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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6762293
(24)【登録日】2020年9月10日
(45)【発行日】2020年9月30日
(54)【発明の名称】光学的バイタルサインセンサ
(51)【国際特許分類】
A61B 5/02 20060101AFI20200917BHJP
A61B 5/0295 20060101ALI20200917BHJP
A61B 5/0245 20060101ALI20200917BHJP
G01N 21/49 20060101ALI20200917BHJP
【ＦＩ】
A61B5/02 310B
A61B5/0295
A61B5/0245 B
A61B5/0245 100B
G01N21/49 Z
A61B5/02ZDM
【請求項の数】10
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2017-514855(P2017-514855)
(86)(22)【出願日】2015年9月14日
(65)【公表番号】特表2017-534325(P2017-534325A)
(43)【公表日】2017年11月24日
(86)【国際出願番号】EP2015070911
(87)【国際公開番号】WO2016050486
(87)【国際公開日】20160407
【審査請求日】2018年8月31日
(31)【優先権主張番号】14187495.8
(32)【優先日】2014年10月2日
(33)【優先権主張国】EP
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】590000248
【氏名又は名称】コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＮＩＮＫＬＩＪＫＥ ＰＨＩＬＩＰＳ Ｎ．Ｖ．
(74)【代理人】
【識別番号】100122769
【弁理士】
【氏名又は名称】笛田 秀仙
(74)【代理人】
【識別番号】100163809
【弁理士】
【氏名又は名称】五十嵐 貴裕
(72)【発明者】
【氏名】ポーリッセン エルヴィラ ヨハーナ マリア
(72)【発明者】
【氏名】コルネリッセン ヒューゴ ヨハン
【審査官】
亀澤 智博
(56)【参考文献】
【文献】
特開平０５−１９２３１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００９／１３９０３０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００４−２２９９２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１１−１４７７４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００１−０６１７９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−０００４６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−１３０２０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−０００１５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−２７０５４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−２１３８３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００８／００９７２２１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
米国特許第０６７４５０６１（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】
国際公開第２００９／０３０９３４（ＷＯ，Ａ２）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ａ６１Ｂ ５／０２ − ５／０３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ユーザのバイタルサインを測定又は決定する光学的バイタルサインセンサにおいて、前記光学的バイタルサインセンサは、
ユーザの皮膚上に直接的に配置される接触面を持つハウジングと、
入射角の角度範囲を持つ光ビームを生成する少なくとも１つの光源であって、前記光ビームが、前記接触面を介して放射され、前記ユーザの皮膚に向けられる、当該少なくとも１つの光源と、
