血譜成像技術在早期兒童教育與發展中的應用

金燕妮　劉彥　王靜梅

為推動早期兒童教育與跨學科研究的發展，促進中外學者跨學科合作與交流，6月14～16日，由浙江師范大學杭州幼兒師范學院主辦的“第四屆早期兒童教育與發展神經科學國際研討會”在浙江杭州隆重召開。本次會議涉及發展神經科學與神經教育學、早期兒童發展與教育、早期教育環境等重要議題，尤其是聚焦對低幼兒童研究具有變革意義的新技術——血譜成像技術（Transdermal Optical Imaging，簡稱TOI技術），展示TOI技術在當前各研究領域所取得的階段性成果，為國內外學者的交流與合作提供了平臺。

一、TOI技術的原理解析

加拿大多倫多大學李康（Kang Lee）教授圍繞“TOI技術的原理與發展”這一主題，從多個方面深度解析了TOI技術。這是一項使用傳統的光學傳感器，并結合先進的信號處理和機器學習系統來獲取皮膚下血紅蛋白濃度變化情況，從而測量生理和心理狀態的非接觸式技術。

為何選擇TOI技術？李康指出，現有的接觸式的用以測量生理和心理狀態的技術存在一些缺陷，如有一定的創傷性，價格較貴，操作相對復雜，低幼兒童很難接受長時間測試等，而現有的非接觸式的生理與心理狀態測量技術又缺乏一定的有效性和精確性。例如，研究發現，在日常生活中，人類面部帶有明顯表情的時間僅占7%。在這種情況下，常用的面部表情檢測技術（非接觸式測量技術）在實時檢測方面無法發揮作用，且依靠對人的面部表情的分析也無法獲得真實的情緒信息。TOI技術則能依托其卓越的性能解決這些問題。TOI技術是先將光源直接照射到面部，光線穿過皮膚表皮，根據光與組織交互原理（Light-tissue Interaction），光在到達真皮層后會出現反射，然后在不接觸個體的情況下，利用光學傳感器（Optical Sensing）全盤接收面部皮膚反射的光線。根據比爾-朗伯定律（Beer-lambert Law），一束單色光照射于一吸收介質表面，在通過一定厚度的介質后，因為介質吸收了一部分光能，所以透射光的強度會減弱，吸收介質的濃度及厚度愈大，光強度的減弱愈顯著。光學傳感器接收到的光帶有大量面部血紅蛋白濃度變化的信息。根據人體循環系統的原理，面部的毛細血管和人體心臟、靜脈、動脈都是緊密相連的，這些面部血紅蛋白變化信息能夠很好地反映出個體的生理狀況，如血壓、心率、呼吸等。因為人心理上的變化會帶來個體血壓和血流的變化，所以面部血紅蛋白濃度變化信息也能間接反映出個體的心理狀態。研究者根據收集來的面部血紅蛋白變化信息，利用基于人工智能引擎的深度情感云計算對其進行自動分析，可以獲得實時、可讀的生理-心理-情緒信息。TOI技術強大的機器學習能力實現了數據的自動快速處理。未來在人工智能的推動下，TOI技術還將實現數據收集、分析與寫作的一體化。

二、TOI技術的可行性探析

多項研究為TOI技術的可行性提供了證據。北京航空航天大學劉建剛教授的團隊利用TOI技術對面部皮下血流的變化和分布情況進行了測量，發現所劃定的每個面部區域可能包含多個獨立成分，每個獨立成分又具有不同的空間分布模式。進一步的研究發現，不同的獨立成分的時間過程都包含類似心臟活動的幅頻特性（即電壓放大倍數與頻率的關系），同時還具有不同于心臟活動的相頻特性（即輸出信號與輸入信號的相位差與頻率的關系）。這些發現說明TOI技術能有效獲得面部皮下與心血管相關的血流活動模式。

TOI技術應用的可行性不僅在心血管測量中得到了印證，在心理壓力測量上也展現了明顯的優勢。浙江理工大學嚴璘璘副教授將已有測量心理壓力的手段（認知評估、情緒反應測量、應激激素測量、心血管反應測量）與TOI技術進行了詳細比較，發現已有的心理壓力測量手段雖有一定的優勢，但其劣勢也表現得很明顯。認知評估和情緒反應測量的操作比較簡單，成本低廉，但極易受主觀因素影響，且時效性較差。應激激素測量雖然能客觀、量化地測量心理壓力，但是取樣難度較大且易混淆壓力源，樣品保存要求高，測量成本高。心血管反應測量比較客觀、量化，可是也存在測量成本高，技術要求高，測量情景受限制等缺陷。相比這些心理壓力測量手段，TOI技術能夠在不接觸受試者的情況下客觀、高效、實時地測量出個體的心理壓力，且在數據收集、數據處理和數據分析方面更為便捷、可靠。

