可穿戴传感器设备和感测方法与流程

1.本发明涉及用于确定对象的热因性和/或心因性应激响应的可穿戴传感器设备和感测方法。


背景技术：

2.出汗有两个主要原因：体温调节和情绪应激。第一种类型的出汗被称为热因性出汗，而第二种类型的出汗被称为第二心因性出汗。热因性出汗是由来自交感神经自主神经系统的信号激活汗腺的结果。这些信号被报告为发生于超过1hz的频率，这对于个体皮肤电导响应来说太快而无法显示。由于热因性出汗，皮肤电导水平升高而没有可辨别的个体皮肤电导响应，即，当人由于强烈活动(诸如爬一组楼梯)而出汗时，皮肤电导急剧升高而没有个体峰值。这样的出汗是由体温调节引起。
3.使用可穿戴传感器设备，可以通过测量皮肤电导来测量汗腺的激活。对于生活应用，知道人对情绪或生理应激原的响应是有利的。皮肤电导数据包含该信息，但是也可以包含由如上所述的体温调节引起的皮肤电导变化。像例如在m.ouwerkerk、p.dandine、d.bolio、r.kocielnik、j.mercurio、h.huijgen、j.westerink的wireless multi sensor bracelet with discreet feedback(proceedings of wireless health 2013,baltimore,usa,paper a6)中描述的已知可穿戴传感器设备测量手腕的手掌侧(也称为下侧)处的皮肤电导。
4.汗腺激活可以是身体对完全不同的刺激的响应。热量或身体活动可以升高核心体温，这可以触发包括激活汗腺的体温调节过程。心因性或疼痛刺激是激活汗腺的其他已知触发因素。然而，根据皮肤电导测量，还不知道如何量化和分离对汗腺活动的两种贡献。


技术实现要素：

5.本发明的目的是确定人的热和/或情绪应激的影响。
6.在本发明的第一方面中，提出了一种用于对象的热因性和/或心因性应激响应的可穿戴传感器设备，所述可穿戴传感器设备包括：
7.第一电极，其被配置为接触所述对象的第一非无毛皮肤部分，
8.第二电极，其被配置为接触所述对象的第二非无毛皮肤部分，
9.第三电极，其被配置为接触所述对象的无毛皮肤部分，
10.皮肤电导传感器，其被配置为在正输入端子与负输入端子之间提供电压信号并且在输出端子处测量皮肤电导信号，
11.切换装置，其被配置为在至少三种切换状态之间切换所述第一电极至所述第三电极与所述皮肤电导传感器的所述正输入端子和所述负输入端子之间的连接，其中，在每种切换状态下，所述第一电极至所述第三电极中的两个被连接到所述负输入端子，并且所述第一电极至所述第三电极中的第三个被连接到所述正输入端子，或者在每种切换状态下，所述第一电极至所述第三电极中的两个被连接到所述正输入端子，并且所述第一电极至所
述第三电极中的第三个被连接到所述负输入端子，以及
12.处理单元，其被配置为根据在所述至少三种切换状态期间测量到的皮肤电导信号来确定热因性和/或心因性应激响应。
13.在本发明的另外的方面中，提供了一种对应的感测方法、一种计算机程序以及一种非瞬态计算机可读记录介质，所述计算机程序包括程序代码单元，当所述计算机程序在计算机上执行时，所述程序代码单元用于使计算机执行本文公开的方法的步骤，所述非瞬态计算机可读记录介质在其中存储有计算机程序产品，当被处理器执行时，所述计算机程序产品使本文公开的方法被执行。
14.本发明的优选实施例在从属权利要求中进行限定。应当理解，要求保护的方法、计算机程序和介质具有与要求保护的可穿戴传感器设备相似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所限定的和如本文所公开的。
15.本发明基于以下构思：呈现测量人的热和/或情绪应激的影响的可穿戴传感器设备和感测方法。这是通过半(或接近)同时测量无毛皮肤部分和非无毛皮肤部分处(例如，手腕的上侧和下侧处)的皮肤电导来完成的。皮肤电导是通过自主神经系统的交感神经分支监测汗腺激活的手段，所述交感神经分支由于应激而变得活跃。类似于手两侧的出汗行为，热应激激活手腕的上侧(或另一非无毛皮肤部分)的大部分汗腺并且情绪应激激活手腕的下侧(或另一无毛皮肤部分)。这些半同时测量经受串扰，但是利用所提出的换向方法，可以消除这种串扰。通过切换电极与皮肤电导传感器之间的连接，根据固定模式切换电极的极性，使得平均电极电流接近零。
16.测量是半同时的，因为它们不是在同一时刻进行的，而是在短延迟之后彼此跟随。测量之间的延迟应当是短的，并且与被测量的信号的带宽有关，所述带宽显著短于电导信号的信号变化速率。
17.使用适当的变换，可以计算每个电极-皮肤接触的电导或电阻，由此可以导出热因性出汗和心原性出汗对皮肤电导信号的贡献。
18.通常，不存在适用于对象的单个电导值，但是所测量的电导取决于对象本身以及实际测量位置和对象的应激和活动水平。因此，如根据本发明提供的，在不同位置处进行半同时测量允许分离来自应激源和活动源的电导贡献。
19.由心因性应激引起的皮质醇升高可以使用us 10085695中描述的精神平衡方法来计算。发明人已经发现，皮质醇对身体活动的响应显著小于皮质醇对心因性刺激的响应。为了准确地实施已知的精神平衡方法，应当量化对汗腺激活的热因性和心因性贡献两者。本发明实现了这一点，并且因此可以在已知的精神平衡方法中使用以更准确地确定皮质醇对应激原的响应。
