織物觸覺舒適度大腦感知技術(shù)研究進(jìn)展

苑 潔， 婁 琳， 王其才

1. 浙江理工大學(xué) 絲綢文化傳承與產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化技術(shù)文化和旅游部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018；2. 浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國際絲綢學(xué)院)， 浙江 杭州 310018)

隨著人們生活水平的提高和生物醫(yī)學(xué)神經(jīng)測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于織物接觸感知舒適度的要求越來越高。傳統(tǒng)的主觀評(píng)價(jià)和物理機(jī)械性能評(píng)價(jià)方法僅僅局限于人的主觀表達(dá)和紡織品本身，而經(jīng)常忽略了織物舒適度感知的起源位于人體大腦這一重要事實(shí)。然而，在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，對(duì)織物-皮膚相互作用過程中感覺、感知的精確評(píng)估仍然知之甚少。

近年來，隨著跨學(xué)科知識(shí)的不斷融合和生物神經(jīng)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，織物的觸覺大腦感知研究也有了大幅提高。目前，國內(nèi)外涉及織物接觸舒適度大腦感知表征的先進(jìn)技術(shù)主要有3種：腦電圖(EEG)[1-2]、事件相關(guān)電位(ERPs)[3]、功能磁共振成像(fMRI)[4-5]。在這個(gè)信息化的多元時(shí)代，無論是人機(jī)交互虛擬現(xiàn)實(shí)感知領(lǐng)域，還是在功能性紡織品以及生物醫(yī)用紡織品等產(chǎn)業(yè)用紡織品實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，均對(duì)神經(jīng)感知反應(yīng)的精細(xì)定位和捕捉速度提出了更高要求。本文對(duì)近年來應(yīng)用于紡織服裝觸覺感知領(lǐng)域的腦感知神經(jīng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了比較和分析，探尋更為原位、精準(zhǔn)和定量化的織物觸覺表征技術(shù)，為織物觸覺認(rèn)知的大腦機(jī)制深入研究提供借鑒，為未來的織物觸覺舒適度感知研究發(fā)展提供方向。

1 織物觸覺舒適度大腦感知技術(shù)

1.1 腦電圖技術(shù)

EEG作為一種能夠記錄大腦活動(dòng)的電生理指標(biāo),具有和大腦信息加工處理匹配的高時(shí)間分辨率,同時(shí)兼具便攜性好、非侵入式的特點(diǎn)，已經(jīng)成為認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域開展知覺研究的重要測(cè)量手段[6]。眾多研究[7-9]均顯示EEG中的α波和θ波與織物的舒適感知呈正相關(guān)，而β波和γ波與大腦的緊張、接觸不適等感知有關(guān)。

在手感接觸舒適性方面，基于EEG技術(shù)的10種不同蠶絲織物(包括喬其緞、素縐緞、順紆喬其、雙縐、斜紋喬其、斜紋綢、重縐等)的觸感試驗(yàn)證明，θ、α波越大刺癢感越小[10]。通過分別使用蠶絲和粗麻織物進(jìn)行反復(fù)摩擦接觸試驗(yàn)的EEG分析也顯示出，光滑的蠶絲織物的刺激反應(yīng)在θ、α波段中，粗糙的麻織物摩擦?xí)穰虏ǖ娘@著性變化，且表面粗糙的織物接觸對(duì)這3種波段的活動(dòng)影響更大[11]。近年來隨著研究的逐漸深入，也有研究表明除θ波之外，γ波的相對(duì)頻譜功率在棉、錦綸和羊毛織物的接觸刺激下也存在顯著差異[12]。

在織物接觸壓力舒適性方面，束縛感越強(qiáng)，EEG信號(hào)中的α波越受抑制[13]。在研究足底壓力舒適性時(shí)也得到相同結(jié)論，足底壓力峰值的升高同樣會(huì)抑制腦電α波，使人處于一種不舒適的狀態(tài)[7]。當(dāng)人體穿著舒適感較高的負(fù)離子功能服時(shí)，α波的強(qiáng)度和節(jié)律占比均顯著變大[14]。當(dāng)穿著壓力舒適性較好的功能性壓縮褲時(shí)，與穿著常規(guī)褲時(shí)的腦電信號(hào)相比，α波顯著增大，而γ波顯著減小[15]。

