步器和智能手錶)以及健身設備、浴室秤以及患者監測裝置。
技術實現要素：
光電容積描記(ppg)傳感器模塊和包括所述ppg傳感器模塊的生物計量監測裝置的各種實施例的以下描述不以任何方式解釋為限制所附權利要求的主題。
總體來說，認為本公開提供了一種改進的生物計量監測裝置，所述生物計量監測裝置在空間受限的可穿戴式裝置中提供精確的心率監測，同時降低功耗並延長電池壽命。本公開通過使所述生物計量監測裝置具有改進的ppg傳感器模塊來實現這些目的，所述ppg傳感器模塊優化了包括在所述ppg傳感器模塊內的一個或多個發光二極體和一個或多個光電探測器的光學布置，以便使可以從生物組織接收並由所述(多個)光電探測器探測的反射光的量最大化。本文所公開的優化布置改善了探測到的信號的信噪比(snr)，並且提高了心率測量信號的準確度，使得即使在具有較弱血流的周邊位置也能夠精確地監測心率。由於改進了snr，所以可以在本文描述的ppg傳感器模塊中降低功耗而不會不利地影響測量準確度。在一些實施例中，可以通過在所述ppg傳感器模塊內提供多個led/光電探測器對來進一步改進準確度，每對led/光電探測器可能提供用於接收來自生物組織的反射光的不同信號路徑。這提供了信號分集並且可以通過使具有最佳snr的反射信號用於監測心率而顯著地改進各種不同皮膚類型和測量位置(例如，手腕、上臂、腳踝等)的測量準確度。雖然本文描述的是用於監測心率，但是本文描述的ppg傳感器模塊還可用於監測呼吸和其他循環狀況，如血壓、血容量、動脈硬度、氧飽和度、血糖水平、心律、血容量不足以及血容量過多等等。
根據一個實施例，改進的ppg傳感器模塊通常可以包括第一發光二極體(led)和光電探測器。所述第一led可以被配置為發射光，並且可以定位在ppg傳感器模塊上而用於將所發射的光透射到生物組織中。所述光電探測器通常可以被配置為探測由所述第一led透射到生物組織中並反射回到所述光電探測器的部分光。
通常，第一led可以被配置為發射基本上任何可見光或紅外波長範圍內的光。然而，當監測心率時，所述第一led可以被配置為發射在約495nm和約570nm之間延伸的波長範圍內的綠光。在一些實施例中，所述改進的ppg傳感器模塊可以包括一個或多個附加led，所述附加led被配置為發射綠光、藍光(例如，在約380nm和450nm之間延伸的波長範圍內的光)、紅光(例如，在約620nm和750nm之間延伸的波長範圍內的光)和/或紅外光(例如，在約700nm和1mm之間延伸的波長範圍內的光)。當由一個或多個附加led發射的光被透射到生物組織中、反射回並被光電探測器接收時，所反射的/接收的光可以用於為心率測量信號提供信號分集，去除由第一led發射並由光電探測器探測的綠光信號中的噪聲分量，或收集和/或導出與其它生理條件有關的數據。
光電探測器優選地是細長光電探測器，所述細長光電探測器的較長尺度是所述細長光電探測器的較短尺度的至少1.5倍。在一些實施例中，所述細長光電探測器的較長尺度可以是所述細長光電探測器的較短尺度的大約2倍至大約8倍。所述細長光電探測器定位在ppg傳感器模塊上，使得所述較長尺度面向第一led。在一些實施例中，所述細長光電探測器可被定位在ppg傳感器模塊上，使得ppg傳感器模塊的平面中穿過第一led的中心點的線實質上平分細長光電探測器的較長尺度。以這種方式布置細長光電探測器可以最大化可由細長光電探測器探測的反射光的收集角度，使得可以沿著其較長邊緣收集更多的反射光。
在一些實施例中，ppg傳感器模塊還可以包括附加細長光電探測器，所述附加細長光電探測器被配置為探測由第一led透射到生物組織中並反射回所述附加細長光電探測器的部分光。類似於所述第一細長光電探測器，所述附加細長光電探測器的較長尺度優選地是所述附加細長光電探測器的較短尺度的至少1.5倍(更優選地，約2至約8倍)。所述第一led布置在所述細長光電探測器和所述附加細長光電探測器之間。在一些實施例中，所述附加細長光電探測器可以定位在ppg傳感器模塊上，使得ppg傳感器模塊的平面中穿過第一led的中心點的線實質上平分所述細長光電探測器的較長尺度和所述附加細長光電探測器的較長尺度。在一些實施例中，可以通過將每個led/光電探測器對分隔開不同的距離來提供信號分集。例如，所述細長光電探測器和所述第一led分隔開的第一距離可以基本上大於或基本上小於所述第一led和所述附加細長光電探測器分隔開的第二距離。為了「基本上大於」或「基本上小於」，第一距離可以是第二距離的大約2倍至大約16倍或大約1/2至大約1/16。
在一些實施例中，ppg傳感器模塊還可以包括第二led，所述第二led被配置為發射光並且位於ppg傳感器模塊上而用於將所發射的光透射到生物組織中。在一些實施例中，細長光電探測器可以定位在第一led和第二led之間，使得ppg傳感器模塊的平面中穿過的第一led的中心點和第二led的中心點的線實質上平分細長光電探測器的較長尺度。換句話說，細長光電探測器可以定位在第一led和第二led之間，使得穿過所述第一led和第二led的相應中心點的線也穿過所述細長光電探測器的中心點。
