利用移動設備的濃度測量的制作方法
【專利摘要】本發明涉及利用移動設備的濃度測量。根據本發明的便攜式電子設備包括：化學傳感器，其對化學分析物的濃度敏感；以及至少兩個輔助傳感器，其對不同于化學分析物的濃度的參數敏感。該便攜式電子設備包括控制設備，該控制設備在測量周期之上分布的多個時間點處，接收來自化學傳感器和來自輔助傳感器的信號，并且將這些信號的時間依賴性相關聯，以獲得第一化學傳感器的校正的讀數。該便攜式電子設備可以用于呼氣分析。
【專利說明】利用移動設備的濃度測量

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種包括至少一種化學傳感器的便攜式電子設備，以及操作便攜式電子設備的方法。

【背景技術】
[0002]便攜式電子設備如移動電話或平板電腦通常配備有多個傳感器，如麥克風、觸摸屏、一個或多個陀螺儀、一個或多個加速度傳感器、磁場傳感器、接近傳感器和一個或多個攝像機。US2012/0231841公開了一種配備有濕度傳感器的移動電話。W02012/097460A1提議提供具有溫度傳感器和濕度傳感器的移動電話。
[0003]將對一種或多種化學分析物敏感的傳感器集成到便攜式電子設備中也是可能的。對一種或多種化學分析物敏感的傳感器將在下文被稱為“化學傳感器”。
[0004]US8280436公開了一種在移動電話中的呼吸分析傳感器，以確定電話的用戶的血液酒精水平的計量。
[0005]US5376555公開了一種用于確定由受試者呼出到紅外線感測設備的呼氣樣本中的肺泡酒精的濃度的方法。通過以下來檢測口腔酒精:利用傳感設備監視酒精和二氧化碳，隨著時間的推移而集成標準化的酒精含量和二氧化碳含量之間的差，以及將集成的差與閾值進行比較。酒精信號和二氧化碳信號在DE19941586、US5971937和US3830630中也相關。酒精信號與二氧化碳、濕度或溫度信號的相關性在US2010/0063409中公開。
[0006]然而，與現有技術中使用的光學傳感器相比，這些公開沒有適當地考慮到使傳感器小型化，特別地，適合于在便攜式電子設備如移動電話中使用的小型化的化學傳感器通常具有較低的準確性和專一性。因此，需要對包括化學傳感器的便攜式電子設備進行改進。由于用戶可以基于呼氣分析的結果做出重要決定，所以當便攜式電子設備用于呼氣分析時這尤其重要。例如，用戶可以基于呼氣分析的結果決定是否要駕駛汽車，這取決于由呼氣分析確定的表觀血液酒精含量。


【發明內容】

[0007]根據第一方面，本發明提供了一種便攜式電子設備，包括:
[0008]第一化學傳感器，其對至少一個第一化學分析物的濃度敏感；
[0009]第一輔助傳感器，其對與第一化學分析物的濃度不同的至少一個第一參數敏感；
[0010]至少一個第二輔助傳感器，其對與第一化學分析物的濃度不同并且與第一參數不同的至少一個第二參數敏感；以及
[0011]控制設備。
[0012]控制設備被配置成執行以下任務:
[0013]在測量周期之上分布的多個時間點處，接收第一化學傳感器的信號；
[0014]在測量周期之上分布的多個時間點處，接收第一輔助傳感器的信號；
[0015]在測量周期之上分布的多個時間點處，接收第二輔助傳感器的信號；以及
[0016]將第一化學傳感器的信號的時間依賴性、第一輔助傳感器的信號的時間依賴性和第二輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以獲得第一化學傳感器的校正的讀數。
[0017]換句話說，化學傳感器以及至少兩個輔助傳感器的瞬態(時間依賴的)行為被考慮，以改善利用化學傳感器進行的測量。當然，可以應用多于兩個的輔助傳感器，例如三個、四個、五個、六個或更多個輔助傳感器，并且它們的信號的時間依賴性可以與第一化學傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以獲得第一化學傳感器的校正的讀數。
[0018]如果第一化學傳感器是具有加熱膜的半導體傳感器，特別地，是具有在其上布置有至少一種金屬氧化物(MOX)層的加熱膜的半導體傳感器，且該MOX層的導電性改變至少一種化學分析物的存在，本發明是尤其有用的。這樣的傳感器將在下文中稱為MOX傳感器。這樣的傳感器通常具有有限的特異性(亦即它們可以具有對與第一化學分析物不同的各種分析物的交叉敏感性)，并且可以具有取決于環境參數如濕度、溫度或質量流量對第一化學分析物的響應。金屬氧化物可以是如氧化錫、氧化鎢、氧化鎵、氧化銦或氧化鋅。第一傳感器可以包括集成在傳感器內的熱源。如例如在W02012/100362中所描述的傳感器可以被制造。第一化學傳感器可以在芯片如CMOS芯片上實施。在相同的芯片上,可以實施至少一個模-數轉換器，以將模擬傳感器信號轉換成數字傳感器信號。其它數字電路可以在相同芯片上實施，如至少一個微處理器，其用于對數字化的信號進行至少一個預處理操作如基線校正、縮放、集成、采樣等。其它可能的測量原理是化學機械原理，其中，基于吸收的質量變化被轉換成例如表面聲波或轉換成懸臂共振。