前記接触面を介して直接的に光を検出する少なくとも１つの光検出器ユニットであって、前記光が、前記ユーザの皮膚内の又はからの前記少なくとも１つの光源からの前記光ビームの反射を示し、前記少なくとも１つの光源及び前記少なくとも１つの光検出器ユニットが、間に距離を空けて前記ハウジング内で互いの近傍に配置される、当該少なくとも１つの光検出器ユニットと、
前記少なくとも１つの光源と前記接触面との間に配置され、前記接触面に対する入射角の角度範囲を−２０°と＋２０°との間に制限することにより前記少なくとも１つの光源の前記光ビームを成形する光成形ユニットと、
を有するフォトプレチスモグラフィセンサを有し、
前記光成形ユニットが、−２０°より小さく、＋２０°より大きい入射角度を持つ光ビームを反射又は方向転換することにより透過させず、−２０°と＋２０°との間の入射角度を持つ光を透過させる光学フィルムを有する、
光学的バイタルサインセンサ。
ユーザの皮膚上に直接的に配置される接触面を持つハウジングと、
入射角の角度範囲を持つ光ビームを生成する少なくとも１つの光源であって、前記光ビームが、前記接触面を介して放射され、前記ユーザの皮膚に向けられる、当該少なくとも１つの光源と、
前記接触面を介して直接的に光を検出する少なくとも１つの光検出器ユニットであって、前記光が、前記ユーザの皮膚内の又はからの前記少なくとも１つの光源からの前記光ビームの反射を示し、前記少なくとも１つの光源及び前記少なくとも１つの光検出器ユニットが、間に距離を空けて前記ハウジング内で互いの近傍に配置される、当該少なくとも１つの光検出器ユニットと、
前記少なくとも１つの光源と前記接触面との間に配置され、前記接触面に対する入射角の角度範囲を−２０°と＋２０°との間に制限することにより前記少なくとも１つの光源の前記光ビームを成形する光成形ユニットと、
を有するフォトプレチスモグラフィセンサを有し、
前記光成形ユニットが、−２０°より小さく、＋２０°より大きい入射角度を持つ光ビームを反射又は方向転換することにより透過させず、−２０°と＋２０°との間の入射角度を持つ光を透過させる光学フィルムを有する、
光学的バイタルサインセンサ。
【請求項2】
前記光成形ユニットが、大きな角度を持つ光をリサイクルする拡散チャンバを有する、請求項１に記載の光学的バイタルサインセンサ。
【請求項3】
前記光成形ユニットが、前記少なくとも１つの光源と前記少なくとも１つの光検出器ユニットとの間に鏡側面を持つ分離壁を有する、請求項１に記載の光学的バイタルサインセンサ。
【請求項4】
前記光成形ユニットが、光屈折ユニットを持つ、請求項１に記載の光学的バイタルサインセンサ。
【請求項5】
前記光成形ユニットが、光コリメーション板を有する、請求項１に記載の光学的バイタルサインセンサ。
【請求項6】
前記少なくとも１つの光源が、側面発光ダイオードを有し、前記少なくとも１つの光検出器ユニットが、第１の端部において前記少なくとも１つの光源に結合された光輸送ユニットを有し、前記光輸送ユニットの遠位端は、前記光輸送ユニットを通る光が前記ユーザの皮膚に向かって反射されるような傾斜を有する、請求項１に記載の光学的バイタルサインセンサ。
【請求項7】
前記少なくとも１つの光源が、複数の発光ダイオードを有し、前記少なくとも１つの光検出器ユニットが、角度選択フィルム、拡散器フィルム又は方向転換フィルムを有する、請求項１に記載の光学的バイタルサインセンサ。
【請求項8】
前記光学的バイタルサインセンサが、ウェアラブルデバイス又は手首デバイスである、請求項１に記載の光学的バイタルサインセンサ。
【請求項9】
ユーザのバイタルサインを測定又は決定する方法において、
フォトプレチスモグラフィセンサのハウジングの接触面をユーザの皮膚に対して配置するステップと、
前記フォトプレチスモグラフィセンサ内の少なくとも１つの光源により入射角の角度範囲を持つ光ビームを生成するステップと、
前記接触面により前記光ビームを前記ユーザの皮膚に向けるステップと、
前記接触面を介して直接的に光を検出するステップであって、前記光が、前記フォトプレチスモグラフィセンサの前記ハウジング内の少なくとも１つの光検出器ユニットにより前記ユーザの皮膚内の又はからの前記少なくとも１つの光源からの前記光ビームの反射を示し、前記少なくとも１つの光源及び前記少なくとも１つの光検出器ユニットが、間に距離を空けて前記ハウジング内で互いの近傍に配置される、ステップと、
前記少なくとも１つの光源と前記ハウジングの前記接触面との間に配置された光成形ユニットを用いて前記入射角の角度範囲を−２０度と＋２０°との間に制限することにより前記光成形ユニットにおいて前記少なくとも１つの光源の前記光ビームを成形するステップと、
を有し、
