事件相關(guān)電位技術(shù)在織物觸覺舒適度評(píng)價(jià)中的研究進(jìn)展

翟淑娜，苑 潔,b，婁 琳,b,c,d

(浙江理工大學(xué)， a.服裝學(xué)院； b.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； c.先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； d.浙江省纖維材料和加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

如今，不斷發(fā)展的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)和持續(xù)提高的生活水平使得各種具有一定功能性的接觸壓力紡織品如雨后春筍般涌出，如柔性可穿戴電子織物、智能紡織品、高性能運(yùn)動(dòng)服、瑜伽服等，人們對(duì)于可穿戴織物的合體性、功能性和舒適性的健康設(shè)計(jì)要求也在逐步提高，在目前已進(jìn)入老齡化社會(huì)的中國(guó)，織物觸覺舒適度研究更顯急迫。

利用平均疊加方式從腦電圖信號(hào)中提取誘發(fā)電位的事件相關(guān)電位技術(shù)(Event-related potentials，ERPs)可用于客觀的生理心理學(xué)評(píng)價(jià)[1]，該技術(shù)為探究人體生理客觀舒適性表征提供了新思路。近年來(lái)，其時(shí)間分辨率從傳統(tǒng)腦電圖法的秒級(jí)提升至百微秒級(jí)[2]，能夠?qū)崿F(xiàn)迅速捕捉與織物舒適度相關(guān)的腦電感知信號(hào)變化，這對(duì)于探索織物舒適度動(dòng)態(tài)感知機(jī)制具有極大意義。

1 基于ERPs技術(shù)的織物觸覺舒適度表征原理

大腦皮層是織物觸覺舒適度感知形成的起源位置，主要由神經(jīng)細(xì)胞組成。當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞受到刺激時(shí)，在胞體、軸突和樹突交叉組合的連接下，傳遞興奮或抑制沖動(dòng)，形成腦電波[3-5]。在此基礎(chǔ)上，將對(duì)外界特定事件刺激引起的某些腦區(qū)電位變化分離出來(lái)，進(jìn)行分段、過濾和疊加平均得到與時(shí)間相關(guān)的相關(guān)腦電活動(dòng)，即為事件相關(guān)電位技術(shù)[6]。

基于ERPs技術(shù)可以對(duì)織物接觸刺激下的相關(guān)腦區(qū)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而得到與織物觸覺舒適度相關(guān)的電位成分，進(jìn)行織物觸覺舒適度的表征，表征原理如圖1所示。ERPs實(shí)驗(yàn)刺激方主要包括等概率刺激、隨機(jī)序列刺激、忽略目標(biāo)刺激、局部概率刺激、局部-全局交互刺激等多種方式。當(dāng)人體皮膚受到特定的觸覺刺激后，皮膚部效應(yīng)器接收刺激信號(hào)經(jīng)軸突傳入大腦皮層中神經(jīng)細(xì)胞，來(lái)自樹突突觸后電位的電位總和形成腦電信號(hào)，由電極帽采集并輸出，在刺激結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)離線分析，得到事件相關(guān)電位成分的波形圖、頭皮地形圖等進(jìn)行觸覺舒適度感知的表征[7]。

圖1 基于ERPs技術(shù)的織物觸覺舒適度表征原理

2 基于ERPs技術(shù)的織物觸覺舒適度研究進(jìn)展

根據(jù)織物接觸人體皮膚的作用面積和作用力不同，織物觸覺舒適度可劃分為輕微觸感舒適度和接觸壓力舒適度兩個(gè)子類[8]。所謂織物輕微觸感舒適度是指皮膚受到外加織物的微力和點(diǎn)作用時(shí)，織物表面性能對(duì)人體心理生理產(chǎn)生的觸覺感，包括粗糙感、刺癢感、粘體感和冷暖感4個(gè)維度[9]?？椢锝佑|壓力舒適度是指織物包覆人體局部或整體皮膚面積，在作用時(shí)間和壓力后產(chǎn)生的舒適感覺范圍，主要表達(dá)對(duì)皮膚所涉及的神經(jīng)系統(tǒng)和血液循環(huán)系統(tǒng)擠、壓、阻礙所產(chǎn)生的不適感[8-10]。

