• 一文读懂皮肤电活动原理、技术及数据预处理

皮肤电反应原理

Galvanic Skin Response

皮肤电反应（Galvanic Skin Response，GSR）是汗腺活动或交感神经系统的变化导致的皮肤电阻波动，是测量情绪反应的常用指标。

皮肤电反应（GSR）的发现

皮肤电反应（GSR）最早是在1888年观察到的。1888年，法国神经学家Fere报道，不同的物理和情绪刺激可以诱发皮肤电活动的变化，Fere认为，与感觉和情绪刺激相关的情况说明皮肤电反应是神经兴奋的指标，换句话说，皮肤电反应是测量唤醒的指标。

Vigourous（1879，1888）测量不同病人的皮肤电阻，以此协助对病人的疾病的临床诊断。跟他在同一个实验室的Fere（1888）发现不同的刺激，例如，视觉的，听觉的，味觉的，嗅觉的等，可引起皮肤电阻的不同变化。Tarchanoff（1890）报告，在不通过电流的情况下，从放置在皮肤上的两点之间，也可以引出电位差。

前者被称作外加电流法（Exosomatic Method），后者被称作内在电位法（Endosomatic Method）。前者至今仍是研究皮肤电活动最常使用的方法。

1971年，Lykken和Venables提出了记录皮肤电导和测量数据的标准化方法，这也标志着皮肤电反应（GSR）研究的开端。

皮肤电反应（GSR）的历史演变

皮肤电反应（GSR）在历史上还有皮肤电活动（Electrodermal Activity, EDA）、心电反射（Psycho Galvanic Reflex，PGR）、皮肤电位（Electrodermal Potential, EDP）、皮肤电阻（Skin Resistance, SR）、皮电传导（Skin Conductance，SC）、皮电（Skin Potential, SP）等，近年来统称为EDA。

为了减少名称带来的混乱，在生理心理学中确定了以下统一命名：

皮肤电导（Skin Conductance，SC）：在表皮上用一个恒定的电压，可以测出皮肤电导的大小，其单位是微欧姆（Micromho），由于它是用一个外加电压来测量皮肤电导，所以叫＂外源性测量＂（Exosomatic）。皮肤电导值（欧姆）的倒数就是皮肤电阻（欧姆）。

皮肤电导水平（Skin Conductance Level, SCL）：是跨越皮肤两点间的皮肤电导的绝对值，也可以称作＂基础皮肤电传导＂（Basal Skin Conductance）。一般认为它是平静状态下生理活动的基础值。

皮肤电导反应（Skin Conductance Response, SCR）：在皮肤电导水平中出现的一个瞬时、较快的波动，是由刺激引起的生理心理激活状态。

电导水平与电导反应是两个不同的概念，它们之间的区别如下：

人在安静时，在皮肤表面两点间的基础值就是电导水平值。这种水平值经常波动，个体活跃时电导水平相对增高，松弛时则相对较低。电导水平是一种评价起动势能很好的参数。当人受到外界刺激处于强烈的激情状态如愤怒时，产生瞬间、大幅度的波动就是皮肤电导反应。皮肤电导水平可作为是皮肤电导反应的基础值或参照点。因此，电导水平和电导反应是个连续的过程，如果电导水平越低，电导反应越强，则两者的差别就越显著。

皮肤电反应的形成

当机体受到感官刺激或情绪产生变化时，皮肤内的血管会因为个体受到情绪刺激而产生收缩和舒张，同时，机体的汗腺分泌等也会发生变化，就会引起皮肤电阻的变化，形成皮肤电反应。

人类手掌被认为是“精神出汗区”，不同于身体其它部位的体温调节出汗，汗腺功能主要对精神性活动或感觉刺激反应敏感，情绪越紧张或越兴奋，排汗越多。

当汗腺被激发并变得更活跃时，它们会通过毛孔向皮肤表面分泌汗液。分泌液中正离子与负离子的平衡被打破时，电流更容易流动，导致皮肤电导产生变化，且变化可被测量。皮肤电导的变化被称为皮肤电反应。

皮肤电阻

皮肤电阻是描述人体皮肤导电性能的物理量，皮肤电阻越小导电能力越强，相同电压作用下能通过的电流越大。

皮肤电阻具有较大的数值变化范围，其数值受多种因素的影响，例如皮肤角质层的厚度、汗液的分泌、体内血液流通等，皮肤电阻是心理现象的外在显示。

情感的波动会对皮肤电阻造成影响，当人体紧张出汗时人体的导电能力会增强，皮肤电阻值会减小；相反当人体趋于平静，皮肤较为干燥时皮肤电阻值会随之增大。

皮肤电反应的原理

当机体受到外界刺激或情绪状态发生改变时，其植物神经系统的活动就会引起皮肤内血管的舒张和收缩以及汗腺分泌等发生变化，从而导致皮肤带你组发生改变。

技术

Galvanic Skin Response

皮肤电活动通常是用一个或两个传感器连接到手或脚的某些部位并分别测量两个传感器引线之间的电压或电流变化，从而测量皮肤的电导率。

影响因素（技术方面）

皮肤电反应的值会因所使用的仪器类型和测量方法不同而有很大差异，这些因素主要包括：测量电路的类型，电路中电压的高低，电极的材料，电极与皮肤的接触面积，电极的放置位置，是否使用导电介质，使用何种介质等[4]。

