不同室溫下的人體生理參數(shù)與熱感覺(jué)相關(guān)性

劉寧， 王剛， 賈恩燦， 劉鋒， 胡松濤

(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院， 青島 266033)

人們一生中大部分時(shí)間都在室內(nèi)度過(guò)，室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)人類健康和工作效率有重要的影響。測(cè)量受試者的熱感覺(jué)，特別是對(duì)這一數(shù)量的準(zhǔn)確了解，是正確設(shè)計(jì)和控制室內(nèi)環(huán)境，促進(jìn)受試者的幸福感和室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的基礎(chǔ)。熱感覺(jué)是人對(duì)周圍環(huán)境是“冷”還是“熱”的主觀描述，但實(shí)際過(guò)程中人無(wú)法直接感覺(jué)到環(huán)境溫度，而是只能感覺(jué)到位于自己皮膚表面下的神經(jīng)末梢的溫度[1]。截至目前，人體熱感覺(jué)的獲悉大部分通過(guò)主觀的評(píng)價(jià)方法，即采用問(wèn)卷調(diào)查的方式[2-3]。主觀評(píng)價(jià)方法較為可靠、簡(jiǎn)便，但是評(píng)價(jià)結(jié)果存在較大的主觀性。近年來(lái)，研究方法已從主觀評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向主觀和客觀參數(shù)的結(jié)合。一些生理參數(shù)已被用作客觀指標(biāo)，以不斷反映熱感覺(jué)和熱舒適性。Liu等[4]研究發(fā)現(xiàn)皮膚溫度仍可用于評(píng)估在30～39 ℃空氣溫度范圍下的個(gè)體熱感覺(jué)。童明等[5]在對(duì)中熱帶區(qū)和邊緣熱帶區(qū)受試者的人工氣候室的高熱濕反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)熱感覺(jué)與平均皮膚溫度具有很強(qiáng)的相關(guān)性。劉劍橋等[6]發(fā)現(xiàn)受試者的TSV與操作溫度有較顯著的線性關(guān)系，在特定溫度范圍區(qū)間平均皮膚溫度可以較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)頂板輻射供冷環(huán)境下的熱感覺(jué)。Hou等[7]發(fā)現(xiàn)四肢的皮膚溫度與熱感覺(jué)投票(thermal sensation vote，TSV)呈明顯的線性相關(guān)。一系列研究表明可將皮膚溫度作為評(píng)估人體熱感覺(jué)的指標(biāo)。

腦電圖通過(guò)誘導(dǎo)和放大腦神經(jīng)系統(tǒng)變化產(chǎn)生的微觀電勢(shì)的變化來(lái)記錄附著在頭皮上的電極之間的電勢(shì)差。腦電以相當(dāng)快的速度產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)人類的生理反應(yīng)并且可以實(shí)時(shí)測(cè)量這些變化。當(dāng)人們對(duì)熱環(huán)境的感知發(fā)生變化時(shí)，腦電圖會(huì)發(fā)生變化。腦電圖作為室內(nèi)環(huán)境領(lǐng)域不斷發(fā)展的生理參數(shù)，引起了研究人員的關(guān)注。在與腦電相關(guān)的熱感覺(jué)和熱舒適研究領(lǐng)域中，孫建輝等[8]通過(guò)在氣候室設(shè)置不同溫度的階躍變化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在溫度突變環(huán)境下額葉區(qū)的腦電頻譜功率與熱舒適顯著相關(guān)，且隨著舒適程度的增加而降低。Han等[9]研究室內(nèi)熱環(huán)境階躍變化引起的熱不愉悅與腦電圖變化之間的相關(guān)性時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱不滿由熱引起時(shí)，相對(duì)θ頻帶功率降低，相對(duì)β頻帶和γ頻帶功率增加；此外，當(dāng)熱不滿由冷引起時(shí)，相對(duì)θ頻帶功率降低。Mansi等[10]發(fā)現(xiàn)在冷、熱、中性環(huán)境中額葉和顳葉電極對(duì)熱感覺(jué)的敏感性更高。Zhu等[11]研究了不同氣溫和相對(duì)濕度下認(rèn)知活動(dòng)過(guò)程中腦電圖信號(hào)的變化，發(fā)現(xiàn)腦電(electroencephalogram，EEG)功率的顯著變化主要發(fā)生在高溫環(huán)境中，δ頻帶的相對(duì)功率顯著增加，而其他3個(gè)帶的相對(duì)能量顯著降低。Lim等[12]在冬季對(duì)汽車加熱型座椅不同設(shè)置溫度下人體熱感覺(jué)與腦電信號(hào)的相關(guān)性分析中，發(fā)現(xiàn)α/β功率比與熱感覺(jué)滿意度顯著相關(guān)，隨著熱感覺(jué)滿意度的增加，α/β功率比增加，相對(duì)β波功率減少。以往研究表明了腦電在熱舒適研究領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，不同熱環(huán)境條件下腦電與人體主觀熱感覺(jué)的相關(guān)性研究雖有初步進(jìn)展，但關(guān)于定量描述腦電頻譜功率特征與熱感覺(jué)的相關(guān)性研究報(bào)道較少。

