CN109310360A

CN109310360A - 皮肤电导的测量

Info

Publication number: CN109310360A
Application number: CN201780032004.XA
Authority: CN
Inventors: H·T·G·M·彭宁德弗里斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2019-02-05
Anticipated expiration: 2037-05-12
Also published as: JP2019518533A; JP6608549B2; EP3463075B1; CN109310360B; WO2017202626A1; EP3463075A1; US20190209041A1; US11213218B2; RU2720293C1

Abstract

传感器用于测量皮肤电导。放大器用于将皮肤电导转换为模拟输出电压，所述模拟输出电压然后被转换到数字域中，使得在数字域中获得强直皮肤电导的增加和阶段性皮肤电导反应。放大器具有非线性对数增益，具有针对增加的皮肤电导值的减小的增益。传感器使得能够在皮肤电导的宽范围上检测强直信号和阶段性信号的增加两者。其提供了模数转换器的最佳使用，使得可以使用更低分辨率并且因此更低成本的转换器。

Description

皮肤电导的测量

技术领域

本发明涉及皮肤电导的测量。

背景技术

公知地，当人出汗时，皮肤电导变化，并且这样的出汗可能是通过体力劳动或通过人的情绪状态造成的。

例如，申请人正在开发一种腕带型系统，其可以根据皮肤电导测量结果来确定佩戴者的情绪状态。然后，该信息可用于建议用户进行身体动作或放松，目的是提高佩戴者的睡眠效率。

皮肤电导的增加是以有盐分的汗液填充汗腺的出汗的结果。填充的汗腺形成下面血流的电导路径，后者具有非常高的电导。可以通过将电极放置在皮肤上，施加电压并测量电流来测量皮肤电导。

出汗部分是由体温调节过程引起的，并且部分是由取决于用户的情绪状态的效应引起的。这两种效应同时发生，并且它们组合以实现整体皮肤电导。所谓的强直(tonic)皮肤反应或皮肤电导水平(SCL)是随时间相对缓慢变化并且取决于温度调节和情绪状况两者的反应。所谓的阶段性(phasic)反应或皮肤电导反应(SCR)(或皮肤电反应(GSR))是随时间相对快速变化并且取决于情绪触发的反应。将温度调节效应与情绪效应分离是很困难的。

用户的情绪状态通常是最近已经发生的情绪触发的结果。这些情绪触发导致皮肤电导的更短期的阶段性变化。这些阶段性反应最低地取决于体温相关过程。然而，它们具有相对小的幅度并且容易受影响皮肤-电极接触压力的用户手腕移动的干扰。

情绪效应、温度调节和运动效应对皮肤电导测量结果的贡献也取决于测量的位置。例如，情绪分量在指尖处更明显。在不太明显的区域，例如手腕的基部，或甚至在手腕的顶部更如此，情绪分量变得很小，并且更难以将情绪分量与温度调节分量或运动干扰分离。

纯皮肤电导测量装置不能在强直反应的情绪分量和热调节分量之间区分。测量将并且地看到所有电导变化的效应。

情绪分量与皮质醇水平有关，皮质醇水平是对于维持体内平衡而言必要的肾上腺激素。皮质醇被称为“压力荷尔蒙”，其会影响、调节或调制身体在应激反应中发生的许多变化。皮质醇水平通常贯穿白天和夜晚以昼夜节律波动，其在大约早上8点达到峰值并且在凌晨4点左右达到其最低值。响应于对压力，分泌更多的皮质醇。

皮肤电导传感器通常将电压(或电流)施加到皮肤，并测量所得的反应。该反应可以是流过皮肤的电流(或跨皮肤的电压)。在后一种情况下，通过串联电阻器将电压施加到皮肤，使得皮肤和串联电阻器用作可变分压器。使用电流放大器测量电流，并使用电压放大器感测电压。

传感器可以使用单端设计或差分设计。单端设计成本较低，并且对噪声较不敏感。差分设计更复杂，但使得能够抵消共模效应。

图1示出了典型的皮肤反应，如电导对时间。在该图中，可以将平均趋势形式的皮肤电导水平与作为高频峰的(阶段性)皮肤电导反应SCR分量区分离。

如果仅响应于情绪状态而采取行动，则测量皮肤电导的传感器设备需要能够使用信号处理来提供这两个分量的分离。

人皮肤电导值在大范围上变化。已知的皮肤电导传感器设计以高分辨率覆盖皮肤电导值的全范围。这需要使用高准确度放大器和高分辨率模数转换器(ADC)。一些设计使用24比特转换。这种传感器变得昂贵并且不适合于商业产品。

