JP6082131B2 - イヤホンに適用される心拍数検出方法及び心拍数を検出可能なイヤホン - Google Patents

Description

本発明は、イヤホン及び心拍数検出の技術分野に関し、特に、イヤホンに適用される心拍数検出方法及び心拍数を検出可能なイヤホンに関する。

社会経済の継続的な発展に伴い、人々の物質的生活水準が次第に上昇し、人々の自分自身の健康に対する関心がますます高まっている。心拍数の検出が、人々に、健康に関する非常に重要な情報を提供する。正常な心拍数と異なった表示は、健康に何らかの問題があることを示し、心拍数の検出によって、我々の体に問題が生じているか否かをタイムリーに検出することができる。また、検出された心拍数は、人々の運動強度が適切であるか否かをある程度反映することができ、最大の運動効果を得るために、人々は、運動中において、心拍数を一定の範囲内に維持すべきであり、心拍数の検出は、望ましい運動量の指標を提供することができる。

また、多くの人は、運動中にイヤホンを着用して音楽を聴く習慣を持っており、他の装置を持ち歩かずに運動中の心拍数を測定できるように、イヤホンにより心拍数を検出する関連技術の研究が開始されている。心拍数を検出する技術としては、心拍ベルトのほか、現在、イヤホンにより心拍数を検出する技術が開発され、これにより、便利かつ正確という目的を達成できる。

イヤホンにより心拍数を検出する技術は、近年登場したものである。2013年10月23〜25日に、日本の横浜の健康器械展で、Kaiteki社及びビフレステック社は、イヤホンにより脈波変動を測定可能な技術を展示した。当該技術は、イヤホンを耳道にしっかり密着して閉鎖空間を形成し、鼓膜の振動により、耳道内に一定の圧力が発生し、且つ圧力が振動に従って変化し、マイクロホンにより耳道内における圧力変化情報を採集することで、心拍数を検出する目的を達成する。しかし、イヤホンが耳道全体を占有できず、耳道内に気体の漏れを引き起こしてしまうため、マイクロホンが圧力変化を検出できなくなると共に、心拍数の検出が外部の雑音に干渉される。

上記問題に鑑みて、本発明は、上記問題を解決又は上記問題の少なくとも一部を解決する、イヤホンに適用される心拍数検出方法及び心拍数を検出可能なイヤホンを提供する。

本発明は、イヤホンに適用される心拍数検出方法を提供する。当該方法は、イヤホン内にキャビティを設け、第一マイクロホンを前記キャビティ内に取付けるステップであって、前記キャビティの口とイヤホンハウジングとが密着する位置は、イヤホンが装着されたときに人の耳介と密着するイヤホンハウジングの部分にあり、イヤホンハウジングにおける前記キャビティの口と密着する位置に孔を設け、イヤホンが装着されると、前記キャビティと前記孔と密着する耳介とによって密閉空間が構成されるようにするステップと、イヤホンを装着して、第一マイクロホンによって、キャビティ内の圧力変化により発生した信号を採集するステップと、第一マイクロホンにより採集された信号を心拍数と関連付けられる信号とするステップと、心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行うステップとを含む。

当該方法は、イヤホンのイヤホンヘッド部内に第二マイクロホンを更に設けるステップと、イヤホンを装着して、第二マイクロホンにより、イヤホンヘッド部内におけるイヤホンスピーカーから発生した信号を採集するステップと、第二マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、第一マイクロホンにより採集された信号のうちイヤホンスピーカーから発生した信号の第一推定信号を得るステップと、第一マイクロホンにより採集された信号から第一推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得るステップとを更に含んでもよい。

当該方法は、イヤホンにおける装着者の皮膚に接触しない位置に第三マイクロホンを更に設けるステップと、イヤホンを装着して、第三マイクロホンにより、外部干渉信号を採集するステップと、第三マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、第一マイクロホンにより採集された信号のうち外部干渉信号の第二推定信号を得るステップと、を更に含んでもよく、そうすると、第一マイクロホンにより採集された信号を心拍数と関連付けられる信号とするステップは、第一マイクロホンにより採集された信号から第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得る処理を含み、第一マイクロホンにより採集された信号から第一推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得るステップは、第一マイクロホンにより採集された信号から第一推定信号及び第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得る処理を含むことになる。

本発明は、心拍数を検出可能なイヤホンを更に提供し、当該イヤホンは、心拍数検出手段と、イヤホン内に設けられたキャビティと、キャビティ内に取付けられた第一マイクロホンとを含み、ここで、キャビティの口とイヤホンハウジングとが密着する位置は、イヤホンが装着されたときに人の耳介と密着するイヤホンハウジングの部分にあり、イヤホンハウジングにおけるキャビティの口と密着する位置に孔が設けられ、イヤホンが装着されたとき、キャビティと、孔と密着する耳介とによって密閉空間が構成され、第一マイクロホンは、イヤホンが装着されたとき、キャビティ内における圧力変化により発生した信号を採集するために用いられ、第一マイクロホンにより採集された信号が心拍数と関連付けられる信号とされ、心拍数検出手段は、心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行うために用いられる。

当該イヤホンは、第一減算手段、第一適応フィルタリング手段と、イヤホンのイヤホンヘッド部内に設けられた第二マイクロホンとを更に含み、第二マイクロホンは、イヤホンが装着されるとき、イヤホンスピーカーから発生した信号を採集して、第一適応フィルタリング手段に出力するために用いられ、第一適応フィルタリング手段は、心拍数と関連付けられる信号に基づいて、第二マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、第一マイクロホンにより採集された信号のうちイヤホンスピーカーから発生した信号の第一推定信号を得て、第一減算手段に出力するために用いられ、第一減算手段は、第一マイクロホンにより採集された信号から第一推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得て、心拍数検出手段及び第一適応フィルタリング手段に出力するために用いられてもよい。

当該イヤホンは、第二減算手段と、第二適応フィルタリング手段と、イヤホンにおける装着者の皮膚に接触しない位置に設けられた第三マイクロホンとを更に含み、第三マイクロホンは、イヤホンが装着されたとき、外部干渉信号を採集して、第二適応フィルタリング手段に出力するために用いられ、第二適応フィルタリング手段は、心拍数と関連付けられる信号に基づいて、第三マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、第一マイクロホンにより採集された信号のうち外部干渉信号の第二推定信号を得て、第二減算手段に出力するために用いられ、第二減算手段は、第一マイクロホンにより採集された信号から第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得て、心拍数検出手段及び第二適応フィルタリング手段に出力するために用いられるか、若しくは、第一マイクロホンにより採集された信号から第一推定信号を差し引いて得られた信号から、第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得て、当該心拍数と関連付けられる信号を心拍数検出手段と、第二適応フィルタリング手段と、第一適応フィルタリング手段とに出力するために用いられてもよい。

上記から分かるように、本発明の実施例に記載のこのような技術構成は、イヤホン内のキャビティとイヤホンハウジングとによって構成された密閉キャビティを利用してマイクロホンを配置することで、外部雑音の干渉が低減されるとともに、マイクロホンにより採集された信号情報が強化される。イヤホンに、第二マイクロホンを加えることでイヤホンスピーカーから発生した信号を採集するとともに、適応フィルタを設計することでイヤホンスピーカーから発生した信号による心拍数検出への影響を更に除去する。イヤホンに、更に第三マイクロホンを加えることで外部干渉信号を採集するとともに、適応フィルタを設計することで外部干渉信号による心拍数検出への影響を更に除去する。

上記説明は、あくまでも本発明の技術構成の概要であり、本発明の技術手段をより明らかに理解できるために、明細書の内容に従って実施してもよく、そして、本発明の上記及びその他の目的、特徴、利をより分かりやすくするように、以下、特に本発明の具体的な実施形態を挙げる。

本発明の実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。 本発明の一つの実施例におけるキャビティ110が設けられたイヤホン100の側面模式図である。 本発明の一つの実施例におけるキャビティ110が設けられたイヤホン100の背面模式図である。 本発明の一つの実施例におけるキャビティ110が設けられたイヤホン100の側面断面図である。 本発明の別の実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。 本発明の実施例におけるイヤホンに適用される心拍数検出方法のフローチャートである。 本発明の実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。 本発明の一つの実施例における第二マイクロホンの配置位置を示す模式図である。 本発明の別の実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。 適応フィルタの一般的構造を示す模式図である。 本発明の実施例におけるイヤホンに適用される心拍数検出方法のフローチャートである。 本発明の実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。 本発明の一つの実施例における第三マイクロホンの配置位置を示す模式図である。 本発明の別の実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。 本発明の実施例におけるイヤホンに適用される心拍数検出方法のフローチャートである。 本発明の別の実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の例示的な実施例を更に詳しく説明する。図面には、本発明の例示的な実施例が示されているが、本発明は、様々の形で実現可能であり、ここで述べた実施例に制限されるものではないと理解すべきである。また、これらの実施例を提供するのは、本発明をより十分に理解できるようにするとともに、本発明の範囲を当業者が十分に理解できるようにするためでもある。