在一些實施例中，ppg傳感器模塊還可以包括第三led和第四led，所述第三led和第四led中的每一個可以被配置為發射光並且可以定位在ppg傳感器模塊上而用於將所發射的光透射到生物組織中。在一些實施例中，細長光電探測器可以定位在第一led和第二led之間，使得ppg傳感器模塊的平面中穿過第一led和第二led的相應中心點的線穿過所述細長光電探測器的較長尺度的上半部分。所述細長光電探測器還可以定位在第三led和第四led之間，使得所述ppg傳感器模塊的平面中穿過第三led和第四led的相應中心點的線穿過所述細長光電探測器的較長尺度的下半部分。
根據另一個實施例，改進的ppg傳感器模塊通常可以包括第一led和第二led，所述第一led和第二led中的每一個被配置為發射光並且定位在ppg傳感器模塊上而用於將所發射的光透射到生物組織中；以及光電探測器，所述光電探測器被配置為探測一部分光，該部分光由所述第一led和第二led中的至少一個透射到生物組織中並反射回到光電探測器。如在前面的實施例中，所述光電探測器優選地是細長光電探測器，所述細長光電探測器的較長尺度是所述細長光電探測器的較短尺度的至少1.5倍(並且更優選地大約2至大約8倍)。
在這個實施例中，所述光電探測器優選地被布置在所述ppg傳感器模塊上在第一led和第二led之間，使得所述光電探測器和所述第一led分隔開的第一距離基本上大於或基本上小於所述光電探測器和所述第二led分隔開的第二距離。例如，第一距離可以是第二距離的大約2倍至大約16倍或大約1/2至大約1/16。通過使所述第一led/光電探測器對和所述第二led/光電探測器對分開基本上不同的距離，所述改進的ppg傳感器模塊可以通過為反射光提供不同的信號路徑以返回到所述光電探測器來提供信號分集。
在一些實施例中，ppg傳感器模塊還可以包括第三led和第四led，所述第三led和第四led中的每一個可以被配置為發射光並且可以定位在所述ppg傳感器模塊上用於將所發射的光透射到生物組織中。在這類實施例中，所述光電探測器可以進一步布置在所述第三led和第四led之間，使得所述光電探測器和所述第三led分隔開的第三距離基本上大於或基本上小於所述光電探測器和所述第四led分隔開的第四距離。在一些實施例中，所述第一led和所述第三led可以布置在所述光電探測器的一側，並且所述第二led和所述第四led可以布置在所述光電探測器的相對側。在一些實施例中，第一距離可以基本上等於第三距離，並且第二距離可以基本上等於第四距離。在其他實施例中，第一距離、第二距離、第三距離和第四距離可以都是基本上彼此不同的。
附圖的簡要說明
通過閱讀以下詳細描述並參考附圖，本公開的其他目的和優點將變得顯而易見。
圖1是示出包括改進的光電容積描記(ppg)傳感器模塊的生物計量監測裝置的一個實施例的框圖；
圖2是示出行進通過生物組織的光信號的某些行為的圖；
圖3是示出根據第一實施例的具有優化的光學布置的ppg傳感器模塊的簡化框圖；
圖4是示出根據第二實施例的具有優化的光學布置的ppg傳感器模塊的簡化框圖；
圖5a是示出根據第三實施例的具有優化的光學布置的ppg傳感器模塊的簡化框圖；
圖5b是示出根據第四實施例的具有優化的光學布置的ppg傳感器模塊的簡化框圖；
圖6是示出根據第五實施例的具有優化的光學布置的ppg傳感器模塊的簡化框圖；以及
圖7是示出根據第六實施例的具有優化的光學布置的ppg傳感器模塊的簡化框圖。
雖然本文公開的ppg傳感器模塊和生物計量監測裝置容許各種修改和替代形式，但是其具體實施例在附圖中以示例的方式示出並且將在本文中詳細描述。然而，應當理解，附圖及其詳細描述並不旨在將本公開限於所公開的特定形式，而是相反地，本發明旨在涵蓋落入由所附權利要求所限定的本公開的精神和範圍內的所有修改、等效物和替代物。
具體實施方式
本公開涉及生物計量監測裝置，所述生物計量監測裝置通常(但並不排他地)被設計為由使用者連續地、間斷地或在某些活動(例如，在鍛鍊時)期間佩戴。可穿戴式生物計量監測裝置通常是尺寸小的，以便對於佩戴者來說相對不引人注目，並且通常設計為長時間佩戴而沒有不適。這些裝置可以佩戴在各種不同的身體部位上，包括例如使用者的手腕、手臂、腳踝、腿或胸部，而不會干擾使用者的運動範圍或日常活動。因此，可穿戴式生物計量監測裝置可以以各種形狀因子提供，包括帶或條帶的各種構造，其大小設置成適應使用者的手腕、手臂、腳踝、腿或胸部，並且配置為使所述裝置壓迫使用者的皮膚。或者，可穿戴式生物計量監測裝置可以附接到使用者的衣服，或者可以插入到將所述裝置壓迫在使用者的皮膚上的可穿戴式袖子、襪子或壓迫帶中。
當佩戴時，生物計量監測裝置可收集和/或獲得對應於佩戴者的生理狀態、身體狀態和/或周圍環境的數據。因此，生物計量監測裝置可以包括各種生物計量和環境傳感器，用於收集和/或獲得關於心率、血壓、氧飽和度、呼吸率、皮膚溫度和/或體溫、燃燒的卡路裡、爬樓和/或下樓的樓層、步行速度和/或行進距離、曝光、地理位置、前進方向和/或高度等的數據。除了一個或多個生物計量和環境傳感器之外，生物計量監測裝置還可以包括用於對傳感器信號進行採樣、數位化和/或過濾的電路，用於控制傳感器功能、處理由所述傳感器收集的數據和/或獲得關於佩戴者的生理狀態、物理狀態和/或環境的信息的處理器或其他控制電路，以及用於存儲可由所述處理器執行而實現這樣功能的程序指令和/或用於臨時地或持久地存儲所收集/處理/獲得的數據的存儲器。在一些情況下，生物計量監測裝置還可以包括用於顯示所收集/處理/導出的數據和/或用於顯示用戶配置選項的用戶接口。另外地或可替代地，生物計量監測裝置可包括用於與客戶端或外部裝置通信的通信接口(例如，有線的或無線的)。
