基于EEG 的負(fù)離子功能服裝評(píng)價(jià)研究

莊蘇楠,張英姿,張技術(shù)

(常熟理工學(xué)院 紡織服裝與設(shè)計(jì)學(xué)院,江蘇 常熟215500)

負(fù)離子具有促進(jìn)人體新陳代謝的積極作用,如改善呼吸系統(tǒng),提高肺活量；增強(qiáng)腦組織的氧化過(guò)程,改善睡眠質(zhì)量；增加血液中的含氧量,有利于人體血氧的輸送、吸收等[1-2],因此,被賦予“空氣維生素”和“長(zhǎng)生素”的稱號(hào)[3]。醫(yī)學(xué)研究證明,負(fù)氧離子有18%是通過(guò)人的呼吸道被吸收,82%通過(guò)皮膚被人體吸收[4]。服裝素有人體第二皮膚的美譽(yù),與人體皮膚密切接觸,負(fù)離子功能服裝釋放的負(fù)離子更有益于人體吸收。因此,負(fù)離子功能服裝產(chǎn)品的研發(fā)和性能評(píng)價(jià)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。腦電圖(elecxtoencephalogram,EEG)是通過(guò)電極記錄下來(lái)的腦細(xì)胞群的自發(fā)性、節(jié)律性電活動(dòng)。將腦電采集生理數(shù)據(jù)的方式運(yùn)用到負(fù)離子紡織品功效的評(píng)價(jià),通過(guò)分析腦電波,探究負(fù)離子功能服裝穿著在人體時(shí)引起的神經(jīng)生理反應(yīng),可為負(fù)離子服裝的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 腦電圖應(yīng)用于負(fù)離子功能紡織品性能評(píng)價(jià)的相關(guān)研究

人體受到外界刺激時(shí)會(huì)引發(fā)一定生理指標(biāo)的變化,研究這些變化與人心理活動(dòng)的關(guān)系,并做出定量或定性的描述,這種研究方法就是電生理實(shí)驗(yàn)法[5]。由于這種外界刺激產(chǎn)生的本能反應(yīng),是不受大腦意識(shí)控制的瞬時(shí)反應(yīng),所以能夠真實(shí)而客觀地表現(xiàn)人體受到刺激時(shí)的感官反應(yīng)。

腦科學(xué)的發(fā)展為紡織品的研究提供了新的思路,尤其是對(duì)織物觸感的評(píng)價(jià)和認(rèn)知進(jìn)程有著重要的影響。如Sugita等運(yùn)用腦電方法研究了束腰帶與穿著舒適性的關(guān)系,事件相關(guān)電位(ERP)反映了大腦在客體信息加工時(shí)對(duì)刺激的識(shí)別、分辨、判斷等認(rèn)知活動(dòng)[5]；Yohsuke Horiba等運(yùn)用ERP 的方法研究3種不同的試樣,如毛毯、棉布、砂紙,刺激測(cè)試者的左前腕內(nèi)側(cè)的ERP變化,研究發(fā)現(xiàn)織物風(fēng)格特征對(duì)P3的振幅有明顯的影響[6]；東華大學(xué)王藝霈在服裝穿著舒適性的研究中使用了EEG 方法,發(fā)現(xiàn)α波能量百分比在左側(cè)枕部和右側(cè)枕部與部分客觀指標(biāo)和主觀感知之間有明顯的關(guān)聯(lián)性,得出客觀電生理指標(biāo)α波能量百分比可以評(píng)價(jià)服裝穿著舒適性的結(jié)論[7]；蘇州大學(xué)的張旭靖利用腦電反應(yīng)和皮膚電反應(yīng)檢測(cè)受試者接觸內(nèi)衣織物時(shí)的觸感,分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)織物觸感越粗糙硬挺,α節(jié)律越受到抑制,β節(jié)律百分比出現(xiàn)高頻優(yōu)勢(shì),若織物對(duì)皮膚的觸感越不適,對(duì)皮膚刺激越大,就會(huì)引起交感神經(jīng)興奮,支配汗腺分泌出汗液,導(dǎo)致皮膚電阻下降,電導(dǎo)率上升[8]。

