事件相关电位技术在织物触觉舒适度评价中的研究进展

翟淑娜，苑 洁,b，娄 琳,b,c,d

(浙江理工大学， a.服装学院； b.丝绸文化传承与产品设计数字化技术文化和旅游部重点实验室； c.先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室； d.浙江省纤维材料和加工技术研究重点实验室，杭州 310018)

如今，不断发展的现代化产业和持续提高的生活水平使得各种具有一定功能性的接触压力纺织品如雨后春笋般涌出，如柔性可穿戴电子织物、智能纺织品、高性能运动服、瑜伽服等，人们对于可穿戴织物的合体性、功能性和舒适性的健康设计要求也在逐步提高，在目前已进入老龄化社会的中国，织物触觉舒适度研究更显急迫。

利用平均叠加方式从脑电图信号中提取诱发电位的事件相关电位技术(Event-related potentials，ERPs)可用于客观的生理心理学评价[1]，该技术为探究人体生理客观舒适性表征提供了新思路。近年来，其时间分辨率从传统脑电图法的秒级提升至百微秒级[2]，能够实现迅速捕捉与织物舒适度相关的脑电感知信号变化，这对于探索织物舒适度动态感知机制具有极大意义。

1 基于ERPs技术的织物触觉舒适度表征原理

大脑皮层是织物触觉舒适度感知形成的起源位置，主要由神经细胞组成。当神经细胞受到刺激时，在胞体、轴突和树突交叉组合的连接下，传递兴奋或抑制冲动，形成脑电波[3-5]。在此基础上，将对外界特定事件刺激引起的某些脑区电位变化分离出来，进行分段、过滤和叠加平均得到与时间相关的相关脑电活动，即为事件相关电位技术[6]。

基于ERPs技术可以对织物接触刺激下的相关脑区进行有效的实时监测，从而得到与织物触觉舒适度相关的电位成分，进行织物触觉舒适度的表征，表征原理如图1所示。ERPs实验刺激方主要包括等概率刺激、随机序列刺激、忽略目标刺激、局部概率刺激、局部-全局交互刺激等多种方式。当人体皮肤受到特定的触觉刺激后，皮肤部效应器接收刺激信号经轴突传入大脑皮层中神经细胞，来自树突突触后电位的电位总和形成脑电信号，由电极帽采集并输出，在刺激结束后进行数据离线分析，得到事件相关电位成分的波形图、头皮地形图等进行触觉舒适度感知的表征[7]。

图1 基于ERPs技术的织物触觉舒适度表征原理

2 基于ERPs技术的织物触觉舒适度研究进展

根据织物接触人体皮肤的作用面积和作用力不同，织物触觉舒适度可划分为轻微触感舒适度和接触压力舒适度两个子类[8]。所谓织物轻微触感舒适度是指皮肤受到外加织物的微力和点作用时，织物表面性能对人体心理生理产生的触觉感，包括粗糙感、刺痒感、粘体感和冷暖感4个维度[9]。织物接触压力舒适度是指织物包覆人体局部或整体皮肤面积，在作用时间和压力后产生的舒适感觉范围，主要表达对皮肤所涉及的神经系统和血液循环系统挤、压、阻碍所产生的不适感[8-10]。

在人-织物-环境这个体系里，神经系统会对织物给予人体的触觉刺激产生反应，通过ERPs技术记录诱发电位成分的振幅、潜伏期以及脑区分布等，可快速、客观、准确地认识刺激过程中人的心理生理变化，以此表征人体的(不)舒适感。ERPs的成分根据其最大峰值所在的区间及走向以P(正向波)或N(负向波)开头加数字或时间命名。例如，P50、P100、P200、P300分别是刺激产生50、100、200、300 ms 前后大脑皮层出现的最大正向波，N450是出现在刺激过后300～550 ms的负向波。成分振幅指人体接受刺激时相关的中枢神经系统活动峰值，与注意和感知的强烈程度相关，振幅越大表明感知程度越强烈敏感；潜伏期指人体接受刺激到认知加工所需要的时间，反映大脑对实验任务的加工判断和响应感觉的速度差异，潜伏期越短表明注意力越集中和认知加工速度越快，感知越敏感。

