一种与情绪有关的皮肤直流建模及其实验方法研究
作者：李江 卓睛 王文渊
单位：100084 北京清华大学自动化系
关键词：皮肤建模；皮肤电阻；紧张情绪
中国行为医学科学000406【摘要】 目的 探讨人的情绪变化引起皮肤直流电阻变化的原因及其实验方法 。方法 本文探讨了皮肤的直流建模，参照此模型提出了一种新型的铜丝网测量电极。通过测试不同部位(前额,手掌 ,手背)的皮肤电阻，找出了皮肤电阻随紧张情绪变化最为敏感的部位。并且从生理的角度分 析了紧张情绪引起皮阻变化的原因,以及测试电极对测量结果的影响。结果 实验结果与皮肤直流模型相符，皮阻的变化在手心等汗腺分泌旺盛的地方变化较大，用干电极比用湿电极所测信号大，用新型铜丝网测量电极能获得较大幅度 的信号。结论 由紧张情绪引起的人体皮阻变化是由于心理因素影 响汗腺的分泌所致。皮阻变化较大的测量点就是人体汗腺分泌较旺盛的部位。
, http://www.100md.com An electrical DC model for the human's skin related human's mood and its experim ental method research
Li Jiang, Zhuo Qing, Wang Wenyuan.Automation Department of Tsinghua University , Beijing, 100084
【Abstract】 Objective To explore the causation between reflex or changes in skin resistance and emotio nal tension. Methods By measuring the skin resistance changes in three different spots (Forehead, Palm, Back of hand) we found out the most sensitive s p ot to reflect the emotional tension and analyzed its causation. Comparing with t he traditional measuring electrode the new one we constructed worked more effect ively. We also explore the effect on the measurement by using different electro de . Result The most significant changes of skin resistanc e when the subject being nervous is the spot where the sweat gland works more actively. Using the new st yle dry electrode can get a more significant signal. Conclusion The skin resistance chan ges when the subject being emotional tension is due to the sweat grand, the most sensitive spot is the place where the sweat grand is more active .
, http://www.100md.com
【Key words】 Skin model Skin resistance Emotional Tension
引言
皮肤电阻在生理和心理学上都有很多的应用，在临床中皮肤电阻可用于监护病人的生理状态,皮肤电阻的变化能反映病人的健康状况[1]。在传统的中医学中，利用皮肤电阻 可 找出针灸点：在负极性直流电压的作用下,皮肤很容易被击穿,这些被击穿的点就是皮肤电阻 相对较低的点[2，3], 在中医学中称为针灸点[4，5]。另外，由于 人体 各区域皮肤结构的不同, 从而导致皮肤阻抗不连续,构成了所谓的皮肤电阻“马赛克现象”[6] 。
在生理学方面，早在十九世纪就有将皮阻变化作为测谎的依据。随着测谎技术 的发展，尽管增加了其它的信号，但皮阻依然是重要的参考信号之一。然而，长期以来对皮 阻与紧张情绪的关系还缺乏理论上的研究，也没有建立与此相关的皮肤模型。本文提出了这 方面的一个模型并进行了实验验证。 皮肤阻抗由电阻和电容并联而成,紧张情绪主要与皮肤 电阻有关[1], 由于负极性电压容易造成皮肤击穿，本试验用正直流电压测量皮肤 电阻。通过实验,紧张情绪确能使皮阻发生变化。
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皮肤的直流建模
