CN106817643A - 一种基于ecg测量的心率耳机及其心率测试方法和装置 - Google Patents

一种基于ecg测量的心率耳机及其心率测试方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种基于ECG测量的心率耳机及其心率测试方法和装置，涉及耳机技术领域，其结构包括耳机本体，耳机本体上设有左耳电极和右耳电极，耳机本体还设有加速度传感器、数据处理器和通信模块，通过利用加速度传感器配合左耳电极和右耳电极来采集骑手在骑行时的加速度和心率，通过建立骑行速度X、在骑行速度X时用三个电极测试的心率曲线和用二个电极测试的心率曲线之间的差值Z之间的对应表，在数据处理器置入该对应表供查询，从而利用二个电极测试心率数据，结合加速度传感器测试的实际骑行速度，反推利用三个电极测试的心率数据，该基于ECG测量的心率耳机可只使用两个电极，与现有技术使用三个电极相比，其结构简单，方便使用，该心率测试方法简单易实现。

Description

一种基于ECG测量的心率耳机及其心率测试方法和装置
技术领域
本发明涉及耳机技术领域，特别是涉及一种基于ECG测量的心率耳机及其心率测试方法。
背景技术
目前市面上的心率耳机大都采用PPG测量方式，PPG是通过血液血氧量变化测量的方式进行测量，如果人体剧烈的进行无氧运动，血液血氧含量将呈非线性变化，测试结果与实际的误差较大。
目前测心率的一般方法是ECG，其全称为electrocardiogram，即心电图。所谓ECG(心电图)就是指心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着心电图生物电的变化，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的图形(简称ECG)。心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标。
ECG测试一般要用三个电极，之所以至少需要三个电极，是因为第三极是一个测量基准点，否则测量的曲线会产生Y轴（心率信号）上的漂移。
但是使用三个电极的心率测试方法应用到耳机上，三个电极需有一个电极放到手臂上，使用起来不够方便。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种基于ECG测量的心率耳机及其心率测试方法，该基于ECG测量的心率耳机的结构简单、方便使用，该心率测试方法简单易实现。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
提供一种基于ECG测量的心率耳机，包括耳机本体，所述耳机本体上设有左耳电极和右耳电极，其特征在于：所述耳机本体还设有加速度传感器、数据处理器和通信模块，所述左耳电极、右耳电极和加速度传感器均将采集到的信号传输至所述数据处理器，所述数据处理器将处理后的数据通过通信模块发送出去。
其中，所述耳机本体还设有音频模块，所述音频模块与所述通信模块电连接。
其中，所述数据处理器包括MCU、数据存储模块和缓冲放大电路，所述左耳电极、右耳电极和加速度传感器均与所述缓冲放大电路的输入端电连接，所述缓冲放大电路的输出端与所述MCU的输入端电连接，所述MCU的输出端与所述通信模块电连接，所述数据存储模块与所述MCU电连接。
其中，所述通信模块包括有线通信模块和无线通信模块。
以上所述的一种基于ECG测量的心率耳机的心率测试方法，包括如下步骤：步骤一：利用加速度传感器获得实际骑行速度X1、利用两个电极获得的心率曲线A1；
步骤二：对应骑行速度X1，在预先设置好的骑行速度X和差值Z的对应表中查询得到差值Z1；
步骤三：在心率曲线A1的基础上计入所述差值Z1得出实际的心率曲线B1。
以上所述对应表的形成方法包括如下步骤：
