CN111698940A - 利用耳内式加速度计测量呼吸 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耳机，该耳机包括：扬声器；麦克风；壳体，该壳体支撑扬声器和麦克风；和耳机末端，该耳机末端包围壳体并且被配置为将扬声器和麦克风二者通过声学方式联接到用户的耳道，并通过声学方式封闭用户的耳道的入口。处理器从麦克风接收输入音频信号，在该输入音频信号中检测频率约为1Hz的峰值，基于所检测到的峰值，计算即时心率，测量即时心率内的振荡的频率，以及基于振荡的频率，计算呼吸速率。

Description

利用耳内式加速度计测量呼吸
相关申请
本申请涉及以下各项并通过引用将其并入本文：2016年6月21日提交的美国专利申请15/106,989；2016年11月10日提交的申请15/348,400；以及2016年11月17日提交的申请15/352,034，这些申请全部名称为“智能耳塞系统(Intelligent Earplug System)”。本发明还涉及名称为“睡眠辅助装置(Sleep Assistance Device)”的美国专利申请15/267,567；名称为“睡眠质量评分和改善(Sleep Quality Scoring and Improvement)”的申请15/267,464；名称为“智能唤醒系统(Intelligent Wake-Up System)”的申请15/267,552；名称为“睡眠系统(Sleep System)”的申请15/267,848；名称为“用于睡眠系统的用户界面(User Interface for a Sleep System)”的申请15/267,858；以及名称为“使用家庭睡眠系统进行睡眠评估(Sleep Assessment Using a Home Sleep System)”的申请15/267,886，所有这些申请均提交于2016年9月16日。本发明还涉及名称为“多用户用睡眠辅助装置(Sleep Assistance Device For Multiple Users)”的美国专利申请15/655,836以及名称均为“用于测量和夹带呼吸的耳机(Earphones for Measuring and EntrainingRespiration)”的美国专利申请15/655,845、15/655,853和15/655,857，这些申请于2017年7月20日提交，并通过引用并入本文。
背景技术
本公开涉及用于测量和夹带呼吸的耳机。
失眠和睡眠差或睡眠中断可能严重影响人的健康。睡眠差可能是由于诸如环境噪声、压力、医疗状况或不适等因素引起的。因此，存在对睡眠辅助器的需要，它可以帮助解决睡眠差的根本原因，而不会以其他意外方式对用户的健康产生不利影响。
发明内容
总体上，在一个方面中，一种系统包括：耳机，该耳机具有扬声器、加速度计、支撑扬声器和加速度计的壳体、以及包围壳体并且被配置为将扬声器通过声学方式联接到用户的耳道的耳机末端(ear tip)；以及处理器。该处理器响应于耳机的运动而从加速度计接收输入信号，并检测输入信号中的峰值。基于检测的峰值，处理器计算即时心率、测量即时心率内的振荡的频率，并基于振荡的频率来计算呼吸速率。
具体实施可以任何组合包括以下各项中的一者或多者。加速度计可位于耳机内的电路板上。壳体可包括耳机的外壳，并且加速度计可位于外壳中。输入信号可包括三个轴中的每个轴的加速度测量值，并且处理器可通过将三个加速度测量值组合成三个测量值的范数来检测峰值。处理器可从第二耳机中的第二加速度计接收第二输入信号，包括第二加速度计的三个轴中的每个轴的第二加速度测量值；将第二三个加速度测量值组合成第二三个测量值的范数；通过将来自第一加速度计的三个测量值的范数与来自第二加速度计的三个测量值的范数进行组合来检测峰值；并且检测组合的结果内的峰值。将范数进行组合可包括在每次对两个加速度计的测量值进行采样时，将第一三个加速度测量值的范数的幅值乘以第二三个加速度测量值的范数的幅值。处理器可以基于呼吸速率来调整输出音频信号，并将输出音频信号提供给扬声器。
调整输出音频信号可以包括将输出音频信号的节奏调整为比所检测到的呼吸速率小约每分钟一个周期。调整输出音频信号可以包括将输出音频信号从呼吸夹带声音转换为掩蔽声音。调整输出音频信号可以包括将输出音频信号从掩蔽声音转换为唤醒声音。耳机可以包括存储声音文件的存储器，并且提供输出音频信号可以包括从存储器检索第一声音文件。调整输出音频信号可以包括从存储器检索第二声音文件并使用第二声音文件来生成输出音频信号。