2.1 基于ERPs的织物轻微触感舒适度研究

基于ERPs技术的轻微触感舒适度研究主要集中在皮肤的摩擦学[11-12]、大脑的触觉形成区域定位[13]以及触觉与织物表面纹理之间的关系等方面[14]。

织物轻微触感舒适度4个维度中的粗糙感维度研究较多。关于粗糙感，ERPs成分起始峰的振幅和潜伏期与手指尖摩擦刺激有很强的相关性，并且织物表面形貌特征是由纹理的高度、宽度、间距、形状等构成，粗糙度是这些纹理特征的综合表征参数。因此，织物不同纹理高度、宽度、间距、形状等特征引起的粗糙感变化也会导致不同的ERPs信号变化。P50最大振幅与织物粗糙感呈正相关，与光滑感呈负相关，且粗糙感强比光滑感强的织物诱发振幅更大，而潜伏期无变化[15]。平角纹理形状[14](代表黏着摩擦系数大)诱发的P200和尖角纹理形状[14](代表形变摩擦系数大)诱发的P100振幅最大，潜伏期最短[16]，说明P100、P200振幅与粗糙度呈正相关。而对于P300这个成分，振幅和潜伏期与粗糙度的结论说法不一，张晓夏[15]发现P300与织物光滑感、柔软感呈正相关，与粗糙感呈负相关。但经研究发现，P200、P300振幅与大脑兴奋程度正相关[17]。织物表面越光滑大脑兴奋程度越弱，越粗糙大脑兴奋程度越强[17]；大粗糙度[18]、高摩擦[19-21]、高纹理高度[22]、宽纹理宽度[13](代表摩擦系数大)、小纹理间距[13](代表摩擦系数小、振动频率高)都会引起P300振幅升高，潜伏期缩短，对表面纹理的触觉感知越敏感；而Tang等[16]在研究不同纹理形状触觉诱发的ERPs成分中发现，相对于圆角纹理形状，平角和尖角诱发的P300振幅显著高，但潜伏期相对长一些。Tang等[13]采用摩擦学、有限元和ERPs方法研究手指触摸条纹状纹理的宽度和间距对触觉感知的影响，研究发现光栅诱发的P3振幅峰值随光栅宽度的增加和间距的减小而增大，而P3潜伏期随光栅宽度的增加和间距的减小而缩短，如图2所示，图2中W为宽度，W1

图2 不同光栅宽度样品诱发的P300成分

关于接触冷暖感、粘体感和刺痒感，P300振幅与接触冷暖感、刺痒感呈中度正相关，相关系数分别为0.512和0.635，而不舒适感增加会使P300峰值增大，即冷感、刺痒感会给人带来不舒适感[17]；P200、P300振幅与织物粘体感呈中度、高度负相关，相关系数分别为-0.561和-0.939，与瞬间最大热流量Qmax(织物在接触人体皮肤瞬间导出的热量，Qmax越大，皮肤感觉越冷)呈中度正相关，相关系数为0.668，即织物粘体感越弱、Qmax越大，所引发的大脑兴奋程度越强，振幅越大，相对应的P200、P300潜伏期较短，但在织物面密度增大时只有P300潜伏期缩短[17]。近几年多以超高空间分辨率的fMRI技术研究接触冷暖感、粘体感和刺痒感维度，因此利用ERPs技术研究较少。

2.2 基于ERPs的织物接触压力舒适度研究

2016年，Liu等[23]采用ERPs技术对青年女性在长时间下穿着和未穿着塑形腹带的状态下进行Stroop效应实验，对比分析有无负压组分别色词一致和不一致这4种条件下ERPs总平均波形，观察早期成分N100、P200、N200的波幅与潜伏期；有无负压两个条件下的差异波(色词一致减去色词不一致)，观察晚期负成分N450的波幅与潜伏期，结果如图3所示[21]。研究表明负压组的N450波比无负压组具有更长的潜伏期和更低的振幅，但有无负压对ERPs早期成分N100、P200、N200的振幅和潜伏期并无特殊影响，这说明织物接触压力使人需要更多的时间和注意力去抑制习惯性反应。即织物接触压力舒适度感知与早期成分N100、P200、N200无较大关系，但织物压力较大时，会导致N450潜伏期延长，振幅降低，即习惯性反应期变慢变弱。

