不同室温下的人体生理参数与热感觉相关性

刘宁， 王刚， 贾恩灿， 刘锋， 胡松涛

(青岛理工大学环境与市政工程学院， 青岛 266033)

人们一生中大部分时间都在室内度过，室内热环境对人类健康和工作效率有重要的影响。测量受试者的热感觉，特别是对这一数量的准确了解，是正确设计和控制室内环境，促进受试者的幸福感和室内环境质量的基础。热感觉是人对周围环境是“冷”还是“热”的主观描述，但实际过程中人无法直接感觉到环境温度，而是只能感觉到位于自己皮肤表面下的神经末梢的温度[1]。截至目前，人体热感觉的获悉大部分通过主观的评价方法，即采用问卷调查的方式[2-3]。主观评价方法较为可靠、简便，但是评价结果存在较大的主观性。近年来，研究方法已从主观评价转向主观和客观参数的结合。一些生理参数已被用作客观指标，以不断反映热感觉和热舒适性。Liu等[4]研究发现皮肤温度仍可用于评估在30～39 ℃空气温度范围下的个体热感觉。童明等[5]在对中热带区和边缘热带区受试者的人工气候室的高热湿反应实验中发现热感觉与平均皮肤温度具有很强的相关性。刘剑桥等[6]发现受试者的TSV与操作温度有较显著的线性关系，在特定温度范围区间平均皮肤温度可以较准确预测顶板辐射供冷环境下的热感觉。Hou等[7]发现四肢的皮肤温度与热感觉投票(thermal sensation vote，TSV)呈明显的线性相关。一系列研究表明可将皮肤温度作为评估人体热感觉的指标。

脑电图通过诱导和放大脑神经系统变化产生的微观电势的变化来记录附着在头皮上的电极之间的电势差。脑电以相当快的速度产生，对应人类的生理反应并且可以实时测量这些变化。当人们对热环境的感知发生变化时，脑电图会发生变化。脑电图作为室内环境领域不断发展的生理参数，引起了研究人员的关注。在与脑电相关的热感觉和热舒适研究领域中，孙建辉等[8]通过在气候室设置不同温度的阶跃变化实验，发现在温度突变环境下额叶区的脑电频谱功率与热舒适显著相关，且随着舒适程度的增加而降低。Han等[9]研究室内热环境阶跃变化引起的热不愉悦与脑电图变化之间的相关性时，发现当热不满由热引起时，相对θ频带功率降低，相对β频带和γ频带功率增加；此外，当热不满由冷引起时，相对θ频带功率降低。Mansi等[10]发现在冷、热、中性环境中额叶和颞叶电极对热感觉的敏感性更高。Zhu等[11]研究了不同气温和相对湿度下认知活动过程中脑电图信号的变化，发现脑电(electroencephalogram，EEG)功率的显著变化主要发生在高温环境中，δ频带的相对功率显著增加，而其他3个带的相对能量显著降低。Lim等[12]在冬季对汽车加热型座椅不同设置温度下人体热感觉与脑电信号的相关性分析中，发现α/β功率比与热感觉满意度显著相关，随着热感觉满意度的增加，α/β功率比增加，相对β波功率减少。以往研究表明了脑电在热舒适研究领域的应用潜力，不同热环境条件下脑电与人体主观热感觉的相关性研究虽有初步进展，但关于定量描述脑电频谱功率特征与热感觉的相关性研究报道较少。

现基于生理指标的敏感性和可靠性选择皮肤温度、脑电频谱功率指标进行热感觉的相关性研究，并且在精确控制的空调环境下设置不同的温度工况来探究皮肤温度、脑电频谱功率这两个生理参数和主观热感觉之间的相关性，探究人体对热环境的生理反应状况，从而进一步为对于热舒适生理机理的认识提供依据。

1 实验方法

共有14名健康的大学生(7名男生和7名女生)参与了实验，他们在实验前签署了知情同意书。问卷仅用于获得受试者对当前热环境下的主观热感觉评价。在正式实验前的24 h内，受试者要保证充足的睡眠，不吸烟、不喝酒或刺激神经性的饮料，不剧烈运动，维持日常生活习惯，正常饮食，以确保他们的激素、血糖和身体状况在正常范围内。每个受试者在正式实验前都被告知如何完成问卷。

1.1 实验场所

这项研究中使用的数据来自温湿度可调节的人工气候实验室。如图1所示，气候室房间长4 m，宽3 m，高2.6 m，气候室内无阳光照射，因此辐射温度的影响可以忽略，将空气温度视为操作温度。气候室采用孔板顶送风的形式，因此可以认为送风是均匀的，回风口置于墙壁的侧下方。气候室的隔音效果极佳，可以忽略外部的噪声干扰。

