Implementare il GSR (Galvanic Skin Response) a microcontrollore nei dispositivi indossabili

La risposta galvanica della pelle (GSR) è definita come un cambiamento delle proprietà elettriche in seguito ad eventi quali lo stress o sudorazione da esercizi fisici. Le misurazione GSR rilevano l’impedenza della pelle umana e la temperatura corporea in situazioni diverse e possono essere utilizzate nel trattamento medico, benessere e nella rivelazione del falso (macchina della verità). GSR è anche conosciuto come EDA (Electrodermal Activity) che è la proprietà del corpo umano che provoca una variazione continua delle caratteristiche elettriche della pelle.  Un sistema di questo tipo può essere implementato con un sistema mobile, al fine di provvedere al monitoring in real time delle condizioni di salute attraverso l’interfaccia bluetooth a basso consumo energetico (BLE). In questo articolo analizzeremo un design con il microcontrollore MAX32600 della Maxim evidenziando i suoi utilizzi in vari campi applicativi.

1.    Introduzione

La risposta galvanica della pelle (GSR) è una variazione in termini di energia cinetica trasmessa dai nervi e dal sudore della pelle, definita come una delle diverse risposte elettrodermiche (EDR) relative a cambiamenti nelle proprietà elettriche della pelle di una persona, causati da un'interazione tra gli eventi ambientali e dallo stato psicologico dell'individuo. La pelle umana è un buon conduttore di elettricità e quando una debole corrente elettrica viene erogata alla pelle,  possono essere misurati cambiamenti nella conduzione. La variabile che si misura è la resistenza della pelle o il suo reciproco, la conduttanza cutanea. Secondo la legge di Ohm, la resistenza della pelle (R) è uguale alla tensione (V) applicata tra due elettrodi sulla pelle divisa per la corrente che la attraversa (I). La legge può essere espressa come R = V / I. 
Un amplificatore GSR applica una tensione costante sulla pelle attraverso dei mini-elettrodi. La tensione è così piccola che non può essere percepita. La corrente che fluisce attraverso la pelle può essere rilevata e visualizzata per mezzo di eventuali display. Poiché la tensione costante applicata alla pelle è nota e il flusso di corrente può essere misurato, la conduttanza della pelle, espressa in microSiemens (μS), può essere determinata dalla legge di ohm. La conduttanza è caratterizzata da due tipi: tonica e fasica. La conduttanza cutanea tonica è il livello di base in assenza di qualsiasi particolare evento ambientale, ed è generalmente indicato come Skin Conductance Level (SCL). La conduttanza cutanea fasica, invece, cambia in funzione degli eventi. Eventuali stimoli discreti ambientali (suoni, odori, ecc) evocheranno cambiamenti connessi alla conduttanza cutanea. Questi sono generalmente indicati come risposte di conduttanza cutanea (SCR). Le variazioni di SCR possono durare circa 10-20 secondi e sono spesso denominate GSR.
La frequenza tipica di GSR spontanei è compreso tra uno e tre per minuto. Alcune persone sono molto reattive con notevole generazione spontanea di GSR, mentre altri hanno un livello tonico relativamente costante di conduttanza cutanea, senza segnali GSR spontanei. 
I parametri che possono essere definiti per la misura sono: l'ampiezza, in microSiemens (μS), e la latenza.
 L'ampiezza di un evento GSR è la differenza tra il livello di conduttanza della pelle al momento della risposta, e quella al picco della risposta stessa. La latenza è il tempo che intercorre tra lo stimolo e l'inizio del GSR; valori di latenza dovrebbe essere di circa tre secondi o meno. Un altro parametro è il tempo di salita, ovvero il tempo tra l'inizio dell’evento GSR e il picco della risposta; valori tipici per il tempo di salita sono da uno a tre secondi.

2. Il Sistema elettrodermico

La pelle è essenzialmente formata da tre strati (epidermide, derma, subdermis) che aiutano nella manutenzione del bilancio idrico e nella regolazione della temperatura del corpo. Queste funzioni sono svolte da vasi sanguigni e ghiandole sudoripare eccrine. I vasi sanguigni si restringono e si dilatano per fornire il flusso di sangue sulla superficie del corpo per la conservazione o rilascio di calore. Le ghiandole eccrine raffreddano il corpo depositando umidità sulla superficie della pelle attraverso dei condotti. Le ghiandole, che si trovano nelle subdermis su gran parte del corpo, sono circa dieci volte più dense sulla superficie palmare delle mani e delle piante dei piedi. Il modello più ampiamente accettato di conduttanza cutanea è quello proposto da Edelberg nel 1972.  
Nel modello di Edelberg, i condotti di sudore si comportano come resistenze variabili; la loro resistenza diminuisce (aumenta conduttanza) in quanto si riempiono di sudore. L'ampiezza della variazione della conduttanza dipende dalla quantità di sudore consegnata ai condotti e dal numero di ghiandole sudoripare che sono state attivate. L’attivazione della ghiandola di sudore è un semplice meccanismo di sopravvivenza fisiologica che è di interesse per la psicologia perché è una risposta neurale. Questa attivazione è controllata dal cervello attraverso la divisione simpatica del sistema nervoso autonomo.

3.    Il design

L’elemento principale è il microcontrollore MAX32600 che integra le periferiche front-end analogiche per le misure di impedenza, in particolare un ADC a 16 bit con un MUX in ingresso e quattro DAC da 12 bit e 8 bit. La figura 1 visualizza un esempio di schema a blocchi per l’implementazione di un rivelatore GSR a basso costo, flessibile per lo sviluppo di dispositivi indossabili. Lo schema a blocchi di misura dell’impedenza è riportato in figura 2.

MAXREFDES73Fig01

Figura 1: Schema a blocchi per l'implementazione di un rivelatore GSR

MAXREFDES73Fig02

Figura 2: Misura dell'Impedenza

La zona di misura interessata (la pelle del polso) è l’input della impedenza di un amplificatore invertente opportunamente designato con gli operazionali disponibili nel microcontrollore. Un segnale sinusoidale stimola la risposta dell'impedenza [...]

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2 Commenti

  1. Emanuele Bonanni Emanuele 11 novembre 2015
  2. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 11 novembre 2015

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