一种基于压力恢复的大气污染生理指标测量方法和系统与流程

本发明涉及大气污染识别与管理领域，涉及一种基于压力恢复的大气污染生理指标测量方法和系统。

背景技术：

随着城镇化和工业化进程的加快，中国大气污染日趋严峻，大范围、高浓度的大气细颗粒物(particulatematter2.5，pm2.5)是区域大气复合污染的主要特征之一，pm2.5已成为影响我国大多数城市空气质量的首要污染物。严重的空气污染对人体生理和心理健康构成了极大风险。2010年，pm2.5是中国第4大致死风险因素，导致了约123万过早死亡，该数字在2015年略微下降但仍高达111万人。除此之外，长期暴露于pm2.5污染环境中，大气能见度的显著下降和重雾霾事件的频发所带来环境压力会作用于人的自主神经系统和大脑，使其产生烦躁、抑郁等不良情绪，严重损害心理健康。

由于心理健康难以被确切定义和量化，并且pm2.5污染与心理健康之间的关联会受到个体年龄、性别、健康状态，以及所处区域的发展程度、文化背景、环境风险背景值等因素的影响，研究难度较大；除此之外，在pm2.5浓度水平较低的发达国家和地区的人群中得到的大气污染与心理健康之间的关联关系也不一定适用于我国。此类研究在国内尚处于起步阶段，国内学者在借鉴国外研究思路的基础上进行了初步探索，但是现有研究大多采用流行病学方法构建大气污染与心理疾病(抑郁、自杀倾向等)之间的潜在关联，或者通过主观自评报告来衡量人群心理健康的变化，这些方法都难以避免主试效应、掩饰效应或人群偏倚的影响，研究结果不确定性较大。目前已有研究不足以支撑我国的大气污染心理健康影响评估和风险管理决策，亟待更加客观有效的方法来表征大气污染的心理健康影响。

近年来，生理心理学实验技术的快速发展，为衡量大气污染对人群心理健康的影响提供了新的思路。相较自评方法而言，随着心理变化而波动的生理指标不易受到主观因素影响，通过生理指标测量可以实现对大气污染心理健康影响的客观表征。同时，生理心理学研究中的压力诱发-恢复范式已在探究绿地及自然景观的人群健康影响的研究中得到广泛应用。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

针对缺乏对大气污染心理健康影响的客观表征方法的问题，本发明提供了一种基于诱导ij恢复的大气污染生理指标测量方法和系统，通过结合压力诱发-恢复范式和生理信号测量来定量表征大气污染的人群心理健康影响的方法，突破了传统流行病学以及问卷调查等研究手段的局限，允许在排除外界因素干扰的实验条件下，针对不同人群采取差异化的压力诱发方法，采集实验数据客观反映不同污染条件下的压力恢复水平，实现对大气污染人群心理健康影响的客观表征。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于压力恢复的大气污染生理指标测量方法，包括以下步骤：

步骤一：实验环境及测量数据初始化，数据采集单元采集静坐休息时压力水平数据；

步骤二：通过压力诱发任务对志愿者进行压力诱发，数据采集单元采集压力诱发过程的数据；压力诱发任务通过测试实现；

步骤三：压力恢复的同时观察大气污染图片，数据采集单元采集压力恢复时压力水平数据；

步骤四：根据数据采集单元采集数据计算压力恢复百分比srp，压力恢复百分比srp根据静坐休息、压力诱发和压力恢复时的压力水平数据计算，

其中slbaseline,i、slinduced,i和slrecovery,i分别代表在静坐休息、压力诱发和压力恢复步骤中利用生理指标i衡量的压力水平。

更进一步的，压力诱发任务包括逻辑测试和演讲任务，逻辑测试通过算术或反应力测试诱发压力，演讲任务通过不同语言的演讲诱发压力；压力诱发任务进行过程中实时接收反馈。本发明通过模拟具有针对性和挑战性的任务情景，综合运用视觉和听觉刺激，营造紧张氛围，达到压力诱发的目的。