1.2 实验设备

实验采用情绪EPOC设备公司生产的一款具有高分辨率、非侵入性的便携式无线耳机来监测受试者在不同室内环境温度下的脑电图数据。根据国际脑电图协会[13]规定的10/20标准导联系统电极放置方法，它有14个通道，分别位于AF3、F7、F3、FC5、T7、P7、O1、O2、P8、T8、FC6、F4、F8、AF4，CMS和DRL的两个额外频道是参考，设备及通道选择如图2所示。使用者可以分别选择以128 Hz和256 Hz进行采样和输出,故选择以128 Hz进行数据的采样和输出。气候室内采用交流电力系统的噪声(50 Hz和60 Hz)已经在耳机内进行了过滤。数据通过工作在2.4 GHz的专有USB通过蓝牙发送到笔记本电脑。接触电极处使用盐溶液润湿，以提高导电性。软件开发套件具有数据包计数功能，以检查是否有数据丢失，并且还具有实时传感器接触质量显示。

图2 脑电实验仪器及通道位置Fig.2 EEG experiment equipment and channel location

1.3 主观评价

实验过程中还记录了受试者对不同环境温度下的主观评价，评价内容包括受试者的热感觉投票以及热期望，主观评价采用的ASHRAE七级热感觉标度[14]，具体如表1所示。

表1 热感觉标度及热期望

1.4 实验方案和流程

研究旨在探究不同室温条件对人体主观感受以及生理过程的影响。实验在温湿度可控的气候室内进行，气候室位于单独的房间内，室内的热环境不会受到室外温度的影响。实验中仅设置了环境温度这一单变量，其他环境参数保持一致，个人因素中的服装热阻和代谢率在整个实验过程中也是一致的，确保受试者的热感觉变化仅由室内的温度变化引起。因此，在人工气候实验室内分别设置了18、24、30 ℃的3种环境温度，以确保受试者可以明显感受到温度的变化而产生相应的热感觉变化。

在每次试验开始前，由实验人员将EMOTIV EPOC设备给受试者佩戴好，并贴好皮肤温度测点，确保电极良好接触，数据可以正确采集、导出。受试者在气候室内适应10～15 min，尽可能降低上一阶段受试者所处热环境对当下实验的影响[15]。随后受试者被要求再保持静坐20 min，用以采集脑电数据，最后再收集受试者在实验期间的主观问卷调查，问卷用于调查室内环境方面的主观感受。由于佩戴EMOTIV EPOC设备相当于增加受试者的服装覆盖范围，这可能会影响热感觉，因此在每次实验之前和之后记录每位受试者的热感觉变化。实验结束后取下受试者身上的脑电收集设备，并确认受试者身体状态是否存在任何异常，实验流程如图3所示。

图3 实验流程图Fig.3 Experimental flowchart

2 结果与分析

原始数据由运行在MATLAB R2018b中的EEGLAB工具箱进行预处理，高通和低筒阈值分别设置为0.5 Hz和35 Hz，以消除直流(deflection coefficient, DC)偏移以及低、高频伪迹。通过手动滚动数据，剔除非定型伪迹(如不规则的头部运动)。然后通过独立成分分析(independent component analysis，ICA)剔除定型伪迹，如水平眼动(horizontal electrooculography, HEOG)与垂直眼动(vertical electrooculography, VEOG)。通过巴特沃斯滤波器提取δ(0.5～4 Hz)、θ(4～8 Hz)、α(8～13 Hz)和β(13～30 Hz)频带，利用快速傅里叶变换对滤波后的数据进行频谱功率计算，计算数据用以对不同室温下的主观评价同客观生理参数的相关性分析。

2.1 数据处理方法

快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)是将信号从时域转变至频域的一种方法，相较于离散傅里叶变换，FFT具有循环过程减少、计算速度快。将信号从时域转变至频域的FFT在数学上的表达公式参考文献[16-17]。

2.2 热感觉与皮肤温度

人体皮肤温度由体温调节系统决定，是人体重要的生理参数之一。皮肤温度采集测点使用的是精度为±0.1 ℃的纽扣型皮肤温度存储器，测点按7点法布置，平均皮肤温度的计算公式[18]为

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分别为平均皮肤温度、额头温度、腹部温度、前臂温度、左手背温度、大腿温度、小腿温度和脚背温度， ℃。

皮尔逊相关系数用于分析平均皮肤温度、额头温度与热感觉的关系，结果如表2所示。

表2 平均皮肤温度、额头温度与TSV的关系

从表2中可以看出，受试者的整体热感觉同平均皮肤温度、额头温度之间显著相关，相关性系数分别为0.651、0.601。因此获得了受试者TSV同3种不同室温工况下的平均皮肤温度和额头温度之间的关系图，如图4、图5所示。

如图4、图5所示，随着环境温度的阶跃升高，受试者的主观热感觉评价经历了由“冷”到“中性”再到“热”的过程。受试者处在不同环境温度工况下的热感觉变化趋势同平均皮肤温度和额头温度的变化趋势都具有比较明显的关系。受试者的平均皮肤温度、额头温度变化趋势同热感觉投票值变化趋势一致，三者均有小幅升高，皮尔逊相关性分析也表明皮肤温度、额头温度与TSV之间显著相关。

