織物觸覺舒適度大腦感知技術研究進展

苑 潔， 婁 琳， 王其才

1. 浙江理工大學 絲綢文化傳承與產品設計數字化技術文化和旅游部重點實驗室， 浙江 杭州 310018；2. 浙江理工大學 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院)， 浙江 杭州 310018)

隨著人們生活水平的提高和生物醫學神經測量技術的不斷進步，人們對于織物接觸感知舒適度的要求越來越高。傳統的主觀評價和物理機械性能評價方法僅僅局限于人的主觀表達和紡織品本身，而經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。然而，在神經科學領域，對織物-皮膚相互作用過程中感覺、感知的精確評估仍然知之甚少。

近年來，隨著跨學科知識的不斷融合和生物神經科學技術的迅速發展，織物的觸覺大腦感知研究也有了大幅提高。目前，國內外涉及織物接觸舒適度大腦感知表征的先進技術主要有3種：腦電圖(EEG)[1-2]、事件相關電位(ERPs)[3]、功能磁共振成像(fMRI)[4-5]。在這個信息化的多元時代，無論是人機交互虛擬現實感知領域，還是在功能性紡織品以及生物醫用紡織品等產業用紡織品實際應用領域，均對神經感知反應的精細定位和捕捉速度提出了更高要求。本文對近年來應用于紡織服裝觸覺感知領域的腦感知神經測量技術進行了比較和分析，探尋更為原位、精準和定量化的織物觸覺表征技術，為織物觸覺認知的大腦機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展提供方向。

1 織物觸覺舒適度大腦感知技術

1.1 腦電圖技術

EEG作為一種能夠記錄大腦活動的電生理指標,具有和大腦信息加工處理匹配的高時間分辨率,同時兼具便攜性好、非侵入式的特點，已經成為認知神經科學領域開展知覺研究的重要測量手段[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，而β波和γ波與大腦的緊張、接觸不適等感知有關。

在手感接觸舒適性方面，基于EEG技術的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行反復摩擦接觸試驗的EEG分析也顯示出，光滑的蠶絲織物的刺激反應在θ、α波段中，粗糙的麻織物摩擦會引起β波的顯著性變化，且表面粗糙的織物接觸對這3種波段的活動影響更大[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，EEG信號中的α波越受抑制[13]。在研究足底壓力舒適性時也得到相同結論，足底壓力峰值的升高同樣會抑制腦電α波，使人處于一種不舒適的狀態[7]。當人體穿著舒適感較高的負離子功能服時，α波的強度和節律占比均顯著變大[14]。當穿著壓力舒適性較好的功能性壓縮褲時，與穿著常規褲時的腦電信號相比，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技術的絲織物觸感試驗證明，織物的接觸冷暖感越強，β波越大[7]。亦有研究[16]對不同熱環境條件下人體的θ、α、β和γ波進行分析，結果顯示，無論是熱感不舒適還是冷感不舒適，所有的EEG功率值均會增大，驗證了利用EEG進行熱濕舒適性感知表征的可行性；且當熱感不舒適時θ波下降，而β和γ波上升，而冷感不舒適時只有θ波下降。相比于服裝隔熱性指標而言，利用EEG技術進行個體的熱舒適預測精度也有所增加。在研究夏季空調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，θ波和α波被激活，β波減小[17]。也有研究摒除了試驗室環境，通過現場真實環境進行試驗，得出不舒適環境比舒適環境下的波和波頻帶功率高，且在不舒適的野外環境中，與聽覺和視覺系統等高級認知處理有關的γ波也顯示出了高活性[18]。

以上結果均顯示出α波和θ波與織物的接觸舒適度感知呈正相關，而β波和γ波則可能與織物的接觸不舒適度感知有關，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。

在實際運用腦電技術的過程中，由于EEG信號微弱、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：年齡和發育情況[19]、覺醒水平與精神活動、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]以及內在心理活動等[22]。這些對于利用EEG技術進行接觸舒適度表征的感知來說，都是非常不利的。