步骤一：在骑行速度X下利用三个电极测试获得第一条心率曲线，其中两个电极用于获得心率信号，第三个电极用于测量基准点以用于修正该心率信号的偏移；
步骤二：在骑行速度X下利用两个电极测试获得第二条心率曲线；
步骤三：获得第一条心率曲线和第二条心率曲线之间的心率差值Z；
步骤四：形成骑行速度X和差值Z之间的对应表；
步骤五：将该对应表置入所述数据处理器供查询。
所述实际骑行速度X1进行预处理后再用来查询对应表，所述预处理为：利用加速度传感器获得的X、Y和Z三个轴方向的速度，先计算P==X*X+Y*Y+Z*Z，再用P值查对应表。
其中，以上方法具体是：利用缓冲放大电路将左耳电极、右耳电极和加速度传感器采集的三个信号分别进行放大。
具体的，数据处理器将所述放大后的三个信号分别转换成数字信号，结合所述对应表计算得出所述实际骑行速度X1时利用三个电极测试获得的实际的心率曲线B1。
进一步的，所述数据处理器将该实际的心率曲线B1转换成心率数字，通过通信模块发送至外部通信设备。
具体的，所述数据处理器还通过通信模块发送音频的节拍值至外部通信设备，该音频的节拍与所述心率数字的大小相对应。
本发明的有益效果：
本发明的一种基于ECG测量的心率耳机及其心率测试方法，通过利用加速度传感器配合左耳电极和右耳电极来采集骑手在骑行时的加速度和心率，通过建立骑行速度X、两个心率曲线（指在骑行速度X时用三个电极测试的心率曲线和用二个电极测试的心率曲线）之间的差值Z之间的对应表，在数据处理器置入该对应表供查询，从而利用二个电极测试心率数据，结合加速度传感器测试的实际骑行速度，来反推利用三个电极测试的心率数据，该基于ECG测量的心率耳机可只使用两个电极，与现有技术使用三个电极相比，其结构简单，方便使用，该心率测试方法简单易实现。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的一种基于ECG测量的心率耳机的结构示意图。
图2和图3是本发明的一种基于ECG测量的心率耳机的心率测试方法的示意图。
图中包括有：
A——以速度X在实验室走路时利用两个电极测得的心率曲线；
B——以速度X在实验室走路时利用三个电极测得的心率曲线；
Z——是心率曲线A和心率曲线B之间的差值；
A1——以速度X1在实验室走路时利用两个电极测得的心率曲线；
Z1——是对应表中速度X1对应的心率曲线A1和B1之间的差值。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
本实施例的一种基于ECG测量的心率耳机，包括耳机本体，所述耳机本体上设有左耳电极和右耳电极，如图1所示，所述耳机本体还设有加速度传感器、数据处理器和通信模块，所述左耳电极、右耳电极和加速度传感器均将采集到的信号传输至所述数据处理器，所述数据处理器将处理后的数据通过通信模块发送至外部设备，如手机或平板或PC电脑等。
通信模块可以是有线通信模块也可以是无线通信模块，有线通信模块是利用USB接口与外部通信设备连接，无线通信模块如蓝牙模组等。
该耳机可以有内置电池或直接通过USB接口供电。
其中，所述数据处理器包括MCU、数据存储模块和缓冲放大电路，所述左耳电极、右耳电极和加速度传感器均与所述缓冲放大电路的输入端电连接，所述缓冲放大电路的输出端与所述MCU的输入端电连接，所述MCU的输出端与所述通信模块电连接，所述数据存储模块与所述MCU电连接。
数据存储模块可以完成原始数据的短时临时保存。
本实施例的原理如下：
左耳电极和右耳电极可以采用干电极或湿电极片。
由于人体的心电信号极其微弱，一般正常人的心电信号频率在0.15-150HZ范围内，幅度为1mV-5mV,因此先经过缓冲放大电路后再送至数据处理器的A/D数模转换进行数字信号处理。
左耳电极和右耳电极采集的原始ECG信号易受到仪器，人体活动等方面影响，数据处理器内采用数字低通滤波器滤除低频基线漂移干扰，数字高通滤波器滤除肌电干扰的高频成分。