神經(jīng)生理學(xué)的發(fā)展及可穿戴設(shè)備的普及,使得人們能夠采集生理數(shù)據(jù),學(xué)者將其運(yùn)用到負(fù)離子功效的研究中,通過(guò)分析腦電圖來(lái)研究負(fù)離子作用于人體時(shí)所引起的腦波變化。如M·Assael研究了10名受試者暴露在負(fù)離子濃度為3.5×105個(gè)/cm3的環(huán)境中,連續(xù)記錄45～60 min的腦電圖,發(fā)現(xiàn)α波的頻率由10～11 Hz減少到8～9 Hz,波幅增加了20%[9]；張甬泉在某地下建筑房間內(nèi)控制負(fù)離子濃度大約在2 400、10 000個(gè)/cm3,進(jìn)行分組試驗(yàn),試驗(yàn)中采用腦電、主觀感覺(jué)調(diào)查和脈搏、血壓以及智力測(cè)試方法,分析得出隨著空氣負(fù)離子增加,人體腦電波α波增加,δ、θ波減少,證明了負(fù)離子能促使人員清醒、興奮[10]；文蘭穎選取了肺功能較差的男性大學(xué)生,呼吸不同濃度的負(fù)離子進(jìn)行呼吸訓(xùn)練,分析呼吸機(jī)力量指標(biāo)的數(shù)據(jù)變化,發(fā)現(xiàn)在高濃度的負(fù)氧離子環(huán)境中能夠改善人體的呼吸肌力量以及肺通氣功能[11]。

2 試驗(yàn)部分

2.1 儀器與材料

儀器:西班牙Enobio腦電系統(tǒng),采樣率500 SPS,32通道,分辨率24 bit。

材料:兩件M 碼的女式T 恤衫,其中一件是經(jīng)過(guò)負(fù)離子整理液處理過(guò)的負(fù)離子純棉T 恤衫,另一件是不含有負(fù)離子的正常純棉T 恤衫。

2.2 被試者

隨機(jī)選取3名年齡為20～25歲的在校女大學(xué)生或碩士研究生參加試驗(yàn),她們具有正常的認(rèn)知能力,無(wú)神經(jīng)類疾病,試驗(yàn)前均未服用任何神經(jīng)抑制類的藥物,自愿參加試驗(yàn)。不同年齡段的大腦發(fā)育情況有所不同,其相對(duì)應(yīng)的腦電圖特征也有著較大的差別。因此,為了降低由于年齡、發(fā)育情況而造成的差異,減少對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響的因素,此次試驗(yàn)選取了年齡較為相近、教育程度相近、沒(méi)有遺傳病史的受試者。標(biāo)記穿正常純棉T 恤一組為A 組,標(biāo)記穿著負(fù)離子T 恤一組為B組。

2.3 測(cè)試要求與流程

2.3.1 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備

(1)試驗(yàn)人員向受試者描述試驗(yàn)流程及目的,并說(shuō)明此項(xiàng)試驗(yàn)無(wú)損傷無(wú)痛苦,消除受試者的緊張情緒。

(2)在采集腦電數(shù)據(jù)前,受試者應(yīng)洗凈頭發(fā)與頭皮并吹干頭發(fā),去除頭皮表面的油脂和頭屑,禁止使用護(hù)發(fā)素等護(hù)發(fā)用品,避免因頭皮電阻過(guò)高影響腦電信號(hào)的采集。

(3)由于血糖過(guò)低會(huì)影響腦電圖的結(jié)果,所以試驗(yàn)要在餐后1 h進(jìn)行,受試者在進(jìn)行試驗(yàn)前需先在室內(nèi)適應(yīng)20 min以保持情緒穩(wěn)定。

(4)為了保證試驗(yàn)的精確性,試驗(yàn)前將2件T 恤衫在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室內(nèi)平衡24 h。

(5)腦電采集參數(shù)設(shè)置:試驗(yàn)選擇電極帽上的6個(gè)電極通道,分別為AF3、AF4、CP5、CP6、PO7、PO8,以右耳為參考電極,采樣率為500 SPS,如圖1所示。

