基于脑电图技术的消防体能训练服热湿舒适性评价

任佳园,金 剑,郑晶晶

(1.浙江理工大学,a.服装学院;b.浙江省服装工程技术研究中心,杭州 310018;2.绍兴市消防救援支队,浙江绍兴 312000)

为保证在进行高强度救援战斗时的作业效率,消防员要进行日常体能训练。在天气炎热的夏天,消防员要长时间处于高温高湿环境下进行体能训练,出汗量多,大量的生理热在训练服内积聚,以致体循环的能力降低,导致调热功能失调,严重时消防员会出现晕眩、痉挛等生理反应。在对浙江省绍兴市嵊州消防救援大队和浙江省杭州市白杨消防救援大队走访调研过程中了解到,消防员在夏季每天要穿着体能训练服进行至少4 h的训练,春秋季延长至6 h,92%左右的消防员表示会经常出现训练后贴身服装被汗水透湿的现象。闷热感、粘体感、湿热感是带给消防作业人员最大的困扰,消防员希望体能训练服的热湿舒适性能方面能够更加优化。

在高温环境下,消防员的着装状态会直接影响其热感舒适度,由于人体对瞬时的温度变化需要有延迟反应,利用脑电图(Electroencephalography,EEG)技术通过对一段时间内连续的脑电图记录进行频谱估计,可以提取出心理状态信息,从而计算出大脑不同频段内几个节律的功率,每个频段的突出都与心理功能相关[1]。例如：Jeong等[2]利用EEG技术评价户外运动服装的热湿舒适性能。脑电图数据显示穿着功能户外服条件下人体脑电的α波平均功率较大,α波与β波强度比也较大,说明人体在穿着功能性户外服装时可以保持更放松的状态,压力更小,由此证明了吸汗速干功能的户外运动服对自主神经系统(Automatic nervous system,ANS)活动有积极影响。利用EEG技术研究热环境下的热不适,也能够更加直观和准确地使用脑电图方法研究人体经历不适的热环境变化时对脑电波的影响。实验证明当人体有热不适时,所有脑电图功率值都会增加,并且脑电波可以通过基于物理量(如温度、湿度、空气速度、代谢率和衣物绝缘)的常规舒适性模型来提高个体热舒适度的预测精度[3]。

本文利用EEG技术,对10名被试进行脑电监测实验。采集被试在模拟消防员日常训练温湿度环境中,进行基础训练动作时,分别穿着5种消防体能训练服状态下的脑电波,同时进行热湿舒适性主观评价。将脑电数据初步处理后,选取α节律和β节律为脑电数据指标,进行功率谱密度分析和统计分析,探究体能训练服热湿舒适性对人体脑波的影响,以分析不同着装状态下情绪变化。同时探讨主观舒适感评价结果与脑电数据指标之间的相关关系。

1 实 验

1.1 实验准备

1.1.1 被试选取

选取10名健康大学生男青年志愿者为受试对象,志愿者体型与消防员基本一致(身高约175 cm、体重约70 kg)。所有受试者均无精神类疾病史,为右利手,其裸眼视力或矫正视力均为正常,在此之前从未接触过脑电实验,提前向被试说明此项实验无损伤无痛苦,解除被试的顾虑和恐惧心理,消除紧张、焦虑不安情绪等。受试者实验数据均有效,符合实验要求。

1.1.2 实验材料

相变材料(Phase change material,PCM)是一种对外界冷暖刺激做出双向温度调节的新型材料[4],通过吸收环境中存在的热能或释放织物中存储的热能,对服装层间温度变化起缓冲作用,从而在服装与人体皮肤之间形成温度基本恒定的微气候[5]。因此,基于本研究是对消防体能训练服的热湿舒适性能进行优化,在面料选取时引入了相变调温材料。