传感器

通常，GSR传感器具有1平方厘米的测量位置，电极由Ag/AgCl（银/氯化银）制成。电极贴片可以使用导电凝胶来改善皮肤和电极之间的导电性。

皮肤电导与皮肤电阻的关系

皮肤电反应受到刺激时皮肤电传导的变化，一般用电阻值及其对数或电导及其平方根表示，电导数值上等于电阻的倒数，符号是G。

电导单位是西门子，简称西，符号S。电阻的符号是R，单位是欧姆，符号是Ω，导体的电阻越小，电导就越大。

电导与电阻的关系方程为：

G=1/R。也就是s＝1/Ω或μs＝1/KΩ。

测量位置

人体的汗腺分布在手掌和脚掌居多，也就是在这两个部位测量皮肤电较为灵敏。

数据预处理

皮肤电数据在统计之前需要进行一定的预处理，而预处理过程具体又是什么呢，以下内容从几部分来介绍皮肤电预处理过程。

Part1 皮肤电数据介绍

皮肤电信号主要由缓慢变化的基础（Tonic）活动——皮肤电导水平与快速变化的相位（Phasic）活动——皮肤电导反应组成，见上图（韩颖, 董玉琦, & 毕景刚，2018)。

1.1 皮肤电导水平（Skin Conductance Level，SCL）

SCL是无任何环境激励下的皮肤电导基线，在几十秒至几分钟内变化缓慢、更替微小。SCL的上升与下降随着个体的反应、皮肤干燥程度或自主调节能力不同而持续变化（韩颖, 董玉琦, & 毕景刚，2018)。

皮肤电导基础水平存在个体差异，并与个性特征相关，如向亦文,阎克乐,陆运青 (2000)的研究中测量了大学生皮电基础水平与MMPI量表之间的关系。

1.2 皮肤电导反应（Skin Conductance Response，SCR）
相位反应在基础水平之上，变化幅度更高、速度更快，以“GSR突发”或“GSR峰值”的形式显示。

SCR对特定的情绪刺激事件敏感，事件相关皮肤电导反应（ER-SCRs）会在情绪刺激发生后的1～5秒之间突发；非特异性皮肤电导反应（NS-SCRs）则在人体内以1～3分钟的速率自发发生，与任何刺激无关（韩颖, 董玉琦, & 毕景刚，2018)。

Part2
事件相关的皮肤电导反应

下图(来自mindware官网）便是一个理想的皮肤电导反应。刺激后，皮肤电在0~4s逐渐达到峰值，0.5~5s恢复，若想观察到皮肤电反应需要至多9s的时间。

因此在设计皮肤电实验时因注意刺激之间的间隔时间，两个刺激间隔至少在10s以上，以免两个刺激的反应混淆。

经过刺激后，皮肤电水平应有一个明显的上升，峰值是皮肤电反应是否良好的重要指标。皮肤电的单位是微西门子microsiemens (µS) ，数值大概在5-50µS之间。

被试的皮肤干燥水平、个体差异、电极片、采集部位等是其中的影响因素，在采集数据时应严格遵守操作步骤，以确保数据的质量。

Part4
如何判断数据质量

本节图片均来自mindware官网。

下图是理想的皮肤电数据，较细的线条（无太多噪音），有明显的起伏，明显的上升。

而质量差的数据分为以下几种：

① 高频噪声


受高频噪声影响的皮电反应如上图，线条较粗，但总体起伏还是比较明显。

这类问题通常由电干扰影响：连结记录仪的导线是否有跟其他电线相交或者是否靠近其他电器设备、电源的接入是否正常、被试身边是否有电线或者设备。

此问题不是特别影响数据，也可以通过滤波操作过滤此噪声。

② 无信号和低振幅信号


无信号如上图所示，线条特别粗且数值在0左右，有可能是无信号或者低振幅信号，可以用呼吸测试（既让被试深呼吸观察被试皮肤电反应）来区分，若深呼吸后还是无起伏，即为无信号。

无信号可能与设备连接，电极片过期等有关，导致设备不能收集到被试的信号。

有些被试容易出手汗，实验过程中电极片可能会脱落，可以用医用胶布固定电极片防止这类事情发生。


低振幅信号如上图所示，数值在0左右但有些许起伏。这跟个体生理有很大的关系，有些被试的皮电反应较不敏感，在正式实验前需要进行预测和呼吸测试，以排除该类被试。

除此之外，被试的皮肤过于干燥也可能会影响，在实验前避免用带香味或含酒精的洗手液洗手。以及选择正确的电极片（实验用的，没过期的电极片），正确的粘贴位置（指尖、掌心等）。

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资料来源：
【1】Ahrens, L. M. , Pauli, P. , Reif, A. , Andreas Mühlberger, & Wieser, M. J.  (2016). Fear conditioning and stimulus generalization in patients with social anxiety disorder. Journal of Anxiety Disorders, 44, 36-46.
【2】Mueller, E.M. , Sperl, M.F. J. , & Panitz, C .(2019). Aversive Imagery Causes De Novo Fear Conditioning. Psychology science, 30(7), 1001-1015.
【3】陈伟, 李俊娇, 曹杨靖文, &郑希付. (2018). 预期错误在复合恐惧记忆提取消退中的作用. 心理学报, 50(7),739-749.
【4】冯彪, 徐亮, 张蔚欣, 陈婷, 王文清,&郑希付.(2017). 积极情绪对条件性恐惧泛化的抑制作用.心理学报,49(3),317-328.
【5】韩颖, 董玉琦, & 毕景刚. (2018). 学习分析中情绪的生理数据表征——皮肤电反应的应用前瞻. 现代教育技术, 28(10), 13-20.
【6】向亦文, 阎克乐, & 陆运青.(2000)大学生皮肤电反应、MMPI及其关系的初步研究.心理学报，32(1),95-98.
【7】Mindware官网：https://support.mindwaretech.com