CN111248910A

CN111248910A - 一种基于多通道的皮肤电阻测量方法

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Publication number: CN111248910A
Application number: CN202010067564.2A
Authority: CN
Inventors: 赵起超; 杨苒; 李召
Original assignee: Kingfar International Inc
Current assignee: Kingfar International Inc
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2040-01-20
Also published as: CN111248910B

Abstract

本发明提供了一种基于多通道的皮肤电阻测量方法，包括：搭建基于多通道的皮肤电阻测量装置，包括多个电极组，电极组包括多个电极，以及通路选择器，多个电极之间形成多通道，每一所述电极组分别连接通路选择器，用于对多个电极组进行选择；选择一个电极组，获取人体不同部位皮肤电阻变化的信号；每一个通道通过构建运算电路计算皮肤电阻变化的信号；对各个通道计算的皮肤电阻变化的信号进行数据叠加。在单通道的基础上创建的多通道补偿能够解决单通道测量皮肤电阻时，电极所在人体部位由于汗腺不发达造成的测量精度不准确的问题，通过多通道采集的信号数据叠加后，作为测试点的皮肤电阻值，使得多通道测量的能够最大程度的提高数据采样的准确性。

Description

一种基于多通道的皮肤电阻测量方法

技术领域

本发明涉及皮肤电阻测量技术领域，特别涉及一种基于多通道的皮肤电阻测量方法。

背景技术

随着社会经济的迅速发展，社会压力给人们造成了不同程度的心理困扰，研究人的皮肤电阻信号与情绪之间的关系，不仅能帮助人们更好的改善自己的心里状态，及时的干预和纠正自己的心里问题，同时，此研究还可以应用在研究驾驶员的驾驶状态，商家对购物者的兴趣点的了解等等方面，对于推动人因工程的研究有着非常重要的价值。

目前现有技术中所有测量皮肤电阻的方式都是基于手指或者掌心两点的方式来测量，即将一对电极放置在皮肤表面，加载一个电压，测量两电极之间皮肤电阻的大小。这样的测量方式对部位要求非常严格，测量精度也不够精准，尤其是在一些科研领域，当被试的手指或者掌心部位被其他设备占用时，就无法在进行皮肤电阻的测量。另外目前现有技术中有些设备是采用手腕部位两点的皮肤电阻采集，其测量精度相比之下远不如在手指上的测量精度，这个是由于人体腕部的汗腺较手指部位的汗腺来说不发达，当情绪发生波动时，手指部位的皮肤阻抗更明显。

因此，如何实现更高精度的皮肤电阻测量，是一个有待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种基于多通道的皮肤电阻测量方法，以实现更高精度的皮肤电阻测量。

本发明的技术方案为如下：

一种基于多通道的皮肤电阻装置的皮肤电阻测量方法，所述装置包括多个电极组和通路选择器，多个电极组中的每一电极组包括多个电极，用于形成多个皮肤电阻测量通道，以获取人体不同部位皮肤电阻变化的信号；通路选择器连接多个电极组，用于选择多个电极组中的一组进行选择并导通；比例运算电路用于接收通路选择器所选择的一个电极组测得的皮肤电阻变化信号，并对接收的信号进行放大；所述比例运算电路包括与多个皮肤电阻测量通道串联的第一支路以及与第一支路并联的第二支路，第一支路中包含第一输入阻抗，第二支路中包含两个第二输入阻抗，并且两个第二输入阻抗之间的电压值为电阻测量通道之间的驱动电压的一半；

