CN204145698U - 一种能检测心率的耳机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能检测心率的耳机。该耳机包括：减法单元、心率检测单元、加速度传感器、自适应滤波单元、设置在耳机内的腔体和安装在所述腔体内的麦克风；麦克风在耳机被佩戴时采集腔体内的由压力变化产生的信号；加速度传感器采集由于佩戴者的身体运动所产生的信号；自适应滤波单元对所述加速度传感器采集到的信号进行自适应滤波处理，得到由佩戴者的身体运动所产生的信号的估计信号；减法单元从麦克风采集到的信号中减去该估计信号，得到心率相关的信号；心率检测单元根据心率相关的信号进行心率检测。本实用新型的技术方案，减小了外界噪声的干扰，并强化了麦克风采集到的信号信息，此外，还消除了佩戴者的身体运动对心率检测的影响。

Description

一种能检测心率的耳机

技术领域

本实用新型涉及耳机及心率检测技术领域，特别涉及一种能检测心率的耳机。

背景技术

随着社会经济的不断发展，人们的物质生活水平日渐提高，人们也越来越关注自己的健康。而心率检测将给人们提供关于健康的非常重要的信息。任何不同于正常心率的显示都表明健康出现了问题，通过心率检测可以及时发现我们的身体是否出现了问题。心率检测还可以在一定程度上反映人们的运动强度是否合适，为了能够得到最佳的锻炼效果，人们在锻炼的过程中应该将心率保持在一定的范围内，而心率检测可以为合理的运动量提供一个指标。

另外，很多人在运动的过程中，喜欢带着耳机听音乐，为了能够测得运动过程中的心率，又不需要随身携带其他设备，人们开始研究如何利用耳机来检测心率的相关技术。

检测心率的技术，除了心率带之外，现在又新兴一种利用耳机来检测心率的技术，达到便捷准确的目的。

利用耳机来检测心率的技术是近几年才出现的。2013年10月23日至25日，日本横滨健康器械展上，Kaiteki公司和Bifrostec公司展出了一种可以用耳机测定脉搏波动的技术。该技术利用耳机紧贴耳道形成封闭空间，由于耳膜的振动，耳道内会产生一定的压力，并且压力随着振动的改变而改变，利用麦克风采集耳道内压力的变化信息，从而达到检测心率的目的。但是耳机不能占据整个耳道，那么会造成耳道内气体的泄露，从而使得麦克风检测不到压力的变化，并且心率的检测会受到外界噪声的干扰。

利用耳机检测心率，除了存在上述问题外，还有一个重要因素，影响着对心率的准确检测，即人的身体运动。由于人的身体运动必然会引起耳壁的振动，这种振动同样会造成耳道内压力的变化，这种压力变化同时会被麦克风采集到，从而干扰了对心率信号的分析。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种能检测心率的耳机，以解决上述问题或者至少部分地解决上述问题。

本实用新型公开了一种能检测心率的耳机，该耳机包括：减法单元、心率检测单元、加速度传感器、自适应滤波单元、设置在耳机内的腔体和安装在所述腔体内的麦克风；

其中，所述腔体的口与耳机壳贴合的位置是，耳机被佩戴时与人耳的耳廓贴合的耳机壳的位置；所述腔体的口所贴合的耳机壳处有开孔，当耳机被佩戴时所述腔体和与所述开孔贴合的耳廓构成密闭空间；

所述麦克风，用于当耳机被佩戴时，采集所述腔体内的由压力变化产生的信号并输出给减法单元；

所述加速度传感器，用于当耳机被佩戴时，采集由于佩戴者的身体运动所产生的信号并输出给所述自适应滤波单元；

所述自适应滤波单元，用于根据心率相关信号对所述加速度传感器采集到的信号进行自适应滤波处理，得到麦克风采集到的信号中的由于佩戴者的身体运动所产生的信号的估计信号后输出给所述减法单元；

