Mind-ware心理行为分析系统在心理学实验中的应用

1 Mind-ware心理与行为同步分析系统简介

1.1 基础信号分析(BSA)

基础信号分析是所有信息分析的基础，通过对特定生理波形图的分析，BSA能快速计算出波形信号的基础统计值，如平均数(Mean)、中位数(Median)、众数(Mode)、最大值(Max)、最小值(Min)、均方根(RMS)、交流电(AC)、直流电(DC)等，为实验数据的处理提供了极大方便(图1)。用户可同时查看和分析多个通道的数据，对于某些通道类型，还可显示更多统计结果，如心率、脉搏速率和呼吸速率等。

图1 BSA基础信号统计图

研究人员可根据实际需要，设定数据分析的起止时间和数据长度，在通道比例缩放子界面，对指定分析的数据进行预览，并调整某个具体通道的数据比例，使得曲线图显示比例适中、方便处理。另外， BSA能编辑修改已有的图像，系统导出文件格式为Text文本或Excel表格形式，便于读取。

1.2 心动阻抗分析(IMP)

阻抗心动图是近年来国际上新发展起来的一种反映血流动力学变化的无创伤检查方法。1966年Kubicek成功地将阻抗心动图(Impedance cardiogram，ICG)应用于心搏出量和输出量测定[2]，此后国内外对此又进行了深入的研究，发现ICG波形变化是心血管机械活动的综合反映，在记录这些生理反应的ICG波形中，包含着包括胸部阻抗在内的大量生理信息。如今，心动阻抗分析(IMP)在心理学研究领域中的应用价值越来越受到人们的重视。

在Mind-ware系统中，IMP能够方便地计算被试左心室射血时间(LVET)、射血前期(PEP)、每搏输出量(SV)、心输出量(CO)、心率(HR)、总外周阻力(TPR)、基础胸阻抗(Z0)和阻抗导数(dz/dt)的最大值等基本生理指标，涵盖了现阶段心理学研究中有关心动阻抗的基本信息。实际应用时，通常可采用其中的基础胸阻抗(Z0)和阻抗导数(dz/dt)值作为统计分析的主要数据。其中，dz/dt信号值也可由Z0数据推导得出。用户也可根据需要，对大范围阻抗信号的Z0和dz/dt值的增益进行设置，选择波形图中Q点和B点的位置并计算出每搏输出量。由于心脏、胸腔功能和位置的特殊性，该处记录的数据往往显示重要的生理变化，具有较好的推论应用价值，对于研究心理活动的生理机制提供重要线索。

1.3 心率变异性分析(HRV)

心率变异性(HRV)是指逐次心跳间隔的微小变异[3]。HRV起源于临床需求，蕴含了有关心血管调节的大量信息。在目前的心理学研究中，许多患者因临床疾病而导致自主神经系统功能障碍，出现焦虑、恐怖等情绪，其心率的大小与正常人有着明显的差异，但针对正常人群进行HRV与情绪活动的研究鲜有报道。因此，有关HRV在情绪与生理心理学领域的研究有待研究者不断开发与实践。

相对于引起心理变化的其他生理反应而言，心率变异性更为敏感易测，在实际实验操作中更易被采纳。实验时，用户可自定义时间区段，计算超低频(VLF)、低频(LF)、高频(HF)/呼吸性心率不齐(RSA)功率及RSA值、心率、呼吸速率、心搏间期序列、心率和呼吸功率谱以及峰值频率，并可从传统的呼吸测量仪或心动阻抗信号(ZO或dz/dt)导出呼吸速率和振幅，用于进行进一步数据分析。作为一种生理指标，HRV对人体细微的心理或生理变化的反应最为显著，因此更能准确区分出不同性质类别的心理活动。

1.4 皮电活动分析(EDA)

出现在皮肤上的电现象叫做皮肤电，简称皮电，它是随汗腺活动而出现的一种生物电现象。自Vigouroux于1879年发现了“皮肤电反射”以来，皮肤电是探查人类生理心理活动过程的一种手段，同时也是评价人的意向活动、唤醒水平和情绪反应等的一种指标。在实际应用中，皮电在某些方面具有极大的优越性，尤其当机体受到外在刺激或心理活动变化时，皮电活动比心电、脑电更敏感。一般认为，汗腺活动是产生和影响皮肤电传导的重要因素，而人的汗腺活动只受交感神经而不受副交感神经的支配，因此，皮电在研究交感和副交感神经兴奋问题上也具有其独特的优越性。

