技术领域
[0001] 本
发明涉及生物
信号量测领域，更具体的是涉及一种提高生物信号量测准确度的系统、方法及耳机。
背景技术
[0002] 一种现有的生物信号监测耳机，用以监测心率变异度及心跳率，包括一耳机、一
光源及一光
传感器，耳机具有一透光材质的耳塞，将耳塞置入耳道内以形成暗房，接着令光源穿透耳塞，在照射耳道内的
皮肤后反射，再由光传感器感应光源于一段时间内的变化以获得一光体积变化信号(Photoplethysmography，PPG)，借此解读心跳率(Heart Rate)。
[0003] 运动时，使用者配戴
脉搏监测耳机来监控心跳率的变化，以维持较佳的运动强度，借此达到较安全有效率的训练，如慢跑，为了能持续长时间跑动或是维持一定的运动强度，能够利用脉搏监测耳机提供的心跳率来决定跑速。
[0004] 但是，运动时身体势必会产生震动，此时耳机于耳道内随着身体震动时，会间歇性的与耳道内壁产生缝隙，该缝隙将使耳道外的光源进入耳道内产生光噪，使光传感器无法准确测量耳道内的光体积变化，产生误差。
[0005] 因此本发明生物信号量测系统、方法及耳机就是为了克服所述
缺陷，能够克服光噪所造成的误差，提高动态生物信号量测的准确度。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对所述现有的生物信号监测耳机的不足提出一种提高动态生物信号量测的准确度的生物信号量测系统、方法及耳机。
[0007] 为达成所述目的，本发明公开一种生物信号量测系统，包括若干光源，分别向受测者皮肤表层内照射；若干光传感器，分别接收由皮肤内向外反射的若干光源并转换成若干信号；一处理器模
块，接收若干信号并计算各信号之间的相关系数以结合成单一PPG信号；所述相关系数的计算公式为：
[0008]
[0009] Rxy为每两个信号为一组的相关系数，其中x及y分别为对应感测信号的信号值；若所有相关系数Rxy在一容许值内时，将所有感测信号相加成为一PPG信号，若否，以下列公式计算若干信号x、y及相关系数Rxy以产生各组所得信号Sxy：
[0010] Sxy＝(1-Rxy)(x+y)
[0011] 接着在将各组所得信号Sxy相加产生PPG信号。
[0012] 作为进一步的改进，其中PPG信号经过快速
傅立叶变换之后进行心律估算与检测。
[0013] 在一实施方式中，其中所述若干光传感器包括第一光传感器用以输入第一感测信号S1、第二光传感器用以输入第二感测信号S2及第三光传感器用以输入第三感测信号S3，经噪声消除后，执行运算各信号间两两的相关系数能够得到相关系数R12、R23及R31，运算出相关系数后，设定当相关系数在容许值内时，以下列公式算出PPG信号：
[0014] PPG信号＝S1+S2+S3
[0015] 若否，以下列公式计算若干信号及相关系数：
[0016] PPG信号＝(1-R12)(S1+S2)+(1-R23)(S2+S3)+(1-R31)(S1+S3)
[0017] 接着获得PPG信号后进行
快速傅立叶变换以及心律估算与检测。
[0018] 进一步，生物信号量测系统包括一重
力传感器，用以感测震动后产生一运动信号并传送至处理器模块，处理器模块处理PPG信号以使振幅接近运动信号的振幅，之后处理PPG信号与运动信号以产生一运动化后的PPG信号。
[0019] 进一步，生物信号量测系统其中所述处理器模块与若干光传感器之间设置一模拟前端传感器。
[0020] 进一步，生物信号量测系统包括一快闪储存器及一
无线通信模块，快闪储存器执行储存处理器模块所运算的心律信息，无线通信模块执行处理器模块与其他
电子设备的沟通。
[0021] 一种生物信号量测耳机，包括一耳机壳；一入耳部，设置于耳机壳的一侧；一能够透光的耳塞，设置于入耳部的自由端；若干光源，设置于入耳部，其光线分别于入耳部的径向上以不同
角度穿过耳塞；若干光传感器，设置于入耳部，分别接收若干光源以产生若干信号；一处理器模块，设置于耳机壳，接收若干信号并计算各信号之间的相关系数以结合成单一PPG信号；其中，各信号之间的相关系数为：
[0022]
[0023] Rxy为每两个信号为一组的相关系数，其中x及y分别为对应感测信号的信号值；若所有相关系数Rxy在一容许值内时，将所有感测信号相加成为一PPG信号，若否，以下列公式计算若干信号x、y及相关系数Rxy以产生各组所得信号Sxy：
[0024] Sxy＝(1-Rxy)(x+y)
[0025] 接着在将各组所得信号Sxy相加产生PPG信号。
[0026] 且进一步，所述光传感器设置为三个，平均分布于入耳部表面上，并沿着入耳部径向间隔120度。
