血谱成像技术在早期儿童教育与发展中的应用

    金燕妮　刘彦　王静梅

    为推动早期儿童教育与跨学科研究的发展，促进中外学者跨学科合作与交流，6月14～16日，由浙江师范大学杭州幼儿师范学院主办的“第四届早期儿童教育与发展神经科学国际研讨会”在浙江杭州隆重召开。本次会议涉及发展神经科学与神经教育学、早期儿童发展与教育、早期教育环境等重要议题，尤其是聚焦对低幼儿童研究具有变革意义的新技术——血谱成像技术（Transdermal Optical Imaging，简称TOI技术），展示TOI技术在当前各研究领域所取得的阶段性成果，为国内外学者的交流与合作提供了平台。

    一、TOI技术的原理解析

    加拿大多伦多大学李康（Kang Lee）教授围绕“TOI技术的原理与发展”这一主题，从多个方面深度解析了TOI技术。这是一项使用传统的光学传感器，并结合先进的信号处理和机器学习系统来获取皮肤下血红蛋白浓度变化情况，从而测量生理和心理状态的非接触式技术。

    为何选择TOI技术？李康指出，现有的接触式的用以测量生理和心理状态的技术存在一些缺陷，如有一定的创伤性，价格较贵，操作相对复杂，低幼儿童很难接受长时间测试等，而现有的非接触式的生理与心理状态测量技术又缺乏一定的有效性和精确性。例如，研究发现，在日常生活中，人类面部带有明显表情的时间仅占7%。在这种情况下，常用的面部表情检测技术（非接触式测量技术）在实时检测方面无法发挥作用，且依靠对人的面部表情的分析也无法获得真实的情绪信息。TOI技术则能依托其卓越的性能解决这些问题。TOI技术是先将光源直接照射到面部，光线穿过皮肤表皮，根据光与组织交互原理（Light-tissue Interaction），光在到达真皮层后会出现反射，然后在不接触个体的情况下，利用光学传感器（Optical Sensing）全盘接收面部皮肤反射的光线。根据比尔-朗伯定律（Beer-lambert Law），一束单色光照射于一吸收介质表面，在通过一定厚度的介质后，因为介质吸收了一部分光能，所以透射光的强度会减弱，吸收介质的浓度及厚度愈大，光强度的减弱愈显著。光学传感器接收到的光带有大量面部血红蛋白浓度变化的信息。根据人体循环系统的原理，面部的毛细血管和人体心脏、静脉、动脉都是紧密相连的，这些面部血红蛋白变化信息能够很好地反映出个体的生理状况，如血压、心率、呼吸等。因为人心理上的变化会带来个体血压和血流的变化，所以面部血红蛋白浓度变化信息也能间接反映出个体的心理状态。研究者根据收集来的面部血红蛋白变化信息，利用基于人工智能引擎的深度情感云计算对其进行自动分析，可以获得实时、可读的生理-心理-情绪信息。TOI技术强大的机器学习能力实现了数据的自动快速处理。未来在人工智能的推动下，TOI技术还将实现数据收集、分析与写作的一体化。

    二、TOI技术的可行性探析

    多项研究为TOI技术的可行性提供了证据。北京航空航天大学刘建刚教授的团队利用TOI技术对面部皮下血流的变化和分布情况进行了测量，发现所划定的每个面部区域可能包含多个独立成分，每个独立成分又具有不同的空间分布模式。进一步的研究发现，不同的独立成分的时间过程都包含类似心脏活动的幅频特性（即电压放大倍数与频率的关系），同时还具有不同于心脏活动的相频特性（即输出信号与输入信号的相位差与频率的关系）。这些发现说明TOI技术能有效获得面部皮下与心血管相关的血流活动模式。

    TOI技术应用的可行性不仅在心血管测量中得到了印证，在心理压力测量上也展现了明显的优势。浙江理工大学严璘璘副教授将已有测量心理压力的手段（认知评估、情绪反应测量、应激激素测量、心血管反应测量）与TOI技术进行了详细比较，发现已有的心理压力测量手段虽有一定的优势，但其劣势也表现得很明显。认知评估和情绪反应测量的操作比较简单，成本低廉，但极易受主观因素影響，且时效性较差。应激激素测量虽然能客观、量化地测量心理压力，但是取样难度较大且易混淆压力源，样品保存要求高，测量成本高。心血管反应测量比较客观、量化，可是也存在测量成本高，技术要求高，测量情景受限制等缺陷。相比这些心理压力测量手段，TOI技术能够在不接触受试者的情况下客观、高效、实时地测量出个体的心理压力，且在数据收集、数据处理和数据分析方面更为便捷、可靠。

