CN116236197A - 皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置及实验范式方法 - Google Patents

皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置及实验范式方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116236197A
CN116236197A CN202211588411.8A CN202211588411A CN116236197A CN 116236197 A CN116236197 A CN 116236197A CN 202211588411 A CN202211588411 A CN 202211588411A CN 116236197 A CN116236197 A CN 116236197A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cortisol
skin conductance
heart rate
module
detection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211588411.8A
Other languages
English (en)
Inventor
李爽
白永昌
曹涵瑜
明东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN202211588411.8A priority Critical patent/CN116236197A/zh
Publication of CN116236197A publication Critical patent/CN116236197A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/16—Devices for psychotechnics; Testing reaction times ; Devices for evaluating the psychological state
    • A61B5/165—Evaluating the state of mind, e.g. depression, anxiety
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/0205—Simultaneously evaluating both cardiovascular conditions and different types of body conditions, e.g. heart and respiratory condition
    • A61B5/02055—Simultaneously evaluating both cardiovascular condition and temperature
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A61B5/0531—Measuring skin impedance
    • A61B5/0533—Measuring galvanic skin response
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • A61B5/6802—Sensor mounted on worn items
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/05—Metallic powder characterised by the size or surface area of the particles
    • B22F1/054—Nanosized particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/16—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
    • B22F9/18—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds
    • B22F9/24—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds starting from liquid metal compounds, e.g. solutions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3278—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction involving nanosized elements, e.g. nanogaps or nanoparticles
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2560/00—Constructional details of operational features of apparatus; Accessories for medical measuring apparatus
    • A61B2560/02—Operational features
    • A61B2560/0223—Operational features of calibration, e.g. protocols for calibrating sensors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Developmental Disabilities (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Child & Adolescent Psychology (AREA)
  • Social Psychology (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Educational Technology (AREA)
  • Hospice & Palliative Care (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Psychology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)

Abstract

本发明公开了一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置及实验范式方法，装置包括：皮质醇检测模块，用于工作电极和参比电极之间的激励电压的控制；皮肤电导检测模块，由PWM驱动电路构成，通过检测流经皮肤的微弱电流信号，实现皮肤电导的实时监测；TIA模块，使用双电源放大器芯片实现皮质醇响应电流和皮肤电导响应电流的检测；温度校正模块，采用桥式分压电路，检测温度变化导致的热敏电阻阻值变化，反向推导温度的大小，辅助校正皮肤电导的检测结果；心率检测模块，由血氧心率芯片MAX30102芯片构建完成，应用光学检测原理，实现脉搏波的实时监测，提取出心率信息；信号传输模块，采用串口通信模式，连接无线蓝牙模块实现数据的无线传输。

Description

皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置及实验范式方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置及实验范式方法。
背景技术
皮质醇是检测许多心理应激相关疾病和疲劳、压力监测相关的生物标志物，可以在血液、唾液、汗液、间质液、泪液、尿液以及毛发中被检出。Kloet等人的研究表明，当人受到应激影响时，会导致皮质醇分泌异常。皮质醇的分泌程度因人而异，并且不断变化，血液中的皮质醇含量会在一天的不同时间段发生变化，早上时水平最高，下降至午夜时最低。饮食的摄入量和代谢失衡会导致皮质醇的含量出现进一步的波动。虽然检测人体内的皮质醇水平被认为是量化精神压力水平的黄金标准方法，但皮质醇在人体内的变化相对缓慢，有可能长达十五分钟的变化延迟，且不能实时连续获取，单一的皮质醇检测不能满足人们对精神压力实时检测的需求。
当感官刺激出现或情绪发生变化时，人体自主神经系统活动导致皮肤血管收缩或舒张，汗腺分泌活动的相应下降或活跃，分泌物通过毛孔进入皮肤表面，改变电流正负平衡，从而引起皮肤电导的变化。虽然皮肤电导具有高响应速度，但除情绪之外，一般情况下皮肤电导还受环境温度、皮肤状态、觉醒水平、刺激性质、活动状态等因素影响，在制作可穿戴设备时还容易产生运动伪影。
因此皮肤电导的测量结果往往具有较大的个体差异，需要在测量时进行长时间的基线校正，还需要其他补充措施来改善粗略的诊断效果。
参考文献：
[1]Kloet,E.R.d.,M.Joels,and F.Holsboer,Stress and the brain:fromadaptation to disease[J].Nature Reviews Neuroscience,2005,6:463-475.
[2]Sunwoo,S.H.,etal.,Chronicandacute stress monitoring byelectrophysiological signals from adrenalgland[J].Proceedings of the NationalAcademy of Sciences,2019,116:1146-1151.