处理器可以被集成在耳机内。处理器可以被集成在便携式计算装置内。处理器可以通过计算即时心率的快速傅里叶变换(FFT)来测量即时心率内的振荡的频率。处理器可以通过以下步骤测量即时心率内的振荡的频率：计算即时心率的梯度；以及计算即时心率的梯度的快速傅里叶变换(FFT)。处理器可以通过检测即时心率的峰值来测量即时心率内的振荡的频率。处理器可以通过将正弦函数拟合到即时心率来测量即时心率内的振荡的频率，正弦函数的频率是振荡的频率。耳机末端可被配置为通过声学方式闭合通向用户的耳道的入口。
通常情况下，在一个方面，测量耳机用户的呼吸速率包括：从支撑在耳机内的加速度计接收输入信号，该输入信号包括三个轴中的每个轴的加速度测量值；以及在处理器中将三个加速度测量值组合成三个测量值的范数；检测加速度计测量值的范数中的峰值；基于检测的峰值来计算即时心率；测量即时心率内的振荡的频率；并基于振荡的频率来计算呼吸速率。
具体实施可以任何组合包括以下各项中的一者或多者。测量即时心率内的振荡的频率可包括计算即时心率的快速傅里叶变换(FFT)。测量即时心率内的振荡的频率可包括：计算即时心率的梯度；以及计算即时心率的梯度的快速傅里叶变换(FFT)。测量即时心率内的振荡的频率可包括检测即时心率的峰值。测量即时心率内的振荡的频率可包括将正弦函数拟合到即时心率，正弦函数的频率是振荡的频率。可从支撑在第二耳机内的第二加速度计接收第二输入加速度信号，该第二输入信号包括第二加速度计的三个轴中的每个轴的加速度测量值；处理器可通过以下方式来检测峰值：将第二三个加速度测量值组合成第二三个测量值的范数；将第一三个加速度测量值的范数与第二三个加速度测量值的范数进行组合；以及检测组合的结果内的峰值。
优点包括感测耳朵处的呼吸速率而不受耳机产生的音频信号的干扰，并且不需要密封耳朵界面。
可以任何技术上可能的方式组合上文所提及的所有示例和特征。其他特征和优点在具体实施方式和权利要求书中将是显而易见的。
附图说明
图1和图2示出了带有集成加速度计的耳机的剖视图。
图3示出了图1或图2的系统的外视图。
图4A、图4B、图4C、图4D、图4E、图4F、图5A、图5B、图6和图7示出了传感器读数的曲线图
具体实施方式
上面引用的若干申请描述了一种床头系统，该系统检测用户的呼吸速率，并以此推断和管理他们的睡眠状态。特别地，为了帮助用户入睡，该系统播放节奏比用户自己的呼吸速率稍慢的声音。这自然导致用户在被称为夹带的过程中放慢他们的呼吸，以匹配声音的节奏。当用户放慢他们的呼吸速率，在使得用户逐渐睡眠的反馈循环中声音的速率进一步降低。一旦用户入睡(如呼吸速率中的伪影所示)，系统切换到播放掩蔽声音，这削弱用户检测外部声音并被外部声音干扰的能力。如果检测到唤醒用户太早，则可以重新激活夹带。当该唤醒用户时，系统可以将唤醒声音与用户的睡眠状态和其他信息进行协调，以尽可能最少干扰的方式来唤醒用户。
上面引用的其他申请描述了智能耳塞，用户可以在睡觉时佩戴它们，并且在整个夜晚该智能耳塞提供掩蔽声音，并且在需要时发出警告或警报声音。这些耳塞由智能电话控制，但主要是自主操作，播放存储的掩蔽声音，直到通过控制电话或基于内部时钟另外指示为止。如果智能耳塞可以播放床头系统的呼吸夹带声音，这将是有利的，以帮助用户入睡而不会打扰可能共享床或房间的其他人。在共同未决的申请15/655,836中描述的一个解决方案是睡眠系统将用户的呼吸速率和睡眠状态告知耳塞，而耳塞调节所存储的夹带声音中节奏分量的速率，如同在大声系统中一样。
15/655,853和15/655,857申请描述了如何使用麦克风向耳塞自身添加呼吸感测，从而不需要外部系统，并且耳塞可完全自主地工作或者仅通过智能电话来控制它们。
在‘853申请中所述的使用麦克风来测量心率变异性的技术，以及由此得出呼吸率的技术也可使用加速度计来执行，如下所述。
如图1和图3所示，睡眠感测耳机100包括阻塞或堵塞耳道入口的耳机末端密封结构102。图2中的耳机200省略了密封结构102，取而代之的是仅将耳机安置在耳朵中而不密封耳道入口的耳机末端结构202。除了不同的密封结构之外，图1和图2还示出了两个不同耳机示例的截面，而图3示出了外部视图以供参考。图3的示例使用了图1中所述密封结构102，但图2的耳塞外观相似。保持结构104有助于将耳机保持在耳朵中，并在密封结构102(如果存在)上施加压力，以通过在外耳上推动来保持密封(和密封结构与耳道交汇的情况相反)。密封结构102有助于被动地阻止外界声音进入耳朵，从而提高了耳机播放的掩蔽声音的有效性。
在图1的示例中，加速度计114位于耳机100的电路板上。在图2的示例中，加速度计214位于耳机200的外壳中。在这两个示例中，加速度计都能够使用心冲击描记法的原理来检测由用户心跳引起的耳机的运动。与使用麦克风的技术不同，加速度计114/214可在不必密封耳道的情况下产生可用信号，并且可位于耳机上的任何位置，如这两个示例所示。每个耳机(或一个耳机中，如果它们协调其动作)装载的处理器108然后可从加速度计输出中提取呼吸速率，并调整通过扬声器110向用户播放的夹带声音的时序。在图1的示例中，麦克风仍然存在，以用于其他功能，诸如消除有源噪声或提供语音接口输入。
