基于EEG 的負離子功能服裝評價研究

莊蘇楠,張英姿,張技術

(常熟理工學院 紡織服裝與設計學院,江蘇 常熟215500)

負離子具有促進人體新陳代謝的積極作用,如改善呼吸系統,提高肺活量；增強腦組織的氧化過程,改善睡眠質量；增加血液中的含氧量,有利于人體血氧的輸送、吸收等[1-2],因此,被賦予“空氣維生素”和“長生素”的稱號[3]。醫學研究證明,負氧離子有18%是通過人的呼吸道被吸收,82%通過皮膚被人體吸收[4]。服裝素有人體第二皮膚的美譽,與人體皮膚密切接觸,負離子功能服裝釋放的負離子更有益于人體吸收。因此,負離子功能服裝產品的研發和性能評價成為人們關注的焦點。腦電圖(elecxtoencephalogram,EEG)是通過電極記錄下來的腦細胞群的自發性、節律性電活動。將腦電采集生理數據的方式運用到負離子紡織品功效的評價,通過分析腦電波,探究負離子功能服裝穿著在人體時引起的神經生理反應,可為負離子服裝的開發應用提供理論依據。

1 腦電圖應用于負離子功能紡織品性能評價的相關研究

人體受到外界刺激時會引發一定生理指標的變化,研究這些變化與人心理活動的關系,并做出定量或定性的描述,這種研究方法就是電生理實驗法[5]。由于這種外界刺激產生的本能反應,是不受大腦意識控制的瞬時反應,所以能夠真實而客觀地表現人體受到刺激時的感官反應。

腦科學的發展為紡織品的研究提供了新的思路,尤其是對織物觸感的評價和認知進程有著重要的影響。如Sugita等運用腦電方法研究了束腰帶與穿著舒適性的關系,事件相關電位(ERP)反映了大腦在客體信息加工時對刺激的識別、分辨、判斷等認知活動[5]；Yohsuke Horiba等運用ERP 的方法研究3種不同的試樣,如毛毯、棉布、砂紙,刺激測試者的左前腕內側的ERP變化,研究發現織物風格特征對P3的振幅有明顯的影響[6]；東華大學王藝霈在服裝穿著舒適性的研究中使用了EEG 方法,發現α波能量百分比在左側枕部和右側枕部與部分客觀指標和主觀感知之間有明顯的關聯性,得出客觀電生理指標α波能量百分比可以評價服裝穿著舒適性的結論[7]；蘇州大學的張旭靖利用腦電反應和皮膚電反應檢測受試者接觸內衣織物時的觸感,分析發現當織物觸感越粗糙硬挺,α節律越受到抑制,β節律百分比出現高頻優勢,若織物對皮膚的觸感越不適,對皮膚刺激越大,就會引起交感神經興奮,支配汗腺分泌出汗液,導致皮膚電阻下降,電導率上升[8]。

神經生理學的發展及可穿戴設備的普及,使得人們能夠采集生理數據,學者將其運用到負離子功效的研究中,通過分析腦電圖來研究負離子作用于人體時所引起的腦波變化。如M·Assael研究了10名受試者暴露在負離子濃度為3.5×105個/cm3的環境中,連續記錄45～60 min的腦電圖,發現α波的頻率由10～11 Hz減少到8～9 Hz,波幅增加了20%[9]；張甬泉在某地下建筑房間內控制負離子濃度大約在2 400、10 000個/cm3,進行分組試驗,試驗中采用腦電、主觀感覺調查和脈搏、血壓以及智力測試方法,分析得出隨著空氣負離子增加,人體腦電波α波增加,δ、θ波減少,證明了負離子能促使人員清醒、興奮[10]；文蘭穎選取了肺功能較差的男性大學生,呼吸不同濃度的負離子進行呼吸訓練,分析呼吸機力量指標的數據變化,發現在高濃度的負氧離子環境中能夠改善人體的呼吸肌力量以及肺通氣功能[11]。

2 試驗部分

2.1 儀器與材料

儀器:西班牙Enobio腦電系統,采樣率500 SPS,32通道,分辨率24 bit。

材料:兩件M 碼的女式T 恤衫,其中一件是經過負離子整理液處理過的負離子純棉T 恤衫,另一件是不含有負離子的正常純棉T 恤衫。

2.2 被試者

隨機選取3名年齡為20～25歲的在校女大學生或碩士研究生參加試驗,她們具有正常的認知能力,無神經類疾病,試驗前均未服用任何神經抑制類的藥物,自愿參加試驗。不同年齡段的大腦發育情況有所不同,其相對應的腦電圖特征也有著較大的差別。因此,為了降低由于年齡、發育情況而造成的差異,減少對試驗產生影響的因素,此次試驗選取了年齡較為相近、教育程度相近、沒有遺傳病史的受試者。標記穿正常純棉T 恤一組為A 組,標記穿著負離子T 恤一組為B組。