前記光成形ユニットが、−２０°より小さく、＋２０°より大きい入射角度を持つ光ビームを反射又は方向転換することにより透過させず、−２０°と＋２０°との間の入射角度を持つ光を透過させる光学フィルムを有する、
方法。
フォトプレチスモグラフィセンサのハウジングの接触面をユーザの皮膚に対して配置するステップと、
前記フォトプレチスモグラフィセンサ内の少なくとも１つの光源により入射角の角度範囲を持つ光ビームを生成するステップと、
前記接触面により前記光ビームを前記ユーザの皮膚に向けるステップと、
前記接触面を介して直接的に光を検出するステップであって、前記光が、前記フォトプレチスモグラフィセンサの前記ハウジング内の少なくとも１つの光検出器ユニットにより前記ユーザの皮膚内の又はからの前記少なくとも１つの光源からの前記光ビームの反射を示し、前記少なくとも１つの光源及び前記少なくとも１つの光検出器ユニットが、間に距離を空けて前記ハウジング内で互いの近傍に配置される、ステップと、
前記少なくとも１つの光源と前記ハウジングの前記接触面との間に配置された光成形ユニットを用いて前記入射角の角度範囲を−２０度と＋２０°との間に制限することにより前記光成形ユニットにおいて前記少なくとも１つの光源の前記光ビームを成形するステップと、
を有し、
前記光成形ユニットが、−２０°より小さく、＋２０°より大きい入射角度を持つ光ビームを反射又は方向転換することにより透過させず、−２０°と＋２０°との間の入射角度を持つ光を透過させる光学フィルムを有する、
方法。
【請求項10】
請求項１に記載の光学的バイタルサインセンサを制御するコンピュータ上で実行される場合に、前記光学的バイタルサインセンサに、請求項９に記載のユーザのバイタルサインを測定又は決定する方法のステップを実行させるコンピュータプログラムコード手段を記憶するコンピュータ可読メモリを有するコンピュータプログラムプロダクト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ユーザのバイタルサインを監視する光学的バイタルサインセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
光学的心拍センサは、ユーザの心拍のようなバイタルサインを監視又は検出することがよく知られている。このような心拍センサは、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）センサに基づくことができ、容積器官測定値を取得するのに使用されることができる。パルスオキシメータを用いて、人間の皮膚の光吸収の変化が検出され、これらの測定に基づいて、ユーザの心拍又は他のバイタルサインが決定されることができる。ＰＰＧセンサは、ユーザの皮膚内に光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源を有する。放射された光は、皮膚において散乱され、血液により少なくとも部分的に吸収される。光の一部は、皮膚を出て、フォトダイオードにより捕捉されることができる。フォトダイオードにより捕捉される光の量は、ユーザの皮膚内の血液容積の指標であることができる。ＰＰＧセンサは、特定の波長における吸収測定により真皮又は皮膚の皮下組織における血流を監視することができる。血液容積が鼓動する心臓により変化される場合、ユーザの皮膚から戻る散乱光も変化する。したがって、フォトダイオードを用いて検出光信号を監視することにより、皮膚におけるユーザの脈拍、結果として心拍が、決定されることができる。
【0003】
図１は、心拍センサの動作原理の基本的な表現を示す。図１において、心拍センサが、ユーザの腕に配置されている。心拍センサ１００は、光源１１０及び光検出器１２０を有する。光源１１０は、ユーザの皮膚１０００上に又は内に光を放射する。前記光の一部は反射され、反射光は、光検出器１２０により検出されることができる。
【0004】
ＵＳ２００９／０３３９３７は、ユーザの皮膚に向けて第１の光を出力する光抽出ユニット及び皮膚から光検出器に向けて光をガイドする光結合パターンを持つ光ガイドパネルを持つ生体情報を測定するセンサを示す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的は、減少された組立高さ（building height）を持ちながら、ユーザのバイタルサインを効率的に検出することができる光学的バイタルサインセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様によると、光学的バイタルサインセンサが提供される。前記光学的バイタルサインセンサは、ユーザのバイタルサインを測定又は決定するように構成される。