基于虹膜检测技术构建中学生精神压力检测系统的策略和方法

2017-08-08陈沁舒

科技与创新 2017年15期

关键词：精神压力虹膜图像

陈沁舒

（贵阳市第一中学，贵州贵阳550081）

基于虹膜检测技术构建中学生精神压力检测系统的策略和方法

陈沁舒

（贵阳市第一中学，贵州贵阳550081）

在高中阶段，学生课程难度加深、作业增多、学习方法与初中有明显不同，高考竞争压力非常大，睡眠严重不足，导致学生心理变化较大，相当一部分学生存在不同程度的精神压力，引发心理健康问题，而心理健康问题很难及时、有效地发现。阐述了精神压力与虹膜的关系，提出了基于虹膜检测技术构建高中学生精神压力自动检测系统的策略和方法，以及系统实现原理、管理及使用方法。

虹膜检测技术；精神压力检测系统；心理健康；中学生

心理健康是学生综合素质的重要方面，高中的学习生活是人生成长的重要阶段，这个阶段的身心健康对其一生的影响非常大。而现在我们高中的学习方式方法与初中阶段有较大不同，由于课程难度深、作业繁多、睡眠时间严重不足，又必须面对残酷的高考竞争，导致精神压力加大，心理出现明显变化。据笔者对周围同学的观察，大部分同学都存在一定的精神压力，只是程度不同而已。这种情况不仅我们学校存在，全国其他中学也普遍存在。据山西财经大学张茜2015年对大同市中学高中生进行调查，发现绝大部分学生都存在不同程度的精神压力和心理问题，需要心理医生疏导的学生比例达到45%.学生一旦有较大的精神压力，就容易导致易怒、情绪不稳、情绪低落、厌学，有的甚至走向极端。高中生的精神压力及心理健康问题不容忽视，已成为社会普遍关注的社会问题，需要国家、社会、学校、家长、学生来共同重视及面对。

通过查阅大量文献资料，探讨利用虹膜检测技术构建学生精神压力检测系统，实现对学生精神压力的及时、有效检测，从现在的事后干预转变为事前干预，有效提升学生心理健康管理水平。

1 中学生心理健康管理现状

国家制定教育改革发展规划，强调加强未成年人的心理健康教育，促进学生身心健康，体魄强健，意志坚强，实现学生综合素质提高。在学生心理健康管理方面，专门制定了心理健康管理办法，要求从课程设计、教师配备等方面开展工作。但在具体工作中，只有部分条件较好的中学配备了心理咨询老师，建立心理咨询室，定期开展心理健康讲座及问卷调查，建立学生健康档案（仅限于体检资料）等心理健康管理工作。一些高校和心理研究机构，也在逐步开展一些针对学生心理健康的专题访谈及调查研究，但这些工作都是事后发现、事后干预，没有形成一套完整的健康教育体系和健康管理支持系统，加上心理健康问题在前期很难发现，这个时候只有学生默默承受，学生普遍缺乏心理健康知识，也很少主动找心理老师沟通。大部分学校没有配备心理老师，即使配备了，数量也很少，老师也没法主动前期干预，学生一旦心理健康上出了问题，无法获得有效帮助和及时疏导，脾气也越来越暴躁，仅仅依靠自己又不能做到良好的控制和调整，导致心理健康问题的程度越来越深，有的甚至到轻生的极端局面。鉴于高中生心理健康教育的极端重要性和心理健康教育严重缺位，迫切要求加强高中学生心理健康管理，要求建立有效的学生心理健康监控机制，及时发现情况，主动预防，有针对性地对学生心理健康规律进行研究，科学预防学生心理健康问题发生。

2 精神压力与虹膜的关系

虹膜学有其自成体系的医学依据。眼睛虹膜和瞳孔的形态变化，可反映人体遗传体质，透露人体各个部位和器官的信息，对人体整体体质及其健康状况进行预测，进而推断可能发生疾病及康复的过程，帮助分析身体健康状况，并进行相应的调理和治疗。眼睛结构及虹膜见图1.

