不同室溫下的人體生理參數與熱感覺相關性

劉寧， 王剛， 賈恩燦， 劉鋒， 胡松濤

(青島理工大學環境與市政工程學院， 青島 266033)

人們一生中大部分時間都在室內度過，室內熱環境對人類健康和工作效率有重要的影響。測量受試者的熱感覺，特別是對這一數量的準確了解，是正確設計和控制室內環境，促進受試者的幸福感和室內環境質量的基礎。熱感覺是人對周圍環境是“冷”還是“熱”的主觀描述，但實際過程中人無法直接感覺到環境溫度，而是只能感覺到位于自己皮膚表面下的神經末梢的溫度[1]。截至目前，人體熱感覺的獲悉大部分通過主觀的評價方法，即采用問卷調查的方式[2-3]。主觀評價方法較為可靠、簡便，但是評價結果存在較大的主觀性。近年來，研究方法已從主觀評價轉向主觀和客觀參數的結合。一些生理參數已被用作客觀指標，以不斷反映熱感覺和熱舒適性。Liu等[4]研究發現皮膚溫度仍可用于評估在30～39 ℃空氣溫度范圍下的個體熱感覺。童明等[5]在對中熱帶區和邊緣熱帶區受試者的人工氣候室的高熱濕反應實驗中發現熱感覺與平均皮膚溫度具有很強的相關性。劉劍橋等[6]發現受試者的TSV與操作溫度有較顯著的線性關系，在特定溫度范圍區間平均皮膚溫度可以較準確預測頂板輻射供冷環境下的熱感覺。Hou等[7]發現四肢的皮膚溫度與熱感覺投票(thermal sensation vote，TSV)呈明顯的線性相關。一系列研究表明可將皮膚溫度作為評估人體熱感覺的指標。

腦電圖通過誘導和放大腦神經系統變化產生的微觀電勢的變化來記錄附著在頭皮上的電極之間的電勢差。腦電以相當快的速度產生，對應人類的生理反應并且可以實時測量這些變化。當人們對熱環境的感知發生變化時，腦電圖會發生變化。腦電圖作為室內環境領域不斷發展的生理參數，引起了研究人員的關注。在與腦電相關的熱感覺和熱舒適研究領域中，孫建輝等[8]通過在氣候室設置不同溫度的階躍變化實驗，發現在溫度突變環境下額葉區的腦電頻譜功率與熱舒適顯著相關，且隨著舒適程度的增加而降低。Han等[9]研究室內熱環境階躍變化引起的熱不愉悅與腦電圖變化之間的相關性時，發現當熱不滿由熱引起時，相對θ頻帶功率降低，相對β頻帶和γ頻帶功率增加；此外，當熱不滿由冷引起時，相對θ頻帶功率降低。Mansi等[10]發現在冷、熱、中性環境中額葉和顳葉電極對熱感覺的敏感性更高。Zhu等[11]研究了不同氣溫和相對濕度下認知活動過程中腦電圖信號的變化，發現腦電(electroencephalogram，EEG)功率的顯著變化主要發生在高溫環境中，δ頻帶的相對功率顯著增加，而其他3個帶的相對能量顯著降低。Lim等[12]在冬季對汽車加熱型座椅不同設置溫度下人體熱感覺與腦電信號的相關性分析中，發現α/β功率比與熱感覺滿意度顯著相關，隨著熱感覺滿意度的增加，α/β功率比增加，相對β波功率減少。以往研究表明了腦電在熱舒適研究領域的應用潛力，不同熱環境條件下腦電與人體主觀熱感覺的相關性研究雖有初步進展，但關于定量描述腦電頻譜功率特征與熱感覺的相關性研究報道較少。

現基于生理指標的敏感性和可靠性選擇皮膚溫度、腦電頻譜功率指標進行熱感覺的相關性研究，并且在精確控制的空調環境下設置不同的溫度工況來探究皮膚溫度、腦電頻譜功率這兩個生理參數和主觀熱感覺之間的相關性，探究人體對熱環境的生理反應狀況，從而進一步為對于熱舒適生理機理的認識提供依據。

