基于脑电技术的面料触感捕捉刺激器的设计与开发

李 东，万贤福, 1b,汪 军, 1b，许鹏俊

(1.东华大学 a.纺织学院；b.纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620；2.闽江学院 服装与艺术工程学院，福州 350001)



基于脑电技术的面料触感捕捉刺激器的设计与开发

李 东1a，万贤福1a, 1b,汪 军1a, 1b，许鹏俊2

(1.东华大学 a.纺织学院；b.纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620；2.闽江学院 服装与艺术工程学院，福州 350001)

为了客观地捕捉人们对服装面料舒适性的感觉，针对人们触摸不同服装面料时，脑电波等生理指标会发生变化的特点，研究脑电波和服装触觉舒适性的关系，设计制作出一种新型的基于脑电技术的服装触感捕捉刺激器，辅以ERPs脑电仪捕获触感并进行离线分析，验证该装置多次实验的可重复性。指出：标识面料与皮肤接触瞬间的时间点是该装置设计制作的关键和难点；初步测试表明，该装置能够标识出皮肤与面料接触的瞬间时间点，且多次实验具有可重复性。

触感；捕捉；刺激；舒适性；事件相关电位ERP；可编程控制器PLC；脑电波EEG

0 引言

服装的舒适性是指人体着装后，服装具有满足人体要求并排除任何不舒适因素的性能。服装舒适性包括热湿舒适性、触觉舒适性和体感舒适性[1]。触觉舒适性的评价方法有两种，一种是物理评价法，即根据面料的表面性质，如弯曲、拉伸、剪切和压缩等物理性能进行评价。如川端建立的KES评价系统[2]，以物理量的形式表征与织物触觉手感有关的力学性能，可以反映织物的触觉特征，但和人们接触织物时获得的感性认识还有很大差距。另一种最为普遍的评价方法是心理评价法，依据人们接触面料时的感受进行主观判断，这也是笔者研究的评价方法。

近年来，为了客观地捕捉人们多方面的感觉，基于脑电波、心电图等生理反应的尝试在各个领域展开。例如，Montoya研究了由触觉刺激诱发的体感诱发电位SEP[3]，发现被测试者观察不愉快照片相比愉快照片，事件相关电位P50的波幅显著降低。Kikuchi等人[4]发现手指触摸光滑平面和粗糙平面时，脑电波的变化是不同的。

然而很重要的一点是，触觉是皮肤接触到织物时的瞬间反应，因此，可以利用微分的方法评价人们受到刺激时的生理反应。事件相关电位(ERP)[5]可以用来表达这种因触觉感觉变化而诱发的生理反应。事件相关电位是一种被刺激诱发的脑电波，反映了在单位毫秒内人们对刺激的感觉、认知等处理过程的一系列变化，被看作评价触觉的一种有用的生理指标[6]。

基于脑电技术的服装面料触觉研究，捕捉皮肤与面料接触的瞬间至关重要。因为触感发生的时间仅仅在几百毫秒内，而事件相关电位仪对触感的捕捉，需要将几十次到一百多次记录下的同一外部刺激形成的脑电波数据信号进行放大和叠加。脑电波经放大后发现，对事件相关电位的干扰很多，如噪声、伪迹等。但ERP的波形和潜伏期恒定，所以可通过叠加，从脑电波中将ERP提取出来[7]。这就要求准确标记出触觉发生的起点，因此，制作实验装置，标识皮肤与面料的接触瞬间，是采用脑电技术评价触觉舒适性的关键。

Yohsuke 在基于事件相关电位的服装触觉研究中[8]，实验装置应用了光电传感器，通过光量的变化确定其接触时间。其实验原理是将试样挂在一个横杆上，慢慢移动，最后滑过手臂，横杆移至快要接触手臂皮肤时，光被挡住，接收器检测到光量变化，从而记录接触时间点。但由于试样布条具有柔性，光被遮挡与布条和皮肤间的接触并不一定同时发生，且实验是反复的、短时间进行接触刺激，没有随机性，被测试者容易产生感觉记忆，从而影响数据的准确性。

