热红外成像计算对心理测验学心理生理学

文摘

热红外成像技术已被建议作为一个潜在的系统计算评估人工自主神经活动和心理生理状态的非接触式和非侵入性的方式。通过bioheat建模的面部热影像,可以提炼出几个生命体征,包括局部血液灌注,心脏脉搏、呼吸速率,并催汗的响应,因为所有这些参数影响皮肤的温度。获得的生理信息可以用来画推断各种心理生理或情感状态,越来越多的心理生理研究证明的使用热红外成像。因此本文回顾热红外成像的主要成就在计算生理学关于监控心理生理活动的能力。

1。介绍

理解会话对话者的情感和心理生理状态是基本设置适当的沟通,建立社会和情感关系,选择社会策略和维护一个或有互动。这样理解和心理生理状态的定量评估代表在应用心理生理学的主要挑战之一,最近的一个主要问题在人机或human-artificial代理交互。

事实上,一个共同的关键要求的所有类型学human-artificial代理交互是建立一支交互,与代理能够不仅对人类行为做出反应,而且反应(或应该)全等的方式与人类用户或对话者的情感和心理生理状态(1,2]。

传统方法评估情感和心理生理状态是基于多个生理参数的测量表达自主神经系统(ANS)活动,像皮肤交感反应(SSR),手心温度、心率和/或呼吸调节,外周血管语调,面部表情,姿势,目光和肌电图活动(3- - - - - -5]。除了面部表情的评估,监测这些参数通常需要使用接触传感器连接到主题。最近,他们中的一些人是通过像手表一样的或无线监控设备。

为了超过使用接触传感器的局限性,基于成像计算心理生理学方法可以推荐。

为了这个目标,热红外(IR)无创性成像已被建议作为一个潜在的解决方案和生态ANS活动的记录(6]。热成像允许非接触式和非侵入式记录皮肤温度的测量身体的自发热辐照(7]。心理生理活动可以通过其热效果进行评估记录的热红外成像。事实上,皮肤温度由俺们活动调制,进而调节皮肤的血液灌注,局部组织代谢,促汗的响应(8- - - - - -17]。因为面对自然暴露在社会沟通和互动,热成像的心理生理学通常是由成像的脸。由于红外成像系统的正确选择,光学,和解决方案跟踪感兴趣的区域,可以避免任何行为限制的话题18,19]。这可能是特别重要的,例如,在发展心理学或human-artificial代理交互领域。

综述了先进的热红外成像领域的计算生理学。一般论文的意图是提供见解对其潜力和限制其使用的定量心理生理学。

2。热心理生理信号的签名

热签名的各种心理生理信号已确定。特别是,它已经表明,通过bioheat转移模型,可以计算在距离心脏脉搏、呼吸率、皮肤的血液灌注率,催汗的反应。本节总结了方法和结果计算生理基于热红外成像。

2.1。心脏的脉搏

热红外成像允许计算心脏的脉搏在远处通过建模脉动的传播的血液循环系统(9,20.- - - - - -23]。事实上,心脏收缩心室收缩时产生的压力波,传播通过动脉树。动脉脉搏反映心脏的心脏活动提供一个衡量interbeat间隔,心率,其变异性(22]。Garbey和他的同事们所呈现的方法(9)是基于假设温度调制由于脉动血流产生变化的温度信号最强的肤浅的船。该模型模拟了热扩散过程在皮肤上来自核心组织和主要表面的血管。他们考虑了由于环境噪声影响和不稳定的血液流动。他们的模拟表明,皮肤温度波形直接类似于脉冲波形,除了其平滑,转移,嘈杂的形状,因为扩散过程。Garbey和他的同事们提出的方法(9)计算心率是基于热信号中包含的信息发出主要表面的血管和通过一个高度敏感的热成像系统记录。计算的频率调制(脉冲),作者在船提取基于行的地区。然后,他们应用快速傅里叶变换(FFT)个人感兴趣的点沿着这条线,利用脉冲的热传播效应。最后,他们使用一种自适应估计函数平均FFT结果量化脉冲(图1)。实验数据集的34个科目比较热的脉冲计算真实信号分析方法同时测量通过一个标准的接触传感器(压电换能器)。方法从88.52%到90.33%不等的性能取决于容器的热印的清晰。太阳et al。20.)应用相同的方法,但在90度工作目标船的方向。上述方法的扩展实现了Bourlai et al。21]。他们应用这两种方法在自动跟踪感兴趣的区域(ROI),通过两级降噪算法丢弃帧由于糟糕的跟踪问题。对12名受试新方法进行了测试,减少了瞬时测量误差从10.5%提高到7.8%,尽管它意味着精度从88.6%提高到95.3%。