根据前期调研了解到消防体能训练服面料需要满足的服用性能要求,本实验选择PCM、棉涤混纺、纯棉和吸湿速干4种面料。为排除面料参数影响,厚度和平方米克重基本保持一致,服装款式规格与现用消防体能训练服(M码)一致。用上述面料分别制作成4件体能训练服,与消防支队提供的普通(涤纶)消防内衣共为5件实验材料,分别编号为 1#—5#,其中1#为PCM面料,2#为棉涤混纺面料;3# 为涤纶面料,4#为纯棉面料,5#为吸湿速干面料。各试样面料成分如表1所示。服装无褶皱、无弯曲,在温度(20±2) ℃,湿度65%±2%的恒温恒湿实验室中放置24 h进行平衡。

1.1.3 脑电实验程序编写

脑电实验程序利用E-Prime 3.0软件进行程序的编写。实验的因变量为5个着装状态,受试者一次穿着一件实验材料完成3个动作条件的程序。因此在编写程序时,要将3个动作及前期准备的要求在电脑上向被试呈现出来,3次动作条件的起始和结束会以图片的形式展现,便于进行打mark处理。脑电实验编程流程如图1所示。

图1 脑电实验编程流程Fig.1 EEG experimental programming flow

1.2 实验过程

1.2.1 脑电实验

被试在温度(35±2)℃,平均湿度65%±5%的环境中以最舒适坐姿静坐在距电脑前半米处。根据测试人员之前的告知以及电脑提示完成如 图2 所示流程。

图2 脑电实验流程Fig.2 EEG experiment flow chart

脑电数据从静坐前开始记录,全程不能打扰被试,直至最后一次静坐结束关闭采集。两次静坐的目的是放松被试心情和消除肌电影响,脑电图也会从较大的波动直至平稳。实验数据变量为着装状态,每个动作之间有30 s的静息时间,每位被试分别穿着5件消防体能训练服完成5次实验,每次实验之间要间隔12～24 h,以便消除前一次实验的情绪干扰。

1.2.2 主观评价

每位被试在结束脑电数据采集后,分别对每件实验材料进行主观评价。采用SD语义差异评价法探究消防体能训练服的主观舒适性能感知[6],为与客观脑电数据指标进行相关性分析奠定基础。评价词汇参照相关文献结合调研时了解到消防员训练时的舒适度需求,选取与服装热湿舒适性有关的5个描述词汇如下：闷热感、湿热感、透气感、粘体感和整体穿着舒适感[7]。5项主观感觉指标都采用5级区间标尺：5级表示总体舒适感很好,受试者试穿样衣进行运动后,人体没有强烈的闷热感、湿热感和粘体感,透气性也较好;1级表示受试者运动后,有强烈的粘体感、闷热感、不透气感和湿热感,整体热湿舒适性很差。

1.3 数据采集

本次实验的所有设备：a)计算机(用于E-prime系统条件程序呈现和Scan4.3.1系统脑电记录分析);b)Synamp-64导信号放大器;c)Ag/AgCl电极帽(见图3);d)24位A/D模拟数字芯片(用于处理每个电极通道的数据)。

图3 脑电电极帽Fig.3 EEG electrode cap

采用10-20国际标准系统电极放置法进行脑电电极的放置,如图4所示。电极选择为5个脑功能区的位置分别为： 额极区(FP1、FP2)、额叶区(F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、F7、FT7、FT8、F8)、颞叶区(P7、P8、TP7、TP8)、中央区(C3、CZ、C4)、顶区(P3、PZ、P4、CP3、CPZ、CP4)、枕区(O1、O2、OZ)和双耳耳后乳突位置(M1、M2)[8],各电极与皮肤之间阻抗均小于10 kΩ。

图4 10-20国际标准系统电极放置法Fig.4 10-20 international standard system electrode placement method

1.4 数据预处理

1.4.1 脑电数据预处理

脑电数据通过Matlab2021a及EEGLAB2021.1软件进行预处理。预处理依次经过以下步骤：降采样、电极定位、带通滤波器滤波、伪迹剔除、独立成分分析去噪,目的是将直接采集到的被试脑电数据中不稳定和伪迹部分剔除,便于更为准确分析受试者的情绪[9]。具体将采集30通道的脑电数据降采样到500 Hz的采样率,进行带通滤波得到0.1～30 Hz的脑电信号,伪迹剔除使用目视检查手动剔除的办法,用连续数据进行独立成分分析法(Independent component analysis,ICA)剔除独立成分,得到预处理后的脑电数据。