更进一步的，压力诱发任务根据不同人群制定差异化的标准压力诱发任务，针对拥有本科学历以下人群使用普通话测试和stroop反应力测试，针对拥有本科及以上学历人群使用英语口语水平测试和数学口算测试。

更进一步的，大气污染图片根据固定地点不同pm2.5浓度进行选择，图片选择完毕进行标准化处理。大气污染图片筛选与浓度匹配，标准化筛选一定数量的图片，涵盖不同的大气污染情况。选择的大气污染图片进行标准化处理，大小统一设置，同时，去除照片中的logo、水印和日期等与照片本身传递的空气质量无关的信息，照片的色度亮度等统一调整为“自动对比度”与“自动颜色”。

更进一步的，大气污染图片在压力恢复状态下随机呈现。

更进一步的，数据采集单元采集数据包括皮肤电信号和心电信号。

更进一步的，记录的皮肤电和心电信号预处理后用r语言统计分析，皮肤电信号(scl)反映特定时间内的平均压力水平，用于测量瞬时压力水平；原始心电数据被转换为心率和三种心率变异性指标，用于反映副交感神经和交感神经的活动。

一种基于压力恢复的大气污染心理指标测量系统，使用所述的一种基于压力恢复的大气污染生理指标测量方法。

更进一步的，包括数据采集单元、数据处理单元和数据恢复单元，数据采集单元采集实验中数据发送至数据处理单元处理，数据处理单元将分析处理后的结果发送至数据显示单元显示。

更进一步的，数据采集单元采集数据包括静态休息状态、压力诱发状态和压力恢复状态，所述压力恢复状态同时使用大气污染图片刺激。

本系统测量数据，以静坐休息状态下的压力水平为基线，在压力诱发阶段数据指标上升，在压力恢复阶段数据指标逐渐下降。随着图片中大气pm2.5浓度的上升，志愿者压力缓解速度变慢，三分钟内压力恢复程度变低。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本发明运用生理心理学实验范式，采用非侵入式生理信号测量手段，提供了一种大气污染的心理健康影响的定量表征方法，相对于传统和广泛应用的流行病学、问卷调查研究方法，本发明具有客观定量、节约成本、避免外界因素干扰和可确定暴露剂量-反应关系等优势，为探究大气污染的人群心理健康影响提供了新的思路和框架。本发明测量手段和研究范式为客观定量表征大气污染的心理健康影响提供了潜在可能性，这一方法的开发将对准确评估大气污染的健康效应，指导决策制定具有重要意义。

附图说明

图1为本发明测量压力恢复方法示意图；

图2为本发明系统模块图；

图3为本发明的程序互动流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

如图2所示，本实施例系统包括数据采集单元、数据处理单元和数据恢复单元，数据采集单元采集实验中数据发送至数据处理单元处理，数据处理单元将分析处理后的结果发送至数据显示单元显示。

图1为本实施例测量压力恢复方法示意图，测量实施方法如下：

步骤一：实验环境及测量数据初始化，数据采集单元采集静坐休息时数据

志愿者进入实验室，坐于电脑前，熟悉周围环境。实验人员向志愿者简要介绍任务内容，志愿者阅读并签署知情同意书。实验人员协助志愿者连接多通道生理记录仪biopacmp150，并让其戴上耳机。实验设备佩戴完毕后，实验人员首先打开acqknowledge4.0记录皮肤电导水平(skinconductancelevel，slc)、心电(electrocardiogram，ecg)数据，然后开启e-prime程序。志愿者根据程序提示在座位上静坐，放松三分钟。

步骤二：通过压力诱发任务对志愿者进行压力诱发，数据采集单元采集压力诱发过程的数据

本步骤中不同人群的压力诱发任务不同。实验志愿者根据程序提示，按照要求完成相应任务。通过公开演讲、认知反应任务等心理学常见压力诱发任务的整合与修改，本发明创造出具有针对性和挑战性的任务情景，综合运用视觉和听觉刺激，营造紧张氛围，实现压力诱发的目的。