所述方法包括以下步骤：

利用通路选择器选择一个电极组，获取人体不同部位皮肤电阻变化的信号；

针对通路选择器选择的电极组中的多个通道测得的信号，对各个通道计算的皮肤电阻变化的信号进行数据叠加，利用比例运算电路进行放大。

在一个可选的实施例中，所述电极组包括n个电极，n个电极形成n-1个通道。

在一个可选的实施例中，构建的所述运算电路包括第一输入阻抗，串联的两个第二输入阻抗；

两个所述第二输入阻抗的阻值相同，所述第一输入阻抗与串联的两个第二输入阻抗，并联连接。

在一个可选的实施例中，所述方法还包括，将比例运算电路输出的模拟信号转换为数字信号。

在一个可选的实施例中，所述个多电极组中电极的数量相同或不同。

在一个可选的实施例中，所述多个电极组具有不同形状和与人体皮肤的接触方式。

在一个可选的实施例中，所述装置还包括信号处理器，对各个通道采集的信号进行数据叠加。

在一个可选的实施例中，在所述通路选择器选择一个电极组后，利用一恒压电源，来驱动所述电极组的各个通道。

在一个可选的实施例中，n个通道采集的信号进行数据叠加后的皮肤电阻，提高到单个通道采集的皮肤电阻的2ⁿ倍。

本发明提供的一种基于多通道的皮肤电阻测量方法，在单通道的基础上创建多通道补偿单通道测量皮肤电阻时，电极所在人体部位由于汗腺不发达造成的测量精度不准确的问题。

本发明提供的一种基于多通道的皮肤电阻测量方法，通过多通道采集的信号数据叠加后，作为测试点的皮肤电阻值，使得多通道测量的能够最大程度的提高数据采样的准确性。

本发明提供的一种基于多通道的皮肤电阻测量方法，对电极组形成的多个通道中的每一通道构建运算电路，采集各个通道的数据，多通道的数据叠加，使测量的皮肤电子的阻抗变化最大，最大程度的提高数据采样的准确性。

本发明提供的一种基于多通道的皮肤电阻测量方法，对电极组形成的多个通道中的每一通道构建运算电路，在运算电路中引入负反馈，提高检测电路的灵敏性，使皮肤电阻测量电路精度和灵敏度都大幅提高。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1是本发明一个实施例中基于多通道的皮肤电阻测量装置的结构示意图。

图2是本发明一个实施例中基于多通道的皮肤电阻测量装置的多通道示意图。

图3是本发明一个实施例中基于多通道的皮肤电阻测量装置多通道中的一个通道的运算电路示意图。

图4是本发明一个实施例中基于多通道的皮肤电阻测量方法的流程框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

本发明提供了一种基于多通道的皮肤电阻测量方法和装置，其利用多通道皮电补偿法来实现在人体不同部位的高精度测量，例如实现在腕部以及在身体其他部位，例如额头，脸颊，或者胳膊等部位更高精度的皮电测量。

为了使本发明的内容得以清晰的阐述，下面首先通过具体的实施例对本发明一种基于多通道的皮肤电阻测量装置给出详细的阐释。如图1所示为本发明一个实施例中基于多通道的皮肤电阻测量装置的结构示意图，根据本发明的实施例，该基于多通道的皮肤电阻测量装置包括：多个电极组100，多个电极组100分别连接通路选择器200，通路选择器200连接比例运算电路300，比例运算电路300连接A/D转换器400，A/D转换器400连接控制单元500。

多个电极组100均连接通路选择器200，通路选择器300用于对多个电极组100进行选择，即选择多个电极组100中的一个电极组进行导通并使用。

比例运算电路300用于接收通路选择器所选择的一个电极组100测得的信号，并对接收的信号进行放大，后面将对比例运算电路300进行详细描述。在一实施例中，比例运算电路包括与多个皮肤电阻测量通道串联的第一支路以及与第一支路并联的第二支路，第一支路中包含第一输入阻抗，第二支路中包含两个第二输入阻抗，并且两个第二输入阻抗之间的电压值为电阻测量通道之间的驱动电压的一半。

