一文讀懂皮膚電活動原理、技術(shù)及數(shù)據(jù)預(yù)處理
皮膚電反應(yīng)原理
Galvanic Skin Response
皮膚電反應(yīng)（Galvanic Skin Response，GSR）是汗腺活動或交感神經(jīng)系統(tǒng)的變化導(dǎo)致的皮膚電阻波動，是測量情緒反應(yīng)的常用指標。
皮膚電反應(yīng)（GSR）的發(fā)現(xiàn)
皮膚電反應(yīng)（GSR）最早是在1888年觀察到的。1888年，法國神經(jīng)學(xué)家Fere報道，不同的物理和情緒刺激可以誘發(fā)皮膚電活動的變化，F(xiàn)ere認為，與感覺和情緒刺激相關(guān)的情況說明皮膚電反應(yīng)是神經(jīng)興奮的指標，換句話說，皮膚電反應(yīng)是測量喚醒的指標。
Vigourous（1879，1888）測量不同病人的皮膚電阻，以此協(xié)助對病人的疾病的臨床診斷。跟他在同一個實驗室的Fere（1888）發(fā)現(xiàn)不同的刺激，例如，視覺的，聽覺的，味覺的，嗅覺的等，可引起皮膚電阻的不同變化。Tarchanoff（1890）報告，在不通過電流的情況下，從放置在皮膚上的兩點之間，也可以引出電位差。
前者被稱作外加電流法（Exosomatic Method），后者被稱作內(nèi)在電位法（Endosomatic Method）。前者至今仍是研究皮膚電活動最常使用的方法。
1971年，Lykken和Venables提出了記錄皮膚電導(dǎo)和測量數(shù)據(jù)的標準化方法，這也標志著皮膚電反應(yīng)（GSR）研究的開端。
皮膚電反應(yīng)（GSR）的歷史演變
皮膚電反應(yīng)（GSR）在歷史上還有皮膚電活動（Electrodermal Activity, EDA）、心電反射（Psycho Galvanic Reflex，PGR）、皮膚電位（Electrodermal Potential, EDP）、皮膚電阻（Skin Resistance, SR）、皮電傳導(dǎo)（Skin Conductance，SC）、皮電（Skin Potential, SP）等，近年來統(tǒng)稱為EDA。
為了減少名稱帶來的混亂，在生理心理學(xué)中確定了以下統(tǒng)一命名：
皮膚電導(dǎo)（Skin Conductance，SC）：在表皮上用一個恒定的電壓，可以測出皮膚電導(dǎo)的大小，其單位是微歐姆（Micromho），由于它是用一個外加電壓來測量皮膚電導(dǎo)，所以叫＂外源性測量＂（Exosomatic）。皮膚電導(dǎo)值（歐姆）的倒數(shù)就是皮膚電阻（歐姆）。
皮膚電導(dǎo)水平（Skin Conductance Level, SCL）：是跨越皮膚兩點間的皮膚電導(dǎo)的絕對值，也可以稱作＂基礎(chǔ)皮膚電傳導(dǎo)＂（Basal Skin Conductance）。一般認為它是平靜狀態(tài)下生理活動的基礎(chǔ)值。
皮膚電導(dǎo)反應(yīng)（Skin Conductance Response, SCR）：在皮膚電導(dǎo)水平中出現(xiàn)的一個瞬時、較快的波動，是由刺激引起的生理心理激活狀態(tài)。
電導(dǎo)水平與電導(dǎo)反應(yīng)是兩個不同的概念，它們之間的區(qū)別如下：
人在安靜時，在皮膚表面兩點間的基礎(chǔ)值就是電導(dǎo)水平值。這種水平值經(jīng)常波動，個體活躍時電導(dǎo)水平相對增高，松弛時則相對較低。電導(dǎo)水平是一種評價起動勢能很好的參數(shù)。當人受到外界刺激處于強烈的激情狀態(tài)如憤怒時，產(chǎn)生瞬間、大幅度的波動就是皮膚電導(dǎo)反應(yīng)。皮膚電導(dǎo)水平可作為是皮膚電導(dǎo)反應(yīng)的基礎(chǔ)值或參照點。因此，電導(dǎo)水平和電導(dǎo)反應(yīng)是個連續(xù)的過程，如果電導(dǎo)水平越低，電導(dǎo)反應(yīng)越強，則兩者的差別就越顯著。
皮膚電反應(yīng)的形成
當機體受到感官刺激或情緒產(chǎn)生變化時，皮膚內(nèi)的血管會因為個體受到情緒刺激而產(chǎn)生收縮和舒張，同時，機體的汗腺分泌等也會發(fā)生變化，就會引起皮膚電阻的變化，形成皮膚電反應(yīng)。