脑电波的信号分析方式主要包含时域和频域两种分析方法。时域分析方法是以时间为坐标轴,分析波形的波幅、峰值、均值等,主要运用在ERP技术中,用于分析被试瞬时的脑波变化;频域分析方法是以频率为坐标轴[10],主要运用在记录一段时间的脑电图技术手段。功率谱分析(Power spectrum analysis)是目前脑电信号频域分析法里的常用分析方法,利用快速傅里叶转换(FFT)法将幅度随时间变化的脑电波转化为脑电功率随频率变化的谱图,可以观察到EEG中各节律的分布与变化情况[11]。FFT计算原理中,连续时间信号x(t)的傅里叶变化是：

(1)

式中：ω表示角频率[12]。

本研究利用频域分析中的功率谱密度分析法,使用Welch方法估计,将预处理后的脑电数据切分为1小段/s,0.5 s重叠;使用hamming(汉明)窗再对每一段进行加窗处理;然后对处理后的数据做快速傅里叶变换计算求得每小段脑电数据的功率谱密度,再进行叠加平均则得到每个被试的功率谱密度。

脑波节律可分为α、β、δ、θ、γ 5个主要频带,心理学相关研究表明,不同的脑电波频率对应人脑有相应的节律特征[13],这是脑电图技术中与舒适性评价相关的脑电特征。其中,α波主要分布在枕区和顶区,是脑电波中最主要的波段。当人身心处于愉悦、轻松状态时,会诱发更多的α波,当α波占据高频优势时,人脑则处于最佳状态并能最大限度地发挥各种能力。 β波主要分布在大脑的前半部,额叶区最为明显,其次是颞叶区。当人身心处于精神紧张状态,有烦躁焦虑情绪时,会诱发出较多的β波[14]。当成年人在困倦、有睡眠意识时在顶叶区和颞叶区会记录到θ波,一般不形成节律;δ波通常在深度睡眠状态占据主导。

热湿舒适度直接影响受试者的情绪和大脑反应力。选取α波(8～13 Hz)和β波(14～30 Hz)的平均功率谱密度为脑电数据指标,提取10名受试者在实验过程中的α波和β波功率密度数值,研究分别身穿5件不同面料的消防体能训练服进行实验动作时的功率谱密度均值趋势,判断受试者的心理变化。

1.4.2 主观评价结果预处理

在主观评价过程中,由于评分体系和个人标准的不同,使得主观感受的评分存在一定的误差。因此,直接对评分结果进行均值化较不合理。为提高评分结果的准确性,除了在评价试验之前对评价人员进行系统的培训外,可以利用归一化方法对数据进行处理,消除评价人员因自身参照体系的不同产生的误差,提升结果的准确性。

归一化处理是通过变换算法[15],使得一件实验样品的评分结果既能体现该样品在评价人员心目中的位置,又能在相同的参照体系下进行平均计算,从而计算出该样品的平均得分。将5种主观评价的原始数据经归一化处理后汇总如表2所示。

表2 归一化处理后体能训练服的主观评分结果Tab.2 Results of subjective evaluation of physical training clothing after normalized treatment

2 结果与分析

2.1 不同着装状态下脑电波功率指标的变化

2.1.1 α波强度分析

选取与α波相关的区域导联位置：枕区电极O1、O2、OZ和顶区电极P3、P4、PZ 6个导联位置,提取10名受试者在5种着装状态下的脑电功率密度,运用SPSS软件进行方差分析,研究枕区和顶区脑区域不同着装状态下α波强度的差异性,结果如表3所示,α波(8～13 Hz)频段中5种着装状态下的平均功率谱密度在枕区和顶区的6个导联位置均呈显著性差异(P<0.05),其中O2位置显著性最大。

表3 枕区和顶区导联区域的α波方差分析结果Tab.3 Alpha wave difference analysis of occipital and parietal lead regions

