织物触觉舒适度大脑感知技术研究进展

苑 洁， 娄 琳， 王其才

1. 浙江理工大学 丝绸文化传承与产品设计数字化技术文化和旅游部重点实验室， 浙江 杭州 310018；2. 浙江理工大学 纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)， 浙江 杭州 310018)

随着人们生活水平的提高和生物医学神经测量技术的不断进步，人们对于织物接触感知舒适度的要求越来越高。传统的主观评价和物理机械性能评价方法仅仅局限于人的主观表达和纺织品本身，而经常忽略了织物舒适度感知的起源位于人体大脑这一重要事实。然而，在神经科学领域，对织物-皮肤相互作用过程中感觉、感知的精确评估仍然知之甚少。

近年来，随着跨学科知识的不断融合和生物神经科学技术的迅速发展，织物的触觉大脑感知研究也有了大幅提高。目前，国内外涉及织物接触舒适度大脑感知表征的先进技术主要有3种：脑电图(EEG)[1-2]、事件相关电位(ERPs)[3]、功能磁共振成像(fMRI)[4-5]。在这个信息化的多元时代，无论是人机交互虚拟现实感知领域，还是在功能性纺织品以及生物医用纺织品等产业用纺织品实际应用领域，均对神经感知反应的精细定位和捕捉速度提出了更高要求。本文对近年来应用于纺织服装触觉感知领域的脑感知神经测量技术进行了比较和分析，探寻更为原位、精准和定量化的织物触觉表征技术，为织物触觉认知的大脑机制深入研究提供借鉴，为未来的织物触觉舒适度感知研究发展提供方向。

1 织物触觉舒适度大脑感知技术

1.1 脑电图技术

EEG作为一种能够记录大脑活动的电生理指标,具有和大脑信息加工处理匹配的高时间分辨率,同时兼具便携性好、非侵入式的特点，已经成为认知神经科学领域开展知觉研究的重要测量手段[6]。众多研究[7-9]均显示EEG中的α波和θ波与织物的舒适感知呈正相关，而β波和γ波与大脑的紧张、接触不适等感知有关。

在手感接触舒适性方面，基于EEG技术的10种不同蚕丝织物(包括乔其缎、素绉缎、顺纡乔其、双绉、斜纹乔其、斜纹绸、重绉等)的触感试验证明，θ、α波越大刺痒感越小[10]。通过分别使用蚕丝和粗麻织物进行反复摩擦接触试验的EEG分析也显示出，光滑的蚕丝织物的刺激反应在θ、α波段中，粗糙的麻织物摩擦会引起β波的显著性变化，且表面粗糙的织物接触对这3种波段的活动影响更大[11]。近年来随着研究的逐渐深入，也有研究表明除θ波之外，γ波的相对频谱功率在棉、锦纶和羊毛织物的接触刺激下也存在显著差异[12]。

在织物接触压力舒适性方面，束缚感越强，EEG信号中的α波越受抑制[13]。在研究足底压力舒适性时也得到相同结论，足底压力峰值的升高同样会抑制脑电α波，使人处于一种不舒适的状态[7]。当人体穿着舒适感较高的负离子功能服时，α波的强度和节律占比均显著变大[14]。当穿着压力舒适性较好的功能性压缩裤时，与穿着常规裤时的脑电信号相比，α波显著增大，而γ波显著减小[15]。

在接触冷暖感舒适性方面，基于EEG技术的丝织物触感试验证明，织物的接触冷暖感越强，β波越大[7]。亦有研究[16]对不同热环境条件下人体的θ、α、β和γ波进行分析，结果显示，无论是热感不舒适还是冷感不舒适，所有的EEG功率值均会增大，验证了利用EEG进行热湿舒适性感知表征的可行性；且当热感不舒适时θ波下降，而β和γ波上升，而冷感不舒适时只有θ波下降。相比于服装隔热性指标而言，利用EEG技术进行个体的热舒适预测精度也有所增加。在研究夏季空调座椅的接触冷暖感舒适性感知的过程也表明，人体感知为较为舒适放松时，θ波和α波被激活，β波减小[17]。也有研究摒除了试验室环境，通过现场真实环境进行试验，得出不舒适环境比舒适环境下的波和波频带功率高，且在不舒适的野外环境中，与听觉和视觉系统等高级认知处理有关的γ波也显示出了高活性[18]。

以上结果均显示出α波和θ波与织物的接触舒适度感知呈正相关，而β波和γ波则可能与织物的接触不舒适度感知有关，这种接触舒适度感知包括了手感、热湿和接触压力舒适度感知等。

在实际运用脑电技术的过程中，由于EEG信号微弱、信噪比低，易受到外界的干扰，所以影响脑电图的因素众多，如：年龄和发育情况[19]、觉醒水平与精神活动、体温变化、遗传因素、药物作用[20]、外界刺激(如声刺激、光刺激)[19，21]以及内在心理活动等[22]。这些对于利用EEG技术进行接触舒适度表征的感知来说，都是非常不利的。

