基于腦電的溫度階躍變化環境下的人體熱舒適研究

孫建輝， 童力， 胡松濤， 張曉霞， 夏越， 李珊， 何夢淵

(青島理工大學環境與市政工程學院， 青島 266033)

隨著生活水平的提高，人們對生活環境的要求也逐漸提高。室內環境對人類的心理和生理都有顯著影響，在日常生活中，舒適性是人體對周圍環境的基本要求，也是合理評價現有環境，指導和完善相關建筑環境參數標準的制定的基礎。人體舒適性與建筑物理環境息息相關[1]，熱環境的舒適性作為評價建筑室內環境的重要部分，影響著人們的工作效率和情緒。

人體對外部熱環境的變化的感知可通過熱感覺投票(thermal sensation vote，TSV)和熱舒適投票(thermal comfort vote，TCV)表現出來。熱感覺被描述為一種與環境溫度相關的主觀反應，它是由皮膚中的冷熱感受器引起的。熱舒適被認為是主觀感受與客觀環境交互作用的結果。同時，因人體對熱環境評價存在較大的主觀性，越來越多的研究利用與人體溫度調節系統相關的客觀生理參數來研究熱舒適。人體皮膚上有大量的熱感受器，因此皮膚溫度已經成為預測人體熱舒適水平的可靠生理指標，在穩態和動態系統中都得到了廣泛的研究。熱舒適表示了人們對熱環境滿意的生理和心理狀態，通過神經圖像檢測到的大腦功能活動可以用來評價人類在各種熱環境中的熱舒適。

腦電(electroencephalography，EEG)是人體的一種生物信號，可以通過扁平電極非侵入性固定在頭皮的特定區域，使用導電黏合劑，來測量各通道之間的電位差。腦電波是由大腦皮層神經元之間相互傳遞信號產生的同步電波引起的。EEG被廣泛應用于研究人體對熱環境變化的反應。Yao等[2]通過對人體局部冷熱刺激的研究指出不同波段對熱感覺有不同的敏感性， 在中性和微涼熱感覺下，α波起支配作用，當受試者感覺為熱、暖、涼或冷時，β波占支配作用，當受試者覺得熱中性時，δ、θ波發揮主要作用。Tomoko等[3]利用功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)檢測全身冷卻過程中大腦區域的激活狀態，發現來自皮膚的熱信號可以到達大腦皮層的幾個區域，由此得到，EEG可以反映人的舒適和不舒適感。余娟[4]對EEG波形與熱舒適的相關性分析結果表明θ、α、γ波和TSV有顯著相關性，β、δ波與TSV無顯著相關性，得出EEG指標與人體主觀熱反應的關系尚不明確這一結論。Choi 等[5]基于腦電圖技術研究了溫度對注意力的影響。Wang 等[6]利用腦電技術研究了室內熱環境對居住者心理負荷和任務表現的影響。Son等[7]通過對不同溫度下熱感覺與熱愉悅的腦電圖研究表明，隨著熱愉悅感的增加，與愉悅情緒相關的腦電圖頻帶增加，與放松相關的腦電圖頻帶減少。利用EEG的特征變化來評價熱舒適的研究雖有初步進展，但對溫度階躍變化過程中的腦電頻譜功率與熱舒適的相關性研究仍未見報道。

現通過在實驗中設計不同溫度的階躍變化，對采集到的腦電信號進行快速傅里葉變換，得到腦電頻譜功率，結合平均皮膚溫度和額頭溫度，探究皮溫、額溫、腦電頻譜功率與主觀投票之間的關系。

1 實驗與研究方法

1.1 受試人員

實驗選取14名在校大學生志愿者，其中男女各7名。招募時向他們說明了實驗可能面臨的挑戰，并在征得同意后簽署了知情同意書。所有受試者年齡均在21～26歲，身體健康，體型適中，無相關疾病史。

全體受試人員在實驗前幾天保證充足的睡眠時間和規律的飲食。受試人員不得吸煙、飲酒、飲用含咖啡因的飲料，不得觀看或收聽恐怖類型的影音資料。確保所有受試者近期沒有緊張情緒或過大壓力，以避免神經刺激的影響。在實驗前12 h內，不要劇烈運動，避免過度疲勞或興奮，以維持體內正常的血糖水平。不得服用對腦電檢測有影響的藥物，以提高實驗結果的穩定性與可靠性。