図１は、本発明の一つの実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。図１に示すように、この心拍数を検出可能なイヤホン100は、心拍数検出手段140、イヤホン内に設けられたキャビティ110、及び、キャビティ110内に取付けられたマイクロホン120を含み、
ここで、キャビティ110の口とイヤホンハウジングとが密着する位置は、イヤホンが装着されたときに人の耳介と密着するイヤホンハウジングの部分にあり、イヤホンハウジングにおけるキャビティ110の口と密着する位置に孔が設けられ、イヤホンが装着されたとき、キャビティと、孔と密着する耳介とによって密閉空間が構成され、
マイクロホン120は、イヤホンが装着されたとき、キャビティ110内の圧力変化により発生した信号を採集するために用いられ、
心拍数検出手段140は、マイクロホン120により採集された信号に基づいて心拍数検出を行うために用いられる。

図１に示す心拍数を検出可能なイヤホン100において、イヤホン100内に小キャビティ110を設けてマイクロホン120を配置し、小キャビティ110と耳介とによって密閉空間を形成可能であるため、外部雑音の干渉が減少され、マイクロホン120により採集された信号情報が強化された。

本発明の一つの実施例において、心拍数検出手段140は、フィルタリング後のマイクロホンにより採集された信号の周期を検出し、検出された信号の周期の逆数から心拍数を得るために用いられる。

従来のイヤホンにより心拍数を検出する技術において、通常、マイクロホンは、イヤホンにおいて耳道と真向いになる位置に直接に配置され、鼓膜振動により発生した耳腔内の圧力変化情報を採集するために用いられるが、イヤホンと耳道とによって形成された空間が大きく、耳道内に気体の漏れを引き起こしてしまうため、マイクロホンにより採集された圧力変化情報が非常に弱くなり、また、イヤホンが耳道全体を占有できないことが多く、マイクロホンを直接にイヤホンに配置すると、外部雑音に干渉されてしまう。そのため、本発明の図１に示すイヤホンには、別のマイクロホンの取付け方式が設計されており、具体的には、図２Ａ〜２Ｃに示す。

図２Ａは、本発明の一つの実施例におけるキャビティ110が設けられたイヤホン100の側面模式図である。図２Ｂは、本発明の一つの実施例におけるキャビティ110が設けられたイヤホン100の背面模式図である。図２Ｃは、本発明の一つの実施例におけるキャビティ110が設けられたイヤホン100の側面断面図である。心拍に関連する有用な信号をより好適に採集するために、本発明では、マイクロホンを配置するための小キャビティを設計している。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、図中の破線に示す範囲は、イヤホン内部に形成されたキャビティ110の位置を模式的に示したものである。図２Ｃを参照すると、キャビティ110の開口がイヤホンハウジングと密着している。これで分かるように、当該実施例において、キャビティ110が、イヤホン縁部における耳介にしっかり密着した部位に位置し、イヤホンは、キャビティと密着した部位に孔111が設けられ、イヤホンが装着されたとき、この孔111が耳介と密着し、これにより、キャビティ110と、しっかり密着した耳介部分とによって密閉空間が構成される。マイクロホンを当該キャビティ110に取付けると、耳介壁の収縮振動がキャビティ110内の圧力変化を起こすため、マイクロホンがキャビティ110内における圧力変化情報を採集できるようになり、当該情報は、ある程度心臓の拍動周波数を反映しているため、これにより心拍数検出を行うことができる。

物理学によると、密閉空間（温度を考慮せず）では、プレッシャーと体積とが反比例し、つまり、体積が小さいほどプレッシャーが大きくなり、一定の面積に作用する圧力も大きくなる。ユーザがイヤホンを装着すると、耳道内に密閉空間が形成され、血管の脈圧変動により耳壁の収縮を起こすため、キャビティ内に一定の圧力変化が発生し、当該圧力変化信号がマイクロホンにより検出されることになる。一般的に、血管の脈圧変動は非常に弱いので、密閉空間が大きいと、マイクロホンにより検出される圧力変化は小さくなる。マイクロホンにより検出される圧力変化の強度を増加するために、本実施例は、マイクロホンを密閉的な小キャビティ内に配置し、小キャビティを耳道にしっかり密着するようにしており、血管の脈圧変動により耳壁に収縮振動が発生し、この振動による圧力変化が小キャビティ内のマイクロホンにより検出されることになる。また、小キャビティの設計により、外部干渉信号の影響を低減することができる。

図３は、本発明の別の実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。図３に示すように、当該心拍数を検出可能なイヤホン300は、フィルタリング手段330、心拍数検出手段340、イヤホン内に設けられたキャビティ310、及び、キャビティ310内に取付けられたマイクロホン320を含み、
ここで、キャビティ310の口とイヤホンハウジングとが密着する位置は、イヤホンが装着されたときに人の耳介と密着するイヤホンハウジングの部分にあり、イヤホンハウジングにおけるキャビティ310の口と密着する位置に孔が設けられ、イヤホンが装着されたとき、キャビティと、孔と密着する耳介とによって密閉空間が構成され、
マイクロホン320は、イヤホンが装着されたとき、キャビティ310内の圧力変化により発生した信号を採集して、当該信号をフィルタリング手段130に出力するために用いられる。フィルタリング手段330は、マイクロホン320により採集された信号に対してフィルタリング処理を行い、フィルタリング後の信号を得て、前記心拍数検出手段340に出力するために用いられる。ここで、フィルタリング手段が、マイクロホン320により採集された信号に対してフィルタリングを行うのは、干渉雑音による心拍数検出への影響を除去するためである。心拍数検出手段340は、フィルタリング後の信号に基づいて心拍数検出を行うために用いられる。

本発明の一つの実施例において、心拍数検出手段340は、心拍数と関連付けられる信号の周期を検出し、検出された信号の周期の逆数から心拍数を得るために用いられる。例えば、心拍数検出手段340は、自己相関法、閾値法等により、心拍数と関連付けられる信号の周期を検出することが可能である。

本発明の一つの実施例において、図３に示すフィルタリング手段330は、ローパスフィルタを含み、当該ローパスフィルタは、マイクロホン320により採集された信号に対してローパスフィルタリング処理を行うことで、高周波干渉信号をフィルタアウトするために用いられる。これは、脈波振動の周波数が低く（0.3Hz〜3Hz程度）、外部雑音の周波数が高いため、この特徴に基づいて、ローパスフィルタにより外部高周波雑音の影響を除去できるからである。例えば、ローパスフィルタとしては、遮断周波数が5HzであるFIRフィルタ等を選択してもよい。

図３に示すイヤホンにおいては、ローパスフィルタを用いて、マイクロホンにより採集された信号に対してローパスフィルタリング処理を行う。図３に示すように、まず、小キャビティ内におけるマイクロホンにより、キャビティ内における圧力信号を採集し、次に、ローパスフィルタにより、マイクロホンにより採集された信号に対してローパスフィルタリングを行い、最後に、心拍数信号を得てから、心拍数の検出を行うことが可能となる。心臓の拍動が一定の周期性を有するため、心拍数信号が一定の周期性を有する信号であり、自己相関法により、当該信号に対応した周期を取得可能であり、周期の逆数が即ち心拍数である。

具体的なプロセスは、下記の通りになる。
マイクロホンにより検出された信号がx(n) = y(n)+d(n)であると仮定し、ここで、y(n)が干渉信号を表し、d(n)が、血液が流れることで発生した圧力変化信号を表し、nがサンプリング時点を表す。

x(n)がローパスフィルタリングされると、信号はxL(n)=dL(n)になり、ローパスフィルタリングを経ることにより、マイクロホンにより採集された外部雑音信号がフィルタアウトされる。得られたdL(n)について、当該信号の周期性特徴に基づいて、自己相関法、閾値法等により、その周期を検出することが可能であり、その周期の逆数が即ち心拍数である。

