血譜成像技術(shù)在早期兒童教育與發(fā)展中的應(yīng)用

金燕妮　劉彥　王靜梅

為推動(dòng)早期兒童教育與跨學(xué)科研究的發(fā)展，促進(jìn)中外學(xué)者跨學(xué)科合作與交流，6月14～16日，由浙江師范大學(xué)杭州幼兒師范學(xué)院主辦的“第四屆早期兒童教育與發(fā)展神經(jīng)科學(xué)國際研討會(huì)”在浙江杭州隆重召開。本次會(huì)議涉及發(fā)展神經(jīng)科學(xué)與神經(jīng)教育學(xué)、早期兒童發(fā)展與教育、早期教育環(huán)境等重要議題，尤其是聚焦對(duì)低幼兒童研究具有變革意義的新技術(shù)——血譜成像技術(shù)（Transdermal Optical Imaging，簡(jiǎn)稱TOI技術(shù)），展示TOI技術(shù)在當(dāng)前各研究領(lǐng)域所取得的階段性成果，為國內(nèi)外學(xué)者的交流與合作提供了平臺(tái)。

一、TOI技術(shù)的原理解析

加拿大多倫多大學(xué)李康（Kang Lee）教授圍繞“TOI技術(shù)的原理與發(fā)展”這一主題，從多個(gè)方面深度解析了TOI技術(shù)。這是一項(xiàng)使用傳統(tǒng)的光學(xué)傳感器，并結(jié)合先進(jìn)的信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)來獲取皮膚下血紅蛋白濃度變化情況，從而測(cè)量生理和心理狀態(tài)的非接觸式技術(shù)。

為何選擇TOI技術(shù)？李康指出，現(xiàn)有的接觸式的用以測(cè)量生理和心理狀態(tài)的技術(shù)存在一些缺陷，如有一定的創(chuàng)傷性，價(jià)格較貴，操作相對(duì)復(fù)雜，低幼兒童很難接受長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試等，而現(xiàn)有的非接觸式的生理與心理狀態(tài)測(cè)量技術(shù)又缺乏一定的有效性和精確性。例如，研究發(fā)現(xiàn)，在日常生活中，人類面部帶有明顯表情的時(shí)間僅占7%。在這種情況下，常用的面部表情檢測(cè)技術(shù)（非接觸式測(cè)量技術(shù)）在實(shí)時(shí)檢測(cè)方面無法發(fā)揮作用，且依靠對(duì)人的面部表情的分析也無法獲得真實(shí)的情緒信息。TOI技術(shù)則能依托其卓越的性能解決這些問題。TOI技術(shù)是先將光源直接照射到面部，光線穿過皮膚表皮，根據(jù)光與組織交互原理（Light-tissue Interaction），光在到達(dá)真皮層后會(huì)出現(xiàn)反射，然后在不接觸個(gè)體的情況下，利用光學(xué)傳感器（Optical Sensing）全盤接收面部皮膚反射的光線。根據(jù)比爾-朗伯定律（Beer-lambert Law），一束單色光照射于一吸收介質(zhì)表面，在通過一定厚度的介質(zhì)后，因?yàn)榻橘|(zhì)吸收了一部分光能，所以透射光的強(qiáng)度會(huì)減弱，吸收介質(zhì)的濃度及厚度愈大，光強(qiáng)度的減弱愈顯著。光學(xué)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(jù)人體循環(huán)系統(tǒng)的原理，面部的毛細(xì)血管和人體心臟、靜脈、動(dòng)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(gè)體的生理狀況，如血壓、心率、呼吸等。因?yàn)槿诵睦砩系淖兓瘯?huì)帶來個(gè)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(gè)體的心理狀態(tài)。研究者根據(jù)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(jì)算對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)分析，可以獲得實(shí)時(shí)、可讀的生理-心理-情緒信息。TOI技術(shù)強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)能力實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)快速處理。未來在人工智能的推動(dòng)下，TOI技術(shù)還將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、分析與寫作的一體化。

