CN1572249A - 包括有机组织表面照射器件的测量生理参数的便携式仪器 - Google Patents

包括有机组织表面照射器件的测量生理参数的便携式仪器 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种用于测量生理参数的便携式仪器(3)，该仪器被设置成与有机组织(50)接触，包括基本上布置在同一平面内的下述部分：照射器件(1)，其包括至少一个带有确定的照射表面的光源(40；41，42)，以使所述有机组织的一部分受到至少一个确定波长范围内的光辐射；和与所述照射器件分隔的探测器件(2)，其用于探测由所述照射器件产生的光辐射在所述有机组织中传播后的强度。所述照射器件包括形成光导(10；101，102)的光学元件，该光导连接到所述至少一个光源(40；41，42)上，以用于通过全内反射在基本上平行于被照射的有机组织表面的方向引导来自所述光源的光辐射，和在基本上比所述光源的照射表面更宽的面积上将所述光辐射分配到所述有机组织表面上的几个确定的照射区域。同样的原理能够有利地应用到探测器件。

Description

包括有机组织表面照射器件的 测量生理参数的便携式仪器
技术领域
本发明总体上涉及一种用于测量生理参数(例如心律)的便携式仪器，该仪器被布置成实现与有机组织表面(例如皮肤)的接触，该仪器包括基本上布置在相同平面的照射器件和探测器件，该照射器件包括用于使所述有机组织至少在一个确定的波长范围内受到光辐射的，带有确定的照射表面的至少一个光源，该探测器件远离照射器件，用于探测照射器件产生的光辐射在有机组织中传播之后的强度。本发明尤其涉及这样一种能够戴在手腕上的测量仪器，例如具有与手表相似外形的仪器。
背景技术
人们已经知道这样的便携式测量仪器。这些便携式仪器通过光学上的方法尤其应用于测量心律和/或病人血液中的含氧量。它们被发现具有各种形状，该形状具有从放置在身体部分(典型地在手指端部上，在耳垂上或血液充分流过的任何其它身体末端)的夹具到佩戴在手腕上与手表具有相似外形的仪器的范围。
在测量心律的应用范围内，照射器件用于产生有机组织(典型地是皮肤)的充分照射，其与一个或几个用于探测照射器件产生的光辐射在有机组织中传播之后的强度的感光器相联系。血流搏动的变化引起在照射器件产生的光辐射的吸收中的变化，所述吸收变化的频率基本上对应于心脏搏动的频率。在有机组织中传播后，光辐射的强度测量，随着对一个或多个测量信号进行适当的处理，能够提取出心律的指标。通常用于这种应用的所述照射器件相对地简单，并且典型地由一个或几个准点状光源组成，它们典型地是在确定的波长范围内发光的LED(发光二极管)。所述探测器件通常包括例如由光电二极管或光电晶体管形成的一个或几个感光器。
美国专利申请2002/0188210A1公开了一种希望戴在手腕内部、靠近腕动脉的便携式心律探测仪器的实例。在该实例中，尤其提出了将几个感光器围绕单个发光二极管布置。作为另一种选择，其进一步提出了将几个发光二极管围绕单个感光器布置，然而因为能耗的增加以及制造和设计费用的比例增加，因此这种选择是不可取的。
在所有情况中，一个或多个光源是准点状光源，这已经被提到过，这些光源的锥形或辐射表面仅仅覆盖几个平方毫米的面积。当所述有机组织可以说具有光辐射吸收程度与相邻区域差别很大的***性局部斑点区域时，该减小的辐射或照射表面对于有机组织范围内的照射应用存在缺陷。在使用者皮肤照射的情况下，例如胎块、毛发或其它表皮的局部改变能够因此导致光辐射吸收的显著变化，并对预期的生理参数的测量质量产生负面影响。测量仪器和照射的有机组织之间的任何相对移动进一步增加了测量质量的下降。应当明白对于探测器件也存在这些问题。
因此希望更加均匀地照射有机组织表面并且照射更大的面积，以尽可能地减小或最小化照射组织上的这些局部“瑕疵”的影响。一种解决方案在于增加光源，以覆盖有机组织的更大面积。如上文中已经提到的关于美国专利2002/0188210A1，然而因为能耗和费用，该解决方案本质上是不可取的。然而因当注意的是，光源数量的增加也产生了连接和构造问题。
另一种可取的选择或作为补充，是在更大的面积上获取在有机组织中传播之后从有机组织发出的光辐射，以使局部瑕疵对信号探测质量的影响最小化。
为了获得这样一个更适合便携式应用的解决方案，因此本发明的总的目标是提供一种便携式测量仪器，该仪器用于在保持尽可能低的能耗的同时使有机组织中的局部瑕疵对照射和/或传播之后的光辐射的探测的影响最小化。