現(xiàn)基于生理指標(biāo)的敏感性和可靠性選擇皮膚溫度、腦電頻譜功率指標(biāo)進(jìn)行熱感覺(jué)的相關(guān)性研究，并且在精確控制的空調(diào)環(huán)境下設(shè)置不同的溫度工況來(lái)探究皮膚溫度、腦電頻譜功率這兩個(gè)生理參數(shù)和主觀熱感覺(jué)之間的相關(guān)性，探究人體對(duì)熱環(huán)境的生理反應(yīng)狀況，從而進(jìn)一步為對(duì)于熱舒適生理機(jī)理的認(rèn)識(shí)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

共有14名健康的大學(xué)生(7名男生和7名女生)參與了實(shí)驗(yàn)，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)前簽署了知情同意書(shū)。問(wèn)卷僅用于獲得受試者對(duì)當(dāng)前熱環(huán)境下的主觀熱感覺(jué)評(píng)價(jià)。在正式實(shí)驗(yàn)前的24 h內(nèi)，受試者要保證充足的睡眠，不吸煙、不喝酒或刺激神經(jīng)性的飲料，不劇烈運(yùn)動(dòng)，維持日常生活習(xí)慣，正常飲食，以確保他們的激素、血糖和身體狀況在正常范圍內(nèi)。每個(gè)受試者在正式實(shí)驗(yàn)前都被告知如何完成問(wèn)卷。

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所

這項(xiàng)研究中使用的數(shù)據(jù)來(lái)自溫濕度可調(diào)節(jié)的人工氣候?qū)嶒?yàn)室。如圖1所示，氣候室房間長(zhǎng)4 m，寬3 m，高2.6 m，氣候室內(nèi)無(wú)陽(yáng)光照射，因此輻射溫度的影響可以忽略，將空氣溫度視為操作溫度。氣候室采用孔板頂送風(fēng)的形式，因此可以認(rèn)為送風(fēng)是均勻的，回風(fēng)口置于墻壁的側(cè)下方。氣候室的隔音效果極佳，可以忽略外部的噪聲干擾。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用情緒EPOC設(shè)備公司生產(chǎn)的一款具有高分辨率、非侵入性的便攜式無(wú)線耳機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)受試者在不同室內(nèi)環(huán)境溫度下的腦電圖數(shù)據(jù)。根據(jù)國(guó)際腦電圖協(xié)會(huì)[13]規(guī)定的10/20標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)電極放置方法，它有14個(gè)通道，分別位于AF3、F7、F3、FC5、T7、P7、O1、O2、P8、T8、FC6、F4、F8、AF4，CMS和DRL的兩個(gè)額外頻道是參考，設(shè)備及通道選擇如圖2所示。使用者可以分別選擇以128 Hz和256 Hz進(jìn)行采樣和輸出,故選擇以128 Hz進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣和輸出。氣候室內(nèi)采用交流電力系統(tǒng)的噪聲(50 Hz和60 Hz)已經(jīng)在耳機(jī)內(nèi)進(jìn)行了過(guò)濾。數(shù)據(jù)通過(guò)工作在2.4 GHz的專有USB通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到筆記本電腦。接觸電極處使用鹽溶液潤(rùn)濕，以提高導(dǎo)電性。軟件開(kāi)發(fā)套件具有數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)功能，以檢查是否有數(shù)據(jù)丟失，并且還具有實(shí)時(shí)傳感器接觸質(zhì)量顯示。

