一種能檢測心率的耳的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種能檢測心率的耳機。該耳機包括：減法單元、心率檢測單元、加速度傳感器、自適應濾波單元、設置在耳機內(nèi)的腔體和安裝在所述腔體內(nèi)的麥克風；麥克風在耳機被佩戴時采集腔體內(nèi)的由壓力變化產(chǎn)生的信號；加速度傳感器采集由于佩戴者的身體運動所產(chǎn)生的信號；自適應濾波單元對所述加速度傳感器采集到的信號進行自適應濾波處理，得到由佩戴者的身體運動所產(chǎn)生的信號的估計信號；減法單元從麥克風采集到的信號中減去該估計信號，得到心率相關的信號；心率檢測單元根據(jù)心率相關的信號進行心率檢測。本實用新型的技術方案，減小了外界噪聲的干擾，并強化了麥克風采集到的信號信息，此外，還消除了佩戴者的身體運動對心率檢測的影響。
【專利說明】一種能檢測心率的耳機
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及耳機及心率檢測【技術領域】，特別涉及一種能檢測心率的耳機。
【背景技術】
[0002] 隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們的物質生活水平日漸提高，人們也越來越關注自 己的健康。而心率檢測將給人們提供關于健康的非常重要的信息。任何不同于正常心率 的顯示都表明健康出現(xiàn)了問題，通過心率檢測可以及時發(fā)現(xiàn)我們的身體是否出現(xiàn)了問題。 心率檢測還可以在一定程度上反映人們的運動強度是否合適，為了能夠得到最佳的鍛煉效 果，人們在鍛煉的過程中應該將心率保持在一定的范圍內(nèi)，而心率檢測可以為合理的運動 量提供一個指標。
[0003] 另外，很多人在運動的過程中，喜歡帶著耳機聽音樂，為了能夠測得運動過程中的 心率，又不需要隨身攜帶其他設備，人們開始研究如何利用耳機來檢測心率的相關技術。
[0004] 檢測心率的技術，除了心率帶之外，現(xiàn)在又新興一種利用耳機來檢測心率的技術， 達到便捷準確的目的。
[0005] 利用耳機來檢測心率的技術是近幾年才出現(xiàn)的。2013年10月23日至25日，日本 橫濱健康器械展上，Kaiteki公司和Bifrostec公司展出了一種可以用耳機測定脈搏波動 的技術。該技術利用耳機緊貼耳道形成封閉空間，由于耳膜的振動，耳道內(nèi)會產(chǎn)生一定的壓 力，并且壓力隨著振動的改變而改變，利用麥克風采集耳道內(nèi)壓力的變化信息，從而達到檢 測心率的目的。但是耳機不能占據(jù)整個耳道，那么會造成耳道內(nèi)氣體的泄露，從而使得麥克 風檢測不到壓力的變化，并且心率的檢測會受到外界噪聲的干擾。
[0006] 利用耳機檢測心率，除了存在上述問題外，還有一個重要因素，影響著對心率的準 確檢測，即人的身體運動。由于人的身體運動必然會引起耳壁的振動，這種振動同樣會造成 耳道內(nèi)壓力的變化，這種壓力變化同時會被麥克風采集到，從而干擾了對心率信號的分析。 實用新型內(nèi)容
[0007] 有鑒于此，本實用新型提供了一種能檢測心率的耳機，以解決上述問題或者至少 部分地解決上述問題。
[0008] 本實用新型公開了一種能檢測心率的耳機，該耳機包括：減法單元、心率檢測單 元、加速度傳感器、自適應濾波單元、設置在耳機內(nèi)的腔體和安裝在所述腔體內(nèi)的麥克風；
[0009] 其中，所述腔體的口與耳機殼貼合的位置是，耳機被佩戴時與人耳的耳廓貼合的 耳機殼的位置；所述腔體的口所貼合的耳機殼處有開孔，當耳機被佩戴時所述腔體和與所 述開孔貼合的耳廓構成密閉空間；
[0010] 所述麥克風，用于當耳機被佩戴時，采集所述腔體內(nèi)的由壓力變化產(chǎn)生的信號并 輸出給減法單元；