最近,法拉克et al。22,23)提出了一个自动的方法来确定动脉脉搏波形通过使用热成像。这种方法是基于假设的准周期的热模式在皮肤上由于动脉脉冲自动检测表面动脉周围地区。多尺度分解模型,如小波分解,应用于每一个尺度热影像提取包含大部分的动脉脉搏信息。因此不相关噪声的影响最小化和动脉波形恢复更准确。越粗尺度是用来跟踪感兴趣的区域(ROI)。细尺度是用来计算动脉脉冲通过周期性检测(PD)算法:一个区域的测量(ROM)选择在每个ROI和不同的ROM配置测试(大小、方向、尺度和位置);对于每个测试ROM,运行连续小波分析去除高频噪声和提取动脉脉冲结构;最大值的计算产生的波形进而对应收缩期峰值(用于计算心率,击败击败,和心率变异性)。PD算法使个体化最佳ROM的周期性的波形,与真正的动脉脉冲传播之间的关系。验证方法的主题显示8日完美匹配与血氧计数据(23]。

2.2。呼吸率

呼吸的吸气和呼气周期期间热量之间的交流出现气流和鼻孔。这些交流创造一个周期或准周期的热信号的距离之间震荡的鼻孔高(过期)和低(图(灵感)值2)。热成像可以捕获这种现象在远处,实现96.43%的准确性(8]。

热敏电阻通常是在常规呼吸研究定位在鼻孔附近捕捉这一现象和产生一个代表呼吸信号(25]。

因此热成像行为作为一个虚拟的热敏电阻,因为它捕获相同的过程,但是在远处。呼吸率的估计通过热成像是非常准确的证明与呼吸信号采取了与传统传感器相比(26,27]。的工作没吃等。26),高度chance-corrected协议()被发现之间的气流通过热成像监控,口鼻的热敏电阻。“生命衣”热之间的相关系数和机械(技术;参见[27])记录呼吸速率信号产生高达1 / 25的样本对象,在浅,正常,强制通风(27]。

刘易斯等人。27)也显示估计的可能性相对潮汐卷从热成像。热之间的相关系数和meccanical录音在同一样本是0.90。

统计方法也提出了计算非接触式呼吸签名。没吃等所使用的算法。28)是基于矩量法和杰弗里的散度测量。这个方法被测试对象导致10日平均92%的准确性在胸腔呼吸带数据。

多分辨率分析也被使用(29日,30.]。范和Pavlidis30.)提取呼吸内容通过小波分析从鼻孔的平均温度。他们找到了一个高度的协议之间的热恢复呼吸波形和相应的热敏电阻在20个研究课题之一。工作的Chekmenev et al。29日鼻地区是随着时间的推移,每一帧跟踪ROI是分解和平均在三个不同的尺度。小波变换应用于产生的信号。规模,其中包含大部分的呼吸信息提取和用于计算呼吸率。这种方法一直在测试4主题和结果完全与压电信号测量装置。

热红外成像也被用于检索breath-related热变化从鼻,胸腔,和腹部地区儿童的兴趣,健康和呼吸道病变。研究证明,热红外成像可靠地获得time-aligned鼻气流和胸腹的运动不依赖附加传感器性能和检测异步呼吸在儿科患者31日]。

范和他的同事们(32)提出了一个新颖的方法通过热成像监测睡眠呼吸暂停。鼻孔区域分割和跟踪通过网络合作的概率跟踪器。然后,鼻孔地区的平均热信号携带呼吸信息,通过小波分解进行了分析。实验集包括22个科目(12个男人和十个女人)。因事件被检测到两个热障碍和标准方法。高精度实现证实了该方法的有效性nonobtrusive临床监测睡眠障碍(32]。

