一文讀懂皮膚電活動原理、技術及數據預處理
皮膚電反應原理
Galvanic Skin Response
皮膚電反應（Galvanic Skin Response，GSR）是汗腺活動或交感神經系統的變化導致的皮膚電阻波動，是測量情緒反應的常用指標。
皮膚電反應（GSR）的發現
皮膚電反應（GSR）最早是在1888年觀察到的。1888年，法國神經學家Fere報道，不同的物理和情緒刺激可以誘發皮膚電活動的變化，Fere認為，與感覺和情緒刺激相關的情況說明皮膚電反應是神經興奮的指標，換句話說，皮膚電反應是測量喚醒的指標。
Vigourous（1879，1888）測量不同病人的皮膚電阻，以此協助對病人的疾病的臨床診斷。跟他在同一個實驗室的Fere（1888）發現不同的刺激，例如，視覺的，聽覺的，味覺的，嗅覺的等，可引起皮膚電阻的不同變化。Tarchanoff（1890）報告，在不通過電流的情況下，從放置在皮膚上的兩點之間，也可以引出電位差。
前者被稱作外加電流法（Exosomatic Method），后者被稱作內在電位法（Endosomatic Method）。前者至今仍是研究皮膚電活動最常使用的方法。
1971年，Lykken和Venables提出了記錄皮膚電導和測量數據的標準化方法，這也標志著皮膚電反應（GSR）研究的開端。
皮膚電反應（GSR）的歷史演變
皮膚電反應（GSR）在歷史上還有皮膚電活動（Electrodermal Activity, EDA）、心電反射（Psycho Galvanic Reflex，PGR）、皮膚電位（Electrodermal Potential, EDP）、皮膚電阻（Skin Resistance, SR）、皮電傳導（Skin Conductance，SC）、皮電（Skin Potential, SP）等，近年來統稱為EDA。
為了減少名稱帶來的混亂，在生理心理學中確定了以下統一命名：
皮膚電導（Skin Conductance，SC）：在表皮上用一個恒定的電壓，可以測出皮膚電導的大小，其單位是微歐姆（Micromho），由于它是用一個外加電壓來測量皮膚電導，所以叫＂外源性測量＂（Exosomatic）。皮膚電導值（歐姆）的倒數就是皮膚電阻（歐姆）。
皮膚電導水平（Skin Conductance Level, SCL）：是跨越皮膚兩點間的皮膚電導的絕對值，也可以稱作＂基礎皮膚電傳導＂（Basal Skin Conductance）。一般認為它是平靜狀態下生理活動的基礎值。
皮膚電導反應（Skin Conductance Response, SCR）：在皮膚電導水平中出現的一個瞬時、較快的波動，是由刺激引起的生理心理激活狀態。
電導水平與電導反應是兩個不同的概念，它們之間的區別如下：
人在安靜時，在皮膚表面兩點間的基礎值就是電導水平值。這種水平值經常波動，個體活躍時電導水平相對增高，松弛時則相對較低。電導水平是一種評價起動勢能很好的參數。當人受到外界刺激處于強烈的激情狀態如憤怒時，產生瞬間、大幅度的波動就是皮膚電導反應。皮膚電導水平可作為是皮膚電導反應的基礎值或參照點。因此，電導水平和電導反應是個連續的過程，如果電導水平越低，電導反應越強，則兩者的差別就越顯著。
皮膚電反應的形成
當機體受到感官刺激或情緒產生變化時，皮膚內的血管會因為個體受到情緒刺激而產生收縮和舒張，同時，機體的汗腺分泌等也會發生變化，就會引起皮膚電阻的變化，形成皮膚電反應。
人類手掌被認為是“精神出汗區”，不同于身體其它部位的體溫調節出汗，汗腺功能主要對精神性活動或感覺刺激反應敏感，情緒越緊張或越興奮，排汗越多。
當汗腺被激發并變得更活躍時，它們會通過毛孔向皮膚表面分泌汗液。分泌液中正離子與負離子的平衡被打破時，電流更容易流動，導致皮膚電導產生變化，且變化可被測量。皮膚電導的變化被稱為皮膚電反應。
皮膚電阻
皮膚電阻是描述人體皮膚導電性能的物理量，皮膚電阻越小導電能力越強，相同電壓作用下能通過的電流越大。
皮膚電阻具有較大的數值變化范圍，其數值受多種因素的影響，例如皮膚角質層的厚度、汗液的分泌、體內血液流通等，皮膚電阻是心理現象的外在顯示。
情感的波動會對皮膚電阻造成影響，當人體緊張出汗時人體的導電能力會增強，皮膚電阻值會減小；相反當人體趨于平靜，皮膚較為干燥時皮膚電阻值會隨之增大。
皮膚電反應的原理
當機體受到外界刺激或情緒狀態發生改變時，其植物神經系統的活動就會引起皮膚內血管的舒張和收縮以及汗腺分泌等發生變化，從而導致皮膚帶你組發生改變。
技術
Galvanic Skin Response
皮膚電活動通常是用一個或兩個傳感器連接到手或腳的某些部位并分別測量兩個傳感器引線之間的電壓或電流變化，從而測量皮膚的電導率。
影響因素（技術方面）
皮膚電反應的值會因所使用的儀器類型和測量方法不同而有很大差異，這些因素主要包括：測量電路的類型，電路中電壓的高低，電極的材料，電極與皮膚的接觸面積，電極的放置位置，是否使用導電介質，使用何種介質等[4]。
傳感器
通常，GSR傳感器具有1平方厘米的測量位置，電極由Ag/AgCl（銀/氯化銀）制成。電極貼片可以使用導電凝膠來改善皮膚和電極之間的導電性。
皮膚電導與皮膚電阻的關系
皮膚電反應受到刺激時皮膚電傳導的變化，一般用電阻值及其對數或電導及其平方根表示，電導數值上等于電阻的倒數，符號是G。
電導單位是西門子，簡稱西，符號S。電阻的符號是R，單位是歐姆，符號是Ω，導體的電阻越小，電導就越大。
