振动测试系统(004 心理生理过程的控制论模型：独一无二的振动图像检测技术)

Posted 2023-05-27

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振动测试系统(004 心理生理过程的控制论模型：独一无二的振动图像检测技术)

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如何使用控制论方法来描述心理生理过程

对人类个体的控制论方法，可以看做一种技术类比（等价物），这是一种由控制论创始人维纳所提出的，复杂的控制论或信息测量系统（Wiener，1948；Shannon，1948；Bernstein，1967，1990）。维纳认为使用“信息（Information）”和“能量（Energy）”两个基本要素，就可以描述任何复杂的对象。

尽管这种方法显而易见，但从表征一个人当前的心理生理状态的角度来看，迄今为止，它尚未在实践中使用。

虽然人类能量的特征（以kcal/min为单位）在确定一个人的功能状态方面非常流行，但在大多数情况下，它仅用于饮食学和医学（Broderick等，2014年；Ceaser，2012年）。

采用拟义的方法来表征一个人的心理生理状态的主要障碍，是在心理学和生理学中实际不使用“信息”、“信息状态”和“信息交换”等术语。以及作为信息交换指标的术语“交互效率”（即，人类生理系统内部和之间信息交换水平变化的指标）。

如果我们使用“信息”一词来描述人类的情绪，那么它的使用意义与控制论的创始人略有不同。例如，俄罗斯科学院的西蒙诺夫院士（Simonov，1986）提出的情绪信息理论提出了一种情绪反应，以应对外界信息对一个人的影响，但在其核心使用了不可估量的概念。本质上与信息交换（或信息指示器）一词最接近的同义词交换）是一个人的心理状态，它决定了他的心理舒适度。

从感官生理学的角度来看（Sechenov，1965年；Tamar，1976年；Pokrovsky&Korotko，2001年），人身上发生的任何心理和生理过程都是由物理、化学和代谢（信息）过程中的信息交互决定的（Wiener，1948年）。

因此，一个人的心理状态可以通过揭示其心理舒适状态的信息特征来确定，而生理状态则可以通过主要的能量特征来显示。

简而言之，心理状态可以用“信息”指标来描述，生理状态可以用“能量”指标来描述。

核心参数：信息和能量

如果我们研究更深入一点就会发现，一个人的信息状态和表征他的信息交换是由信息效率决定的，即在人体生理系统内和生理系统之间传递信息信号的过程中，信息交换的质量（速度、信号大小、信息损失、信噪比等）（Minkin，2019b）。这种方法类似于香农（香农，1948）、维纳（维纳，1948）和伯恩斯坦（伯恩斯坦，1967）为技术和生物系统传输信息的经典方法，并在与情绪和感官生理学信息理论相关的著作中得到证实（Simonov，1986；Tamar，1972；Baevsky等人，2001）。

如果我们将一个人视为一个物理或控制论系统，那么他的信息状态（信息交换）的指标取决于可控性和损失，即取决于每个生理系统和功能相关的生理系统中感官反馈信号传递的速度和同步性（Bernstein，1967；Blank等人，2014；Orbach，2008）。

此外，根据巴甫洛夫院士的说法，一个人的所有生理系统都是相互联系的（巴甫洛夫，1951年）。

在心理生理学研究过程中，发现在改善情绪和情绪恢复的情况下，观察到人的各种生理系统功能的同步程度增加。在人的功能状态恶化的情况下，这种同步程度会降低（Minkin，2019a；Minkin&Myasnikova&Nikolaenko，2019）。

信息交换的指标可以是例如皮尔逊相关系数（Pearson，1895），通过处理各种生理信号来确定，例如心率（心血管系统）、皮肤电流反应（皮肤系统）、前庭测量（前庭系统）。在这种情况下，在几个不同的生理信号之间确定的Pearson相关系数的平均和将反映人类的总体可控水平或信息状态（信息交换）的指标。

