專利名稱：包括有機組織表面照射器件的測量生理參數(shù)的便攜式儀器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及一種用于測量生理參數(shù)(例如心律)的便攜式儀器，該儀器被布置成實現(xiàn)與有機組織表面(例如皮膚)的接觸，該儀器包括基本上布置在相同平面的照射器件和探測器件，該照射器件包括用于使所述有機組織至少在一個確定的波長范圍內(nèi)受到光輻射的，帶有確定的照射表面的至少一個光源，該探測器件遠離照射器件，用于探測照射器件產(chǎn)生的光輻射在有機組織中傳播之后的強度。本發(fā)明尤其涉及這樣一種能夠戴在手腕上的測量儀器，例如具有與手表相似外形的儀器。
背景技術：
人們已經(jīng)知道這樣的便攜式測量儀器。這些便攜式儀器通過光學上的方法尤其應用于測量心律和/或病人血液中的含氧量。它們被發(fā)現(xiàn)具有各種形狀，該形狀具有從放置在身體部分(典型地在手指端部上，在耳垂上或血液充分流過的任何其它身體末端)的夾具到佩戴在手腕上與手表具有相似外形的儀器的范圍。
在測量心律的應用范圍內(nèi)，照射器件用于產(chǎn)生有機組織(典型地是皮膚)的充分照射，其與一個或幾個用于探測照射器件產(chǎn)生的光輻射在有機組織中傳播之后的強度的感光器相聯(lián)系。血流搏動的變化引起在照射器件產(chǎn)生的光輻射的吸收中的變化，所述吸收變化的頻率基本上對應于心臟搏動的頻率。在有機組織中傳播后，光輻射的強度測量，隨著對一個或多個測量信號進行適當?shù)奶幚恚軌蛱崛〕鲂穆傻闹笜?。通常用于這種應用的所述照射器件相對地簡單，并且典型地由一個或幾個準點狀光源組成，它們典型地是在確定的波長范圍內(nèi)發(fā)光的LED(發(fā)光二極管)。所述探測器件通常包括例如由光電二極管或光電晶體管形成的一個或幾個感光器。
美國專利申請2002/0188210A1公開了一種希望戴在手腕內(nèi)部、靠近腕動脈的便攜式心律探測儀器的實例。在該實例中，尤其提出了將幾個感光器圍繞單個發(fā)光二極管布置。作為另一種選擇，其進一步提出了將幾個發(fā)光二極管圍繞單個感光器布置，然而因為能耗的增加以及制造和設計費用的比例增加，因此這種選擇是不可取的。
在所有情況中，一個或多個光源是準點狀光源，這已經(jīng)被提到過，這些光源的錐形或輻射表面僅僅覆蓋幾個平方毫米的面積。當所述有機組織可以說具有光輻射吸收程度與相鄰區(qū)域差別很大的系統(tǒng)性局部斑點區(qū)域時，該減小的輻射或照射表面對于有機組織范圍內(nèi)的照射應用存在缺陷。在使用者皮膚照射的情況下，例如胎塊、毛發(fā)或其它表皮的局部改變能夠因此導致光輻射吸收的顯著變化，并對預期的生理參數(shù)的測量質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。測量儀器和照射的有機組織之間的任何相對移動進一步增加了測量質(zhì)量的下降。應當明白對于探測器件也存在這些問題。
因此希望更加均勻地照射有機組織表面并且照射更大的面積，以盡可能地減小或最小化照射組織上的這些局部“瑕疵”的影響。一種解決方案在于增加光源，以覆蓋有機組織的更大面積。如上文中已經(jīng)提到的關于美國專利2002/0188210A1，然而因為能耗和費用，該解決方案本質(zhì)上是不可取的。然而因當注意的是，光源數(shù)量的增加也產(chǎn)生了連接和構造問題。
另一種可取的選擇或作為補充，是在更大的面積上獲取在有機組織中傳播之后從有機組織發(fā)出的光輻射，以使局部瑕疵對信號探測質(zhì)量的影響最小化。
為了獲得這樣一個更適合便攜式應用的解決方案，因此本發(fā)明的總的目標是提供一種便攜式測量儀器，該儀器用于在保持盡可能低的能耗的同時使有機組織中的局部瑕疵對照射和/或傳播之后的光輻射的探測的影響最小化。
本發(fā)明的另一個目標是提供一個結構相對簡單并且體積，尤其是厚度減小的解決方案。
本發(fā)明還有一個目標是提供一個解決方案，該方案在儀器上優(yōu)選盡可能遠的有效表面，以保證有機組織受到最大范圍的可能照射和/或保證在大面積上探測在有機組織中傳播之后的光輻射。

發(fā)明內(nèi)容
如上文所述，本發(fā)明因此涉及一種用于測量生理參數(shù)的儀器，該儀器的特征由獨立權利要求1和2描述。
本發(fā)明優(yōu)選的實施例形成從屬權利要求的主題。
根據(jù)權利要求1提出的解決方案，因此給所述便攜式測量儀器提供照射器件，該照射器件包括形成光導的光學元件，所述光導連接到至少一個光源上，以用于在基本平行被照射的有機組織表面的方向上通過全內(nèi)反射引導所述光源的光輻射，和用于在基本大于光源的照射表面的面積上將所述光輻射分配到有機組織表面的幾個確定的區(qū)域。