通过利用加速度传感器测试骑行速度X，利用三个电极来采集骑手在骑行速度为X时的第一条心率曲线B，以及利用左耳电极和右耳电极来采集骑手在骑行速度为X时的第二条心率曲线A，获得第二条心率曲线A和第一条心率曲线B之间的差值Z，制得骑行速度X和差值Z之间的对应表，在数据处理器置入该对应表供查询，从而可以利用二个电极测试心率数据，结合加速度传感器测试的实际骑行速度，来反推利用三电极测试的心率数据，再将心率数据通过通信模块发送至外部设备供骑行者查看。
优选的，所述耳机本体还设有音频模块，所述音频模块与所述通信模块电连接，根据人体的心率波动或心电图曲线，可以实现自动适配歌曲类型，人体心率过快时自动选择舒缓的音乐等。针对睡眠有障碍的人，可以有安眠作用，当人睡着后，耳机自动关机。
一种基于ECG测量的心率耳机的心率测试方法，如图2和图3所示，图2和图3中的X代表速度，Y代表心率，包括如下步骤：
步骤一：在骑行速度X下利用三个电极测试获得第一条心率曲线B，其中两个电极用于获得心率信号，第三个电极用于测量基准点以用于修正该心率信号的偏移；
步骤二：在骑行速度X下利用两个电极测试获得第二条心率曲线A；
步骤三：获得第二条心率曲线A和第一条心率曲线B之间的心率差值Z；
步骤四：形成骑行速度X和差值Z之间的对应表；
步骤五：将该对应表置入所述数据处理器供查询；
步骤六：利用加速度传感器获得实际骑行速度X1、利用两个电极获得心率曲线A1；
步骤七：利用骑行速度X1查询得到差值Z1；
步骤八：反推实际骑行速度X1时利用三个电极测试获得的实际的心率曲线B1，B1=A1-Z1。
对应表中，骑行速度X可以是点值，也可以是范围值，如果是点值，那么当实际骑行速度X1在对应表中找不到对应的点值时，可以找最接近的值来代替，以查询差值Z，如果是范围值，那么选取实际骑行速度X1所在的骑行速度X的范围，来查询差值Z。
所述实际骑行速度X1进行预处理后再用来查询对应表，所述预处理为：利用加速度传感器获得的X、Y和Z三个轴方向的速度，先计算P==X*X+Y*Y+Z*Z，再用P值查对应表。由于人的运动可能是三个方向的，往前，侧面，以及向上（爬楼梯），其次，耳机在人耳内的放置角度不同，方位也会有差别，采用三轴均方差算法可以有效过滤由于方位不同引发的数据差异，比如说人如果只往x轴运动，Y,Z的值就会接近于0, 实际结果只和X有关，如果人倾斜的运动，就会在X轴，Y轴都有数据输出，Z接近于0，实际结果和X,Y有关，通过这种算法，不管人体如何运动，数值最接近于人体实际运动的动量。
其中，以上方法具体是：利用缓冲放大电路将左耳电极、右耳电极和加速度传感器采集的三个信号分别进行放大。由于人体的心电信号极其微弱，一般正常人的心电信号频率在0.15-150HZ范围内，幅度为1mV-5mV,因此先经过缓冲放大电路后再送至数据处理器的A/D数模转换进行数字信号处理。
具体的，数据处理器将所述放大后的三个信号分别转换成数字信号，结合所述对应表计算得出所述实际骑行速度X1时利用三个电极测试获得的实际的心率曲线B1。
进一步的，所述数据处理器将该实际的心率曲线B1转换成心率数字，通过通信模块发送至外部通信设备。
具体的，所述数据处理器还通过通信模块发送音频的节拍值至外部通信设备，该音频的节拍与所述心率数字的大小相对应。根据人体的心率波动或心电图曲线，可以实现自动适配歌曲类型，人体心率过快时自动选择舒缓的音乐等。针对睡眠有障碍的人，可以有安眠作用，当人睡着后，耳机自动关机。