[0011] 所述加速度傳感器，用于當耳機被佩戴時，采集由于佩戴者的身體運動所產(chǎn)生的 信號并輸出給所述自適應濾波單元；
[0012] 所述自適應濾波單元，用于根據(jù)心率相關信號對所述加速度傳感器采集到的信號 進行自適應濾波處理，得到麥克風采集到的信號中的由于佩戴者的身體運動所產(chǎn)生的信號 的估計信號后輸出給所述減法單元；
[0013] 所述減法單元，用于從麥克風采集到的信號中減去所述估計信號，得到心率相關 的信號輸出給所述心率檢測單元以及所述自適應濾波單元；
[0014] 所述心率檢測單元，用于根據(jù)所述心率相關的信號進行心率檢測。
[0015] 可選地，該耳機進一步包括：低通濾波器，用于對所述麥克風采集到的信號進行低 通濾波處理，得到低通濾波信號并輸出給所述減法單元；
[0016] 所述減法單元，用于從所述低通濾波信號中減去所述估計信號，得到心率相關的 信號輸出給所述心率檢測單元。
[0017] 可選地，所述自適應濾波單元包括：參數(shù)可調濾波器和參數(shù)自適應調整單元；
[0018] 所述加速度傳感器，用于將采集到的信號輸出給所述參數(shù)可調濾波器和所述參數(shù) 自適應調整單元；
[0019] 所述減法單元，用于將所述心率相關信號輸出給所述參數(shù)自適應調整單元；
[0020] 所述參數(shù)自適應調整單元，用于根據(jù)加速度傳感器采集到的信號、心率相關信號 以及預設的自適應算法去調整所述參數(shù)可調濾波器的濾波參數(shù)；
[0021] 所述參數(shù)可調濾波器，用于利用濾波參數(shù)對加速度傳感器采集的信號進行自適應 濾波，輸出麥克風采集到的信號中的由于佩戴者的身體運動所產(chǎn)生的信號的估計信號給所 述減法單元。
[0022] 可選地，所述心率檢測單元，用于對所述心率相關的信號的周期進行檢測，由檢測 出的信號的周期的倒數(shù)得到心率。
[0023] 可選地，所述加速度傳感器設置在耳機中的不接觸佩戴者皮膚的位置。
[0024] 由上述可見，本實用新型這種耳機，采用了由耳機內(nèi)的腔體和耳機殼構成的密閉 腔體來安置麥克風，減小了外界噪聲的干擾，并強化了麥克風采集到的信號信息。此外，該 耳機中加入了加速度傳感器來采集由佩戴者的身體運動產(chǎn)生的信號，對加速度傳感器采集 的信號進行自適應濾波，從麥克風采集的信號中減去自適應濾波后的加速度傳感器信號， 再進行心率檢測，從而消除了 了佩戴者的身體運動對心率檢測的影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1為本實用新型實施例中的一種能檢測心率的耳機的結構示意圖；
[0026] 圖2A是本實用新型一個實施例中的設置有腔體110的耳機100的側面示意圖；
[0027] 圖2B是本實用新型一個實施例中的設置有腔體110的耳機100背面示意圖；
[0028] 圖2C是本實用新型一個實施例中的設置有腔體110的耳機100的側面剖視圖；
[0029] 圖3是本實用新型一個實施例中的加速度傳感器的安放位置的示意圖；
[0030] 圖4為本實用新型又一個實施例中的一種能檢測心率的耳機的結構示意圖；
[0031] 圖5是自適應濾波器的一般結構示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新 型實施方式作進一步地詳細描述。
[0033] 圖1為本實用新型實施例中的一種能檢測心率的耳機的結構示意圖。如圖1所示， 該能檢測心率的耳機1〇〇包括：減法單元150、心率檢測單元160、加速度傳感器130、自適 應濾波單元140、設置在耳機內(nèi)的腔體110和安裝在腔體110內(nèi)的麥克風120 ;