[0027] 一种生物信号量测方法，包括：
[0028] (1)获取若干光感测信号，并对若干信号分别进行高通滤波、低通滤波、直流滤波和一般化；
[0029] (2)以两两一组的组合方式分别计算若干信号以产生相关系数，公式为：
[0030]
[0031] 其中，Rxy为每两个信号为一组的相关系数，其中x及y分别为对应感测信号的信号值；
[0032] (3)若所有相关系数Rxy在一容许值内时，将所有感测信号相加成为一PPG信号，若否，以下列公式计算若干信号x、y及相关系数Rxy以产生各组所得信号Sxy：
[0033] Sxy＝(1-Rxy)(x+y)
[0034] 接着在将各组所得信号Sxy相加产生一PPG信号。
[0035] 综上所述，与
现有技术相比，本发明的生物信号量测系统、方法及耳机利于在运动过程中量测，克服了光噪所造成的误差，提高了动态生物信号量测的准确度。
附图说明
[0036] 图1是本发明生物信号量测系统的
电路方块图。
[0037] 图2是本发明生物信号量测方法的步骤
流程图。
[0038] 图3是本发明的原始感测信号示意图。
[0039] 图4是本发明的原始感测信号经高通滤波后的信号示意图。
[0040] 图5是本发明经高通滤波后的感测信号再经低通滤波后的信号示意图。
[0041] 图6是本发明经低通滤波后的感测信号再经直流滤波后的信号示意图。
[0042] 图7是本发明生物信号量测方法的详细步骤流程图。
[0043] 图8是本发明生物信号量测耳机的立体图。
[0044] 图9是本发明生物信号量测耳机的立体分解图。
[0045] 图中各附图标记说明如下。
[0046] 生物信号量测系统 1 光源 10
[0047] 光传感器 11 处理器模块 12
[0048] 重力传感器 13 模拟前端感测器 14
[0049] 快闪储存器 15 无线通信模块 16
[0050] 生物信号量测耳机 2 耳机壳 21
[0051] 入耳部 22 耳塞 221
[0052] 光源 23 光传感器 24
[0053] 第一感测信号 S1 第二感测信号 S2
[0054] 第三感测信号 S3。
具体实施方式
[0055] 为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，以下兹举例并配合附图详予说明。
[0056] 本发明公开一种生物信号量测系统、方法及耳机，是根据多组信号的相关系数以结合成单一PPG信号，借此提高生物信号量测的准确度。
[0057] 请参阅图1，生物信号量测系统1包括若干光源10、若干光传感器11及一处理器模块12。
[0058] 若干光源10用以分别向受测者皮肤表层照射，且分别照射不同区块，使光源穿透皮肤后由组织内部向外反射，再分别透过若干光传感器11由皮肤的不同区块接收内部向外反射的光源并转换成若干信号，借此取得皮肤不同区块的感测信号，处理器模块12接收若干信号并处理若干信号后产生一心律值。
[0059] 请参阅图2至图6，具体的，接收到的若干信号之间因感测部位不同，以及感测过程中的光噪影响，会产生光源接收的差异，因此，通过比较各信号的相关系数能够了解各部位受光噪影响的差异。
[0060] 本发明生物信号量测方法如下：当接收到各感测信号时，将会先进行噪声消除，噪声消除包括对感测信号进行高通滤波，接着对信号进行低通滤波，再来进行直流滤波，之后分别降低取样
频率(Down Sampling)，然后将各感测信号一般化(Normalize PPG Amplitude)，使得振幅与
能量大小接近，振幅能量大小接近的信号经由相关系数的判断以结合成一PPG信号，并将所获得的PPG信号进行快速傅立叶变换，以将信号从时域转为频域，再将PPG信号参数经过心律估算与检测求得心率值。
[0061] 相关系数的判断与若干信号的结合方法如下：首先，以下列相关系数公式计算若干信号：
[0062]
[0063] 其中，Rxy为每两个信号为一组的相关系数，其中x及y分别为对应感测信号的信号值。
[0064] 若所有相关系数Rxy在一容许值内时，例如所有相关系数Rxy大于或等于容许值时，将所有感测信号相加成为一PPG信号，若否，以下列公式计算若干信号x、y及相关系数Rxy以产生各组所得信号Sxy：
[0065] Sxy＝(1-Rxy)(x+y)
[0066] 接着在将全部所得信号Sxy相加获得一PPG信号，其中，Sxy为每两个信号组合后的信号。