1.2 實驗環境設置

實驗在氣候室中設置了3個瞬態過程，由冬季低溫環境15 ℃分別突變到18、24和30 ℃，每種溫度突變過程包括3個階段，分別是兩個相同的低溫階段和一個高溫階段，即：低溫階段(15 ℃)—高溫階段(18、24、30 ℃)—低溫階段(15 ℃)。為實現環境溫度的突變，實驗時選取兩個相鄰的房間，讓受試者快速進行移動，兩個房間中有相同的辦公家具，并且空氣調節系統獨立運行，房間中無與室外直接聯通的門窗，太陽輻射無法進入室內。實驗前，還需進行室內工況的設定和實驗儀器的設置，為營造一個可靠準確的室內環境，使用ASHRAE55[8]的方法對氣候室的參數進行測量，包括空氣溫度、空氣相對濕度、空氣流速等。在受試者垂直高度為0.8 m和1.2 m處分別放置了溫濕度自記儀來記錄空氣溫度和相對濕度，空氣流速用熱線風速儀(Kanomax 6004，日本)進行測量。其中，空氣流速控制為0.1 m/s，相對濕度控制在50%，房間1模擬冬季室外環境溫度，設定為15 ℃，房間2溫度為設計的溫度工況，分別為18、24和30 ℃，兩個房間的平面布置圖如圖1所示。

圖1 實驗室平面布置圖Fig.1 Diagram of experiment chamber

1.3 實驗儀器設置

腦電信號的檢測使用 Emotiv EPOC(EPOC+，Emotiv Inc. USA)收集，該設備是一款高分辨率、非侵入式、便攜式無線耳機，設備共有14個頻道，分別位于 AF3、F7、F3、FC5、T7、P7、O1、O2、P8、T8、FC6、F4、F8和AF4通道，符合國際 10-20 系統，其中CMS和DRL兩個額外頻道是參考。設備內部采樣率為2 048 Hz，然后進行間隔取樣并以128 Hz輸出，數據通過USB連接藍牙發送至筆記本電腦，接觸墊用鹽水溶液潤濕來提高導電性。軟件開發套件具有數據包計數功能，可檢查有無數據丟失，并具有實時傳感器接觸質量顯示。腦電設備和腦電各分區圖如圖2所示。

實驗中涉及的其他環境參數的儀器詳細信息列于表1。

圖2 腦電設備及腦電電極分布情況Fig.2 Distribution of EEG equipment and electrodes

表1 實驗測試儀器Table 1 Experimental test equipments

1.4 熱投票和生理參數

受試者在實驗過程中要進行EEG測試和填寫主觀問卷，問卷包括個人信息和對熱舒適和熱感覺進行主觀評分。評分部分采用ASHRAE 7 級標度評分方法，分值范圍為[-3，3]。分值的高低表示受試者不同的舒適程度，主觀投票尺度如圖3和圖4所示。

皮膚溫度的測點布置選取七點法，分別布置于額頭、前胸、后背、手臂、左手背、右手背以及腿，使用精度為±0.1 ℃的紐扣型皮膚溫度存儲器來收集受試者各身體部位的溫度，平均皮膚溫度計算公式[9-10]為

0.39t5+0.025t6+0.025t7

(1)

式(1)中：t1～t7分別為額頭、后背、前胸、手臂、腿、左手背、右手背的溫度。

圖3 熱舒適評價標尺
Fig.3 Thermal comfort evaluation scale

圖4 熱舒適評價標尺Fig.4 Thermal sensation evaluation scale

1.5 實驗過程和注意事項

實驗是2021年1月份在中國青島進行的，其間受試者需要完成3個不同溫度階躍變化的實驗，且每個工況下的實驗間隔為2 d。實驗前，工作人員進行室內工況的設定和實驗儀器的設置，準備主觀調查問卷。整個實驗過程持續100 min，為了減少實驗誤差，保持心率和代謝穩定，受試者需要提前20 min到達實驗地點，在休息室(冬季正常供熱室內溫度為20 ℃的條件下)佩戴心率傳感器以及粘貼皮膚測點，穿上統一的服裝。然后進入房間1開始實驗，為實現冬季偏冷環境下的溫度突變，房間1環境溫度保持在15 ℃，受試者被要求在環境中靜坐20 min后進行問卷填寫和EEG測試(階段1)。之后進入溫度較高的房間2，受試者在房間2中靜坐60 min，分別在第5、30和60 min進行測試(階段2)，最后，受試者重新返回房間1(15 ℃)，靜坐20 min后進行測試(階段 3)。實驗流程圖如圖5所示，其間全程進行皮膚溫度的采集。為保證測試結果的穩定性與可靠性，在實驗過程中，受試者要保持靜坐，全身放松的狀態，佩戴腦電儀器時，要先用導電液潤濕測點，以降低阻抗，為實驗提供更有效的數據。