皮肤最上层是角质层,依次而下是真皮、皮下组织。真皮和皮下组织富含细胞液,电导性能较强,电阻较小,皮肤电阻主要是由角质层所构成。角质层再细分为死细胞,毛孔,汗腺末端。 由于他们所起的作用不同，变化率也不一样，所以可把它们分开表示。根据离子渗透原理[7，8],在正极性和负极性电压作用下,皮肤电阻有着显著差别。由此建立皮肤 的直流模型如下(图1)。
图1直流模型
其中Rds与死细胞的泄漏有关,且初始值很大,当皮肤温度升高时其值下降。D1， D2是两个非线性装置,表示因电压极性不同由离子渗透原理造成的正负极性不对称性[9]，D1代表正极性电压作用下电流主要通过D1，同理D2反之亦然。 流过它们的电流主要与温度有关，其他因素影响不大。
(1)
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R0是皮肤在常温下的值,其值约为1MΩ，K4由试验决定。Rbody是人体电 阻,由于其值较小,一般可忽略不计。Rsw是与汗腺，毛孔等有关的电阻。
实验方法
当外加电压超过20V时有可能造成皮肤的不可恢复性击穿[4]，且负极性电压更容易击穿，所以实验中选择+5V电压。为获取皮阻信号，用一个20kΩ 的电阻与人构成串联分压电路，以人体的电压分量代表电阻的大小。由于我们只关心由情绪 变化引起的皮阻变化，所以去掉了直流分量。在本电路中的放大倍数调节范围为5～166倍， 实测时经过调节放大倍数使输出电压在-5-+5V之间。
本试验提出了一种新型的测量电极即铜丝网电极，面积约为1cm2；另一参考电极采 用面积很大的铜丝网, 面积比测量电极的面积大得多,其电阻可忽略不计[6，10] 。测量结果经放大、滤波、去直流、经过A/D转换后输入PC机。由于深呼吸所引起的皮阻变化与紧张情绪引起的皮阻变化相似，本实验用同样深度的深呼吸作为紧张情绪的模拟。测试对象为本实验室男学生，年龄在23岁左右。测试前被试人先静坐一会儿以恢复平静,室温在25℃左右。实验中取三个测量点:手掌,手背和前额, 参考电极置于前手臂。在手背部位还测试了用干、湿电极以及不同 形状电极所测得的信号。
, 百拇医药
试验结果
图2是用铜丝网电极在三个不同点所测皮肤电阻变化的情况。从图可以看出从手背和额头处所测的电阻变化相差无几，而从手心处所测信号明显比前两者大。
图2不同地点所测数据
人体皮肤中分布着很多的汗腺，人体时刻都在出汗，即使处在睡眠状态也会分泌少量汗 液。 当情绪紧张时，支配汗腺的交感神经活动增强，汗液分泌增多，而人体手心、脚心 汗腺分泌比较旺盛，额头、手背则较少。由于测试时皮肤温度几乎没有变化，根据式(1) 式Rds变化不大。同样，流经D2的电流变化只与温度有关所以其值变化也不大，从而皮肤电阻的变化主要是由RSW引起，所以当心理紧张时手心处的电阻变化比额头、 手背处大。
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图3是分别用干湿铜丝网电极在手背处测得的电阻变化其中，干电极与上测法一样， 用湿电极测时，先将医用电解液涂于手背然后再放电极。由图可知干电极所测信号比湿电极 大得多。由于温度几乎没变化，阻值与温度有关的Rds和D2的阻值不会有太大变 化。而涂于皮肤表面的电解液使RSW下降了很多，在汗液增多之前皮肤已经被能导电 的电解液覆盖，所以当汗腺分泌时也不能使RSW发生大的变化。
图3干湿电极对比
图4中的实验证实了我们采用铜丝网电极的优点。一种是圆形医用Agcl电极，面积 约为1cm2。传统上测量皮肤电阻都用这种板状电极，但为了获得更大的信号输出本实验 提出了新型的铜丝网电极，虽然铜丝网实际面积与Agcl电极差不多但用铜丝网所测信号 要大得多。
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图4不同电极之对比
平板电极透气性较差，在实验之前的平静过程中，汗腺分泌的汗液不易蒸发而积攒在电极之下，其效果相当于在皮肤上涂了一层导电液。这一过程消除了因紧张情绪造成的汗液分泌 而引起的皮阻变化。而对于铜丝网，由于有很多空隙便于汗液蒸发而不会积攒在电极下，使 得RSW变化的幅度大得多。这也是前面使用铜丝网电极的原因。另外，从实验发现， 所测信号的大小与温度有很大关系，当室温低于15℃时就几乎检测不到信号。当环境温度太低时汗腺分泌汗液的功能大大降低，这时由于紧张情绪对汗腺分泌活动 的影响微乎其微，以至于测不到明显的信号。
结论
一、人的紧张情绪会引起皮肤电阻的变化，而变化的幅度随人体测试点的不同而不同， 在手心等汗腺分泌旺盛的地点幅度较大。
二、要测量这种因紧张情绪而产生的皮阻变化与所用电极有很大关系，本实验采用了一种与传统方法不同的新电极即铜丝网电极，所测信号幅度明显增大。
, 百拇医药
三、由于汗腺的分泌特点，采用干电极比湿电极所测的幅度大。
四、在环境温度适宜,汗腺分泌旺盛时所测幅度较大。