本发明的另一个目标是提供一个结构相对简单并且体积，尤其是厚度减小的解决方案。
本发明还有一个目标是提供一个解决方案，该方案在仪器上优选尽可能远的有效表面，以保证有机组织受到最大范围的可能照射和/或保证在大面积上探测在有机组织中传播之后的光辐射。
发明内容
如上文所述，本发明因此涉及一种用于测量生理参数的仪器，该仪器的特征由独立权利要求1和2描述。
本发明优选的实施例形成从属权利要求的主题。
根据权利要求1提出的解决方案，因此给所述便携式测量仪器提供照射器件，该照射器件包括形成光导的光学元件，所述光导连接到至少一个光源上，以用于在基本平行被照射的有机组织表面的方向上通过全内反射引导所述光源的光辐射，和用于在基本大于光源的照射表面的面积上将所述光辐射分配到有机组织表面的几个确定的区域。
根据权利要求2的可选择解决方案，所述探测器件包括这样一种光学元件，该元件用于在有机组织表面的几个区域获取由照射器件产生的在有机组织中传播后的光辐射，和用于通过全内反射将该光辐射引导到至少一个感光器上。这些选择能够有利地组合。
根据这些解决方案的有利变化，所述光学元件设置成具有分支结构和/或至少部分地网眼状结构。优选地，由光照射光导限定的照射区域确定成使得它与探测器件几何外形的最近点保持基本不变的距离。如果探测器件由一个或几个准点状感光器形成，起到光引导作用的光学元件有利地具有一种结构，该结构的几何形状基本上与围绕每个感光器的位置具有预定半径的圆或圆弧一致。特别地提出了一种基本上具有蜂窝形状的结构。
该解决方案优选尽可能远的可用距离，以保证有机组织的充分照射。发明人事实上能够观察到这种结构的光学元件尤其适合产生保证预期生理参数的最佳探测所需要的照射。为了在探测器件附近照射有机组织的多个以确定方式布置的区域，该解决方案允许由一个或多个光源产生的光通量以一种成功的和最佳的方式引导。对于给定的能耗该解决方案进一步有利于照射的最优化。根据在先技术的解决方案，可以说不引导来自光源的光通量。这导致不仅在分布方面，而且在能耗方面的非理想化照射，因为光辐射围绕光源在各个方向传播。根据本发明的解决方案，光学元件能够被构造成使从光学元件发出的光辐射沿着探测器件的方向以一个预定的角度照射有机组织，从而进一步使有效能量的使用最优化。
将要特别说明的是，所述光照射光导可以构造成使得能够保证从照射器件发出的光辐射接近相对被照射有机组织的垂直线。在尽可能避免照射和探测器件直接耦合的同时，该优点允许有机组织被深入地照射。根据在先技术的解决方案，传统光源(尤其是LED)的缺陷在于产生的光辐射的不定向特性，因此所述光辐射在有机组织的所有方向传播。用于照射有机组织的光导的使用使光辐射被引导，从而使它在组织中深入地传播。用于探测的光导的使用同样有利于探测从被照射的有机组织的深处产生的光辐射，对于在有机组织表面传播并且仅仅被血流稍微改变的任何光辐射的损失。
根据一个优选实施例，所述光学元件是带有微棱镜结构的实心光导。更特别地是，所述光学元件具有一个面对有机组织的第一面，或称为下面，一个与第一面相反的第二面，或称为上面，和连接第一和第二面的侧面，所述侧面基本上垂直于有机组织的表面。所述微棱镜结构布置在第二面和/或侧面上，以用于将通过第一面的光辐射重定向被照射的有机组织的方向，或分别将从有机组织发出的光辐射重定向到相关的一个或多个感光器上。
为了保证照射或探测尽可能地均匀和一致，当其远离光源时，微棱镜结构的长度和/或它们的数量最好分别从相关的感光器沿着光辐射的光路径逐渐增加。这两种选择可以彼此独立地应用或组合使用，并且具有补偿产生的或获取的光辐射强度减小的优点。
作为优选方式，为了照射，每一个微棱镜结构具有面向来自光源的光辐射产生方向的第一刻面，从而将所述光辐射重定向到所述光学元件的第一面。一个相似的结构能够用于探测从有机组织发出的光辐射。
为了增加用于照射和探测的有效的光通量，每个微棱镜结构的至少第一刻面可以涂覆着反射涂层。光学元件壁的分布更广的部分，例如光学元件的侧壁或上壁，可以涂覆反射涂层。应当注意的是，通过完全涂覆微棱镜结构所处的表面，与有选择地单独涂覆微棱镜结构相比，制造费用能够减少一些，但是反射表面造成的吸收损耗也增加了。
