基于功能磁共振的織物觸壓舒適度腦感知研究進展

苑 潔， 于偉東,2， 陳克敏

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620；3. 上海交通大學 醫學院附屬瑞金醫院， 上海 200025)

基于功能磁共振的織物觸壓舒適度腦感知研究進展

苑 潔1， 于偉東1,2， 陳克敏3

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620；3. 上海交通大學 醫學院附屬瑞金醫院， 上海 200025)

針對織物接觸人體皮膚所產生的壓、擠、摩擦等作用在人體中的綜合表征問題，通過對比國內外織物接觸壓力舒適性評價方法的優劣，并結合現代先進醫學影像技術功能磁共振成像(fMRI)技術，從時空分辨率和織物感知神經環路2個方面，證明了fMRI大腦皮層評價對皮膚觸覺真實感知可視化表達的唯一性。結合國內外相關案例，指出與舒適性有關的腦區可能位于對側次級感覺皮層腦區，而不舒適感可能是在杏仁核區域。在可行性問題上，通過合理控制環境、人體因素、刺激時間以及引入呼氣末二氧化碳回歸量可將實驗可信度由0.4以下成功提高至0.82。結果證明fMRI將成為紡織材料與工程領域中認知解答穿著中的接觸舒適性的客觀表征與機理認知的新的實踐性方法。

觸覺； 織物接觸壓力； 舒適度； 大腦感知； 功能磁共振成像

自20世紀二三十年代始，人們意識到，在穿著使用與人體皮膚接觸過程中，織物對人體產生的接觸壓力及表面作用在一定范圍內會給予人心理、生理、神經上的舒適感覺[1]。而其中最本質的是生理感知，即受大腦感知神經元的感受和大腦的知覺。當這種物理壓力超過人體可接受范圍時，生理感知引起大腦某些感知區域產生信號，表現出心理上的不適，即緊張、煩躁、注意力無法集中[2]。此外，還將對消化系統[3]、呼吸系統[4]、免疫系統[5]、循環系統[6]、生殖系統[7]、內分泌系統[5]、運動系統[8]、神經系統[9]等產生不同程度的影響。眾多研究通過探討不同造型、結構、材質等的著裝客觀接觸壓力值與主觀感受的關系，以主觀舒適度劃分壓力閾值[10-12]。而以Nakahashi為首的眾多研究[13-15]則認為，著裝觸壓舒適可通過心率、血壓、皮膚溫度、皮膚血流量、呼吸機能、脈拍、耗氧量、能量代謝及心率變異性(簡稱HRV)等是否在人體可正常承受的范圍內來表達。隨后，人們進一步將著裝觸壓作用下腦電波信號(簡稱EEG)、事件相關電位(簡稱ERP)乃至體感誘發電位(簡稱SEP)等神經電信號波形產生的位置、時間及其變化作為舒適性評價的指標[16-18]等，但是上述所有表征方法與指標都只是定性、間接地表達了著裝壓迫舒適程度。隨著醫學器械技術的日益發展，觸覺感知在功能磁共振成像技術(簡稱fMRI)下的腦部機制正在一一被人們所認知和了解。本文以當今國內外先進的接觸壓力舒適性評價方法為基礎，結合以功能磁共振技術為基礎的大腦觸覺感知的研究進展，探索將功能磁共振技術應用于觸壓舒適度評價的可行性，期待以其最直接、客觀、即時和精準的優勢為舒適度評價的大腦機制研究突破提供新的契機。

