基于功能磁共振的织物触压舒适度脑感知研究进展

苑 洁， 于伟东,2， 陈克敏

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620；3. 上海交通大学 医学院附属瑞金医院， 上海 200025)

基于功能磁共振的织物触压舒适度脑感知研究进展

苑 洁1， 于伟东1,2， 陈克敏3

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620；3. 上海交通大学 医学院附属瑞金医院， 上海 200025)

针对织物接触人体皮肤所产生的压、挤、摩擦等作用在人体中的综合表征问题，通过对比国内外织物接触压力舒适性评价方法的优劣，并结合现代先进医学影像技术功能磁共振成像(fMRI)技术，从时空分辨率和织物感知神经环路2个方面，证明了fMRI大脑皮层评价对皮肤触觉真实感知可视化表达的唯一性。结合国内外相关案例，指出与舒适性有关的脑区可能位于对侧次级感觉皮层脑区，而不舒适感可能是在杏仁核区域。在可行性问题上，通过合理控制环境、人体因素、刺激时间以及引入呼气末二氧化碳回归量可将实验可信度由0.4以下成功提高至0.82。结果证明fMRI将成为纺织材料与工程领域中认知解答穿着中的接触舒适性的客观表征与机理认知的新的实践性方法。

触觉； 织物接触压力； 舒适度； 大脑感知； 功能磁共振成像

自20世纪二三十年代始，人们意识到，在穿着使用与人体皮肤接触过程中，织物对人体产生的接触压力及表面作用在一定范围内会给予人心理、生理、神经上的舒适感觉[1]。而其中最本质的是生理感知，即受大脑感知神经元的感受和大脑的知觉。当这种物理压力超过人体可接受范围时，生理感知引起大脑某些感知区域产生信号，表现出心理上的不适，即紧张、烦躁、注意力无法集中[2]。此外，还将对消化系统[3]、呼吸系统[4]、免疫系统[5]、循环系统[6]、生殖系统[7]、内分泌系统[5]、运动系统[8]、神经系统[9]等产生不同程度的影响。众多研究通过探讨不同造型、结构、材质等的着装客观接触压力值与主观感受的关系，以主观舒适度划分压力阈值[10-12]。而以Nakahashi为首的众多研究[13-15]则认为，着装触压舒适可通过心率、血压、皮肤温度、皮肤血流量、呼吸机能、脉拍、耗氧量、能量代谢及心率变异性(简称HRV)等是否在人体可正常承受的范围内来表达。随后，人们进一步将着装触压作用下脑电波信号(简称EEG)、事件相关电位(简称ERP)乃至体感诱发电位(简称SEP)等神经电信号波形产生的位置、时间及其变化作为舒适性评价的指标[16-18]等，但是上述所有表征方法与指标都只是定性、间接地表达了着装压迫舒适程度。随着医学器械技术的日益发展，触觉感知在功能磁共振成像技术(简称fMRI)下的脑部机制正在一一被人们所认知和了解。本文以当今国内外先进的接触压力舒适性评价方法为基础，结合以功能磁共振技术为基础的大脑触觉感知的研究进展，探索将功能磁共振技术应用于触压舒适度评价的可行性，期待以其最直接、客观、即时和精准的优势为舒适度评价的大脑机制研究突破提供新的契机。