因此，需要一种系统，用于以使得能够提取阶段性分量的方式测量和处理皮肤电导值，并且可以以低成本和简单的信号处理来实施。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据依据本发明的一个方面的范例，提供了一种用于测量皮肤电导的传感器，包括：

放大器，其用于将皮肤电导转换为模拟输出电压；

模数转换器，其用于将模拟输出电压转换为数字输出信号；以及

数字处理器，其用于从数字输出信号中提取阶段性皮肤反应并且提取强直皮肤反应中的增加，

其中，放大器具有对数增益，以用于生成输出信号，所述输出信号是皮肤电导的对数，从而具有针对增加的皮肤电导值的减小的增益。

可以获得整体强直皮肤反应作为系统的一个输出。情绪触发将引起皮肤电导的增加，因此阶段性皮肤反应中的活动被用作用于识别强直分量的情绪部分的增加的指示符。

本发明提供了一种用于皮肤反应的检测的经改进的电路。该传感器使得能够在皮肤电导的宽范围上检测整个强直(即SCL)反应和阶段性(即SCR)信号的分离。本发明基于以下认识：SCR和SCL幅度的比率具有与绝对皮肤电导值无关的类似数量级。为了最佳地使用模数转换器，需要量化水平，其最佳地与皮肤电导的幅度无关。放大器的对数增益使得能够在皮肤电导值的范围内更有效地使用模数转换器，并且因此使得能够使用更低的分辨率和因此更低成本的转换器。当使用高分辨率模数转换器时，仍然可以达到更高的性能。本发明具体地确保数字化信号给出从所有输入皮肤电导水平的强直信号中提取阶段性分量的相同的能力。常规线性模数转换器需要设计成在低皮肤电导水平处给出期望的分辨率，但是在较高的皮肤电导值处分辨率不必要地高。

传感器使得能够使用更少的部件和/或可以具有宽松规格的部件。这允许更低成本、低功率和小尺寸的实施方式，适用于高性能消费者产品。

增益相对于皮肤电导的对数函数意味着小的皮肤电导值产生到模数转换器的第一幅度的信号，而较大的电导值产生针对模数转换器的较大但不以相同比例较大的信号。因此，对于模数转换器，测量信号以这样的方式被放大：最佳地保持用于检测阶段性值的皮肤电导信号性质。

例如，数字处理器适于通过以下操作来提取阶段性皮肤反应：

检测表示皮肤电导的数字输出信号中的局部最大值和最小值；

检测表示皮肤电导的数字输出信号中的上升边缘；

将具有第一范围内的持续时间和第二范围内的幅度变化的那些上升边缘识别为阶段性皮肤反应，

并且数字处理器适于通过以下操作来提取强直皮肤反应的增加：

在至少长于第一范围的最大值的时段内检测表示皮肤电导的数字输出信号的上升。

因此，皮肤电导的短持续时间上升被确定为阶段性反应，而较慢的上升被确定为引起强直皮肤反应的增加。

数字处理器例如适于通过滤除表示皮肤电导的数字输出信号中对应于被识别为阶段性皮肤反应的上升边缘的上升来提取强直皮肤反应的增加。因此，通过滤除阶段性反应来确定强直增加。

放大器例如包括运算放大器，所述运算放大器具有第一输入处的参考电压、第二输入(实际上处于与第一输入相同的电压处)、第二输入和地之间的皮肤电导以及输出处的输出电压，其中，在输出和第二输入之间提供包括至少一个二极管的反馈路径。电流从输出流过二极管流过皮肤电导到地。反馈路径中的该二极管在具有电压降和电流之间的对数关系，并且这提供了放大器的期望的对数增益。反馈路径用于将流过皮肤的电流转换为运算放大器的输出处的电压。

第一输入例如是运算放大器的非反相输入，并且第二输入是反相输入。因此，反馈路径是负反馈路径。

模数转换器例如是12比特转换器。通过更有效地使用模数转换器，可以实现更少的比特数。

传感器还可包括温度校正电路。这可以用于补偿提供期望的非线性增益的模拟部件(例如反馈二极管或二极管)的温度相关性。

传感器可以包括信号处理单元，以用于滤除在不良皮肤电极接触的事件期间皮肤电导测量和/或用于滤波以拒绝由于由加速度计检测的运动的错误反应。这些滤波方法改进了收集的皮肤电导数据的质量。

