用于利用電流補償進(jìn)行皮電活動測量的裝置的制造方法
【專利說明】
[0001] 對相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年3月16日提交的標(biāo)題為"Apparatus for Electro Dermal Activity Measurement with Current Compensation"的美國臨時專利申請 No.61/802, 500、以及 2013 年 3 月 16 日提交的標(biāo)題為"Method for Estimating Human Well-being Through Heart Rate Variability"的美國臨時專利申請No.61/802, 519 的優(yōu) 先權(quán)，這些專利申請在的公開內(nèi)容通過引用全部并入于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 此處所描述的各實施例一般涉及用于測量皮電活動的設(shè)備、系統(tǒng)和方法，具體而 言，涉及用于測量用戶的皮膚的皮電活動的可穿戴設(shè)備以及方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 人皮膚由不同的組織層構(gòu)成。這些組織層執(zhí)行多個功能，例如，在身體的內(nèi)部和 外部部分之間形成界面，充當(dāng)保護(hù)機(jī)制，具有體溫調(diào)節(jié)功能，并允許通過皮膚進(jìn)行液體的交 換。人皮膚還包括產(chǎn)生汗的汗腺。汗包括可使電流通過皮膚傳導(dǎo)的各種電解液。例如，如 果能夠產(chǎn)生自由離子的兩個電極（諸如像銀（Ag)電極）被設(shè)置在皮膚上，則自由離子可以 通過皮膚在兩個電極之間以電子方式傳遞。
[0005] -般被稱為皮電活動的皮膚的電導(dǎo)非常低，一般以姆歐（S)來度量。皮膚的電導(dǎo) 取決于角質(zhì)層的厚度。皮膚的內(nèi)層產(chǎn)生勢皇，該勢皇大小會變化并使電流在角質(zhì)層中以或 多或少被限制的方式流動。角質(zhì)層越薄，電導(dǎo)就越高。例如，手指尖處的皮膚的電導(dǎo)可以 在大約0. 5μS到大約50μS的范圍中，而腕處的皮膚的電導(dǎo)可以在大約0. 05μS到大約 80μS的范圍中。這些變化可以取決于許多因素，包括個人的生理機(jī)能、溫度、皮膚結(jié)構(gòu)、以 及自主神經(jīng)系統(tǒng)（ANS)活動。
[0006] 皮電活動信號一般包括兩個交錯信號；基礎(chǔ)（tonic)水平以及相位（phasic)水 平。基礎(chǔ)水平（此處也被稱為"基礎(chǔ)水平電導(dǎo)"）是在沒有任何外部或環(huán)境刺激的情況下的 皮膚電導(dǎo)，緩慢地變化（即，低頻率），是如此處所描述的人的生理因素所導(dǎo)致的?；A(chǔ)水平 可以在用戶的腕部處具有大約〇. 05μS到大約50μS的范圍。
[0007] 相位水平（此處也被稱為"相位水平電導(dǎo)"）通常與短期事件相關(guān)聯(lián)，并在存在 離散的環(huán)境刺激（諸如例如視線、聲音、嗅覺、以及在事件前面的感知過程，諸如期待、決策 等）的情況下發(fā)生。相位變化通常表現(xiàn)為皮膚電導(dǎo)的突然的提高，或皮膚電導(dǎo)中的"峰值"。
[0008] 系統(tǒng)和設(shè)備也可以用于通過皮膚或在用戶的皮膚下面的血液中測量心率變異性 (HRV)。HRV被定義為心率的心搏與心搏之間的變化。變化越大，HRV就越大。HRV是心肌 梗塞的死亡率的已知預(yù)測子，其他病理學(xué)條件也可以與修改的（通常較低）HRV相關(guān)聯(lián)，包 括充血性心力衰竭、糖尿病神經(jīng)病變、心臟移植術(shù)后抑郁、對嬰兒猝亡綜合征（SIDS)的敏 感性、以及早產(chǎn)兒的存活率。HRV還涉及情緒激發(fā)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在嚴(yán)重的時間壓力以及情感 緊張、升高的焦慮水平下，或者在報告了日常擔(dān)憂頻頻率更大并且持續(xù)時間更長的個人中， HRV減小。
[0009]HRV包括兩個主要成份：呼吸性竇性心律失常（RSA)(也被稱為高頻（HF)振蕩）以 及低頻（LF)振蕩。HF振蕩與呼吸相關(guān)聯(lián)，并在頻率范圍上跟蹤呼吸速率，低頻振蕩與血壓 的Mayer波（Traube-Hering-Mayer波）相關(guān)聯(lián)。被這些頻譜帶包含的總能量與能量被分 配給它們的方式相結(jié)合給出由中樞神經(jīng)系統(tǒng)給出的心率調(diào)節(jié)模式的指標(biāo)、以及心理以及身 體健康的狀態(tài)的指標(biāo)。
