皮膚電活動測量系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)與評估

近年來，活躍跟蹤器和其它可穿戴電子設(shè)備越來越受歡迎，因為用戶希望實時監(jiān)控、測量和跟蹤與其健康相關(guān)的各種實時指標(biāo)，包括步數(shù)、心率、心率變異指數(shù) (HRV)、用戶體溫、活動水平和/或壓力水平等?，F(xiàn)有一種已知的壓力水平測定技術(shù)涉及監(jiān)控、測量和/或跟蹤皮膚電活動 (EDA)，是通過測量皮膚阻抗或皮膚電導(dǎo)率來實現(xiàn)的。研究顯示，為響應(yīng)環(huán)境、心理和/或生理反應(yīng)，皮膚電導(dǎo)率會上升。通過測量皮膚阻抗或皮膚電導(dǎo)率在時間上的變化，可以獲得與用戶活動水平、壓力水平、疼痛水平和/或與用戶當(dāng)前心理和/或生理狀況相關(guān)的其他因素，使用戶或醫(yī)師能根據(jù)取得的指標(biāo)采取適當(dāng)?shù)拇胧幚沓霈F(xiàn)的狀況。

本文的最終目的是提供一個有用的實體系統(tǒng)，用于研究并最終評估/量化人的壓力水平。

簡介

壓力是導(dǎo)致身體或精神緊張的生理、心理或情緒因素。壓力分為外部壓力(環(huán)境壓力、心理壓力或社會因素所致壓力)和內(nèi)部壓力(疾病或醫(yī)療程序?qū)е碌膲毫?。壓力可能引發(fā)“戰(zhàn)或逃”的反應(yīng)，后者是神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)的一種復(fù)雜反應(yīng)。

“戰(zhàn)或逃”反應(yīng)(在創(chuàng)傷后壓力癥中也稱為戰(zhàn)斗、逃跑、僵死或服從反應(yīng)，反應(yīng)過度，或急性應(yīng)激反應(yīng))是對感知到的有害事件、攻擊或生存威脅作出的一種生理反應(yīng)。

該反應(yīng)始于杏仁核，結(jié)果在下丘腦中觸發(fā)神經(jīng)反應(yīng)。初始反應(yīng)后，腦下垂體被激活并分泌促腎上腺皮質(zhì)激素。腎上腺被同時激活并釋放腎上腺激素。

釋放化學(xué)信使后會產(chǎn)生皮質(zhì)醇激素，導(dǎo)致血壓和血糖升高，對免疫系統(tǒng)形成抑制作用。觸發(fā)初始反應(yīng)和后續(xù)反應(yīng)是為了增加能量。腎上腺素與肝細胞結(jié)合后產(chǎn)生血糖，實現(xiàn)能量的提升。另外，皮質(zhì)醇循環(huán)是為了把脂肪酸轉(zhuǎn)換成可用的能量，結(jié)果促使人體肌肉做好反應(yīng)準備。兒茶酚胺類激素(如腎上腺素或去甲腎上腺素)會促進即時身體反應(yīng)，為激烈的肌肉反應(yīng)做好準備。

然而，在持續(xù)需求下，壓力系統(tǒng)長期處于活躍狀態(tài)，可能損害人體健康。

壓力會導(dǎo)致多種疾病，對人的身心造成影響。1 我們會在本文后面部分討論這些。

方法

有不同的方法可以用來檢測和確定壓力水平。最重要的方法是：測量皮質(zhì)醇水平，取得心率變異指數(shù)，或者獲得皮膚電活動數(shù)據(jù)。

測量皮質(zhì)醇水平

皮質(zhì)醇是糖皮質(zhì)類激素中的一種甾類激素，是人體腎上腺中的腎上腺皮質(zhì)產(chǎn)生的。人體釋放皮質(zhì)醇是對壓力的回應(yīng)。因此，測量皮質(zhì)醇水平被認為是量化壓力水平的黃金標(biāo)準方法。2 然而，該技術(shù)存在兩個重要問題。第一個問題是從威脅出現(xiàn)到皮質(zhì)醇水平發(fā)生變化這一過程的延遲問題，延遲可能長達 15 分鐘。第二個也是最重要的問題是要檢測用戶日常生活中的威脅和壓力狀況，就需要持續(xù)取得壓力水平數(shù)據(jù)。因此，無論對誰來說，這種方法都太復(fù)雜、太昂貴、太不友好;可見，皮質(zhì)醇測量并不適合普通用途。

