基于脑电的温度阶跃变化环境下的人体热舒适研究

孙建辉， 童力， 胡松涛， 张晓霞， 夏越， 李珊， 何梦渊

(青岛理工大学环境与市政工程学院， 青岛 266033)

随着生活水平的提高，人们对生活环境的要求也逐渐提高。室内环境对人类的心理和生理都有显著影响，在日常生活中，舒适性是人体对周围环境的基本要求，也是合理评价现有环境，指导和完善相关建筑环境参数标准的制定的基础。人体舒适性与建筑物理环境息息相关[1]，热环境的舒适性作为评价建筑室内环境的重要部分，影响着人们的工作效率和情绪。

人体对外部热环境的变化的感知可通过热感觉投票(thermal sensation vote，TSV)和热舒适投票(thermal comfort vote，TCV)表现出来。热感觉被描述为一种与环境温度相关的主观反应，它是由皮肤中的冷热感受器引起的。热舒适被认为是主观感受与客观环境交互作用的结果。同时，因人体对热环境评价存在较大的主观性，越来越多的研究利用与人体温度调节系统相关的客观生理参数来研究热舒适。人体皮肤上有大量的热感受器，因此皮肤温度已经成为预测人体热舒适水平的可靠生理指标，在稳态和动态系统中都得到了广泛的研究。热舒适表示了人们对热环境满意的生理和心理状态，通过神经图像检测到的大脑功能活动可以用来评价人类在各种热环境中的热舒适。

脑电(electroencephalography，EEG)是人体的一种生物信号，可以通过扁平电极非侵入性固定在头皮的特定区域，使用导电黏合剂，来测量各通道之间的电位差。脑电波是由大脑皮层神经元之间相互传递信号产生的同步电波引起的。EEG被广泛应用于研究人体对热环境变化的反应。Yao等[2]通过对人体局部冷热刺激的研究指出不同波段对热感觉有不同的敏感性， 在中性和微凉热感觉下，α波起支配作用，当受试者感觉为热、暖、凉或冷时，β波占支配作用，当受试者觉得热中性时，δ、θ波发挥主要作用。Tomoko等[3]利用功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)检测全身冷却过程中大脑区域的激活状态，发现来自皮肤的热信号可以到达大脑皮层的几个区域，由此得到，EEG可以反映人的舒适和不舒适感。余娟[4]对EEG波形与热舒适的相关性分析结果表明θ、α、γ波和TSV有显著相关性，β、δ波与TSV无显著相关性，得出EEG指标与人体主观热反应的关系尚不明确这一结论。Choi 等[5]基于脑电图技术研究了温度对注意力的影响。Wang 等[6]利用脑电技术研究了室内热环境对居住者心理负荷和任务表现的影响。Son等[7]通过对不同温度下热感觉与热愉悦的脑电图研究表明，随着热愉悦感的增加，与愉悦情绪相关的脑电图频带增加，与放松相关的脑电图频带减少。利用EEG的特征变化来评价热舒适的研究虽有初步进展，但对温度阶跃变化过程中的脑电频谱功率与热舒适的相关性研究仍未见报道。

现通过在实验中设计不同温度的阶跃变化，对采集到的脑电信号进行快速傅里叶变换，得到脑电频谱功率，结合平均皮肤温度和额头温度，探究皮温、额温、脑电频谱功率与主观投票之间的关系。

1 实验与研究方法

1.1 受试人员

实验选取14名在校大学生志愿者，其中男女各7名。招募时向他们说明了实验可能面临的挑战，并在征得同意后签署了知情同意书。所有受试者年龄均在21～26岁，身体健康，体型适中，无相关疾病史。

全体受试人员在实验前几天保证充足的睡眠时间和规律的饮食。受试人员不得吸烟、饮酒、饮用含咖啡因的饮料，不得观看或收听恐怖类型的影音资料。确保所有受试者近期没有紧张情绪或过大压力，以避免神经刺激的影响。在实验前12 h内，不要剧烈运动，避免过度疲劳或兴奋，以维持体内正常的血糖水平。不得服用对脑电检测有影响的药物，以提高实验结果的稳定性与可靠性。