本实施例的一种基于ECG测量的心率耳机的心率测试方法，通过利用加速度传感器配合左耳电极和右耳电极来采集骑手在骑行时的加速度和心率，通过建立骑行速度X、在骑行速度X时用三电极测试的心率曲线和用二电极测试的心率曲线之间的差值Z之间的对应表，在数据处理器置入该对应表供查询，从而利用二电极测试心率数据，结合加速度传感器测试的实际骑行速度，来反推利用三电极测试的心率数据，该心率测试方法简单易实现。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种基于ECG测量的心率耳机，包括耳机本体，所述耳机本体上设有左耳电极和右耳电极，其特征在于：所述耳机本体还设有加速度传感器、数据处理器和通信模块，所述左耳电极、右耳电极和加速度传感器均将采集到的信号传输至所述数据处理器，所述数据处理器将处理后的数据通过通信模块发送出去。
2.如权利要求1所述的一种基于ECG测量的心率耳机，其特征在于：所述耳机本体还设有音频模块，所述音频模块与所述通信模块电连接。
3.如权利要求1所述的一种基于ECG测量的心率耳机，其特征在于：所述数据处理器包括MCU、数据存储模块和缓冲放大电路，所述左耳电极、右耳电极和加速度传感器均与所述缓冲放大电路的输入端电连接，所述缓冲放大电路的输出端与所述MCU的输入端电连接，所述MCU的输出端与所述通信模块电连接，所述数据存储模块与所述MCU电连接。
4.权利要求1所述的一种基于ECG测量的心率耳机的心率测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：利用加速度传感器获得实际骑行速度X1、利用两个电极获得的心率曲线A1；
步骤二：对应骑行速度X1，在预先设置好的骑行速度X和差值Z的对应表中查询得到差值Z1；
步骤三：在心率曲线A1的基础上计入所述差值Z1得出实际的心率曲线B1。
5.权利要求4所述的一种基于ECG测量的心率耳机的心率测试方法，其特征在于：所述对应表的形成方法包括如下步骤：
步骤一：在骑行速度X下利用三个电极测试获得第一条心率曲线，其中两个电极用于获得心率信号，第三个电极用于测量基准点以用于修正该心率信号的偏移；
步骤二：在骑行速度X下利用两个电极测试获得第二条心率曲线；
步骤三：获得第一条心率曲线和第二条心率曲线之间的心率差值Z；
步骤四：形成骑行速度X和差值Z之间的对应表；
步骤五：将该对应表置入所述数据处理器供查询。
6.如权利要求4所述的一种基于ECG测量的心率耳机的心率测试方法，其特征在于：所述实际骑行速度X1进行预处理后再用来查询对应表，所述预处理为：利用加速度传感器获得的X、Y和Z三个轴方向的速度，先计算P==X*X+Y*Y+Z*Z，再用P值查对应表。
7.如权利要求4所述的一种基于ECG测量的心率耳机的心率测试方法，其特征在于：利用缓冲放大电路将左耳电极、右耳电极和加速度传感器采集的三个信号分别进行放大
数据处理器将所述放大后的三个信号分别转换成数字信号，结合所述对应表计算得出所述实际骑行速度X1时利用三个电极测试获得的实际的心率曲线B1。
8.如权利要求7所述的一种基于ECG测量的心率耳机的心率测试方法，其特征在于：所述数据处理器将该实际的心率曲线B1转换成心率数字，通过通信模块发送至外部通信设备。
9.如权利要求8所述的一种基于ECG测量的心率耳机的心率测试方法，其特征在于：所述数据处理器还通过通信模块发送音频的节拍值至外部通信设备，该音频的节拍与所述心率数字的大小相对应。
10.权利要求1所述的一种基于ECG测量的心率耳机的心率测试装置，其特征在于：包括如下装置：
装置一：用于利用加速度传感器获得实际骑行速度X1、利用两个电极获得实际的心率曲线A1；
装置二：用于利用骑行速度X1在预先设置好的骑行速度X和差值Z的对应表中查询得到差值Z1，其中，差值Z是指在骑行速度X利用两个电极和三个电极测试获得的两条心率曲线之间的差值；
装置三：用于反推实际骑行速度X1时利用三个电极测试获得的实际的心率曲线B1，B1是将心率曲线A1和在所述对应表查询获得的差值Z1引入计算获得。
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