[0010] 然而，已知的用于分析心搏數(shù)據(jù)以確定人的HRV以及精神物理學(xué)狀態(tài)的方法常常 不能確定人的真實的心理的以及物理的狀態(tài)。一些已知的HRV頻譜分析方法使用非參數(shù)化 方法（例如，快速傅氏變換）或參數(shù)化方法。這些策略依賴于以恒定頻率"采樣"血流速度 圖的近似法。這樣的已知方法對丟失心搏數(shù)據(jù)或心搏數(shù)據(jù)中的高變異性敏感。進(jìn)一步地， 高活動性也會導(dǎo)致心搏數(shù)據(jù)的高變異性，通過已知方法不可以適當(dāng)?shù)胤治鲞@些高變異性。 [0011] 如此，需要可以以高可靠性、可重復(fù)性來測量皮膚電導(dǎo)并且不會遭受電解的新系 統(tǒng)、設(shè)備以及方法。進(jìn)一步地，還需要分析心搏數(shù)據(jù)并通過心率變異性來確定人的健康的新 方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 此處所描述的各實施例一般涉及用于測量皮電活動的設(shè)備、系統(tǒng)和方法，具體涉 及用于測量用戶的皮膚的皮電活動的可穿戴設(shè)備以及方法。在一些實施例中，用于測量皮 電活動的裝置可包括與皮膚的角質(zhì)層的第一部分接觸的第一電極和與角質(zhì)層的第二部分 接觸的第二電極。第一電極可以通過角質(zhì)層與第二電極進(jìn)行電子通信。處理模塊電耦合到 第一電極和第二電極。處理模塊可操作，以（a)使第一電極偏壓在第一電壓V+，使第二電極 偏壓在第二電壓V-，（b)測量在第一電極和第二電極之間流動的電流，所述電流對應(yīng)于所 述角質(zhì)層的電導(dǎo)，（c)從測量到的電流減去補償電流，（d)測量作為結(jié)果的電流并產(chǎn)生經(jīng)放 大的輸出電壓，（e)測量所述角質(zhì)層的電導(dǎo)，以及（f)調(diào)整第一電壓、第二電壓以及所述補 償電流中的至少一項，以降低所述輸出電壓的飽和度。
【附圖說明】
[0013]圖1A是帶有第一厚度并具有第一電導(dǎo)的皮膚角質(zhì)層的人的皮膚的截面圖。圖1B 是皮膚的截面圖，示出了第二厚度并具有第二電導(dǎo)的角質(zhì)層。
[0014] 圖2A是在皮膚上測量到的包括基礎(chǔ)水平電導(dǎo)和相位水平電導(dǎo)的皮電活動信號的 曲線。
[0015]圖2B是范圍從低值到高值的典型的皮電活動信號的曲線。
[0016] 圖3示出了根據(jù)一實施例的用于測量皮電活動的裝置的示意框圖。
[0017] 圖4示出了根據(jù)一實施例的用于測量皮電活動的可穿戴設(shè)備的底部透視圖。
[0018] 圖5示出了沿著圖4所示出的線5-5截取的圖3的可穿戴設(shè)備的截面?zhèn)纫晥D。
[0019] 圖6示出了可以用于電流補償以及極性反轉(zhuǎn)的圖3的可穿戴設(shè)備中所包括的處理 模塊的電路圖。
[0020] 圖7示出了圖3的可穿戴設(shè)備中所包括的處理模塊的總體示意圖。
[0021] 圖8是示出了可穿戴傳感器的皮電活動感測性能的曲線，包括真正電導(dǎo)水平、輸 出電壓以及補償電壓VDAC。
[0022] 圖9示出了根據(jù)一實施例的測量皮電活動的方法。
[0023] 圖10示出了根據(jù)一實施例的包括皮電活動傳感器以及心搏傳感器的可穿戴設(shè)備 的底部透視圖。
[0024] 圖11示出了沿著圖10所示出的線11-11截取的圖10的可穿戴設(shè)備的截面?zhèn)纫?圖。
[0025] 圖12示出了根據(jù)一實施例的使用由可穿戴活動傳感器測量到的心率變異性來確 定人的健康的方法。
[0026] 圖13示出了心搏間期（IBI)時間序列。
[0027] 圖14示出了用于去除在心搏的心搏間期（IBI)中測量到的偽差的單步選擇濾波 器的可視表示。
[0028] 圖15示出了用于去除在心搏的IBI中測量到的偽差的兩步驟選擇濾波器的可視 表不。
【具體實施方式】
[0029] 此處所描述的各實施例一般涉及用于測量皮電活動的設(shè)備、系統(tǒng)和方法，具體而 言，涉及用于測量用戶的皮膚的皮電活動的可穿戴設(shè)備以及方法。對定義人的皮電活動的 兩個不同頻率的電導(dǎo)進(jìn)行測量會是具有挑戰(zhàn)性的。基礎(chǔ)水平具有利用常規(guī)皮電活動監(jiān)視器 可能難以包含的很寬的范圍。此外，相位水平是快速變化的，并可能難以利用常規(guī)皮電活動 監(jiān)視器來解析。