二、TOI技術(shù)的可行性探析

多項(xiàng)研究為TOI技術(shù)的可行性提供了證據(jù)。北京航空航天大學(xué)劉建剛教授的團(tuán)隊(duì)利用TOI技術(shù)對(duì)面部皮下血流的變化和分布情況進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)所劃定的每個(gè)面部區(qū)域可能包含多個(gè)獨(dú)立成分，每個(gè)獨(dú)立成分又具有不同的空間分布模式。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，不同的獨(dú)立成分的時(shí)間過程都包含類似心臟活動(dòng)的幅頻特性（即電壓放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系），同時(shí)還具有不同于心臟活動(dòng)的相頻特性（即輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位差與頻率的關(guān)系）。這些發(fā)現(xiàn)說明TOI技術(shù)能有效獲得面部皮下與心血管相關(guān)的血流活動(dòng)模式。

TOI技術(shù)應(yīng)用的可行性不僅在心血管測(cè)量中得到了印證，在心理壓力測(cè)量上也展現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢(shì)。浙江理工大學(xué)嚴(yán)璘璘副教授將已有測(cè)量心理壓力的手段（認(rèn)知評(píng)估、情緒反應(yīng)測(cè)量、應(yīng)激激素測(cè)量、心血管反應(yīng)測(cè)量）與TOI技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)比較，發(fā)現(xiàn)已有的心理壓力測(cè)量手段雖有一定的優(yōu)勢(shì)，但其劣勢(shì)也表現(xiàn)得很明顯。認(rèn)知評(píng)估和情緒反應(yīng)測(cè)量的操作比較簡(jiǎn)單，成本低廉，但極易受主觀因素影響，且時(shí)效性較差。應(yīng)激激素測(cè)量雖然能客觀、量化地測(cè)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(cè)量成本高。心血管反應(yīng)測(cè)量比較客觀、量化，可是也存在測(cè)量成本高，技術(shù)要求高，測(cè)量情景受限制等缺陷。相比這些心理壓力測(cè)量手段，TOI技術(shù)能夠在不接觸受試者的情況下客觀、高效、實(shí)時(shí)地測(cè)量出個(gè)體的心理壓力，且在數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析方面更為便捷、可靠。

三、TOI技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

在實(shí)踐層面，多個(gè)領(lǐng)域的專家展示了TOI技術(shù)的階段性應(yīng)用成果。在兒童教育與發(fā)展領(lǐng)域，浙江師范大學(xué)秦金亮教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，18個(gè)月嬰幼兒通常在剛?cè)胪械娜齻€(gè)月內(nèi)很難順利適應(yīng)托幼機(jī)構(gòu)的生活，會(huì)出現(xiàn)入園哭鬧、入園孤僻、入園焦慮等現(xiàn)象，往往比小班幼兒所需要的入園適應(yīng)期更長(zhǎng)。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(jìng)爭(zhēng)性條件、傷害性條件和挑戰(zhàn)性條件。入托適應(yīng)是個(gè)體畢生發(fā)展性適應(yīng)的重要節(jié)點(diǎn)，研究者應(yīng)當(dāng)予以重視。為深入研究這一難題，秦金亮團(tuán)隊(duì)計(jì)劃以幼兒的社會(huì)性微笑為行為指標(biāo)，利用TOI技術(shù)進(jìn)行一項(xiàng)入托、入園和入學(xué)三階段的發(fā)展性適應(yīng)的長(zhǎng)期追蹤研究，旨在利用TOI技術(shù)確定與幼兒發(fā)展性適應(yīng)相關(guān)的恒定有效的生理指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)行為指標(biāo)和生理指標(biāo)的有效結(jié)合，從而為設(shè)計(jì)適應(yīng)性課程以改善幼兒適應(yīng)性行為提供有力的支持。秦金亮指出，人工智能時(shí)代的到來，對(duì)兒童的發(fā)展與教育提出了新的挑戰(zhàn)。TOI技術(shù)具有測(cè)量無接觸、無創(chuàng)傷，自然狀態(tài)采集數(shù)據(jù)，多被試并行采集數(shù)據(jù)，大尺度采集數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)。在橫向研究方面，TOI技術(shù)可以用于對(duì)兒童社會(huì)認(rèn)知、情緒情感、社會(huì)性、人格發(fā)展等的探討;在縱向研究方面，TOI技術(shù)可以用于開展兒童健康追蹤、社會(huì)性發(fā)展與適應(yīng)、發(fā)展性偏差與障礙、情緒發(fā)展、認(rèn)知發(fā)展、審美發(fā)展等的研究。秦金亮還以“社會(huì)性微笑”為例，從社會(huì)性微笑的綜合干預(yù)與改進(jìn)、社會(huì)性微笑的生化遞質(zhì)機(jī)制、社會(huì)性微笑的基因表現(xiàn)、社會(huì)性微笑的面孔血流表現(xiàn)、社會(huì)性微笑的經(jīng)驗(yàn)觀察記錄等五個(gè)方面構(gòu)想TOI技術(shù)與其他技術(shù)的整合，期待實(shí)現(xiàn)兒童發(fā)展研究跨學(xué)科、多領(lǐng)域的融合。