[0019]兩個或更多個傳感器可以集成在單個元件中，形成兩個或更多個傳感器元件(“單元”)，其對選定的分析物或參數具有不同的敏感性。在本發明的上下文中，每個這樣的傳感器單元將被認為表示單獨的傳感器。傳感器單元可以以一維或二維陣列布置。所有或選定的傳感器單元可以提供呈現對分析物敏感的材料敏感層，其中各個傳感器單元對該分析物是敏感的。例如，傳感器陣列的每個單元可以具體主要對不同的分析物敏感，并且因此可以使便攜式電子設備來檢測這樣的分析物的存在、不存在或濃度。在此上下文中，“主要”應指傳感器單元對受試分析物比其它分析物更為敏感。然而，這樣的傳感器陣列的傳感器單元不僅可以呈現對其主要分析物敏感，還可以呈現對主要分析物以外的分析物交叉敏感。在這種情況下，優選的是，不同的傳感器單元具有用于各種分析物的不同的敏感性特征，其中傳感器單元對這些分析物敏感以便能夠分離這些分析物的作用。
[0020]第一化學傳感器對其敏感的化學分析物可以包括化學元素和化合物。特別地，第一化學傳感器可以對以下中的一種或多種敏感:醇類如乙醇、酮類如丙酮、醛類如甲醛、一氧化碳、臭氧、氨、甲烷、苯和苯衍生物如二甲苯、硫醇類，特別地，烷基硫醇如甲硫醇(甲硫醇)、氮氧化物(NOx)。分析物通常存在于流體介質中，特別地是在氣體中，更特別地是在空氣中。
[0021]在廣義上，第一化學傳感器對其敏感的化學分析物可以是空氣中的水蒸氣，并且在這個意義上，術語“化學傳感器”包括濕度傳感器。然而，在下文中，術語“化學傳感器”通常被理解為除濕度傳感器之外，并且在更狹窄的意義上，化學傳感器將被理解成對除水以外的至少一種化學分析物敏感的傳感器。空氣的濕度相應地理解成結合溫度、壓力等表示環境參數。
[0022]第一和第二輔助傳感器可以是任一類型的傳感器，包括但不限于:麥克風、光傳感器(其可以對色彩敏感，提供基本上僅用于一個特定波長范圍的信號，或者提供用于在不同波長區域中的光的多個信號，以便在不同色彩之間進行區分)、圖像傳感器尤其是攝像機、慣性傳感器(加速度傳感器)、陀螺儀(轉速傳感器)、磁力計、位置傳感器尤其是GPS模塊、接近傳感器、觸摸屏、操縱桿、壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、流量傳感器、導熱率傳感器、特定加熱傳感器、氣體濃度傳感器、氣體粘度傳感器、或對化學分析物具有不同敏感性的非第一傳感器的其它化學傳感器。在與第一化學傳感器相同的芯片上對第一和/或第二輔助傳感器的集成是可能的，特別地，如果第一和/或第二輔助傳感器是以下類型之一:壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、流量傳感器、導熱率傳感器、特定加熱傳感器、氣體濃度傳感器、氣體粘度傳感器或其它化學傳感器。
[0023]在優選實施方式中，輔助傳感器中的至少一個是第二化學傳感器，其對與第一化學分析物不同的至少一個第二化學分析物的濃度敏感。第一化學傳感器和第一輔助傳感器中的每個可以是具有加熱膜的半導體傳感器。優選地，第一化學傳感器和第一和第二輔助傳感器(以及可能的其它輔助傳感器)中的每個是具有加熱膜的半導體傳感器。在這些情況下，在單個半導體芯片上，將第一化學傳感器和第一和/或第二輔助傳感器集成是尤其有用的。
[0024]如果第一化學傳感器具有對第二化學分析物的交叉敏感性，則控制設備可以被配置成將第一化學傳感器和第一和/或第二輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以校正所述交叉敏感性。如果第一化學傳感器取決于第二化學分析物的濃度提供輸出信號，則對第二化學分析物的交叉敏感性存在。例如，如果第一化學傳感器主要對乙醇敏感，但具有對烷硫基(硫醇)的交叉敏感性，則第一輔助傳感器可以被選擇成主要對烷基硫醇的濃度敏感的傳感器(在下文中被稱為“烷基硫醇傳感器”)。從烷基硫醇傳感器的時間依賴的信號，測量烷基硫醇在測量周期期間的何時、是否以及在何種程度上存在是可能的。基于這些測量，控制單元可以例如確定測量周期期間的子周期，在此期間，烷基硫醇的濃度是小的，并且僅在此時間周期期間第一化學傳感器的信號用于測量乙醇濃度。在其它實施方式中，控制單元可以使用第一和/或第二輔助傳感器的時間依賴的信號來定量地校正針對其它化學分析物的作用的第一化學傳感器的信號，其中該第一化學傳感器具有對其它化學分析物的交叉敏感性。
[0025]在更通常的術語中，第一輔助傳感器可以被用于確定測量周期的子周期，并且在此期間而非在其它子周期期間，第一化學傳感器的信號更可能是“無效的”，亦即可能表示所關注的參數。下面提供了在呼氣分析的情況下的示例，其中所關注的參數是在肺泡氣或上呼吸道氣的一個中的分析物的濃度。
[0026]然后，第二輔助傳感器可以用于額外地限制子周期，在此期間，第一化學傳感器的信號可能表示所關注的參數，或者用于其它的校正目的，包括定量的校正。例如控制設備可以被配置成將第一和第二輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以確定測量周期的子周期，在此期間，第一化學傳感器的信號可能表示所關注的參數。
[0027]在其它的實施方式中，第二輔助傳感器的時間依賴的信號可以用于針對環境參數的第一化學傳感器的信號的已知依賴性的校正，其中第二輔助傳感器對該環境參數是敏感的。例如如果第二輔助傳感器是濕度、溫度或壓力傳感器，則這個傳感器的時間依賴的信號可以用于第一化學傳感器的信號的已知濕度、溫度或的壓力依賴性的校正。