20.在实施例中，所述切换装置被配置为在六个切换状态之间切换所述第一电极至所述第三电极与所述皮肤电导传感器的所述正输入端子和所述负输入端子之间的连接，其中在三种切换状态中的每种切换状态下，所述第一电极至所述第三电极中的两个被连接到所述负输入端子，并且所述第一电极至所述第三电极中的第三个被连接到所述正输入端子，并且在其他三种切换状态中的每种切换状态下，所述第一电极至所述第三电极中的两个被连接到所述正输入端子，并且所述第一电极至所述第三电极中的第三个被连接到所述负输入端子。
21.如果使用理想的无偏移电导传感器并且对象的皮肤电导被建模为纯无源电网络，则根据前三种切换状态和后三种切换状态中的测量将预期几乎相同的结果。然而，在小的电导传感器偏移的情况下，预期这些结果的差异，为了抑制偏移影响并改善测量精度，这可以是有用的。此外，利用来自六个切换状态的测量，可以求解例如包括电压源的更复杂的皮肤电导模型。通常，利用n个独立测量，可以求解n个模型参数。要应用补偿的精确公式取决于皮肤电导传感器电子器件设计。
22.在另一实施例中，所述切换装置被配置为在所述至少三种切换状态之后将所述第一电极至所述第三电极与所述皮肤电导传感器的所述正输入端子和所述负输入端子之间的连接切换到无dc切换状态，在所述无dc切换状态下，所述第一电极至所述第三电极都被连接到所述负输入端子或所述正输入端子。此外，对于无dc操作，未使所有电极短接的所有切换状态都应当具有相等的持续时间。以这种方式，可以执行无dc测量，并且可以防止dc电流流入测量对象。此外，如果每个测量周期具有相同的持续时间，则可以进一步保证无dc操作(在平均上)。最简单的测量周期重复在上述三个或六个切换状态下的测量。在特定实施方式中，可能期望具有四次测量的重复周期，使得在三种切换状态之后使用不干扰无dc行为的无dc切换状态。
23.所述切换装置可以包括三个开关，每个开关具有被连接到所述第一电极至所述第三电极中的相应电极的第一端子以及被连接到所述皮肤电导传感器的所述正输入端子和所述负输入端子的两个第二端子。在提供更多灵活性的另一实施例中，所述切换装置可以包括六个开关，其中三个开关均具有连接到所述第一电极至所述第三电极中的相应电极的第一端子和连接到所述皮肤电导传感器的所述正输入端子的第二端子，并且其他三个开关均具有连接到所述第一电极至所述第三电极中的相应电极的第一端子和连接到所述皮肤电导传感器的所述负输入端子的第二端子。
24.在实施例中，所述处理单元被配置为通过评估所测量的皮肤电导信号中的上升沿的高度来确定所述热因性应激响应和/或所述心因性应激响应。特别地，所述处理单元可以被配置为在从非无毛皮肤区域获得的皮肤电导信号中的上升沿的高度比从无毛皮肤区域获得的皮肤电导信号中的上升沿的高度更高的情况下确定皮肤电导的增加是由热源应激引起的，和/或在从无毛皮肤区域获得的皮肤电导信号中的上升沿的高度比从非无毛皮肤区域获得的皮肤电导信号中的上升沿的高度更高的情况下确定皮肤电导的增加是由心因性应激引起的。
25.因此，如果上升沿的高度(同时出现在从无毛皮肤区域和非无毛皮肤区域测量的不同皮肤电导信号中)在从非无毛皮肤区域获得的皮肤电导信号中更高，则这些高度被认为是热因性应激响应，即，如由热应激引起的。因此，与皮肤电导信号的变化速率相比，切换频率应当是快速的。如果切换速度太慢，则可能变得不可能检测到各种切换状态信号中的同时上升沿。如果上升沿的高度(同时出现在从无毛皮肤区域和非无毛皮肤区域测量的不同皮肤电导信号中)在从无毛皮肤区域获得的皮肤电导信号中更高，则这些高度被认为是心因性应激响应，即如由情绪应激引起的。
26.因此，热应激水平的确定仅使用这些上升沿来完成。可以通过识别皮肤电导峰值并且基于所识别的皮肤电导峰值的归一化参数确定用户的心因性应激水平来计算热应激水平。情绪应激水平可以与热应激水平类似地确定。
27.累积应激负荷可以与对皮质醇水平的贡献相关联。例如在us 10085695中描述了根据上升沿高度来计算其的方法，根据该方法，在皮肤电导信号中确定刺激响应，并且根据刺激响应来确定估计的皮质醇水平迹线。然后根据估计的皮质醇水平迹线确定估计的精神平衡或不平衡水平。可以量化与热上升沿相关联的皮质醇生成和与情绪上升沿相关联的皮质醇生成的比率。作为示例性比率，可以使用1/3.6的值。
28.在另一实施例中，所述切换装置可以被配置为以为所测量的皮肤电导信号的所述采样速率的整数分数的切换速率来切换所述连接。
29.取决于信号质量，可能不需要实施全时间电导测量。可以通过使个体测量周期工作来减小测量电流。在这样的实施例中，每个个体测量时段可以紧随有“所有电极短接”周期。电导测量周期的“激活”时段(不是所有电极都短接)应当保持相等，以便保持无dc操作。
30.在一个实施例中，所述第一、二电极和第三电极被集成到单个设备中。因此，电极可以一起都被安装到对象的身体。
31.在另一实施例中，所述第一、二电极和第三电极被配置为被单独地布置在所述对象的身体处。这提供了将电极安装到对象身体处的期望位置的更大灵活性。优选地，所述处理单元然后可以被配置为同步对在所述不同切换状态下测量的所述皮肤电导信号的评估。
32.在有利的实施方式中，所述可穿戴传感器设备还包括被配置为缠绕在所述对象的手腕上的缚带和由所述缚带保持并且容纳所述切换装置、所述皮肤电导传感器和所述处理单元的壳体，其中，当所述可穿戴传感器设备由所述对象穿戴时，所述第一和第二电极被布置在所述壳体的面向所述手腕的手背侧(也称为上侧)的底表面中或处，并且其中，当所述可穿戴传感器设备由所述对象穿戴时，所述第三电极被布置在所述缚带的面向所述手腕的手掌侧的位置中或处。因此，可穿戴传感器设备可以被配置为类似于腕戴式手表或健身设备。
