微笑表情的近紅外額耳穴信號小波超低頻功率譜特征提取*

李文石

(1.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，蘇州 215021；2.南京大學(xué)近代聲學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京210093)

微笑是一種頻度最高的面部表情，既可通信表達(dá)個(gè)體的正性情緒狀態(tài)，也可實(shí)現(xiàn)社會(huì)交往功能諸如歡迎和安撫[1]。

微笑測量研究的主要領(lǐng)域包括微笑美學(xué)、微笑識別和微笑腦科學(xué)。

微笑美學(xué)基于微笑線比率(2|2切緣弧度/下唇上緣弧度)等參數(shù)考察微笑的幾何美，統(tǒng)計(jì)得到平均微笑線的占比高達(dá)69 %，認(rèn)為理想的微笑是上切牙的牙冠顯露四分之三， 同時(shí)牙齦顯露在2 mm以內(nèi)[2-3]。

微笑識別研究有助于機(jī)器智能應(yīng)用的情感理解與仿真[4-5]。

微笑腦科學(xué)的已知成果表明：左前額皮層主要司職正性積極情緒， 右前額皮層主要管理負(fù)性情緒[6]，例如，左半球損傷之后容易罹患抑郁癥的原因是：左腦區(qū)域損傷后將導(dǎo)致積極情緒體驗(yàn)?zāi)芰Φ娜笔?，也容易造成微笑表情的缺失，這是抑郁癥的標(biāo)志性特征[7]。

鑒于微笑測量研究的新趨勢是預(yù)測健康[6]，本工作旨在無損間接測量微笑區(qū)別于平靜的人腦機(jī)制，研究思想基于額耳穴反射腦額區(qū)的神經(jīng)遞質(zhì)的超慢漲落，具體通過透射方式得到耳動(dòng)脈血的氧合血紅蛋白色基之于近紅外光的吸收漲落[8]，為間接測量抑郁或者疲勞，積累基礎(chǔ)性的研究數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理分別基于耳腦反射機(jī)制、近紅外吸收窗口和血氧超慢信號的內(nèi)源性。

1.1 耳腦反射機(jī)制

圖1是人腦功能分區(qū)與主要耳穴圖解。

國際耳穴理論認(rèn)為[9]：人的耳廓恰似倒置的胎兒，耳垂對應(yīng)于頭面部位；額耳穴位于對耳屏1 區(qū)(Antitragus No.1 Acupoint)，與人腦額區(qū)呈現(xiàn)相互反射的關(guān)系。因此，通過采集分析額耳穴信號，可能探知腦額區(qū)對于正性情緒表達(dá)例如微笑的調(diào)控作用。

圖1 人腦功能分區(qū)與主要耳穴圖解

1.2 近紅外吸收窗口

近紅外檢測可針對血液中的氧合血紅蛋白(HbO2)或氧離血紅蛋白(Hb)的濃度，具有非電離的無損特性。 HbO2與Hb的吸收系數(shù)跟波長的關(guān)系，構(gòu)成了紅光/近紅外低吸收譜窗口波段(700 ～1 100)nm，參見圖2[10]。

圖2提示我們：960 nm波長僅對氧合血紅蛋白敏感；又因?yàn)槎垢缓瑒?dòng)脈血[11]，血氧飽和度高達(dá)(97.0±0.9)%，因此，本技術(shù)選擇近紅外波長960 nm主要針對上耳垂部位(對耳屏1區(qū))的氧合血紅蛋白濃度的漲落。

圖2 血紅蛋白近紅外光吸收窗口

1.3 血氧超慢信號的內(nèi)源性

因?yàn)榇嬖谀X(耳)神經(jīng)血管耦合機(jī)制的緣故，使得腦血氧超慢信號與腦神經(jīng)遞質(zhì)的超慢特性具有同源性。已知成果揭示了腦血氧超慢信號的共性特點(diǎn)是：

①頻段位于(0.1 ～40)mHz附近；

②屬于獨(dú)立于心跳和呼吸的神經(jīng)血管耦合貢獻(xiàn)；

③可被藥物、病理?xiàng)l件或者腦認(rèn)知所調(diào)控。

因此，提取所采集信號中的超低頻成分具有神經(jīng)機(jī)制基礎(chǔ)。

基于前述的原理分析，本工作設(shè)計(jì)了如下的微笑特征提取實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)首先簡介受試者選擇，接著概論實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)、應(yīng)用步驟與算法選擇要點(diǎn)。