前記光学的バイタルサインセンサは、ハウジングと、ユーザの皮膚上に直接的に配置される接触面と、入射角の角度範囲を持つ光ビームを生成するように構成された少なくとも１つの光源とを有するフォトプレチスモグラフィセンサＰＰＧを有する。前記光ビームは、前記接触面を介してユーザの皮膚に向けられる。更に、少なくとも１つの光検出器ユニットは、前記ユーザの皮膚からの又は前記皮膚内の前記少なくとも１つの光源からの前記光ビームの反射を示す光を検出するように構成される。前記少なくとも１つの光源及び前記少なくとも１つの光検出器ユニットは、前記ハウジング内で互いの近傍に配置される。前記少なくとも１つの光源と前記少なくとも１つの光検出器ユニットとの間に距離が存在する。前記バイタルサインセンサは、更に、前記光源と前記接触面との間に配置され、前記少なくとも１つの光源からの前記光ビームを成形するように構成される少なくとも１つの光成形ユニットを有する。これは、前記入射角の角度範囲を２０°以下に制限することにより実行されることができる。前記光成形ユニットは、角度範囲を制限するように前記光ビームを成形、方向付け、制御又は管理するユニットである。
【0007】
本発明の一態様によると、前記光成形ユニットは、大きな角度を持つ光ビームを反射又は方向転換し、小さな入射角を持つ光を透過することができる光学フィルムを有する。
【0008】
本発明の他の態様によると、前記光成形ユニットは、大きな入射角を持つ光をリサイクルするように構成される拡散チャンバを有する。
【0009】
本発明の他の態様によると、前記光成形ユニットは、前記少なくとも１つの光源と前記少なくとも１つの光検出器ユニットとの間に鏡側面を持つ分離壁を有する。
【0010】
本発明の他の態様によると、前記光成形ユニットは、光屈折ユニットを有する。
【0011】
本発明の他の態様によると、前記光成形ユニットは、光コリメーション板を有する。
【0012】
本発明の他の態様によると、前記少なくとも１つの光源は、側面発光ＬＥＤを有する。前記少なくとも１つの光成形ユニットは、第１の端部で前記少なくとも１つの光源に結合される光輸送ユニットを有し、遠位端は、前記光輸送ユニットを通る光が前記ユーザの皮膚に向かって反射されるような傾斜を有する。
【0013】
本発明は、ユーザのバイタルサインを測定又は決定する方法にも関する。ＰＰＧセンサのハウジングの接触面は、ユーザの皮膚に対して直接的に配置される。入射角の角度範囲を持つ光ビームは、前記ＰＰＧセンサ内の少なくとも１つの光源により生成される。前記光ビームは、前記接触面により前記ユーザの皮膚に向けられ、前記ハウジング内の少なくとも１つの光検出器ユニットは、ユーザの皮膚内の又はからの、前記少なくとも１つの光源からの光ビームの反射を示す光を検出するように構成される。
【0014】
光成形ユニットは、前記光源と前記接触面との間に配置され、前記光源からの光を２０°より小さい角度範囲に成形する。
【0015】
本発明の一態様によると、前記光学バイタルサインセンサを制御するコンピュータにより実行される場合に、前記光学バイタルサインセンサに、ユーザのバイタルサインを測定又は決定する前記方法のステップを実行させるコンピュータプログラムコード手段を記憶するコンピュータ可読メモリを有するコンピュータプログラムプロダクトが提供される。
【0016】
本発明の一態様によると、前記バイタルサインセンサは、ＬＥＤベースのＰＰＧセンサであることができるバイタルサインセンサを有する。ＬＥＤの光は、前記ユーザの皮膚を貫通し、その一部は、光検出器に到達することができる。前記光検出器の出力は、血液体積分率並びに酸素化及び脱酸素化ヘモグロビンのような血液化合物を監視するのに使用されることができる。特に、ＬＥＤ光源からの光の吸収又は反射の量は、心拍及び血液体積分率又は血液化合物を決定するのに使用されることができる。心拍は、血液体積分率に関連する。更に、本発明によるＰＰＧセンサは、したがって、ユーザのバイタルサインの非侵襲的測定を可能にする光学センサである。
【0017】
本発明の好適な実施例が、従属請求項又は上記の実施例若しくは態様とそれぞれの独立請求項との組み合わせであることができると理解されたい。
【0018】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例から明らかであり、これらを参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】バイタルサイン監視システムの動作原理の基本的な表現を示す。
【図2】異なる入射角に対してシミュレートされた反射率を描くグラフを示す。
【図3】異なる入射角及び異なる皮膚タイプに対して測定された反射率を描くグラフを示す。
【図4】２つの異なる入射角におけるユーザの皮膚から反射された光を描くグラフを示す。
【図5】本発明の一態様によるバイタルサインセンサの概略的な断面を示す。