处理器可用于根据皮肤反应计算皮质醇反应。

阶段性皮肤反应中的活动以及强直分量的增加是最近的情绪触发的指示符，并且可以用作皮质醇预测的输入。当阶段性反应可用时，这些反应最清洁，因为它们不受热效应的污染。在没有阶段性皮肤反应的情况下，强直反应分量的增加可以用作皮质醇反应的指示符。

本发明还提供了一种监测系统，包括：

腕带；以及

如上定义的传感器，其安装在腕带上以应用到手腕的顶部。

手腕的顶部(即，通常安装手表面之处)给出相对差的阶段性信号。通过采用上面定义的传感器设计，即使利用低成本的传感器架构，阶段性和强直信号的分离也变得实际。

可以提供输出设备，以用于向用户提供与用于改进用户的下一睡眠时段的质量的所需行为有关的建议。因此，传感器用于改进监测系统用户的睡眠效率。

根据本发明另一方面的范例提供了一种测量皮肤电导的方法，包括：

执行信号放大以将皮肤电导转换为模拟输出电压；

将模拟输出电压转换为数字输出信号；并且

从数字输出信号中提取阶段性皮肤反应并且提取强直皮肤反应的增加，

其中，利用对数增益实现放大，生成输出信号，所述输出信号是皮肤电导的对数，从而具有针对增加皮肤电导的减小的增益。

该方法提供数字输出信号，可以以有效的方式从所述数字输出信号中提取不同的皮肤反应，而无论皮肤电导水平。

使用相对于皮肤电导的增益的对数函数来实施放大。可以使用12比特模数转换，并且可以存在温度校正以补偿非线性增益的温度相关性。

提取阶段性皮肤反应可包括：

检测表示皮肤电导的数字输出信号中的上升边缘；

并且提取强直皮肤反应可以包括：

可以通过滤除表示皮肤电导的数字输出信号中的对应于被识别为阶段性皮肤反应的上升边缘的上升来获得强直皮肤反应。

监测方法可以包括通过使用腕带传感器应用如上限定的方法来测量手腕的顶部的皮肤电导。监测方法可用于提供与改进下一睡眠时段的质量的所需行为有关的建议。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的范例，其中：

图1示出了随时间的皮肤电导；

图2示出了对数放大器；

图3示出了皮肤电导传感器的第一范例；

图4示出了皮肤电导传感器的第二范例；

图5示出了用于使用图3的传感器确定皮肤电导的系统；

图6更详细地示出了模数转换和滤波过程；

图7示出了如何处理皮肤电导以导出分离的阶段性分量；

图8示出了用于导出皮质醇反应的方法的第一范例；

图9示出了被实施为腕戴式传感器设备的部分的图5的系统；并且

图10示出了皮肤电导感测方法。

具体实施方式

本发明提供一种用于测量皮肤电导的传感器。放大器用于将皮肤电导转换为模拟输出电压，所述模拟输出电压然后被转换到数字域中，使得在数字域中获得整体皮肤反应。放大器具有非线性对数增益，具有针对增加的皮肤电导值的减小的增益。传感器使得能够在皮肤电导的宽范围上分离阶段性信号和强直信号。它提供了模数转换器的最佳使用，使得可以使用更低分辨率并且因此更低成本的转换器。

常规皮肤电导传感器设计以高分辨率覆盖皮肤电导值的全范围。这需要使用高准确度放大器和高分辨率模数转换器，例如24比特转换。这种传感器变得昂贵并且不适合用于商业产品中。

本发明基于以下认识：阶段性皮肤反应与强直(整体)皮肤反应幅度的比率近似恒定。这意味着在较高的皮肤电导率处需要较低的分辨率(即量化步长)，以便以相同的分辨率分离阶段性皮肤反应。

图2示出了对数放大器的电路图。该电路包括运算放大器20，其具有在非反相输入处的参考电压Vref(示为电压源22)，以及要在反相输入处被放大的输入电压24。在输出26和反相输入之间存在二极管28形式的负反馈路径。

二极管电压和电流之间的关系由下式给出：

V_FWD＝n*V_T*ln(1+I_FWD/I_S) (等式1)

其中，V_FWD是正向二极管压降，I_FWD是正向电流，n是发射系数，V_T是热电压，I_S是饱和电流。V_T＝k*T/q，其中，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，并且q是电子的电荷。

整个电路提供输出：

Vout＝Vref+n*V_T*ln(1+Vref*Gskin/Is) (等式2)

