基于腦電技術(shù)的面料觸感捕捉刺激器的設(shè)計與開發(fā)

李 東，萬賢福, 1b,汪 軍, 1b，許鵬俊

(1.東華大學 a.紡織學院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620；2.閩江學院 服裝與藝術(shù)工程學院，福州 350001)

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基于腦電技術(shù)的面料觸感捕捉刺激器的設(shè)計與開發(fā)

李 東1a，萬賢福1a, 1b,汪 軍1a, 1b，許鵬俊2

(1.東華大學 a.紡織學院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620；2.閩江學院 服裝與藝術(shù)工程學院，福州 350001)

為了客觀地捕捉人們對服裝面料舒適性的感覺，針對人們觸摸不同服裝面料時，腦電波等生理指標會發(fā)生變化的特點，研究腦電波和服裝觸覺舒適性的關(guān)系，設(shè)計制作出一種新型的基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器，輔以ERPs腦電儀捕獲觸感并進行離線分析，驗證該裝置多次實驗的可重復性。指出：標識面料與皮膚接觸瞬間的時間點是該裝置設(shè)計制作的關(guān)鍵和難點；初步測試表明，該裝置能夠標識出皮膚與面料接觸的瞬間時間點，且多次實驗具有可重復性。

觸感；捕捉；刺激；舒適性；事件相關(guān)電位ERP；可編程控制器PLC；腦電波EEG

0 引言

服裝的舒適性是指人體著裝后，服裝具有滿足人體要求并排除任何不舒適因素的性能。服裝舒適性包括熱濕舒適性、觸覺舒適性和體感舒適性[1]。觸覺舒適性的評價方法有兩種，一種是物理評價法，即根據(jù)面料的表面性質(zhì)，如彎曲、拉伸、剪切和壓縮等物理性能進行評價。如川端建立的KES評價系統(tǒng)[2]，以物理量的形式表征與織物觸覺手感有關(guān)的力學性能，可以反映織物的觸覺特征，但和人們接觸織物時獲得的感性認識還有很大差距。另一種最為普遍的評價方法是心理評價法，依據(jù)人們接觸面料時的感受進行主觀判斷，這也是筆者研究的評價方法。

近年來，為了客觀地捕捉人們多方面的感覺，基于腦電波、心電圖等生理反應(yīng)的嘗試在各個領(lǐng)域展開。例如，Montoya研究了由觸覺刺激誘發(fā)的體感誘發(fā)電位SEP[3]，發(fā)現(xiàn)被測試者觀察不愉快照片相比愉快照片，事件相關(guān)電位P50的波幅顯著降低。Kikuchi等人[4]發(fā)現(xiàn)手指觸摸光滑平面和粗糙平面時，腦電波的變化是不同的。

然而很重要的一點是，觸覺是皮膚接觸到織物時的瞬間反應(yīng)，因此，可以利用微分的方法評價人們受到刺激時的生理反應(yīng)。事件相關(guān)電位(ERP)[5]可以用來表達這種因觸覺感覺變化而誘發(fā)的生理反應(yīng)。事件相關(guān)電位是一種被刺激誘發(fā)的腦電波，反映了在單位毫秒內(nèi)人們對刺激的感覺、認知等處理過程的一系列變化，被看作評價觸覺的一種有用的生理指標[6]。

基于腦電技術(shù)的服裝面料觸覺研究，捕捉皮膚與面料接觸的瞬間至關(guān)重要。因為觸感發(fā)生的時間僅僅在幾百毫秒內(nèi)，而事件相關(guān)電位儀對觸感的捕捉，需要將幾十次到一百多次記錄下的同一外部刺激形成的腦電波數(shù)據(jù)信號進行放大和疊加。腦電波經(jīng)放大后發(fā)現(xiàn)，對事件相關(guān)電位的干擾很多，如噪聲、偽跡等。但ERP的波形和潛伏期恒定，所以可通過疊加，從腦電波中將ERP提取出來[7]。這就要求準確標記出觸覺發(fā)生的起點，因此，制作實驗裝置，標識皮膚與面料的接觸瞬間，是采用腦電技術(shù)評價觸覺舒適性的關(guān)鍵。