2.1 受試者選擇

16位志愿被測者的相關(guān)信息是：

①11人包括女5人，在校研究生、本科生和大專生；

②平均年齡為(24±4)歲；

③被測者自愿接受平靜/微笑測試；

④要求被測者于測試前身體狀態(tài)良好，近期沒有服用藥物。

2.2 信號采集與處理

圖3是自制的腦認(rèn)知研究測量系統(tǒng)框圖[8]。

圖3 腦認(rèn)知研究測量系統(tǒng)框圖

信號采集條件：

①保持測試環(huán)境安靜，例如不被手機(jī)和鈴聲及其它噪聲所干擾，現(xiàn)場只有測試者和被測者兩人；

②測試過程中要求，平靜狀態(tài)受試者微閉雙眼，大腦處于休息狀態(tài)。微笑狀態(tài)受試者微閉雙眼，不用腦思維但做出微笑表情(嘴角上提，微露齒)；

③兩種狀態(tài)下身體都需保持靜止，尤其是不能晃動(dòng)頭部；

④近紅外收發(fā)對管放于受試者右耳額穴，發(fā)射管在耳前，接收管在耳后，兩管夾角均為零度；

⑤Agilent示波器連接PC機(jī)，每秒鐘采集1 000點(diǎn)，采集1 s后間隔10 s采集下一次，共采集10次完成一組平靜/微笑的數(shù)據(jù)建庫任務(wù)。

數(shù)據(jù)處理算法：在自主編制的處理軟件中，首先做數(shù)據(jù)預(yù)處理包括三點(diǎn)平滑與歸一化等；接著調(diào)用db3小波分解語句，例如：[b， l] =wavedec(a， 10，‘db3' )，做10級分解，然后再重構(gòu)，得到超低頻功率譜值作為提取特征。

3 數(shù)據(jù)分析

圖4是男性受試者(25周歲)平靜對比微笑的10級重構(gòu)db3小波譜舉例。

圖4 平靜對比微笑的10級重構(gòu)db3小波譜

其中，平靜譜值是微笑時(shí)的10倍數(shù)量級， 該典型結(jié)果提示：微笑時(shí)所引發(fā)的腦耗氧很少；這是因?yàn)轭~耳穴內(nèi)動(dòng)脈血的氧合血紅蛋白濃度保持較高水平，吸收較多的940 nm波長能量， 故而透射輸出很少。

表1所示為10 000點(diǎn)數(shù)據(jù)的10級重構(gòu)db3 小波譜的平靜與微笑能量(功率譜值)比值R(受試者n=16)。其中，針對每位受試者分別測試后處理得到組1 ～組3共計(jì)三組數(shù)據(jù)，旨在證明該實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

表1 平靜與微笑能量比R

將表1中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)成餅圖(圖5：依據(jù)R值分段)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：

①至少81 %的受試者符合微笑比平靜能耗低(R≥1.00)的規(guī)律(實(shí)驗(yàn)的一致性表現(xiàn)：組1和組2為81 %，組3 則為87 %)，這與微笑牽動(dòng)的面部肌肉相對較少這一機(jī)制相符合，也與首次應(yīng)用PET技術(shù)報(bào)道的誘發(fā)微笑時(shí)腦額區(qū)激活降低的規(guī)律相一致[12]；

圖5 平靜對比微笑的能量比R的成分分析餅圖

②針對微笑比平靜能耗高的被測者(R＜1.00)，我們從側(cè)面了解到：其中一位是測試前重感冒剛好，一位是近期心情不好，還有一位同學(xué)平時(shí)就不與同學(xué)交往，有些自閉。

③采集1組數(shù)據(jù)需要100 s，而長時(shí)間一直維持微笑比較困難，所以對于微笑持續(xù)時(shí)間較短的數(shù)據(jù)組(1.00≤R≤1.02)，平靜與微笑的比值就比較接近于1。

4 結(jié)論與討論

本工作初步認(rèn)為：從平靜與微笑的能耗關(guān)系入手，基于近紅外額耳穴的小波超低頻特征，無損測量受試者是否有抑郁傾向或疲勞，方法可行，因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，81%的受試者具有微笑小于平靜的小波超低頻功率譜特征，所以值得擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)樣本做進(jìn)一步探究。

討論：經(jīng)過驗(yàn)證，本實(shí)驗(yàn)采用的近紅外線產(chǎn)生熱量很少(0.05 W/cm2at 940 nm)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于皮膚的最大照射限制能量(0.2 W/cm2at 630 nm， 0.4 W/cm2at 850 nm)[13]。

感謝鮑信茹碩士與姚志剛碩士的實(shí)驗(yàn)合作。

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