標“◆”處為進行主觀問卷填寫和EEG測試的時間點圖5 實驗流程圖Fig.5 Experimental process diagram

2 實驗數據處理與分析

傅里葉變換可將難以處理的時域信號轉換為易于分析的頻域信號，但其計算量太大，很難實時地處理問題，因此引出了快速傅里葉變換(fast Fourier transform，FFT)。快速傅里葉變換是根據傅里葉算法的特性進行改進獲得的。在頻譜分析技術中，快速傅里葉變換(FFT)被認為是時域和頻域之間的最佳變換，FFT具有其他方法的速度優勢，且更適合處理正弦波的腦電圖信號[11]。對收集到的腦電信號通過MATLAB軟件里的EEGLAB工具箱進行腦電信號預處理，通過獨立成分分析(independent component analysis，ICA)去除偽跡后進行快速傅里葉變換，計算得到各波段的頻譜功率值[12-13]，探究溫度階躍變化環境下腦電功率值與熱舒適的相關性。

在整個溫度變化過程中，各個通道上的腦電圖變化和持續時間尚不清楚，各通道功率值與主觀投票和皮溫進行分析時未發現相關性。同時，通道之間可能相互影響，直接對所有通道的頻譜功率值取平均進行分析不太合理。因此，考慮用圖2(b)中設置的腦電分區來進行數據的處理與分析，統計得到各通道的數據如表2所示。

表2 數據統計表Table 2 Data statistics table

2.1 溫度階躍變化過程的頻譜功率分析

在整個實驗過程中，由于生理或心理上的差異，個體的熱舒適感覺可能因人而異，因此需進一步研究人體各生理參數與腦電之間的潛在關系。對不同溫度工況下收集到的主觀投票結果進行統計，由文獻[14]可知溫度變化對腦電圖的影響持續近20 min，因此，本文取進入氣候室2的前20 min內各分區平均頻譜功率值來進行分析。利用SPSS軟件中的皮爾遜相關系數法對腦電各區功率值的變化與主觀投票、額溫和皮溫進行相關性分析，相關性分析結果如表3所示。

由表3可知，在溫度階躍變化環境下，額葉區與主觀投票、額溫和皮溫均顯著相關，且與額溫呈強相關關系。由此可知，額葉區頻譜功率值變化是評價熱舒適的重要參數，可對額葉區頻譜功率進行下一步分析。額葉區頻譜功率值在15-18-15、15-24-15和15-30-15 ℃3個溫度階躍過程中的具體變化如圖6所示。

從圖6可以看出，在3個溫度變化過程中，大溫差(15-24-30 ℃)狀態下，額葉區頻譜功率值在短時間內明顯降低。與其他溫度相比，受試者在接近人體中性溫度的環境溫度24 ℃下，額葉區頻譜功率值最低。由房間2(18-24-30 ℃)進入房間1(15 ℃)時，舒適感有所降低，頻譜功率值明顯升高。環境溫度可通過人體神經活動來影響人體熱舒適和熱感覺，冷和熱的環境會影響熱平衡，人體感到不舒適，進而促進神經活動來通過熱調節重新達到熱平衡，在舒適的環境溫度24 ℃下，溫度對人體熱調節系統刺激不明顯，頻譜功率值偏低，因此，利用腦電功率譜分析可明顯區分出人體舒適度。

表3 相關性分析表Table 3 Correlation analysis table

圖6 額葉區頻譜功率變化圖Fig.6 Spectral power value of frontal lobe

2.2 額葉區各波段功率值分析

腦電分析儀可以記錄腦部電流的活動情況，這種電流活動形態各不相同，有快有慢，由此產生了各種頻率的腦電波[15]。用于腦電研究的腦電波公認形態有4種，根據腦波的頻率的腦電波主要類別如表4所示。

在上述對各分區的研究中發現，額葉區與主觀投票顯著相關，進一步利用SPSS軟件對額葉區各波段與主觀投票和皮溫進行相關性分析，探究不同波段的頻譜功率值與熱舒適之間的關系，相關性分析結果如表5所示。

由表5可知，θ波頻譜功率與熱舒適相關參數均顯著相關。其中，額頭溫度與θ波相關系數為0.857呈強相關關系，說明在溫度階躍變化過程中，額溫和θ波功率變化對研究熱舒適有著重要的意義，且隨著舒適程度的增加，θ波頻譜功率值的均值呈遞增趨勢。對熱舒適投票與θ波頻譜功率值進行線性擬合，如圖7所示，線性表達式為

y=0.095x+9.496， -3≤x≤3

(2)

式(2)中：x為熱舒適投票；y為額葉區頻譜功率值，μV2/Hz；R2=0.905 1。

表4 腦電波分類表Table 4 Different frequency classification table

表5 額葉區各波段相關性統計表Table 5 Statistical table of correlation various band in frontal lobe

由圖7可以看出，隨著投票值的增加，θ波頻譜功率值變高，但功率始終在9.0～10.0 μV2/Hz范圍內變化。為了在數值上更直觀地表示出θ波的波動幅度，以不同環境溫度下θ波段的整體相對腦電功率來表示其變化過程，得到額葉區中的θ波段頻譜功率變化規律如圖8所示。