33.在另一实施例中，所述切换装置可以被配置为施加切换状态，所述切换状态单独地或在平均上具有相等的持续时间。例如，激活切换状态(例如，不是所有电极都短接的状态)的(长期平均)持续时间应当相等，以便实现无dc操作。
34.在一个或多个另外的实施例中，温度传感器和/或加速度计可以被提供用于布置到对象的身体以获得另外的信息。温度传感器可以提供与体温调节的发生有关的另外信息。3d加速度计可以提供与身体活动有关的另外信息。因此，这样的实施例可以使用活动或坐在桑拿房中可能引起出汗的普遍知识，以确保在这种情况下测量不会被误解或甚至避免测量。此外，所公开的去卷积方法应当不管活动或环境的专门知识而起作用。另外的信息提供了对人的体温调节阈值的了解。已知的是，当从寒冷气候向炎热气候长时间移动时，体温调节阈值会改变，并且反之亦然。因此，适应的程度可以被监测并且在皮肤电导信号的评估中被考虑。
35.此外，可以提供用户接口(例如，显示器、通信单元等)以将热因性和/或心因性应激响应传达给终端用户或利用应激响应信息的应用或设备。
附图说明
36.本发明的这些和其他方面将参考下文描述的(一个或多个)实施例变得显而易见并将参考下文描述的(一个或多个)实施例得以阐述。在以下附图中：
37.图1示出了图示使用手腕的手背侧处的两个电极测量皮肤电导的示意图；
38.图2示出了皮肤电导信号以图示热因性和心因性贡献；
39.图3示出了根据本发明的可穿戴传感器设备的第一实施例的示意图；
40.图4示出了根据本发明的腕戴式设备形式的可穿戴传感器设备的第二实施例的示意图；
41.图5示出了在根据本发明的可穿戴传感器设备中使用的切换装置的第一实施例的示意图；
42.图6示出了指示各种阻力的手腕的横截面的示意图；
43.图7示出了在六个不同切换状态下测量的六个皮肤电导信号的示意图；
44.图8示出了在根据本发明的可穿戴传感器设备中使用的切换装置的第二实施例的示意图；
45.图9a示出了汗腺的心因性和热因性手掌激活的示意图；
46.图9b示出了汗腺的心因性和热因性手背激活的示意图；
47.图10示出了在手腕的手背侧处和在手腕的手掌侧处测量的皮肤电导信号以及两个皮肤电导信号的复合信号的示意图；
48.图11示出了根据本发明的方法的实施例的流程图；
49.图12示出了皮肤电导峰值或皮肤电导响应的示意图；
50.图13示出了原始皮肤电导迹线信号、经滤波的皮肤电导迹线信号和在其中识别的皮肤电导峰值的示意图；
51.图14示出了从所述皮肤电导信号迹线提取的皮肤电导迹线信号、绝对上升沿高度和归一化上升沿高度的示意图；
52.图15示出了从所述皮肤电导信号迹线提取的皮肤电导迹线信号、绝对上升沿高度和归一化上升沿高度的另外的示意图；
53.图16示出了皮肤电导迹线信号、基于绝对上升沿高度确定的应激水平和基于从所述皮肤电导信号迹线提取的归一化上升沿高度确定的应激水平的示意图；
54.图17示出了皮肤电导迹线信号和绝对上升沿高度的正一阶导数或陡度的示意图；并且
55.图18示出了皮肤电导迹线信号和对数变换的皮肤电导的正一阶导数的图。
具体实施方式
56.图1示出了图示使用被布置为接触皮肤3(例如手腕的手掌侧或手背侧)的两个电极1、2测量皮肤电导的示意图。还示出了在电极1、2之间通过皮肤的导电路径4。汗液层5可以形成在电极1、2与皮肤3之间。
57.可以确定例如在手的手掌(掌中)和手背(上)侧的多毛(非无毛)和非多毛(无毛)皮肤的热因性和心因性出汗的比率。然而，需要更好的比率：热因性出汗在手腕外部的皮肤的多毛部分上比心因性出汗占主导地位，其中可穿戴传感器设备可以被穿戴在手腕外部的皮肤的多毛部分上。在图2中图示了该效果，其示出了典型的皮肤电导信号100(利用具有接触手腕的手背侧的两个电极的设备测量)，以图示热因性贡献t1和心因性贡献p1、p2。如图所示，由活动引起的热因性出汗主导皮肤电导测量。
58.更详细地，从约13：50h至17：10h的第一时段p1(心因性出汗的第一时段)表示心因性出汗的时间，其中用户处于温度受控的环境中并且专注于精神任务但不从事身体活动。在该时段p1期间的出汗可归因于心因性出汗。从约17：10h至17：30h的第二时段t1(热因性出汗的第一时段)表示通过热因性出汗的时段，其中用户进行大量身体活动(在17：27h骑自行车以赶上火车)。在该时段p2期间的出汗可归因于心因性出汗。第三时间段p2(心因性出汗的第二时段)再次表示在没有身体活动的情况下的温度受控环境中的时间。在该时间段内的皮肤电导响应可以再次归因于心因性出汗。
59.为了确定用户的心因性应激水平，可以通过以下方式来处理皮肤电导信号：识别皮肤电导信号中的多个皮肤电导峰值；针对所述皮肤电导峰值中的每个皮肤电导峰值，确定所述皮肤电导峰值的归一化参数，所述归一化参数基于相应皮肤电导峰值的皮肤电导值(即，基础水平)来归一化；并且基于所述皮肤电导峰值的所述归一化参数来确定所述用户的心因性应激水平。该方法不受皮肤电导水平变化的影响，诸如由身体活动或气候诱发的热因性出汗引起的皮肤电导水平变化。由于其是不受影响的，因此在比较上升沿高度之前的归一化可以减少或甚至使无毛位置和非无毛位置之间的差异无效。本发明可以建立在该概念上，并且提供量化和分离对汗腺活动的两种贡献的能力。
60.图3示出了根据本发明的可穿戴传感器设备10的第一实施例的示意图。它包括被配置为接触对象的第一非无毛皮肤部分的第一电极11、被配置为接触对象的第二非无毛皮肤部分的第二电极12、以及被配置为接触对象的无毛皮肤部分的第三电极13。这里的三个电极可以集成到公共设备中。备选地，它们可以是可以单独安装在对象身体上的单独元件。