図１又は図３に示す実施例におけるイヤホンにより、人々のさまざまな状況（安静、運動等）での心拍数を取得することができ、これにより、人体の健康状況情報を取得することができ、若しくは、これを根拠として、人々は、具体的な状況に応じて自身の運動量を適切な範囲内にコントロールすることができる。

上記実施例に基づいて、本発明におけるイヤホンに適用される心拍数検出方法を挙げる。
図４は、本発明の実施例におけるイヤホンに適用される心拍数検出方法のフローチャートである。図４に示すように、当該方法は、
イヤホン内にキャビティを設け、マイクロホンをキャビティ内に取付けるステップであって、キャビティの口とイヤホンハウジングとが密着する位置は、イヤホンが装着されたときに人の耳介と密着するイヤホンハウジングの部分にあり、イヤホンハウジングにおけるキャビティの口と密着する位置に孔を設け、イヤホンが装着されると、キャビティと、前記孔と密着する耳介とによって密閉空間が構成されるようにするステップS410と、
イヤホンを装着して、マイクロホンによって、キャビティ内の圧力変化により発生した信号を採集するステップS420と、
マイクロホンにより採集された信号に基づいて心拍数検出を行うステップであって、即ち、マイクロホンにより採集された信号を心拍数と関連付けられる信号として、この心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行うステップS430とを含む。

本発明の一つの実施例では、図４に示す方法において、ステップ430の前に、マイクロホンにより採集された信号に対してフィルタリング処理を行い、フィルタリング後の信号を得るステップを更に含む。そうすると、ステップS430におけるマイクロホンにより採集された信号に基づいて心拍数検出を行う処理は、フィルタリング後の信号に基づいて心拍数検出を行う処理を含むことになる。

本発明の一つの実施例において、図４に示す方法における、マイクロホンにより採集された信号に対してフィルタリング処理を行う処理は、マイクロホンにより採集された信号に対してローパスフィルタリング処理を行うことで、高周波干渉信号をフィルタアウトする処理を含む。

本発明の一つの実施例において、上記フィルタリング後の信号に基づいて心拍数検出を行う処理は、フィルタリング後の信号の周期を検出し、検出された信号の周期の逆数から心拍数を得る処理を含む。

以上をまとめると、本発明の上記実施例における技術構成は、下記の有益な効果を有する。（1）体積が小さな密閉キャビティを利用してマイクロホンを配置することで、外部雑音干渉が低減されるとともに、マイクロホンにより検出された信号情報が強化された。（2）脈波振動周波数の特徴に基づいてローパスフィルタを設計することで、外部高周波雑音の影響が更に低減された。

また、イヤホンにより心拍数を検出する際には、もう一つの重要な問題が存在している。それは、イヤホンスピーカーから発生した信号（例えば音楽又は音声等）の影響を受けるのが、避けられないことであり、これは、心拍数の検出に大きく影響してしまう。これに対し、下記のような解決策を提供する。

図５は、本発明の実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。図５に示すように、当該心拍数を検出可能なイヤホン500は、減算手段550、心拍数検出手段560、適応フィルタリング手段540、イヤホン内に設けられたキャビティ510、キャビティ510内に取付けられた第一マイクロホン520、及び、イヤホンのイヤホンヘッド部内に設けられた第二マイクロホン530を含み、
ここで、キャビティ510の口とイヤホンハウジングとが密着する位置は、イヤホンが装着されたときに人の耳介と密着するイヤホンハウジングの部分にあり、イヤホンハウジングにおけるキャビティ510の口と密着する位置に孔が設けられ、イヤホンが装着されたとき、キャビティと、孔と密着する耳介とによって密閉空間が構成される。

第一マイクロホン520は、イヤホン500が装着されたとき、キャビティ510内の圧力変化により発生した信号を採集して減算手段550に出力するために用いられる。第二マイクロホン530は、イヤホンが装着されたとき、イヤホンスピーカーから発生した信号を採集して適応フィルタリング手段540に出力するために用いられる。適応フィルタリング手段540は、心拍数と関連付けられる信号に基づいて、第二マイクロホン530により採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、第一マイクロホン520により採集された信号のうちイヤホンスピーカーから発生した信号の第一推定信号を得て、減算手段550に出力するために用いられる。減算手段550は、第一マイクロホン520により採集された信号から、適応フィルタリング手段540から出力された第一推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得て、心拍数検出手段560及び適応フィルタリング手段540に出力するために用いられる。心拍数検出手段560は、心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行うために用いられる。

第一マイクロホン520は、キャビティ510内の圧力変化により発生した信号を採集するときに、イヤホンスピーカーから発生した信号も同時に採集してしまう。そのため、図５において、第二マイクロホン530により検出された信号に対して適応フィルタリング処理を行うことで、第二マイクロホン530により採集されたイヤホンスピーカーから発生した信号に基づいて、第一マイクロホン520により採集された信号のうちイヤホンスピーカーから発生した信号を正確に推定することができ、その目的は、イヤホンスピーカーから発生した信号による心拍数検出への影響を除去することである。第一マイクロホン520及び第二マイクロホン530は、いずれも、イヤホンスピーカーから発生した信号を検出することができ、両方の信号は、周期が一致しているが振幅に差異があるため、適応フィルタを用いてこの差異を除去する必要があり、これにより、イヤホンスピーカーから発生した信号を第一マイクロホン520により採集された信号から除去し、有効な心拍数情報を取得することができる。

図５に示す心拍数を検出可能なイヤホン500では、イヤホン500内にキャビティ510を設けて第一マイクロホン520を配置することで、外部雑音の干渉が低減されるとともに、第一マイクロホン520により採集された信号情報が強化された。しかし、第一マイクロホン520がイヤホンスピーカーから発生した信号も採集してしまうのは、避けられないことであり、これに対して、当該心拍数を検出可能なイヤホン500において、第二マイクロホン530を加えることでイヤホンスピーカーから発生した信号を採集し、第二マイクロホン530により採集された信号に対して適応フィルタリングを行い、第一マイクロホン520により採集された信号から適応フィルタリング後の第二マイクロホン信号を差し引いてから、心拍数検出を行うことで、イヤホンスピーカーから発生した信号による心拍数検出への影響が更に除去された。

本発明の一つの実施例では、図５に示すイヤホンにおいて、ローパスフィルタを更に含み、当該ローパスフィルタは、第一マイクロホン520により採集された信号に対してローパスフィルタリング処理を行い、ローパスフィルタリング信号を得て、減算手段550に出力するために用いられる。即ち、減算手段550は、ローパスフィルタリング信号から、適応フィルタリング手段540から出力された第一推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得て、心拍数検出手段560に出力するために用いられる。これは、脈波振動の周波数が低く（0.3Hz〜3Hz程度）、外部雑音の周波数が高いため、この特徴に基づいて、ローパスフィルタにより外部高周波雑音の影響を除去できるからである。例えば、ローパスフィルタとしては、遮断周波数が5HzであるFIRフィルタ等を選択してもよい。イヤホン内に設けられたキャビティ510、及び、キャビティ510内に取付けられた第一マイクロホン520の具体的な構造は、図２Ａ〜２Ｃに示す構造に類似しているため、ここでは、説明を繰り返さない。

図６は、本発明の一つの実施例における第二マイクロホンの配置位置を示す模式図である。本実施例において、第二マイクロホン530がイヤホンのイヤホンヘッド部内に配置される。図６において、第二マイクロホン530を、イヤホン500の図６に示す位置に設けてもよく、このとき、イヤホンスピーカーとイヤホンハウジングとを組み合わせてイヤホンスピーカーの前方で空洞を形成し、第二マイクロホン530を当該空洞内に設けてもよい。好ましくは、第二マイクロホン530をイヤホンスピーカーの振動膜の前方に設けるとともに、第二マイクロホン530と振動膜との間に隙間を持たせることで、第二マイクロホンがイヤホンスピーカー発声時の音波伝播経路に位置すると同時に、第二マイクロホンとイヤホンスピーカーとが互いに影響し合わないようにする。