(6)受試者以舒適的姿勢(shì)坐在椅子上,在試驗(yàn)過(guò)程中全程閉眼,以防外界環(huán)境中的光源及其他視覺(jué)刺激的影響,受試者在試驗(yàn)過(guò)程中盡量不擺動(dòng)頭部和晃動(dòng)身體,如圖2所示。

圖1 電極位置分布

圖2 受試者靜坐

2.3.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)環(huán)境為溫度(23±3)℃,濕度(65±5)%。環(huán)境安靜,且無(wú)任何光源刺激,避免其他信號(hào)對(duì)采集生理信號(hào)產(chǎn)生影響及噪聲對(duì)受試者的影響。受試者靜坐于椅子上,待6個(gè)通道的信號(hào)燈指示變綠(即信號(hào)良好)時(shí),受試者穿戴衣物,試驗(yàn)過(guò)程中保持安靜,給受試者穿衣物時(shí)不要觸碰、干擾受試者。穿好衣服后開(kāi)始記錄數(shù)據(jù),連續(xù)記錄受試者在穿上試驗(yàn)T 恤后20 min內(nèi)的腦電波信號(hào)。在受試者穿著不含負(fù)離子T 恤測(cè)試完畢后受試者靜息10 min,由試驗(yàn)人員更換另一件含負(fù)離子的T 恤,同樣在更換過(guò)程中不能觸碰或干擾受試者。

2.4 腦電參數(shù)優(yōu)選

臨床醫(yī)學(xué)證明負(fù)離子能夠穿透皮膚引起深部組織的生理反應(yīng),刺激神經(jīng)感受器引起溫度和血管反應(yīng),而且能夠增加腦電波中的α波[12]。人的心情與腦電波中的α波有關(guān),當(dāng)人感覺(jué)放松、舒適時(shí)α波增加,狀態(tài)消極時(shí)α波會(huì)受到抑制。腦電節(jié)律強(qiáng)度受到血液循環(huán)系統(tǒng)的影響,血液循環(huán)速度加快,腦電波α波增加。顏色的深淺表示波強(qiáng)度的腦電地形圖以及各節(jié)律所占腦電波頻率的百分比反映出了受試者的生理變化,可以清晰的看出負(fù)離子服裝對(duì)腦電波的影響。因此選取腦電波的α節(jié)律作為研究指標(biāo),通過(guò)分析α波所占腦電波頻率的百分比以及α波腦電地形圖來(lái)研究負(fù)離子服裝對(duì)人體腦電信號(hào)的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 α節(jié)律百分比變化

表1給出了A 組和B組的α節(jié)律百分比。分析表1的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),受試人員穿上負(fù)離子T 恤后,α節(jié)律的百分比均高于穿正常T 恤的α節(jié)律百分比,與負(fù)離子對(duì)人體的功效是一致的?？梢?jiàn),穿著負(fù)離子服裝能夠引起人體生理反應(yīng),增加人腦電波中的α波。因α波與人們的心情有關(guān),可以推測(cè)負(fù)離子服裝能夠使人體感到舒適、心情放松。

表1 α節(jié)律百分比 單位:%

3.2 α波強(qiáng)度變化

圖3給出了受試人員穿正常T 恤和穿負(fù)離子T恤的平均α波的強(qiáng)度地形圖。通過(guò)圖3(a)和圖3(b)的對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)B 組的紅色區(qū)域明顯大于A 組,且顏色深于A 組?？梢酝茢郆組的α波強(qiáng)度大于A 組,說(shuō)明人穿著負(fù)離子服裝能夠使腦波中α波強(qiáng)度增加,促進(jìn)人體血液循環(huán)。

4 結(jié)語(yǔ)

采用EEG 分析人體生理和心理的變化是一種較為客觀的方法,能夠?yàn)槿藗冮_(kāi)展科學(xué)研究提供有力的參考數(shù)據(jù)。通過(guò)采集人在穿著負(fù)離子服裝前后的腦電波,分析腦電波中α節(jié)律百分比以及α波腦電強(qiáng)度地形圖,發(fā)現(xiàn)穿著負(fù)離子功能服裝能夠增加腦電波中的α波,使人心情放松。

圖3 α波強(qiáng)度地形圖