生物訊號量測系統(tǒng)、方法及耳機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種生物信號量測系統(tǒng)、方法及耳機，該系統(tǒng)包括若干光源，分別向受測者皮膚表層內(nèi)照射，若干光傳感器，分別接收由皮膚內(nèi)向外反射的若干光源并轉(zhuǎn)換成若干信號；一處理器模塊，接收若干信號并計算各信號之間的相關(guān)系數(shù)以結(jié)合成單一PPG信號。本發(fā)明的生物信號量測系統(tǒng)、方法及耳機利于在運動過程中量測，克服了光噪所造成的誤差，提高了動態(tài)生物信號量測的準(zhǔn)確度。
【專利說明】
生物巧號量測系統(tǒng)、方法及耳機
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及生物信號量測領(lǐng)域，更具體的是設(shè)及一種提高生物信號量測準(zhǔn)確度的 系統(tǒng)、方法及耳機。
【背景技術(shù)】
[0002] 一種現(xiàn)有的生物信號監(jiān)測耳機，用W監(jiān)測屯、率變異度及屯、跳率，包括一耳機、一光 源及一光傳感器，耳機具有一透光材質(zhì)的耳塞，將耳塞置入耳道內(nèi)W形成暗房，接著令光源 穿透耳塞，在照射耳道內(nèi)的皮膚后反射，再由光傳感器感應(yīng)光源于一段時間內(nèi)的變化W獲 得一光體積變化信號（Photoplethysmogra地y，PPG)，借此解讀屯、跳率Gfeart Rate)。
[0003] 運動時，使用者配戴脈搏監(jiān)測耳機來監(jiān)控屯、跳率的變化，w維持較佳的運動強度， 借此達到較安全有效率的訓(xùn)練，如慢跑，為了能持續(xù)長時間跑動或是維持一定的運動強度， 能夠利用脈搏監(jiān)測耳機提供的屯、跳率來決定跑速。
[0004] 但是，運動時身體勢必會產(chǎn)生震動，此時耳機于耳道內(nèi)隨著身體震動時，會間歇性 的與耳道內(nèi)壁產(chǎn)生縫隙，該縫隙將使耳道外的光源進入耳道內(nèi)產(chǎn)生光噪，使光傳感器無法 準(zhǔn)確測量耳道內(nèi)的光體積變化，產(chǎn)生誤差。 陽〇化]因此本發(fā)明生物信號量測系統(tǒng)、方法及耳機就是為了克服所述缺陷，能夠克服光 噪所造成的誤差，提高動態(tài)生物信號量測的準(zhǔn)確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對所述現(xiàn)有的生物信號監(jiān)測耳機的不足提出一種提高動態(tài)生 物信號量測的準(zhǔn)確度的生物信號量測系統(tǒng)、方法及耳機。
[0007] 為達成所述目的，本發(fā)明公開一種生物信號量測系統(tǒng)，包括若干光源，分別向受測 者皮膚表層內(nèi)照射；若干光傳感器，分別接收由皮膚內(nèi)向外反射的若干光源并轉(zhuǎn)換成若干 信號；一處理器模塊，接收若干信號并計算各信號之間的相關(guān)系數(shù)W結(jié)合成單一 PPG信號； 所述相關(guān)系數(shù)的計算公式為：
[0008]
[0009] Ryy為每兩個信號為一組的相關(guān)系數(shù)，其中X及y分別為對應(yīng)感測信號的信號值； 若所有相關(guān)系數(shù)Ryy在一容許值內(nèi)時，將所有感測信號相加成為一PPG信號，若否，W下列公 式計算若干信號X、y及相關(guān)系數(shù)把yW產(chǎn)生各組所得信號S yy: 陽 010] Sxy=(l-Rxy)(x+y)
[0011] 接著在將各組所得信號Sxy相加產(chǎn)生PPG信號。
[0012] 作為進一步的改進，其中PPG信號經(jīng)過快速傅立葉變換之后進行屯、律估算與檢 測。
