CN100566657C - 活体测量设备 - Google Patents
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Abstract
公开了一种活体测量设备，包括：第一光源，布置在活体的皮肤的表面上，并且将可见光波长范围内的第一光辐射到皮肤的表面上；第二光源，布置在皮肤的表面上，并且将近红外波长范围内的第二光辐射到皮肤的表面上；光学检测器，与第一光源和第二光源隔开预定距离地布置在皮肤的表面上，用于检测作为电信号的在辐射的第一光或第二光中通过皮肤渗透上来并输入到该光学检测器中的第一检测光或第二检测光；控制器，依次驱动第一光源和第二光源。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量活体的设备和方法，更具体地说，涉及一种利用光来测量活体组分，例如皮肤和皮下脂肪的设备和方法。
背景技术
许多用于测量身体脂肪百分率或者皮下脂肪厚度的不同方法都是公知的。例如，利用卡尺(caliper)、超声波、计算机体层摄影(CT)、核磁共振成像(MRI)的方法都是一些用于测量皮下脂肪厚度的公知方法。但是，利用卡尺测量通常会不准确、不方便并且为接受测量的人带来痛苦。包括使用超声波、CT或MRI的其它测量方法需要使用昂贵的医疗成像机械，这些机械由受过训练以使用这些机械的专业人士操作。另外，这些测量机械不是便携的并且不能在期望的地点或时间随意地使用。作为解决这些问题的方案，利用光的各种活体测量方法得到推广。
根据推广的利用光的方法，通过将光辐射到皮肤表面上并且检测通过多次散射(multiple scattering)从皮肤表面发射的光来测量身体脂肪百分率或者皮下脂肪厚度。这种测量是无创(non-invasive)的，并且时间短。由于通常为这种测量设计小型的便携式设备，所以所述设备必要时可被随时随地地使用。
图1是表示用于测量皮下脂肪厚度的传统设备的示图。活体组织130具有由肌肉132、脂肪134和具有0.5mm至4mm范围内厚度的皮肤136组成的结构。皮肤136被划分成角质层、上皮层和真皮层。用于测量皮下脂肪厚度的设备100包括发光二极管(LED)110和光电二极管(PD)120。LED 110和PD 120互相分开并且放置在皮肤136的顶表面上。LED 110将近红外带宽的光发射到皮肤136的表面上。从皮肤136的表面传播到肌肉132的光的一部分通过多次散射被反射回到皮肤136，同时剩余部分被肌肉132吸收。PD120检测作为电信号(在将发射的光转换为电信号之后)的从皮肤136的表面发射的光。
图2是显示PD 120的输出根据其与LED 110之间的距离变化的曲线图。曲线图的横轴代表皮下脂肪134的厚度，单位为mm，而纵轴代表PD 120的输出电压V。术语“SD”指LED 110和PD 120之间的距离。图2显示了当SD为5mm、10mm和20mm时，标在将皮下脂肪厚度映射到对应的输出电压的曲线上的点。图2中的曲线显示了PD 120的输出随着皮下脂肪134的厚度增大而逐渐增大，但是随着皮下脂肪134到达特定的厚度水平时PD 120的输出不再增大。从该曲线中清楚地看出，距离SD越大，可测量的皮下脂肪厚度的范围越大。
标题为“用于确定身体的脂肪百分率的近红外设备和方法”并且发表到Rosenthal et al.的US专利第4,850,365号公开了这样一种方法和设备，其用于通过仅将一个波长的近红外射线发射到皮肤中并且检测由于在皮下脂肪内的多次散射从皮肤表面发射的光来测量身体脂肪百分率。
标题为“用于测量身体的有机组分的近红外设备”并且发表到Rosenthalet al.的US专利第4,633,087号公开了这样一种技术，其用于通过将不同波长的近红外射线发射到皮肤中并且检测由于在皮下脂肪内的多次散射从皮肤表面发射的光来测量身体脂肪百分率。
但是，测量身体脂肪或皮下脂肪的传统方法存在一些缺点。尤其是，PD的输出不仅受到皮下脂肪厚度的影响还受到皮肤厚度和颜色的影响。但是，传统方法不能并且没有有效地补偿由于皮肤的厚度和颜色造成的任何误差。
发明内容
提出本发明以解决上述在现有技术中出现的问题，并且本发明还提供其它的优点。本发明提供一种用于确定皮肤厚度和颜色的活体测量设备，其基于确定的皮肤的厚度和颜色准确地测量皮下脂肪的厚度。
根据本发明的一方面，提供了一种活体测量设备，包括：第一光源，布置在活体的皮肤的表面上，并且将可见光波长范围内的第一光辐射到皮肤的表面上；第二光源，布置在皮肤的表面上，并且将近红外波长范围内的第二光辐射到皮肤的表面上；光学检测器，与第一光源和第二光源隔开预定距离地布置在皮肤的表面上，用于检测作为电信号的在辐射的第一光或第二光中通过皮肤渗透上来的并输入到该光学检测器中的第一检测光或第二检测光；控制器，依次驱动第一光源和第二光源。