A/D转换器400用于将比例运算电路300输出的模拟信号转换为数字信号，A/D转换器400连接控制单元500，用于将输出的数字信号输出至控制单元。

控制单元500用于对基于接收的来自A/D转换器400的数字信号对通路选择器200进行控制。

本发明一实施例中，测量装置还可包括信号处理器，A/D转换器将采集的信号转换为数据信号，传输至信号处理器，信号处理器对各个通道采集的信号进行数据叠加。

根据本发明的实施例，每个电极组包括多个电极，多个电极用于形成多通道，获取人体不同部位皮肤电阻变化的信号。

根据本发明的实施例，每个电极组例如可包括n个电极，n个电极形成n-1个通道，n为大于等于3的整数，对于不同的电极组，n值可以不同。n个电极中，一个电级为公共电级，其它n-1个电极为驱动电极，公共电极和每根驱动电极作为一对电极形成测量一个通道，用于采集电压信号。图2所示为本发明一个实施例中基于多通道的皮肤电阻测量装置的多通道示意图，共有5个电极组成的电极组，即由电极101、电极102、电极103、电极104和电极105组成的电极组，电极105为公共电级，5个电极组形成4个通道。4个通道分别采集人体不同皮肤部位的电阻变化的信号，例如4个通道分别采集第一皮肤电阻Rskin1，第二皮肤电阻Rskin2，第三皮肤电阻Rskin3，第四皮肤电阻Rskin4的电阻变化的信号。在本发明实施例中，通路选择器选择的电极组的驱动电极和公共电极之间施加有恒定电压。因此，在一个实施例中，该测量装置还包括恒压电源，用于在电极之间施加驱动电压。如图2所示，在一个电极组中，驱动电极101、电极102、电极103、电极104和公共电极105之间均由恒压电源进行电压驱动。

测量时，5个电极分别贴附在人体表皮，同时测量采集各通道的皮肤电阻变化的信号。通过在运算电路之后将测得的多通道的数据进行叠加，可使得在测量皮电时阻抗变化值更大，多通道数据叠加后，采集的数据波形被拉大，波形变陡。多通道测试能够最大程度的提高数据采样的准确性。

比例运算电路用于将导通的电极组100所检测到的信号进行放大，在本发明实施例中，将皮肤接触电极的两点之间的阻值建立了一个有关电阻的电路模型，并在电阻模型的基础上构建出了比例运算电路。图3所示为本发明实施例中体现了比例运算电路的有关电阻的电路模型的示意图。图3仅示出了单通道测量皮电，皮肤电阻只是整个电路中的一部分。该单通道的电路原理适用于图2所示的多通道中的每个通道。因此，将以单通道为图2中的第一通道为例进行说明。

图3中的比例运算电路包括与多个皮肤电阻测量通道串联的第一支路(R1的支路)以及与第一支路并联的第二支路(第二输入阻抗R2所在的支路)，第一支路中包含第一输入阻抗R1，第二支路中包含两个第二输入阻抗R2，并且两个第二输入阻抗之间的电压值为电阻测量通道之间的驱动电压的一半，即Xs1/2。

构建的电路模型中，已知量为Xs1，R1，R2，并能在输出端得到Xs3，其中Xs3为比例运算电路测到的值，是已知量。R1，R2为比例运算电路中固定好的阻值，其中第一输入阻抗R1为一个放大电路的输入阻抗。

为了采集第一皮肤电阻R_skin1的阻值信号，比例运算电路输入端的输入电压为皮肤电阻的输出侧的电压Xs2，比例运算电路输出端输出测量电压Xs3。通过对电极105与电极101之间施加驱动电压Xs1，作为第一皮肤电阻R_skin1两端施加的电压，同时，在两个R2之间施加Xs1/2的电压。

本发明实施例中，Xs1，R1，R2均为已知量，在输出端测量得到Xs3也是已知量。

该模型满足如下方程：

(Xs1-Xs2)/R_Skin1＝(Xs2-Xs3)/R1 (1)

(Xs2-Xs1/2)/R2＝(Xs1/2-Xs3)/R2 (2)

联立以上方程组可得到R_Skin1和Xs2的值，从而求解出第一皮肤电阻R_Skin1的变化值。

基于以上原理，本发明实施例在单通道模型上创建了多通道，通过多通道数据的叠加来补偿单通道测量皮电时电极所在的人体部位由于汗腺不发达等造成的测量精度不准的情况。

在多通道的情况下，在被测者情绪波动时测量出一个通路中的皮肤电阻变化的信号，通过多通道采集多个皮肤电阻变化的信号，通过上文中多通道数据叠加的方式，提高采集皮肤电阻的准确性。