三、TOI技術的應用現狀與前景

在實踐層面，多個領域的專家展示了TOI技術的階段性應用成果。在兒童教育與發展領域，浙江師范大學秦金亮教授帶領的研究團隊發現，18個月嬰幼兒通常在剛入托的三個月內很難順利適應托幼機構的生活，會出現入園哭鬧、入園孤僻、入園焦慮等現象，往往比小班幼兒所需要的入園適應期更長。秦金亮分析指出，嬰幼兒的壓力源主要有四種類型，分別是陌生與新異性條件、競爭性條件、傷害性條件和挑戰性條件。入托適應是個體畢生發展性適應的重要節點，研究者應當予以重視。為深入研究這一難題，秦金亮團隊計劃以幼兒的社會性微笑為行為指標，利用TOI技術進行一項入托、入園和入學三階段的發展性適應的長期追蹤研究，旨在利用TOI技術確定與幼兒發展性適應相關的恒定有效的生理指標，實現行為指標和生理指標的有效結合，從而為設計適應性課程以改善幼兒適應性行為提供有力的支持。秦金亮指出，人工智能時代的到來，對兒童的發展與教育提出了新的挑戰。TOI技術具有測量無接觸、無創傷，自然狀態采集數據，多被試并行采集數據，大尺度采集數據等優勢。在橫向研究方面，TOI技術可以用于對兒童社會認知、情緒情感、社會性、人格發展等的探討;在縱向研究方面，TOI技術可以用于開展兒童健康追蹤、社會性發展與適應、發展性偏差與障礙、情緒發展、認知發展、審美發展等的研究。秦金亮還以“社會性微笑”為例，從社會性微笑的綜合干預與改進、社會性微笑的生化遞質機制、社會性微笑的基因表現、社會性微笑的面孔血流表現、社會性微笑的經驗觀察記錄等五個方面構想TOI技術與其他技術的整合，期待實現兒童發展研究跨學科、多領域的融合。

TOI技術在情緒、情感的識別上也展現出了很好的應用前景。眾所周知，面部表情可以反映個體的情緒，但是面部肌肉是可以被個體有意識地控制的。個體可以有意地做出與實際情緒不一樣的表情，或者面無表情。那么，除了通過表情來識別人類的情緒外，是否能夠找到更加客觀有效的指標與方法來識別情緒呢？杭州師范大學傅根躍教授根據臉部血流動力學標志假說（the Facial Hemodynamic Signature Hypothesis），即不同的情緒會引起面部不同的血流變化模式，而這種變化模式可以測量并作為識別不同情緒的生理指標，通過TOI技術記錄了314名大學生在觀看兩套情緒視頻時的面部血流數據，發現不同的情緒會引起面部不同的血流變化模式，而這種變化模式可以通過TOI技術獲得，用作識別不同情緒的生理指標。

在人類發展性適應問題上，多倫多大學吳思佳（Sijia Wu）高級研究員探討了大學生的入學適應性問題，分享了對18個學院的11741名新生入學適應性的TOI研究結果，還分享了利用TOI技術測量考試前后學生心理壓力的研究成果。

除此之外，TOI技術在對女性服刑人員負性心境干預的研究中也得到了應用。浙江師范大學宋曉蘭副教授介紹了女性服刑人員自我報告與面部血譜成像技術的研究結果。在這一研究過程中，TOI技術體現出的高效、便攜的特性，為研究帶來了極大的便利，為TOI技術的可行性和有效性提供了研究證據。浙江工商大學侯旻副教授報告了其研究團隊利用TOI技術在品牌認知領域進行的研究。侯旻構想在今后的研究中建立起品牌態度與TOI技術之間的關系模型，進而實現利用TOI技術對品牌態度的預測。

時代在發展，科技在進步。每一次新技術的出現都為科研事業的發展提供了新思路。人工智能時代、大數據時代已經悄然來到身邊。TOI技術作為人工智能和大數據結合的產物，為科研事業打開了一扇新的大門。本次研討會不僅深化了我們對TOI技術的認識，更加關注研究技術的重要性，而且拓寬了我們的研究視野。

本次研討會還舉辦了TOI技術及應用工作坊。李康、劉建剛、秦金亮、吳思佳、王靜梅等專家詳細解答了TOI技術的原理、實驗室設計、基于現場的實驗研究設計等問題，還進行了操作示范。與會代表先是分小組開展實驗操作，就其中的細節進行深度討論，后就即將開展的研究課題進行跨小組討論，聽取相關專家的分析、點評。與會代表紛紛表示收獲很大，對TOI技術及其應用充滿信心。

Application of Transdermal Optical Imaging in the Early Childhood Education and Development： A Review of the 4th International Conference on Early Childhood Education

and Development Neuroscience

Jin Yanni， Liu Yan， Wang Jingmei

（Hangzhou College for Kindergarten Teachers， Zhejiang Normal University， Hangzhou， 310012）