所述减法单元，用于从麦克风采集到的信号中减去所述估计信号，得到心率相关的信号输出给所述心率检测单元以及所述自适应滤波单元；

所述心率检测单元，用于根据所述心率相关的信号进行心率检测。

可选地，该耳机进一步包括：低通滤波器，用于对所述麦克风采集到的信号进行低通滤波处理，得到低通滤波信号并输出给所述减法单元；

所述减法单元，用于从所述低通滤波信号中减去所述估计信号，得到心率相关的信号输出给所述心率检测单元。

可选地，所述自适应滤波单元包括：参数可调滤波器和参数自适应调整单元；

所述加速度传感器，用于将采集到的信号输出给所述参数可调滤波器和所述参数自适应调整单元；

所述减法单元，用于将所述心率相关信号输出给所述参数自适应调整单元；

所述参数自适应调整单元，用于根据加速度传感器采集到的信号、心率相关信号以及预设的自适应算法去调整所述参数可调滤波器的滤波参数；

所述参数可调滤波器，用于利用滤波参数对加速度传感器采集的信号进行自适应滤波，输出麦克风采集到的信号中的由于佩戴者的身体运动所产生的信号的估计信号给所述减法单元。

可选地，所述心率检测单元，用于对所述心率相关的信号的周期进行检测，由检测出的信号的周期的倒数得到心率。

可选地，所述加速度传感器设置在耳机中的不接触佩戴者皮肤的位置。

由上述可见，本实用新型这种耳机，采用了由耳机内的腔体和耳机壳构成的密闭腔体来安置麦克风，减小了外界噪声的干扰，并强化了麦克风采集到的信号信息。此外，该耳机中加入了加速度传感器来采集由佩戴者的身体运动产生的信号，对加速度传感器采集的信号进行自适应滤波，从麦克风采集的信号中减去自适应滤波后的加速度传感器信号，再进行心率检测，从而消除了了佩戴者的身体运动对心率检测的影响。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的一种能检测心率的耳机的结构示意图；

图2A是本实用新型一个实施例中的设置有腔体110的耳机100的侧面示意图；

如2B是本实用新型一个实施例中的设置有腔体110的耳机100背面示意图；

图2C是本实用新型一个实施例中的设置有腔体110的耳机100的侧面剖视图；

图3是本实用新型一个实施例中的加速度传感器的安放位置的示意图；

图4为本实用新型又一个实施例中的一种能检测心率的耳机的结构示意图；

图5是自适应滤波器的一般结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

图1为本实用新型实施例中的一种能检测心率的耳机的结构示意图。如图1所示，该能检测心率的耳机100包括：减法单元150、心率检测单元160、加速度传感器130、自适应滤波单元140、设置在耳机内的腔体110和安装在腔体110内的麦克风120；

其中，腔体110的口与耳机壳贴合的位置是，耳机被佩戴时与人耳的耳廓贴合的耳机壳的位置；腔体110的口所贴合的耳机壳处有开孔，当耳机被佩戴时腔体和与开孔贴合的耳廓构成密闭空间。

麦克风120，用于当耳机100被佩戴时，采集腔体110内的由压力变化产生的信号并输出给减法单元150。

加速度传感器130，用于当耳机被佩戴时，采集由于佩戴者的身体运动所产生的信号并输出给自适应滤波单元140。

自适应滤波单元140，用于根据心率相关信号对加速度传感器130采集到的信号进行自适应滤波处理，得到麦克风120采集到的信号中的由于佩戴者的身体运动所产生的信号的估计信号后输出给减法单元150。

减法单元150，用于从麦克风采集到的信号中减去自适应滤波单元140输出的估计信号，得到心率相关的信号输出给心率检测单元160以及自适应滤波单元140。

心率检测单元160，用于根据心率相关的信号进行心率检测。

图1中对加速度传感器130检测到的信号进行自适应滤波处理，使得能从加速度传感器130采集到的人体运动信号准确地估计出麦克风120采集到的人体运动信号，其目的是消除由于人的身体运动对心率检测的影响。麦克风120和加速度传感器130都会检测到由于人的身体运动所产生的振动信号，虽然两种信号周期一致，但幅度会有差异，因此需要采用滤波器消除这种差异，使得能够将人体运动产生的加速度信号从麦克风采集到的信号中消除，以获得有效的心率信息。

图1所示的能检测心率的耳机100中，在耳机100内设置腔体110来安置麦克风120，从而减小了外界噪声的干扰，并强化了麦克风120采集到的信号信息。此外，该能检测心率的耳机100中加入了加速度传感器130来采集由佩戴者的身体运动产生的信号，对加速度传感器130采集的信号进行自适应滤波，得到麦克风120采集到的信号中的由于佩戴者的身体运动所产生的信号的估计信号，再从麦克风采集的信号中减去该估计信号，再进行心率检测，从而消除了佩戴者的身体运动对心率检测的影响。

在本实用新型的一个实施例中，图1所示的耳机进一步包括低通滤波器，用于对麦克风采集到的信号进行低通滤波处理，得到低通滤波信号后再输出给减法单元150。即减法单元150，用于从低通滤波信号中减去自适应滤波单元140输出的估计信号，得到心率相关的信号输出给心率检测单元160。这是因为脉搏振动的频率较低(0.3Hz-3Hz左右)，而外界噪声频率较高，根据这一特点，通过低通滤波器可以消除外界高频噪声的影响。例如，低通滤波器可以选择截止频率为5Hz的FIR滤波器等。