Mind-ware系统里，EDA涵盖了科研需要的基本数据，包括计算波形图中峰值、凹点值、半复苏振幅和时间、平均皮电水平SCL、平均皮电传导值SC和紧张期等。EDA可对伏特(V)与微西门子(micro Siemens)之间进行比例转换，并计算与前/后刺激一致的紧张反应和相位反应。统计分析时一般采用皮肤电导(SC)作为数据采集的典型指标，其单位为微姆欧(microho)。另外，系统可与多个设备兼容，用户可自定义皮电反应阈值(微西门子，micro Siemens)并设置皮肤电最大/最小反应潜伏期，以便数据处理。

1.5 血压变异性分析(BPV)

血压变异性(blood pressure variability, BPV)反映个体在一定时间内血压波动的程度，是人类血压最基本的生理特征之一[4]。在生理状况和环境变化的情况下，人体血压会不断地变化以保持器官有足够的血流量。人们常把血压和心率变异性一并作为研究自主神经系统活动的生理指标，研究包括运动、睡眠、疲劳、衰老、工作负荷以及心血管疾病等问题[5]。使用BPV时，由用户自定义设置mmHg/Volt(汞柱每伏特)的值。BPV能计算并显示收缩压、心率、平均动脉压、心搏间期和呼吸统计值，通过对心率、血压和呼吸时间序列的频谱分析进一步推算出峰值频率、功率和RSA(呼吸性窦性心律不齐)的大小，并在信号曲线上明确定位和标记压力反射序列，推算出平均压力反射敏感值(BRS)，将这些基本数据作为研究用的生理指标。为使用方便，BPV软件附有功能强大的信号图编辑器，并可与多种设备兼容。

1.6 肌电信号分析(EMG)

在人体中，骨骼肌的活动是由中枢神经系统内运动神经元产生的脉冲引起的，这些脉冲由大脑、脊髓经过相应的运动神经通道到达肌肉纤维，从而引起肌肉的收缩，这种伴随肌肉收缩产生的电活动称为肌电(Electromyography，EMG)[6]。表面肌电则是从人体皮肤表面通过电极记录下来的神经肌肉活动时发放的生物电信号[7]。肌电信号能够反映神经肌肉的兴奋性，因此通常用来评估神经与肌肉的功能状态。目前，肌电信号的研究分析已成为临床诊断、康复工程、神经生理学和生物力学等诸多领域的研究热点。将肌电信号作为一项生理唤醒指标去研究人的心理活动是心理学实验中一个新的突破口，国内外的相关研究刚刚开始。EMG软件能测量研究所需的基本肌电信息，一次能够分析多达48个通道的信号数据，程序可统计计算电压均方根、电压平均值、积分、峰值频率和峰值功率等。系统自带陷波滤波器(50/60HZ)和纠正功能，可显示原始数据、过滤后的数据和频谱数据。用户也可根据需要，编辑频带和低通过滤器设置。为方便数据处理，EMG软件还可计算与前/后刺激呈现一致的惊跳反应振幅和延迟时间，并导出ASCLL格式的原始数据、过滤后数据和频谱时间序列数据，满足基本的科研需求。

1.7 脑电信号分析(EEG)

自Hans Berger在1942年第一次记录到自发脑电图以来，脑电图已成为研究脑电功能和临床诊治的常用手段。20世纪80年代至今，随着电子计算机技术和信息处理技术的发展，脑电图进入了数字化分析的时代[8]。作为人体最重要同时也是最复杂的生理器官，大脑通过在皮层中频繁的电活动来完成各种生理机能。大脑皮层的这种电活动是自发的，其电位可随时间发生变化，用电极将这种电位随时间变化的波形提取出来并加以记录，就可以得到脑电图。由于脑电信号携带有丰富的大脑活动信息，它曾引起学术界的广泛兴趣，特别是近十几年来，对脑电信号的研究已成为现代科学的一大热门课题[9]。在EEG软件中，用户可自定义6个频带的功率、峰值频率和峰值功率，其中包括α波、β波、δ波、θ波、γ波和α1波。系统允许用户导入/导出先前编辑过的脑电时间序列数据，并与多种设备兼容，同时设有可选择的60Hz的陷波滤波器，方便使用。对于与睡眠有关的经典脑电波实验，完全可以使用Mind-ware进行重复验证。Mind-ware也满足涉及脑电信号的其它心理实验需求。

2 Mind-ware系统在心理学实验中的实际应用

2.1 Mind-ware系统与传统心理实验仪器的比较

实验研究使心理学从思辨和经验科学转变为实验科学，成为独立于哲学之外的学科。在科学心理学产生前的几十年里，心理学的实验仪器主要是对当时物理学和生理学仪器进行改造后用于心理学研究的器械，如神经电传导速度测量工具等。科学心理学诞生后，心理物理法的应用极大地推动了心理实验仪器的发展。到了20世纪60年代，行为主义学家围绕着刺激-反应机制设计了一系列机械装置(如斯金纳箱、高尔登笛)，以人和动物的行为表现为参考标准来对心理问题进行研究，取得了突破性进展。但是，这些传统实验仪器在研究方法和技术手段上还处于朴素的机械装置水平，对心理和行为的研究也只是通过表面上看得见、摸得着的现象推断其内在的心理过程，具有很大程度的局限性，无法透过表面的心理现象揭示心理活动的本质[10]。