1.2 事件相關電位技術

20世紀70年代，Vaughan提出了一種新的可用于表征人體大腦認知活動的神經電信號方法，即ERPs法[23]。不同于EEG，ERPs采用平均疊加技術捕捉大腦誘發電位[24-25]。所謂誘發電位，是指當人的感覺系統受到一定程度的刺激時，神經興奮會沿著固定的神經通路傳遞至中樞神經或外周，在傳遞過程中所產生的電位變化[26]，因此，不同誘發電位的波形和分布有所不同[27]。此外，誘發電位一般都較小，所以引出ERPs的刺激一般是2個或以上，且需要對重復刺激所產生的誘發電位信號進行放大才能顯現。ERPs與認知過程有著緊密的聯系，為研究織物觸覺舒適度大腦感知活動提供了一種新的途徑[28]。

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

圖1 織物觸覺事件相關電位技術原理圖

國內方面，主要通過統計分析ERPs波形的振幅偏差，對織物接觸舒適感知進行有效評價[32]。關于蠶絲織物的觸覺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[33-35]，且織物表面越光滑,被大腦辨認的速度越慢[10]。此外，觸覺相關的ERPs信號還會受到性別的影響，女性ERPs的晚期陽性成分潛伏期比男性短，說明女性對織物識別更敏感[36]。

國外方面，ERPs的P3波實現了用于表達殘疾病患群體的舒適性感知[37]。不同質地織物的刺激可誘發不同振幅的事件相關電位中的P3信號[38]，此外，P3是織物表面紋理觸覺感知的顯著識別信息，織物紋理尺寸值越大，摩擦因數越低，對表面紋理的觸覺感知就越敏感[39]。也有研究表明，P3信號對舒適區不同的內容有高水平認知加工的敏感性，被認為是認知舒適區[40]。

綜合以上分析，無論是國內還是國外，公認的是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聯。

1.3 功能磁共振成像技術

功能磁共振成像技術是利用核磁共振造影技術來探測神經元活動過程中，人體大腦血液中氧氣含量和血流量之間的差值進行成像[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活動時會參差不同[42]。由此，可通過測量人體在接受某個刺激時各腦區的耗氧量來判斷各腦區的活動程度，耗氧量越大，代表該刺激對該腦區所造成的活動程度越大[43]。其表達形式多樣，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行顯示觀測，還可精確計算大腦響應位置、激活強度、激活范圍、激活占比以及腦區間功能連接協作情況[44]等一系列變化。以大腦中前與中正交叉點為坐標原點，從大腦左側向右側延伸為X方向，由大腦后側向前側延伸為Y方向，由大腦下側至上側為Z方向建立三維坐標軸，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激活強度，可直觀顯示各層腦區的激活情況。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度，可以從3個方向直觀定位同一腦區的激活情況。圖2(c)示出以人體腋中線為中線將腦區分為前后兩側，前側為腹側面，后側為背側面。由上至下、由左至右依次分別為：左腦外側、腦背側、右腦外側、左腦內側、腦腹側、右腦內側、腦前側、腦后側，可實現多維顯示腦區激活情況。

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技術對不同觸覺刺激下的人體大腦進行監測，均證實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，大腦感覺腦區網絡均會參與感知過程，且集中于雙側的初級感覺皮層和次級感覺皮層區域，前者與輕微次級的觸覺有關，后者與深度次級的觸覺有關。在溫和、緩慢的觸覺刺激中，將高度敏感的機械感受器與無髓鞘的C型纖維連接在一起的特殊系統會被最大程度激活，并產生積極的情感感受[47]。相反地，杏仁核腦區則是公認的感知接觸性熱痛[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。一般認為，當輕微不舒適時僅對側杏仁核激活，而當刺激強度增大時，雙側杏仁核腦區均會激活且激活強度增大。尤其對于恐懼的感知，杏仁核腦區的靜息狀態功能連接也會產生縱向變化，且這種改變在數小時乃至一周后仍然存在[53]。對于有社交障礙的患者，切除杏仁核腦區后，即使與陌生人面對面觸碰也不會感覺到任何不適[54]，以上均表明杏仁核在人體不舒適感知的表達中扮演了重要角色。