心跳从加速度计信号中得出，并且呼吸速率从心率变异性(HRV)中得出。图4A至图4F示出了如左耳和右耳两者中的加速度计所报告的用于三个轴的输出加速度计信号，这些输出加速度计信号使用截止频率为50Hz的三阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波。用户的脉冲存在于所有六个信号中，但信噪比(SNR)不是非常高。具体地，在该示例中，X轴和Z轴(4A、4B、4E、4F)的SNR比Y轴(4C和4D，其中脉冲几乎不可见)更好，但它们都不容易产生心率。在其他示例中，根据耳机在用户的耳朵中的确切方向，不同的轴可能在另一用户身上具有更好或更差的SNR。由于目标在于获得心跳间心率，因此无法使用时间平均方法来滤除噪声。
我们可以将每个耳朵的三个轴组合成它们的范数，而非单独使用这些轴：
Figure BDA0002625019360000051
图5A和图5B中显示了两个范数(每个耳朵一个)的曲线图。使用三个轴的范数不仅改善SNR，而且还可以使读数不受用户耳朵中耳机的确切方向的影响。也可使用组合来自三个轴的信号的其他方法。
在每次时间采样时组合两个信号的幅值(诸如通过倍增)可大大增加信噪比，如图6所示。需注意，每次心跳均由彼此接近的两个峰值表示。可以使用各种标准去重复过程(诸如包络拟合)来组合峰值或以其他方式管理重复。
将峰值查找算法应用到组合的加速度计信号并观察连续峰值之间的距离将得到心跳间或即时心率值，如图7所示。需注意，图7中曲线中的峰值未映射到图6中的峰值对，图7中的曲线的形状示出了图6中的峰值对之间的距离的变异性。
图7示出了即时心率存在周期性变异性。这种变异性的周期恰好是呼吸频率-当用户吸气时，他们的心率增加，而当他们呼气时，他们的心率降低。应用另一峰值检测步骤或其他频率分析，诸如快速傅里叶变换(FFT)或将正弦拟合到曲线、拟合到即时心率或拟合到其梯度可以显示呼吸速率。
上述系统和方法的实施方案包括对于本领域技术人员来将显而易见的计算机部件和计算机实现的步骤。例如，本领域技术人员应当理解，计算机实现的步骤可以作为计算机可执行指令存储在计算机可读介质上，诸如例如硬盘、光盘、固态硬盘、闪存ROM、非易失性ROM和RAM。此外，本领域技术人员应该理解，计算机可执行指令可以在各种处理器(诸如例如微处理器、数字信号处理器和门阵列)上执行。为了便于阐述，并非上文所述的系统和方法的每个步骤或元件都在本文作为计算机系统的部分描述，但是本领域的技术人员将认识到，每个步骤或元件可能具有对应的计算机系统或软件部件。因此，通过描述其对应的步骤或元件(即，它们的功能)此类计算机系统和软件部件被启用，并且在本公开的范围内。
已描述了多个具体实施。然而，应当理解在不脱离本文所述发明构思的范围的情况下可进行附加修改，并且因此，其他实施方案在以下权利要求书的范围内。

Claims (25)

1.一种系统，包括：
耳机，所述耳机包括：
扬声器；
加速度计；
壳体，所述壳体支撑所述扬声器和所述加速度计；和
耳机末端，所述耳机末端包围所述壳体并被配置为将所述扬声器通过声学方式联接到用户的耳道；和
处理器，所述处理器被配置为：
响应于所述耳机的运动从所述加速度计接收输入信号；
检测所述输入信号中的峰值；
基于检测到的所述峰值，计算即时心率；
测量所述即时心率内的振荡的频率；以及
基于所述振荡的所述频率，计算呼吸速率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述加速度计位于所述耳机内的电路板上。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述壳体包括所述耳机的外壳，并且所述加速度计位于所述外壳中。
4.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述输入信号包括针对三个轴中的每个轴的加速度测量值；并且
所述处理器被配置为通过将所述三个加速度测量值组合成所述三个测量值的范数来检测所述峰值。
5.根据权利要求4所述的系统，进一步包括：
第二耳机，所述第二耳机包括：
第二扬声器；
第二加速度计；
第二壳体，所述第二壳体支撑所述第二扬声器和所述第二加速度计；和
第二耳机末端，所述第二耳机末端包围所述第二壳体并且被配置为将所述第二扬声器通过声学方式联接到所述用户的第二耳道；
其中所述处理器进一步被配置为：
从所述第二加速度计接收第二输入信号，所述第二输入信号包括针对所述第二加速度计的三个轴中的每个轴的第二加速度测量值；