【図6】フォトダイオードにおける相対電力とビーム角度との間の関係を示すグラフを示す。
【図7】光源の異なる距離におけるビーム角度の関数として相対ＤＣ電力の関数を描くグラフを示す。
【図8A】本発明の一態様によるバイタルサインセンサの概略的表現を示す。
【図8B】本発明の他の態様によるバイタルサインセンサの概略的表現を示す。
【図9】光源距離の関数として相対ＤＣ電力及びＡＣ／ＤＣ信号を示すグラフを示す。
【図10】入射角の関数として相対ＤＣ電力及びＡＣ／ＤＣ信号を示すグラフを示す。
【図11】本発明の一態様によるバイタルサインセンサにおける分離壁なしで入射角の関数として相対ＤＣ電力及びＡＣ／ＤＣ信号を示すグラフを示す。
【図12】光源距離の関数として相対ＤＣ電力及びＡＣ／ＤＣ信号を示すグラフを示す。
【図13】本発明の一態様によるバイタルサインセンサにおける分離壁あり及びなしで入射角の関数として相対ＤＣ電力及びＡＣ／ＤＣ信号を示すグラフを示す。
【図14A】本発明の一態様によるバイタルサインセンサにおけるビームパターンを示すグラフを示す。
【図14B】負の方向を持つ入射角でバイタルサインセンサにおけるビームパターンを示す。
【図15】本発明の一態様によるバイタルサインセンサの概略的表現を示す。
【図16】本発明の一態様によるバイタルサインセンサの基本的な表現を示す。
【図17】本発明の他の態様によるバイタルサインセンサの基本的な表現を示す。
【図18】本発明の他の態様によるバイタルサインセンサの基本的な表現を示す。
【図19】本発明の他の態様によるバイタルサインセンサの基本的な表現を示す。
【図20】本発明の他の態様によるバイタルサインセンサの基本的な表現を示す。
【図21】本発明の他の態様によるバイタルサインセンサの基本的な表現を示す。
【発明を実施するための形態】
【0020】
本発明の一態様によると、フォトプレチスモグラフィＰＰＧセンサに基づく光学的バイタルサインセンサが、提供される。このようなＰＰＧセンサ１００は、図１に描かれ、接触面１００ａを持つハウジング１０１を有する。光源１１０は、ユーザの皮膚１０００上に又は内に光を放射し、前記光の一部は反射され、この反射光は、光検出器１２０により検出されることができる。前記光検出器の出力は、ユーザの心拍又は他のバイタルサインを決定するように分析されることができる。センサ１００の接触面１００ａは、前記ユーザの皮膚１０００と直接的に接触して配置される。
【0021】
本発明の一態様によるＰＰＧセンサ又は光学的バイタルサインセンサは、ウェアラブルデバイス又は（スマートウォッチのような）手首デバイスとして実施されることができる。
【0022】
図２は、ユーザの異なる皮膚におけるシミュレートされた反射率を持つグラフを示す。図２において、異なる入射角αに対する全反射率Ｒが、３つの異なる皮膚タイプに対して描かれている。このシミュレーションは、４５０ｎｍの単一波長に対して実行された。特に、３つの異なる皮膚タイプＳＴ１−ＳＴ３が、描かれている。第１の皮膚タイプＳＴ１は、１．３％のメラニン量を持つ明色皮膚である。第２の皮膚タイプＳＴ２は、４％のメラニン量を持つ色白の皮膚を示す。第３の皮膚タイプＳＴ３は、４０％のメラニン量を持つ暗色皮膚を示す。
【0023】
図３は、異なる入射角及び異なる皮膚タイプに応じて測定された反射率を示すグラフを示す。図３において、％で表される全反射率Ｒは、５つの異なる皮膚タイプＳＴ４−ＳＴ８に対して入射角αの関数として示される。前記皮膚タイプは、欧州人明色皮膚タイプＳＴ４、アジア人皮膚タイプＳＴ５、南欧州人皮膚タイプＳＴ６、欧州人皮膚タイプ（黒毛）ＳＴ７及びアフリカ人皮膚タイプＳＴ８を含む。図３の測定は、４５０ｎｍの中心波長で実行された。図３において、入射角の関数としての測定された反射率は、異なる皮膚タイプ、特にフィッツパトリックスケールにおける皮膚タイプＩ乃至ＶＩに対して描かれている。
【0024】
図２及び図３から、反射率が、０°の垂直な入射角と比べて高い入射角（例えば＞６０°）に対して大幅に増大することが見られることができる。この大幅な増大の理由は、フレネル損失、すなわち皮膚表面における反射損失によるものである。
【0025】
図２によるシミュレートされた反射率及び図３による測定された反射率に基づいて、光の約２０乃至３０％が、明色乃至白色皮膚タイプ、特に皮膚タイプＩ−ＩＩＩに対する垂直な入射角において反射されることが、明らかになる。更に、反射光の正反射成分は、７０°のような大きな入射角に対して高い。したがって、拡散反射率は、全ての入射角において正反射率より大きい。
【0026】
図４は、２つの異なる入射角における皮膚からの反射光を描くグラフを示す。特に、図１において、角度Ａ［°］及び反射光の強度Ｉが、描かれている。図４において、０°の入射角に対する反射光Ｉ０及び７０°の入射角に対する反射光Ｉ７０が、描かれている。