在人-織物-環(huán)境這個(gè)體系里，神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)對(duì)織物給予人體的觸覺刺激產(chǎn)生反應(yīng)，通過ERPs技術(shù)記錄誘發(fā)電位成分的振幅、潛伏期以及腦區(qū)分布等，可快速、客觀、準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)刺激過程中人的心理生理變化，以此表征人體的(不)舒適感。ERPs的成分根據(jù)其最大峰值所在的區(qū)間及走向以P(正向波)或N(負(fù)向波)開頭加數(shù)字或時(shí)間命名。例如，P50、P100、P200、P300分別是刺激產(chǎn)生50、100、200、300 ms 前后大腦皮層出現(xiàn)的最大正向波，N450是出現(xiàn)在刺激過后300～550 ms的負(fù)向波。成分振幅指人體接受刺激時(shí)相關(guān)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)峰值，與注意和感知的強(qiáng)烈程度相關(guān)，振幅越大表明感知程度越強(qiáng)烈敏感；潛伏期指人體接受刺激到認(rèn)知加工所需要的時(shí)間，反映大腦對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的加工判斷和響應(yīng)感覺的速度差異，潛伏期越短表明注意力越集中和認(rèn)知加工速度越快，感知越敏感。

2.1 基于ERPs的織物輕微觸感舒適度研究

基于ERPs技術(shù)的輕微觸感舒適度研究主要集中在皮膚的摩擦學(xué)[11-12]、大腦的觸覺形成區(qū)域定位[13]以及觸覺與織物表面紋理之間的關(guān)系等方面[14]。

織物輕微觸感舒適度4個(gè)維度中的粗糙感維度研究較多。關(guān)于粗糙感，ERPs成分起始峰的振幅和潛伏期與手指尖摩擦刺激有很強(qiáng)的相關(guān)性，并且織物表面形貌特征是由紋理的高度、寬度、間距、形狀等構(gòu)成，粗糙度是這些紋理特征的綜合表征參數(shù)。因此，織物不同紋理高度、寬度、間距、形狀等特征引起的粗糙感變化也會(huì)導(dǎo)致不同的ERPs信號(hào)變化。P50最大振幅與織物粗糙感呈正相關(guān)，與光滑感呈負(fù)相關(guān)，且粗糙感強(qiáng)比光滑感強(qiáng)的織物誘發(fā)振幅更大，而潛伏期無(wú)變化[15]。平角紋理形狀[14](代表黏著摩擦系數(shù)大)誘發(fā)的P200和尖角紋理形狀[14](代表形變摩擦系數(shù)大)誘發(fā)的P100振幅最大，潛伏期最短[16]，說明P100、P200振幅與粗糙度呈正相關(guān)。而對(duì)于P300這個(gè)成分，振幅和潛伏期與粗糙度的結(jié)論說法不一，張曉夏[15]發(fā)現(xiàn)P300與織物光滑感、柔軟感呈正相關(guān)，與粗糙感呈負(fù)相關(guān)。但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，P200、P300振幅與大腦興奮程度正相關(guān)[17]?？椢锉砻嬖焦饣竽X興奮程度越弱，越粗糙大腦興奮程度越強(qiáng)[17]；大粗糙度[18]、高摩擦[19-21]、高紋理高度[22]、寬紋理寬度[13](代表摩擦系數(shù)大)、小紋理間距[13](代表摩擦系數(shù)小、振動(dòng)頻率高)都會(huì)引起P300振幅升高，潛伏期縮短，對(duì)表面紋理的觸覺感知越敏感；而Tang等[16]在研究不同紋理形狀觸覺誘發(fā)的ERPs成分中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于圓角紋理形狀，平角和尖角誘發(fā)的P300振幅顯著高，但潛伏期相對(duì)長(zhǎng)一些。Tang等[13]采用摩擦學(xué)、有限元和ERPs方法研究手指觸摸條紋狀紋理的寬度和間距對(duì)觸覺感知的影響，研究發(fā)現(xiàn)光柵誘發(fā)的P3振幅峰值隨光柵寬度的增加和間距的減小而增大，而P3潛伏期隨光柵寬度的增加和間距的減小而縮短，如圖2所示，圖2中W為寬度，W1