根据本发明的另一方面，提供了一种活体测量设备，包括：第一光源，布置在活体的皮肤的表面上，并且将具有第一波长的第一光辐射到皮肤的表面上；第二光源，布置在皮肤的表面上，并且将具有不同于第一波长的第二波长的第二光辐射到皮肤的表面上；第三光源，布置在皮肤的表面上，位于比第一光源和第二光源更加远离光学检测器的位置，并且将第三光辐射到皮肤的表面上；光学检测器，检测作为电信号的在辐射的第一光、第二光或第三光中通过皮肤渗透上来并且输入到其中的第一检测光、第二检测光或第三检测光；控制器，依次驱动第一光源、第二光源和第三光源。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是表示在现有技术中用于测量皮下脂肪厚度的传统设备的示图；
图2是表示光电二极管的输出根据皮下脂肪厚度和光电二极管与发光二极管之间的距离而变化的曲线图；
图3示出了根据本发明第一方面的活体测量设备；
图4是图3中的活体测量设备的截面图；
图5和图6是分别显示对于白皮肤的人和黑皮肤的人的皮肤厚度和第一检测光的强度之间的关系的示图；
图7和图8是分别显示对于白皮肤的人和黑皮肤的人的皮肤厚度和第二检测光的强度之间的关系的示图；
图9是显示皮肤的厚度和颜色与第一和第二检测光的强度之间的关系的曲线图；
图10是显示由图4中的控制器执行的控制处理的流程图；
图11是用于解释将第一和第二检测光的强度映射到皮肤的厚度和颜色的处理的曲线图；
图12是用于解释将第三检测光的强度映射到皮下脂肪厚度的处理的曲线图；
图13示出了根据本发明第二方面的活体测量设备；
图14是图13所示的活体测量设备的截面图；
图15示出了根据本发明第三方面的活体测量设备；
图16是图15中的活体测量设备的截面图；
图17示出了根据本发明第四方面的活体测量设备。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的几个方面。为了简洁和清楚的目的，将省略对公知的和/或重复的组件、功能和构造的详细描述，这是因为它们会使得本发明的主题内容不清楚。
图3示出了根据本发明第一方面的活体测量设备。图4是图3中的活体测量设备的截面图。活体组织270具有由肌肉272、脂肪274和皮肤276组成的结构。活体测量设备200包括光学检测器210、多个第一光源220、多个第二光源230、第三光源240、控制器250和存储器260。控制器250和存储器260没有在图3中示出。
光学检测器210放置在皮肤276的顶部并且输出通过对输入的光进行光电转换而获得的电信号。换句话说，光学检测器210检测作为电信号(将输入的光转换为电信号之后)的通过皮肤276渗透上来并且输入到其中的光。光学检测器210的底部(用作输入端子)可直接接触皮肤276的表面，或者作为可选方案，可与皮肤276的表面隔开。可将典型的光电二极管用作光学检测器210。
多个第一光源220(图3中显示了4个)和多个第二光源230(图3中显示了4个)沿着光学检测器210的外周并与其外周等距离地布置。第一光源220和第二光源230交替地(reciprocally)布置，并且第一光源220和第二光源230的每个与相邻的光源间隔相等。
第一光源220与光学检测器210隔开预定距离地布置在皮肤276的表面上。第一光源220将具有在可见光带宽内的第一波长(例如，660nm)的第一光辐射到皮肤276的表面上(在图4中，第一光用实线表示)。每个第一光源220的底部(用作输出端子)可直接接触皮肤276的表面，或者作为可选方案，可与皮肤276的表面隔开。典型的发光二极管(LED)或者激光二极管(LD)可被用作第一光源220。
第二光源230与光学检测器210隔开预定距离地布置在皮肤276的表面上。第二光源230将具有在近红外带宽内的第二波长(例如，940nm)的第二光辐射到皮肤276的表面上(在图4中，第二光用虚线表示)。每个第二光源230的底部(用作输出端子)可直接接触皮肤276的表面，或者作为可选方案，可与皮肤276的表面隔开。典型的LED或者LD可被用作第二光源230。
第三光源240与光学检测器210隔开预定距离地布置在皮肤276的表面上，第三光源240与光学检测器210之间的距离比第一光源220和第二光源230与光学检测器210之间的距离更大。第三光源240将具有在近红外带宽内的波长的第三光辐射到皮肤276的表面上(在图4中，第三光用点划线表示)。例如，第三光源240可辐射940nm波长的光。第三光源240的底部(用作输出端子)可直接接触皮肤276的表面，或者作为可选方案，可与皮肤276的表面隔开。典型的LED或者LD可被用作第三光源240。
虽然在身体组分测量期间，光学检测器210、第一光源220、第二光源230和第三光源240可与皮肤的表面稍微间隔开，但是由于对准误差(alignment error)，这种间隔将减小光学耦合效率和测量准确性。
根据本发明的第一方面，第一光源220和第二光源230可与光学检测器210隔开不超过5mm的距离，第三光源240可与光学检测器210隔开不少于10mm的距离。优选地，光学检测器210与第一光源220和第二光源230的每个之间的距离为2mm，光学检测器210与第三光源240之间的距离为10mm。光源和光学检测器210的这种构造使得本发明的第一方面能够更加准确地测量皮下脂肪的厚度。
尤其是，第一光源220和第二光源230用于测量皮肤276。这样，为了最小化皮下脂肪274的厚度可能对皮肤276的测量的任何影响，最好使第一光源220和第二光源230的每个与光学检测器210隔开不超过5mm的距离。
