设计、开发和评估获得皮肤电活性的系统

作者：Javier Calpe and Jose Carlos Conchell

近年来，活动追踪器和其他可穿戴电子设备越来越受欢迎，因为用户希望使用与其健身或健康相关的各种实时功能进行监控、测量和跟踪，包括他们采取的步数、心率、心率变异性 （HRV）、用户的温度、活动和/或压力水平， 等。一种确定压力水平的已知技术涉及监测、测量和/或跟踪皮肤电活动 （EDA），这可以通过测量皮肤阻抗或皮肤电导率来实现。研究表明，在对环境、心理和/或生理唤醒的反应下，使用者的皮肤电导会增加。通过测量皮肤阻抗或皮肤电导随时间的变化，可以获得与用户的活动水平、压力水平、疼痛水平和/或与用户当前心理和/或生理状况相关的其他因素相关的指标，允许用户或医生根据获得的指标采取适当的步骤来解决他们的状况。

本文的最终目标是提供一个有用的物理系统来调查并最终估计/量化一个人的压力水平。

介绍

压力是导致身体或精神紧张的身体、精神或情绪因素。压力可以是外部的（环境、心理或社会场合）或内部的（疾病或由医疗程序引起的）。压力可以引发战斗或逃跑反应，这是神经系统和内分泌系统的复杂反应。

战斗或逃跑反应（也称为创伤后应激障碍、过度觉醒或急性应激反应中的战斗、逃跑、冻结或小鹿反应）是对感知到的有害事件、攻击或生存威胁的反应而发生的生理反应。

反应始于杏仁核，引发下丘脑的神经反应。初始反应之后是脑垂体的激活和ACTH激素的分泌。肾上腺几乎同时被激活并释放肾上腺素激素。

化学信使的释放导致皮质醇激素的产生，从而增加血压和血糖，并抑制免疫系统。触发初始反应和后续反应以增强能量。这种能量的提升是通过肾上腺素与肝细胞的结合和随后的葡萄糖产生来激活的。此外，皮质醇的循环功能是将脂肪酸转化为可用的能量，从而使全身肌肉做好准备以做出反应。儿茶酚胺激素，如肾上腺素（肾上腺素）或去甲肾上腺素（去甲肾上腺素），促进与准备剧烈肌肉动作相关的即时身体反应。

然而，在持续的需求下，压力系统会变得长期活跃，并可能对个人的健康产生破坏性影响。

压力引起的疾病有很多种，会影响身体和心灵。1这些将在本文后面提到。

方法

有不同的方法可以检测和确定应力水平。最重要的方法是：测量皮质醇水平，获得心率变异性，或获得皮肤电活动。

测量皮质醇水平

皮质醇是糖皮质激素类激素中的类固醇激素，由肾上腺内的肾上腺皮质在人类中产生。它是在压力下释放的。因此，测量皮质醇水平被认为是量化压力水平的金标准方法。2但是，这种技术有两个重要问题。其中一个问题是威胁和皮质醇水平变化之间的延迟，可能长达 15 分钟。第二个也是最重要的问题是，应持续获得压力水平，以检测用户日常生活中的威胁和压力情况。因此，这种方法太复杂，昂贵，对任何人都不友好，因此，皮质醇测量不是一般用途的合适方法。

获得心率

HRV是心跳之间时间间隔变化的生理现象。它通过逐搏间隔的变化来衡量。

目前，市场上有许多可以测量心率的设备。在最佳情况下，这些设备的分辨率为每分钟一拍 （bpm）。这种分辨率在许多应用中已经足够好了。然而，用于压力评估所需的HRV分辨率要高10或100倍。这意味着采样频率和算法复杂性必须更高，因此，对于可穿戴产品或 24/7 应用来说，系统的功耗可能变得过高。

获取 EDA

EDA是神经介导的对汗腺通透性的影响的间接测量，观察到皮肤对小电流的电阻变化或皮肤不同部位之间电势的差异。

EDA在功耗、人体工程学和电路尺寸方面比其他技术更具优势。

系统说明

这项研究的目的是开发一种有用的工具来调查和估计一个人的压力水平。一个人的压力水平不是恒定的，这取决于这个人感知到的威胁。每个人对这些威胁的看法不同，有许多因素可以使一个人的简单事件对另一个人构成巨大威胁。在医院进行压力测试以确定一个人的压力水平是没有用的，因为这些威胁出现在患者的正常生活中。因此，有必要开发一个系统，使我们能够估计一个人在正常生活中的压力水平。因此，该系统必须是非侵入性的、用户友好的和可穿戴的。最后，它必须能够在不充电或更换的情况下工作几天。