圖2 不同光柵寬度樣品誘發(fā)的P300成分

關(guān)于接觸冷暖感、粘體感和刺癢感，P300振幅與接觸冷暖感、刺癢感呈中度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.512和0.635，而不舒適感增加會(huì)使P300峰值增大，即冷感、刺癢感會(huì)給人帶來(lái)不舒適感[17]；P200、P300振幅與織物粘體感呈中度、高度負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.561和-0.939，與瞬間最大熱流量Qmax(織物在接觸人體皮膚瞬間導(dǎo)出的熱量，Qmax越大，皮膚感覺越冷)呈中度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.668，即織物粘體感越弱、Qmax越大，所引發(fā)的大腦興奮程度越強(qiáng)，振幅越大，相對(duì)應(yīng)的P200、P300潛伏期較短，但在織物面密度增大時(shí)只有P300潛伏期縮短[17]。近幾年多以超高空間分辨率的fMRI技術(shù)研究接觸冷暖感、粘體感和刺癢感維度，因此利用ERPs技術(shù)研究較少。

2.2 基于ERPs的織物接觸壓力舒適度研究

2016年，Liu等[23]采用ERPs技術(shù)對(duì)青年女性在長(zhǎng)時(shí)間下穿著和未穿著塑形腹帶的狀態(tài)下進(jìn)行Stroop效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析有無(wú)負(fù)壓組分別色詞一致和不一致這4種條件下ERPs總平均波形，觀察早期成分N100、P200、N200的波幅與潛伏期；有無(wú)負(fù)壓兩個(gè)條件下的差異波(色詞一致減去色詞不一致)，觀察晚期負(fù)成分N450的波幅與潛伏期，結(jié)果如圖3所示[21]。研究表明負(fù)壓組的N450波比無(wú)負(fù)壓組具有更長(zhǎng)的潛伏期和更低的振幅，但有無(wú)負(fù)壓對(duì)ERPs早期成分N100、P200、N200的振幅和潛伏期并無(wú)特殊影響，這說明織物接觸壓力使人需要更多的時(shí)間和注意力去抑制習(xí)慣性反應(yīng)。即織物接觸壓力舒適度感知與早期成分N100、P200、N200無(wú)較大關(guān)系，但織物壓力較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致N450潛伏期延長(zhǎng)，振幅降低，即習(xí)慣性反應(yīng)期變慢變?nèi)酢?/p>

圖3 負(fù)壓組和無(wú)負(fù)壓組的誘發(fā)電位波

2.3 織物觸覺舒適度感知相關(guān)ERPs成分匯總

通過分析相關(guān)文獻(xiàn)，ERPs成分的振幅和潛伏期可以實(shí)現(xiàn)織物觸覺舒適度感知的有效評(píng)價(jià)。成分P50、P100、P200、P300、N450可以作為輕微觸感刺激和接觸壓力刺激的腦生理反應(yīng)的表征指標(biāo)。這5種成分的反映意義以及與織物觸覺舒適度的相關(guān)關(guān)系匯總見表1[15-23]，表中外源性成分指生理性成分是人腦對(duì)刺激加工的早期成分，受外部刺激物理特性影響，如刺激的強(qiáng)度、類型、頻率等；內(nèi)源性成分指心理性成分是人腦對(duì)刺激加工的晚期成分，主要與人的知覺、認(rèn)知及注意、情感、判斷、記憶等心理加工過程有關(guān)，受人的主觀因素影響顯著；成分信號(hào)以負(fù)(N)極性或正(P)極性命名；潛伏期反映對(duì)特定實(shí)驗(yàn)刺激的響應(yīng)時(shí)間。