同时，第三光源240用于测量皮下脂肪274。为了测量大范围的皮下脂肪的厚度，最好使第三光源240与光学检测器210隔开不少于10mm的距离。
此外，由于在皮肤276中包含的胶原纤维具有不均匀的光学方向特性(optical directional characteristics)，所以围绕光学检测器210的外周按照等间隔地布置多个第一光源220使得本发明的第一方面能够补偿皮肤276的所述方向特性。基于相同的理由，在本发明的第一方面中使用多个第二光源230。
虽然在本发明的第一方面中使用多个第一光源220和多个第二光源230，但是本领域一般技术人员应该理解也可以使用单个第一光源220和/或单个第二光源230。
以下，在从第一光源220辐射的第一光的射线中输入到光学检测器210的光将被称作“第一检测光”。在从第二光源230辐射的第二光的射线中输入到光学检测器210的光将被称作“第二检测光”。另外，在从第三光源240辐射的第三光的射线中输入到光学检测器210的光将被称作“第三检测光”。
存储器260存储显示两个关系的第一表。首先，第一表显示第一检测光和第二检测光的强度与皮肤276的厚度之间的关系。另外，第一表显示第一检测光和第二检测光的强度与皮肤276的颜色之间的关系。存储器260还存储第二表，第二表根据皮肤276的颜色和厚度显示皮下脂肪274的厚度与第三检测光的强度之间的关系。
为了解释本发明，光的强度可用光学检测器210的输出电压表示。同时，皮肤276的颜色可用黑色素指数表示。为了方便起见，白、黄和黑的皮肤颜色将用标准黑色素指数来量化。例如，白色或较浅颜色的皮肤可以被表示为具有低黑色素指数的皮肤；黄色或中间颜色的皮肤可以被表示为具有中等黑色素指数的皮肤；黑色或较深颜色的皮肤可以被表示为具有高黑色素指数的皮肤。另外，为了方便和简单起见，当不必要时，将省略对具有中等黑色素指数的皮肤(“黄色”皮肤)的特性的详细描述，这是因为这种皮肤具有高黑色素指数的皮肤和低黑色素指数的皮肤之间的特性。
图5和图6是分别表示在具有低黑色素指数的皮肤和具有高黑色素指数的皮肤中，皮肤276的厚度和在可见光波长范围内(例如，660nm)的第一检测光的强度之间的关系的示图。在图5和图6中，第一检测光的强度由相对输出电压表示，相对输出电压指光学检测器210的输出电压与参考电压的比。图5是显示在具有低黑色素指数的皮肤中，皮肤276的厚度与第一检测光的强度之间的关系以及皮下脂肪274的厚度与第一检测光的强度之间的关系的三维示图。图6是显示在具有高黑色素指数的皮肤中，皮肤276的厚度与第一检测光的强度之间的关系以及皮下脂肪274的厚度与第一检测光的强度之间的关系的三维示图。
参照图5和图6，在具有低黑色素指数和具有高黑色素指数的两种皮肤中，第一检测光的强度随着皮下脂肪274的厚度增大而稍微增大，然而随着皮肤276的厚度增大而显著增大。虽然在两种皮肤中，根据皮下脂肪274的厚度变化，第一检测光的强度的变化类似，但是具有低黑色素指数的皮肤显示了根据皮肤276的厚度的变化，第一检测光的强度的变化更大。
图7和图8是分别表示在具有低黑色素指数的皮肤和具有高黑色素指数的皮肤中，皮肤276的厚度和在近红外波长范围内(例如，940nm)的第二检测光的强度之间的关系的示图。图7是显示在具有低黑色素指数的皮肤中，皮肤276的厚度与第二检测光的强度之间的关系以及皮下脂肪274的厚度与第二检测光的强度之间的关系的三维示图。图8是显示在具有高黑色素指数的皮肤中，皮肤276的厚度与第二检测光的强度之间的关系以及皮下脂肪274的厚度与第二检测光的强度之间的关系的三维示图。
在两种皮肤中，第二检测光的强度随着皮下脂肪274的厚度增大而稍微增大，然而随着皮肤276的厚度增大而显著增大。在两种皮肤中，根据皮下脂肪274或者皮肤276的厚度变化，第二检测光的强度的变化类似。
如图5至图8所示，具有可见光带宽内的波长的第一检测光的强度根据皮肤276的厚度和颜色而显著改变。虽然具有近红外波长的第二检测光的强度的改变对于不同颜色的皮肤不显著，但是第二检测光的强度根据皮肤276的厚度而显著改变。
图9是显示皮肤的厚度、皮肤的颜色以及第一检测光和第二检测光的强度之间的关系的曲线图。在图9中，第一检测光的强度根据皮肤的厚度的变化用粗线表示，而第二检测光的强度的变化用细线表示。另外，实线适用于低黑色素指数的皮肤(“白色”皮肤)；虚线适用于中等黑色素指数的皮肤(“黄色”皮肤)；点划线适用于高黑色素指数的皮肤(“黑色”皮肤)。
如图9的曲线所示，在所有的三种皮肤中，第一检测光的强度随着皮肤276的厚度增大而增大。此外，根据不同的皮肤颜色，第一检测光的强度变化大于第二检测光的强度变化。
此外，皮肤的黑色素指数越大或者皮肤的颜色越深，吸收指数或吸收率越大。此外，第一检测光和第二检测光的强度随着吸收指数的增大而减小。这种结果在可见光带宽内可被清楚地检测到，但是在近红外带宽内不容易被检测到，这是由于黑色素在可见光带宽内具有高吸收指数或吸收率。
