基于生物传感和个性化问卷投送的学生心理评估系统设计
作者：顾伟宸 上海市奉贤中学 高二（13）班
摘要：本研究基于现有的学生心理评估系统不够客观，都是主观填写所得的数据不准确，因此想对此进行优化。用心率变异性和脉搏波来对受访对象进行客观数据检测，并通过这些客观数据，推送个性化问卷，来获得更高可靠性和便捷性的心理检测方法。实践证明，这套方法可以快速实现学生心理评测，获取可靠数据。关键词：心率变异性；脉搏波；加速度脉搏波；生物传感；个性化问卷
1.研究背景
现在的青少年人群压力日增。抑郁症风险检出率高达24.6%（数据来源：《中国国民心理健康发展报告（2019-2020）》，含亲子关系、个人成长、同伴关系等各种风险。疫情以来的三年，情况愈发严重，能明显感觉到身边这样的人越来越多，新闻报道也越来越多。个人、家庭、企业还有国家这几年越来越关注心理健康及防治，此类问题不仅知晓率越来越高，接受度也快速提升。
一提到心理评估，我们就想到了大量的问卷，初中阶段每做一次心理问卷（量表），都要花半个多小时，近一小时，有些都没有耐心，后来就不认真对待每道题了，测出来的结果准确度也会有问题。去年长宁区的小学生问卷里出现了自杀问卷，也引起了很大的社会反应。我还了解到，有的同学会故意填错量表，就是怕被发现他的问题。因为，抑郁症和心理疾病，现在还是一个让人难以启齿的事情，也会引来同学们异样的目光。而填写不准确的量表，就会导致数据准确度不够或者产生偏差，需要心理老师进一步面对面、一对一的访谈，进行筛查和确认，增大了工作量。在学校人手有限的情况下，几乎变成不可能完成的任务。
在一个讲座上，老师讲到心理和生理密不可分，身体的一些指标也会随着心理疾病的发生而改变，这让我产生了若通过身体指标的获取，来反推心理状况的想法，这样就可以提升准确度和识别速度。如果我们可以通过现有的生物传感器来捕捉心理相关的的生理数据，就可以有一些客观指标来反映实实在在的心理疾病或心理健康状况。再辅以问卷，就可以更加客观、高效的完成评估了。
经过查阅，在20世纪90年代，就确立了心率和心率变异性（HRV）与人的压力状况密切相关，进而与心理状况密切相关的理论。对于心率变异性（Heart Rate Variability，缩写是HRV）的研究，从20世纪70年代开始兴起，并在近6年达到了比较高的水平。HRV是一个生理指标，可以通过心电设备或专业设备进行测量，这几年，新兴的运动手表和智能手表，也可以对HRV进行测量了。这为我们更好地理解HRV打开了更多的通道。
对于心率变异性的研究文章的数量趋势
经过这些年的发展，已经有相关产品在应用。同时，这几年，智能手表和运动手表的快速发展，也逐步将心率变异性作为压力的核心指标纳入监测。通过指标的分解，还可以测量身体压力、精神压力和自主神经平衡度等数据信息。而这些指标，又和抑郁或者焦虑有直接或间接的相关性。为我们的研究创造了先决条件。 通过研究论文，我发现，心率变异性中基于HRV分析的TP、LF、HF、LF%、LnHF和连续NN间隔（RMSSD）的平均平方差的平方根用于估算被测对象的压力水平。
TP（总功率）是频域分析的一个指标，用于描述心率信号的总体变异性。TP代表在不同频率范围内的总功率，通常在0.04 Hz（低频）到0.4 Hz（高频）之间。计算TP通常涉及计算功率谱密度（PSD）在这些频率范围内的面积。
ANS（自主神经系统）影响的指标，包括HRV价格参数，LF%[LF/（LF+HF）x100]、LnHF和RMSSD（RR间隔的根均方连续差异），以估算客观压力水平。LF%的高值与高水平的压力有关。相反，LnHF和RMSSD的高价值与低压力水平有关。LF%、LnHF和RMSSD是使用LF（低频分量，0.04-0.15Hz）、HF（高频分量，0.15-0.4Hz）和RRI数据单独计算的。
自主神经系统（ANS）是指调节内脏功能的神经装置，人无法靠意识控制该部分神经的活动。它掌握着性命攸关的生理功能，如心脏搏动，呼吸，血压，消化和新陈代谢等。自主神经系统分交感神经（SNS）和副交感神经(PNS)两部分。在正常情况下，功能相反的交感神经和副交感神经处于相互平衡制约中。在这两个神经系统中，当一方起正作用时，另一方则起负作用，很好的平衡协调和控制身体的生理活动。交感神经的作用可概括为“战或者逃”的应激作用，而副交感神经则多数扮演休养生息的角色。 自主神经如果一直是交感神经占优，则有抑郁风险，一直是副交感神经占优，则有焦虑风险。
