一种巧妙的皮肤电导率获取方案

想及时监控你的步数、心率、心率变异指数 (HRV)、 用户体温、举止水和蔼/或压力程度吗？
想懂得现有的压力程度测定手艺吗？
想知道皮肤电举止（EDA）与身材压力程度的瓜葛吗？
……

本日，咱们要分享的是一个实用的实体体系，用于研讨并终究评价/量化人的压力程度。

甚么是压力？

压力是致使身材或肉体严重的心理、生理或感情要素。压力分为内部压力（环境压力、生理压力或社会要素而至压力）和外部压力（疾病或医疗步伐致使的压力）。

压力大概诱发“战或逃”的反映，这是神经体系和内分泌体系的一种庞杂反映。“战或逃”反映（在创伤后压力症中也称为战争、逃窜、僵死或听从反映，反映适度，或急性应激反映）是对感知到的无害事情、袭击或生活要挟作出的一种心理反映。

该反映始于杏仁核，效果鄙人丘脑中触发神经反映。初始反映后，脑下垂体被激活并排泄促肾上腺皮质激素。肾上腺被同时激活并开释肾上腺激素。

开释化学信使后会发生皮质醇激素，致使血压和血糖降低，对免疫体系构成按捺感化。触发初始反应和后续反映是为了增添能量。肾上腺素与肝细胞连系后发生血糖，完成能量的晋升。此外，皮质醇轮回是为了把脂肪酸转换成可用的能量，效果促使人体肌肉做好反映预备。儿茶酚胺类激素（如肾上腺素或去甲肾上腺素）会促成立即身材反映，为猛烈的肌肉反映做好预备。

然而，在继续需要下，压力体系长时间处于沉闷状况，大概侵害人体康健。压力会致使多种疾病，对人的身心造成影响。

测试压力程度的要领

有分歧的要领能够用来检测和肯定压力程度，最首要的要领是：丈量皮质醇程度，获得心率变异指数，或许取得皮肤电举止数据。

丈量皮质醇程度

皮质醇是糖皮质类激素中的一种甾类激素，是人体肾上腺中的肾上腺皮质发生的。人体开释皮质醇是对压力的回应。是以，丈量皮质醇程度被认为是量化压力程度的黄金规范要领。然而，该手艺存在两个首要题目——
从要挟涌现到皮质醇程度产生变迁这一进程的耽误题目，耽误大概长达 15 分钟；
要检测用户平常生存中的要挟和压力状态，就需要继续获得压力程度数据（是最首要的题目）。

是以，无论对谁来讲，这类要领都太庞杂、太低廉、太不友爱；可见，皮质醇丈量其实不适宜一般用处。

猎取 HRV

HRV 是两次心跳间时候隔断产生变迁的这类心理征象，其测定标准是心跳间时候隔断的变迁。

今朝，市场上有多种设置装备摆设都能丈量心率。这些设置装备摆设的分辨率最高为每分钟一次（心跳/分钟）。该分辨率足以餍足多种使用的需要。然而，针对压力评价的 HRV 分辨率要高 10 或 100 倍。这意味着采样频次和算法庞杂水平必定异常高，以是，体系功耗也是个大问题，无奈餍足可穿着式产物或 24/7 全天候使用的需要。

猎取 EDA

EDA 是权衡汗腺渗入率神经介导性效应的一项直接目标，为小电流下皮肤电阻的变迁或许皮肤分歧部份的电位差。

EDA 在功耗、人体工程设想和电路尺寸方面比其余手艺更有上风。

皮肤电举止丈量体系

本研讨旨在开辟一种用于研讨和估测人的压力程度的实用对象。人的压力程度不是恒定稳定的，而是取决于人感知到的要挟。每个人对这些要挟的感知是分歧的，有许多要素会使一个人眼中的简略事情酿成另外一小我私家眼中的伟大要挟。在医院里举行压力测试以确定人的压力程度是没用的，由于这些要挟出现在患者的失常生存傍边。可见，有需要开辟一种体系，使咱们能在人的失常生存中估测其压力程度。是以，该体系必需拥有非参与性、用户友爱和可穿着的特色。最初，该系统还必需能事情数天而无需充电或改换。

针对终究设置装备摆设的这些请求意味着体系必需吻合以下特色：

• 电池供电，由于必需可穿着

• 低功耗，由于必需对患者监控数天时候

• 小尺寸，由于必需可穿着且用户友爱

• 低成本，由于假如太贵，解决计划就无奈被应用到任何花费级设置装备摆设傍边

• 吻合平安法例

为了确保体系的非参与性，必需思量数据记载部位。电极的最好安顿部位是本领上部，由于这类设想能够确保设置装备摆设的以下特色：

• 非参与性；

• 用户友好性；

• 机器设想的简单性。

然而，在该部位猎取的旌旗灯号在品质上不如从身材其余部位猎取的 EDA 旌旗灯号，比方食指与中指的中节指骨。

一旦肯定了 EDA 旌旗灯号猎取电极的安顿部位，咱们就晓得，终究（目的）体系要接纳智能腕表或近似设置装备摆设的方式。这里要肯定的下一个目标是 EDA 电路能够应用的面积。为了肯定这个参数，咱们阐发了多款智能腕表，并就这个话题征询了多家供应商。结论是，EDA电路的最大面积要小于5 妹妹 × 5 妹妹。