2.3 測試要求與流程

2.3.1 試驗前的準備

(1)試驗人員向受試者描述試驗流程及目的,并說明此項試驗無損傷無痛苦,消除受試者的緊張情緒。

(2)在采集腦電數據前,受試者應洗凈頭發與頭皮并吹干頭發,去除頭皮表面的油脂和頭屑,禁止使用護發素等護發用品,避免因頭皮電阻過高影響腦電信號的采集。

(3)由于血糖過低會影響腦電圖的結果,所以試驗要在餐后1 h進行,受試者在進行試驗前需先在室內適應20 min以保持情緒穩定。

(4)為了保證試驗的精確性,試驗前將2件T 恤衫在恒溫恒濕實驗室內平衡24 h。

(5)腦電采集參數設置:試驗選擇電極帽上的6個電極通道,分別為AF3、AF4、CP5、CP6、PO7、PO8,以右耳為參考電極,采樣率為500 SPS,如圖1所示。

(6)受試者以舒適的姿勢坐在椅子上,在試驗過程中全程閉眼,以防外界環境中的光源及其他視覺刺激的影響,受試者在試驗過程中盡量不擺動頭部和晃動身體,如圖2所示。

圖1 電極位置分布

圖2 受試者靜坐

2.3.2 試驗過程

試驗環境為溫度(23±3)℃,濕度(65±5)%。環境安靜,且無任何光源刺激,避免其他信號對采集生理信號產生影響及噪聲對受試者的影響。受試者靜坐于椅子上,待6個通道的信號燈指示變綠(即信號良好)時,受試者穿戴衣物,試驗過程中保持安靜,給受試者穿衣物時不要觸碰、干擾受試者。穿好衣服后開始記錄數據,連續記錄受試者在穿上試驗T 恤后20 min內的腦電波信號。在受試者穿著不含負離子T 恤測試完畢后受試者靜息10 min,由試驗人員更換另一件含負離子的T 恤,同樣在更換過程中不能觸碰或干擾受試者。

2.4 腦電參數優選

臨床醫學證明負離子能夠穿透皮膚引起深部組織的生理反應,刺激神經感受器引起溫度和血管反應,而且能夠增加腦電波中的α波[12]。人的心情與腦電波中的α波有關,當人感覺放松、舒適時α波增加,狀態消極時α波會受到抑制。腦電節律強度受到血液循環系統的影響,血液循環速度加快,腦電波α波增加。顏色的深淺表示波強度的腦電地形圖以及各節律所占腦電波頻率的百分比反映出了受試者的生理變化,可以清晰的看出負離子服裝對腦電波的影響。因此選取腦電波的α節律作為研究指標,通過分析α波所占腦電波頻率的百分比以及α波腦電地形圖來研究負離子服裝對人體腦電信號的影響。

3 結果與討論

3.1 α節律百分比變化

表1給出了A 組和B組的α節律百分比。分析表1的數據可以發現,受試人員穿上負離子T 恤后,α節律的百分比均高于穿正常T 恤的α節律百分比,與負離子對人體的功效是一致的。可見,穿著負離子服裝能夠引起人體生理反應,增加人腦電波中的α波。因α波與人們的心情有關,可以推測負離子服裝能夠使人體感到舒適、心情放松。

表1 α節律百分比 單位:%

3.2 α波強度變化

圖3給出了受試人員穿正常T 恤和穿負離子T恤的平均α波的強度地形圖。通過圖3(a)和圖3(b)的對比,可以發現B 組的紅色區域明顯大于A 組,且顏色深于A 組。可以推斷B組的α波強度大于A 組,說明人穿著負離子服裝能夠使腦波中α波強度增加,促進人體血液循環。

4 結語

采用EEG 分析人體生理和心理的變化是一種較為客觀的方法,能夠為人們開展科學研究提供有力的參考數據。通過采集人在穿著負離子服裝前后的腦電波,分析腦電波中α節律百分比以及α波腦電強度地形圖,發現穿著負離子功能服裝能夠增加腦電波中的α波,使人心情放松。

圖3 α波強度地形圖