由于不同年龄、学历、地区人群的知识背景、生活习惯、心理状态等不同，本发明针对不同人群开发了差异化的压力诱发方法，经过多次实验证明具有良好一致的压力诱发效果。

具体压力诱发方法如下：

针对低于本科学历以下的学生、成人或日常讲方言的人群：(1)普通话测试——用普通话朗读中文词语，并进行选题演讲，内容选自普通话水平测试(putonghuashuipingceshi,psc)真题，并告知志愿者在实验过程中将全程录音并由专家进行评分。对于低学历且以方言为主的地区人群，普通话演讲被认为是具有挑战性且能够激发压力的演讲活动；(2)stroop反应力测试——快速准确识别表示颜色的汉字的字体颜色(字体颜色与字义不同)，并伴有语音及文字形式的即时正误反馈，该任务是公认的常见压力诱发认知反应任务之一；

针对拥有本科以及上学历的学生、成人：(1)英语口语水平测试——限时英文自我介绍和听力问答题，题目选自托福(thetestofenglishasaforeignlanguage,toefl)口语题库，研究表明英语演讲是能够激发压力的活动；(2)特里尔社会应激测试(triersocialstresstest)数学口算测试——快速计算从1022中连续减去13的答案，过程中如果出现错误则重新开始，该任务是公认的常见压力诱发认知反应任务之一。

压力诱发任务通过e-prime3.0编程，形成互动式界面在屏幕中呈现，该阶段全程录音，整个过程持续约15分钟。

步骤三：压力恢复的同时观察大气污染图片，数据采集单元采集压力恢复时数据

步骤二的压力诱发任务完成后，志愿者被要求面对电脑显示屏放松，显示屏中将放映一组pm2.5浓度相似的大气污染图片。不同志愿者在本步骤中观看的大气污染图片对应的pm2.5浓度不同。

根据生理心理学实验要求，选择pm2.5浓度作为大气污染的表征，构建大气污染图片体系，作为压力缓释阶段的刺激材料。

大气污染图片筛选与浓度匹配：从amos(archiveofmanyoutdoorscenes)数据库收录的由上海环境监测中心向数据库定时上传的固定地点、长期跟踪拍摄并更新的不同pm2.5浓度下的城市远景照片，以及社交媒体上在固定地点每日连续拍摄的图片(该用途已征得其所有者同意)中，标准化筛选一定数量的图片，涵盖不同的大气污染情况。然后根据不同来源照片的拍摄地点和时间匹配距离该地点最近的空气质量监测站点实时pm2.5浓度作为这张照片所代表的pm2.5浓度。

选择的大气污染图片进行标准化处理，使用photoshop软件统一将照片大小设置为1200*800像素(横屏)。同时，去除照片中的logo、水印和日期等与照片本身传递的空气质量无关的信息。照片的色度亮度等统一调整为“自动对比度”与“自动颜色”。图片利用e-prime3.0软件进行编程与调试，将标准化的图片导入软件，并设置图片随机呈现。

步骤四：根据数据采集单元采集数据计算压力恢复指标

对全程记录的皮肤电和心电信号使用acqknowledge4.0和kubios进行预处理，用r语言进行统计分析。皮肤电信号(scl)反映特定时间内的平均压力水平，用于测量瞬时压力水平。数据处理时，首先利用acqknowledge4.0软件将采样率从1000hz降低至50hz，减少数据量，加快数据处理速度。随后进行分段求平均，对数据进行平滑处理，方便识别压力缓解过程的信号变化。预处理完毕后，取压力诱发前、压力诱发后、压力恢复后各30秒的皮肤电信号均值作为不同阶段的皮肤电生理压力指标。心电信号(eeg)主要利用kubios软件进行处理，其中原始心电数据被转换为心率(hr)和三种心率变异性(hrv)指标，包括两个时域指标(rmssd、pnn50)和一个频域指标(lf/hf)，分别用于反映副交感神经和交感神经的活动。心率变异性(hrv)是指窦心心率一定时间内周期改变的现象，反映自主神经系统活性和定量评估心脏交感神经与迷走神经张力及其平衡性，从而判断其对心血管疾病的病情及预防，是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个有价值的指标；hrv分析的标准测量由时域指数、几何方法和频域成份组成。rmssd指的是相邻nn间期差值的平方和均值的均方根，pnn50指的是50毫秒间隔以上相邻nn间期差值的比例；rmssd和pnn50基于间期差值的最常用参数。这些测量对应短期hrv改变，不依赖于昼夜变化，它们反映的是自主神经张力的变化(大部分由迷走神经介导)。与pnn50相比，rmss更稳定，临床上应该优先使用。同样取压力诱发前、压力诱发后、压力恢复后各3分钟的心电信号均值作为不同阶段的生理压力指标。