再参照图3和图4，本发明第一方面的控制器250依次驱动第一光源220、第二光源230和第三光源240。另外，控制器250基于被光学检测器210依次检测到的第一至第三检测光的强度来确定皮肤276的厚度和颜色以及皮下脂肪274的厚度。为了实现这种确定，控制器250电连接到光学检测器210、第一光源220、第二光源230和第三光源240；从光学检测器210接收输出信号；将驱动信号输出到第一光源220、第二光源230和第三光源240。
虽然描述了控制器250依次驱动第一光源220、第二光源230和第三光源240，但是本领域普通技术人员应该理解驱动次序可被改变。
图10是显示控制器250执行的控制处理的流程图。控制处理包括步骤S1至S3(在以下解释)。
执行步骤S1来检测第一至第三检测光的强度。控制器250依次驱动第一光源220、第二光源230和第三光源240，并且检测由光学检测器210依次检测到的第一至第三检测光的强度。从光学检测器210输出的电信号的电压水平对应于输入到光学检测器210的光的强度。控制器250可以是没有模拟/数字接口的数字元件。另一种方案是，光学检测器210、第一光源220、第二光源230和第三光源240各自可以是没有模拟/数字接口的模拟元件。在后一种情况中，可在控制器250和光学检测器210之间设置模-数转换器，并且可在控制器250与第一光源220、第二光源230和第三光源240的每个之间设置数-模转换器。
在步骤S2中，基于第一至第三检测光的强度和第一表来分析皮肤276的厚度和颜色。换句话说，步骤S2根据皮肤276的厚度和颜色来映射第一至第三检测光的强度。第一表具有离散的、不连续的数据集，所述数据集包括{第一检测光的强度，第二检测光的强度}-{皮肤颜色，皮肤厚度}。因此，可基于第一和第二检测光的强度来确定皮肤276的厚度和颜色。但是，由于数据集的不连续性，需要利用逼近算法的映射处理。
映射处理被划分成将皮肤276的颜色映射到第一检测光和第二检测光的强度的第一处理和将皮肤276的厚度映射到第一检测光和第二检测光的强度的第二处理。在具有三个参数的离散数据集中，用两个给定的参数来估计未知参数的各种算法都是公知的。给定第一检测光和第二检测光的强度，利用逼近算法可使所求得的厚度和颜色的值与已知的值一致或者为已知值的中间值。
存储器260还存储根据皮肤276的颜色和厚度显示皮下脂肪274的厚度和第三检测光的强度之间的关系的第二表。在皮肤276的颜色和厚度被确定之后，可利用第二表确定与第三检测光的强度对应的皮下脂肪274的厚度。由于存储在存储器260中的第一表和第二表包括作为共同参数的皮肤276的厚度和颜色，所以有利于使所求得的厚度和颜色的值与已知的值一致，从而加速所述处理。
图11是用于解释将第一检测光和第二检测光的强度映射到皮肤厚度和颜色的处理的曲线图。横轴代表第一检测光的强度，纵轴代表第二检测光的强度。空的方框代表存储在第一表中的数据集。实线是经过代表相同皮肤颜色的数据集的点画出的皮肤颜色线或曲线。虚线是经过代表相同皮肤厚度的数据集的点画出的皮肤厚度线或曲线。在曲线图中，从底部到顶部的五条厚度线分别对应于0.5、1.0、1.5、2.0和2.5mm的皮肤厚度。从左至右的三条皮肤颜色线分别对应于具有高、中和低黑色素指数的皮肤。当第一检测光和第二检测光具有0.0275和0.022(数据集S)的强度时，将按照如下步骤执行映射处理。
在第一阶段，利用用于获得两点之间的距离的算法将数据集S反复地与另一个数据集比较，从而找到与数据集S最接近的数据集A。
在第二阶段，当找到与数据集S接近的两个或多个数据集时，选择与皮肤的标准厚度和标准颜色最接近的数据集。
在第三阶段，数据集S的{皮肤颜色，皮肤厚度}被设置为与数据集A的{皮肤颜色，皮肤厚度}一致。
在步骤S3中，基于第三检测光的强度和第二表分析皮下脂肪274的厚度。与在步骤S2中一样，步骤S3将第三检测光的强度映射到皮下脂肪274的厚度。第二表具有离散的、不连续的数据集，所述数据集包括{皮肤颜色，皮肤厚度}-{第三检测光的强度，皮下脂肪的厚度}。因此，可基于皮肤276的厚度和颜色以及第三检测光的强度来确定皮下脂肪274的厚度。但是，由于数据集的不连续性，所以需要利用逼近算法的映射处理。在具有两个参数的离散数据集中，用一个给定的参数来估计未知参数的各种算法都是公知的。给定皮肤276的厚度和颜色以及第三检测光的强度，利用逼近算法可使皮下脂肪274的厚度与已知的值一致或者为已知值的中间值。
图12是用于解释将第三检测光的强度映射到皮下脂肪厚度的处理的曲线图。在该曲线图中，纵轴代表第三检测光的强度，横轴代表皮下脂肪274的厚度。为了清楚简洁地解释本发明，参照图12，将仅涉及具有低黑色素指数的皮肤的数据集。
如图12所示，曲线图中空的方框代表存储在第二表中的数据集。实线将代表0.5mm的皮肤厚度的数据集的点连接起来。长虚线将代表1.0mm的皮肤厚度的数据集的点连接起来。点划线将代表1.5mm的皮肤厚度的数据集的点连接起来。短虚线将代表2.0mm的皮肤厚度的数据集的点连接起来。图12清楚地显示了当皮下脂肪274的厚度为2mm时，第三检测光的强度在皮肤厚度为2.0mm处最大，而在皮肤厚度为1.5mm、0.5mm和1.0mm处变小。当皮下脂肪274的厚度为6mm时，第三检测光的强度在皮肤厚度为0.5mm处最大，而在皮肤厚度为2.0mm、1.5mm和1.0mm处变小。
当第三检测光的强度为1.0时，在皮肤厚度为0.5mm的具有低黑色素指数的皮肤(数据集S)中，将按照如下步骤执行映射处理。
