本發(fā)明涉及一種用于達(dá)到至少50 Hz的頻率范圍內(nèi)的皮膚電導(dǎo)測(cè)量的可穿戴裝置。

背景技術(shù)：

測(cè)量皮膚電活動(dòng)（EDA）的不同方式是已知的，例如在例如Wolfram Boucsein在Springer Science & Business Media, 02.02.2012的“Electrodermal Activity”中所述的使用模擬電路中的體外DC測(cè)量。最常使用的DC方法稱(chēng)為準(zhǔn)恒定法和準(zhǔn)恒壓法，兩者都應(yīng)用分壓器方法。例如，用準(zhǔn)恒壓法，向皮膚施加恒壓并測(cè)量電導(dǎo)。常常施加0.5V的電壓并使用電極的標(biāo)準(zhǔn)位置。高阻抗放大器被用于電路中的電壓的測(cè)量。

這些分壓器測(cè)量（特別是準(zhǔn)恒壓法）具有許多缺點(diǎn)。在分壓器中使用的皮膚電導(dǎo)限制電阻器的動(dòng)態(tài)范圍與皮膚電阻相比需要是小的，因?yàn)榉駝t大部分電壓將不會(huì)是跨皮膚的。此外，熱噪聲往往是高的，因?yàn)槠つw電阻可以是高的，例如1納西門(mén)子（nano Siemens）。此外，如果感興趣的頻帶達(dá)到50 Hz或者甚至達(dá)到100 Hz，則電路受到經(jīng)由皮膚上的電極的電容性50/60Hz EMI耦合的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于在達(dá)到至少50 Hz、優(yōu)選地達(dá)到100 Hz的頻率范圍內(nèi)的皮膚電導(dǎo)測(cè)量的可穿戴裝置，其克服了已知裝置的缺點(diǎn)。

在本發(fā)明的第一方面，提出了一種用于達(dá)到至少50 Hz的頻率范圍內(nèi)的皮膚電導(dǎo)測(cè)量的可穿戴裝置，所述裝置包括：

兩個(gè)測(cè)量端子，其用于向皮膚面積（skin area）施加恒定DC電壓，

第一測(cè)量路徑，其被耦合在所述測(cè)量端子中的第一個(gè)與第一輸出端子之間，

第二測(cè)量路徑，其被耦合在第二測(cè)量端子與第二輸出端子之間，

所述第一和第二輸出端子每個(gè)提供相應(yīng)測(cè)量電壓，其差與所述皮膚面積的皮膚電導(dǎo)相關(guān)，

其中，所述第一和第二測(cè)量路徑中的每一個(gè)包括相同的電阻電路。

通常，皮膚電導(dǎo)測(cè)量處理甚低頻（<4 Hz）信息；然而，提出的皮膚電導(dǎo)測(cè)量期望提供達(dá)到至少50 Hz、優(yōu)選地達(dá)到100 Hz的大得多的帶寬。由于在此頻帶50/60 Hz中，經(jīng)由電極（當(dāng)在實(shí)際操作中使用時(shí)，其被耦合到提出裝置的測(cè)量端子）到測(cè)量電路的電容耦合是不可避免的，所以將電路擴(kuò)展以允許電極在一定程度上浮置到電路接地。電容耦合的特性在于其對(duì)于兩個(gè)電極而言是共有的。假定50/60 Hz噪聲被對(duì)稱(chēng)地耦合到兩個(gè)電極，可以通過(guò)將兩個(gè)測(cè)量路徑的輸出做減法（如例如用具有差分輸入的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）所做的那樣）來(lái)抵消該信號(hào)，。

此外，由于提出的皮膚電導(dǎo)測(cè)量意圖被集成在類(lèi)似于手表的可穿戴裝置中，所以電極的位置與已知裝置相比是不同的（其例如位于手腕上），并且激勵(lì)電壓也增加至1.024V。研究已經(jīng)顯示這樣可以測(cè)量適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。

所述第一和第二測(cè)量路徑中的每一個(gè)包括電阻電路，優(yōu)選地相同的電阻電路。這改善并簡(jiǎn)化了皮膚電導(dǎo)的測(cè)量，因?yàn)橐赃@種方式相當(dāng)準(zhǔn)確地抵消掉了在兩個(gè)測(cè)量電路中同等地存在的非期望噪聲。因此，當(dāng)測(cè)量輸出端子之間的差時(shí)提供噪聲（EMI）的抵消。