圖2 腦電實(shí)驗(yàn)儀器及通道位置Fig.2 EEG experiment equipment and channel location

1.3 主觀評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還記錄了受試者對(duì)不同環(huán)境溫度下的主觀評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)內(nèi)容包括受試者的熱感覺(jué)投票以及熱期望，主觀評(píng)價(jià)采用的ASHRAE七級(jí)熱感覺(jué)標(biāo)度[14]，具體如表1所示。

表1 熱感覺(jué)標(biāo)度及熱期望

1.4 實(shí)驗(yàn)方案和流程

研究旨在探究不同室溫條件對(duì)人體主觀感受以及生理過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)在溫濕度可控的氣候室內(nèi)進(jìn)行，氣候室位于單獨(dú)的房間內(nèi)，室內(nèi)的熱環(huán)境不會(huì)受到室外溫度的影響。實(shí)驗(yàn)中僅設(shè)置了環(huán)境溫度這一單變量，其他環(huán)境參數(shù)保持一致，個(gè)人因素中的服裝熱阻和代謝率在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也是一致的，確保受試者的熱感覺(jué)變化僅由室內(nèi)的溫度變化引起。因此，在人工氣候?qū)嶒?yàn)室內(nèi)分別設(shè)置了18、24、30 ℃的3種環(huán)境溫度，以確保受試者可以明顯感受到溫度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的熱感覺(jué)變化。

在每次試驗(yàn)開(kāi)始前，由實(shí)驗(yàn)人員將EMOTIV EPOC設(shè)備給受試者佩戴好，并貼好皮膚溫度測(cè)點(diǎn)，確保電極良好接觸，數(shù)據(jù)可以正確采集、導(dǎo)出。受試者在氣候室內(nèi)適應(yīng)10～15 min，盡可能降低上一階段受試者所處熱環(huán)境對(duì)當(dāng)下實(shí)驗(yàn)的影響[15]。隨后受試者被要求再保持靜坐20 min，用以采集腦電數(shù)據(jù)，最后再收集受試者在實(shí)驗(yàn)期間的主觀問(wèn)卷調(diào)查，問(wèn)卷用于調(diào)查室內(nèi)環(huán)境方面的主觀感受。由于佩戴EMOTIV EPOC設(shè)備相當(dāng)于增加受試者的服裝覆蓋范圍，這可能會(huì)影響熱感覺(jué)，因此在每次實(shí)驗(yàn)之前和之后記錄每位受試者的熱感覺(jué)變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取下受試者身上的腦電收集設(shè)備，并確認(rèn)受試者身體狀態(tài)是否存在任何異常，實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.3 Experimental flowchart

2 結(jié)果與分析

原始數(shù)據(jù)由運(yùn)行在MATLAB R2018b中的EEGLAB工具箱進(jìn)行預(yù)處理，高通和低筒閾值分別設(shè)置為0.5 Hz和35 Hz，以消除直流(deflection coefficient, DC)偏移以及低、高頻偽跡。通過(guò)手動(dòng)滾動(dòng)數(shù)據(jù)，剔除非定型偽跡(如不規(guī)則的頭部運(yùn)動(dòng))。然后通過(guò)獨(dú)立成分分析(independent component analysis，ICA)剔除定型偽跡，如水平眼動(dòng)(horizontal electrooculography, HEOG)與垂直眼動(dòng)(vertical electrooculography, VEOG)。通過(guò)巴特沃斯濾波器提取δ(0.5～4 Hz)、θ(4～8 Hz)、α(8～13 Hz)和β(13～30 Hz)頻帶，利用快速傅里葉變換對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜功率計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)用以對(duì)不同室溫下的主觀評(píng)價(jià)同客觀生理參數(shù)的相關(guān)性分析。

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)是將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)變至頻域的一種方法，相較于離散傅里葉變換，F(xiàn)FT具有循環(huán)過(guò)程減少、計(jì)算速度快。將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)變至頻域的FFT在數(shù)學(xué)上的表達(dá)公式參考文獻(xiàn)[16-17]。