1 實驗方法

共有14名健康的大學生(7名男生和7名女生)參與了實驗，他們在實驗前簽署了知情同意書。問卷僅用于獲得受試者對當前熱環境下的主觀熱感覺評價。在正式實驗前的24 h內，受試者要保證充足的睡眠，不吸煙、不喝酒或刺激神經性的飲料，不劇烈運動，維持日常生活習慣，正常飲食，以確保他們的激素、血糖和身體狀況在正常范圍內。每個受試者在正式實驗前都被告知如何完成問卷。

1.1 實驗場所

這項研究中使用的數據來自溫濕度可調節的人工氣候實驗室。如圖1所示，氣候室房間長4 m，寬3 m，高2.6 m，氣候室內無陽光照射，因此輻射溫度的影響可以忽略，將空氣溫度視為操作溫度。氣候室采用孔板頂送風的形式，因此可以認為送風是均勻的，回風口置于墻壁的側下方。氣候室的隔音效果極佳，可以忽略外部的噪聲干擾。

1.2 實驗設備

實驗采用情緒EPOC設備公司生產的一款具有高分辨率、非侵入性的便攜式無線耳機來監測受試者在不同室內環境溫度下的腦電圖數據。根據國際腦電圖協會[13]規定的10/20標準導聯系統電極放置方法，它有14個通道，分別位于AF3、F7、F3、FC5、T7、P7、O1、O2、P8、T8、FC6、F4、F8、AF4，CMS和DRL的兩個額外頻道是參考，設備及通道選擇如圖2所示。使用者可以分別選擇以128 Hz和256 Hz進行采樣和輸出,故選擇以128 Hz進行數據的采樣和輸出。氣候室內采用交流電力系統的噪聲(50 Hz和60 Hz)已經在耳機內進行了過濾。數據通過工作在2.4 GHz的專有USB通過藍牙發送到筆記本電腦。接觸電極處使用鹽溶液潤濕，以提高導電性。軟件開發套件具有數據包計數功能，以檢查是否有數據丟失，并且還具有實時傳感器接觸質量顯示。

圖2 腦電實驗儀器及通道位置Fig.2 EEG experiment equipment and channel location

1.3 主觀評價

實驗過程中還記錄了受試者對不同環境溫度下的主觀評價，評價內容包括受試者的熱感覺投票以及熱期望，主觀評價采用的ASHRAE七級熱感覺標度[14]，具體如表1所示。

表1 熱感覺標度及熱期望

1.4 實驗方案和流程

研究旨在探究不同室溫條件對人體主觀感受以及生理過程的影響。實驗在溫濕度可控的氣候室內進行，氣候室位于單獨的房間內，室內的熱環境不會受到室外溫度的影響。實驗中僅設置了環境溫度這一單變量，其他環境參數保持一致，個人因素中的服裝熱阻和代謝率在整個實驗過程中也是一致的，確保受試者的熱感覺變化僅由室內的溫度變化引起。因此，在人工氣候實驗室內分別設置了18、24、30 ℃的3種環境溫度，以確保受試者可以明顯感受到溫度的變化而產生相應的熱感覺變化。

在每次試驗開始前，由實驗人員將EMOTIV EPOC設備給受試者佩戴好，并貼好皮膚溫度測點，確保電極良好接觸，數據可以正確采集、導出。受試者在氣候室內適應10～15 min，盡可能降低上一階段受試者所處熱環境對當下實驗的影響[15]。隨后受試者被要求再保持靜坐20 min，用以采集腦電數據，最后再收集受試者在實驗期間的主觀問卷調查，問卷用于調查室內環境方面的主觀感受。由于佩戴EMOTIV EPOC設備相當于增加受試者的服裝覆蓋范圍，這可能會影響熱感覺，因此在每次實驗之前和之后記錄每位受試者的熱感覺變化。實驗結束后取下受試者身上的腦電收集設備，并確認受試者身體狀態是否存在任何異常，實驗流程如圖3所示。

