雖然早已有耳機具備生理感測器，如Amazfit/Soundcore等透過PPG光學心率感測。但有沒有可能有其他的感測方式?
Google Sensor Intelligence Team在10/27的blog上分享了他們最近的紮實研究。可以透過現有的ANC耳機，使用上面的speaker發出30k左右的超音波。
再透過面向耳道的麥克風感測後，經過一系列的訊號處理與分離。獲取到與通過FDA認證的心率感測器只有幾個%差異的心率/心率變異度。並且可以因應不同耳道/密封度/耳塞大小/膚色。
- Ref: https://blog.research.google/2023/10/audioplethysmography-for-cardiac.html
- paper: https://dl.acm.org/doi/10.1145/3570361.3613281
▍ ANC 耳機限制
• 消費型耳機ANC與其ANC晶片高度整合
• 有些hearable featue需要依賴 <=50Hz，這在消費型耳機上是有挑戰的
▍ APG
• acoustic sensing system 可以支援cardiac activity monitoring
• 原理
• 使其中的speaker 主動發出一系列在超音波的低密度探測訊號。
• 超過人類感知的頻帶，卻又能在音樂播放與內建的高通濾波器下有用
• 透過Feedback麥克風接收到耳道中的多路反射訊號疊加。伴隨著各路的時間延遲，以及因為心臟活動而帶來時變振幅變化。
▍ 挑戰: 如何因應環境變異/訊噪比取出訊號
1. 因心臟活動而有的血管形變訊號不易察覺。直接看收到的超音波頻譜是看不見。
2. 為確保探測的訊號符合安全限值，會降低訊噪比，使得檢測訊號門檻也拉高。
3. 不同用戶耳朵結構差異，帶來與同一耳塞的密封條件不同。同一使用者每次配戴時的密封程度也有差異。
4. 身體活動而有的干擾訊號也會與探測訊號疊加，從其中取出心臟活動訊號是關鍵。
▍ 方法: 使用了無線通訊中的相干檢測
• 安全性: 最後在30dB SPL下可以用APG偵測到心率與心率變異度
▍實測
• 於153個使用者上測試，APG相對於心率檢測器可以達到3.21% median error
• 可以在音樂播放時也測出
• 也能穩健因應不同的密封條件
• 由於檢測訊號強度不強，APG消耗的功率可以幾乎不計
▍ 實驗
### 被動的感知
• 不發出感測訊號，直接透過Feedback mic感知的訊號難以取出心臟活動訊號。
### APG物理模型
• 生理原理: 因心臟活動的血管形變，鼓膜與耳道周圍組織都會輕微擠壓耳道。這樣的體積變化，影響了耳道中的聲學探測訊號。
• 透過檢查echo訊號來取得心率pattern
• 訊號傳播模型
• 建立一圓柱空腔模型模擬。開口端放置麥克風跟speaker，封閉端是耳膜。
• 封閉端的前後移動，模擬因血管形變而有的耳道體積變化。
▍ 總結
• 未來會在研究多種運動情境(重訓/拳擊/健行)是否有同樣的偵測能力
• 可以在現有ANC耳機上直接透過韌體更新，同時不影響續航能力。
• APG可適應音樂播放、身體動作、膚色和不同尺寸的耳塞。
• 未來還可以透過其算出血壓。
