心理壓力的測量方法及新技術(shù)*

危 靜 傅根躍 Kang Lee

(1.浙江理工大學(xué)心理學(xué)系，杭州 310018;2.杭州師范大學(xué)附屬醫(yī)院，杭州 310015；3.杭州師范大學(xué)，杭州 311121；4.多倫多大學(xué)，安大略省 M5R2X2，加拿大)

1 引 言

根據(jù)Regus于2012年針對全球80個(gè)國家和地區(qū)的1.6萬名職場人士的調(diào)查結(jié)果顯示，75%的中國內(nèi)地上班族認(rèn)為壓力高于過去一年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出全球的平均值48%。中國是目前世界上受心理壓力困擾人群最多的國家(Regus,2012)。所謂心理壓力(mental stress)，醫(yī)學(xué)上也稱為心理應(yīng)激，即當(dāng)外界壓力超過人體適應(yīng)能力時(shí)，人體在心理和生理上發(fā)生系統(tǒng)性綜合反應(yīng)。這些反應(yīng)不僅包括壓力源所誘發(fā)的人體不舒適感(perceived aversiveness)和不可控性(uncontrollability)，也包括激活自主神經(jīng)系統(tǒng)(autonomic nervous system,ANS)和邊緣系統(tǒng)-下丘腦-垂體-腎上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)軸調(diào)控下的血壓、心率、呼吸、激素分泌等多重生理變化(Ulrich-Lai & Herman,2009;Fink,2016)。適度的心理壓力有助于人們提高工作績效、更好地適應(yīng)環(huán)境。然而，高強(qiáng)度的心理壓力則引起人體產(chǎn)生明顯的應(yīng)激反應(yīng)，持續(xù)的應(yīng)激狀態(tài)不僅會(huì)誘發(fā)高血壓、心肌缺血和梗死等生理疾病(Schoenthaler & Rosenthal,2018;Steptoe & Kivimaki,2012;Xu et al.2015)，而且容易誘發(fā)認(rèn)知功能障礙(Shansky & Lipps,2013)、抑郁和焦慮等心理障礙疾病(Maercker et al.,2013)。因此，可靠且有效地測量和評估心理壓力可預(yù)防并控制人們因高強(qiáng)度壓力所誘發(fā)的相關(guān)疾病，而且在治療過程中能夠起到指導(dǎo)作用。

一般來說，現(xiàn)有測量方法主要通過測量人體在不同壓力下的心理感受和生理信號(hào)變化評估個(gè)體心理壓力水平。在心理學(xué)研究領(lǐng)域，自我報(bào)告式的問卷或量表測驗(yàn)是心理壓力測評的傳統(tǒng)方法，該方法是主觀測評方法，僅在一定程度上反映了個(gè)體心理壓力。隨著生理信號(hào)檢測技術(shù)的應(yīng)用，人體心理壓力的系統(tǒng)性變化得以客觀體現(xiàn)。在應(yīng)對壓力事件時(shí)，個(gè)體自主神經(jīng)系統(tǒng)誘發(fā)心跳加速、呼吸加深、皮膚末梢血管收縮、血壓升高、腎上腺素分泌等生理反應(yīng)，隨后副交感神經(jīng)和HPA軸則通過調(diào)節(jié)腎上腺素、皮質(zhì)醇等應(yīng)激激素合成和分解將身體狀態(tài)調(diào)整到平靜狀態(tài)或平衡狀態(tài)(即心率減慢、呼吸變淺、皮膚末梢血管舒張等，Ulrich-Lai & Herman,2009)。考慮到人體的自主神經(jīng)系統(tǒng)和HPA軸共同調(diào)節(jié)身體的血壓、心率、呼吸、激素分泌等來應(yīng)對外部環(huán)境的壓力，那么這些應(yīng)激激素和心血管反應(yīng)等測量能客觀實(shí)時(shí)地反映個(gè)體的心理壓力變化。

本文將先簡述現(xiàn)有的心理壓力測量方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，然后重點(diǎn)介紹面部血譜成像技術(shù)的基本原理及其在心理壓力測評中的關(guān)鍵性診斷指標(biāo)，最后展望該新技術(shù)在科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢和潛力。

2 現(xiàn)有的心理壓力測量方法及指標(biāo)

本節(jié)將從心理和生理兩個(gè)方面來介紹反映個(gè)體心理壓力變化的測量方法和敏感性指標(biāo)。從心理角度來看，現(xiàn)有心理壓力的測量方法及指標(biāo)側(cè)重于個(gè)體的認(rèn)知評估(cognitive appraisal)和情緒反應(yīng)(affective response)。從生理角度來看，現(xiàn)有心理壓力的測量方法及指標(biāo)主要是受HPA軸和自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的個(gè)體應(yīng)激激素(stress hormones)含量和心血管反應(yīng)(cardiovascular response)變化的測量。