圖1是示出根據一個示例性實施例的生物計量監測裝置的各種部件的框圖。雖然為了展示所要求保護的裝置的各種特徵和功能的目的而在本文示出和描述了生物計量監測裝置的某些部件，但是本領域技術人員將理解並意識到，在圖1所示的生物計量監測裝置中可以包括附加的和/或替代的部件而不偏離本發明的範圍。
如圖1所示，生物計量監測裝置10通常包括一個或多個傳感器模塊20、30，處理器40，存儲器50，接口60和電源70。一個或多個傳感器模塊20、30通常被配置為收集關於佩戴者的生理狀態、物理狀態和/或周圍環境的數據。處理器40通常被配置為控制生物計量監測裝置10的功能、處理由傳感器模塊收集的數據和/或基於所收集的數據以導出與佩戴者的生理狀態、物理狀態和/或環境有關的信息。存儲器50通常被配置為存儲程序指令，所述程序指令可由處理器40執行而實現這種功能，和/或被配置為臨時地或持久地存儲所收集、處理和/或導出的數據。在一些實施例中，接口60可以是用戶接口，所述用戶接口被配置為顯示所收集、處理和/或導出的數據和/或顯示用戶配置選項。在其他實施例中，接口60可以另外或替代地包括用於將收集、處理和/或導出的數據傳送到外部設備或應用程式的通信接口(例如，有線或無線通信接口)。電源70可以包括用於向生物計量監測裝置10的部件供電的電池，並且在一些情況下可以包括附加電路，用於對由電池提供給生物計量監測裝置10的一個或多個部件的電流或電壓調節或整流。在一些實施例中，電源70可以包括用於對可充電電池進行充電的附加電路。
在圖1所示的特定實施例中，生物計量監測裝置10包括光電容積描記(ppg)傳感器模塊20以及可選的一個或多個附加傳感器模塊30。可以包括在生物計量監測裝置內的附加傳感器模塊30的示例包括但不限於溫度傳感器、心電圖傳感器(ecg或ekg)、皮膚阻抗傳感器、皮膚電反應傳感器(皮膚的dc電阻)、運動探測傳感器(例如，加速度計、陀螺儀傳感器或全球定位系統(gps))、環境光傳感器等。
如本領域中已知的，ppg傳感器模塊通常被配置為監測器官(例如，動脈或小動脈)的容積變化。對於每個心動周期，心臟將血液泵送到身體的外圍。雖然壓力脈搏在其到達皮膚時有些衰減，但足以使皮下組織中的動脈和小動脈擴張。ppg傳感器模塊通過用光照射皮膚並測量反射回到(或可選地，透射通過)傳感器模塊的光量來測量由血壓脈搏引起的容積變化。當被配置為探測心率時，ppg傳感器模塊可以透射具有足以到達皮下組織層的波長和強度的光信號，並且可以接收從皮下組織中的動脈或小動脈反射回來的調幅(am)光信號。每個心動周期都會出現由ppg傳感器模塊探測到的am光信號中的峰值，並且通常通過監測或計數am光信號隨時間變化的峰數來確定心率。
ppg傳感器模塊通常被稱為光學心率監測器。然而，因為到皮膚的血流可以由多個其他生理系統來調節，所以ppg傳感器模塊還可以用於監測呼吸和其他循環狀況，如血壓、血容量、動脈硬度、氧飽和度、血糖水平、心律、血容量不足以及血容量過多等等。
圖1示出了可以包括在ppg傳感器模塊20內的示例性部件。通常，ppg傳感器模塊20包括發射器模塊，所述發射器模塊包括一個或多個led80以及用於將光210透射到佩戴者皮膚200的皮下組織中的相關聯的(多個)驅動器90。由於ppg傳感器模塊20的目的是測量或監測心率，所以光210優選地被透射到相對靠近動脈、小動脈或毛細血管220的部分皮下組織中。雖然光信號210在行進穿過組織時衰減，但是所透射的光信號210的一部分將從搏動的動脈220反射回到ppg傳感器模塊20，成為反射的調幅(am)光信號230，在此光信號230由包括一個或多個光電探測器100、(多個)模數轉換器(adc)110以及可選的(多個)濾波器(flt)120的探測器模塊來接收。除了所述發射器和探測器模塊之外，ppg傳感器模塊20還可以包括控制器130以及電壓調節器140。控制器130被耦連而用於從處理器40接收控制數據，以便控制發射器和探測器模塊，並且還用於從探測器模塊接收數位化的(以及可能被過濾的)信號。可以在ppg傳感器模塊20內包括電壓調節器140，用於對提供給包括在ppg傳感器模塊20內的一個或多個部件的電源電壓進行調節。
在一些實施例中，由一個或多個led80透射的光210的波長和/或由一個或多個光電探測器100探測到的光230的波長可以專門用於要收集的特定類型的生理和/或環境數據。例如，當收集和/或導出關於心率的數據時，發射器模塊可以包括一個或多個綠色led，所述綠色led被配置為發射在約495nm和570nm之間延伸的波長範圍內的光。在一些實施例中，發射器模塊可以另外地或可替代地包括一個或多個紅色led，所述紅色led被配置為發射在約620nm和750nm之間延伸的波長範圍內的光；以及一個或多個紅外led，所述紅外led被配置為在收集和/或導出關於氧飽和度的數據時發射在約700nm和1mm之間延伸的波長範圍內的光。
在ppg傳感器模塊20的發射器模塊內還可以包括被配置為發射其他波長範圍內的光的可替代光源。在一些實施例中，例如，在發射器模塊內可以包括被配置為發射在約380nm和450nm之間延伸的波長範圍內的光的一個或多個藍色led。由於藍色波長範圍內的光信號不穿透皮下層，反射回探測器模塊的藍光可以幾乎沒有心率信息。在一些實施例中，所反射的藍光可以用作參考信號，用於減少或消除由光電探測器100探測到的所反射的綠光信號中的運動偽影或其他噪聲分量。在美國專利申請序列號14/872,605中公開了這樣做的附加細節，這項專利申請被一般指定並且通過引用以其全部內容結合在此。