根据另一个改变，所述照射器件包括产生确定的和不同的波长的光辐射的第一和第二光源，所述光导布置成混合来自这些第一和第二光源的光辐射。在特定应用中可能需要两个不同光源的使用，尤其用于探测心律或测量血液中的氧含量，其中利用了在两个不同的波长下血液吸收的差异。典型地，使用了辐射红光和红外线的光源。其它波长也可以被利用，例如黄光(约590nm)或绿光(约480-530nm)，实质上基于应用而作出选择。
该变化的一个优点在于所述光学元件不仅具有光导的功能而且还起到光“混合器”的作用，以用于顺着两个不同的波长以均匀的方式在相同的表面分配光辐射。先前的解决方案仅仅使用准点状光源，例如LED，其在这点上具有重大缺陷，因为两个不同的光源能够明显地不布置在同一位置。这必然导致不同波长的光源之间空间的移位，从而导致这两个位置之间潜在的较大吸收变化，这可能对探测结果产生负面影响。
最后，上述的便携式测量仪器最适合用于佩戴在手腕上的电子仪器中。该提出的解决方案尤其具有优势，因为照射器件的光学元件具有允许将它组合到仪器外壳的底部贴近皮肤的相对简单的结构和较小的厚度。
附图说明
下面纯粹以说明和非限制性的举例方式以及所附示图的示意给出本发明的各种实施例，通过阅读以下详尽说明，本发明的其它特征和优点将更清楚地显现，其中：
图1根据一个实施例示出了便携式电子仪器底部的平面图，优选地是指佩戴在手腕上的仪器，以用于测量生理参数，并且包括一个带有分支光学元件的照射器件和一个带有围绕该照射器件布置的三个准点状感光器的探测器件；
图1a和1b分别示出了截面(沿图1b的A-A线)的放大图和图1光学元件的分支部分的平面图，微棱镜结构布置在光学元件的上面；这些视图进一步示出了光源相对于照射器件的光学元件的布置；
图2a和2b示出了与图1a和1b相似的视图，该图1a和1b示出了可选择的实施例，其中微棱镜结构特别地布置在分支的侧壁上；
图3是与图1相似的平面图，该图1示出了一种变化，其中光学元件具有附加的分支，所述分支有利地限定了围绕各个感光器的开口网眼；
图4也示出了另一种变化，其中光学元件具有限定多边形闭合单元的分支，所述多边形闭合单元与蜂窝状结构相似；
图5示出了一种变化，其中形成光导的所述光学元件具有与图4相似的网眼状结构，然而，每一个网眼具有一个基本为圆形或环形的形状；
图6是适于佩带在手腕上且与手表形状相近的电子仪器的透视图，这个仪器包括一个布置在其底部的与图5相一致的照射器件；
图7示出了一种变化，其中照射器件包括两个用于照射有机组织表面的不同的光导，并且其中探测器件自身带有光导，以用于获取在有机组织中传播之后的光辐射，每个光学元件形成一个在此具有基本上直杆状的光导；
图8和9分别示出了与图1和3另一相似的变化，其中探测器件自身带有光导；和
图10图示出了一个图表，其示出了光源的发光强度在有机组织中的变化，光辐射调制率的变化和因为与光源之间的距离作用由调制产生的光强度的变化。
具体实施方式
下面纯粹以说明和非限制性的举例方式给出各种实施例。特别地，再一次强调：所给出的这些实施例可优选而非唯一地以一种可佩戴在手腕上的仪器的形式实施。这些方案的其它便携式应用也应及与充分正视。
图中所示的实施例中，可留意一个在使用照明器件上的共通点：照明器件包括至少一个连接到形成光导的结构化光学元件上的光源，而该光导是以几何(特别是其周边)函数以及检测器件的布置而确定的方式进行构造的。正如随后可见的，检测器件也可带有至少一个形成光导连接到至少一个感光器上的光学元件。作为替换方式，在本发明的范围内，人们可以预想到提供仅带有这样一种光导的检测器件并使用一个或数个传统的光源。然而鉴于节省能量耗费和光源分配，照明光导的使用是优选的。
应当注意的是，使用光导来保证表面的准点状照射的解决方案已经公知，典型地是支持方位标记或监视器的表面。代表本申请的欧洲专利申请EP1050711披露了一种由表面带有微棱镜结构的光导定向的照射器件。这个照射器件唯一目的是用于照射水平表面，例如手表的表盘，光辐射从光导的侧面发出。然而该文献既没有描述也没有暗示可以将这种照射器件用于在测量生理参数的仪器中照射有机组织的一部分。
在本发明的范围内，形成光导的光学元件最好是带有微棱镜结构的实心光导，最好布置在空穴中。形成该光导的材料最好是具有高折射率n(通常在1.40到1.65之间)的半透明或透明材料，这些材料从公知的有机聚合物中选取，这些聚合物允许从至少一个光源发出的至少部分光能通过沿着光导全内反射而被传播到一末端。这些有机聚合物例如从丙烯酸聚合物，尤其是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯和聚酯中选择。