[0028]重要的應用是呼氣分析。在呼氣分析中，取決于用戶的生理狀況和/或先前行為，針對存在于用戶的呼氣中的一種或多種分析物的濃度，用戶的呼氣被分析。可以進行呼氣分析，例如用于確定呼氣酒精含量為血液中酒精含量的計量；用于確定呼氣丙酮含量為生理活動如“脂肪燃燒”的指標；或者用于識別不需要的呼氣異味(“口腔異味”)。為此，第一化學傳感器可以對如乙醇、酮如丙酮或硫醇如烷基硫醇，尤其是甲硫醇的濃度敏感。在呼氣分析測量中，重要的是在上呼吸道氣(“口信號”)和深肺部空氣(肺泡氣，“肺信號”)之間進行區分。例如，當測量乙醇濃度時，僅肺信號表示用戶的血液酒精含量，而口信號可以被僅在最近攝入的酒精強烈影響。另一方面，當用戶的呼氣異味是所關注的異味(“ 口腔異味”)，口信號可以是決定性的。上呼吸道氣和肺泡氣可以基于第一和/或第二輔助傳感器的信號進行區分。在優選的實施方式中，由于肺泡氣二氧化碳濃度通常大于上呼吸道氣二氧化碳濃度，所以第一輔助傳感器對二氧化碳的濃度敏感。特別地，第一輔助傳感器可以是具有加熱膜的半導體傳感器，該傳感器被配置成熱導性傳感器。空氣的導熱率與空氣的二氧化碳含量密切相關。通過監測第一輔助傳感器的瞬態信號，可以實現上呼吸道氣和肺泡氣之間的區分。
[0029]然后，第二輔助傳感器優選對以下環境參數中的至少一個敏感:濕度、溫度、質量流量、噪聲、便攜式電子設備的移動和便攜式電子設備的用戶的接近。所有這些參數都有助于確定便攜式電子設備是否以及在測量周期的什么部分期間已被正確地處理，亦即是否以及在什么時間期間用戶已經向設備呼出足夠的強度(如通過濕度、溫度、質量流量和/或呼氣噪聲來測量)；是否以及在什么時間期間用戶已經保持設備處于靜止狀態(如通過慣性傳感器和/或陀螺儀來測量)；以及是否以及在什么時間期間用戶已經保持設備足夠接近他/她的臉部(如通過接近傳感器來確定)。
[0030]例如，如果第一化學傳感器是主要對乙醇敏感的傳感器，如果第一輔助傳感器是對二氧化碳濃度敏感的傳感器，并且如果第二輔助傳感器是濕度(或溫度、壓力、質量流量等)傳感器，則第一和第二輔助傳感器可以被用于確定測量周期的子周期，在此期間，二氧化碳和濕度(或溫度、壓力、質量流量等)足夠高，以指示該設備可能正在接收肺泡氣。
[0031]第二輔助傳感器可以額外用于對第一化學傳感器的信號的已知濕度(或溫度、壓力、質量流量等)依賴性的校正。更通常地，控制設備可以被配置成應用第二輔助傳感器的信號的時間依賴性來校正第一化學傳感器和/或第一輔助傳感器對參數的交叉敏感性，其中第二輔助傳感器對該參數敏感。
[0032]現將更詳細地討論針對第二輔助傳感器的不同可能類型的示例。
[0033](a)例如，如果第二輔助傳感器是濕度傳感器，則控制設備可以被配置成確定由濕度傳感器測量的濕度是否以及在測量周期期間的什么時間指示用戶以期望的方式呼出肺泡氣，并且配置成可以校正降低的濕度值。在呼出肺泡氣中的相對濕度正常接近100%。特別地，控制設備可以被配置成檢測作為時間的函數的濕度值。例如如果濕度值指示針對一定的時間周期相對濕度上升到高于一定閾值的值(如在80% -95%的范圍內)，則這將指示控制設備該用戶正在正確地處理便攜式電子設備，特別地，該用戶正在以所要求的強度和所需的時間周期以正確的方向呼氣。如果檢測到濕度沒有上升，或者如果檢測到上升但不足夠強(如，如果沒有在一定時間周期內達到閾值)，或者如果上升太慢，則這將指示用戶正在不正確地處理便攜式電子設備，亦即用戶正在沒有以所要求的方式呼出空氣，并且因此，第一傳感器可能不提供有意義的結果。更復雜的標準可以從作為時間的函數的濕度值來獲得。這樣的標準可以包括數值積分和/或差分以及其它數值過程。
[0034](b)同樣地，如果第二輔助傳感器是溫度傳感器，則控制設備可以被配置成確定由溫度傳感器測量的溫度瞬態是否以及在什么時間指示用戶在以預定的方式呼出空氣。呼出的空氣的溫度正常接近37°C。與對濕度傳感器類似的考慮也適用于溫度傳感器。特別地，控制設備可以被配置成監測作為時間的函數的溫度值。例如如果溫度值指示在一定的時間周期內溫度上升到高于一定閾值的值(如在33-35°C的范圍內)，則這將指示控制設備該用戶正在正確地處理便攜式電子設備。如果檢測到溫度沒有上升，或者如果檢測到上升但不足夠強(如如果沒有在一定的時間周期內達到閾值)，或者如果上升太慢，則這將指示用戶正在不正確地處理便攜式電子設備。
[0035](C)同樣地，如果第二輔助傳感器是流量傳感器，則控制設備可以被配置成確定由流量傳感器測量的流率是否以及在什么時間指示用戶以預定的方式呼出空氣。再次，與對濕度或溫度傳感器類似的考慮也適用于流量傳感器。特別地，控制設備可以被配置成檢測作為時間的函數的流率值。例如如果流率針對一定的時間周期保持高于一定的閾值，則這將指示控制設備該用戶正在正確地處理便攜式電子設備。如果檢測到沒有空氣流量，或者如果檢測到空氣流量不足夠強(例如如果沒有達到閾值)，則這將指示用戶正在不正確地處理便攜式電子設備。
[0036](d)如果第二輔助傳感器是麥克風，則控制設備可以被配置成確定由麥克風所記錄的聲音信號是否指示用戶以預定的方式呼出空氣。空氣的呼出通過麥克風將導致可以區別于其它噪聲模式的特定噪聲模式。精確的噪聲模式將取決于幾個因素，包括在移動設備的殼體中麥克風的類型和位置、通向麥克風的通道的幾何形狀、呼出空氣相對麥克風表面的流動方向等。如果在一定的時間周期期間檢測到特征噪聲模式，則這將指示控制設備該用戶正在該時間周期期間正確地處理便攜式電子設備。如果沒有檢測到這樣的噪聲模式，或者如果檢測到噪聲模式但在閾值以下，則這將指示用戶正在不正確地處理便攜式電子設備。