2.1 心理角度的測量方法

2.1.1 認(rèn)知評估測量

認(rèn)知評估是個(gè)體評估壓力的心理過程。按照壓力來源分，現(xiàn)有心理壓力研究主要采用兩類認(rèn)知評估測量。第一類主要為特定壓力源評價(jià)測量的單項(xiàng)問題量表(Ad Hoc Single-Item Measures)和多項(xiàng)問題量表(Multiple-Item Scales)。這些量表主要是為特定壓力研究設(shè)計(jì)的，例如，特定人群對特定壓力源的預(yù)期心理應(yīng)激的壓力評估測量(Stress Appraisal Measure,SAM)(Peacock & Wong,1990)。該方法簡單易操作，但測量指標(biāo)很容易受到測試偏差、受試者個(gè)人因素和所處情境的干擾。第二類為個(gè)人在普遍情境下壓力程度或生活事件的自我報(bào)告量表(Life Events Scales,Wethington,2016)。在普遍情境下，測量的是當(dāng)面對生活壓力時(shí)個(gè)人綜合反應(yīng)的認(rèn)知評估,例如壓力知覺量表(Perceived Stress Scale,PSS)(Cohen,Towbes,& Flocco,1988)、日常困擾事件的困擾量表(Hassles Scale)(Kanner,Coyne,Schaefer,& Lazarus,1981)。此類方法獲得大量支持性證據(jù)(例如，Wethington,2016;Shields & Slavich,2017)，但是對壓力和心理癥狀之間的區(qū)分效度不足。按照評估者來源分，除了自我報(bào)告式的問卷或量表測驗(yàn)以外，現(xiàn)有心理壓力研究還有基于訪談的生活壓力測量(interview-based approaches)，例如生活壓力事件與困境的訪談?wù){(diào)查(Life Events and Difficulties Schedule)(Beards et al.,2013)。此類方法有明確的事件定義及訪談標(biāo)準(zhǔn)，但測量較為復(fù)雜耗時(shí)。

2.1.2 情緒反應(yīng)測量

情緒反應(yīng)是指個(gè)體在應(yīng)對壓力的瞬間或一段時(shí)間的情緒反應(yīng)或情緒狀態(tài)的主觀體驗(yàn)。在特定時(shí)間發(fā)生的壓力事件與個(gè)人當(dāng)時(shí)所產(chǎn)生的情緒有明顯的關(guān)系，而且個(gè)體對該壓力事件的應(yīng)對會(huì)影響個(gè)人當(dāng)日和之后幾日的情緒(Frison & Eggermont,2015)。按情緒維度來分，現(xiàn)有心理壓力研究主要采用兩類情緒反應(yīng)測量方法。第一類從情緒的結(jié)構(gòu)方面(如憤怒、正負(fù)性情緒)來測量個(gè)人的情緒反應(yīng)，例如，正負(fù)性情感量表(Positive Affect-Negative Affect Schedule)(Andreotti et al.,2013)。第二類從情緒的強(qiáng)度方面來測量個(gè)人的情緒反應(yīng)，例如，可視化測量情緒強(qiáng)度的情緒方格(Affect Grid,Russell & Gobet,2012)。按評估者來源分，除了自我報(bào)告式的問卷或量表測驗(yàn)外，現(xiàn)有心理壓力研究還有他人情緒觀察法(observational methods)，如基于觀察者的受試者情緒反應(yīng)報(bào)告和面部表情分類等。

綜上，心理壓力的認(rèn)知評估測量和情緒反應(yīng)測量以自我報(bào)告式問卷或量表測量為主，個(gè)別的方法基于專家訪談?wù){(diào)查。這類方法的優(yōu)點(diǎn)是：操作方便、快捷且成本低(Shields & Slavich,2017)。但是心理壓力是人和環(huán)境的一種特殊關(guān)系，因此個(gè)人因素(如人格特質(zhì)、認(rèn)知風(fēng)格、價(jià)值觀、當(dāng)前情緒狀態(tài)等)與環(huán)境因素(如壓力源類型、強(qiáng)度等)均影響個(gè)體對心理壓力的認(rèn)知評估。因此，這類方法的缺點(diǎn)也比較鮮明(Monroe,2008;Shields & Slavich,2017)。第一，測量結(jié)果易受個(gè)體因素影響。這些測量基于個(gè)人對生活壓力事件或情緒等抽象概念的主觀看法，結(jié)果會(huì)伴隨不同的個(gè)體對抽象概念或量化標(biāo)準(zhǔn)理解差異而有所不同。第二，測試結(jié)果不能直接進(jìn)行比較。特定情境下和普遍情境下的測量往往在題目設(shè)定和評分標(biāo)準(zhǔn)方面各不相同，測量結(jié)果無法進(jìn)行系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化對比。第三，測試結(jié)果的時(shí)效性差。這些測量大多為個(gè)人對自身在一段時(shí)間內(nèi)的壓力和情緒等的評估，因此無法實(shí)時(shí)反映個(gè)體心理壓力變化。