61.皮肤电导传感器14在正输入端子141与负输入端子142之间提供电压信号v，并且在输出端子143处测量皮肤电导信号。这样的皮肤电导传感器通常是已知的。它可以包括用于在端子141、142之间施加电压的电压生成器、用于感测端子之间的电流的感测单元和/或用于基于感测到的电流来计算皮肤电导的计算单元。随时间测量的皮肤电导形成皮肤电导时间信号(也称为皮肤电导迹线)。皮肤电导信号(或数据)可以例如被存储在可穿戴传感器设备10的存储器中，或可以(无线地或通过导线或信号线)被传输到外部单元。
62.提供了切换装置15，切换装置15在至少三种切换状态之间切换第一至第三电极11、12、13与皮肤电导传感器14的正输入端子141和负输入端子142之间的连接。在每种切换状态下，第一至第三电极11、12、13中的两个被连接到负输入端子142，并且第一至第三电极11、12、13中的第三个被连接到正输入端子141。替代地，在每种切换状态下，第一至第三电极11、12、13中的两个被连接到正输入端子141，并且第一至第三电极11、12、13中的第三个被连接到负输入端子141。因此，通过电极的电流的极性被规律地反转。切换装置可以由模拟或数字开关电路实现。下面将解释实施例。
63.处理单元16根据在至少三种切换状态期间测量的皮肤电导信号来确定热因性和/或心因性应激响应。下面将解释实施例的细节。处理单元可以例如通过计算机、处理器或在计算机或处理器上运行的应用程序以硬件和/或软件来实现。
64.图4示出了根据本发明的腕戴式设备形式的可穿戴传感器设备20的第二实施例的示意图。可穿戴皮肤电导传感器20被适配有两个皮肤接触电极21、22(表示第一电极和第二电极)，其被布置在设备20的壳体24(或外壳)的表面处，使得它们面向手腕的手背(上)侧。任选地，可以在电极21、22之间提供圆形区域，其可以例如用于放置另一传感器，诸如光电
体积描记器心率传感器。额外的皮肤接触电极23(表示第三电极13)在使得能够接触手腕的手掌侧(下侧)处的皮肤的位置处被嵌入到缚带25中。
65.已知手腕周长在人之间显著不同，使得提供一种手段来将该额外的皮肤接触电极23移动到适当的(下侧的中间)位置或例如在两侧处将缚带可变地附接到壳体24是至关重要的。
66.通过可穿戴传感器设备使用短接的三个电极11-13(图3)或21-23(图4)中的两个来测量皮肤电导。第三电极13和23可以分别相对于其他两个电极11、12和21、22处于0.5v(正或负)。图5示出了切换装置30的第一实施例的示意图，切换装置30可以用作根据本发明的可穿戴传感器设备中的切换装置15(如图3所示)。在该实施例中，切换装置30包括三个开关31、32、33，每个开关具有第一端子31a、32a、33a和两个第二端子31b、31c、32b、32c、33b、33c，第一端子31a、32a、33a被连接到第一至第三电极11、12、13中的相应电极，两个第二端子31b、31c、32b、32c、33b、33c被连接到皮肤电导传感器14的正输入端子141和负输入端子142，电压v被施加在皮肤电导传感器14的正输入端子141和负输入端子142之间。安装有电极的身体部分(例如手腕)的电阻被指示为电阻r1、r2、r3。
67.可以针对开关31、32、33使用spdt(单刀双掷)开关。开关31、32、33可以例如由微控制器或处理器16(图5中未示出)独立地控制。切换时间优选地与皮肤电导信号17的采样同步。
68.在实施例中，可以另外使用第四切换状态，其中，所有电极都短接。表1示出了三个电极11-13的八个切换状态a-h。
69.切换状态电极11电极12电极13a
‑‑
b- -c
‑‑
d- e - f -g h
‑‑‑
70.表1
71.在实施方式中，可以在换向器切换速率、个体电导测量ra、rb和rc的采样速率以及三个生物物理电导值r1、r2和r3的报告速率之间进行区分。通常，最佳的是，使电导采样速率等于换向切换速率。为了估计一个或多个生物物理电导值，应当进行至少三次个体电导测量。在实现方式中，r1、r2和r3的采样速率实际上变为ra、rb和rc的采样速率的大约三分之一。因此，与皮肤电导信号的变化速率相比，切换频率应当是快速的。如果切换速度太慢，则会变得不可能检测到各种切换状态信号中的同时上升沿。在将另外的伪状态插入到换向序列中的情况下，则r1、r2和r3的有效采样速率变为ra、rb和rc的有效采样速率的大约四分之一。
72.图6示出了指示各种电阻r1、r2和r3的手腕的横截面的示意图。三个电极11、12、13都接触手腕的皮肤。在各种切换状态期间测量的皮肤电导与三个皮肤电阻r1、r2和r3相关。
关于这些电阻，手腕的内部可以被认为是高度导电的介质，这是生物计量学领域的技术人员已知的。因此，三个皮肤电阻r1、r2和r3可以被认为在手腕的中间链接，如图6所示。在本发明的情况下，两个电极也在手腕的手背侧被连接到彼此，并且因此可以被认为是并联电阻器。
73.在表1的前三种切换状态a-c中测量的电阻与三个皮肤电阻关联如下：
74.切换状态a：ra＝r1 (r2||r3)
75.切换状态b：rb＝r2 (r3||r1)
76.切换状态c：rc＝r3 (r1||r2)
77.为了完整起见，切换状态d-f具有类似的关系：
78.切换状态d：rd＝r1 (r2||r3)
79.切换状态e：re＝r2 (r3||r1)
80.切换状态f：rf＝r3 (r1||r2)
81.使用变换，皮肤电阻r1、r2和r3可以根据ra、rb和rc计算如下：
82.r1＝-(2*ra*rb*rc*(ra*rb ra*rc-rb*rc))/(ra2*rb