在接觸冷暖感舒適性方面，基于EEG技術(shù)的絲織物觸感試驗(yàn)證明，織物的接觸冷暖感越強(qiáng)，β波越大[7]。亦有研究[16]對(duì)不同熱環(huán)境條件下人體的θ、α、β和γ波進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，無論是熱感不舒適還是冷感不舒適，所有的EEG功率值均會(huì)增大，驗(yàn)證了利用EEG進(jìn)行熱濕舒適性感知表征的可行性；且當(dāng)熱感不舒適時(shí)θ波下降，而β和γ波上升，而冷感不舒適時(shí)只有θ波下降。相比于服裝隔熱性指標(biāo)而言，利用EEG技術(shù)進(jìn)行個(gè)體的熱舒適預(yù)測(cè)精度也有所增加。在研究夏季空調(diào)座椅的接觸冷暖感舒適性感知的過程也表明，人體感知為較為舒適放松時(shí)，θ波和α波被激活，β波減小[17]。也有研究摒除了試驗(yàn)室環(huán)境，通過現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，得出不舒適環(huán)境比舒適環(huán)境下的波和波頻帶功率高，且在不舒適的野外環(huán)境中，與聽覺和視覺系統(tǒng)等高級(jí)認(rèn)知處理有關(guān)的γ波也顯示出了高活性[18]。

以上結(jié)果均顯示出α波和θ波與織物的接觸舒適度感知呈正相關(guān)，而β波和γ波則可能與織物的接觸不舒適度感知有關(guān)，這種接觸舒適度感知包括了手感、熱濕和接觸壓力舒適度感知等。

在實(shí)際運(yùn)用腦電技術(shù)的過程中，由于EEG信號(hào)微弱、信噪比低，易受到外界的干擾，所以影響腦電圖的因素眾多，如：年齡和發(fā)育情況[19]、覺醒水平與精神活動(dòng)、體溫變化、遺傳因素、藥物作用[20]、外界刺激(如聲刺激、光刺激)[19，21]以及內(nèi)在心理活動(dòng)等[22]。這些對(duì)于利用EEG技術(shù)進(jìn)行接觸舒適度表征的感知來說，都是非常不利的。

1.2 事件相關(guān)電位技術(shù)

20世紀(jì)70年代，Vaughan提出了一種新的可用于表征人體大腦認(rèn)知活動(dòng)的神經(jīng)電信號(hào)方法，即ERPs法[23]。不同于EEG，ERPs采用平均疊加技術(shù)捕捉大腦誘發(fā)電位[24-25]。所謂誘發(fā)電位，是指當(dāng)人的感覺系統(tǒng)受到一定程度的刺激時(shí)，神經(jīng)興奮會(huì)沿著固定的神經(jīng)通路傳遞至中樞神經(jīng)或外周，在傳遞過程中所產(chǎn)生的電位變化[26]，因此，不同誘發(fā)電位的波形和分布有所不同[27]。此外，誘發(fā)電位一般都較小，所以引出ERPs的刺激一般是2個(gè)或以上，且需要對(duì)重復(fù)刺激所產(chǎn)生的誘發(fā)電位信號(hào)進(jìn)行放大才能顯現(xiàn)。ERPs與認(rèn)知過程有著緊密的聯(lián)系，為研究織物觸覺舒適度大腦感知活動(dòng)提供了一種新的途徑[28]。

基于事件相關(guān)電位技術(shù)的織物觸覺舒適度感知表征原理[29]如圖1所示。ERPs 利用疊加技術(shù)從EEG中獲得圖像，經(jīng)過圖像矯正等處理后得到相應(yīng)電位成分[30]。經(jīng)典成分包括 P1、N1、P2、N2 和 P3 等，正電位成分用P表示，負(fù)電位成分用N表示，如：P1代表刺激約100 ms處出現(xiàn)的正波峰，N2代表刺激約200 ms處出現(xiàn)的負(fù)波峰。前3種稱為外源性成分，與刺激的物理屬性有關(guān)；后2種稱為內(nèi)源性成分，反應(yīng)認(rèn)知過程[31]。