综上所述，紧张情绪之所以会引起皮阻变化，是因为汗腺分泌活动是由植物性神经系统 -交感神经系统所控制，在人情绪紧张时交感神经系统促使皮肤竖毛肌收缩，汗腺分泌。通 过检测皮阻的变化可在一定程度上反映人的情绪是否紧张，测谎仪通过测量皮阻来判断人是 否撒谎就是基于这个原理。
展望
本文从定性的角度研究了紧张情绪会引起皮肤电阻的变化。以及其变化的原因。能否建 立一个更精确的模型从而能够定量地去研究二者的关系是今后研究的方向。 人的紧张情绪 是 一个非常复杂的过程，是否还有其他人体信号能更好地反映人的某些心理变化也是值得进一 步探讨的课题. 这涉汲到认知科学、心理学以及人思维的本质, 需要交叉学科背景。它有 很 好的前景，如果能从人体外部信号获知人的情感、情绪等心理状态，这或许可以帮助我们理 解人的思维过程, 帮助我们认识自己。
, 百拇医药
参考文献
1.S. Grimnes. Psychogalvanic reflex and changes in electrical parame ters of dry skin. Med. & Biol. Eng. & Comput. 1982, 20:734～740.
2.Tatsuma Yamamoto, Yoshitake Yamamoto, Akoharu Yoshida. Formative Mec hanisms of Current Concentration and Breakdown Phenomena Dependent on Direct Cur rent Flow Through the Skin by a Dry Electrode. IEEE Trans. Biomed. Eng., 198 6,4(33): 396～404.
3.S. Grimnes. Dielectric breakdown of human skin in vivo. Med. & Biol. En g. & Comput. 1983,21:379～381.
, 百拇医药
4.G. Duncan Mccarroll, Blair A. Rowley. An Investigation of the Existence of Electrically Located Acupuncture Points. IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. BME-26, NO.3, March 1979, 26(3): 177～183.
5.Tatsuma Yamamoto, Yoshitake Yamamoto, Kiyotaka Yasuha-
ra, et al. Me asurement of Low-Resistance Points on the Skin by Dry Roller Electrodes. IEEE Trans. Biomed. Eng. 1988,35(3):203～209.
6.Panescu D, Cohen KP, Webster JG, et al. The mosaic electrical char acter istics of the skin. IEEE Trans. Biomed. Eng. (GFX), 1993, 40 (5): 434～439.
, http://www.100md.com
7.S. Grimnes. Skin impedance and Electro-osmosis in the human epidermis. Med. & Biol. Eng. & Comput. 1983, 21:739～749.
8.Dorin Panescu, John G. Webster. Robert A. Stratbucker. A Nonlin ear Electrical-Thermal Model of the Skin. IEEE Trans. Biomed. Eng. 1994,41(7):672～680.
9.Ronald R, Burnette, Diana Marrero. Comparison Between the lontophoretic and Passive Transport of Thyrotropin Releasing Hormone Across Excised Nude Mouse Ski n. Journal of Pharmaceutical Sciences. 1986,75(8):738～743.
10.Y. Yamamoto, T. Yamamoto. Characteristics of skin admittance for dry electro des and the measurement of skin moisturisation. Med. & Biol.Eng. & Comput. 1986, 24:71～77.