根據(jù)權利要求2的可選擇解決方案，所述探測器件包括這樣一種光學元件，該元件用于在有機組織表面的幾個區(qū)域獲取由照射器件產(chǎn)生的在有機組織中傳播后的光輻射，和用于通過全內(nèi)反射將該光輻射引導到至少一個感光器上。這些選擇能夠有利地組合。
根據(jù)這些解決方案的有利變化，所述光學元件設置成具有分支結構和/或至少部分地網(wǎng)眼狀結構。優(yōu)選地，由光照射光導限定的照射區(qū)域確定成使得它與探測器件幾何外形的最近點保持基本不變的距離。如果探測器件由一個或幾個準點狀感光器形成，起到光引導作用的光學元件有利地具有一種結構，該結構的幾何形狀基本上與圍繞每個感光器的位置具有預定半徑的圓或圓弧一致。特別地提出了一種基本上具有蜂窩形狀的結構。
該解決方案優(yōu)選盡可能遠的可用距離，以保證有機組織的充分照射。發(fā)明人事實上能夠觀察到這種結構的光學元件尤其適合產(chǎn)生保證預期生理參數(shù)的最佳探測所需要的照射。為了在探測器件附近照射有機組織的多個以確定方式布置的區(qū)域，該解決方案允許由一個或多個光源產(chǎn)生的光通量以一種成功的和最佳的方式引導。對于給定的能耗該解決方案進一步有利于照射的最優(yōu)化。根據(jù)在先技術的解決方案，可以說不引導來自光源的光通量。這導致不僅在分布方面，而且在能耗方面的非理想化照射，因為光輻射圍繞光源在各個方向傳播。根據(jù)本發(fā)明的解決方案，光學元件能夠被構造成使從光學元件發(fā)出的光輻射沿著探測器件的方向以一個預定的角度照射有機組織，從而進一步使有效能量的使用最優(yōu)化。
將要特別說明的是，所述光照射光導可以構造成使得能夠保證從照射器件發(fā)出的光輻射接近相對被照射有機組織的垂直線。在盡可能避免照射和探測器件直接耦合的同時，該優(yōu)點允許有機組織被深入地照射。根據(jù)在先技術的解決方案，傳統(tǒng)光源(尤其是LED)的缺陷在于產(chǎn)生的光輻射的不定向特性，因此所述光輻射在有機組織的所有方向傳播。用于照射有機組織的光導的使用使光輻射被引導，從而使它在組織中深入地傳播。用于探測的光導的使用同樣有利于探測從被照射的有機組織的深處產(chǎn)生的光輻射，對于在有機組織表面?zhèn)鞑ゲ⑶覂H僅被血流稍微改變的任何光輻射的損失。
根據(jù)一個優(yōu)選實施例，所述光學元件是帶有微棱鏡結構的實心光導。更特別地是，所述光學元件具有一個面對有機組織的第一面，或稱為下面，一個與第一面相反的第二面，或稱為上面，和連接第一和第二面的側面，所述側面基本上垂直于有機組織的表面。所述微棱鏡結構布置在第二面和/或側面上，以用于將通過第一面的光輻射重定向被照射的有機組織的方向，或分別將從有機組織發(fā)出的光輻射重定向到相關的一個或多個感光器上。
為了保證照射或探測盡可能地均勻和一致，當其遠離光源時，微棱鏡結構的長度和/或它們的數(shù)量最好分別從相關的感光器沿著光輻射的光路徑逐漸增加。這兩種選擇可以彼此獨立地應用或組合使用，并且具有補償產(chǎn)生的或獲取的光輻射強度減小的優(yōu)點。
作為優(yōu)選方式，為了照射，每一個微棱鏡結構具有面向來自光源的光輻射產(chǎn)生方向的第一刻面，從而將所述光輻射重定向到所述光學元件的第一面。一個相似的結構能夠用于探測從有機組織發(fā)出的光輻射。
為了增加用于照射和探測的有效的光通量，每個微棱鏡結構的至少第一刻面可以涂覆著反射涂層。光學元件壁的分布更廣的部分，例如光學元件的側壁或上壁，可以涂覆反射涂層。應當注意的是，通過完全涂覆微棱鏡結構所處的表面，與有選擇地單獨涂覆微棱鏡結構相比，制造費用能夠減少一些，但是反射表面造成的吸收損耗也增加了。
根據(jù)另一個改變，所述照射器件包括產(chǎn)生確定的和不同的波長的光輻射的第一和第二光源，所述光導布置成混合來自這些第一和第二光源的光輻射。在特定應用中可能需要兩個不同光源的使用，尤其用于探測心律或測量血液中的氧含量，其中利用了在兩個不同的波長下血液吸收的差異。典型地，使用了輻射紅光和紅外線的光源。其它波長也可以被利用，例如黃光(約590nm)或綠光(約480-530nm)，實質(zhì)上基于應用而作出選擇。
該變化的一個優(yōu)點在于所述光學元件不僅具有光導的功能而且還起到光“混合器”的作用，以用于順著兩個不同的波長以均勻的方式在相同的表面分配光輻射。先前的解決方案僅僅使用準點狀光源，例如LED，其在這點上具有重大缺陷，因為兩個不同的光源能夠明顯地不布置在同一位置。這必然導致不同波長的光源之間空間的移位，從而導致這兩個位置之間潛在的較大吸收變化，這可能對探測結果產(chǎn)生負面影響。
最后，上述的便攜式測量儀器最適合用于佩戴在手腕上的電子儀器中。該提出的解決方案尤其具有優(yōu)勢，因為照射器件的光學元件具有允許將它組合到儀器外殼的底部貼近皮膚的相對簡單的結構和較小的厚度。