2.2 生理角度的測量方法

2.2.1 應(yīng)激激素測量

應(yīng)激激素泛指在個(gè)體遇到壓力事件之后，自主神經(jīng)系統(tǒng)和HPA軸調(diào)節(jié)身體應(yīng)對壓力時(shí)所分泌的腎上腺素等生物化學(xué)代謝物。目前廣泛應(yīng)用于人體心理壓力研究的激素主要包括兒茶酚胺(catecholamines，包括腎上腺素和去甲腎上腺素)和糖皮質(zhì)激素(glucocorticoids，在動(dòng)物中稱皮質(zhì)酮，在人體中稱皮質(zhì)醇)(Chandola,Heraclides,& Kumari,2010;Lovallo & Thomas,2016)。接下來針對這兩類激素的取樣、保存、測量以及在心理壓力研究中的應(yīng)用進(jìn)行比較。在取樣方面，皮質(zhì)醇分子量較小且脂溶性高，所以很容易擴(kuò)散到唾液。因此，皮質(zhì)醇可通過血樣、尿樣、唾液以及毛發(fā)來獲得，腎上腺素和去甲腎上腺素僅能通過血樣和尿樣來獲得。在保存方面，除了皮質(zhì)醇在常溫下相對穩(wěn)定，腎上腺素和去甲腎上腺素需要保存在-20～-70攝氏度的冰箱。在測量方面，一般通過放射免疫分析儀或高效液相層析儀等專業(yè)生化分析儀測量。在應(yīng)用特性方面，血樣中的腎上腺素和去甲腎上腺素的半衰期很短(1～3分鐘)，兩類激素的水平反映了交感神經(jīng)活動(dòng)的急性狀態(tài)，該指標(biāo)僅適用于急性壓力研究(Berne & Levy,1983;Johansson & Frankenhaeuser,1973)。而尿樣中兩類激素及其代謝物相對穩(wěn)定，反映了個(gè)體數(shù)小時(shí)前的壓力體驗(yàn)，該指標(biāo)僅適用于慢性壓力研究(Powell et al.,2002;Steptoe,1987)。皮質(zhì)醇的半衰期較長(大約為70分鐘)且人體分泌有明顯的晝夜節(jié)律(通常健康人早晨6～8點(diǎn)清醒時(shí)皮質(zhì)醇水平位于頂峰并大約在午夜時(shí)到達(dá)最低值，Kudielka et al.,2012)，因此皮質(zhì)醇測量的時(shí)間窗很重要(Edwards,Clow,Evans,& Hucklebridge,2001)。其中，頭發(fā)中的皮質(zhì)醇含量反映了取樣前數(shù)周到數(shù)月的應(yīng)激和社交情境的影響(Dettenborn,Tietze,Kirschbaum,& Stalder,2012;Staufenbiel et al.,2013)，因此僅適用于慢性壓力研究(Wosu et al.,2013;2015;Russell et al.,2015)。唾液中的皮質(zhì)醇總量和皮質(zhì)醇水平變化(主要通過計(jì)算應(yīng)激前皮質(zhì)醇基線值、應(yīng)激后20min值和應(yīng)激后40min值的差異來體現(xiàn))在不同時(shí)間、不同應(yīng)激源和不同人群中具有高度的一致性(Khoury et al.,2015)，因此該指標(biāo)適用于急性和慢性壓力研究。

綜上，心理壓力的應(yīng)激激素測量主要集中在兒茶酚胺和糖皮質(zhì)激素這兩類的激素測量。此類方法的優(yōu)點(diǎn)：客觀且量化地反映個(gè)體心理壓力的變化。但是該類方法易受所選取的激素特性、提取來源等因素的影響(Lovallo & Thomas,2016)。因此，該類方法的缺點(diǎn)為：(1)取樣難度較大且部分取樣手段所產(chǎn)生的壓力易與應(yīng)激任務(wù)的壓力混淆。除了唾液和尿樣以外，血樣的提取需要專業(yè)技術(shù)人員操作且靜脈取血，此操作本身易引起應(yīng)激反應(yīng)(Weckesser et al.,2014)。(2)樣品保存要求較高。這些激素的半衰期較短，在常溫下激素含量會(huì)發(fā)生明顯變化。(3)樣品測量成本較高。這些樣品大多通過放射免疫分析儀或高效液相層析儀等專業(yè)生化分析儀測量，這些設(shè)備及耗材價(jià)格昂貴。

2.2.2 心血管反應(yīng)測量

心血管反應(yīng)泛指個(gè)體在遇到壓力事件后，心臟及血管(包括動(dòng)脈、靜脈及微血管)在應(yīng)對壓力時(shí)產(chǎn)生一系列心率、心輸出量、心搏量等綜合變化。這種綜合變化受到交感神經(jīng)系統(tǒng)及體內(nèi)應(yīng)激激素的調(diào)控，可準(zhǔn)確反映人體心理壓力的變化。心理壓力的心血管反應(yīng)具有情境特異性。例如，在應(yīng)對危險(xiǎn)而需要個(gè)體喚醒度高時(shí)，心率和收縮壓明顯上升；在探測危險(xiǎn)而需要個(gè)體安靜和注意力集中時(shí)，心率會(huì)暫時(shí)下降，心輸出量減少等。接下來先介紹心血管反應(yīng)測量的方法和優(yōu)缺點(diǎn)，再列舉此類方法獲得的關(guān)鍵心理壓力指標(biāo)。