獲取 HRV

HRV 是兩次心跳間時間間隔發(fā)生變化的這種生理現(xiàn)象。其測定標(biāo)準是心跳間時間間隔的變化。3

目前，市場上有多種設(shè)備都能測量心率。這些設(shè)備的分辨率最高為每分鐘一次(心跳/分鐘)。該分辨率足以滿足多種應(yīng)用的需求。然而，針對壓力評估的HRV分辨率要高 10 或 100 倍。這意味著采樣頻率和算法復(fù)雜程度一定非常高，所以，系統(tǒng)功耗也是個大問題，無法滿足可穿戴式產(chǎn)品或 24/7 全天候應(yīng)用的需求。

獲取 EDA

EDA 是衡量汗腺滲透率神經(jīng)介導(dǎo)性效應(yīng)的一項間接指標(biāo)，為小電流下皮膚電阻的變化或者皮膚不同部分的電位差。4

EDA 在功耗、人體工程設(shè)計和電路尺寸方面比其他技術(shù)更有優(yōu)勢。

系統(tǒng)描述

本研究旨在開發(fā)一種用于研究和估測人的壓力水平的有用工具。人的壓力水平不是恒定不變的，而是取決于人感知到的威脅。每個人對這些威脅的感知是不同的，有許多因素會使一個人眼中的簡單事件變成另一個人眼中的巨大威脅。在醫(yī)院里進行壓力測試以確定人的壓力水平是沒用的，因為這些威脅出現(xiàn)在患者的正常生活當(dāng)中?？梢姡斜匾_發(fā)一種系統(tǒng)，使我們能在人的正常生活中估測其壓力水平。因此，該系統(tǒng)必須具有非介入性、用戶友好和可穿戴的特點。最后，該系統(tǒng)還必須能工作數(shù)天而無需充電或更換。

針對最終設(shè)備的這些要求意味著系統(tǒng)必須符合下列特點：

• 電池供電，因為必須可穿戴

• 低功耗，因為必須對患者監(jiān)控數(shù)天時間

• 小尺寸，因為必須可穿戴且用戶友好

• 低成本，因為如果太貴，解決方案就無法被運用到任何消費級設(shè)備當(dāng)中

• 符合安全法規(guī)

為了確保系統(tǒng)的非介入性，必須考慮數(shù)據(jù)記錄部位。電極的最佳安放部位是手腕上部，因為這種設(shè)計可以確保設(shè)備的下列特點：非介入性;用戶友好性;機械設(shè)計的簡單性。然而，在該部位獲取的信號在質(zhì)量上不如從身體其他部位獲取的EDA信號，比如食指與中指的中節(jié)指骨。5

一旦確定了 EDA 信號獲取電極的安放部位，我們就知道，最終(目標(biāo))系統(tǒng)要采用智能手表或類似設(shè)備的形式。這里要確定的下一個指標(biāo)是 EDA 電路可以使用的面積。為了確定這個參數(shù)，我們分析了多款智能手表，并就這個話題咨詢了多家供應(yīng)商。結(jié)論是，EDA 電路的最大面積要小于 5 mm × 5 mm。

EDA 電路的功耗是要明確的第三個參數(shù)。該參數(shù)是確保系統(tǒng)能持續(xù)數(shù)天記錄 EDA 信號而無需充電或更換設(shè)備的關(guān)鍵。我們?nèi)〉昧瞬煌悄苁直淼碾姵厝萘繑?shù)據(jù)和部分可能商用系統(tǒng)的功率預(yù)算數(shù)據(jù)。經(jīng)過研究，確定了功耗目標(biāo)，要求平均功耗不得超過 200 μA。