(收稿日期：1999-07-22), http://www.100md.com
单位：100084 北京清华大学自动化系
关键词：皮肤建模；皮肤电阻；紧张情绪
中国行为医学科学000406【摘要】 目的 探讨人的情绪变化引起皮肤直流电阻变化的原因及其实验方法 。方法 本文探讨了皮肤的直流建模，参照此模型提出了一种新型的铜丝网测量电极。通过测试不同部位(前额,手掌 ,手背)的皮肤电阻，找出了皮肤电阻随紧张情绪变化最为敏感的部位。并且从生理的角度分 析了紧张情绪引起皮阻变化的原因,以及测试电极对测量结果的影响。结果 实验结果与皮肤直流模型相符，皮阻的变化在手心等汗腺分泌旺盛的地方变化较大，用干电极比用湿电极所测信号大，用新型铜丝网测量电极能获得较大幅度 的信号。结论 由紧张情绪引起的人体皮阻变化是由于心理因素影 响汗腺的分泌所致。皮阻变化较大的测量点就是人体汗腺分泌较旺盛的部位。
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Li Jiang, Zhuo Qing, Wang Wenyuan.Automation Department of Tsinghua University , Beijing, 100084
【Abstract】 Objective To explore the causation between reflex or changes in skin resistance and emotio nal tension. Methods By measuring the skin resistance changes in three different spots (Forehead, Palm, Back of hand) we found out the most sensitive s p ot to reflect the emotional tension and analyzed its causation. Comparing with t he traditional measuring electrode the new one we constructed worked more effect ively. We also explore the effect on the measurement by using different electro de . Result The most significant changes of skin resistanc e when the subject being nervous is the spot where the sweat gland works more actively. Using the new st yle dry electrode can get a more significant signal. Conclusion The skin resistance chan ges when the subject being emotional tension is due to the sweat grand, the most sensitive spot is the place where the sweat grand is more active .
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【Key words】 Skin model Skin resistance Emotional Tension
引言
皮肤电阻在生理和心理学上都有很多的应用，在临床中皮肤电阻可用于监护病人的生理状态,皮肤电阻的变化能反映病人的健康状况[1]。在传统的中医学中，利用皮肤电阻 可 找出针灸点：在负极性直流电压的作用下,皮肤很容易被击穿,这些被击穿的点就是皮肤电阻 相对较低的点[2，3], 在中医学中称为针灸点[4，5]。另外，由于 人体 各区域皮肤结构的不同, 从而导致皮肤阻抗不连续,构成了所谓的皮肤电阻“马赛克现象”[6] 。
在生理学方面，早在十九世纪就有将皮阻变化作为测谎的依据。随着测谎技术 的发展，尽管增加了其它的信号，但皮阻依然是重要的参考信号之一。然而，长期以来对皮 阻与紧张情绪的关系还缺乏理论上的研究，也没有建立与此相关的皮肤模型。本文提出了这 方面的一个模型并进行了实验验证。 皮肤阻抗由电阻和电容并联而成,紧张情绪主要与皮肤 电阻有关[1], 由于负极性电压容易造成皮肤击穿，本试验用正直流电压测量皮肤 电阻。通过实验,紧张情绪确能使皮阻发生变化。
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皮肤的直流建模
