TWI573561B - 生物訊號量測系統、方法及耳機 - Google Patents

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政 李
吳國揚
許文彬
鍾享陵
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Description

生物訊號量測系統、方法及耳機
本發明涉及生物訊號量測領域，更具體的是涉及一種提高生物訊號量測準確度的系統、方法及耳機。
一種現有的生物訊號監測耳機，用以監測心率變異度及心跳率，其包括一耳機、一光源及一光感測器，耳機具有一透光材質的耳塞，其係將耳機置入耳道內以形成暗房，接著令光源穿透耳塞，在照射耳道內的皮膚後反射，再由光感測器感應光源於一段時間內的變化以獲得一光體積變化信號(Photoplethys mography，PPG)，藉此解讀心跳率(Heart Rate)。
運動時，使用者配戴脈搏監測耳機來監控心跳率的變化，以維持較佳的運動強度，藉此達到較安全有效率的訓練，如慢跑，為了能持續長時間跑動或是維持一定的運動強度，可利用脈搏監測耳機提供的心跳率來決定跑速。
惟，運動時身體勢必會產生震動，此時耳機於耳道內隨著身體震動時，會間歇性的與耳道內壁產生縫隙，該縫隙將使耳道外的光源進入耳道內產生光噪，使光感測器無法準確測量耳道內的光體 積變化，產生誤差。
因此本發明生物訊號量測系統、方法及耳機就是為了克服上述缺陷，其係能夠克服光噪所造成的誤差，提高動態生物訊號量測的準確度。
本發明之目的係針對上述習知的不足提出一種提高動態生物訊號量測的準確度的生物訊號量測系統、方法及耳機。
為達成所述目的，本發明公開一種生物訊號量測系統，包括複數光源，分別向受測者皮膚表層內照射。複數光感測器，分別接收由皮膚內向外反射的複數光源並轉換成複數訊號。一處理器模組，接收複數訊號並計算各訊號之間的相關係數以結合成單一PPG訊號。
所述相關係數的計算公式為：
Rxy為每兩個訊號為一組的相關係數，其中x及y分別為對應光感測器之訊號；若所有相關係數Rxy在一容許值內時，將複數訊號相加成為一PPG訊號，若否，以下列公式計算複數訊號x、y及相關係數Rxy以產生各組所得訊號Sxy：Sxy=(1-Rxy)(x+y)
Sxy為每兩個訊號為一組作為計算之所得訊號，其中x及y分別為對應光感測器之訊號。
接著再將各組所得訊號Sxy相加產生PPG訊號。
進一步，其中PPG訊號經過快速傅立葉轉換之後進行心律估算與檢測。
在一實施例中，其中所述複數光感測器包括第一光感測器用以輸入第一感測訊號S1、第二光感測器用以輸入第二感測訊號S2及第三光感測器用以輸入第三感測訊號S3，經雜訊消除後，執行運算各訊號間兩兩的相關係數可得相關係數R12、R23及R31，運算出相關係數後，設定當相關係數在容許值內時，以下列公式算出PPG訊號：PPG訊號=S1+S2+S3
若否，以下列公式計算複數訊號及相關係數：PPG訊號=(1-R12)(S1+S2)+(1-R23)(S2+S3)+(1-R31)(S1+S3)
接著獲得PPG訊號後進行快速傅立葉轉換以及心律估算與檢測。
進一步，生物訊號量測系統包括一重力感測器，用以感測震動後產生一運動訊號並傳送至處理器模組，處理器模組處理PPG訊號以使振幅接近運動訊號的振幅，之後處理PPG訊號與運動訊號以產生一運動化後的PPG訊號。
進一步，生物訊號量測系統其中所述處理器模組與複數光感測器之間設置一類比前端感測器。
進一步，生物訊號量測系統包括一快閃儲存器及一無線通訊模組，快閃儲存器執行儲存處理器模組所運算的心律資訊，無線通訊 模組執行處理器模組與其他電子設備的溝通。
一種生物訊號量測耳機，包括一耳機殼，收容一處理器模組。一入耳部，設有一可透光的耳塞。複數光源，設置於入耳部，其光線分別於入耳部之徑向上以不同角度穿過耳塞。複數光感測器，分別接收複數光源以產生複數訊號。一處理器模組，接收複數訊號並計算各訊號之間的相關係數以結合成單一PPG訊號。其中，各訊號之間的相關係數為：
Rxy為每兩個訊號為一組的相關係數，其中x及y分別為對應光感測器之訊號；若所有相關係數Rxy在一容許值內時，將複數訊號相加成為一PPG訊號，若否，以下列公式計算複數訊號x、y及相關係數Rxy以產生各組所得訊號Sxy：Sxy=(1-Rxy)(x+y)
Sxy為每兩個訊號為一組作為計算之所得訊號，其中x及y分別為對應光感測器之訊號。