2-2*ra2*rb*rc ra2*rc
2-2ra*rb2*rc-2*ra*rb*rc2 rb2*rc2)
83.r2＝-(2*rb*rc*ra*(rb*rc rb*ra-rc*ra))/(rb2*rc
2-2*rb2*rc*ra rb2*ra
2-2rb*rc2*ra-2*rb*rc*ra2 rc2*ra2)
84.r3＝-(2*rc*ra*rb*(rc*ra rc*rb-ra*rb))/(rc2*ra
2-2*rc2*ra*rb rc2*rb
2-2rc*ra2*rb-2*rc*ra*rb2 ra2*rb2)
[0085][0086][0087][0088]
其中，r1、r2、r3表示从电极到手腕的电中心的皮肤电阻，ra、rb、rc表示电极11与短接的电极12和13之间测量的电阻(ra)、电极12与短接的电极13和11之间测量的电阻(rb)以及电极13与短接的电极11和12之间测量的电阻(rc)。
[0089]
替代的，可以针对电导写出类似的公式：
[0090][0091][0092][0093]
其中，g1＝1/r1，g2＝1/r2，并且g3＝1/r3，并且ga＝1/ra，gb＝1/rb，并且gc＝1/rc。
[0094]
在切换状态a、b和c(每种切换状态具有相同的“激活”时段)之间转换导致通过所有三个电极的长期平均零电流。对于切换状态d、e和f也是如此。由于电阻器对电压极性不敏感，因此对于ra、rb和rc将测量到与rd、re和rf相同的值。
[0095]
混合来自两个组的状态是允许的，但是对于平均零电流，应当完全使用两个组。一组或两组的不完全使用可能导致通过电极销的非零平均电流。
[0096]
切换状态g和h不可用于测量皮肤电导值。它们将所有电极短接在一起，导致流过电极的零电流。这些切换状态作为“无操作”仍然是有用的，以允许任何长度的切换序列。
[0097]
切换状态的示例序列是：
[0098]
ok：重复{a b c a b c f d e c a b}
[0099]
ok：重复{a b c g}
[0100]
ok：重复{a g b g c h}
[0101]
ok：重复{d e f}
[0102]
不期望：重复{a b c a b c f d e c e b}
[0103]
不期望：重复{a b c c}
[0104]
图5中所示的切换装置示出了具有从外手腕到手腕中心的三个电阻器的简单电路图。该电路模型忽略了由于静电荷(毛发、运动)、电化学活动和/或由神经活动诱发的电压而可能在真实生活情况下出现的任何电压源。这些电压源可以被添加到图5的电路图。在这种情况下，每一个电阻器r1、r2和r3获得串联电压源e1、e2和e3。如果使用六种切换状态a-f，并且利用六个测量电阻值ra、rb、rc、rd、re和rf作为输入来应用适当的变换，则可以唯一地求解这六个未知数(三个电压和三个电阻)。
[0105]
图7示出了在依次使用的六种不同的切换状态a-f下测量的六个皮肤电导信号40-45的示意图。三种切换状态
‑‑
、- -和
‑‑
与其反向状态 -、 - 和- 的比较显示出一致的小的(例如大约10％)幅值差异。这些可归因于静电荷(毛发、运动)、电化学活动和/或由神经活动诱发的电压。
[0106]
根据本发明使用两个缩短的电极，以保证以最短的切换顺序通过皮肤的平均零电流。图8示出了切换装置50的第二实施例的示意图，切换装置50可以用作根据本发明的可穿戴传感器设备中的切换装置15(如图3所示)。切换装置50包括六个开关51-56，其中，三个开关51-53均具有连接到第一至第三电极11-13中的相应电极的第一端子51a-53a和连接到皮肤电导传感器14的正输入端子141的第二端子51b-53b，并且其他三个开关54-56均具有连接到第一至第三电极11-13中的相应电极的第一端子54a-56a和连接到皮肤电导传感器14的负输入端子142的第二端子54b-56b。
[0107]
切换装置50允许64个不同的开关位置，其中14个开关位置是有意义的。这14个切换状态模仿状态a-h加上六个另外的切换状态，所述六个另外的切换状态模仿电极对之间的常规的基于dc的皮肤电导测量或换向测量。在开关51和55闭合的情况下，测量到rx＝r4 r5。在开关51和56闭合的情况下，测量到ry＝r4 r6。在开关52和56闭合的情况下，测量rz＝r5 r6。
[0108]
在这种情况下，“单端皮肤电阻”可以通过另一变换来估计：
[0109]
r4＝1/2*(rx
–
ry rz)
[0110]
数学运算是简单的，但是没有对流过电极的电流的控制。在没有短接电极的情况
下，可以通过传统换向或通过表1中的状态的模拟来保证零平均电流。例如，在开关51和55闭合的情况下的每次测量之后，如下的第二测量是优选的，其中，可以利用开关52和54闭合来实现的反向电流。
[0111]
对于3电极测量，使用六个切换状态的序列来保证零电流。在使用短接电极的情况下，开关序列的长度可以减少到三种切换状态。这导致皮肤电导信号的更高采样速率。
[0112]