图3 负压组和无负压组的诱发电位波

2.3 织物触觉舒适度感知相关ERPs成分汇总

通过分析相关文献，ERPs成分的振幅和潜伏期可以实现织物触觉舒适度感知的有效评价。成分P50、P100、P200、P300、N450可以作为轻微触感刺激和接触压力刺激的脑生理反应的表征指标。这5种成分的反映意义以及与织物触觉舒适度的相关关系汇总见表1[15-23]，表中外源性成分指生理性成分是人脑对刺激加工的早期成分，受外部刺激物理特性影响，如刺激的强度、类型、频率等；内源性成分指心理性成分是人脑对刺激加工的晚期成分，主要与人的知觉、认知及注意、情感、判断、记忆等心理加工过程有关，受人的主观因素影响显著；成分信号以负(N)极性或正(P)极性命名；潜伏期反映对特定实验刺激的响应时间。

表1 织物触觉舒适度感知相关的 ERPs成分汇总

3 ERPs技术应用时应注意的影响因素

ERPs技术应用于织物触觉舒适度评价的感知过程中，ERPs成分的振幅和潜伏期容易受到各类影响因素的干扰，主要可划分为物理因素、生理因素和心理因素，在实验过程设计和选择受试者时应避免或控制除刺激目标因素以外的干扰因素，从而更加客观科学地反映大脑对该刺激的响应情况，使监测到的诱发成分信号更真实准确。

3.1 物理因素

ERPs成分会受到来自刺激概率、刺激频率、刺激模式、刺激任务难度及刺激物特性差异等物理因素的影响。

在刺激概率方面，目标刺激概率与P300振幅呈负相关，即目标刺激概率越大，P300振幅越低[24]。在刺激频率方面，感知冲突、语义分类和唤醒程度在低频和高频刺激条件下存在显著性差异。低频刺激会触发更大的N200和N400振幅，高频刺激诱发的晚正电位P300振幅更大[25-26]。在刺激模式方面，不同的实验刺激模式会使同一成分产生不同的振幅，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在标准双刺激任务中比在忽略目标刺激任务中的振幅更大[24]；但不同的实验刺激模式也会诱发相同的成分产生相似的振幅，如：在等概率刺激模式和目标、非目标刺激随机出现的刺激模式中会诱发高度相似的ERPs成分范围，比如N100、N200、P300等[28]。此外，刺激任务难度也会影响ERPs成分信号，Chen等[20]发现被试对棉花和丝绸的表面特征舒适性的感觉相似，这影响感知判断从而增加任务难度，导致蚕丝的P3潜伏期较大；复杂的刺激任务较简单任务引发的振幅降低，潜伏期延长[29]。在刺激物体特性上，接触不同织物组织引发的成分峰值潜伏期不同，缎纹较平纹和斜纹织物诱发的P2、P3峰值小，斜纹较平纹和缎纹诱发的P3潜伏期提前[17]。

因此，在将ERPs技术应用于织物触觉舒适度评价感知实验时，实验过程的设计要尽量避免或控制各种物理因素对ERPs实验结果的干扰，即保证监测到的诱发成分信号真实可靠性。如：设计的目标刺激概率不宜过大，一般而言，在刺激的概率上非目标刺激与目标刺激的比例是8∶2，刺激频率应根据实验刺激感知目的选择低或高频，以免出现振幅过低而出现监测诱发信号不明显的现象；应避免设置复杂难度过高的刺激任务，如辨别多种表面特征相似的面料等，以免出现因振幅过低且潜伏期过长造成大脑对刺激感知不敏感的现象，从而影响监测结果的真实准确性，所以在研究大脑对织物表面特征的感知时，刺激材料应尽量选择特征信息明显的织物，比如织物表面非常粗糙或者非常光滑。

3.2 生理因素

研究对象的生理因素也应纳入考虑范围，被试者的年龄、性别、健康状态、感官选择及刺激部位等对ERPs成分也有显著影响。

不同年龄被试者的ERPs波的振幅及潜伏期不同。儿童或者青少年阶段的被试者，P300振幅较高[30-31]，且年龄越小，P300和N400潜伏期越短，振幅越大[32]。在性别方面，织物触觉舒适度研究发现女性的P3振幅始终大于男性[33]，潜伏期始终小于男性[17-21]，表明女性的敏感度更强，反应更快。此外，个体健康状态的差异会引起被试者触觉灵敏度的变化，使得诱发的电位成分的振幅和潜伏期产生差异，P100和N200振幅的降低与感觉敏感度低下有关[34-35]，P3在多动症患者[36]、阅读障碍者[37]、重度抑郁症者[38]中呈现出的振幅比健康被试者更小，潜伏期更长[39]。在人体感官刺激选择上，交叉感官刺激如听-触觉[40]、视-听觉[41]、视-听-体感等[42]引起的ERPs振幅显著高于单一感官刺激，潜伏期也会缩短。另外，相同刺激作用于人体不同部位诱发的成分信号也有所不同，前臂(有毛皮肤)接触织物刺激比手掌(无毛皮肤)接触会产生更强的ERPs成分信号[18]。