    三、TOI技术的应用现状与前景

    在实践层面，多个领域的专家展示了TOI技术的阶段性应用成果。在儿童教育与发展领域，浙江师范大学秦金亮教授带领的研究团队发现，18个月婴幼儿通常在刚入托的三个月内很难顺利适应托幼机构的生活，会出现入园哭闹、入园孤僻、入园焦虑等现象，往往比小班幼儿所需要的入园适应期更长。秦金亮分析指出，婴幼儿的压力源主要有四种类型，分别是陌生与新异性条件、竞争性条件、伤害性条件和挑战性条件。入托适应是个体毕生发展性适应的重要节点，研究者应当予以重视。为深入研究这一难题，秦金亮团队计划以幼儿的社会性微笑为行为指标，利用TOI技术进行一项入托、入园和入学三阶段的发展性适应的长期追踪研究，旨在利用TOI技术确定与幼儿发展性适应相关的恒定有效的生理指标，实现行为指标和生理指标的有效结合，从而为设计适应性课程以改善幼儿适应性行为提供有力的支持。秦金亮指出，人工智能时代的到来，对儿童的发展与教育提出了新的挑战。TOI技术具有测量无接触、无创伤，自然状态采集数据，多被试并行采集数据，大尺度采集数据等优势。在横向研究方面，TOI技术可以用于对儿童社会认知、情绪情感、社会性、人格发展等的探讨;在纵向研究方面，TOI技术可以用于开展儿童健康追踪、社会性发展与适应、发展性偏差与障碍、情绪发展、认知发展、审美发展等的研究。秦金亮还以“社会性微笑”为例，从社会性微笑的综合干预与改进、社会性微笑的生化递质机制、社会性微笑的基因表现、社会性微笑的面孔血流表现、社会性微笑的经验观察记录等五个方面构想TOI技术与其他技术的整合，期待实现儿童发展研究跨学科、多领域的融合。

    TOI技术在情绪、情感的识别上也展现出了很好的应用前景。众所周知，面部表情可以反映个体的情绪，但是面部肌肉是可以被个体有意识地控制的。个体可以有意地做出与实际情绪不一样的表情，或者面无表情。那么，除了通过表情来识别人类的情绪外，是否能够找到更加客观有效的指标与方法来识别情绪呢？杭州师范大学傅根跃教授根据脸部血流动力学标志假说（the Facial Hemodynamic Signature Hypothesis），即不同的情绪会引起面部不同的血流变化模式，而这种变化模式可以测量并作为识别不同情绪的生理指标，通过TOI技术记录了314名大学生在观看两套情绪视频时的面部血流数据，发现不同的情绪会引起面部不同的血流变化模式，而这种变化模式可以通过TOI技术获得，用作识别不同情绪的生理指标。

    在人类发展性适应问题上，多伦多大学吴思佳（Sijia Wu）高级研究员探讨了大学生的入学适应性问题，分享了对18个学院的11741名新生入学适应性的TOI研究结果，还分享了利用TOI技术测量考试前后学生心理压力的研究成果。

    除此之外，TOI技术在对女性服刑人员负性心境干预的研究中也得到了应用。浙江师范大学宋晓兰副教授介绍了女性服刑人员自我报告与面部血谱成像技术的研究结果。在这一研究过程中，TOI技术体现出的高效、便携的特性，为研究带来了极大的便利，为TOI技术的可行性和有效性提供了研究证据。浙江工商大学侯旻副教授报告了其研究团队利用TOI技术在品牌认知领域进行的研究。侯旻构想在今后的研究中建立起品牌态度与TOI技术之间的关系模型，进而实现利用TOI技术对品牌态度的预测。

    时代在发展，科技在进步。每一次新技术的出现都为科研事业的发展提供了新思路。人工智能时代、大数据时代已经悄然来到身边。TOI技术作为人工智能和大数据结合的产物，为科研事业打开了一扇新的大门。本次研讨会不仅深化了我们对TOI技术的认识，更加关注研究技术的重要性，而且拓宽了我们的研究视野。

    本次研讨会还举办了TOI技术及应用工作坊。李康、刘建刚、秦金亮、吴思佳、王靜梅等专家详细解答了TOI技术的原理、实验室设计、基于现场的实验研究设计等问题，还进行了操作示范。与会代表先是分小组开展实验操作，就其中的细节进行深度讨论，后就即将开展的研究课题进行跨小组讨论，听取相关专家的分析、点评。与会代表纷纷表示收获很大，对TOI技术及其应用充满信心。

    Application of Transdermal Optical Imaging in the Early Childhood Education and Development： A Review of the 4th International Conference on Early Childhood Education

    and Development Neuroscience

    Jin Yanni， Liu Yan， Wang Jingmei

    （Hangzhou College for Kindergarten Teachers， Zhejiang Normal University， Hangzhou， 310012）