基于腦電圖技術的消防體能訓練服熱濕舒適性評價

任佳園,金 劍,鄭晶晶

(1.浙江理工大學,a.服裝學院;b.浙江省服裝工程技術研究中心,杭州 310018;2.紹興市消防救援支隊,浙江紹興 312000)

為保證在進行高強度救援戰斗時的作業效率,消防員要進行日常體能訓練。在天氣炎熱的夏天,消防員要長時間處于高溫高濕環境下進行體能訓練,出汗量多,大量的生理熱在訓練服內積聚,以致體循環的能力降低,導致調熱功能失調,嚴重時消防員會出現暈眩、痙攣等生理反應。在對浙江省紹興市嵊州消防救援大隊和浙江省杭州市白楊消防救援大隊走訪調研過程中了解到,消防員在夏季每天要穿著體能訓練服進行至少4 h的訓練,春秋季延長至6 h,92%左右的消防員表示會經常出現訓練后貼身服裝被汗水透濕的現象。悶熱感、粘體感、濕熱感是帶給消防作業人員最大的困擾,消防員希望體能訓練服的熱濕舒適性能方面能夠更加優化。

在高溫環境下,消防員的著裝狀態會直接影響其熱感舒適度,由于人體對瞬時的溫度變化需要有延遲反應,利用腦電圖(Electroencephalography,EEG)技術通過對一段時間內連續的腦電圖記錄進行頻譜估計,可以提取出心理狀態信息,從而計算出大腦不同頻段內幾個節律的功率,每個頻段的突出都與心理功能相關[1]。例如：Jeong等[2]利用EEG技術評價戶外運動服裝的熱濕舒適性能。腦電圖數據顯示穿著功能戶外服條件下人體腦電的α波平均功率較大,α波與β波強度比也較大,說明人體在穿著功能性戶外服裝時可以保持更放松的狀態,壓力更小,由此證明了吸汗速干功能的戶外運動服對自主神經系統(Automatic nervous system,ANS)活動有積極影響。利用EEG技術研究熱環境下的熱不適,也能夠更加直觀和準確地使用腦電圖方法研究人體經歷不適的熱環境變化時對腦電波的影響。實驗證明當人體有熱不適時,所有腦電圖功率值都會增加,并且腦電波可以通過基于物理量(如溫度、濕度、空氣速度、代謝率和衣物絕緣)的常規舒適性模型來提高個體熱舒適度的預測精度[3]。

本文利用EEG技術,對10名被試進行腦電監測實驗。采集被試在模擬消防員日常訓練溫濕度環境中,進行基礎訓練動作時,分別穿著5種消防體能訓練服狀態下的腦電波,同時進行熱濕舒適性主觀評價。將腦電數據初步處理后,選取α節律和β節律為腦電數據指標,進行功率譜密度分析和統計分析,探究體能訓練服熱濕舒適性對人體腦波的影響,以分析不同著裝狀態下情緒變化。同時探討主觀舒適感評價結果與腦電數據指標之間的相關關系。

1 實 驗

1.1 實驗準備

1.1.1 被試選取

選取10名健康大學生男青年志愿者為受試對象,志愿者體型與消防員基本一致(身高約175 cm、體重約70 kg)。所有受試者均無精神類疾病史,為右利手,其裸眼視力或矯正視力均為正常,在此之前從未接觸過腦電實驗,提前向被試說明此項實驗無損傷無痛苦,解除被試的顧慮和恐懼心理,消除緊張、焦慮不安情緒等。受試者實驗數據均有效,符合實驗要求。

1.1.2 實驗材料

相變材料(Phase change material,PCM)是一種對外界冷暖刺激做出雙向溫度調節的新型材料[4],通過吸收環境中存在的熱能或釋放織物中存儲的熱能,對服裝層間溫度變化起緩沖作用,從而在服裝與人體皮膚之間形成溫度基本恒定的微氣候[5]。因此,基于本研究是對消防體能訓練服的熱濕舒適性能進行優化,在面料選取時引入了相變調溫材料。