(1)心血管反應(yīng)測量方法

目前測量心血管反應(yīng)的儀器主要是醫(yī)用的心電描記儀和光電容積描記儀。心電描記法(electrocardiography,ECG或EKG)基于心臟收縮和舒張變化時(shí)的心肌細(xì)胞去極化會(huì)在皮膚表面產(chǎn)生微弱的電流變化，通過實(shí)時(shí)捕捉且放大人體肢體端和胸部皮膚的電生理信號(hào)變化，并根據(jù)這些變化描記出相應(yīng)的心電曲線圖。光電描記法(photoplethysmograph,PPG)基于人體活性組織和全血對紅外線和近紅外線的不同穿透性，通過實(shí)時(shí)描計(jì)人體的指端(或耳垂、鼻端、前額等)的光學(xué)變化信號(hào)獲取外周血管的血液容量隨心臟搏動(dòng)而產(chǎn)生的變化(Elgendi,2012)。不同于ECG，PPG測量僅獲取外周血流變化來推測心血管反應(yīng)，精確性比ECG測量低。尤其在低體溫等情況下，人體血液流至外周肢體端明顯減少，PPG無法探測到可靠的心臟脈動(dòng)性變化。

綜上，上述兩種測量手段均可測得不同壓力狀態(tài)下的心血管反應(yīng)變化。心血管反應(yīng)測量方法的優(yōu)點(diǎn)：客觀、量化、實(shí)時(shí)地反映個(gè)體心理壓力的變化。但是該類方法易受儀器本身采樣位置和特性的影響。其缺點(diǎn)在于：(1)測量技術(shù)要求高且成本高。心血管反應(yīng)測量的設(shè)備為醫(yī)用專業(yè)儀器，不僅需要專業(yè)醫(yī)學(xué)訓(xùn)練的人員記錄信號(hào)和分析，而且設(shè)備和耗材價(jià)格昂貴。(2)測量情境受限制。心血管反應(yīng)測量的設(shè)備體型笨重，且連接在人體上的傳感器和數(shù)據(jù)線繁多，無法在日常工作、學(xué)習(xí)以及特殊作業(yè)環(huán)境下測量。(3)無法避免測量自身產(chǎn)生的壓力反應(yīng)。心電信號(hào)測量需要通過醫(yī)務(wù)人員或?qū)I(yè)人員將電極安放在身體胸口和肢體端來獲得，無法避免胸口電極放置和“白大褂效應(yīng)”產(chǎn)生的心理壓力(Lantelme et al.,1998)。

(2)心理壓力關(guān)鍵指標(biāo)

雖然這兩類方法提取心血管反應(yīng)信號(hào)的位置不同，但是均可獲得心率變異性(heart rate variability，HRV)。心率變異性指竇性心律的波動(dòng)變化程度，受到交感神經(jīng)系統(tǒng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)的雙重調(diào)節(jié)，可有效地反映個(gè)體在不同壓力下的心血管反應(yīng)變化(Thayer et al.,2012;Reyes del Paso et al.,2013)，因此廣泛用于臨床心血管疾病診斷(庹焱，2001)、情緒障礙(閻克樂等，2006)以及心理壓力研究(Castaldo et al.,2015)。現(xiàn)有的心理壓力研究發(fā)現(xiàn)，通過心動(dòng)周期鄰近兩個(gè)R波間隔(圖1)的變化計(jì)算所得的時(shí)域、頻域、非線性特征能反映個(gè)體在不同任務(wù)中的心理壓力變化(Castaldo et al.,2015;Thayer et al.,2012)。

圖1心動(dòng)周期示意圖

時(shí)域特征：多項(xiàng)心理壓力研究(Visnovcova et al,2014;Castaldo et al.,2015)的時(shí)域分析表明，相較于平靜狀態(tài)下，人體在壓力狀態(tài)下R-R均值(測量期間的R-R均值)、pNN50(相鄰R-R間期大于50ms的個(gè)數(shù)占測量期間R-R間期總數(shù)的比例)、RMSSD(相鄰R-R間期差值的均方根)和SDNN(Standard Deviation of Normal to Normal，也稱SDRR，即測量期間平均R-R間期的標(biāo)準(zhǔn)差)普遍表現(xiàn)為下降趨勢。這意味著，R-R均值等這些時(shí)域特征可以作為心理壓力變化的探測性指標(biāo)。

頻域特征：目前用于心理壓力研究(Castaldo et al.,2015)的頻域分析參數(shù)主要是低頻信號(hào)(LF，0.04～0.15Hz)、高頻信號(hào)(HF，0.15～0.40Hz)以及低高頻功率的比值(LF/HF)。這三類參數(shù)分別反映了交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)對個(gè)體生理狀態(tài)的不同作用，下面作具體說明。(a)LF一般反映交感和副交感神經(jīng)的復(fù)合調(diào)控功能。LF能指示心理壓力的有無，但無法明確心理壓力變化的方向，因?yàn)樗诂F(xiàn)有研究中存在相反的趨勢(Castaldo et al.,2015)。其中，五項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)在壓力狀態(tài)下LF升高，三項(xiàng)研究則發(fā)現(xiàn)在壓力狀態(tài)下LF下降。(b)HF通常反映了副交感神經(jīng)的活性，隨著壓力的升高，HF數(shù)值下降。(c)LF/HF反映了交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的平衡，隨著壓力的升高，LF/HF的數(shù)值升高。這意味著，人體的HF和LF/HF的頻域特征也可以作為心理壓力變化的探測性指標(biāo)。