为此，笔者设计制作出一种新型的、基于脑电的服装触感捕捉刺激器。通过可编程控制器(PLC)控制电机的转动，以稳定和随机的使织物与皮肤接触，并通过改造光电鼠标，将光电传感器探测出的信号传入电脑中。脑电仪器根据这个信号标识，对检测到的脑电波信号进行分段和叠加，从而分离出由触觉引发的事件相关电位。

1 装置设计

笔者设计制作的基于脑电技术的服装触感捕捉刺激器装置，包括控制系统和机械系统两个主要部分，装置简图见图1。控制系统控制电机转动，使试样织物与手指皮肤接触，接触时间点由光电传感器捕捉，并转换为鼠标左键传入脑电仪，作为诱发事件相关电位的触觉刺激发生的时间点。

1.1 机械设计

图2是基于脑电技术的服装触感捕捉刺激器机械简图。机械设计采用SolidWorks三维建模软件，

整体是一个箱体，钢结构，稳定坚固。顶部薄、有孔，手指自然放在孔上，使皮肤从孔中露出与织物接触，这样可有效避免手指与织物接触产生肌电位，减少对事件相关电位的干扰。中间部分是一个直流无刷电机，固定在底部支撑板上，能稳定转动。电机转动轴上固定转盘，转盘上均匀分布、固定有6个可伸缩的面料包裹头，软橡胶的圆头端包上试样织物，并可微调织物与手指皮肤间的接触距离。在转盘上开有通光孔，每个通光孔的中心线分别在对应的面料包裹头的轴线上，将光电传感器的发射器和接收器固定在通光孔前后的支架上。其工作原理是电机带动转盘转动，当转盘转到一定位置时，手指皮肤与试样织物接触，光电传感器的发射器发射的光线穿过通光孔被传感器接收器接收。由于通光孔的直径很小，光电传感器相互间的距离很短，灵敏度非常高。用这种方法可以快速准确地标记出试样织物与被测试者手指的接触时间点。

1.2 电气控制设计

如果手指短时间内重复触摸同一试样织物，即使被测试者不知道试样织物的相关信息，大脑内也会产生记忆，从而影响事件相关电位的获取结果。为了随机地让不同的试样织物以不同的速度和方向与手指皮肤接触，笔者选用了PLC来实现这一复杂的控制。

基于脑电技术的服装触感捕捉刺激器的电气控制系统由PLC、无刷电机控制器、直流无刷电机组成。控制的目的是实现无刷电机精确、缓慢地转动，以使圆盘上的试样织物按照随机的顺序与手指皮肤稳定、缓慢地接触。接触时光电传感器发出信号，光电鼠标经过改装后按下鼠标左键，可将左键信号作为E-Prime心理学实验的靶刺激，在脑电仪记录的脑电波图上标记刺激发生的时间点。把面料与皮肤的接触刺激转化为鼠标左键的触发，作为事件相关电位的刺激，诱发产生相关电位。脑电波分析时，将以这些标记的时间点为刺激发生的起点，进行脑电波的分段和叠加，进而得出由触觉诱发的事件相关电位。

在事件相关电位的测试中，最常用的就是Oddball式，包含两种刺激类型，让被测试者对其中一种刺激做出评价。然而Polich[9]在听觉刺激实验中只采用了一种刺激，对比两种刺激下获得的ERP，发现几乎是相同的。因此，在初始阶段，使用一种刺激获取ERP是可行的。