1 国内外接触压力舒适表征方法

目前，国内外关于接触压力舒适感知的表征方法可分为3大类：心理评价、物理评价和生理评价。

心理评价方法属主观评价，始于1925年Binns[1]提出的16对形容词组成的手感评价。最具代表性的方法是Fritz七级语义差异态度标尺法[19-20]和Hollies五级区间标尺评价法[15, 21]，以语义差异评分，得出最终舒适值。发展至今，逐渐演变为多重态度标尺评价法，以更加全面地反映人体的生理反应、感官知觉和偏爱程度。每一重态度均可分为五级或七级，舒适度感觉描述语包括：松、紧、软、硬、干爽、黏湿、光滑、粗糙等[22]，更有将类似以上的8对描述术语结合1种独立描述术语(如舒适、不舒适)相结合来反应人体主观压迫舒适度[11]。物理评价法始于1930年Peirce[23]提出的力学物理测评指标，以心理评价为基础，通过客观仪器测量得到着装压力，由此开辟了用物理数据来表征压感的新道路，并鼎盛于20世纪80—90年代。1989年，Coren[12]更是首次推出了人体各部位的着装压力舒适阈值。至于生理评价方法，EEG中的α波[24]和HRV[15]最具代表性。舒适状态下，α波比例差值增加。HRV指的是连续心跳间瞬间心率的微小涨落或逐拍R波间的微小涨落，分析每个心动周期细微时间变化及其规律。HRV时域指标最大心率(mRH)降低，心率差异平均值(mRR)和相邻心动期变异值(RMSSD)增加，HRV频域指标低频功率/高频功率(LF/HF)、规 一 化 低频功率(Lfnorm)降低，规一化高频功率(Hfnorm)增加，表明迷走神经对心率的调控作用增大，副交感神经活动水平增强，心率降低，心脏供血量降低，心脏负荷减小，感觉舒适[25]。同时根据4种运动形式下α波的强度和位置判断出压力作用下激活的体感区域主要位于枕叶、顶叶与额叶。目前研究最为成熟的是ERP[17]中的P300波，即刺激300 ms后出现的振幅较大的正电位，与织物的光滑、柔软舒适触感成正相关。国外最新研究有用基于P300波的人机交互机以计算机拼写的方式表达残疾人群的舒适感知[26]。国内此方面起步相对较晚，2016年，天津大学的Liu[27]以ERP波形振幅偏差统计分析法进行舒适压感评价，并结合主客观评价验证了其有效性。

心理评价方法虽简单易行，但能觉察到的最小刺激量值和能承受的最大刺激阈值都有较大差异，量化困难、难以统一。且人体在不同部位的压力感知敏感度亦存在差异。物理评价以数据为标准，较主观评价更为可靠；但风格由织物的物理性质所决定，是物理量的客观评价，而舒适性却是由人的感知而决定，是生理量的客观评价。对于EEG与ERP，由于电信号的瞬间扩散性，使得其具备较高的时间分辨率，但因受限于颅骨不匀且有个体差异、容积导体效应以及脑电源间电场开放性的差异，故空间分辨率均较低，这也是其缺陷所在。

2 功能磁共振成像技术的优越性

1992年，Kwong等[28]开辟了基于血氧水平依赖(简称BOLD)效应的功能磁共振成像(fMRI)技术，其原理是大脑在各种不同任务或刺激下某区域的神经激活时脱氧血红蛋白比例降低，由于脱氧血红蛋白的顺磁性，表现为弱信号，其浓度越低，宏观磁共振信号强度降低幅度越大，组织的磁共振信号强度就会上升，从而产生BOLD效应，BOLD信号增加，激活脑区最终表现为在磁共振图像上呈现为亮信号。这种成像称之为血氧水平依赖功能磁共振成像技术(BOLD-fMRI)，也是目前绝大多数大脑神经研究人员所采用的成像方法。

fMRI不仅能够对认知事件的大脑微细结构进行瞬间成像，而且具备其他方法所远不能及的超高空间分辨率。时间分辨率方面，在21世纪初，有研究发现功能磁共振成像技术对于初级感觉皮层的定位只需1 min[29]，即使次级感觉皮层也只需105 s[30]。空间分辨率方面，无论是脑电图法还是事件相关电位方法，其空间分辨率均较低，约在10 cm左右[31]，而功能磁共振成像技术的空间分辨率可达到1 mm。且体觉灵敏度方面，早在1994年，Hammeke[32]就证明了在1.5 T场强下，fMRI有足够的灵敏度来定位触觉刺激下的感觉皮层，且体觉特异性高达88%；就无损无痛性而言，也是SEP以及直接皮层电刺激等方式无法企及的[33]。图1示出织物感知形成的神经环路图[18]。

图1 织物感知形成的神经环路[18]Fig.1 Neural circuits for the process of fabric perception[18]

由图看出，触觉感知的形成始于大脑皮层，途径神经电信号，最终转化为语言表达。早期的心理评价方法位于整个神经环路的末端，存在大量的干扰因素，离真正的触觉核心最远；而皮肤温度、心率、血压等所谓生理指标的表达尚处于效应器阶段，EEG、ERP、SEP评价中的神经电信号也同样只位于靠近触觉形成根源的中间阶段，虽也可用于表征触觉感知，但终究不及追本溯源的大脑皮层表征更为精确。而客观物理评价只是一种以织物本身物理机械性质间接表达人体舒适感知的转移手段，所以本质上离舒适感知根源的表达实相差较好，但由于其是根据心理评价结合大量客观物理测量数据综合分析而来，所以与纯粹的含有大量未知干扰因素的心理评价相比，表达强度又增加一层。故就舒适评价性的强弱而言：大脑皮层评价大于神经电信号评价大于效应器生理指标评价大于客观物理评价大于心理评价。