在现有的耳机检测心率的技术中，通常麦克风直接放置在耳机中正对耳道的位置，用于采集耳膜振动产生的耳腔内压力变化信息，但一方面由于耳机和耳道形成的空间较大，会造成耳道内气体的泄露，使得麦克风采集的压力变化信息很微弱，另一方面耳机往往不能占据整个耳道，直接将麦克风放在耳机中，会受到外界噪声的干扰。因此本实用新型的图1所示耳机中设计了另外一种麦克风的安装方式，具体可以参见图2A-2C。

图2A是本实用新型一个实施例中的设置有腔体110的耳机100的侧面示意图。如2B是本实用新型一个实施例中的设置有腔体110的耳机100背面示意图。图2C是本实用新型一个实施例中的设置有腔体110的耳机100的侧面剖视图。为了更好地采集和心跳相关的有用信号，本实用新型设计了一种小腔体用于放置麦克风。参见图2A和图2B，图中虚线所示的范围是内部腔体110的位置的示意。参见图2C腔体110的开口和耳机壳贴合。可以看出，在该实施例中，腔体110位于耳机边缘贴近耳廓的部位，耳机在其和腔体贴合的部位有个开孔111，在耳机被佩戴时，这个开孔111和耳廓紧密贴合，这样，腔体110和贴紧的耳廓部分构成一个密闭的空间。将麦克风安装在该腔体110中，耳廓壁的收缩振动会引起腔体110内压力的变化，那么麦克风就会采集到腔体110内压力的变化信息，该信息在一定程度上反映了心脏的跳动频率，因此可以据此进行心率检测。

图3是本实用新型一个实施例中的加速度传感器的安放位置的示意图。由于人体的运动会使人体的皮肤随之发生振动，本实施例中加速度传感器设置在耳机中的不接触佩戴者皮肤的位置，从而避免皮肤振动对加速度传感器采集的信号造成影响，提高加速度传感器采集信号的准确度。参见图3，加速度传感器130可以放置在图3所示虚线框示意出的耳机的任何一个部位。

在物理学中，对于密闭的空间(不考虑温度)，压强和体积成反比，也就是说体积越小压强越大，那么作用在一定面积上的压力也越大。当用户带上耳机后，耳道内形成一个密闭的空间，由于血管的脉压波动导致耳壁收缩，那么在腔体内会产生一定的压力变化，该压力变化信号就会被麦克风检测到。一般来说血管的脉压波动非常微弱，密闭的空间越大，那么麦克风检测到的压力变化越小，为了增加麦克风检测到的压力变化强度，将麦克风装置在一个密闭的小腔体内,将该部分紧贴耳道，由于血管的脉压波动导致耳壁产生收缩振动，此振动造成小腔体内的麦克风检测到压力的变化。并且小腔体的设计在一定程度上会减小外界干扰信号的影响。

即使耳机能够占据整个耳道，形成完全封闭的腔体，人的身体运动对心率检测的影响也是不可避免的。因为，人的身体运动必然会导致耳壁的振动，而这种振动产生的腔体内的压力变化同样会被麦克风检测到。那么，麦克风采集到的数据不仅包括了由于血管的脉压波动产生的压力变化信息，同时包括了人的身体运动在耳道内产生的压力变化信息。为了消除人的身体运动对心率检测的影响，本实用新型在耳机中加入加速度传感器，加速度传感器装置在耳机中不接触皮肤的部位，比如图3中所示的虚线框所示的耳机位置。利用加速度传感器采集人的身体运动所产生的加速度信息。人的身体运动所产生的耳道内压力的变化信息和加速度具有相同的振动频率，以此为基础可以采用一定的滤波器消除人的身体运动所产生的干扰。

根据前面的分析，如果能从麦克风检测到的信号中滤除由于人的身体运动所产生的信号，那么就可以得到由于血液流动造成耳道自身收缩产生的信号，此信号和心脏跳动频率有关，基于此信号得到心率信息。

麦克风采集到包括人的身体运动所引起的耳道压力变化信息，加速度传感器采集到的是人的身体运动对应的加速度信息。虽然两种信号具有一样的振动频率，即周期性相同，但是幅度会不同，不能直接将该信号从麦克风采集到的信号中去掉，因此本实施例通过自适应滤波的方法来滤除由于人的身体运动所产生的干扰。