根據前期調研了解到消防體能訓練服面料需要滿足的服用性能要求,本實驗選擇PCM、棉滌混紡、純棉和吸濕速干4種面料。為排除面料參數影響,厚度和平方米克重基本保持一致,服裝款式規格與現用消防體能訓練服(M碼)一致。用上述面料分別制作成4件體能訓練服,與消防支隊提供的普通(滌綸)消防內衣共為5件實驗材料,分別編號為 1#—5#,其中1#為PCM面料,2#為棉滌混紡面料;3# 為滌綸面料,4#為純棉面料,5#為吸濕速干面料。各試樣面料成分如表1所示。服裝無褶皺、無彎曲,在溫度(20±2) ℃,濕度65%±2%的恒溫恒濕實驗室中放置24 h進行平衡。

1.1.3 腦電實驗程序編寫

腦電實驗程序利用E-Prime 3.0軟件進行程序的編寫。實驗的因變量為5個著裝狀態,受試者一次穿著一件實驗材料完成3個動作條件的程序。因此在編寫程序時,要將3個動作及前期準備的要求在電腦上向被試呈現出來,3次動作條件的起始和結束會以圖片的形式展現,便于進行打mark處理。腦電實驗編程流程如圖1所示。

圖1 腦電實驗編程流程Fig.1 EEG experimental programming flow

1.2 實驗過程

1.2.1 腦電實驗

被試在溫度(35±2)℃,平均濕度65%±5%的環境中以最舒適坐姿靜坐在距電腦前半米處。根據測試人員之前的告知以及電腦提示完成如 圖2 所示流程。

圖2 腦電實驗流程Fig.2 EEG experiment flow chart

腦電數據從靜坐前開始記錄,全程不能打擾被試,直至最后一次靜坐結束關閉采集。兩次靜坐的目的是放松被試心情和消除肌電影響,腦電圖也會從較大的波動直至平穩。實驗數據變量為著裝狀態,每個動作之間有30 s的靜息時間,每位被試分別穿著5件消防體能訓練服完成5次實驗,每次實驗之間要間隔12～24 h,以便消除前一次實驗的情緒干擾。

1.2.2 主觀評價

每位被試在結束腦電數據采集后,分別對每件實驗材料進行主觀評價。采用SD語義差異評價法探究消防體能訓練服的主觀舒適性能感知[6],為與客觀腦電數據指標進行相關性分析奠定基礎。評價詞匯參照相關文獻結合調研時了解到消防員訓練時的舒適度需求,選取與服裝熱濕舒適性有關的5個描述詞匯如下：悶熱感、濕熱感、透氣感、粘體感和整體穿著舒適感[7]。5項主觀感覺指標都采用5級區間標尺：5級表示總體舒適感很好,受試者試穿樣衣進行運動后,人體沒有強烈的悶熱感、濕熱感和粘體感,透氣性也較好;1級表示受試者運動后,有強烈的粘體感、悶熱感、不透氣感和濕熱感,整體熱濕舒適性很差。

1.3 數據采集

本次實驗的所有設備：a)計算機(用于E-prime系統條件程序呈現和Scan4.3.1系統腦電記錄分析);b)Synamp-64導信號放大器;c)Ag/AgCl電極帽(見圖3);d)24位A/D模擬數字芯片(用于處理每個電極通道的數據)。

圖3 腦電電極帽Fig.3 EEG electrode cap

采用10-20國際標準系統電極放置法進行腦電電極的放置,如圖4所示。電極選擇為5個腦功能區的位置分別為： 額極區(FP1、FP2)、額葉區(F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、F7、FT7、FT8、F8)、顳葉區(P7、P8、TP7、TP8)、中央區(C3、CZ、C4)、頂區(P3、PZ、P4、CP3、CPZ、CP4)、枕區(O1、O2、OZ)和雙耳耳后乳突位置(M1、M2)[8],各電極與皮膚之間阻抗均小于10 kΩ。

圖4 10-20國際標準系統電極放置法Fig.4 10-20 international standard system electrode placement method

1.4 數據預處理

1.4.1 腦電數據預處理

腦電數據通過Matlab2021a及EEGLAB2021.1軟件進行預處理。預處理依次經過以下步驟：降采樣、電極定位、帶通濾波器濾波、偽跡剔除、獨立成分分析去噪,目的是將直接采集到的被試腦電數據中不穩定和偽跡部分剔除,便于更為準確分析受試者的情緒[9]。具體將采集30通道的腦電數據降采樣到500 Hz的采樣率,進行帶通濾波得到0.1～30 Hz的腦電信號,偽跡剔除使用目視檢查手動剔除的辦法,用連續數據進行獨立成分分析法(Independent component analysis,ICA)剔除獨立成分,得到預處理后的腦電數據。