相比于EEG、ERP、SEP等间接生理学方法，fMRI 技术兼具无创性、高时空分辨力、最直接可视、体觉识别度、灵敏度及特异度均较高等优点，覆盖了以上方法的优点，并弥补了以上方法的缺陷与不足，将其应用于着装压力舒适性的直接评价无疑是最恰当不过且极具创造性的。

3 基于fMRI的舒适感知脑机制

2007年，Bhatia等[34]首次尝试使用当时先进的生物医疗技术—功能磁共振成像技术来进行人体感知与织物纹理之间的关系研究。得出愉快舒适感的感知在大脑顶叶中高水平处理的 SⅡ 区，而不舒适感的感知可能是在大脑额叶。Bernard Querleux以2种人造皮肤(一种光滑一种粗糙)和2种真人皮肤(一种未涂任何化妆品，另一种涂了化妆品)分别应用在被试者的手指上。经fMRI评价分析得出，理性和感觉与对侧皮层激活区相关，而想象和敏感则与同侧皮层的激活区域相关[35]。2008年，其又对2种人(对化妆品皮肤敏感者和不敏感者)的不舒适性进行研究，得出2种人不舒适时对侧初级感觉皮层区域均被激活，再次证明了不舒适与对侧初级感觉区域相关[36]。Wang等[9]由手指触摸织物的fMRI也证明初级感觉皮层SI与次级感觉皮层SII与织物的接触密切相关，尤其是对侧初级感觉皮层。

对于不舒适感知，Kanosue等[37]在分析人体冷却过程中的热不舒适性时的fMRI发现，人体感觉热更不舒适时，双边杏仁核血氧水平依赖信号增强。 Tan等[38]在研究分析接触性热痛刺激下人脑的功能磁共振图像中得出41 ℃时对侧杏仁核激活，51 ℃时双侧杏仁核激活，除此之外，文献[39]中在研究视觉舒适时同样指出，杏仁核是引起恐惧、焦虑、不愉快的根源脑区。这均暗示着脑杏仁核在人体感到不舒适的起源中起着重要作用。

4 fMRI应用于触压舒适感知困难

无论是在放射治疗学还是在认知领域，fMRI凭借其多参数成像、高对比成像、任意断面层成像、可直接观察细胞活动、无电离辐射以及无气体和骨伪影干扰等众多优势，成为影像学中高端的成像技术之一，但是这项技术也因容易受到各种干扰而使得其在重复实验中出现明显的变化。早期的研究甚至表明由于fMRI数据在不同个体中差异过大而只适宜定性地描述大脑的激活情况[40]。直至现在，其可重复性问题仍旧只是部分达到可接受范围，而未彻底解决。虽然不确定性在任何测量量化过程中均应得到理解，但尽量提高fMRI的再现性仍是当前的重要难题之一。

4.1 环境因素

环境因素中，温度和磁场对fMRI的影响最大。高温条件下，触觉更多为情绪相关的特征功能区激活；中温条件下，触觉更多为辨识相关的特征功能区激活；低温条件下，触觉为基础特征功能区激活。顶岛盖区在3种温度条件下都显著激活。激活范围、程度以及触觉感知的灵敏度和辨别力也随局部皮肤环境温度的升高而增加[41]。这暗示着在研究织物触压舒适性时，应将局部皮肤温度保持在较高温度下，以保证得到的成像是人体的情绪特征区，而非物质识别区与或基础功能区。

至于磁场，人体短期暴露于2.0 T以下的静磁场中，人体的深浅体温无明显变化，静磁场中心电图波形也未有特异性变化，对中枢神经系统也不会有明显生物学影响，但在4.0 T以上的磁共振(MRI)系统中，大多数人会出现恶心、眩晕、头痛等主观感觉，说明超高场磁体仍会导致一定的人体生理变化。此外，在检查过程中1%～10%的病人会出现幽闭恐惧感和如压抑、恐惧、焦虑等心理问题。