1 國內外接觸壓力舒適表征方法

目前，國內外關于接觸壓力舒適感知的表征方法可分為3大類：心理評價、物理評價和生理評價。

心理評價方法屬主觀評價，始于1925年Binns[1]提出的16對形容詞組成的手感評價。最具代表性的方法是Fritz七級語義差異態度標尺法[19-20]和Hollies五級區間標尺評價法[15, 21]，以語義差異評分，得出最終舒適值。發展至今，逐漸演變為多重態度標尺評價法，以更加全面地反映人體的生理反應、感官知覺和偏愛程度。每一重態度均可分為五級或七級，舒適度感覺描述語包括：松、緊、軟、硬、干爽、黏濕、光滑、粗糙等[22]，更有將類似以上的8對描述術語結合1種獨立描述術語(如舒適、不舒適)相結合來反應人體主觀壓迫舒適度[11]。物理評價法始于1930年Peirce[23]提出的力學物理測評指標，以心理評價為基礎，通過客觀儀器測量得到著裝壓力，由此開辟了用物理數據來表征壓感的新道路，并鼎盛于20世紀80—90年代。1989年，Coren[12]更是首次推出了人體各部位的著裝壓力舒適閾值。至于生理評價方法，EEG中的α波[24]和HRV[15]最具代表性。舒適狀態下，α波比例差值增加。HRV指的是連續心跳間瞬間心率的微小漲落或逐拍R波間的微小漲落，分析每個心動周期細微時間變化及其規律。HRV時域指標最大心率(mRH)降低，心率差異平均值(mRR)和相鄰心動期變異值(RMSSD)增加，HRV頻域指標低頻功率/高頻功率(LF/HF)、規 一 化 低頻功率(Lfnorm)降低，規一化高頻功率(Hfnorm)增加，表明迷走神經對心率的調控作用增大，副交感神經活動水平增強，心率降低，心臟供血量降低，心臟負荷減小，感覺舒適[25]。同時根據4種運動形式下α波的強度和位置判斷出壓力作用下激活的體感區域主要位于枕葉、頂葉與額葉。目前研究最為成熟的是ERP[17]中的P300波，即刺激300 ms后出現的振幅較大的正電位，與織物的光滑、柔軟舒適觸感成正相關。國外最新研究有用基于P300波的人機交互機以計算機拼寫的方式表達殘疾人群的舒適感知[26]。國內此方面起步相對較晚，2016年，天津大學的Liu[27]以ERP波形振幅偏差統計分析法進行舒適壓感評價，并結合主客觀評價驗證了其有效性。

心理評價方法雖簡單易行，但能覺察到的最小刺激量值和能承受的最大刺激閾值都有較大差異，量化困難、難以統一。且人體在不同部位的壓力感知敏感度亦存在差異。物理評價以數據為標準，較主觀評價更為可靠；但風格由織物的物理性質所決定，是物理量的客觀評價，而舒適性卻是由人的感知而決定，是生理量的客觀評價。對于EEG與ERP，由于電信號的瞬間擴散性，使得其具備較高的時間分辨率，但因受限于顱骨不勻且有個體差異、容積導體效應以及腦電源間電場開放性的差異，故空間分辨率均較低，這也是其缺陷所在。

2 功能磁共振成像技術的優越性

1992年，Kwong等[28]開辟了基于血氧水平依賴(簡稱BOLD)效應的功能磁共振成像(fMRI)技術，其原理是大腦在各種不同任務或刺激下某區域的神經激活時脫氧血紅蛋白比例降低，由于脫氧血紅蛋白的順磁性，表現為弱信號，其濃度越低，宏觀磁共振信號強度降低幅度越大，組織的磁共振信號強度就會上升，從而產生BOLD效應，BOLD信號增加，激活腦區最終表現為在磁共振圖像上呈現為亮信號。這種成像稱之為血氧水平依賴功能磁共振成像技術(BOLD-fMRI)，也是目前絕大多數大腦神經研究人員所采用的成像方法。

fMRI不僅能夠對認知事件的大腦微細結構進行瞬間成像，而且具備其他方法所遠不能及的超高空間分辨率。時間分辨率方面，在21世紀初，有研究發現功能磁共振成像技術對于初級感覺皮層的定位只需1 min[29]，即使次級感覺皮層也只需105 s[30]。空間分辨率方面，無論是腦電圖法還是事件相關電位方法，其空間分辨率均較低，約在10 cm左右[31]，而功能磁共振成像技術的空間分辨率可達到1 mm。且體覺靈敏度方面，早在1994年，Hammeke[32]就證明了在1.5 T場強下，fMRI有足夠的靈敏度來定位觸覺刺激下的感覺皮層，且體覺特異性高達88%；就無損無痛性而言，也是SEP以及直接皮層電刺激等方式無法企及的[33]。圖1示出織物感知形成的神經環路圖[18]。