对最终设备的要求意味着系统必须：

电池供电，因为它必须是可穿戴的

低功耗，因为必须对患者进行数天的监测

减小尺寸，因为它必须是可穿戴且用户友好的

成本低，因为如果太贵，该解决方案将不会在任何消费类设备中实施

符合安全法规

为了确保系统是非侵入式的，必须考虑记录站点。电极的最佳位置是手腕顶部，因为这导致设备：非侵入性，用户友好且从机械角度来看简单。但是，信号的质量不如从身体其他部位获得的EDA信号，例如食指和中指的内侧指骨。

一旦确定了电极的位置以获得EDA信号，很明显，最终（目标）系统将呈现智能手表或类似设备的形式。此时，要确定的下一个规范是EDA电路可以使用的区域。分析了几款智能手表，并就该主题咨询了各种供应商，以确定此参数。结论是EDA电路的最大面积应小于5毫米×5毫米。

EDA电路的功耗是要设置的第三个参数。此参数是确保系统能够在几天内记录EDA信号而无需充电或更换设备的关键。获得不同智能手表的电池容量和一些可能的商业系统的功率预算。本调查后获得的功耗目标固定为最大平均功耗200 μA。

最后，要确定的最后一个规格是成本。但是，这在此阶段尚未确定，因为有几个因素会影响设备的最终成本。选择电路拓扑和元件以确保最终解决方案的合理成本。

硬件设计

本节介绍如何确定电路拓扑、测量范围和分辨率。

关键决策之一是确定电路的拓扑结构。基本上，有两种测量阻抗的方法。系统可以施加电流并测量阻抗两端的电压，也可以施加电压并测量阻抗两端的电流。此外，这些信号可以是直流或交流，分析每种方法的优缺点很重要。

有几十个测量交流的电路，每个电路都有其优点和缺点。但是，为了完成性能、成本和面积方面的限制，以下解决方案被认为是最佳选择。

最终决定是使用交流电压源作为激励源，并测量通过患者身体的电流以确定皮肤电导率。该解决方案避免了单个汗腺上的高电压，消除了汗腺损坏的危险，并符合IEC6060-1标准。交流信号消除了电极极化的问题。

必须测量的电流需要数字化、存储和分析。这意味着电路将需要模数转换器（ADC）。由于大多数ADC转换电压而不是电流，因此流经患者身体的电流需要转换为电压。这是由跨阻放大器（TIA）完成的。噪声规格、尺寸和功耗是选择最佳运算放大器的三个关键特性，用于实现TIA。

确定系统的拓扑结构后，下一步是确定正在开发的系统的范围和分辨率。

EDA信号放大的问题主要源于其宽范围和所需的高分辨率。通常，皮肤电导设备必须覆盖0 μS至100 μS的范围，并且还必须能够检测0.05 μS的波动。该分辨率可以使用至少12位分辨率的ADC来实现。关于分辨率，本项目的目标是0.01μS，因此需要具有14位或16位分辨率的ADC。

为了在符合安全法规的同时在100 μS范围内获得0.05 μS的分辨率，需要这些模块。

交流电压源

确保符合 IEC6060-1 标准的保护元件

用于测量流经患者身体的电流的电子电路

环境温度和皮肤温度的变化会导致EDA信号发生变化。9因此，获取环境温度和皮肤温度也会很有趣。它可以通过一个简单的热敏电阻加上几个分立元件和一个ADC来实现。

最后，功耗在该电路中至关重要。为了减少它并确保系统仅在需要新测量时才激活，还必须集成电源管理单元。该模块必须由主微控制器轻松控制，并且必须为所有EDA测量电路供电。图 1 显示了完整的框图。

图1.系统框图。

在以下部分中，我们将确定此应用程序的最佳组件。

电源管理单元

决定使用ADP151系列来实现电源管理单元，因为该单元具有多个良好的特性，并且其封装和噪声水平非常适合该应用。

实现电平转换器的方法和种类繁多的集成电路有很多种。然而，这些集成电路的面积和价格并没有达到这个项目的限制。因此，本电路中的电平转换器由分立元件实现。基本上，它由晶体管DMN2990UFZ组成，11和一个电阻器。

