CN107997751A - 一种基于生物反馈的智能耳机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于生物反馈的智能耳机系统的设计,该系统包括:可穿戴耳机、终端模块和云端。可穿戴耳机包括:采集模块,用于获取用户的心电数据;分析模块,用于提取出各种心率特征;传输模块,用于将各种心率特征传输到移动终端,接收终端模块发送的音频内容;播放模块,用于将获取到的音频内容播放出来。终端模块,根据心脏特征搜索音频内容并发送到耳机;用户根据播放音频对自身的调节作用做反馈;云端,收集播放音频前后用户的心率特征,运用大数据技术挖掘具体音频对用户心率特征的影响。通过本发明可使用户通过语音提示和音频内容了解自己的心脏状态,并在所播放音频的诱导下自我调节以改善心率状态,有利于保持身心健康。
Description
技术领域
本发明涉及心电图分析技术和生物反馈领域,尤其涉及一种基于生物反馈的智能耳机系统的设计。
背景技术
心电图是利用心电图机从体表记录心脏每一心动周期所产生的电活动变化图形的技术。传统的心电图的获取方法,都是在胸部、手臂指定部位放置导联来检测,设备复杂,不宜长期佩戴。
HRV 是指连续心搏间瞬时心率的微小涨落,反映了自主神经系统影响下心血管系统的状况以及交感神经与副交感神经的紧张和平衡,它是一种常用的检测心血管状况,自主神经系统的活动的指标,也和压力密切高度相关
由于狭窄的脖子的阻碍,在头部采集到的由心脏传播过来的信号往往是受损的,不能完全反应心脏周期内的全部特征。有研究表明,在头部固定的几个位置(下颌中心、下颌关节)用电极采集到的信号形状经适当处理后,与同时间在手臂采集的心电信号相比,受损程度最小,这给头戴式设备更好地检测心率提供了更大的可能性。
生物反馈 是运用仪器(通常用电子仪器)通过视觉或听觉信号,揭示人体内部正常或异常活动的方法。其目的在于,通过操纵那些在其它情况下人体意识不到或感觉不到的生理活动,以达到控制机体内部活动的目的。
许多疾病的发生、发展都与精神因素有着密切的关系。如果精神过度紧张、情绪过于激动或长期处于焦虑、苦闷、压抑等不良情绪中,可能会引起大脑神经和内脏器官的功能失调而导致疾病的产生。临床研究表明:音乐疗法是以音乐活动作为治疗的媒介,增进个体身心健康的一种治疗方法,具有消除精神紧张、减轻焦虑、改善睡眠、止痛等效果。音乐的选择通常会选择α波音乐或者一些放松性的歌曲、纯音乐。
目前大部分监听心率的头戴式设备,都是简单地采集皮肤的脉动频率,无法获得完整的心率特征,更加无法进行用户情绪的识别,或者对心脏状态进行准确地监测;一些基于生物反馈的音乐治疗方法,要么是利用脑电信号,或者是通过笨拙的心电仪来采集得到心电图,都不适宜长期佩戴,用户体验感差。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种基于生物反馈的智能耳机系统的设计,以使用户通过可控的语音提示和推荐的音频内容来了解并调节自己的心率状况,保持良好的情绪,及时了解自己的心脏隐藏状况。
为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:
1.本发明提供一种基于生物反馈的智能耳机系统的设计,该系统包括:可穿戴耳机(1),终端模块(2)和云端(3)。其中可穿戴耳机包括采集模块(4),分析模块(5),传输模块(6),播放模块(7),音量调高按钮(8),音量降低按钮(9),语音提示控制按钮(10)。所述可穿戴耳机通过蓝牙与终端模块连接,终端设备通过无线上网形式与云端连接。