将要注意的是，散射介质在使用和混合几个在不同波长范围内发光的光源的情况下能够提高照射的均匀性和一致性。然而人们会认为光强度有更显著的损耗。
所述光导可以通过直接或间接蚀刻成型，例如带有适当刀具的机械制造，通过光致抗蚀剂膜蚀刻，通过化学的方法或激光的方法，这些技术作为非限定性例子而引用。为构成光导也可从蚀刻模具进行复制，所述蚀刻模具为获得光导通过模制装配到注射机，或用来冲压希望形成光导的一个表面。无论使用哪一种技术，都可以直接在光导或与光导有大致相同折射率的板上进行构造，随后该构造例如通过粘结应用到实际的光导中。
正如先前已经提到的，反射涂层可以附着到光导的某个刻面上，以增加用于有机组织照射的有用光通量。
关于一个或多个光源，它们最好由准点光源状形成，例如在预期波长范围内发光的传统的发光二极管(LED)(例如发出650nm波长的AlGaAs二极管和发出470nm波长的InGaN二极管等)。所述探测器件的一个或多个感光器能够例如由光电二极管或光电晶体管形成，所述光电二极管或光电晶体管具有对被采用的波长或波长范围充分的响应。
图1示出了本发明测量仪器的第一实施例，所述测量仪器作为一个整体由附图标记3表示。由附图标记1表示的照射器件包括光学元件10，该光学元件形成光导，该光导连接到布置在该结构的中心由C表示的一个光源(至少)40上，并且其在图1中只能部分可见。在图1的例子中，照射器件1与包括三个准点状感光器21到23的探测器件2相关联。
图1的测量仪器例如是指用于测量心律，并且它基本外形近似于手表。从而该仪器3包括壳30，同时也形成中间部分，在壳的内部布置了该仪器的各种电气的和电子的元件(未示出)，同时表带(未示出)以常规的方式连接到壳30上，例如通过布置在壳30上的角突31、32。照射器件1和探测器件2置于手表的后盖35中，从而与使用者的皮肤接触。因此图1示出了仪器3后盖的平面视图。后盖35最好也具有周边凸缘，由附图标记70表示，周边凸缘的作用随后将详细说明。
所述照射和探测器件可以可选择地放置于该便携式仪器的另一个适合部分，例如放在它的上表面(在这种情况下，使用者将必须将他的手指放在该上表面上，以实现有关生理参数的测量)。
根据第一实施例，可以观察到照射器件1的光学元件10具有星形的分支结构，该结构包括三个基本呈直线的分支11到13，这些分支基本在同一平面内沿着三个围绕该结构的中心C呈120°角延伸。探测器件2的三个感光器21到23对称地放置在由上述三个分支11到13形成的角的平分线上，从而沿着三个围绕结构C呈120°角度方向延伸。因此分支11到13和感光器21到23围绕该结构的中心以大约60°角互相交替。
更准确地，所述三个感光器21到23在离中心C等距离处放置，以形成等边三角形，该等边三角形的顶点由该三个感光器形成。对于这些感光器，光学元件10通过具有分支的几何图形的方式显示特性，该图形基本上是沿着围绕感光器21到23的位置的确定半径R的圆弧部分。因此两个感光器之间的距离基本上等于所述半径R的两倍。光学元件的分支11到13也具有恒定的平均宽度，由L表示，该宽度的值被选作半径R的部分。
半径R的值和光学器件的平均宽度L的值的选择通过各种限制来规定。发明者能够观察到相邻两个感光器之间的平均距离基本保持恒定。在这个特别的例子中，这个距离一方面由半径R和分支的平均宽度L的值确定。太短的距离可能导致感光器21到23太接近照射器件1，从而阻碍了由后者产生的光辐射充分深入地透过有机组织和血流变化对它的充分调制。同样地，太长的距离导致感光器离照射器件1太远，可能阻碍信号强度的充分探测。实际上，发明人能够观察到小于十毫米的指定距离是合适的。
图10证明了前述部分。可以在此图示地看到当远离光源时平均局部强度几乎呈指数地逐渐减小。另一方面，当远离光源时在有机组织中传播之后的光辐射调制率(所述光辐射由探测器件获取)逐渐增加，并在某一距离处达到稳定。该变化本质上是因为距离光源越远，光辐射透过有机组织就越深以及它被血流调制的就越多。调制率的稳定和饱和由于血管的分布从有机组织表面起一直变化，直到到达一个确定的深度，从该深度起该分布变得一致。在有机组织中的长的传播路径不再有助于增加调制率。
基本由前面所述的两个曲线相乘得到的调制强度(图10中的虚曲线)因此具有一个如图所示的波峰。为了优化光测量仪器的操作，因此在照射和探测器件之间选择了一个足够的距离，其基本与符合波峰相一致。这个最优距离(在图10中由阴影部分表示)因为照射的有机组织特性的功能，并且尤其是血管所处的深度而变化。对于在手腕上使用，发明人确定该距离通常为10mm或更小。