圖1 織物觸覺事件相關(guān)電位技術(shù)原理圖

國內(nèi)方面，主要通過統(tǒng)計(jì)分析ERPs波形的振幅偏差，對(duì)織物接觸舒適感知進(jìn)行有效評(píng)價(jià)[32]。關(guān)于蠶絲織物的觸覺ERPs研究顯示，ERPs中的P3波(又稱P300波)，其最大波幅與光滑柔軟的織物觸覺感知成顯著正相關(guān)[33-35]，且織物表面越光滑,被大腦辨認(rèn)的速度越慢[10]。此外，觸覺相關(guān)的ERPs信號(hào)還會(huì)受到性別的影響，女性ERPs的晚期陽性成分潛伏期比男性短，說明女性對(duì)織物識(shí)別更敏感[36]。

國外方面，ERPs的P3波實(shí)現(xiàn)了用于表達(dá)殘疾病患群體的舒適性感知[37]。不同質(zhì)地織物的刺激可誘發(fā)不同振幅的事件相關(guān)電位中的P3信號(hào)[38]，此外，P3是織物表面紋理觸覺感知的顯著識(shí)別信息，織物紋理尺寸值越大，摩擦因數(shù)越低，對(duì)表面紋理的觸覺感知就越敏感[39]。也有研究表明，P3信號(hào)對(duì)舒適區(qū)不同的內(nèi)容有高水平認(rèn)知加工的敏感性，被認(rèn)為是認(rèn)知舒適區(qū)[40]。

綜合以上分析，無論是國內(nèi)還是國外，公認(rèn)的是ERPs中的P3波與織物的接觸舒適感知功能，尤其是表面性能感知有著顯著的信息關(guān)聯(lián)。

1.3 功能磁共振成像技術(shù)

功能磁共振成像技術(shù)是利用核磁共振造影技術(shù)來探測(cè)神經(jīng)元活動(dòng)過程中，人體大腦血液中氧氣含量和血流量之間的差值進(jìn)行成像[41]。由于局部腦血流、腦血容積和局部腦血氧含量的變化速率在神經(jīng)活動(dòng)時(shí)會(huì)參差不同[42]。由此，可通過測(cè)量人體在接受某個(gè)刺激時(shí)各腦區(qū)的耗氧量來判斷各腦區(qū)的活動(dòng)程度，耗氧量越大，代表該刺激對(duì)該腦區(qū)所造成的活動(dòng)程度越大[43]。其表達(dá)形式多樣，不僅可通過腦成像激活切片圖、切片三視圖、三維立體腦圖直觀多面地進(jìn)行顯示觀測(cè)，還可精確計(jì)算大腦響應(yīng)位置、激活強(qiáng)度、激活范圍、激活占比以及腦區(qū)間功能連接協(xié)作情況[44]等一系列變化。以大腦中前與中正交叉點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，從大腦左側(cè)向右側(cè)延伸為X方向，由大腦后側(cè)向前側(cè)延伸為Y方向，由大腦下側(cè)至上側(cè)為Z方向建立三維坐標(biāo)軸，將人體大腦定位。圖2(a)示出沿大腦垂直方向Z軸將大腦切片，以不同色度代表腦區(qū)激活強(qiáng)度，可直觀顯示各層腦區(qū)的激活情況。圖2(b)從左至右依次為從左向右投射的大腦矢狀圖、從后向前投射的冠狀圖、從上向下投射的橫狀圖，同樣以不同色度代表激活強(qiáng)度，可以從3個(gè)方向直觀定位同一腦區(qū)的激活情況。圖2(c)示出以人體腋中線為中線將腦區(qū)分為前后兩側(cè)，前側(cè)為腹側(cè)面，后側(cè)為背側(cè)面。由上至下、由左至右依次分別為：左腦外側(cè)、腦背側(cè)、右腦外側(cè)、左腦內(nèi)側(cè)、腦腹側(cè)、右腦內(nèi)側(cè)、腦前側(cè)、腦后側(cè)，可實(shí)現(xiàn)多維顯示腦區(qū)激活情況。