其中:采集模块(4)用于获取用户的心电图数据,包括内部耳塞(100),电极元件(110)和光电式心率传感器(120),内部耳塞(100)用于将耳机固定在用户耳道内,电极元件(110)和光电式心率传感器(120)分别用于采集耳道内皮肤的电位信号和振动频率;分析模块(5),用于从所述获取的原始数据中恢复出完整的ECG数据,并提取出各种心率特征;传输模块(6),用于将所述识别的各种心率特征通过蓝牙设备传输到移动智能终端,并接收终端模块发送过来的音频内容;播放模块(7)包括播放元件(130),用于将所述获取到的音频内容播放出来,用户根据语音提示和音频的内容了解自己的心率状态,并在所播放音频的诱导下自己调节心态以调节心率;终端模块(2),在终端上登录云端(3),根据所述传输模块传送过来的各项特征,在云端对所述特征进行整合处理,并搜索获得推荐的音频内容并发送到耳机;同时,用户可以根据推送的音频对自身压力的调整的帮助程度做匿名反馈,云端(3)收集这些用户在播放所推荐音频前后的心率特征,运用大数据技术对其分析处理,可以找到具体音频对用户心率特征的影响,从而更好更准确地为用户推荐更适合他/她调节心率的音频内容。
1)采集模块,利用电极和光电式心率传感器采集耳道内的电位信号和脉动频率。
2)分析模块,经过数据处理获得用户完整的ECG,提取出用户的各种心脏特征,如当前心率、情绪压力状态等级、是否出现电解质紊乱、心率不齐等问题。
3)传输模块,将识别出来的用户各种心脏特征通过无线蓝牙传输给智能终端(手机、平板电脑),并接收智能终端上根据所述心脏特征搜索获取得到并发送过来的音频内容。
4)播放模块,将传输模块所接收的音频内容在听筒中播放,用户根据语音提示和音频的节奏了解自己的心率状态,并在所播放音频的诱导下自己调节心态以调节心率;所述耳机上设置一个语音提示控制按钮(10),用户可以通过按下按钮控制播放当前各项心脏状态。
5)终端模块,在移动智能终端上登录云端,根据所述传输模块传送过来的各项特征,在云端对所述特征进行整合处理,并搜索获得推荐的音频内容并发送到耳机;同时,用户可以根据推送的音频对自身压力的调整的帮助程度做匿名反馈,收集这些用户在播放所推荐音频前后的心率特征,运用大数据技术对其分析处理,可以找到具体音频对用户心率特征的影响,从而更好更准确地为用户推荐更适合他/她调节心率的音频内容。
采集模块中的电极用来采集耳道内皮肤表面电位信号的变化,光电式传感器用来检测耳道内皮肤振动的频率。
分析模块,对采集模块采集到信号进行小波阈值去噪方法去除噪声和基线漂移等。根据所述光电式传感器测得压力达到最大值的前220ms~140ms这个时间间隔内,对电极采集的电位信号进行R波检测,获得RR间期,通过分析P,Q,R,S,T波的形状、间隔等,从时域、频域、非线性域上综合处理可以得到心脏的各种特征,如当前心率、用户情绪压力状态、是否出现电解质紊乱、心率时常、心肌梗塞等; R波识别算法是采用窗口阈值法。
用户情绪压力状态等级的获取,需对提取出来的ECG数据提取HRV特征,从HRV时域、频域、非线性域三个角度分析得到HRV各参数指标,进而计算用户的情绪压力状态等级。
HRV的参数指标主要是LF,HF,LF/HF,SDNN,RMSSD。LF,HF,LF/HF分别为低频范围的功率、高频范围的功率、低频/高频比值,是HRV的频域参数;SDNN,RMSSD分别为全部NN间期的标准差和相邻NN间期之差的平方根,是HRV的时域参数。
计算情绪压力状态等级,在本实施方案中,压力等级为根据所述时域指标、频域指标建立的多元线性回归方程计算得到的值。例如,设压力等级为N,x为LF,y为SDNN,z为RMSSD,则压力等级表达的多元线性回归可为:N=a*x+b*y+c*z(a,b,c为变量参数)。
用户情绪压力状态等级分为五个等级,等级越高即代表压力越大,应搜索比较舒缓治愈的音乐;反之越低则播放轻松活泼的音乐。通过按下语音控制按钮(10)播放用户当前心脏状态,播放内容可根据用户要求在移动端或者电脑端进行设置定制,包括并不限于当前心率、心率正常范围、是否出现电解质紊乱、心率不齐、心肌梗塞、心肌缺血、提示用户是否需要去附近医院体检等服务。