[0037](e)如果第二輔助傳感器是接近傳感器，則控制設備可以被配置成確定由接近傳感器測量的距離數據是否指示用戶在距用戶的面部預定的距離范圍內持握便攜式電子設備。
[0038](f)如果第二傳感器是慣性傳感器或陀螺儀，則控制設備可以被配置成確定測量的便攜式電子設備的加速度和/或方位是否指示用戶以預定方式持握便攜式電子設備。例如如果慣性傳感器和/或陀螺儀指示移動設備的快速線性和/或旋轉移動，或者如果加速度傳感器指示傳感器點在不期望的方向上(如便攜式電子設備被定向為其傳感器面朝下)，則這將指示用戶正在不正確地處理便攜式電子設備。
[0039](g)如果第二傳感器是圖像傳感器(尤其是攝像機)，則控制設備可以被配置成確定由圖像傳感器所記錄的圖像數據是否指示用戶正在以預定的方式持握便攜式電子設備。特別地，控制設備可以被配置成執行模式識別算法，以確定圖像傳感器是否以及什么時候在記錄人臉。這樣的面部識別算法是本領域公知的。如果沒有人臉被記錄，則這將指示用戶正在不正確地處理便攜式電子設備。
[0040]在一個應用中，設備可以被配置成執行針對呼氣酒精確定的呼氣分析。在這種情況下，第一化學傳感器可以是主要對乙醇敏感，而第一輔助傳感器可以是對二氧化碳的濃度敏感。然后，控制設備可以被配置成將第一化學傳感器和第一輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以確定所述測量周期的子周期，在此期間，第一化學傳感器的信號表示肺泡氣。
[0041]在一個具體的示例中，第一化學傳感器可以主要是對乙醇敏感，并且可以具有對酮如丙酮和/或硫醇如烷基硫醇尤其是甲硫醇的交叉敏感性，第一輔助傳感器可以是對二氧化碳的濃度敏感，而第二輔助傳感器可以是對酮和/或硫醇敏感。然后，第一輔助傳感器的信號的時間依賴性可以用于確定所述測量周期的子期間，在此期間，第一化學傳感器的信號表示肺泡氣，如上所述，同時可以應用第二輔助傳感器的信號的時間的依賴性，以對第一化學傳感器對酮和/或硫醇的交叉敏感性校正。
[0042]在另一個應用中，便攜式電子設備可以被配置成執行呼氣分析，以便確定用戶呼氣的異味(“口腔異味”)。然后，第一化學傳感器可以是對硫醇的濃度敏感，而第一輔助傳感器可以是對二氧化碳的濃度敏感。然后，控制設備可以被配置成將第一化學傳感器和第一輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以確定所述測量周期的子周期，在此期間，第一化學傳感器的信號表示上呼吸道的呼氣。可以應用第二輔助傳感器的信號的時間依賴性，如以對第一化學傳感器對其它分析物如包括乙醇的醇類和包括丙酮的酮類的交叉敏感性校正。
[0043]本發明的便攜式電子設備可以是下列中任一種:移動電話，尤其是智能電話、掌上電腦、電子閱讀器、平板電腦、游戲控制器、指示設備、照片或視頻攝像機、數字音樂播放器、電子手表、頭戴式耳機或計算機外圍設備。這個列項被理解成非限制性的。這樣的便攜式電子設備可以主要地被設計用于在IT領域中的計算和/或電信和/或其它任務，并且可以通過提供化學信息的功能得到增強。便攜式電子設備通常包括獨立的能量源如電池，以使便攜式電子設備能夠運作而不將便攜式電子設備連接到電力網絡。
[0044]本發明的控制設備可以包括至少一個微處理器，并且可以被配置成運行計算機程序元件(其可以是如應用程序、操作系統或專用“化學引擎”的一部分)。計算機程序元件可以被存儲在便攜式電子設備的存儲器中。控制設備可以包括在相同芯片上實施成第一化學傳感器的微處理器，和/或其可以包括便攜式電子設備的一個或多個其它微處理器。控制設備不需要在單一的硬件中實施；相反地，不同的任務可以通過屬于控制設備的不同的硬件兀件來執7TT。
[0045]控制設備可以被配置成與遠程服務器進行通信。為此，便攜式電子設備可以包括用于通過數字通信信道與遠程服務器(或“云”)進行數據交換的通信模塊。該通信模塊可以是用于通過無線通信信道進行通信的無線通信模塊。通常，便攜式電子設備將包括多個這樣的通信模塊。這樣的模塊可以包括用于將便攜式電子設備連接到無線語音通信網絡的至少一個模塊，如GPRS模塊、UMTS模塊或LTE模塊，或者其可以包括W1-Fi模塊、藍牙模塊、近場通信模塊等，或允許進行數據交換，特別地，經由數據網絡(包括互聯網)的數據交換的任何其它模塊。無線通信模塊可以包括天線。然后，控制設備可以被配置成將傳感器數據經由無線通信模塊發送到遠程服務器，并且作為響應接收基于發送傳感器數據的結果數據。傳感器數據可以包括來自第一化學傳感器、來自第一輔助傳感器和/或來自第二輔助傳感器的數據。換句話說，用于確定第一化學傳感器的校正的讀數的算法的所有或部分可以在遠程服務器上執行(“云計算”)。然而，所有算法完全都在便攜式電子設備本地執行也是可能的。
[0046]結果(如第一化學傳感器的校正的讀數或由其衍生的任意數據)可以通過輸出設備輸出，其可以是如顯不器、揚聲器、振動器、閃存、投影儀、LED或激光。可以應用多于一個輸出設備。
[0047]在另一個方面，本發明提供了一種利用便攜式電子設備對流體樣本進行分析的方法，便攜式電子設備包括:第一化學傳感器，其對至少一個第一化學分析物的濃度敏感;第一輔助傳感器，其對與第一化學分析物的濃度不同的至少一個第一參數敏感，；以及至少一個第二輔助傳感器，其對與第一化學分析物的濃度不同并且與第一參數不同的至少一個第二參數敏感。該方法包括:
[0048]在測量周期之上分布的多個時間點處，接收第一化學傳感器的信號；