[3]Sephton,S.E.,etal.,Diurnal cortisol rhythm as a predictor ofbreast cancer survival[J].Journal of the National Cancer Institute,2000,92(12):994-1000.
[4]Corbalan-Tutau,D.,etal.,Daily profile in two circadian markers“melatonin and cortisol”and associations with metabolic syndrome components[J].Physiology&Behavior,2014,123:231-235.
[5]Parlak,O.,Portable and wearable real-time stress monitoring:Acritical review[J].Sensors and Actuators Reports,2021,3:100036.
发明内容
本发明提供了一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置，本发明通过皮质醇分子印迹检测电极实现皮质醇的检测，采用生物标志物与物理标志量相联合的方法实现精神压力的实时监测，同时对测量心率和温度进行实时校准，详见下文描述：
一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置，所述装置包括：
微控制器模块，实现功能模块的开启和关闭、激励电压的输出和信号的采集与传输；
皮质醇检测模块，用于工作电极和参比电极之间的激励电压的控制；
皮肤电导检测模块，由PWM驱动电路构成，通过检测流经皮肤的微弱电流信号，实现皮肤电导的实时监测；
TIA模块，使用双电源放大器芯片实现皮质醇响应电流和皮肤电导响应电流的检测；
温度校正模块，采用桥式分压电路，检测温度变化导致的热敏电阻阻值变化，反向推导温度的大小，辅助校正皮肤电导的检测结果；
心率检测模块，由血氧心率芯片MAX30102芯片构建完成，应用光学检测原理，实现脉搏波的实时监测，提取出心率信息；
信号传输模块，采用串口通信模式，设置通信接口，连接有线的USB转TTL模块实现数据传输，连接无线蓝牙模块实现数据的无线传输。
其中，所述装置还包括：
电源管理模块，使用±5V电压作为输入电压，给皮质醇检测模块、皮肤电导检测模块、TIA模块中用到的双电源放大器供电。
进一步地，所述装置基于朗伯-比尔定律的光学血氧心率检测原理实现血氧和心率的检测。
其中，所述装置还包括：
设置心率校正标志位，当心率数据在短时间内增幅较大时，且皮肤电导数据出现异常时，心率校正标志位设置为1；
基于热敏电阻对于温度的敏感性，设计惠斯通电桥电路，实现温度的实时检测；接着通过实验建立平静状态下温度与皮肤电导的线性关系，并通过拟合得到线性公式进行皮肤电导的校正。
其中，通过所述皮质醇检测模块实现皮质醇的电化学检测，包括：
(1)金纳米颗粒修饰步骤为：向裸电极的有效区域滴加100μL 1％的氯金酸溶液，使用电化学工作站仪器，设置方波伏安法，具体参数为扫描范围-0.2V～2V，增量10mV，振幅25mV，频率30Hz，扫描5遍，扫描完成后用超纯水冲洗掉剩余的溶液；
(2)普鲁士蓝的修饰步骤为：配制新鲜的普鲁士蓝溶液，溶液中包含2.5mM FeCl3、2.5mM K3[Fe(CN)6]、0.1M KCl、0.01M HCl，接着滴加100μL新配制的普鲁士蓝溶液到经金纳米颗粒修饰电极的有效区域，使用电化学工作站仪器，设置计时电压法，具体参数为恒电流50μA，时长120s；在金纳米颗粒/普鲁士蓝修饰电极基础上，经过电聚合的方法修饰一层包裹着皮质醇的聚吡咯，形成金纳米颗粒/普鲁士蓝/聚吡咯电极，经过电溶解的方法将皮质醇分子从聚吡咯中去除掉，形成金纳米颗粒/普鲁士蓝/聚吡咯电极，即最终的金纳米颗粒和普鲁士蓝修饰的皮质醇分子印迹检测电极；
(3)聚吡咯的电聚合为：配制包含20mM吡咯、100μg/mL皮质醇的混合溶液，向电极上滴加50μL的混合溶液，再滴加50μL的PBS溶液，混和均匀后使用电化学工作站仪器，设置循环伏安法，电聚合吡咯与皮质醇，生成以皮质醇为模板分子的聚吡咯膜，参数为电压范围0V～1.2V，扫描速率50mV/s，循环扫描10遍；扫描完成后用超纯水冲洗掉剩余的溶液；
(4)皮质醇分子的电溶解为：向修饰了金纳米颗粒、普鲁士蓝以及包含皮质醇分子的聚吡咯膜的电极上面滴加100μL的PBS溶液，使用电化学工作站仪器，使用循环伏安法，设置电压范围-1V～1V，扫描速率50mV/s，循环扫描10遍。
进一步地，所述装置的压力监测的计算方法包括以下步骤：
(1)首先对采集到的原始信号进行理想带通滤波，频率范围为99Hz～101Hz，接着对每2秒采集到的数据进行离散傅里叶变换，取100Hz处的幅值，将此幅值的绝对值归一化到0～100的范围内，作为皮肤电导的总体评价范围，实现皮肤电导的实时监测；
(2)在心率校正程序中，当心率校正标志位为1时，将2s内的心率检测结果加上前5s内心率变化量的50％，得到此时皮肤电导的心率校正值，将此校正值累加到当前的幅值信息中，提示测量异常和可能的压力骤增现象，完成皮肤电导的心率校正；