在第一阶段，将数据集S反复地与另一个数据集进行比较，以求得两个数据集A和B(数据集S介于它们之间)。
在第二阶段，获得连接数据集A和B的直线的方程。
在第三阶段，将第三检测光的强度“1.0”代入所述方程中，以获得皮下脂肪274的厚度。
在随后的阶段，可由控制器250进一步执行视觉地显示皮肤276的厚度和颜色以及皮下脂肪274的厚度的处理。为了执行这种后续的处理，活体测量设备200还可包括电连接到控制器250的显示单元，例如LCD(液晶显示器)。
根据本发明的活体测量设备200可应用到移动终端(例如蜂窝电话和PDA(个人数字助理))或可佩戴的装置上。活体测量设备200可集成到移动终端上，或者进行模块化以可被安装到移动终端上。活体测量设备200可包括至少一个光学检测器210、至少一个第一光源220、至少一个第二光源230、至少一个第三光源240和控制器250。活体测量设备200可通过线缆将输出从光学检测器210传输到移动终端。另一种方案是，活体测量设备200可利用天线无线地将输出从光学检测器210传输到移动终端。在后一种情况下，活体测量设备200可只执行依次驱动第一光源220、第二光源230和第三光源240的功能。以上解释的映射处理可由移动终端的控制器执行而不由活体测量设备200执行。
考虑到活体组织的方向特性，像增加第一光源220和第二光源230的数量一样，也可根据需要增加光学检测器210和第三光源240的数量。
但是，在这种情况下，活体测量设备200的制造成本会增加。本发明的以下方面提供这样的结构，该结构利用波导(waveguide)可最小化光源数量，并且可补偿由于活体组织的方向特性而导致的任何误差。
图13显示了根据本发明第二方面的活体测量设备300。图14是沿图13中的线A-A截取的截面图。根据本发明第二方面的活体测量设备300的功能和构造与图3中显示的设备200的功能和构造相似。设备300与设备200的区别仅在于其具有多个第三光源240a并且还包括波导310。因此，与在设备200中包括的特征相同的特征将用在设备200中使用的相同的附图标号指代，并且将省略对所述特征的任何重复的描述(包括对可用作输出端子的组件和可用作检测器的输入端子的组件之间的距离的描述)。
活体测量设备300包括光学检测器210、多个第一光源220、多个第二光源230、多个第三光源240a、波导310、控制器250和存储器260。在图13中没有示出控制器250和存储器260。
光学检测器210放置在皮肤(未示出)的表面上并且输出通过对输入的光进行光电转换而获得的电信号。换句话说，光学检测器210检测作为电信号(将输入的光转换为电信号之后)的通过皮肤276渗透上来并且输入到其中的光。光学检测器210的底部(用作输入端子)可直接接触皮肤276的表面，或者作为可选方案，可与皮肤276的表面隔开。
如图13所示，四个第一光源220和四个第二光源230可沿着光学检测器210的外周并且与其外周等距离地设置。这些光源220和230交替设置并且与相邻的光源等间隔。
第一光源220与光学检测器210隔开预定距离地布置在皮肤276的表面上。第一光源220将具有在可见光带宽内的第一波长(例如，660nm)的第一光辐射到皮肤276的表面上。每个第一光源220的底部(用作输出端子)可直接接触皮肤276的表面，或者作为可选方案，可与皮肤276的表面隔开。
第二光源230与光学检测器210隔开预定距离地布置在皮肤276的表面上。第二光源230将具有在近红外带宽内的第二波长(例如，940nm)的第二光辐射到皮肤276的表面上。每个第二光源230的底部(用作输出端子)可直接接触皮肤276的表面，或者作为可选方案，可与皮肤276的表面隔开。
呈环形的波导310设置在皮肤的表面上，并且包围第一光源220和第二光源230。波导310具有内周表面和外周表面以及顶表面和底表面。波导310的底表面(用作输出端子)可直接接触皮肤276的表面，或者作为可选方案，可与皮肤276的表面隔开。波导310的与其周向垂直(即，垂直于直径的方向)的截面呈四边形。波导310的折射率大于空气和皮肤的折射率，并且在波导310内传播的光通过全内反射(total internal reflection)沿着周向传播。波导310可通过注模成型而形成，并且可由对第三光的波长表现出透明性的聚碳酸酯或丙烯酸基(acryl-based)树脂制成。波导310可包括其它材料(包括对于第三光的波长透明的橡胶材料)，最好是聚氨酯或硅树脂。
可在波导310的顶表面上设置多个光提取图案320，以通过底表面输出在波导310中传播的光。光提取图案320对入射光进行散射。这些图案320相对于波导310的中心对称地形成。每个光提取图案320破坏了入射到波导310和空气的界面上或入射到波导310和皮肤的界面上的光的全内反射条件，使得被图案320散射的光可穿过波导310的底表面。特别地，通过光提取图案320朝着波导310的底部散射的光的一部分不符合全反射条件，这是因为入射到底表面的光的角度小于临界角(critical angle)。这部分光穿过波导310的底表面并且从波导310出射。