[0030] 用于皮電感測的電極也會在皮膚上遭到電解。隨著電流流過皮膚，電極（例如，Ag 電極）會損失金屬離子，金屬離子會在皮膚上沉積。這會導(dǎo)致電極的腐蝕，也會由于金屬離 子而導(dǎo)致皮膚刺激。
[0031] 常規(guī)皮電活動傳感器可以是DC電流傳感器或AC電流傳感器?；贒C電流的皮電 活動傳感器一般在測量基礎(chǔ)水平電導(dǎo)和相位水平電導(dǎo)中提供良好性能，但會遭受電解。相 比之下，基于AC電流的皮電活動傳感器在測量基礎(chǔ)水平電導(dǎo)中會提供良好性能并很少有 或沒有電解，但是在測量相位水平電導(dǎo)中表現(xiàn)出差的性能。
[0032] 此處所描述的系統(tǒng)、設(shè)備和方法的各實施例可以提供用于可靠地測量皮膚的基礎(chǔ) 水平和相位水平的電導(dǎo)的補償機(jī)制。此處所描述的皮電活動測量系統(tǒng)、設(shè)備和方法相對于 常規(guī)皮電活動傳感器，提供幾個優(yōu)點，包括例如：（1)在覆蓋預(yù)期的基礎(chǔ)水平電導(dǎo)的整個范 圍的寬的范圍上測量皮電活動的能力，（2)以高分辨率測量相位水平電導(dǎo)的能力，（3)感測 電極的電解減少，以及（4)允許通過集成在可穿戴設(shè)備（例如，腕帶）中進(jìn)行實時皮電活動 測量。
[0033] 在一些實施例中，用于測量皮電活動的裝置可包括與皮膚的角質(zhì)層的第一部分接 觸的第一電極和與該角質(zhì)層的第二部分接觸的第二電極。第一電極可以通過該角質(zhì)層與第 二電極進(jìn)行電子通信。處理模塊電耦合到第一電極和第二電極。處理模塊可操作，以（a) 使所述第一電極偏壓在第一電壓V+，使所述第二電極偏壓在第二電壓V-，（b)測量在所述 第一電極和所述第二電極之間流動的電流，所述電流對應(yīng)于該角質(zhì)層的電導(dǎo)，（c)從測量到 的電流減去補償電流，（d)測量作為結(jié)果的電流并產(chǎn)生經(jīng)放大的輸出電壓，（e)測量該角質(zhì) 層的電導(dǎo)，以及（f)調(diào)整所述第一電壓、所述第二電壓，以及所述補償電流中的至少一項， 以降低所述輸出電壓的飽和度。
[0034] 在一些實施例中，用于測量皮電活動的可穿戴設(shè)備可包括被配置成可移除地與用 戶的皮膚相關(guān)聯(lián)的外殼。第一電極和第二電極被包括在設(shè)備中，使得第一電極和第二電極 的至少一部分被設(shè)置在外殼外面。第一電極被配置成當(dāng)外殼與用戶相關(guān)聯(lián)時接觸皮膚的 角質(zhì)層的第一部分，第二電極被配置成當(dāng)外殼與用戶相關(guān)聯(lián)時接觸皮膚的角質(zhì)層的第二部 分。處理模塊也設(shè)置在外殼中并親合到第一電極和第二電極。處理模塊可操作，以（a)使 所述第一電極偏壓在第一電壓V+，使所述第二電極偏壓在第二電壓V-，（b)測量在所述第 一電極和所述第二電極之間流動的電流，所述電流對應(yīng)于角質(zhì)層的電導(dǎo)，（c)從測量到的電 流減去補償電流，（d)測量作為結(jié)果的電流并產(chǎn)生經(jīng)放大的輸出電壓，（e)測量角質(zhì)層的電 導(dǎo)，以及（f)調(diào)整所述第一電壓、所述第二電壓、以及所述補償電流中的至少一項，以降低 所述輸出電壓的飽和度。通信模塊也設(shè)置在外殼中并耦合到處理模塊。通信模塊可以被配 置成執(zhí)行以下中的至少一項：顯示用戶的皮電活動，和將來自處理模塊的皮電活動數(shù)據(jù)傳 遞到外部設(shè)備。電源也設(shè)置在所述外殼中并被配置成向所述處理模塊和所述通信模塊提供 電力。在一些實施例中，可穿戴設(shè)備可以是腕帶。
[0035] 在一些實施例中，測量皮電活動的方法可包括將第一電極和第二電極設(shè)置于用戶 的角質(zhì)層上。使第一電極偏壓在第一電壓，使第二電極偏壓在第二電壓。測量與流過皮膚 的電流成比例的輸出電壓。該方法將輸出電壓轉(zhuǎn)換為電導(dǎo)水平，并確定它是否飽和。如果 輸出電壓低飽和，則增大補償電流或減小兩個電極之間的電壓差，以改變輸出電壓，使得它 不飽和。如果輸出電壓高飽和，則減小補償電流或增大兩個電極之間的電壓差，以改變輸出 電壓，使得它不飽和。在一些實施例中，測量到的電導(dǎo)是具有在大約〇. 05μS到大約50μS 的范圍中的值的基礎(chǔ)水平電導(dǎo)。
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