圖1 織物感知形成的神經環路[18]Fig.1 Neural circuits for the process of fabric perception[18]

由圖看出，觸覺感知的形成始于大腦皮層，途徑神經電信號，最終轉化為語言表達。早期的心理評價方法位于整個神經環路的末端，存在大量的干擾因素，離真正的觸覺核心最遠；而皮膚溫度、心率、血壓等所謂生理指標的表達尚處于效應器階段，EEG、ERP、SEP評價中的神經電信號也同樣只位于靠近觸覺形成根源的中間階段，雖也可用于表征觸覺感知，但終究不及追本溯源的大腦皮層表征更為精確。而客觀物理評價只是一種以織物本身物理機械性質間接表達人體舒適感知的轉移手段，所以本質上離舒適感知根源的表達實相差較好，但由于其是根據心理評價結合大量客觀物理測量數據綜合分析而來，所以與純粹的含有大量未知干擾因素的心理評價相比，表達強度又增加一層。故就舒適評價性的強弱而言：大腦皮層評價大于神經電信號評價大于效應器生理指標評價大于客觀物理評價大于心理評價。

相比于EEG、ERP、SEP等間接生理學方法，fMRI 技術兼具無創性、高時空分辨力、最直接可視、體覺識別度、靈敏度及特異度均較高等優點，覆蓋了以上方法的優點，并彌補了以上方法的缺陷與不足，將其應用于著裝壓力舒適性的直接評價無疑是最恰當不過且極具創造性的。

3 基于fMRI的舒適感知腦機制

2007年，Bhatia等[34]首次嘗試使用當時先進的生物醫療技術—功能磁共振成像技術來進行人體感知與織物紋理之間的關系研究。得出愉快舒適感的感知在大腦頂葉中高水平處理的 SⅡ 區，而不舒適感的感知可能是在大腦額葉。Bernard Querleux以2種人造皮膚(一種光滑一種粗糙)和2種真人皮膚(一種未涂任何化妝品，另一種涂了化妝品)分別應用在被試者的手指上。經fMRI評價分析得出，理性和感覺與對側皮層激活區相關，而想象和敏感則與同側皮層的激活區域相關[35]。2008年，其又對2種人(對化妝品皮膚敏感者和不敏感者)的不舒適性進行研究，得出2種人不舒適時對側初級感覺皮層區域均被激活，再次證明了不舒適與對側初級感覺區域相關[36]。Wang等[9]由手指觸摸織物的fMRI也證明初級感覺皮層SI與次級感覺皮層SII與織物的接觸密切相關，尤其是對側初級感覺皮層。

對于不舒適感知，Kanosue等[37]在分析人體冷卻過程中的熱不舒適性時的fMRI發現，人體感覺熱更不舒適時，雙邊杏仁核血氧水平依賴信號增強。 Tan等[38]在研究分析接觸性熱痛刺激下人腦的功能磁共振圖像中得出41 ℃時對側杏仁核激活，51 ℃時雙側杏仁核激活，除此之外，文獻[39]中在研究視覺舒適時同樣指出，杏仁核是引起恐懼、焦慮、不愉快的根源腦區。這均暗示著腦杏仁核在人體感到不舒適的起源中起著重要作用。

4 fMRI應用于觸壓舒適感知困難

無論是在放射治療學還是在認知領域，fMRI憑借其多參數成像、高對比成像、任意斷面層成像、可直接觀察細胞活動、無電離輻射以及無氣體和骨偽影干擾等眾多優勢，成為影像學中高端的成像技術之一，但是這項技術也因容易受到各種干擾而使得其在重復實驗中出現明顯的變化。早期的研究甚至表明由于fMRI數據在不同個體中差異過大而只適宜定性地描述大腦的激活情況[40]。直至現在，其可重復性問題仍舊只是部分達到可接受范圍，而未徹底解決。雖然不確定性在任何測量量化過程中均應得到理解，但盡量提高fMRI的再現性仍是當前的重要難題之一。