由圖8可以看出，在經歷溫度階躍變化時，突變到舒適溫度的θ波段功率值在整個頻譜功率的百分比有顯著的升高。由低溫15 ℃突變到舒適溫度時，θ波段相對功率占比增加了20%左右。在前面的分析中得到，θ波的頻譜功率值隨著TCV投票的增加而增加。結合圖7、圖8和表4，分析出θ波段頻譜功率變化原因有以下兩點：第一，受試者感受到環境溫度的變化時，注意力會有所增加，進而引起θ功率的變化；第二，從低溫不舒適環境15 ℃進入24 ℃時，會產生較強的熱愉悅感，當受試者體驗到與熱愉悅相關的情緒時，θ波節律會被激活，計算得到的θ波頻譜功率值升高。

圖7 TCV-θ頻譜功率線性擬合圖Fig.7 TCV-θ spectrum power linear fitting diagram

圖8 不同溫度下θ波相對功率變化圖Fig.8 Variation of relative power of θ at different temperatures

2.3 主觀調查結果與分析

實驗中布置的額頭、前胸、后背、手臂、左手背、右手背和腿7個皮溫測點中，只有額頭和手背直接與空氣接觸，但手背在填寫問卷或取樣時可能還會受其他因素的影響，額頭溫度則是全程直接受外界環境的影響發生變化。通過SPSS軟件對把額頭溫度與熱舒適投票進行單因素方差分析，結果如表6所示。方差齊性檢驗是方差分析的重要前提，是方差可加性原則應用的一個條件。因此，在方差分析之前先進行方差齊性檢驗。Levene檢驗[16]的結果表明方差齊性檢驗結果為顯著性，基本滿足方差齊性，因此可以使用該方法分析額頭溫度與TCV之間的相關性。

表6 單因素方差分析結果Table 6 One-way analysis of variance results

額頭溫度與TCV的單因素方差分析結果顯示，顯著水平0.003<0.01，說明額頭溫度可作為客觀生理指標對溫度階躍變化環境下的熱舒適進行評價。

分別對14名受試者在不同環境工況下的主觀投票平均值進行統計，結果如圖9所示。

從圖9可以看出，由于熱過渡的存在[17]，導致受試者在進入房間2的瞬間會產生較大的熱感覺差別，熱感覺投票結果瞬間下降。3種工況產生了不同的階躍強度，兩個房間溫差越大，熱過渡越明顯，其熱感覺的差異也就越大。房間2(18-24-30 ℃)靜坐1 h再次回到房間1(15 ℃)時，TSV與TCV變化過程一致，主觀投票值均顯著降低，在溫度階躍變化環境下，由于溫度超調現象的存在，經歷30 ℃的高溫環境后，會對下階段回到房間1(15 ℃)的主觀投票產生影響，再次回到15 ℃的熱感覺投票值較初始狀態明顯升高。

3 結論

采用客觀實驗數據與主觀調查數據相結合的方式，將所測得的腦電信號進行快速傅里葉變換，計算得到頻譜功率值，探究主觀投票、額溫、平均皮膚溫度與頻譜功率值之間的相互關系，得到以下結論。

圖9 不同瞬態溫度變化下的熱評估Fig.9 Thermal evaluation under different transient temperature changes

(1)在溫度突變環境下，額葉區頻譜功率值與主觀投票、額溫和皮溫均顯著相關，且與額溫呈強相關關系。在接近人體中性溫度24 ℃的環境中，熱刺激對人體熱調節系統作用不明顯，計算得到的頻譜功率值最低。在偏離中性溫度的環境中，即人體感到冷不舒適(18 ℃)和熱不舒適(30 ℃)的熱環境下，神經系統通過熱調節來維持人體熱平衡，頻譜功率值較高。

(2)熱舒適和熱感覺投票能直接反映出環境溫度變化對受試者產生的影響，在分析過程中發現額溫與主觀投票和頻譜功率值均呈強相關關系，因此可將額溫作為溫度階躍變化環境下研究熱舒適的重要生理參數。

(3)在溫度階躍變化過程中，額葉區的θ波段頻譜功率值與TCV線性相關，且隨著投票值的增加而增加。當溫度由15 ℃突變到接近中性溫度24 ℃的環境中，即熱舒適投票值接近3(非常舒適)時，與熱愉悅情緒有關的θ波段整體相對腦電功率變化最明顯，增加20%左右。

(4)通過快速傅里葉變換計算得到的頻譜功率值，可反映人體在接受環境溫度的熱刺激后，大腦皮層神經元電位的波動程度，用這種方法對溫度階躍變化環境下人體熱舒適進行評價，從熱調節機理上具有可行性。長期處于不舒適的熱環境下，會造成神經系統上的疲勞，影響人體的身心健康。