【0027】
図５は、本発明の一態様によるバイタルサインセンサの概略的な断面を示す。前記バイタルサインセンサは、光源１１０、光検出器１２０及び分離壁２２０を有する。オプションとして、前記分離壁は、前記光源を囲むことができる。分離壁２２０は、光源１１０を光検出器１２０から分離するのに使用される。これは、前記光源からの光が、ユーザの皮膚１０００と相互作用することなしに前記フォトダイオードに直接的に到達することを防ぐために行われることができる。図５は、可能なビーム経路を示すいくつかのビームパターンをも示す。
【0028】
図６は、異なるビーム角度に対する前記フォトダイオードにおける相対電力（relative power）の関係を示すグラフを示す。図６において、ビーム半角ＢＡ及びフォトダイオードにおける相対電力ＲＰが、描かれている。図６から見られることができるように、フォトダイオードにおける電力ＲＰは、２０°のビーム半角が考慮される場合に（ガウス分布ビーム形状に対するシミュレーションに基づいて）ビーム半角の１０°ごとに約２％減少している。図４は、入射角ごとの反射率を示す。上で既に述べたように、皮膚におけるフレネル損失のため、前記フォトダイオードのＤＣ電力は、ビーム角度の増大とともに減少する。
【0029】
図７は、皮膚に対する前記光源の異なる距離に対するビーム半角の関数としての相対ＤＣ電力を示すグラフを示す。特に、３つの距離Ｄ１−Ｄ３が描かれ、第１の距離Ｄ１は３．２ｍｍに対応し、第２の距離Ｄ２は４．０５ｍｍに対応し、第３の距離Ｄ３は５．５ｍｍに対応する。見られることができるように、前記光源と前記ダイオードとの間の距離は、相対ＤＣ電力ＲＤＣＰに対する主要な影響を持つ。
【0030】
図８Ａは、本発明の一態様によるバイタルサインセンサの基本的な表現を示す。ここで、センサ１００は、ハウジング１０１、接触面１００ａ、並びに前記ハウジング内の光源１００及びダイオード１２０を有する。光源１１０からの光は、前記ユーザの皮膚１００に向けられ、反射光は、ダイオード１２０により検出されることができる。本発明のこの態様によると、光源１１０とダイオード１２０との間の距離は、変化されることができる。
【0031】
図８Ｂは、本発明の他の態様によるバイタルサインセンサの概略的表現を示す。ここで、光源１１０からの光のビーム入射角αは、変化される。
【0032】
図９は、前記光源と前記フォトダイオードとの間の距離の関数として相対ＤＣ電力ＲＤＣＰを示すグラフを示す。更に、ＡＣ電力とＤＣ電力との間の関係も、前記光源と前記ダイオードとの間の距離Ｄの関数として描かれている。
【0035】
図１１は、ビーム入射角αに対する相対ＤＣ電力とＡＣ／ＤＣ比との間の関係を示すグラフを示す。特に、図１１において、図５に示されるような前記光源と前記フォトダイオードとの間の分離壁が除去される状況が示される。
【0036】
図１０及び１１のグラフ間の差は、図１０の状況において、分離壁が前記光源と前記光検出器との間に存在するのに対し、図１１において、前記分離壁がなくなっていることである。図１０及び１１のグラフの比較により、ＡＣ／ＤＣ信号におけるビーム角度に対する効果が、見られることができる。
【0037】
図１２は、前記光源と前記ダイオードとの間の距離の関数として相対ＤＣ電力及びＤＣ／ＡＣを描くグラフを示す。特に、図１２において、分離壁ありのＤＣ信号ＤＣＷ及び分離壁なしのＤＣ信号ＤＣＮＷが、描かれている。更に、壁ありのＡＣ／ＤＣ信号ＡＣＤＣＷ及び壁なしのＡＣ／ＤＣ信号ＡＣＤＣＮＷが、描かれている。
【0038】
図１３は、入射角の関数として相対ＤＣ電力及びＡＣ／ＤＣ信号を描くグラフを示す。特に、図１３において、相対ＤＣ電力は、壁ありＤＣＷ及びなしＤＣＮＷで示される。ＡＣ／ＤＣ信号も、壁ありＡＣＤＣＷ及び壁なしＡＣＤＣＮＷで示される。このグラフの全ての場合に対して、前記光源と前記フォトダイオードとの間の距離は、４．０５ｍｍである。
【0039】
図９乃至１３に示される測定結果によると、相対ＤＣ電力とＡＣ／ＤＣ信号との間に関係が存在する。出力信号の１つの重要な特性は、変調信号である。前記変調信号は、ＤＣ成分に対するＡＣ成分の比に関する。変調ＡＣ／ＤＣ信号は、皮膚の固有特性に関連するので、重要である。これは、１回の心拍における血液体積分率の変化のピーク間値をカバーする（ＡＣ信号）が、低反射率がＬＥＤ電力ブーストで補償されることができるので知ることが重要である皮膚依存反射率（ＤＣ成分）をもカバーし、同じ変調信号を維持する。
【0040】