最后，要明確的最后一項指標(biāo)是成本。然而，目前還無法確定該指標(biāo)，因為有多種因素可能會影響到設(shè)備的最終成本。精心選擇電路拓撲結(jié)構(gòu)和器件，確保最終解決方案的成本處于合理水平。

硬件設(shè)計

本節(jié)描述電路拓撲結(jié)構(gòu)、測量范圍和分辨率的確定方式。

其中一個關(guān)鍵決定是確定電路的拓撲結(jié)構(gòu)?；径裕瑴y量阻抗的方法有兩種。系統(tǒng)可以施加電流并測量阻抗范圍內(nèi)的電壓，也可以施加電壓并測量阻抗范圍內(nèi)的電流。另外，這些施加信號既可以是直流信號，也可以是交流信號。6 重要的是要分析每種方法的優(yōu)勢和不足。

有多種電路可以測量交流信號，每種都有自己的優(yōu)勢和劣勢。然而，為了達到性能、成本和面積方面的限制要求，我們認為最佳選擇是以下解決方案。

我們最后決定，用一個交流電壓源作為激勵源，測量通過患者身體的電流，由此確定皮膚電導(dǎo)率。該解決方案可以避免在單個汗腺上施加高壓，從而避免了汗腺受損的危險，并且符合 IEC6060-1 標(biāo)準的要求。交流信號消除了電極極化問題。7

我們需要數(shù)字化、存儲和分析要測量的電流。意味著電路需要一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。由于多數(shù) ADC 轉(zhuǎn)換的是電壓而不是電流，所以，我們需要先把通過患者身體的電流轉(zhuǎn)換成電壓。這可以通過一個跨阻放大器 (TIA) 來實現(xiàn)的。在選擇最佳運算放大器時，要考慮的三個關(guān)鍵指標(biāo)是噪聲規(guī)格、尺寸和功耗;在實現(xiàn) TIA 時要用到這些指標(biāo)。

一旦確定的系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，下一步就是確定要開發(fā)的系統(tǒng)的測量范圍和分辨率。

EDA 信號放大方面的問題主要源于其寬范圍和高分辨率要求。一般地，皮膚電導(dǎo)設(shè)備必須覆蓋的范圍為 0 μS 至 100 μS，還要能檢測 0.05 μS 的波動。分辨率可以通過 12 位分辨率以上的 ADC 實現(xiàn)。對于分辨率，本項目的目標(biāo)是 0.01μS，因此需要采用 14 位或 16 位分辨率的 ADC。8

為了在 100 μS 的范圍內(nèi)獲得 0.05 μS 的分辨率并達到安全法規(guī)的要求，需要采用下列模塊。

• 一個交流電壓源

• 確保符合 IEC6060-1 規(guī)范的保護元件

• 用于測量通過患者身體的電流的電路

環(huán)境溫度和皮膚溫度的變化會導(dǎo)致 EDA 信號變化。9 因此，也有必要取得環(huán)境溫度和皮膚溫度。這可以通過一個簡單的熱敏電阻和幾個分立元件以及一個 ADC 來實現(xiàn)。

最后，功耗是該電路中的一個關(guān)鍵參數(shù)。為了降低功耗，確保僅在需要進行新的測量時激活系統(tǒng)，必須同時集成一個電源管理單元。該模塊必須能由主微控制器輕松控制，并且必須為整個 EDA 測量電路供電。圖 1 所示為完整的功能框圖。

圖 1.系統(tǒng)框圖。

在以下各節(jié)中，我們將明確本應(yīng)用的最佳組件。

電源管理單元

我們決定用 ADP151 系列實現(xiàn)電源管理單元，因為該系列具有多個不錯的特性，其封裝和噪聲水平也非常適合本應(yīng)用的需要。10

電平轉(zhuǎn)換器

有多種方式和廣泛的集成電路可以用來形成電平轉(zhuǎn)換器。然而，這些集成電路的面積和價格卻無法滿足本項目的限制要求。因此，本電路中的電平轉(zhuǎn)換器是用分立元件實現(xiàn)的?；镜?，電平轉(zhuǎn)換器由一個晶體管 DMN2990UFZ,11 和一個電阻構(gòu)成。