在一些實施例中，一個或多個光電探測器100可以是(一個或多個)廣譜光電探測器，其被配置為探測寬波長範圍(包括例如紫外波長、可見光波長和紅外波長)內的反射光230。在其他實施例中，探測器模塊可以包括一個或多個光電探測器100，其被配置用於探測更具體的波長的光(例如，僅藍色光譜、僅綠色光譜、僅紅色光譜或僅紅外光譜內的波長)。可替代地，可以在探測器模塊內包括一個或多個濾光器(未示出)，用於縮窄一個或多個廣譜光電探測器100的波長探測範圍。在優選實施例中，一個或多個光電探測器100可以包括(一個或多個)矽光電二極體，然而，在其他實施例中可以使用被配置作為光電探測器的led。
由(多個)光電探測器100接收的光信號230的強度取決於許多因素，包括但不限於所透射的光信號210的強度和波長、佩戴者皮膚200的組成和/或顏色以及生物計量監測裝置10在佩戴者身體上的物理位置。例如，所透射的光信號210的強度和波長，並且在某種程度上，佩戴者皮膚200的組成和/或顏色，確定了光信號在前行穿過皮膚組織和皮下組織時衰減的程度。另外，由於血流信號在身體的外圍區域(例如，手腕、腳踝以及其他血管化較差的區域)中基本上比較弱，所以當生物計量監測裝置10放置在這類外圍位置上時通常更難以獲取準確的心率信號。
在傳統的生物計量監測裝置中，相對普遍地，將光電探測器和一個或多個led安裝或嵌入在監測裝置的外表面上，監測裝置被設計為鄰近佩戴者的皮膚。在一些裝置中，光電探測器可以布置在一對led之間以便探測反射光，並且在一些情況下，可以使用一個或多個遮光罩和/或光導來阻擋或減少對由led直接透射到光電探測器的光的探測。然而，當設計ppg傳感器模塊時，傳統的生物計量監測裝置通常沒有考慮光電探測器相對於led的尺寸、形狀、取向和放置。通過大量的實驗和分析，本發明人已經認識到，通過優化包括在ppg傳感器模塊20內的(多個)led和(多個)光電探測器的光學布置，可以顯著地提高測量準確度。除了提高測量準確度之外，優化(多個)led和(多個)光電探測器的光學布置通過在不影響測量信號的信噪比的情況下使提供給(多個)led的驅動電流和/或佔空比減少而導致了顯著的功率節省的效果。
可以通過優化led80和相應的光電探測器100分隔開的距離(d)來至少部分地優化所述光學布置。如圖1和圖2所示，隨著led80和光電探測器100之間的距離(d)的增加，所透射的光信號210的強度迅速下降。例如，在典型的人的手腕中，在組織中的漫射可導致光載波能量在led80和光電探測器100分隔開的距離(d)中的每毫米(mm)都在下降。因為低載波能量在探測到的信號中產生更多的散粒噪聲，所以傳統的生物計量監測設備傾向於驅動更亮的led以改善信噪比。這是不期望的，因為它增加了功耗並且降低了led的效率。
圖2進一步顯示，當載波能量減小時，隨著led80和光電探測器100之間的距離(d)增加，反射信號230的dc分量或量級稍微線性地增加(直到一個點)。因此，可以選擇led80和相應的光電探測器100之間的最佳距離(d*)，以便使對於給定載波強度(c*)由光電探測器100探測到的反射光230的量最大化，所述給定載波強度已被預先確定以最小化或提供可接受的散粒噪聲量。
根據一個實施例，綠色led80和相應的光電探測器100之間的最佳距離(d*)可以在約0.5mm和約8mm之間的範圍內。雖然這個範圍的下端(例如，約0.5mm至約2mm)可以導致相對較低的調製強度230，但是對於較深的皮膚色調是優選的，較深的皮膚色調增加了額外的組織進入和離開衰減。同樣地，雖然這個範圍的上端(例如，約2mm至約8mm)可能(由於較低的載波信號強度210)受到增加的散粒噪聲，但是對於較淺的皮膚色調而言是優選的，較淺的皮膚色調不會出現跟調製信號230一樣多的衰減。通過大量的實驗和分析，本發明人已經發現，範圍在約1mm和約5mm之間，更優選地在約1.5mm和約3mm之間的最佳距離(d*)已經被發現可針對各種不同皮膚類型在散粒噪聲和調製強度之間提供可接受的折衷。然而，由於最佳距離(d*)也取決於透射光210的波長，因此當使用不同顏色的led(例如，藍色、紅色或紅外led)來將光透射到佩戴者的皮膚時，不同的範圍可以是合適的。
根據一個實施例，通過以最佳距離(d*)布置led80和相應的光電探測器100，這樣使得對於給定載波強度(c*)由光電探測器100探測到的反射光230的量最大化，進而提高ppg傳感器模塊20中的測量準確度。因為散粒噪聲在最佳距離處被最小化(或至少減小到可接受的水平)，所以(多個)led不必被驅動得像在傳統生物計量監測裝置中那樣亮，由此提供了功率節省並提高了led效率。然而，由於led80和相應的光電探測器100之間的最佳距離(d*)取決於其它因素，如透射光210的波長、佩戴者皮膚的組成和顏色以及所監測的動脈的深度，一些實施例可以在ppg傳感器模塊20內包括多個led/光電探測器對，並且可以為每個led/光電探測器對單獨地確定最佳距離(d*)。通過在ppg傳感器模塊20內包括多個led/光電探測器對，每個led/光電探測器對可能地分隔開不同的最佳距離(d*)，ppg傳感器模塊20提供了信號分集並且可以通過使具有最佳信噪比的反射信號230被用於監測心率而顯著地提高各種不同皮膚類型和測量位置(例如，手腕、上臂、腳踝等)的測量準確度。