非線性特征：目前用于心理壓力研究的非線性分析方法各不相同，主要有Poincaré散點(diǎn)圖(Poincaré plot)(Brennan,Palaniswami,& Kamen,2001)、近似熵計(jì)算(approximate entropy)(Yentes,Hunt,Schmid,Kaipust,McGrath,& Stergiou,2013)、關(guān)聯(lián)維數(shù)計(jì)算(correlation dimension)(Faust & Bairy,2012)、去趨勢波動(dòng)分析(detrended fluctuation analysis，Penzel et al.,2003)，遞歸圖(recurrence plot)(Zbilut,Thomasson,& Webber,2002)等。目前心理壓力研究(Castaldo et al.,2015)中重復(fù)出現(xiàn)的非線性參數(shù)為D2和α1，但兩者指示的壓力趨勢并不穩(wěn)定，下面作具體說明。(a)D2指標(biāo)：通過關(guān)聯(lián)維數(shù)計(jì)算獲得，用于估計(jì)時(shí)間序列自由度數(shù)的維度復(fù)雜性。研究發(fā)現(xiàn)，相較于平靜狀態(tài)，人們在壓力狀態(tài)下D2均表現(xiàn)出明顯的下降。(b)α1指標(biāo)：通過去趨勢波動(dòng)分析獲得，用于量化心動(dòng)周期時(shí)間序列的分形相關(guān)特性的存在與否。研究發(fā)現(xiàn)，α1時(shí)而隨著壓力升高而上升，時(shí)而隨著壓力升高而下降。因此，仍需要大量實(shí)證研究去探究非線性分析方法獲得的心理壓力探測指標(biāo)的穩(wěn)定性和可靠性。

3 心理壓力測量新方法——遠(yuǎn)程無接觸式血譜成像技術(shù)

盡管上述的心血管反應(yīng)測量和相關(guān)指標(biāo)能夠客觀、量化、實(shí)時(shí)、無創(chuàng)地反映個(gè)體心理壓力變化，但是專業(yè)醫(yī)用設(shè)備及傳感器所帶來的接觸式測量仍使得個(gè)體心理壓力測試情境受到極大的限制。Shi等人(2010)首次引入無接觸式光電描記法(PPG)并驗(yàn)證了人體生理信號(hào)無接觸監(jiān)測的可行性。Cennini等人(2010)結(jié)合雙通道無接觸式PPG和動(dòng)作偽跡降低技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了30cm以外遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)的心率監(jiān)測。在經(jīng)歷了接觸式到無接觸式的轉(zhuǎn)變后，隨著高清數(shù)碼相機(jī)的普及和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，面部血流成像和定位技術(shù)使得個(gè)人指端或耳部的點(diǎn)式測量轉(zhuǎn)變?yōu)槊娌慷鄥^(qū)域測量。大量研究者致力于開發(fā)血譜成像技術(shù)及相應(yīng)的診斷指標(biāo)，以期遠(yuǎn)程、無接觸、實(shí)時(shí)且有效地測量人體的心理壓力變化，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和實(shí)踐應(yīng)用領(lǐng)域(Sun & Thakor,2016;Lee & Zheng,2016;Lee & Zheng,2017)。接下來，我們將介紹遠(yuǎn)程無接觸式血譜成像技術(shù)的基本原理及其在心理壓力研究中的關(guān)鍵性診斷指標(biāo)。

3.1 基本原理

血譜成像技術(shù)(transdermal optical imaging,TOI)作為一項(xiàng)新穎無接觸的生理信號(hào)檢測技術(shù)，它采用高清數(shù)碼攝像機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)捕獲面部的視頻圖像，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法獲取面部皮膚下的血紅蛋白含量變化，進(jìn)而獲得個(gè)人的心率、心率變異性等各種反映心血管反應(yīng)的生理指標(biāo)。該技術(shù)的基本原理是：面部皮膚下有血紅蛋白(hemoglobin)和黑色素(melatonin)兩類具有不同顏色特征的發(fā)色團(tuán)(Lister,Wright,& Chappell,2012)。光照透過皮膚在富含血紅蛋白和黑色素的不同皮層形成不同波長的反射光，高清數(shù)碼攝像頭可以敏銳地捕獲皮下兩類發(fā)色團(tuán)的光譜變化(圖2)。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法將富含血紅蛋白區(qū)域的圖像和富含黑色素區(qū)域的圖像分離，最終獲得反映皮膚下血紅蛋白濃度變化的多個(gè)圖像的位面集。

圖2皮膚結(jié)構(gòu)及血譜成像技術(shù)(TOI)的基本原理(Weietal.,2018)