[0013] 在一實施方式中，其中所述若干光傳感器包括第一光傳感器用W輸入第一感測信 號S1、第二光傳感器用W輸入第二感測信號S2及第Ξ光傳感器用W輸入第Ξ感測信號S3， 經(jīng)噪聲消除后，執(zhí)行運算各信號間兩兩的相關(guān)系數(shù)能夠得到相關(guān)系數(shù)Ri2、R23及R 31，運算出 相關(guān)系數(shù)后，設(shè)定當(dāng)相關(guān)系數(shù)在容許值內(nèi)時，W下列公式算出PPG信號：
[0014] PPG 信號=S1+S2+S3
[0015] 若否，W下列公式計算若干信號及相關(guān)系數(shù)： 陽016] PPG 信號=(1-Ri2) (S1+S2) + (1-R23) (S2+S3) + (l-Rsi) (S1+S3)
[0017] 接著獲得PPG信號后進行快速傅立葉變換W及屯、律估算與檢測。
[0018] 進一步，生物信號量測系統(tǒng)包括一重力傳感器，用W感測震動后產(chǎn)生一運動信號 并傳送至處理器模塊，處理器模塊處理PPG信號W使振幅接近運動信號的振幅，之后處理 PPG信號與運動信號W產(chǎn)生一運動化后的PPG信號。
[0019] 進一步，生物信號量測系統(tǒng)其中所述處理器模塊與若干光傳感器之間設(shè)置一模擬 前端傳感器。
[0020] 進一步，生物信號量測系統(tǒng)包括一快閃儲存器及一無線通信模塊，快閃儲存器執(zhí) 行儲存處理器模塊所運算的屯、律信息，無線通信模塊執(zhí)行處理器模塊與其他電子設(shè)備的溝 通。
[0021] 一種生物信號量測耳機，包括一耳機殼；一入耳部，設(shè)置于耳機殼的一側(cè)；一能夠 透光的耳塞，設(shè)置于入耳部的自由端；若干光源，設(shè)置于入耳部，其光線分別于入耳部的徑 向上W不同角度穿過耳塞；若干光傳感器，設(shè)置于入耳部，分別接收若干光源W產(chǎn)生若干信 號；一處理器模塊，設(shè)置于耳機殼，接收若干信號并計算各信號之間的相關(guān)系數(shù)W結(jié)合成單 一 PPG信號；其中，各信號之間的相關(guān)系數(shù)為：
[0022]
[0023] Ryy為每兩個信號為一組的相關(guān)系數(shù)，其中X及y分別為對應(yīng)感測信號的信號值； 若所有相關(guān)系數(shù)Ryy在一容許值內(nèi)時，將所有感測信號相加成為一PPG信號，若否，W下列公 式計算若干信號X、y及相關(guān)系數(shù)把yW產(chǎn)生各組所得信號S yy:
[0024] S巧=(1-Rxy) (x+y)
[0025] 接著在將各組所得信號Syy相加產(chǎn)生PPG信號。
[00%] 且進一步，所述光傳感器設(shè)置為Ξ個，平均分布于入耳部表面上，并沿著入耳部徑 向間隔120度。
[0027] 一種生物信號量測方法，包括：
[0028] (1)獲取若干光感測信號，并對若干信號分別進行高通濾波、低通濾波、直流濾波 和一般化；
[0029] (2) W兩兩一組的組合方式分別計算若干信號W產(chǎn)生相關(guān)系數(shù)，公式為：
[0030]
[0031] 其中，Rxy為每兩個信號為一組的相關(guān)系數(shù)，其中X及y分別為對應(yīng)感測信號的信 號值；
[0032] (3)若所有相關(guān)系數(shù)Rxy在一容許值內(nèi)時，將所有感測信號相加成為一 PPG信號， 若否，W下列公式計算若干信號X、y及相關(guān)系數(shù)把yW產(chǎn)生各組所得信號S yy: 陽03引 Sxy= (1-Rxy) (x+y)
[0034] 接著在將各組所得信號Syy相加產(chǎn)生一 PPG信號。
[0035] 綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的生物信號量測系統(tǒng)、方法及耳機利于在運動 過程中量測，克服了光噪所造成的誤差，提高了動態(tài)生物信號量測的準(zhǔn)確度。
【附圖說明】
[0036] 圖1是本發(fā)明生物信號量測系統(tǒng)的電路方塊圖。