在c.a.machado-moreira、n.a.s.taylor的thermogenic and psychogenic recruitment of human eccrine sweat glands：variations between glabrous and non-glabrous skin surfaces(journal of thermal biology 65(2017),p.145-152)中，针对手的多毛(非无毛)和非多毛(无毛)皮肤确定热因性和心因性汗腺激活。对于两种皮肤类型，当存在热因性刺激和心原性刺激两者时，每平方厘米激活的汗腺的数量为约200。更准确地说，在手的手掌(掌中)侧和手背(上)侧测量比率。在手腕处，手背侧通常是多毛的，并且手掌侧不是多毛的或至少显著更不多毛的。对于心因性刺激，每平方厘米激活的汗腺的数量对于两种热状况来说大致相同：手掌侧80个，而手背侧8个。对于热因性刺激，与手背侧(180)相比，每平方厘米的激活的汗腺的数量在手掌侧(50)小得多。每个激活的汗腺都降低电导路径的电阻，并且因此增加电导。这在图9a和图9b中进行图示，图9a示出了汗腺的心因性和热因性手掌激活的示意图，图9b示出了汗腺的心因性和热因性手背激活的示意图，两者均在7至10名参与者中进行平均。
[0113]
考虑到上述信息，可以预期在手腕的多毛手背侧和少得多的多毛手掌侧不同的皮肤电导。在与图2的测量中类似的状况下使用根据本发明的可穿戴传感器设备，确实观察到如图10中所示的差异，图10描绘了在手腕的手背侧(信号60)和在手腕的手掌侧(61)测量的皮肤电导信号60-62以及两个皮肤电导信号的复合(信号62)的示意图。利用被配置为在两种配置之间以80hz切换三个电极11-13的电极极性的设备来测量皮肤电导：对于测量信号60，两个手背电极11、12具有相反的极性，并且对于测量信号61，两个手背电极11、12具有同样的极性。测量信号62是可视化测量信号60和61之间的差异的测量信号60和61的复合。因此，复合可以例如是信号60-c*信号61。该复合在一个曲线图中示出了所有数据，在切换状态之间呈锯齿形。图10所示的两个切换状态对应于表1中列出的切换状态b和f。
[0114]
可以预期可以归因于心因性汗腺响应的皮肤电导增加，在示例性实施方式中，在手腕的手掌侧与手背侧相比大了多达大约10倍。大约10的比率被认为是可获得的最大值。
[0115]
可以预期可以归因于热因性汗腺响应的皮肤电导增加，在示例性实施方式中，在手腕的手掌侧与手背侧相比小了多达约3.6倍。大约3.6的比率被认为是可获得的最大值。应当注意，该比率是基于手而不是手腕上的测量的近似值。对于手腕处的测量可以看到类似的差异，但是人之间可能存在差异，并且比率通常倾向于更小。
[0116]
将这些比率作为指示器，可以分离(或去卷积)由电阻r1、r2和r3的倒数表示的对皮肤电导的热因性贡献和心因性贡献(如图5和图6所示)。
[0117]
在一个实现方式中，一旦已知具有短接的非无毛电极的(一个或多个)切换状态和具有不同极性的非无毛电极的(一个或多个)切换状态的上升沿参数，就将同时的上升沿相对于其高度(以微西门子为单位，因此在归一化之前)进行比较。当同时的上升沿高度对于具有非无毛电极(手腕的上侧)的不同极性的切换状态的迹线更高时，它们可以归因于热应激。热应激水平的确定可以仅使用这些上升沿来完成。相反，上升沿的分配是到心因性应
激。在将上升沿分离成两种应激类型之后，可以执行诸如归一化的进一步处理。
[0118]
换言之，可以通过评估所测量的皮肤电导信号中的上升沿的高度来确定热因性应激响应和/或心因性应激响应，如下面更详细地描述的。如果从非无毛皮肤区域获得的皮肤电导信号中的上升沿的高度比从无毛皮肤区域获得的皮肤电导信号中的上升沿的高度更高，则认为皮肤电导的增加是由热因性应激引起的。如果上升沿的高度在从无毛皮肤区域获得的皮肤电导信号中比在从非无毛皮肤区域获得的皮肤电导信号中更高，则认为皮肤电导的增加是由心因性应激引起的。
[0119]
因此，热应激水平的确定可以仅使用这些上升沿来完成。可以通过识别皮肤电导峰值并且基于所识别的皮肤电导峰值的归一化参数确定用户的心因性应激水平来计算热应激水平。情绪应激水平可以与热应激水平类似地确定。
[0120]
图11示出了根据本发明的方法的实施例的流程图。在第一步骤s10中，在皮肤电导传感器的正输入端子与负输入端子之间提供电压信号。在第二步骤s11中，在皮肤电导传感器的输出端子处测量皮肤电导信号。在第三步骤s12中，第一至第三电极与皮肤电导传感器的正输入端子和负输入端子之间的连接在至少三种切换状态之间切换，如上面所解释的。在第四步骤s13中，根据在至少三种切换状态期间测量到的皮肤电导信号来确定热因性和/或心因性应激响应，即，在执行步骤s13之前，步骤s10-s12被执行至少三次(以不同的切换状态)。
[0121]
图12示出了个体皮肤电导响应或皮肤电导峰值150。图12中的曲线可以被视为图2中的皮肤电导信号迹线100的(极度)放大部分。水平轴再次表示时间t，而竖直轴表示以[ns]为单位的皮肤电导。图12中的曲线图跨越约15秒，并且图2中的曲线图跨越约8小时。如本文所使用的，皮肤电导峰值150不是仅指代最大点，而是指代相应皮肤电导响应信号100的一部分。心因性刺激可以在由151表示的时刻发生。响应于所述刺激，皮肤电导以略微的延迟在由152表示的开始处开始增加，直到皮肤电导峰值150在153处达到其最大值。例如，对于手腕，延迟可以是约1秒，而对于脚踝，延迟可以是约2秒。这可以归因于沿着交感神经的信号速度。在开始152处的皮肤电导水平与在最大值153或峰值处的皮肤电导水平之间的差异154提供皮肤电导峰值或皮肤电导响应幅值(scr
幅值
)。
[0122]
图13图示了在信号处理的不同阶段期间的信号。曲线图中的水平轴表示时间，而竖直轴表示幅值。如图13中的上曲线图所示，皮肤电导信号迹线100可以由设备以40hz与160hz之间的采样频率测量。如图13中的中间曲线图所示，该原始信号可以任选地被低通滤波以产生具有例如10hz的采样速率的平滑下采样信号100'。随后，可以在皮肤电导信号迹线中识别多个皮肤电导峰值150。例如，可以通过(任选地经滤波的或经预处理的)皮肤电导信号100的一阶导数的过零点来检测经滤波的信号中的上升沿。