在實(shí)施例中，提出的裝置還包括一對(duì)電極，其中，所述電極中的一個(gè)被耦合到所述測(cè)量端子中的每一個(gè)。這使得能夠經(jīng)由可以適當(dāng)?shù)夭贾迷谑茉囌咛幍碾姌O來(lái)進(jìn)行期望的皮膚電導(dǎo)測(cè)量。電極的種類(lèi)一般地是不重要的；可用于此目的的各種電極一般地在本領(lǐng)域中是已知的。

此外，在實(shí)施例中，所述第一和第二測(cè)量路徑被配置成向所述測(cè)量端子施加在0.1至5V范圍內(nèi)、特別是0.5至1.5V范圍內(nèi)的DC電壓。

優(yōu)選地，所述第一和第二測(cè)量路徑中的每一個(gè)包括低通濾波器單元，特別是由電阻器和電容器的并聯(lián)耦合所形成的低通濾波器。低通濾波器減少了帶寬和因此減少熱噪聲并避免混疊。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述第一和第二測(cè)量路徑中的每一個(gè)包括運(yùn)算放大器。這提供的是反饋電路保證皮膚上的恒定電壓。

附圖說(shuō)明

根據(jù)下文描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的這些及其它方面將變得顯而易見(jiàn)，并將參考實(shí)施例來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述。在以下附圖中

圖1示出了一種已知皮膚電導(dǎo)模塊的示意圖，

圖2示出了用于皮膚電導(dǎo)測(cè)量的已知裝置的電路圖，

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于皮膚電導(dǎo)測(cè)量的裝置的實(shí)施例的電路圖，

圖4示出了圖示出皮膚電導(dǎo)的熱噪聲貢獻(xiàn)的電路圖，

圖5示出了圖示出另一噪聲源的熱噪聲貢獻(xiàn)的電路圖，

圖6示出了圖示出運(yùn)算放大器的熱噪聲貢獻(xiàn)的電路圖，

圖7示出了圖示出另一噪聲源的熱噪聲貢獻(xiàn)的電路圖，以及

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的實(shí)施例的簡(jiǎn)化電路圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出了用于皮膚電導(dǎo)測(cè)量的已知皮膚電導(dǎo)模塊1的示意圖。皮膚電導(dǎo)模塊1一般地是與主機(jī)系統(tǒng)對(duì)接并輸送已處理皮膚電導(dǎo)測(cè)量的模塊。經(jīng)由電極2，3，模塊1對(duì)接到受試者（例如患者的）的皮膚。在這里用電阻器R_skin來(lái)示意性地表示皮膚，還圖示出應(yīng)測(cè)量電極2、3之間的皮膚部分的電導(dǎo)。

模擬電路4的功能是使用例如體外DC測(cè)量來(lái)執(zhí)行皮膚電活動(dòng)（EDA）的測(cè)量?？梢岳缡褂米畛Ｊ褂玫腄C方法，稱(chēng)為恒壓方法。用這種方法，向皮膚施加恒壓并測(cè)量電導(dǎo)。按照慣例，常常施加0.5V的電壓，并且使用電極的標(biāo)準(zhǔn)位置（例如手掌或手指的手掌表面，或者其它位置，如在Wolfram Boucsein2.2.1.1章的上述書(shū)中所述的）。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）5將測(cè)量結(jié)果數(shù)字化（即使得其是時(shí)間離散和電平離散的）。電壓參考單元6為ADC 5提供準(zhǔn)確的參考電壓并為皮膚提供激勵(lì)電壓。微控制器7提供測(cè)量結(jié)果的后處理。

由于根據(jù)本發(fā)明，皮膚電導(dǎo)裝置意圖被集成在類(lèi)似于手表、心率監(jiān)視器或腕帶的可穿戴裝置中，電極的位置與已知模塊相比是不同的，其優(yōu)選地位于手腕上，并且激勵(lì)電壓優(yōu)選地增加至1.024V，其提供可以用這種方式來(lái)測(cè)量適當(dāng)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

圖2示出了用于皮膚電導(dǎo)測(cè)量的已知裝置10的電路圖，所述裝置10基本上表示圖1中所示的模塊1中的模擬電路4。經(jīng)由虛擬接地，施加于皮膚的電壓保持在1.024V。流過(guò)R_skin的電流也流過(guò)R1并在運(yùn)算放大器11的輸出端處產(chǎn)生電壓，假設(shè)通過(guò)R2的電流是可忽略的。

因此，電路10的輸出電壓與皮膚電導(dǎo)率Gskin成比例，如等式（2）所反映的。電容器C1和電阻器R1以及電容器C2和電阻器R2形成兩個(gè)附加一階低通濾波器，如下面將解釋的。