面部大部分區(qū)域(例如，面頰以及下巴)中的血流主要由交感神經(jīng)血管擴(kuò)張神經(jīng)元控制，而鼻子中的血流主要由交感神經(jīng)血管收縮神經(jīng)元控制；相反，前額區(qū)域中的血流由交感神經(jīng)血管擴(kuò)張和副交感神經(jīng)血管擴(kuò)張二者進(jìn)行神經(jīng)支配?？紤]到自主神經(jīng)系統(tǒng)所控制的面部血液流動(dòng)不易服從意識(shí)控制，因此能反映皮膚下血紅蛋白濃度變化的血譜成像提供了探測壓力狀態(tài)下個(gè)體的生理信號(hào)(如，心率、呼吸頻率、血壓、血氧指數(shù)等)。此外，人體面部的不同部分在不同情境下具有不同的空間和時(shí)間激活模式(Alkawaz et al.,2015)。因此，從面部血譜成像技術(shù)可以提取各個(gè)特定面部區(qū)域中的面部血紅蛋白濃度變化，然后將來自個(gè)體的這些多維和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)陣列與基于規(guī)范數(shù)據(jù)的計(jì)算模型進(jìn)行比較，可以推斷個(gè)體的內(nèi)在情緒狀態(tài)(如，情緒類別、情緒效價(jià)、情緒強(qiáng)度等，圖3)。

圖3不同情緒狀態(tài)下面部不同區(qū)域的血譜成像(Lee&Zheng,2016)

3.2 血譜成像數(shù)據(jù)的處理和分析

不同于專業(yè)醫(yī)用設(shè)備(如，PPG)直接獲取的生理信號(hào)波形圖，血譜成像技術(shù)獲取的生理信號(hào)仍包含在一組原始圖像序列中。在比較和分析個(gè)人的心理壓力變化之前，一系列數(shù)據(jù)處理和信號(hào)提取的步驟仍需要完成，例如，面部興趣區(qū)(Region of Interest,ROI)的選取和追蹤、顏色通道選擇、信號(hào)降噪處理和生理信號(hào)提取等。以下為各個(gè)步驟的簡要操作流程。

3.2.1 面部興趣區(qū)的選取和追蹤

從實(shí)時(shí)記錄的視頻中提取血譜成像信號(hào)，面部興趣區(qū)的選取和追蹤是獲取可靠信號(hào)的關(guān)鍵步驟。通常有以下幾種方法：(a)人工選擇。只要視頻開始記錄面孔，我們就可以采用固定尺寸的區(qū)域作為整個(gè)視頻的興趣區(qū)(Kong et al.,2013)。雖然這種興趣區(qū)的選取很方便，但是通常這種情況要求被試在視頻記錄過程中保持頭部不動(dòng)。(b)基于Viola-Jones面孔探測器(VJ face detector)的自動(dòng)選擇。Poh等人(2010,2011)基于面孔探測器在每一幀視頻自動(dòng)選取并定位興趣區(qū)。值得注意的是，這種面孔探測器主要是通過正面面孔進(jìn)行訓(xùn)練的，因此當(dāng)面孔位置偏離正面呈現(xiàn)時(shí)那些幀視頻的興趣區(qū)定位缺失。(c)基于加速魯棒特征(SURF)的自動(dòng)化探測。Feng等人(2015)結(jié)合VJ面孔探測器和SURF探測器來提高興趣區(qū)選擇的準(zhǔn)確性。不同于整張面孔的選取，他們選取面孔兩頰區(qū)域作為興趣區(qū)，因?yàn)檫@兩個(gè)區(qū)域相較于面孔其他區(qū)域具有較高的信噪比(SNR)。

3.2.2 顏色通道選擇

通常，數(shù)碼攝像機(jī)具有紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)三個(gè)顏色通道。血紅蛋白的光吸收隨著光譜發(fā)生變化(見圖2)，因此選擇不同顏色通道獲得的生理信號(hào)存在差異。(a)綠色通道。Verkruysse等人(2008)發(fā)現(xiàn)在正常光照條件下，光學(xué)描記信號(hào)在RGB攝像機(jī)的三個(gè)顏色通道中有著不同的強(qiáng)度。雖然紅色和藍(lán)色通道也能獲取生理信號(hào)，但是綠色通道的生理信號(hào)幅度更強(qiáng)且噪音更弱。自此之后，一些關(guān)于脈率信號(hào)的研究會(huì)采用綠色通道作為生理信息的主要來源(Matsumura,Rolfe,Lee,& Yamakoshi,2014;Scully et al.,2012)。(b)RGB通道。Poh等人(2010,2011)采用獨(dú)立成分分析(ICA)將RGB通道形成線性組合。ICA輸出成分的非高斯性最大化，那么線性組合系數(shù)就可估計(jì)。因?yàn)閬碜圆煌伾ǖ赖纳硇盘?hào)具有類似的動(dòng)態(tài)調(diào)整，那么選擇三個(gè)顏色通道獲得的生理信號(hào)并輔以ICA方法可以弱化動(dòng)作偽跡并提高生理信號(hào)的準(zhǔn)確估計(jì)。(c)RGBCO通道。McDuff等人(2014)采用了具有五種顏色通道(紅、綠、藍(lán)、青、橙)的數(shù)碼單鏡頭反射攝像機(jī)。考慮到這會(huì)有更多的噪音源，那么顏色通道的選擇就可以允許更多的觀察值，信號(hào)源的選擇具有更多的靈活性。