當優化所述(多個)led和(多個)光電探測器的光學布置時，分隔距離不是應該考慮的唯一因素。當壓住佩戴者的皮膚時，(多個)led80實質上全方位地將光照射到周圍組織中，並且所述光的至少一部分以類似的模式反射回到ppg傳感器模塊20。在理想情況下，最佳有效的傳感器模塊將led定位在圍繞所述led的相對較薄的光電探測環的中心，以便使可以由光電探測器探測到的反射光的收集角度最大化(即提供360°收集角度)。由於360°環是不切實際的，更現實的布置是在ppg傳感器模塊20的空間和成本限制內使得由一個或多個光電探測器100可以探測到的反射光的收集角度(x)最大化。在本公開中通過利用至少一個細長光電探測器(例如，其長度顯著大於其寬度的光電探測器，或反之亦然)並且對至少一個細長光電探測器進行定向而使得所述光電探測器的較長尺度(例如長度)或較長邊緣面向所述led布置和/或布置成基本上垂直於反射光的輻射圖案，以實現該目的。
圖3-7示出了具有優化的光學布置的ppg傳感器模塊的各種優選實施例。除了以最佳距離(d)布置至少一個led以及至少一個相應的光電探測器之外，圖3-7還顯示了可以通過使可以由所述光電探測器探測到的反射光的收集角度(x)最大化來進一步優化所述光學布置。
ppg傳感器模塊300的第一優選實施例在圖3中顯示為包括單個led310以及單個光電探測器320。led310和光電探測器320可以通常被配置為發射光和探測光，如以上對於led80和光電探測器100所描述的。在圖3的實施例中，附圖標記330表示圖1所示的其餘ppg傳感器模塊部件(例如，(多個)led驅動器(drv)90、(多個)adc110、(多個)濾波器120、控制電路130以及電壓調節器140)的大概放置。其餘ppg傳感器模塊部件的大概放置同樣地由圖4-7中的附圖標記440、560、565、570、575以及680來表示。然而，本領域技術人員將理解，其餘ppg傳感器模塊部件不一定限於圖3-7所示的放置。
與通常在常規ppg傳感器模塊中使用的方形光電探測器不同，光電探測器320是長度(lpd)比寬度(wpd)長的多的細長光電探測器。根據一個實施例，細長光電探測器320的長度(lpd)可以是細長光電探測器100的寬度(wpd)的大約1.5倍至大約5倍。更優選地，細長光電探測器320的長度(lpd)可以是細長光電探測器320的寬度(wpd)的大約2倍至大約4倍。在一個示例中，細長光電探測器320的長度(lpd)約為2mm，並且細長光電探測器320的寬度(wpd)約為0.5mm。然而，光電探測器320不限於本文所述的示例性尺度，並且可以包括適合在ppg傳感器模塊300的空間限制內並提供細長光電探測器的基本上任何尺度，所述細長光電探測器的較長尺度(例如lpd)或較長邊緣是所述光電探測器的較短尺度(例如wpd)或較短邊緣的至少1.5倍。與正方形光電探測器相比，細長光電探測器320被配置為在適當定向時收集更多反射光。
如以上關於圖1和圖2所述，隨著led310和光電探測器320之間的距離(d)增加，透射光210的量級減小，並且反射光230的量級增加。因此，可以選擇led310和光電探測器320之間的最佳距離(d)，以便最大化撞擊在光電探測器320上的反射光的量級，同時減小或保持可接受的散粒噪聲量。最佳距離(d)至少部分地取決於光電探測器320的尺寸以及ppg傳感器模塊300的空間限制，並且最佳距離(d)可以被選擇以便對於給定載波強度使由光電探測器320探測到的反射光的量最大化，所述給定載波強度已經被預先確定以最小化或提供可接受的散粒噪聲量。如上所述，led310和光電探測器320之間的最佳距離(d)可以在約0.5mm至約8mm之間、約1mm至約5mm之間或約1.5mm至約3mm之間的範圍內。
為了最大化反射光的收集角度(x)，細長光電探測器320優選地被定向為使其較長尺度(lpd)或較長邊緣322朝向或面向led310定向。更具體地，細長光電探測器320優選地定位成使得ppg傳感器模塊300的平面中穿過led310的中心點的線340基本上平分其較長尺度(lpd)或較長邊緣322。換句話說，細長光電探測器320優選地定位成使得線340穿過led310的中心點和光電探測器320的中心點。在這樣做時，細長光電探測器320可以被布置成使得較長尺度(lpd)基本上垂直於透射光的輻射圖案350，使得可以沿著其較長邊緣322收集更多的反射光。
在圖3中，輻射圖案350中的每個圓表示到達細長光電探測器320的透射光的不同量級。從led310向外移動，輻射圖案350中的每個後續圓表示透射光210的大幅降低的量級，但仍有較高量級的反射光230到達細長光電探測器320。在本公開中，通過使細長光電探測器320圍繞線340居中並且使細長光電探測器320的較長尺度(lpd)或較長邊緣322沿著透射輻射圖案350中的一個弧來定向，可以使收集角度(x)最大化。根據一個示例，與led310間隔大約2mm的0.6mm乘1.8mm光電探測器320可以具有大約47°的收集角度(x)。通過以這種方式定向細長光電探測器320來提高測量信號的強度，因為有更多的反射光撞擊在所述光電探測器的較長邊緣322上。