[0037] 圖2是本發(fā)明生物信號量測方法的步驟流程圖。
[0038] 圖3是本發(fā)明的原始感測信號示意圖。
[0039] 圖4是本發(fā)明的原始感測信號經(jīng)高通濾波后的信號示意圖。
[0040] 圖5是本發(fā)明經(jīng)高通濾波后的感測信號再經(jīng)低通濾波后的信號示意圖。
[0041] 圖6是本發(fā)明經(jīng)低通濾波后的感測信號再經(jīng)直流濾波后的信號示意圖。
[0042] 圖7是本發(fā)明生物信號量測方法的詳細步驟流程圖。
[0043] 圖8是本發(fā)明生物信號量測耳機的立體圖。
[0044] 圖9是本發(fā)明生物信號量測耳機的立體分解圖。 W45] 圖中各附圖標(biāo)記說明如下。
[0046] 生物信號量測系統(tǒng) 1 光源 10
[0047] 光傳感器 11 處理器模塊 12
[0048] 重力傳感器 13 模擬前端感測器 14
[0049] 快閃儲存器 15 無線通信模塊 16
[0050] 生物信號量測耳機 2 耳機殼 21
[0051] 入耳部 22 耳塞 221
[0052] 光源 23 光傳感器 24
[0053] 第一感測信號 S1 第二感測信號 S2
[0054] 第立感測信號 S3。
【具體實施方式】
[0055] 為詳細說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所達成目的及功效，W下茲舉例并配合 附圖詳予說明。
[0056] 本發(fā)明公開一種生物信號量測系統(tǒng)、方法及耳機，是根據(jù)多組信號的相關(guān)系數(shù)W 結(jié)合成單一 PPG信號，借此提高生物信號量測的準(zhǔn)確度。
[0057] 請參閱圖1，生物信號量測系統(tǒng)1包括若干光源10、若干光傳感器11及一處理器 模塊12。
[005引若干光源10用W分別向受測者皮膚表層照射，且分別照射不同區(qū)塊，使光源穿透 皮膚后由組織內(nèi)部向外反射，再分別透過若干光傳感器11由皮膚的不同區(qū)塊接收內(nèi)部向 外反射的光源并轉(zhuǎn)換成若干信號，借此取得皮膚不同區(qū)塊的感測信號，處理器模塊12接收 若干信號并處理若干信號后產(chǎn)生一屯、律值。
[0059] 請參閱圖2至圖6,具體的，接收到的若干信號之間因感測部位不同，W及感測過 程中的光噪影響，會產(chǎn)生光源接收的差異，因此，通過比較各信號的相關(guān)系數(shù)能夠了解各部 位受光噪影響的差異。
[0060] 本發(fā)明生物信號量測方法如下：當(dāng)接收到各感測信號時，將會先進行噪聲消除， 噪聲消除包括對感測信號進行高通濾波，接著對信號進行低通濾波，再來進行直流濾波， 之后分別降低取樣頻率值own Sampling),然后將各感測信號一般化（Normalize PPG Ampli化de)，使得振幅與能量大小接近，振幅能量大小接近的信號經(jīng)由相關(guān)系數(shù)的判斷W 結(jié)合成一 PPG信號，并將所獲得的PPG信號進行快速傅立葉變換，W將信號從時域轉(zhuǎn)為頻 域，再將PPG信號參數(shù)經(jīng)過屯、律估算與檢測求得屯、率值。
[0061] 相關(guān)系數(shù)的判斷與若干信號的結(jié)合方法如下：首先，W下列相關(guān)系數(shù)公式計算若 干信號：
[0062]
[0063] 其中，Rxy為每兩個信號為一組的相關(guān)系數(shù)，其中X及y分別為對應(yīng)感測信號的信 號值。
[0064] 若所有相關(guān)系數(shù)Ryy在一容許值內(nèi)時，例如所有相關(guān)系數(shù)Ryy大于或等于容許值時， 將所有感測信號相加成為一 PPG信號，若否，W下列公式計算若干信號X、y及相關(guān)系數(shù)Ryy W產(chǎn)生各組所得信號Syy: W65] Sxy= (1-Rxy) (x+y)