表1 織物觸覺舒適度感知相關(guān)的 ERPs成分匯總

3 ERPs技術(shù)應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的影響因素

ERPs技術(shù)應(yīng)用于織物觸覺舒適度評(píng)價(jià)的感知過程中，ERPs成分的振幅和潛伏期容易受到各類影響因素的干擾，主要可劃分為物理因素、生理因素和心理因素，在實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)和選擇受試者時(shí)應(yīng)避免或控制除刺激目標(biāo)因素以外的干擾因素，從而更加客觀科學(xué)地反映大腦對(duì)該刺激的響應(yīng)情況，使監(jiān)測(cè)到的誘發(fā)成分信號(hào)更真實(shí)準(zhǔn)確。

3.1 物理因素

ERPs成分會(huì)受到來(lái)自刺激概率、刺激頻率、刺激模式、刺激任務(wù)難度及刺激物特性差異等物理因素的影響。

在刺激概率方面，目標(biāo)刺激概率與P300振幅呈負(fù)相關(guān)，即目標(biāo)刺激概率越大，P300振幅越低[24]。在刺激頻率方面，感知沖突、語(yǔ)義分類和喚醒程度在低頻和高頻刺激條件下存在顯著性差異。低頻刺激會(huì)觸發(fā)更大的N200和N400振幅，高頻刺激誘發(fā)的晚正電位P300振幅更大[25-26]。在刺激模式方面，不同的實(shí)驗(yàn)刺激模式會(huì)使同一成分產(chǎn)生不同的振幅，如：P300在局部概率刺激模式下的振幅比在局部-全局交互刺激模式下的振幅更大[27]，P300在標(biāo)準(zhǔn)雙刺激任務(wù)中比在忽略目標(biāo)刺激任務(wù)中的振幅更大[24]；但不同的實(shí)驗(yàn)刺激模式也會(huì)誘發(fā)相同的成分產(chǎn)生相似的振幅，如：在等概率刺激模式和目標(biāo)、非目標(biāo)刺激隨機(jī)出現(xiàn)的刺激模式中會(huì)誘發(fā)高度相似的ERPs成分范圍，比如N100、N200、P300等[28]。此外，刺激任務(wù)難度也會(huì)影響ERPs成分信號(hào)，Chen等[20]發(fā)現(xiàn)被試對(duì)棉花和絲綢的表面特征舒適性的感覺相似，這影響感知判斷從而增加任務(wù)難度，導(dǎo)致蠶絲的P3潛伏期較大；復(fù)雜的刺激任務(wù)較簡(jiǎn)單任務(wù)引發(fā)的振幅降低，潛伏期延長(zhǎng)[29]。在刺激物體特性上，接觸不同織物組織引發(fā)的成分峰值潛伏期不同，緞紋較平紋和斜紋織物誘發(fā)的P2、P3峰值小，斜紋較平紋和緞紋誘發(fā)的P3潛伏期提前[17]。