[0123]
作为任选的进一步处理步骤，可以应用另外的处理和过滤步骤。例如，可以消除短毛刺。在给定的示例中，仅具有长于0.8秒且短于3.0秒的持续时间的上升沿归因于皮肤电导响应(scr)。此外，优选的是对每个上升沿进行计数，甚至是那些持续时间长于3秒的上升沿或仅持续时间长于预定值(例如长于0.8秒)的上升沿。已经发现，当存在强烈情绪时，皮肤电导水平可能上升得太快，以至于没有观察到一阶导数的过零点或仅观察到太少的一阶导数的过零点(例如，仅上升沿中的波纹)。不考虑这一点可能导致错过强烈的情绪。任选地，处理设备因此可以被配置为基于皮肤电导信号迹线(的一阶导数)的上升沿中的波纹来
确定强情绪响应。应当注意，皮肤电导响应或皮肤电导峰值能够使用如例如在前述标准教科书中所描述的已知技术来识别。在本发明的背景下，表述“应激响应”用于一般处理，并且当在它们之间进行区分时，使用表述“热因性应激响应”或“心因性应激响应”。
[0124]
然而，与通常接受的程序相比，发明人已经认识到，通过针对所述皮肤电导峰值中的每个皮肤电导峰值确定基于相应皮肤电导峰值的皮肤电导值归一化的所述皮肤电导峰值的归一化参数，可以减少热因性出汗的影响，从而提供对心因性出汗的更准确量化，其可以用于获得准确的皮质醇响应。例如，归一化的相对皮肤电导峰值幅值(也被称为归一化的皮肤电导响应幅值)可以通过下式来确定：
[0125][0126]
其中，峰值(水平)值指示在所述皮肤电导峰值的峰值(参见图12中的153)处的皮肤电导水平，并且其中开始(水平)值指示在皮肤电导峰值的开始(参见图12中的152)处的皮肤电导水平。
[0127]
在图13中的下曲线图中示出了该计算的结果，其中，归一化的皮肤电导响应幅值(作为所述皮肤电导峰值的示例性归一化参数，基于相应皮肤电导峰值的皮肤电导值进行归一化)由附图标记150表示。
[0128]
皮肤电导峰值的归一化参数(scr
归一化幅值
)可以是表示相应皮肤电导响应的归一化高度的无量纲数。更一般而言，确定归一化参数可以包括基于在相应皮肤电导峰值处的皮肤电导信号迹线的第二值(例如，开始水平值)来对在相应皮肤电导峰值处的皮肤电导信号迹线的第一值(例如，峰值水平值)进行缩放。应当注意，所提出的方法不同于通常在从皮肤电导迹线提取有意义数据的实践中使用的方法。在前述心理生理学标准教科书技术中，用于获得scr幅值的标准方法提供了绝对幅值，其通过下式来确定：
[0129]
scr
绝对幅值
＝峰值水平值-开始水平值
[0130]
其中，峰值(水平)值指示在所述皮肤电导峰值的峰值(参见图12中的153)处的皮肤电导水平，并且其中开始(水平)值指示在所述皮肤电导峰值的开始(参见图12中的152)处的皮肤电导水平。换言之，与本文提出的解决方案相比，用于测量皮肤电导响应的幅值的标准方法仅采用顶部处的皮肤电导水平并且扣除开始处的皮肤电导水平，因此产生具有与皮肤电导相同维度的数值(通常微西门子)。该(常规)幅值可以被称为绝对皮肤电导响应幅值或scr
绝对幅值
。
[0131]
在图14中，顶部曲线图图示出了利用philips discreet tension indicator dti-5采集的覆盖3.5小时的时间范围的皮肤电导信号迹线100。水平轴表示时间。竖直轴表示以ns(纳西门子)为单位的皮肤电导。皮肤电导100的水平在该时间范围内逐渐上升。图14中的中间曲线图表示针对多个皮肤电导峰值中的每个皮肤电导峰值的非归一化scr
绝对幅值
156，并且底部曲线图表示针对从皮肤电导迹线100提取的多个皮肤电导峰值中的每个皮肤电导峰值的归一化scr
归一化幅值
158。scr
绝对幅值
156与皮肤电导的平均水平相关，而scr
归一化幅值
158未示出这种相关性。尽管如此，即使通过所提出的峰到峰归一化，也减少了信息内容，但是已经发现所提出的归一化可以消除或至少减少来自从皮肤电导数据提取(心因性)应激水平的热因性影响。
[0132]
在图15中，针对包含热因性出汗影响的皮肤电导迹线100示出了该方法，所述热因
性出汗影响可以归因于在时间范围t1内快速骑自行车以赶上火车，如图15中的上曲线图所示。图15中的中间曲线图再次表示针对多个皮肤电导峰值中的每个皮肤电导峰值的非归一化scr
绝对幅值
156，并且底部曲线图表示针对从皮肤电导迹线100提取的多个皮肤电导峰值中的每个皮肤电导峰值的归一化scr
归一化幅值
158。可以清楚地看出，根据本文提出的解决方案，由骑自行车活动引起的非归一化scr
绝对幅值
156增加对归一化scr
归一化幅值
158具有可忽略的影响。因此，可以消除或至少减少由于热因性出汗引起的皮肤电导响应幅值的量化的皮肤电导水平变化的影响。
[0133]
从图15中的中间和底部曲线图，也变得清楚的是，在骑自行车之前和之后的两个时间段内，scr
归一化幅值
峰值的高度是相当的，真实地反映了其应激水平也是相当的。因此，scr
归一化幅值
度量可以确保心因性峰值被给予相等的权重，而不管潜在的皮肤电导水平如何，其可能由于热因性出汗而极大地增加，特别是在手腕的外部。
[0134]
可以使用已知技术来执行归一化的皮肤电导幅值值到应激水平的转换。例如，可以评估每个预定时间间隔的(归一化的)上升沿幅值的总和。基于(归一化的)上升沿幅值的所述总和的直方图，可以确定不同的应激水平，并且因此将用户分类或归类到对应的应激水平。在给定的非限制性示例中，提供了五个不同的应激水平，如图16所示。