[0049]在所述測量周期之上分布的多個時間點處，接收第一輔助傳感器的信號；
[0050]在所述測量周期之上分布的多個時間點處，接收第二輔助傳感器的信號；以及
[0051]將化學傳感器的信號的時間依賴性、第一輔助傳感器的信號的時間依賴性以及第二輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以獲得第一化學傳感器的校正的讀數。
[0052]本文中結合本發明的便攜式電子設備所討論的所有考慮同樣適用于本發明的方法。
[0053]特別地，如果第一化學傳感器具有對第二化學分析物的交叉敏感性，則該方法可以包括:
[0054]將第一化學傳感器和第一和/或第二輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以對所述交叉敏感性校正。
[0055]在一些實施方式中，該方法可以包括:
[0056]將第一化學傳感器和第一和第二輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以確定所述測量周期的子期間，在此期間，第一化學傳感器的信號表示代表所關注的參數的信號。
[0057]在一些實施方式中，可以應用第二輔助傳感器的信號的時間依賴性，以對第一化學傳感器和/或第一輔助傳感器對環境參數的交叉敏感性校正，其中第二輔助傳感器對該環境參數敏感。
[0058]該方法可以用于呼氣分析。在這種情況下，第一化學傳感器可以對乙醇、酮或硫醇的濃度敏感，第一輔助傳感器可以對二氧化碳的濃度敏感，而第二輔助傳感器可以對下列參數中的至少一個敏感:濕度、溫度、質量流量、噪聲、便攜式電子設備的移動，以及便攜式電子設備的用戶的接近。
[0059]該方法可以完全是計算機實施的。如上所述，本發明的方法的步驟可以由便攜式電子設備的控制設備執行，并且控制設備可以包括微處理器。如上所述，該方法可以包括將傳感器數據經由無線通信模塊發送到遠程服務器，并且作為響應，基于該發送到遠程服務器的傳感器數據，經由無線通信模塊接收來自所述遠程服務器的結果數據。
[0060]在又一個方面中，本發明提供一種計算機程序元件，其包括計算機程序代碼，當該計算機程序代碼在便攜式電子設備的控制設備中執行時，執行本發明的方法。該計算機程序元件可以以包括源代碼或目標代碼的任何合適的形式提供。特別地，其可以被存儲在計算機可讀介質上或嵌入在數據流中。該數據流可以是通過網絡如Internet可訪問的。[0061 ] 本文中結合本發明的便攜式電子設備和方法所討論的所有考慮同樣適用于本發明的計算機程序元件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0062]下面，參照附圖對本發明的優選實施方式進行描述，所述附圖是為了說明本發明優選實施方式的目的，而非為了限制本發明的目的。在附圖中，
[0063]圖1是便攜式電子設備的透視圖；
[0064]圖2是示出便攜式電子設備中的各種部件的高度示意性視圖；
[0065]圖3是示出操作便攜式電子設備的方法的流程圖；
[0066]圖4是示意性示出在示例性呼氣分析測量中不同傳感器的讀數的視圖；
[0067]圖5是示出在二氧化碳濃度c (CO2)和導熱率k之間的關聯性的視圖；以及
[0068]圖6是示出在人的幾個呼氣循環期間隨著時間的推移而由導熱率測量確定的二氧化碳濃度的測量變化(以任意度量，不考慮偏移量)的視圖。

【具體實施方式】
[0069]圖1示出移動電話形式的便攜式電子設備I。移動電話的殼體10包括具有觸摸屏顯示器101、開關按鈕102和用于第一揚聲器的開口 103的前側。在殼體10的下側壁區域提供其它開口 104、105和106。在這些開口的后面，設置有組件如麥克風、其它揚聲器和連接件。此外，在這些開口的任一個的后面，可以布置有傳感器如濕度傳感器、溫度傳感器和用于檢測至少一種化學分析物的一個或多個傳感器(亦即一個或多個化學傳感器)。
[0070]在圖2中，示意性地示出可以存在于便攜式電子設備中的各個部件。控制設備201 (其通常包括微處理器和存儲器)與如以下所述的多個輸入/輸出設備和其它模塊進行交互。可以存在例如以下的輸入設備:
[0071]?麥克風 211;
[0072].前置攝像頭212 ;
[0073].后置攝像頭213 ；
[0074].三個正交慣性傳感器(線性加速度傳感器)214 ;
[0075].三個正交陀螺儀(旋轉傳感器)215;
[0076].磁力計 216 ;
[0077].GPS 模塊 217;
[0078].接近傳感器218 ；
[0079].光強度傳感器219 ；
[0080].壓力傳感器220 ；
[0081]?溫度傳感器221;
[0082].濕度傳感器222 ；
[0083].流量傳感器223 ；
[0084].用于測量周圍氣體的熱導率的傳感器224 ;這樣的傳感器可以用于測量氣體中的CO2含量；
[0085].用于測量周圍氣體的比熱的傳感器225 ;以及
[0086].一個或多個化學傳感器226，其每一個對除水以外的至少一種化學分析物敏感。
[0087]可以存在如下的輸出設備:
[0088].針對電話的前置揚聲器231 ；
[0089].用于免提操作的至少一個底部揚聲器232 ；
[0090].振動器 233 ；
[0091]?閃光燈 234;
[0092].狀態 LED235 ；
[0093]?播放器 236。