关于佩戴在手腕上的电子仪器的应用，其中该仪器的与皮肤接触的后盖表面通常为10cm2，需要注意的是，实际上，能够象建议的那样将略小于十个“重叠的”感光器设置在光导结构中。
在图1的例子中，应当能观察到由于分支11到13的直线形状，因此每个感光器21到23和相邻分支之间的距离并非严格地恒定不变。然而应当说明的是，严格地要求感光器和光导之间的恒定距离本身并不是主要的，一定的偏差是可以接受的。也应当说明的是，尤其重要的是能够保证光导被构造成将源于一个或多个光源的光辐射注入和分配到根据感光器的位置确定的区域。因此所述光导本身仿照几何结构，该几何结构不需要考虑与探测器件几何结构之间的预设距离。
图1的照射器件的结构现在将更详细地进行检验，这种结构由图1a和1b详细地表示。图1b是从由10b表示的上面看到的图1的光学元件10的部分放大图，也就是，它的面与面10a相反，并朝向被照射的有机组织的表面(图1a中的50)。图1a是在图1b中沿A-A线得到的光学元件10的部分截面，其同样显示了光源40的布置。
为了清楚的目的，一组直角坐标系x，y，z被定义并添加到每个附图中，以指明各个视图在空间上的方向。尤其需要注意的是，这组坐标系被定义成使得光学元件10的共同平面平行于x-y平面(参考图1)，分支11平行于x轴，并且z轴从该仪器的底部朝向被照射的有机组织的表面。
如图1a和1b所示，照射器件1在本实施例中包括一个单独的光源40，优选是一个发光二极管或LED，该光源被放置在该结构的中心C，从而它的光辐射如箭头所示沿着z轴朝向光学源元件的中心部分。因为它的方向与光学元件10的平面垂直，刻面15a、15b在光学元件10的下面10a的空穴中布置。这些刻面15a、15b的方向被确定成通过全内反射将来自光源40的光通量重定向到光学元件的各个分支。在这个实施例中，这些刻面因此形成凹槽15，所述凹槽具有四面体的大体形状，更确切地说是四面体的两个部分。最好使用这样的刻面，即当远离该结构的中心C时几个刻面(在本例中是两个)的角最好相对于x-y平面逐渐减小，因为由光源40产生的光线的入射角通常不是恒定的，由光源产生的所述光线典型地围绕z轴形成一个锥形发散。应当理解的是，形成凹槽15的刻面15a、15b可以被任何其它合适的几何结构替换，例如曲线轮廓几何结构，只要所述结构能够将来自光源40的光辐射重定向到各个分支。
如图1a和1b所示，因此由光源40产生的光辐射被重定向到光学元件的每个分支11、12、13，其中每个分支包括反射区60，以用于通过全内反射将光通量重定向到有机组织50的不同部分，如图1a中的箭头所示。在图1a和1b的实施例中，区域60布置在光学元件的上表面10b上并且至少形成一个刻面61，所述刻面倾向光源40产生的光线发生的方向以形成微棱镜结构。在图1a和1b中，这种类型的四个刻面可以在分支11上看到。它们之中的三个分布在分支11的长度上，并且各由一个布置在表面10b上的V形空穴部分形成。第四个刻面布置在分支11的末端并在此具有比其它三个大的面积。
确定相对于x-y平面的刻面61角度，表示为α，以将入射光线的一部分重定向到被照射的有机组织50上。角α的值基本上由使用材料的性质(尤其是形成光导10的材料的折射率n)，入射光线在光导中的方向以及外部媒介的性质决定。正如先前提到的，为了增加通过光学元件10的下面10a的光通量，设想将刻面61覆盖一层反光层(或甚至整个上表面10b)是可能的。
通常，光学元件的设计必须符合某些数目的几何约束，它们之中的一个是由θc表示的临界角的数值，所述临界角由相关表面的垂线限定，超出该临界角时照射到该平面上的光线产生全反射。该临界角通常由下面的公式给出：
θ c = arcsin ( n 1 n 2 ) - - - ( 1 )
其中n1对应外部媒介的折射率(在空气中为1)，并且n2对应光线在其中传播的光导的折射率。为了保证光线的全部内反射总是发生在光导10的内部，必须考虑到光导中的光线相对于相关表面的入射角要大于上述的入射角θc。在相反的情况下，通过折射光线的部分随后将在光导外传播。正如上文所述，如果需要，反射层允许入射光线全部反射。然而这导致了吸收造成的损耗，这种损耗最好尽可能最大程度地减小。
