微笑表情的近紅外額耳穴信號小波超低頻功率譜特征提取*

李文石

(1.蘇州大學電子信息學院，蘇州 215021；2.南京大學近代聲學教育部重點實驗室， 南京210093)

微笑是一種頻度最高的面部表情，既可通信表達個體的正性情緒狀態(tài)，也可實現(xiàn)社會交往功能諸如歡迎和安撫[1]。

微笑測量研究的主要領域包括微笑美學、微笑識別和微笑腦科學。

微笑美學基于微笑線比率(2|2切緣弧度/下唇上緣弧度)等參數(shù)考察微笑的幾何美，統(tǒng)計得到平均微笑線的占比高達69 %，認為理想的微笑是上切牙的牙冠顯露四分之三， 同時牙齦顯露在2 mm以內[2-3]。

微笑識別研究有助于機器智能應用的情感理解與仿真[4-5]。

微笑腦科學的已知成果表明：左前額皮層主要司職正性積極情緒， 右前額皮層主要管理負性情緒[6]，例如，左半球損傷之后容易罹患抑郁癥的原因是：左腦區(qū)域損傷后將導致積極情緒體驗能力的缺失，也容易造成微笑表情的缺失，這是抑郁癥的標志性特征[7]。

鑒于微笑測量研究的新趨勢是預測健康[6]，本工作旨在無損間接測量微笑區(qū)別于平靜的人腦機制，研究思想基于額耳穴反射腦額區(qū)的神經遞質的超慢漲落，具體通過透射方式得到耳動脈血的氧合血紅蛋白色基之于近紅外光的吸收漲落[8]，為間接測量抑郁或者疲勞，積累基礎性的研究數(shù)據(jù)。

1 實驗原理

實驗原理分別基于耳腦反射機制、近紅外吸收窗口和血氧超慢信號的內源性。

1.1 耳腦反射機制

圖1是人腦功能分區(qū)與主要耳穴圖解。

國際耳穴理論認為[9]：人的耳廓恰似倒置的胎兒，耳垂對應于頭面部位；額耳穴位于對耳屏1 區(qū)(Antitragus No.1 Acupoint)，與人腦額區(qū)呈現(xiàn)相互反射的關系。因此，通過采集分析額耳穴信號，可能探知腦額區(qū)對于正性情緒表達例如微笑的調控作用。

圖1 人腦功能分區(qū)與主要耳穴圖解

1.2 近紅外吸收窗口

近紅外檢測可針對血液中的氧合血紅蛋白(HbO2)或氧離血紅蛋白(Hb)的濃度，具有非電離的無損特性。 HbO2與Hb的吸收系數(shù)跟波長的關系，構成了紅光/近紅外低吸收譜窗口波段(700 ～1 100)nm，參見圖2[10]。

圖2提示我們：960 nm波長僅對氧合血紅蛋白敏感；又因為耳垂富含動脈血[11]，血氧飽和度高達(97.0±0.9)%，因此，本技術選擇近紅外波長960 nm主要針對上耳垂部位(對耳屏1區(qū))的氧合血紅蛋白濃度的漲落。