[0094]此外，可以存在觸摸屏顯示器230形式的組合輸入/輸出設備。
[0095]此外，便攜式電子設備可以包括用于通過無線數據連接件251與遠程服務器250進行數據交換的一個或多個無線通信模塊，如GPRS模塊240、UMTS模塊241、WLAN模塊242以及藍牙模塊243。當然，可以提供多個這樣的模塊。
[0096]在控制設備201的存儲器中，應用程序(app)和/或操作系統和/或專用程序(“化學引擎”)的例程可以被存儲以用于進行利用化學傳感器226的測量。
[0097]便攜式電子設備可以用于各種類型的測量，包括呼氣分析。圖3示意性地示出針對用于呼氣分析目的典型的測量的流程圖。
[0098]在第一步驟301中，初始化便攜式電子設備。為此，測量所需的參數如各種傳感器的操作參數從遠程服務器(從“云”)下載，或者從便攜式電子設備的存儲器讀取。然后，化學傳感器226和需要加熱的其它傳感器被加熱至它們的操作溫度。當傳感器準備開始測量時，控制設備201可以使顯示器230或揚聲器232將相應的消息輸出給用戶，以指示用戶開始測量。
[0099]在第二步驟302中，執行測量操作。為此，多個傳感器被操作以從這些傳感器獲得讀數。被操作的傳感器包括至少一個化學傳感器，其對用戶的呼氣中的關注的特定物質如乙醇、丙酮或硫醇敏感。為了簡便，所選擇的(一個或多個)傳感器將在下文中統稱為“主要化學傳感器”。被操作的傳感器還包括對其它參量敏感的至少兩個其它傳感器，例如流量傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、CO2傳感器、熱容量傳感器、作為噪聲水平傳感器操作的麥克風、慣性傳感器、對與所選擇的單元不同的物質敏感的其他化學傳感器等。這些傳感器將在下文中被稱為“輔助傳感器”。在不同的時間點，針對主要化學傳感器和輔助傳感器獲取多個讀數，以便對所有傳感器信號的時間依賴性進行采樣。所有傳感器讀數由控制設備記錄。
[0100]在第三步驟303中，由控制設備對獲得的傳感器讀數進行分析。分析可以使用存儲在便攜式電子設備中的算法完全在控制設備內發生，或者控制設備可以利用無線通信模塊240-243中的至少一個的輔助，將原始或預處理的傳感器數據發送到遠程服務器250 (發送到“云”)。遠程服務器250可以執行分析的至少一部分，并且將表示分析的結果的結果數據發送回便攜式電子設備I。然后，便攜式電子設備可以通過無線通信模塊240-243中的一個接收這些數據。在第四步驟304中，分析的結果被輸出(如顯示)給用戶，和/或它們被提供給另一應用，其接收這些結果作為輸入變量。
[0101]該分析不僅在一個特定時間點上涉及主要化學傳感器的讀數與輔助傳感器的讀數的相關性，該分析還進一步考慮到這些讀數的時間依賴性。考慮到時間依賴性進一步提高了測量結果的可靠性和正確性。
[0102]結合圖4給出假設示例。這個圖示出了六個視圖，示意性地示出了在假設的呼氣事件期間對乙醇敏感的第一化學傳感器的信號(任意單位的表觀乙醇濃度C(EtOH)，曲線401)、主要對甲硫醇敏感的第二化學傳感器的信號(甲硫醇；任意單位的甲硫醇濃度c (Merc.)，曲線402)、二氧化碳傳感器的信號(任意單位的二氧化碳濃度c (C02)，曲線403)、溫度傳感器的信號(任意單位的表觀溫度T，曲線404)、濕度傳感器的信號(任意單位的表觀相對濕度RH，曲線405)，以及流量傳感器的信號(任意單位的質量流率Q，曲線406)。以規則間隔對這些信號進行采樣(在曲線401指示了一些示例性的采樣點)。
[0103]在t(l時間點呼氣開始。從用戶的口和肺呼出的暖濕氣體到達各個傳感器的表面。最初，這個氣體將主要源自用戶的口(上呼吸道氣體)；只是后來氣體主要源自肺(肺泡氣體)。傳感器對這種刺激將具有不同的響應時間。在本示例中，質量流量傳感器呈現最快的響應(曲線406)，并且質量流量信號在h之后開始短暫上升，并且在h時刻達到平穩。溫度傳感器(曲線404)和濕度傳感器(曲線405)呈現較慢的響應，因此，僅分別在較晚的t3和t4時刻達到平穩。二氧化碳傳感器(曲線403)和甲硫醇傳感器(曲線402)的信號不僅通過它們的響應函數來調整，而且還通過在來自用戶的口的上呼吸道氣體(“口信號”)和來自用戶的肺的肺泡氣體(“肺信號”)之間二氧化碳濃度和甲硫醇濃度的變化的事實來調整。相比源自用戶口的氣體，源自用戶肺的氣體通常具有更高的二氧化碳濃度。這導致了二氧化碳傳感器對用戶的呼氣響應延遲，在t7時間，二氧化碳信號超過例如lvol-%的初始閾值，并且僅在t5時間達到平穩。另一方面，由于在口腔中硫醇的生產菌的存在，相比源自肺的氣體，源自用戶口的氣體通常具有較高的硫醇含量(“口腔異味”)。因此，硫醇信號完全在二氧化碳信號的平穩之前，已經在t6時刻可以具有峰值。乙醇傳感器的信號(曲線401)被來自口和來自肺的氣體影響(盡管在不同的程度上)。正常地，肺信號比口信號強非常多，然而，如果在測量不久之前用戶已經飲用酒精飲料，則口信號可能更強。
[0104]僅肺信號表示用戶的血液酒精含量。因此，期望在口信號和肺信號之間進行區分。這可以通過將多個傳感器的時間依賴性關聯來實現。在本示例中，二氧化碳信號(曲線403)、硫醇信號(曲線402)和流量信號(曲線406)可以用來確定在此期間乙醇信號最好地表示肺信號的時間周期。例如，處理算法可以確定如果以下標準漸增地達成，則僅存在肺信號:(a)質量流量信號高于一定的閾值，并且已經達到平穩；(b) 二氧化碳信號高于一定的閾值，并且已經達到平穩；(c)硫醇信號已經超過峰值，并且再次下降，或者在整個呼氣事件期間，硫醇信號保持低于一定的閾值；以及(d)乙醇信號已經達到平穩。在本示例中，這些標準在從t5(其中CO2信號已經達到平穩期的時間)持續到t2(當質量流量信號開始下降時的時間)的時間間隔AtA期間達成。這個時間間隔可以被視為針對肺信號的存在的最佳估計，并且乙醇傳感器的讀數僅在這個時間周期被進一步處理。