1.2 实验环境设置

实验在气候室中设置了3个瞬态过程，由冬季低温环境15 ℃分别突变到18、24和30 ℃，每种温度突变过程包括3个阶段，分别是两个相同的低温阶段和一个高温阶段，即：低温阶段(15 ℃)—高温阶段(18、24、30 ℃)—低温阶段(15 ℃)。为实现环境温度的突变，实验时选取两个相邻的房间，让受试者快速进行移动，两个房间中有相同的办公家具，并且空气调节系统独立运行，房间中无与室外直接联通的门窗，太阳辐射无法进入室内。实验前，还需进行室内工况的设定和实验仪器的设置，为营造一个可靠准确的室内环境，使用ASHRAE55[8]的方法对气候室的参数进行测量，包括空气温度、空气相对湿度、空气流速等。在受试者垂直高度为0.8 m和1.2 m处分别放置了温湿度自记仪来记录空气温度和相对湿度，空气流速用热线风速仪(Kanomax 6004，日本)进行测量。其中，空气流速控制为0.1 m/s，相对湿度控制在50%，房间1模拟冬季室外环境温度，设定为15 ℃，房间2温度为设计的温度工况，分别为18、24和30 ℃，两个房间的平面布置图如图1所示。

图1 实验室平面布置图Fig.1 Diagram of experiment chamber

1.3 实验仪器设置

脑电信号的检测使用 Emotiv EPOC(EPOC+，Emotiv Inc. USA)收集，该设备是一款高分辨率、非侵入式、便携式无线耳机，设备共有14个频道，分别位于 AF3、F7、F3、FC5、T7、P7、O1、O2、P8、T8、FC6、F4、F8和AF4通道，符合国际 10-20 系统，其中CMS和DRL两个额外频道是参考。设备内部采样率为2 048 Hz，然后进行间隔取样并以128 Hz输出，数据通过USB连接蓝牙发送至笔记本电脑，接触垫用盐水溶液润湿来提高导电性。软件开发套件具有数据包计数功能，可检查有无数据丢失，并具有实时传感器接触质量显示。脑电设备和脑电各分区图如图2所示。

实验中涉及的其他环境参数的仪器详细信息列于表1。

图2 脑电设备及脑电电极分布情况Fig.2 Distribution of EEG equipment and electrodes

表1 实验测试仪器Table 1 Experimental test equipments

1.4 热投票和生理参数

受试者在实验过程中要进行EEG测试和填写主观问卷，问卷包括个人信息和对热舒适和热感觉进行主观评分。评分部分采用ASHRAE 7 级标度评分方法，分值范围为[-3，3]。分值的高低表示受试者不同的舒适程度，主观投票尺度如图3和图4所示。

皮肤温度的测点布置选取七点法，分别布置于额头、前胸、后背、手臂、左手背、右手背以及腿，使用精度为±0.1 ℃的纽扣型皮肤温度存储器来收集受试者各身体部位的温度，平均皮肤温度计算公式[9-10]为

0.39t5+0.025t6+0.025t7

(1)

式(1)中：t1～t7分别为额头、后背、前胸、手臂、腿、左手背、右手背的温度。

图3 热舒适评价标尺
Fig.3 Thermal comfort evaluation scale

图4 热舒适评价标尺Fig.4 Thermal sensation evaluation scale

1.5 实验过程和注意事项

实验是2021年1月份在中国青岛进行的，其间受试者需要完成3个不同温度阶跃变化的实验，且每个工况下的实验间隔为2 d。实验前，工作人员进行室内工况的设定和实验仪器的设置，准备主观调查问卷。整个实验过程持续100 min，为了减少实验误差，保持心率和代谢稳定，受试者需要提前20 min到达实验地点，在休息室(冬季正常供热室内温度为20 ℃的条件下)佩戴心率传感器以及粘贴皮肤测点，穿上统一的服装。然后进入房间1开始实验，为实现冬季偏冷环境下的温度突变，房间1环境温度保持在15 ℃，受试者被要求在环境中静坐20 min后进行问卷填写和EEG测试(阶段1)。之后进入温度较高的房间2，受试者在房间2中静坐60 min，分别在第5、30和60 min进行测试(阶段2)，最后，受试者重新返回房间1(15 ℃)，静坐20 min后进行测试(阶段 3)。实验流程图如图5所示，其间全程进行皮肤温度的采集。为保证测试结果的稳定性与可靠性，在实验过程中，受试者要保持静坐，全身放松的状态，佩戴脑电仪器时，要先用导电液润湿测点，以降低阻抗，为实验提供更有效的数据。