1.2 事件相关电位技术

20世纪70年代，Vaughan提出了一种新的可用于表征人体大脑认知活动的神经电信号方法，即ERPs法[23]。不同于EEG，ERPs采用平均叠加技术捕捉大脑诱发电位[24-25]。所谓诱发电位，是指当人的感觉系统受到一定程度的刺激时，神经兴奋会沿着固定的神经通路传递至中枢神经或外周，在传递过程中所产生的电位变化[26]，因此，不同诱发电位的波形和分布有所不同[27]。此外，诱发电位一般都较小，所以引出ERPs的刺激一般是2个或以上，且需要对重复刺激所产生的诱发电位信号进行放大才能显现。ERPs与认知过程有着紧密的联系，为研究织物触觉舒适度大脑感知活动提供了一种新的途径[28]。

基于事件相关电位技术的织物触觉舒适度感知表征原理[29]如图1所示。ERPs 利用叠加技术从EEG中获得图像，经过图像矫正等处理后得到相应电位成分[30]。经典成分包括 P1、N1、P2、N2 和 P3 等，正电位成分用P表示，负电位成分用N表示，如：P1代表刺激约100 ms处出现的正波峰，N2代表刺激约200 ms处出现的负波峰。前3种称为外源性成分，与刺激的物理属性有关；后2种称为内源性成分，反应认知过程[31]。

图1 织物触觉事件相关电位技术原理图

国内方面，主要通过统计分析ERPs波形的振幅偏差，对织物接触舒适感知进行有效评价[32]。关于蚕丝织物的触觉ERPs研究显示，ERPs中的P3波(又称P300波)，其最大波幅与光滑柔软的织物触觉感知成显著正相关[33-35]，且织物表面越光滑,被大脑辨认的速度越慢[10]。此外，触觉相关的ERPs信号还会受到性别的影响，女性ERPs的晚期阳性成分潜伏期比男性短，说明女性对织物识别更敏感[36]。

国外方面，ERPs的P3波实现了用于表达残疾病患群体的舒适性感知[37]。不同质地织物的刺激可诱发不同振幅的事件相关电位中的P3信号[38]，此外，P3是织物表面纹理触觉感知的显著识别信息，织物纹理尺寸值越大，摩擦因数越低，对表面纹理的触觉感知就越敏感[39]。也有研究表明，P3信号对舒适区不同的内容有高水平认知加工的敏感性，被认为是认知舒适区[40]。

综合以上分析，无论是国内还是国外，公认的是ERPs中的P3波与织物的接触舒适感知功能，尤其是表面性能感知有着显著的信息关联。

1.3 功能磁共振成像技术

功能磁共振成像技术是利用核磁共振造影技术来探测神经元活动过程中，人体大脑血液中氧气含量和血流量之间的差值进行成像[41]。由于局部脑血流、脑血容积和局部脑血氧含量的变化速率在神经活动时会参差不同[42]。由此，可通过测量人体在接受某个刺激时各脑区的耗氧量来判断各脑区的活动程度，耗氧量越大，代表该刺激对该脑区所造成的活动程度越大[43]。其表达形式多样，不仅可通过脑成像激活切片图、切片三视图、三维立体脑图直观多面地进行显示观测，还可精确计算大脑响应位置、激活强度、激活范围、激活占比以及脑区间功能连接协作情况[44]等一系列变化。以大脑中前与中正交叉点为坐标原点，从大脑左侧向右侧延伸为X方向，由大脑后侧向前侧延伸为Y方向，由大脑下侧至上侧为Z方向建立三维坐标轴，将人体大脑定位。图2(a)示出沿大脑垂直方向Z轴将大脑切片，以不同色度代表脑区激活强度，可直观显示各层脑区的激活情况。图2(b)从左至右依次为从左向右投射的大脑矢状图、从后向前投射的冠状图、从上向下投射的横状图，同样以不同色度代表激活强度，可以从3个方向直观定位同一脑区的激活情况。图2(c)示出以人体腋中线为中线将脑区分为前后两侧，前侧为腹侧面，后侧为背侧面。由上至下、由左至右依次分别为：左脑外侧、脑背侧、右脑外侧、左脑内侧、脑腹侧、右脑内侧、脑前侧、脑后侧，可实现多维显示脑区激活情况。

图2 功能磁共振成像大脑图

近年来，越来越多的研究人员利用fMRI技术对不同触觉刺激下的人体大脑进行监测，均证实了无论是皮肤之间的相互触摸[45]，还是织物[46]等其他事物的接触刺激，大脑感觉脑区网络均会参与感知过程，且集中于双侧的初级感觉皮层和次级感觉皮层区域，前者与轻微次级的触觉有关，后者与深度次级的触觉有关。在温和、缓慢的触觉刺激中，将高度敏感的机械感受器与无髓鞘的C型纤维连接在一起的特殊系统会被最大程度激活，并产生积极的情感感受[47]。相反地，杏仁核脑区则是公认的感知接触性热痛[48]、视觉不适、不愉快、抑郁[49]、焦虑[50]、痛苦[51]甚至恐惧[52]的根源脑区。一般认为，当轻微不舒适时仅对侧杏仁核激活，而当刺激强度增大时，双侧杏仁核脑区均会激活且激活强度增大。尤其对于恐惧的感知，杏仁核脑区的静息状态功能连接也会产生纵向变化，且这种改变在数小时乃至一周后仍然存在[53]。对于有社交障碍的患者，切除杏仁核脑区后，即使与陌生人面对面触碰也不会感觉到任何不适[54]，以上均表明杏仁核在人体不舒适感知的表达中扮演了重要角色。