脑电拓扑图可以反映出每个导联电极或脑区在特定频域的电位大小。用Matlab软件提取并绘制出α频段间5种着装状态下的脑电拓扑图,用颜色的变化体现出某着装状态下α波的强弱。如图5所示,α频段间穿着1#PCM训练服状态下在枕区和顶区位置的颜色最接近黄色,说明α波强度最高,其次是4#纯棉训练服和5#吸湿速干训练服,穿着2#棉涤混纺和3#涤纶训练服状态下的差异不明显。脑电拓扑图通过观察不同脑区的颜色直观的感受波段强度,但不太明显的变化难以用肉眼观测到,具体的差异需要数值体现。

图5 α频段脑电拓扑图Fig.5 Alpha band EEG topology

绘制出6个电极位置α波段间5种着装状态对应的平均功率谱图。结合方差分析结果和平均功率谱图可以得出,虽然通道位置不同,10位受试者的脑电平均功率密度在8～13 Hz波段呈现相似规律。即整个实验过程中,5种着装条件对应的APSD均值由高到低依次是1#、4#、5#、2#、3#。5种着装状态对应的曲线在8～9 Hz频段间变化平缓,从 9 Hz 频率点开始增加,至11 Hz频率点达到峰值。其中,穿着PCM消防体能训练服状态下的APSD波形上升最明显,且峰值显著优于其他状态,穿着涤纶消防体能训练服的APSD曲线变化不明显且稍呈下降趋势。图6所示为枕区代表电极O2和顶区代表电极P4的功率谱图。

图6 不同电极下α波平均功率谱密度Fig.6 PSD diagram of alpha wave under different electrodes

在整个实验过程中,被试在穿着5件消防体能训练服时均出现了大量出汗的现象,在脑电与情绪研究领域,α波强度是反映人的精神状态与情绪的脑电指标之一[16],α波增加说明人体处于较为舒适的状态,α受到抑制说明处于一种非舒适的状态。研究结果显示,热湿环境下,着装条件影响了被试的情绪,穿着PCM消防体能训练服下大脑积极情绪多于其他状态,即舒适度更佳。

2.1.2 β波强度分析

选取与β波相关的区域导联位置：中央区C3、C4、CZ和额叶区F3、F4、FZ 6个导联位置,提取10名受试者在5种着装状态下的脑电功率密度,研究不同着装状态下β波强度差异性。结果如表4所示,β波(14～30 Hz)频段中5种着装状态下的平均功率谱密度在中央区和额叶区的6个导联位置均呈显著性差异(P<0.01)。

表4 中央区和额叶区导联区域的β波方差分析结果Tab.4 Beta wave difference analysis of central and frontal lead regions

β频段的脑电拓扑图如图7所示,穿着3#涤纶训练服状态下在中央区和额叶区位置的颜色最接近黄色,说明β波强度最高,其次是2#棉涤混纺训练服,其他3种状态1#PCM、4#纯棉和5#吸湿速干训练服状态下的颜色较接近蓝色,β波强度较弱。

图7 β频段脑电拓扑图Fig.7 Beta band EEG topology

绘制出6个电极位置β波段间5种着装状态对应的平均功率谱图。结合方差分析结果和平均功率谱图可以得出,10位受试者的脑电平均功率密度在14～30 Hz波段呈现相似规律。即整个实验过程中,5种着装条件对应的β波APSD均值与峰值由高到低依次是3#、2#、5#、4#、1#。图8所示为中央区代表电极CZ和额叶区代表电极FZ的功率谱图。

图8 不同电极下β波平均功率谱密度Fig.8 PSD diagram of beta wave under different electrodes

当人精神紧张烦躁、焦虑时会诱发更多的β波。结果显示,穿着涤纶消防体能训练服时的β波强度最大,说明该状态下紧张烦躁情绪最多;穿着PCM消防体能训练服的β波强度最小,说明该状态下紧张烦躁情绪最少。消防人员日常训练时,大脑产生越多的焦虑烦躁、紧张情绪,则不利于训练效率。

