醫療保健和健身領域的可穿戴市場正在快速成長;本文重點介紹目前產業界具有創新和教育意義的資訊,說明設計者理解理論原理以及該領域的設計工具。

首先從筆者最近對Maxim Integrated的一次訪問開始,我有幸參觀了他們的展示實驗室,其中眾多展示中的兩項讓我感到非常驚喜,那是兩個非常重要的醫療保健和健身可穿戴設備,利用這些設備,設計者能夠縮短其設計階段,將其產品快速推向市場。在討論設計工具之前,我們首先瞭解一下推動可穿戴設備走入我們日常生活的最新技術、原理以及電子科技。

膚電反應

膚電反應(GSR)是眾多膚電位反應(EDR)的一種;EDR是指環境事件與人類心理狀態的相互作用引發的人體皮膚的電特性變化。人體的皮膚是一種相當好的電導體。當向皮膚施加小電流時,其傳導率會發生可測的變化。

我們可測量多種變數,例如皮膚電阻或電導係數,及其倒數。所以,如果利用歐姆定律,R是皮膚電阻,等於皮膚上兩個電極之間施加的電壓(V)除以通過皮膚的電流(I),即R=V/I,正如EE101中所述。圖1所示為某種刺激下的典型GSR反應。

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圖1 典型GSR反應。



GSR也被應用於醫療、測謊以及健康監測領域。

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圖 2 圖中所示為MAXREFDES73#的手機app GUI螢幕截圖,這是一款可穿戴的電池供電移動式膚電反應(GSR)系統,採用 MAX32600健康測量微控制器。



GSR放大器

GSR的關鍵是費勒效應(Féré effect),即受試者被刺激後其皮膚導電率發生的變化。GSR放大器的角色是向皮膚施加恆定電壓,該電壓非常小,甚至穿戴者都感覺不到。這是透過微小的電極實現的;然後電流通過皮膚並被接收器檢測到,經過處理後被應用於向使用者顯示各種參數。

放大器輸出電壓需要恆定並且確定,所以在測得通過皮膚的電流後,GSR放大器即可確定以μ S(microSiemens)為單位的皮膚電導(conductance)。

皮膚電導

有兩種類型的皮膚電導:張力性(tonic)和相位性(phasic)。張力性電導是指無任何環境刺激下的皮膚電導基準線水平,也稱為皮膚電導水準(SCL);我們的SCL範圍為10~50μS,這些SCL水準隨時間發生變化,取決於我們的自主神經系統調節和生理狀態。

相位性電導隨事件發生變化,也被稱為GSR。嗅覺、聽覺、視覺等環境刺激將造成我們的皮膚電導發生時間相關的變化;這些就是所謂的皮膚電導反應(SCR),會造成皮膚電導升高,持續10或20秒,然後恢復到SCL基線,也就是基礎電導水準。

可測量及利用的事件相關GSR參數,有幅度(單位為μS)和以秒為單位的延遲、上升時間和半恢復(half-recovery)時間。

GSR和心血管系統

我們首先來了解一下如何利用歐姆定律(Ohm's Law)建立迴圈模型。血壓(BP)、心輸出量(cardia coutput,CO)和總周邊血管阻力(total peripheral resistance,TPR)分別類似於電壓(V)、電流(I)和電阻,如圖3;正常年輕人的血壓曲線表示心臟收縮BP、心臟舒張BP、脈壓和平均動脈壓之間的關係,1A所示為BP、CO和TPR之間的關係。從1B可看出,心臟收縮BP(SBP)和舒張BP(DBP)分別是每個心跳週期中的最大和最小BP值。脈壓(PP)為SBP與DBP之差。平均動脈壓(MAP)大約為DBP加1/3PP。

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圖3 血壓(BP)、心輸出量(CO)和總周邊血管阻力(TPR)分別類似於電壓(V)、電流(I)和電阻。



在年度INDICON(IEEE India Conference)技術大會上,工程師展示了如何預測嚴重高血壓的例子;可以開發醫療和健身設備來監測圖4所示的任意及全部參數,然後設計業者可根據其目標市場的需求來增加其他「特殊功能」。

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圖4 可以開發醫療和健身設備來監測圖中所示的任意及全部參數。



可量測膚電反應的參考設計

Maxim的MAXREFDES73#參考設計可協助穿戴式設備開發者立即評估GSR檢測;利用Android行動設備,使用者能透過藍牙低功耗(BLE)無線介面在20公尺圍內監測其皮膚電阻和溫度。

筆者家裡有一套這樣的展示工具,我對其實用性以及設置容易、操作簡單等方面印象深刻;我明白了這套完備的展示系統為什麼不僅能夠幫助醫療和健身可穿戴設備開發者理解GSR以及其他非常重要的監測原則,而且能夠大幅縮短設計者寶貴的開發時間、縮短產品上市時程。圖5為完整的系統示意圖,圖6~圖8為其基本模組。

