皮膚電活動(dòng)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)與評(píng)估

　　摘要

　　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?yàn)橛脩粝Ｍ麑?shí)時(shí)監(jiān)控、測量和跟蹤與其健康相關(guān)的各種實(shí)時(shí)指標(biāo)，包括步數(shù)、心率、心率變異指數(shù)(HRV)、用戶體溫、活動(dòng)水平和/或壓力水平等。現(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(dòng)(EDA)，是通過測量皮膚阻抗或皮膚電導(dǎo)率來實(shí)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(huì)上升。通過測量皮膚阻抗或皮膚電導(dǎo)率在時(shí)間上的變化，可以獲得與用戶活動(dòng)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(gè)有用的實(shí)體系統(tǒng)，用于研究并最終評(píng)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(huì)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(duì)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(shí)激活并釋放腎上腺激素。

　　釋放化學(xué)信使后會(huì)產(chǎn)生皮質(zhì)醇激素，導(dǎo)致血壓和血糖升高，對(duì)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(xì)胞結(jié)合后產(chǎn)生血糖，實(shí)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(zhǔn)備。兒茶酚胺類激素(如腎上腺素或去甲腎上腺素)會(huì)促進(jìn)即時(shí)身體反應(yīng)，為激烈的肌肉反應(yīng)做好準(zhǔn)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(huì)導(dǎo)致多種疾病，對(duì)人的身心造成影響。1 我們會(huì)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(dòng)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(duì)壓力的回應(yīng)。因此，測量皮質(zhì)醇水平被認(rèn)為是量化壓力水平的黃金標(biāo)準(zhǔn)方法。2 然而，該技術(shù)存在兩個(gè)重要問題。第一個(gè)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(dá)15分鐘。第二個(gè)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(duì)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(shí)間間隔發(fā)生變化的這種生理現(xiàn)象。其測定標(biāo)準(zhǔn)是心跳間時(shí)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(duì)壓力評(píng)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(gè)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(xiàng)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(jì)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(gè)人對(duì)這些威脅的感知是不同的，有許多因素會(huì)使一個(gè)人眼中的簡單事件變成另一個(gè)人眼中的巨大威脅。在醫(yī)院里進(jìn)行壓力測試以確定人的壓力水平是沒用的，因?yàn)檫@些威脅出現(xiàn)在患者的正常生活當(dāng)中?？梢?，有必要開發(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(diǎn)。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(duì)最終設(shè)備的這些要求意味著系統(tǒng)必須符合下列特點(diǎn)：

　　u 電池供電，因?yàn)楸仨毧纱┐?/p>

　　u 低功耗，因?yàn)楸仨殞?duì)患者監(jiān)控?cái)?shù)天時(shí)間

　　u 小尺寸，因?yàn)楸仨毧纱┐髑矣脩粲押?/p>

　　u 低成本，因?yàn)槿绻F，解決方案就無法被運(yùn)用到任何消費(fèi)級(jí)設(shè)備當(dāng)中

　　u 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?yàn)檫@種設(shè)計(jì)可以確保設(shè)備的下列特點(diǎn)：非介入性;用戶友好性;機(jī)械設(shè)計(jì)的簡單性。然而，在該部位獲取的信號(hào)在質(zhì)量上不如從身體其他部位獲取的EDA信號(hào)，比如食指與中指的中節(jié)指骨。5

　　一旦確定了EDA信號(hào)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(gè)指標(biāo)是EDA電路可以使用的面積。為了確定這個(gè)參數(shù)，我們分析了多款智能手表，并就這個(gè)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(gè)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(hào)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(xiàng)指標(biāo)是成本。然而，目前還無法確定該指標(biāo)，因?yàn)橛卸喾N因素可能會(huì)影響到設(shè)備的最終成本。精心選擇電路拓?fù)浣Y(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(jì)

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

　　其中一個(gè)關(guān)鍵決定是確定電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；径?，測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(hào)既可以是直流信號(hào)，也可以是交流信號(hào)。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(hào)，每種都有自己的優(yōu)勢和劣勢。然而，為了達(dá)到性能、成本和面積方面的限制要求，我們認(rèn)為最佳選擇是以下解決方案。

