設計、開發(fā)和評估獲得皮膚電活性的系統(tǒng)

作者：Javier Calpe and Jose Carlos Conchell

近年來，活動追蹤器和其他可穿戴電子設備越來越受歡迎，因為用戶希望使用與其健身或健康相關的各種實時功能進行監(jiān)控、測量和跟蹤，包括他們采取的步數(shù)、心率、心率變異性 （HRV）、用戶的溫度、活動和/或壓力水平， 等。一種確定壓力水平的已知技術(shù)涉及監(jiān)測、測量和/或跟蹤皮膚電活動 （EDA），這可以通過測量皮膚阻抗或皮膚電導率來實現(xiàn)。研究表明，在對環(huán)境、心理和/或生理喚醒的反應下，使用者的皮膚電導會增加。通過測量皮膚阻抗或皮膚電導隨時間的變化，可以獲得與用戶的活動水平、壓力水平、疼痛水平和/或與用戶當前心理和/或生理狀況相關的其他因素相關的指標，允許用戶或醫(yī)生根據(jù)獲得的指標采取適當?shù)牟襟E來解決他們的狀況。

本文的最終目標是提供一個有用的物理系統(tǒng)來調(diào)查并最終估計/量化一個人的壓力水平。

介紹

壓力是導致身體或精神緊張的身體、精神或情緒因素。壓力可以是外部的（環(huán)境、心理或社會場合）或內(nèi)部的（疾病或由醫(yī)療程序引起的）。壓力可以引發(fā)戰(zhàn)斗或逃跑反應，這是神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)的復雜反應。

戰(zhàn)斗或逃跑反應（也稱為創(chuàng)傷后應激障礙、過度覺醒或急性應激反應中的戰(zhàn)斗、逃跑、凍結(jié)或小鹿反應）是對感知到的有害事件、攻擊或生存威脅的反應而發(fā)生的生理反應。

反應始于杏仁核，引發(fā)下丘腦的神經(jīng)反應。初始反應之后是腦垂體的激活和ACTH激素的分泌。腎上腺幾乎同時被激活并釋放腎上腺素激素。

化學信使的釋放導致皮質(zhì)醇激素的產(chǎn)生，從而增加血壓和血糖，并抑制免疫系統(tǒng)。觸發(fā)初始反應和后續(xù)反應以增強能量。這種能量的提升是通過腎上腺素與肝細胞的結(jié)合和隨后的葡萄糖產(chǎn)生來激活的。此外，皮質(zhì)醇的循環(huán)功能是將脂肪酸轉(zhuǎn)化為可用的能量，從而使全身肌肉做好準備以做出反應。兒茶酚胺激素，如腎上腺素（腎上腺素）或去甲腎上腺素（去甲腎上腺素），促進與準備劇烈肌肉動作相關的即時身體反應。

然而，在持續(xù)的需求下，壓力系統(tǒng)會變得長期活躍，并可能對個人的健康產(chǎn)生破壞性影響。

壓力引起的疾病有很多種，會影響身體和心靈。1這些將在本文后面提到。

方法

有不同的方法可以檢測和確定應力水平。最重要的方法是：測量皮質(zhì)醇水平，獲得心率變異性，或獲得皮膚電活動。

測量皮質(zhì)醇水平

皮質(zhì)醇是糖皮質(zhì)激素類激素中的類固醇激素，由腎上腺內(nèi)的腎上腺皮質(zhì)在人類中產(chǎn)生。它是在壓力下釋放的。因此，測量皮質(zhì)醇水平被認為是量化壓力水平的金標準方法。2但是，這種技術(shù)有兩個重要問題。其中一個問題是威脅和皮質(zhì)醇水平變化之間的延遲，可能長達 15 分鐘。第二個也是最重要的問題是，應持續(xù)獲得壓力水平，以檢測用戶日常生活中的威脅和壓力情況。因此，這種方法太復雜，昂貴，對任何人都不友好，因此，皮質(zhì)醇測量不是一般用途的合適方法。

