Mind-ware心理行為分析系統在心理學實驗中的應用

1 Mind-ware心理與行為同步分析系統簡介

1.1 基礎信號分析(BSA)

基礎信號分析是所有信息分析的基礎，通過對特定生理波形圖的分析，BSA能快速計算出波形信號的基礎統計值，如平均數(Mean)、中位數(Median)、眾數(Mode)、最大值(Max)、最小值(Min)、均方根(RMS)、交流電(AC)、直流電(DC)等，為實驗數據的處理提供了極大方便(圖1)。用戶可同時查看和分析多個通道的數據，對于某些通道類型，還可顯示更多統計結果，如心率、脈搏速率和呼吸速率等。

圖1 BSA基礎信號統計圖

研究人員可根據實際需要，設定數據分析的起止時間和數據長度，在通道比例縮放子界面，對指定分析的數據進行預覽，并調整某個具體通道的數據比例，使得曲線圖顯示比例適中、方便處理。另外， BSA能編輯修改已有的圖像，系統導出文件格式為Text文本或Excel表格形式，便于讀取。

1.2 心動阻抗分析(IMP)

阻抗心動圖是近年來國際上新發展起來的一種反映血流動力學變化的無創傷檢查方法。1966年Kubicek成功地將阻抗心動圖(Impedance cardiogram，ICG)應用于心搏出量和輸出量測定[2]，此后國內外對此又進行了深入的研究，發現ICG波形變化是心血管機械活動的綜合反映，在記錄這些生理反應的ICG波形中，包含著包括胸部阻抗在內的大量生理信息。如今，心動阻抗分析(IMP)在心理學研究領域中的應用價值越來越受到人們的重視。

在Mind-ware系統中，IMP能夠方便地計算被試左心室射血時間(LVET)、射血前期(PEP)、每搏輸出量(SV)、心輸出量(CO)、心率(HR)、總外周阻力(TPR)、基礎胸阻抗(Z0)和阻抗導數(dz/dt)的最大值等基本生理指標，涵蓋了現階段心理學研究中有關心動阻抗的基本信息。實際應用時，通常可采用其中的基礎胸阻抗(Z0)和阻抗導數(dz/dt)值作為統計分析的主要數據。其中，dz/dt信號值也可由Z0數據推導得出。用戶也可根據需要，對大范圍阻抗信號的Z0和dz/dt值的增益進行設置，選擇波形圖中Q點和B點的位置并計算出每搏輸出量。由于心臟、胸腔功能和位置的特殊性，該處記錄的數據往往顯示重要的生理變化，具有較好的推論應用價值，對于研究心理活動的生理機制提供重要線索。

1.3 心率變異性分析(HRV)

心率變異性(HRV)是指逐次心跳間隔的微小變異[3]。HRV起源于臨床需求，蘊含了有關心血管調節的大量信息。在目前的心理學研究中，許多患者因臨床疾病而導致自主神經系統功能障礙，出現焦慮、恐怖等情緒，其心率的大小與正常人有著明顯的差異，但針對正常人群進行HRV與情緒活動的研究鮮有報道。因此，有關HRV在情緒與生理心理學領域的研究有待研究者不斷開發與實踐。

相對于引起心理變化的其他生理反應而言，心率變異性更為敏感易測，在實際實驗操作中更易被采納。實驗時，用戶可自定義時間區段，計算超低頻(VLF)、低頻(LF)、高頻(HF)/呼吸性心率不齊(RSA)功率及RSA值、心率、呼吸速率、心搏間期序列、心率和呼吸功率譜以及峰值頻率，并可從傳統的呼吸測量儀或心動阻抗信號(ZO或dz/dt)導出呼吸速率和振幅，用于進行進一步數據分析。作為一種生理指標，HRV對人體細微的心理或生理變化的反應最為顯著，因此更能準確區分出不同性質類別的心理活動。

1.4 皮電活動分析(EDA)