皮肤最上层是角质层,依次而下是真皮、皮下组织。真皮和皮下组织富含细胞液,电导性能较强,电阻较小,皮肤电阻主要是由角质层所构成。角质层再细分为死细胞,毛孔,汗腺末端。 由于他们所起的作用不同，变化率也不一样，所以可把它们分开表示。根据离子渗透原理[7，8],在正极性和负极性电压作用下,皮肤电阻有着显著差别。由此建立皮肤 的直流模型如下(图1)。
图1直流模型
其中Rds与死细胞的泄漏有关,且初始值很大,当皮肤温度升高时其值下降。D1， D2是两个非线性装置,表示因电压极性不同由离子渗透原理造成的正负极性不对称性[9]，D1代表正极性电压作用下电流主要通过D1，同理D2反之亦然。 流过它们的电流主要与温度有关，其他因素影响不大。
(1), http://www.100md.com
R0是皮肤在常温下的值,其值约为1MΩ，K4由试验决定。Rbody是人体电 阻,由于其值较小,一般可忽略不计。Rsw是与汗腺，毛孔等有关的电阻。
实验方法
当外加电压超过20V时有可能造成皮肤的不可恢复性击穿[4]，且负极性电压更容易击穿，所以实验中选择+5V电压。为获取皮阻信号，用一个20kΩ 的电阻与人构成串联分压电路，以人体的电压分量代表电阻的大小。由于我们只关心由情绪 变化引起的皮阻变化，所以去掉了直流分量。在本电路中的放大倍数调节范围为5～166倍， 实测时经过调节放大倍数使输出电压在-5-+5V之间。
本试验提出了一种新型的测量电极即铜丝网电极，面积约为1cm2；另一参考电极采 用面积很大的铜丝网, 面积比测量电极的面积大得多,其电阻可忽略不计[6，10] 。测量结果经放大、滤波、去直流、经过A/D转换后输入PC机。由于深呼吸所引起的皮阻变化与紧张情绪引起的皮阻变化相似，本实验用同样深度的深呼吸作为紧张情绪的模拟。测试对象为本实验室男学生，年龄在23岁左右。测试前被试人先静坐一会儿以恢复平静,室温在25℃左右。实验中取三个测量点:手掌,手背和前额, 参考电极置于前手臂。在手背部位还测试了用干、湿电极以及不同 形状电极所测得的信号。
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试验结果
图2是用铜丝网电极在三个不同点所测皮肤电阻变化的情况。从图可以看出从手背和额头处所测的电阻变化相差无几，而从手心处所测信号明显比前两者大。
图2不同地点所测数据
人体皮肤中分布着很多的汗腺，人体时刻都在出汗，即使处在睡眠状态也会分泌少量汗 液。 当情绪紧张时，支配汗腺的交感神经活动增强，汗液分泌增多，而人体手心、脚心 汗腺分泌比较旺盛，额头、手背则较少。由于测试时皮肤温度几乎没有变化，根据式(1) 式Rds变化不大。同样，流经D2的电流变化只与温度有关所以其值变化也不大，从而皮肤电阻的变化主要是由RSW引起，所以当心理紧张时手心处的电阻变化比额头、 手背处大。
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图3是分别用干湿铜丝网电极在手背处测得的电阻变化其中，干电极与上测法一样， 用湿电极测时，先将医用电解液涂于手背然后再放电极。由图可知干电极所测信号比湿电极 大得多。由于温度几乎没变化，阻值与温度有关的Rds和D2的阻值不会有太大变 化。而涂于皮肤表面的电解液使RSW下降了很多，在汗液增多之前皮肤已经被能导电 的电解液覆盖，所以当汗腺分泌时也不能使RSW发生大的变化。
图3干湿电极对比
图4中的实验证实了我们采用铜丝网电极的优点。一种是圆形医用Agcl电极，面积 约为1cm2。传统上测量皮肤电阻都用这种板状电极，但为了获得更大的信号输出本实验 提出了新型的铜丝网电极，虽然铜丝网实际面积与Agcl电极差不多但用铜丝网所测信号 要大得多。
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图4不同电极之对比
平板电极透气性较差，在实验之前的平静过程中，汗腺分泌的汗液不易蒸发而积攒在电极之下，其效果相当于在皮肤上涂了一层导电液。这一过程消除了因紧张情绪造成的汗液分泌 而引起的皮阻变化。而对于铜丝网，由于有很多空隙便于汗液蒸发而不会积攒在电极下，使 得RSW变化的幅度大得多。这也是前面使用铜丝网电极的原因。另外，从实验发现， 所测信号的大小与温度有很大关系，当室温低于15℃时就几乎检测不到信号。当环境温度太低时汗腺分泌汗液的功能大大降低，这时由于紧张情绪对汗腺分泌活动 的影响微乎其微，以至于测不到明显的信号。
结论
一、人的紧张情绪会引起皮肤电阻的变化，而变化的幅度随人体测试点的不同而不同， 在手心等汗腺分泌旺盛的地点幅度较大。
二、要测量这种因紧张情绪而产生的皮阻变化与所用电极有很大关系，本实验采用了一种与传统方法不同的新电极即铜丝网电极，所测信号幅度明显增大。
, 百拇医药
三、由于汗腺的分泌特点，采用干电极比湿电极所测的幅度大。
四、在环境温度适宜,汗腺分泌旺盛时所测幅度较大。
综上所述，紧张情绪之所以会引起皮阻变化，是因为汗腺分泌活动是由植物性神经系统 -交感神经系统所控制，在人情绪紧张时交感神经系统促使皮肤竖毛肌收缩，汗腺分泌。通 过检测皮阻的变化可在一定程度上反映人的情绪是否紧张，测谎仪通过测量皮阻来判断人是 否撒谎就是基于这个原理。