4.2 人体稳定性因素

个体本身的体觉灵敏度、情绪、性别、接触部位及接触方式乃至触觉动态适应过程均会对fMRI产生影响。

年龄、视觉及习惯均会影响人体的体觉灵敏度，从而影响着fMRI的激活程度。年长者体觉灵敏度不及年轻人[42-43]。闭目会增加从丘脑到躯体感觉皮层之间以及躯体感觉皮层内部的信息流，从而提高躯体感觉知觉[43]。习惯性作用下脑部固定适应系统的存在，使惯用侧接触的视-触觉的连接较非惯用侧为弱[44]。不同情绪下的触摸，会出现不同的脑区激活[45]。在穴位点处刺激脑岛和次级感觉皮层信号显著激活，而楔前叶则受到抑制[46]。有毛皮肤中存在大量有关人体情绪的触觉感受器，尤其是无毛皮肤中不存在的快适应型的毛发和感受域类感受器以及与触觉密切相关的C类无髓感受器[47]，所以当研究织物本身的物理性能指标等的基础反应时，应选择无毛皮肤，而当进行人体对外界的认知反应时，应选择对刺激的情感信息敏感的有毛皮肤。此外，为避免人体运动造成不必要的干扰脑区激活，应选择被动激活的刺激方式。男性静息态脑功能网络稳定性和活动水平高于女性[48]，暗示着女性比男性更易受到其他认知行为的干扰。

除此之外，在持续或重复触觉刺激的情况下，人体触觉感官系统会出现暂时的灵敏度下降的现象，即触觉的动态适应现象。在3、9、15 s的压力刺激实验中，随时间的延长，fMRI下展示出对侧初级和次级感觉皮层激活程度以指数方式明显降低，且有关触觉的脑半球间和脑半球内部的区域功能连接也线性下降或增加[49]。以上均显示皮质活动对持续压力刺激呈现动态适应现象，包括触觉相关的皮质区激活程度以及它们之间的区域功能连接。所以难点就在于，持续接触压力作用下，fMRI随接触时间的延长呈现出动态变化。

4.3 数据分析影响

通过人为控制环境的CO2水平以增加动脉CO2水平或者自发地闭气。通过这种方法，脑血流量暂时性增加，而不影响整个大脑的耗氧速率，随之产生了BOLD信号的增加[50]。将屏息过程中记录的呼气末CO2经处理后作为一般线性模型(general liner model, GLM)中的一个回归量纳入数据分析过程中，可成功提高fMRI检测结果的可重复性。可信度(intraclass correlation coefficient, ICC)高达0.82，远远高于不能适应屏息性能变化的增加解释变量法的0.4以下水平[51]。但是，这种方法并不适用于提高情绪任务下BOLD反应的可重复性[52]。

综上所述，外界环境、人体本身稳定性因素以及数据分析方法均会对fMRI实验结果造成不可小觑的影响。为提高实验的稳定性、可重复性及可信度，应尽量做到以下3点：1)对于实验环境，要求尽量保持外界环境的安全、适宜和高度一致性。2)对于稳定人体因素的控制，应选择统一年龄的青年受试者；闭目以提高触觉灵敏度；保持注意力，尽量排除其他情绪(如抑郁、难过等)的干扰；保持特定刺激时长，使感知波动稳定；尽量选择抗干扰能力较强的男性；左右两侧任务相同的情况下，尽量选择刺激非惯用侧，以提高激活显著水平；选择有毛皮肤被动刺激，以达到人体本身对外界刺激舒适度感知的目的。3)对于数据分析，引入呼气末CO2回归量均会对实验的稳定性和可重复性有所提高。

5 结 论

量化精细的、情感化的、定量化的、动态实时的大脑感知、对脑感应区感应有干扰的脑区甄别与标识以及对其有干扰关系的定量研究变得亟不可待。静息态功能磁共振技术的飞速发展，刺激施加装置的精密化以及实验的慎重设计，结合前人的研究基础进行接触压力舒适性评价的功能磁共振脑感知表征是具有可行性的，只是尚存在几点问题：1)人体着装压力舒适感与不舒适感的脑区激活区域及激活感量尚待探测；长时间不舒适状态下，有关忍耐压力刺激的脑区激活区域及激活感量仍需探索；2)着装触压刺激信息在大脑体感皮层的流动过程及体感皮层的有效连接以及长时间压力作用下，脑区的动态适应调节机制尚未明确认知；3)对舒适度感知的干扰因素、干扰脑区及干扰程度的定量甄别亟待突破；4)虽然fMRI具备众多其他检测手段遥不可及的检测优势，但该项技术的稳定性和可重复性缺陷仍旧不可忽视，进一步提高fMRI的再现性，仍然是人们孜孜不倦努力达到的目标。

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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

苑洁(1993—)，女，博士生。主要研究方向为织物接触舒适度的大脑感知。于伟东，通信作者，E-mail：wdyu@dhu.edu.cn。