同时，没有被散射的那部分光以及符合全反射条件的那部分被散射的光通过波导310传播并且入射到另一个，第二光提取图案320上。入射到第二光提取图案320的光的一部分被第二光提取图案320散射，穿过波导310的底表面并且从波导310出射。
光提取图案320可以是通过印制(printing)、影印石版术、激光作用(lasing)或压印(stamping)处理形成的刮痕、凸凹面或者棱形图案。每一个光提取图案320可以有多种形状，例如圆锥、圆顶、六面体、三棱锥或四棱锥。另外，光提取图案320也可按照浮雕或凹雕的形式在波导310的顶表面上雕刻。虽然已经解释了光提取图案320形成在波导310的顶表面上。但是，光提取图案320可形成在波导310的底表面上。
在形成波导310和光提取图案320的过程中，可在模具上施加期望的图案320，以同时通过注模成型形成波导310和光提取图案320。另外，每个光提取图案320可以是具有周期性变化的折射率的布拉格光栅。由于轮询(polling)或紫外线辐射引起折射率的变化。
虽然以上描述将本发明第二方面的光提取图案320限制为用于散射入射光，但情况并不是这样。所述图案也可以按照V型槽的形状形成，这引起镜面反射，或者也可以按照涂层的形式形成，所述涂层的折射率与波导310的折射率相似。
此外，虽然已经解释了在波导310内的顶表面上形成多个光提取图案320，但是可在波导310内的整个顶表面上形成一个光提取图案320。
第三光源240a关于光学检测器210对称地设置。每个第三光源240a的输出端子面对波导310的外周表面。第三光源240a将具有近红外带宽内的第二波长的第三光耦合到波导310中。
来自第三光源240a并耦合到波导310中的光随着其在波导310内沿着周向全内反射地传播而逐渐地被削弱。在波导310内，与第三光源240a相对接近的光的强度可大于相对远离第三光源240a的那部分光的强度。这种强度的差别可通过改变光提取图案320的密度或尺寸来补偿。例如，相对接近第三光源240a的光提取图案320的密度可低于相对远离第三光源240a的光提取图案320的密度，使得在波导310内的所有的光都可均匀地分布在波导310内，而不管其与第三光源240a的距离如何。
图15表示了根据本发明第三方面的活体测量设备。图16是沿图15的线A-A截取的截面图。根据本发明第三方面的活体测量设备400的构造和功能与图13所示的设备300的构造和功能类似。设备400和设备300的区别仅在于第一光源220a和第二光源230a的数量和布置不同，并且设备400还包括第二波导410。因此，与在设备300中包括的特征相同的特征将用在设备300中使用的相同的附图标号指代，并且省略对所述特征的任何重复的描述(包括对可用作输出端子的组件和可用作检测器的输入端子的组件之间的距离的描述)。
活体测量设备400包括光学检测器210、多个第一光源220a、多个第二光源230a、多个第三光源240a、第一波导310、第二波导410、控制器250和存储器260。
呈环形的第二波导410设置在皮肤(未示出)的表面上，并且包围光学检测器210。第二波导410具有内周表面和外周表面以及顶表面和底表面。第二波导410的底表面(用作输出端子)可直接接触皮肤276的表面，或者作为可选方案，可与皮肤276隔开。第二波导410的与其周向垂直(即，垂直于直径的方向)的截面呈四边形。第二波导410的折射率大于空气和皮肤的折射率，并且在第二波导410内传播的光通过全内反射沿着周向传播。第二波导410可由与制成第一波导310的材料相同的材料制成。
可在第二波导410的顶表面上设置多个光提取图案420，以通过底表面输出在第二波导410中传播的光。光提取图案420对入射光进行散射。这些图案420相对于第二波导410的中心对称地形成。每个光提取图案420破坏了入射到第二波导410和空气的界面上或入射到第二波导410和皮肤的界面上的光的全内反射条件，从而被图案420散射的光可穿过第二波导410的底表面。特别地，通过光提取图案420朝着第二波导410的底部散射的光的一部分不符合全反射条件，这是因为入射到底表面的光的角度小于临界角。这部分光穿过第二波导410的底表面并且从第二波导410出射。
同时，没有被散射的那部分光以及符合全反射条件的剩余的被散射的光通过第二波导410传播并且入射到另一个，第二光提取图案420上。入射到第二光提取图案420的光的一部分被第二光提取图案420散射，穿过第二波导410的底表面并且从第二波导410出射。
光提取图案420可以是通过印制、影印石版术、激光作用或压印处理形成的刮痕、凸凹面或者棱形图案。另外，光提取图案420可以具有与第一波导310的光提取图案320的形式相同的形式(包括形状、构造或材料)。
第一光源220a关于光学检测器210对称地布置。每个第一光源220a的输出端子面对第二波导410的外周表面。同样，第二光源230a关于光学检测器210对称地布置，并且它们的输出端子面对第二波导410的外周表面。每个第一光源220a输出具有第一波长的第一光并且将第一光耦合到第二波导410。同时，每个第二光源230a输出具有第二波长的第二光并且将第二光耦合到第二波导410。虽然图15和图16示出了本发明的第三方面在第二波导410的两侧提供互相接触的一对第一光源220a和第二光源230a，但是也可以在光学检测器210的一侧设置多个第一光源220a并且在光学检测器210的另一侧设置多个第二光源230a。