獲得心率

HRV是心跳之間時間間隔變化的生理現(xiàn)象。它通過逐搏間隔的變化來衡量。

目前，市場上有許多可以測量心率的設備。在最佳情況下，這些設備的分辨率為每分鐘一拍 （bpm）。這種分辨率在許多應用中已經(jīng)足夠好了。然而，用于壓力評估所需的HRV分辨率要高10或100倍。這意味著采樣頻率和算法復雜性必須更高，因此，對于可穿戴產(chǎn)品或 24/7 應用來說，系統(tǒng)的功耗可能變得過高。

獲取 EDA

EDA是神經(jīng)介導的對汗腺通透性的影響的間接測量，觀察到皮膚對小電流的電阻變化或皮膚不同部位之間電勢的差異。

EDA在功耗、人體工程學和電路尺寸方面比其他技術(shù)更具優(yōu)勢。

系統(tǒng)說明

這項研究的目的是開發(fā)一種有用的工具來調(diào)查和估計一個人的壓力水平。一個人的壓力水平不是恒定的，這取決于這個人感知到的威脅。每個人對這些威脅的看法不同，有許多因素可以使一個人的簡單事件對另一個人構(gòu)成巨大威脅。在醫(yī)院進行壓力測試以確定一個人的壓力水平是沒有用的，因為這些威脅出現(xiàn)在患者的正常生活中。因此，有必要開發(fā)一個系統(tǒng)，使我們能夠估計一個人在正常生活中的壓力水平。因此，該系統(tǒng)必須是非侵入性的、用戶友好的和可穿戴的。最后，它必須能夠在不充電或更換的情況下工作幾天。

對最終設備的要求意味著系統(tǒng)必須：

電池供電，因為它必須是可穿戴的

低功耗，因為必須對患者進行數(shù)天的監(jiān)測

減小尺寸，因為它必須是可穿戴且用戶友好的

成本低，因為如果太貴，該解決方案將不會在任何消費類設備中實施

符合安全法規(guī)

為了確保系統(tǒng)是非侵入式的，必須考慮記錄站點。電極的最佳位置是手腕頂部，因為這導致設備：非侵入性，用戶友好且從機械角度來看簡單。但是，信號的質(zhì)量不如從身體其他部位獲得的EDA信號，例如食指和中指的內(nèi)側(cè)指骨。

一旦確定了電極的位置以獲得EDA信號，很明顯，最終（目標）系統(tǒng)將呈現(xiàn)智能手表或類似設備的形式。此時，要確定的下一個規(guī)范是EDA電路可以使用的區(qū)域。分析了幾款智能手表，并就該主題咨詢了各種供應商，以確定此參數(shù)。結(jié)論是EDA電路的最大面積應小于5毫米×5毫米。

EDA電路的功耗是要設置的第三個參數(shù)。此參數(shù)是確保系統(tǒng)能夠在幾天內(nèi)記錄EDA信號而無需充電或更換設備的關鍵。獲得不同智能手表的電池容量和一些可能的商業(yè)系統(tǒng)的功率預算。本調(diào)查后獲得的功耗目標固定為最大平均功耗200 μA。

最后，要確定的最后一個規(guī)格是成本。但是，這在此階段尚未確定，因為有幾個因素會影響設備的最終成本。選擇電路拓撲和元件以確保最終解決方案的合理成本。

硬件設計

本節(jié)介紹如何確定電路拓撲、測量范圍和分辨率。

關鍵決策之一是確定電路的拓撲結(jié)構(gòu)?；旧?，有兩種測量阻抗的方法。系統(tǒng)可以施加電流并測量阻抗兩端的電壓，也可以施加電壓并測量阻抗兩端的電流。此外，這些信號可以是直流或交流，分析每種方法的優(yōu)缺點很重要。

有幾十個測量交流的電路，每個電路都有其優(yōu)點和缺點。但是，為了完成性能、成本和面積方面的限制，以下解決方案被認為是最佳選擇。

最終決定是使用交流電壓源作為激勵源，并測量通過患者身體的電流以確定皮膚電導率。該解決方案避免了單個汗腺上的高電壓，消除了汗腺損壞的危險，并符合IEC6060-1標準。交流信號消除了電極極化的問題。