图2a和2b示出了另一个可选择实施例，该实施例显示了制造反射区60的另一种选择。作为在光学元件10的上面10b上制造这些区域60的替换，因此也能够在光学元件10的侧面上制造这些区域，其基本上垂直被照射的有机组织的表面和平行于光学元件中光通量的传播方向。例如这可以是图2a和2b中分支11的面10c和10d(其它的两个分支12和13的相应侧面)。如图2a和2b所示，为了使用这些面，刻面62应当以同时朝向光源40产生的光线发生的方向和被照射的有机组织表面的方向布置、设计和倾斜。面10c、10d的一个和/或另一个可以由这种方式构造。应当注意的是，通过光学元件的面10a并且被刻面62反射的光通量将具有不仅沿z轴而且沿y轴(或甚至x轴)具有分量的大致方向。在讨论的例子中，假定感光器布置在两个分支11和13上，为了保证光照的均匀分布，最好对称地构造每个分支的两个侧面。
根据图1a、1b和2a、2b讨论过的这两种构造方法能够有利地组合。而且，如图2a和2b所示，每个分支的末端包括一个类似图1a和1b方案中的倾斜的刻面61。此外，刻面的大小(厚度和/或宽度)和单位表面单元上的数量能够变化。为了在某种程度上补偿光通量的逐渐减小，尤其可取的是增加区域60的反射表面和/或当远离光源40时沿着光线的传播路径逐渐增加其数量。
光学元件10的结构明显地不局限于图1的单个实施例。如图3和4所示，光学元件10能够具有围绕各个感光器的位置形成开口(图3)或闭合(图4)网眼的更广泛的分支结构。为了尽可能地优化便携式仪器上的有效面积，蜂窝网眼状结构尤其显得有利，因为它对空间的最佳利用。如上所述，通过采用这样的结构，实际上能够在构造的网眼状光学元件的中心在10cm2左右的面积上设置少于十个准点状感光器，例如可典型地用于佩戴在手腕上的仪器的后盖上。
在图3和4的变化中，将要注意的是，示出了允许将光通量重定向到被照射的有机组织方向的光学元件的反射区60，该反射区类似于图1、1a和1b显示的反射区。上述图形只是示意和说明性的。特别是，以图2a和2b中变化的方式显示的该类型的结构可以用于替换或补充。而且，反射区的数量、形状和布置可以改变。最后，反射区的尺寸(宽度和厚度)不需要按比例。
图5也示出了与图4相似的另一种变化，其中光学元件具有网眼状结构，在蜂窝结构中每个单元具有替代图4中的多边形网眼状结构的圆形或环形形状。作为举例，反射区60在光导10的侧面上构造成类似于图2a和2b的区域。在图5中，在光学元件的各个分支中的光线(又产生在该结构的中心)的传播路径同样如箭头所示。
图6是显示图5所示的光学元件在便携式仪器3的后盖35中装配的透视图。如前所述，发光二极管40在这个实施例中布置在后盖35的中心区域并且以使它的光辐射平行于z轴朝向设置在光学元件10的下表面(在图6中朝向上方的表面)的凹槽15的方向的方式定向。
可以在光学元件10和后盖35之间的间隔放置隔离物(未示出)，从而在光导10的壁和相邻的后盖35的壁之间形成小的空气间隔。一方面，也能够在后盖35和光导10之间***中间层(未示出)，和另一方面，在被照射的有机组织的表面之间***该中间层。在这方面，已在上文中提到，后盖35最好具有周边凸缘70，在这里为环形，所述凸缘朝着被照射的有机组织的方向伸出后盖之外。在该结构中，凸缘70的目的有两个。第一个目的是形成光屏障，以阻止周围的光线扰乱生理参数的测量。第二个目的是保证光导不与有机组织直接接触。实际上最好保证在光导和被照射的有机组织之间总是存在一个间隔，从而光导和外界环境之间的表面特性随着时间保持恒定不变，尤其在便携式仪器相对于有机组织移动移动时。
在图6所示中，需要注意的是，凸缘70可以有利地仿照照射器件1的外部轮廓，在这种情况下，该凸缘70将具有三个凸角的形状而不是所示的环形。然而凸缘可以有利地***到照射和探测器件之间以限制所述器件之间的直接光耦合。
除了具有凸缘70之外，最好也布置后盖35的表面，其位于照射和探测器件之间(在图6中的三个阴影部分环形表面)，这样它们不反射由照射器件产生的光辐射。实际上，在后盖35和它放置的有机组织之间存在的间距的范围内，光辐射的一部分在被探测器件获取之前可能在后盖35的表面和被照射的有机组织的表面之间反射。通过在照射和探测器件之间，在后盖35的过渡表面上设置防反射层，后盖和有机组织之间的这些散射的干扰影响将被限制。
图7又示出了另一种变化，其中示出了几个变动，这些变动在本发明的范围内是可以预计的。
首先，前面出现的实施例仅仅包括一个连接到单个光源上形成光导的单个光学元件。还能够设想使用几个不同的光导，每个光导连接到一个或几个光源上。例如，图7示出了一种变化，该变化包括两个基本上呈直线形状的光导101和102，每个光导与光源41、42连接。