Yohsuke 在基于事件相關(guān)電位的服裝觸覺研究中[8]，實驗裝置應(yīng)用了光電傳感器，通過光量的變化確定其接觸時間。其實驗原理是將試樣掛在一個橫桿上，慢慢移動，最后滑過手臂，橫桿移至快要接觸手臂皮膚時，光被擋住，接收器檢測到光量變化，從而記錄接觸時間點。但由于試樣布條具有柔性，光被遮擋與布條和皮膚間的接觸并不一定同時發(fā)生，且實驗是反復的、短時間進行接觸刺激，沒有隨機性，被測試者容易產(chǎn)生感覺記憶，從而影響數(shù)據(jù)的準確性。

為此，筆者設(shè)計制作出一種新型的、基于腦電的服裝觸感捕捉刺激器。通過可編程控制器(PLC)控制電機的轉(zhuǎn)動，以穩(wěn)定和隨機的使織物與皮膚接觸，并通過改造光電鼠標，將光電傳感器探測出的信號傳入電腦中。腦電儀器根據(jù)這個信號標識，對檢測到的腦電波信號進行分段和疊加，從而分離出由觸覺引發(fā)的事件相關(guān)電位。

1 裝置設(shè)計

筆者設(shè)計制作的基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器裝置，包括控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)兩個主要部分，裝置簡圖見圖1?？刂葡到y(tǒng)控制電機轉(zhuǎn)動，使試樣織物與手指皮膚接觸，接觸時間點由光電傳感器捕捉，并轉(zhuǎn)換為鼠標左鍵傳入腦電儀，作為誘發(fā)事件相關(guān)電位的觸覺刺激發(fā)生的時間點。

1.1 機械設(shè)計

圖2是基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器機械簡圖。機械設(shè)計采用SolidWorks三維建模軟件，

整體是一個箱體，鋼結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定堅固。頂部薄、有孔，手指自然放在孔上，使皮膚從孔中露出與織物接觸，這樣可有效避免手指與織物接觸產(chǎn)生肌電位，減少對事件相關(guān)電位的干擾。中間部分是一個直流無刷電機，固定在底部支撐板上，能穩(wěn)定轉(zhuǎn)動。電機轉(zhuǎn)動軸上固定轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上均勻分布、固定有6個可伸縮的面料包裹頭，軟橡膠的圓頭端包上試樣織物，并可微調(diào)織物與手指皮膚間的接觸距離。在轉(zhuǎn)盤上開有通光孔，每個通光孔的中心線分別在對應(yīng)的面料包裹頭的軸線上，將光電傳感器的發(fā)射器和接收器固定在通光孔前后的支架上。其工作原理是電機帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到一定位置時，手指皮膚與試樣織物接觸，光電傳感器的發(fā)射器發(fā)射的光線穿過通光孔被傳感器接收器接收。由于通光孔的直徑很小，光電傳感器相互間的距離很短，靈敏度非常高。用這種方法可以快速準確地標記出試樣織物與被測試者手指的接觸時間點。

1.2 電氣控制設(shè)計

如果手指短時間內(nèi)重復觸摸同一試樣織物，即使被測試者不知道試樣織物的相關(guān)信息，大腦內(nèi)也會產(chǎn)生記憶，從而影響事件相關(guān)電位的獲取結(jié)果。為了隨機地讓不同的試樣織物以不同的速度和方向與手指皮膚接觸，筆者選用了PLC來實現(xiàn)這一復雜的控制。

基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器的電氣控制系統(tǒng)由PLC、無刷電機控制器、直流無刷電機組成。控制的目的是實現(xiàn)無刷電機精確、緩慢地轉(zhuǎn)動，以使圓盤上的試樣織物按照隨機的順序與手指皮膚穩(wěn)定、緩慢地接觸。接觸時光電傳感器發(fā)出信號，光電鼠標經(jīng)過改裝后按下鼠標左鍵，可將左鍵信號作為E-Prime心理學實驗的靶刺激，在腦電儀記錄的腦電波圖上標記刺激發(fā)生的時間點。把面料與皮膚的接觸刺激轉(zhuǎn)化為鼠標左鍵的觸發(fā)，作為事件相關(guān)電位的刺激，誘發(fā)產(chǎn)生相關(guān)電位。腦電波分析時，將以這些標記的時間點為刺激發(fā)生的起點，進行腦電波的分段和疊加，進而得出由觸覺誘發(fā)的事件相關(guān)電位。

