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皮肤电流反应设备的设计背景与技巧

Steve Taranovich?? 2016年04月27日 ?? 收藏0
医疗保健和健身领域的可穿戴市场正在快速增长。本文重点介绍目前业内具有创新和教育意义的信息,帮助设计者理解理论原理以及该领域的设计工具。

首先从我最近对Maxim Integrated的一次访问开始,我有幸参观了他们的演示实验室。参观期间,众多演示中的两个演示让我感到非常惊喜,那是两个非常重要的医疗保健和健身可穿戴设备,利用这些设备,设计者能够缩短其设计时间,将其产品快速推向市场。

在讨论设计工具之前,我们首先了解一下推动可穿戴设备走入我们日常生活的最新技术、原理以及电子科技。

流电皮肤反应(GSR)

流电皮肤反应(GSR)是众多皮电反应(EDR)的一种。EDR是指环境事件与人类心理状态的相互作用引发的人体皮肤的电特性变化。人体的皮肤是一种相当好的电导体。当向皮肤施加小电流时,其传导率会发生可测的变化。我们可测量多种变量,例如皮肤电阻或电导系数,及其倒数。所以,如果利用欧姆定律,R是皮肤电阻,等于皮肤上两个电极之间施加的电压(V)除以通过皮肤的电流(I),即R= V/I,正如EE101中所述。图1所示为某种激励的典型GSR反应。

图1:典型GSR反应
图1:典型GSR反应

GSR也被应用于医疗、测谎以及健康监测领域。

图2:图中所示为MAXREFDES73#的移动app GUI屏幕截图,这是一款可穿戴的电池供电移动式皮电反应(GSR)系统,采用MAX32600健康测量微控制器。
图2:图中所示为MAXREFDES73#的移动app GUI屏幕截图,这是一款可穿戴的电池供电移动式皮电反应(GSR)系统,采用MAX32600健康测量微控制器。

GSR放大器

GSR的关键是费勒效应,即皮肤受到激励后其电导率发生的变化。

GSR放大器的角色是向皮肤施加恒定电压,该电压非常小,甚至穿戴者都感觉不到。这是通过微小的电极实现的。然后电流通过皮肤并被接收器检测到,经过处理后被用于向用户显示各种参数。

放大器输出电压需要恒定并且确定,所以在测得通过皮肤的电流后,GSR放大器即可确定以μS或微西为单位的皮肤电导。

皮肤电导

有两种类型的皮肤电导:基础电导和相位电导。

基础电导是指无任何环境激励下的皮肤电导基线,也称为皮肤电导水平(SCL)。我们的SCL范围为10至50 μS。这些SCL水平随时间发生变化,取决于我们的自主神经系统调节和生理状态。

相位电导随事件发生变化,也称为GSR。嗅觉、听觉、视觉等环境刺激将造成我们的皮肤电导发生时间相关的变化。这些就是所谓的皮肤电导反应(SCR)。这些SCR会造成皮肤电导升高,持续10或20秒,然后恢复到SCL基线,也就是基础电导水平。

可测量及利用的事件相关GSR参数有幅值(单位为微西)和延迟、上升时间和半恢复时间,单位为秒。

GSR和心血管系统

我们首先来了解一下如何利用欧姆定律建立循环模型。血压(BP)、心输出量(CO)和总外周阻力(TPR)分别类似于电压(V)、电流(I)和电阻,参见下图3。正常年轻人的血压曲线表示心脏收缩BP、心脏舒张BP、脉压和平均动脉压之间的关系。1A所示为BP、CO和TPR之间的关系。从1B可看出,心脏收缩BP (SBP)和舒张BP (DBP)分别是每个心跳周期中的最大和最小BP值。脉压(PP)为SBP与DBP之差。平均动脉压(MAP)大约为DBP加1/3 PP。

图3:血压(BP)、心输出量(CO)和总外周阻力(TPR)分别类似于电压(V)、电流(I)和电阻。
图3:血压(BP)、心输出量(CO)和总外周阻力(TPR)分别类似于电压(V)、电流(I)和电阻。

在INDICON,工程师展示了如何预测严重高血压的例子2。可以开发医疗和健身设备来监测图4所示的任意及全部参数,然后设计公司可根据其目标市场的需求来增加其他“特殊功能”。