低通滤波器和 TIA

为了实现低通滤波器和TIA，使用了ADA4505-2ACBZ，因为它具有出色的功耗、小尺寸和极低的输入偏置电流。

模数转换器

满足所有系统要求的ADC是AD7689BCBZ。这款功能强大的ADC包括基准电压源，在不使用时可以关闭该基准电压源，以降低功耗。

最后，为了确保能够实现面积限制，已经包括了最少数量的组件和功能，并且已经为所有组件选择了最小的封装。图 2 显示了该系统的布局和大小。

图2.EDA 分立电路布局。

软件设计

如前所述，系统需要产生激励信号以测量皮肤的电导率。该激励信号是交流信号，可以从交流测量中提取的两个参数是信号的幅度和激励信号与采集信号之间的相位延迟。最重要的一个是幅度，有几种方法可以从交流信号中获取此参数。但是，在该系统中获得振幅的最佳方法是实现离散傅里叶变换（DFT）。

DFT也可以被视为一组滤波器，衰减水平与样本数量成正比，最大值的位置取决于激励信号。

在这一点上，一个很好的论点是使用大量样本（N）来实现DFT，因为它会提高SNR。但是，DFT的功耗（如果直接实现）与样本数量成正比，随着我们获取更多样本，我们将需要更多的功率。这意味着在样本数量和功耗之间有一个重要的权衡。

另一个重要参数是采样频率和激励频率之间的比值。如果采样频率为激励频率的4×则实现DFT的公式非常简单。在这种情况下，涉及浮点乘法的复杂方程变成了加法。如果可用的处理器是DSP或Cortex-M4，则乘法是可以忍受的。但是，当必须在 Cortex-M0 中实现计算时，这可能是一个重要问题。将公式1与100 Hz箱（F®中心） 时采样频率（FS） 为 400 Hz 和 500 Hz。

一旦要应用的技术以及激励频率与采样频率之间的比率明确，下一步就是确定激励频率。

激励频率必须尽可能低，以确保电流流过患者的皮肤，并且不会渗透到体内。15因此，激励频率必须小于1 kHz。还必须提到的是，此应用中的主要噪声源是由电源引起的50 Hz/60 Hz噪声。

公式2表明，DFT的每个分量X（k）使形式为n×F的光谱分量的贡献为零S/N 其中 n = 0、1、2 和 N – 1，但 N = k 时除外。通过正确定义激励频率，我们可以消除50 Hz噪声源的贡献。但是，由于前面的参数，不能使用高频。因此，一个很好的折衷方案是100 Hz，尽管我们可以捕获主干扰源的谐波。

如果激励信号为 100 Hz，采样频率为 400 Hz，则当 N 等于 8、16 和 32 时，会出现 50 Hz 处的零点。我们还必须记住，样本数量必须尽可能少，以尽量减少功耗。因此，一个好的权衡是使用 16 个样本来实现 DFT。如果需要，可以增加样本数量以提高信噪比。当然，如果噪声是60 Hz噪声而不是50 Hz，则采样频率应为480 Hz，激励频率应为120 Hz。频率响应如图3所示，仅涉及加法的数学方程如公式3所示。

图3.DFT可以被认为是一组过滤器。这是具有16个样本的DFT频率响应，采样频率为400 Hz，中心频率为100 Hz，具有矩形窗口。

机械设计

开发了一个评估系统来测试和证明这个提议的解决方案。该平台由EDA测量所需的主要传感器和其他一些不可或缺的功能组成。运动和温度可能会影响皮肤阻抗测量。9,16因此，还可以获得捕获运动和温度的信号。

该系统还包括一个电池充电器，用于为该平台中使用的 LIPO 电池充电。该设备需要高容量电池，因为我们希望实现 24 小时采集。阻抗、温度和加速度测量值保存在存储在微型SD卡中的文件中，或者数据可以通过低功耗蓝牙发送到平板电脑或PC。

结果

信噪比研究

进行数学分析以确保在所选组件的噪声和系统带宽下实现所需的分辨率。但是，此功能必须与实际测量值进行检查。为此，原型系统用于测量多个电阻网络以检查功能。该研究包括获得同一电阻网络的多个测量值，以检查可重复性，从而获得系统的精度。在该测试中，对每个网络执行 100 次测量，通过将最小值减去获得结果的最大值来获得最大误差。误差始终等于或小于0.01 μS。