2.2 热湿舒适性主观评价与脑电评价指标的相关性分析

将10位被试在脑电实验中提取到的α波和β波对应电极位置的APSD叠加平均,得到的α波、β波平均功率密度用于表征脑波节律的强度,作为相关性分析的脑电数据指标,与归一化处理后的消防体能训练服主观评价结果做Pearson相关性分析,结果如表5所示。用Pearson相关系数反应两个变量之间相关关系的强弱。在Sig.<0.05的显著水平上,相关系数R越接近|1|时,相关性越强。一般认为当|R|>0.8时,两变量具有极强的相关关系;当0.6<|R|<0.8 时,具有较强相关关系;当0.4<|R|<0.6时,具有中度相关关系;当|R|<0.4时,两变量之间的相关关系较弱。R>0表示两个变量之间存在正相关关系,反之则存在负相关关系。

表5 α波、β波强度与主观评价相关性分析结果Tab.5 Correlation analysis results between alpha, beta wave and subjective evaluation

结果显示,5种消防体能训练服主观评价指标中的湿热感和整体舒适感评分与脑电α波强度具有较强的正相关性,与β波强度具有较强的负相关性。α波强度能够反映人的积极精神状态和情绪,β波能反映人的焦虑烦躁情绪,在主观评价实验中,当受试者认为穿着消防体能训练服带来的湿热感和不舒适感越强时,其α波强度会受到抑制,该频段的功率谱密度值越低,其β波强度越高。

将5种消防体能训练服湿热感、整体舒适感的归一化处理后主观评分分别与α波强度、β波强度的关系做统计图和趋势性分析,结果如表6和图9—图10所示。

图9 湿热感、整体舒适感与α波强度关系Fig.9 Relationship between damp-heat sensation, overall comfort and alpha wave intensity respectively

图10 湿热感、整体舒适感与β波强度关系Fig.10 Relationship between damp-heat sensation, overall comfort and beta wave intensity respectively

表6 湿热感、整体舒适感分别与α波、β波强度线性关系Tab.6 Linear relationship between damp-heat sensation, overall comfort and alpha and beta wave intensity respectively

湿热感和整体舒适感主观评分由小到大对应的面料编号依次为3#、2#、4#、5#、1#,图9和图10(a)和图10(b)所示为5种面料分别对应的α波、β波强度,可以看出面料5#与面料4#的α波、β波强度差别微弱,但主观评分差距较大。其余面料对应体能训练服穿着状态下的α波强度依次升高,而β波强度依次降低。图9和图10(c)和图10 (d)所示为具体线性关系,两者之间线性关系不显著,但与α波强度总体呈正相关关系,与β波强度总体呈负相关关系。

3 结 论

通过功率谱分析和统计分析研究了不同着装状态下脑电波功率的差异以及热湿舒适性主观评价与脑电数据指标的关系,探讨了体能训练服热湿舒适性对人体脑波的影响。主要结论如下：

a)α波(8～13 Hz)频段中5种着装状态下的平均功率谱密度在枕区和顶区均呈显著性差异,α波功率谱密度可以作为脑电评价指标。5种状态对应的APSD均值由高到低依次是1#、4#、5#、2#、3#。热湿环境下,着装条件影响了被试的情绪和舒适状态,穿着PCM消防体能训练服下大脑积极情绪多于其他状态。

b)β波(14～30 Hz)频段中5种着装状态下的平均功率谱密度在中央区和额叶区均呈显著性差异,β波功率谱密度可以作为脑电评价指标。5种状态对应的APSD均值与峰值由高到低依次是3#、2#、5#、4#、1#。穿着涤纶消防体能训练服时的β波强度最大,紧张烦躁情绪最多;穿着PCM消防体能训练服的β波强度最小,紧张烦躁情绪最少。

c)5种消防体能训练服主观评价指标中的湿热感和整体舒适感评分与脑电α波强度具有较强的正相关性,与β波强度具有较强的负相关性。在主观评价实验中,当受试者认为穿着消防体能训练服带来的湿热感和不舒适感越强时,其α波强度会受到抑制,同时其β波强度越高。α波、β波强度可以作为服装热湿舒适性评价的心理生理学参数。问卷调研是传统且重要的研究方法,而脑电图技术则提供了客观的技术帮助,脑电数据可提供更为定量和客观的数据支撑。