下面純粹以說明和非限制性的舉例方式以及所附示圖的示意給出本發(fā)明的各種實施例，通過閱讀以下詳盡說明，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將更清楚地顯現(xiàn)，其中圖1根據(jù)一個實施例示出了便攜式電子儀器底部的平面圖，優(yōu)選地是指佩戴在手腕上的儀器，以用于測量生理參數(shù)，并且包括一個帶有分支光學元件的照射器件和一個帶有圍繞該照射器件布置的三個準點狀感光器的探測器件；圖1a和1b分別示出了截面(沿圖1b的A-A線)的放大圖和圖1光學元件的分支部分的平面圖，微棱鏡結構布置在光學元件的上面；這些視圖進一步示出了光源相對于照射器件的光學元件的布置；圖2a和2b示出了與圖1a和1b相似的視圖，該圖1a和1b示出了可選擇的實施例，其中微棱鏡結構特別地布置在分支的側壁上；圖3是與圖1相似的平面圖，該圖1示出了一種變化，其中光學元件具有附加的分支，所述分支有利地限定了圍繞各個感光器的開口網(wǎng)眼；圖4也示出了另一種變化，其中光學元件具有限定多邊形閉合單元的分支，所述多邊形閉合單元與蜂窩狀結構相似；圖5示出了一種變化，其中形成光導的所述光學元件具有與圖4相似的網(wǎng)眼狀結構，然而，每一個網(wǎng)眼具有一個基本為圓形或環(huán)形的形狀；圖6是適于佩帶在手腕上且與手表形狀相近的電子儀器的透視圖，這個儀器包括一個布置在其底部的與圖5相一致的照射器件；圖7示出了一種變化，其中照射器件包括兩個用于照射有機組織表面的不同的光導，并且其中探測器件自身帶有光導，以用于獲取在有機組織中傳播之后的光輻射，每個光學元件形成一個在此具有基本上直桿狀的光導；圖8和9分別示出了與圖1和3另一相似的變化，其中探測器件自身帶有光導；和圖10圖示出了一個圖表，其示出了光源的發(fā)光強度在有機組織中的變化，光輻射調(diào)制率的變化和因為與光源之間的距離作用由調(diào)制產(chǎn)生的光強度的變化。
具體實施例方式
下面純粹以說明和非限制性的舉例方式給出各種實施例。特別地，再一次強調(diào)所給出的這些實施例可優(yōu)選而非唯一地以一種可佩戴在手腕上的儀器的形式實施。這些方案的其它便攜式應用也應及與充分正視。
圖中所示的實施例中，可留意一個在使用照明器件上的共通點照明器件包括至少一個連接到形成光導的結構化光學元件上的光源，而該光導是以幾何(特別是其周邊)函數(shù)以及檢測器件的布置而確定的方式進行構造的。正如隨后可見的，檢測器件也可帶有至少一個形成光導連接到至少一個感光器上的光學元件。作為替換方式，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，人們可以預想到提供僅帶有這樣一種光導的檢測器件并使用一個或數(shù)個傳統(tǒng)的光源。然而鑒于節(jié)省能量耗費和光源分配，照明光導的使用是優(yōu)選的。
應當注意的是，使用光導來保證表面的準點狀照射的解決方案已經(jīng)公知，典型地是支持方位標記或監(jiān)視器的表面。代表本申請的歐洲專利申請EP1050711披露了一種由表面帶有微棱鏡結構的光導定向的照射器件。這個照射器件唯一目的是用于照射水平表面，例如手表的表盤，光輻射從光導的側面發(fā)出。然而該文獻既沒有描述也沒有暗示可以將這種照射器件用于在測量生理參數(shù)的儀器中照射有機組織的一部分。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，形成光導的光學元件最好是帶有微棱鏡結構的實心光導，最好布置在空穴中。形成該光導的材料最好是具有高折射率n(通常在1.40到1.65之間)的半透明或透明材料，這些材料從公知的有機聚合物中選取，這些聚合物允許從至少一個光源發(fā)出的至少部分光能通過沿著光導全內(nèi)反射而被傳播到一末端。這些有機聚合物例如從丙烯酸聚合物，尤其是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯和聚酯中選擇。
將要注意的是，散射介質(zhì)在使用和混合幾個在不同波長范圍內(nèi)發(fā)光的光源的情況下能夠提高照射的均勻性和一致性。然而人們會認為光強度有更顯著的損耗。
所述光導可以通過直接或間接蝕刻成型，例如帶有適當?shù)毒叩臋C械制造，通過光致抗蝕劑膜蝕刻，通過化學的方法或激光的方法，這些技術作為非限定性例子而引用。為構成光導也可從蝕刻模具進行復制，所述蝕刻模具為獲得光導通過模制裝配到注射機，或用來沖壓希望形成光導的一個表面。無論使用哪一種技術，都可以直接在光導或與光導有大致相同折射率的板上進行構造，隨后該構造例如通過粘結應用到實際的光導中。