据此，我们觉得用心率及心率变异性进行心理压力的检测，可以作为心理健康的客观标准。如果我们通过测量数据，并根据数据个性化地对有风险的学生进行进一步的问卷评估，再将问卷转换成机器人的自然语音，用问答访谈的形式，就能更好的收集信息，而不用担心有人乱给答案了。
我们也需要实地调研，看看专业的心理机构和精神卫生中心，是否有使用和心率变异性相关的设备，以确定理论的可靠性。为此，我走访了上海市精神卫生中心、静安精神卫生中心，还有上海市第六人民医院心理科，发现只有上海精神卫生中心有相关的专业设备在使用，其他两个医院，还是用的量表。在和上海精神卫生中心专家沟通的过程中，我们知道，现在市面上的智能手表使用的是光电容积脉搏波描记法（PhotoPlethysmoGaphy，PPG），受制于传感器精度以及采样方法难以达到医用级别。智能手表采用反射式采样，即发光-收集反射图像，来判断心率和心率变异性，使得采样频率比较低，会造成采样不到和计算不准，达不到医疗设备的要求。故而直到现在，此类产品都不能得到医疗认证。必须采用透射式的光电设备，或者心电信号测量法（ECG）。但心电信号测试法的设备佩戴繁琐，一般只有在做心电图或者24小时随身心电记录仪的时候，由专业人员进行佩戴和拆除。
反射式，采样频率1-2.5Hz 透射式，采样频率500Hz
根据上海精神卫生中心使用的设备，我进行了检索，该产品属于韩国一家专注于通过心率变异性和加速度脉搏波来检测精神压力分析的公司，其发展已有近30年的历史。我发现他们做的比较完善，但医院使用的大型设备并不合适。我通过和他们公司在国内的代表处沟通，得知他们有便携的产品，并且已经拿到了国内的医疗器械注册证。
医院使用的设备 便携的小型设备
该便携设备采样频率高，达到医疗精度，它对我们要使用的原始参数，进行了处理和傅立叶变换，直接变成了通俗易懂的压力和自主神经平衡度图像，更便于理解。它的测量时间只需要3分钟，无需复杂的佩戴和长时间监测，更适合在学校里的检测场景。特别是规模化检测，可以通过设备的重复使用，快速测量。 在了解的过程中，我还发现，这个设备可以测量脉搏波，这个数据，通过厂家的处理，分离出了动脉血管弹性度和末梢血管弹性度以及血管通畅度，在青少年群体中，如果没有服药的情况下，动脉血管弹性度和睡眠相关性比较强。可以作为睡眠质量优劣的一个指标。出来的报告如下：
我们可以看到身体压力、精神压力，自主神经平衡度和抗压能力。抗压能力是TP。在右侧，可以看到动脉血管弹性度指标。经过和专家沟通，我们知道如果抗压能力低于40，说明身心压力比较大，人的状态处于不好的状态，如果不是长时间剧烈运动或者生病，则与心理有极大的关系。此时，如果自主神经平衡度处于副交感神经占优（小于20%），则说明心情低落，有抑郁风险。反之，如果交感神经占优（大于80%），说明人处于兴奋状态，如果不是有外在的刺激因素，则有焦虑风险。 2.研究过程
2.1 流程设计
先了解清楚精神压力以及抑郁和心率变异性的关联度，确认了理论上可行，据此去市面上寻找相关的心率变异性检查的设备，通过对设备的比对，找到了适合我们进行压力分析检测的设备，用于我们想要的检测。在找到合适的设备后，设计相关的软件系统，来达到设备和问卷的结合。并将设计好的系统，进行原型开发，试用，辨识结果的可靠性，得到心理专家的验证。整个方案流程如下：
2.2 设备与材料 否定了手表（采样频率低，无法达到医疗要求），24小时随身心电仪（佩戴时间长、穿戴不方便，很难找到受试对象）后，确定了便携式的压力分析仪作为设备。我们为其配备手机，配套 App 使用。
2.3 系统开发 在我们对其指标进行深入了解并和厂家沟通后，厂家推荐了其与国内苏州大学设立的联合实验室的相关老师，经过沟通，我确定了筛选标准。
（1）当抗压能力低于40%，而自主神经平衡度低于20%，偏抑郁时，投送PHQ-9问卷；
（2）当抗压能力低于40%，而自主神经平衡度高于80%，偏焦虑时，投送GAD-7问卷；
（3）当动脉血管弹性度低于80%时，投送匹兹堡睡眠质量指数（PSQI）问卷；
（4）如果以上具备以上（ 1 ）和 （3）或 （2） 和（3）的两种情况时，就推送两份问卷（1）、（3） 问卷或者（ 2）、（3） 问卷。