2.3。皮肤的血液灌注率

Bioheat转移模型允许皮肤灌注计算高分辨率红外图像系列(图3)[24,33]。Pavlidis和莱文33]甚至建议使用皮肤灌注率变化在眶周的地区作为新一代的执行渠道欺骗检测系统、基于的flight-fight响应问敏感问题。模型采用了来自以前的作品Fujimasa et al。34),Pavlidis和莱文33),和Merla和他的同事们24]。根据这些模型,皮肤温度变化在短时间内主要是由于热量通过对流收益/损失归因于皮下血管血流量和热量由皮下组织。

模型表明,血液流速和皮肤的血流量主要取决于对时间的皮肤温度和温度之间的差异的皮肤层和内部组织24]。

已经证明,因此可能改变原始热像系列在皮肤血流图像系列(图3)。

方法验证了与激光多普勒图像(图进行比较4)。Merla和他的同事们发现,在20个健康受试者,皮肤血流量值,同时计算热红外图像和由激光多普勒成像,测量线性相关(、皮尔逊积矩相关)24]。欺骗的方法已应用于心理生理学检测(35)和情感评估(10]。

2.4。催汗的响应

皮肤电反应一直是使用最广泛的心理生理自主神经系统活动的措施。皮肤电反应差异)和相关措施,如皮肤电反应(GSR),已被证明与活跃汗腺的数量,它激活可以轻松可视化通过面部点热红外成像的外表冷脸的热分布(图5)。

同时手掌区域,强劲的汗腺激活表现在上颌,口周的,鼻子尖区域(图5)。多分辨率分析温度变化揭示了补药(基线和/或一般)和相位的强烈(与事件相关的)组件与GSR交感成分(12,13,16,36]。例如,Pavlidis et al。13]报道非常高的GSR之间的相关系数和热测量手指(起于及终于鼻)和地区()。此外,热信号的小波分析(12]显示上颌通道包含有关共鸣的信息一样GSR通道。

大量的研究表明,积极的识别外分泌腺的汗腺通过热成像可能效用作为一种心理生理措施促汗的活动和可以作为可控硅的代理联系方式时不可用或不受欢迎的(2,6,10,12,16,36]。

最近,利用热红外成像,连同标准的GSR,检查恐惧条件反射在创伤后应激障碍(PTSD) (37]。作者研究了处理轻度症状患者创伤后应激障碍和恐惧的人未出现症状,通过研究fear-conditioned响应。作者发现在调节面部热响应的分析范式执行像GSR检测交感反应相关疾病。

2.5。应激反应

热红外成像的一个几乎完全特性在压力的研究是其noninvasiveness。专注于专业司机,研究职业工效学评估心理工作负荷使用热红外成像。参与者接触到模拟器驾驶任务在城市和高速公路上,同时认知挑战精神加载任务(MLT)。相比之下,predriving会话(基线)的温度,显著差异在鼻子的温度在所有条件下观察。MLT似乎有决定性影响鼻子的温度降低,在模拟城市开车。没有观察到显著变化的额头(38]。

在最近的一项研究中,Pavlidis和他的同事们(13]试图量化压力通过测量瞬态perspiratory通过热成像起于及终于鼻反应区域。这些反应是同情地驱动,因此,可能的指标压力过程在大脑中。作者能够监视上下文中的应激反应外科训练。

在另一个案件中,特别是在人机交互领域,宫等。39和朱et al。40)用斯特鲁任务利用不满的迹象。基于前缘地区,他们观察到,与其他相比,压力增加血容量在眼眶上的血管。热红外成像也被用来评估情感训练时间通过监控认知负荷通过面部温度变化(41]。学习能力模式是基于一个字母算术任务。显著的相关性,从−0.88到0.96,被发现之间的鼻子尖温度和反应时间,准确性,和修改的库珀哈珀规模评级。热红外因此代表了一个敏感的工具来评估学习和工作负载。