正如先前已經(jīng)提到的，反射涂層可以附著到光導的某個刻面上，以增加用于有機組織照射的有用光通量。
關于一個或多個光源，它們最好由準點光源狀形成，例如在預期波長范圍內(nèi)發(fā)光的傳統(tǒng)的發(fā)光二極管(LED)(例如發(fā)出650nm波長的AlGaAs二極管和發(fā)出470nm波長的InGaN二極管等)。所述探測器件的一個或多個感光器能夠例如由光電二極管或光電晶體管形成，所述光電二極管或光電晶體管具有對被采用的波長或波長范圍充分的響應。
圖1示出了本發(fā)明測量儀器的第一實施例，所述測量儀器作為一個整體由附圖標記3表示。由附圖標記1表示的照射器件包括光學元件10，該光學元件形成光導，該光導連接到布置在該結構的中心由C表示的一個光源(至少)40上，并且其在圖1中只能部分可見。在圖1的例子中，照射器件1與包括三個準點狀感光器21到23的探測器件2相關聯(lián)。
圖1的測量儀器例如是指用于測量心律，并且它基本外形近似于手表。從而該儀器3包括殼30，同時也形成中間部分，在殼的內(nèi)部布置了該儀器的各種電氣的和電子的元件(未示出)，同時表帶(未示出)以常規(guī)的方式連接到殼30上，例如通過布置在殼30上的角突31、32。照射器件1和探測器件2置于手表的后蓋35中，從而與使用者的皮膚接觸。因此圖1示出了儀器3后蓋的平面視圖。后蓋35最好也具有周邊凸緣，由附圖標記70表示，周邊凸緣的作用隨后將詳細說明。
所述照射和探測器件可以可選擇地放置于該便攜式儀器的另一個適合部分，例如放在它的上表面(在這種情況下，使用者將必須將他的手指放在該上表面上，以實現(xiàn)有關生理參數(shù)的測量)。
根據(jù)第一實施例，可以觀察到照射器件1的光學元件10具有星形的分支結構，該結構包括三個基本呈直線的分支11到13，這些分支基本在同一平面內(nèi)沿著三個圍繞該結構的中心C呈120°角延伸。探測器件2的三個感光器21到23對稱地放置在由上述三個分支11到13形成的角的平分線上，從而沿著三個圍繞結構C呈120°角度方向延伸。因此分支11到13和感光器21到23圍繞該結構的中心以大約60°角互相交替。
更準確地，所述三個感光器21到23在離中心C等距離處放置，以形成等邊三角形，該等邊三角形的頂點由該三個感光器形成。對于這些感光器，光學元件10通過具有分支的幾何圖形的方式顯示特性，該圖形基本上是沿著圍繞感光器21到23的位置的確定半徑R的圓弧部分。因此兩個感光器之間的距離基本上等于所述半徑R的兩倍。光學元件的分支11到13也具有恒定的平均寬度，由L表示，該寬度的值被選作半徑R的部分。
半徑R的值和光學器件的平均寬度L的值的選擇通過各種限制來規(guī)定。發(fā)明者能夠觀察到相鄰兩個感光器之間的平均距離基本保持恒定。在這個特別的例子中，這個距離一方面由半徑R和分支的平均寬度L的值確定。太短的距離可能導致感光器21到23太接近照射器件1，從而阻礙了由后者產(chǎn)生的光輻射充分深入地透過有機組織和血流變化對它的充分調(diào)制。同樣地，太長的距離導致感光器離照射器件1太遠，可能阻礙信號強度的充分探測。實際上，發(fā)明人能夠觀察到小于十毫米的指定距離是合適的。
圖10證明了前述部分?？梢栽诖藞D示地看到當遠離光源時平均局部強度幾乎呈指數(shù)地逐漸減小。另一方面，當遠離光源時在有機組織中傳播之后的光輻射調(diào)制率(所述光輻射由探測器件獲取)逐漸增加，并在某一距離處達到穩(wěn)定。該變化本質(zhì)上是因為距離光源越遠，光輻射透過有機組織就越深以及它被血流調(diào)制的就越多。調(diào)制率的穩(wěn)定和飽和由于血管的分布從有機組織表面起一直變化，直到到達一個確定的深度，從該深度起該分布變得一致。在有機組織中的長的傳播路徑不再有助于增加調(diào)制率。
基本由前面所述的兩個曲線相乘得到的調(diào)制強度(圖10中的虛曲線)因此具有一個如圖所示的波峰。為了優(yōu)化光測量儀器的操作，因此在照射和探測器件之間選擇了一個足夠的距離，其基本與符合波峰相一致。這個最優(yōu)距離(在圖10中由陰影部分表示)因為照射的有機組織特性的功能，并且尤其是血管所處的深度而變化。對于在手腕上使用，發(fā)明人確定該距離通常為10mm或更小。
關于佩戴在手腕上的電子儀器的應用，其中該儀器的與皮膚接觸的后蓋表面通常為10cm2，需要注意的是，實際上，能夠象建議的那樣將略小于十個“重疊的”感光器設置在光導結構中。
在圖1的例子中，應當能觀察到由于分支11到13的直線形狀，因此每個感光器21到23和相鄰分支之間的距離并非嚴格地恒定不變。然而應當說明的是，嚴格地要求感光器和光導之間的恒定距離本身并不是主要的，一定的偏差是可以接受的。也應當說明的是，尤其重要的是能夠保證光導被構造成將源于一個或多個光源的光輻射注入和分配到根據(jù)感光器的位置確定的區(qū)域。因此所述光導本身仿照幾何結構，該幾何結構不需要考慮與探測器件幾何結構之間的預設距離。