当使用振动技术对受试者进行研究时，根据经验确定，作为生理系统同步性指标的另一种可能的信息特征是人类头部微振动频率的传播（Minkin，2019a）。

为了更清楚的解释上述观点，我们来设想一个例子。比如某人被表示为一个条件控制论系统（图1），由多个生理系统Ph1-PhK（心血管、神经、消化、前庭等）组成，每个生理系统都解决了特定的生理任务。每个生理系统对所有其他系统都有一定的影响（以反馈的形式传递信息并接收纠正信息），一个生理系统对另一个系统的相互影响以相关系数为特征。

这个人的“输入”总是以能量载体Eex（食物、氧气）和信息载体Iex（光、声音、热等）的形式被输入刺激。刺激通过内部生理过程的新陈代谢转化为能量Eout（热量、运动）和Iout信息（词汇、外观、行为、心率、SGR、ECG等生理参数的变化）的外部表现形式。

当然，这是一个人类功能的理想化方案，没有考虑很多具体而现实的因素。然而，这样的概要性方案可以最充分地涵盖了个体发生的物理、化学和信息过程，并很好地解释了其心理生理特征，在外部刺激或各种因素影响下变化的参数。

我们需要强调的是，一个人总是受到外部因素的影响，一个没有感觉到任何外部、内部或外部影响的人的存在是不可能的。只有非生命体不会感觉或转换外部刺激。

关于心理生理状态的控制论理论模型

图1 人的控制论方案

图1所示的图表允许人们评估一个人的心理生理状态，这与确定一个人内部发生的物理化学过程（Ein）导致的内部能量变化的需要以及以信息交换为特征的信息状态（Iin）变化的指标密不可分。

从图中可以看出，一个人的信息和能量状态的内部值，最接近的类似物是其外部分量Iout和Eout，它们可以以生理参数或物理量的形式进行物理测量。计算一个人消耗或消耗的能量是一个众所周知的物理问题，有许多技术解决方案（Ceaser，2012；Broderick等人，2014）。

有人建议将内部信息状态（Minkin，2019a）定义为信息效率系数Iin=Iu/It或各种物理系统平均相关性的缩减函数（Iin=F(∑（Ckn））。该过程可以以各种技术方式进行，例如，使用振动技术，或在测量各种生理信号的时间依赖性的平均相关性时，或通过分析心率变异性（Bayevsky等人，2001；Fleishman等人，2014）。

在人的各种生理系统的功能过程中，如果信号交换的相关性依赖性降低，其特征是失去控制、混乱、熵增加；在极端情况下，还会导致人死亡。

显然，香农所提出的控制论或信息物理方法分析一个人当前的心理生理状态具有许多不可否认的优势。

传统上用于表征心理情绪和心理生理状态（侵略、压力、愉悦、神经质、外向）的参数通常是主观的，如果它们没有明确的物理算法来确定。大多数现有的分析人心理生理状态的方法，都是基于古希腊哲学家普罗泰戈拉（Protagoras）的著名论断，即“人是万物的尺度”Bartlett，2016）。

然而，为了在测量人的心理生理状态时获得客观的计量结果，有必要尽量减少主观意识工作的使用，并应用物理量和客观测量的技术特征。

在所提出的人的控制论模型中，我们需要对两个基本参数进行物理手段的测量，以确定其能量和信息状态，心理生理状态由这两个参数在坐标信息/能量（I/E）中的比率确定。

在人类状态的信息指示器下，控制水平（即信息效率，即接收到的信息信号量与传输的信息总量的比率）或生物的各种生理系统之间的关系都处于受控状态。

例如，通过心电图、脑电图、皮肤电流反应和前庭测量的信号之间的相关性，可以客观地检测信息效率，这些信号随时间变化并且相互关联。在人体状态的能量指标下，指人体消耗或释放的能量（减少到人体消耗的最大能量）。

总的来说，个体消耗的能量和释放的能量在很长一段时间内处于平衡状态，即它们的量效关系基本等同。

如果反映生物体E的能量特征的参数值降低，而反映生物体I的信息状态的参数值增加……即生理指标降低，心理指标升高，那么我们可以得出结论，个体进入更放松舒适的状态。

相反，如果对应于能量特征的参数值增加，而负责信息状态的参数值减少……即生理指标升高，心理指标降低，则个体当下正处于紧张不安的状态。

如果参数E和I的值都增加，则该人进入机能调动状态，准备就绪。

如果两个参数的值都下降，那么这个人处于抑郁或压力状态。

综上所述，我们就得到了振动图像系统（Vibraimage）的两个底层定义参数。通过这两个参数的比率，可以明确地解释人的心理生理状态的变化。

通过“信息-能量”的二维数据阵列，它们分别确定了所记录个体的生理和心理特征（I（t）/E（t）），这个算法机制允许我们建立与当前心理生理状态（PPS）的变化向量的相关性。