其中Gskin是连接在电极24之间的皮肤电导。

注意，可以放大表示皮肤电导的信号，或者可以放大皮肤电流(对于给定的施加电压)。这些均表示皮肤电导，并且因此可以认为包括皮肤电导信号。

因此，该电路具有增益，该增益是要被放大的输入参数24的幅度的对数函数。因此，当放大的输出作为输入提供给模数转换器时，随着输入信号增加，在达到模数转换器的下一转换阈值之前，在输入信号的大小中存在逐渐更大的步。

图3示出了基于对数放大器电路的用于测量皮肤电导的传感器的部分。图3示出了传感器的模拟域部分，尤其是模拟放大器电路30。

放大器电路30用于将皮肤电导转换为模拟输出电压Vout。其是前端放大器，其中，放大器的输入之一与皮肤直接接触，尤其是在所示范例中的反相输入。

参考输入Vref由供电轨Vcc和地之间的分压器提供，所述分压器由电阻器R1和R2形成。例如，参考电压Vref可以是500mV。平滑电容器C1位于输出处。

负反馈路径包括在所示范例中的三个二极管D1、D2、D3的串联集合，其在输出和反相输入之间的正向方向上。这将流过皮肤的电流转换为运算放大器的非反相输入处的电压。三个二极管用于增加系统的增益，使得放大器输出信号在期望的皮肤电导范围内与模数转换器范围匹配。

电阻器R3与二极管串并联。可以期望电阻器R3使电路在实践中工作并且从运算放大器吸收输入电流，尤其是当存在非常低的皮肤电导值时。在备选实施方式中，用于吸收运算放大器输入电流的电阻器可与由图3中的电阻器R4表示的皮肤电导并联放置。

图3还示出了温度测量电路。这被使用，因为非线性二极管的传递函数取决于温度。其包括在电压轨Vcc和地之间串联的电阻器R5和二极管D4。温度相关电压Vtemp存在于电阻器R5和二极管D4之间的结处。该温度相关电压由整体系统微控制器读出并用于温度补偿。

选择电阻器R5，因此通过二极管D4的电流等于流过参考皮肤电导(例如100kΩ)的电流。

通过二极管D4的电流I_FWD取决于其正向电压V_FWD：

I_FWD＝(Vcc-V_FWD)/R5 (等式3)

测量V_FWD，并且可以从等式3获得I_FWD。然后通过代入式1，然后可以获得温度相关性n*k*T/q或实际温度T的量度。

以这种方式处理等式是嵌入式微处理器的复杂过程。然而，事先已知二极管D4上的电压，在小的二极管电流的情况下，在0.5V的范围内。这远低于Vcc，并且因此可以通过下式估计通过二极管的电流：

I_FWD～(Vcc-0.5)/R5 (等式4)

这使得能够使用二极管D4上的电压的近似(即，等式1中的V_FWD，等价于图3中的Vtemp)。

这意味着可以避免迭代计算以提供更简单的处理。

然后可以从下式获得温度和发射系数的估计：

T～＝q/(n*k)*Vtemp/ln(1+I_FWD/I_S) (等式5)

n k T/q～＝Vtemp/ln(1+I_FWD/I_S) (等式6)

所有信号Vout、Vref和Vtemp由模数转换器数字化。然后在微控制器中执行根据Vout和T估计Gskin的计算。

在存在串联的N个二极管的实施方式中(图3中N＝3)，信号Vout变为：

Vout＝Vref+N*nV_T*ln((Gskin*Vref)/I_S+1) (等式7)

通过重新布置，可以使用下式获得根据测量的输出电压的皮肤电导估计的估计：

GskinEst＝I_S/Vref*(exp((Vout–Vref)/(N*nV_T))–1 (等式8)

可以假设Vref具有特定值，或者其可以利用模数转换器来测量。

电路的一般操作是向皮肤施加电压。作为响应，电流流过皮肤。二极管将该电流转换为放大器输出电压，该放大器输出电压利用模数转换器来测量。微控制器将模数转换器读数转换为实际皮肤电导Gskin的估计GskinEst。