2 织物舒适度大脑感知技术比较

2.1 仪器分辨率比较

时空分辨率是判定神经科学仪器精密程度的重要指标，分为空间分辨率和时间分辨率。空间分辨率越高，其识别物体的能力越强，反映图像的空间详细程度。时间分辨率是指重复探测时的时间间隔，反映信息捕捉速度。

空间分辨率方面，无论是脑电图技术还是事件相关电位技术，其空间分辨率均较低，原因为：一是受容积导体效应的影响；二是由于每个人的颅骨都不尽相同且均为非均匀性物质；三是受脑电源间电场开放性不同的影响和限制[34]，所以目前其空间分辨率最高仅可分别达到5和8 cm左右[55]。对于功能磁共振成像技术，由于信号源于神经元兴奋时毛细血管和小静脉内氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白比例的变化，使空间分辨率可高达25～100 μm[56]，目前已处于医学用大脑分子成像领域中的顶尖技术；但也正是由于其超高的反应灵敏性，使得这种触觉大脑感知激活反应系统会随着外界环境、刺激物以及被试者的改变等而有所变化，导致试验的可重复性较低，存在对试验环境、试验对象的统一性要求及图像和数据分析能力较高等缺陷。

时间分辨率方面，事件相关电位技术主要在皮层锥体-中央细胞中产生，以数以千计的神经元产生的细胞外电压聚集在一起，由于电信号的瞬间扩散性，其瞬间传导到头皮，因此，事件相关电位技术提供了一种直接测量神经活动的毫秒级瞬时分辨率，可达1 ms/帧。功能磁共振成像技术的时间分辨率也在毫秒级别，但受限于血流动力学反应的潜伏期，阻碍了血氧水平依赖信号对神经信号的快速响应[57]，导致其没有事件相关电位技术的时间反应快。2019年，中国科学院提出了一种不需要迭代计算的新型并行成像重建算法，实现了具备45 ms/帧的快速高时间分辨率的磁共振成像，可将扫描一次各向同性0.55 mm的头颈一体血管壁的成像时间缩短至5 min以内[58]，但仍稍逊于事件相关电位技术。

2.2 体觉识别度比较

就体觉识别度而言，Hammeke等[59]研究表明，在定位体感皮层时，仅在1.5 T磁场强度的功能磁共振成像下就可轻易满足，随着磁场强度的逐渐提高，目前其灵敏度可高达0.01～1.00 mm[56]，此外，功能磁共振成像技术的体觉特异性一般也有88%[34],完全可以对精细感觉信息进行处理感知，且这种精细感知能力要高于事件相关电位技术。比如：对人体下臂进行轻微的压力触觉刺激，利用事件相关电位技术并不能捕捉触觉信息，但利用高体觉识别度的功能磁共振成像技术则可轻易监测到[60]。所以，利用功能磁共振成像技术对织物的纹理、刚柔、粗糙等特性进行感知识别也十分适用。

2.3 检测安全性能比较

就无痛无损以及检测安全性能来看，虽然脑电图和事件相关电位技术分别记录脑部的自发性电位和诱发电位，但均是通过脑电图仪进行检测的，其仪器本身并不产生电子辐射，也没有放射性辐射，记录的就是人体自身所产生的生物电现象，是脑细胞群自发性、节律性的电活动[61]，因此，检测的安全性较高。

功能磁共振成像技术是根据人体内含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白中氢原子核在一定磁场强度中的顺、逆磁性不同进行成像[62]。虽然无电离辐射[63]，且国内外目前使用的磁场强度也多在3.0 T以内，但强磁场给人体带来的温度效应、中枢神经系统效应和磁流体动力学效应依然存在，因此，功能磁共振成像技术并不适用于所有人。

3 结束语

本文通过对3种先进脑感知技术在织物触觉舒适度感知方面的研究分析得到：就时间分辨率、检测安全性和普适性而言，事件相关电位法更具优势，因此，较适于动态织物舒适度感知的脑区捕捉；从空间分辨率及体觉识别度方面而言，功能磁共振成像技术显然更胜一筹，相比于脑电图、事件相关电位等间接生理学方法，功能磁共振成像技术是一种更为先进的生物成像技术，兼具无创性以及时空分辨力、体觉识别度均较高的优点。所以，在确保试验安全和人员无不适症状的前提下，就追求精准原位表征的目标效果而言，功能磁共振成像技术是迄今为止，能够更为精准捕捉和真实表达人体对织物触觉舒适度感知评价的先进生物手段。