标“◆”处为进行主观问卷填写和EEG测试的时间点图5 实验流程图Fig.5 Experimental process diagram

2 实验数据处理与分析

傅里叶变换可将难以处理的时域信号转换为易于分析的频域信号，但其计算量太大，很难实时地处理问题，因此引出了快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)。快速傅里叶变换是根据傅里叶算法的特性进行改进获得的。在频谱分析技术中，快速傅里叶变换(FFT)被认为是时域和频域之间的最佳变换，FFT具有其他方法的速度优势，且更适合处理正弦波的脑电图信号[11]。对收集到的脑电信号通过MATLAB软件里的EEGLAB工具箱进行脑电信号预处理，通过独立成分分析(independent component analysis，ICA)去除伪迹后进行快速傅里叶变换，计算得到各波段的频谱功率值[12-13]，探究温度阶跃变化环境下脑电功率值与热舒适的相关性。

在整个温度变化过程中，各个通道上的脑电图变化和持续时间尚不清楚，各通道功率值与主观投票和皮温进行分析时未发现相关性。同时，通道之间可能相互影响，直接对所有通道的频谱功率值取平均进行分析不太合理。因此，考虑用图2(b)中设置的脑电分区来进行数据的处理与分析，统计得到各通道的数据如表2所示。

表2 数据统计表Table 2 Data statistics table

2.1 温度阶跃变化过程的频谱功率分析

在整个实验过程中，由于生理或心理上的差异，个体的热舒适感觉可能因人而异，因此需进一步研究人体各生理参数与脑电之间的潜在关系。对不同温度工况下收集到的主观投票结果进行统计，由文献[14]可知温度变化对脑电图的影响持续近20 min，因此，本文取进入气候室2的前20 min内各分区平均频谱功率值来进行分析。利用SPSS软件中的皮尔逊相关系数法对脑电各区功率值的变化与主观投票、额温和皮温进行相关性分析，相关性分析结果如表3所示。

由表3可知，在温度阶跃变化环境下，额叶区与主观投票、额温和皮温均显著相关，且与额温呈强相关关系。由此可知，额叶区频谱功率值变化是评价热舒适的重要参数，可对额叶区频谱功率进行下一步分析。额叶区频谱功率值在15-18-15、15-24-15和15-30-15 ℃3个温度阶跃过程中的具体变化如图6所示。

从图6可以看出，在3个温度变化过程中，大温差(15-24-30 ℃)状态下，额叶区频谱功率值在短时间内明显降低。与其他温度相比，受试者在接近人体中性温度的环境温度24 ℃下，额叶区频谱功率值最低。由房间2(18-24-30 ℃)进入房间1(15 ℃)时，舒适感有所降低，频谱功率值明显升高。环境温度可通过人体神经活动来影响人体热舒适和热感觉，冷和热的环境会影响热平衡，人体感到不舒适，进而促进神经活动来通过热调节重新达到热平衡，在舒适的环境温度24 ℃下，温度对人体热调节系统刺激不明显，频谱功率值偏低，因此，利用脑电功率谱分析可明显区分出人体舒适度。

表3 相关性分析表Table 3 Correlation analysis table

图6 额叶区频谱功率变化图Fig.6 Spectral power value of frontal lobe

2.2 额叶区各波段功率值分析

脑电分析仪可以记录脑部电流的活动情况，这种电流活动形态各不相同，有快有慢，由此产生了各种频率的脑电波[15]。用于脑电研究的脑电波公认形态有4种，根据脑波的频率的脑电波主要类别如表4所示。

在上述对各分区的研究中发现，额叶区与主观投票显著相关，进一步利用SPSS软件对额叶区各波段与主观投票和皮温进行相关性分析，探究不同波段的频谱功率值与热舒适之间的关系，相关性分析结果如表5所示。

由表5可知，θ波频谱功率与热舒适相关参数均显著相关。其中，额头温度与θ波相关系数为0.857呈强相关关系，说明在温度阶跃变化过程中，额温和θ波功率变化对研究热舒适有着重要的意义，且随着舒适程度的增加，θ波频谱功率值的均值呈递增趋势。对热舒适投票与θ波频谱功率值进行线性拟合，如图7所示，线性表达式为

y=0.095x+9.496， -3≤x≤3

(2)

式(2)中：x为热舒适投票；y为额叶区频谱功率值，μV2/Hz；R2=0.905 1。

表4 脑电波分类表Table 4 Different frequency classification table

表5 额叶区各波段相关性统计表Table 5 Statistical table of correlation various band in frontal lobe

由图7可以看出，随着投票值的增加，θ波频谱功率值变高，但功率始终在9.0～10.0 μV2/Hz范围内变化。为了在数值上更直观地表示出θ波的波动幅度，以不同环境温度下θ波段的整体相对脑电功率来表示其变化过程，得到额叶区中的θ波段频谱功率变化规律如图8所示。

