摘要

南皇电子专注于整合中国优质电子AD代理国内领先的现货资源，提供合理的行业价格、战略备货、快速交付控制AD芯片供应商，轻松满足您的需求AD芯片采购需求.（http://www.icbuyshop.com/）

近年来，由于用户希望实时监控、测量和跟踪与其健康相关的各种实时指标，包括步数、心率、心率变异指数，活跃跟踪器等可穿戴电子设备越来越受欢迎(HRV)、用户体温、活动水平和/或压力水平。现有已知的压力水平测定技术涉及监测、测量和/或跟踪皮肤电活动(EDA)，通过测量皮肤阻抗或皮肤电导率来实现。研究表明，皮肤电导率会上升，以响应环境、心理和/或生理反应。通过测量皮肤阻抗或皮肤电导率的时间变化，用户或医生可以根据获得的指标采取适当的措施来处理与用户活动水平、压力水平、疼痛水平和/或其他与用户当前心理和/或生理状况相关的因素。

本文的最终目的是为研究和最终评估/量化人的压力水平提供一个有用的实体系统。

简介

压力是导致身体或精神紧张的生理、心理或情绪因素。压力分为外部压力(环境压力、心理压力或社会因素所致压力)和内部压力(疾病或医疗程序导致的压力)。压力可能引发“战或逃”的反应，后者是神经系统和内分泌系统的一种复杂反应。

战斗或逃跑反应（也称为战斗、逃跑、僵硬或服从反应、过度反应或急性压力反应）是对感知到的有害事件、攻击或生存威胁的生理反应。

该反应始于杏仁核，触发下丘脑中的神经反应。初始反应后，激活和分泌促肾上腺皮质激素。肾上腺激活并释放肾上腺激素。

释放化学信使后会产生皮质醇激素，导致血压和血糖升高，抑制免疫系统。为了增加能量，触发初始反应和后续反应。肾上腺素与肝细胞结合产生血糖，提高能量。此外，皮质醇循环是将脂肪酸转化为可用能量，从而促进人体肌肉的反应。儿茶酚胺激素(如肾上腺素或去甲肾上腺素)能促进即时的身体反应，为强烈的肌肉反应做好准备。

然而，在持续需求下，压力系统长期处于活跃状态，可能损害人体健康。

压力会导致各种疾病，影响人的身心。 我们将在本文后面讨论这些问题。

方法

检测和确定压力水平的方法有所不同。最重要的方法是测量皮质醇水平，获得心率变异指数，或获得皮肤电活动数据。

测量AD中国皮质醇水平

皮质醇是糖皮质激素中的甾体激素，是肾上腺中肾上腺皮质产生的。释放皮质醇是对压力的反应。因此，测量皮质醇水平被认为是量化压力水平的黄金标准方法。2 然而，该技术存在两个重要问题。第一个问题是从威胁到皮质醇水平变化的延迟，可能持续15分钟。第二个也是最重要的问题是，要检测用户日常生活中的威胁和压力，需要不断获取压力水平数据。因此，这种方法对任何人来说都太复杂、太、太不友好；可见皮质醇测量不适合普通用途。

获取HRV

HRV这是两次心跳间间隔变化的生理现象。其测量标准是心跳间间隔的变化。

目前，市场上有多种设备可以测量心率。这些设备的最高分辨率是每分钟一次（心跳/分钟）。这种分辨率足以满足各种应用程序的需要。然而，压力评估HRV分辨率高10倍或100倍。这意味着采样频率和算法必须非常复杂。因此，系统功耗也是一个大问题，不能满足可穿戴产品或24/7全天候应用的需求。

获取EDA

EDA是衡量汗腺渗透神经介导效应的间接指标，是小电流下皮肤电阻的变化或皮肤不同部位的电位差。

EDA比其他技术在功耗、人体工程设计和电路尺寸方面更有优势。

系统描述

本研究旨在开发一种有用的工具来研究和估计人们的压力水平。人的压力水平不是恒定的，而是取决于人感知到的威胁。每个人对这些威胁都有不同的看法，有很多因素会把一个人眼中的简单事件变成另一个人眼中的巨大威胁。在医院里进行压力测试以确定人的压力水平是没用的，因为这些威胁出现在患者的正常生活当中。因此，有必要开发一个系统，使我们能够在人们的正常生活中估计其压力水平。因此，该系统必须具有非干预性、用户友好性和可穿戴性。最后，该系统必须能够工作几天，而无需充电或更换。

对最终设备的这些要求意味着系统必须满足以下特点：

u 电池供电，因为必须可穿戴

u 低功耗，因为必须监测患者几天

u 小尺寸，因为必须可穿，用户友好

u 低成本，因为如果太贵，解决方案就不能应用于任何消费设备

u 符合安全法规

为了保证系统的非干预性，必须考虑数据记录部分。电极的最佳位置是手腕的上部，因为这种设计可以保证设备的以下特点：非干预；用户友好性；机械设计的简单性。然而，从身体其他部位获得的信号质量不如从身体其他部位获得EDA信号，如食指和中指的中指骨。