可以或可以不考虑温度变化。如果忽略热效应，则可以将nkT/q视为常数，并且不需要温度补偿电路。温度补偿电路允许nV_T的估计，并且足以用于中等准确度的温度补偿。

另一选择是用专用的温度传感器电路测量温度T，并且然后用n的假定值来计算nV_T。

图4示出了提供更准确温度补偿的备选电路。其具有改进的温度稳定性。

该电路包括两个运算放大器20a、20b，每个运算放大器具有被施加到非反相端子的参考电压Vref。其包括晶体管Q1、Q2以及二极管D1，并且因此具有明显更多的部件。该电路在温度行为方面可以更准确，并且相对于增益配置更容易设计。其是对数传感器实施方式的另一个版本。

如图5所示，来自放大器电路30(例如图3或图4)的输出Vout被提供给模数转换器40，并且数字处理器42获取数字输出并且然后计算皮肤电导：

GskinEst＝(I_S*(exp((V_ADC-Vref)/(N*nV_T))-1))/Vref (等式9)

Vout(在上面的等式8中使用)是来自传感器的实际模拟输出电压，而V_ADC是根据ADC读数计算回来的模拟电压。理论上，两者具有相同的值，但实际上由于偏移、噪声、部件容差能够存在差异。

等式9适用于不需要温度校正且nV_T作为常数被操纵的情况。

如果需要温度补偿：

GskinEst＝I_S/Vref*(((Vcc–V_FWD)/(IS*R5))^((Vout-Vref)/(N*Vtemp))-1))(等式10)

等式10适用于需要中等准确度的温度校正的情况，并且根据等式5和等式6来测量nV_T。将等式4代入等式6并且代入等式9中得到式10。

数字信号处理器能够在皮肤电导的宽范围内检测强直(即SCL中的增加)和阶段性(即SCR)信号两者。通过为模数转换器提供对数放大的信号，量化步骤最佳地取决于皮肤电导的幅度。

信号处理在图6中更详细地示出。放大器30是模拟前端。

模数转换器40具有三个通道的前端模数转换。

第一通道是传感器输出信号，其在单元50中以12比特与160Hz的采样率转换，并在单元52中以数字方式处理以校正接触反弹。160Hz转换远高于感兴趣的最大频率，但其改进了接触反弹的检测。当用户移动其手腕时，皮肤-电极接触有时会断开。对测量信号的效应具有SCL信号的幅度(皮肤电导暂时下降到0)，而感兴趣的是测量比SCL小得多的SCR。

模拟滤波器对信号的脉冲响应将显著大于被测量的SCR。因此，模拟滤波以消除接触反弹会破坏SCR信息。

在数字域中，在单元52中，以更有效的方式解决断开的接触的影响。该校正基于水平检测和边缘检测，以检测信号丢失，并且然后限制在这种丢失事件期间捕获的信号对进一步信号处理的效应。

具有大约5Hz的截止的低通滤波器54用作混叠滤波器。然后将信号抽取到10Hz(其可以认为在滤波器54中发生)，其是感兴趣的采样率。可以通过用最后的有效信号值替换来减少在单元52中被检测为丢失信号的信号。

第二通道是参考电压。其在单元56中以12比特与160Hz或更慢的采样率转换。低通滤波器58对参考信号进行滤波，并且任选地将信号值抽取到10Hz，其是感兴趣的采样率。

第三任选通道是温度信号。其以12比特与10Hz或更慢的采样率转换。温度数据由具有0.1Hz的截止频率的滤波器62进行低通滤波。

信号处理在单元42中进行，其包括从电压域到电导域的转换。

为了防止在不良接触事件之后的长脉冲响应，对数前端30没有特定的带宽限制并且提供大于160Hz的带宽。

该系统还可以包括例如以10Hz采样率操作的加速度计。根据加速度计数据导出运动信号并应用阈值。当通过移动阈值时，处理三轴加速度计信号以导出运动检测信号。这可以基于加速度计信号的导数的绝对值的加和。

运动开始后将进行运动检测。因此，通过延迟皮肤电导检测信号并将运动检测信号与延迟的检测信号对准来滤除运动伪影。如果基于运动检测信号确定数据为无效，则使用先前的有效数据来替换无效数据，使得不传递损坏的数据以用于进一步的信号处理。

图7示出了如何获得阶段性反应的检测和强直皮肤电导水平的增加的检测。强直反应的增加表示为dSCL。此外，信号dSCL表示被确定为不归于阶段性SCR反应的检测到的皮肤电导的增加。以这种方式，其可以用作滤波器，用于将整体反应分离为强直分量和阶段性分量。

