这是“神经工程管理”第20篇推送
内容来源：宋慧慧
本期编辑：朱红
校 对：付汉良
审 核：郭晓彤
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本文是针对论文《用穿戴式脑电探测器测量施工任务中工人的情绪状态》(Measuring workers’ emotional state during construction tasks using wearable EEG)的一篇论文解析，该论文于2018年发表于《Journal of Construction Engineering and Management》。
原文信息
原文标题：《Measuring workers’ emotional state during construction tasks using wearable EEG》
发表期刊：《JOURNAL OF CONSTRUCTION ENGINEERING AND MANAGEMENT》
发表时间：2018年
原文作者：Hwang, S.; Jebelli, H.; Choi, B.; Choi, M.; Lee, S.
研究问题的提出：建筑工人的情绪状态(例如，高兴、不高兴、兴奋和放松)被认为是影响他们表现(例如，安全、健康和生产率)的关键因素。为了防止对工作绩效的不利影响，应该优先考虑测量情绪状态，以更好地理解员工在工作时的情绪变化。在许多可用于测量情绪状态的方法中，脑电图通过克服基于调查的情绪主观评估的可能偏差，具有很大的定量测量潜力。尽管基于脑电图的情绪测量仅在实验室环境中进行了测试和应用，但便携式、无线和经济实惠的可穿戴脑电探测器的最新进展为通过非侵入实验开展情绪测量打开了一扇新的大门。
研究问题：这项研究调查了使用可穿戴脑电探测器在现场测量工人情绪的可行性。
研究方法：本文用一个由效价(从不愉快到愉快)和唤醒(从放松到兴奋)组成的二维情感模型来量化员工的情绪状态。然后，在他们正在进行的任务中，使用可穿戴脑电探测器测量工人的效价和兴奋程度。通过与从工人唾液样本中获得的皮质醇水平进行比较，检验了基于脑电图的情绪测量的有效性，皮质醇水平被认为是情绪的可靠物理测量。
研究结果：可穿戴式脑电探测器可用于测量工人的情绪，尤其是效价水平，这对了解工人的情绪状态至关重要。本研究通过提供一种在工人工作时连续和非侵入性地测量工人情绪的方法，有助于深入研究工人情绪的知识体系。
尽管在技术和自动化方面取得了进步，建筑业仍然是一个劳动密集型产业。工人对建筑活动非常重要，工人的情绪状态作为影响工作绩效的重要因素而备受关注。但是由于测量情绪的定量方法的缺乏，所以对他们在工作场所的情绪的研究也很少。许多研究曾试图通过评估人的生理反应[如，电生理活动(EDA)、心率(HR)、血容量脉搏(BVP)和脑电图(EEG)来连续和定量地测量人的情绪，最后发现捕捉脑电波的脑电图在测量情绪等方面具有优势，脑电图可以检测与情绪不同方面相关的中枢神经系统活动，它能够克服问卷调查获取的情绪主观评估评价数据存在的可能偏差。
当前理论发展现状
尽管脑电图有很大的潜力，但是很容易被不同来源的信号影响。与临床环境中使用的传统脑电图设备相比，最近，便携式、无线和经济实惠的可穿戴脑电探测器的发展虽然为非侵入式收集工人的脑电波打开了一扇新的大门，但是，它更容易受到在现场产生的脑电图信号伪迹的影响。针对这一问题，先前提出并成功测试了一种脑电图信号处理框架，用于在工人在建筑工地使用可穿戴脑电探测器执行实际工作任务时获取高质量的脑电图信号。本文在处理伪迹时也是应用了这一框架。
研究问题
这项研究调查了使用可穿戴脑电探测器在现场测量工人情绪的可行性。
实验人员及场地