接著再將各組所得訊號Sxy相加產生PPG訊號。
且進一步，所述光感測器設置為三個，其沿著入耳部徑向間隔120度。
一種生物訊號量測方法，包括：(1)獲取複數光感測訊號，並對複數訊號分別進行高通濾波、低通濾波、直流濾波和一般化； (2)以兩兩一組的組合方式分別計算複數訊號以產生相關係數，公式為：
其中，Rxy為每兩個訊號為一組的相關係數，其中x及y分別為對應光感測器之訊號；(3)若所有相關係數Rxy在一容許值內時，將複數訊號相加成為一PPG訊號，若否，以下列公式計算複數訊號x、y及相關係數Rxy以產生各組所得訊號Sxy：Sxy=(1-Rxy)(x+y)
Sxy為每兩個訊號為一組作為計算之所得訊號，其中x及y分別為對應光感測器之訊號。
接著再將各組所得訊號Sxy相加產生一PPG訊號。
綜上所述，與現有技術相比，本發明之生物訊號量測系統、方法及耳機利於在運動過程中量測，克服了光噪所造成的誤差，提高了動態生物訊號量測的準確度。
1‧‧‧生物訊號量測系統
10‧‧‧複數光源
11‧‧‧光感測器
12‧‧‧處理器模組
13‧‧‧重力感測器
14‧‧‧類比前端感測
15‧‧‧快閃儲存器
16‧‧‧無線通訊模組
2‧‧‧生物訊號量測耳機
21‧‧‧耳機殼
22‧‧‧入耳部
221‧‧‧耳塞
23‧‧‧光源
24‧‧‧光感測器
S1‧‧‧第一感測訊號
S2‧‧‧第二感測訊號
S3‧‧‧第三感測訊號
第一圖是本發明生物訊號量測系統之電路方塊圖。
第二圖是本發明生物訊號量測方法之步驟流程圖。
第三圖是本發明之原始感測訊號示意圖。
第四圖是本發明之原始感測訊號經高通濾波後之訊號示意圖。
第五圖是本發明經高通濾波後之感測訊號再經低通濾波後之訊號 示意圖。
第六圖是本發明經低通濾波後之感測訊號再經直流濾波後之訊號示意圖。
第七圖是本發明生物訊號量測方法之詳細步驟流程圖。
第八圖是本發明生物訊號量測耳機之立體圖。
第九圖是本發明生物訊號量測耳機之立體分解圖。
為詳細說明本發明之技術內容、構造特徵、所達成目的及功效，以下茲舉例並配合圖式詳予說明。
本發明公開一種生物訊號量測系統、方法及耳機，其係根據多組訊號的相關係數以結合成單一PPG訊號，藉此提高生物訊號量測的準確度。
請參閱第一圖，生物訊號量測系統1包括複數光源10、複數光感測器11及一處理器模組12。
複數光源10用以分別向受測者皮膚表層照射，且分別照射不同區塊，使光源穿透皮膚後由組織內部向外反射，再分別透過複數光感測器11由皮膚的不同區塊接收內部向外反射的光源並轉換成複數訊號，藉此取得皮膚不同區塊的感測訊號，處理器模組12接收複數訊號並處理複數訊號後產生一心律值。
請參閱第二圖至第六圖，具體的，接收到的複數訊號之間因感測部位不同，以及感測過程中的光噪影響，會產生光源接收的差異，因此，藉由比較各訊號的相關係數可以了解各部位受光噪影響的差異。
本發明生物訊號量測方法如下：當接收到各感測訊號時，將會先進行雜訊消除，雜訊消除包括對感測訊號進行高通濾波，接著對訊號進行低通濾波，再來進行直流濾波，之後分別降低取樣頻率(Down Sampling)，然後將各感測訊號一般化(Normalize PPG Amplitude)，使得振幅與能量大小接近，振幅能量大小接近的訊號經由相關係數的判斷以結合成一PPG訊號，並將所獲得的PPG訊號進行快速傅立葉轉換，以將訊號從時域轉為頻域，再將PPG訊號參數經過心律估算與檢測求得心率值。
相關係數的判斷與複數訊號的結合方法如下：首先，以下列相關係數公式計算複數訊號：
其中，Rxy為每兩個訊號為一組的相關係數，其中x及y分別為對應光感測器之訊號。
若所有相關係數Rxy在一容許值內時，例如所有相關係數Rxy大於或等於容許值時，將複數訊號相加成為一PPG訊號，若否，以下列公式計算複數訊號x、y及相關係數Rxy以產生各組所得訊號Sxy：Sxy=(1-Rxy)(x+y)
Sxy為每兩個訊號為一組作為計算之所得訊號，其中x及y分別為對應光感測器之訊號。
接著再將全部所得訊號Sxy相加獲得一PPG訊號。
請再參閱第一圖，進一步，所述生物訊號量測系統1包括一重力感測器13，感測震動用以獲得一運動訊號並傳送至處理器模組12，並用以執行運動訊號與PPG訊號的一般化(norma lize)，其是因為PPG訊號與運動訊號之能量相差太多的話會造成心律量測的誤差，故為了使能量接近，執行與運動訊號一般化以後可得到運動化後的PPG訊號，使PPG訊號與運動訊號的振幅大小接近，提高心律估算與檢測的準確度。