1.3 可编程控制器PLC的程序设计

可编程控制器PLC程序的输入为起、停等开关量和随机接触顺序数据；输出为控制电机控制器起、停、反转的高电位，和控制电机转速的模拟量输出电压。程序启动时，随机函数产生试样织物与皮肤接触的顺序。程序运行时，判断顺序值，执行相应的运动子程序，电机以相应的速度转过相应的角度，从而使被测试者的手指与不同的试样织物接触。控制器相位脉冲输出端子接入PLC的高速计数器输入端，通过高速计数器来计数脉冲，进而得到圆盘转动的实时位置。PLC程序流程见图3。

2 ERPs实验

2.1 实验前准备

对基于脑电技术的服装触感刺激捕捉器进行ERPs实验，需将装置与ERPs脑电仪结合起来，经过E-Prime程序实现。运用E-Prime程序进行实验流程编写，并将基于脑电技术的服装触感捕捉刺激器上皮肤与试样面料接触时发出的鼠标左键信号作为刺激，标记在脑电仪测试到的脑电波时间轴上。

2.2 ERPs实验

在室内温度为25 ℃、相对湿度为50%的ERPs实验室中。运行服装触感捕捉刺激器和E-Prime刺激程序，被测试者为20名男性大学生，佩戴国际上通用的10～20系统[10]的电极帽，坐在椅子上，处于闭眼静坐状。右手中指自然摆放在服装触感捕捉刺激器顶部的孔上，露出的手指皮肤与划过的试样面料相接触，用脑电仪采集脑电波。每位被测试者的实验分为6段，每段实验手指皮肤与3种不同试样面料共接触60次，时长约6 min，每段实验结束后被测试者休息2 min；测试时被测试者佩戴眼罩和耳塞，以减少外界干扰。

实验试样织物分3种：试样1为尼龙针织布、试样2为平纹棉布、试样3为平纹麻布。3种试样织物的表面粗糙度依次增加。

3 装置可重复性验证

为了验证笔者设计的基于脑电技术的服装触感捕捉刺激器实验的可重复性，运用高速摄像机拍摄被测试者手指皮肤与试样织物的接触过程。根据多次实验接触时间点的偏差，分析该装置的可重复性。高速摄像机以1 000张/s的速度，拍摄出了手指皮肤与试样织物接触的过程，共拍摄了4名被测试者分别接触3种试样织物的过程。传感器发出接触信号要比实际接触时间稍有提前，结果见表1。

表1 传感器发出接触信号比实际接触提前的时间 单位：ms

从表1中数据可以看出，4名被测试者接触3种试样织物的接触信号偏差时间有所不同，标准偏差分别为8.02 ms、5.74 ms、2.65 ms。这是由于每次实验被测试者露出的手指皮肤面积都不相同，造成了每次实验之间有一定偏差。其中，试样1的偏差最大，这是由于试样织物面料本身较薄且柔软，接触时易造成形变。

使用该装置对同一试样织物进行多次实验，发现脑电波上刺激打标点的偏差在10 ms以内。因此，使用本装置进行的基于脑电技术的服装触感捕捉刺激器多次实验具有可重复性。

4 脑电波分析

在事件相关电位ERP的研究中，脑电波EEG数据的获取只是第一步，EEG中即包含了ERP等有用的成分，也有影响数据的噪声，所以要经过离线分析才能得到所需的结果。离线分析笔者使用的是SCAN软件数据分析部分Edit。图4是SCAN软件对一组20名被测试者脑电波的100个打标点，即前200 ms和0 ms～600 ms采集的数据进行叠加滤波等分析后，得到波形的总平均值。

从传感器发出的信号，经鼠标左键触发到电脑上显示有约10 ms的延迟，所以进行事件相关电位分析时，试样织物1、2、3对应在脑波图上的时间应当分别滞后约41.50 ms、27.75 ms和53.50 ms。此外，不同被测试者露出的手指皮肤部分与试样织物面料接触有细微的差别，导致滞后时间也有一定的偏差，但都在允许范围之内。图4中数据已通过平移时间轴消除了上述偏差。