[0066] 接著在將全部所得信號Syy相加獲得一 PPG信號，其中，S yy為每兩個信號組合后的 信號。
[0067] 請再參閱圖1，進一步，所述生物信號量測系統(tǒng)1包括一重力傳感器13,感測震動 用W獲得一運動信號并傳送至處理器模塊12,并用W執(zhí)行運動信號與PPG信號的一般化 (normalize),其是因為PPG信號與運動信號的能量相差太多的話會造成屯、律量測的誤差， 故為了使能量接近，執(zhí)行與運動信號一般化W后能夠得到運動化后的PPG信號，使PPG信號 與運動信號的振幅大小接近，提高屯、律估算與檢測的準(zhǔn)確度。
[0068] 進一步，處理器模塊12與若干光傳感器11之間設(shè)置一模擬前端傳感器14,用W接 收若干光傳感器11的感測信號，將偵測到的信號放大，并從模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
[0069] 進一步，生物信號量測系統(tǒng)1包括一快閃儲存器15及一無線通信模塊16,快閃儲 存器15執(zhí)行儲存處理器模塊12所運算的屯、律信息，無線通信模塊16執(zhí)行處理器模塊12 與其他電子設(shè)備的溝通。
[0070] 作為進一步的改進，若干光傳感器11包括第一光傳感器用W輸入第一感測信號 S1、第二光傳感器用W輸入第二感測信號S2及第Ξ光傳感器用W輸入第Ξ感測信號S3,經(jīng) 噪聲消除后，執(zhí)行運算各信號間兩兩組合的相關(guān)系數(shù)能夠得到相關(guān)系數(shù)Ri2、R23及R 31，其中 Ri2為第一感測信號S1和第二感測信號S2的相關(guān)系數(shù)、R 23為第二感測信號S2和第Ξ感測 信號S3的相關(guān)系數(shù)、R31為第Ξ感測信號S3和第一感測信號S1的相關(guān)系數(shù)，運算出相關(guān)系 數(shù)后，設(shè)定當(dāng)相關(guān)系數(shù)在容許值內(nèi)時，例如所有相關(guān)系數(shù)均大于或等于0. 4時，W下列公式 算出PPG信號，即將若干信號相加成為PPG信號：
[0071] PPG 信號=S1+S2+S3
[0072] 若所有相關(guān)系數(shù)有一非大于或等于0. 4時，W下列公式計算若干信號及相關(guān)系 數(shù)：
[0073] PPG 信號=(1-Ri2) (S1+S2) + (1-R23) (S2+S3) + (l-Rsi) (S1+S3)
[0074] 接著獲得PPG信號后進行快速傅立葉變換W及屯、律估算與檢測。
[00巧]請參閱圖7,一種生物信號量測方法的詳細步驟流程圖，包括如下步驟：
[0076] (1)獲取若干光感測信號，并對若干信號分別進行高通濾波、低通濾波、直流濾波 和一般化；
[0077] (2) W兩兩一組的組合方式分別計算若干信號W產(chǎn)生相關(guān)系數(shù)，公式為：
[0078]
[0079] 其中，Rxy為每兩個信號為一組的相關(guān)系數(shù)，其中X及y分別為對應(yīng)感測信號的信 號值；
[0080] (3)若所有相關(guān)系數(shù)Rxy在一容許值內(nèi)時，將所有感測信號相加成為一 PPG信號， 若否，W下列公式計算若干信號X、y及相關(guān)系數(shù)把yW產(chǎn)生各組所得信號S yy: 陽0 川 Sxy=(l-Rxy)(X+y)
[0082] 接著在將各組所得信號Sxy相加產(chǎn)生一 PPG信號。
[0083] (4)執(zhí)行將PPG信號進行快速傅立葉變換W估算屯、律求得屯、率值。