4.1 環境因素

環境因素中，溫度和磁場對fMRI的影響最大。高溫條件下，觸覺更多為情緒相關的特征功能區激活；中溫條件下，觸覺更多為辨識相關的特征功能區激活；低溫條件下，觸覺為基礎特征功能區激活。頂島蓋區在3種溫度條件下都顯著激活。激活范圍、程度以及觸覺感知的靈敏度和辨別力也隨局部皮膚環境溫度的升高而增加[41]。這暗示著在研究織物觸壓舒適性時，應將局部皮膚溫度保持在較高溫度下，以保證得到的成像是人體的情緒特征區，而非物質識別區與或基礎功能區。

至于磁場，人體短期暴露于2.0 T以下的靜磁場中，人體的深淺體溫無明顯變化，靜磁場中心電圖波形也未有特異性變化，對中樞神經系統也不會有明顯生物學影響，但在4.0 T以上的磁共振(MRI)系統中，大多數人會出現惡心、眩暈、頭痛等主觀感覺，說明超高場磁體仍會導致一定的人體生理變化。此外，在檢查過程中1%～10%的病人會出現幽閉恐懼感和如壓抑、恐懼、焦慮等心理問題。

4.2 人體穩定性因素

個體本身的體覺靈敏度、情緒、性別、接觸部位及接觸方式乃至觸覺動態適應過程均會對fMRI產生影響。

年齡、視覺及習慣均會影響人體的體覺靈敏度，從而影響著fMRI的激活程度。年長者體覺靈敏度不及年輕人[42-43]。閉目會增加從丘腦到軀體感覺皮層之間以及軀體感覺皮層內部的信息流，從而提高軀體感覺知覺[43]。習慣性作用下腦部固定適應系統的存在，使慣用側接觸的視-觸覺的連接較非慣用側為弱[44]。不同情緒下的觸摸，會出現不同的腦區激活[45]。在穴位點處刺激腦島和次級感覺皮層信號顯著激活，而楔前葉則受到抑制[46]。有毛皮膚中存在大量有關人體情緒的觸覺感受器，尤其是無毛皮膚中不存在的快適應型的毛發和感受域類感受器以及與觸覺密切相關的C類無髓感受器[47]，所以當研究織物本身的物理性能指標等的基礎反應時，應選擇無毛皮膚，而當進行人體對外界的認知反應時，應選擇對刺激的情感信息敏感的有毛皮膚。此外，為避免人體運動造成不必要的干擾腦區激活，應選擇被動激活的刺激方式。男性靜息態腦功能網絡穩定性和活動水平高于女性[48]，暗示著女性比男性更易受到其他認知行為的干擾。

除此之外，在持續或重復觸覺刺激的情況下，人體觸覺感官系統會出現暫時的靈敏度下降的現象，即觸覺的動態適應現象。在3、9、15 s的壓力刺激實驗中，隨時間的延長，fMRI下展示出對側初級和次級感覺皮層激活程度以指數方式明顯降低，且有關觸覺的腦半球間和腦半球內部的區域功能連接也線性下降或增加[49]。以上均顯示皮質活動對持續壓力刺激呈現動態適應現象，包括觸覺相關的皮質區激活程度以及它們之間的區域功能連接。所以難點就在于，持續接觸壓力作用下，fMRI隨接觸時間的延長呈現出動態變化。

4.3 數據分析影響

通過人為控制環境的CO2水平以增加動脈CO2水平或者自發地閉氣。通過這種方法，腦血流量暫時性增加，而不影響整個大腦的耗氧速率，隨之產生了BOLD信號的增加[50]。將屏息過程中記錄的呼氣末CO2經處理后作為一般線性模型(general liner model, GLM)中的一個回歸量納入數據分析過程中，可成功提高fMRI檢測結果的可重復性。可信度(intraclass correlation coefficient, ICC)高達0.82，遠遠高于不能適應屏息性能變化的增加解釋變量法的0.4以下水平[51]。但是，這種方法并不適用于提高情緒任務下BOLD反應的可重復性[52]。