進一步，處理器模組12與複數光感測器11之間設置一類比前端感測器14，用以接收複數光感測器11的感測訊號，將偵測到的訊號放大，並從類比訊號轉換成數位訊號。
進一步，生物訊號量測系統1包括一快閃儲存器15及一無線通訊模組16，快閃儲存器15執行儲存處理器模組12所運算的心律資訊，無線通訊模組16執行處理器模組12與其他電子設備的溝通。
在一具體實施例中，複數光感測器11包括第一光感測器用以輸入第一感測訊號S1、第二光感測器用以輸入第二感測訊號S2及第三光感測器用以輸入第三感測訊號S3，經雜訊消除後，執行運算各訊號間兩兩組合的相關係數可得相關係數R12、R23及R31，其中R12為第一感測訊號S1和第二感測訊號S2的相關係數、R23為第二感測訊號S2和第三感測訊號S3的相關係數、R31為第三感測訊號S3和第一感測訊號S1的相關係數，運算出相關係數後，設定當相關係數在容許值內時，例如 所有相關係數均大於或等於0．4時，以下列公式算出PPG訊號，即將複數訊號相加成為PPG訊號：PPG訊號=S1+S2+S3
若所有相關係數有一非大於或等於0.4時，以下列公式計算複數訊號及相關係數：PPG訊號=(1-R12)(S1+S2)+(1-R23)(S2+S3)+(1-R31)(S1+S3)
接著獲得PPG訊號後進行快速傅立葉轉換以及心律估算與檢測。
請參閱第七圖，一種生物訊號量測方法的詳細步驟流程圖，包括如下步驟：(1)獲取複數光感測訊號，並對複數訊號分別進行高通濾波、低通濾波、直流濾波和一般化；(2)以兩兩一組的組合方式分別計算複數訊號以產生相關係數，公式為：
其中，Rxy為每兩個訊號為一組的相關係數，其中x及y分別為對應光感測器之訊號；(3)若所有相關係數Rxy在一容許值內時，複數訊號相加成為一PPG訊號，若否，以下列公式計算複數訊號x、y及相關係數Rxy以產生各組所得訊號Sxy： Sxy=(1-Rxy)(x+y)
Sxy為每兩個訊號為一組作為計算之所得訊號，其中x及y分別為對應光感測器之訊號。
接著再將各組所得訊號Sxy相加產生一PPG訊號。
(4)執行將PPG訊號進行快速傅立葉轉換以估算心律求得心率值。
請參閱第八圖及第九圖，一種生物訊號量測耳機2，其包括一耳機殼21、一入耳部22、複數光源23、複數光感測器24，其中，耳機殼21收容處理器模組12，入耳部22被設置成可以伸入受測者耳道並設有一可透光的耳塞221，複數光源23設置於入耳部22，其光線分別以不同角度穿過耳塞221，複數光感測器24分別接收入耳部22內不同皮膚部位所向外反射的複數光源23以產生複數訊號，處理器模組12接收複數訊號後對複數訊號分別進行高通濾波、低通濾波、直流濾波和一般化並計算各訊號之間的相關係數以結合成單一PPG訊號，最後，將PPG訊號快速傅立葉轉換後以估算心律。
所述生物訊號量測耳機2的耳塞221可選擇為可透光的矽膠材質。
且進一步說明，當生物訊號量測耳機2晃動時，為了能比較耳道內光噪影響的程度，複數光感測器24設置為平均分布於入耳部22表面上，例如光感測器24設置為三個，其沿著入耳部22徑向間隔120度，當生物訊號量測耳機2向上晃動時，位在上方的光感測器24則較靠近耳道皮膚，接收的光噪則較弱，而兩 組位在下方的光感測器24，因遠離皮膚，接收的光噪較強；反之，當耳機向下晃動時，位在下方的光感測器24接收的光噪則較弱，位在上方的光感測器24接收的光噪較強，藉此，所述三個光感測器24的相關係數可以反應出光噪影響的程度。
與現有技術相比，本發明之生物訊號量測系統、方法及耳機利於在運動過程中量測，克服了光噪所造成的誤差，提高了動態生物訊號量測的準確度。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述僅為本創作之較佳可行實施例，非因此即侷限本創作之專利範圍，故舉凡運用本創作說明書及圖式內容所為之等效結構變化，均同理皆包含於本創作之範圍內，合予陳明。

Claims (10)

