事件相關電位技術在織物觸覺舒適度評價中的研究進展

翟淑娜，苑 潔,b，婁 琳,b,c,d

(浙江理工大學， a.服裝學院； b.絲綢文化傳承與產品設計數字化技術文化和旅游部重點實驗室； c.先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室； d.浙江省纖維材料和加工技術研究重點實驗室，杭州 310018)

如今，不斷發展的現代化產業和持續提高的生活水平使得各種具有一定功能性的接觸壓力紡織品如雨后春筍般涌出，如柔性可穿戴電子織物、智能紡織品、高性能運動服、瑜伽服等，人們對于可穿戴織物的合體性、功能性和舒適性的健康設計要求也在逐步提高，在目前已進入老齡化社會的中國，織物觸覺舒適度研究更顯急迫。

利用平均疊加方式從腦電圖信號中提取誘發電位的事件相關電位技術(Event-related potentials，ERPs)可用于客觀的生理心理學評價[1]，該技術為探究人體生理客觀舒適性表征提供了新思路。近年來，其時間分辨率從傳統腦電圖法的秒級提升至百微秒級[2]，能夠實現迅速捕捉與織物舒適度相關的腦電感知信號變化，這對于探索織物舒適度動態感知機制具有極大意義。

1 基于ERPs技術的織物觸覺舒適度表征原理

大腦皮層是織物觸覺舒適度感知形成的起源位置，主要由神經細胞組成。當神經細胞受到刺激時，在胞體、軸突和樹突交叉組合的連接下，傳遞興奮或抑制沖動，形成腦電波[3-5]。在此基礎上，將對外界特定事件刺激引起的某些腦區電位變化分離出來，進行分段、過濾和疊加平均得到與時間相關的相關腦電活動，即為事件相關電位技術[6]。

基于ERPs技術可以對織物接觸刺激下的相關腦區進行有效的實時監測，從而得到與織物觸覺舒適度相關的電位成分，進行織物觸覺舒適度的表征，表征原理如圖1所示。ERPs實驗刺激方主要包括等概率刺激、隨機序列刺激、忽略目標刺激、局部概率刺激、局部-全局交互刺激等多種方式。當人體皮膚受到特定的觸覺刺激后，皮膚部效應器接收刺激信號經軸突傳入大腦皮層中神經細胞，來自樹突突觸后電位的電位總和形成腦電信號，由電極帽采集并輸出，在刺激結束后進行數據離線分析，得到事件相關電位成分的波形圖、頭皮地形圖等進行觸覺舒適度感知的表征[7]。

圖1 基于ERPs技術的織物觸覺舒適度表征原理

2 基于ERPs技術的織物觸覺舒適度研究進展

根據織物接觸人體皮膚的作用面積和作用力不同，織物觸覺舒適度可劃分為輕微觸感舒適度和接觸壓力舒適度兩個子類[8]。所謂織物輕微觸感舒適度是指皮膚受到外加織物的微力和點作用時，織物表面性能對人體心理生理產生的觸覺感，包括粗糙感、刺癢感、粘體感和冷暖感4個維度[9]。織物接觸壓力舒適度是指織物包覆人體局部或整體皮膚面積，在作用時間和壓力后產生的舒適感覺范圍，主要表達對皮膚所涉及的神經系統和血液循環系統擠、壓、阻礙所產生的不適感[8-10]。

在人-織物-環境這個體系里，神經系統會對織物給予人體的觸覺刺激產生反應，通過ERPs技術記錄誘發電位成分的振幅、潛伏期以及腦區分布等，可快速、客觀、準確地認識刺激過程中人的心理生理變化，以此表征人體的(不)舒適感。ERPs的成分根據其最大峰值所在的區間及走向以P(正向波)或N(負向波)開頭加數字或時間命名。例如，P50、P100、P200、P300分別是刺激產生50、100、200、300 ms 前后大腦皮層出現的最大正向波，N450是出現在刺激過后300～550 ms的負向波。成分振幅指人體接受刺激時相關的中樞神經系統活動峰值，與注意和感知的強烈程度相關，振幅越大表明感知程度越強烈敏感；潛伏期指人體接受刺激到認知加工所需要的時間，反映大腦對實驗任務的加工判斷和響應感覺的速度差異，潛伏期越短表明注意力越集中和認知加工速度越快，感知越敏感。