3.2.3 信號(hào)降噪處理

在生理信號(hào)提取前，還需要作降噪處理。通常來說，健康成人的心率位于每分鐘40～240次，若超出這個(gè)范圍之內(nèi)的信號(hào)將被阻斷。一些濾波器在生理信號(hào)提取前作降噪處理，如移動(dòng)平均濾波器(Poh et al.,2011)、帶通濾波器(Verkruysse et al.,2008)、適應(yīng)性帶通濾波器(Wang,Stuijk,& De,2015)和小波降噪器(Ju,Qian,& Ye,2013)等。

3.2.4 生理信號(hào)提取

在信號(hào)降噪之后，有兩種方法可以用于生理信號(hào)的提取。(a)啟發(fā)式方法。McDuff等人(2014)采用時(shí)域脈搏峰值探測法，即通過移動(dòng)式窗口作局部最大值探測。如果移動(dòng)窗口內(nèi)的最大值大于前一個(gè)窗口的值，那么選擇后一個(gè)窗口的最大值作為峰值；如果移動(dòng)窗口內(nèi)的最大值小于前一個(gè)窗口的值，那么前一個(gè)窗口的最大值作為峰值；該探測過程不斷重復(fù)。然而，這種方法只會(huì)影響脈搏峰值的幅度，但忽略了脈率波形的時(shí)間規(guī)律，因此容易受到動(dòng)作誘發(fā)的干擾。另一種啟發(fā)式方法是將脈率信息轉(zhuǎn)化為頻域，可以提供基本的生理信號(hào)，例如心率和RR間期?？紤]到脈率信號(hào)是周期性信號(hào)，心率對應(yīng)的頻域峰值應(yīng)該在40～240次/分的頻段。(b)基于學(xué)習(xí)的方法。Hsu等人(2014)采用支持性向量回歸技術(shù)進(jìn)行脈率探測。簡單來說，首先估計(jì)三種頻域特征，包括R、G、B通道的空間平均頻譜幅度、ICA處理的獨(dú)立成分的頻譜幅度和基于色度的脈搏信號(hào)的頻譜幅度。通過多特征融合和支持向量回歸，與啟發(fā)法相比，這種方法具有較高的估計(jì)精度。

3.3 心理壓力測量中的診斷性指標(biāo)

面部血譜成像技術(shù)可遠(yuǎn)程、無接觸、實(shí)時(shí)獲取面部血流變化信息(如，面部不同區(qū)域的血紅蛋白含量變化)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)提取個(gè)體的心率以及基于心率的心率變異性相關(guān)的時(shí)域、頻域和非線性等反映心理壓力變化的指標(biāo)(如，非線性指標(biāo)SD1/SD2，時(shí)域、頻域及非線性的心理壓力綜合指標(biāo))。這些指標(biāo)不僅用于驗(yàn)證面部血譜成像技術(shù)在心血管反應(yīng)測量的準(zhǔn)確性和可靠性，而且也是目前能穩(wěn)定反映心理壓力變化的三個(gè)心血管反應(yīng)測量中的關(guān)鍵指標(biāo)。為了考察面部血譜成像技術(shù)在心理壓力測量上的準(zhǔn)確性，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)測量并比較健康成人在安靜狀態(tài)下的面部血流成像數(shù)據(jù)(TOI)和BIOPAC系統(tǒng)采集的心電數(shù)據(jù)中的心率、SD1/SD2、綜合時(shí)域、頻域及非線性的心率變異性綜合指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)來自兩種方法的測量具有明顯的一致性和相關(guān)性(Wei et al.,2018)。接下來對這三個(gè)指標(biāo)的提取過程和比較分析作簡單介紹。

3.3.1 心率指標(biāo)

首先，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對每個(gè)被試的視頻進(jìn)行濾波處理，濾除具有黑色素濃度變化的圖像并獲取具有血紅蛋白濃度變化的圖像(詳見Lee & Zheng,2016;Lee & Zheng,2017)。接著，將面部多個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)做平均化處理來降低信噪比。然后通過應(yīng)用Hilbert-Huang轉(zhuǎn)換來獲取TOI信號(hào)的關(guān)鍵頻率成分，在此基礎(chǔ)上獲得心率和R-R間隔的數(shù)據(jù)(Li et al.,2011)。接著比較TOI和BIOPAC在測量心率信號(hào)之間的一致性和相關(guān)性。筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過TOI獲得的R-R間期計(jì)算所得的心率變化與BIOPAC系統(tǒng)獲得的心率存在正相關(guān)(心率的相關(guān)系數(shù)r=1.00，見圖4)(Wei et al.,2018)。因此，面部血譜成像技術(shù)獲取的血紅蛋白含量變化可穩(wěn)定可靠地反映人體的心率信號(hào)，進(jìn)而用于其他心率變異性指標(biāo)的分析。

圖4多通道生理儀和面部血譜成像儀所測量的心率相關(guān)圖(Weietal.,2018)

3.3.2 SD1/SD2指標(biāo)

圖5Poincaré散點(diǎn)圖(Brennanetal.,2001)

3.3.3 時(shí)域、頻域及非線性的心理壓力綜合指標(biāo)