圖1的照射器件的結構現(xiàn)在將更詳細地進行檢驗，這種結構由圖1a和1b詳細地表示。圖1b是從由10b表示的上面看到的圖1的光學元件10的部分放大圖，也就是，它的面與面10a相反，并朝向被照射的有機組織的表面(圖1a中的50)。圖1a是在圖1b中沿A-A線得到的光學元件10的部分截面，其同樣顯示了光源40的布置。
為了清楚的目的，一組直角坐標系x，y，z被定義并添加到每個附圖中，以指明各個視圖在空間上的方向。尤其需要注意的是，這組坐標系被定義成使得光學元件10的共同平面平行于x-y平面(參考圖1)，分支11平行于x軸，并且z軸從該儀器的底部朝向被照射的有機組織的表面。
如圖1a和1b所示，照射器件1在本實施例中包括一個單獨的光源40，優(yōu)選是一個發(fā)光二極管或LED，該光源被放置在該結構的中心C，從而它的光輻射如箭頭所示沿著z軸朝向光學源元件的中心部分。因為它的方向與光學元件10的平面垂直，刻面15a、15b在光學元件10的下面10a的空穴中布置。這些刻面15a、15b的方向被確定成通過全內(nèi)反射將來自光源40的光通量重定向到光學元件的各個分支。在這個實施例中，這些刻面因此形成凹槽15，所述凹槽具有四面體的大體形狀，更確切地說是四面體的兩個部分。最好使用這樣的刻面，即當遠離該結構的中心C時幾個刻面(在本例中是兩個)的角最好相對于x-y平面逐漸減小，因為由光源40產(chǎn)生的光線的入射角通常不是恒定的，由光源產(chǎn)生的所述光線典型地圍繞z軸形成一個錐形發(fā)散。應當理解的是，形成凹槽15的刻面15a、15b可以被任何其它合適的幾何結構替換，例如曲線輪廓幾何結構，只要所述結構能夠將來自光源40的光輻射重定向到各個分支。
如圖1a和1b所示，因此由光源40產(chǎn)生的光輻射被重定向到光學元件的每個分支11、12、13，其中每個分支包括反射區(qū)60，以用于通過全內(nèi)反射將光通量重定向到有機組織50的不同部分，如圖1a中的箭頭所示。在圖1a和1b的實施例中，區(qū)域60布置在光學元件的上表面10b上并且至少形成一個刻面61，所述刻面傾向光源40產(chǎn)生的光線發(fā)生的方向以形成微棱鏡結構。在圖1a和1b中，這種類型的四個刻面可以在分支11上看到。它們之中的三個分布在分支11的長度上，并且各由一個布置在表面10b上的V形空穴部分形成。第四個刻面布置在分支11的末端并在此具有比其它三個大的面積。
確定相對于x-y平面的刻面61角度，表示為α，以將入射光線的一部分重定向到被照射的有機組織50上。角α的值基本上由使用材料的性質(zhì)(尤其是形成光導10的材料的折射率n)，入射光線在光導中的方向以及外部媒介的性質(zhì)決定。正如先前提到的，為了增加通過光學元件10的下面10a的光通量，設想將刻面61覆蓋一層反光層(或甚至整個上表面10b)是可能的。
通常，光學元件的設計必須符合某些數(shù)目的幾何約束，它們之中的一個是由θc表示的臨界角的數(shù)值，所述臨界角由相關表面的垂線限定，超出該臨界角時照射到該平面上的光線產(chǎn)生全反射。該臨界角通常由下面的公式給出θc=arcsin(n1n2)---(1)]]>其中n1對應外部媒介的折射率(在空氣中為1)，并且n2對應光線在其中傳播的光導的折射率。為了保證光線的全部內(nèi)反射總是發(fā)生在光導10的內(nèi)部，必須考慮到光導中的光線相對于相關表面的入射角要大于上述的入射角θc。在相反的情況下，通過折射光線的部分隨后將在光導外傳播。正如上文所述，如果需要，反射層允許入射光線全部反射。然而這導致了吸收造成的損耗，這種損耗最好盡可能最大程度地減小。
圖2a和2b示出了另一個可選擇實施例，該實施例顯示了制造反射區(qū)60的另一種選擇。作為在光學元件10的上面10b上制造這些區(qū)域60的替換，因此也能夠在光學元件10的側面上制造這些區(qū)域，其基本上垂直被照射的有機組織的表面和平行于光學元件中光通量的傳播方向。例如這可以是圖2a和2b中分支11的面10c和10d(其它的兩個分支12和13的相應側面)。如圖2a和2b所示，為了使用這些面，刻面62應當以同時朝向光源40產(chǎn)生的光線發(fā)生的方向和被照射的有機組織表面的方向布置、設計和傾斜。面10c、10d的一個和/或另一個可以由這種方式構造。應當注意的是，通過光學元件的面10a并且被刻面62反射的光通量將具有不僅沿z軸而且沿y軸(或甚至x軸)具有分量的大致方向。在討論的例子中，假定感光器布置在兩個分支11和13上，為了保證光照的均勻分布，最好對稱地構造每個分支的兩個側面。