低通濾波器和 TIA

為了實現(xiàn)低通濾波器和 TIA，我們選用了 ADA4505-2ACBZ，因為它具有優(yōu)秀低功耗水平、小尺寸和輸入偏置電流超低等特點。12

ADC

符合所有系統(tǒng)要求的 ADC 是 AD7689BCBZ。這款強大的 ADC 集成了可以在不使用時關(guān)閉的基準電壓源，因而可以降低功耗。13

最后，為了確保達到面積限制要求，我們將使用的組件和功能數(shù)量降至最低，并且為所有組件選擇了最小的封裝。圖2所示為該系統(tǒng)的布局和尺寸。

圖 2.EDA 分立式電路布局。

軟件設(shè)計

如前所述，系統(tǒng)需要生成一個激勵信號，用于測量皮膚的電導(dǎo)率。該激勵信號是一個交流信號，從交流測量值抽取的兩個參數(shù)是信號幅度和激勵信號與獲取的信號之間的相位延遲。最重要的參數(shù)是幅度，可以通過多種方式從交流信號中獲取該參數(shù)。然而，在本系統(tǒng)中，獲取幅度的最佳方法是實現(xiàn)離散傅里葉變換 (DFT)。14

也可以將 DFT 視為濾波器組，其衰減水平與樣本數(shù)成正比，最大值的位置取決于激勵信號。

在這里，有理由采用較大的樣本數(shù) (N) 來實現(xiàn) DFT，因為這樣做可以改善 SNR。然而，DFT 的功耗(如果直接實現(xiàn))與樣本數(shù)成比例，采集的樣本越多，功耗越大。這意味著在樣本數(shù)與功耗之間存在一個重要的折衷點。

另一個重要參數(shù)是采樣頻率與激勵頻率之比。如果采樣頻率為激勵頻率的 4 倍，則用于實現(xiàn) DFT 的等式會非常簡單。這種情況下，涉及浮點乘法的復(fù)雜等式會成為加法。如果可用處理器為 DSP 或 Cortex®-M4，則乘法也是可行的。然而，如果必須在 Cortex-M0 中進行計算，則這可能會成為一個重要問題。不妨比較等式 1 和 100 Hz 頻率窗口 (FCENTER) 的單點 DFT 計算濾波器表達式，其中，采樣頻率 (FS) 為 400 Hz 和 500 Hz。

明確要采用的技術(shù)以及激勵頻率與采樣頻率之比之后，下一步就是確定激勵頻率。

激勵頻率必須盡可能低，以確保電流會流過患者的皮膚，但不會滲入身體。15 因此，激勵頻率必須小于 1 kHz。同時需要指出的是，本應(yīng)用的主要噪聲源是市電產(chǎn)生的 50 Hz/60 Hz 噪聲。

如等式 2 所示，DFT 的各個組分 X(k) 抵消了 n × FS/N 形式的頻譜組分的貢獻，其中，n = 0, 1, 2...N – 1，N = k 時除外。通過正確定義激勵頻率，我們可以抵消 50 Hz 噪聲源的貢獻。然而，不能使用高頻率的原因如前所述。所以，不錯的折衷點是1 00 Hz，雖然我們可能會捕捉到市電干擾源的諧波。

如果激勵信號為 100 Hz，采樣頻率為 400 Hz，則在 50 Hz 下，當(dāng) N 等于 8、16 和 32 時，會出現(xiàn)零。我們同時要記住的是，樣本數(shù)必須盡可能小，以盡量降低功耗。因此，一種不錯的折衷選項是用 16 個樣本實現(xiàn) DFT。必要時，為了改善 SNR，可以增加樣本數(shù)。當(dāng)然，如果噪聲為 60 Hz 而非 50 Hz，則采樣頻率應(yīng)為 480 Hz，激勵頻率應(yīng)為 120 Hz。頻率響應(yīng)如圖 3 所示，只涉及加法的數(shù)學(xué)公式如等式 3 所示。

