皮膚電在情緒識別研究中的應用進展

陳 恬，狄海波

(杭州師范大學 醫學院，浙江 杭州 310036)

皮膚是最大的身體器官，是機體與環境之間的主要界面。它是各種過程的重要組成部分，包括免疫系統、感覺器官活動、溫度調節、維生素生產和情感交流。豐富的神經分布于皮膚并支配它，使其有了如此復雜的功能。尤其是汗腺自主神經的活動反映在表面的可測量的皮膚電導變化上，被稱為皮膚電活動(electrodermal activity，EDA)。EDA結合了基底皮膚傳導水平(skin conduction level，SCL)的緩慢變化和更快速的瞬態活動，也就是皮膚電導反應(skin conductance reaction，SCRs)，也被稱為皮膚電反應(galvanic skin response，GSR)。EDA反映出自主神經系統中交感神經系統的活動，而且汗腺沒有副交感神經支配[1]。交感神經系統支配著皮膚表面的汗腺，其活動變化能夠引起人體皮膚的電導改變。

根據Lindsley的覺醒激活理論[2]，自主神經系統的活動變化能夠反映人的心理活動。基于這種自主神經系統和心理活動的聯系，自80年代起，研究者進行了大量關于皮膚電反應以及其他自主神經活動指標對情緒、注意、決定的識別能力的研究[3]。本文主要綜述皮膚電在情緒識別中的應用。

1 皮膚電與情緒識別

情緒識別的方法主要分為基于生理信號的和基于非生理信號的，Picard 等[4]認為，基于生理信號的情感識別不易受主觀掩飾的影響，且更接近于情感的內在心理感受。而基于非生理信號的情緒識別方法主要是通過對于面部表情及語音語調的識別，雖然這一種情緒識別的方法操作便捷，但對于身患身體或者精神疾病，無法正確表達情緒的患者來說，顯然并不適用。

本文所述的皮膚電主要是指皮膚電反應，除此之外還包括情緒識別研究中運用到的其他相關指標譬如皮膚導電水平。當我們把人皮膚上的兩點用非極化的電極接到足夠靈敏的電表上，電表指針就會擺動，此時若給予一種心理刺激那么電表擺動經過短暫潛伏期后就會增加，這一現象是由托肯諾夫在1888年第一次觀察到的。皮膚電反應指電路中用外電和不用外電時，皮膚對心理刺激所引起的電變化[5]。皮膚電反應信號隨情感的不同會有明顯差異[6-7]，通常用來測試被試對激發焦慮情緒的環境或者刺激的反應[8]。因此可以很好地應用到情緒識別當中。許多研究說明了皮膚電的變化與情緒的關系，并將其應用到了情緒識別的研究當中。

當一個人受到驚嚇或者焦慮時，由于汗腺的活動迅速增加，皮膚電傳導也會相應的增加，Kim等[9]使用Ag/AgCl電極固定在非慣用手的食指和無名指兩個手指上來測定皮膚電，結合心電圖、肌電圖和呼吸共四個生理信號，運用音樂的刺激，對情緒識別的平均準確率達到了95%。Jang等[10]發現皮膚導電水平和皮膚電反應的變化顯示了情緒之間的顯著差異且在驚訝時要顯著高于厭煩和疼痛(P<0.001)而在疼痛時顯著高于厭煩(SCL：P<0.05; SCR：P<0.001)。這證明皮膚電確實可以應用于不同情緒的識別。

同一種情緒不同的程度也可能會引起程度不同的皮膚電反應，Wood等[11]運用來自國際情緒圖片系統中分別帶有積極、中性、消極的威脅成分的圖片刺激被試者，同時采集皮膚電反應的信號，發現與中性圖像相比，在消極圖像中出現的威脅更大，而受到威脅的皮膚電反應在積極圖像中處于中間水平，與在消極或中性刺激中產生的威脅反應沒有區別。

2 國內外研究現狀與研究局限性

近年來，人們對于關于生理信號的情緒識別的興趣有所上升[12]。國內外均有不少有關于此的研究，運用了各種不同的方法進行情緒的識別，涉及許多生理信號。除本文所述的皮膚電外，還包括肌電圖、腦電圖、心率等生理信號，基于這些生理信號的情緒識別研究很多，其中不少都用到了皮膚電。

Picard團隊采集了不同情感狀態下皮膚電反應、血容量波動、肌電信號、呼吸作用的4 種生理信號，得到針對沒有情緒(no emotion)、憤怒(anger)、厭惡(hate)、悲痛(grief)、精神戀愛(platonic love)、浪漫的愛(romatic love)、快樂(joy)、敬畏(reverence)8 種情緒81%的識別準確度[4]，高于通過語言進行的情緒識別(約60%～70%)并與通過面部表情的情緒識別準確率(約80%～98%)相當。Kim團隊[13]采集了心電圖、皮膚溫度變化和皮膚電活動三種生理信號，將受試者分為三種情緒(悲傷、憤怒、緊張)和四種情緒(悲傷、憤怒、緊張、驚訝)兩組，對兩組的識別準確率分別達到了78.4%和61.8%。蔡菁[14]通過皮膚電反應信號對六種情緒(高興、驚奇、厭惡、悲傷、憤怒和恐懼)進行“一對一”兩兩識別和“一對多”單一信號的識別。“一對一”識別結果顯示恐懼比較容易與其他情緒區分開，但是很難區分厭惡和憤怒，悲傷和憤怒，“一對多”識別結果顯示皮膚電反應信號在識別恐懼情緒時的效果最好，驗證平均識別率可以達到82.82%，其次是高興，驗證識別效果最差的是憤怒，同時其識別率較“一對一”情緒識別略低。

皮膚電在情緒識別的應用當中有一定的價值，但也有一定的局限性。皮膚電的檢測受到檢測部位、局部汗液量、被試者狀態及許多其他生理因素的影響，可能對情緒識別的準確率有一定的影響。GOUIZI等[15]的研究中檢測了年齡25～28歲的四位志愿者(兩位男性，兩位女性)的六種情緒，同時采集肌電、呼吸容積、皮膚溫度、皮膚電傳導、血容量脈沖和心率六種生理信號，將生理信號處理成參數，用支持向量機(SVM)的方法來識別情緒，結果表明單一的生理信號不能明顯地提高情緒識別率而多個生理信號組合可以明顯提高情緒的識別率(其中不同的生理信號單獨用于情緒的識別時識別率也有差異)。

3 臨床應用展望

情緒與疾病關系密切，除了緊張等情緒是諸如應激性潰瘍、心肌梗塞等疾病的誘發因素外，許多疾病的進展都與患者的情緒密切相關。比如，類風濕性關節炎病人焦慮、抑郁情緒與疾病的活動度有相關性[16]。焦慮情緒對糖尿病疾病的早期發現有利，但對于糖尿病診斷后的生活質量調控不利[17]。情緒識別可以幫助醫護人員客觀地了解患者的情緒狀態，尤其是無法正確表達自己情緒的嬰幼兒、有語言障礙、意識障礙的患者以及有精神疾病的患者等，為疾病的治療提供指導和幫助，也為醫護人員與患者的溝通提供幫助，而測量生理反應來預測情緒要比閱讀面部表情更好[18]。皮膚電可以作為情緒喚起水平和某些心理活動的指標，深入研究皮膚電在情緒識別中的作用并結合其他生理信號來進行情緒識別，并不斷的提高其準確率將更好的為臨床工作中各類疾病的治療以及護理提供幫助。