実際には、イヤホンが耳道全体を占有し、完全に閉鎖したキャビティを形成できたとしても、イヤホンスピーカーから発生した信号による心拍数検出への影響は、避けられないものである。これは、イヤホンスピーカーがイヤホンヘッド部内に含まれているため、このようなイヤホンスピーカーから発生した信号が第一マイクロホンにより検出されてしまうのは、避けられないからである。こうして、第一マイクロホンにより採集されたデータには、血管の脈圧変動により発生した圧力変化情報だけではなく、イヤホンスピーカーから発生した信号も含まれる。第一マイクロホンにより採集された当該イヤホンスピーカーから発生した信号による心拍数検出への影響を除去するために、本発明は、イヤホンに第二マイクロホンを加え、第二マイクロホンをイヤホンヘッド部内に配置し、例えば、図６に示すイヤホン位置に配置する。第二マイクロホンによって、イヤホンスピーカーから発生した信号を採集する。第一マイクロホンにより採集されたイヤホンスピーカーから発生した信号と、第二マイクロホンにより採集されたイヤホンスピーカーから発生した信号とは、非常に強い相関性を持っており、これを基として、特定のフィルタを用いて、イヤホンスピーカーから発生した信号の影響を除去することができる。

上記の分析により、もし第一マイクロホンにより検出された信号から、イヤホンスピーカーから発生した信号をフィルタアウトすることができれば、血液が流れることで耳道自身が収縮して発生した信号を得ることができ、この信号が、心臓拍動周波数に関連し、この信号に基づいて、心拍数情報が得られる。第二マイクロホンにより採集されたイヤホンスピーカーから発生した信号と、第一マイクロホンにより採集されたイヤホンスピーカーから発生した信号とが、非常に強い相関性を持っているものの、両者は全く同じではなく、当該信号を第一マイクロホンにより採集された信号から直接に除去することができないため、本実施例は、適応フィルタリング方法を通じて、外部雑音により発生した干渉をフィルタアウトする。

以上をまとめると、本発明の実施例において、まず、体積が小さな密閉キャビティを用いて第一マイクロホンを配置することで、外部雑音干渉が低減されるとともに、第一マイクロホンにより検出された信号情報が強化された。次に、イヤホンに第二マイクロホンを加えることでイヤホンスピーカーから発生した信号を採集するとともに、適応フィルタを設計することでイヤホンスピーカーから発生した信号による心拍数検出への影響を除去するようにした。そして、脈波振動周波数の特徴に基づいてローパスフィルタを設計することで、外部雑音の影響が更に低減された。以下、図７を例としてさらに説明を行う。

図７は、本発明の別の実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。図７に示すように、当該心拍数を検出可能なイヤホン700は、減算手段750、心拍数検出手段760、ローパスフィルタ770、イヤホンのイヤホンヘッド部内に設けられた第二マイクロホン730、適応フィルタリング手段740、イヤホン内に設けられたキャビティ710、及び、キャビティ710内に取付けられた第一マイクロホン720を含む。そのうち、適応フィルタリング手段740は、パラメータ可変フィルタ741とパラメータ適応調整手段742とを含む。

ここで、キャビティ710の口とイヤホンハウジングとが密着する位置は、イヤホンが装着されたときに人の耳介と密着するイヤホンハウジングの部分にあり、イヤホンハウジングにおけるキャビティ710の口と密着する位置に孔が設けられ、イヤホンが装着されたとき、キャビティと、孔と密着する耳介とによって密閉空間が構成される。

第一マイクロホン720は、イヤホン700が装着されたとき、キャビティ710内の圧力変化により発生した信号を採集してローパスフィルタ770に出力するために用いられる。第一マイクロホン720は、キャビティ710内における圧力変化により発生した信号を採集するときに、イヤホンスピーカーから発生した信号も同時に採集してしまう。ローパスフィルタ770は、第一マイクロホン720により採集された信号に対してローパスフィルタリング処理を行い、ローパスフィルタリング信号を得て、減算手段750に出力するために用いられる。第二マイクロホン730は、イヤホンが装着される時、イヤホンスピーカーから発生した信号を採集して、適応フィルタリング手段740におけるパラメータ可変フィルタ741及びパラメータ適応調整手段742に出力するために用いられる。パラメータ適応調整手段742は、第二マイクロホン730により採集された信号、心拍数と関連付けられる信号、及び、予め設定された適応アルゴリズムにより、パラメータ可変フィルタ741のフィルタパラメータを調整するために用いられる。パラメータ可変フィルタ741は、フィルタパラメータにより、第二マイクロホン730により採集された信号に対して適応フィルタリングを行い、第一マイクロホン720により採集された信号のうちイヤホンスピーカーから発生した信号の第一推定信号を減算手段750に出力するために用いられる。減算手段750は、ローパスフィルタから出力された信号から、パラメータ可変フィルタ741から出力された第一推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得て、心拍数検出手段760に出力するために用いられ、減算手段750は、また、心拍数と関連付けられる信号をパラメータ適応調整手段742に出力するためにも用いられる。ここで、パラメータ適応調整手段742は、入力された第二マイクロホン730により採集された信号、及び、減算手段750からフィードバックされた心拍数と関連付けられる信号に基づいて、適応アルゴリズムを用いてパラメータ可変フィルタ741のフィルタパラメータを算出する。心拍数検出手段760は、心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行うために用いられる。

本発明の一つの実施例において、心拍数検出手段760は、心拍数と関連付けられる信号の周期を検出し、検出された信号の周期の逆数から心拍数を得るために用いられる。例えば、心拍数検出手段760は、従来の自己相関法、閾値法等により、心拍数と関連付けられる信号の周期を検出することが可能である。

図８は、適応フィルタの一般的構造を示す模式図である。図８に示すように、適応フィルタは、主に、パラメータ可変フィルタと、フィルタ係数を調整するパラメータ適応調整手段との二つの部分から構成される。適応フィルタは、設計時に、信号の統計的特性に関する知識を予め知っておく必要がなく、自分の作業中に、必要な統計的特性を徐々に「理解していく」か若しくはそれを推定していくと共に、これを根拠として自身のパラメータを自動的に調整することで、最適なフィルタリング効果を達成することができる。図８において、Ex(n)が所望信号、In(n)が入力信号、Out(n)が出力信号、e(n)が推定誤差であり、e(n) = Ex(n) - Out(n)である。適応フィルタのフィルタ係数は誤差信号に基づいて制御され、e(n)を用いる所定の適応アルゴリズムにより適応係数を調整し、最終的に、e(n)の平均二乗誤差が一番小さくなるようにすると、出力信号は所望信号に最も近くなる。

図７に示すイヤホンにおいて、適応フィルタを用いて第二マイクロホンにより採集された信号に対してフィルタリング処理を行うことで、第一マイクロホンにより採集されたイヤホンスピーカーから発生した信号を正確に推定する。図７に示すように、y1(n)が第二マイクロホン730により採集された信号であり、即ち、適応フィルタリング手段740における入力信号に対応し、y2(n)が適応フィルタリング手段740の出力信号であり、xL(n)が、対応する所望信号を表し、
が誤差信号（主に心拍数信号を含む）に対応する。yL(n)とy1(n)は一定の相関性を有し、適切な伝達関数を設計することで、y1(n)がフィルタリングされて得られた出力信号y2(n)をyL(n)に近づけることが可能である。例えば最小平均二乗誤差準則に従うことが可能であり、誤差信号の平均二乗の所望値が最も小さい場合、出力信号y2(n)によりyL(n)を有効に推定することができる。そうすると、イヤホンスピーカーから発生した信号による心拍数検出への干渉を、第一マイクロホンにより採集された信号から除去することができる。第一マイクロホンからのローパスフィルタリング後の信号から、第二マイクロホンからの適応フィルタリング後の信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号情報
を得て、これを基として、心拍数の検出を行う。心臓の拍動が一定の周期性を有するため、
は一定の周期性を有する信号であり、自己相関法により、当該信号に対応した周期を取得することが可能であり、周期の逆数が即ち心拍数である。

具体的なプロセスは、下記の通りになる。第一マイクロホンにより検出された信号がx(n) = y(n)+d(n)であり、第二マイクロホンにより検出された信号がy1(n)であると仮定する。ここで、y(n)が第一マイクロホンにより採集されたイヤホンスピーカーから発生した信号を表し、d(n)が、血液が流れることで発生した圧力変化信号を表し、y1(n)が第二マイクロホンにより採集されたイヤホンスピーカーから発生した信号を表し、nがサンプリング時点を表す。

x(n)がローパスフィルタリングされると、信号はxL(n) = yL(n)+dL(n)になる。
y1(n)及びy(n)は、いずれもイヤホンスピーカーから発生した信号であり、y1(n)が、第二マイクロホンにより採集されたイヤホンスピーカーから発生した信号に対応し、y(n)が、第一マイクロホンにより採集されたイヤホンスピーカーから発生した信号に対応し、両者は、それぞれに対応した振幅が異なるが、同じ振動周波数を有する。y(n)をx(n)から除去するために、適応フィルタ（衝撃応答は、h(n)）を選択してy1(n)に対してフィルタリングを行い、y2(n) = y1(n) * h(n)を得て、y2(n)を、x(n)がローパスフィルタリングされた後のイヤホンスピーカーから発生した信号yL(n) にできるだけ近づけるようにする。このように、耳道の収縮により発生した信号を
と表すことが可能となる。