因此，在將ERPs技術(shù)應(yīng)用于織物觸覺舒適度評(píng)價(jià)感知實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)要盡量避免或控制各種物理因素對(duì)ERPs實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，即保證監(jiān)測(cè)到的誘發(fā)成分信號(hào)真實(shí)可靠性。如：設(shè)計(jì)的目標(biāo)刺激概率不宜過大，一般而言，在刺激的概率上非目標(biāo)刺激與目標(biāo)刺激的比例是8∶2，刺激頻率應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)刺激感知目的選擇低或高頻，以免出現(xiàn)振幅過低而出現(xiàn)監(jiān)測(cè)誘發(fā)信號(hào)不明顯的現(xiàn)象；應(yīng)避免設(shè)置復(fù)雜難度過高的刺激任務(wù)，如辨別多種表面特征相似的面料等，以免出現(xiàn)因振幅過低且潛伏期過長(zhǎng)造成大腦對(duì)刺激感知不敏感的現(xiàn)象，從而影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的真實(shí)準(zhǔn)確性，所以在研究大腦對(duì)織物表面特征的感知時(shí)，刺激材料應(yīng)盡量選擇特征信息明顯的織物，比如織物表面非常粗糙或者非常光滑。

3.2 生理因素

研究對(duì)象的生理因素也應(yīng)納入考慮范圍，被試者的年齡、性別、健康狀態(tài)、感官選擇及刺激部位等對(duì)ERPs成分也有顯著影響。

不同年齡被試者的ERPs波的振幅及潛伏期不同。兒童或者青少年階段的被試者，P300振幅較高[30-31]，且年齡越小，P300和N400潛伏期越短，振幅越大[32]。在性別方面，織物觸覺舒適度研究發(fā)現(xiàn)女性的P3振幅始終大于男性[33]，潛伏期始終小于男性[17-21]，表明女性的敏感度更強(qiáng)，反應(yīng)更快。此外，個(gè)體健康狀態(tài)的差異會(huì)引起被試者觸覺靈敏度的變化，使得誘發(fā)的電位成分的振幅和潛伏期產(chǎn)生差異，P100和N200振幅的降低與感覺敏感度低下有關(guān)[34-35]，P3在多動(dòng)癥患者[36]、閱讀障礙者[37]、重度抑郁癥者[38]中呈現(xiàn)出的振幅比健康被試者更小，潛伏期更長(zhǎng)[39]。在人體感官刺激選擇上，交叉感官刺激如聽-觸覺[40]、視-聽覺[41]、視-聽-體感等[42]引起的ERPs振幅顯著高于單一感官刺激，潛伏期也會(huì)縮短。另外，相同刺激作用于人體不同部位誘發(fā)的成分信號(hào)也有所不同，前臂(有毛皮膚)接觸織物刺激比手掌(無(wú)毛皮膚)接觸會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的ERPs成分信號(hào)[18]。

因此，在ERPs技術(shù)應(yīng)用于織物觸覺舒適度評(píng)價(jià)感知實(shí)驗(yàn)中，尤其在選擇受試者人群以及選擇感官和刺激部位時(shí)，要注意避免受試者的生理因素對(duì)監(jiān)測(cè)到的誘發(fā)成分信號(hào)真實(shí)準(zhǔn)確性的干擾。應(yīng)考慮人群的差異性，并根據(jù)研究目的選擇目標(biāo)受試人群，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度，比如在單純研究大腦對(duì)織物的觸覺舒適度評(píng)價(jià)感知時(shí)，受試者應(yīng)盡量選擇健康的青少年女性，感知更敏感，使結(jié)果更準(zhǔn)確；在研究性別對(duì)織物觸覺舒適度的感知評(píng)價(jià)差異時(shí)，受試者應(yīng)選擇在統(tǒng)一年齡范圍內(nèi)的健康男女；在研究健康狀態(tài)對(duì)織物觸覺舒適度評(píng)價(jià)感知的影響時(shí)，受試者應(yīng)選擇統(tǒng)一年齡范圍內(nèi)的健康和患病男女。此外，當(dāng)研究人體單一感官對(duì)織物觸覺刺激的反應(yīng)時(shí)要避免受試者出現(xiàn)多感官交叉刺激的干擾現(xiàn)象，需對(duì)其他感官予以遮擋或阻隔；在研究大腦對(duì)織物觸覺刺激感知時(shí)，織物刺激的人體部位應(yīng)盡量選擇有毛皮膚，可監(jiān)測(cè)到更高誘發(fā)成分信號(hào)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更真實(shí)準(zhǔn)確。

