可穿戴皮肤流电测量设备

医疗保健和健身领域的可穿戴市场正在快速增长。本文重点介绍目前业内具有创新和教育意义的信息，帮助设计者理解理论原理以及该领域的设计工具。

首先从我最近对Maxim Integrated的一次访问开始，我有幸参观了他们的演示实验室。参观期间，众多演示中的两个演示让我感到非常惊喜，那是两个非常重要的医疗保健和健身可穿戴设备，利用这些设备，设计者能够缩短其设计时间，将其产品快速推向市场。

在讨论设计工具之前，我们首先了解一下推动可穿戴设备走入我们日常生活的最新技术、原理以及电子科技。

流电皮肤反应(GSR)

流电皮肤反应(GSR)是众多皮电反应(EDR)的一种。EDR是指环境事件与人类心理状态的相互作用引发的人体皮肤的电特性变化。人体的皮肤是一种相当好的电导体。当向皮肤施加小电流时，其传导率会发生可测的变化。我们可测量多种变量，例如皮肤电阻或电导系数，及其倒数。所以，如果利用欧姆定律，R是皮肤电阻，等于皮肤上两个电极之间施加的电压(V)除以通过皮肤的电流(I)，即R= V/I，正如EE101中所述。图1所示为某种激励的典型GSR反应。


图1：典型GSR反应

GSR也被应用于医疗、测谎以及健康监测领域。



图2：图中所示为MAXREFDES73#的移动app GUI屏幕截图，这是一款可穿戴的电池供电移动式皮电反应(GSR)系统，采用MAX32600健康测量微控制器。
  
GSR放大器

GSR的关键是费勒效应，即皮肤受到激励后其电导率发生的变化。

GSR放大器的角色是向皮肤施加恒定电压，该电压非常小，甚至穿戴者都感觉不到。这是通过微小的电极实现的。然后电流通过皮肤并被接收器检测到，经过处理后被用于向用户显示各种参数。

放大器输出电压需要恒定并且确定，所以在测得通过皮肤的电流后，GSR放大器即可确定以μS或微西为单位的皮肤电导。

皮肤电导

有两种类型的皮肤电导：基础电导和相位电导。

基础电导是指无任何环境激励下的皮肤电导基线，也称为皮肤电导水平(SCL)。我们的SCL范围为10至50 μS。这些SCL水平随时间发生变化，取决于我们的自主神经系统调节和生理状态。

相位电导随事件发生变化，也称为GSR。嗅觉、听觉、视觉等环境刺激将造成我们的皮肤电导发生时间相关的变化。这些就是所谓的皮肤电导反应(SCR)。这些SCR会造成皮肤电导升高，持续10或20秒，然后恢复到SCL基线，也就是基础电导水平。

可测量及利用的事件相关GSR参数有幅值(单位为微西)和延迟、上升时间和半恢复时间，单位为秒。

GSR和心血管系统

我们首先来了解一下如何利用欧姆定律建立循环模型。血压(BP)、心输出量(CO)和总外周阻力(TPR)分别类似于电压(V)、电流(I)和电阻，参见下图3。正常年轻人的血压曲线表示心脏收缩BP、心脏舒张BP、脉压和平均动脉压之间的关系。1A所示为BP、CO和TPR之间的关系。从1B可看出，心脏收缩BP (SBP)和舒张BP (DBP)分别是每个心跳周期中的最大和最小BP值。脉压(PP)为SBP与DBP之差。平均动脉压(MAP)大约为DBP加1/3 PP。
   

图3：血压(BP)、心输出量(CO)和总外周阻力(TPR)分别类似于电压(V)、电流(I)和电阻。

在INDICON，工程师展示了如何预测严重高血压的例子2。可以开发医疗和健身设备来监测图4所示的任意及全部参数，然后设计公司可根据其目标市场的需求来增加其他“特殊功能”。


图4：可以开发医疗和健身设备来监测图中所示的任意及全部参数。   

流电皮肤反应及Maxim MAXREFDES73#

现在，利用Maxim的MAXREFDES73#参考设计，可穿戴设备开发者可立即评估GSR检测。利用Android移动设备，通过蓝牙低功耗(BLE)无线接口，用户能够在20m范围内监测其皮肤电阻和温度。

我家里有一套这样的演示设备，我对其有效性以及设置容易、操作简单等方面印象深刻。我明白了这套完备的演示系统为什么不仅能够帮助医疗和健身可穿戴设备开发者理解GSR以及其他非常重要的监测原则，而且能够大幅缩短设计者宝贵的开发时间，帮助其实现上市时间目标。图5所示为完整的系统示意图，图6~图8所示为基本模块。
  

图5：MAXREFDES73#参考设计框图。MAX32600包含模拟前端(AFE)、ADC和DAC。   


图6：手表的正面，其中包括电子器件和电池。   


图7：手表的背面，图中所示为皮肤接触电极。


图8：Maxim Integrated #MAXREFDES73# GSR参考设计。

该平台由电池供电，可进行高精度交流阻抗测量，同时功耗极低。MAX32600微控制器采用ARM Cortex-M3 32位RISC CPU，工作在高达24MHz，并集成多种高性能模拟外设。

模拟特性包括带PGA的16位ADC、两个12位DAC和一个16通道多路复用器，以及经典的数字特性，例如256KB闪存、32KB SRAM和2KB指令缓存。参考设计提供高性能、灵活的开发平台，是众多健康和医疗测量应用的基础，尤其是皮电反应测量。
参考设计为腕带式单元，由LIR2032可充电纽扣电池供电。支持Android设备的移动应用程序提供接口，手表通过蓝牙低功耗无线接口与Android设备进行通信。

测试结果、硬件文件和固件源代码提供完整的设计文档。该完备的腕带式单元是设计者的必备之物，将帮助设计者快速将可靠产品推向市场。