图4:可以开发医疗和健身设备来监测图中所示的任意及全部参数。
图4:可以开发医疗和健身设备来监测图中所示的任意及全部参数。

流电皮肤反应及Maxim MAXREFDES73#

现在,利用Maxim的MAXREFDES73#参考设计,可穿戴设备开发者可立即评估GSR检测。利用Android移动设备,通过蓝牙低功耗(BLE)无线接口,用户能够在20m范围内监测其皮肤电阻和温度。

我家里有一套这样的演示设备,我对其有效性以及设置容易、操作简单等方面印象深刻。我明白了这套完备的演示系统为什么不仅能够帮助医疗和健身可穿戴设备开发者理解GSR以及其他非常重要的监测原则,而且能够大幅缩短设计者宝贵的开发时间,帮助其实现上市时间目标。图5所示为完整的系统示意图,图6~图8所示为基本模块。

图5:MAXREFDES73#参考设计框图。MAX32600包含模拟前端(AFE)、ADC和DAC。
图5:MAXREFDES73#参考设计框图。MAX32600包含模拟前端(AFE)、ADC和DAC。

图6:手表的正面,其中包括电子器件和电池。
图6:手表的正面,其中包括电子器件和电池。

图7:手表的背面,图中所示为皮肤接触电极。
图7:手表的背面,图中所示为皮肤接触电极。

图8:Maxim Integrated #MAXREFDES73# GSR参考设计。
图8:Maxim Integrated #MAXREFDES73# GSR参考设计。

该平台由电池供电,可进行高精度交流阻抗测量,同时功耗极低。MAX32600微控制器采用ARM Cortex-M3 32位RISC CPU,工作在高达24MHz,并集成多种高性能模拟外设。

模拟特性包括带PGA的16位ADC、两个12位DAC和一个16通道多路复用器,以及经典的数字特性,例如256KB闪存、32KB SRAM和2KB指令缓存。参考设计提供高性能、灵活的开发平台,是众多健康和医疗测量应用的基础,尤其是皮电反应测量。

参考设计为腕带式单元,由LIR2032可充电纽扣电池供电。支持Android设备的移动应用程序提供接口,手表通过蓝牙低功耗无线接口与Android设备进行通信。

测试结果、硬件文件和固件源代码提供完整的设计文档。该完备的腕带式单元是设计者的必备之物,将帮助设计者快速将可靠产品推向市场。

交流阻抗测量

为完整起见,我认为本文中应该包含以下关于交流阻抗测量的详细介绍。

MAXREFDES73#设置为进行交流阻抗测量,参见图9。12位DAC产生正弦波激励信号,峰-峰值为1V。微控制器DMA引擎使直接数字合成成为可能。DAC0输出信号经过运放缓冲,第二个运放用于构成二阶低通滤波器(LPF1)。利用电容(未标出)阻隔激励信号的直流成分。四个内部SPST开关动态地将负载重新配置为校准通路或人体皮肤负载。ADC输入之前的8位DAC (未标出)产生共模偏置电压。LPF2中的RC组合构成一阶LPF和增益控制。最后,ADC之前的RC组合构成LPF,同时也作为抗混叠滤波器。

图9:图中所示为MAXREFDES73#交流阻抗测量的方框图。
图9:图中所示为MAXREFDES73#交流阻抗测量的方框图。

本例中,手腕的皮肤是输入电路中反相放大器的输入阻抗的一部分。相干正弦信号激励电路,利用数字基带正交采样接收器持续检测响应,以检测网络响应的幅值和相位。已知的校准通路为内置,也对其进行测量;系统利用这两种响应确定皮肤的复阻抗。

接下来,根据测试负载与校准通路的响应之比,只需很低的功耗即可精确确定复阻抗。

为了测量特定频率(FC)下的阻抗,向测试负载施加正弦电压,所以x(t) = cos(2πx FC x t)。

然后对ADC的输出进行放大和移相,得到y(t) = VL x cos(2π x t + θ)。

为了提取接收信号的相位,我们需要进行相干检测。现在,如果ADC能够与DAC输出(交流激励)同步,即实现数字基带正交采样。此时,采样率为激励频率的4倍,如图10所示。

图10:MAXREFDES73# ADC正交采样。
图10:MAXREFDES73# ADC正交采样。

数字基带正交采样一般在频域表示;但对于交流阻抗测量,在时域表示更好。下式所示为从y(t)得到实分量I和复分量Q的过程。

y(t) = VL × cos(2π Fc × t + θ)

TS = 1/(4 × Fc)

y(k) = VL× cos(π/2 × k + θ)

kΣ {0, 1, 2, ...N - 1}

y(k) = VL[cosθ, cos(π/2 + θ), cos(π + θ), cos(3π/2 + θ), ...]

y(k) = VL[cosθ, - sinθ, - cosθ, sinθ, ...]