EDA 电路的功耗是要明确的第三个参数。该参数是确保体系能继续数天记载 EDA 旌旗灯号而无需充电或改换设置装备摆设的关头。咱们取得了分歧智能腕表的电池容量数据和部份大概商用体系的功率估算数据。经由研讨，肯定了功耗目的，请求均匀功耗不得跨越200 μA。

最初，要明确的最初一项目标是本钱。然而，今朝还无奈肯定该目标，由于有多种要素可能会影响到设置装备摆设的终究本钱。经心抉择电路拓扑布局和器件，确保终究解决计划的本钱处于正当程度。

硬件设想

本节描绘电路拓扑布局、丈量局限和分辨率的肯定体式格局。

关头抉择：肯定电路的拓扑布局

基础而言，丈量阻抗的要领有两种。体系能够施加电流并丈量阻抗范围内的电压，也能够施加电压并丈量阻抗范围内的电流。此外，这些施加旌旗灯号既可所以直流旌旗灯号，也可所以交换旌旗灯号。首要的是要阐发每种要领的上风和缺乏。

有多种电路能够丈量交换旌旗灯号，每种都有本人的上风和优势。然而，为了达到功能、本钱和面积方面的限定请求，咱们觉得最好抉择是如下解决计划。

用一个交换电压源作为鼓励源，丈量经由过程患者身材的电流，由此肯定皮肤电导率。该解决计划能够防止在单个汗腺上施加低压，从而避免了汗腺受损的风险，而且吻合 IEC6060-1 规范的请求。交换旌旗灯号消除了电极极化题目。

咱们需求数字化、存储和阐发要丈量的电流。意味着电路需求一个模数转换器 (ADC)。因为多半ADC转换的是电压而不是电流，以是，咱们需求先把经由过程患者身材的电流转换成电压。这能够经由过程一个跨阻放大器 (TIA) 来完成的。在抉择最好运算放大器时，要思量的三个关头目标是噪声规格、尺寸和功耗；在完成TIA时要用到这些目标。

必需肯定：丈量局限和分辨率

EDA旌旗灯号缩小方面的题目首要源于其宽局限和高分辨率请求。普通地，皮肤电导设置装备摆设必需遮盖的局限为0 μS至100 μS，还要能检测0.05 μS的动摇。分辨率能够经由过程12位分辨率以上的ADC完成。关于分辨率，本项目标目的是0.01 μS，是以需求接纳14位或16位分辨率的ADC。

为了在100 μS的范围内取得0.05 μS的分辨率并达到平安法例的请求，需求接纳以下模块。

• 一个交换电压源

• 确保吻合IEC6060-1标准的维护元件

• 用于丈量经由过程患者身材的电流的电路

环境温度和皮肤温度的变迁会致使EDA旌旗灯号变迁。是以，也有需要获得环境温度和皮肤温度。这能够经由过程一个简略的热敏电阻和几个分立元件以及一个ADC来完成。

功耗功耗功耗首要的参数说三遍

为了下降功耗，确保仅在需求举行丈量时激活体系必需同时集成一个电源治理单位。该模块必需能由主微控制器轻松操纵而且必需全部 EDA丈量电路供电。图1所示残缺性能框图。

电源治理单位

ADP151系列完成电源治理单位由于该系列拥有多个不错特点，其封装和噪声程度异常适宜使用需求。

电平转换器

有多种体式格局普遍的集成电路能够用来构成电平转换器。然而，这些集成电路的面积价钱无奈餍足本项目标限定请求是以，本电路中的电平转换器是用分立元件完成当地，电平转换器由一个晶体管DMN2990UFZ，和一个电阻组成。

低通滤波器和TIA

为了完成低通滤波器和TIA咱们选用了ADA4505-2ACBZ由于拥有优异低功耗程度、小尺寸输出偏置电流高等特色。

ADC 图2. EDA 分立式电路结构

软件设想

在这里，有理由接纳较大的样本数完成DFT由于如许能够改良SNR。然而，DFT的功耗假如间接完成）与样本数成比例收集的样本越多，功耗越大。这意味着在样本数与功耗之间存在一个首要调和点。

另一个首要参数是采样频次鼓励频次之比假如采样频次鼓励频次的4倍，则用于完成DFT的等式异常简略这类情况下触及浮点乘法庞杂等式会成为加法假如可用处理器为DSP 或Cortex®-M4，则乘法也是可行的。然而假如必须在Cortex-M0举行计较，则这可能会成为一个首要题目无妨比拟以下等式和 100 Hz频次窗口 (FCENTER) 的单点DFT计较滤波器表达式此中，采样频次 (FS) 为400 Hz和500 Hz。