フィルタの適応パラメータは、適応アルゴリズムによって取得されるものであり、適応アルゴリズムを実現する様々な方法を用いることができ、例えば、最小平均二乗誤差方法を用いてもよく、その場合、
が最小値を取るようなフィルタ係数を用いる。
を算出してから、当該信号の周期性特徴に基づいて、自己相関法、閾値法等により、その周期を検出することが可能であり、その周期の逆数が即ち心拍数である。

図５又は図７に示す実施例におけるイヤホンにより、人の心拍数を取得することができ、これにより、人の健康状況情報を取得することができ、若しくは、これを根拠として、人々は、具体的な状況に応じて自己自身の運動量を適切な範囲内にコントロールすることができる。

上記実施例に基づいて、本発明におけるイヤホンに適用される心拍数検出方法を挙げる。本発明の方法の実施例における各ステップの具体的な内容については、本発明の製品の実施例の関連記載を参照してもよい。

図９は、本発明の実施例におけるイヤホンに適用される心拍数検出方法のフローチャートである。図９に示すように、当該方法は、
イヤホン内にキャビティを設け、第一マイクロホンをキャビティ内に取付けるステップであって、キャビティの口とイヤホンハウジングとが密着する位置は、イヤホンが装着されたときに人の耳介と密着するイヤホンハウジングの部分にあり、イヤホンハウジングにおける前記キャビティの口と密着する位置に孔を設け、イヤホンが装着されると、前記キャビティと、前記孔と密着する耳介とによって密閉空間が構成されるようにし、イヤホンのイヤホンヘッド部内に更に第二マイクロホンを、例えば図３に示すように、イヤホンヘッド部内におけるスピーカー放音孔に近い位置に設けるステップS910と、
イヤホンを装着して、マイクロホンによって、キャビティ内の圧力変化により発生した信号を採集し、第二マイクロホンによって、イヤホンヘッド部内におけるイヤホンスピーカーから発生した信号を採集するステップS920と、
第二マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、第一マイクロホンにより採集された信号のうちイヤホンスピーカーから発生した信号の第一推定信号を得るステップS930と、
第一マイクロホンにより採集された信号から当該第一推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得るステップS940と、
心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行うステップS950と、を含む。

本発明の一つの実施例において、図９に示す方法は、第一マイクロホンにより採集された信号から第一推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得る前に、更に、第一マイクロホンにより採集された信号に対してローパスフィルタリング処理を行い、ローパスフィルタリング信号を得るステップを含む。その場合、ステップS940における第一マイクロホンにより採集された信号から当該第一推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得る処理は、具体的には、ローパスフィルタリング信号から当該第一推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得る処理を含む。

本発明の一つの実施例において、ステップS930において、第二マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、第一マイクロホンにより採集された信号のうちイヤホンスピーカーから発生した信号の第一推定信号を得る処理は、第二マイクロホンにより採集された信号、心拍数と関連付けられる信号、及び、予め設定された適応アルゴリズムにより、適応フィルタパラメータを算出する処理と、この適応フィルタパラメータにより、第二マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリングを行って当該第一推定信号を得る処理と、を含む。

本発明の一つの実施例において、ステップS950において、心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行う処理は、心拍数と関連付けられる信号の周期を検出し、検出された信号の周期の逆数から心拍数を得る処理を含む。

本発明の一つの実施例において、イヤホンのイヤホンヘッド部内に更に第二マイクロホンを設ける処理は、具体的に、第二マイクロホンをイヤホンスピーカーの振動膜の前方に設けるとともに、第二マイクロホンと振動膜との間に隙間を持たせることで、第二マイクロホンがイヤホンスピーカー発声時の音波伝播経路に位置すると共に、第二マイクロホンとイヤホンスピーカーとが互いに影響し合わないようにしてもよい。

以上をまとめると、本発明の上記実施例における技術構成は、下記の有益な効果を有する。（1）体積が小さな密閉キャビティを設けて第一マイクロホンを配置することで、外部雑音干渉が低減されるとともに、第一マイクロホンにより検出された信号情報が強化された。（2）イヤホンに第二マイクロホンを加えることでイヤホンスピーカーから発生した信号を採集するとともに、適応フィルタを設計することでイヤホンスピーカーから発生した信号による心拍数検出への影響を更に除去するようにした。（3）脈波振動周波数の特徴に基づいてローパスフィルタを設計することで、外部高周波雑音の影響が更に低減された。

また、イヤホンにより心拍数を検出する際には、もう一つの重要な問題が存在いる。それは、外部干渉信号の影響を受けやすいことであり、これも、心拍数の検出に影響してしまう。これに対し、本発明は、更に、下記のような解決策を提供する。

図１０は、本発明の実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。図１０に示すように、この心拍数を検出可能なイヤホン1000は、減算手段1050、心拍数検出手段1060、適応フィルタリング手段1040、イヤホン内に設けられたキャビティ1010、キャビティ1010内に取付けられた第一マイクロホン1020、及び、イヤホンにおける装着者の皮膚に接触しない位置に設けられた第三マイクロホン1030を含み、
ここで、キャビティ1010の口とイヤホンハウジングとが密着する位置は、イヤホンが装着されたときに人の耳介と密着するイヤホンハウジングの部分にあり、キャビティ1010の口と密着するイヤホンハウジングに孔が設けられ、イヤホンが装着されたとき、キャビティと、孔と密着する耳介とによって密閉空間が構成される。

第一マイクロホン1020は、イヤホン1000が装着されたとき、キャビティ1010内の圧力変化により発生した信号を採集して減算手段1050に出力するために用いられる。第三マイクロホン1030は、イヤホンが装着されたとき、外部干渉信号を採集して適応フィルタリング手段1040に出力するために用いられる。適応フィルタリング手段1040は、心拍数と関連付けられる信号に基づいて、第三マイクロホン1030により採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、第一マイクロホン1020により採集された信号のうち外部干渉信号の第二推定信号を得て、減算手段1050に出力するために用いられる。減算手段1050は、マイクロホンにより採集された信号から、適応フィルタリング手段1040から出力された第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得て、心拍数検出手段1060及び適応フィルタリング手段1040に出力するために用いられる。心拍数検出手段1060は、心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行うために用いられる。

第一マイクロホン1020は、キャビティ1010内の圧力変化により発生した信号を採集するときに、外部干渉信号も同時に採集してしまう。そのため、図１０において、第三マイクロホン1030により検出された信号に対して適応フィルタリング処理を行うことで、第三マイクロホン1030により採集された外部干渉信号に基づいて、第一マイクロホン1020により採集された信号のうちの外部干渉信号を正確に推定することができる。その目的は、外部干渉信号による心拍数検出への影響を除去することである。第一マイクロホン1020及び第三マイクロホン1030は、いずれも、外部干渉信号を検出することができ、両方の信号は、周期が一致しているが振幅に差異があるため、適応フィルタを用いてこの差異を除去する必要があり、これにより、外部干渉信号を第一マイクロホン1020により採集された信号から除去し、有効な心拍数情報を取得することができる。

図１０に示す心拍数を検出可能なイヤホン1000において、イヤホン1000内にキャビティ1010を設けて第一マイクロホン1020を配置することで、外部雑音の干渉が低減されるとともに、第一マイクロホン1020により採集された信号情報が強化された。しかし、外部干渉が依然として存在している。これに対して、この心拍数を検出可能なイヤホン1000に、第三マイクロホン1030を加えることで外部干渉信号を採集し、第三マイクロホン1030により採集された信号に対して適応フィルタリングを行い、適応フィルタリング後の第三マイクロホン信号を第一マイクロホン1020により採集された信号から差し引いてから、心拍数検出を行うことで、外部干渉信号による心拍数検出への影響が更に除去された。