展望
本文从定性的角度研究了紧张情绪会引起皮肤电阻的变化。以及其变化的原因。能否建 立一个更精确的模型从而能够定量地去研究二者的关系是今后研究的方向。 人的紧张情绪 是 一个非常复杂的过程，是否还有其他人体信号能更好地反映人的某些心理变化也是值得进一 步探讨的课题. 这涉汲到认知科学、心理学以及人思维的本质, 需要交叉学科背景。它有 很 好的前景，如果能从人体外部信号获知人的情感、情绪等心理状态，这或许可以帮助我们理 解人的思维过程, 帮助我们认识自己。
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参考文献
1.S. Grimnes. Psychogalvanic reflex and changes in electrical parame ters of dry skin. Med. & Biol. Eng. & Comput. 1982, 20:734～740.
2.Tatsuma Yamamoto, Yoshitake Yamamoto, Akoharu Yoshida. Formative Mec hanisms of Current Concentration and Breakdown Phenomena Dependent on Direct Cur rent Flow Through the Skin by a Dry Electrode. IEEE Trans. Biomed. Eng., 198 6,4(33): 396～404.
3.S. Grimnes. Dielectric breakdown of human skin in vivo. Med. & Biol. En g. & Comput. 1983,21:379～381.
, 百拇医药
4.G. Duncan Mccarroll, Blair A. Rowley. An Investigation of the Existence of Electrically Located Acupuncture Points. IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. BME-26, NO.3, March 1979, 26(3): 177～183.
5.Tatsuma Yamamoto, Yoshitake Yamamoto, Kiyotaka Yasuha-
ra, et al. Me asurement of Low-Resistance Points on the Skin by Dry Roller Electrodes. IEEE Trans. Biomed. Eng. 1988,35(3):203～209.
6.Panescu D, Cohen KP, Webster JG, et al. The mosaic electrical char acter istics of the skin. IEEE Trans. Biomed. Eng. (GFX), 1993, 40 (5): 434～439.
, http://www.100md.com
7.S. Grimnes. Skin impedance and Electro-osmosis in the human epidermis. Med. & Biol. Eng. & Comput. 1983, 21:739～749.
8.Dorin Panescu, John G. Webster. Robert A. Stratbucker. A Nonlin ear Electrical-Thermal Model of the Skin. IEEE Trans. Biomed. Eng. 1994,41(7):672～680.
9.Ronald R, Burnette, Diana Marrero. Comparison Between the lontophoretic and Passive Transport of Thyrotropin Releasing Hormone Across Excised Nude Mouse Ski n. Journal of Pharmaceutical Sciences. 1986,75(8):738～743.
10.Y. Yamamoto, T. Yamamoto. Characteristics of skin admittance for dry electro des and the measurement of skin moisturisation. Med. & Biol.Eng. & Comput. 1986, 24:71～77.
(收稿日期：1999-07-22), http://www.100md.com