腦電波的信號分析方式主要包含時域和頻域兩種分析方法。時域分析方法是以時間為坐標軸,分析波形的波幅、峰值、均值等,主要運用在ERP技術中,用于分析被試瞬時的腦波變化;頻域分析方法是以頻率為坐標軸[10],主要運用在記錄一段時間的腦電圖技術手段。功率譜分析(Power spectrum analysis)是目前腦電信號頻域分析法里的常用分析方法,利用快速傅里葉轉換(FFT)法將幅度隨時間變化的腦電波轉化為腦電功率隨頻率變化的譜圖,可以觀察到EEG中各節律的分布與變化情況[11]。FFT計算原理中,連續時間信號x(t)的傅里葉變化是：

(1)

式中：ω表示角頻率[12]。

本研究利用頻域分析中的功率譜密度分析法,使用Welch方法估計,將預處理后的腦電數據切分為1小段/s,0.5 s重疊;使用hamming(漢明)窗再對每一段進行加窗處理;然后對處理后的數據做快速傅里葉變換計算求得每小段腦電數據的功率譜密度,再進行疊加平均則得到每個被試的功率譜密度。

腦波節律可分為α、β、δ、θ、γ 5個主要頻帶,心理學相關研究表明,不同的腦電波頻率對應人腦有相應的節律特征[13],這是腦電圖技術中與舒適性評價相關的腦電特征。其中,α波主要分布在枕區和頂區,是腦電波中最主要的波段。當人身心處于愉悅、輕松狀態時,會誘發更多的α波,當α波占據高頻優勢時,人腦則處于最佳狀態并能最大限度地發揮各種能力。 β波主要分布在大腦的前半部,額葉區最為明顯,其次是顳葉區。當人身心處于精神緊張狀態,有煩躁焦慮情緒時,會誘發出較多的β波[14]。當成年人在困倦、有睡眠意識時在頂葉區和顳葉區會記錄到θ波,一般不形成節律;δ波通常在深度睡眠狀態占據主導。

熱濕舒適度直接影響受試者的情緒和大腦反應力。選取α波(8～13 Hz)和β波(14～30 Hz)的平均功率譜密度為腦電數據指標,提取10名受試者在實驗過程中的α波和β波功率密度數值,研究分別身穿5件不同面料的消防體能訓練服進行實驗動作時的功率譜密度均值趨勢,判斷受試者的心理變化。

1.4.2 主觀評價結果預處理

在主觀評價過程中,由于評分體系和個人標準的不同,使得主觀感受的評分存在一定的誤差。因此,直接對評分結果進行均值化較不合理。為提高評分結果的準確性,除了在評價試驗之前對評價人員進行系統的培訓外,可以利用歸一化方法對數據進行處理,消除評價人員因自身參照體系的不同產生的誤差,提升結果的準確性。

歸一化處理是通過變換算法[15],使得一件實驗樣品的評分結果既能體現該樣品在評價人員心目中的位置,又能在相同的參照體系下進行平均計算,從而計算出該樣品的平均得分。將5種主觀評價的原始數據經歸一化處理后匯總如表2所示。

表2 歸一化處理后體能訓練服的主觀評分結果Tab.2 Results of subjective evaluation of physical training clothing after normalized treatment

2 結果與分析

2.1 不同著裝狀態下腦電波功率指標的變化

2.1.1 α波強度分析

選取與α波相關的區域導聯位置：枕區電極O1、O2、OZ和頂區電極P3、P4、PZ 6個導聯位置,提取10名受試者在5種著裝狀態下的腦電功率密度,運用SPSS軟件進行方差分析,研究枕區和頂區腦區域不同著裝狀態下α波強度的差異性,結果如表3所示,α波(8～13 Hz)頻段中5種著裝狀態下的平均功率譜密度在枕區和頂區的6個導聯位置均呈顯著性差異(P<0.05),其中O2位置顯著性最大。

表3 枕區和頂區導聯區域的α波方差分析結果Tab.3 Alpha wave difference analysis of occipital and parietal lead regions