圖 3.可以把 DFT 視為濾波器組。這是 16 個樣本條件下的 DFT 頻率響應(yīng)，其中，采樣頻率為 400 Hz，中心頻率為 100 Hz，頻率窗口為矩形。

機械設(shè)計

我們開發(fā)了一個評估系統(tǒng)，用于測試和證明以上提出的解決方案。該平臺由 EDA 測量需要的主傳感器以及其它必要特性構(gòu)成。移動和溫度可能會影響皮膚阻抗測量結(jié)果。9, 16 因此，同時我們也測量了含有移動和溫度的信號。

系統(tǒng)還包括一個電池充電器，用于對平臺中使用的 LIPO 電池充電。該設(shè)備需要采用高容量電池，因為我們希望能實現(xiàn) 24 小時信號采集。阻抗、溫度和加速度測量值被保存到存儲于微型 SD 卡上的文件中，也可以通過低功耗的藍牙®把數(shù)據(jù)發(fā)送到平板電腦或個人電腦上。圖 4 所示為評估平臺。

圖 4.EDA 評估平臺。ADI watch GEN II。

結(jié)果

SNR 研究

我們進行了數(shù)學(xué)分析，確保能在所選組件的噪聲水平以及系統(tǒng)帶寬條件下，實現(xiàn)要求的分辨率。然而，該特性需要用實際測量值檢驗。為此，我們用原型系統(tǒng)測量了多個電阻網(wǎng)絡(luò)，以便檢驗功能。研究涉及對同一電阻網(wǎng)絡(luò)進行多次測量，以檢查可重復(fù)性，從而獲得系統(tǒng)的精度數(shù)據(jù)。在這項測試中，我們對每個網(wǎng)絡(luò)進行了 100 次測量，通過從取得的結(jié)果中的最大值減去最小值，取得了最大誤差。誤差值始終等于或小于 0.01 μS。

在驗證系統(tǒng)精度以后，下一步是檢查系統(tǒng)的線性度。為了進行此項實驗，我們將原型接入可編程電阻替代器，以 1 kΩ 的步進對 10 kΩ-500 kΩ 的范圍進行了評估。系統(tǒng)的 R2 為 0.9999992。

功耗研究

EDA 系統(tǒng)由一個有不同狀態(tài)的狀態(tài)機構(gòu)成，用于獲取患者皮膚電導(dǎo)率，確保使功耗維持于最低水平。開始時，在狀態(tài) 1(S1) 下，我們關(guān)閉了 EDA 的 AFE，只有微控制器和加速度計處于開啟狀態(tài)。平均功耗為 139 μA。大約 150 ms 后，我們打開 EDA AFE，由 MCU 生成方波信號，然后交由 LPF 濾波。在該階段 (S2)，我們關(guān)閉了 ADC 基準電壓源，因為信號還不穩(wěn)定。確保信號穩(wěn)定需要 6 個周期，在最差情況下，S2 下的平均功耗為 230 μA。我們在 S3 下打開了 ADC 基準電壓源，系統(tǒng)等待 10 ms，確保基準電壓源穩(wěn)定下來——本階段的平均功耗為 730 μA。系統(tǒng)在四個周期中獲取 4 個樣本，以取得用于在 S4 中實現(xiàn) DFT 的 16 個樣本點。本階段的功耗為 880 μA。DFT 在階段 S5 中實現(xiàn)的。同時在該狀態(tài)下取得了加速度計數(shù)據(jù)，本階段的功耗為 8 mA 左右。圖 5 所示為系統(tǒng)功耗。本研究證明，EDA AFE 的平均功耗要低于 170 μA。

圖 5.功耗分析。

實驗檢驗

現(xiàn)在，我們已經(jīng)對系統(tǒng)進行過電子驗證——因此，下一步是比較 EDA 電路與基準系統(tǒng)的性能。在本例中，我們以 Empatica 的 E4 平臺作為基準系統(tǒng)，因為它具有良好的性能。