明确接纳手艺以及鼓励频次与采样频次之比以后，下一步便是肯定鼓励频次鼓励频次必需尽量低，以确保电流会流过患者的皮肤，但不会渗透身材是以鼓励频次必需小于1 kHz。同时需求指出使用首要噪声源是市电发生的50 Hz/60 Hz噪声。

如上等式所示，DFT的各个组分X (k) 抵消了n × FS方式的频谱组分进献此中，n = 0, 1, 2... N – 1，N = k时除外经由过程精确界说鼓励频次咱们能够对消50 Hz噪声源进献。然而不克不及应用高频率缘故原由如前所述以是，不错调和点是100 Hz尽管咱们可能会捕捉到市电滋扰源的谐波假如鼓励信号为100 Hz，采样频次为400 Hz，则在50 Hz即是 8、16和32时涌现咱们同时记着的是，样本数必需尽量尽可能下降功耗是以，一种不错调和选项是用16个样本完成DFT。必要时，为了改良SNR能够增添样本数。当然假如噪声为60 Hz而非50 Hz，则采样频次应为480 Hz鼓励频次应为120 Hz频次呼应如图3所示触及加法的数学公式如等式所示。

图3.能够把DFT视为滤波器组。这是16个样本条件下的DFT频次呼应此中，采样频次为400 Hz中央频次为100 Hz频次窗口为矩形

系统还包孕一个电池充电器，用于对平台应用的LIPO电池充电设置装备摆设需求接纳高容量电池由于咱们希望能完成24小时旌旗灯号收集。阻抗、温度和加速率测量值被保存到存储于微型SD卡上的文件能够经由过程低功耗的蓝牙®把数据发送到平板电脑小我私家电脑上。图4所示评价平台。

图4. EDA评价平台。ADI watch GEN II。

SNR研讨

功耗研讨

EDA 系统由一个分歧状况的状态机组成，用于猎取患者皮肤电导率，确保使功耗维持于最低程度。开始时状况1 (S1咱们封闭了 EDA 的AFE惟独微控制器和加速度计处于开启状况均匀功耗为 139约莫150 ms咱们关上 EDA AFE，由 MCU天生方波旌旗灯号而后交由LPF滤波。在该阶段 (S2咱们封闭了ADC基准电压由于旌旗灯号还不稳固。确保旌旗灯号稳固需求6个周期，在最差情况下，S2均匀功耗为230咱们在S3下打开了ADC基准电压体系等候10 ms，确保基准电压稳固上去——本阶段均匀功耗为730体系在四个周期中猎取4个样本获得用于在S4完成DFT的16个样本点。本阶段的功耗为880 μA。DFT在阶段S5完成的。同时在该状态下取得了加速度计数据，本阶段的功耗为8 mA摆布。图5所示体系功耗研讨证实，EDA AFE均匀功耗要低于170 μA。

图5. 功耗阐发

图6.色彩—词语—声音”测试使用依据句子通报的信息和声音笔墨色彩，受试者需要按精确的按钮。用户必须在进度条走完以前做出反映。

如果在这段时间内用户没有反映或许假如反应是谬误的，则会减去响应的分值假如精确，则会增添响应的分值最初互换按钮地位使用中，有多种配置能够修正转变试验等级（压力程度）。

理论上抓紧使命中，皮肤电导率应该会降低，在压力举止应当增添。在压力举止中，应该能观察到峰值或尖峰。直流电平变迁对应于压力源的强直性反应。在压力举止中观察到的峰值被认定为情势反映抓紧使命中不会涌现。

在明确用于获得 EDA旌旗灯号显著变迁和预期呼应步伐以后，下一步举行试验咱们的 EDA 解决计划与Empatica E4平台举行功能比拟。为了举行比拟举行测试时同时戴上两款设置装备摆设。Empatica解决计划戴在右手上，测试体系则戴在左手上。这意味着预期旌旗灯号必需类似，但不完整沟通由于设置装备摆设是戴在分歧的手臂上丈量部位不完全沟通；Empatica从腕关节底部猎取 EDA旌旗灯号咱们的解决计划则从腕关节顶部猎取旌旗灯号。两台设置装备摆设猎取旌旗灯号异常类似，如图7所示分歧患者身上重复屡次试验，以便考证体系。

图7.抓紧—压力”测试左边为测试体系右边为基准设置装备摆设）

本 EDA 电路是一种巧妙的皮肤电导率猎取计划。得益于均匀功耗和尺寸上风能够将其集成到任何智能腕表近似平台中设置装备摆设取得了预期功能结果能够在较宽的范围内，以高分辨率丈量皮肤电导率。EDA 电路接纳非凡设想，避免了极化和半电池电位效应能够兼容任何范例的电极此外，还达到了 IEC6060-1请求。

为了评价和测试电路特点咱们设想了一个原型体系设想用以能够在不充电的情况下，24小时继续猎取 EDA旌旗灯号以及皮肤温度、环境温度挪移数据，并把信息存储起来或许以无线体式格局及时发射进来是以，可以用该平台从处于分歧状态分歧人身上收集 EDA 数据，不受时候限定最初能够应用这些信息开辟算法，以便检测、估测展望人的压力程度。