其次，光源相对于与它相连接的光导的布置可以采用不同的结构。例如，图7示出了每个光源41、42面对关联的光导的一个末端放置，光隔射在本例中沿着x轴定向。因此该解决方案不需要光学器件象图1到6的实施例那样在光导的总平面上重定向光线。
第三，探测器件本身也可以有利地带有一个或几个形成光导的光学元件，以获取在被检查有机组织表面的不同部分传播的光辐射，其中每个光学元件连接到至少一个感光器上。在图7中显示了这种情况，其中形成光导的三个光学元件201、202、203交替布置在光照射元件101、102的两边，并且每个光学元件通过它们的末端分别与感光器21、22和23连接。这些光学元件的构造基本上类似于前面提出的光学元件的构造。
第四，光导的几何结构不必然需要仿照前面实施例中的圆弧。所述圆弧形状基本上由用于图1-6实施例的准点状或感光器(一个或多个)指定。首先要点在于考虑一个在给定公差范围内的确定距离，该距离在照射器件注入光线的所处的部分和探测器件获取在有机组织中传播之后的光线所处的部分之间。
最后，应当注意的是，用于获取在有机中传播之后的光辐射的一个或几个光导的使用开拓了其它结构的可能性。在图7中，因此能够看到用于探测光辐射的光导的使用允许照射和探测器件在几何结构上以一种简单的形式构造。实际上，使用的各种光导101、102、201、202和203在这里具有简单的结构化的直杆状形式，因此它特别容易制造。应当注意到这种情况，即考虑光学元件之间的特定距离Δ和光学元件之间的特定宽度L，然而该距离Δ和宽度L能够在光学元件之间变化。
当然也能够预料到其它的变化。因此，在仍然考虑基本上在光辐射发生区域和光辐射探测区域之间确定的距离时，人们能够设想将光学元件构造成使它们具有能够互相匹配的互补形状(例如蜂巢状或螺旋状结构)。图8和9在这方面分别示出了类似于图1和3中所示的变化，其中三个感光器21、22、23分布连接到光导201、202和203上。类似于图7，图9的各种变化再次示出了感光器能够连接到相关的光学元件的一个末端上。
在图7、8和9的所示中，应当理解相同器件(照射或探测器件)的各个光导可以组合到一个单独的相同光导中，从而能够减小相关光源或感光器的数量。
最后，也应当理解在不同波长范围内发光的几个光源能够同时连接到相同的光导上。在这种情况下，明智的做法是向提供一个带有光学器件的照射器件，以在光学元件的入口混合来自各个光源的光辐射，或连接所述各个光源，使它们的光辐射在光导中混合，上述总的观点是从光导的各个部分产生的光辐射在所需波长范围的各个组成之间具有合适的一致性和均匀性。如前文所述，用于制造光导的散射介质的使用能够有助于这种均匀性，但将会产生光强度的损耗。
通常，应当理解形成光导的光学元件的使用，例如上文提出的，如果必要，用于照射有机组织和探测在组织中传播之后的光辐射，其允许便携式仪器上启动有效表面和尽可能最佳地使用有效的光能。
最后，应当理解的是，相对于本领域的熟练技术人员明显的各种其它变动和/或改进可以从说明书中的实施例得到，而不超出由附加的权利要求所限定的本发明的范围。尤其是，本发明并不仅限于在手表中使用，而是应用到任何其它的便携式仪器，不管是否佩戴在手腕上。

Claims (15)

1.用于测量生理参数的便携式仪器(3)，其布置成与有机组织(50)的表面接触，该仪器包括基本上布置在同一平面内的下述部分：
照射器件(1)，该器件包括至少一个带有确定的照射表面的光源(40；41，42)，以使所述有机组织的一部分受到至少一个确定波长范围内的光辐射；和
与所述照射器件(1)分隔的探测器件(2)，其用于探测由所述照射器件产生的光辐射在所述有机组织(50)中传播后的强度，
其特征在于：所述照射器件(1)包括形成光导(10；101，102)的光学元件，该光导连接到所述至少一个光源(40；41，42)，以用于通过全内反射在基本上平行于被照射的有机组织(50)表面的方向引导来自所述光源的光辐射，并且在基本上比所述光源(40；41，42)的照射表面更宽的面积上将所述光辐射分配到所述有机组织表面(50)上的几个确定的照射区域。
2.用于测量生理参数的便携式仪器(3)，其布置成与有机组织(50)的表面接触，该仪器包括基本上布置在同一平面内的下述部分：