綜上所述，外界環境、人體本身穩定性因素以及數據分析方法均會對fMRI實驗結果造成不可小覷的影響。為提高實驗的穩定性、可重復性及可信度，應盡量做到以下3點：1)對于實驗環境，要求盡量保持外界環境的安全、適宜和高度一致性。2)對于穩定人體因素的控制，應選擇統一年齡的青年受試者；閉目以提高觸覺靈敏度；保持注意力，盡量排除其他情緒(如抑郁、難過等)的干擾；保持特定刺激時長，使感知波動穩定；盡量選擇抗干擾能力較強的男性；左右兩側任務相同的情況下，盡量選擇刺激非慣用側，以提高激活顯著水平；選擇有毛皮膚被動刺激，以達到人體本身對外界刺激舒適度感知的目的。3)對于數據分析，引入呼氣末CO2回歸量均會對實驗的穩定性和可重復性有所提高。

5 結 論

量化精細的、情感化的、定量化的、動態實時的大腦感知、對腦感應區感應有干擾的腦區甄別與標識以及對其有干擾關系的定量研究變得亟不可待。靜息態功能磁共振技術的飛速發展，刺激施加裝置的精密化以及實驗的慎重設計，結合前人的研究基礎進行接觸壓力舒適性評價的功能磁共振腦感知表征是具有可行性的，只是尚存在幾點問題：1)人體著裝壓力舒適感與不舒適感的腦區激活區域及激活感量尚待探測；長時間不舒適狀態下，有關忍耐壓力刺激的腦區激活區域及激活感量仍需探索；2)著裝觸壓刺激信息在大腦體感皮層的流動過程及體感皮層的有效連接以及長時間壓力作用下，腦區的動態適應調節機制尚未明確認知；3)對舒適度感知的干擾因素、干擾腦區及干擾程度的定量甄別亟待突破；4)雖然fMRI具備眾多其他檢測手段遙不可及的檢測優勢，但該項技術的穩定性和可重復性缺陷仍舊不可忽視，進一步提高fMRI的再現性，仍然是人們孜孜不倦努力達到的目標。

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Braincognitivecharacterizationofcontactpressurecomfortoffabricsbasedonfunctionalmagneticresonanceimaging

YUAN Jie1， YU Weidong1,2， CHEN Kemin3

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,Shanghai201620,China; 3.RuijinHospital,SchoolofMedicine,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200025,China)

On the issue of fabric comprehensive characterization of perception produced by contact pressure, squeeze, friction, etc, the merits of the fabric contact pressure comfort evaluation methods both in the domestic and abroad were compared, and modern advanced medical imaging technology, functional magnetic resonance imaging (fMRI) was combined to verify the uniqueness of the expression of the fMRI cerebral cortex evaluation to the visual expression of real perception by skin touch from two aspects of time & space resolution and fabric perception neural loop. By combining a large number of related cases at home and abroad, it is point outed that the brain areas associated with comfort may locate in contralateral secondary somatosensory cortex, while the discomfort perception may be formed in amygdala. As for the question of feasibility, by controlling the environment, human factors and stimulate duration properly and introducing end-tidal CO2data as regressors, the intraclass correlation coefficient can be successfully improved from 0.4 below to 0.82. All of these proves that fMRI will be a new practical method of objective characterization of contact comfort and cognition mechanism for textile material and engineering.

tactile sense; fabric contact pressure; comfort level; brain perception; functional magnetic resonance imaging

TS 941.19

A

10.13475/j.fzxb.20160904707

2016-09-23

2017-05-24

苑潔(1993—)，女，博士生。主要研究方向為織物接觸舒適度的大腦感知。于偉東，通信作者，E-mail：wdyu@dhu.edu.cn。