一旦确定了EDA我们知道，最终（目标）系统应采用智能手表或类似设备的形式。这里的下一个指标是EDA该电路的面积。为确定此参数，我们分析了多款智能手表，并就此话题咨询了多家供应商。结论是，EDA电路最大面积小于5 mm × 5 mm。

EDA电路的功耗是明确的第三个参数。该参数是为了确保系统能够连续记录几天EDA无需充电或更换设备的信号的关键。我们获得了不同智能手表的电池容量数据和一些可能商业系统的功率预算数据。研究确定了功耗目标，平均功耗不得超过200 μA。

最后，最后一个明确的指标是成本。然而，由于各种因素可能会影响设备的最终成本，目前还不能确定该指标。仔细选择电路拓扑结构和设备，以确保最终解决方案的成本处于合理水平。

硬件设计

本节描述了确定电路拓扑结构、测量范围和分辨率的方法。

关键决定之一是确定电路的拓扑结构。基本上，有两种方法可以测量阻抗。系统可以施加电流，测量阻抗范围内的电压，也可以施加电压，测量阻抗范围内的电流。此外，这些应用信号可以是直流信号或交流信号。 分析每种方法的优缺点很重要。

有多种电路可以测量交流信号，每种电路都有自己的优缺点。然而，为了满足性能、成本和面积的限制，我们认为最好的选择是以下解决方案。

最后，我们决定用交流电压源作为激励源，通过患者身体测量电流，从而确定皮肤电导率。该解决方案可避免在单个汗腺上施加高压，避免汗腺损伤的风险IEC6060-1标准要求。通信信号消除了电极化问题。

要测量的电流需要数字化、存储和分析。这意味着电路需要一个模数转换器(ADC)。由于多数ADC转换是电压而不是电流，因此，我们需要将通过病人身体的电流转换为电压。这可以通过跨阻放大器(TIA)来实现的。在选择最佳操作放大器时，应考虑的三个关键指标是噪声规格、尺寸和功耗；实现TIA使用这些指标。

系统的拓扑结构一旦确定，下一步就是确定要开发的系统的测量范围和分辨率。

EDA信号放大方面的问题主要源于其宽范围和高分辨率要求。一般地，皮肤电导设备必须覆盖的范围为0 μS至100 μS，还要能检测0.05 μS波动。分辨率可以超过12位ADC实现。本项目的目标为0.01μS，因此，需要使用14位或16位分辨率ADC。8

为了在100 μS在0的范围内获得.05 μS下列模块需要分辨率并满足安全法规的要求。

u 交流电压源

u 确保符合IEC6060-1标准保护元件

u 用于通过患者身体测量电流的电路

环境温度和皮肤温度的变化会导致EDA信号变化。9 因此，还需要获得环境温度和皮肤温度。这可以通过简单的热敏电阻、几个分立元件和一个ADC来实现。

最后，功耗是电路中的关键参数。为了降低功耗，确保系统只在需要新测量时激活，必须同时集成一个电源管理单元。该模块必须由主微控制器轻松控制，并且必须是整个模块EDA测量电路供电。图1为完整的功能框图。

图1.系统框图。

本应用的最佳组件将在以下节中明确。

电源管理单元

我们决定用ADP由于该系列具有许多良好的特性，其包装和噪声水平也非常适合本应用的需要，151系列实现了电源管理单元。

电平转换器

形成电平转换器的方法和广泛的集成电路有很多种。然而，这些集成电路的面积和价格不能满足项目的限制要求。因此，电路中的电平转换器是由分立元件实现的。基本上，电平转换器由晶体管制成DMN2990UFZ,由一个电阻组成。

低通滤波器和TIA

为实现低通滤和TIA，我们选用了ADA4505-2ACBZ，由于其功耗水平优异，尺寸小，输入偏置电流超低。

ADC

符合所有系统要求的ADC是AD7689BCBZ。这款强大的ADC在不使用时集成基准电压源，从而降低功耗。

最后，为了确保面积限制的要求，我们尽量减少使用的组件和功能数量，并为所有组件选择最小的包装。图2显示了系统的布局和尺寸。

图2.EDA分立电路布局。

软件设计

如前所述，系统需要生成一个激励信号来测量皮肤的电导率。激励信号是一个交流信号，从交流测量值中提取的两个参数是信号范围和激励信号与获得信号之间的相位延迟。最重要的参数是范围，可以通过各种方式从交流信号中获得。然而，在该系统中，获得范围的最佳方法是实现离散傅里叶的转换(DFT)。14