2.1 基于ERPs的織物輕微觸感舒適度研究

基于ERPs技術的輕微觸感舒適度研究主要集中在皮膚的摩擦學[11-12]、大腦的觸覺形成區域定位[13]以及觸覺與織物表面紋理之間的關系等方面[14]。

織物輕微觸感舒適度4個維度中的粗糙感維度研究較多。關于粗糙感，ERPs成分起始峰的振幅和潛伏期與手指尖摩擦刺激有很強的相關性，并且織物表面形貌特征是由紋理的高度、寬度、間距、形狀等構成，粗糙度是這些紋理特征的綜合表征參數。因此，織物不同紋理高度、寬度、間距、形狀等特征引起的粗糙感變化也會導致不同的ERPs信號變化。P50最大振幅與織物粗糙感呈正相關，與光滑感呈負相關，且粗糙感強比光滑感強的織物誘發振幅更大，而潛伏期無變化[15]。平角紋理形狀[14](代表黏著摩擦系數大)誘發的P200和尖角紋理形狀[14](代表形變摩擦系數大)誘發的P100振幅最大，潛伏期最短[16]，說明P100、P200振幅與粗糙度呈正相關。而對于P300這個成分，振幅和潛伏期與粗糙度的結論說法不一，張曉夏[15]發現P300與織物光滑感、柔軟感呈正相關，與粗糙感呈負相關。但經研究發現，P200、P300振幅與大腦興奮程度正相關[17]。織物表面越光滑大腦興奮程度越弱，越粗糙大腦興奮程度越強[17]；大粗糙度[18]、高摩擦[19-21]、高紋理高度[22]、寬紋理寬度[13](代表摩擦系數大)、小紋理間距[13](代表摩擦系數小、振動頻率高)都會引起P300振幅升高，潛伏期縮短，對表面紋理的觸覺感知越敏感；而Tang等[16]在研究不同紋理形狀觸覺誘發的ERPs成分中發現，相對于圓角紋理形狀，平角和尖角誘發的P300振幅顯著高，但潛伏期相對長一些。Tang等[13]采用摩擦學、有限元和ERPs方法研究手指觸摸條紋狀紋理的寬度和間距對觸覺感知的影響，研究發現光柵誘發的P3振幅峰值隨光柵寬度的增加和間距的減小而增大，而P3潛伏期隨光柵寬度的增加和間距的減小而縮短，如圖2所示，圖2中W為寬度，W1

圖2 不同光柵寬度樣品誘發的P300成分

關于接觸冷暖感、粘體感和刺癢感，P300振幅與接觸冷暖感、刺癢感呈中度正相關，相關系數分別為0.512和0.635，而不舒適感增加會使P300峰值增大，即冷感、刺癢感會給人帶來不舒適感[17]；P200、P300振幅與織物粘體感呈中度、高度負相關，相關系數分別為-0.561和-0.939，與瞬間最大熱流量Qmax(織物在接觸人體皮膚瞬間導出的熱量，Qmax越大，皮膚感覺越冷)呈中度正相關，相關系數為0.668，即織物粘體感越弱、Qmax越大，所引發的大腦興奮程度越強，振幅越大，相對應的P200、P300潛伏期較短，但在織物面密度增大時只有P300潛伏期縮短[17]。近幾年多以超高空間分辨率的fMRI技術研究接觸冷暖感、粘體感和刺癢感維度，因此利用ERPs技術研究較少。

2.2 基于ERPs的織物接觸壓力舒適度研究

2016年，Liu等[23]采用ERPs技術對青年女性在長時間下穿著和未穿著塑形腹帶的狀態下進行Stroop效應實驗，對比分析有無負壓組分別色詞一致和不一致這4種條件下ERPs總平均波形，觀察早期成分N100、P200、N200的波幅與潛伏期；有無負壓兩個條件下的差異波(色詞一致減去色詞不一致)，觀察晚期負成分N450的波幅與潛伏期，結果如圖3所示[21]。研究表明負壓組的N450波比無負壓組具有更長的潛伏期和更低的振幅，但有無負壓對ERPs早期成分N100、P200、N200的振幅和潛伏期并無特殊影響，這說明織物接觸壓力使人需要更多的時間和注意力去抑制習慣性反應。即織物接觸壓力舒適度感知與早期成分N100、P200、N200無較大關系，但織物壓力較大時，會導致N450潛伏期延長，振幅降低，即習慣性反應期變慢變弱。

