生物医学工程专业优秀论文生物医学工程专业优秀论文 无线可穿戴生理测量系统及其在儿童无线可穿戴生理测量系统及其在儿童情感实验中的应用研究情感实验中的应用研究关键词：情绪研究关键词：情绪研究 儿童情绪儿童情绪 无线可穿戴生理测量系统无线可穿戴生理测量系统 近红外光谱技术近红外光谱技术 心率心率 变异性变异性 自主神经系统自主神经系统 电生理信息电生理信息摘要：情绪研究是目前国际学术界最为热门的科研题目之一。其中，电生理信 息由于其在表达人们情绪状态的连续性、忠实性和非侵犯性上体现出的良好优 势，而备受国内外情绪研究者的青睐。当人们受到情绪刺激时，人的大脑(包括 大脑皮层、杏仁体、中枢神经系统等)首先会对刺激进行处理及反应，进而影响 自主神经系统的活动情况。自主神经系统活动的变化则会在很多生理反应信号 中有所体现，例如心率、皮肤电、体温、呼吸等。而这个过程往往都是在很短 的时间内就完成了，一些基本情绪(例如，恐惧情绪)甚至是在人的认知水平以 下，这就使得这些生理信息可以很原始的反应出被试真正的心理状态。 随着 情绪识别和教育评估研究的发展，我们需要对儿童生理信息、身体消耗和情绪 状态进行实时的跟踪和监测。但是，如今的电生理设备不能满足在自然状态或 教育现场对儿童生理、情绪信息进行客观准确测量的要求。随着电子信号检测、 遥测技术的发展，使用最新的无线电信技术，结合我们对学习科学研究的特殊 要求，我们开展了无线可穿戴生理测量系统(WWPS)的研制，以期将生理信号采 集端模块高度集成置于衣物中，通过无线传输到数据传输控制终端，在不妨碍 儿童知觉和行动的前提下，测量自然状态下或教育现场中，儿童在学习或其他 行为活动时的生理信号信息，并对情绪状态和身体消耗进行分析。 心电信号 中的心率变异性(HRV)指标是情绪研究中比较敏感的常用生理指标，它的变化可 以直接反应出大脑自主神经系统的活跃情况。但是原始的心电信号幅度微弱， 特别对于遥测心电数据来说，噪声干扰问题就更为严重。为了更好的从心电信 号中提取出准确的心率变异性(HRV)指标，本文对 WWPS 收集到的心电信号裸数 据进行了滤波和去除基线漂移算法的讨论。采用 FIR 经典滤波器设计的 50Hz 陷 波器可以很好的去除心电信号中 50Hz 工频干扰，但由于心电噪声是多方面的， 总体去噪滤波效果没有小波算法得到的结果好；采用最新经验模态分解(EMD)算 法进行的去除基线漂移，虽然有时会出现不同程度的端点效应，但总体效果还 是不错的，并且在 QRS 波群定位研究中具有很强的优势。另外，本文还给出了 自行设计编写的 R 波峰自动检测程序，可以快速高效的定位 R 峰值点并计算出 RR 间期时间序列，以便进行进一步的 HRV 频谱分析。以上研究结果均证明了 WWPS 系统设计的可行性、稳定性及准确性。 在上述硬件和算法研究的基础 上，本文根据儿童被试的特点，设计了一个简单的儿童情感研究实验。利用 WWPS 系统采集了 25 个儿童被试的心电信号数据，并使用近红外光谱技术(NRIS)同 时记录了被试脑前额叶皮层血氧含量的变化情况，首次将两种信号结合起来， 分析儿童在正性(快乐)和负性(恐惧)情绪状态下自主神经系统的活动水平。结 果显示，负性情绪状态下的自主神经系统活动水平显著高于正性情绪，其中交 感神经系统的激活占据了主要的控制地位：且在男女性别上也存在着显著差异， 女性的交感神经系统激活程度更为明显。而在正性情绪状态下，自主神经系统 活动水平比基线状态显著激活，但交感和副交感神经系统的激活水平并没有显 著差异，副交感神经系统的活动水平比负性情绪状态下要显著活跃，且男女没有出现显著差异。另外，儿童被试的自我报告在负性情绪状态下是与交感神经 系统活跃水平显示出更高的相关性。这些实验结果，与国际上报道的结果是相 一致的，经过不断的研发、改进和完善，无线可穿戴生理测量系统将能够成为 情绪研究、心理学甚至教育研究中非常重要的设备手段之一，为科学研究提供 又一强而有力的技术支持。正文内容正文内容情绪研究是目前国际学术界最为热门的科研题目之一。其中，电生理信息 由于其在表达人们情绪状态的连续性、忠实性和非侵犯性上体现出的良好优势， 而备受国内外情绪研究者的青睐。当人们受到情绪刺激时，人的大脑(包括大脑 皮层、杏仁体、中枢神经系统等)首先会对刺激进行处理及反应，进而影响自主 神经系统的活动情况。自主神经系统活动的变化则会在很多生理反应信号中有 所体现，例如心率、皮肤电、体温、呼吸等。而这个过程往往都是在很短的时 间内就完成了，一些基本情绪(例如，恐惧情绪)甚至是在人的认知水平以下， 这就使得这些生理信息可以很原始的反应出被试真正的心理状态。 随着情绪 识别和教育评估研究的发展，我们需要对儿童生理信息、身体消耗和情绪状态 进行实时的跟踪和监测。但是，如今的电生理设备不能满足在自然状态或教育 现场对儿童生理、情绪信息进行客观准确测量的要求。随着电子信号检测、遥 测技术的发展，使用最新的无线电信技术，结合我们对学习科学研究的特殊要 求，我们开展了无线可穿戴生理测量系统(WWPS)的研制，以期将生理信号采集 端模块高度集成置于衣物中，通过无线传输到数据传输控制终端，在不妨碍儿 童知觉和行动的前提下，测量自然状态下或教育现场中，儿童在学习或其他行 为活动时的生理信号信息，并对情绪状态和身体消耗进行分析。 心电信号中 的心率变异性(HRV)指标是情绪研究中比较敏感的常用生理指标，它的变化可以 直接反应出大脑自主神经系统的活跃情况。但是原始的心电信号幅度微弱，特 别对于遥测心电数据来说，噪声干扰问题就更为严重。为了更好的从心电信号 中提取出准确的心率变异性(HRV)指标，本文对 WWPS 收集到的心电信号裸数据 进行了滤波和去除基线漂移算法的讨论。采用 FIR 经典滤波器设计的 50Hz 陷波 器可以很好的去除心电信号中 50Hz 工频干扰，但由于心电噪声是多方面的，总 体去噪滤波效果没有小波算法得到的结果好；采用最新经验模态分解(EMD)算法 进行的去除基线漂移，虽然有时会出现不同程度的端点效应，但总体效果还是 不错的，并且在 QRS 波群定位研究中具有很强的优势。另外，本文还给出了自 行设计编写的 R 波峰自动检测程序，可以快速高效的定位 R 峰值点并计算出 RR 间期时间序列，以便进行进一步的 HRV 频谱分析。以上研究结果均证明了 WWPS 系统设计的可行性、稳定性及准确性。 在上述硬件和算法研究的基础 上，本文根据儿童被试的特点，设计了一个简单的儿童情感研究实验。利用 WWPS 系统采集了 25 个儿童被试的心电信号数据，并使用近红外光谱技术(NRIS)同 时记录了被试脑前额叶皮层血氧含量的变化情况，首次将两种信号结合起来， 分析儿童在正性(快乐)和负性(恐惧)情绪状态下自主神经系统的活动水平。结 果显示，负性情绪状态下的自主神经系统活动水平显著高于正性情绪，其中交 感神经系统的激活占据了主要的控制地位：且在男女性别上也存在着显著差异， 女性的交感神经系统激活程度更为明显。而在正性情绪状态下，自主神经系统 活动水平比基线状态显著激活，但交感和副交感神经系统的激活水平并没有显 著差异，副交感神经系统的活动水平比负性情绪状态下要显著活跃，且男女没 有出现显著差异。另外，儿童被试的自我报告在负性情绪状态下是与交感神经 系统活跃水平显示出更高的相关性。这些实验结果，与国际上报道的结果是相 一致的，经过不断的研发、改进和完善，无线可穿戴生理测量系统将能够成为 情绪研究、心理学甚至教育研究中非常重要的设备手段之一，为科学研究提供 又一强而有力的技术支持。情绪研究是目前国际学术界最为热门的科研题目之一。其中，电生理信息由于 其在表达人们情绪状态的连续性、忠实性和非侵犯性上体现出的良好优势，而 备受国内外情绪研究者的青睐。当人们受到情绪刺激时，人的大脑(包括大脑皮 层、杏仁体、中枢神经系统等)首先会对刺激进行处理及反应，进而影响自主神 经系统的活动情况。自主神经系统活动的变化则会在很多生理反应信号中有所 体现，例如心率、皮肤电、体温、呼吸等。而这个过程往往都是在很短的时间 内就完成了，一些基本情绪(例如，恐惧情绪)甚至是在人的认知水平以下，这 就使得这些生理信息可以很原始的反应出被试真正的心理状态。 随着情绪识 别和教育评估研究的发展，我们需要对儿童生理信息、身体消耗和情绪状态进 行实时的跟踪和监测。但是，如今的电生理设备不能满足在自然状态或教育现 场对儿童生理、情绪信息进行客观准确测量的要求。随着电子信号检测、遥测 技术的发展，使用最新的无线电信技术，结合我们对学习科学研究的特殊要求， 我们开展了无线可穿戴生理测量系统(WWPS)的研制，以期将生理信号采集端模 块高度集成置于衣物中，通过无线传输到数据传输控制终端，在不妨碍儿童知 觉和行动的前提下，测量自然状态下或教育现场中，儿童在学习或其他行为活 动时的生理信号信息，并对情绪状态和身体消耗进行分析。 心电信号中的心 率变异性(HRV)指标是情绪研究中比较敏感的常用生理指标，它的变化可以直接 反应出大脑自主神经系统的活跃情况。但是原始的心电信号幅度微弱，特别对 于遥测心电数据来说，噪声干扰问题就更为严重。为了更好的从心电信号中提 取出准确的心率变异性(HRV)指标，本文对 WWPS 收集到的心电信号裸数据进行 了滤波和去除基线漂移算法的讨论。采用 FIR 经典滤波器设计的 50Hz 陷波器可 以很好的去除心电信号中 50Hz 工频干扰，但由于心电噪声是多方面的，总体去 噪滤波效果没有小波算法得到的结果好；采用最新经验模态分解(EMD)算法进行 的去除基线漂移，虽然有时会出现不同程度的端点效应，但总体效果还是不错 的，并且在 QRS 波群定位研究中具有很强的优势。另外，本文还给出了自行设 计编写的 R 波峰自动检测程序，可以快速高效的定位 R 峰值点并计算出 RR 间 期时间序列，以便进行进一步的 HRV 频谱分析。以上研究结果均证明了 WWPS 系 统设计的可行性、稳定性及准确性。 在上述硬件和算法研究的基础上，本文 根据儿童被试的特点，设计了一个简单的儿童情感研究实验。利用 WWPS 系统采 集了 25 个儿童被试的心电信号数据，并使用近红外光谱技术(NRIS)同时记录了 被试脑前额叶皮层血氧含量的变化情况，首次将两种信号结合起来，分析儿童 在正性(快乐)和负性(恐惧)情绪状态下自主神经系统的活动水平。结果显示， 负性情绪状态下的自主神经系统活动水平显著高于正性情绪，其中交感神经系 统的激活占据了主要的控制地位：且在男女性别上也存在着显著差异，女性的 交感神经系统激活程度更为明显。而在正性情绪状态下，自主神经系统活动水 平比基线状态显著激活，但交感和副交感神经系统的激活水平并没有显著差异， 副交感神经系统的活动水平比负性情绪状态下要显著活跃，且男女没有出现显 著差异。另外，儿童被试的自我报告在负性情绪状态下是与交感神经系统活跃 水平显示出更高的相关性。这些实验结果，与国际上报道的结果是相一致的， 经过不断的研发、改进和完善，无线可穿戴生理测量系统将能够成为情绪研究、 心理学甚至教育研究中非常重要的设备手段之一，为科学研究提供又一强而有 力的技术支持。 情绪研究是目前国际学术界最为热门的科研题目之一。其中，电生理信息由于 其在表达人们情绪状态的连续性、忠实性和非侵犯性上体现出的良好优势，而备受国内外情绪研究者的青睐。当人们受到情绪刺激时，人的大脑(包括大脑皮 层、杏仁体、中枢神经系统等)首先会对刺激进行处理及反应，进而影响自主神 经系统的活动情况。自主神经系统活动的变化则会在很多生理反应信号中有所 体现，例如心率、皮肤电、体温、呼吸等。而这个过程往往都是在很短的时间 内就完成了，一些基本情绪(例如，恐惧情绪)甚至是在人的认知水平以下，这 就使得这些生理信息可以很原始的反应出被试真正的心理状态。 随着情绪识