根據(jù)圖1a、1b和2a、2b討論過的這兩種構造方法能夠有利地組合。而且，如圖2a和2b所示，每個分支的末端包括一個類似圖1a和1b方案中的傾斜的刻面61。此外，刻面的大小(厚度和/或寬度)和單位表面單元上的數(shù)量能夠變化。為了在某種程度上補償光通量的逐漸減小，尤其可取的是增加區(qū)域60的反射表面和/或當遠離光源40時沿著光線的傳播路徑逐漸增加其數(shù)量。
光學元件10的結構明顯地不局限于圖1的單個實施例。如圖3和4所示，光學元件10能夠具有圍繞各個感光器的位置形成開口(圖3)或閉合(圖4)網(wǎng)眼的更廣泛的分支結構。為了盡可能地優(yōu)化便攜式儀器上的有效面積，蜂窩網(wǎng)眼狀結構尤其顯得有利，因為它對空間的最佳利用。如上所述，通過采用這樣的結構，實際上能夠在構造的網(wǎng)眼狀光學元件的中心在10cm2左右的面積上設置少于十個準點狀感光器，例如可典型地用于佩戴在手腕上的儀器的后蓋上。
在圖3和4的變化中，將要注意的是，示出了允許將光通量重定向到被照射的有機組織方向的光學元件的反射區(qū)60，該反射區(qū)類似于圖1、1a和1b顯示的反射區(qū)。上述圖形只是示意和說明性的。特別是，以圖2a和2b中變化的方式顯示的該類型的結構可以用于替換或補充。而且，反射區(qū)的數(shù)量、形狀和布置可以改變。最后，反射區(qū)的尺寸(寬度和厚度)不需要按比例。
圖5也示出了與圖4相似的另一種變化，其中光學元件具有網(wǎng)眼狀結構，在蜂窩結構中每個單元具有替代圖4中的多邊形網(wǎng)眼狀結構的圓形或環(huán)形形狀。作為舉例，反射區(qū)60在光導10的側面上構造成類似于圖2a和2b的區(qū)域。在圖5中，在光學元件的各個分支中的光線(又產(chǎn)生在該結構的中心)的傳播路徑同樣如箭頭所示。
圖6是顯示圖5所示的光學元件在便攜式儀器3的后蓋35中裝配的透視圖。如前所述，發(fā)光二極管40在這個實施例中布置在后蓋35的中心區(qū)域并且以使它的光輻射平行于z軸朝向設置在光學元件10的下表面(在圖6中朝向上方的表面)的凹槽15的方向的方式定向。
可以在光學元件10和后蓋35之間的間隔放置隔離物(未示出)，從而在光導10的壁和相鄰的后蓋35的壁之間形成小的空氣間隔。一方面，也能夠在后蓋35和光導10之間插入中間層(未示出)，和另一方面，在被照射的有機組織的表面之間插入該中間層。在這方面，已在上文中提到，后蓋35最好具有周邊凸緣70，在這里為環(huán)形，所述凸緣朝著被照射的有機組織的方向伸出后蓋之外。在該結構中，凸緣70的目的有兩個。第一個目的是形成光屏障，以阻止周圍的光線擾亂生理參數(shù)的測量。第二個目的是保證光導不與有機組織直接接觸。實際上最好保證在光導和被照射的有機組織之間總是存在一個間隔，從而光導和外界環(huán)境之間的表面特性隨著時間保持恒定不變，尤其在便攜式儀器相對于有機組織移動移動時。
在圖6所示中，需要注意的是，凸緣70可以有利地仿照照射器件1的外部輪廓，在這種情況下，該凸緣70將具有三個凸角的形狀而不是所示的環(huán)形。然而凸緣可以有利地插入到照射和探測器件之間以限制所述器件之間的直接光耦合。
除了具有凸緣70之外，最好也布置后蓋35的表面，其位于照射和探測器件之間(在圖6中的三個陰影部分環(huán)形表面)，這樣它們不反射由照射器件產(chǎn)生的光輻射。實際上，在后蓋35和它放置的有機組織之間存在的間距的范圍內(nèi)，光輻射的一部分在被探測器件獲取之前可能在后蓋35的表面和被照射的有機組織的表面之間反射。通過在照射和探測器件之間，在后蓋35的過渡表面上設置防反射層，后蓋和有機組織之間的這些散射的干擾影響將被限制。
圖7又示出了另一種變化，其中示出了幾個變動，這些變動在本發(fā)明的范圍內(nèi)是可以預計的。
首先，前面出現(xiàn)的實施例僅僅包括一個連接到單個光源上形成光導的單個光學元件。還能夠設想使用幾個不同的光導，每個光導連接到一個或幾個光源上。例如，圖7示出了一種變化，該變化包括兩個基本上呈直線形狀的光導101和102，每個光導與光源41、42連接。
其次，光源相對于與它相連接的光導的布置可以采用不同的結構。例如，圖7示出了每個光源41、42面對關聯(lián)的光導的一個末端放置，光隔射在本例中沿著x軸定向。因此該解決方案不需要光學器件象圖1到6的實施例那樣在光導的總平面上重定向光線。
第三，探測器件本身也可以有利地帶有一個或幾個形成光導的光學元件，以獲取在被檢查有機組織表面的不同部分傳播的光輻射，其中每個光學元件連接到至少一個感光器上。在圖7中顯示了這種情況，其中形成光導的三個光學元件201、202、203交替布置在光照射元件101、102的兩邊，并且每個光學元件通過它們的末端分別與感光器21、22和23連接。這些光學元件的構造基本上類似于前面提出的光學元件的構造。