人類手掌被認為是“精神出汗區(qū)”，不同于身體其它部位的體溫調(diào)節(jié)出汗，汗腺功能主要對精神性活動或感覺刺激反應(yīng)敏感，情緒越緊張或越興奮，排汗越多。
當汗腺被激發(fā)并變得更活躍時，它們會通過毛孔向皮膚表面分泌汗液。分泌液中正離子與負離子的平衡被打破時，電流更容易流動，導(dǎo)致皮膚電導(dǎo)產(chǎn)生變化，且變化可被測量。皮膚電導(dǎo)的變化被稱為皮膚電反應(yīng)。
皮膚電阻
皮膚電阻是描述人體皮膚導(dǎo)電性能的物理量，皮膚電阻越小導(dǎo)電能力越強，相同電壓作用下能通過的電流越大。
皮膚電阻具有較大的數(shù)值變化范圍，其數(shù)值受多種因素的影響，例如皮膚角質(zhì)層的厚度、汗液的分泌、體內(nèi)血液流通等，皮膚電阻是心理現(xiàn)象的外在顯示。
情感的波動會對皮膚電阻造成影響，當人體緊張出汗時人體的導(dǎo)電能力會增強，皮膚電阻值會減?。幌喾串斎梭w趨于平靜，皮膚較為干燥時皮膚電阻值會隨之增大。
皮膚電反應(yīng)的原理
當機體受到外界刺激或情緒狀態(tài)發(fā)生改變時，其植物神經(jīng)系統(tǒng)的活動就會引起皮膚內(nèi)血管的舒張和收縮以及汗腺分泌等發(fā)生變化，從而導(dǎo)致皮膚帶你組發(fā)生改變。
技術(shù)
Galvanic Skin Response
皮膚電活動通常是用一個或兩個傳感器連接到手或腳的某些部位并分別測量兩個傳感器引線之間的電壓或電流變化，從而測量皮膚的電導(dǎo)率。
影響因素（技術(shù)方面）
皮膚電反應(yīng)的值會因所使用的儀器類型和測量方法不同而有很大差異，這些因素主要包括：測量電路的類型，電路中電壓的高低，電極的材料，電極與皮膚的接觸面積，電極的放置位置，是否使用導(dǎo)電介質(zhì)，使用何種介質(zhì)等[4]。
傳感器
通常，GSR傳感器具有1平方厘米的測量位置，電極由Ag/AgCl（銀/氯化銀）制成。電極貼片可以使用導(dǎo)電凝膠來改善皮膚和電極之間的導(dǎo)電性。
皮膚電導(dǎo)與皮膚電阻的關(guān)系
皮膚電反應(yīng)受到刺激時皮膚電傳導(dǎo)的變化，一般用電阻值及其對數(shù)或電導(dǎo)及其平方根表示，電導(dǎo)數(shù)值上等于電阻的倒數(shù)，符號是G。
電導(dǎo)單位是西門子，簡稱西，符號S。電阻的符號是R，單位是歐姆，符號是Ω，導(dǎo)體的電阻越小，電導(dǎo)就越大。
電導(dǎo)與電阻的關(guān)系方程為：
G=1/R。也就是s＝1/Ω或μs＝1/KΩ。
測量位置
人體的汗腺分布在手掌和腳掌居多，也就是在這兩個部位測量皮膚電較為靈敏。
數(shù)據(jù)預(yù)處理
皮膚電數(shù)據(jù)在統(tǒng)計之前需要進行一定的預(yù)處理，而預(yù)處理過程具體又是什么呢，以下內(nèi)容從幾部分來介紹皮膚電預(yù)處理過程。
Part1 皮膚電數(shù)據(jù)介紹
皮膚電信號主要由緩慢變化的基礎(chǔ)（Tonic）活動——皮膚電導(dǎo)水平與快速變化的相位（Phasic）活動——皮膚電導(dǎo)反應(yīng)組成，見上圖（韓穎, 董玉琦, & 畢景剛，2018)。
1.1 皮膚電導(dǎo)水平（Skin Conductance Level，SCL）
SCL是無任何環(huán)境激勵下的皮膚電導(dǎo)基線，在幾十秒至幾分鐘內(nèi)變化緩慢、更替微小。SCL的上升與下降隨著個體的反應(yīng)、皮膚干燥程度或自主調(diào)節(jié)能力不同而持續(xù)變化（韓穎, 董玉琦, & 畢景剛，2018)。
皮膚電導(dǎo)基礎(chǔ)水平存在個體差異，并與個性特征相關(guān)，如向亦文,閻克樂,陸運青 (2000)的研究中測量了大學(xué)生皮電基礎(chǔ)水平與MMPI量表之間的關(guān)系。
1.2 皮膚電導(dǎo)反應(yīng)（Skin Conductance Response，SCR）
相位反應(yīng)在基礎(chǔ)水平之上，變化幅度更高、速度更快，以“GSR突發(fā)”或“GSR峰值”的形式顯示。