[0034]其中，腔體110的口與耳機殼貼合的位置是，耳機被佩戴時與人耳的耳廓貼合的 耳機殼的位置；腔體110的口所貼合的耳機殼處有開孔，當耳機被佩戴時腔體和與開孔貼 合的耳廓構成密閉空間。
[0035] 麥克風120,用于當耳機100被佩戴時，采集腔體110內(nèi)的由壓力變化產(chǎn)生的信號 并輸出給減法單元150。
[0036] 加速度傳感器130,用于當耳機被佩戴時，采集由于佩戴者的身體運動所產(chǎn)生的信 號并輸出給自適應濾波單元140。
[0037]自適應濾波單元140,用于根據(jù)心率相關信號對加速度傳感器130采集到的信號 進行自適應濾波處理，得到麥克風120采集到的信號中的由于佩戴者的身體運動所產(chǎn)生的 信號的估計信號后輸出給減法單元150。
[0038] 減法單元150,用于從麥克風采集到的信號中減去自適應濾波單元140輸出的估 計信號，得到心率相關的信號輸出給心率檢測單元160以及自適應濾波單元140。
[0039] 心率檢測單元160,用于根據(jù)心率相關的信號進行心率檢測。
[0040]圖1中對加速度傳感器130檢測到的信號進行自適應濾波處理，使得能從加速度 傳感器130采集到的人體運動信號準確地估計出麥克風120采集到的人體運動信號，其目 的是消除由于人的身體運動對心率檢測的影響。麥克風120和加速度傳感器130都會檢測 到由于人的身體運動所產(chǎn)生的振動信號，雖然兩種信號周期一致，但幅度會有差異，因此需 要采用濾波器消除這種差異，使得能夠將人體運動產(chǎn)生的加速度信號從麥克風采集到的信 號中消除，以獲得有效的心率信息。
[0041]圖1所示的能檢測心率的耳機100中，在耳機100內(nèi)設置腔體110來安置麥克風 120,從而減小了外界噪聲的干擾，并強化了麥克風120采集到的信號信息。此外，該能檢測 心率的耳機100中加入了加速度傳感器130來采集由佩戴者的身體運動產(chǎn)生的信號，對加 速度傳感器130采集的信號進行自適應濾波，得到麥克風120采集到的信號中的由于佩戴 者的身體運動所產(chǎn)生的信號的估計信號，再從麥克風采集的信號中減去該估計信號，再進 行心率檢測，從而消除了佩戴者的身體運動對心率檢測的影響。
[0042] 在本實用新型的一個實施例中，圖1所示的耳機進一步包括低通濾波器，用于對 麥克風采集到的信號進行低通濾波處理，得到低通濾波信號后再輸出給減法單元150。即減 法單元150,用于從低通濾波信號中減去自適應濾波單元140輸出的估計信號，得到心率相 關的信號輸出給心率檢測單元160。這是因為脈搏振動的頻率較低（0.3Hz-3Hz左右），而 外界噪聲頻率較高，根據(jù)這一特點，通過低通濾波器可以消除外界高頻噪聲的影響。例如， 低通濾波器可以選擇截止頻率為5Hz的FIR濾波器等。
[0043] 在現(xiàn)有的耳機檢測心率的技術中，通常麥克風直接放置在耳機中正對耳道的位 置，用于采集耳膜振動產(chǎn)生的耳腔內(nèi)壓力變化信息，但一方面由于耳機和耳道形成的空間 較大，會造成耳道內(nèi)氣體的泄露，使得麥克風采集的壓力變化信息很微弱，另一方面耳機往 往不能占據(jù)整個耳道，直接將麥克風放在耳機中，會受到外界噪聲的干擾。因此本實用新型 的圖1所示耳機中設計了另外一種麥克風的安裝方式，具體可以參見圖2A-2C。
[0044] 圖2A是本實用新型一個實施例中的設置有腔體110的耳機100的側面示意圖。 如2B是本實用新型一個實施例中的設置有腔體110的耳機100背面示意圖。圖2C是本實 用新型一個實施例中的設置有腔體110的耳機100的側面剖視圖。為了更好地采集和心跳 相關的有用信號，本實用新型設計了一種小腔體用于放置麥克風。參見圖2A和圖2B，圖中 虛線所示的范圍是內(nèi)部腔體110的位置的示意。參見圖2C腔體110的開口和耳機殼貼合。 可以看出，在該實施例中，腔體110位于耳機邊緣貼近耳廓的部位，耳機在其和腔體貼合的 部位有個開孔111，在耳機被佩戴時，這個開孔111和耳廓緊密貼合，這樣，腔體110和貼緊 的耳廓部分構成一個密閉的空間。將麥克風安裝在該腔體110中，耳廓壁的收縮振動會引 起腔體110內(nèi)壓力的變化，那么麥克風就會采集到腔體110內(nèi)壓力的變化信息，該信息在一 定程度上反映了心臟的跳動頻率，因此可以據(jù)此進行心率檢測。