[0105]應當指出，測量的變量f(t)是否已經達到平穩的標準需要進行變量的時間依賴性的分析。例如，可以定義:如果(離散和可能時間平均的)一階時間導數df(t)/dt(即斜率)已為正數且正在零周圍的一定的窄帶中，并且如果(離散和可能時間平均的)二階時間導數d2f (t) /d2t (即曲率)已首先為正數然后過零，然后為負數，然后再次接近零，那么已經達到平穩。當然，其它的定義是可能的，但所有這樣的定義都涉及變量的時間依賴性的確定。如果是要確定變量是否已達到峰值則同樣成立。
[0106]考慮更多的參數當然是可能的。例如，其它參數可以是:由便攜式電子設備的麥克風來確定的典型的呼吸聲的強度，其指示用戶已經實際吹入便攜式電子設備；接近傳感器的輸出的量值，其指示用戶已經將便攜式電子設備靠近身體的一部分，等等。
[0107]這樣的參數的確定不僅能夠使在口信號和肺信號之間進行區別，還能夠檢測“欺騙”設備的意圖。例如，如果用戶使用風扇，以創造質量流量而不是吹在設備上，則將導致CO2信號的不同的時間依賴性。
[0108]此外，各種傳感器的讀數可以用來校正所關注的時間間隔期間的乙醇讀數。例如，在肺泡氣體中的CO2濃度是已知的典型在4vol-%和5vol-%之間、相對濕度是已知的接近100%，而溫度是已知的接近37°C。如果其它傳感器指示顯著較低的CO2濃度、顯著較低的濕度和/或顯著較低的溫度，則這可能指示由周圍的空氣對呼出氣體的稀釋，并且乙醇傳感器的讀數可以被相應地校正。同樣地，如果乙醇傳感器的信號是已知的具有一定的濕度依賴性，則這個濕度的依賴性可以基于濕度傳感器的信號被補償。如果乙醇傳感器是已知的具有對甲硫醇的交叉敏度，則這可以基于硫醇傳感器的信號被補償。
[0109]在前面的示例中，所有的標準以二元的方式被應用。具體地，表示肺信號的時間間隔基于多個標準是否被達到以開/關的方式被確定。在更復雜的實施方式中，時間依賴的“肺信號指示符”可以根據各種測量參數的時間依賴性來計算，并且所測量的乙醇信號可以加權到取決于“肺信號指示符”的值的不同程度。
[0110]在另一方面，如果需要確定“口腔異味”，則主要關注的可以在口信號中，并且還需要再次在口信號和肺信號之間進行區分。這可以如以上所述的相似方式結合乙醇測量來完成。例如，處理算法可以確定如果以下標準漸增地達成，則僅存在口信號:(a)質量流量信號高于一定的閾值，并且已經達到平穩；(b) 二氧化碳信號低于一定的閾值；以及(C)硫醇信號接近峰值。當然，定義多個這樣的標準是可能的。在本示例中，這些標準在Wt1持續到t7的時間間隔Λ tB期間達成。這個時間間隔可以被視為針對口信號的存在的最佳估計，并且硫醇傳感器的讀數僅在這個時間周期被進一步處理。
[0111]以類似的方式，可以執行其它種呼吸分析的測量，如在用戶的呼吸中丙酮濃度的測量。
[0112]圖5示出了在空氣中二氧化碳的濃度C(CO2)可以通過測量導熱率k來確定的方式。導熱率k在所描述的0-20mol-%范圍內隨著增加CO2濃度而基本上線性地減小。通過測量導熱率k，空氣中的CO2濃度可以精確地確定。導熱性傳感器以各種形式存在，包括基于半導體的導熱性傳感器。這樣的傳感器可以應用以恒定功率被加熱的膜。然后，膜的溫度取決于周圍的氣體的導熱率。可選地，膜可以被加熱到恒定溫度，并且加熱功率可以被確定。這樣的傳感器的反應時間可以遠低于2秒，以使得它們適用于此處討論的測量類型。
[0113]圖6示出二氧化碳傳感器對幾個人類呼吸循環的反應。男性^5kg，22歲)通過布置傳感器的封閉空間在正常地呼吸的同時吸入和呼出。傳感器信號被記錄為60秒。二氧化碳傳感器是基于如結合圖5所描述的導熱率的測量。該圖示出了可以獲得具有高的信噪比的響應信號，導致具有高程度可靠性和重現性的測量。
【權利要求】
1.一種便攜式電子設備，包括: 第一化學傳感器，其對至少一個第一化學分析物的濃度敏感； 第一輔助傳感器，其對與所述第一化學分析物的濃度不同的至少一個第一參數敏感；至少一個第二輔助傳感器，其對與所述第一化學分析物的濃度不同并且與所述第一參數不同的至少一個第二參數敏感；以及控制設備，其配置成執行以下步驟: 在測量周期之上分布的多個時間點處，接收所述第一化學傳感器的信號； 在所述測量周期之上分布的多個時間點處，接收所述第一輔助傳感器的信號； 在所述測量周期之上分布的多個時間點處，接收所述第二輔助傳感器的信號；以及將所述第一化學傳感器的信號的時間依賴性、所述第一輔助傳感器的信號的時間依賴性以及所述第二輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以獲得所述第一化學傳感器的校正的讀數。
2.根據權利要求1所述的便攜式電子設備，其中，所述第一化學傳感器是具有加熱膜的半導體傳感器。
3.根據權利要求1或2所述的便攜式電子設備，其中，所述第一輔助傳感器是第二化學傳感器，其對與所述第一化學分析物不同的至少一個第二化學分析物的濃度敏感。