圖3 負壓組和無負壓組的誘發電位波

2.3 織物觸覺舒適度感知相關ERPs成分匯總

通過分析相關文獻，ERPs成分的振幅和潛伏期可以實現織物觸覺舒適度感知的有效評價。成分P50、P100、P200、P300、N450可以作為輕微觸感刺激和接觸壓力刺激的腦生理反應的表征指標。這5種成分的反映意義以及與織物觸覺舒適度的相關關系匯總見表1[15-23]，表中外源性成分指生理性成分是人腦對刺激加工的早期成分，受外部刺激物理特性影響，如刺激的強度、類型、頻率等；內源性成分指心理性成分是人腦對刺激加工的晚期成分，主要與人的知覺、認知及注意、情感、判斷、記憶等心理加工過程有關，受人的主觀因素影響顯著；成分信號以負(N)極性或正(P)極性命名；潛伏期反映對特定實驗刺激的響應時間。

表1 織物觸覺舒適度感知相關的 ERPs成分匯總

3 ERPs技術應用時應注意的影響因素

ERPs技術應用于織物觸覺舒適度評價的感知過程中，ERPs成分的振幅和潛伏期容易受到各類影響因素的干擾，主要可劃分為物理因素、生理因素和心理因素，在實驗過程設計和選擇受試者時應避免或控制除刺激目標因素以外的干擾因素，從而更加客觀科學地反映大腦對該刺激的響應情況，使監測到的誘發成分信號更真實準確。

3.1 物理因素

ERPs成分會受到來自刺激概率、刺激頻率、刺激模式、刺激任務難度及刺激物特性差異等物理因素的影響。

在刺激概率方面，目標刺激概率與P300振幅呈負相關，即目標刺激概率越大，P300振幅越低[24]。在刺激頻率方面，感知沖突、語義分類和喚醒程度在低頻和高頻刺激條件下存在顯著性差異。低頻刺激會觸發更大的N200和N400振幅，高頻刺激誘發的晚正電位P300振幅更大[25-26]。在刺激模式方面，不同的實驗刺激模式會使同一成分產生不同的振幅，如：P300在局部概率刺激模式下的振幅比在局部-全局交互刺激模式下的振幅更大[27]，P300在標準雙刺激任務中比在忽略目標刺激任務中的振幅更大[24]；但不同的實驗刺激模式也會誘發相同的成分產生相似的振幅，如：在等概率刺激模式和目標、非目標刺激隨機出現的刺激模式中會誘發高度相似的ERPs成分范圍，比如N100、N200、P300等[28]。此外，刺激任務難度也會影響ERPs成分信號，Chen等[20]發現被試對棉花和絲綢的表面特征舒適性的感覺相似，這影響感知判斷從而增加任務難度，導致蠶絲的P3潛伏期較大；復雜的刺激任務較簡單任務引發的振幅降低，潛伏期延長[29]。在刺激物體特性上，接觸不同織物組織引發的成分峰值潛伏期不同，緞紋較平紋和斜紋織物誘發的P2、P3峰值小，斜紋較平紋和緞紋誘發的P3潛伏期提前[17]。

因此，在將ERPs技術應用于織物觸覺舒適度評價感知實驗時，實驗過程的設計要盡量避免或控制各種物理因素對ERPs實驗結果的干擾，即保證監測到的誘發成分信號真實可靠性。如：設計的目標刺激概率不宜過大，一般而言，在刺激的概率上非目標刺激與目標刺激的比例是8∶2，刺激頻率應根據實驗刺激感知目的選擇低或高頻，以免出現振幅過低而出現監測誘發信號不明顯的現象；應避免設置復雜難度過高的刺激任務，如辨別多種表面特征相似的面料等，以免出現因振幅過低且潛伏期過長造成大腦對刺激感知不敏感的現象，從而影響監測結果的真實準確性，所以在研究大腦對織物表面特征的感知時，刺激材料應盡量選擇特征信息明顯的織物，比如織物表面非常粗糙或者非常光滑。

3.2 生理因素

研究對象的生理因素也應納入考慮范圍，被試者的年齡、性別、健康狀態、感官選擇及刺激部位等對ERPs成分也有顯著影響。

不同年齡被試者的ERPs波的振幅及潛伏期不同。兒童或者青少年階段的被試者，P300振幅較高[30-31]，且年齡越小，P300和N400潛伏期越短，振幅越大[32]。在性別方面，織物觸覺舒適度研究發現女性的P3振幅始終大于男性[33]，潛伏期始終小于男性[17-21]，表明女性的敏感度更強，反應更快。此外，個體健康狀態的差異會引起被試者觸覺靈敏度的變化，使得誘發的電位成分的振幅和潛伏期產生差異，P100和N200振幅的降低與感覺敏感度低下有關[34-35]，P3在多動癥患者[36]、閱讀障礙者[37]、重度抑郁癥者[38]中呈現出的振幅比健康被試者更小，潛伏期更長[39]。在人體感官刺激選擇上，交叉感官刺激如聽-觸覺[40]、視-聽覺[41]、視-聽-體感等[42]引起的ERPs振幅顯著高于單一感官刺激，潛伏期也會縮短。另外，相同刺激作用于人體不同部位誘發的成分信號也有所不同，前臂(有毛皮膚)接觸織物刺激比手掌(無毛皮膚)接觸會產生更強的ERPs成分信號[18]。