第四，光導的幾何結構不必然需要仿照前面實施例中的圓弧。所述圓弧形狀基本上由用于圖1-6實施例的準點狀或感光器(一個或多個)指定。首先要點在于考慮一個在給定公差范圍內(nèi)的確定距離，該距離在照射器件注入光線的所處的部分和探測器件獲取在有機組織中傳播之后的光線所處的部分之間。
最后，應當注意的是，用于獲取在有機中傳播之后的光輻射的一個或幾個光導的使用開拓了其它結構的可能性。在圖7中，因此能夠看到用于探測光輻射的光導的使用允許照射和探測器件在幾何結構上以一種簡單的形式構造。實際上，使用的各種光導101、102、201、202和203在這里具有簡單的結構化的直桿狀形式，因此它特別容易制造。應當注意到這種情況，即考慮光學元件之間的特定距離Δ和光學元件之間的特定寬度L，然而該距離Δ和寬度L能夠在光學元件之間變化。
當然也能夠預料到其它的變化。因此，在仍然考慮基本上在光輻射發(fā)生區(qū)域和光輻射探測區(qū)域之間確定的距離時，人們能夠設想將光學元件構造成使它們具有能夠互相匹配的互補形狀(例如蜂巢狀或螺旋狀結構)。圖8和9在這方面分別示出了類似于圖1和3中所示的變化，其中三個感光器21、22、23分布連接到光導201、202和203上。類似于圖7，圖9的各種變化再次示出了感光器能夠連接到相關的光學元件的一個末端上。
在圖7、8和9的所示中，應當理解相同器件(照射或探測器件)的各個光導可以組合到一個單獨的相同光導中，從而能夠減小相關光源或感光器的數(shù)量。
最后，也應當理解在不同波長范圍內(nèi)發(fā)光的幾個光源能夠同時連接到相同的光導上。在這種情況下，明智的做法是向提供一個帶有光學器件的照射器件，以在光學元件的入口混合來自各個光源的光輻射，或連接所述各個光源，使它們的光輻射在光導中混合，上述總的觀點是從光導的各個部分產(chǎn)生的光輻射在所需波長范圍的各個組成之間具有合適的一致性和均勻性。如前文所述，用于制造光導的散射介質(zhì)的使用能夠有助于這種均勻性，但將會產(chǎn)生光強度的損耗。
通常，應當理解形成光導的光學元件的使用，例如上文提出的，如果必要，用于照射有機組織和探測在組織中傳播之后的光輻射，其允許便攜式儀器上啟動有效表面和盡可能最佳地使用有效的光能。
最后，應當理解的是，相對于本領域的熟練技術人員明顯的各種其它變動和/或改進可以從說明書中的實施例得到，而不超出由附加的權利要求所限定的本發(fā)明的范圍。尤其是，本發(fā)明并不僅限于在手表中使用，而是應用到任何其它的便攜式儀器，不管是否佩戴在手腕上。
權利要求
1.用于測量生理參數(shù)的便攜式儀器(3)，其布置成與有機組織(50)的表面接觸，該儀器包括基本上布置在同一平面內(nèi)的下述部分照射器件(1)，該器件包括至少一個帶有確定的照射表面的光源(40；41，42)，以使所述有機組織的一部分受到至少一個確定波長范圍內(nèi)的光輻射；和與所述照射器件(1)分隔的探測器件(2)，其用于探測由所述照射器件產(chǎn)生的光輻射在所述有機組織(50)中傳播后的強度，其特征在于所述照射器件(1)包括形成光導(10；101，102)的光學元件，該光導連接到所述至少一個光源(40；41，42)，以用于通過全內(nèi)反射在基本上平行于被照射的有機組織(50)表面的方向引導來自所述光源的光輻射，并且在基本上比所述光源(40；41，42)的照射表面更寬的面積上將所述光輻射分配到所述有機組織表面(50)上的幾個確定的照射區(qū)域。
2.用于測量生理參數(shù)的便攜式儀器(3)，其布置成與有機組織(50)的表面接觸，該儀器包括基本上布置在同一平面內(nèi)的下述部分照射器件(1)，該器件包括至少一個帶有確定的照射表面的光源(40；41，42)，以使所述有機組織的一部分受到至少一個確定波長范圍內(nèi)的光輻射；和與所述照射器件(1)分隔的探測器件(2)，其用于探測由所述照射器件產(chǎn)生的光輻射在所述有機組織(50)中傳播后的強度，其特征在于所述探測器件(2)包括形成光導(201，202，203)的光學元件，該光導連接到至少一個感光器(21，22，23)，以用于在有機組織表面(50)的幾個區(qū)域獲取由照射器件(1)產(chǎn)生的在有機組織中傳播后的光輻射，并將所述光輻射通過全內(nèi)反射引導到所述至少一個感光器(21，22，23)。
3.如權利要求1所述的儀器，其特征在于所述探測器件(2)具有確定的幾何輪廓，并且在其各照射區(qū)域內(nèi)確定成距離該探測器件的所述幾何輪廓的最近點基本恒定的距離。
4.如權利要求1、2或3所述的儀器，其特征在于所述形成光導的光學元件具有分支結構和/或至少部分的網(wǎng)眼狀結構。
5.如權利要求4所述的儀器，其特征在于所述形成光導的光學元件具有基本上蜂窩狀的結構。