图4 TSV与平均皮肤温度Fig.4 TSV and mean skin temperature

图5 TSV与额头温度Fig.5 TSV and forehead temperature

冷刺激的痛觉纤维、冷纤维、热刺激的痛觉纤维、热纤维在不同皮肤温度下的反应不同，如图6所示。在18 ℃的冷空调环境下，感受器受到冷刺激，随着皮肤温度的升高，冷感受器的放电频率持续升高，在皮肤温度约为24 ℃时达到峰值；当皮肤温度达到约30 ℃时，热感受器开始接受刺激。在本实验研究过程中受试者经历了18、24和30 ℃的空调环境温度，平均皮肤温度在29.5～33.5 ℃，当受试者处于冷环境时(18 ℃室温，TSV<-1)，平均皮肤温度约为31 ℃，此时冷、热感受器均接受刺激，但是冷感受器的放电频率更高，即通过感受器传递的“冷”信号更多；当受试者处于热环境时(30 ℃室温，TSV>1)，平均皮肤温度约为33.5 ℃，此时的冷感受器放电频率下降，热感受器的放电频率上升，即通过感受器传递的“热”信号增多，“冷”信号减少。皮肤温度会影响感受器的放电频率，进而影响人的热感觉。图6在一定程度上也揭示了皮肤温度与TSV的相关性。

图6 冷痛纤维、冷纤维、保暖纤维、热痛纤维在不同皮肤温度下的放电频率[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与脑电频谱功率

脑电频谱功率与TSV的皮尔逊相关分析结果如表3所示。

表3 脑电频谱功率与热感觉的关系

从表3中可以看出，受试者的TSV同δ以及α频带的平均功率之间显著相关，与β频带的平均功率中度相关，三者的皮尔逊相关性系数分别为0.533、0.814、-0.461。因此获得了TSV与δ、α、β频带平均功率的关系，如图7所示。随着TSV的上升，δ频带的平均频谱功率先迅速增加后逐渐平缓。需要注意的是在实验研究范围内，平均频谱功率值在TSV为-2时达到了最小值，低于该频带中任何其他投票下的功率值。α频带的平均频谱功率变化趋势同δ频带一致，同样是在TSV为-2时达到了最小值。β频带的平均频谱功率先增大后逐渐减小，最后趋于平缓，应该注意的是，δ、β频带的平均功率均在TSV为-1时达到最大值，α频带仅在TSV为-1时达到极大值。

图7 主观热感觉与各频带的平均频谱功率Fig.7 TSV and mean spectral power of each frequency band

为了更准确地反映TSV与δ、β、α频带的平均频谱功率之间的关系，使用OriginPro 2018C来拟合TSV与δ、β、α频带的平均频谱功率关系，拟合结果如图8所示。

图8 主观热感觉与各频带平均功率的拟合图Fig.8 Fitting graph of subjective thermal sensation and average power in each frequency band

观察图8(a)、图8(b)，由受试者TSV与δ、α频带的平均频谱功率拟合曲线变化可以发现，在实验条件下，冷环境下单位TSV变化标度下的平均频谱功率变化幅度(即曲线斜率变化)要高于热环境；对于图8(c)的TSV与β频带平均频谱功率，在中性热感觉投票值0的左半轴，即由冷环境过渡到中性环境的单位TSV变化标度下的平均频谱功率变化幅度要高于由中性环境过渡到热环境平均频谱功率变化幅度。

受试者TSV与δ、α频带的平均频谱功率拟合曲线表达式分别如下。

(2)

(3)

(4)

3 结论

采用客观实验数据与主观问卷调查相结合的方式，利用EEGLAB工具箱对实验测得脑电数据进行预处理，并通过快速傅里叶变换能量分析，探究人体在冷环境、中性环境、热环境3种环境下，平均皮肤温度、额头温度以及脑电图不同频段的能量变化与主观热感觉之间的关系，得出如下结论。

(1)受试者处在不同环境温度工况下，皮肤温度、额头温度与TSV之间显著相关。随着环境温度的阶跃升高，受试者经历了由“冷”到“中性”再到“热”的阶段后，TSV同平均皮肤温度和额头温度的变化趋势具有明显的一致性，三者均有小幅升高。

(2)人体在适应冷、中性、热三种温度下的室内环境时，脑电图中不同频带的能量与人体自身的热感觉变化具有一定的关联性。受试者的TSV变化同δ以及α频带的平均频谱功率之间显著相关，与β频带的平均频谱功率中度相关。受试者TSV与δ、α和β频带平均频谱功率拟合曲线，揭示了冷环境下单位TSV变化标度下的平均频谱功率变化幅度要高于热环境，在脑电频谱功率这一生理学角度揭示人体对冷环境变化更为敏感。

(3)采用巴特沃斯滤波和FFT计算不同频段的频谱功率，通过大脑皮层神经元突触的能量以及皮肤温度的变化评价人体热感觉变化，在生理学上具有可行性。