虹膜学的特征是简便、直接，可主动提示危机和倾向。这项技术在疾病预防领域能够发挥独特的作用，尤其是在学生心理健康管理方面。心理健康很难直接显现出来或表现不明显，较难用常规医学检查指标来量化，通常只能仔细尝试观察和面对面交谈，而且涉及隐私问题，大部分学生还不愿坦诚告知，因而不能全面、及时发现学生精神压力等方面的心理健康问题。而通过虹膜观测能够初步发现学生精神压力方面的心理健康问题，更能有针对性地发挥其独特作用。

图1 眼睛结构图和虹膜纹理示意图

2.1 虹膜诊断学理论

虹膜学应用需观测下述虹膜特征，包括色斑分布、颜色、裂陷位置和各种几何特征。在虹膜学中，虹膜表面的特定位置与相应的某些器官和疾病相联系，一旦这些位置出现沟陷等特征，说明这个位置代表的器官处于薄弱或病态。

图2 虹膜六大异常现象

图3 精神压力线

一个完美的虹膜显示出来的是没有坑洞、没有裂缝的，纤维组织平滑没有沉积，没有扭曲，颜色很均匀，没有先天的遗传弱点，如同一块新的丝绸布。当完美的虹膜出现变化，就表示身体方面的器官有功能性病变或功能下降，身体出现不协调状况，也就是身体进入亚健康状态。身体疾病会引起虹膜的六大异常现象，见图2，就是出现坑洞、斑块、裂缝、线条、颜色、密度等异常变化。其中，线条以瞳孔为中心向外形成同心圆，多为浅白色或凹凸不平，是由于神经过度紧张、疲劳、压力过大造成的，多为浅白色，新陈代谢循环不良，神经处于紧张状态。线条方面的异常现象包括精神压力线，见图3.

精神压力线是指由于精神压力过大，虹膜表面会出现明显的同心环指征，医学上称之为“精神压力环”。精神压力环以瞳孔为中心向外形成同心圆的凹沟，多为浅白色或凹凸不平，是由于神经过度紧张、疲劳、压力过大造成的，神经处于紧张状态。精神压力与精神压力环关系紧密，精神压力越大，其虹膜精神压力环越多，凹沟越深；反过来说，虹膜压力环能够反映一个人的精神压力，可以通过检测虹膜精神压力环来直接、有效地诊断一个人的精神压力状况。

2.2 虹膜医学检测技术

虹膜医学发展支撑是虹膜检测技术的发展，1866年就诞生了第一台虹膜检测仪器，随着科学技术，尤其是电子技术和计算机技术的发展，虹膜检测仪也不断升级换代，从最初的普通放大镜到第一代纯光学仪器，再到第二代光学与电子技术结合的电子显微镜，现在进入第三代融合了最新计算机技术的诊察分析系统。虹膜检测仪更加智能，能使人们方便地掌握虹膜诊察的应用。不需要进行专业技术培训，计算机能够自动诊察分析，也不需要记背虹谱图；还可以保存客户的历史档案和检测数据资料，开放式的分析系统还能使使用者不断完善、升级自己的系统。

国外的计算机虹膜诊断系统发展情况：俄罗斯的J.V.Marty shevcky和罗马尼亚的Adrian Lodin等人都开发建成了计算机辅助虹膜诊断系统。韩国Shuttog公司开发的Bexel IRINA虹膜诊断系统，作为医学设备已经获得了权威FDA认证。该系统能够实现瞳孔直径、瞳孔中心距虹膜中心之间的距离、瞳孔边界变形程度、瞳孔直径占虹膜直径的比率、虹膜直径和面积、自主神经环等的检测。

目前，国内在计算机辅助虹膜诊断系统方面也有了较大的发展。藤蓓蓓、何家峰、马琳等团队都开发出了各自的计算机虹膜诊断系统；在虹膜图像处理、虹膜数据库、虹膜智能诊断机制等方面都取得了一定成效，为虹膜诊病奠定了一定的理论基础。台湾佛光大学的CHENG-LIANG LAI等人将计算机图像处理技术与虹膜诊断技术相结合，提出从虹膜图像中提取虹膜特征，并评估组织患病的严重程度。

3 虹膜精神压力检测系统技术方案

高中生心理健康问题最主要的来源是学习压力、睡眠不足引起的精神压力，其他疾病占的比例很小。对学生的心理健康影响至关重要的是精神上的压力，精神压力可以通过对虹膜的精神压力环线进行检测，直接诊断和发现学生的心理健康疾病。如果只进行虹膜旳压力环检测，就会使检测系统简单得多，容易实现，可靠性和准确性也会得到大幅度提升，而且开发专门用于虹膜心理压力环检测旳虹膜检测仪，其数学模型和算法也相对简单点，费用也会低得多。利用虹膜检测仪，构建学生精神压力检测系统检测精神压力，就能够及时发现问题，有针对性地主动开展预防性的心理健康管理工作，具有很强的针对性和实用性。

3.1 系统设计

系统概述：利用虹膜检测仪构建高中学生精神压力自动检测系统，在此基础上构建学生心理健康的管理分析系统。系统包括精神压力专用虹膜采集摄像设备、虹膜图像分析软件、身份识别、精神压力级别判定、采集传输网络、后台计算机系统。精神压力检测系统组成见图4.