[0045] 圖3是本實用新型一個實施例中的加速度傳感器的安放位置的示意圖。由于人體 的運動會使人體的皮膚隨之發(fā)生振動，本實施例中加速度傳感器設置在耳機中的不接觸佩 戴者皮膚的位置，從而避免皮膚振動對加速度傳感器采集的信號造成影響，提高加速度傳 感器采集信號的準確度。參見圖3，加速度傳感器130可以放置在圖3所示虛線框示意出的 耳機的任何一個部位。
[0046] 在物理學中，對于密閉的空間（不考慮溫度），壓強和體積成反比，也就是說體積 越小壓強越大，那么作用在一定面積上的壓力也越大。當用戶帶上耳機后，耳道內(nèi)形成一個 密閉的空間，由于血管的脈壓波動導致耳壁收縮，那么在腔體內(nèi)會產(chǎn)生一定的壓力變化，該 壓力變化信號就會被麥克風檢測到。一般來說血管的脈壓波動非常微弱，密閉的空間越大， 那么麥克風檢測到的壓力變化越小，為了增加麥克風檢測到的壓力變化強度，將麥克風裝 置在一個密閉的小腔體內(nèi)，將該部分緊貼耳道，由于血管的脈壓波動導致耳壁產(chǎn)生收縮振 動，此振動造成小腔體內(nèi)的麥克風檢測到壓力的變化。并且小腔體的設計在一定程度上會 減小外界干擾信號的影響。
[0047] 即使耳機能夠占據(jù)整個耳道，形成完全封閉的腔體，人的身體運動對心率檢測的 影響也是不可避免的。因為，人的身體運動必然會導致耳壁的振動，而這種振動產(chǎn)生的腔體 內(nèi)的壓力變化同樣會被麥克風檢測到。那么，麥克風采集到的數(shù)據(jù)不僅包括了由于血管的 脈壓波動產(chǎn)生的壓力變化信息，同時包括了人的身體運動在耳道內(nèi)產(chǎn)生的壓力變化信息。 為了消除人的身體運動對心率檢測的影響，本實用新型在耳機中加入加速度傳感器，加速 度傳感器裝置在耳機中不接觸皮膚的部位，比如圖3中所示的虛線框所示的耳機位置。利 用加速度傳感器采集人的身體運動所產(chǎn)生的加速度信息。人的身體運動所產(chǎn)生的耳道內(nèi)壓 力的變化信息和加速度具有相同的振動頻率，以此為基礎可以采用一定的濾波器消除人的 身體運動所產(chǎn)生的干擾。
[0048]根據(jù)前面的分析，如果能從麥克風檢測到的信號中濾除由于人的身體運動所產(chǎn)生 的信號，那么就可以得到由于血液流動造成耳道自身收縮產(chǎn)生的信號，此信號和心臟跳動 頻率有關，基于此信號得到心率信息。
[0049]麥克風采集到包括人的身體運動所引起的耳道壓力變化信息，加速度傳感器采集 到的是人的身體運動對應的加速度信息。雖然兩種信號具有一樣的振動頻率，即周期性相 同，但是幅度會不同，不能直接將該信號從麥克風采集到的信號中去掉，因此本實施例通過 自適應濾波的方法來濾除由于人的身體運動所產(chǎn)生的干擾。
[0050] 綜上所述，本發(fā)明實施例中：首先，采用體積較小的密閉腔體來安置麥克風，減小 了外界噪聲干擾，并強化了麥克風檢測到的信號信息。其次，在耳機中加入了加速度傳感 器，用于采集由于人的身體運動產(chǎn)生的信號，并通過設計自適應濾波器來消除人的身體運 動對心率檢測的影響。再者，根據(jù)脈搏振動頻率的特點，設計了低通濾波器，進一步減小了 外界噪聲的影響。下面以圖4為例進行進一步的說明。