　　我們最后決定，用一個(gè)交流電壓源作為激勵(lì)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(gè)汗腺上施加高壓，從而避免了汗腺受損的危險(xiǎn)，并且符合IEC6060-1標(biāo)準(zhǔn)的要求。交流信號(hào)消除了電極極化問題。7

　　我們需要數(shù)字化、存儲(chǔ)和分析要測量的電流。意味著電路需要一個(gè)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(gè)跨阻放大器(TIA)來實(shí)現(xiàn)的。在選擇最佳運(yùn)算放大器時(shí)，要考慮的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是噪聲規(guī)格、尺寸和功耗;在實(shí)現(xiàn)TIA時(shí)要用到這些指標(biāo)。

　　一旦確定的系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(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(hào)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(dòng)。分辨率可以通過12位分辨率以上的ADC實(shí)現(xiàn)。對(duì)于分辨率，本項(xiàng)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(dá)到安全法規(guī)的要求，需要采用下列模塊。

　　u 一個(gè)交流電壓源

　　u 確保符合IEC6060-1規(guī)范的保護(hù)元件

　　u 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(huì)導(dǎo)致EDA信號(hào)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(gè)簡單的熱敏電阻和幾個(gè)分立元件以及一個(gè)ADC來實(shí)現(xiàn)。

　　最后，功耗是該電路中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。為了降低功耗，確保僅在需要進(jìn)行新的測量時(shí)激活系統(tǒng)，必須同時(shí)集成一個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)電源管理單元，因?yàn)樵撓盗芯哂卸鄠€(gè)不錯(cuò)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(jià)格卻無法滿足本項(xiàng)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(shí)現(xiàn)的?；镜兀娖睫D(zhuǎn)換器由一個(gè)晶體管DMN2990UFZ,11和一個(gè)電阻構(gòu)成。

　低通濾波器和TIA

　　為了實(shí)現(xiàn)低通濾波器和TIA，我們選用了ADA4505-2ACBZ，因?yàn)樗哂袃?yōu)秀低功耗水平、小尺寸和輸入偏置電流超低等特點(diǎn)。12

　　ADC

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

　　最后，為了確保達(dá)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(jì)

　　如前所述，系統(tǒng)需要生成一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，用于測量皮膚的電導(dǎo)率。該激勵(lì)信號(hào)是一個(gè)交流信號(hào)，從交流測量值抽取的兩個(gè)參數(shù)是信號(hào)幅度和激勵(lì)信號(hào)與獲取的信號(hào)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(hào)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(shí)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(lì)信號(hào)。

　　在這里，有理由采用較大的樣本數(shù)(N)來實(shí)現(xiàn)DFT，因?yàn)檫@樣做可以改善SNR。然而，DFT的功耗(如果直接實(shí)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(gè)重要的折衷點(diǎn)。

　　另一個(gè)重要參數(shù)是采樣頻率與激勵(lì)頻率之比。如果采樣頻率為激勵(lì)頻率的4倍，則用于實(shí)現(xiàn)DFT的等式會(huì)非常簡單。這種情況下，涉及浮點(diǎn)乘法的復(fù)雜等式會(huì)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(jìn)行計(jì)算，則這可能會(huì)成為一個(gè)重要問題。不妨比較等式1和100 Hz頻率窗口(FCENTER)的單點(diǎn)DFT計(jì)算濾波器表達(dá)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(lì)頻率與采樣頻率之比之后，下一步就是確定激勵(lì)頻率。

　　激勵(lì)頻率必須盡可能低，以確保電流會(huì)流過患者的皮膚，但不會(huì)滲入身體。15 因此，激勵(lì)頻率必須小于1 kHz。同時(shí)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(gè)組分X(k)抵消了n × FS/N形式的頻譜組分的貢獻(xiàn)，其中，n = 0, 1, 2...N – 1，N = k時(shí)除外。通過正確定義激勵(lì)頻率，我們可以抵消50 Hz噪聲源的貢獻(xiàn)。然而，不能使用高頻率的原因如前所述。所以，不錯(cuò)的折衷點(diǎn)是100 Hz，雖然我們可能會(huì)捕捉到市電干擾源的諧波。