必須測量的電流需要數(shù)字化、存儲和分析。這意味著電路將需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。由于大多數(shù)ADC轉(zhuǎn)換電壓而不是電流，因此流經(jīng)患者身體的電流需要轉(zhuǎn)換為電壓。這是由跨阻放大器（TIA）完成的。噪聲規(guī)格、尺寸和功耗是選擇最佳運算放大器的三個關鍵特性，用于實現(xiàn)TIA。

確定系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)后，下一步是確定正在開發(fā)的系統(tǒng)的范圍和分辨率。

EDA信號放大的問題主要源于其寬范圍和所需的高分辨率。通常，皮膚電導設備必須覆蓋0 μS至100 μS的范圍，并且還必須能夠檢測0.05 μS的波動。該分辨率可以使用至少12位分辨率的ADC來實現(xiàn)。關于分辨率，本項目的目標是0.01μS，因此需要具有14位或16位分辨率的ADC。

為了在符合安全法規(guī)的同時在100 μS范圍內(nèi)獲得0.05 μS的分辨率，需要這些模塊。

交流電壓源

確保符合 IEC6060-1 標準的保護元件

用于測量流經(jīng)患者身體的電流的電子電路

環(huán)境溫度和皮膚溫度的變化會導致EDA信號發(fā)生變化。9因此，獲取環(huán)境溫度和皮膚溫度也會很有趣。它可以通過一個簡單的熱敏電阻加上幾個分立元件和一個ADC來實現(xiàn)。

最后，功耗在該電路中至關重要。為了減少它并確保系統(tǒng)僅在需要新測量時才激活，還必須集成電源管理單元。該模塊必須由主微控制器輕松控制，并且必須為所有EDA測量電路供電。圖 1 顯示了完整的框圖。

圖1.系統(tǒng)框圖。

在以下部分中，我們將確定此應用程序的最佳組件。

電源管理單元

決定使用ADP151系列來實現(xiàn)電源管理單元，因為該單元具有多個良好的特性，并且其封裝和噪聲水平非常適合該應用。

實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換器的方法和種類繁多的集成電路有很多種。然而，這些集成電路的面積和價格并沒有達到這個項目的限制。因此，本電路中的電平轉(zhuǎn)換器由分立元件實現(xiàn)?；旧?，它由晶體管DMN2990UFZ組成，11和一個電阻器。

低通濾波器和 TIA

為了實現(xiàn)低通濾波器和TIA，使用了ADA4505-2ACBZ，因為它具有出色的功耗、小尺寸和極低的輸入偏置電流。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

滿足所有系統(tǒng)要求的ADC是AD7689BCBZ。這款功能強大的ADC包括基準電壓源，在不使用時可以關閉該基準電壓源，以降低功耗。

最后，為了確保能夠?qū)崿F(xiàn)面積限制，已經(jīng)包括了最少數(shù)量的組件和功能，并且已經(jīng)為所有組件選擇了最小的封裝。圖 2 顯示了該系統(tǒng)的布局和大小。

圖2.EDA 分立電路布局。

軟件設計

如前所述，系統(tǒng)需要產(chǎn)生激勵信號以測量皮膚的電導率。該激勵信號是交流信號，可以從交流測量中提取的兩個參數(shù)是信號的幅度和激勵信號與采集信號之間的相位延遲。最重要的一個是幅度，有幾種方法可以從交流信號中獲取此參數(shù)。但是，在該系統(tǒng)中獲得振幅的最佳方法是實現(xiàn)離散傅里葉變換（DFT）。

DFT也可以被視為一組濾波器，衰減水平與樣本數(shù)量成正比，最大值的位置取決于激勵信號。

在這一點上，一個很好的論點是使用大量樣本（N）來實現(xiàn)DFT，因為它會提高SNR。但是，DFT的功耗（如果直接實現(xiàn)）與樣本數(shù)量成正比，隨著我們獲取更多樣本，我們將需要更多的功率。這意味著在樣本數(shù)量和功耗之間有一個重要的權(quán)衡。