也可以将DFT它的衰减水平与样本数成正比，最大值取决于激励信号。

这里有理由使用更大的样本数(N)来实现DFT，因为这样做可以改进SNR。然而，DFT功耗(如果直接实现)与样本数成比例，收集的样本越多，功耗越大。这意味着样本数和功耗之间有一个重要的折点。

另一个重要参数是采样频率与激励频率之比。如果采样频率是激励频率的4倍，则用于实现DFT等式会很简单。在这种情况下，涉及浮点乘法的复杂等式将成为加法。若可用处理器为DSP或Cortex-M乘法也是可行的。但是，如果必须的话Cortex-M在0中计算可能是一个重要的问题。比较等式1和1000 Hz频率窗口(FCENTER)的单点DFT计算滤波器表达式，其中采样频率(FS)为400 Hz和500 Hz。

明确在技术和激励频率与采样频率进行比较后，下一步是确定激励频率。

激励频率必须尽可能低，以确保电流会流过患者的皮肤，但不会渗入身体。15 因此，激励频率必须小于1 kHz。同时，应用的主要噪声源是市电产生的50 Hz/60 Hz噪声。

如等式2所示，DFT的各个组分X(k)抵消了n × FS/N其中，n = 0, 1, 2...N – 1，N = k时除外。我们可以通过正确定义激励频率来抵消50 Hz贡献噪声源。但不能使用高频率的原因如前所述。所以，好的折衷点是100 Hz，虽然我们可能会捕捉到市电干扰源的谐波。

如果激励信号是1000 Hz，采样频率为400 Hz，则在50 Hz下，当N等于8、16和32时，就会出现零。同时要记住样本数必须尽可能小，以尽可能减少功耗。因此，用16个样本实现一个很好的折衷选项DFT。必要时，改进SNR，样本数可以增加。当然，如果噪声为60 Hz而非50 Hz，采样频率为480 Hz，激励频率应为120 Hz。频率响应只涉及等式3所示的加法数学公式。

图3.可以把DFT视为滤波器组。这是16个样本条件下DFT采样频率为400 Hz，中心频率为100 Hz，频窗为矩形。

机械设计

我们开发了一试和证明上述解决方案的评估系统。该平台由EDA测量所需的主传感器和其它必要的特性。移动和温度可能会影响皮肤阻抗测量结果。 16 因此，我们还测量了含有运动和温度的信号。

该系统还包括用于平台的电池充电器LIPO电池充电。该设备需要高容量电池，因为我们希望实现24小时信号采集。阻抗、温度和加速度的测量值保存在微型电池中SD卡上的文件中，也可以通过低功耗的蓝牙把数据发送到平板电脑或个人电脑上。图4所示为评估平台。

图4.EDA评估平台。AD watch GEN II。

结果

SNR研究

在所选部件的噪声水平和系统带宽条件下，我们进行了数学分析，以确保所需的分辨率。然而，这一特性需要用实际测量值进行测试。为此，我们用原型系统测量了多个电阻网络来检测功能。研究涉及对同一电阻网络进行多次测量，以检查可重复性，从而获得系统的精度数据。在这个测试中，我们测量了每个网络100次，通过从最大值减去最小值来获得最大误差。误差值总是等于或小于0.01 μS。

验证系统精度后，下一步是检查系统的线性度。为了进行这个实验，我们将原型连接到可编程电阻替代器1 kΩ的步进对10 kΩ-500 kΩ评估了范围。R2为0.9999992。

功耗研究

EDA该系统由不同状态的状态组成，用于获得患者的皮肤电导率，以确保功耗保持在最低水平。一开始，状态1(S1)下，我们关闭了EDA的AFE，只有微控制器和加速度计处于开启状态。平均功耗为139 μA。大约150 ms之后，我们打开EDA AFE，由MCU生成方波信号，然后移交LPF滤波。在该阶段(S我们关门了ADC由于信号不稳定，基准电压源。在最坏情况下，确保信号稳定需要6个周期，S平均功耗为230 μA。我们在S3下打开了ADC系统等待基准电压源10 ms，确保基准电压源稳定-本阶段平均功耗为730 μA。系统在四个周期内获得四个样本S4中实现DFT16个样本点。本阶段功耗为880 μA。DFT在阶段S5中实现的。同时，在这种状态下获得了加速度计数据，这一阶段的功耗为8 mA左右。图5显示系统功耗。本研究证明，EDA AFE平均功耗低于170 μA。

图5.功耗分析。

实验检验

现在我们已经对系统进行了电子验证——所以下一步是比较EDA电路和基准系统的性能。在这种情况下，我们使用它Empatica的E4平台作为基准系统，因为它具有良好的性能。