输入GSRq是GSR皮肤测量结果，其具有通过上述运动伪影滤波获得的信号质量改进。因此，其是已经经理模拟对数放大的数字信号。输出是dSCL，其表示不归于阶段性反应的在1分钟的时段内皮肤电导的任何上升，并且因此形成较慢的强直反应的一般上升的部分。

首先，存在低通滤波器70，其以大约1Hz的带宽和10Hz的采样率对皮肤电导信号进行滤波。然后在抽取器72中将信号抽取到大约3Hz。抽取器72的输出是整个皮肤电导信号。

在导数单元74中计算皮肤电导信号的导数。导数单元74的输出是该皮肤电导信号的导数。该信号的信号极性指示皮肤电导信号的上升/下降边缘。在单元76中确定符号。上升边缘指示阶段性反应。输出是二进制信号1/0。由于阶段性反应缓慢放松，因此减小的皮肤电导对于识别阶段性反应是不感兴趣的。

皮肤电导信号的一阶导数的符号变化指示皮肤电导信号中的相对最小值和最大值，即局部(阶段性)峰或谷。为此目的提供二阶导数单元78。如果单元76的输出改变符号，则已经达到局部最大值或最小值。当导数的符号改变时，单元78的输出提供脉冲，并且输出是在每个符号改变时具有1个脉冲的二进制信号1/0。

边缘检测模块80捕获皮肤电导信号中的特定时间和值。下面讨论这些定时和幅度值(Tonset、Aonset、Tstart、Astart、Tend、Aend)。该模块被实施为状态机。

标志/质量输入信号遵循与数据相同的路径。该信号用于向信号处理模块通知信号的可靠性。其在检测到丢失时首先在数字处理模块52中生成。接下来，其在低通滤波器(和抽取单元)54中被更新。当检测到用户运动时，其被修改。最后，其经由模块70和82(下面描述)传递，其中，其可以影响SCR检测。

以这种方式，检测到的SCR信号具有分配的质量，该质量是根据对皮肤电极接触质量的分析得出的。

在接触不良事件期间，模数转换器信号降至阈值以下。此外，当电极形成或断开皮肤接触时，存在尖锐的边缘。然而，由模数转换器记录的值在阈值处完成第一检测之前开始漂移。发生这种情况是因为电极-皮肤力减小。在漂移阶段期间，信号质量从可接受变为差。在最后的检测之后出现类似的效应，其中，当电极-皮肤力移动到其最终值时，模数转换器的输出漂移到稳定的最终值。在该阶段中，信号质量从差改变到可接受。因此，信号质量的转变不是逐步的，而是存在平滑过渡。

当结合传感器的腕带佩戴在手腕的底部时，存在相对较小的阶段性信号，其具有相对大的干扰。因此，保留所有信号细节，并通过添加信号限定符来采用软决策方法。

质量指示符遵循具有相同滤波操作的数据，并且用于提供已经收集可靠数据的指示。利用软决策方法，信号限定符可用于在最终求和结果中对个体检测到的阶段性(SCR)贡献进行加权(例如，如上所述，超过一分钟)。

以这种方式，可以通过组合在检测期间使用的所有数据来导出检测到的边缘的质量(即，其是否由接触质量的变化引起或由阶段性皮肤反应引起的指示)。

确定模块82从信号中滤除不符合具体规格的上升边缘：

SCR持续时间(最大值和最小值之间的时间)在特定的最小限制和最大限制内；

SCR幅度变化(在最大值和最小值之间)在特定的最小限制和最大限制内；并且

SCR质量应该超过最小值。

SCR或阶段性反应可以由确定模块82检测为皮肤电导信号的单调上升的时段。这种单调上升具有持续时间和幅度。上升阶段当检测到信号的第一次增加(在开始时间Tonset处并且具有幅度Aonset)时开始。其在已经检测到信号的最后增加(在结束时间Tend处并且具有幅度Aend)时结束。当信号水平跨取决于起始幅度的水平时(时间Tstart和幅度Astart＝(1+k)*Aonset)出现另一个感兴趣定时时刻。

信号上升时间可以通过相减Trise＝Tend-Tstart来确定。

当其具有特定最小值和最大值之间的上升时间时，信号的上升被认定为阶段性反应。

SCR检测标准的范例是：

上升边缘1秒<Trise<2.5秒，幅度0.2<k<0.5

SCL检测标准(用于将皮肤电导的上升归于强直反应)的范例是：

皮肤电导的增加，其中，上升时间长于SCR标准(不涉及幅度限制)。

皮肤电导的合格性上升，因为阶段性反应基于因子k，其中，Tstart当信号幅度从Aonset上升到Astart＝(1+k)*Aonset时被检测到。这是对数放大和模数转换为什么保留系统的阶段性反应检测性质的部分原因。