  1. 一種生物訊號量測系統，包括：複數光源，分別向受測者皮膚表層內照射；複數光感測器，分別接收由皮膚內向外反射的複數光源並轉換成複數訊號；一處理器模組，接收複數訊號並計算各訊號之間的相關係數以結合成單一PPG訊號，所述相關係數的計算公式為： Rxy為每兩個訊號為一組的相關係數，其中x及y分別為對應光感測器之訊號；若所有相關係數Rxy在一容許值內時，將複數訊號相加成為一PPG訊號，若否，以下列公式計算複數訊號x、y及相關係數Rxy以產生各組所得訊號Sxy：Sxy=(1-Rxy)(x+y)Sxy為每兩個訊號為一組作為計算之所得訊號，其中x及y分別為對應光感測器之訊號。接著再將各組所得訊號Sxy相加產生PPG訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之生物訊號量測系統，其中PPG訊號經過快速傅立葉轉換之後進行心律估算與檢測。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之生物訊號量測系統，其中所述複數光感測器包括第一光感測器用以輸入第一感測訊號S1、第二光感測器用以輸入第二感測訊號S2及第三光感測器用以輸入第三 感測訊號S3，經雜訊消除後，執行運算各訊號間兩兩的相關係數可得相關係數R12、R23及R31，運算出相關係數後，設定當相關係數在容許值內時，以下列公式算出PPG訊號：PPG訊號=S1+S2+S3若否，以下列公式計算複數訊號及相關係數：PPG訊號=(1-R12)(S1+S2)+(1-R23)(S2+S3)+(1-R31)(S1+S3)接著獲得PPG訊號後進行快速傅立葉轉換以及心律估算與檢測。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之生物訊號量測系統，進一步包括一重力感測器，用以感測震動後產生一運動訊號並傳送至處理器模組，處理器模組處理PPG訊號以使振幅接近運動訊號的振幅，之後處理PPG訊號與運動訊號以產生一運動化後的PPG訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之生物訊號量測系統，所述處理器模組與複數光感測器之間設置一類比前端感測器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之生物訊號量測系統，進一步包括一快閃儲存器及一無線通訊模組，快閃儲存器執行儲存處理器模組所運算的心律資訊，無線通訊模組執行處理器模組與其他電子設備的溝通。
  7. 一種生物訊號量測耳機，包括：一耳機殼，收容一處理器模組；一入耳部，設有一可透光的耳塞；複數光源，設置於入耳部，其光線分別於入耳部之徑向上以不同角度穿過耳塞；複數光感測器，分別接收複數光源以產生複數訊號； 一處理器模組，接收複數訊號並計算各訊號之間的相關係數以結合成單一PPG訊號；其中，各訊號之間的相關係數為： Rxy為每兩個訊號為一組的相關係數，其中x及y分別為對應光感測器之訊號；若所有相關係數Rxy在一容許值內時，將複數訊號相加成為一PPG訊號，若否，以下列公式計算複數訊號x、y及相關係數Rxy以產生各組所得訊號Sxy：Sxy=(1-Rxy)(x+y)Sxy為每兩個訊號為一組作為計算之所得訊號，其中x及y分別為對應光感測器之訊號。接著再將各組所得訊號Sxy相加產生PPG訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之生物訊號量測耳機，進一步包括一重力感測器，用以感測震動獲得一運動訊號並傳送至處理器模組，處理器模組處理PPG訊號以使振幅接近運動訊號的振幅，之後處理PPG訊號與運動訊號以產生一運動化後的PPG訊號。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之生物訊號量測耳機，所述光感測器設置為三個，其沿著入耳部徑向間隔120度。
  10. 一種生物訊號量測方法，包括：(1)獲取複數光感測訊號，並對複數訊號分別進行高通濾波、低通濾波、直流濾波和一般化；(2)以兩兩一組的組合方式分別計算複數訊號以產生相關係數，公式為： 其中，Rxy為每兩個訊號為一組的相關係數，其中x及y分別為對應光感測器之訊號；(3)若所有相關係數Rxy在一容許值內時，將複數訊號相加成為一PPG訊號，若否，以下列公式計算複數訊號x、y及相關係數Rxy以產生各組所得訊號Sxy：Sxy=(1-Rxy)(x+y)Sxy為每兩個訊號為一組作為計算之所得訊號，其中x及y分別為對應光感測器之訊號。接著再將各組所得訊號Sxy相加產生一PPG訊號。
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