综上所述，本发明实施例中：首先，采用体积较小的密闭腔体来安置麦克风，减小了外界噪声干扰，并强化了麦克风检测到的信号信息。其次，在耳机中加入了加速度传感器，用于采集由于人的身体运动产生的信号，并通过设计自适应滤波器来消除人的身体运动对心率检测的影响。再者，根据脉搏振动频率的特点，设计了低通滤波器，进一步减小了外界噪声的影响。下面以图4为例进行进一步的说明。

图4为本实用新型又一个实施例中的一种能检测心率的耳机的结构示意图。如图4所示，该能检测心率的耳机400包括：减法单元450、心率检测单元460、低通滤波器470、加速度传感器430、自适应滤波单元440、设置在耳机内的腔体410和安装在腔体410内的麦克风420。其中，自适应滤波单元440包括：参数可调滤波器441和参数自适应调整单元442。

其中，腔体410的口与耳机壳贴合的位置是，耳机被佩戴时与人耳的耳廓贴合的耳机壳的位置；腔体410的口所贴合的耳机壳处有开孔，当耳机被佩戴时腔体和与开孔贴合的耳廓构成密闭空间。

麦克风420，用于当耳机400被佩戴时，采集腔体410内的由压力变化产生的信号并输出给低通滤波器470。

低通滤波器470，用于对麦克风420采集到的信号进行低通滤波处理，得到低通滤波信号后再输出给减法单元450。

加速度传感器430，用于当耳机被佩戴时，采集由于佩戴者的身体运动所产生的信号并输出给自适应滤波单元440中的参数可调滤波器441和参数自适应调整单元442。

参数自适应调整单元442，用于根据加速度传感器430采集到的信号、心率相关信号以及预设的自适应算法去调整参数可调滤波器441的滤波参数。

参数可调滤波器441，用于利用滤波参数对加速度传感器430采集的信号进行自适应滤波，输出麦克风采420集到的信号中的由于佩戴者的身体运动所产生的信号的估计信号给减法单元450。

减法单元450，用于从低通滤波器输出的信号中减去参数可调滤波器441输出的估计信号，得到心率相关的信号输出给心率检测单元460；减法单元450，还用于将心率相关信号输出给参数自适应调整单元442。

这里参数自适应调整单元442根据输入的加速度传感器430采集的信号以及减法单元450反馈的心率相关信号，采用自适应算法计算出参数可调滤波器441的滤波参数。

心率检测单元460，用于根据心率相关的信号进行心率检测。

在本实用新型的一个实施例中，心率检测单元460，用于对心率相关的信号的周期进行检测，由检测出的信号的周期的倒数得到心率。例如，心率检测单元460，可以利用现有的自相关方法、阈值方法等检测出心率相关的信号的周期。

图5是自适应滤波器的一般结构示意图。如图5所示，自适应滤波器主要由参数可调滤波器和调整滤波器系数的参数自适应调整单元两部分构成。自适应滤波器在设计时不需要事先知道有关信号的统计特性的知识，它能够在自己的工作过程中逐渐“了解”或估计出所需的统计特性，并以此为依据自动调整自己的参数，以达到最佳滤波效果。图5中，Ex(n)是期望信号，In(n)是输入信号，Out(n)是输出信号，e(n)为估计误差，e(n)＝Ex(n)–Out(n)。自适应滤波器的滤波系数受误差信号控制，e(n)通过预定自适应算法对自适应系数进行调整，最终使得e(n)的均方误差最小，此时输出信号最逼近期望信号。

在图4所示的耳机中，采用了自适应滤波器对加速度传感器采集到的信号进行滤波处理，以准确估计出麦克风采集到的由于人体运动产生的信号。如图4所示，y1(n)是加速度传感器430采集到的信号，即对应自适应滤波单元440中的输入信号，y2(n)为自适应滤波单元440的输出信号，xL(n)表示对应的期望信号，对应误差信号(主要包括心率信号)。yL(n)和y1(n)具有一定的相关性，可以通过设计合适的传递函数，来使得y1(n)经过滤波器后的输出信号y2(n)逼近yL(n)。比如可以根据最小均方误差准则，当误差信号均方的期望值最小时，输出信号y2(n)可以用来有效估计yL(n)，那么之后就可以将人体运动对心率检测的干扰从麦克风采集到的信号中去除，再次去除干扰信号的影响。麦克风经过低通滤波后的信号减去加速度传感器经过自适应滤波后的信号，得到和心率相关的信号信息以此为基础进行心率的检测。心脏的跳动具有一定的周期性，那么是具有一定周期性的信号，根据自相关方法可以获得该信号对应的周期，周期的倒数即为心率。