照射器件(1)，该器件包括至少一个带有确定的照射表面的光源(40；41，42)，以使所述有机组织的一部分受到至少一个确定波长范围内的光辐射；和
与所述照射器件(1)分隔的探测器件(2)，其用于探测由所述照射器件产生的光辐射在所述有机组织(50)中传播后的强度，
其特征在于：所述探测器件(2)包括形成光导(201，202，203)的光学元件，该光导连接到至少一个感光器(21，22，23)，以用于在有机组织表面(50)的几个区域获取由照射器件(1)产生的在有机组织中传播后的光辐射，并将所述光辐射通过全内反射引导到所述至少一个感光器(21，22，23)。
3.如权利要求1所述的仪器，其特征在于：所述探测器件(2)具有确定的几何轮廓，并且在其各照射区域内确定成距离该探测器件的所述几何轮廓的最近点基本恒定的距离。
4.如权利要求1、2或3所述的仪器，其特征在于：所述形成光导的光学元件具有分支结构和/或至少部分的网眼状结构。
5.如权利要求4所述的仪器，其特征在于：所述形成光导的光学元件具有基本上蜂窝状的结构。
6.如权利要求1所述的仪器，其特征在于：所述探测器件(2)包括一个或几个准点状感光器(21，22，23)，所述感光器与形成光导(10)的所述光学元件基本布置在同一平面，并且所述形成光导(10)的光学元件具有几何形状基本上与围绕每个感光器的位置具有预定半径的圆或圆弧相重合的结构。
7.如权利要求1所述的仪器，其特征在于：所述光学元件(10；101，102)是带有反射微棱镜结构(60)的实心光导，以用于将由所述光源(40；41，42)产生的光辐射重定向到被照射的有机组织表面(50)的方向，
所述光学元件具有面对被照射的所述有机组织(50)的第一面(10a)，或称为下面，与所述第一面相反的第二面(10b)，或称为上面，和连接所述第一和第二面的侧面(10c，10d)，所述侧面的方向基本上垂直于被照射的有机组织表面，
每个所述微棱镜结构(60)至少包括布置在所述第二面(10b)和/或所述侧面(10c，10d)上的第一刻面(61，62)，从而将通过所述第一刻面(10a)的光辐射重定向到被照射的所述有机组织(50)的方向。
8.如权利要求2所述的仪器，其特征在于：所述光学元件(201，202，203)是带有反射微棱镜结构(60)的实心光导，以用于将从有机组织(50)产生的光辐射重定向到相关的一个或多个感光器(21，22，23)的方向。
所述光学元件具有面对产生光辐射的所述有机组织(50)的第一面，或称为下面，与所述第一面相反的第二面，或称为上面，和连接所述第一和第二面的侧面，所述侧面的方向基本上垂直于有机组织表面。
每个所述微棱镜结构至少包括布置在所述第二面和/或所述侧面上的第一刻面，从而将产生于有机组织的光辐射重定向到相关的一个或多个感光器的方向。
9.如权利要求7或8所述的仪器，其特征在于：每个反射微棱镜结构的所述至少第一刻面涂覆有反射涂层。
10.如权利要求7或10所述的仪器，其特征在于：所述微棱镜结构的长度和/或其数量，随着分别从相关的感光器离开所述光源，沿在所述光学元件中的光辐射路径逐渐增加。
11.如权利要求1所述的仪器，其特征在于：它包括用于在第一确定的波长范围内产生光辐射的第一光源和用于在与第一波长范围不同的第二确定的波长范围内产生光辐射的第二光源，
所述形成光导的光学元件被布置成用于混合来自第一和第二光源的光辐射。
12.如权利要求1所述的仪器，其特征在于：所述探测器件(2)包括形成光导(201，202，203)的光学元件，该光导连接到至少一个感光器(21，22，23)，以用于在有机组织表面(50)的几个区域获取由照射器件(1)产生的在有机组织中传播后的光辐射，并将所述光辐射通过全内反射引导到所述至少一个感光器(21，22，23)。
13.如权利要求1或2所述的仪器，其特征在于：它佩戴在手腕上并且包括壳(30)，所述壳带有与使用者皮肤接触的后盖(35)，所述照射器件(1)和探测器件(2)布置在所述壳中。
14.如权利要求13所述的仪器，其特征在于：所述后盖(35)带有紧靠在所述有机组织(50)上的凸缘(70)，以在形成光导(10；101，102，201，202，203)的光学元件和该有机组织之间保持一个间隔。
15.如权利要求13所述的仪器，其特征在于：位于所述照射器件和探测器件之间的所述后盖(35)的表面的至少一部分布置成不反射所述照射器件产生的光辐射。
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