圖3 實驗流程圖Fig.3 Experimental flowchart

2 結果與分析

原始數據由運行在MATLAB R2018b中的EEGLAB工具箱進行預處理，高通和低筒閾值分別設置為0.5 Hz和35 Hz，以消除直流(deflection coefficient, DC)偏移以及低、高頻偽跡。通過手動滾動數據，剔除非定型偽跡(如不規則的頭部運動)。然后通過獨立成分分析(independent component analysis，ICA)剔除定型偽跡，如水平眼動(horizontal electrooculography, HEOG)與垂直眼動(vertical electrooculography, VEOG)。通過巴特沃斯濾波器提取δ(0.5～4 Hz)、θ(4～8 Hz)、α(8～13 Hz)和β(13～30 Hz)頻帶，利用快速傅里葉變換對濾波后的數據進行頻譜功率計算，計算數據用以對不同室溫下的主觀評價同客觀生理參數的相關性分析。

2.1 數據處理方法

快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)是將信號從時域轉變至頻域的一種方法，相較于離散傅里葉變換，FFT具有循環過程減少、計算速度快。將信號從時域轉變至頻域的FFT在數學上的表達公式參考文獻[16-17]。

2.2 熱感覺與皮膚溫度

人體皮膚溫度由體溫調節系統決定，是人體重要的生理參數之一。皮膚溫度采集測點使用的是精度為±0.1 ℃的紐扣型皮膚溫度存儲器，測點按7點法布置，平均皮膚溫度的計算公式[18]為

tskin=0.07tforehead+0.35tabdomen+0.14tarm+

0.05thand+0.19tthigh+0.13tcalf+0.07tankle

(1)

式(1)中：tskin、tforehead、tabdomen、tarm、thand、tthigh、tcalf和tankle分別為平均皮膚溫度、額頭溫度、腹部溫度、前臂溫度、左手背溫度、大腿溫度、小腿溫度和腳背溫度， ℃。

皮爾遜相關系數用于分析平均皮膚溫度、額頭溫度與熱感覺的關系，結果如表2所示。

表2 平均皮膚溫度、額頭溫度與TSV的關系

從表2中可以看出，受試者的整體熱感覺同平均皮膚溫度、額頭溫度之間顯著相關，相關性系數分別為0.651、0.601。因此獲得了受試者TSV同3種不同室溫工況下的平均皮膚溫度和額頭溫度之間的關系圖，如圖4、圖5所示。

如圖4、圖5所示，隨著環境溫度的階躍升高，受試者的主觀熱感覺評價經歷了由“冷”到“中性”再到“熱”的過程。受試者處在不同環境溫度工況下的熱感覺變化趨勢同平均皮膚溫度和額頭溫度的變化趨勢都具有比較明顯的關系。受試者的平均皮膚溫度、額頭溫度變化趨勢同熱感覺投票值變化趨勢一致，三者均有小幅升高，皮爾遜相關性分析也表明皮膚溫度、額頭溫度與TSV之間顯著相關。

圖4 TSV與平均皮膚溫度Fig.4 TSV and mean skin temperature

圖5 TSV與額頭溫度Fig.5 TSV and forehead temperature

冷刺激的痛覺纖維、冷纖維、熱刺激的痛覺纖維、熱纖維在不同皮膚溫度下的反應不同，如圖6所示。在18 ℃的冷空調環境下，感受器受到冷刺激，隨著皮膚溫度的升高，冷感受器的放電頻率持續升高，在皮膚溫度約為24 ℃時達到峰值；當皮膚溫度達到約30 ℃時，熱感受器開始接受刺激。在本實驗研究過程中受試者經歷了18、24和30 ℃的空調環境溫度，平均皮膚溫度在29.5～33.5 ℃，當受試者處于冷環境時(18 ℃室溫，TSV<-1)，平均皮膚溫度約為31 ℃，此時冷、熱感受器均接受刺激，但是冷感受器的放電頻率更高，即通過感受器傳遞的“冷”信號更多；當受試者處于熱環境時(30 ℃室溫，TSV>1)，平均皮膚溫度約為33.5 ℃，此時的冷感受器放電頻率下降，熱感受器的放電頻率上升，即通過感受器傳遞的“熱”信號增多，“冷”信號減少。皮膚溫度會影響感受器的放電頻率，進而影響人的熱感覺。圖6在一定程度上也揭示了皮膚溫度與TSV的相關性。

