無線可穿戴生理測量系統(tǒng)及其在兒童情感實驗中的應(yīng)用研究.pdf

1、情緒研究是目前國際學(xué)術(shù)界最為熱門的科研題目之一。其中，電生理信息由于其在表達(dá)人們情緒狀態(tài)的連續(xù)性、忠實性和非侵犯性上體現(xiàn)出的良好優(yōu)勢，而備受國內(nèi)外情緒研究者的青睞。當(dāng)人們受到情緒刺激時，人的大腦(包括大腦皮層、杏仁體、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等)首先會對刺激進(jìn)行處理及反應(yīng)，進(jìn)而影響自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動情況。自主神經(jīng)系統(tǒng)活動的變化則會在很多生理反應(yīng)信號中有所體現(xiàn)，例如心率、皮膚電、體溫、呼吸等。而這個過程往往都是在很短的時間內(nèi)就完成了，一些基本情緒(例

2、如，恐懼情緒)甚至是在人的認(rèn)知水平以下，這就使得這些生理信息可以很原始的反應(yīng)出被試真正的心理狀態(tài)。 隨著情緒識別和教育評估研究的發(fā)展，我們需要對兒童生理信息、身體消耗和情緒狀態(tài)進(jìn)行實時的跟蹤和監(jiān)測。但是，如今的電生理設(shè)備不能滿足在自然狀態(tài)或教育現(xiàn)場對兒童生理、情緒信息進(jìn)行客觀準(zhǔn)確測量的要求。隨著電子信號檢測、遙測技術(shù)的發(fā)展，使用最新的無線電信技術(shù)，結(jié)合我們對學(xué)習(xí)科學(xué)研究的特殊要求，我們開展了無線可穿戴生理測量系統(tǒng)(WWPS)的研

3、制，以期將生理信號采集端模塊高度集成置于衣物中，通過無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸控制終端，在不妨礙兒童知覺和行動的前提下，測量自然狀態(tài)下或教育現(xiàn)場中，兒童在學(xué)習(xí)或其他行為活動時的生理信號信息，并對情緒狀態(tài)和身體消耗進(jìn)行分析。 心電信號中的心率變異性(HRV)指標(biāo)是情緒研究中比較敏感的常用生理指標(biāo)，它的變化可以直接反應(yīng)出大腦自主神經(jīng)系統(tǒng)的活躍情況。但是原始的心電信號幅度微弱，特別對于遙測心電數(shù)據(jù)來說，噪聲干擾問題就更為嚴(yán)重。為了更好的從心電

4、信號中提取出準(zhǔn)確的心率變異性(HRV)指標(biāo)，本文對WWPS收集到的心電信號裸數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波和去除基線漂移算法的討論。采用FIR經(jīng)典濾波器設(shè)計的50Hz陷波器可以很好的去除心電信號中50Hz工頻干擾，但由于心電噪聲是多方面的，總體去噪濾波效果沒有小波算法得到的結(jié)果好；采用最新經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)算法進(jìn)行的去除基線漂移，雖然有時會出現(xiàn)不同程度的端點效應(yīng)，但總體效果還是不錯的，并且在QRS波群定位研究中具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。另外，本文還給出了自行

5、設(shè)計編寫的R波峰自動檢測程序，可以快速高效的定位R峰值點并計算出R．R間期時間序列，以便進(jìn)行進(jìn)一步的HRV頻譜分析。以上研究結(jié)果均證明了WWPS系統(tǒng)設(shè)計的可行性、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。 在上述硬件和算法研究的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)兒童被試的特點，設(shè)計了一個簡單的兒童情感研究實驗。利用WWPS系統(tǒng)采集了25個兒童被試的心電信號數(shù)據(jù)，并使用近紅外光譜技術(shù)(NRIS)同時記錄了被試腦前額葉皮層血氧含量的變化情況，首次將兩種信號結(jié)合起來，分析兒童在

6、正性(快樂)和負(fù)性(恐懼)情緒狀態(tài)下自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動水平。結(jié)果顯示，負(fù)性情緒狀態(tài)下的自主神經(jīng)系統(tǒng)活動水平顯著高于正性情緒，其中交感神經(jīng)系統(tǒng)的激活占據(jù)了主要的控制地位：且在男女性別上也存在著顯著差異，女性的交感神經(jīng)系統(tǒng)激活程度更為明顯。而在正性情緒狀態(tài)下，自主神經(jīng)系統(tǒng)活動水平比基線狀態(tài)顯著激活，但交感和副交感神經(jīng)系統(tǒng)的激活水平并沒有顯著差異，副交感神經(jīng)系統(tǒng)的活動水平比負(fù)性情緒狀態(tài)下要顯著活躍，且男女沒有出現(xiàn)顯著差異。另外，兒童被試的自我