从图4中可以看出，位于头颅顶部的6个电极，每个电极上的3种试样产生的脑电波波形大致相同，并且在一些共同的时间段都会出现波峰和波谷，但幅值有所差别。例如100 ms、200 ms和300 ms附近是和人类触觉认知有关的电位。分析触觉诱发事件相关电位的成分与不同试样织物触觉的关系，可得出评价服装面料触觉的事件相关电位的指标，如事件相关电位的幅值和潜伏期等，这是笔者下一步将要进行的工作。

5 结语

5.1 面料与皮肤接触瞬间的时间点标识问题，是基于脑电技术对服装舒适性进行研究的关键问题，也是难点问题。笔者设计并制作出基于脑电技术的服装触感捕捉刺激器，且制定和实施了基于此装置的验证实验方案。初步测试表明，该装置能够准确标记出皮肤与面料接触的瞬间时间点，且多次实验具有可重复性。

5.2 本装置作为基于脑电技术的服装触觉舒适性评价的辅助实验平台，将有助于分析事件相关电位与服装面料触觉的关系，服装舒适性评价领域的发展令人期待。

[1] 林烨.关于服装舒适性及其评价方法的分析与研究[J].双语学习，2007(12):220-222.

[2] 侯秀良，高卫东.KES-F织物风格评价系统的发展[J].毛纺科技，2005(3):46-48.

[3] Pedro Montoya,Carolina Sitges.Affective Modulation of Somatosensory-evoked Potentials Elicited by Tactile Stimulation[J].Brain Research,2006,1068(1):205-212.

[4] Kikuchi Y,Sano N,Miyazaki Y.EEG Activity Associated with Touch[J].Journal of Physiological Anthropology,1995,14(2):98.

[5] Steven J Luck.事件相关电位基础[M].上海:华东师范大学出版社，2009:27-38.

[6] 卢芳.夏季棉麻型面料的风格评价与分析[D].江苏：苏州大学 纺织学院，2008.

[7] 魏景汉，罗跃嘉.事件相关电位原理与技术[M].北京：科学出版社，2010:27-37.

[8] Yohsuhe Horiba,Masayoshi Kamijo,Satoshi Hosoya,et al.Evaluation of Tactile Sensation for Wearing by Using Event Related Potential[J].Fiber,2000,56(1):47-54.

[9] Police J,Electroencephagraphy and Clinical[J].Neurophysiology,1994,92:253-261.

[10] Michael D Rugg,Michael G H Coles.Electrophysiology of Mind:Event-related Brain Potentials and Cognition[M].New York:Oxford University Press,1995:3-4,9-11.

The Design and Development of EEG-based Fabric Tactile Sensation Stimulator

LI Dong1a,WAN Xianfu1a, 1b,WANG Jun1a,1b,XU Pengjun2

(1.Donghua University a.Textile College;b.the Key Laboratory of Textile Fabrics Under the Education Ministry,Shanghai 201620,China;2.Fashion & Art Engineering School Minjiang University,Fuzhou 350001,China)

To objectively capture the people′s feeling for the comfort of fabrics,according to the fact that when people touch different fabrics,the brain waves and other physiological indicators will change,a new EEG-based fabric tactile sensation stimulator is introduced to research the relationship between the brain waves and the comfort of fabrics,supported by ERPs device capturing the feeling and offline analysis,and experimental repeatability of the device is verified.It is pointed out that the key and difficulty in the design of the device is identifying the contact moment when the fabrics touch the skin.The preliminary tests show that the device can identify the contact moment when the fabrics touch the skin,and multiple experiments prove the repeatility.

touch;capture;stimulation;comfort;event related potential ERP;programmable controller PLC;brain wave EEG

2016-03-27

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(14D110139)；国家自然科学基金青年基金(51403098)

李 东(1992—)，男，山东济宁人，在读硕士研究生，主要从事数字化纺织工程方面的研究。

TS101.8

A

1001-9634(2016)05-0006-05