[0135]
在图16中，顶部曲线图示出了图15中的顶部曲线图的皮肤电导信号迹线100的一部分。该曲线图再次包括身体活动(这里是快速骑自行车以赶上火车)的时间范围t1。图16中的中间曲线图示出了基于常规的非归一化上升沿幅值的总和确定的用户的应激水平166(参见图15，中间曲线图)。另一方面，图8中的底部曲线图示出了基于归一化上升沿幅值的总和确定的用户的应激水平168(参见图15，底部曲线图)。从图16中的中间和底部曲线图的比较可以看出，在从17:20h开始的身体活动期间存在的热因性出汗的影响。应当注意，当骑自行车到火车站时精神应激的减少也准确地反映了在测量期间用户的感知精神应激水平。
[0136]
再次参考图15，发明人已经认识到，除了评估如在图15的底部曲线图中所表示的所述皮肤电导峰值的归一化参数之外，处理单元还可以被配置为评估非归一化参数与归一化参数之间的差异。例如，可以评估针对从皮肤电导迹线100提取的多个皮肤电导峰值中的每个皮肤电导峰值的非归一化的scr
归一化幅值
156与针对多个皮肤电导峰值中的每个皮肤电导峰值的归一化的scr
归一化幅值
158之间的差异。由于非归一化的scr
绝对幅值
156包括由于热因性出汗和心因性出汗引起的贡献，并且作为一阶近似的归一化的scr
归一化幅值
158反映了由于(仅)心因性出汗引起的贡献，因此两者之间的差异可以产生(仅)热因性出汗的影响。这本身可以是有价值的信息，例如，在教练想要知道运动员的心因性应激水平(这消耗了要不然可用于运动表现的能量)的顶级运动中。
[0137]
图17和18示出了关于处理皮肤电导数据以便确定归一化参数的又一实施例的曲线图。图17示出了皮肤电导迹线信号(sc)100(以[ps]或皮西门子为单位)和绝对上升沿高度(以[ps/s]为单位)的正一阶导数或陡度曲线191的示意图。在图17中，曲线191表示绝对上升沿高度的陡度(以[ps/s]为单位)，其可以通过下式来计算：
[0138]
陡度
绝对
＝sc
i 1-sci[0139]
其中，sci是点i处的样本值，并且sc
i 1
是点i 1处的样本值。在对数标度上，这可以重写为：
[0140]
陡度
绝对，log
＝(10log(sc
i 1-sci))
·f[0141]
图17所示的曲线191示出了最后30个样本的移动平均值。在给定示例中，零和负陡度值已被丢弃。尽管如此，从图17可以看出，物理唤醒(这里是跑步或骑自行车以赶上火车)的时间间隔t1示出对曲线191的强烈贡献。任选地，可以识别多个皮肤电导峰值中的每个皮肤电导峰值的最大上升沿斜率。因此，通过仅查看每个峰值的上升沿斜率的最大值，可以减少要存储的数据量。术语陡度和斜率可以可互换地使用。
[0142]
图18示出了皮肤电导迹线信号100(以[ps]或皮西门子为单位)和对数变换的皮肤电导192的正一阶导数(以[log10(ps)/s]为单位)的示意图，如下面将描述的。已经发现，与可以通过使用针对上升沿的陡度的度量来移除对皮肤电导数据100的热因性贡献。可以通过获取皮肤电导测量i和测量i 1的对数值的差来计算陡度。任选地，该值可以与采样相乘：
[0143]
陡度
归一化，log
＝(10log(sci)-10log(sc
i 1
))
·f[0144]
其中，sci表示样本i处的皮肤电导信号迹线的样本值；sc
i 1
表示在后续样本i 1处的皮肤电导信号迹线的样本值；并且f表示采样频率。采样频率在上述公式中是可选的。因此，在转换为对数标度(例如以10log(sc))之后的皮肤电导(sc)信号100的(正)一阶导数可以用作唤醒的估计量。已经发现，这种估计对于以下影响中的一个或多个会是更不敏感的：热因性加热、在登山之后建立微气候、或剧烈的体力劳动或锻炼。对于这样的对数计算，所有负值可以被设置为零，仅留下皮肤电导迹线的上升沿。如果不使用对数，则热因性影响在陡度曲线191中清晰可见，如图17所示。通过根据上面所示的公式计算陡度(即，通过获取对数的差)，热因性影响在陡度曲线192中不再可见，如图18所示。代替陡度，它也可以被称为一阶时间导数。任选地，多个相应皮肤电导峰值中的每个皮肤电导峰值的归一化的最大上升沿斜率可以被识别并用于进一步处理。
[0145]
应当注意，所提出的计算可以再次被认为是获得所述皮肤电导峰值的归一化参数，所述归一化参数基于相应皮肤电导峰值的皮肤电导值来进行归一化。上述公式也可以重写为：
[0146][0147]
应当理解，在上述等式中，样本sc
i 1
可以用sc
i-1
来代替，并且反之亦然。
[0148]
总之，本发明提供了在非无毛(多毛)皮肤位置和热因性出汗的影响更小的无毛皮肤位置处的应激响应测量。本发明可以应用于基于体温调节的测量的车辆或房间中的气候控制，并且可以用作基于体温调节的测量的服装建议。
[0149]
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
[0150]
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
[0151]
计算机程序可以被存储/分布在合适的非瞬态介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如
经由互联网或其他有线或无线的电信系统。
[0152]
权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。