因此，在ERPs技术应用于织物触觉舒适度评价感知实验中，尤其在选择受试者人群以及选择感官和刺激部位时，要注意避免受试者的生理因素对监测到的诱发成分信号真实准确性的干扰。应考虑人群的差异性，并根据研究目的选择目标受试人群，以保证实验结果的可信度，比如在单纯研究大脑对织物的触觉舒适度评价感知时，受试者应尽量选择健康的青少年女性，感知更敏感，使结果更准确；在研究性别对织物触觉舒适度的感知评价差异时，受试者应选择在统一年龄范围内的健康男女；在研究健康状态对织物触觉舒适度评价感知的影响时，受试者应选择统一年龄范围内的健康和患病男女。此外，当研究人体单一感官对织物触觉刺激的反应时要避免受试者出现多感官交叉刺激的干扰现象，需对其他感官予以遮挡或阻隔；在研究大脑对织物触觉刺激感知时，织物刺激的人体部位应尽量选择有毛皮肤，可监测到更高诱发成分信号，使实验结果更真实准确。

3.3 心理因素

利用ERPs技术执行实验刺激任务过程中受个体心理因素差异影响很大，被试者的情绪状态、注意力情况皆可影响最终结果。

首先，不同情绪会诱发不同的电位成分。愉悦度和唤醒度越高，在脑中线区域引起的ERPs振幅越大[43]。P300与情绪强度有关，积极情绪可引起P300振幅升高[44]，而疼痛敏感强度大也会增加其振幅[45]。厌恶恐惧情绪在早期成分P1中表现明显[46]。Ding等[47]也发现积极情绪和消极情绪诱发的早期成分P1和N2的平均振幅会显著变化。此外，在注意力集中状态上，N2、P2、P3与注意力资源分配过程和目标知觉和认知负荷处理有关，注意力越集中，P3振幅越高[48- 49]，认知负荷越低，P3振幅越低[50-51]。

因此，除考虑受试者生理因素外，在ERPs技术应用于织物触觉舒适度评价感知研究中受试者都应尽量保持头脑清醒且注意力集中(研究健康状态对织物触觉舒适度评价感知影响除外)，控制其他无关因素，以免其他情绪影响大脑对目标刺激的响应，从而使监测到的诱发成分信号真实可靠。

4 结论及展望

在未来，脑感知评价体系研究将是织物触觉舒适度表征领域的必然趋势。ERPs技术凭借百微秒级的超高时间分辨率在织物触觉舒适度领域表现出良好的神经监测优势。本文通过分析ERPs技术的脑感知表征原理，总结了ERPs技术在织物轻微触感舒适度和接触压力舒适度评价中的研究现状，并得到以下结论：

a)织物触觉刺激所诱发的电位成分主要为P50、P100、P200、P300和N450，前四者与织物轻微触感舒适度感知相关，而N450主要与织物深度接触压力刺激感知相关。

b)关于织物接触冷暖感、粘体感和刺痒感等表面特性及交叉感官刺激诱发的大脑电位成分研究相对匮乏，尚待进一步挖掘。

c)ERPs诱发电位会受到来自物理、人体生理和心理等众多因素的影响，在织物接触刺激过程中，掌握干扰因素对脑区诱发电位成分产生的定量化影响规律，并控制和消除干扰因素，对未来利用ERPs技术深入探究织物舒适性表征研究十分重要。

d)目前基于ERPs技术的织物触觉舒适度评价研究停滞在定性阶段，织物接触刺激与诱发电位成分之间的定量关系尚待建立。

e)织物触觉刺激装置存在一定的滞后性，开发施压刺激装置、升级信号采集设备，使织物接触刺激的实施过程实现精准、可控和均匀，以减少实验误差，提高可重复率。