(3)在温度校正的程序中，采用直接赋值累加策略，将2s内的温度检测结果带入温度-电导线性曲线的方程中，再乘以权重0.1，得到此时皮肤电导的温度校正附加值，将此附加值直接累加到当前的幅值信息中，完成皮肤电导的温度校正。
一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测实验范式方法，所述实验范式方法为：
(1)颜色文本任务：每4s刷新一次，随机组合文字与字体颜色，被试需要排除文字干扰正确选择字体颜色，根据用户点击事件判断正误；
(2)心算任务：每6s刷新一次，随机生成十以内加减等式，根据用户点击“提交”判断正误；
(3)方向任务：每3s刷新一次，随机出现上下左右箭头，与键盘方向键对应，根据用户键入方向判断正误。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明采用生物标志物(皮质醇)与物理标志量(皮肤电导)联合检测的方式实现精神压力的实时监测，同时加入心率和温度作为校准参数，皮肤电导可以弥补皮质醇检测欠缺的实时性和连续性，而皮质醇检测又可以补充皮肤电导检测欠缺的准确性和可靠性，二者各有优势又互相补充，相互结合，综合判断人体的实时精神压力状态；本发明为个体精神压力监测提供了较为系统的、科学的解决方案；
2、本发明首次提出一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置，通过该装置实现唾液皮质醇的电化学检测，皮肤电导、心率和温度的物理检测，经过数据统计分析最终实现个人精神压力的实时监测；该装置具备小型化、可穿戴、多参数测量、实时分析等优点，具有十分重要的市场应用潜力。
附图说明
图1为皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置的结构示意图；
图2为皮质醇分子印迹电极的示意图；
图3为皮质醇分子印迹检测的原理图；
图4为皮质醇分子印迹电极修饰CV的表征图；
图5为皮质醇分子印迹电极检测结果图，其中皮质醇浓度从上到下依次为0ng/mL、1ng/mL、10ng/mL、100ng/mL、1μg/mL；
图6为皮质醇联合皮肤电导精神压力监测的实验范式界面图；
图7为皮肤电导在实验范式下的实际检测结果图。
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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了解决背景技术中的问题，本发明实施例引入皮质醇生化检测指标来量化和精确测量压力，实现优势互补。皮肤电导作为一种精神压力相关的物理量可以弥补皮质醇检测欠缺的实时性和连续性，而皮质醇检测又可以补充皮肤电导检测欠缺的准确性和可靠性，二者各有优势又互相补充，相互结合能够综合判断人体的实时精神压力状态。
一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置，如图1所示，该装置包括：微控制器模块、皮质醇检测模块、心率检测模块、皮肤电导检测模块、温度校正模块、TIA(跨阻放大器)模块、电源管理模块、信号传输模块等，通过该装置实现唾液皮质醇的电化学检测、皮肤电导和心率的实时监测，经过数据分析最终实现对个人精神压力的监测。具体设计如下：
电源管理模块部分，使用±5V电压作为输入电压，直接给双电源放大器(皮质醇检测模块、皮肤电导检测模块、TIA模块中用到双电源放大器)供电；采用AMS1117-3.3芯片将5V电压转换为稳定的3.3V为微控制器模块提供稳定且合适的工作电压；采用AMS1117-1.8芯片将3.3V电压转换为稳定的1.8V电压为心率检测模块供电；采用AZ431芯片产生精准的1.24V基准源电压实现TIA模块中处理负电压的功能。微控制器模块采用STM32F103RCT6芯片，实现功能模块的开启和关闭、激励电压的输出和信号的采集与传输，主要通过芯片IO(输入输出)端口PWM(脉冲宽度调制)输出、芯片集成式DAC(数模转换器)输出和ADC(模数转换器)采集功能来完成。皮质醇检测模块主要由双电源放大器芯片AD8674构建完成，实现工作电极和参比电极之间的激励电压的精准控制，使其不受极化电压和电流的影响。皮肤电导检测模块主要由PWM驱动电路构成，实现100Hz频率的电压输出，通过检测流经皮肤的微弱电流信号，实现皮肤电导的实时监测。TIA模块即跨阻放大器模块，使用同样的双电源放大器芯片实现电流到电压的转换，且基本没有电流损失，从而实现皮质醇响应电流和皮肤电导响应电流的检测，达到皮质醇和皮肤电导检测的目的。温度校正模块采用桥式分压电路，精准检测出由于温度变化导致的热敏电阻阻值变化，从而反向推导温度的大小，辅助校正皮肤电导的检测结果。心率检测模块主要由血氧心率芯片MAX30102芯片构建完成，应用光学检测原理，实现脉搏波的实时监测，从而提取出心率信息。信号传输模块采用串口通信模式，设置通信接口，可以连接有线的USB转TTL(晶体管-晶体管逻辑电平)模块实现数据传输，也可以连接无线蓝牙模块实现数据的无线传输。