因此，在ERPs技術應用于織物觸覺舒適度評價感知實驗中，尤其在選擇受試者人群以及選擇感官和刺激部位時，要注意避免受試者的生理因素對監測到的誘發成分信號真實準確性的干擾。應考慮人群的差異性，并根據研究目的選擇目標受試人群，以保證實驗結果的可信度，比如在單純研究大腦對織物的觸覺舒適度評價感知時，受試者應盡量選擇健康的青少年女性，感知更敏感，使結果更準確；在研究性別對織物觸覺舒適度的感知評價差異時，受試者應選擇在統一年齡范圍內的健康男女；在研究健康狀態對織物觸覺舒適度評價感知的影響時，受試者應選擇統一年齡范圍內的健康和患病男女。此外，當研究人體單一感官對織物觸覺刺激的反應時要避免受試者出現多感官交叉刺激的干擾現象，需對其他感官予以遮擋或阻隔；在研究大腦對織物觸覺刺激感知時，織物刺激的人體部位應盡量選擇有毛皮膚，可監測到更高誘發成分信號，使實驗結果更真實準確。

3.3 心理因素

利用ERPs技術執行實驗刺激任務過程中受個體心理因素差異影響很大，被試者的情緒狀態、注意力情況皆可影響最終結果。

首先，不同情緒會誘發不同的電位成分。愉悅度和喚醒度越高，在腦中線區域引起的ERPs振幅越大[43]。P300與情緒強度有關，積極情緒可引起P300振幅升高[44]，而疼痛敏感強度大也會增加其振幅[45]。厭惡恐懼情緒在早期成分P1中表現明顯[46]。Ding等[47]也發現積極情緒和消極情緒誘發的早期成分P1和N2的平均振幅會顯著變化。此外，在注意力集中狀態上，N2、P2、P3與注意力資源分配過程和目標知覺和認知負荷處理有關，注意力越集中，P3振幅越高[48- 49]，認知負荷越低，P3振幅越低[50-51]。

因此，除考慮受試者生理因素外，在ERPs技術應用于織物觸覺舒適度評價感知研究中受試者都應盡量保持頭腦清醒且注意力集中(研究健康狀態對織物觸覺舒適度評價感知影響除外)，控制其他無關因素，以免其他情緒影響大腦對目標刺激的響應，從而使監測到的誘發成分信號真實可靠。

4 結論及展望

在未來，腦感知評價體系研究將是織物觸覺舒適度表征領域的必然趨勢。ERPs技術憑借百微秒級的超高時間分辨率在織物觸覺舒適度領域表現出良好的神經監測優勢。本文通過分析ERPs技術的腦感知表征原理，總結了ERPs技術在織物輕微觸感舒適度和接觸壓力舒適度評價中的研究現狀，并得到以下結論：

a)織物觸覺刺激所誘發的電位成分主要為P50、P100、P200、P300和N450，前四者與織物輕微觸感舒適度感知相關，而N450主要與織物深度接觸壓力刺激感知相關。

b)關于織物接觸冷暖感、粘體感和刺癢感等表面特性及交叉感官刺激誘發的大腦電位成分研究相對匱乏，尚待進一步挖掘。

c)ERPs誘發電位會受到來自物理、人體生理和心理等眾多因素的影響，在織物接觸刺激過程中，掌握干擾因素對腦區誘發電位成分產生的定量化影響規律，并控制和消除干擾因素，對未來利用ERPs技術深入探究織物舒適性表征研究十分重要。

d)目前基于ERPs技術的織物觸覺舒適度評價研究停滯在定性階段，織物接觸刺激與誘發電位成分之間的定量關系尚待建立。

e)織物觸覺刺激裝置存在一定的滯后性，開發施壓刺激裝置、升級信號采集設備，使織物接觸刺激的實施過程實現精準、可控和均勻，以減少實驗誤差，提高可重復率。