SCR對特定的情緒刺激事件敏感，事件相關(guān)皮膚電導(dǎo)反應(yīng)（ER-SCRs）會在情緒刺激發(fā)生后的1～5秒之間突發(fā)；非特異性皮膚電導(dǎo)反應(yīng)（NS-SCRs）則在人體內(nèi)以1～3分鐘的速率自發(fā)發(fā)生，與任何刺激無關(guān)（韓穎, 董玉琦, & 畢景剛，2018)。
Part2
事件相關(guān)的皮膚電導(dǎo)反應(yīng)
下圖(來自mindware官網(wǎng)）便是一個理想的皮膚電導(dǎo)反應(yīng)。刺激后，皮膚電在0~4s逐漸達到峰值，0.5~5s恢復(fù)，若想觀察到皮膚電反應(yīng)需要至多9s的時間。
因此在設(shè)計皮膚電實驗時因注意刺激之間的間隔時間，兩個刺激間隔至少在10s以上，以免兩個刺激的反應(yīng)混淆。
經(jīng)過刺激后，皮膚電水平應(yīng)有一個明顯的上升，峰值是皮膚電反應(yīng)是否良好的重要指標。皮膚電的單位是微西門子microsiemens (μS) ，數(shù)值大概在5-50μS之間。
被試的皮膚干燥水平、個體差異、電極片、采集部位等是其中的影響因素，在采集數(shù)據(jù)時應(yīng)嚴格遵守操作步驟，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
Part4
如何判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量
本節(jié)圖片均來自mindware官網(wǎng)。
下圖是理想的皮膚電數(shù)據(jù)，較細的線條（無太多噪音），有明顯的起伏，明顯的上升。
而質(zhì)量差的數(shù)據(jù)分為以下幾種：
① 高頻噪聲
受高頻噪聲影響的皮電反應(yīng)如上圖，線條較粗，但總體起伏還是比較明顯。
這類問題通常由電干擾影響：連結(jié)記錄儀的導(dǎo)線是否有跟其他電線相交或者是否靠近其他電器設(shè)備、電源的接入是否正常、被試身邊是否有電線或者設(shè)備。
此問題不是特別影響數(shù)據(jù)，也可以通過濾波操作過濾此噪聲。
② 無信號和低振幅信號
無信號如上圖所示，線條特別粗且數(shù)值在0左右，有可能是無信號或者低振幅信號，可以用呼吸測試（既讓被試深呼吸觀察被試皮膚電反應(yīng)）來區(qū)分，若深呼吸后還是無起伏，即為無信號。
無信號可能與設(shè)備連接，電極片過期等有關(guān)，導(dǎo)致設(shè)備不能收集到被試的信號。
有些被試容易出手汗，實驗過程中電極片可能會脫落，可以用醫(yī)用膠布固定電極片防止這類事情發(fā)生。
低振幅信號如上圖所示，數(shù)值在0左右但有些許起伏。這跟個體生理有很大的關(guān)系，有些被試的皮電反應(yīng)較不敏感，在正式實驗前需要進行預(yù)測和呼吸測試，以排除該類被試。
除此之外，被試的皮膚過于干燥也可能會影響，在實驗前避免用帶香味或含酒精的洗手液洗手。以及選擇正確的電極片（實驗用的，沒過期的電極片），正確的粘貼位置（指尖、掌心等）。
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資料來源：
【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】陳偉, 李俊嬌, 曹楊靖文, &鄭希付. (2018). 預(yù)期錯誤在復(fù)合恐懼記憶提取消退中的作用. 心理學(xué)報, 50(7),739-749.
【4】馮彪, 徐亮, 張蔚欣, 陳婷, 王文清,&鄭希付.(2017). 積極情緒對條件性恐懼泛化的抑制作用.心理學(xué)報,49(3),317-328.
【5】韓穎, 董玉琦, & 畢景剛. (2018). 學(xué)習分析中情緒的生理數(shù)據(jù)表征——皮膚電反應(yīng)的應(yīng)用前瞻. 現(xiàn)代教育技術(shù), 28(10), 13-20.
【6】向亦文, 閻克樂, & 陸運青.(2000)大學(xué)生皮膚電反應(yīng)、MMPI及其關(guān)系的初步研究.心理學(xué)報，32(1),95-98.
【7】Mindware官網(wǎng)：https://support.mindwaretech.com