通常，皮膚電導(dǎo)測(cè)量處理甚低頻（<4 Hz）信息；然而，皮膚電導(dǎo)模塊要求100 Hz的大得多的帶寬。由于在此帶中經(jīng)由電極到電路的50/60 Hz電容耦合是不可避免的，所以電路被擴(kuò)展以允許電極在一定程度上浮置到電路接地。電容耦合的特性在于其對(duì)于兩個(gè)電極而言是共有的。在圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置20的相應(yīng)實(shí)施例的電路圖。裝置20基本上表示圖1中所示的模塊1中的模擬電路4。裝置20包括兩個(gè)輸入端子（23、24）和兩個(gè)輸出端子（25、26）。耦合到可以耦合到輸入端子（23、24）的兩個(gè)電極（2、3；圖3中未示出）的公共耦合被建模為兩個(gè)電流源I_cm1和I_cm2。電阻器R_skin被連接在兩個(gè)輸入端子（23、24）之間。輸出端子（25、26）可以被耦合到AD轉(zhuǎn)換器（ADC）5。在輸入段子3與輸出端子25以及在輸入端子24與輸出端子26之間分別地形成兩個(gè)測(cè)量路徑（27、28）。測(cè)量路徑27包括運(yùn)算放大器21和電阻電路R3。測(cè)量路徑28包括運(yùn)算放大器22和電阻電路R4。R3和R4的電阻值是相等的。輸出端子（25、26）每個(gè)提供相應(yīng)測(cè)量電壓。那兩個(gè)相應(yīng)測(cè)量電壓的差與應(yīng)測(cè)量的電極2、3之間的皮膚電導(dǎo)（即電阻器R_skin）有關(guān)。

假定50/60 Hz噪聲被對(duì)稱(chēng)地耦合到兩個(gè)電極（2、3），可以通過(guò)對(duì)包括在兩個(gè)測(cè)量路徑27、28中的兩個(gè)運(yùn)算放大器21、22的輸出端子25、26處的輸出做減法（如用具有差分輸入的AD轉(zhuǎn)換器5（參見(jiàn)圖1）所做的那樣），來(lái)抵消非期望噪聲信號(hào)。

為了避免混合和減少噪聲，電容器C1和電阻器R1以及電容器C2和電阻器R2分別地形成被并聯(lián)耦合到運(yùn)算放大器21和22的兩個(gè)一階低通濾波器。濾波器C1/R1將是有效的，只要運(yùn)算放大器21能夠?qū)⑻摂M接地保持在各頻率下，超過(guò)該頻率只有濾波器R2/C2將是有效的。拐點(diǎn)頻率是：

當(dāng)使用Σ-Δ轉(zhuǎn)換器時(shí)，混疊濾波器要求調(diào)制器頻率下的充分抑制，亦即在從每秒40... 160樣本（SPS）的采樣速率下為128 kHz且在從5... 20 SPS的采樣速率下為32 kHz。如果fc為約100 Hz且運(yùn)算放大器U1和U2（21、22）具有充分的增益-帶寬積（GBWP）（例如2 MHz），則預(yù)期抑制對(duì)于二階濾波器而言是針對(duì)3個(gè)數(shù)量級(jí)的（100 Hz... 100 KHz），這將導(dǎo)致。針對(duì)16位ADC最壞情況，至少需要- 96dB，因此fc并不是非常關(guān)鍵的。

相對(duì)于噪聲，認(rèn)為ADC的輸入端處的噪聲的V_nPP應(yīng)低于1/2 LSB：

在此等式中，V_range是ADC的電壓范圍，并且N指示ADC的位數(shù)。假定運(yùn)算放大器21、22的噪聲輸出信號(hào)是相等的，然后減法將的因數(shù)（即sqrt(2)）加到噪聲，這意味著運(yùn)算放大器21、22的輸出端處的噪聲要求是：

可以用下式來(lái)計(jì)算給定噪聲密度的情況下的特定帶寬上的熱RMS電壓噪聲：

為了轉(zhuǎn)換成峰-峰電壓，常常使用±3σ。針對(duì)電阻器R，由下式給定N_d

在此公式中，T是以開(kāi)爾文為單位的溫度（常常使用300K），并且k_b是玻耳茲曼常數(shù)。在其中使用皮膚電導(dǎo)測(cè)量的溫度范圍是0℃至50℃（或273K至323K）。針對(duì)噪聲分析，使用300K，這意味著323K下的實(shí)際噪聲可以略高（即高）。