使能单元86仅使皮肤电导信号的上升部分通过。然后，确定单元84确定dSCL，即在未检测到SCR(阶段性反应)时的时段内皮肤电导信号的总上升。

具体地，确定单元84滤除与由阶段性反应引起的皮肤电导的上升有关的信号。模块82控制确定单元84输出在没有检测到SCR的上升的皮肤电导的时段期间皮肤电导的上升。

具体地，检测到的SCR信号被用作单元84中的dSCL信号的确定的一部分。使能单元86是输出皮肤电导的增加的门(其当单元76识别出增加时等于单元72的输出，或者当单元76识别出没有增加时等于零)。确定单元84是当没有检测到阶段性SCR反应时通过86的输出的门。它们是皮肤电导信号的较长上升时间部分。

dSCL输出指示不是由阶段性反应引起的皮肤电导的上升。该信息可以由皮质醇处理单元使用，该皮质醇处理单元然后导出皮质醇水平的估计以向用户提供皮质醇踪迹，例如使用US2014/0288401的方法。这公开了SCR信号的总和的使用，其具有添加SCL水平上升的指示作为输入的选项。

图8示出了检测到的SCR脉冲和强直水平dSCL的(非阶段性)上升如何转换为皮质醇反应。模块90计算SCR信号的幅度和dSCL幅度的加权和。后者反映皮肤电导的增加的幅度。

SCR和dSCL检测事件发生在不规则的时刻处。dSCL和SCR幅度在其变为可用后立即被处理。

在模块90中实施加权，因为SCR信号并不总是可用的(取决于皮肤测量位置)并且dSCL并不总是完全可靠的(由于热效应)。因此，权重因子根据已经用于检测SCL上升的数据的质量来导出。该质量因数可以用于对dSCL贡献限定或加权。加权值在1分钟间隔内在积分器92中积分(其他间隔当然是可能的)。在到1分钟采样率的单元94中的抽取之后，信号在卷积单元96中与标准皮质醇反应曲线进行卷积，如US 20140288401A1中描述。单元90、92、94、96可以一起形成用于计算皮质醇反应的处理器的部分。

为了准备对皮质醇处理单元的输入，信号dSCL被定义为不归于阶段性反应并且因此不适合作为SCR的皮肤电导信号的任何上升。

模数转换器可以具有比先前所需的更少的比特，以便跨一系列皮肤电导值上在强直dSCL和阶段性SCR分量之间区分，例如其可以是12比特转换器。

图9示出了实施为包括腕带100的监测系统的部分的传感器(至少包括放大器30)。然后安装传感器以接触手腕的顶部。

监测系统包括用于向用户呈现信息的输出设备。输出设备可以是作为佩戴系统的部分的显示器，但是其可以替代地是提供给用户的无线便携式设备的无线输出信号，所述无线便携式设备例如是计算机、智能电话或平板电脑。

使用该系统的范例是向用户提供与改进用户的下一睡眠时段的质量的所需行为有关的建议。这基于在用户睡觉之前控制用户的情绪状态和体力活动以便获得最佳睡眠结果。

然而，该系统可以用于任何其他目的，其中，将皮肤反应分离成阶段性分量和强制分量是令人感兴趣的。本发明可以用于使用皮肤电导作为输入的任何传感器系统，诸如情绪状态估计器、测谎仪、健康传感器。

图10示出了测量皮肤电导的方法。在步骤112中，执行信号放大以将皮肤电导转换为模拟输出电压。如上所述进行非线性放大。在步骤114中，模拟输出电压被转换为数字输出信号。在步骤116中，从数字输出信号中提取阶段性皮肤反应。该方法提供数字输出信号，可以以高效的方式从其中提取不同的皮肤反应，而无论皮肤电导水平。

以上范例基于对数增益放大器。然而，可以采用其他非线性增益函数，例如指数到幂函数。该函数也可以不是完全对数的。例如，图3中的电阻器R3(其可以替代地与皮肤电导并行)用于从运算放大器中排出输入电流。在靠近R3或并联电阻器的皮肤电阻的范围内，电路行为不是严格对数的。

可以在没有任何模拟滤波器或模拟信号处理的情况下实施传感器。相反，放大器输出被直接提供给模数转换器。然而，一些微弱模拟低通滤波能够有用于减少50Hz干线干扰或由系统拾取的其他外部噪声源。