圖4示出了具有優化的光學布置的ppg傳感器模塊400的另一個實施例。類似於ppg傳感器模塊300，ppg傳感器模塊400通過將細長光電探測器420定位在最佳距離(d)並定向光電探測器，以便使反射光的收集角度(x)最大化，進而改善測量信號的信噪比。然而，圖4所示的ppg傳感器模塊400與圖3所示的ppg傳感器模塊300的不同之處在於，在兩個led410和led430之間布置細長光電探測器420。在一些實施例中，led410和led430可以被配置為發射相同波長的光(例如，綠色波長範圍內的光)。在其他實施例中，led410和led430可以被配置為發射顯著不同波長的光。在一個示例中，led410可以被配置為發射具有綠色波長範圍的光，而led430可以被配置為發射在藍色、紅色或紅外波長範圍內的光。
如以上關於圖3所討論的，細長光電探測器420可以大體上被設定尺寸，並且可以布置在led410和led430之間，以交替地收集由led410或led430發射到生物組織中並反射回到ppg傳感器模塊400的光。例如，提供給ppg傳感器模塊電路440內的控制電路或由ppg傳感器模塊電路440內的控制電路產生的控制信號可以使光電探測器420能夠收集在第一時間幀期間由led410發射並反射回到ppg傳感器模塊400的光。在第二時間幀期間，後續控制信號可以使光電探測器420能夠收集由led430發射並反射回到ppg傳感器模塊400的光。
如在前述實施例中，細長光電探測器420優選地：(a)以其較長邊緣422和424分別面向或朝向led410和led430來定向，以及(b)定位成使得ppg傳感器模塊400的平面中穿過led410和led430的中心點的線450基本上平分其較長尺度(lpd)或較長邊緣422和424。換句話說，細長光電探測器420優選地定位成使得線450穿過led410和led430的中心點並且還穿過光電探測器420的中心點。在這樣做時，光電探測器420優選地被布置為使得較長尺度(lpd)基本上垂直於反射光的輻射圖案460和470，使得可以沿著其較長邊緣422和424收集更多的反射光。如上所述，以這種方式定位光電探測器420通過使可由光電探測器420探測到的反射光的收集角度(x1和x2)最大化來提高測量信號的強度。
在圖4的實施例中，led410和led430與光電探測器420分隔開不同的距離(d1和d2)。led/光電探測器對410/420之間的距離(d1)可以被選擇，以使對於給定載波強度由光電探測器420探測到的反射光的量最大化，所述給定載波強度已經被預先確定以最小化或提供可接受的散粒噪聲量。另一方面，led/光電探測器對430/420之間的距離(d2)可以被選擇，以便為心率測量信號提供分集並且考慮皮膚顏色、皮膚組成和測量位置(例如，手腕、上臂、腳踝等)的變化。
在圖4所示的示例性實施例中，led430和光電探測器420之間的距離(d2)顯著小於led410和光電探測器420之間的距離(d1)。例如，在一個實施例中，led/光電探測器對430/420之間的距離(d2)可以是大約2.0mm，並且led/光電探測器對410/420之間的距離(d1)可以是大約3.0mm。在這些示例性分隔距離處，光電探測器420可以具有用於探測源自led410的反射光的大約33°的收集角度(x1)以及用於探測源自led430的反射光的大約49°的收集角度(x2)。
通過將led430布置成更接近光電探測器420(d2＜d1)，反射回到所述光電探測器的光的量級更小；然而，由於所述收集角度較大(x2＞x1)，撞擊到光電探測器420上的反射光的量可以為某些皮膚類型和測量位置提供更好的信噪比。在其他實施例(圖4中未示出)中，可以通過將led430布置得離光電探測器420更遠(d2＞d1)來提供信號分集。在任一情況下，通過包括多個led/光電探測器對(例如，410/420和430/420)並且將每個led/光電探測器對分隔開不同的距離(d1和d2)，ppg傳感器模塊400不僅提供信號分集，還通過使具有最佳信噪比的感測信號用於監測心率來提高各種不同的皮膚類型和測量位置的測量準確度。
圖5a-5b示出了具有優化的光學布置的ppg傳感器模塊500/500』的又一實施例。在圖5a中，單個led510居中地布置在一對細長光電探測器520和530之間。在圖5b中，led510居中地布置在兩對細長光電探測器520/530和525/535之間。注意，儘管圖5a和圖5b示出led510分別居中地布置在2個和4個光電探測器之間，但是本領域技術人員會認識到，可以通過在led510的周圍布置4個以上的光電探測器來進一步優化ppg傳感器模塊500。然而，本領域技術人員可以認識到，雖然包括附加光電探測器可以進一步優化光學布置並提高所探測的測量信號的準確度，但是附加光電探測器可以增加ppg傳感器模塊的成本和尺寸。如圖5b所示，例如，ppg傳感器模塊500』可以在至少一個尺度(例如長度)上略大以容納附加光電探測器525/535。
儘管綠色波長範圍對於監測心率是優選的，但是led510通常可以被配置為發射以上討論的任何波長範圍內的光。細長光電探測器520、525、530和535可以如以上所討論地大體上確定尺寸。光電探測器520、525、530和535中的每一個還優選地：(a)以其較長邊緣(522、527、532、537)之一面向或朝向led510來定向，以及(b)定位成使得ppg傳感器模塊500的平面中穿過led510的中心點的線540基板上平分所述光電探測器的較長尺度(lpd)或較長邊緣。換句話說，led510優選地布置在細長光電探測器520和530之間，使得穿過led510的中心點的線540也穿過光電探測器520和530的中心點(圖5a和圖5b)。同樣地，led510優選地布置在細長光電探測器525和535之間，使得穿過led510的中心點的線545也穿過光電探測器525和535的中心點(圖5b)。這樣做時，每個光電探測器可以被布置成其較長尺度(lpd)基本上垂直於反射光的輻射圖案550，使得可以沿著其較長邊緣(522、527、532、537)收集更多的反射光。