将所述第二三个加速度测量值组合成所述第二三个测量值的范数；并且
通过以下方式来检测所述峰值：将来自所述第一加速度计的所述三个测量值的所述范数与来自所述第二加速度计的所述三个测量值的所述范数进行组合；以及检测所述组合的结果内的峰值。
6.根据权利要求5所述的系统，其中将所述范数进行组合包括：在每次对所述两个加速度计的测量值进行采样时，将所述第一三个加速度测量值的所述范数的幅值乘以所述第二三个加速度测量值的所述范数的幅值。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器进一步被配置为：基于所述呼吸速率来调整输出音频信号，并将所述输出音频信号提供给所述扬声器。
8.根据权利要求7所述的系统，其中调整所述输出音频信号包括：将所述输出音频信号的节奏调整为比检测到的所述呼吸速率小约每分钟一个周期。
9.根据权利要求7所述的系统，其中调整所述输出音频信号包括：将所述输出音频信号从呼吸夹带声音转换为掩蔽声音。
10.根据权利要求7所述的系统，其中调整所述输出音频信号包括：将所述输出音频信号从掩蔽声音转换为唤醒声音。
11.根据权利要求7所述的系统，其中，
所述耳机进一步包括存储声音文件的存储器；并且
提供所述输出音频信号包括：从所述存储器检索第一声音文件。
12.根据权利要求11所述的系统，其中调整所述输出音频信号包括：从所述存储器检索第二声音文件，并使用所述第二声音文件来生成所述输出音频信号。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被集成在所述耳机内。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被集成在便携式计算装置内。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被配置为通过计算所述即时心率的快速傅里叶变换(FFT)来测量所述即时心率内的所述振荡的所述频率。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被配置为通过以下步骤来测量所述即时心率内的所述振荡的所述频率：
计算所述即时心率的梯度；以及
计算所述即时心率的所述梯度的快速傅里叶变换(FFT)。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被配置为通过检测所述即时心率的峰值来测量所述即时心率内的所述振荡的所述频率。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被配置为通过将正弦函数拟合到所述即时心率来测量所述即时心率内的所述振荡的所述频率，所述正弦函数的频率是所述振荡的所述频率。
19.根据权利要求1所述的系统，其中所述耳机末端被配置为通过声学方式闭合通向所述用户的耳道的入口。
20.一种测量耳机的用户的呼吸速率的方法，所述方法包括：
从被支撑在所述耳机内的加速度计接收输入信号，所述输入信号包括针对三个轴中的每个轴的加速度测量值；以及
在处理器中，
将所述三个加速度测量值组合成所述三个测量值的范数，
检测所述加速度计测量值的所述范数中的峰值，
基于检测到的所述峰值来计算即时心率，
测量所述即时心率内的振荡的频率，以及
基于所述振荡的所述频率，计算呼吸速率。
21.根据权利要求20所述的方法，其中测量所述即时心率内的所述振荡的所述频率包括：计算所述即时心率的快速傅里叶变换(FFT)。
22.根据权利要求20所述的方法，其中测量所述即时心率内的所述振荡的所述频率包括：
计算所述即时心率的梯度；以及
计算所述即时心率的所述梯度的快速傅里叶变换(FFT)。
23.根据权利要求20所述的方法，其中测量所述即时心率内的所述振荡的所述频率包括：检测所述即时心率的峰值。
24.根据权利要求20所述的方法，其中测量所述即时心率内的所述振荡的所述频率包括：将正弦函数拟合到所述即时心率，所述正弦函数的频率是所述振荡的所述频率。
25.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：
从被支撑在第二耳机内的第二加速度计接收第二输入加速度信号，所述第二输入信号包括针对所述第二加速度计的三个轴中的每个轴的加速度测量值；
在所述处理器中，通过以下方式来检测所述峰值：
将所述第二三个加速度测量值组合成所述第二三个测量值的范数，
将所述第一三个加速度测量值的所述范数与所述第二三个加速度测量值的所述范数进行组合，以及检测所述组合的结果内的峰值。
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