[0084] 請參閱圖8及圖9, 一種生物信號量測耳機2,其包括一耳機殼21、一入耳部22、若 干光源23、若干光傳感器24及能夠透光的耳塞221。其中，入耳部22設(shè)置于耳機殼的一側(cè) 21，被設(shè)置成可W伸入受測者耳道，耳塞221設(shè)置于入耳部22自由端。若干光源23設(shè)置于 入耳部22,其光線分別W不同角度穿過耳塞221。若干光傳感器24設(shè)置于入耳部22,分別 接收入耳部22內(nèi)不同皮膚部位所向外反射的若干光源23 W產(chǎn)生若干信號。處理器模塊12 設(shè)置于耳機殼21，接收若干信號后對若干信號分別進行高通濾波、低通濾波、直流濾波和一 般化并計算各信號之間的相關(guān)系數(shù)W結(jié)合成單一 PPG信號，最后，將PPG信號快速傅立葉變 換后W估算屯、律。
[00化]所述生物信號量測耳機2的耳塞221能夠選擇為能夠透光的硅膠材質(zhì)。
[0086] 且進一步說明，當(dāng)生物信號量測耳機2晃動時，為了能比較耳道內(nèi)光噪影響的程 度，若干光傳感器24設(shè)置為平均分布于入耳部22表面上，例如光傳感器24設(shè)置為Ξ個，其 沿著入耳部22徑向間隔120度，當(dāng)生物信號量測耳機2向上晃動時，位在上方的光傳感器 24則較靠近耳道皮膚，接收的光噪則較弱，而兩組位在下方的光傳感器24,因遠離皮膚，接 收的光噪較強；反之，當(dāng)耳機向下晃動時，位在下方的光傳感器24接收的光噪則較弱，位在 上方的光傳感器24接收的光噪較強，借此，所述Ξ個光傳感器24的相關(guān)系數(shù)可W反應(yīng)出光 噪影響的程度。
[0087] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的生物信號量測系統(tǒng)、方法及耳機利于在運動過程中量 巧。，克服了光噪所造成的誤差，提高了動態(tài)生物信號量測的準(zhǔn)確度。
[0088] 綜上所述，本發(fā)明符合發(fā)明專利要件，愛依法提出專利申請。但是，W上所述僅為 本發(fā)明的較佳可行實施方式，非因此即局限本發(fā)明的專利范圍，故舉凡運用本發(fā)明說明書 及附圖內(nèi)容所為的等效結(jié)構(gòu)變化，均同理皆包含于本發(fā)明的范圍內(nèi)，合予陳明。
【主權(quán)項】
1. 一種生物信號量測系統(tǒng)，其特征在于：包括：若干光源，分別向受測者皮膚表層內(nèi)照 射；若干光傳感器，分別接收由皮膚內(nèi)向外反射的若干光源并轉(zhuǎn)換成若干信號；一處理器 模塊，接收若干信號并計算各信號之間的相關(guān)系數(shù)以結(jié)合成單一 PPG信號，所述相關(guān)系數(shù) 的i+笪公忒為.Rxy為每兩個信號為一組的相關(guān)系數(shù)，其中X及y分別為對應(yīng)感測信號的信號值；若所 有相關(guān)系數(shù)Rxy在一容許值內(nèi)時，將所有感測信號相加成為一 PPG信號，若否，以下列公式計 算若干信號X、y及相關(guān)系數(shù)Rxy以產(chǎn)生各組所得信號S xy: Sxy= (I-Rxy) (x+y) 接著將各組所得信號Sxy相加產(chǎn)生PPG信號。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物信號量測系統(tǒng)，其特征在于：PPG信號經(jīng)過快速傅立葉變 換之后進行心律估算與檢測。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物信號量測系統(tǒng)，其特征在于：所述若干光傳感器包括第 一光傳感器用以輸入第一感測信號S1、第二光傳感器用以輸入第二感測信號S2及第三光 傳感器用以輸入第三感測信號S3,經(jīng)噪聲消除后，執(zhí)行運算各信號間兩兩的相關(guān)系數(shù)能夠 得到相關(guān)系數(shù)R 12、R23及R31，運算出相關(guān)系數(shù)后，設(shè)定當(dāng)相關(guān)系數(shù)在容許值內(nèi)時，以下列公式 算出PPG信號： PPG 信號=S1+S2+S3 若否，以下列公式計算若干信號及相關(guān)系數(shù)： PPG 信號=(I-R12) (S1+S2) +(I-R23) (S2+S3) +(I-R31) (S1+S3)接著獲得 PPG 信號后進行 快速傅立葉變換以及心律估算與檢測。