類似於前述實施例，ppg傳感器模塊500通過提供多個led/光電探測器對(例如，510/520、510/525、510/530和510/535)來提供信號分集並提高測量準確度。所述led/光電探測器對的分隔距離可以基本上相同(例如，d1可以基本上等於d2)，或者可以是顯著不同的(例如，d1可以顯著＞或＜d2)。類似地，可以由光電探測器520、525、530和535探測到的反射光的收集角度可以是基本上相同的(例如，x1可以基本上等於x2)，或者可以是顯著不同的(例如，x1可以＞或＜x2)。根據一個實施例，d1和d2都約等於3mm，x1和x2都約等於33°。即使d1＝d2且x1＝x2，考慮到組織不均勻性以及其他變化，ppg傳感器模塊500仍然可以通過在led/光電探測器對510/520、510/525、510/530和510/535之間提供不同的信號路徑來提供信號分集並提高測量準確度。
在圖6和圖7中示出了具有優化的光學布置的ppg傳感器模塊600/700的附加實施例。類似於圖4所示的實施例，ppg傳感器模塊600/700將細長光電探測器610定位在多個led之間。然而，在ppg傳感器模塊600/700中，細長光電探測器610定位在四個led620、630、640和650之間。儘管在圖6和圖7中示出了四個led，但是本領域技術人員會理解，根據ppg傳感器模塊的成本和尺寸限制，ppg傳感器模塊600/700中可以包括更多或更少數量的led。
一般來說，led620、630、640和650可各自被配置為發射以上討論的任何波長範圍內的光。在一些實施例中，led620、630、640和650可以都被配置為發射在相同波長範圍內的光(例如，每個led可以發射綠色波長範圍內的光)。在其它實施例中，所述led中的至少一個可以被配置為發射綠色波長範圍內的光，而其餘led中的一個或多個可以被配置為發射一個或多個不同波長的光(例如，藍色、紅色和/或紅外波長範圍內的光)。
在一些實施例中，光電探測器610可以是廣譜光電探測器，所述廣譜光電探測器被配置為探測寬波長範圍(包括例如紫外波長、可見光波長和紅外波長)內的反射光。在其他實施例中，光電探測器610可以被配置為探測更具體的波長的光(例如，僅藍色光譜、僅綠色光譜、僅紅色光譜或僅紅外光譜內的波長)。無論如何，光電探測器610通常可用於探測用於獲取心率信息的反射綠光。在一些實施例中，光電探測器610可以另外用於探測反射藍光以便獲取用於減少被反射的綠光信號中的噪聲分量的參考信號，和/或光電探測器610可以另外用於探測反射的紅光和紅外光以便獲取關於氧飽和度的信息。在優選實施例中，光電探測器610是矽光電二極體。然而，在其他實施例中可以使用被配置為光電探測器的led。
如在前述實施例中，光電探測器610是細長光電探測器，所述細長光電探測器的長度(lpd)比寬度(wpd)長得多。然而，在這個實施例中，細長光電探測器610的長度(lpd)可以是細長光電探測器610的寬度(wpd)的大約1.5倍至大約8倍，以容納附加的led。如前所述，細長光電探測器610優選地：(a)以其較長邊緣612和614朝向或面向led620、630、640和650來定向，以及(b)被布置成使得較長尺度(lpd)基本上垂直於反射光的輻射圖案(為了清楚的目的而從圖6和圖7中移除)，使得可以沿著其較長邊緣612和614收集更多的反射光。如上所述，以這種方式定位光電探測器通過使得可由光電探測器610探測到的反射光的收集角度(x1、x2、x3以及x4)最大化來提高測量信號的強度。
與前述實施例不同，光電探測器610不定位成使得ppg傳感器模塊600的平面中穿過led620、630、640和650的中心點的線基本上平分其較長尺度(lpd)或較長邊緣。為了在所述光電探測器的任一側上容納多個led，光電探測器610優選地被定位成使得ppg傳感器模塊600的平面中穿過led620和640的中心點的線660穿過其較長尺度(lpd)的上半部分，而ppg傳感器模塊600的平面中穿過led630和650的中心點的另一條線670穿過其較長尺度(lpd)的下半部分。光電探測器610的相同側面上的led之間的分隔距離(z)(例如，led620/630和led640/650之間的分隔距離)可以儘可能接近以使收集角度(x)最大化。然而，組裝要求可以將分隔距離(z)增加到近似所述光電探測器的長度。