2.2 熱感覺(jué)與皮膚溫度

人體皮膚溫度由體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)決定，是人體重要的生理參數(shù)之一。皮膚溫度采集測(cè)點(diǎn)使用的是精度為±0.1 ℃的紐扣型皮膚溫度存儲(chǔ)器，測(cè)點(diǎn)按7點(diǎn)法布置，平均皮膚溫度的計(jì)算公式[18]為

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分別為平均皮膚溫度、額頭溫度、腹部溫度、前臂溫度、左手背溫度、大腿溫度、小腿溫度和腳背溫度， ℃。

皮爾遜相關(guān)系數(shù)用于分析平均皮膚溫度、額頭溫度與熱感覺(jué)的關(guān)系，結(jié)果如表2所示。

表2 平均皮膚溫度、額頭溫度與TSV的關(guān)系

從表2中可以看出，受試者的整體熱感覺(jué)同平均皮膚溫度、額頭溫度之間顯著相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)分別為0.651、0.601。因此獲得了受試者TSV同3種不同室溫工況下的平均皮膚溫度和額頭溫度之間的關(guān)系圖，如圖4、圖5所示。

如圖4、圖5所示，隨著環(huán)境溫度的階躍升高，受試者的主觀熱感覺(jué)評(píng)價(jià)經(jīng)歷了由“冷”到“中性”再到“熱”的過(guò)程。受試者處在不同環(huán)境溫度工況下的熱感覺(jué)變化趨勢(shì)同平均皮膚溫度和額頭溫度的變化趨勢(shì)都具有比較明顯的關(guān)系。受試者的平均皮膚溫度、額頭溫度變化趨勢(shì)同熱感覺(jué)投票值變化趨勢(shì)一致，三者均有小幅升高，皮爾遜相關(guān)性分析也表明皮膚溫度、額頭溫度與TSV之間顯著相關(guān)。

圖4 TSV與平均皮膚溫度Fig.4 TSV and mean skin temperature

圖5 TSV與額頭溫度Fig.5 TSV and forehead temperature

冷刺激的痛覺(jué)纖維、冷纖維、熱刺激的痛覺(jué)纖維、熱纖維在不同皮膚溫度下的反應(yīng)不同，如圖6所示。在18 ℃的冷空調(diào)環(huán)境下，感受器受到冷刺激，隨著皮膚溫度的升高，冷感受器的放電頻率持續(xù)升高，在皮膚溫度約為24 ℃時(shí)達(dá)到峰值；當(dāng)皮膚溫度達(dá)到約30 ℃時(shí)，熱感受器開(kāi)始接受刺激。在本實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中受試者經(jīng)歷了18、24和30 ℃的空調(diào)環(huán)境溫度，平均皮膚溫度在29.5～33.5 ℃，當(dāng)受試者處于冷環(huán)境時(shí)(18 ℃室溫，TSV<-1)，平均皮膚溫度約為31 ℃，此時(shí)冷、熱感受器均接受刺激，但是冷感受器的放電頻率更高，即通過(guò)感受器傳遞的“冷”信號(hào)更多；當(dāng)受試者處于熱環(huán)境時(shí)(30 ℃室溫，TSV>1)，平均皮膚溫度約為33.5 ℃，此時(shí)的冷感受器放電頻率下降，熱感受器的放電頻率上升，即通過(guò)感受器傳遞的“熱”信號(hào)增多，“冷”信號(hào)減少。皮膚溫度會(huì)影響感受器的放電頻率，進(jìn)而影響人的熱感覺(jué)。圖6在一定程度上也揭示了皮膚溫度與TSV的相關(guān)性。

圖6 冷痛纖維、冷纖維、保暖纖維、熱痛纖維在不同皮膚溫度下的放電頻率[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與腦電頻譜功率