[0051] 圖4為本實用新型又一個實施例中的一種能檢測心率的耳機的結構示意圖。如圖 4所示，該能檢測心率的耳機400包括：減法單元450、心率檢測單元460、低通濾波器470、 加速度傳感器430、自適應濾波單元440、設置在耳機內(nèi)的腔體410和安裝在腔體410內(nèi)的 麥克風420。其中，自適應濾波單元440包括：參數(shù)可調濾波器441和參數(shù)自適應調整單元 442。
[0052] 其中，腔體410的口與耳機殼貼合的位置是，耳機被佩戴時與人耳的耳廓貼合的 耳機殼的位置；腔體410的口所貼合的耳機殼處有開孔，當耳機被佩戴時腔體和與開孔貼 合的耳廓構成密閉空間。
[0053] 麥克風420,用于當耳機400被佩戴時，采集腔體410內(nèi)的由壓力變化產(chǎn)生的信號 并輸出給低通濾波器470。
[0054] 低通濾波器470,用于對麥克風420采集到的信號進行低通濾波處理，得到低通濾 波信號后再輸出給減法單元450。
[0055] 加速度傳感器430,用于當耳機被佩戴時，采集由于佩戴者的身體運動所產(chǎn)生的信 號并輸出給自適應濾波單元440中的參數(shù)可調濾波器441和參數(shù)自適應調整單元442。
[0056] 參數(shù)自適應調整單元442,用于根據(jù)加速度傳感器430采集到的信號、心率相關信 號以及預設的自適應算法去調整參數(shù)可調濾波器441的濾波參數(shù)。
[0057] 參數(shù)可調濾波器441，用于利用濾波參數(shù)對加速度傳感器430采集的信號進行自 適應濾波，輸出麥克風采420集到的信號中的由于佩戴者的身體運動所產(chǎn)生的信號的估計 信號給減法單元450。
[0058] 減法單元450,用于從低通濾波器輸出的信號中減去參數(shù)可調濾波器441輸出的 估計信號，得到心率相關的信號輸出給心率檢測單元460 ;減法單元450,還用于將心率相 關信號輸出給參數(shù)自適應調整單元442。
[0059] 這里參數(shù)自適應調整單元442根據(jù)輸入的加速度傳感器430采集的信號以及減法 單元450反饋的心率相關信號，采用自適應算法計算出參數(shù)可調濾波器441的濾波參數(shù)。
[0060] 心率檢測單元460,用于根據(jù)心率相關的信號進行心率檢測。
[0061] 在本實用新型的一個實施例中，心率檢測單元460,用于對心率相關的信號的周期 進行檢測，由檢測出的信號的周期的倒數(shù)得到心率。例如，心率檢測單元460,可以利用現(xiàn)有 的自相關方法、閾值方法等檢測出心率相關的信號的周期。
[0062] 圖5是自適應濾波器的一般結構示意圖。如圖5所示，自適應濾波器主要由參數(shù) 可調濾波器和調整濾波器系數(shù)的參數(shù)自適應調整單元兩部分構成。自適應濾波器在設計 時不需要事先知道有關信號的統(tǒng)計特性的知識，它能夠在自己的工作過程中逐漸"了解"或 估計出所需的統(tǒng)計特性，并以此為依據(jù)自動調整自己的參數(shù)，以達到最佳濾波效果。圖5 中，Ex (n)是期望信號，In (n)是輸入信號，Out (n)是輸出信號，e(n)為估計誤差，e(n)= Ex (n) - Out (n)。自適應濾波器的濾波系數(shù)受誤差信號控制，e(n)通過預定自適應算法對 自適應系數(shù)進行調整，最終使得e(n)的均方誤差最小，此時輸出信號最逼近期望信號。 [0063]在圖4所示的耳機中，采用了自適應濾波器對加速度傳感器采集到的信號進行濾 波處理，以準確估計出麥克風采集到的由于人體運動產(chǎn)生的信號。如圖4所示，yl(n)是加 速度傳感器430采集到的信號，即對應自適應濾波單元440中的輸入信號，y2(n)為自適應 濾波單元440的輸出信號，xL(n)表示對應的期望信號，&n)對應誤差信號（主要包括心率 信號）。