验证系统精度后，下一步是检查系统的线性度。为了进行该实验，将原型连接到可编程电阻替代器，并以1 kΩ的步长评估从10 kΩ到500 kΩ的范围。R型2系统是 0.9999992。

功耗研究

EDA系统由具有不同状态的状态机组成，以获得患者的皮肤电导率，并确保最小的功耗。最初，在状态一（S1）中，EDA的AFE关闭，只有微控制器和加速度计打开。平均电流消耗为139 μA。大约 150 ms 后，EDA AFE 开启，方波信号由 MCU 生成，并由 LPF 滤波。ADC基准电压源在此阶段（S2）关闭，因为信号尚不稳定。需要六个周期来确保信号稳定，在最坏的情况下，S2的平均电流消耗为230 μA。ADC基准电压源在S3中开启，系统等待10 ms以确保基准电压源稳定——该级的平均电流消耗为730 μA。该系统在四个周期内采集4个样本，以获得16个样本以在S4中实现DFT。此阶段的功耗为880 μA。DFT在S5阶段实施。加速度计数据也是在此状态下获得的，该阶段的电流消耗约为8 mA。图5显示了系统的功耗。这项研究证明，EDA AFE的平均功耗要求低于170 μA。

图5.功耗分析。

实验测试

此时，系统已经过电子评估，因此，下一步是将EDA电路与基准电压源相关联。在这种情况下，Empatica的E4平台由于其良好的性能而被用作参考。

一旦确定了参考，我们决定必须执行的测试以查看EDA信号的变化。选择的测试是松弛压力测试。该测试由两个步骤组成：第一步是放松运动，第二步是压力运动。

放松练习包括 10 分钟的有节奏呼吸以达到放松状态。压力状态是通过玩颜色-单词-声音游戏来实现的。在此应用程序中，用户收听颜色并看到颜色的文本，该文本用颜色表示。可听颜色、文本颜色或插图颜色可以相同或不同。正如读者在图 6 中观察到的那样，有一句话可以是：

选择颜色

选择声音

选择单词

根据句子的信息以及声音、文本或颜色，被测者必须按下正确的按钮。用户必须在进度条完成之前做出响应。

如果用户在该时间内没有响应，或者响应错误，则分数值将递减。如果正确，该值将递增。最后，交换按钮的位置。

在此应用程序中可以修改多个设置以修改实验级别（应力级别）。

图6.色词声音测试应用。

从理论上讲，皮肤电导在放松任务期间应该降低，在压力活动期间应该增加。在压力活动期间应观察峰值或峰值。直流水平的变化对应于对压力源的强直反应。在压力活动中观察到的峰值被认为是相位反应，在放松任务期间不会出现。

一旦暴露了获得EDA信号和预期响应的明显变化的程序，下一步就是进行实验，以比较我们的EDA解决方案和Empatica E4平台之间的性能。为了比较它们，在人进行测试时同时佩戴两个设备。Empatica解决方案戴在右手上，被测系统戴在左手上。这意味着预期的信号必须相似但不完全相同，因为每个设备都佩戴在不同的手臂上，测量位置也不完全相同，因为Empatica从手腕底部获取EDA信号，而我们的解决方案从手腕顶部获取EDA信号。两种器件获得的信号非常相似，如图7所示。该实验在不同的患者中重复了几次，以验证该系统。

图7.松弛应力测试，左手是被测系统，右手是参考装置。

结论

该EDA电路是获得皮肤电导率的智能解决方案。其平均电流消耗和尺寸确保其集成到任何智能手表或类似平台中。该设备实现了预期的性能，因为它以高分辨率在大范围内测量皮肤的电导率。EDA电路设计确保其与任何类型的电极兼容，因为避免了极化和半电池电位效应。此外，还满足IEC6060-1要求。

为了评估和测试电路的特性，设计了一个原型。该系统设计用于在 24 小时不间断的会话期间结合皮肤温度、环境温度和运动获取 EDA 信号，并实时存储或无线传输信息。因此，该平台可用于收集不同人群在生活中任何时刻处于不同情况下的EDA数据。最后，这些信息可用于开发可以检测、估计或预测一个人的压力水平的算法。

审核编辑：郭婷