一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置，采用交流电检测阻抗方法进行皮肤电导测量，即用一个交流电压源作为激励源，测量通过身体的电流，确定皮肤电导率。相比于直流信号，交流电信号可以消除电极极化、避免单汗腺高压，从而避免对使用者可能存在的皮肤损伤。具体来说，由微控制器(MCU)输出可调脉冲宽度调制(PWM)方波，输出频率为100Hz，经过场效应管搭建电平转换电路，实现电压驱动，最终到达以导电凝胶为材料的柔性电极上，在皮肤接收到交流信号后会产生微弱的电流反馈信号，此信号经过跨阻放大器(TIA)进行电流到电压的转换，再经过模数转换(ADC)芯片进行信号的采集，采样频率为500Hz。
采用心率和温度两个物理参数对皮肤电导检测结果进行辅助校正：
(1)多数人在面临临时性的骤增压力时，心率往往呈现加快的趋势，而皮肤电导的测量易受动作等外在因素影响，加入心率参数可以辅助判断精神压力的变化情况，提高精神压力监测的准确率。基于朗伯-比尔定律的光学血氧心率检测原理，以红光和近红外两种波长的光作为发光源，采用光敏探头探测经皮肤反射回的红光和近红外光的光强，实现血氧和心率的检测。
具体校正方法为：设置心率校正标志位，当心率数据在短时间内增幅较大时，且皮肤电导数据出现异常(凝胶电极片与皮肤接触不紧)时，心率校正标志位设置为1，将心率数据作为重要参数带入同步检测的电导数据的处理步骤中，达到校正电导数据的目的。当心率变化处于正常范围时，心率校正标志位复位。
(2)皮肤电导的早期研究已经证明，环境温度能够影响皮肤电导，所以有必要组合温度传感器测量，拟合平静状态下温度与皮肤电导的线性关系，以消除由皮肤温度变化引起的不必要信号波动，进一步校正电导数据。基于热敏电阻对于温度的敏感性，设计惠斯通电桥电路，实现温度的实时检测；接着通过实验建立平静状态下温度与皮肤电导的线性关系，并通过拟合得到线性公式，根据公式进行皮肤电导的校正。
具体校正方法为：拟合温度与皮肤电导的线性关系后，将当前温度带入线性公式(y＝1.622x+3.036，其中x为温度，单位为摄氏度)中，得到皮肤电导的客观固定值，将此固定值作为校准参数带入当前电导数据的处理步骤中，达到校正电导数据的目的。
其中，上述压力监测的计算方法包括以下步骤：
(1)首先对采集到的原始信号进行理想带通滤波，频率范围为99Hz～101Hz，只保留信号中与100Hz的PWM激励信号十分接近的频段信号；接着对每2秒采集到的数据(1000个数据)进行离散傅里叶变换(DFT)，取100Hz处的幅值，此幅值信息即包含皮肤的电导率信息，幅值越大，皮肤电导越大，反之亦然；将此幅值的绝对值归一化到0～100的范围内，作为皮肤电导的总体评价范围，实现皮肤电导的实时监测；
(2)在心率校正程序中，采用积分赋值策略，当心率校正标志位为1时，将2s内的心率检测结果加上前5s内心率变化量的50％，得到此时皮肤电导的心率校正值，将此校正值累加到当前的幅值信息中，提示测量异常和可能的压力骤增现象，完成皮肤电导的心率校正；
(3)在温度校正的程序中，采用直接赋值累加策略，将2s内的温度检测结果带入温度-电导线性曲线的方程中，再乘以权重0.1，得到此时皮肤电导的温度校正附加值，将此附加值直接累加到当前的幅值信息中，完成皮肤电导的温度校正。
通过皮质醇检测模块实现皮质醇的电化学检测：
一种金纳米颗粒和普鲁士蓝修饰的皮质醇分子印迹检测电极，采用PET材料作为电极基底，以导电碳浆和导电银浆作为印刷材料，以自主设计的网版作为印刷模板，采用丝网印刷工艺逐层印刷三电极基础传感器件，从下到上分别为PET基底、导电银浆、导电碳浆、防水层。未经修饰的三电极基础传感器件(裸电极)可经过上述工艺批量生产，成本低廉。
其中，在裸电极基础上，经过特定的电沉积工艺在工作电极上逐层修饰金纳米颗粒和普鲁士蓝材料，形成金纳米颗粒/普鲁士蓝修饰电极。
(1)金纳米颗粒修饰步骤为：向裸电极的有效区域滴加100μL 1％的氯金酸溶液，使得三电极全部浸没在溶液中，使用电化学工作站仪器，设置方波伏安法(SWV)，具体参数为扫描范围-0.2V～2V，增量10mV，振幅25mV，频率30Hz，扫描5遍，沉积过程中工作电极的区域颜色逐渐变得金黄，说明金纳米颗粒的成功修饰，扫描完成后用超纯水冲洗掉剩余的溶液。电学特征使用循环伏安法(CV)进行表征，具体操作为：向电极上滴加100μL Fe2+/Fe3+氧化还原对溶液，设置循环伏安法，设置参数为电压范围-0.4V～0.6V，扫描速率50mV/s。如图4所示，与裸电极相比，氧化还原峰的电流绝对值有明显上升，证明金纳米颗粒的修饰显著增加了电极的导电性。
(2)普鲁士蓝的修饰步骤为：在金纳米颗粒修饰的基础上，首先配制新鲜的普鲁士蓝溶液，溶液中包含2.5mM FeCl3、2.5mM K3[Fe(CN)6]、0.1M KCl、0.01M HCl，接着滴加100μL新配制的普鲁士蓝溶液到经金纳米颗粒修饰电极的有效区域，使得三电极全部浸没在溶液中，使用电化学工作站仪器，设置计时电压法(CP)，具体参数为恒电流50μA，时长120s，沉积过程中工作电极区域的颜色逐渐变得暗淡，说明普鲁士蓝的成功修饰，电沉积完成后用超纯水冲洗掉剩余的溶液，通过普鲁士蓝的修饰增加了电极本身的氧化还原性质，其作为氧化还原探针，帮助上层物质实现电子的有效转移。