Engert et al。15)热红外成像的可靠性进行了探讨人类压力研究的经典设置。热痕迹比较建立压力标记(心率、心率变异性、手指温度,阿尔法淀粉酶是和皮质醇)在健康受试者参与两个标准和完善的实验室压力测试:冷加压试验(42)和特里尔社会压力测试(43]。这两个测试显示的证据的热响应的几个区域的脸。虽然热痕迹和建立压力标记结果相关性弱,热响应与应激有关的情绪变化。相反,建立压力标记不与应激的情绪变化。这些结果表明,热红外成像为交感神经活动的估计提供了一个有效的技术研究领域的压力。

3所示。讨论

无处不在的热红外成像是一个可靠的方法和自动化监测的生理活动。它提供了一个强大的和生态生理计算的工具。该方法的可靠性和有效性被证明是通过比较数据同时记录通过热成像和金标准方法,作为脉冲压电脉冲计监测、压电胸腔条纹呼吸监测或鼻热敏电阻,皮肤电导,或皮肤电反应(GSR)。至于后者,研究表明fIRI和GSR有类似的检测能力12,13,15,35,37]。这样的结果依赖于热红外成像技术的令人印象深刻的进步。现代设备确保高空间分辨率(1280×1024像素高达几场milliradiants),高时间分辨率(帧频率150赫兹),和高的热灵敏度(15可在30°C)的光谱范围3÷5μ米(44]。640×480的商业可用性焦平面阵列探测器和稳定传感器(光谱范围7.5÷13.0μm;帧频率约30 Hz;热灵敏度大约40可在30°C)允许将这一技术整合到自动化系统远程自动监测的生理活动。

热红外成像数据的实时处理和数据分类年应用程序可能所需的计算需求不大于640×480像素可见频带图像数据(2,18,44]。

热红外成像被表示为一个强大的工具来创建、使用适当的分类算法,热表达心理生理反应的阿特拉斯(45,46]。这将是基于面部区域的热信号的特性自主价(鼻子和鼻子尖,口周的或上颌骨地区,眶周的眼眶上的领域相关的活动皱眉肌和眼周的肌肉和前额),监控自主活动的调制。几项研究已经显示出利用热红外成像的可能性在心理生理学(见[2,47评论])。这些研究涵盖了许多领域,包括发展心理学和孕产妇移情(48- - - - - -50社会心理学),(15,51),测谎(52,53]。

然而,存在一些局限性,在现实世界中使用热红外成像。由于体内平衡,皮肤温度是不断调整考虑环境条件。必须采取对策来避免任何心理价归因于纯体温调节或驯化过程(2]。

同时,尽管热红外成像提供的优势,必须考虑热信号发展的血管改变,汗水,或肌肉活动是相当缓慢的建立对其他技术。因此应适当考虑监测热表达式时的心理生理活动。

尽管有这些限制,具体监测的可能性,在现实的环境中,在远处,不显眼,几个生理参数和情感状态。这让生理状态的远程监控个人不需要他们的合作和不干扰正常的活动,因此建议添加信息的可能性听价行为或其他类型的调查。仍然未知的但有趣的方面之一是研究个体之间可能的相关热签名和心理指标,为了评估,例如,给定的人格特质导致个人间的差异是否热特征的面部的自主活动或情感状态或是否特定的热的表达特定的人格和社会性特点存在。当然,热红外成像不是第一个和唯一试图探索这些可能性(54,55),但热红外成像似乎最生态的视角之一。因此,热红外成像提供了一个非凡的心理特性添加生理信息的机会,向更健壮的分类个人的情感状态,情感反应和概要文件。

需要解决的一个主要问题为热红外成像的实际应用支持心理测验学问题的方法的充分性识别特定的情绪或情感状态在个体水平。没有相关的具体研究目前可用来回答这个问题,需要通过进一步的研究解决。全球限制来源于这样一个事实:皮肤的热活动与自主活动有着密切的联系。问题因此变成“具体和特殊的情感是如何自主反应和热的表情?“一个明确的回答这个问题目前无法使用。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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