腦電頻譜功率與TSV的皮爾遜相關(guān)分析結(jié)果如表3所示。

表3 腦電頻譜功率與熱感覺(jué)的關(guān)系

從表3中可以看出，受試者的TSV同δ以及α頻帶的平均功率之間顯著相關(guān)，與β頻帶的平均功率中度相關(guān)，三者的皮爾遜相關(guān)性系數(shù)分別為0.533、0.814、-0.461。因此獲得了TSV與δ、α、β頻帶平均功率的關(guān)系，如圖7所示。隨著TSV的上升，δ頻帶的平均頻譜功率先迅速增加后逐漸平緩。需要注意的是在實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)，平均頻譜功率值在TSV為-2時(shí)達(dá)到了最小值，低于該頻帶中任何其他投票下的功率值。α頻帶的平均頻譜功率變化趨勢(shì)同δ頻帶一致，同樣是在TSV為-2時(shí)達(dá)到了最小值。β頻帶的平均頻譜功率先增大后逐漸減小，最后趨于平緩，應(yīng)該注意的是，δ、β頻帶的平均功率均在TSV為-1時(shí)達(dá)到最大值，α頻帶僅在TSV為-1時(shí)達(dá)到極大值。

圖7 主觀熱感覺(jué)與各頻帶的平均頻譜功率Fig.7 TSV and mean spectral power of each frequency band

為了更準(zhǔn)確地反映TSV與δ、β、α頻帶的平均頻譜功率之間的關(guān)系，使用OriginPro 2018C來(lái)擬合TSV與δ、β、α頻帶的平均頻譜功率關(guān)系，擬合結(jié)果如圖8所示。

圖8 主觀熱感覺(jué)與各頻帶平均功率的擬合圖Fig.8 Fitting graph of subjective thermal sensation and average power in each frequency band

觀察圖8(a)、圖8(b)，由受試者TSV與δ、α頻帶的平均頻譜功率擬合曲線變化可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)條件下，冷環(huán)境下單位TSV變化標(biāo)度下的平均頻譜功率變化幅度(即曲線斜率變化)要高于熱環(huán)境；對(duì)于圖8(c)的TSV與β頻帶平均頻譜功率，在中性熱感覺(jué)投票值0的左半軸，即由冷環(huán)境過(guò)渡到中性環(huán)境的單位TSV變化標(biāo)度下的平均頻譜功率變化幅度要高于由中性環(huán)境過(guò)渡到熱環(huán)境平均頻譜功率變化幅度。

受試者TSV與δ、α頻帶的平均頻譜功率擬合曲線表達(dá)式分別如下。

(2)

(3)

(4)

3 結(jié)論

采用客觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與主觀問(wèn)卷調(diào)查相結(jié)合的方式，利用EEGLAB工具箱對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并通過(guò)快速傅里葉變換能量分析，探究人體在冷環(huán)境、中性環(huán)境、熱環(huán)境3種環(huán)境下，平均皮膚溫度、額頭溫度以及腦電圖不同頻段的能量變化與主觀熱感覺(jué)之間的關(guān)系，得出如下結(jié)論。

(1)受試者處在不同環(huán)境溫度工況下，皮膚溫度、額頭溫度與TSV之間顯著相關(guān)。隨著環(huán)境溫度的階躍升高，受試者經(jīng)歷了由“冷”到“中性”再到“熱”的階段后，TSV同平均皮膚溫度和額頭溫度的變化趨勢(shì)具有明顯的一致性，三者均有小幅升高。

(2)人體在適應(yīng)冷、中性、熱三種溫度下的室內(nèi)環(huán)境時(shí)，腦電圖中不同頻帶的能量與人體自身的熱感覺(jué)變化具有一定的關(guān)聯(lián)性。受試者的TSV變化同δ以及α頻帶的平均頻譜功率之間顯著相關(guān)，與β頻帶的平均頻譜功率中度相關(guān)。受試者TSV與δ、α和β頻帶平均頻譜功率擬合曲線，揭示了冷環(huán)境下單位TSV變化標(biāo)度下的平均頻譜功率變化幅度要高于熱環(huán)境，在腦電頻譜功率這一生理學(xué)角度揭示人體對(duì)冷環(huán)境變化更為敏感。

(3)采用巴特沃斯濾波和FFT計(jì)算不同頻段的頻譜功率，通過(guò)大腦皮層神經(jīng)元突觸的能量以及皮膚溫度的變化評(píng)價(jià)人體熱感覺(jué)變化，在生理學(xué)上具有可行性。