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控、測量和跟蹤，包括他們采取的步數、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涉及監測、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。研究表明，在對環境、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，允許用戶或醫生根據獲得的指標采取適當的步驟來解決他們的狀況。

本文的最終目標是提供一個有用的物理系統來調查并最終估計/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（環境、心理或社會場合）或內部的（疾病或由醫療程序引起的）。壓力可以引發戰斗或逃跑反應，這是神經系統和內分泌系統的復雜反應。

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

反應始于杏仁核，引發下丘腦的神經反應。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醇激素的產生，從而增加血壓和血糖，并抑制免疫系統。觸發初始反應和后續反應以增強能量。這種能量的提升是通過腎上腺素與肝細胞的結合和隨后的葡萄糖產生來激活的。此外，皮質醇的循環功能是將脂肪酸轉化為可用的能量，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，在持續的需求下，壓力系統會變得長期活躍，并可能對個人的健康產生破壞性影響。

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：測量皮質醇水平，獲得心率變異性，或獲得皮膚電活動。

測量皮質醇水平

皮質醇是糖皮質激素類激素中的類固醇激素，由腎上腺內的腎上腺皮質在人類中產生。它是在壓力下釋放的。因此，測量皮質醇水平被認為是量化壓力水平的金標準方法。2但是，這種技術有兩個重要問題。其中一個問題是威脅和皮質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，對于可穿戴產品或 24/7 應用來說，系統的功耗可能變得過高。

獲取 EDA

EDA是神經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更具優勢。

系統說明

這項研究的目的是開發一種有用的工具來調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成巨大威脅。在醫院進行壓力測試以確定一個人的壓力水平是沒有用的，因為這些威脅出現在患者的正常生活中。因此，有必要開發一個系統，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天的監測

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

為了確保系統是非侵入式的，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側指骨。

一旦確定了電極的位置以獲得EDA信號，很明顯，最終（目標）系統將呈現智能手表或類似設備的形式。此時，要確定的下一個規范是EDA電路可以使用的區域。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。結論是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。此參數是確保系統能夠在幾天內記錄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系統的功率預算。本調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構。基本上，有兩種測量阻抗的方法。系統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，分析每種方法的優缺點很重要。

有幾十個測量交流的電路，每個電路都有其優點和缺點。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字化、存儲和分析。這意味著電路將需要模數轉換器（ADC）。由于大多數ADC轉換電壓而不是電流，因此流經患者身體的電流需要轉換為電壓。這是由跨阻放大器（TIA）完成的。噪聲規格、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TIA。

確定系統的拓撲結構后，下一步是確定正在開發的系統的范圍和分辨率。

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。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的同時在100 μS范圍內獲得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

用于測量流經患者身體的電流的電子電路

環境溫度和皮膚溫度的變化會導致EDA信號發生變化。9因此，獲取環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。

最后，功耗在該電路中至關重要。為了減少它并確保系統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。

實現電平轉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，本電路中的電平轉換器由分立元件實現。基本上，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。

模數轉換器

滿足所有系統要求的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，為了確保能夠實現面積限制，已經包括了最少數量的組件和功能，并且已經為所有組件選擇了最小的封裝。圖 2 顯示了該系統的布局和大小。

圖2.EDA 分立電路布局。

軟件設計

如前所述，系統需要產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。但是，在該系統中獲得振幅的最佳方法是實現離散傅里葉變換（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DFT，因為它會提高SNR。但是，DFT的功耗（如果直接實現）與樣本數量成正比，隨著我們獲取更多樣本，我們將需要更多的功率。這意味著在樣本數量和功耗之間有一個重要的權衡。

另一個重要參數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。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，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 50 Hz 處的零點。我們還必須記住，樣本數量必須盡可能少，以盡量減少功耗。因此，一個好的權衡是使用 16 個樣本來實現 DFT。如果需要，可以增加樣本數量以提高信噪比。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

開發了一個評估系統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 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，或者數據可以通過低功耗藍牙發送到平板電腦或PC。

結果

信噪比研究

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

驗證系統精度后，下一步是檢查系統的線性度。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系統是 0.9999992。

功耗研究

EDA系統由具有不同狀態的狀態機組成，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，因為信號尚不穩定。需要六個周期來確保信號穩定，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，系統等待10 ms以確保基準電壓源穩定——該級的平均電流消耗為730 μA。該系統在四個周期內采集4個樣本，以獲得16個樣本以在S4中實現DFT。此階段的功耗為880 μA。DFT在S5階段實施。加速度計數據也是在此狀態下獲得的，該階段的電流消耗約為8 mA。圖5顯示了系統的功耗。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，系統已經過電子評估，因此，下一步是將EDA電路與基準電壓源相關聯。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 分鐘的有節奏呼吸以達到放松狀態。壓力狀態是通過玩顏色-單詞-聲音游戲來實現的。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。可聽顏色、文本顏色或插圖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沒有響應，或者響應錯誤，則分數值將遞減。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。

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。

圖7.松弛應力測試，左手是被測系統，右手是參考裝置。

結論

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。該設備實現了預期的性能，因為它以高分辨率在大范圍內測量皮膚的電導率。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。該系統設計用于在 24 小時不間斷的會話期間結合皮膚溫度、環境溫度和運動獲取 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數據。最后，這些信息可用于開發可以檢測、估計或預測一個人的壓力水平的算法。

審核編輯：郭婷