3.3 心理因素

利用ERPs技術(shù)執(zhí)行實(shí)驗(yàn)刺激任務(wù)過程中受個(gè)體心理因素差異影響很大，被試者的情緒狀態(tài)、注意力情況皆可影響最終結(jié)果。

首先，不同情緒會(huì)誘發(fā)不同的電位成分。愉悅度和喚醒度越高，在腦中線區(qū)域引起的ERPs振幅越大[43]。P300與情緒強(qiáng)度有關(guān)，積極情緒可引起P300振幅升高[44]，而疼痛敏感強(qiáng)度大也會(huì)增加其振幅[45]。厭惡恐懼情緒在早期成分P1中表現(xiàn)明顯[46]。Ding等[47]也發(fā)現(xiàn)積極情緒和消極情緒誘發(fā)的早期成分P1和N2的平均振幅會(huì)顯著變化。此外，在注意力集中狀態(tài)上，N2、P2、P3與注意力資源分配過程和目標(biāo)知覺和認(rèn)知負(fù)荷處理有關(guān)，注意力越集中，P3振幅越高[48- 49]，認(rèn)知負(fù)荷越低，P3振幅越低[50-51]。

因此，除考慮受試者生理因素外，在ERPs技術(shù)應(yīng)用于織物觸覺舒適度評(píng)價(jià)感知研究中受試者都應(yīng)盡量保持頭腦清醒且注意力集中(研究健康狀態(tài)對(duì)織物觸覺舒適度評(píng)價(jià)感知影響除外)，控制其他無(wú)關(guān)因素，以免其他情緒影響大腦對(duì)目標(biāo)刺激的響應(yīng)，從而使監(jiān)測(cè)到的誘發(fā)成分信號(hào)真實(shí)可靠。

4 結(jié)論及展望

在未來(lái)，腦感知評(píng)價(jià)體系研究將是織物觸覺舒適度表征領(lǐng)域的必然趨勢(shì)。ERPs技術(shù)憑借百微秒級(jí)的超高時(shí)間分辨率在織物觸覺舒適度領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的神經(jīng)監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)。本文通過分析ERPs技術(shù)的腦感知表征原理，總結(jié)了ERPs技術(shù)在織物輕微觸感舒適度和接觸壓力舒適度評(píng)價(jià)中的研究現(xiàn)狀，并得到以下結(jié)論：

a)織物觸覺刺激所誘發(fā)的電位成分主要為P50、P100、P200、P300和N450，前四者與織物輕微觸感舒適度感知相關(guān)，而N450主要與織物深度接觸壓力刺激感知相關(guān)。

b)關(guān)于織物接觸冷暖感、粘體感和刺癢感等表面特性及交叉感官刺激誘發(fā)的大腦電位成分研究相對(duì)匱乏，尚待進(jìn)一步挖掘。

c)ERPs誘發(fā)電位會(huì)受到來(lái)自物理、人體生理和心理等眾多因素的影響，在織物接觸刺激過程中，掌握干擾因素對(duì)腦區(qū)誘發(fā)電位成分產(chǎn)生的定量化影響規(guī)律，并控制和消除干擾因素，對(duì)未來(lái)利用ERPs技術(shù)深入探究織物舒適性表征研究十分重要。

d)目前基于ERPs技術(shù)的織物觸覺舒適度評(píng)價(jià)研究停滯在定性階段，織物接觸刺激與誘發(fā)電位成分之間的定量關(guān)系尚待建立。

e)織物觸覺刺激裝置存在一定的滯后性，開發(fā)施壓刺激裝置、升級(jí)信號(hào)采集設(shè)備，使織物接觸刺激的實(shí)施過程實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、可控和均勻，以減少實(shí)驗(yàn)誤差，提高可重復(fù)率。