CN106714679A

CN106714679A - 用于皮肤电导测量的可穿戴装置

Info

Publication number: CN106714679A
Application number: CN201580053296.6A
Authority: CN
Inventors: S.范德帕斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2017-05-24
Also published as: EP3200692A1; US20170303814A1; WO2016050551A1; JP2017534338A

Abstract

本发明涉及一种用于达到至少50 Hz的频率范围内的皮肤电导测量的装置。提出的装置包括用于向皮肤面积施加恒定DC电压的两个测量端子（23、24）、被耦合在所述测量端子（23）中的第一个与第一输出端子（25）之间的第一测量路径（27）、被耦合在第二测量端子（24）与第二输出端子（26）之间的第二测量路径（28），两个输出端子（25、26）每个提供相应测量电压，其差与所述皮肤面积的皮肤电导相关。在测量输出端子处的差时这提供抵消噪声。

Description

用于皮肤电导测量的可穿戴装置

技术领域

本发明涉及一种用于达到至少50 Hz的频率范围内的皮肤电导测量的可穿戴装置。

背景技术

测量皮肤电活动（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”中所述的使用模拟电路中的体外DC测量。最常使用的DC方法称为准恒定法和准恒压法，两者都应用分压器方法。例如，用准恒压法，向皮肤施加恒压并测量电导。常常施加0.5V的电压并使用电极的标准位置。高阻抗放大器被用于电路中的电压的测量。

这些分压器测量（特别是准恒压法）具有许多缺点。在分压器中使用的皮肤电导限制电阻器的动态范围与皮肤电阻相比需要是小的，因为否则大部分电压将不会是跨皮肤的。此外，热噪声往往是高的，因为皮肤电阻可以是高的，例如1纳西门子（nano Siemens）。此外，如果感兴趣的频带达到50 Hz或者甚至达到100 Hz，则电路受到经由皮肤上的电极的电容性50/60Hz EMI耦合的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在达到至少50 Hz、优选地达到100 Hz的频率范围内的皮肤电导测量的可穿戴装置，其克服了已知装置的缺点。

在本发明的第一方面，提出了一种用于达到至少50 Hz的频率范围内的皮肤电导测量的可穿戴装置，所述装置包括：

两个测量端子，其用于向皮肤面积（skin area）施加恒定DC电压，

第一测量路径，其被耦合在所述测量端子中的第一个与第一输出端子之间，

第二测量路径，其被耦合在第二测量端子与第二输出端子之间，

所述第一和第二输出端子每个提供相应测量电压，其差与所述皮肤面积的皮肤电导相关，

其中，所述第一和第二测量路径中的每一个包括相同的电阻电路。

通常，皮肤电导测量处理甚低频（<4 Hz）信息；然而，提出的皮肤电导测量期望提供达到至少50 Hz、优选地达到100 Hz的大得多的带宽。由于在此频带50/60 Hz中，经由电极（当在实际操作中使用时，其被耦合到提出装置的测量端子）到测量电路的电容耦合是不可避免的，所以将电路扩展以允许电极在一定程度上浮置到电路接地。电容耦合的特性在于其对于两个电极而言是共有的。假定50/60 Hz噪声被对称地耦合到两个电极，可以通过将两个测量路径的输出做减法（如例如用具有差分输入的模拟数字转换（ADC）所做的那样）来抵消该信号，。

此外，由于提出的皮肤电导测量意图被集成在类似于手表的可穿戴装置中，所以电极的位置与已知装置相比是不同的（其例如位于手腕上），并且激励电压也增加至1.024V。研究已经显示这样可以测量适当的响应。

所述第一和第二测量路径中的每一个包括电阻电路，优选地相同的电阻电路。这改善并简化了皮肤电导的测量，因为以这种方式相当准确地抵消掉了在两个测量电路中同等地存在的非期望噪声。因此，当测量输出端子之间的差时提供噪声（EMI）的抵消。

在实施例中，提出的装置还包括一对电极，其中，所述电极中的一个被耦合到所述测量端子中的每一个。这使得能够经由可以适当地布置在受试者处的电极来进行期望的皮肤电导测量。电极的种类一般地是不重要的；可用于此目的的各种电极一般地在本领域中是已知的。