圖2 功能磁共振成像大腦圖

近年來，越來越多的研究人員利用fMRI技術(shù)對(duì)不同觸覺刺激下的人體大腦進(jìn)行監(jiān)測(cè)，均證實(shí)了無論是皮膚之間的相互觸摸[45]，還是織物[46]等其他事物的接觸刺激，大腦感覺腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)均會(huì)參與感知過程，且集中于雙側(cè)的初級(jí)感覺皮層和次級(jí)感覺皮層區(qū)域，前者與輕微次級(jí)的觸覺有關(guān)，后者與深度次級(jí)的觸覺有關(guān)。在溫和、緩慢的觸覺刺激中，將高度敏感的機(jī)械感受器與無髓鞘的C型纖維連接在一起的特殊系統(tǒng)會(huì)被最大程度激活，并產(chǎn)生積極的情感感受[47]。相反地，杏仁核腦區(qū)則是公認(rèn)的感知接觸性熱痛[48]、視覺不適、不愉快、抑郁[49]、焦慮[50]、痛苦[51]甚至恐懼[52]的根源腦區(qū)。一般認(rèn)為，當(dāng)輕微不舒適時(shí)僅對(duì)側(cè)杏仁核激活，而當(dāng)刺激強(qiáng)度增大時(shí)，雙側(cè)杏仁核腦區(qū)均會(huì)激活且激活強(qiáng)度增大。尤其對(duì)于恐懼的感知，杏仁核腦區(qū)的靜息狀態(tài)功能連接也會(huì)產(chǎn)生縱向變化，且這種改變?cè)跀?shù)小時(shí)乃至一周后仍然存在[53]。對(duì)于有社交障礙的患者，切除杏仁核腦區(qū)后，即使與陌生人面對(duì)面觸碰也不會(huì)感覺到任何不適[54]，以上均表明杏仁核在人體不舒適感知的表達(dá)中扮演了重要角色。

2 織物舒適度大腦感知技術(shù)比較

2.1 儀器分辨率比較

時(shí)空分辨率是判定神經(jīng)科學(xué)儀器精密程度的重要指標(biāo)，分為空間分辨率和時(shí)間分辨率。空間分辨率越高，其識(shí)別物體的能力越強(qiáng)，反映圖像的空間詳細(xì)程度。時(shí)間分辨率是指重復(fù)探測(cè)時(shí)的時(shí)間間隔，反映信息捕捉速度。

空間分辨率方面，無論是腦電圖技術(shù)還是事件相關(guān)電位技術(shù)，其空間分辨率均較低，原因?yàn)椋阂皇鞘苋莘e導(dǎo)體效應(yīng)的影響；二是由于每個(gè)人的顱骨都不盡相同且均為非均勻性物質(zhì)；三是受腦電源間電場(chǎng)開放性不同的影響和限制[34]，所以目前其空間分辨率最高僅可分別達(dá)到5和8 cm左右[55]。對(duì)于功能磁共振成像技術(shù)，由于信號(hào)源于神經(jīng)元興奮時(shí)毛細(xì)血管和小靜脈內(nèi)氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白比例的變化，使空間分辨率可高達(dá)25～100 μm[56]，目前已處于醫(yī)學(xué)用大腦分子成像領(lǐng)域中的頂尖技術(shù)；但也正是由于其超高的反應(yīng)靈敏性，使得這種觸覺大腦感知激活反應(yīng)系統(tǒng)會(huì)隨著外界環(huán)境、刺激物以及被試者的改變等而有所變化，導(dǎo)致試驗(yàn)的可重復(fù)性較低，存在對(duì)試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)對(duì)象的統(tǒng)一性要求及圖像和數(shù)據(jù)分析能力較高等缺陷。