出現在皮膚上的電現象叫做皮膚電，簡稱皮電，它是隨汗腺活動而出現的一種生物電現象。自Vigouroux于1879年發現了“皮膚電反射”以來，皮膚電是探查人類生理心理活動過程的一種手段，同時也是評價人的意向活動、喚醒水平和情緒反應等的一種指標。在實際應用中，皮電在某些方面具有極大的優越性，尤其當機體受到外在刺激或心理活動變化時，皮電活動比心電、腦電更敏感。一般認為，汗腺活動是產生和影響皮膚電傳導的重要因素，而人的汗腺活動只受交感神經而不受副交感神經的支配，因此，皮電在研究交感和副交感神經興奮問題上也具有其獨特的優越性。

Mind-ware系統里，EDA涵蓋了科研需要的基本數據，包括計算波形圖中峰值、凹點值、半復蘇振幅和時間、平均皮電水平SCL、平均皮電傳導值SC和緊張期等。EDA可對伏特(V)與微西門子(micro Siemens)之間進行比例轉換，并計算與前/后刺激一致的緊張反應和相位反應。統計分析時一般采用皮膚電導(SC)作為數據采集的典型指標，其單位為微姆歐(microho)。另外，系統可與多個設備兼容，用戶可自定義皮電反應閾值(微西門子，micro Siemens)并設置皮膚電最大/最小反應潛伏期，以便數據處理。

1.5 血壓變異性分析(BPV)

血壓變異性(blood pressure variability, BPV)反映個體在一定時間內血壓波動的程度，是人類血壓最基本的生理特征之一[4]。在生理狀況和環境變化的情況下，人體血壓會不斷地變化以保持器官有足夠的血流量。人們常把血壓和心率變異性一并作為研究自主神經系統活動的生理指標，研究包括運動、睡眠、疲勞、衰老、工作負荷以及心血管疾病等問題[5]。使用BPV時，由用戶自定義設置mmHg/Volt(汞柱每伏特)的值。BPV能計算并顯示收縮壓、心率、平均動脈壓、心搏間期和呼吸統計值，通過對心率、血壓和呼吸時間序列的頻譜分析進一步推算出峰值頻率、功率和RSA(呼吸性竇性心律不齊)的大小，并在信號曲線上明確定位和標記壓力反射序列，推算出平均壓力反射敏感值(BRS)，將這些基本數據作為研究用的生理指標。為使用方便，BPV軟件附有功能強大的信號圖編輯器，并可與多種設備兼容。

1.6 肌電信號分析(EMG)

在人體中，骨骼肌的活動是由中樞神經系統內運動神經元產生的脈沖引起的，這些脈沖由大腦、脊髓經過相應的運動神經通道到達肌肉纖維，從而引起肌肉的收縮，這種伴隨肌肉收縮產生的電活動稱為肌電(Electromyography，EMG)[6]。表面肌電則是從人體皮膚表面通過電極記錄下來的神經肌肉活動時發放的生物電信號[7]。肌電信號能夠反映神經肌肉的興奮性，因此通常用來評估神經與肌肉的功能狀態。目前，肌電信號的研究分析已成為臨床診斷、康復工程、神經生理學和生物力學等諸多領域的研究熱點。將肌電信號作為一項生理喚醒指標去研究人的心理活動是心理學實驗中一個新的突破口，國內外的相關研究剛剛開始。EMG軟件能測量研究所需的基本肌電信息，一次能夠分析多達48個通道的信號數據，程序可統計計算電壓均方根、電壓平均值、積分、峰值頻率和峰值功率等。系統自帶陷波濾波器(50/60HZ)和糾正功能，可顯示原始數據、過濾后的數據和頻譜數據。用戶也可根據需要，編輯頻帶和低通過濾器設置。為方便數據處理，EMG軟件還可計算與前/后刺激呈現一致的驚跳反應振幅和延遲時間，并導出ASCLL格式的原始數據、過濾后數據和頻譜時間序列數據，滿足基本的科研需求。

1.7 腦電信號分析(EEG)