類似於圖4和圖5所示的實施例，ppg傳感器模塊600/700通過提供多個led/光電探測器對(例如620/610、630/610、640/610和650/610)來提供信號分集並提高測量準確度。在一些情況下，分隔每個led/光電探測器對的距離可以是基本上相同的(例如，d1＝d2＝d3＝d4)。然而，在圖6中，將每個led/光電探測器對分隔開不同的距離(例如，d1≠d2≠d3≠d4)，並且每個led/光電探測器對包括顯著不同的反射光收集角度(例如，x1≠x2≠x3≠x4)。在一個示例中，d1可以是大約4mm，d2可以是大約3mm，d3可以是大約2mm，並且d4可以是大約1.5mm。在這些分隔距離處，1.8mm乘0.6mm(長度乘以寬度)的光電探測器610可以具有約25°的收集角度x1、約33°的收集角度x2、約49°的收集角度x3、以及約62°的收集角度x4。不管使用的確切尺度如何，圖6所示的ppg傳感器模塊600可以通過在每個led/光電探測器對之間提供顯著不同的信號路徑來提供最大信號分集。
在圖7中，在光電探測器610的一側上的led/光電探測器對(例如，620/610和630/610)以第一公共距離(例如，d1＝d2)分隔開，而在光電探測器610的相對側上的led/光電探測器(例如，640/610和650/610)以第二公共距離(例如，d3＝d4)分隔開，所述第二公共距離與所述第一公共距離(例如，d3，d4≠d1，d2)不同。由於d1基本上等於d2，由光電探測器610探測到的來自於led620和led630發射的光的反射光的收集角度也可以基本上相等的(例如，x1可以基本上等於x2)。同樣，由於led/光電探測器對640/610和650/610也以公共距離(例如，d3＝d4)分隔開，這些對也包括相似的收集角度(例如，x3可以基本上等於x4)。然而，由於使led/光電探測器對640/610和650/610分隔開的第二公共距離顯著小於使led/光電探測器對620/610和630/610分隔開的第一公共距離(例如，d3＜d1)，因此收集角度x3和x4可以顯著大於收集角度x1和x2。
圖7示出了ppg傳感器模塊700的示例性尺度。根據所示實施例，led620的中心點與光電探測器610的第一長邊緣612之間的距離(d1)以及led630的中心點與第一長邊緣612之間的距離(d2)可以是大約2.80mm。在光電探測器的另一側上，led640的中心點與光電探測器610的第二長邊緣614之間的距離(d3)以及led650的中心點與第二長邊緣614之間的距離(d4)可以是大約1.73mm。在圖7所示的示例性實施例中，在光電探測器610的相同側上的led(例如，led620/630和led640/650)以大約0.9mm分隔開。
在圖7中，光電探測器610是具有大約1.8mm的長度(lpd)和大約0.6mm的寬度(wpd)的細長光電探測器。光電探測器610被定位成使得穿過led620和led640的中心點的線660穿過其較長尺度(lpd)的上半部分，而穿過led630和led650的中心點的線670穿過其較長尺度(lpd)的下半部分。在圖7所示的特定實施例中，線660平分光電探測器610的上半部分，而線670平分光電探測器610的下半部分。由於d1＝d2且d3＝d4，收集角度x1＝x2且收集角度x3＝x4。在一個示例中，收集角度x1和x2可以是大約35°，並且收集角度x3和x4可以是大約54°。
雖然可以肯定地使用可替代的尺度，但是圖7中所示的示例性尺度已經被示出以提供心率測量準確度的改善，以及提供足夠的信號分集以適應全部位於相對較小的傳感器模塊佔用面積內(例如，大約3.70mm乘7.00mm)的各種不同的皮膚類型和測量位置。本文描述的ppg傳感器模塊300、400、500、600和700的較小的佔用面積使得生物計量監測裝置10的總體尺寸減小，這是可穿戴式裝置中的所需特徵。如上所述，優化ppg傳感器模塊300、400、500、600和700內的光學布置提高了探測到的信號的信噪比(snr)。因為提高了snr，所以可以在不犧牲測量準確度的情況下減小供應到所述(多個)led的驅動電流和/或佔空比。這在可攜式和可穿戴式生物計量監測裝置中特別有用，其得益於由於功耗減少而使電池壽命延長。
受益於本公開的本領域技術人員應當理解，認為本公開提供了一種改進的生物計量監測裝置，所述生物計量監測裝置在空間受限的可穿戴式裝置中提供精確的心率監測，同時降低功耗並延長電池壽命。雖然本文描述的是可攜式或可穿戴式生物計量監測裝置，並且更具體地是腕戴式生物計量監測裝置，但是本文所描述的ppg傳感器模塊可用於各種各樣的監測裝置，包括活動跟蹤健身帶和條帶、計步器和智能手錶，以及健身設備、浴室秤以及患者監測裝置。
鑑於本說明書，本公開的各個方面的進一步的修改和替代實施例對於本領域技術人員將是顯而易見的。例如，儘管ppg傳感器模塊的實施例在本文中被示出並被描述為包括1-4個led之間的某種情況以及1-2個光電探測器之間的某種情況，但是受益於本公開的本領域技術人員會理解在不脫離本公開的範圍的情況下如何在ppg傳感器模塊內使用更多數量的led和/或更多數量的光電探測器。然而，本領域技術人員還會理解，更多數量的led/光電探測器將會增加所述ppg傳感器模塊的成本和尺寸，並且成本和尺寸可以決定最終包括在所述ppg傳感器模塊內的led/光電探測器的數量。
應當理解，本文示出和描述的ppg傳感器模塊和生物計量監測裝置的各種實施例將被視為目前優選的實施例。本文中示出和描述的元件和材料可以被替代，零件和過程可以被顛倒，並且所述ppg傳感器模塊的某些特徵可以被獨立地利用，所有這些對於受益於本公開的本領域技術人員而言將顯而易見。因此，旨在將所附權利要求解釋為包括所有這樣的修改和改變，因此，本說明書和附圖被認為是說明性的而不是限制性的。