为了计算复阻抗,我们感兴趣的是提取幅值和相位信息:

VLejθ = VLcos(θ) + jVLsin(θ) = I + JQ

通过观察,前2次ADC采样得到I和Q:

I = VLcos(θ) = y(0)

Q = VLsin(θ) = y(1)

我们可将ADC采样进行分组(偶/奇)并利用±1进行调制,产生实分量I和复分量Q的多个观察。因为我们处理的是单频,可以对这些输出进行平均,以提高测量的信噪比(SNR),如下式所示:

其中N是ADC采样的数量,为4的整数倍。
其中N是ADC采样的数量,为4的整数倍。

相位 = θ = atan2(Q,I)

幅值 = VL = √(I2 + Q2)

复阻抗(Z(s))是在特定频率下利用校准负载(Ycal(s))以及被测负载(Ysys(s))的采样测得的。根据响应之比以及两个外部电阻Ri和Rcal ,可得到测试频率下的负载复阻抗:

(Ri + Z(s))/Rcal = Ycal(s)/Ysys(s)

可推导出负载阻抗的幅值和相位:

Z(s)magnitude = Rcal × (Ycal(s)magnitude/Ysys(s)magnitude) - Ri

Z(s)phase = Ycal(s)phase - Ysys(s)phase

对于该参考设计,我们对皮肤阻抗的幅值更感兴趣,所以仅发送幅值数据,并在移动应用程序的图形用户界面上进行显示。在参考设计固件中,也计算相位数据,以便用户用于特殊的应用中。

图11:健康手表的完整功能。
图11:健康手表的完整功能。

可穿戴设备演示及平台

健康手表演示平台

健康手表演示平台是一套包含算法的完备系统:

?连续心率(光)

?脉搏血氧(光)

?温度(电)

?含水量(电)

?运动(MEMS)

?连通性(蓝牙)

平台包括MAX66242 NFC Chip,集成安全功能:

MAX66242是传感器接口的关键部分,具有无限连接功能,采用RFID技术。该器件用于医疗传感器安全认证和校准。NFC体温计和脉搏血氧仪使用的就是该器件。见图12图13

NFC体温计演示平台

图12:NFC体温计作为数字温度计。
图12:NFC体温计作为数字温度计。

该器件具有如下特性:

?非接触

?能量收集

?安全认证

?独立使用;无污染

图13:NFC体温计设计的系统框图。
图13:NFC体温计设计的系统框图。

脉搏血氧仪演示平台(图14)

图14:脉搏血氧仪。
图14:脉搏血氧仪。

该器件具有如下特性:

?实时监测

?长电池寿命

?非接触:较低污染风险

Fit 2监护服演示平台

该监护服为总体EKG/健身平台。参见图15~图18

图15:Fit 2衬衫。
图15:Fit 2衬衫。

该系统具有如下特性:

?移动式、实时分析

?适用于从运动员到病人的各种人群

?相对于Fit Shirt 1,提高了测量精度、电池寿命以及系统尺寸

图16:Fit 2衬衫的完整功能。
图16:Fit 2衬衫的完整功能。

图17:Fit 2衬衫技术采用了Maxim Integrated的技术。
图17:Fit 2衬衫技术采用了Maxim Integrated的技术。

图18:Maxim健康平台参考设计系统的基本框图。该系统结构涵盖了健康手表、脉搏血氧仪和Fit 2衬衫演示平台。Sarvint拥有以下系统的设计专属权:健康手表、Fit 2衬衫、体温计、脉搏血氧仪。<p>
图18:Maxim健康平台参考设计系统的基本框图。该系统结构涵盖了健康手表、脉搏血氧仪和Fit 2衬衫演示平台。Sarvint拥有以下系统的设计专属权:健康手表、Fit 2衬衫、体温计、脉搏血氧仪。


《电子技术设计》2016年5月刊版权所有,谢绝转载。


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