[0067] 请再参阅图1，进一步，所述生物信号量测系统1包括一重力传感器13，感测震动用以获得一运动信号并传送至处理器模块12，并用以执行运动信号与PPG信号的一般化(normalize)，其是因为PPG信号与运动信号的能量相差太多的话会造成心律量测的误差，故为了使能量接近，执行与运动信号一般化以后能够得到运动化后的PPG信号，使PPG信号与运动信号的振幅大小接近，提高心律估算与检测的准确度。
[0068] 进一步，处理器模块12与若干光传感器11之间设置一模拟前端传感器14，用以接收若干光传感器11的感测信号，将侦测到的信号放大，并从
模拟信号转换成
数字信号。
[0069] 进一步，生物信号量测系统1包括一快闪储存器15及一无线通信模块16，快闪储存器15执行储存处理器模块12所运算的心律信息，无线通信模块16执行处理器模块12与其他电子设备的沟通。
[0070] 作为进一步的改进，若干光传感器11包括第一光传感器用以输入第一感测信号S1、第二光传感器用以输入第二感测信号S2及第三光传感器用以输入第三感测信号S3，经噪声消除后，执行运算各信号间两两组合的相关系数能够得到相关系数R12、R23及R31，其中R12为第一感测信号S1和第二感测信号S2的相关系数、R23为第二感测信号S2和第三感测信号S3的相关系数、R31为第三感测信号S3和第一感测信号S1的相关系数，运算出相关系数后，设定当相关系数在容许值内时，例如所有相关系数均大于或等于0.4时，以下列公式算出PPG信号，即将若干信号相加成为PPG信号：
[0071] PPG信号＝S1+S2+S3
[0072] 若所有相关系数有一非大于或等于0.4时，以下列公式计算若干信号及相关系数：
[0073] PPG信号＝(1-R12)(S1+S2)+(1-R23)(S2+S3)+(1-R31)(S1+S3)
[0074] 接着获得PPG信号后进行快速傅立叶变换以及心律估算与检测。
[0075] 请参阅图7，一种生物信号量测方法的详细步骤流程图，包括如下步骤：
[0076] (1)获取若干光感测信号，并对若干信号分别进行高通滤波、低通滤波、直流滤波和一般化；
[0077] (2)以两两一组的组合方式分别计算若干信号以产生相关系数，公式为：
[0078]
[0079] 其中，Rxy为每两个信号为一组的相关系数，其中x及y分别为对应感测信号的信号值；
[0080] (3)若所有相关系数Rxy在一容许值内时，将所有感测信号相加成为一PPG信号，若否，以下列公式计算若干信号x、y及相关系数Rxy以产生各组所得信号Sxy：
[0081] Sxy＝(1-Rxy)(x+y)
[0082] 接着在将各组所得信号Sxy相加产生一PPG信号。
[0083] (4)执行将PPG信号进行快速傅立叶变换以估算心律求得心率值。
[0084] 请参阅图8及图9，一种生物信号量测耳机2，其包括一耳机壳21、一入耳部22、若干光源23、若干光传感器24及能够透光的耳塞221。其中，入耳部22设置于耳机壳的一侧21，被设置成可以伸入受测者耳道，耳塞221设置于入耳部22自由端。若干光源23设置于入耳部22，其光线分别以不同角度穿过耳塞221。若干光传感器24设置于入耳部22，分别接收入耳部22内不同皮肤部位所向外反射的若干光源23以产生若干信号。处理器模块12设置于耳机壳21，接收若干信号后对若干信号分别进行高通滤波、低通滤波、直流滤波和一般化并计算各信号之间的相关系数以结合成单一PPG信号，最后，将PPG信号快速傅立叶变换后以估算心律。
[0085] 所述生物信号量测耳机2的耳塞221能够选择为能够透光的
硅胶材质。
[0086] 且进一步说明，当生物信号量测耳机2晃动时，为了能比较耳道内光噪影响的程度，若干光传感器24设置为平均分布于入耳部22表面上，例如光传感器24设置为三个，其沿着入耳部22径向间隔120度，当生物信号量测耳机2向上晃动时，位在上方的光传感器24则较靠近耳道皮肤，接收的光噪则较弱，而两组位在下方的光传感器24，因远离皮肤，接收的光噪较强；反之，当耳机向下晃动时，位在下方的光传感器24接收的光噪则较弱，位在上方的光传感器24接收的光噪较强，借此，所述三个光传感器24的相关系数可以反应出光噪影响的程度。
[0087] 与现有技术相比，本发明的生物信号量测系统、方法及耳机利于在运动过程中量测，克服了光噪所造成的误差，提高了动态生物信号量测的准确度。
[0088] 综上所述，本发明符合发明
专利要件，爰依法提出专利
申请。但是，以上所述仅为本发明的较佳可行实施方式，非因此即局限本发明的专利范围，故举凡运用本发明
说明书及附图内容所为的等效结构变化，均同理皆包含于本发明的范围内，合予陈明。