在确定了基准之后，我们必须确能看到它EDA测试信号变化。选择放松-压力测试。测试分为两个步骤：第一步是放松练习，第二步是压力练习。

放松练习由10分钟的呼吸控制组成，目的是放松。压力状态是通过颜色-单词-声音游戏实现的。在应用程序中，用户会听到一种颜色，看到一种颜色的单词，它是用一种颜色显示的。听到的颜色文本描述的颜色可能与显示的颜色相同或不同。正如读者在图6中观察到的，可能有以下句子：

u 选择颜色

u 选择声音

u 选择词语

受试者需要根据句子传达的信息、声音、文字或颜色按下正确的按钮。用户必须在进度条完成前做出反应。

如果用户在此期间没有反应，或者如果反应是错误的，则会减去相应的分数。如果正确，则会增加相应的分数。最后，交换按钮位置。

在该应用中，有多种设置可以修改，以改变实验等级(压力水平)。

图6.测试应用颜色-词语-声音。

理论上，在放松任务中，应降低皮肤电导率，增加压力活动。在压力活动中，应能够观察到峰值或峰值。直流电平的变化对应于压力源的强直性反应。在压力活动中观察到的峰值被认定为情况反应，不会出现在放松任务中。

明确用于取得EDA在信号显著变化和预期响应程序之后，下一步是对我们进行实验EDA解决方案与Empatica E4平台性能比较。为进行比较，试验时同时佩戴两种设备。Empatica解决方案戴在右手上，测试系统戴在左手上。这意味着预期信号必须相似，但不完全相同，因为设备佩戴在不同的手臂上，测量部不完全相同；Empatica从腕关节底部获取EDA我们的解决方案是从腕关节顶部获取信号。两台设备获得的信号非常相似。本实验在不同患者中重复了很多次，以验证系统。

图7.“放松-压力”测试(左侧为测试系统，右侧为基准设备)。

结论

本EDA电路是一种巧妙的皮肤电导率获取方案。由于平均功耗和尺寸优势，它可以集成到任何智能手表或类似的平台上。该设备具有预期的性能效果，可以在较宽的范围内以高分辨率测量皮肤电导率。EDA电路采用特殊设计，避免了极化和半电池电位效应，可与任何类型的电极兼容。此外，它还实现了IEC6060-1的要求。

我们设计了一个原型来评估和测试电路的特性。在不充电的情况下，系统设计可以持续24小时获得EDA信号、皮肤温度、环境温度和移动数据，并存储或实时无线发射。因此，该平台可以从不同条件下的不同人群中收集EDA不受时间限制的数据。最后，这些信息开发算法可以用来检测、估计或预测人的压力水平。

参考文献

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

2 Danmin Miao、Li Luo、Lijun Xioa和Xiaomin Luo，从波形量化分析的角度来看，心理压力引起的皮质醇水平变化与血管反应的关系：血管变化压力相关指数研究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基于心率变异指数的压力分类研究，IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems，2016年10月。

4 Wolfram Boucsein，皮肤电现象原理，Electrodermal Activity，第1-86页，Springer U.S.，2012。

5 Wolfram Boucsein，记录压力，Electrodermal Activity，第104-109页，Springer U.S.，2012。

6 Wolfram Bouscein，皮肤测量简介，Electrodermal Activity，第88-103页，Springer U.S.，2012。

7 Banu Onaral、Herman P. Schwan、Banu Onaral，生物电极的电气属性，IEEE Transactions on Biomedical Engineering，1984年12月。

8 Wolfram Boucsein，皮肤电量的具体问题，Electrodermal Activity，第96-98页，Springer U.S.，2012。

9 Wolfram Boucsein，气候条件，Electrodermal Activity，第189-192页，Springer U.S.，2012。

10 ADP151数据手册，AD公司，2017。

11 DMN2990UFZ数据手册，Diodes公司，2015。

12 ADA4505-2数据手册，AD公司，2017。

13 AD7689数据手册，AD公司，2017。

14 Julius O. Smith III，傅里叶离散变换(DFT)以音频应用为例，斯坦福大学，2002。

15 Wolfram Boucsein，体外记录用交流电实现，Electrodermal Activity，第126-129页，Springer U.S.，2012。

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

16 Wolfram Boucsein，生理伪像，Electrodermal Activity，第141-143页，Springer U.S.，2012。

作者简介

Javier Calpe [javier.calpe@analog.com]1989年和1993年毕业于西班牙瓦伦西亚大学，获得理学学士学位和物理学博士学位。Javier现为AD西班牙瓦伦西亚开发中心负责人。

Jose Carlos Conchell [jose.conchell@analog.com]现为AD西班牙瓦伦西亚工业和医疗卫生部的产品应用工程师。他专注于生物阻抗应用的研发。José Carlos Conchell于2011年加盟AD。他于2007年、2010年和2016年毕业于西班牙瓦伦西亚大学，获得理学、电气工程和生物医学工程硕士学位。