实验人员：脑电图数据是从10名健康工人收集的，来自两个施工现场和一个场外车间，所有受试者均为26至55岁的高加索男性。
实验场地：两个施工现场（一个办公楼改造现场和个医院改造现场）和一个非现场的高压交流金属板制造车间。
实验步骤
第一步：数据收集
为了收集工人的脑电图数据，在安全帽的内侧安装了一个可穿戴的脑电探测器，该探测器有14个通道，每个通道的采样率为256赫兹，如图1所示。
图1：可穿戴式脑电探测器
施工现场的六名受试者被要求在不同的工作条件下执行他们的工作任务，包括在地面工作(A1)、在梯子上工作(A2)和在狭窄和昏暗的空间工作(A3)。场外车间的工人被要求执行的重复任务，然后收集他们刚休息完开始工作、工作了一小时和工作了两小时的脑电图数据和皮质醇样本，实验现场如图2所示。
图2：实验场地
注：在每次实验之前，至少收集5分钟无运动伪迹的脑电图数据，并将其用作消除运动伪迹的基线。在数据收集过程中，受试者被要求保持不动，然后，记录工作期间的脑电图数据超过10分钟，两次实验执行间隔0.5或1小时。作者在数据收集过程中对整个工作空间进行了视频记录，以避免存在其他条件的影响。
第二步：基于脑电的情绪测量
（1）利用脑电信号处理框架去除伪迹
脑电图信号很可能被其他信号的外部和内部伪迹高度污染，本研究采用之前已经提出并测试了专门为可穿戴脑电探测器的现场使用而设计的脑电图信号处理框架校正外部和内部伪迹，从而仅提取期望的脑电信号。
首先，用带通滤波器和陷波滤波器，以从可穿戴脑电图记录的脑电图信号中去除最常见的外部伪迹。然后用独立分量分析方法从脑电信号中去除眼动和肌肉活动伪迹，脑电伪迹去除过程如图3。
图3：脑电伪迹去除过程图解
(a)从14个通道提取原始脑电数据；（b）使用带通滤波器和陷波滤波器去除外部伪像；(c)使用独立分量分析去除内部伪像；(d)伪迹校正的脑电图数据。
（2）基于额叶脑电不对称计算的情绪状态测量
情绪具有复杂性，很多研究者试图从多维的角度对情绪进行分类，因此，本文基于效价(从不愉快到愉快)和唤醒(从放松到兴奋)两极维度的情感模型（如图4）使用基于功率谱特征的额叶脑电不对称性(FEA)方法来测量工人的效价和唤醒程度。由情绪变化引起的大脑激活主要由位于额叶区域的电极捕获，所以选取AF3、AF4、F3和F4四个通道的脑电信号进行测量，效价-唤醒模型如图4。
图4：效价-唤醒模型
额叶脑电不对称性方法通过比较左右区域之间的α和β频率范围内的功率谱密度（PSD）来显示这两个区域的激活程度，正价与左额叶相对较大的激活有关，而负价与右额叶相对较大的激活有关，因此，方程(1)指示两个区域之间激活的相对差异，以显示效价水平（更正的效价值意味着更愉快的情绪，左侧区域比右侧区域更活跃）。
因为α频率范围在放松状态下是显著的，而β频率范围与唤醒状态相关联，所以方程(2)通过计算α/β比率来指示唤醒水平（较大的唤醒值表明个体的情绪状态更兴奋），情绪测量过程，如图5。
图5：情绪测量过程
(a)采集时序脑电数据；（b）消除脑电图数据中的信号伪迹；(c)测量额叶区域的平均PSD；(d)通过使用额叶区域平均功率谱密度计算效价和唤醒水平来进行情绪识别。
第三步：验证可行性
皮质醇被用作解释压力的可靠标志，压力一个人的情绪状态最关键的方面，所以皮质醇可以提供关于情绪状态的有意义的信息。下面表1提供了来自脑电图信号的所有受试者的效价和唤醒水平以及他们的皮质醇值。
分析皮质醇值时，作者使用了一种商业上可用的检测试剂盒，可以准确地测量激素。计算变异系数百分比(%CV)，定义为当样品进行多次测定时，每个样品多次测量的标准偏差除以平均值。对于可靠的皮质醇值测量，低于15%的变异系数通常是可以接受的。