如图3所示的检测原理，在金纳米颗粒/普鲁士蓝修饰电极基础上，经过电聚合的方法修饰一层包裹着皮质醇的聚吡咯，形成金纳米颗粒/普鲁士蓝/聚吡咯(皮质醇)电极，再在此基础上，经过电溶解的方法将皮质醇分子从聚吡咯中去除掉，形成金纳米颗粒/普鲁士蓝/聚吡咯(去皮质醇)电极，即最终的金纳米颗粒和普鲁士蓝修饰的皮质醇分子印迹检测电极。去除皮质醇分子后的聚吡咯膜形成了众多空腔，即分子印迹，当皮质醇分子通过电压驱动的方式填充到空腔里面，就改变了膜的电阻值，检测由此产生的电流变化从而实现皮质醇的灵敏检测。
(1)聚吡咯的电聚合为：配制包含20mM吡咯(稀释于乙醇中)、100μg/mL皮质醇(溶于乙醇中)的混合溶液，向电极上滴加50μL的混合溶液，再滴加50μL的PBS溶液(pH＝7.4，以PBS为导电基质)，混和均匀后使用电化学工作站仪器，设置循环伏安法，电聚合吡咯与皮质醇，生成以皮质醇为模板分子的聚吡咯膜，具体参数为电压范围0V～1.2V，扫描速率50mV/s，循环扫描10遍。扫描完成后用超纯水冲洗掉剩余的溶液。同样使用循环伏安法对修饰聚吡咯膜的电极进行表征，具体操作为：向电极上滴加100μL Fe2+/Fe3+氧化还原对溶液，使用循环伏安法，设置电压范围为-0.4V～0.6V，扫描速率为50mV/s。如图4所示，与修饰了金纳米颗粒和普鲁士蓝的电极相比，氧化还原峰的电流绝对值有明显下降，这是由于聚吡咯本身较差的导电性所致，证明了聚吡咯膜的成功修饰。
(2)皮质醇分子的电溶解为：向修饰了金纳米颗粒、普鲁士蓝以及包含皮质醇分子的聚吡咯膜的电极上面滴加100μL的PBS溶液(pH＝7.4)，使用电化学工作站仪器，使用循环伏安法，设置电压范围-1V～1V，扫描速率50mV/s，循环扫描10遍，利用宽电压下的电溶解特性去除膜中的皮质醇分子，完成金纳米颗粒和普鲁士蓝修饰的皮质醇分子印迹检测电极的制作。如图4所示，与未去除皮质醇分子的电极相比，CV氧化还原峰的电流绝对值有明显上升。
通过皮质醇检测模块使用差分脉冲伏安法(DPV)进行皮质醇的检测，设置扫描电压范围为0.2V～0.65V，增量为10mV，振幅为50mV，脉宽为0.05s，周期为0.5s。使用无水乙醇配制100μg/mL的皮质醇溶液，接着PBS缓冲液进行稀释，分别稀释至10μg/mL、1μg/mL、100ng/mL、10ng/mL、1ng/mL，作为皮质醇标准溶液。向制作好的金纳米颗粒和普鲁士蓝修饰的皮质醇分子印迹检测电极上依次滴加100μL的上述10μg/mL、1μg/mL、100ng/mL、10ng/mL、1ng/mL的皮质醇标准溶液，如图5所示，使用DPV方法进行检测，得到不同的DPV电流响应曲线，峰值电流随皮质醇浓度的增大显示出下降的趋势。通过重复性实验，经过线性拟合得到峰值电流与皮质醇浓度的线性关系曲线，作为皮质醇检测的标准曲线。当未知浓度的皮质醇待测液滴加到电极上，经过DPV扫描得到峰值电流数据，带入到标准曲线中通过计算即可得到未知液体的皮质醇浓度信息，实现皮质醇的检测。
一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测实验范式方法，为验证皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置对于精神压力监测的有效性，如图6所示，使用MATLAB设计放松引导与任务压力实验范式，整体实验由5分钟引导放松与5分钟任务压力刺激构成，通过调整任务数量与难度来改变压力的刺激程度。实验期间对被试进行皮肤电导数据采集，同时测量指尖脉率作为实时心率数据以辅助判断，采集温度进行数据校正。实验采用连续测量方式，每次实验记录10分钟的数据(前5分钟为放松状态，后5分钟为压力状态)，实验前后进行被试唾液采集，以进行生化指标(唾液皮质醇含量)检测。放松状态下采用混合白噪声的古典乐进行平静引导；压力刺激实验由心理学上可以有效增加压力的颜色文本任务、10以内加减心算任务、方向按键选择任务构成，三个任务具有不同的独立自动刷新时间，会根据用户点击通过指示灯变色进行实时地正误反馈，被试需要进行自主时间规划并尽可能多地循环完成任务，并且保证正确率在50％以上。
(1)颜色文本任务：每4s刷新一次，随机组合文字与字体颜色，被试需要排除文字干扰正确选择字体颜色，根据用户点击事件判断正误；(2)心算任务：每6s刷新一次，随机生成十以内加减等式，根据用户点击“提交”判断正误；(3)方向任务：每3s刷新一次，随机出现上下左右箭头，与键盘方向键对应，根据用户键入方向判断正误。如图7所示，应用皮质醇联合皮肤电导精神压力监测实验范式的实验结果表明，压力状态和放松状态的检测结果具有非常明显的区别，显示出非常有效的精神压力监测效果。
一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测智能手机软件，通过连接蓝牙模块，实现皮质醇检测、皮肤电导检测、以心率检测和体温检测的手机无线控制，实现检测数据的无线传输、存储以及智能分析，实现精神压力异常事件的提醒、线上咨询和线下问诊服务。主要分为以下三个部分：
(1)检测控制部分，主页面包括：皮肤电导、皮质醇、心率、体温校正四个功能按钮和历史记录按钮，点击进入相应的二级详情页面。在皮肤电导、皮质醇、心率、体温校正的二级页面中，上方显示接收到的数据的实时绘图，中间显示检测结果，下方显示提示信息。历史记录的二级页面中以列表的形式显示出之前测量的数据结果，最上方显示生成压力报告按钮，软件经过自动分析历史数据就会生成一份近期的压力变化情况的报告。