電導與電阻的關系方程為：
G=1/R。也就是s＝1/Ω或μs＝1/KΩ。
測量位置
人體的汗腺分布在手掌和腳掌居多，也就是在這兩個部位測量皮膚電較為靈敏。
數據預處理
皮膚電數據在統計之前需要進行一定的預處理，而預處理過程具體又是什么呢，以下內容從幾部分來介紹皮膚電預處理過程。
Part1 皮膚電數據介紹
皮膚電信號主要由緩慢變化的基礎（Tonic）活動——皮膚電導水平與快速變化的相位（Phasic）活動——皮膚電導反應組成，見上圖（韓穎, 董玉琦, & 畢景剛，2018)。
1.1 皮膚電導水平（Skin Conductance Level，SCL）
SCL是無任何環境激勵下的皮膚電導基線，在幾十秒至幾分鐘內變化緩慢、更替微小。SCL的上升與下降隨著個體的反應、皮膚干燥程度或自主調節能力不同而持續變化（韓穎, 董玉琦, & 畢景剛，2018)。
皮膚電導基礎水平存在個體差異，并與個性特征相關，如向亦文,閻克樂,陸運青 (2000)的研究中測量了大學生皮電基礎水平與MMPI量表之間的關系。
1.2 皮膚電導反應（Skin Conductance Response，SCR）
相位反應在基礎水平之上，變化幅度更高、速度更快，以“GSR突發”或“GSR峰值”的形式顯示。
SCR對特定的情緒刺激事件敏感，事件相關皮膚電導反應（ER-SCRs）會在情緒刺激發生后的1～5秒之間突發；非特異性皮膚電導反應（NS-SCRs）則在人體內以1～3分鐘的速率自發發生，與任何刺激無關（韓穎, 董玉琦, & 畢景剛，2018)。
Part2
事件相關的皮膚電導反應
下圖(來自mindware官網）便是一個理想的皮膚電導反應。刺激后，皮膚電在0~4s逐漸達到峰值，0.5~5s恢復，若想觀察到皮膚電反應需要至多9s的時間。
因此在設計皮膚電實驗時因注意刺激之間的間隔時間，兩個刺激間隔至少在10s以上，以免兩個刺激的反應混淆。
經過刺激后，皮膚電水平應有一個明顯的上升，峰值是皮膚電反應是否良好的重要指標。皮膚電的單位是微西門子microsiemens (μS) ，數值大概在5-50μS之間。
被試的皮膚干燥水平、個體差異、電極片、采集部位等是其中的影響因素，在采集數據時應嚴格遵守操作步驟，以確保數據的質量。
Part4
如何判斷數據質量
本節圖片均來自mindware官網。
下圖是理想的皮膚電數據，較細的線條（無太多噪音），有明顯的起伏，明顯的上升。
而質量差的數據分為以下幾種：
① 高頻噪聲
受高頻噪聲影響的皮電反應如上圖，線條較粗，但總體起伏還是比較明顯。
這類問題通常由電干擾影響：連結記錄儀的導線是否有跟其他電線相交或者是否靠近其他電器設備、電源的接入是否正常、被試身邊是否有電線或者設備。
此問題不是特別影響數據，也可以通過濾波操作過濾此噪聲。
② 無信號和低振幅信號
無信號如上圖所示，線條特別粗且數值在0左右，有可能是無信號或者低振幅信號，可以用呼吸測試（既讓被試深呼吸觀察被試皮膚電反應）來區分，若深呼吸后還是無起伏，即為無信號。
無信號可能與設備連接，電極片過期等有關，導致設備不能收集到被試的信號。
有些被試容易出手汗，實驗過程中電極片可能會脫落，可以用醫用膠布固定電極片防止這類事情發生。
低振幅信號如上圖所示，數值在0左右但有些許起伏。這跟個體生理有很大的關系，有些被試的皮電反應較不敏感，在正式實驗前需要進行預測和呼吸測試，以排除該類被試。
除此之外，被試的皮膚過于干燥也可能會影響，在實驗前避免用帶香味或含酒精的洗手液洗手。以及選擇正確的電極片（實驗用的，沒過期的電極片），正確的粘貼位置（指尖、掌心等）。
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資料來源：
【1】Ahrens, L. M. , Pauli, P. , Reif, A. , Andreas Mühlberger, & Wieser, M. J. (2016). Fear conditioning and stimulus generalization in patients with social anxiety disorder. Journal of Anxiety Disorders, 44, 36-46.
【2】Mueller, E.M. , Sperl, M.F. J. , & Panitz, C .(2019). Aversive Imagery Causes De Novo Fear Conditioning. Psychology science, 30(7), 1001-1015.
【3】陳偉, 李俊嬌, 曹楊靖文, &鄭希付. (2018). 預期錯誤在復合恐懼記憶提取消退中的作用. 心理學報, 50(7),739-749.
【4】馮彪, 徐亮, 張蔚欣, 陳婷, 王文清,&鄭希付.(2017). 積極情緒對條件性恐懼泛化的抑制作用.心理學報,49(3),317-328.
【5】韓穎, 董玉琦, & 畢景剛. (2018). 學習分析中情緒的生理數據表征——皮膚電反應的應用前瞻. 現代教育技術, 28(10), 13-20.
【6】向亦文, 閻克樂, & 陸運青.(2000)大學生皮膚電反應、MMPI及其關系的初步研究.心理學報，32(1),95-98.
【7】Mindware官網：https://support.mindwaretech.com