传输模块通过无线蓝牙通信,将识别出来的用户各种心脏特征通过无线蓝牙传输给智能终端(手机、平板电脑),并接收智能终端上根据所述心脏特征搜索获取得到并发送过来的音频内容。音频内容包含并不仅限于各类型歌曲、纯音乐、α波音乐、β波音乐、和各个频段的旋律内容等。
终端模块的用户反馈和云端的智能推荐,用户在终端登录云端后,云端会记录当前用户的各个心脏特征数据,并根据这些特征整合处理推荐合适的音频内容;用户在听完播放的音频内容后可登录云端进行匿名反馈,描述听完该音频后对自己的心理帮助、改善作用,云端也会记录此时用户的各个心脏特征数据;通过播放音频前后的心脏特征数据对比、用户的自我反馈,将这些数据收集起来,运用大数据技术对其分析处理,挖掘出各种心脏特征下.适合的音频类型,以便更好更准确地为用户推荐更贴合他/她心脏状态的音频内容。
附图说明
图1是本发明基于生物反馈的智能耳机系统结构框图
图2是本发明所述耳机的结构设计图
图3是本发明所述耳机内部耳塞(100)的结构示意图
其中,1为可穿戴耳机;2为终端模块;3为云端;4为采集模块;5为分析模块;6为传输模块;7为播放模块;8为音量调高按钮;9为音量降低按钮;10为语音提示控制按钮;100为耳机的内部耳塞;110为电极元件;120为光电式心率传感器;130为播放元件。
具体实施方式
本发明提供一种基于生物反馈的智能耳机系统的设计,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明的具体实施方式是:
1)用户佩戴本发明耳机,耳塞上的电极和光电式心率传感器分别采集耳道内皮肤的电位信号和振动频率;用户在手机或者电脑上设置语音提示的播放内容,包括并不限于当前心率、心率正常范围、是否出现电解质紊乱、心率不齐、心肌梗塞、心肌缺血、提示用户是否需要去附近医院体检等服务;
2)对采集模块采集到信号进行小波阈值去噪方法去除噪声和基线漂移等。根据所述光电式传感器测得压力达到最大值的前220ms~140ms这个时间间隔内,对电极采集的电位信号进行R波检测,获得RR间期,通过分析P,Q,R,S,T波的形状、间隔等,从时域、频域、非线性域上综合处理可以得到心脏的各种特征,如当前心率、用户情绪压力状态、是否出现电解质紊乱、心率时常、心肌梗塞等;其中,从HRV时域、频域、非线性域三个角度分析得到HRV各参数指标,即LF,HF,LF/HF,SDNN,RMSSD,进而计算用户的情绪压力状态等级;
3)将识别出来的用户各种心脏特征通过无线蓝牙传输给智能终端(手机、平板电脑),并接收智能终端上根据所述心脏特征搜索获取得到并发送过来的音频内容(包括纯音乐、歌曲、α脑波音乐和各频段的旋律等形式);
4)将传输模块所接收的音频内容在听筒中播放,用户根据语音提示和音频的节奏了解自己的心率状态,并在所播放音频的诱导下自己调节心态以调节心率;用户通过按下耳机上的按键来控制播放当前心脏状态提示音,提示内容由可用户自行选择设置;用户也可通过耳机上的音量调节按钮8/9对音量进行调节;
5)在移动智能终端上登录云端,根据所述传输模块传送过来的各项特征,在云端对所述特征进行整合处理,并搜索获得推荐的音频内容并发送到耳机;同时,用户可以根据推送的音频对自身压力的调整的帮助程度做匿名反馈,收集这些用户在播放所推荐音频前后的心率特征,运用大数据技术对其分析处理,可以找到具体音频对用户心率特征的影响,从而更好更准确地为用户推荐更适合他/她调节心率的音频内容。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于生物反馈的智能耳机系统,其特征在于,包括:可穿戴耳机(1)、终端模块(2)和云端(3),可穿戴耳机(1)包括采集模块(4),分析模块(5),传输模块(6),播放模块(7),音量调高按钮(8),音量降低按钮(9),语音提示控制按钮(10);采集模块(4)包括内部耳塞(100),电极元件(110)和光电式心率传感器(120),内部耳塞(100)用于将耳机固定在用户耳道内,电极元件(110)和光电式心率传感器(120)分别用于采集耳道内皮肤的电位信号和振动频率;播放模块(7)包括播放元件(130),用于将音频内容和语音提示播放出来。