此外，在实施例中，所述第一和第二测量路径被配置成向所述测量端子施加在0.1至5V范围内、特别是0.5至1.5V范围内的DC电压。

优选地，所述第一和第二测量路径中的每一个包括低通滤波器单元，特别是由电阻器和电容器的并联耦合所形成的低通滤波器。低通滤波器减少了带宽和因此减少热噪声并避免混叠。

在优选实施方式中，所述第一和第二测量路径中的每一个包括运算放大器。这提供的是反馈电路保证皮肤上的恒定电压。

附图说明

根据下文描述的一个或多个实施例，本发明的这些及其它方面将变得显而易见，并将参考实施例来对其进行描述。在以下附图中

图1示出了一种已知皮肤电导模块的示意图，

图2示出了用于皮肤电导测量的已知装置的电路图，

图3示出了根据本发明的用于皮肤电导测量的装置的实施例的电路图，

图4示出了图示出皮肤电导的热噪声贡献的电路图，

图5示出了图示出另一噪声源的热噪声贡献的电路图，

图6示出了图示出运算放大器的热噪声贡献的电路图，

图7示出了图示出另一噪声源的热噪声贡献的电路图，以及

图8示出了根据本发明的装置的实施例的简化电路图。

具体实施方式

图1示出了用于皮肤电导测量的已知皮肤电导模块1的示意图。皮肤电导模块1一般地是与主机系统对接并输送已处理皮肤电导测量的模块。经由电极2，3，模块1对接到受试者（例如患者的）的皮肤。在这里用电阻器R_skin来示意性地表示皮肤，还图示出应测量电极2、3之间的皮肤部分的电导。

模拟电路4的功能是使用例如体外DC测量来执行皮肤电活动（EDA）的测量。可以例如使用最常使用的DC方法，称为恒压方法。用这种方法，向皮肤施加恒压并测量电导。按照惯例，常常施加0.5V的电压，并且使用电极的标准位置（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章的上述书中所述的）。

模数转换器（ADC）5将测量结果数字化（即使得其是时间离散和电平离散的）。电压参考单元6为ADC 5提供准确的参考电压并为皮肤提供激励电压。微控制器7提供测量结果的后处理。

由于根据本发明，皮肤电导装置意图被集成在类似于手表、心率监视器或腕带的可穿戴装置中，电极的位置与已知模块相比是不同的，其优选地位于手腕上，并且激励电压优选地增加至1.024V，其提供可以用这种方式来测量适当响应的优点。

图2示出了用于皮肤电导测量的已知装置10的电路图，所述装置10基本上表示图1中所示的模块1中的模拟电路4。经由虚拟接地，施加于皮肤的电压保持在1.024V。流过R_skin的电流也流过R1并在运算放大器11的输出端处产生电压，假设通过R2的电流是可忽略的。

因此，电路10的输出电压与皮肤电导率Gskin成比例，如等式（2）所反映的。电容器C1和电阻器R1以及电容器C2和电阻器R2形成两个附加一阶低通滤波器，如下面将解释的。

通常，皮肤电导测量处理甚低频（<4 Hz）信息；然而，皮肤电导模块要求100 Hz的大得多的带宽。由于在此带中经由电极到电路的50/60 Hz电容耦合是不可避免的，所以电路被扩展以允许电极在一定程度上浮置到电路接地。电容耦合的特性在于其对于两个电极而言是共有的。在图3中示出了根据本发明的装置20的相应实施例的电路图。装置20基本上表示图1中所示的模块1中的模拟电路4。装置20包括两个输入端子（23、24）和两个输出端子（25、26）。耦合到可以耦合到输入端子（23、24）的两个电极（2、3；图3中未示出）的公共耦合被建模为两个电流源I_cm1和I_cm2。电阻器R_skin被连接在两个输入端子（23、24）之间。输出端子（25、26）可以被耦合到AD转换器（ADC）5。在输入段子3与输出端子25以及在输入端子24与输出端子26之间分别地形成两个测量路径（27、28）。测量路径27包括运算放大器21和电阻电路R3。测量路径28包括运算放大器22和电阻电路R4。R3和R4的电阻值是相等的。输出端子（25、26）每个提供相应测量电压。那两个相应测量电压的差与应测量的电极2、3之间的皮肤电导（即电阻器R_skin）有关。

假定50/60 Hz噪声被对称地耦合到两个电极（2、3），可以通过对包括在两个测量路径27、28中的两个运算放大器21、22的输出端子25、26处的输出做减法（如用具有差分输入的AD转换器5（参见图1）所做的那样），来抵消非期望噪声信号。

为了避免混合和减少噪声，电容器C1和电阻器R1以及电容器C2和电阻器R2分别地形成被并联耦合到运算放大器21和22的两个一阶低通滤波器。滤波器C1/R1将是有效的，只要运算放大器21能够将虚拟接地保持在各频率下，超过该频率只有滤波器R2/C2将是有效的。拐点频率是：

当使用Σ-Δ转换器时，混叠滤波器要求调制器频率下的充分抑制，亦即在从每秒40... 160样本（SPS）的采样速率下为128 kHz且在从5... 20 SPS的采样速率下为32 kHz。如果fc为约100 Hz且运算放大器U1和U2（21、22）具有充分的增益-带宽积（GBWP）（例如2MHz），则预期抑制对于二阶滤波器而言是针对3个数量级的（100 Hz... 100 KHz），这将导致。针对16位ADC最坏情况，至少需要- 96dB，因此fc并不是非常关键的。

相对于噪声，认为ADC的输入端处的噪声的V_nPP应低于1/2 LSB：

在此等式中，V_range是ADC的电压范围，并且N指示ADC的位数。假定运算放大器21、22的噪声输出信号是相等的，然后减法将的因数（即sqrt(2)）加到噪声，这意味着运算放大器21、22的输出端处的噪声要求是：