特に、ＡＣ／ＤＣ信号は、ＤＣ信号が増大する場合に減少する。分離壁が、前記光源と前記フォトダイオードとの間に存在しない場合、この関係は、＞０°のビーム角度に対して有効である。更に、前記光源と前記ダイオードとの間の距離が増大する場合、これは、ＡＣ／ＤＣ信号の増大をももたらす。前記ビーム角度が増大する場合、前記ＤＣ信号は、５０°まで増大し、より大きな角度に対して減少し始める。これは、おそらく、皮膚表面におけるフレネル損失によるものである。図１３から見られることができるように、４５°より上のビーム入射角及び前記光源と前記フォトダイオードとの間の小さな距離（例えば４ｍｍ以下）は、避けられるべきである。
【0041】
更に、上の図面に見られることができるように、最適なＡＣ／ＤＣ信号を得るために、ビーム入射角は、適合されることができる。
【0043】
更に注意すべきは、前記変調信号、すなわち、前記ＡＣ／ＤＣ信号は、ビームパターン及び入射角に対して高感度であることである。前記光源と前記フォトダイオードとの間の距離が大きいほど、入射角に関する感度は低くなる。更に、本発明の一態様によると、４５°より大きい入射角は、避けられるべきであり、０°周辺の小さなビーム角度及び前記フォトダイオードとは反対方向を指すビーム角度も、使用されることができる。本発明の一態様によると、改良されたＰＰＧ信号は、前記光源のビーム角度の大きさが２０°より小さい場合に得られることができる。
【0044】
図１５は、本発明の一態様によるバイタルサインセンサの概略的表現を示す。バイタルサインセンサ１００は、ＰＰＧ心拍センサとして実施されることができ、ハウジング１０１と、接触面１００ａと、少なくとも１つの光源１１０と、光検出器１２０とを有することができる。光源１１０及び少なくとも１つの光検出器１２０は、共通ベース材料（mutual base material）１３０上に構成されることができる。光源１１０は、例えば、発光ダイオードＬＥＤとして実施されることができる。更に、前記バイタルサインセンサは、少なくとも１つの光源１１０からの光１１１をガイド、成形又は方向付け若しくは方向転換するように機能する光成形手段２００を有する。光成形ユニット２００は、少なくとも１つの光源１１０により放射された光１１１のビームプロファイルを成形するのに使用されることもできる。特に、前記成形ユニットは、２０°より小さい入射角を持つように光又は光ビーム１１１をガイドするように適合される。有利には、入射角の範囲は、−２０°乃至＋２０°である。これは、改良された変調信号、すなわち、ＡＣ／ＤＣ信号をもたらす。
【0045】
図１５において、成形ユニット２００は、上板２１１を持つ拡散チャンバ２１０により実施され、上板２１１は、少なくとも１つの光源１１０からの光１１１が小さな入射角を持つ場合には光１１１を透過するように構成され、より大きな入射角を持つ光は、前記拡散チャンバにより反射又は方向転換される。前記上板は、（小さな角度を透過し、大きな角度を反射する）角度選択フィルム又は方向転換フィルムである。したがって、拡散チャンバ２１０は、入射角が小さい場合にこのような光ビームが透過される又は通過することのみを可能にする。実際に、拡散チャンバ２１０は、混合チャンバとして機能することができ、少なくとも１つの光源１１０からの光１１１の一部をリサイクルするのに使用される。
【0046】
図１６は、本発明の一態様によるバイタルサインセンサの基本的な表現を示す。図１６によるバイタルサインセンサは、実質的に図１５によるバイタルサインセンサに対応する。したがって、前記バイタルサインセンサは、光成形ユニット２００をも有する。図１６による本発明の態様において、光成形ユニット２００は、分離壁２２０として実施され、前記分離壁は、光ユニット１１０に向けた側面である鏡側面２２１を有する。少なくとも１つのフォトダイオードと少なくとも１つの光源１１０との間に配置された分離壁２２０を用いて、前記光源からの光又は光ビーム１１１は、前記ユーザの皮膚１０００に到達する光が−６０°乃至＋２０°、特に−２０°乃至＋２０°の入射角を持つようにガイドされる。分離壁２２０の鏡側面２２１を用いて、光１１１は、負の方向においてフォトダイオード１２０を指す、すなわち、フォトダイオード１２０から離れる方向を指すように方向転換される。
【0047】
図１７は、本発明の他の態様によるバイタルサインセンサの基本的な表現を示す。図１７による本発明の態様によるバイタルサインセンサは、実質的に図１５又は１６によるバイタルサインセンサに対応する。したがって、バイタルサインセンサ１００は、少なくとも１つの光源１１０と、少なくとも１つの光検出器１２０と、少なくとも１つの光源１１０からの光１１をガイド又は成形する光成形ユニット２００とを有する。オプションとして、少なくとも１つの光源１１０及び少なくとも１つの光検出器１２０は、共通ベース材料１３０上に配置されることができる。図１７による態様において、光成形ユニット２００は、光屈折ユニット２３０を有する。このような光屈折ユニット２３０は、例えば、フレネルレンズであることができる。ここで、大きな角度を持つ少なくとも１つの光源１１０からのいかなる光１１１も、屈折され、光屈折ユニット２３０の特性に基づいて方向転換されることができる。したがって、前記ユーザの皮膚１０００に入る少なくとも１つの光源１１０からの光１１１の入射角の範囲が、−６０°乃至＋２０°、特に−２０°乃至＋２０°の範囲内であることが、保証されることができる。