由图8可以看出，在经历温度阶跃变化时，突变到舒适温度的θ波段功率值在整个频谱功率的百分比有显著的升高。由低温15 ℃突变到舒适温度时，θ波段相对功率占比增加了20%左右。在前面的分析中得到，θ波的频谱功率值随着TCV投票的增加而增加。结合图7、图8和表4，分析出θ波段频谱功率变化原因有以下两点：第一，受试者感受到环境温度的变化时，注意力会有所增加，进而引起θ功率的变化；第二，从低温不舒适环境15 ℃进入24 ℃时，会产生较强的热愉悦感，当受试者体验到与热愉悦相关的情绪时，θ波节律会被激活，计算得到的θ波频谱功率值升高。

图7 TCV-θ频谱功率线性拟合图Fig.7 TCV-θ spectrum power linear fitting diagram

图8 不同温度下θ波相对功率变化图Fig.8 Variation of relative power of θ at different temperatures

2.3 主观调查结果与分析

实验中布置的额头、前胸、后背、手臂、左手背、右手背和腿7个皮温测点中，只有额头和手背直接与空气接触，但手背在填写问卷或取样时可能还会受其他因素的影响，额头温度则是全程直接受外界环境的影响发生变化。通过SPSS软件对把额头温度与热舒适投票进行单因素方差分析，结果如表6所示。方差齐性检验是方差分析的重要前提，是方差可加性原则应用的一个条件。因此，在方差分析之前先进行方差齐性检验。Levene检验[16]的结果表明方差齐性检验结果为显著性，基本满足方差齐性，因此可以使用该方法分析额头温度与TCV之间的相关性。

表6 单因素方差分析结果Table 6 One-way analysis of variance results

额头温度与TCV的单因素方差分析结果显示，显著水平0.003<0.01，说明额头温度可作为客观生理指标对温度阶跃变化环境下的热舒适进行评价。

分别对14名受试者在不同环境工况下的主观投票平均值进行统计，结果如图9所示。

从图9可以看出，由于热过渡的存在[17]，导致受试者在进入房间2的瞬间会产生较大的热感觉差别，热感觉投票结果瞬间下降。3种工况产生了不同的阶跃强度，两个房间温差越大，热过渡越明显，其热感觉的差异也就越大。房间2(18-24-30 ℃)静坐1 h再次回到房间1(15 ℃)时，TSV与TCV变化过程一致，主观投票值均显著降低，在温度阶跃变化环境下，由于温度超调现象的存在，经历30 ℃的高温环境后，会对下阶段回到房间1(15 ℃)的主观投票产生影响，再次回到15 ℃的热感觉投票值较初始状态明显升高。

3 结论

采用客观实验数据与主观调查数据相结合的方式，将所测得的脑电信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱功率值，探究主观投票、额温、平均皮肤温度与频谱功率值之间的相互关系，得到以下结论。

图9 不同瞬态温度变化下的热评估Fig.9 Thermal evaluation under different transient temperature changes

(1)在温度突变环境下，额叶区频谱功率值与主观投票、额温和皮温均显著相关，且与额温呈强相关关系。在接近人体中性温度24 ℃的环境中，热刺激对人体热调节系统作用不明显，计算得到的频谱功率值最低。在偏离中性温度的环境中，即人体感到冷不舒适(18 ℃)和热不舒适(30 ℃)的热环境下，神经系统通过热调节来维持人体热平衡，频谱功率值较高。

(2)热舒适和热感觉投票能直接反映出环境温度变化对受试者产生的影响，在分析过程中发现额温与主观投票和频谱功率值均呈强相关关系，因此可将额温作为温度阶跃变化环境下研究热舒适的重要生理参数。

(3)在温度阶跃变化过程中，额叶区的θ波段频谱功率值与TCV线性相关，且随着投票值的增加而增加。当温度由15 ℃突变到接近中性温度24 ℃的环境中，即热舒适投票值接近3(非常舒适)时，与热愉悦情绪有关的θ波段整体相对脑电功率变化最明显，增加20%左右。

(4)通过快速傅里叶变换计算得到的频谱功率值，可反映人体在接受环境温度的热刺激后，大脑皮层神经元电位的波动程度，用这种方法对温度阶跃变化环境下人体热舒适进行评价，从热调节机理上具有可行性。长期处于不舒适的热环境下，会造成神经系统上的疲劳，影响人体的身心健康。