圖2 血紅蛋白近紅外光吸收窗口

1.3 血氧超慢信號的內源性

因為存在腦(耳)神經血管耦合機制的緣故，使得腦血氧超慢信號與腦神經遞質的超慢特性具有同源性。已知成果揭示了腦血氧超慢信號的共性特點是：

①頻段位于(0.1 ～40)mHz附近；

②屬于獨立于心跳和呼吸的神經血管耦合貢獻；

③可被藥物、病理條件或者腦認知所調控。

因此，提取所采集信號中的超低頻成分具有神經機制基礎。

基于前述的原理分析，本工作設計了如下的微笑特征提取實驗。

2 實驗設計

實驗設計首先簡介受試者選擇，接著概論實驗儀器結構、應用步驟與算法選擇要點。

2.1 受試者選擇

16位志愿被測者的相關信息是：

①11人包括女5人，在校研究生、本科生和大專生；

②平均年齡為(24±4)歲；

③被測者自愿接受平靜/微笑測試；

④要求被測者于測試前身體狀態(tài)良好，近期沒有服用藥物。

2.2 信號采集與處理

圖3是自制的腦認知研究測量系統(tǒng)框圖[8]。

圖3 腦認知研究測量系統(tǒng)框圖

信號采集條件：

①保持測試環(huán)境安靜，例如不被手機和鈴聲及其它噪聲所干擾，現(xiàn)場只有測試者和被測者兩人；

②測試過程中要求，平靜狀態(tài)受試者微閉雙眼，大腦處于休息狀態(tài)。微笑狀態(tài)受試者微閉雙眼，不用腦思維但做出微笑表情(嘴角上提，微露齒)；

③兩種狀態(tài)下身體都需保持靜止，尤其是不能晃動頭部；

④近紅外收發(fā)對管放于受試者右耳額穴，發(fā)射管在耳前，接收管在耳后，兩管夾角均為零度；

⑤Agilent示波器連接PC機，每秒鐘采集1 000點，采集1 s后間隔10 s采集下一次，共采集10次完成一組平靜/微笑的數(shù)據(jù)建庫任務。

數(shù)據(jù)處理算法：在自主編制的處理軟件中，首先做數(shù)據(jù)預處理包括三點平滑與歸一化等；接著調用db3小波分解語句，例如：[b， l] =wavedec(a， 10，‘db3' )，做10級分解，然后再重構，得到超低頻功率譜值作為提取特征。

3 數(shù)據(jù)分析

圖4是男性受試者(25周歲)平靜對比微笑的10級重構db3小波譜舉例。

圖4 平靜對比微笑的10級重構db3小波譜

其中，平靜譜值是微笑時的10倍數(shù)量級， 該典型結果提示：微笑時所引發(fā)的腦耗氧很少；這是因為額耳穴內動脈血的氧合血紅蛋白濃度保持較高水平，吸收較多的940 nm波長能量， 故而透射輸出很少。

表1所示為10 000點數(shù)據(jù)的10級重構db3 小波譜的平靜與微笑能量(功率譜值)比值R(受試者n=16)。其中，針對每位受試者分別測試后處理得到組1 ～組3共計三組數(shù)據(jù)，旨在證明該實驗的可重復性。

表1 平靜與微笑能量比R

將表1中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計成餅圖(圖5：依據(jù)R值分段)，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：

①至少81 %的受試者符合微笑比平靜能耗低(R≥1.00)的規(guī)律(實驗的一致性表現(xiàn)：組1和組2為81 %，組3 則為87 %)，這與微笑牽動的面部肌肉相對較少這一機制相符合，也與首次應用PET技術報道的誘發(fā)微笑時腦額區(qū)激活降低的規(guī)律相一致[12]；

圖5 平靜對比微笑的能量比R的成分分析餅圖

②針對微笑比平靜能耗高的被測者(R＜1.00)，我們從側面了解到：其中一位是測試前重感冒剛好，一位是近期心情不好，還有一位同學平時就不與同學交往，有些自閉。

③采集1組數(shù)據(jù)需要100 s，而長時間一直維持微笑比較困難，所以對于微笑持續(xù)時間較短的數(shù)據(jù)組(1.00≤R≤1.02)，平靜與微笑的比值就比較接近于1。

4 結論與討論

本工作初步認為：從平靜與微笑的能耗關系入手，基于近紅外額耳穴的小波超低頻特征，無損測量受試者是否有抑郁傾向或疲勞，方法可行，因為統(tǒng)計結果表明，81%的受試者具有微笑小于平靜的小波超低頻功率譜特征，所以值得擴大實驗樣本做進一步探究。

討論：經過驗證，本實驗采用的近紅外線產生熱量很少(0.05 W/cm2at 940 nm)，遠遠小于皮膚的最大照射限制能量(0.2 W/cm2at 630 nm， 0.4 W/cm2at 850 nm)[13]。

感謝鮑信茹碩士與姚志剛碩士的實驗合作。

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