在事件相關(guān)電位的測試中，最常用的就是Oddball式，包含兩種刺激類型，讓被測試者對其中一種刺激做出評價。然而Polich[9]在聽覺刺激實驗中只采用了一種刺激，對比兩種刺激下獲得的ERP，發(fā)現(xiàn)幾乎是相同的。因此，在初始階段，使用一種刺激獲取ERP是可行的。

1.3 可編程控制器PLC的程序設(shè)計

可編程控制器PLC程序的輸入為起、停等開關(guān)量和隨機接觸順序數(shù)據(jù)；輸出為控制電機控制器起、停、反轉(zhuǎn)的高電位，和控制電機轉(zhuǎn)速的模擬量輸出電壓。程序啟動時，隨機函數(shù)產(chǎn)生試樣織物與皮膚接觸的順序。程序運行時，判斷順序值，執(zhí)行相應(yīng)的運動子程序，電機以相應(yīng)的速度轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，從而使被測試者的手指與不同的試樣織物接觸?？刂破飨辔幻}沖輸出端子接入PLC的高速計數(shù)器輸入端，通過高速計數(shù)器來計數(shù)脈沖，進而得到圓盤轉(zhuǎn)動的實時位置。PLC程序流程見圖3。

2 ERPs實驗

2.1 實驗前準備

對基于腦電技術(shù)的服裝觸感刺激捕捉器進行ERPs實驗，需將裝置與ERPs腦電儀結(jié)合起來，經(jīng)過E-Prime程序?qū)崿F(xiàn)。運用E-Prime程序進行實驗流程編寫，并將基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器上皮膚與試樣面料接觸時發(fā)出的鼠標左鍵信號作為刺激，標記在腦電儀測試到的腦電波時間軸上。

2.2 ERPs實驗

在室內(nèi)溫度為25 ℃、相對濕度為50%的ERPs實驗室中。運行服裝觸感捕捉刺激器和E-Prime刺激程序，被測試者為20名男性大學生，佩戴國際上通用的10～20系統(tǒng)[10]的電極帽，坐在椅子上，處于閉眼靜坐狀。右手中指自然擺放在服裝觸感捕捉刺激器頂部的孔上，露出的手指皮膚與劃過的試樣面料相接觸，用腦電儀采集腦電波。每位被測試者的實驗分為6段，每段實驗手指皮膚與3種不同試樣面料共接觸60次，時長約6 min，每段實驗結(jié)束后被測試者休息2 min；測試時被測試者佩戴眼罩和耳塞，以減少外界干擾。

實驗試樣織物分3種：試樣1為尼龍針織布、試樣2為平紋棉布、試樣3為平紋麻布。3種試樣織物的表面粗糙度依次增加。

3 裝置可重復性驗證

為了驗證筆者設(shè)計的基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器實驗的可重復性，運用高速攝像機拍攝被測試者手指皮膚與試樣織物的接觸過程。根據(jù)多次實驗接觸時間點的偏差，分析該裝置的可重復性。高速攝像機以1 000張/s的速度，拍攝出了手指皮膚與試樣織物接觸的過程，共拍攝了4名被測試者分別接觸3種試樣織物的過程。傳感器發(fā)出接觸信號要比實際接觸時間稍有提前，結(jié)果見表1。

表1 傳感器發(fā)出接觸信號比實際接觸提前的時間 單位：ms

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，4名被測試者接觸3種試樣織物的接觸信號偏差時間有所不同，標準偏差分別為8.02 ms、5.74 ms、2.65 ms。這是由于每次實驗被測試者露出的手指皮膚面積都不相同，造成了每次實驗之間有一定偏差。其中，試樣1的偏差最大，這是由于試樣織物面料本身較薄且柔軟，接觸時易造成形變。

使用該裝置對同一試樣織物進行多次實驗，發(fā)現(xiàn)腦電波上刺激打標點的偏差在10 ms以內(nèi)。因此，使用本裝置進行的基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器多次實驗具有可重復性。