　　如果激勵(lì)信號(hào)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)零。我們同時(shí)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(cuò)的折衷選項(xiàng)是用16個(gè)樣本實(shí)現(xiàn)DFT。必要時(shí)，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(lì)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(gè)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(jī)械設(shè)計(jì)

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

　　系統(tǒng)還包括一個(gè)電池充電器，用于對(duì)平臺(tái)中使用的LIPO電池充電。該設(shè)備需要采用高容量電池，因?yàn)槲覀兿Ｍ軐?shí)現(xiàn)24小時(shí)信號(hào)采集。阻抗、溫度和加速度測量值被保存到存儲(chǔ)于微型SD卡上的文件中，也可以通過低功耗的藍(lán)牙?把數(shù)據(jù)發(fā)送到平板電腦或個(gè)人電腦上。圖4所示為評(píng)估平臺(tái)。

　　圖4.EDA評(píng)估平臺(tái)。ADI watch GEN II。

　　結(jié)果

　　SNR研究

　　我們進(jìn)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(shí)現(xiàn)要求的分辨率。然而，該特性需要用實(shí)際測量值檢驗(yàn)。為此，我們用原型系統(tǒng)測量了多個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)，以便檢驗(yàn)功能。研究涉及對(duì)同一電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(xiàng)測試中，我們對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(yàn)證系統(tǒng)精度以后，下一步是檢查系統(tǒng)的線性度。為了進(jìn)行此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，我們將原型接入可編程電阻替代器，以1 kΩ的步進(jìn)對(duì)10 kΩ-500 kΩ的范圍進(jìn)行了評(píng)估。系統(tǒng)的R2為0.9999992。

　功耗研究

　　EDA系統(tǒng)由一個(gè)有不同狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)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(shí)，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(jì)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(hào)，然后交由LPF濾波。在該階段(S2)，我們關(guān)閉了ADC基準(zhǔn)電壓源，因?yàn)樾盘?hào)還不穩(wěn)定。確保信號(hào)穩(wěn)定需要6個(gè)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(zhǔn)電壓源，系統(tǒng)等待10 ms，確保基準(zhǔn)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(gè)周期中獲取4個(gè)樣本，以取得用于在S4中實(shí)現(xiàn)DFT的16個(gè)樣本點(diǎn)。本階段的功耗為880 μA。DFT在階段S5中實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)在該狀態(tài)下取得了加速度計(jì)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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

　　現(xiàn)在，我們已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行過電子驗(yàn)證——因此，下一步是比較EDA電路與基準(zhǔn)系統(tǒng)的性能。在本例中，我們以Empatica的E4平臺(tái)作為基準(zhǔn)系統(tǒng)，因?yàn)樗哂辛己玫男阅堋?/p>

　　確定基準(zhǔn)以后，我們要確定能看到EDA信號(hào)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(dá)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(huì)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(gè)下面這樣的句子：

　　u 選擇顏色

　　u 選擇聲音

　　u 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(jìn)度條走完之前做出反應(yīng)。

　　如果在這段時(shí)間內(nèi)用戶沒有反應(yīng)，或者如果反應(yīng)是錯(cuò)誤的，則會(huì)減去相應(yīng)的分值。如果正確，則會(huì)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(shí)驗(yàn)等級(jí)(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(huì)下降，在壓力活動(dòng)中，應(yīng)該增加。在壓力活動(dòng)中，應(yīng)該能觀察到峰值或尖峰。直流電平的變化對(duì)應(yīng)于壓力源的強(qiáng)直性反應(yīng)。在壓力活動(dòng)中觀察到的峰值被認(rèn)定為形勢反應(yīng)，在放松任務(wù)中不會(huì)出現(xiàn)。

　　在明確用于取得EDA信號(hào)顯著變化和預(yù)期響應(yīng)的程序之后，下一步是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)我們的EDA解決方案與Empatica E4平臺(tái)進(jìn)行性能比較。為了進(jìn)行比較，受試在進(jìn)行測試時(shí)同時(shí)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(hào)必須相似，但不完全相同，因?yàn)樵O(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(hào)，我們的解決方案則從腕關(guān)節(jié)頂部獲取信號(hào)。兩臺(tái)設(shè)備獲取的信號(hào)非常相似，如圖7所示。在不同患者身上重復(fù)了多次本實(shí)驗(yàn)，以便驗(yàn)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(zhǔn)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(tái)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(jì)，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(dá)到了IEC6060-1的要求。