(2)健康服务部分，包括线上咨询模块和线下问诊模块，当用户出现精神压力异常状况时，可根据需要选择相应的专家进行心理咨询或者预约线下医生。线上咨询界面中包括系统根据压力检测情况给出的建议和一些舒压技巧，以及线上咨询服务，点击线上问诊进入二级界面，左侧显示聊天框标识，右侧显示在线医生列表，点击任意医生即可查看其信息并与之对话。线下问诊页面中，显示附近医院列表和距离信息，用户可根据距离进行排序或者根据余号情况进行排序，点击即可进入二级页面，显示相关医生的信息和可预约情况，点击预约按钮即可预约。
(3)个人信息部分，包括的个人信息有姓名、性别、年龄、身份证号、当前位置、联系电话，还有历史检测记录，以及就医提醒、用药提醒、压力异常提醒等，实现精神压力监测的个性化和智能化服务。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置，其特征在于，所述装置包括：
微控制器模块，实现功能模块的开启和关闭、激励电压的输出和信号的采集与传输；
皮质醇检测模块，用于工作电极和参比电极之间的激励电压的控制；
皮肤电导检测模块，由PWM驱动电路构成，通过检测流经皮肤的微弱电流信号，实现皮肤电导的实时监测；
TIA模块，使用双电源放大器芯片实现皮质醇响应电流和皮肤电导响应电流的检测；
温度校正模块，采用桥式分压电路，检测温度变化导致的热敏电阻阻值变化，反向推导温度的大小，辅助校正皮肤电导的检测结果；
心率检测模块，由血氧心率芯片MAX30102芯片构建完成，应用光学检测原理，实现脉搏波的实时监测，提取出心率信息；
信号传输模块，采用串口通信模式，设置通信接口，连接有线的USB转TTL模块实现数据传输，连接无线蓝牙模块实现数据的无线传输。
2.根据权利要求1所述的一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置，其特征在于，所述装置还包括：
电源管理模块，使用±5V电压作为输入电压，给皮质醇检测模块、皮肤电导检测模块、TIA模块中用到的双电源放大器供电。
3.根据权利要求1所述的一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置，其特征在于，所述装置基于朗伯-比尔定律的光学血氧心率检测原理实现血氧和心率的检测。
4.根据权利要求1所述的一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置，其特征在于，所述装置还包括：
设置心率校正标志位，当心率数据在短时间内增幅较大时，且皮肤电导数据出现异常时，心率校正标志位设置为1；
基于热敏电阻对于温度的敏感性，设计惠斯通电桥电路，实现温度的实时检测；接着通过实验建立平静状态下温度与皮肤电导的线性关系，并通过拟合得到线性公式进行皮肤电导的校正。
5.根据权利要求1所述的一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置，其特征在于，通过所述皮质醇检测模块实现皮质醇的电化学检测，包括：
(1)金纳米颗粒修饰步骤为：向裸电极的有效区域滴加100μL 1％的氯金酸溶液，使用电化学工作站仪器，设置方波伏安法，具体参数为扫描范围-0.2V～2V，增量10mV，振幅25mV，频率30Hz，扫描5遍，扫描完成后用超纯水冲洗掉剩余的溶液；
(2)普鲁士蓝的修饰步骤为：配制新鲜的普鲁士蓝溶液，溶液中包含2.5mM FeCl3、2.5mMK3[Fe(CN)6]、0.1M KCl、0.01M HCl，接着滴加100μL新配制的普鲁士蓝溶液到经金纳米颗粒修饰电极的有效区域，使用电化学工作站仪器，设置计时电压法，具体参数为恒电流50μA，时长120s；在金纳米颗粒/普鲁士蓝修饰电极基础上，经过电聚合的方法修饰一层包裹着皮质醇的聚吡咯，形成金纳米颗粒/普鲁士蓝/聚吡咯电极，经过电溶解的方法将皮质醇分子从聚吡咯中去除掉，形成金纳米颗粒/普鲁士蓝/聚吡咯电极，即最终的金纳米颗粒和普鲁士蓝修饰的皮质醇分子印迹检测电极；
(3)聚吡咯的电聚合为：配制包含20mM吡咯、100μg/mL皮质醇的混合溶液，向电极上滴加50μL的混合溶液，再滴加50μL的PBS溶液，混和均匀后使用电化学工作站仪器，设置循环伏安法，电聚合吡咯与皮质醇，生成以皮质醇为模板分子的聚吡咯膜，参数为电压范围0V～1.2V，扫描速率50mV/s，循环扫描10遍；扫描完成后用超纯水冲洗掉剩余的溶液；
(4)皮质醇分子的电溶解为：向修饰了金纳米颗粒、普鲁士蓝以及包含皮质醇分子的聚吡咯膜的电极上面滴加100μL的PBS溶液，使用电化学工作站仪器，使用循环伏安法，设置电压范围-1V～1V，扫描速率50mV/s，循环扫描10遍。
6.根据权利要求1所述的一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置，其特征在于，所述装置的压力监测的计算方法包括以下步骤：