另一個重要參數(shù)是采樣頻率和激勵頻率之間的比值。如果采樣頻率為激勵頻率的4×則實現(xiàn)DFT的公式非常簡單。在這種情況下，涉及浮點乘法的復雜方程變成了加法。如果可用的處理器是DSP或Cortex-M4，則乘法是可以忍受的。但是，當必須在 Cortex-M0 中實現(xiàn)計算時，這可能是一個重要問題。將公式1與100 Hz箱（F?中心） 時采樣頻率（FS） 為 400 Hz 和 500 Hz。

一旦要應用的技術(shù)以及激勵頻率與采樣頻率之間的比率明確，下一步就是確定激勵頻率。

激勵頻率必須盡可能低，以確保電流流過患者的皮膚，并且不會滲透到體內(nèi)。15因此，激勵頻率必須小于1 kHz。還必須提到的是，此應用中的主要噪聲源是由電源引起的50 Hz/60 Hz噪聲。

公式2表明，DFT的每個分量X（k）使形式為n×F的光譜分量的貢獻為零S/N 其中 n = 0、1、2 和 N – 1，但 N = k 時除外。通過正確定義激勵頻率，我們可以消除50 Hz噪聲源的貢獻。但是，由于前面的參數(shù)，不能使用高頻。因此，一個很好的折衷方案是100 Hz，盡管我們可以捕獲主干擾源的諧波。

如果激勵信號為 100 Hz，采樣頻率為 400 Hz，則當 N 等于 8、16 和 32 時，會出現(xiàn) 50 Hz 處的零點。我們還必須記住，樣本數(shù)量必須盡可能少，以盡量減少功耗。因此，一個好的權(quán)衡是使用 16 個樣本來實現(xiàn) DFT。如果需要，可以增加樣本數(shù)量以提高信噪比。當然，如果噪聲是60 Hz噪聲而不是50 Hz，則采樣頻率應為480 Hz，激勵頻率應為120 Hz。頻率響應如圖3所示，僅涉及加法的數(shù)學方程如公式3所示。

圖3.DFT可以被認為是一組過濾器。這是具有16個樣本的DFT頻率響應，采樣頻率為400 Hz，中心頻率為100 Hz，具有矩形窗口。

機械設計

開發(fā)了一個評估系統(tǒng)來測試和證明這個提議的解決方案。該平臺由EDA測量所需的主要傳感器和其他一些不可或缺的功能組成。運動和溫度可能會影響皮膚阻抗測量。9,16因此，還可以獲得捕獲運動和溫度的信號。

該系統(tǒng)還包括一個電池充電器，用于為該平臺中使用的 LIPO 電池充電。該設備需要高容量電池，因為我們希望實現(xiàn) 24 小時采集。阻抗、溫度和加速度測量值保存在存儲在微型SD卡中的文件中，或者數(shù)據(jù)可以通過低功耗藍牙發(fā)送到平板電腦或PC。

結(jié)果

信噪比研究

進行數(shù)學分析以確保在所選組件的噪聲和系統(tǒng)帶寬下實現(xiàn)所需的分辨率。但是，此功能必須與實際測量值進行檢查。為此，原型系統(tǒng)用于測量多個電阻網(wǎng)絡以檢查功能。該研究包括獲得同一電阻網(wǎng)絡的多個測量值，以檢查可重復性，從而獲得系統(tǒng)的精度。在該測試中，對每個網(wǎng)絡執(zhí)行 100 次測量，通過將最小值減去獲得結(jié)果的最大值來獲得最大誤差。誤差始終等于或小于0.01 μS。

驗證系統(tǒng)精度后，下一步是檢查系統(tǒng)的線性度。為了進行該實驗，將原型連接到可編程電阻替代器，并以1 kΩ的步長評估從10 kΩ到500 kΩ的范圍。R型2系統(tǒng)是 0.9999992。