　　為了評(píng)估和測試電路的特性，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)原型。系統(tǒng)設(shè)計(jì)用以可以在不充電的情況下，24小時(shí)持續(xù)獲取EDA信號(hào)以及皮膚溫度、環(huán)境溫度和移動(dòng)數(shù)據(jù)，并把信息存儲(chǔ)起來或者以無線方式實(shí)時(shí)發(fā)射出去。因此，可以用該平臺(tái)從處于不同狀況的不同人身上采集EDA數(shù)據(jù)，不受時(shí)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。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 Melissa Conrad St?ppler，“壓力，”MedicineNet.com，2016.

　　2 Danmin Miao、Li Luo、Lijun Xioa和Xiaomin Luo，“從波形量化分析角度看心理壓力所致皮質(zhì)醇水平變化與血管反應(yīng)之間的關(guān)系：血管變化壓力相干指數(shù)研究”，Biomedical Engineering and Biotechnology，2012年7月。

　　3 Chu Kiong Loo、Einly Lim、Manjeevan Seera、Naoyuki Kubota和Wei Shiung Liew，“以Salivary Biomarkers為基準(zhǔn)條件下基于心率變異指數(shù)的壓力分類研究”，IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems，2016年10月。

　　4 Wolfram Boucsein，“皮膚電現(xiàn)象原理”，Electrodermal Activity，第1-86頁，Springer U.S.，2012。

　　5 Wolfram Boucsein，“記錄壓力”，Electrodermal Activity，第104-109頁，Springer U.S.，2012。

　　6 Wolfram Bouscein，“皮膚電測量簡介”，Electrodermal Activity，第88-103頁，Springer U.S.，2012。

　　7 Banu Onaral、Herman P. Schwan、Banu Onaral，“生物電極的電氣屬性”，IEEE Transactions on Biomedical Engineering，1984年12月。

　　8 Wolfram Boucsein，“皮膚電測量的具體問題”，Electrodermal Activity，第96-98頁，Springer U.S.，2012。

　　9 Wolfram Boucsein，“氣候條件”，Electrodermal Activity，第189-192頁，Springer U.S.，2012。

　　10 ADP151數(shù)據(jù)手冊，ADI公司，2017。

　　11 DMN2990UFZ數(shù)據(jù)手冊，Diodes公司，2015。

　　12 ADA4505-2數(shù)據(jù)手冊，ADI公司，2017。

　　13 AD7689數(shù)據(jù)手冊，ADI公司，2017。

　　14 Julius O. Smith III，“離散傅里葉變換(DFT)的數(shù)學(xué)原理：以音頻應(yīng)用為例”，斯坦福大學(xué)，2002。

　　15 Wolfram Boucsein，“用交流電實(shí)現(xiàn)體外記錄，”，Electrodermal Activity，第126-129頁，Springer U.S.，2012。

　　16 Wolfram Boucsein. “Physiologically Based Artifacts.” Electrodermal Activity, pp 141-143, Springer U.S., 2012.

　　16 Wolfram Boucsein，“生理偽像”，Electrodermal Activity，第141-143頁，Springer U.S.，2012。

　　作者簡介

　　Javier Calpe [javier.calpe@analog.com]畢業(yè)于西班牙瓦倫西亞大學(xué)，于1989年和1993年分別獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位和物理學(xué)博士學(xué)位。Javier現(xiàn)為ADI公司西班牙瓦倫西亞開發(fā)中心負(fù)責(zé)人。

　　Jose Carlos Conchell [jose.conchell@analog.com]現(xiàn)為ADI公司西班牙瓦倫西亞工業(yè)與醫(yī)療健康事業(yè)部的一名產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他專注于生物阻抗應(yīng)用的研發(fā)。José Carlos Conchell于2011年加盟ADI。他畢業(yè)于西班牙瓦倫西亞大學(xué)，于2007年、2010年和2016年分別獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位、電氣工程碩士學(xué)位和生物醫(yī)學(xué)工程碩士學(xué)位。