(1)首先对采集到的原始信号进行理想带通滤波，频率范围为99Hz～101Hz，接着对每2秒采集到的数据进行离散傅里叶变换，取100Hz处的幅值，将此幅值的绝对值归一化到0～100的范围内，作为皮肤电导的总体评价范围，实现皮肤电导的实时监测；
(2)在心率校正程序中，当心率校正标志位为1时，将2s内的心率检测结果加上前5s内心率变化量的50％，得到此时皮肤电导的心率校正值，将此校正值累加到当前的幅值信息中，提示测量异常和可能的压力骤增现象，完成皮肤电导的心率校正；
(3)在温度校正的程序中，采用直接赋值累加策略，将2s内的温度检测结果带入温度-电导线性曲线的方程中，再乘以权重0.1，得到此时皮肤电导的温度校正附加值，将此附加值直接累加到当前的幅值信息中，完成皮肤电导的温度校正。
7.一种皮质醇联合皮肤电导精神压力监测实验范式方法，其特征在于，所述实验范式方法为：
(1)颜色文本任务：每4s刷新一次，随机组合文字与字体颜色，被试需要排除文字干扰正确选择字体颜色，根据用户点击事件判断正误；
(2)心算任务：每6s刷新一次，随机生成十以内加减等式，根据用户点击“提交”判断正误；
(3)方向任务：每3s刷新一次，随机出现上下左右箭头，与键盘方向键对应，根据用户键入方向判断正误。
CN202211588411.8A 2022-12-12 2022-12-12 皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置及实验范式方法 Pending CN116236197A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211588411.8A CN116236197A (zh) 2022-12-12 2022-12-12 皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置及实验范式方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211588411.8A CN116236197A (zh) 2022-12-12 2022-12-12 皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置及实验范式方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116236197A true CN116236197A (zh) 2023-06-09

Family

ID=86633875

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211588411.8A Pending CN116236197A (zh) 2022-12-12 2022-12-12 皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置及实验范式方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116236197A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117179730A (zh) * 2023-08-04 2023-12-08 天津大学 皮肤电导/肌电联合场效应管传感采集系统及方法
CN117281478A (zh) * 2023-10-17 2023-12-26 天津大学 一种皮肤病辅助诊断装置及系统
CN117898685A (zh) * 2023-12-29 2024-04-19 中南民族大学 一种基于不同情绪状态的压力检测方法及装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117179730A (zh) * 2023-08-04 2023-12-08 天津大学 皮肤电导/肌电联合场效应管传感采集系统及方法
CN117281478A (zh) * 2023-10-17 2023-12-26 天津大学 一种皮肤病辅助诊断装置及系统
CN117281478B (zh) * 2023-10-17 2024-05-28 天津大学 一种皮肤病辅助诊断装置及系统
CN117898685A (zh) * 2023-12-29 2024-04-19 中南民族大学 一种基于不同情绪状态的压力检测方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN116236197A (zh) 皮质醇联合皮肤电导精神压力监测装置及实验范式方法
Seshadri et al. Wearable sensors for monitoring the physiological and biochemical profile of the athlete
Torrente-Rodríguez et al. Investigation of cortisol dynamics in human sweat using a graphene-based wireless mHealth system
Joshi et al. iGLU 2.0: A new wearable for accurate non-invasive continuous serum glucose measurement in IoMT framework