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圖5 MAXREFDES73#參考設計功能區塊圖;MAX32600包含類比前端(AFE)、ADC和DAC。



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圖6 智慧手錶參考設計的正面,其中包括電子元件和電池。



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圖7 智慧手錶參考設計的背面,圖中所示為皮膚接觸電極。



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圖8 Maxim Integrated #MAXREFDES73# GSR參考設計。



該參考設計平台以電池供電,可進行高精度交流阻抗測量,同時功耗極低;MAX32600微控制器採用ARMCortex-M3 32位元RISC CPU,運作頻率達24MHz,並整合多種高性能類比周邊。其類比功能特性包括配備PGA的16位元ADC、兩個12位元DAC和一個16通道多工器,以及經典的數位功能,例如256KB快閃記憶體、32KBSRAM和2KB指令高速緩衝記憶體。

該參考設計是腕戴式裝置,以LIR2032可充電式紐扣電池供電;以支援Android設備的行動應用程式提供介面,可過藍牙低功耗無線介面與Android設備通訊。

交流阻抗量測

為完整起見,我認為本文中應該包含以下關於交流阻抗量測(AC Impedance Measurement)的詳細介紹。MAXREFDES73#被設置為執行交流阻抗量測,如圖9。12位元DAC產生峰-峰值1V的正弦波刺激訊號;微控制器DMA引擎使直接數位合成成為可能。

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圖 9 圖中所示為M AXREFDES73#交流阻抗量測的方框圖。



DAC0輸出訊號透過運算放大器緩衝,第二個運算放大器用於構成二階低導通濾波器(LPF1)。利用電容(圖中未標出)阻隔刺激訊號的直流成分。四個內部SPST開關動態地將負載重新配置為校準通路或人體皮膚負載。ADC輸入之前的8位DAC (圖中未標出)產生共模偏置電壓。LPF2中的RC組合構成一階LPF和增益控制。最後,ADC之前的RC組合構成LPF,同時也作為抗混疊(anti-alias)濾波器。

在這個案例中,手腕的皮膚是輸入電路中反相放大器輸入阻抗的一部分;連貫的正弦訊號刺激電路,利用數位基頻正交採樣接收器持續檢測回應,以檢測網路回應的幅值和相位。已知的校準通路為內置,也對其進行測量;系統利用這兩種回應確定皮膚的複阻抗(complex impedance)。接下來根據測試負載與校準通路的回應之比值,只需很低的功耗即可精準確定複阻抗。

為了測量特定頻率(FC)下的阻抗,向測試負載施加正弦電壓,所以:x(t)=cos(2π×FC×t)。然後對ADC的輸出進行放大和相移,得到:y(t)=VL×cos(2π×t+θ)。為了提取接收訊號的相位,我們需要進行相干檢測。現在,如果ADC能夠與DAC輸出(交流刺激)同步,即實現數位基頻正交採樣。此時,取樣速率為刺激頻率的4倍,如圖10所示。

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圖 10 MAXREFDES73# ADC正交採樣。



數位基頻正交採樣一般在頻域表示;但對於交流阻抗測量,在時域表示更好。以下方程式所示為從y(t)得到實分量I和複分量Q的過程:

y(t)=VL×cos(2πFc×t + θ) TS=1/(4×Fc) y(k)=VL×cos(π/2×k + θ) kΣ{0, 1, 2, ...N - 1} y(k)=VL[cosθ, cos(π/2 + θ), cos(π + θ), cos(3π/2 + θ), ...] y(k)=VL[cosθ, -sinθ, -cosθ, sinθ, ...]

為了計算複阻抗,我們感興趣的是提取幅值和相位資訊:

VLejθ=VLcos(θ) + jVLsin(θ)= I + JQ

透過觀察,前兩次ADC採樣得到I和Q:

I=VLcos(θ) = y(0) Q=VLsin(θ) = y(1)

我們可將ADC採樣進行分組(偶/奇)並利用±1進行調變,產生實分量I和複分量Q的多個觀察。因為我們處理的是單頻,可以對這些輸出進行平均,以提高測量的訊號雜訊比(SNR),如以下的方程式所示:

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其中N是ADC採樣的數量,為4的整數倍。

相位=θ=atan2(Q,I) 幅值=VL=√(I2 + Q2)

複阻抗Z(s)是在特定頻率下利用校準負載Ycal(s)以及被測負載Ysys(s)的採樣測得的。根據回應之比以及兩個外 部電阻Ri和Rcal,可得到測試頻率下的 負載複阻抗:

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可推導出負載阻抗的幅值和相位:

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對於該參考設計,我們對皮膚阻抗的幅值更感興趣,所以僅發送幅值資料,並在行動應用程式的圖形化使用者介面上顯示;相位資料在參考設計韌體中也被計算,供使用者在特殊應用中使用。