也就是说，至少我们能够通过这个核心算法，确定该PPS反应是积极的还是消极的。它是当前PPS在外部和/或内部因素（包括对外部刺激的感知）影响下变化的积极或消极程度。

这个事实虽然看起来简单，却是心理生理学的决定因素，如现代计算机技术的1和0（Minkin，2019a）。

我们利用上述算法机制，很容易进行大样本的测量实证。根据获得的数据，可以得出关于信息和能量等级（%/kcal，或相对单位）中人当前心理生理状态变化性质的明确结论。

这就好比测量晶体管的伏安特性，这种物理方法方法在某种程度上接近于艾森克在“外向”-“神经质”尺度上对人格的评估（艾森克，1970年）。一个人状态的能量特征和行为的外向程度，以及心理安慰程度和平衡程度（神经质）之间可以形成一个平行关系。

唯一不同的是，艾森克测试是基于个体对呈现刺激的主观意识反应，而振动图像这种控制论方法则基于客观测量的物理量和/或生理参数。

关于心理生理状态的控制论数学模型

研究发现，振动的频率分布（离散度或标准差）表征了一个人心理生理状态的信息指标，振动的平均频率表征了其能量指标（Minkin，2019a）。

为了使人的信息和能量特征的估计值的缩放性或可加性兼容，可以用物理单位表示，比如“信息效率”以百分比表示，“能量”以焦耳或卡路里表示，“固定时段的功率”以J/min或kcal/min表示，或者上述项目都可以表示为相对值（%或每单位制）。

（一）信息

发生于一个人的生理系统之间和生理系统内的信息交换量与信号交换总量之比，被视为人体的信息指标（Minkin，2019a）：

Iin——人类状态的信息效率；

Ir——人体生理系统每单位时间接受的有用信息量；

Ir +S ——人体生理系统每单位时间发送的信息总量（包括错误和丢失信息或熵）。

（二）能量

发生于一个人心理机制中的当前能量消耗值与最大能量消耗值的指标，被视为人体的能量指标：

Ein——个人能量状态的降低指标；

Ecur——个人在当前时间单位内消耗的能量；

Emax——人体每单位时间消耗的最大能量的生理极限。

上述用于计算信息和能量特性的给定指标的公式解释了这些指标的一般含义。显然，虽然目前的计算机硬件技术较之振动图像技术刚发明的20世纪90年代有了长足进步，我们仍然无法准确测量一个人每单位时间传输的信息总量，因为一个人的大脑包含大约50×1010个神经元（Herculano-Houzel，2009），在一秒钟内传输的信息比世界上所有计算机都多。

然而，如果所提出的关于生理系统工作中信息效率和相关性之间的比例关系的假设是正确的，那么通过振动分散和生理系统控制之间的已建立的反向关系（Minkin，2019a），可以评估一个人的信息效率。

振动频散的生理意义由前庭系统与人体所有生理系统的一般联系决定。生理系统之间的可控性越高，决定前庭情绪反射的颈部肌肉控制的频率范围越小（Minkin&Nikolaenko，2008b）。

我们使用所提出的方法（Minkin，2019a），也可以使用ECG、SGR、EEG等技术获得所要求保护的方法的心理情绪状态的特征。

为此，我们有必要采用其他物理手段来测量人释放的能量，例如热成像仪；进而评估所捕获的生理信号（如ECG、SGR、EEG等）的平均同时性（Pearson correlation coefficient）。我们也可以通过其他类似方法来确定PPS（Minkin&Nikolaenko，2017a），

然而，振动图像（Vibraimage）所述方法更容易理解，而用于计算PPS的更复杂的方程通常给出接近上述方程的结果（Minkin&Myasnikova&Nikolaenko，2019）。