可以用下式来计算给定噪声密度的情况下的特定带宽上的热RMS电压噪声：

为了转换成峰-峰电压，常常使用±3σ。针对电阻器R，由下式给定N_d

在此公式中，T是以开尔文为单位的温度（常常使用300K），并且k_b是玻耳兹曼常数。在其中使用皮肤电导测量的温度范围是0℃至50℃（或273K至323K）。针对噪声分析，使用300K，这意味着323K下的实际噪声可以略高（即高）。

为了分析运算放大器的输出端处的噪声，分析噪声源的单独贡献。可以将源叠加以确定输出端处的总噪声。

在图4中图示出R_skin的热噪声贡献，图4描绘了电路30的电路图，其图示出图3中所示的电路20的一个测量路径上的皮肤电导的热噪声贡献。其成立：

在此等式中，e₁是R_skin的热噪声。由于e₁随着电阻器值的平方根而增加，此贡献在R_skin变成约R_f时变得更加相关。这是当皮肤电导率G_skin在大范围（例如在8μ西门子以上）内时。

在图5中图示出R_f的热噪声贡献，图5描绘了电路40的电路图，其图示出图3中所示的电路20的一个测量路径上的R_f的热噪声贡献。其成立：

在此等式中，e₂是R_f的热噪声，其由于相对低的值和小带宽而将是相当低的。

在图6中图示出运算放大器21、22的正输入端处的噪声源的贡献，图6描绘了电路50的电路图，其图示出图3中所示的电路20的一个测量路径上的热噪声贡献。此噪声可以是内部运算放大器噪声的叠加，等价于与1/f噪声组合的热噪声和该输入端处的其它噪声源（例如电压参考的噪声，其通常也由等价热噪声和1/f噪声组成）。其成立：

在图7中图示出R_lp的热噪声贡献，图7描绘了电路60的电路图，其图示出图3中所示的电路20的一个测量路径上的R_lp的热噪声贡献。其成立：

在此等式中，e₄是R_lp的热噪声，其由于相对低的值和小带宽而将是相当低的。

图8示出了根据本发明的装置70的实施例的简化电路图，其以简化形式图示出本发明的原理。按照惯例，测量皮肤电导的电路假设由于皮肤上的恒压激励而引起的皮肤电导的变化在例如10 Hz以下。这意味着这些电路可以通过丢弃高于10Hz的频率而仅仅对由身体上的电极拾取（通常这是50或60 Hz）的任何EMI（电磁干扰）进行电滤波。提出的电路具有能够测量达到50或者甚至100 Hz的皮肤电导的变化的意图，使得对高于10 Hz的EMI频率进行电滤波不是选项，因为EMI在感兴趣的带中。

因此，参考图8，目标是测量例如达到100Hz的感兴趣带中的R_skin。V_skin是皮肤的激励信号，其为DC信号，例如选作IV，但是一般地在从0.5至5V范围内。V_emi和Cc形成如何在电路70中注入EMI的模型，即V_emi和Cc实际上不是装置70的一部分。R_a和R_b是装置70中的电阻器（即电阻电路），在该处测量V_a和V_b以导出R_skin。R_a和R_b的电阻值是相等的。

虽然已经在附图和先前的描述中示出并详细地描述了本发明，但要将此类图示和描述视为说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于公开实施例。根据对附图、本公开和所附权利要求的研究，本领域的技术人员在实施要求保护的发明时可以理解并实现对公开实施例的其它修改。

在权利要求中，单词“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可以实现在权利要求中叙述的多个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能被用于获益。

不应将权利要求中的任何参考标号理解为限制其范围。

Claims

1.一种用于达到至少50 Hz的频率范围内的皮肤电导测量的可穿戴装置，所述装置包括：

— 两个测量端子（23,24），其用于向皮肤面积施加恒定DC电压，

— 第一测量路径（27），其被耦合在所述测量端子（23）中的第一个与第一输出端子（25）之间，

— 第二测量路径（28），其被耦合在第二测量端子（24）与第二输出端子（26）之间，

— 第一和第二输出端子（25,26）每个提供相应测量电压，其差与所述皮肤面积的皮肤电导相关，

其中，所述第一和第二测量路径（27,28）中的每一个包括相同电阻电路（R3,R4；R_a,R_b）。

2.如权利要求1所述的可穿戴装置，

还包括一对电极（2,3），其中，所述电极中的一个被耦合到所述测量端子（2,3）中的每一个。

3.如权利要求1所述的可穿戴装置，

其中，所述第一和第二测量路径（27,28）被配置成向所述测量端子（2,3）施加在0.1至5V范围内,特别是在0.5至1.5V范围内的DC电压。

4.如权利要求1所述的可穿戴装置，

其中，所述第一和第二测量路径（27,28）中的每一个包括低通滤波器单元（R1,C1,R2,C2），特别是由电阻器（R1,R2）和电容器（C1,C2）的并联耦合形成的低通滤波器。

5.如权利要求1所述的可穿戴装置，

其中，所述第一和第二测量路径（27,28）中的每一个包括运算放大器（21,22）。