時(shí)間分辨率方面，事件相關(guān)電位技術(shù)主要在皮層錐體-中央細(xì)胞中產(chǎn)生，以數(shù)以千計(jì)的神經(jīng)元產(chǎn)生的細(xì)胞外電壓聚集在一起，由于電信號(hào)的瞬間擴(kuò)散性，其瞬間傳導(dǎo)到頭皮，因此，事件相關(guān)電位技術(shù)提供了一種直接測(cè)量神經(jīng)活動(dòng)的毫秒級(jí)瞬時(shí)分辨率，可達(dá)1 ms/幀。功能磁共振成像技術(shù)的時(shí)間分辨率也在毫秒級(jí)別，但受限于血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的潛伏期，阻礙了血氧水平依賴信號(hào)對(duì)神經(jīng)信號(hào)的快速響應(yīng)[57]，導(dǎo)致其沒有事件相關(guān)電位技術(shù)的時(shí)間反應(yīng)快。2019年，中國科學(xué)院提出了一種不需要迭代計(jì)算的新型并行成像重建算法，實(shí)現(xiàn)了具備45 ms/幀的快速高時(shí)間分辨率的磁共振成像，可將掃描一次各向同性0.55 mm的頭頸一體血管壁的成像時(shí)間縮短至5 min以內(nèi)[58]，但仍稍遜于事件相關(guān)電位技術(shù)。

2.2 體覺識(shí)別度比較

就體覺識(shí)別度而言，Hammeke等[59]研究表明，在定位體感皮層時(shí)，僅在1.5 T磁場(chǎng)強(qiáng)度的功能磁共振成像下就可輕易滿足，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的逐漸提高，目前其靈敏度可高達(dá)0.01～1.00 mm[56]，此外，功能磁共振成像技術(shù)的體覺特異性一般也有88%[34],完全可以對(duì)精細(xì)感覺信息進(jìn)行處理感知，且這種精細(xì)感知能力要高于事件相關(guān)電位技術(shù)。比如：對(duì)人體下臂進(jìn)行輕微的壓力觸覺刺激，利用事件相關(guān)電位技術(shù)并不能捕捉觸覺信息，但利用高體覺識(shí)別度的功能磁共振成像技術(shù)則可輕易監(jiān)測(cè)到[60]。所以，利用功能磁共振成像技術(shù)對(duì)織物的紋理、剛?cè)?、粗糙等特性進(jìn)行感知識(shí)別也十分適用。

2.3 檢測(cè)安全性能比較

就無痛無損以及檢測(cè)安全性能來看，雖然腦電圖和事件相關(guān)電位技術(shù)分別記錄腦部的自發(fā)性電位和誘發(fā)電位，但均是通過腦電圖儀進(jìn)行檢測(cè)的，其儀器本身并不產(chǎn)生電子輻射，也沒有放射性輻射，記錄的就是人體自身所產(chǎn)生的生物電現(xiàn)象，是腦細(xì)胞群自發(fā)性、節(jié)律性的電活動(dòng)[61]，因此，檢測(cè)的安全性較高。

功能磁共振成像技術(shù)是根據(jù)人體內(nèi)含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白中氫原子核在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度中的順、逆磁性不同進(jìn)行成像[62]。雖然無電離輻射[63]，且國內(nèi)外目前使用的磁場(chǎng)強(qiáng)度也多在3.0 T以內(nèi)，但強(qiáng)磁場(chǎng)給人體帶來的溫度效應(yīng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)效應(yīng)和磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)依然存在，因此，功能磁共振成像技術(shù)并不適用于所有人。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)3種先進(jìn)腦感知技術(shù)在織物觸覺舒適度感知方面的研究分析得到：就時(shí)間分辨率、檢測(cè)安全性和普適性而言，事件相關(guān)電位法更具優(yōu)勢(shì)，因此，較適于動(dòng)態(tài)織物舒適度感知的腦區(qū)捕捉；從空間分辨率及體覺識(shí)別度方面而言，功能磁共振成像技術(shù)顯然更勝一籌，相比于腦電圖、事件相關(guān)電位等間接生理學(xué)方法，功能磁共振成像技術(shù)是一種更為先進(jìn)的生物成像技術(shù)，兼具無創(chuàng)性以及時(shí)空分辨力、體覺識(shí)別度均較高的優(yōu)點(diǎn)。所以，在確保試驗(yàn)安全和人員無不適癥狀的前提下，就追求精準(zhǔn)原位表征的目標(biāo)效果而言，功能磁共振成像技術(shù)是迄今為止，能夠更為精準(zhǔn)捕捉和真實(shí)表達(dá)人體對(duì)織物觸覺舒適度感知評(píng)價(jià)的先進(jìn)生物手段。