確定基準以后，我們要確定能看到 EDA 信號的變化的測試。選擇的是“放松-壓力”測試。該測試分為兩步：第一步是放松練習(xí)，第二步是壓力練習(xí)。

放松練習(xí)由 10 分鐘的控制呼吸組成，目的是達到放松狀態(tài)。壓力狀態(tài)是通過“顏色-詞語-聲音”游戲?qū)崿F(xiàn)的。在該應(yīng)用中，用戶會聽到一種顏色，看到一種顏色的文字，該文字是用一種顏色展示出來的。聽到的顏色、用文字描述的顏色和展示的顏色可能相同，也可能不同。正如讀者在圖 6 中觀察到的那樣，可能有一個下面這樣的句子：

• 選擇顏色

• 選擇聲音

• 選擇詞語

根據(jù)句子傳遞的信息和聲音、文字或顏色，受試者需要按下正確的按鈕。用戶必須在進度條走完之前做出反應(yīng)。

如果在這段時間內(nèi)用戶沒有反應(yīng)，或者如果反應(yīng)是錯誤的，則會減去相應(yīng)的分值。如果正確，則會增加相應(yīng)的分值。最后，交換按鈕位置。

在該應(yīng)用中，有多種設(shè)置可以修改，以改變實驗等級(壓力水平)。

圖 6.“顏色-詞語-聲音”測試應(yīng)用。

理論上，在放松任務(wù)中，皮膚電導(dǎo)率應(yīng)該會下降，在壓力活動中，應(yīng)該增加。在壓力活動中，應(yīng)該能觀察到峰值或尖峰。直流電平的變化對應(yīng)于壓力源的強直性反應(yīng)。在壓力活動中觀察到的峰值被認定為形勢反應(yīng)，在放松任務(wù)中不會出現(xiàn)。

在明確用于取得 EDA 信號顯著變化和預(yù)期響應(yīng)的程序之后，下一步是進行實驗，對我們的 EDA 解決方案與 Empatica E4 平臺進行性能比較。為了進行比較，受試在進行測試時同時戴上兩款設(shè)備。Empatica 解決方案戴在右手上，測試系統(tǒng)則戴在左手上。這意味著預(yù)期信號必須相似，但不完全相同，因為設(shè)備是戴在不同的手臂上，測量部位不完全相同;Empatica 從腕關(guān)節(jié)底部獲取 EDA 信號，我們的解決方案則從腕關(guān)節(jié)頂部獲取信號。兩臺設(shè)備獲取的信號非常相似，如圖 7 所示。在不同患者身上重復(fù)了多次本實驗，以便驗證系統(tǒng)。

圖 7.“放松-壓力”測試(左側(cè)為測試系統(tǒng)，右側(cè)為基準設(shè)備)。

結(jié)論

本 EDA 電路是一種巧妙的皮膚電導(dǎo)率獲取方案。得益于平均功耗和尺寸優(yōu)勢，可以將其集成到任何智能手表或類似平臺中。設(shè)備取得了預(yù)期性能效果，可以在較寬的范圍內(nèi)，以高分辨率測量皮膚電導(dǎo)率。EDA 電路采用特殊設(shè)計，避免了極化和半電池電位效應(yīng)，可以兼容任何類型的電極。另外，還達到了 IEC6060-1 的要求。

為了評估和測試電路的特性，我們設(shè)計了一個原型。系統(tǒng)設(shè)計用以可以在不充電的情況下，24 小時持續(xù)獲取 EDA 信號以及皮膚溫度、環(huán)境溫度和移動數(shù)據(jù)，并把信息存儲起來或者以無線方式實時發(fā)射出去。因此，可以用該平臺從處于不同狀況的不同人身上采集EDA數(shù)據(jù)，不受時間限制。最后，可以利用這些信息開發(fā)算法，以便檢測、估測或預(yù)測人的壓力水平。