以上三种情况，就对受访对象发放问卷，问卷内容来自PHQ-9抑郁量表，GAD-7焦虑症筛查表和匹兹堡睡眠质量指数量表。并针对生物传感数据进行了顺序调整，可以更便捷的填写。委托给认识的软件开发人员利用业余时间做了问卷系统。可以在用设备检测完成后，受测者用自己的账号登陆网页进行问卷填写。在此过程中，经过与苏州大学老师沟通，他认为我把问卷做成机器人语音问卷的想法非常好，可以在生物传感数据检测完成时，立刻进入语音访谈，体现更高的可信度，也可以让整个检测过程更完整、可信度高，让被检测者有更好的体验。我们和开发人员进行了沟通，选取了合适的文字转语音和语音转文字的引擎系统，进行了开发。并在内部试用后，得到了肯定。在 2023 年11 月，在苏州某大学计算机系对9 月刚入学的72 名学生进行了筛查测试。
2.4 系统试用 我们联系了学院的心理老师、辅导员，由他们组织，两个学生志愿者执行，两天内，在上晚自习时进行了压力分析仪的普测并根据测试结果，选取机器人（用 PC 代替）访谈的对象进行访谈。
2.5 专家反馈
学生志愿者认为整个过程的趣味性较强，同学们很愿意配合，虽然有一些问答上的不流畅，整体的感受比填写问卷好很多。
辅导员认为，测量的过程比较顺利，通过生物传感器加上自然语言访谈的方式，使心理测评的过程缩短，趣味性增强。筛查出来的结果，和开学初做的全省统一的问卷一致性不是很强，但准确度很高。
心理老师认为，根据整个筛查结果来看，识别出来的学生，都是有心理或者精神有困扰的，正向结果很好。是否还有有问题的没筛查出来的，还需要后期观察。整个筛查过程成熟以后，会是一个占用时间少，学生接受度高，识别结果准确的过程，值得推广。访谈的问卷需要优化，需做成更加适合对话式的问卷。
3.结果与讨论 我们用了两个晚上，由学院心理老师和辅导员组织，学生志愿者进行配合，对 72 个学生进行了测量，结果如下：
并根据我们的标准，对需要访谈的学生做了筛选，如下：
标出的 5 个学生，就是机器人访谈后判定有不足的。具体判定结果如下：
指标解读： PHQ-9得分标准：
-0-4分：正常范围，没有明显的抑郁症状。
-5-9分：轻度抑郁，表明有轻微的抑郁症状，但对生活影响较小。
-10-14分：中度抑郁，表明有中等程度的抑郁症状，可能会对生活和工作造成一定影响。
-15-19分：中重度抑郁，表明有相对较严重的抑郁症状，对生活和工作产生显著影响。
-20-27分：重度抑郁，表明有非常严重的抑郁症状，可能对日常生活造成很大困扰。
-0-4分：无焦虑症状或者症状非常轻微。
-5-9分：轻度焦虑症状。可能会有一些轻微的焦虑症状，但不会对日常生活造成明显的困扰。
-10-14分：中度焦虑症状。可能会有一些明显的焦虑症状，对日常生活造成一定的困扰。
-15-21分：重度焦虑症状。可能会有严重的焦虑症状，对日常生活造成明显的困扰。
PSQI得分标准：
-0-5分：睡眠质量很好。
-6-10分：睡眠质量还行。
-11-15分： 睡眠质量一般。
-16-21分： 睡眠质量很差。
心理危机程度（由心理老师访谈判定） -1：非常健康。
-2： 很健康。
-3：有一定风险。
-4：不健康，需要心理咨询。
-5：有疾病或者疾病风险，需要心理咨询或就医。
4.结果与展望 通过本次课题，我发现用生物传感器的个性化数据加上个性化问卷的方式，使得整个测量过程科技感和体验感增强，同学们不抵触心理检测，还带着好奇。生物传感器数据，的确具有可靠性。自然语言的一对一对话式访谈，增加了很多沟通的温度，可以让整个流程不仅有科技感和体验感，还有人文关怀的温度。使心理测评过程更容易让人接受。但由于软件系统开发的不完善，在访问对象说出来的语言的识别率还不是特别高的情况下，一遍遍的要询问结果，让被访问对象有些崩溃。另外，机器语言的温度和亲和度还是不够，让人感觉冷冰冰的。我们用笔记本电脑代替了机器人，使得被访问对象的感受不符合预期和有些不够专业。对于整个使用过程有缺憾。另外，问卷直接转语言做的不够细腻，后期和心理老师还有苏州大学心理人工智能协同创新中心的老师沟通后，我们知道需要做的更加个性化，将问卷做调整，因为有生物传感器数据，可以抛去很多不必要的问题，使整个问卷更精简和紧凑。同时，可以增加一些聊天的方式，通过人机对话，更自然地捕捉关键信息。今后，我也会跟进，并和大家一起进行完善，通过更多的测试筛查，将这个产品做的更实用。
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责任编辑：李银慧
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