圖6 冷痛纖維、冷纖維、保暖纖維、熱痛纖維在不同皮膚溫度下的放電頻率[19]Fig.6 Discharge frequencies at different skin temperatures of a cold-pain fiber, a cold fiber,a warmth fiber, and a heat-pain fiber[19]

2.3 TSV與腦電頻譜功率

腦電頻譜功率與TSV的皮爾遜相關分析結果如表3所示。

表3 腦電頻譜功率與熱感覺的關系

從表3中可以看出，受試者的TSV同δ以及α頻帶的平均功率之間顯著相關，與β頻帶的平均功率中度相關，三者的皮爾遜相關性系數分別為0.533、0.814、-0.461。因此獲得了TSV與δ、α、β頻帶平均功率的關系，如圖7所示。隨著TSV的上升，δ頻帶的平均頻譜功率先迅速增加后逐漸平緩。需要注意的是在實驗研究范圍內，平均頻譜功率值在TSV為-2時達到了最小值，低于該頻帶中任何其他投票下的功率值。α頻帶的平均頻譜功率變化趨勢同δ頻帶一致，同樣是在TSV為-2時達到了最小值。β頻帶的平均頻譜功率先增大后逐漸減小，最后趨于平緩，應該注意的是，δ、β頻帶的平均功率均在TSV為-1時達到最大值，α頻帶僅在TSV為-1時達到極大值。

圖7 主觀熱感覺與各頻帶的平均頻譜功率Fig.7 TSV and mean spectral power of each frequency band

為了更準確地反映TSV與δ、β、α頻帶的平均頻譜功率之間的關系，使用OriginPro 2018C來擬合TSV與δ、β、α頻帶的平均頻譜功率關系，擬合結果如圖8所示。

圖8 主觀熱感覺與各頻帶平均功率的擬合圖Fig.8 Fitting graph of subjective thermal sensation and average power in each frequency band

觀察圖8(a)、圖8(b)，由受試者TSV與δ、α頻帶的平均頻譜功率擬合曲線變化可以發現，在實驗條件下，冷環境下單位TSV變化標度下的平均頻譜功率變化幅度(即曲線斜率變化)要高于熱環境；對于圖8(c)的TSV與β頻帶平均頻譜功率，在中性熱感覺投票值0的左半軸，即由冷環境過渡到中性環境的單位TSV變化標度下的平均頻譜功率變化幅度要高于由中性環境過渡到熱環境平均頻譜功率變化幅度。

受試者TSV與δ、α頻帶的平均頻譜功率擬合曲線表達式分別如下。

(2)

(3)

(4)

3 結論

采用客觀實驗數據與主觀問卷調查相結合的方式，利用EEGLAB工具箱對實驗測得腦電數據進行預處理，并通過快速傅里葉變換能量分析，探究人體在冷環境、中性環境、熱環境3種環境下，平均皮膚溫度、額頭溫度以及腦電圖不同頻段的能量變化與主觀熱感覺之間的關系，得出如下結論。

(1)受試者處在不同環境溫度工況下，皮膚溫度、額頭溫度與TSV之間顯著相關。隨著環境溫度的階躍升高，受試者經歷了由“冷”到“中性”再到“熱”的階段后，TSV同平均皮膚溫度和額頭溫度的變化趨勢具有明顯的一致性，三者均有小幅升高。

(2)人體在適應冷、中性、熱三種溫度下的室內環境時，腦電圖中不同頻帶的能量與人體自身的熱感覺變化具有一定的關聯性。受試者的TSV變化同δ以及α頻帶的平均頻譜功率之間顯著相關，與β頻帶的平均頻譜功率中度相關。受試者TSV與δ、α和β頻帶平均頻譜功率擬合曲線，揭示了冷環境下單位TSV變化標度下的平均頻譜功率變化幅度要高于熱環境，在腦電頻譜功率這一生理學角度揭示人體對冷環境變化更為敏感。

(3)采用巴特沃斯濾波和FFT計算不同頻段的頻譜功率，通過大腦皮層神經元突觸的能量以及皮膚溫度的變化評價人體熱感覺變化，在生理學上具有可行性。