摘要

使用不显眼的可穿戴传感器测量青少年的心理生理信号可能有助于了解情绪障碍的发展。本研究调查了测量高质量生理数据的可行性，并在学校环境中检验了信号处理的有效性。在86名青少年中，使用带有凝胶电极的手腕佩戴传感器记录了总计超过410小时的皮肤电活动（EDA）数据，使用胸带传感器记录了超过370小时的心率数据。研究结果支持了在学校监测生理信号的可行性。我们描述了具体的挑战，并为信号分析提供了建议，包括处理由于传感器松动而产生的无效信号，以及量化噪声，这些噪声可能由可穿戴设备中模数转换的限制引起，并被误认为是生理反应。重要的是，我们的结果表明，使用默认参数的工具箱进行自动信号预处理、分解和伪影检测，而忽略设备和测量环境之间的差异，会产生误导性的结果。在应用我们提出的预处理步骤后，发现学生在整个课程中的生理信号的时间过程更加清晰。

关键词：可穿戴设备、EDA、心率、外周生理学、动态监测

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1.简介

使用生理测量来评估心理和情绪过程在心理科学中有着悠久的历史。例如，皮肤电活动（EDA）和心率（HR）等外围指标已被广泛用作实验室环境中情绪效价和唤醒[1]、心理工作量[2]、压力、决策[3]和参与[4]的指标。开发用于评估EDA和HR的不引人注目的可穿戴传感器的最新技术进步为监测人们日常生活中生态环境下的生理过程提供了机会。除了问卷调查和观察等其他测量工具外，可穿戴生理传感器还提供了关于个人认知和情绪状态的独特、详细的信息[5]。它们可以提供有关心理过程潜在机制的信息，具有非侵入性或微创性，不需要用户注意，从而允许持续评估。在过去的几十年里，部署可穿戴传感器来记录现实生活中的心理生理信号越来越受欢迎。

然而，在现实生活中测量生理信号会带来许多挑战。首先，与信号质量高的受控实验室设置不同，由于过度的身体运动、电极干扰或设备的限制，从流动设置记录的信号可能会有噪声。值得注意的是，生理信号经常与这些因素混淆[6]，因此威胁到动态评估的有效性。其次，在该领域部署可穿戴生理传感器需要对所涉及的成本和收益[7]、设备的可接受性、可用性和稳健性[8]有细致的了解。最后，尽管有人呼吁独立方对商业上可穿戴的生理传感器进行验证，但只有少数传感器得到了验证。例如，只有5%的HR可穿戴技术经过了金标准测量的正式验证[9]，只有10%被开发为适合野外记录的研究级技术[9]。在采用现实生活中生理信号的测量来获得实验室外心理过程的信息之前，有必要进行更系统、透明和严格的评估。生理过程可以在现实生活中的不同人群和不同的背景下进行检查。然而，青少年是一个特别有趣的群体，因为在这一发展时期，与儿童和成人相比，平均而言，年轻人面临的（社会）压力增加，对压力的情绪和生理反应增强[10，11，12，13]。因此，研究青少年日常生活中的生理过程可能有助于更好地理解内化症状和情绪障碍的发展机制，其中许多症状和情绪紊乱通常在青春期发作（如抑郁和焦虑）[14]。

值得注意的是，青少年的动态评估可以在学校环境中进行，这代表了一个生态有效的环境，绝大多数青少年在这里度过了大部分时间。在学校里，青少年经常参与许多认知和情感上突出的活动，例如在学习或与同龄人互动时，这使得学校环境成为检查心理生理过程的非常合适的环境。此外，学校环境提供了以半结构化方式进行测量的机会，与其他“完全狂野”的场景相比，某些因素是已知的（例如，课程安排）。因此，在目前的研究中，我们选择在学校环境中，在最低控制条件下测量青少年的生理信号。

虽然已经在课堂上使用可穿戴EDA和HR传感器对学生的参与度[15，16，17，18，19]和情绪状态[20，21]进行了一些研究，但我们旨在通过详细阐述文献中经常未报道的可用性和实践局限性来扩展现有文献。具体而言，我们旨在研究在学校环境中使用可穿戴传感器在青少年中获取生理信号的可用性和实际问题，并检验信号处理在这种动态环境中的有效性。此外，我们关注EDA，因为与HR相比，在现实生活中记录EDA的研究很少。这可能是因为用于记录EDA的可穿戴设备相对昂贵，并且没有HR可穿戴设备存在那么久。此外，可以说，不切实际的值和信息变量的定义并不那么简单。我们记录了两所不同学校86名学生的EDA和HR信号。这项研究中使用的设备是手腕佩戴的设备（用于记录EDA）和胸带传感器（用于记录HR），据报道，这是一种可佩戴的传感器类型，在儿童中得到了高度的接受和遵守[22]。在本文中，我们讨论并呈现：

在学校录制时设备的可用性和效率；我们评估了在学校使用可穿戴传感器监测生理信号的实际可行性，在学校里，学生可以在没有任何特定任务指导的情况下自由活动。对设备的处理、记录干扰、频率和缺失数据量进行了评估，以量化在学校现场测量生理信号的可行性。

真实录音中的信号处理问题；我们研究了如何处理由于传感器松动而导致的无效EDA信号，并评估了使用自动EDA工具箱来检测伪影的充分性。这是研究的主要部分。特别是，这一部分将与更广泛的现实生活环境相关，而不仅仅是学校。

EDA和HR在课堂环境中的一般模式；为了填补教育背景下的实验室实验与不受限制的运动和未知背景下的真实世界测量之间的差距，我们选择专注于可以假设不涉及剧烈体育活动的课堂教学。我们研究了学生从课堂演讲开始到结束的生理信号的时间过程。