按照公式(1)计算压力恢复百分比(stressrecoverypercentage,srp)，其中slbaseline,i、slinduced,i和slrecovery,i分别代表在静坐休息、压力诱发和压力恢复步骤中利用生理指标i衡量的压力水平。然后对观看不同pm2.5浓度图片的志愿者的各指标进行方差分析，以表征不同pm2.5浓度图片对压力恢复水平和速度的影响。

本实施例实验中，志愿者坐于电脑前，连接皮肤电和心电信号记录仪。数据采集单元采集志愿者的压力水平，包括静坐休息、压力诱发和压力恢复时数据。如图1所示，以静坐休息状态下的压力水平为基线，在压力诱发阶段数据指标上升，在压力恢复阶段数据指标逐渐下降。随着图片中大气pm2.5浓度的上升，志愿者压力缓解速度变慢，三分钟内压力恢复程度变低。

图3为该方法中使用的e-prime程序流程图，整个过程通过该程序控制，指导语、任务和图片在程序中依次显示，志愿者根据屏幕中的提示完成整个任务，志愿者首先保持放松平静，休息两分钟，此时数据采集单元采集对应状态下的生理指标；休息时间结束，根据受试者状态，确认测试开始，压力诱发任务包括逻辑测试和演讲任务，逻辑测试通过算术或反应力测试诱发压力，演讲任务通过不同语言的演讲诱发压力；压力诱发任务进行过程中实时接收反馈。根据不同类型的压力诱发任务激发受试者压力，此时数据采集单元同时采集对应状态下的生理指标；压力诱发任务结束，播放大气污染照片，此时数据采集单元再次采集对应状态下的生理指标，最后程序提示测试结束。

本实施例在南京大学招募96名研究生志愿者开展实验。志愿者单独进入安静舒适的实验室中，坐于电脑前，阅读签署知情同意书。实验人员简要介绍任务内容，然后协助志愿者佩戴生理信号采集设备biopacmp150，并开始记录。志愿者根据程序提示首先静坐休息三分钟，然后使用键盘完成相应的压力诱发任务。所有志愿者被随机分配到六个组别，在压力恢复阶段分别观看pm2.5浓度为10μg/m³、30μg/m³、50μg/m³、100μg/m³、160μg/m³和260μg/m³的景观图片。实验人员全程监督志愿者的状态。实验结束后实验人员使用数据处理单元对生理信号数据进行预处理，并进行统计分析。

数据显示单元按照前述方法自动处理数据，计算自评、皮肤点、心电的压力恢复指标，并展示实验结果。结果发现，观看干净城市景观照片的志愿者比观看低能见度城市景观照片的志愿者的各项压力指标恢复更快。其中低浓度组如10μg/m³、30μg/m³、50μg/m³恢复效果达到60％-70％，而高浓度组100μg/m³、160μg/m³和260μg/m³恢复效果较差，仅达到20％-30％左右。结果表明pm2.5污染的视觉影响会通过阻碍压力恢复而损害心理健康。本发明可以客观有效地表征大气污染对心理健康的影响。使用本发明系统测量大气污染对心理健康的影响状况，相较于传统的问卷自评模式，生理指标不受主观因素影响，测量精确，在生理心理学对大气污染与心理健康研究中得到广泛应用。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。