作者计算了效价水平和皮质醇值之间的皮尔逊积矩相关系数(r)和p值，在图6显示了22个数据集的效价水平和皮质醇值之间的关系，效价和皮质醇之间存在显著的负相关(r：-0.528；p < 0.01)，这种负相关证明了使用可穿戴脑电探测器在现场测量情绪状态的可行性，效价和皮质醇值的情绪状态，如图6。
图6：效价和皮质醇值的情绪状态
第四步：工人情绪影响因素深入调查
基于使用脑电图测量的工人的情绪状态，作者对工人情绪影响进行了深入调查。从不同工作条件下的现场工人情绪和不同工作时间后的非现场(车间)工人情绪图，可以看出员工的效价水平更容易受到工作条件和工作时间的影响（如图7），这种积极的效价似乎与积极的情绪有关(如图8)，无论唤醒水平是积极的，还是消极的。为了证实这一结果，作者进行了克鲁斯卡尔-沃利斯检验，这是一种非参数的单向方差分析检验，研究发现，不同工作条件和不同工作时间下，现场工人的效价水平存在显著差异，但是，很难清楚地推断工作条件和工作时间对现场工人觉醒水平的影响。
图7：不同工作条件下的现场工人情绪和不同工作时间后的非现场(车间)工人情绪:效价和唤醒。
图8：工人工作时情感的两极维度
此外，作者进一步调查了可能影响情绪的其他因素的外在影响(例如，不同的年龄和不同的工作群体，结果表明：年龄和是否在现场工作与情绪的两个维度(即效价和唤醒)之间没有显著的相关性。
(1)从图8可以看出在低压力工作条件下(在地面上工作，工作时间不到1小时)，正效价水平会导致积极的情绪。而高压力工作条件下(在梯子上和有限的空间中，工作2小时而不休息)则会让人感觉到压力和沮丧，因为紧张和危险的情况以及疲劳会导致负价，从而产生消极的情绪。但是在工作一小时后效价水平仍为正，随着时间推移并没有产生疲劳感导致工人的消极情绪，这一现象仍待深入挖掘。在这方面，相关研究有提出非现场工人的身体要求不太高，工人在工作之后的1小时可能仍未感觉到疲惫，由此可解释效价水平为何仍为正。
(2)此外，与唤醒相比，效价与压力的关系更为密切，工人的效价水平在正在进行的工作中受到不同的工作条件和工作时间的影响更大。这表明对工作环境和工作方式的任何纠正措施都有可能在工作场所诱导期望的效价水平，以促进工人的健康和提高工作绩效。
(1)未来的研究方向可以扩展到深入研究其他个体因素和组织因素如何影响大量受试者的情绪状态。
(2)进一步研究影响人类情绪的因素对情绪的交互作用。
这项研究调查了在现场测量建筑工人情绪的可行性，基于情绪的两个维度(即效价和唤醒水平)，使用可穿戴的脑电探测器。结果证实（1）通过与身体指标(即皮质醇)的比较，可以可靠地测量员工的情绪，尤其是效价水平，这对理解员工的情绪状态至关重要。（2）工人的情绪是如何根据工作条件(例如，危险性较低还是危险性较高)和不同的工作时间(例如，连续工作时间较少还是连续工作时间较多而没有休息)而变化的。
通过本次研究提供一种可靠和连续的情绪测量方法，可用于工程领域低质量信号的研究；有助于理解哪些物理环境和物理工作显著影响工人的情绪状态，哪些情绪状态是最有效的，方便了对以后的工作进行改善，提高工作绩效。
引用格式：Hwang, S.; Jebelli, H.; Choi, B.; Choi, M.; Lee, S. Measuring Workers’ Emotional State during Construction Tasks Using Wearable EEG[J]. Journal of Construction Engineering and Management, 2018, 144(7): 04018050.
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