腦電拓撲圖可以反映出每個導聯電極或腦區在特定頻域的電位大小。用Matlab軟件提取并繪制出α頻段間5種著裝狀態下的腦電拓撲圖,用顏色的變化體現出某著裝狀態下α波的強弱。如圖5所示,α頻段間穿著1#PCM訓練服狀態下在枕區和頂區位置的顏色最接近黃色,說明α波強度最高,其次是4#純棉訓練服和5#吸濕速干訓練服,穿著2#棉滌混紡和3#滌綸訓練服狀態下的差異不明顯。腦電拓撲圖通過觀察不同腦區的顏色直觀的感受波段強度,但不太明顯的變化難以用肉眼觀測到,具體的差異需要數值體現。

圖5 α頻段腦電拓撲圖Fig.5 Alpha band EEG topology

繪制出6個電極位置α波段間5種著裝狀態對應的平均功率譜圖。結合方差分析結果和平均功率譜圖可以得出,雖然通道位置不同,10位受試者的腦電平均功率密度在8～13 Hz波段呈現相似規律。即整個實驗過程中,5種著裝條件對應的APSD均值由高到低依次是1#、4#、5#、2#、3#。5種著裝狀態對應的曲線在8～9 Hz頻段間變化平緩,從 9 Hz 頻率點開始增加,至11 Hz頻率點達到峰值。其中,穿著PCM消防體能訓練服狀態下的APSD波形上升最明顯,且峰值顯著優于其他狀態,穿著滌綸消防體能訓練服的APSD曲線變化不明顯且稍呈下降趨勢。圖6所示為枕區代表電極O2和頂區代表電極P4的功率譜圖。

圖6 不同電極下α波平均功率譜密度Fig.6 PSD diagram of alpha wave under different electrodes

在整個實驗過程中,被試在穿著5件消防體能訓練服時均出現了大量出汗的現象,在腦電與情緒研究領域,α波強度是反映人的精神狀態與情緒的腦電指標之一[16],α波增加說明人體處于較為舒適的狀態,α受到抑制說明處于一種非舒適的狀態。研究結果顯示,熱濕環境下,著裝條件影響了被試的情緒,穿著PCM消防體能訓練服下大腦積極情緒多于其他狀態,即舒適度更佳。

2.1.2 β波強度分析

選取與β波相關的區域導聯位置：中央區C3、C4、CZ和額葉區F3、F4、FZ 6個導聯位置,提取10名受試者在5種著裝狀態下的腦電功率密度,研究不同著裝狀態下β波強度差異性。結果如表4所示,β波(14～30 Hz)頻段中5種著裝狀態下的平均功率譜密度在中央區和額葉區的6個導聯位置均呈顯著性差異(P<0.01)。

表4 中央區和額葉區導聯區域的β波方差分析結果Tab.4 Beta wave difference analysis of central and frontal lead regions

β頻段的腦電拓撲圖如圖7所示,穿著3#滌綸訓練服狀態下在中央區和額葉區位置的顏色最接近黃色,說明β波強度最高,其次是2#棉滌混紡訓練服,其他3種狀態1#PCM、4#純棉和5#吸濕速干訓練服狀態下的顏色較接近藍色,β波強度較弱。

圖7 β頻段腦電拓撲圖Fig.7 Beta band EEG topology

繪制出6個電極位置β波段間5種著裝狀態對應的平均功率譜圖。結合方差分析結果和平均功率譜圖可以得出,10位受試者的腦電平均功率密度在14～30 Hz波段呈現相似規律。即整個實驗過程中,5種著裝條件對應的β波APSD均值與峰值由高到低依次是3#、2#、5#、4#、1#。圖8所示為中央區代表電極CZ和額葉區代表電極FZ的功率譜圖。

圖8 不同電極下β波平均功率譜密度Fig.8 PSD diagram of beta wave under different electrodes

當人精神緊張煩躁、焦慮時會誘發更多的β波。結果顯示,穿著滌綸消防體能訓練服時的β波強度最大,說明該狀態下緊張煩躁情緒最多;穿著PCM消防體能訓練服的β波強度最小,說明該狀態下緊張煩躁情緒最少。消防人員日常訓練時,大腦產生越多的焦慮煩躁、緊張情緒,則不利于訓練效率。

