皮肤电在情绪识别研究中的应用进展

陈 恬，狄海波

(杭州师范大学 医学院，浙江 杭州 310036)

皮肤是最大的身体器官，是机体与环境之间的主要界面。它是各种过程的重要组成部分，包括免疫系统、感觉器官活动、温度调节、维生素生产和情感交流。丰富的神经分布于皮肤并支配它，使其有了如此复杂的功能。尤其是汗腺自主神经的活动反映在表面的可测量的皮肤电导变化上，被称为皮肤电活动(electrodermal activity，EDA)。EDA结合了基底皮肤传导水平(skin conduction level，SCL)的缓慢变化和更快速的瞬态活动，也就是皮肤电导反应(skin conductance reaction，SCRs)，也被称为皮肤电反应(galvanic skin response，GSR)。EDA反映出自主神经系统中交感神经系统的活动，而且汗腺没有副交感神经支配[1]。交感神经系统支配着皮肤表面的汗腺，其活动变化能够引起人体皮肤的电导改变。

根据Lindsley的觉醒激活理论[2]，自主神经系统的活动变化能够反映人的心理活动。基于这种自主神经系统和心理活动的联系，自80年代起，研究者进行了大量关于皮肤电反应以及其他自主神经活动指标对情绪、注意、决定的识别能力的研究[3]。本文主要综述皮肤电在情绪识别中的应用。

1 皮肤电与情绪识别

情绪识别的方法主要分为基于生理信号的和基于非生理信号的，Picard 等[4]认为，基于生理信号的情感识别不易受主观掩饰的影响，且更接近于情感的内在心理感受。而基于非生理信号的情绪识别方法主要是通过对于面部表情及语音语调的识别，虽然这一种情绪识别的方法操作便捷，但对于身患身体或者精神疾病，无法正确表达情绪的患者来说，显然并不适用。

本文所述的皮肤电主要是指皮肤电反应，除此之外还包括情绪识别研究中运用到的其他相关指标譬如皮肤导电水平。当我们把人皮肤上的两点用非极化的电极接到足够灵敏的电表上，电表指针就会摆动，此时若给予一种心理刺激那么电表摆动经过短暂潜伏期后就会增加，这一现象是由托肯诺夫在1888年第一次观察到的。皮肤电反应指电路中用外电和不用外电时，皮肤对心理刺激所引起的电变化[5]。皮肤电反应信号随情感的不同会有明显差异[6-7]，通常用来测试被试对激发焦虑情绪的环境或者刺激的反应[8]。因此可以很好地应用到情绪识别当中。许多研究说明了皮肤电的变化与情绪的关系，并将其应用到了情绪识别的研究当中。

当一个人受到惊吓或者焦虑时，由于汗腺的活动迅速增加，皮肤电传导也会相应的增加，Kim等[9]使用Ag/AgCl电极固定在非惯用手的食指和无名指两个手指上来测定皮肤电，结合心电图、肌电图和呼吸共四个生理信号，运用音乐的刺激，对情绪识别的平均准确率达到了95%。Jang等[10]发现皮肤导电水平和皮肤电反应的变化显示了情绪之间的显著差异且在惊讶时要显著高于厌烦和疼痛(P<0.001)而在疼痛时显著高于厌烦(SCL：P<0.05; SCR：P<0.001)。这证明皮肤电确实可以应用于不同情绪的识别。

同一种情绪不同的程度也可能会引起程度不同的皮肤电反应，Wood等[11]运用来自国际情绪图片系统中分别带有积极、中性、消极的威胁成分的图片刺激被试者，同时采集皮肤电反应的信号，发现与中性图像相比，在消极图像中出现的威胁更大，而受到威胁的皮肤电反应在积极图像中处于中间水平，与在消极或中性刺激中产生的威胁反应没有区别。

2 国内外研究现状与研究局限性

近年来，人们对于关于生理信号的情绪识别的兴趣有所上升[12]。国内外均有不少有关于此的研究，运用了各种不同的方法进行情绪的识别，涉及许多生理信号。除本文所述的皮肤电外，还包括肌电图、脑电图、心率等生理信号，基于这些生理信号的情绪识别研究很多，其中不少都用到了皮肤电。

Picard团队采集了不同情感状态下皮肤电反应、血容量波动、肌电信号、呼吸作用的4 种生理信号，得到针对没有情绪(no emotion)、愤怒(anger)、厌恶(hate)、悲痛(grief)、精神恋爱(platonic love)、浪漫的爱(romatic love)、快乐(joy)、敬畏(reverence)8 种情绪81%的识别准确度[4]，高于通过语言进行的情绪识别(约60%～70%)并与通过面部表情的情绪识别准确率(约80%～98%)相当。Kim团队[13]采集了心电图、皮肤温度变化和皮肤电活动三种生理信号，将受试者分为三种情绪(悲伤、愤怒、紧张)和四种情绪(悲伤、愤怒、紧张、惊讶)两组，对两组的识别准确率分别达到了78.4%和61.8%。蔡菁[14]通过皮肤电反应信号对六种情绪(高兴、惊奇、厌恶、悲伤、愤怒和恐惧)进行“一对一”两两识别和“一对多”单一信号的识别。“一对一”识别结果显示恐惧比较容易与其他情绪区分开，但是很难区分厌恶和愤怒，悲伤和愤怒，“一对多”识别结果显示皮肤电反应信号在识别恐惧情绪时的效果最好，验证平均识别率可以达到82.82%，其次是高兴，验证识别效果最差的是愤怒，同时其识别率较“一对一”情绪识别略低。

皮肤电在情绪识别的应用当中有一定的价值，但也有一定的局限性。皮肤电的检测受到检测部位、局部汗液量、被试者状态及许多其他生理因素的影响，可能对情绪识别的准确率有一定的影响。GOUIZI等[15]的研究中检测了年龄25～28岁的四位志愿者(两位男性，两位女性)的六种情绪，同时采集肌电、呼吸容积、皮肤温度、皮肤电传导、血容量脉冲和心率六种生理信号，将生理信号处理成参数，用支持向量机(SVM)的方法来识别情绪，结果表明单一的生理信号不能明显地提高情绪识别率而多个生理信号组合可以明显提高情绪的识别率(其中不同的生理信号单独用于情绪的识别时识别率也有差异)。

3 临床应用展望

情绪与疾病关系密切，除了紧张等情绪是诸如应激性溃疡、心肌梗塞等疾病的诱发因素外，许多疾病的进展都与患者的情绪密切相关。比如，类风湿性关节炎病人焦虑、抑郁情绪与疾病的活动度有相关性[16]。焦虑情绪对糖尿病疾病的早期发现有利，但对于糖尿病诊断后的生活质量调控不利[17]。情绪识别可以帮助医护人员客观地了解患者的情绪状态，尤其是无法正确表达自己情绪的婴幼儿、有语言障碍、意识障碍的患者以及有精神疾病的患者等，为疾病的治疗提供指导和帮助，也为医护人员与患者的沟通提供帮助，而测量生理反应来预测情绪要比阅读面部表情更好[18]。皮肤电可以作为情绪唤起水平和某些心理活动的指标，深入研究皮肤电在情绪识别中的作用并结合其他生理信号来进行情绪识别，并不断的提高其准确率将更好的为临床工作中各类疾病的治疗以及护理提供帮助。