本发明实施例，利用运算放大器搭建比例运算电路，在图3所示的电路示例中，除Rskin1外，整体构成运算放大器。同时，在电路中引入负反馈比例。例如，运算电路中引入测量电压的负反馈，图3的示例中，测量电压Xs3反馈到R₁前输入实现负反馈，用于提高检测电路的灵敏性，同时由于运算电路自身的阻抗是接近无穷大的，皮肤电阻测量电路精度和灵敏度都大幅提高。

根据本发明的实施例，n个通道采集的信号进行数据叠加后的皮肤电阻，作为测试点的皮肤电阻值，相对于单个通道采集的皮肤电阻测量，得到的皮电数据将提高到2ⁿ倍。例如，假设4个通道中的一个通道的皮肤电阻的阻值为1欧，在被测者情绪波动时阻抗的变化值为1欧，那么该通道采集时，皮肤电阻是由1欧变为2欧。多个通道采集的信号经过数据叠加后的皮肤电阻提高到单个通道皮肤电阻的2ⁿ倍，n为通道数，根据本发明的实施例，上述4通道采集的皮肤电阻的阻值将提高为16欧。因此在汗腺不发达或者触点接触不好的地区，多通道测试能够最大程度的提高数据采样的准确性。

此外，在本发明实施例中，控制器基于A/D转换器400的输出来对通路选择器200进行控制，例如，控制通路选择器200选择多组电极组中的哪一组。

本发明提供的一种基于多通道的皮肤电阻测量方法，通过多通道的数据叠加，使得在测量皮电时阻抗变化值更大，多通道数据叠加，采集的数据波形被拉大，波形变陡，多通道测试能够最大程度的提高数据采样的准确性。在汗腺不发达或者触点接触不好的地区，多通道测试能够最大程度的提高数据采样的准确性。

在一些实施例中，为了便携使用于不同部位，多个电极组可以为不同形式和形状，比如由多个电极构成的一个电极组以贴片式贴附在皮肤上，或者多个电极构成的另一个电极组以指扣式缠绕在手指上，或是多个电极构成的又一个电极组以较长的金属片形式将手指按压在金属片上进行测量。

本发明提供的一种基于多通道的皮肤电阻测量方法，一个电极组中的多个电极，多个电极形成多通道，多个电极分别贴附或以其他形式接触在人体皮肤上，由于有多个电极，故能更好地在人体局部选择多个汗腺较为发达的部位进行测量，使得在被试情绪变化时对皮肤电阻变化的测量更灵敏，并且由于多个电极形成多通道，故测量采集的皮电数据更多，使得检测结果更准确。

本发明提供的一种基于多通道的皮肤电阻测量方法，可以实现不同部位，不同方式的皮肤电阻采集，也能使得皮电测量适应当时的测量实际需要，比如在需要解放被试双手时，可以选择不在被试手指上进行皮电测量，而是通过贴片式贴附在手以外的人体部位进行皮肤电阻测量，便于被试在进行皮肤电阻测量时使用双手进行其他工作而不干扰皮肤电阻测量。

下面对结合具体的实施例对一种基于多通道的皮肤电阻测量方法给出详细说明，如图4所示为本发明一个实施例中基于多通道的皮肤电阻测量方法的流程框图，一种基于多通道的皮肤电阻测量方法包括如下方法步骤：

步骤S101、搭建基于多通道的皮肤电阻测量装置。

多个电极构成一个电极组，多个电极之间形成多通道。将多个电极组分别连接通路选择器，由通路选择器对多个电极组进行选择。通路选择器连接比例运算电路，比例运算电路连接A/D转换器，A/D转换器连接控制单元。控制单元还连接通路选择器200，用于对通路选择器进行控制。

根据本发明的实施例，电极组包括n个电极，n个电极形成n-1个通道，每一个通道构建运算电路。实施例中以有5个电极组成的电极组为例，5个电极组形成4个通道。4个通道分别采集人体不同皮肤部位的电阻变化的信号，例如4个通道分别采集第一皮肤电阻Rskin1，第二皮肤电阻Rskin2，第三皮肤电阻Rskin3，第四皮肤电阻Rskin4的电阻变化的信号。