自Hans Berger在1942年第一次記錄到自發腦電圖以來，腦電圖已成為研究腦電功能和臨床診治的常用手段。20世紀80年代至今，隨著電子計算機技術和信息處理技術的發展，腦電圖進入了數字化分析的時代[8]。作為人體最重要同時也是最復雜的生理器官，大腦通過在皮層中頻繁的電活動來完成各種生理機能。大腦皮層的這種電活動是自發的，其電位可隨時間發生變化，用電極將這種電位隨時間變化的波形提取出來并加以記錄，就可以得到腦電圖。由于腦電信號攜帶有豐富的大腦活動信息，它曾引起學術界的廣泛興趣，特別是近十幾年來，對腦電信號的研究已成為現代科學的一大熱門課題[9]。在EEG軟件中，用戶可自定義6個頻帶的功率、峰值頻率和峰值功率，其中包括α波、β波、δ波、θ波、γ波和α1波。系統允許用戶導入/導出先前編輯過的腦電時間序列數據，并與多種設備兼容，同時設有可選擇的60Hz的陷波濾波器，方便使用。對于與睡眠有關的經典腦電波實驗，完全可以使用Mind-ware進行重復驗證。Mind-ware也滿足涉及腦電信號的其它心理實驗需求。

2 Mind-ware系統在心理學實驗中的實際應用

2.1 Mind-ware系統與傳統心理實驗儀器的比較

實驗研究使心理學從思辨和經驗科學轉變為實驗科學，成為獨立于哲學之外的學科。在科學心理學產生前的幾十年里，心理學的實驗儀器主要是對當時物理學和生理學儀器進行改造后用于心理學研究的器械，如神經電傳導速度測量工具等。科學心理學誕生后，心理物理法的應用極大地推動了心理實驗儀器的發展。到了20世紀60年代，行為主義學家圍繞著刺激-反應機制設計了一系列機械裝置(如斯金納箱、高爾登笛)，以人和動物的行為表現為參考標準來對心理問題進行研究，取得了突破性進展。但是，這些傳統實驗儀器在研究方法和技術手段上還處于樸素的機械裝置水平，對心理和行為的研究也只是通過表面上看得見、摸得著的現象推斷其內在的心理過程，具有很大程度的局限性，無法透過表面的心理現象揭示心理活動的本質[10]。

一直到21世紀初，以Mind-ware心理與行為同步分析系統為縮影，融合了計算機技術、生理學與醫學理論的現代儀器設備，開始嘗試著綜合運用多領域的心理學實驗技術。Mind-ware系統注重用新的方法和技術手段來研究心理與行為活動背后的認知機制和腦機制。計算機技術、生理學和醫學等學科的發展更是給予了其強大的方法和理論支持，為揭示人的生理喚醒與心理活動的聯系、心理活動的生物學實質等問題提供了可行途徑。多種前沿科學理論的結合、新型研究方法的指導、現代化數據處理技術的支持成為Mind-ware系統的獨特優勢。

2.2 Mind-ware系統在心理實驗中的實證應用研究

Mind-ware系統能測量人體與心理活動相關的基本生理信息，如皮電(EDA)、腦電(EEG)、心電(ECG)等，并以生理喚醒指標作為間接線索，對人的內部心理活動規律及生理機制進行研究。所以，牽涉與生理機制相聯系的心理活動規律的研究都可作為Mind-ware的實驗范疇。