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物信號量測系統(tǒng)，其特征在于：進一步包括一重力傳感器， 用以感測震動后產(chǎn)生一運動信號并傳送至處理器模塊，處理器模塊處理PPG信號以使振幅 接近運動信號的振幅，之后處PPG信號與運動信號以產(chǎn)生一運動化后的PPG信號。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物信號量測系統(tǒng)，其特征在于：所述處理器模塊與若干光 傳感器之間設(shè)置一模擬前端傳感器。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物信號量測系統(tǒng)，其特征在于：進一步包括一快閃儲存器 及一無線通信模塊，快閃儲存器執(zhí)行儲存處理器模塊所運算的心律信息，無線通信模塊執(zhí) 行處理器模塊與其他電子設(shè)備的溝通。7. -種生物信號量測耳機，其特征在于：包括：一耳機殼；一入耳部，設(shè)置于耳機殼的 一側(cè)；一能夠透光的耳塞，設(shè)置于入耳部的自由端；若干光源，設(shè)置于入耳部，其光線分別 于入耳部的徑向上以不同角度穿過耳塞；若干光傳感器，設(shè)置于入耳部，分別接收若干光源 以產(chǎn)生若干信號；一處理器模塊，設(shè)置于耳機殼，接收若干信號并計算各信號之間的相關(guān)系 數(shù)以結(jié)合成單一 PPG信號：其中，各信號之間的相關(guān)系數(shù)為： Rxy為每兩個信號為一組的相關(guān)系數(shù)，其中X及y分別為對應(yīng)感測信號的信號值；若所 有相關(guān)系數(shù)Rxy在一容許值內(nèi)時，將所有感測信號相加成為一 PPG信號，若否，以下列公式計 算若干信號X、y及相關(guān)系數(shù)Rxy以產(chǎn)生各組所得信號S xy: Sxy= (I-Rxy) (x+y) 接著在將各組所得信號Sxy相加產(chǎn)生PPG信號。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的生物信號量測系統(tǒng)，其特征在于：進一步包括一重力傳感器， 用以感測震動獲得一運動信號并傳送至處理器模塊，處理器模塊處PPG信號以使振幅接近 運動信號的振幅，之后處理PPG信號與運動信號以產(chǎn)生一運動化后的PPG信號。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的生物信號量測系統(tǒng)，其特征在于：所述光傳感器設(shè)置為三個， 平均分布于入耳部表面上，其沿著入耳部徑向間隔120度。10. -種生物信號量測方法，其特征在于：包括， (1) 獲取若干光感測信號，并對若干信號分別進行高通濾波、低通濾波、直流濾波和一 般化； (2) 以兩兩一組的組合方式分別計算若干信號以產(chǎn)生相關(guān)系數(shù)，公式為：其中，Rxy為每兩個信號為一組的相關(guān)系數(shù)，其中X及y分別為對應(yīng)感測信號的信號值； (3) 若所有相關(guān)系數(shù)Rxy在一容許值內(nèi)時，將所有感測信號相加成為一 PPG信號，若否， 以下列公式計算若干信號X、y及相關(guān)系數(shù)Rxy以產(chǎn)生各組所得信號S xy: Sxy= (I-Rxy) (x+y) 接著在將各組所得信號Sxy相加產(chǎn)生一 PPG信號。
【文檔編號】A61B5/0245GK105877729SQ201410751316
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月5日
【發(fā)明人】李政, 吳國揚, 許文彬, 鐘享陵
【申請人】富港電子(昆山)有限公司, 正崴精密工業(yè)股份有限公司