4.根據權利要求3所述的便攜式電子設備，其中，所述第一化學傳感器和所述第一輔助傳感器中的每一個是具有加熱膜的半導體傳感器。
5.根據前述權利要求中任一項所述的便攜式電子設備，其中，所述第一化學傳感器具有對第二化學分析物的交叉敏感性，并且其中所述控制設備被配置成將所述第一化學傳感器的信號的時間依賴性和所述第一和/或第二輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以校正所述交叉敏感性。
6.根據前述權利要求中任一項所述的便攜式電子設備，其中，所述控制設備被配置成應用所述第二輔助傳感器的信號的時間依賴性，以校正所述第一化學傳感器和/或所述第一輔助傳感器對環境參數的交叉敏感性，所述第二輔助傳感器對所述環境參數敏感。
7.根據前述權利要求中任一項所述的便攜式電子設備，其中，所述控制設備被配置成將所述第一化學傳感器的信號的時間依賴性和所述第一和/或第二輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以確定所述測量周期的子周期，在所述子周期期間，所述第一化學傳感器的信號表示代表所關注的參數的信號。
8.根據前述權利要求中任一項所述的便攜式電子設備，其中，所述便攜式電子設備被配置成執行呼氣分析，其中所述第一化學傳感器對乙醇、酮或硫醇的濃度敏感，其中所述第一輔助傳感器對二氧化碳的濃度敏感，并且其中所述第二輔助傳感器對下列參數中的至少一個敏感: 濕度； 溫度; 質量流量； 噪聲； 所述便攜式電子設備的移動；以及 所述便攜式電子設備的用戶的接近。
9.根據前述權利要求中任一項所述的便攜式電子設備，其中，所述便攜式電子設備被配置成執行呼氣分析以便測量乙醇在用戶的呼氣中的存在，其中所述第一化學傳感器對乙醇的濃度敏感，其中所述第一輔助傳感器對二氧化碳的濃度敏感，并且其中所述控制設備被配置成將所述第一化學傳感器的信號的時間依賴性和所述第一輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以確定所述測量周期的子周期，在所述子周期期間，所述第一化學傳感器的信號表不肺泡氣。
10.根據前述權利要求中任一項所述的便攜式電子設備，其中所述便攜式電子設備被配置成執行呼氣分析以便確定用戶的呼氣中的呼氣異味，其中所述第一化學傳感器對硫醇的濃度敏感，其中所述第一輔助傳感器對二氧化碳的濃度敏感，并且其中所述控制設備被配置成將所述第一化學傳感器的信號的時間依賴性和所述第一輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以確定所述測量周期的子周期，在所述子周期期間，所述第一化學傳感器的信號表示上呼吸道氣。
11.一種利用便攜式電子設備分析流體樣本的方法，所述便攜式電子設備包括:第一化學傳感器，其對至少一個第一化學分析物的濃度敏感；第一輔助傳感器，其對與所述第一化學分析物的濃度不同的至少一個第一參數敏感；以及至少一個第二輔助傳感器，其對與所述第一化學分析物的濃度不同并且與所述第一參數不同的至少一個第二參數敏感，所述方法包括: 在測量周期之上分布的多個時間點處，接收所述第一化學傳感器的信號； 在所述測量周期之上分布的多個時間點處，接收所述第一輔助傳感器的信號； 在所述測量周期之上分布的多個時間點處，接收所述第二輔助傳感器的信號；以及 將所述第一化學傳感器的信號的時間依賴性、所述第一輔助傳感器的信號的時間依賴性以及所述第二輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以獲得所述第一化學傳感器的校正的讀數。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述第一化學傳感器具有對第二化學分析物的交叉敏感性，并且其中所述第一化學傳感器的信號的時間依賴性和所述第一和/或第二輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以校正所述交叉敏感性。
13.根據權利要求11或12所述的方法，其中，應用所述第二輔助傳感器的信號的時間依賴性，以校正所述第一化學傳感器和/或所述第一輔助傳感器對環境參數的交叉敏感性，所述第二輔助傳感器對所述環境參數敏感。
14.根據權利要求11至13中任一項所述的方法，其中，所述第一化學傳感器的信號的時間依賴性和所述第一和第二輔助傳感器的信號的時間依賴性相關聯，以確定所述測量周期的子周期，在所述子周期期間，所述第一化學傳感器的信號表示代表所關注的參數的信號。
15.根據權利要求11至14中任一項所述的方法，其中，所述方法是用于呼氣分析的方法，其中所述第一化學傳感器對乙醇、酮或硫醇的濃度敏感，其中所述第一輔助傳感器對二氧化碳的濃度敏感，并且其中所述第二輔助傳感器對下列參數中的至少一個敏感: 濕度； 溫度; 質量流量； 噪聲； 所述便攜式電子設備的移動；以及 所述便攜式電子設備的用戶的接近。
16.一種包括計算機程序代碼的計算機程序元件，所述計算機程序代碼使得便攜式電子設備執行權利要求11至15中任一項所述的方法。
【文檔編號】G01N33/00GK104237456SQ201410276235
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2013年6月21日
【發明者】盧卡斯·比爾吉, 塞繆爾·韋爾勒, 費利克斯·邁爾 申請人:盛思銳股份公司