本発明の一つの実施例において、図１０に示すイヤホンは、ローパスフィルタを更に含み、当該ローパスフィルタは、第一マイクロホン1020により採集された信号に対してローパスフィルタリング処理を行い、ローパスフィルタリング信号を得てから、減算手段1050に出力するために用いられる。即ち、減算手段1050は、ローパスフィルタリング信号から、適応フィルタリング手段1040から出力された第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得て、心拍数検出手段1060に出力するために用いられる。これは、脈波振動の周波数が低く（0.3Hz〜3Hz程度）、外部雑音の周波数が高いため、この特徴に基づいて、ローパスフィルタにより外部高周波雑音の影響を除去できるからである。例えば、ローパスフィルタとしては、遮断周波数が5HzであるFIRフィルタ等を選択してもよい。イヤホン内に設けられたキャビティ1010、及び、キャビティ1010内に取付けられた第一マイクロホン1020の具体的な構造は、図２Ａ〜２Ｃにおける構造に類似しているため、ここでは説明を繰り返さない。

図１１は、本発明の一つの実施例における第三マイクロホンの配置位置を示す模式図である。人体の皮膚が人体の運動に伴って振動するため、本実施例において、第三マイクロホン1030をイヤホン1000において皮膚に接触しない部位に配置することで、皮膚の振動が第三マイクロホンにより採集された信号に影響を与えてしまうことが回避され、第三マイクロホンの信号採集の正確さが向上する。図１１に示すように、第三マイクロホン1030は、イヤホンにおけるイヤホンヘッド部とイヤホンケーブルとを接続するイヤホン柄に、すなわち、図１１に示すような破線枠で模式的に示されたイヤホンの任意の部位に配置してもよい。

実際に、イヤホンが耳道全体を占有する完全に閉鎖したキャビティを形成できたとしても、外部で広く存在しているインフラサウンドによる心拍数検出への影響は、避けられないものである。これは、インフラサウンドが強い透過力を有するため、このような外部干渉信号は、第一マイクロホン検出されてしまうからである。こうして、第一マイクロホンにより採集されたデータには、血管の脈圧変動により発生した圧力変化情報だけではなく、外部干渉信号も含くまれる。当該第一マイクロホンにより採集された外部干渉信号による心拍数検出への影響を除去するために、本発明では、イヤホンに第三マイクロホンを加え、この第三マイクロホンを、イヤホンにおいて皮膚に接触しない部位に配置し、例えば、図１１中に示す破線枠に示すイヤホン位置に配置する。第三マイクロホンによって、外部干渉信号を採集する。第一マイクロホンにより採集された外部干渉信号と、第三マイクロホンにより採集された外部干渉信号とは、非常に強い相関性を持っており、これを基にして、特定のフィルタを利用して、外部干渉信号の影響を除去することができる。

上記の分析により、もし第一マイクロホンにより検出された信号から、外部干渉信号をフィルタアウトすることができれば、血液が流れることで耳道自身が収縮して発生した信号を得ることができ、この信号が、心臓拍動周波数に関連し、この信号に基づいて、心拍数情報が得られる。第三マイクロホンにより採集された外部干渉信号と、第一マイクロホンにより採集された外部干渉信号とは、非常に強い相関性を持っているが、両者は全く同じではなく、当該信号を第一マイクロホンにより採集された信号から直接に除去することができないため、本実施例は、適応フィルタリング方法を通じて、外部雑音により発生した干渉をフィルタアウトする。

以上をまとめると、本発明の実施例において、まず、体積が小さな密閉キャビティを設けて第一マイクロホンを配置することで、外部雑音干渉が低減されるとともに、第一マイクロホンにより検出された信号情報が強化された。次に、イヤホンに第三マイクロホンを加えることで外部干渉信号を採集するとともに、適応フィルタを設計することで外部干渉による心拍数検出への影響を更に除去するようにした。そして、脈波振動周波数の特徴に基づいてローパスフィルタを設計することで、外部雑音の影響が更に低減された。以下、図１２を例としてさらに説明を行う。

図１２は、本発明の別の実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。図１２に示すように、当該心拍数を検出可能なイヤホン1200は、減算手段1250、心拍数検出手段1260、ローパスフィルタ1270、イヤホンにおける装着者の皮膚に接触しない位置に設けられた第二マイクロホン1230、適応フィルタリング手段1240、イヤホン内に設けられたキャビティ1210、及び、キャビティ1210内に取付けられた第一マイクロホン1220を含む。そのうち、適応フィルタリング手段1240は、パラメータ可変フィルタ1241とパラメータ適応調整手段1242とを含む。

ここで、キャビティ1210の口とイヤホンハウジングとが密着する位置は、イヤホンが装着されたときに人の耳介と密着するイヤホンハウジングの部分にあり、イヤホンハウジングにおけるキャビティ1210の口と密着する位置に孔が設けられ、イヤホンが装着されたとき、キャビティと、孔と密着する耳介とによって密閉空間が構成される。

第一マイクロホン1220は、イヤホン1200が装着されたとき、キャビティ1210内の圧力変化により発生した信号を採集して、ローパスフィルタ1270に出力するために用いられる。第一マイクロホン1220は、キャビティ1210内の圧力変化により発生した信号を採集するときに、外部干渉信号も同時に採集してしまう。ローパスフィルタ1270は、第一マイクロホン1220により採集された信号に対してローパスフィルタリング処理を行い、ローパスフィルタリング信号を得て、減算手段1250に出力するために用いられる。第三マイクロホン1230は、イヤホンが装着されたとき、外部干渉信号を採集して、適応フィルタリング手段1240におけるパラメータ可変フィルタ1241及びパラメータ適応調整手段1242に出力するために用いられる。パラメータ適応調整手段1242は、第三マイクロホン1230により採集された信号、心拍数と関連付けられる信号、及び、予め設定された適応アルゴリズムにより、パラメータ可変フィルタ1241のフィルタパラメータを調整するために用いられる。パラメータ可変フィルタ1241は、フィルタパラメータにより、第三マイクロホン1230により採集された信号に対して適応フィルタリングを行い、第一マイクロホン1220により採集された信号のうち外部干渉信号の第二推定信号を減算手段1250に出力するために用いられる。減算手段1250は、ローパスフィルタから出力された信号から、パラメータ可変フィルタ1241から出力された第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得て、心拍数検出手段1260に出力するために用いられ、減算手段1250は、また、心拍数と関連付けられる信号をパラメータ適応調整手段1242に出力するためにも用いられる。ここで、パラメータ適応調整手段1242は、入力された第三マイクロホン1230により採集された信号、及び、減算手段1250からフィードバックされた心拍数と関連付けられる信号に基づいて、適応アルゴリズムを用いてパラメータ可変フィルタ1241のフィルタパラメータを算出する。心拍数検出手段1260は、心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行うために用いられる。

本発明の一つの実施例において、心拍数検出手段1260は、心拍数と関連付けられる信号の周期を検出し、検出された信号の周期の逆数から心拍数を得るために用いられる。例えば、心拍数検出手段1260は、従来の自己相関法、閾値法等により、心拍数と関連付けられる信号の周期を検出することが可能である。適応フィルタの一般的構造は、図８に示すようになる。

図１２に示すイヤホンにおいて、適応フィルタを用いて、第三マイクロホンにより採集された信号に対してフィルタリング処理を行うことで、第一マイクロホンにより採集された外部干渉信号を正確に推定する。図１２に示すように、y1(n)が第三マイクロホン1230により採集された信号であり、即ち、適応フィルタリング手段1240における入力信号に対応し、y2(n)が適応フィルタリング手段1240の出力信号であり、xL(n)が、対応する所望信号を表し、
が誤差信号（主に心拍数信号を含む）に対応する。yL(n)とy1(n)が一定の相関性を有し、適切な伝達関数を設計することで、y1(n)がフィルタリングされて得られた出力信号y2(n)をyL(n)に近づけることができる。例えば最小平均二乗誤差基準に従うことが可能であり、誤差信号の平均二乗の所望値が最も小さい場合、出力信号y2(n)によりyL(n) を有効に推定することができる。そうすると、外部干渉雑音による心拍数検出への干渉を、第一マイクロホンにより採集された信号から除去し、外部干渉信号の影響を更に除去することができる。第一マイクロホンからのローパスフィルタリング後の信号から、第三マイクロホンからの適応フィルタリング後の信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号情報
を得て、これに基づいて、心拍数の検出を行う。心臓の拍動が一定の周期性を有するため、
は一定の周期性を有する信号であり、自己相関法により、当該信号に対応した周期を取得することが可能であり、周期の逆数が即ち心拍数である。