TOI技術(shù)在情緒、情感的識(shí)別上也展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。眾所周知，面部表情可以反映個(gè)體的情緒，但是面部肌肉是可以被個(gè)體有意識(shí)地控制的。個(gè)體可以有意地做出與實(shí)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(shí)別人類的情緒外，是否能夠找到更加客觀有效的指標(biāo)與方法來識(shí)別情緒呢？杭州師范大學(xué)傅根躍教授根據(jù)臉部血流動(dòng)力學(xué)標(biāo)志假說（the Facial Hemodynamic Signature Hypothesis），即不同的情緒會(huì)引起面部不同的血流變化模式，而這種變化模式可以測(cè)量并作為識(shí)別不同情緒的生理指標(biāo)，通過TOI技術(shù)記錄了314名大學(xué)生在觀看兩套情緒視頻時(shí)的面部血流數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同的情緒會(huì)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(shù)獲得，用作識(shí)別不同情緒的生理指標(biāo)。

在人類發(fā)展性適應(yīng)問題上，多倫多大學(xué)吳思佳（Sijia Wu）高級(jí)研究員探討了大學(xué)生的入學(xué)適應(yīng)性問題，分享了對(duì)18個(gè)學(xué)院的11741名新生入學(xué)適應(yīng)性的TOI研究結(jié)果，還分享了利用TOI技術(shù)測(cè)量考試前后學(xué)生心理壓力的研究成果。

除此之外，TOI技術(shù)在對(duì)女性服刑人員負(fù)性心境干預(yù)的研究中也得到了應(yīng)用。浙江師范大學(xué)宋曉蘭副教授介紹了女性服刑人員自我報(bào)告與面部血譜成像技術(shù)的研究結(jié)果。在這一研究過程中，TOI技術(shù)體現(xiàn)出的高效、便攜的特性，為研究帶來了極大的便利，為TOI技術(shù)的可行性和有效性提供了研究證據(jù)。浙江工商大學(xué)侯旻副教授報(bào)告了其研究團(tuán)隊(duì)利用TOI技術(shù)在品牌認(rèn)知領(lǐng)域進(jìn)行的研究。侯旻構(gòu)想在今后的研究中建立起品牌態(tài)度與TOI技術(shù)之間的關(guān)系模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)利用TOI技術(shù)對(duì)品牌態(tài)度的預(yù)測(cè)。

時(shí)代在發(fā)展，科技在進(jìn)步。每一次新技術(shù)的出現(xiàn)都為科研事業(yè)的發(fā)展提供了新思路。人工智能時(shí)代、大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)悄然來到身邊。TOI技術(shù)作為人工智能和大數(shù)據(jù)結(jié)合的產(chǎn)物，為科研事業(yè)打開了一扇新的大門。本次研討會(huì)不僅深化了我們對(duì)TOI技術(shù)的認(rèn)識(shí)，更加關(guān)注研究技術(shù)的重要性，而且拓寬了我們的研究視野。

本次研討會(huì)還舉辦了TOI技術(shù)及應(yīng)用工作坊。李康、劉建剛、秦金亮、吳思佳、王靜梅等專家詳細(xì)解答了TOI技術(shù)的原理、實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)、基于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)等問題，還進(jìn)行了操作示范。與會(huì)代表先是分小組開展實(shí)驗(yàn)操作，就其中的細(xì)節(jié)進(jìn)行深度討論，后就即將開展的研究課題進(jìn)行跨小組討論，聽取相關(guān)專家的分析、點(diǎn)評(píng)。與會(huì)代表紛紛表示收獲很大，對(duì)TOI技術(shù)及其應(yīng)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）