具体过程如下：

假定麦克风检测到的信号为：x(n)＝y(n)+d(n)，加速度传感器检测到的信号为y1(n)。

其中，y(n)表示由于人的身体运动所产生的压力变化信号，d(n)表示由于血液流动所产生的压力变化信号；y1(n)表示由于人的身体运动所产生的加速度信号，n表示采样时间点。

x(n)经过低通滤波后信号变为：xL(n)＝yL(n)+dL(n)。

y1(n)和y(n)都是同样的运动产生的信号，y1(n)对应的是加速度信息，y(n)对应的是压力信息，虽然两者对应的幅度不同，但具有相同的振动频率。为了将y(n)从x(n)中消除，选择自适应滤波器(冲击响应为h(n))对y1(n)进行滤波，得到y2(n)＝y1(n)*h(n)，使y2(n)尽可能地接近x(n)经过低通滤波后的由于人的身体运动所产生的压力变化信号yL(n)。

这样由于耳道收缩产生的信号可以表示为：

滤波器的自适应参数利用自适应算法来获得，实现自适应算法的方法很多，比如可以采用均方误差最小的方法，即使得取最小值时得到的滤波器系数。

求得后，根据该信号的周期性特点，可以利用自相关方法、阈值法等来对其周期进行检测，其周期的倒数就是心率。

通过图1或图4所示实施例中的耳机能够获得人们在各种情况(安静，运动等)下的心率，以便获取人的健康状况信息，或者以此为依据人们可以根据具体情况将自己的运动量控制在一个合适的范围内。

综上所述本实用新型技术方案的有益效果包括：

(1)采用了体积较小的密闭腔体来安置麦克风，减小了外界噪声干扰，并强化了麦克风检测到的信号信息。

(2)在耳机中加入了加速度传感器，用于采集由于人的身体运动产生的信号，并通过设计自适应滤波器来消除人的身体运动对心率检测的影响。

(3)根据脉搏振动频率的特点，设计了一种低通滤波器，进一步减小了外界高频噪声的影响。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种能检测心率的耳机，其特征在于，该耳机包括：减法单元、心率检测单元、加速度传感器、自适应滤波单元、设置在耳机内的腔体和安装在所述腔体内的麦克风；

其中，所述腔体的口与耳机壳贴合的位置是，耳机被佩戴时与人耳的耳廓贴合的耳机壳的位置；所述腔体的口所贴合的耳机壳处有开孔，当耳机被佩戴时所述腔体和与所述开孔贴合的耳廓构成密闭空间；

所述麦克风，用于当耳机被佩戴时，采集所述腔体内的由压力变化产生的信号并输出给减法单元；

所述加速度传感器，用于当耳机被佩戴时，采集由于佩戴者的身体运动所产生的信号并输出给所述自适应滤波单元；

所述自适应滤波单元，用于根据心率相关信号对所述加速度传感器采集到的信号进行自适应滤波处理，得到麦克风采集到的信号中的由于佩戴者的身体运动所产生的信号的估计信号后输出给所述减法单元；

所述减法单元，用于从麦克风采集到的信号中减去所述估计信号，得到心率相关的信号输出给所述心率检测单元以及所述自适应滤波单元；

所述心率检测单元，用于根据所述心率相关的信号进行心率检测。

2.如权利要求1所述的耳机，其特征在于，该耳机进一步包括：低通滤波器，用于对所述麦克风采集到的信号进行低通滤波处理，得到低通滤波信号并输出给所述减法单元；

所述减法单元，用于从所述低通滤波信号中减去所述估计信号，得到心率相关的信号输出给所述心率检测单元。

3.如权利要求1或2所述的耳机，其特征在于，所述自适应滤波单元包括：参数可调滤波器和参数自适应调整单元；

所述加速度传感器，用于将采集到的信号输出给所述参数可调滤波器和所述参数自适应调整单元；

所述减法单元，用于将所述心率相关信号输出给所述参数自适应调整单元；

所述参数自适应调整单元，用于根据加速度传感器采集到的信号、心率相关信号以及预设的自适应算法去调整所述参数可调滤波器的滤波参数；

所述参数可调滤波器，用于利用滤波参数对加速度传感器采集的信号进行自适应滤波，输出麦克风采集到的信号中的由于佩戴者的身体运动所产生的信号的估计信号给所述减法单元。

4.如权利要求1或2所述的耳机，其特征在于，

所述心率检测单元，用于对所述心率相关的信号的周期进行检测，由检测出的信号的周期的倒数得到心率。

5.如权利要求1所述的耳机，其特征在于，

所述加速度传感器设置在耳机中的不接触佩戴者皮肤的位置。