哈佛大學教授Karim(2009)等人基于Mind-ware系統進行了壓力下的認知決策——壓力剖面影響錨定與調整的研究。研究者采用心電、心動阻抗和連續血壓等作為數據分析指標，采用Mind-ware系統的數據信息對人在壓力狀況下的認知決策進行了探索。理論上認為，個體對壓力環境要求較高，就會認為面對的壓力環境對于自己富有挑戰性，而且相信他們具有個人資源能夠應對這些壓力，生理表現的特征是高效的心血管活性及內在的策略與動機。相反，當個體認為苛刻的環境超出了自己的應對資源時，便會產生威脅的感覺，同時，表現出的特征是低效的心血管活性與消退的動機。Mind-ware通過對被試心血管活性的測量，為實驗提供了推論依據。結果發現，在挑戰環境下的被試相對與威脅環境下的被試從自我錨定產生的調整更多，個體在協調外界壓力與內在心理時，心血管等生理指標具有不同程度的變化[11]。另外，Ghristian(2001)等人在關于兒童中期自主神經系統反應及精神病理性的研究中發現，研究者采用心率、平均動脈壓、呼吸性竇性心率不齊、射血前期、胸阻抗(Zo)及胸阻抗導數(dz/dt)作為生理反應參數，通過識別自主神經系統的反應對兒童內化與外化行為的癥狀進行了區分。結果表明，內化行為問題兒童相對于低癥狀兒童表現出較高的反應性，而外化兒童在交感和副交感系統上均表現出較低的反應性。運用Mind-ware系統有助于發現兒童精神病理發展的[12]。國外關于Mind-ware的其它實驗，如發展及環境對幼兒自律反應的影響(Abbey Alkon，Lauren H.Goldstein，Nancy Smider等，2003)、預期的威脅使心血管與情感得以恢復(Christian E. Waugh，SommerPanage，Wendy Berry Mendes等，2010)、預測學步兒童憂慮及規律性的RSA動態測試法(Rebecca J. Brooker，Kristin A. Buss，2010)等，都運用了Mind-ware操作實驗系統，執行整個實驗過程中的數據采集和分析工作。

基于Mind-ware系統測量的生理信息面較為豐富，許多心理學的實驗都可借助Mind-ware完成。目前國外對Mind-ware在心理學領域的應用正在不斷的豐富和完善，國內關于Mind-ware系統的應用研究處于剛剛引進的階段，與之相關的實驗研究工作有待心理學研究者不斷地探索。

3 結語

基礎信號分析(BSA)、心動阻抗分析(IMP)、心率變異性分析(HRV)、皮電活動分析(EDA)、血壓變異性分析(BPV)、肌電信號分析(EMG)和腦電信號分析(EEG)是Mind-ware系統的基礎軟件，這些程序采用的方法經過證明驗證，能夠準確可靠地將原始生理數據轉換為有意義的統計數據，用于心理與行為的數據分析，其功能的高效性已在生理學和心理學等許多領域的研究中得到驗證。心理學的發展離不開實驗，而實驗的發展又離不開實驗儀器的技術突破。Mind-ware心理與行為同步分析系統將會越來越廣泛地被應用到心理學實驗中去，對人的心理活動與神經生理機制的關系探尋提供有力的實證支持。

[1]王振宏,郭德俊,游旭群,等.身體攻擊行為學生自主神經活動的情緒喚醒特點[J].心理學報,2007,39(2):277-284.

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[12]Christian E W, SommerPanage, Wendy B M, et al. Autonomic Reactivity and Psychopathology in Middle Childhood [J].British Journal of Psychiatry,2001(179):144-150.

The Application of Mind-ware Psychological and Behavioral Analysis System in Psychological Experiment

FENG Xiao-hang, LIU Zhen-xing, LIU Ping, LI Yan

(Psychology Department, School of Education, Changchun Normal University，Changchun Jilin 130032, China)

Any psychological phenomena and behaviors are accompanied with certain forms of physiological arousal, and this is indirect clues to the research of mental activity.By this principle, Mind-ware psychological and behavioral synchronization analysis system can accurately measure the human’s physiological responses under different psychological states, including IMP, HRV, EDA, BPV, EMG, and EEG as physiological data.Through the reference index, Mind-ware can record the microcosmic psychological changes which are difficult to measure for traditional psychological experimental instruments, and there is important application value in the research of problems such as emotion priming effect related to autonomic nerveactivity for Mind-ware. It is helpful to explore the relation of psychological process and physiological mechanism.

physiological arousal; Mind-ware; psychological experiment

2015-09-03

長春師范大學實驗教學改革研究立項課題(JWSSY201416)。

馮曉杭(1973- )，女，吉林伊通人，長春師范大學教育科學學院心理學實驗教學中心副教授，從事實驗心理學、認知心理學研究。

B845

2095-7602(2015)12-0159-05