正如上文所述，心率變異性包含大量的時(shí)域、頻域以及非線性特征，它們反映了交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)對個(gè)體生理心理狀態(tài)的不同調(diào)節(jié)作用。因此，選擇在以往研究(Castaldo et al.,2015)中能準(zhǔn)確預(yù)測心理壓力變化的時(shí)域指標(biāo)(R-R均值、SDRR、RMSSD和pNN50)、頻域指標(biāo)(HF和LF/HF)以及非線性指標(biāo)(D2和SD1/SD2)作為心理壓力綜合指標(biāo)，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)通過比較分析1000余人的TOI和BIOPAC兩類系統(tǒng)獲得的心理壓力綜合指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)通過TOI獲得的心理壓力綜合指標(biāo)與BIOPAC系統(tǒng)獲得的心理壓力綜合指標(biāo)存在正相關(guān)(心理壓力綜合指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)r=0.94，圖7)，而且個(gè)體心理壓力越高，時(shí)域、頻域及非線性的心理壓力綜合指標(biāo)數(shù)值越高。因此，綜合了時(shí)域、頻域及非線性參數(shù)特征的心理壓力綜合指標(biāo)可以作為反映個(gè)體心理壓力動(dòng)態(tài)變化的有效指標(biāo)。

圖7多通道生理儀和面部血譜成像儀所測量的心理壓力綜合指標(biāo)相關(guān)圖

4 小結(jié)與展望

本文綜述了認(rèn)知評估、情緒反應(yīng)、應(yīng)激激素和心血管反應(yīng)測量四類心理壓力測評方法及優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了一項(xiàng)可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測人體心理壓力水平變化的面部血譜成像技術(shù)。該技術(shù)可提供以血紅蛋白濃度變化為基礎(chǔ)的人體生理心理狀態(tài)的檢測，其遠(yuǎn)程、無接觸等特點(diǎn)在心理學(xué)、醫(yī)學(xué)、特殊行業(yè)等有廣闊的應(yīng)用前景。

在科學(xué)研究領(lǐng)域上，該技術(shù)可用在認(rèn)知情緒、神經(jīng)科學(xué)、教育評估等研究中。心理學(xué)家等可通過該技術(shù)實(shí)時(shí)檢測由視覺、嗅覺、味覺、前庭感覺等引起的生理心理變化，與磁共振腦成像(MRI)、近紅外成像儀(NIRS)等系統(tǒng)相耦合，分離皮質(zhì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)和自主神經(jīng)系統(tǒng)所生成的生理信號(hào)，深入探究個(gè)體在各種情境下的腦神經(jīng)活動(dòng)和內(nèi)在情感狀態(tài)變化。教育工作者可通過該技術(shù)來探測真實(shí)教學(xué)環(huán)境下學(xué)生關(guān)于教學(xué)主題、方法等的生理心理變化，進(jìn)而完善教學(xué)主題、方法等來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果。

在實(shí)踐應(yīng)用領(lǐng)域上，該技術(shù)可用于醫(yī)療、特殊作業(yè)、刑事部門、人力資源、市場營銷等各行各業(yè)。醫(yī)生、心理學(xué)家、精神病學(xué)家等可以使用該技術(shù)來實(shí)時(shí)測量患者內(nèi)在的心理壓力以提供更好的治療等。公眾運(yùn)輸、軍事機(jī)構(gòu)等可使用該技術(shù)來實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程地監(jiān)測駕駛員、飛行員、士兵等執(zhí)行特殊作業(yè)的人群所感受的心理壓力以及疲勞程度，合理地調(diào)整這些人員的工作。國土安全以及地方警察可使用該技術(shù)來探測可疑人員和嫌疑犯的異常壓力變化和情緒反應(yīng)。人力資源部門可使用該技術(shù)來監(jiān)測員工的心理壓力變化并及時(shí)提供員工關(guān)愛計(jì)劃。企業(yè)可使用該技術(shù)測量潛在用戶在評估產(chǎn)品原型、價(jià)格、體驗(yàn)及購買意愿等不同階段的生理心理變化，進(jìn)而調(diào)整新產(chǎn)品投放市場前的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、市場定價(jià)、客戶挖掘等銷售策略。

盡管該技術(shù)在以上領(lǐng)域擁有較為廣闊的應(yīng)用前景，但是通過血譜成像技術(shù)來獲取生理信號(hào)前的數(shù)據(jù)分析和處理環(huán)節(jié)中存在較多的不可控因素(如，面部興趣區(qū)的選取和追蹤、顏色通道的選擇、信號(hào)降噪處理等)，還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化的可控信息處理模式。例如，面部興趣區(qū)域的選取。人體面部不同區(qū)域在不同情境下具有不同的空間和時(shí)間激活模式，那么不同時(shí)間點(diǎn)選擇不同的面部興趣區(qū)可能會(huì)有截然不同的信號(hào)模式。因此，該技術(shù)若要廣泛且可靠地應(yīng)用于心理學(xué)、醫(yī)學(xué)、特殊行業(yè)等不同領(lǐng)域中，仍需要在相應(yīng)情境狀態(tài)下形成特定的標(biāo)準(zhǔn)化信息處理和信號(hào)提取模式。