一篇文章看懂皮肤电极活动原理、技术及数据预处理

皮肤电反应

皮肤

皮肤电反应（GSR）是由于汗腺活动或交感神经系统的变化引起的皮肤电阻波动，是衡量情绪反应的常用指标。

发现皮肤电反应（GSR）

皮肤电反应（GSR）最早于1888年被观察到。1888年，法国神经学家Fere报道，不同的身体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境表明皮肤电反应是神经兴奋的指标。换言之，皮肤电反应是唤醒的指标。

(1879, 1888)测量了不同病人的皮肤电阻，以辅助临床对病人的疾病进行诊断。同一实验室的Fere(1888)发现不同的刺激，如视觉、听觉、味觉、嗅觉等，会引起皮肤电阻的不同变化。(1890)报道，不需通过电流，放在皮肤上的两点之间就能产生电位差。

前者称为外加电流法（ ），后者称为本征电位法（ ），前者至今仍是研究皮肤电活动最常用的方法。

1971年，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）研究的开始。

皮肤电反应 (GSR) 的历史演变

皮肤电反应（GSR）历史上曾被称为皮肤电极活动（EDA）、心电反射（PGR）、皮肤电位（EDP）、皮肤电阻（SR）、皮肤电导（SC）、皮肤电导率（SP），近年来被统称为EDA。

为了减少名称带来的混淆，生理心理学确定了如下统一命名法：

皮肤电导率（SC）：在表皮上施加恒定电压，测量皮肤电导率。单位为微欧姆（）。由于是使用外部电压测量皮肤电导率，所以称为“外源测量”（）。皮肤电导率值（欧姆）的倒数就是皮肤电阻（欧姆）。

皮肤电导水平（SCL）：是皮肤上两点之间的皮肤电导的绝对值，又称“基础皮肤电导”，一般认为是平静状态下生理活动的基础值。

皮肤电导反应（Skin，SCR）：皮肤电导水平的瞬时、快速波动，是由刺激引起的生理和心理的激活状态。

电导率水平与电导率响应是两个不同的概念，它们的区别如下：

人在静息状态下，皮肤表面两点之间的基本值就是电导率水平。这个水平经常会有波动，当个体活动时，电导率水平比较高，而当个体放松时，则比较低。电导率水平是评价启动电位的一个很好的参数。当人受到外界刺激，处于愤怒等强烈激情状态时，瞬间的、大的波动就是皮肤电导反应。皮肤电导率水平可以作为皮肤电导反应的基本值或参考点。因此，电导率水平与电导率反应是一个连续的过程，如果电导率水平较低，电导率反应较强，则两者的差别会更显著。

皮肤电反应的形成

当人体受到感官刺激或情绪变化时，皮肤内的血管会因个体的情绪刺激而发生收缩、扩张，同时人体的汗腺分泌物也会发生变化，从而引起皮肤电阻的变化，形成皮肤电反应。

人类的手掌被认为是“精神出汗区”，与身体其他部位的体温调节性出汗不同，手掌的汗腺主要对精神活动或感官刺激敏感，情绪越紧张、兴奋，出汗就越多。

当汗腺受到刺激而变得更加活跃时，它们会通过毛孔将汗液分泌到皮肤表面。当分泌物中的正离子和负离子的平衡被打破时，电流就更容易流动，从而导致可测量的皮肤电导率变化。皮肤电导率的变化称为皮肤电反应。

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，相同电压下，可以通过的电流越大。

皮肤电阻的数值变化范围很大，其值受多种因素的影响，例如皮肤角质层的厚度、汗液分泌、体内血液循环等。皮肤电阻是心理现象的外在表现。

情绪波动会影响皮肤电阻，当人体紧张、出汗时，人体电导率会增加，皮肤电阻会下降；相反，当人体平静，皮肤较干燥时，皮肤电阻会相应增加。

皮肤电反应的原理

当人体受到外界因素刺激，或情绪状态改变时，其自主神经系统活动会引起皮肤血管扩张与收缩、汗腺分泌的变化，导致皮肤纹理的变化。

技术

皮肤

皮肤电活动的测量通常是通过将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来测量皮肤的电导率。

影响因素（技术方面）

皮肤电反应的数值会因所用仪器的类型和测量方法的不同而有很大差异。这些因素主要包括：测量电路的类型、电路中的电压、电极的材料、电极与皮肤的接触面积、电极的放置位置、是否使用导电介质以及使用何种介质[4]。