Obien et al. Revealing neuronal function through microelectrode array recordings
Guo et al. Clinical identification of diabetic ketosis/diabetic ketoacidosis acid by electrochemical dual channel test strip with medical smartphone
Pei et al. A bifunctional fully integrated wearable tracker for epidermal sweat and wound exudate multiple biomarkers monitoring
Schwerdt et al. Dopamine and beta-band oscillations differentially link to striatal value and motor control
WO2020108626A1 (zh) 一种可自供电柔性电极智能可穿戴组件
US11903699B2 (en) Method and apparatus for light-weight, non-invasive, point of care diabetes screening device
Faust et al. Validating the robustness of an internet of things based atrial fibrillation detection system
CN100377687C (zh) 用于采集生物机体官能数据和新陈代谢数据的方法和装置
TWI730503B (zh) 生理與生化監測裝置
CN112370057A (zh) 压力评估方法、装置、计算机设备和存储介质
Tonello et al. Preliminary study of a flexible printed multi-sensing platform for electromyography and lactate measuring during rehabilitation
Saraoğlu et al. A study on non‐invasive detection of blood glucose concentration from human palm perspiration by using artificial neural networks
Mena et al. Novel, user-friendly experimental and analysis strategies for fast voltammetry: next generation FSCAV with artificial neural networks
Kaur et al. Recent developments in wearable & non-wearable point-of-care biosensors for cortisol detection
Calero et al. Self-adjustable galvanic skin response sensor for physiological monitoring
Bai et al. Integrated biosensing system of electrochemistry and electrophysiology for cortisol and skin conductance analysis on smartphone
Aiassa et al. Smart portable pen for continuous monitoring of anaesthetics in human serum with machine learning
Mishra et al. Uninterrupted real‐time cerebral stress level monitoring using wearable biosensors: A review
Gupta et al. Ad hoc hybrid synaptic junctions to detect nerve stimulation and its application to detect onset of diabetic polyneuropathy
KR20170040918A (ko) 바이오 센서 및 그의 센싱 방법
Li et al. Multifunctional lab-on-a-tube (LOT) probe for simultaneous neurochemical and electrophysiological activity measurements

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination