馮曉杭，劉振興，劉 平，李 妍

(長春師范大學教育科學學院，長春吉林 130032)

Mind-ware心理行為分析系統(tǒng)在心理學實驗中的應用

馮曉杭，劉振興，劉 平，李 妍

(長春師范大學教育科學學院，長春吉林 130032)

任何心理現(xiàn)象和行為都伴隨一定形式的生理喚醒，這是研究心理活動的間接線索。Mind-ware心理行為同步分析系統(tǒng)利用這一原理，能夠準確測量人在不同心理狀態(tài)下的生理反應，包括心動阻抗(IMP)、心率變異性(HRV)、皮電(EDA)、血壓變異性(BPV)、肌電(EMG)和腦電(EEG)等生理數(shù)據(jù)。通過這些參考指標，Mind-ware可以記錄傳統(tǒng)心理實驗儀器難以測量的人的微觀心理變化，對與自主神經(jīng)活動相關的情緒啟動效應等問題的研究具有重要應用價值，有利于探索人的心理活動過程與生理機制的聯(lián)系。

生理喚醒；Mind-ware；心理學實驗

現(xiàn)代心理學的產(chǎn)生離不開心理學實驗的發(fā)展。1879年，馮特在德國萊比錫大學建立了世界上第一個科學心理學實驗室，標志著現(xiàn)代科學心理學的誕生。一百多年之后，隨著社會的發(fā)展，在不斷融合計算機科學、生物學、物理學和醫(yī)學等其它學科的知識的同時，心理學實驗技術發(fā)生了巨大的演變。不同學科的分支、交叉，往往伴隨著新的研究成果的誕生。Mind-ware心理與行為同步分析系統(tǒng)便是借助于生理心理學、計算機科學理論研發(fā)出來的心理學實驗儀器，用于測量人在不同心理狀態(tài)下的自主神經(jīng)的生理反應。傳統(tǒng)心理實驗的研究注重心理活動的外顯行為，難以解釋其內(nèi)部生理機制。近年來的許多研究表明，心理活動常常伴隨一定形式的生理變化，并與自主神經(jīng)活動密切相關。通過對已有關于情緒問題的研究發(fā)現(xiàn)，通過刺激人的情緒引起心理活動的變化時，會引起一系列自主神經(jīng)系統(tǒng)活動、內(nèi)分泌系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)活動的改變，即生理喚醒。情緒發(fā)生時，人的心率、血壓、皮膚電等自主神經(jīng)活動的指標在強度、峰值、時間過程發(fā)生的變化都存在一定的普遍性和規(guī)律性，心血管反應、皮膚電反應、呼吸變化等與生理喚醒水平密切相關[1]。由情緒反應推廣到所有的心理活動，是否也存在著某種規(guī)律？心理行為與生理變化之間是否有某種必然的聯(lián)系？心理學潮流的發(fā)展需要解釋這些問題?；诖耍琈ind-ware系統(tǒng)基于人的心動阻抗、心率變異性、皮電、血壓變異性、肌電和腦電等作為測量生理活動的基本指標，應用于心理學實驗教學與研究。

1 Mind-ware心理與行為同步分析系統(tǒng)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(tǒng)計值，如平均數(shù)(Mean)、中位數(shù)(Median)、眾數(shù)(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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，對于某些通道類型，還可顯示更多統(tǒng)計結果，如心率、脈搏速率和呼吸速率等。

圖1 BSA基礎信號統(tǒng)計圖

研究人員可根據(jù)實際需要，設定數(shù)據(jù)分析的起止時間和數(shù)據(jù)長度，在通道比例縮放子界面，對指定分析的數(shù)據(jù)進行預覽，并調(diào)整某個具體通道的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(fā)展起來的一種反映血流動力學變化的無創(chuàng)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(nèi)外對此又進行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(tǒng)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(shù)(dz/dt)的最大值等基本生理指標，涵蓋了現(xiàn)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?？刹捎闷渲械幕A胸阻抗(Z0)和阻抗導數(shù)(dz/dt)值作為統(tǒng)計分析的主要數(shù)據(jù)。其中，dz/dt信號值也可由Z0數(shù)據(jù)推導得出。用戶也可根據(jù)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(shù)據(jù)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(diào)節(jié)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(jīng)系統(tǒng)功能障礙，出現(xiàn)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(fā)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(qū)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(qū)分出不同性質(zhì)類別的心理活動。

1.4 皮電活動分析(EDA)

出現(xiàn)在皮膚上的電現(xiàn)象叫做皮膚電，簡稱皮電，它是隨汗腺活動而出現(xiàn)的一種生物電現(xiàn)象。自Vigouroux于1879年發(fā)現(xiàn)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(yōu)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(chǎn)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(jīng)而不受副交感神經(jīng)的支配，因此，皮電在研究交感和副交感神經(jīng)興奮問題上也具有其獨特的優(yōu)越性。

Mind-ware系統(tǒng)里，EDA涵蓋了科研需要的基本數(shù)據(jù)，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(zhuǎn)換，并計算與前/后刺激一致的緊張反應和相位反應。統(tǒng)計分析時一般采用皮膚電導(SC)作為數(shù)據(jù)采集的典型指標，其單位為微姆歐(microho)。另外，系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(nèi)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(huán)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(jīng)系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(jīng)系統(tǒng)內(nèi)運動神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖引起的，這些脈沖由大腦、脊髓經(jīng)過相應的運動神經(jīng)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(chǎn)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(jīng)肌肉活動時發(fā)放的生物電信號[7]。肌電信號能夠反映神經(jīng)肌肉的興奮性，因此通常用來評估神經(jīng)與肌肉的功能狀態(tài)。目前，肌電信號的研究分析已成為臨床診斷、康復工程、神經(jīng)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(nèi)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(shù)據(jù)，程序可統(tǒng)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(tǒng)自帶陷波濾波器(50/60HZ)和糾正功能，可顯示原始數(shù)據(jù)、過濾后的數(shù)據(jù)和頻譜數(shù)據(jù)。用戶也可根據(jù)需要，編輯頻帶和低通過濾器設置。為方便數(shù)據(jù)處理，EMG軟件還可計算與前/后刺激呈現(xiàn)一致的驚跳反應振幅和延遲時間，并導出ASCLL格式的原始數(shù)據(jù)、過濾后數(shù)據(jù)和頻譜時間序列數(shù)據(jù)，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(fā)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(fā)展，腦電圖進入了數(shù)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(fā)的，其電位可隨時間發(fā)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(xiàn)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(tǒng)允許用戶導入/導出先前編輯過的腦電時間序列數(shù)據(jù)，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(jīng)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(tǒng)在心理學實驗中的實際應用

2.1 Mind-ware系統(tǒng)與傳統(tǒng)心理實驗儀器的比較

實驗研究使心理學從思辨和經(jīng)驗科學轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶒灴茖W，成為獨立于哲學之外的學科。在科學心理學產(chǎn)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(jīng)電傳導速度測量工具等?？茖W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(fā)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)象推斷其內(nèi)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(xiàn)象揭示心理活動的本質(zhì)[10]。

一直到21世紀初，以Mind-ware心理與行為同步分析系統(tǒng)為縮影，融合了計算機技術、生理學與醫(yī)學理論的現(xiàn)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(tǒng)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(yī)學等學科的發(fā)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(lián)系、心理活動的生物學實質(zhì)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(xiàn)代化數(shù)據(jù)處理技術的支持成為Mind-ware系統(tǒng)的獨特優(yōu)勢。

2.2 Mind-ware系統(tǒng)在心理實驗中的實證應用研究

Mind-ware系統(tǒng)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(nèi)部心理活動規(guī)律及生理機制進行研究。所以，牽涉與生理機制相聯(lián)系的心理活動規(guī)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(tǒng)進行了壓力下的認知決策——壓力剖面影響錨定與調(diào)整的研究。研究者采用心電、心動阻抗和連續(xù)血壓等作為數(shù)據(jù)分析指標，采用Mind-ware系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(huán)境要求較高，就會認為面對的壓力環(huán)境對于自己富有挑戰(zhàn)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(xiàn)的特征是高效的心血管活性及內(nèi)在的策略與動機。相反，當個體認為苛刻的環(huán)境超出了自己的應對資源時，便會產(chǎn)生威脅的感覺，同時，表現(xiàn)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(jù)。結果發(fā)現(xiàn)，在挑戰(zhàn)環(huán)境下的被試相對與威脅環(huán)境下的被試從自我錨定產(chǎn)生的調(diào)整更多，個體在協(xié)調(diào)外界壓力與內(nèi)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(jīng)系統(tǒng)反應及精神病理性的研究中發(fā)現(xiàn)，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(shù)(dz/dt)作為生理反應參數(shù)，通過識別自主神經(jīng)系統(tǒng)的反應對兒童內(nèi)化與外化行為的癥狀進行了區(qū)分。結果表明，內(nèi)化行為問題兒童相對于低癥狀兒童表現(xiàn)出較高的反應性，而外化兒童在交感和副交感系統(tǒng)上均表現(xiàn)出較低的反應性。運用Mind-ware系統(tǒng)有助于發(fā)現(xiàn)兒童精神病理發(fā)展的[12]。國外關于Mind-ware的其它實驗，如發(fā)展及環(huán)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(guī)律性的RSA動態(tài)測試法(Rebecca J. Brooker，Kristin A. Buss，2010)等，都運用了Mind-ware操作實驗系統(tǒng)，執(zhí)行整個實驗過程中的數(shù)據(jù)采集和分析工作。

基于Mind-ware系統(tǒng)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(nèi)關于Mind-ware系統(tǒng)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(tǒng)的基礎軟件，這些程序采用的方法經(jīng)過證明驗證，能夠準確可靠地將原始生理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有意義的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，用于心理與行為的數(shù)據(jù)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(fā)展離不開實驗，而實驗的發(fā)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(tǒng)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(jīng)生理機制的關系探尋提供有力的實證支持。

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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

A

2095-7602(2015)12-0159-05