【0048】
図１８は、本発明の他の態様によるバイタルサインセンサの基本的な表現を示す。図１８の本発明の態様によるバイタルサインセンサは、実質的に図１５、１６又は１７によるバイタルサインセンサに対応し、したがって、少なくとも１つの光源１１０及びフォトダイオード１２０を有する。加えて、光成形ユニット２００は、ユーザの皮膚１０００に入る光が特定の範囲の入射角、例えば、−６０°乃至＋２０°を持つことを保証するために設けられる。図１８の態様によると、これは、光コリメーション板として実施される光成形ユニット２００により達成される。光コリメーション板２４０は、少なくとも１つの光源１１０の前に配置され、前記少なくとも１つの光源からの光１１１は、前記ユーザの皮膚に入る光の入射角が、特定の範囲の入射角、特に−６０°乃至＋２０°内であるように光コリメーション板２４０において反射される。
【0049】
図１９は、本発明の他の態様によるバイタルサインセンサの基本的な表現を示す。コリメーション板２４０が、混合ボックス２４１と一緒に使用される。コリメーション板２４０は、複合放物線集線装置形状（compound parabolic concentrator-shape）２４３を持つことができる複数の凹部２４２を有する。
【0050】
図２０は、本発明の他の態様によるバイタルサインセンサの基本的な表現を示す。図２０による本発明の態様によるバイタルサインセンサは、少なくとも１つの光源１１０と、少なくとも１つのフォトダイオード１２０と、少なくとも１つのライトガイド２００とを有する。本発明のこの態様によると、ライトガイド２００は、少なくとも１つの光源１１０と少なくとも１つのフォトダイオード１２０との間に配置される。ライトガイド２００は、前記少なくとも１つの光源（例えば側面発光体として実施されるＬＥＤ）からの光を少なくとも１つのフォトダイオード１２０に向けて輸送することができる光輸送ユニットとして実施される。光輸送ユニット２５０の遠位端は、少なくとも１つの光源１１０からの光１１１がユーザの皮膚１０００に向けて方向転換されるような傾斜２５１を持つ。このようなライトガイドユニット２００を用いて、フォトダイオード１２０とライトガイドユニット２５０の出力端との間の距離は、大幅に減少されることができ、低い組立高さを持つ平坦な設計が可能である。
【0051】
図２１は、本発明の他の態様によるバイタルサインセンサの基本的な表現を示す。前記バイタルサインセンサは、少なくとも１つの光源１１０、光検出器１２０、及び光源１１０と前記ユーザの皮膚１０００との間に配置される光成形ユニット２００を有することができる。光成形ユニット２００は、光学的角度選択フォイル２６０として実施されることができる。角度選択光学フォイル２６０は、選択された角度範囲内で光が透過することを可能にすることができる。代わりに、前記ライトガイドユニットは、光学ホログラフィック光成形拡散器又は方向転換フィルムＤＴＦを用いて実施されることもできる。
【0052】
光成形ユニット２００は、前記光源からの光ビームの角度範囲が限定又は制限されるように前記光ビームを成形、方向付け、方向転換、制御又は管理するのに使用される。したがって、前記光成形ユニットは、光方向付け又は方向転換ユニット、光制御ユニット又は光管理ユニットと見なされることができる。
【0053】
開示された実施例の他の変形例は、図面、開示及び添付の請求項の検討から請求された発明を実施する当業者により理解及び達成されることができる。
【0054】
請求項において、単語「有する」は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ある」は、複数を除外しない。
【0055】
単一のユニット又は装置は、請求項に記載された複数のアイテムの機能を満たしてもよい。特定の方策が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの方策の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に又は一部として提供される、光記憶媒体又は半導体媒体のような適切な記憶媒体において記憶／分配されてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線電気通信システムを介するような他の形式で分配されてもよい。
【0056】
請求項内のいかなる参照符号も、範囲を限定すると解釈されるべきではない。