对于本发明第三方面的上述公开，已经解释了活体测量设备具有在其中间的一个光学检测器和围绕所述光学检测器设置的多个光源。但是，活体测量设备还可具有将一对光源设置在其中间并且围绕所述光源设置多个光学检测器的构造。
图17示出了根据本发明第四方面的活体测量设备500。根据本发明第四方面的活体测量设备500的构造和功能与图3中所示的设备200的构造和功能类似。设备500与设备200的区别仅在于光学检测器210a和210b的数量和布置不同并且第一光源220b和第二光源230b的数量和布置不同。因此，与在设备200中包括的元件相同的元件将用在设备200中使用的相同的附图标号指代，并且省略任何重复的描述。
活体组织270具有由肌肉272、脂肪274和皮肤276组成的构造。
活体测量设备500包括第一光源220b、第二光源230b、第一光学检测器210a和第二光学检测器210b、控制器250和存储器260。
第一光源220b布置在皮肤276的表面上，并且将具有在可见光带宽内的第一波长(例如，660nm)的第一光辐射到皮肤276的表面上。
第二光源230b布置在皮肤276的表面上，并且将具有在近红外带宽内的第二波长(例如，940nm)的第二光辐射到皮肤276的表面上
第一光学检测器210a与第一光源220b和第二光源230b隔开预定距离地设置在皮肤276的表面上。第一光学检测器210a输出通过对输入的光进行光电转换而获得的电信号。换句话说，第一光学检测器210a检测作为电信号(将输入的光转换为电信号之后)的从皮肤276的表面发射的光。
第二光学检测器210b设置在皮肤276的表面上，其与第一光源220b和第二光源230b之间的距离大于第一光学检测器210a与第一光源220b和第二光源230b之间的距离。第二光学检测器210b输出通过对输入的光进行光电转换而获得的电信号。换句话说，第二光学检测器210b检测作为电信号(将输入的光转换为电信号之后)的从皮肤276的表面发射的光。
根据本发明的第四方面，第一光学检测器210a与第一光源220b和第二光源230b之间的距离不大于5mm，第二光学检测器210b与第一光源220b和第二光源230b之间的距离不小于10mm。优选地，第一光学检测器210a与第一光源220b和第二光源230b之间的距离为2mm，第二光学检测器210b与第一光源220b和第二光源230b之间的距离为10mm。
以下，在从第一光源220b辐射的第一光的射线中输入到第一光学检测器210a的光将被称作“第一检测光”。在从第二光源230b辐射的第二光的射线中输入到第一光学检测器210a的光将被称作“第二检测光”。另外，在从第二光源230b辐射的第二光的射线中输入到第二光学检测器210b的光将被称作“第三检测光”。
存储器260存储第一表。第一表显示第一检测光和第二检测光的强度与皮肤276的厚度之间的关系以及显示第一检测光和第二检测光的强度与皮肤276的颜色之间的关系。存储器260还存储第二表，第二表根据皮肤276的颜色和厚度显示皮下脂肪274的厚度与第三检测光的强度之间的关系。
控制器250依次驱动第一光源220b和第二光源230b，并且基于被第一光学检测器210a依次检测到的第一和第二检测光的强度来确定皮肤276的厚度、皮肤276的颜色和皮下脂肪274的厚度。此外，控制器250基于被第二光学检测器210b检测到的第三检测光的强度来确定皮下脂肪274的厚度。为此，控制器250电连接到第一光源220b和第二光源230b以及第一光学检测器210a和第二光学检测器210b。控制器250从第一光学检测器210a和第二光学检测器210b接收输出信号，并且将驱动信号输出到第一光源220b和第二光源230b。
虽然为了阐述性的目的描述了本发明的一些方面，但是本领域技术人员应该理解在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可做出各种修改、增加、和替换。
例如，已经解释了根据本发明的第四方面，第一光源和第二光源分别输出具有不同波长的光。但是，也可以使用可同时输出具有不同波长的光的单个光源，或者可改变输出光的波长的光源。
虽然以上仅解释了对皮肤的厚度和颜色以及皮下脂肪的厚度的测量，但是利用第一至第三检测光也可测量各种其它的身体组分。例如，可利用近红外波长范围内的光通过测量充满毛细管的手指头的脉搏波来测量心率变化(换句话说，应激水平)。另外，活体测量设备可利用具有近红外波长的光和具有可见光波长的光来测量血氧饱和度(SpO2)、光电容积描记(PPG)、呼吸频率和脉搏。
根据本发明的活体测量设备与传统设备不同，其不会无视各种皮肤条件对身体组分的测量的影响。所述设备直接测量皮肤的厚度和颜色并且准确确定皮下脂肪的厚度。
根据本发明的活体测量设备利用一个或多个波导以减少光源的数量。因此，所述设备适合于追求经济效益的移动终端。
因此，在不脱离由权利要求公开的本发明的范围和精神的情况下，可对本发明做出各种修改、增加和替换，权利要求包括其等同物的全部范围。
Claims (15)