步骤S102、选择一个电极组获取人体不同部位皮肤电阻变化的信号。

根据本发明的实施例，测量时，5个电极分别贴附在人体表皮，同时测量采集各通道的皮肤电阻变化的信号。根据本发明的实施例，A/D转换器将采集的信号转换为数据信号，传输至信号处理器。

步骤S103、电极组中的每一个通道，通过构建运算电路计算皮肤电阻变化的信号。

本发明实施例中以测量第一皮肤电阻Rskin1的通道为例构建的运算电路，构建的运算电路包括第一输入阻抗R1，串联的两个第二输入阻抗R2，两个第二输入阻抗R2的阻值相同，第一输入阻抗R1与串联的两个第二输入阻抗R2并联连接，运算电路第一输入阻抗R1为一个放大电路的输入阻抗。

为了采集第一皮肤电阻Rskin1的阻值信号，运算电路输入端输入皮肤电阻的输出电压Xs2，运算电路输出端输出测量电压Xs3。通过对电极105与电极101施加驱动电压Xs1，以实现在第一皮肤电阻Rskin1两端施加电压。

实施例中，Xs1为施加的驱动电压，R1,R2为比例运算电路中固定好的阻值，Xs1，R1，R2均为已知量，在输出端测量得到Xs3也是已知量。

Xs1、Xs2、Xs3运算电路中的电压，Xs1施加的输入电压，Xs2、Xs3为输出电压。

建立如下方程计算第一皮肤电阻的变化值：

(Xs1-Xs2)/RSkin1＝(Xs2-Xs3)/R1 (1)

(Xs2-Xs1/2)/R2＝(Xs1/2-Xs3)/R2 (2)

联立以上方程组得到RSkin1和Xs2的值，从而求出第一皮肤电阻RSkin1的变化值。

步骤S104、利用信号处理器对各个通道采集的信号进行数据叠加。

根据本发明的实施例，n个通道采集的信号进行数据叠加后的皮肤电阻，作为测试点的皮肤电阻值，提高到单个通道采集时的皮肤电阻的2ⁿ倍。例如，假如4个通道中的一个通道的皮肤电阻的阻值为1欧，在被测者情绪波动时阻抗的变化值为1欧，那么该通道采集时，皮肤电阻是由1欧变为2欧。多个通道采集的信号经过数据得加后的皮肤电阻提高到单个通道皮肤电阻的2ⁿ倍，n为通道数，根据本发明的实施例，上述4通道采集的皮肤电阻的阻值将提高为16欧。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims

1.一种基于多通道的皮肤电阻测量方法，其特征在于，所述装置包括多个电极组和通路选择器，多个电极组中的每一电极组包括多个电极，用于形成多个皮肤电阻测量通道，以获取人体不同部位皮肤电阻变化的信号；通路选择器连接多个电极组，用于选择多个电极组中的一组进行选择并导通；比例运算电路用于接收通路选择器所选择的一个电极组测得的皮肤电阻变化信号，并对接收的信号进行放大；所述比例运算电路包括与多个皮肤电阻测量通道串联的第一支路以及与第一支路并联的第二支路，第一支路中包含第一输入阻抗，第二支路中包含两个第二输入阻抗，并且两个第二输入阻抗之间的电压值为电阻测量通道之间的驱动电压的一半；

所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，对基于比例运算电路的测量信号对通路选择器进行控制。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，将比例运算电路输出的模拟信号转换为数字信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电极组包括n个电极，n个电极形成n-1个通道。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述个多电极组中电极的数量相同或不同。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在，所述多个电极组具有不同形状和与人体皮肤的接触方式。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述通路选择器选择一个电极组后，利用一恒压电源，来驱动所述电极组的各个通道。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置还包括信号处理器，对各个通道采集的信号进行数据叠加。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，n个通道采集的信号进行数据叠加后的皮肤电阻，提高到单个通道采集的皮肤电阻的2ⁿ倍。