功耗研究

EDA系統(tǒng)由具有不同狀態(tài)的狀態(tài)機組成，以獲得患者的皮膚電導率，并確保最小的功耗。最初，在狀態(tài)一（S1）中，EDA的AFE關閉，只有微控制器和加速度計打開。平均電流消耗為139 μA。大約 150 ms 后，EDA AFE 開啟，方波信號由 MCU 生成，并由 LPF 濾波。ADC基準電壓源在此階段（S2）關閉，因為信號尚不穩(wěn)定。需要六個周期來確保信號穩(wěn)定，在最壞的情況下，S2的平均電流消耗為230 μA。ADC基準電壓源在S3中開啟，系統(tǒng)等待10 ms以確?；鶞孰妷涸捶€(wěn)定——該級的平均電流消耗為730 μA。該系統(tǒng)在四個周期內(nèi)采集4個樣本，以獲得16個樣本以在S4中實現(xiàn)DFT。此階段的功耗為880 μA。DFT在S5階段實施。加速度計數(shù)據(jù)也是在此狀態(tài)下獲得的，該階段的電流消耗約為8 mA。圖5顯示了系統(tǒng)的功耗。這項研究證明，EDA AFE的平均功耗要求低于170 μA。

圖5.功耗分析。

實驗測試

此時，系統(tǒng)已經(jīng)過電子評估，因此，下一步是將EDA電路與基準電壓源相關聯(lián)。在這種情況下，Empatica的E4平臺由于其良好的性能而被用作參考。

一旦確定了參考，我們決定必須執(zhí)行的測試以查看EDA信號的變化。選擇的測試是松弛壓力測試。該測試由兩個步驟組成：第一步是放松運動，第二步是壓力運動。

放松練習包括 10 分鐘的有節(jié)奏呼吸以達到放松狀態(tài)。壓力狀態(tài)是通過玩顏色-單詞-聲音游戲來實現(xiàn)的。在此應用程序中，用戶收聽顏色并看到顏色的文本，該文本用顏色表示?？陕狀伾⑽谋绢伾虿鍒D顏色可以相同或不同。正如讀者在圖 6 中觀察到的那樣，有一句話可以是：

選擇顏色

選擇聲音

選擇單詞

根據(jù)句子的信息以及聲音、文本或顏色，被測者必須按下正確的按鈕。用戶必須在進度條完成之前做出響應。

如果用戶在該時間內(nèi)沒有響應，或者響應錯誤，則分數(shù)值將遞減。如果正確，該值將遞增。最后，交換按鈕的位置。

在此應用程序中可以修改多個設置以修改實驗級別（應力級別）。

圖6.色詞聲音測試應用。

從理論上講，皮膚電導在放松任務期間應該降低，在壓力活動期間應該增加。在壓力活動期間應觀察峰值或峰值。直流水平的變化對應于對壓力源的強直反應。在壓力活動中觀察到的峰值被認為是相位反應，在放松任務期間不會出現(xiàn)。

一旦暴露了獲得EDA信號和預期響應的明顯變化的程序，下一步就是進行實驗，以比較我們的EDA解決方案和Empatica E4平臺之間的性能。為了比較它們，在人進行測試時同時佩戴兩個設備。Empatica解決方案戴在右手上，被測系統(tǒng)戴在左手上。這意味著預期的信號必須相似但不完全相同，因為每個設備都佩戴在不同的手臂上，測量位置也不完全相同，因為Empatica從手腕底部獲取EDA信號，而我們的解決方案從手腕頂部獲取EDA信號。兩種器件獲得的信號非常相似，如圖7所示。該實驗在不同的患者中重復了幾次，以驗證該系統(tǒng)。

圖7.松弛應力測試，左手是被測系統(tǒng)，右手是參考裝置。

結(jié)論

該EDA電路是獲得皮膚電導率的智能解決方案。其平均電流消耗和尺寸確保其集成到任何智能手表或類似平臺中。該設備實現(xiàn)了預期的性能，因為它以高分辨率在大范圍內(nèi)測量皮膚的電導率。EDA電路設計確保其與任何類型的電極兼容，因為避免了極化和半電池電位效應。此外，還滿足IEC6060-1要求。

為了評估和測試電路的特性，設計了一個原型。該系統(tǒng)設計用于在 24 小時不間斷的會話期間結(jié)合皮膚溫度、環(huán)境溫度和運動獲取 EDA 信號，并實時存儲或無線傳輸信息。因此，該平臺可用于收集不同人群在生活中任何時刻處于不同情況下的EDA數(shù)據(jù)。最后，這些信息可用于開發(fā)可以檢測、估計或預測一個人的壓力水平的算法。

審核編輯：郭婷