具体的なプロセスは、下記の通りになる。第一マイクロホンにより検出された信号がx(n) = y(n)+d(n)であり、第三マイクロホンにより検出された信号がy1(n)であると仮定する。そのうち、y(n)が第一マイクロホンにより採集された外部干渉信号を表し、d(n)が、血液が流れることで発生した圧力変化信号を表し、y1(n)が第三マイクロホンにより採集された外部干渉信号を表し、nがサンプリング時点を表す。

x(n)がローパスフィルタリングされると、信号はxL(n) = yL(n)+dL(n)になる。
y1(n)及びy(n)は、いずれも外部干渉信号であり、y1(n)が、第三マイクロホンにより採集された外部干渉信号に対応し、y(n)が、第一マイクロホンにより採集された外部干渉信号に対応し、両者は、それぞれに対応した振幅が異なるが、同じ振動周波数を有する。y(n)をx(n)から除去するために、適応フィルタ（衝撃応答は、h(n)）を選択してy1(n)に対してフィルタリングを行い、y2(n) = y1(n) * h(n)を得て、y2(n)を、x(n)がローパスフィルタリングされた後の外部干渉信号yL(n) にできるだけ近づけるようにする。

このように、耳道の収縮により発生した信号を
と表すことが可能となる。フィルタの適応パラメータは、適応アルゴリズムによって取得されるものであり、適応アルゴリズムを実現する様々な方法を用いることができ、例えば、最小平均二乗誤差方法を用いてもよく、その場合、
が最小値を取るようなフィルタ係数を用いる。
を算出してから、当該信号の周期性特徴に基づいて、自己相関法、閾値法等により、その周期を検出することが可能であり、その周期の逆数が即ち心拍数である。

図１０又は図１２に示す実施例におけるイヤホンにより、人の心拍数を取得することができ、これにより、人の健康状況情報を取得することができ、若しくは、これを根拠として、人々は、具体的な状況に応じて自己自身の運動量を適切な範囲内にコントロールすることができる。

上記実施例に基づいて、本発明におけるイヤホンに適用される心拍数検出方法を挙げる。本発明の方法実施例における各ステップの具体的な内容については、本発明の製品実施例の関連記載を参照してもよい。

図１３は、本発明の実施例におけるイヤホンに適用される心拍数検出方法のフローチャートである。図１３に示すように、当該方法は、
イヤホン内にキャビティを設け、第一マイクロホンをキャビティ内に取付けるステップであって、キャビティの口とイヤホンハウジングとが密着する位置は、イヤホンが装着されたときに人の耳介と密着するイヤホンハウジングの部分にあり、イヤホンハウジングにおけるキャビティの口と密着する位置に孔を設け、イヤホンが装着されると、キャビティと、前記孔と密着する耳介とによって密閉空間が構成されるようにし、イヤホンにおける装着者の皮膚に接触しない位置に更に第三マイクロホンを、例えば図３に示すように、イヤホンにおけるイヤホンヘッド部とイヤホンケーブルとを接続するイヤホン柄に設けるステップS1310と、
イヤホンを装着して、マイクロホンによって、キャビティ内の圧力変化により発生した信号を採集し、第三マイクロホンによって、外部干渉信号を採集するステップS1320と、
第三マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、第一マイクロホンにより採集された信号のうち外部干渉信号の第二推定信号を得るステップS1330と、
第一マイクロホンにより採集された信号から当該第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得るステップS1340と、
心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行うステップS1350とを含む。

本発明の一つの実施例において、図１３に示す方法は、第一マイクロホンにより採集された信号から第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得る前に、更に、第一マイクロホンにより採集された信号に対してローパスフィルタリング処理を行い、ローパスフィルタリング信号を得るステップを含む。その場合、ステップS1340における第一マイクロホンにより採集された信号から当該第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得る処理は、具体的には、ローパスフィルタリング信号から当該第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得る処理を含む。

本発明の一つの実施例において、ステップS1330において、第三マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、第一マイクロホンにより採集された信号のうち外部干渉信号の第二推定信号を得る処理は、第三マイクロホンにより採集された信号、心拍数と関連付けられる信号、及び、予め設定された適応アルゴリズムにより、適応フィルタパラメータを算出する処理と、適応フィルタパラメータにより、第三マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリングを行って、当該第二推定信号を得る処理と、を含む。

本発明の一つの実施例において、ステップS1350において、心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行う処理は、心拍数と関連付けられる信号の周期を検出し、検出された信号の周期の逆数から心拍数を得る処理を含む。

以上をまとめると、本発明技術構成は、下記の有益な効果を有する。（1）体積が小さな密閉キャビティを設けて第一マイクロホンを配置することで、外部雑音干渉が低減されるとともに、第一マイクロホンにより検出された信号情報が強化された。（2）イヤホンに、第三マイクロホンを加えることで外部干渉信号を採集するとともに、適応フィルタを設計することで外部干渉信号による心拍数検出への影響を更に除去するようにした。（3）脈波振動周波数の特徴に基づいてローパスフィルタを設計することで、外部高周波雑音の影響が更に低減された。

本発明の一つの実施例において、イヤホンに、第一マイクロホン、第二マイクロホン及び第三マイクロホンを同時に設けることで、イヤホンスピーカーから発生した信号による心拍数検出への影響、及び、外部干渉信号による心拍数検出への影響を除去する。ここで、三つのマイクロホンの具体的な配置方式は、上記実施例の関連内容を参照されたい。

図１４は、本発明の別の実施例における心拍数を検出可能なイヤホンの構造模式図である。図１４に示すように、心拍数を検出可能なイヤホン1400は、イヤホン内に設けられたキャビティ1410、キャビティ1410内に取付けられた第一マイクロホン1420、第二マイクロホン1430、第一適応フィルタリング手段1440、減算手段1450、心拍数検出手段1460、第三マイクロホン1470、及び、第二適応フィルタリング手段1480を含む。

これで分かるように、図１４に示す実施例は、図５及び図１０に示す実施例における構成を組み合わせたものであり、各機能手段が実現する機能は、図５及び図１０に示す実施例と対応している。ここで、減算手段に対して説明を行う必要がある。減算手段1450は、第一マイクロホンにより採集された信号から、第一推定信号（第二マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリングを行って得られたもの）、及び、第二推定信号（第三マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリングを行って得られたもの）を差し引くために用いられる。減算手段1450が、減算手段550と減算手段1050とをカスケード接続したものに等価すると理解してもよい。即ち、図１４において、減算手段1450を、カスケード接続された第一減算手段及び第二減算手段に置き換えてもよく、このとき、第一マイクロホン1420の出力及び第一適応フィルタリング手段1440の出力が、第一減算手段の入力に接続され、第二適応フィルタリング手段1480の出力及び第一減算手段の出力が、第二減算手段の入力に接続され、第二減算手段は、第一減算手段の出力信号（即ち、第一マイクロホンにより採集された信号から第一推定信号を差し引いて得られた信号）から、第二適応フィルタリング手段1480の出力信号（即ち第二推定信号）を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得て、心拍数検出手段に出力するとともに、第二適応フィルタリング手段1480及び第一適応フィルタリング手段1440にフィードバックするために用いられる。

図１４に示すイヤホンにおいて、イヤホンスピーカーから発生した信号による心拍数検出への影響を除去することもできるし、外部干渉信号による心拍数検出への影響を除去することもできる。

上記したのは、あくまでも本発明の好ましい実施例であり、本発明の保護範囲を限定するためのものではない。本発明の精神及び原則内になされたすべての補正、均等的置換、改良等は、いずれも本発明の保護範囲に含まれるものである。

Claims (15)