图4 精神压力检测系统组成图

3.2 系统原理

该系统包括5个部分，即虹膜图像采集、虹膜图像预处理、虹膜特征及压力曲线特征分析、身份识别及精神压力诊断、统计分析。系统原理见图5.

图5 精神压力检测系统原理图

3．2．1 虹膜图像采集

虹膜图像获取模块的主要任务是通过合理的光学和电路的设计，并以友好的人机接口获取高质量的虹膜图像。开发适用于精神压力专用的虹膜摄像设备，专门用于身份识别和精神压力曲线采集，相较于专用医学虹膜检测摄像简单得多，精度要求可适当降低，费用也相对要低，图像采集距离加大，其后台分析系统更加简单且有针对性。这样，既能满足图像采集要求，操作方便又不易引起学生反感。采集设备安装的位置最好选择在学生定期出入的位置，环境及采光要达到要求，达不到要求的还要加辅助光源，最好既不会对学生的日常行为引起任何改变和影响，又能定期全面采集。如果安装在特殊位置，需要学生专门去采集，会引起学生反感，而且很难定期采集，采集的学生也不全面。

笔者认为安装在教室门口比较理想，还可作学生考勤之用，既能方便考勤，又能保障采集的要求，而且不至于引起学生的反感和不配合。

3．2．2 虹膜图像预处理

对虹膜图像的预处理包括虹膜的定位、归一化2个步骤。从摄像设备中采集到的图像包含睫毛、眼睑等，这就需要对虹膜进行定位，通过归一化及时纠正这些缩放失真，否则对不同大小的虹膜就无法匹配识别。

3．2．3 虹膜特征及压力曲线特征分析

该部分从归一化后的虹膜图像中提取出能够准确描述和表达虹膜的个性化特征信息，同时对归一化后的虹膜图像中，能有效反映精神压力的信息进行特征提取，并对上述特征信息进行编码，在计算机上存储和读取，即为其特征编码。

3．2．4 身份识别及精神压力诊断

该模块的首要任务为学生身份识别，将提取得到的特征编码与数据库中的虹膜图像特征编码逐一匹配，判断是否为相同虹膜，从而识别学生身份。

建立虹膜精神压力曲线图像及数据库、精神压力等级关联知识库。通过特征匹配与识别，将提取出的虹膜压力曲线特征码与知识数据库中的特征码进行比较，确定精神压力等级结果，从而进行学生精神压力诊断。

精神压力即心理压力，心理压力分为四级，即健康状态、不良状态、心理障碍和心理疾病。精神压力诊断很难做到精确识别，只要能初步识别处于哪个级别就可以了。我们可以利用已有的虹膜精神压力曲线图像及数据库来分析、梳理，建立起精神压力诊断知识库，其准确性需要在实际应用中验证，同时在应用中随着样本的增多不断完善和修正知识库。

3．2．5 统计分析

根据诊断结果，运用大数据技术，可以进行各种统计挖掘分析。比如按年级、班级，按性别统计分析，按时间顺序统计，按上课课程统计，按上课老师统计，按考试、运动会活动等事件进行统计和分析。

4 系统管理及使用方法

定期采集学生精神压力情况，通过系统分析学生学习压力情况，对达到精神压力界限的学生，班主任（或心理辅导老师）要去观察或与学生交谈，进一步全面了解，核实、摸准学生的精神压力情况及压力产生的原因，有针对性地开展学生心理辅导工作。为了既保证学生的隐私，又充分发挥系统的作用，还应制订系统的管理使用办法，规范系统的使用。该系统还可以将学生的健康体检数据、学习成绩、课程安排、气候条件、上课教师信息、时间、学校活动事件等数据信息录入其中，利用大数据技术进行统计分析，来对学生的精神压力进行科学分析，探索学生精神压力规律。这样，不仅能提前预防学生心理健康疾病，还为改进学校课程设置（顺序）、教学内容、活动安排等提供科学依据。

该系统不仅可以作为学生精神压力检测，还可以有很多方面的扩展应用；不仅可以作为学生健康体检的辅助手段，也可以应用于学校的安全管理，学生、教师的考勤管理，学生考试管理等中，还可以用于学校食堂就餐、图书借阅管理中。另外，应用该系统还可以对教师的健康情绪进行管理。教师的心理情绪对学生影响非常大，更应该科学地管理。