2.2 熱濕舒適性主觀評價與腦電評價指標的相關性分析

將10位被試在腦電實驗中提取到的α波和β波對應電極位置的APSD疊加平均,得到的α波、β波平均功率密度用于表征腦波節律的強度,作為相關性分析的腦電數據指標,與歸一化處理后的消防體能訓練服主觀評價結果做Pearson相關性分析,結果如表5所示。用Pearson相關系數反應兩個變量之間相關關系的強弱。在Sig.<0.05的顯著水平上,相關系數R越接近|1|時,相關性越強。一般認為當|R|>0.8時,兩變量具有極強的相關關系;當0.6<|R|<0.8 時,具有較強相關關系;當0.4<|R|<0.6時,具有中度相關關系;當|R|<0.4時,兩變量之間的相關關系較弱。R>0表示兩個變量之間存在正相關關系,反之則存在負相關關系。

表5 α波、β波強度與主觀評價相關性分析結果Tab.5 Correlation analysis results between alpha, beta wave and subjective evaluation

結果顯示,5種消防體能訓練服主觀評價指標中的濕熱感和整體舒適感評分與腦電α波強度具有較強的正相關性,與β波強度具有較強的負相關性。α波強度能夠反映人的積極精神狀態和情緒,β波能反映人的焦慮煩躁情緒,在主觀評價實驗中,當受試者認為穿著消防體能訓練服帶來的濕熱感和不舒適感越強時,其α波強度會受到抑制,該頻段的功率譜密度值越低,其β波強度越高。

將5種消防體能訓練服濕熱感、整體舒適感的歸一化處理后主觀評分分別與α波強度、β波強度的關系做統計圖和趨勢性分析,結果如表6和圖9—圖10所示。

圖9 濕熱感、整體舒適感與α波強度關系Fig.9 Relationship between damp-heat sensation, overall comfort and alpha wave intensity respectively

圖10 濕熱感、整體舒適感與β波強度關系Fig.10 Relationship between damp-heat sensation, overall comfort and beta wave intensity respectively

表6 濕熱感、整體舒適感分別與α波、β波強度線性關系Tab.6 Linear relationship between damp-heat sensation, overall comfort and alpha and beta wave intensity respectively

濕熱感和整體舒適感主觀評分由小到大對應的面料編號依次為3#、2#、4#、5#、1#,圖9和圖10(a)和圖10(b)所示為5種面料分別對應的α波、β波強度,可以看出面料5#與面料4#的α波、β波強度差別微弱,但主觀評分差距較大。其余面料對應體能訓練服穿著狀態下的α波強度依次升高,而β波強度依次降低。圖9和圖10(c)和圖10 (d)所示為具體線性關系,兩者之間線性關系不顯著,但與α波強度總體呈正相關關系,與β波強度總體呈負相關關系。

3 結 論

通過功率譜分析和統計分析研究了不同著裝狀態下腦電波功率的差異以及熱濕舒適性主觀評價與腦電數據指標的關系,探討了體能訓練服熱濕舒適性對人體腦波的影響。主要結論如下：

a)α波(8～13 Hz)頻段中5種著裝狀態下的平均功率譜密度在枕區和頂區均呈顯著性差異,α波功率譜密度可以作為腦電評價指標。5種狀態對應的APSD均值由高到低依次是1#、4#、5#、2#、3#。熱濕環境下,著裝條件影響了被試的情緒和舒適狀態,穿著PCM消防體能訓練服下大腦積極情緒多于其他狀態。

b)β波(14～30 Hz)頻段中5種著裝狀態下的平均功率譜密度在中央區和額葉區均呈顯著性差異,β波功率譜密度可以作為腦電評價指標。5種狀態對應的APSD均值與峰值由高到低依次是3#、2#、5#、4#、1#。穿著滌綸消防體能訓練服時的β波強度最大,緊張煩躁情緒最多;穿著PCM消防體能訓練服的β波強度最小,緊張煩躁情緒最少。

c)5種消防體能訓練服主觀評價指標中的濕熱感和整體舒適感評分與腦電α波強度具有較強的正相關性,與β波強度具有較強的負相關性。在主觀評價實驗中,當受試者認為穿著消防體能訓練服帶來的濕熱感和不舒適感越強時,其α波強度會受到抑制,同時其β波強度越高。α波、β波強度可以作為服裝熱濕舒適性評價的心理生理學參數。問卷調研是傳統且重要的研究方法,而腦電圖技術則提供了客觀的技術幫助,腦電數據可提供更為定量和客觀的數據支撐。