1. イヤホン内にキャビティを設け、第一マイクロホンを前記キャビティ内に取付けるステップであって、前記キャビティの口とイヤホンハウジングとが密着する位置は、前記イヤホンが装着されたときに人の耳介と密着する前記イヤホンハウジングの部分にあり、前記イヤホンハウジングにおける前記キャビティの口と密着する位置に孔を設け、前記イヤホンが装着されると、前記キャビティと、前記孔と密着する耳介とによって密閉空間が構成されるようにするステップと、
   前記イヤホンを装着して、前記第一マイクロホンによって、前記キャビティ内の圧力変化により発生した信号を採集するステップと、
   前記第一マイクロホンにより採集された信号を心拍数と関連付けられる信号とするステップと、
   前記心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行うステップと
   を含む、イヤホンに適用される心拍数検出方法。
2. 前記第一マイクロホンにより採集された信号に対してローパスフィルタリング処理を行うことで、高周波干渉信号をフィルタアウトするステップと、
   前記ローパスフィルタリング処理後の信号を前記心拍数と関連付けられる信号とするステップとを更に含み、
   前記心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行う前記ステップは、前記心拍数と関連付けられる信号の周期を検出する処理と、検出された信号の周期の逆数から心拍数を得る処理とを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記イヤホンのイヤホンヘッド部内に第二マイクロホンを更に設けるステップと、
   前記イヤホンを装着して、前記第二マイクロホンによって、前記イヤホンヘッド部内におけるイヤホンスピーカーから発生した信号を採集するステップと、
   前記第二マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、前記第一マイクロホンにより採集された信号のうち前記イヤホンスピーカーから発生した信号の第一推定信号を得るステップと、
   前記第一マイクロホンにより採集された信号から前記第一推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得るステップとを更に含む請求項１に記載の方法。
4. 前記第二マイクロホンにより採集された信号に対する前記適応フィルタリング処理を行って、前記第一マイクロホンにより採集された信号のうち前記イヤホンスピーカーから発生した信号の第一推定信号を得るステップは、
   前記第二マイクロホンにより採集された信号と、前記心拍数と関連付けられる信号と、予め設定された適応アルゴリズムとにより適応フィルタパラメータを算出する処理と、
   前記適応フィルタパラメータにより、前記第二マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリングを行って、前記第一推定信号を得る処理とを含む請求項３に記載の方法。
5. 前記イヤホンにおける装着者の皮膚に接触しない位置に第三マイクロホンを更に設けるステップと、
   前記イヤホンを装着して、前記第三マイクロホンによって、外部干渉信号を採集するステップと、
   前記第三マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、前記第一マイクロホンにより採集された信号のうち外部干渉信号の第二推定信号を得るステップとを更に含み、
   前記第一マイクロホンにより採集された信号を心拍数と関連付けられる信号とする前記ステップは、前記第一マイクロホンにより採集された信号から前記第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得る処理を含み、
   前記第一マイクロホンにより採集された信号から前記第一推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得る前記ステップは、前記第一マイクロホンにより採集された信号から、前記第一推定信号及び前記第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得る処理を含む請求項３に記載の方法。
6. 前記第三マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、前記第一マイクロホンにより採集された信号のうち外部干渉信号の第二推定信号を得る前記ステップは、
   前記第三マイクロホンにより採集された信号と、前記心拍数と関連付けられる信号と、予め設定された適応アルゴリズムとにより適応フィルタパラメータを算出する処理と、
   前記適応フィルタパラメータにより、前記第三マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリングを行って、前記第二推定信号を得る処理とを含む請求項５に記載の方法。
7. 心拍数検出手段と、内部に設けられたキャビティと、前記キャビティ内に取付けられた第一マイクロホンとを含むイヤホンであって、
   前記キャビティの口とイヤホンハウジングとが密着する位置は、前記イヤホンが装着されたときに人の耳介と密着する前記イヤホンハウジングの部分にあり、前記イヤホンハウジングにおける前記キャビティの口と密着する位置に孔が設けられ、前記イヤホンが装着されたとき、前記キャビティと、前記孔と密着する耳介とによって密閉空間が構成され、
   前記第一マイクロホンは、前記イヤホンが装着されたとき、前記キャビティ内の圧力変化により発生した信号を採集するために用いられ、前記第一マイクロホンにより採集された信号が心拍数と関連付けられる信号とされ、
   前記心拍数検出手段は、前記心拍数と関連付けられる信号に基づいて心拍数検出を行うために用いられる、心拍数を検出可能なイヤホン。
8. 前記第一マイクロホンにより採集された信号に対してローパスフィルタリング処理を行うことで、高周波干渉信号をフィルタアウトするためのローパスフィルタを更に含み、
   ローパスフィルタリング処理後の信号が前記心拍数と関連付けられる信号とされる請求項７に記載のイヤホン。
9. 前記心拍数検出手段は、前記心拍数と関連付けられる信号の周期を検出し、検出された信号の周期の逆数から心拍数を得るために用いられる請求項７に記載のイヤホン。
10. 第一減算手段と、第一適応フィルタリング手段と、前記イヤホンのイヤホンヘッド部内に設けられた第二マイクロホンとを更に含み、
    前記第二マイクロホンは、前記イヤホンが装着されたとき、イヤホンスピーカーから発生した信号を採集して、前記第一適応フィルタリング手段に出力するために用いられ、
    前記第一適応フィルタリング手段は、前記心拍数と関連付けられる信号に基づいて、前記第二マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、前記第一マイクロホンにより採集された信号のうち前記イヤホンスピーカーから発生した信号の第一推定信号を得てから、前記第一減算手段に出力するために用いられ、
    前記第一減算手段は、前記第一マイクロホンにより採集された信号から前記第一推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得て、前記心拍数検出手段及び前記第一適応フィルタリング手段に出力するために用いられる、請求項７に記載のイヤホン。
11. 前記第二マイクロホンを前記イヤホンスピーカーの振動膜の前方に設けるとともに、前記第二マイクロホンと振動膜との間に隙間を持たせることで、前記第二マイクロホンが前記イヤホンスピーカー発声時の音波伝播経路に位置すると共に、前記第二マイクロホンと前記イヤホンスピーカーとが互いに影響し合わないようにする請求項１０に記載のイヤホン。
12. 前記第一適応フィルタリング手段は、第一パラメータ可変フィルタと第一パラメータ適応調整手段とを含み、
    前記第二マイクロホンは、採集された信号を、前記第一パラメータ可変フィルタ及び前記第一パラメータ適応調整手段に出力するために用いられ、
    前記第一減算手段は、前記心拍数と関連付けられる信号を前記第一パラメータ適応調整手段に出力するために用いられ、
    前記第一パラメータ適応調整手段は、前記第二マイクロホンにより採集された信号、心拍数と関連付けられる信号、及び、予め設定された適応アルゴリズムにより、前記第一パラメータ可変フィルタのフィルタパラメータを調整するために用いられ、
    前記第一パラメータ可変フィルタは、フィルタパラメータにより、前記第二マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリングを行い、前記第一マイクロホンにより採集された信号のうち前記イヤホンスピーカーから発生した信号の第一推定信号を、前記第一減算手段に出力するために用いられる請求項１０に記載のイヤホン。
13. 第二減算手段と、第二適応フィルタリング手段と、前記イヤホンにおける装着者の皮膚に接触しない位置に設けられた第三マイクロホンとを更に含み、
    前記第三マイクロホンは、前記イヤホンが装着されたとき、外部干渉信号を採集して、前記第二適応フィルタリング手段に出力するために用いられ、
    前記第二適応フィルタリング手段は、前記心拍数と関連付けられる信号に基づいて、前記第三マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリング処理を行って、前記第一マイクロホンにより採集された信号のうち外部干渉信号の第二推定信号を得てから、前記第二減算手段に出力するために用いられ、
    前記第二減算手段は、前記第一マイクロホンにより採集された信号から前記第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得て、前記心拍数検出手段及び前記第二適応フィルタリング手段に出力するために用いられるか、若しくは、前記第一マイクロホンにより採集された信号から前記第一推定信号を差し引いて得られた信号から、前記第二推定信号を差し引いて、心拍数と関連付けられる信号を得て、当該心拍数と関連付けられる信号を前記心拍数検出手段、前記第二適応フィルタリング手段及び前記第一適応フィルタリング手段に出力するために用いられる請求項１０に記載のイヤホン。
14. 前記第三マイクロホンは、前記イヤホンにおけるイヤホンヘッド部とイヤホンケーブルとを接続するイヤホン柄に設けられている請求項１３に記載のイヤホン。
15. 前記第二適応フィルタリング手段は、第二パラメータ可変フィルタと第二パラメータ適応調整手段とを含み、
    前記第三マイクロホンは、採集された信号を前記第二パラメータ可変フィルタ及び前記第二パラメータ適応調整手段に出力するために用いられ、
    前記第二減算手段は、前記心拍数と関連付けられる信号を前記第二パラメータ適応調整手段に出力するために用いられ、
    前記第二パラメータ適応調整手段は、前記第三マイクロホンにより採集された信号と、前記心拍数と関連付けられる信号と、予め設定された適応アルゴリズムにより前記第二パラメータ可変フィルタのフィルタパラメータとを調整するために用いられ、
    前記第二パラメータ可変フィルタは、前記フィルタパラメータにより、前記第三マイクロホンにより採集された信号に対して適応フィルタリングを行い、前記第一マイクロホンにより採集された信号のうち外部干渉信号の第二推定信号を前記第二減算手段に出力するために用いられる請求項１３に記載のイヤホン。