不需要更强的滤波，因为其能够导致不良接触事件后的长时间延迟。

上面示出的放大器是单端设计。然而，该设计可以利用差分放大器。差分实施方式使用两个单端设计，并且差分信号被处理。这使得能够抑制诸如干线干扰的噪声，但是当然是更高成本的实施方式。

数字信号处理器可以接收其他输入以帮助解释皮肤电导测量。例如，该系统可以包括加速度计或其他活动水平传感器。

通过研究附图、公开内容和权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。

Claims

1.一种用于测量皮肤电导的传感器，包括：

放大器(30)，其用于将皮肤电导转换为模拟输出电压；

模数转换器(40)，其用于将所述模拟输出电压转换为数字输出信号；以及

数字处理器(42)，其用于从所述数字输出信号中提取阶段性皮肤反应并且提取强直皮肤反应中的增加，

其中，所述放大器具有对数增益，以用于生成输出信号，所述输出信号是所述皮肤电导的对数，从而具有针对增加的皮肤电导值的减小的增益。

2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述数字处理器(42)适于通过以下操作来提取所述阶段性皮肤反应：

检测表示所述皮肤电导的所述数字输出信号中的局部最大值和局部最小值；

检测表示所述皮肤电导的所述数字输出信号中的上升边缘；

将具有第一范围内的持续时间和第二范围内的幅度变化的那些所述上升边缘识别为所述阶段性皮肤反应，

其中，所述数字处理器适于通过以下操作来提取所述强直皮肤反应中的增加：

在至少比所述第一范围的最大值更长的时段内检测表示所述皮肤电导的所述数字输出信号中的上升。

3.如权利要求2所述的传感器，其中，所述数字处理器(42)适于通过滤除表示所述皮肤电导的所述数字输出信号中与被识别为阶段性皮肤反应的上升边缘对应的上升来提取所述强直皮肤反应中的增加。

4.如权利要求3所述的传感器，其中，所述放大器(30)包括运算放大器，所述运算放大器具有第一输入处的参考电压、第二输入与地之间的皮肤电导以及输出处的输出电压，其中，在所述输出与所述第二输入之间提供包括至少一个二极管(28)的反馈路径。

5.如任一前述权利要求所述的传感器，还包括温度测量电路(R5、D4)。

6.如任一前述权利要求所述的传感器，包括信号处理单元，所述信号处理单元用于滤除或者限制在不良皮肤电极接触的事件期间皮肤电导测量结果的影响和/或用于滤波以拒绝或者限制由于由加速度计检测的运动的错误反应的影响。

7.如任一前述权利要求所述的传感器，还包括处理器(92、94、96)，所述处理器用于根据所述皮肤反应来计算皮质醇反应。

8.一种监测系统，包括：

腕带(100)；以及

如任一前述权利要求所述的传感器，其被安装在所述腕带上，以用于应用到手腕的顶部。

9.如权利要求8所述的监测系统，包括输出设备，所述输出设备用于向用户提供与用于改进所述用户的下一睡眠时段的质量的所需的行为有关的建议。

10.一种测量皮肤电导的方法，包括：

执行信号放大以将皮肤电导转换为模拟输出电压；

将所述模拟输出电压转换为数字输出信号；并且

从所述数字输出信号中提取阶段性皮肤反应并且提取强直皮肤反应中的增加，

其中，利用对数增益来实施放大，生成输出信号，所述输出信号是所述皮肤电导的对数，从而具有针对增加的皮肤电导的减小的增益。

11.如权利要求10所述的方法，其中，提取所述阶段性皮肤反应包括：

检测表示所述皮肤电导的所述数字输出信号中的上升边缘；

其中，提取所述强直皮肤反应包括：

12.如权利要求11所述的方法，包括通过滤除表示所述皮肤电导的所述数字输出信号中与被识别为阶段性皮肤反应的上升边缘对应的上升来提取所述强直皮肤反应。

13.如权利要求10、11或12所述的方法，包括：

滤除或者限制在不良皮肤电极接触的事件期间皮肤电导测量结果的影响；和/或

滤波以拒绝或者限制由于运动的错误反应的影响。

14.如权利要求10至13中的任一项所述的方法，包括根据所述皮肤反应来计算皮质醇反应。

15.一种监测方法，包括：

通过使用腕带传感器应用如权利要求10至14中的任一项所述的方法来测量手腕的顶部处的皮肤电导。