Google演算法可用降噪耳机量测心率

图片来源: 

Google

Google一项研究显示,降噪耳机除了可放音乐外,还能用来监测运动时的心率,而且Google研发的侦测技术,比现行主流技术不受肤色影响判读准确性。媒体推测,这可能会内建到Google下一代智慧型耳机Pixel Buds中。

Google上周在MobiCom2023公布名为心脏监测的声音体积描记图(Audioplethysmography,APG)方法的论文,介绍经由耳机侦测心脏健康的方法。这个方法可配合耳道式主动降噪(active noise cancelling,ANC)耳机,来侦测心率甚至心律变异(HRV)等健康量测值。

现行以穿戴装置为基础的健康侦测,主要是整合光体积变化描记图法(Photoplethysmogram,PPG)及心电图(electrocardiogram,ECG)和微控制器,来侦测睡眠、心率、血压等。但这类方法成本高、较耗电、声学设计较复杂、还增加装置重量,使得这种方法也难设计成耳机。另一个问题是,PPG是以光为基础的侦测,还会受到受测者肤色影响。

而主动式降噪耳机则提供另类方法。之前也有人已经发展耳机麦克风来侦测心率、呼吸、身体活动及诊断耳朵疾病。消费者用的耳罩式主动降噪耳机则内建高通滤波器,来过滤掉身体运动产生的声音或风声。此外,耳道式耳机的被动听取讯号,则仰赖耳塞品质好坏。种种因素限制了耳罩式耳机并不适合(小于50Hz的)低频讯号的被动侦测。而耳道式主动式降噪耳机,则可避免以上缺点。

耳道式耳机原理是透过喇叭释放低密波超音波讯号触发回音,再由耳机上的回馈麦克风接收。Google开发了一个圆柱回响模型的同调检测(coherent detection)法来分析APG波型,发现最终的APG波形和PPG波形相似度极高,而且动脉切迹(dicrotic notch)更明显,这表示能从血压波形提供动脉系统(如血压值)更多资讯。

Google又使用频道分集(channel diversity)手法确保提高APG讯号及抗运动杂讯的能力。最后Google发现到侦测最佳心搏波形及心律变异的频率,在30到32 kHz之间。

在测试中,Google小组将其方法套用市售ANC耳机,并以Polar ECG运动量测胸带作为对照组。他们找来153名受试者进行2次测试,结果显示APG方法在心率及心律变异的绝对误差中值分别为3.21%和2.7%,显示为稳定的准确率。这表示,APG方法不像PPG侦测会受到受试者肤色影响准确率。

Google的研究提出比现行穿戴式装置主流的PPG技术,拥有成本更低、不受使用者肤色影响、适用多种运动、而且软体升级容易等优点。内建在耳机中,超音波讯号也不会干扰音乐播放,有助于此类产品的普及。

本论文是由9to5Google首先报导。该网站10月初也报导,Google测试中的Pixel Buds App程式码分析显示,下一代Pixel Buds可能包含侦测音量以维持听力健康,以及可切换降噪和通透模式的对话侦测功能。