一直到21世纪初，以Mind-ware心理与行为同步分析系统为缩影，融合了计算机技术、生理学与医学理论的现代仪器设备，开始尝试着综合运用多领域的心理学实验技术。Mind-ware系统注重用新的方法和技术手段来研究心理与行为活动背后的认知机制和脑机制。计算机技术、生理学和医学等学科的发展更是给予了其强大的方法和理论支持，为揭示人的生理唤醒与心理活动的联系、心理活动的生物学实质等问题提供了可行途径。多种前沿科学理论的结合、新型研究方法的指导、现代化数据处理技术的支持成为Mind-ware系统的独特优势。

2.2 Mind-ware系统在心理实验中的实证应用研究

Mind-ware系统能测量人体与心理活动相关的基本生理信息，如皮电(EDA)、脑电(EEG)、心电(ECG)等，并以生理唤醒指标作为间接线索，对人的内部心理活动规律及生理机制进行研究。所以，牵涉与生理机制相联系的心理活动规律的研究都可作为Mind-ware的实验范畴。

哈佛大学教授Karim(2009)等人基于Mind-ware系统进行了压力下的认知决策——压力剖面影响锚定与调整的研究。研究者采用心电、心动阻抗和连续血压等作为数据分析指标，采用Mind-ware系统的数据信息对人在压力状况下的认知决策进行了探索。理论上认为，个体对压力环境要求较高，就会认为面对的压力环境对于自己富有挑战性，而且相信他们具有个人资源能够应对这些压力，生理表现的特征是高效的心血管活性及内在的策略与动机。相反，当个体认为苛刻的环境超出了自己的应对资源时，便会产生威胁的感觉，同时，表现出的特征是低效的心血管活性与消退的动机。Mind-ware通过对被试心血管活性的测量，为实验提供了推论依据。结果发现，在挑战环境下的被试相对与威胁环境下的被试从自我锚定产生的调整更多，个体在协调外界压力与内在心理时，心血管等生理指标具有不同程度的变化[11]。另外，Ghristian(2001)等人在关于儿童中期自主神经系统反应及精神病理性的研究中发现，研究者采用心率、平均动脉压、呼吸性窦性心率不齐、射血前期、胸阻抗(Zo)及胸阻抗导数(dz/dt)作为生理反应参数，通过识别自主神经系统的反应对儿童内化与外化行为的症状进行了区分。结果表明，内化行为问题儿童相对于低症状儿童表现出较高的反应性，而外化儿童在交感和副交感系统上均表现出较低的反应性。运用Mind-ware系统有助于发现儿童精神病理发展的[12]。国外关于Mind-ware的其它实验，如发展及环境对幼儿自律反应的影响(Abbey Alkon，Lauren H.Goldstein，Nancy Smider等，2003)、预期的威胁使心血管与情感得以恢复(Christian E. Waugh，SommerPanage，Wendy Berry Mendes等，2010)、预测学步儿童忧虑及规律性的RSA动态测试法(Rebecca J. Brooker，Kristin A. Buss，2010)等，都运用了Mind-ware操作实验系统，执行整个实验过程中的数据采集和分析工作。

基于Mind-ware系统测量的生理信息面较为丰富，许多心理学的实验都可借助Mind-ware完成。目前国外对Mind-ware在心理学领域的应用正在不断的丰富和完善，国内关于Mind-ware系统的应用研究处于刚刚引进的阶段，与之相关的实验研究工作有待心理学研究者不断地探索。

3 结语

基础信号分析(BSA)、心动阻抗分析(IMP)、心率变异性分析(HRV)、皮电活动分析(EDA)、血压变异性分析(BPV)、肌电信号分析(EMG)和脑电信号分析(EEG)是Mind-ware系统的基础软件，这些程序采用的方法经过证明验证，能够准确可靠地将原始生理数据转换为有意义的统计数据，用于心理与行为的数据分析，其功能的高效性已在生理学和心理学等许多领域的研究中得到验证。心理学的发展离不开实验，而实验的发展又离不开实验仪器的技术突破。Mind-ware心理与行为同步分析系统将会越来越广泛地被应用到心理学实验中去，对人的心理活动与神经生理机制的关系探寻提供有力的实证支持。

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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

长春师范大学实验教学改革研究立项课题(JWSSY201416)。

冯晓杭(1973- )，女，吉林伊通人，长春师范大学教育科学学院心理学实验教学中心副教授，从事实验心理学、认知心理学研究。

B845

2095-7602(2015)12-0159-05