传感器

通常，GSR传感器的测量面积为1cm2，电极由Ag/AgCl（银/氯化银）制成。电极贴片可以使用导电凝胶来提高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量，一般用电阻值与其对数或电导与其平方根来表示。电导在数值上等于电阻的倒数，符号为G。

电导的单位是西门子，缩写为Si，符号为S。电阻的符号为R，单位为欧姆，符号为Ω。导体的电阻越小，电导越大。

电导与电阻的关系方程为：

G = 1/R。即，s = 1/Ω 或 μs = 1/KΩ。

测量位置

人体的汗腺多分布在手掌和脚底，这意味着测量这两个区域的皮肤电更为敏感。

数据预处理

皮肤电数据在进行统计之前需要进行预处理，具体的预处理流程是怎样的呢？下面的内容从几个部分来介绍皮肤电预处理流程。

第一部分 皮肤电数据简介

皮肤电信号主要由缓慢变化的基础（Tonic）活动-皮肤电导水平和快速变化的相（）活动-皮肤电导反应组成，见上图（韩英，董宇琪，&毕敬刚，2018）。

1.1 皮肤电导水平（SCL）

SCL是无任何环境刺激下皮肤电导的基线，在几十秒到几分钟内缓慢而细微地变化。SCL的升降随个体反应、皮肤干燥程度或自我调节能力而不断变化（韩英，董宇琪，&毕敬刚，2018）。

皮肤电导率基本水平存在个体差异，且与人格特质相关，如项以文、闫克乐、吕云清等在2000年的研究中测量了大学生皮肤电导率基本水平与MMPI量表的关系。

1.2 皮肤电导反应（Skin，SCR）

相位响应比基准水平更高且更快，并显示为“GSR突发”或“GSR峰值”。

SCR对特定的情绪刺激事件敏感，事件相关皮肤电导反应（ER-SCR）会在情绪刺激发生后1~5秒内突然发生；非特异性皮肤电导反应（NS-SCR）在人体以1~3分钟的速率自发发生，与任何刺激均无关（韩英，董宇琪，&毕敬刚，2018）。

第2部分

事件相关皮肤电导反应

下图（来自官网）是理想的皮肤电导反应，刺激后皮肤电导在0-4秒内逐渐达到峰值，0.5-5秒内恢复，最多需要9秒才能观察到皮肤电导反应。

因此，在设计皮肤电沉积实验时，应注意刺激之间的间隔，两次刺激之间的间隔至少应为10秒，以避免两次刺激的反应混淆。

刺激后皮肤电位应有明显的上升，其峰值是皮肤电反应是否良好的重要指标，皮肤电位的单位是微西门子（µS），其值大约在5-50µS之间。

受试者的皮肤干燥程度、个体差异、电极、采集部位等都是影响因素，采集数据时应严格遵循操作规程，保证数据质量。

第 4 部分

如何判断数据质量

本部分图片均来自官方网站。

下图是比较理想的皮肤电导率数据，线条比较细（噪点不是太多），有明显的起伏，有明显的上升。

质量较差的数据可以分为以下几类：

① 高频噪声

上图是高频噪声对皮肤电反应的影响，线条比较粗，但整体波动还是比较明显的。

此类问题一般是由于电气干扰引起的：连接录音机的电线是否与其他电线相交叉或者靠近其他电器设备，电源是否正常连接，被摄体周围是否有电线或设备等。

这个问题对数据的影响不是特别大，而且这个噪音也可以通过滤波操作滤掉。

② 无信号及低幅度信号

无信号 如上图所示，线条特别粗，数值在0附近，可能是无信号，也可能是低幅度信号，可以通过呼吸测试（即让受试者深呼吸，观察受试者皮肤电反应）来区分，如果深呼吸后仍无波动，则说明无信号。

无信号可能与设备连接、电极过期等有关，导致设备无法采集受试者的信号。

有些受试者手上容易出汗，实验过程中电极可能会脱落，可以使用医用胶带将电极固定住，避免这种情况发生。

如上图所示，低幅度信号在0附近但有一些波动，这和个体生理有很大关系，有些受试者皮肤电反应不太灵敏，正式实验前需要进行预测和呼吸测试，排除这类受试者。

另外，受试者的皮肤可能过于干燥，实验前避免使用有香味或含酒精的洗手液洗手。另外，选择正确的电极片（实验用，未过期的），以及正确的粘贴位置（指尖、手掌等）。

如果您对皮肤电和电生理信号感兴趣，请联系我们！

声明：文章仅用于学术交流，不用于商业行为，如有侵权或质疑，请后台留言，管理员将立即删除！