2.如权利要求1所述的智能耳机系统,其特征在于:所述的分析模块(5)在得到所述采集模块(4)采集的原始信号上经过数据处理获得用户完整的ECG,提取出用户的各种心脏特征,如当前心率、情绪压力状态等级、是否出现电解质紊乱、心率不齐等问题。
3.如权利要求1所述的智能耳机系统,其特征在于:所述的传输模块(6)将识别出来的用户各种心脏特征通过无线蓝牙传输给终端模块(2)(手机、平板电脑),并接收终端模块(2)上根据所述心脏特征搜索得到并发送过来的音频内容。
4.如权利要求1所述的智能耳机系统,其特征在于:所述的播放模块(7)将传输模块(6)所接收的音频内容播放出来,用户根据语音提示和音频的节奏了解自己的心率状态,并在所播放音频的诱导下自己调节心态以调节心率;用户可以通过按下语音提示控制按钮(10)控制播放当前各项心脏状态。
5.如权利要求1所述的智能耳机系统,其特征在于:所述的终端模块(2)通过无线方式登录云端(3),根据所述传输模块(6)传送过来的各项特征,在云端(3)对所述特征进行整合处理,并搜索获得推荐的音频内容并发送到播放模块(7);同时,用户可以根据推送的音频对自身压力的调整的帮助程度做匿名反馈,收集这些用户在播放所推荐音频前后的心率特征,运用大数据技术对其分析处理,可以找到具体音频对用户心率特征的影响,从而更好更准确地为用户推荐更适合他/她调节心率的音频内容。
6.如权利要求2所述的智能耳机系统,其特征在于:分析模块(5)对采集模块(4)采集到信号进行小波阈值去噪方法去除噪声和基线漂移等;根据所述光电式心率传感器(120)测得压力达到最大值的前220ms~140ms这个时间间隔内,对电极元件(110)采集的电位信号采用窗口阈值法进行R波检测,获得RR间期,通过分析P,Q,R,S,T波的形状、间隔等,从时域、频域、非线性域上综合处理可以得到心脏的各种特征,如当前心率、用户情绪压力状态、是否出现电解质紊乱、心率时常、心肌梗塞等。
7.如权利要求3所述的智能耳机系统,其特征在于:所述的音频内容包含并不仅限于各类型歌曲、纯音乐、α波音乐、β波音乐、和各个频段的旋律内容。
8.如权利要求4所述的智能耳机系统,其特征在于:所述的播放用户当前心脏状态播放内容可根据用户要求在移动端或者电脑端进行设置定制,包括并不限于当前心率、心率正常范围、是否出现电解质紊乱、心率不齐、心肌梗塞、心肌缺血、提示用户是否需要去附近医院体检等服务。
9.如权利要求5所述的智能耳机系统,其特征在于:所述的终端模块(2)登录云端(3)后,云端(3)会记录当前用户的各项心脏特征数据,并根据这些特征整合处理推荐合适的音频内容;用户在听完播放的音频内容后可登录云端(3)进行匿名反馈,描述听完该音频后对自己的心理帮助、改善作用,云端(3)也会记录此时用户的各项心脏特征数据;通过播放音频前后的用户心脏特征数据对比、用户的自我反馈,将这些数据收集起来,运用大数据技术对其分析处理,挖掘出各种心脏特征下适合的音频类型,以便更好更准确地为用户推荐更贴合他/她心脏状态的音频内容。
10.如权利要求6所述的智能耳机系统,其特征在于:分析模块(5)对提取出来的ECG数据提取HRV特征,从HRV时域、频域、非线性域三个角度分析得到HRV各参数指标,进而计算用户的情绪压力状态等级;所述压力等级为根据所述时域指标、频域指标建立的多元线性回归方程计算得到的值。
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