2 織物舒適度大腦感知技術比較

2.1 儀器分辨率比較

時空分辨率是判定神經科學儀器精密程度的重要指標，分為空間分辨率和時間分辨率。空間分辨率越高，其識別物體的能力越強，反映圖像的空間詳細程度。時間分辨率是指重復探測時的時間間隔，反映信息捕捉速度。

空間分辨率方面，無論是腦電圖技術還是事件相關電位技術，其空間分辨率均較低，原因為：一是受容積導體效應的影響；二是由于每個人的顱骨都不盡相同且均為非均勻性物質；三是受腦電源間電場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到5和8 cm左右[55]。對于功能磁共振成像技術，由于信號源于神經元興奮時毛細血管和小靜脈內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25～100 μm[56]，目前已處于醫學用大腦分子成像領域中的頂尖技術；但也正是由于其超高的反應靈敏性，使得這種觸覺大腦感知激活反應系統會隨著外界環境、刺激物以及被試者的改變等而有所變化，導致試驗的可重復性較低，存在對試驗環境、試驗對象的統一性要求及圖像和數據分析能力較高等缺陷。

時間分辨率方面，事件相關電位技術主要在皮層錐體-中央細胞中產生，以數以千計的神經元產生的細胞外電壓聚集在一起，由于電信號的瞬間擴散性，其瞬間傳導到頭皮，因此，事件相關電位技術提供了一種直接測量神經活動的毫秒級瞬時分辨率，可達1 ms/幀。功能磁共振成像技術的時間分辨率也在毫秒級別，但受限于血流動力學反應的潛伏期，阻礙了血氧水平依賴信號對神經信號的快速響應[57]，導致其沒有事件相關電位技術的時間反應快。2019年，中國科學院提出了一種不需要迭代計算的新型并行成像重建算法，實現了具備45 ms/幀的快速高時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間縮短至5 min以內[58]，但仍稍遜于事件相關電位技術。

2.2 體覺識別度比較

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

2.3 檢測安全性能比較

就無痛無損以及檢測安全性能來看，雖然腦電圖和事件相關電位技術分別記錄腦部的自發性電位和誘發電位，但均是通過腦電圖儀進行檢測的，其儀器本身并不產生電子輻射，也沒有放射性輻射，記錄的就是人體自身所產生的生物電現象，是腦細胞群自發性、節律性的電活動[61]，因此，檢測的安全性較高。

功能磁共振成像技術是根據人體內含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白中氫原子核在一定磁場強度中的順、逆磁性不同進行成像[62]。雖然無電離輻射[63]，且國內外目前使用的磁場強度也多在3.0 T以內，但強磁場給人體帶來的溫度效應、中樞神經系統效應和磁流體動力學效應依然存在，因此，功能磁共振成像技術并不適用于所有人。

3 結束語

本文通過對3種先進腦感知技術在織物觸覺舒適度感知方面的研究分析得到：就時間分辨率、檢測安全性和普適性而言，事件相關電位法更具優勢，因此，較適于動態織物舒適度感知的腦區捕捉；從空間分辨率及體覺識別度方面而言，功能磁共振成像技術顯然更勝一籌，相比于腦電圖、事件相關電位等間接生理學方法，功能磁共振成像技術是一種更為先進的生物成像技術，兼具無創性以及時空分辨力、體覺識別度均較高的優點。所以，在確保試驗安全和人員無不適癥狀的前提下，就追求精準原位表征的目標效果而言，功能磁共振成像技術是迄今為止，能夠更為精準捕捉和真實表達人體對織物觸覺舒適度感知評價的先進生物手段。