為了分析運(yùn)算放大器的輸出端處的噪聲，分析噪聲源的單獨(dú)貢獻(xiàn)。可以將源疊加以確定輸出端處的總噪聲。

在圖4中圖示出R_skin的熱噪聲貢獻(xiàn)，圖4描繪了電路30的電路圖，其圖示出圖3中所示的電路20的一個(gè)測(cè)量路徑上的皮膚電導(dǎo)的熱噪聲貢獻(xiàn)。其成立：

在此等式中，e₁是R_skin的熱噪聲。由于e₁隨著電阻器值的平方根而增加，此貢獻(xiàn)在R_skin變成約R_f時(shí)變得更加相關(guān)。這是當(dāng)皮膚電導(dǎo)率G_skin在大范圍（例如在8μ西門(mén)子以上）內(nèi)時(shí)。

在圖5中圖示出R_f的熱噪聲貢獻(xiàn)，圖5描繪了電路40的電路圖，其圖示出圖3中所示的電路20的一個(gè)測(cè)量路徑上的R_f的熱噪聲貢獻(xiàn)。其成立：

在此等式中，e₂是R_f的熱噪聲，其由于相對(duì)低的值和小帶寬而將是相當(dāng)?shù)偷摹?/p>

在圖6中圖示出運(yùn)算放大器21、22的正輸入端處的噪聲源的貢獻(xiàn)，圖6描繪了電路50的電路圖，其圖示出圖3中所示的電路20的一個(gè)測(cè)量路徑上的熱噪聲貢獻(xiàn)。此噪聲可以是內(nèi)部運(yùn)算放大器噪聲的疊加，等價(jià)于與1/f噪聲組合的熱噪聲和該輸入端處的其它噪聲源（例如電壓參考的噪聲，其通常也由等價(jià)熱噪聲和1/f噪聲組成）。其成立：

在圖7中圖示出R_lp的熱噪聲貢獻(xiàn)，圖7描繪了電路60的電路圖，其圖示出圖3中所示的電路20的一個(gè)測(cè)量路徑上的R_lp的熱噪聲貢獻(xiàn)。其成立：

在此等式中，e₄是R_lp的熱噪聲，其由于相對(duì)低的值和小帶寬而將是相當(dāng)?shù)偷摹?/p>

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置70的實(shí)施例的簡(jiǎn)化電路圖，其以簡(jiǎn)化形式圖示出本發(fā)明的原理。按照慣例，測(cè)量皮膚電導(dǎo)的電路假設(shè)由于皮膚上的恒壓激勵(lì)而引起的皮膚電導(dǎo)的變化在例如10 Hz以下。這意味著這些電路可以通過(guò)丟棄高于10Hz的頻率而僅僅對(duì)由身體上的電極拾?。ㄍǔ＿@是50或60 Hz）的任何EMI（電磁干擾）進(jìn)行電濾波。提出的電路具有能夠測(cè)量達(dá)到50或者甚至100 Hz的皮膚電導(dǎo)的變化的意圖，使得對(duì)高于10 Hz的EMI頻率進(jìn)行電濾波不是選項(xiàng)，因?yàn)镋MI在感興趣的帶中。

因此，參考圖8，目標(biāo)是測(cè)量例如達(dá)到100Hz的感興趣帶中的R_skin。V_skin是皮膚的激勵(lì)信號(hào)，其為DC信號(hào)，例如選作IV，但是一般地在從0.5至5V范圍內(nèi)。V_emi和Cc形成如何在電路70中注入EMI的模型，即V_emi和Cc實(shí)際上不是裝置70的一部分。R_a和R_b是裝置70中的電阻器（即電阻電路），在該處測(cè)量V_a和V_b以導(dǎo)出R_skin。R_a和R_b的電阻值是相等的。

雖然已經(jīng)在附圖和先前的描述中示出并詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但要將此類(lèi)圖示和描述視為說(shuō)明性或示例性而非限制性的；本發(fā)明不限于公開(kāi)實(shí)施例。根據(jù)對(duì)附圖、本公開(kāi)和所附權(quán)利要求的研究，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在實(shí)施要求保護(hù)的發(fā)明時(shí)可以理解并實(shí)現(xiàn)對(duì)公開(kāi)實(shí)施例的其它修改。

在權(quán)利要求中，單詞“包括”不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。單個(gè)元件或其它單元可以實(shí)現(xiàn)在權(quán)利要求中敘述的多個(gè)項(xiàng)目的功能。在相互不同的從屬權(quán)利要求中敘述某些措施的僅有事實(shí)并不指示這些措施的組合不能被用于獲益。

不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何參考標(biāo)號(hào)理解為限制其范圍。