6.如權利要求1所述的儀器，其特征在于所述探測器件(2)包括一個或幾個準點狀感光器(21，22，23)，所述感光器與形成光導(10)的所述光學元件基本布置在同一平面，并且所述形成光導(10)的光學元件具有幾何形狀基本上與圍繞每個感光器的位置具有預定半徑的圓或圓弧相重合的結構。
7.如權利要求1所述的儀器，其特征在于所述光學元件(10；101，102)是帶有反射微棱鏡結構(60)的實心光導，以用于將由所述光源(40；41，42)產(chǎn)生的光輻射重定向到被照射的有機組織表面(50)的方向，所述光學元件具有面對被照射的所述有機組織(50)的第一面(10a)，或稱為下面，與所述第一面相反的第二面(10b)，或稱為上面，和連接所述第一和第二面的側面(10c，10d)，所述側面的方向基本上垂直于被照射的有機組織表面，每個所述微棱鏡結構(60)至少包括布置在所述第二面(10b)和/或所述側面(10c，10d)上的第一刻面(61，62)，從而將通過所述第一刻面(10a)的光輻射重定向到被照射的所述有機組織(50)的方向。
8.如權利要求2所述的儀器，其特征在于所述光學元件(201，202，203)是帶有反射微棱鏡結構(60)的實心光導，以用于將從有機組織(50)產(chǎn)生的光輻射重定向到相關的一個或多個感光器(21，22，23)的方向。所述光學元件具有面對產(chǎn)生光輻射的所述有機組織(50)的第一面，或稱為下面，與所述第一面相反的第二面，或稱為上面，和連接所述第一和第二面的側面，所述側面的方向基本上垂直于有機組織表面。每個所述微棱鏡結構至少包括布置在所述第二面和/或所述側面上的第一刻面，從而將產(chǎn)生于有機組織的光輻射重定向到相關的一個或多個感光器的方向。
9.如權利要求7或8所述的儀器，其特征在于每個反射微棱鏡結構的所述至少第一刻面涂覆有反射涂層。
10.如權利要求7或10所述的儀器，其特征在于所述微棱鏡結構的長度和/或其數(shù)量，隨著分別從相關的感光器離開所述光源，沿在所述光學元件中的光輻射路徑逐漸增加。
11.如權利要求1所述的儀器，其特征在于它包括用于在第一確定的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生光輻射的第一光源和用于在與第一波長范圍不同的第二確定的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生光輻射的第二光源，所述形成光導的光學元件被布置成用于混合來自第一和第二光源的光輻射。
12.如權利要求1所述的儀器，其特征在于所述探測器件(2)包括形成光導(201，202，203)的光學元件，該光導連接到至少一個感光器(21，22，23)，以用于在有機組織表面(50)的幾個區(qū)域獲取由照射器件(1)產(chǎn)生的在有機組織中傳播后的光輻射，并將所述光輻射通過全內(nèi)反射引導到所述至少一個感光器(21，22，23)。
13.如權利要求1或2所述的儀器，其特征在于它佩戴在手腕上并且包括殼(30)，所述殼帶有與使用者皮膚接觸的后蓋(35)，所述照射器件(1)和探測器件(2)布置在所述殼中。
14.如權利要求13所述的儀器，其特征在于所述后蓋(35)帶有緊靠在所述有機組織(50)上的凸緣(70)，以在形成光導(10；101，102，201，202，203)的光學元件和該有機組織之間保持一個間隔。
15.如權利要求13所述的儀器，其特征在于位于所述照射器件和探測器件之間的所述后蓋(35)的表面的至少一部分布置成不反射所述照射器件產(chǎn)生的光輻射。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種用于測量生理參數(shù)的便攜式儀器(3)，該儀器被設置成與有機組織(50)接觸，包括基本上布置在同一平面內(nèi)的下述部分照射器件(1)，其包括至少一個帶有確定的照射表面的光源(40；41，42)，以使所述有機組織的一部分受到至少一個確定波長范圍內(nèi)的光輻射；和與所述照射器件分隔的探測器件(2)，其用于探測由所述照射器件產(chǎn)生的光輻射在所述有機組織中傳播后的強度。所述照射器件包括形成光導(10；101，102)的光學元件，該光導連接到所述至少一個光源(40；41，42)上，以用于通過全內(nèi)反射在基本上平行于被照射的有機組織表面的方向引導來自所述光源的光輻射，和在基本上比所述光源的照射表面更寬的面積上將所述光輻射分配到所述有機組織表面上的幾個確定的照射區(qū)域。同樣的原理能夠有利地應用到探測器件。
文檔編號A61B5/0245GK1572249SQ20041005959
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月20日 優(yōu)先權日2003年5月21日
發(fā)明者F·蓋薩茲 申請人:阿蘇拉布股份有限公司