yL(n)和yl(n)具有一定的相關性，可以通過設計合適的傳遞函數(shù)，來使得yl(n) 經(jīng)過濾波器后的輸出信號y2(n)逼近yL(n)。比如可以根據(jù)最小均方誤差準則，當誤差信號 均方的期望值最小時，輸出信號y2(n)可以用來有效估計yL(n)，那么之后就可以將人體運 動對心率檢測的干擾從麥克風采集到的信號中去除，再次去除干擾信號的影響。麥克風經(jīng) 過低通濾波后的信號減去加速度傳感器經(jīng)過自適應濾波后的信號，得到和心率相關的信號 信息,以此為基礎進行心率的檢測。心臟的跳動具有一定的周期性，那么tUn>是具有一 定周期性的信號，根據(jù)自相關方法可以獲得該信號對應的周期，周期的倒數(shù)即為心率。
[0064]具體過程如下：
[0065] 假定麥克風檢測到的信號為，加速度傳感器檢測到的信號為 yl (n)〇
【權利要求】
1. 一種能檢測心率的耳機，其特征在于，該耳機包括：減法單元、心率檢測單元、加速 度傳感器、自適應濾波單元、設置在耳機內(nèi)的腔體和安裝在所述腔體內(nèi)的麥克風； 其中，所述腔體的口與耳機殼貼合的位置是，耳機被佩戴時與人耳的耳廓貼合的耳機 殼的位置；所述腔體的口所貼合的耳機殼處有開孔，當耳機被佩戴時所述腔體和與所述開 孔貼合的耳廓構成密閉空間； 所述麥克風，用于當耳機被佩戴時，采集所述腔體內(nèi)的由壓力變化產(chǎn)生的信號并輸出 給減法單元； 所述加速度傳感器，用于當耳機被佩戴時，采集由于佩戴者的身體運動所產(chǎn)生的信號 并輸出給所述自適應濾波單元； 所述自適應濾波單元，用于根據(jù)心率相關信號對所述加速度傳感器采集到的信號進行 自適應濾波處理，得到麥克風采集到的信號中的由于佩戴者的身體運動所產(chǎn)生的信號的估 計信號后輸出給所述減法單元； 所述減法單元，用于從麥克風采集到的信號中減去所述估計信號，得到心率相關的信 號輸出給所述心率檢測單元以及所述自適應濾波單元； 所述心率檢測單元，用于根據(jù)所述心率相關的信號進行心率檢測。
2. 如權利要求1所述的耳機，其特征在于，該耳機進一步包括：低通濾波器，用于對所 述麥克風采集到的信號進行低通濾波處理，得到低通濾波信號并輸出給所述減法單元； 所述減法單元，用于從所述低通濾波信號中減去所述估計信號，得到心率相關的信號 輸出給所述心率檢測單元。
3. 如權利要求1或2所述的耳機，其特征在于，所述自適應濾波單元包括：參數(shù)可調濾 波器和參數(shù)自適應調整單元； 所述加速度傳感器，用于將采集到的信號輸出給所述參數(shù)可調濾波器和所述參數(shù)自適 應調整單元； 所述減法單元，用于將所述心率相關信號輸出給所述參數(shù)自適應調整單元； 所述參數(shù)自適應調整單元，用于根據(jù)加速度傳感器采集到的信號、心率相關信號以及 預設的自適應算法去調整所述參數(shù)可調濾波器的濾波參數(shù)； 所述參數(shù)可調濾波器，用于利用濾波參數(shù)對加速度傳感器采集的信號進行自適應濾 波，輸出麥克風采集到的信號中的由于佩戴者的身體運動所產(chǎn)生的信號的估計信號給所述 減法單元。
4. 如權利要求1或2所述的耳機，其特征在于， 所述心率檢測單元，用于對所述心率相關的信號的周期進行檢測，由檢測出的信號的 周期的倒數(shù)得到心率。
5. 如權利要求1所述的耳機，其特征在于， 所述加速度傳感器設置在耳機中的不接觸佩戴者皮膚的位置。
【文檔編號】H04R1/10GK204145698SQ201420482382
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年8月25日 優(yōu)先權日:2014年8月25日
【發(fā)明者】劉崧, 李波, 李娜 申請人:歌爾聲學股份有限公司