4 腦電波分析

在事件相關(guān)電位ERP的研究中，腦電波EEG數(shù)據(jù)的獲取只是第一步，EEG中即包含了ERP等有用的成分，也有影響數(shù)據(jù)的噪聲，所以要經(jīng)過離線分析才能得到所需的結(jié)果。離線分析筆者使用的是SCAN軟件數(shù)據(jù)分析部分Edit。圖4是SCAN軟件對一組20名被測試者腦電波的100個打標點，即前200 ms和0 ms～600 ms采集的數(shù)據(jù)進行疊加濾波等分析后，得到波形的總平均值。

從傳感器發(fā)出的信號，經(jīng)鼠標左鍵觸發(fā)到電腦上顯示有約10 ms的延遲，所以進行事件相關(guān)電位分析時，試樣織物1、2、3對應(yīng)在腦波圖上的時間應(yīng)當分別滯后約41.50 ms、27.75 ms和53.50 ms。此外，不同被測試者露出的手指皮膚部分與試樣織物面料接觸有細微的差別，導致滯后時間也有一定的偏差，但都在允許范圍之內(nèi)。圖4中數(shù)據(jù)已通過平移時間軸消除了上述偏差。

從圖4中可以看出，位于頭顱頂部的6個電極，每個電極上的3種試樣產(chǎn)生的腦電波波形大致相同，并且在一些共同的時間段都會出現(xiàn)波峰和波谷，但幅值有所差別。例如100 ms、200 ms和300 ms附近是和人類觸覺認知有關(guān)的電位。分析觸覺誘發(fā)事件相關(guān)電位的成分與不同試樣織物觸覺的關(guān)系，可得出評價服裝面料觸覺的事件相關(guān)電位的指標，如事件相關(guān)電位的幅值和潛伏期等，這是筆者下一步將要進行的工作。

5 結(jié)語

5.1 面料與皮膚接觸瞬間的時間點標識問題，是基于腦電技術(shù)對服裝舒適性進行研究的關(guān)鍵問題，也是難點問題。筆者設(shè)計并制作出基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器，且制定和實施了基于此裝置的驗證實驗方案。初步測試表明，該裝置能夠準確標記出皮膚與面料接觸的瞬間時間點，且多次實驗具有可重復性。

5.2 本裝置作為基于腦電技術(shù)的服裝觸覺舒適性評價的輔助實驗平臺，將有助于分析事件相關(guān)電位與服裝面料觸覺的關(guān)系，服裝舒適性評價領(lǐng)域的發(fā)展令人期待。

[1] 林燁.關(guān)于服裝舒適性及其評價方法的分析與研究[J].雙語學習，2007(12):220-222.

[2] 侯秀良，高衛(wèi)東.KES-F織物風格評價系統(tǒng)的發(fā)展[J].毛紡科技，2005(3):46-48.

[3] Pedro Montoya,Carolina Sitges.Affective Modulation of Somatosensory-evoked Potentials Elicited by Tactile Stimulation[J].Brain Research,2006,1068(1):205-212.

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The Design and Development of EEG-based Fabric Tactile Sensation Stimulator

LI Dong1a,WAN Xianfu1a, 1b,WANG Jun1a,1b,XU Pengjun2

(1.Donghua University a.Textile College;b.the Key Laboratory of Textile Fabrics Under the Education Ministry,Shanghai 201620,China;2.Fashion & Art Engineering School Minjiang University,Fuzhou 350001,China)

To objectively capture the people′s feeling for the comfort of fabrics,according to the fact that when people touch different fabrics,the brain waves and other physiological indicators will change,a new EEG-based fabric tactile sensation stimulator is introduced to research the relationship between the brain waves and the comfort of fabrics,supported by ERPs device capturing the feeling and offline analysis,and experimental repeatability of the device is verified.It is pointed out that the key and difficulty in the design of the device is identifying the contact moment when the fabrics touch the skin.The preliminary tests show that the device can identify the contact moment when the fabrics touch the skin,and multiple experiments prove the repeatility.

touch;capture;stimulation;comfort;event related potential ERP;programmable controller PLC;brain wave EEG

2016-03-27

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(14D110139)；國家自然科學基金青年基金(51403098)

李 東(1992—)，男，山東濟寧人，在讀碩士研究生，主要從事數(shù)字化紡織工程方面的研究。

TS101.8

A

1001-9634(2016)05-0006-05