1、一种活体测量设备，包括：
第一光源，布置在活体的皮肤的表面上，并且被构造为将具有第一波长的第一光辐射到皮肤的表面上；
第二光源，布置在皮肤的表面上，并且被构造为将具有不同于第一波长的第二波长的第二光辐射到皮肤的表面上；
第三光源，布置在皮肤的表面上，比第一光源和第二光源更加远离光学检测器，被构造为将第三光辐射到皮肤的表面上；
光学检测器，布置在皮肤的表面上，并且被构造为检测作为电信号的从皮肤输出的第一检测光、第二检测光和第三检测光中的一个；
控制器，被构造为依次驱动第一光源、第二光源和第三光源；
存储器，被构造为存储第一表，第一表显示第一和第二检测光的强度与皮肤的厚度之间的关系以及显示第一和第二检测光的强度与皮肤的颜色之间的关系，
其中，控制器被构造为基于第一表来确定与第一和第二检测光的强度对应的皮肤的厚度和颜色，
其中，所述存储器还被构造为存储第二表，第二表根据皮肤的厚度和颜色显示皮下脂肪的厚度与第三检测光的强度之间的关系，并且所述控制器被构造为基于第二表确定与第三检测光的强度对应的皮下脂肪的厚度。
2、如权利要求1所述的活体测量设备，其中，所述第一波长在可见光带宽的范围内。
3、如权利要求1所述的活体测量设备，其中，所述第一波长具有660nm的波长。
4、如权利要求1所述的活体测量设备，其中，所述第二波长在近红外带宽的范围内。
5、如权利要求1所述的活体测量设备，其中，所述第二波长具有940nm的波长。
6、如权利要求1所述的活体测量设备，其中，所述第三光具有在近红外带宽的范围内的波长。
7、一种活体测量设备，包括：
第一光源，布置在活体的皮肤的表面上，并且被构造为将具有第一波长的第一光辐射到皮肤的表面上；
第二光源，布置在皮肤的表面上，并且被构造为将具有不同于第一波长的第二波长的第二光辐射到皮肤的表面上；
第三光源，布置在皮肤的表面上，位于比第一光源和第二光源更加远离光学检测器的位置，并且被构造为将第三光辐射到皮肤的表面上；
光学检测器，被构造为检测作为电信号的从皮肤输出的第一检测光、第二检测光和第三检测光中的一个；
控制器，被构造为依次驱动第一光源、第二光源和第三光源；
波导，布置在皮肤的表面上，在第一光源和第二光源与第三光源之间，并且被构造为允许从第三光源输入的第三光全内反射地传播；
至少一个光提取图案，被构造为从波导中提取全内反射地传播的第三光，并且被构造为将第三光辐射到皮肤的表面上。
8、如权利要求7所述的活体测量设备，还包括：
存储器，被构造为存储第一表，第一表显示第一和第二检测光的强度与皮肤的厚度之间的关系以及显示第一和第二检测光的强度与皮肤的颜色之间的关系，
其中，控制器被构造为基于第一表来确定与第一检测光和第二检测光的强度对应的皮肤的厚度和颜色。
9、如权利要求8所述的活体测量设备，其中，所述存储器被构造为存储第二表，第二表根据皮肤的厚度和颜色显示皮下脂肪的厚度与第三检测光的强度之间的关系，并且所述控制器被构造为基于第二表确定与第三检测光的强度对应的皮下脂肪的厚度。
10、如权利要求7所述的活体测量设备，其中，所述第一波长在近红外带宽的范围内。
11、如权利要求7所述的活体测量设备，其中，所述第二波长在可见光带宽的范围内。
12、如权利要求7所述的活体测量设备，其中，所述波导呈环形，具有与皮肤接触的底表面和在底表面相对侧的顶表面，所述光提取图案形成在波导的顶表面上。
13、如权利要求7所述的活体测量设备，还包括：
波导，布置在皮肤的表面上，在光学检测器与第一光源和第二光源之间，所述波导被构造为允许从第一光源和第二光源中的一个输入的光全内反射地传播；
至少一个光提取图案，被构造为从波导中提取全内反射地传播的光，并且被构造为将所述光辐射到皮肤的表面上。
14、如权利要求13所述的活体测量设备，其中，所述波导呈环形，具有与皮肤接触的底表面和在底表面相对侧的顶表面，所述光提取图案形成在波导的顶表面上。
15、一种活体测量设备，包括：
第一光源，布置在活体的皮肤的表面上，并且被构造为将具有第一波长的第一光辐射到皮肤的表面上；
第二光源，布置在皮肤的表面上，并且被构造为将具有不同于第一波长的第二波长的第二光辐射到皮肤的表面上；
第三光源，布置在皮肤的表面上，比第一光源和第二光源更加远离光学检测器，被构造为将第三光辐射到皮肤的表面上；
第一光学检测器，布置在皮肤的表面上，并且被构造为检测作为电信号的从皮肤输出的第一检测光和第二检测光中的一个；
第二光学检测器，被布置在皮肤的表面上，其比所述第一光学检测器更加远离第一光源和第二光源，第二光学检测器被构造为检测作为电信号的从皮肤输出的第三检测光；
控制器，被构造为依次驱动第一光源和第二光源；
存储器，被构造为存储第一表，第一表显示第一和第二检测光的强度与皮肤的厚度之间的关系以及显示第一和第二检测光的强度与皮肤的颜色之间的关系，
其中，控制器被构造为基于第一表来确定与第一和第二检测光的强度对应的皮肤的厚度和颜色；
其中，所述存储器还被构造为存储第二表，第二表根据皮肤的厚度和颜色显示皮下脂肪的厚度与第三检测光的强度之间的关系，并且所述控制器被构造为基于第二表确定与第三检测光的强度对应的皮下脂肪的厚度。
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