動(dòng)態(tài)光對(duì)人警覺(jué)度與表現(xiàn)的影響

羅 明，鄭詩(shī)琪，葉 鳴

(現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，光電科學(xué)與工程學(xué)院，浙江大學(xué)，浙江 杭州 310000)

動(dòng)態(tài)光對(duì)人警覺(jué)度與表現(xiàn)的影響

羅 明，鄭詩(shī)琪，葉 鳴

(現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，光電科學(xué)與工程學(xué)院，浙江大學(xué)，浙江 杭州 310000)

本實(shí)驗(yàn)研究了照明對(duì)警覺(jué)性與舒適度的影響。實(shí)驗(yàn)使用全面的評(píng)價(jià)體系，包括主觀量表(疲勞問(wèn)卷、主觀睡意、燈光評(píng)價(jià))、生理監(jiān)測(cè)(心電、眼電、腦電、CFF)、工作表現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和生理化學(xué)指標(biāo)，來(lái)探究色溫隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)光是否優(yōu)于照度相同、平均色溫相同的靜態(tài)光。本研究共分成了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。10位被試者參與了此次研究。實(shí)驗(yàn)1包含四種光照環(huán)境：6 000 K靜態(tài)光、9 000 K靜態(tài)光、變化周期為4小時(shí)且平均色溫為9 000 K的長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)光和變化周期為2小時(shí)且平均色溫為9 000 K的短周期動(dòng)態(tài)光。結(jié)果顯示被試者在兩種動(dòng)態(tài)光內(nèi)的腦電顯著優(yōu)于靜態(tài)光下。實(shí)驗(yàn)2依據(jù)實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果而設(shè)計(jì)，包含六種光環(huán)境：色溫變化范圍4 000 K～10 000 K，變化頻率分別為2 h，1 h，0.5 h的動(dòng)態(tài)光，以及色溫變化范圍6 000 K～12 000 K，變化頻率分別為2 h，1 h，0.5 h的動(dòng)態(tài)光。結(jié)果表明高色溫，高頻率的動(dòng)態(tài)光環(huán)境更容易讓人警覺(jué)。結(jié)果亦了解各種的評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)健康光源的研究的有效性。

動(dòng)態(tài)光；警覺(jué)度；表現(xiàn)；腦電；褪黑素

引言

近年，LED照明技術(shù)已有長(zhǎng)足的進(jìn)步,具有節(jié)能、高效、體積小、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。LED照明正在快速取代傳統(tǒng)照明進(jìn)入諸多領(lǐng)域，例如：家居照明、辦公室照明、汽車(chē)照明、醫(yī)療照明等。其最重要特色是可通過(guò)不同顏色LED的組合，實(shí)現(xiàn)光譜可調(diào)，產(chǎn)生高質(zhì)量的照明環(huán)境，達(dá)到提高人類表現(xiàn)(Human Performance)的目的。

照明對(duì)人類表現(xiàn)的影響主要通過(guò)視覺(jué)舒適度、生理節(jié)律、工作表現(xiàn)等顯示出來(lái)。有益健康的照明環(huán)境可以減弱眼部疲勞、調(diào)節(jié)人體節(jié)律、改善人的情緒、提高工作效率。目前，已經(jīng)有大量研究以及產(chǎn)品關(guān)注照明對(duì)人類表現(xiàn)的影響，隨著LED智能照明的出現(xiàn)，該領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)發(fā)展壯大[1-7]。

目前，尚缺乏照明對(duì)人類表現(xiàn)的全面研究，且光環(huán)境空間較小、時(shí)長(zhǎng)較短、評(píng)估手段不全面，照明環(huán)境的變量較少[2-7]。本研究在較大較自然的照明空間內(nèi)，在較長(zhǎng)時(shí)間，采用心理、生理等多種評(píng)估手段，變換多種LED光源光譜以及其他參數(shù)，來(lái)分析研究照明對(duì)人類表現(xiàn)的影響。本文的研究將分為兩部分：實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2。實(shí)驗(yàn)2是在實(shí)驗(yàn)1完成后進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)1證明動(dòng)態(tài)光相較于靜態(tài)光能增強(qiáng)人體警覺(jué)度的表現(xiàn)，而實(shí)驗(yàn)2進(jìn)一步細(xì)化，尋找最佳動(dòng)態(tài)光的組合。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文的研究將分為兩部分：實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2。在實(shí)驗(yàn)1中，10位被試者均分別經(jīng)歷了四種光照環(huán)境，如表1所示。在實(shí)驗(yàn)2中，10位被試者均分別經(jīng)歷了六種光照環(huán)境：低色溫4 000 K～10 000 K與高色溫6 000 K～12 000 K均勻變化的光照，其中高色溫與低色溫分別有2 h，1 h，0.5 h三種變化周期，桌面上光照度保持500 lx不變，如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)1中四種光照環(huán)境

注：6K，9K代表6000 K及9000 K的靜態(tài)光，D4及D2代表4及2小時(shí)變化的動(dòng)態(tài)光。

表2 實(shí)驗(yàn)2中六種光照環(huán)境

注：L及H表示低及高色溫范圍，0.5,1.0及2.0代表時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)光。

1.2 調(diào)查問(wèn)卷

實(shí)驗(yàn)1中總共使用了三種不同的調(diào)查問(wèn)卷，包括疲勞評(píng)價(jià)問(wèn)卷，警覺(jué)度評(píng)價(jià)問(wèn)卷和燈光評(píng)價(jià)問(wèn)卷。疲勞評(píng)價(jià)問(wèn)卷，包括眼睛干澀程度、眼睛疼痛程度、肩膀疼痛程度、背部疼痛程度、頸椎疼痛程度等指標(biāo)。這些指標(biāo)的評(píng)分范圍為0～4，其中0代表完全沒(méi)有感覺(jué)，4代表感覺(jué)極為強(qiáng)烈。警覺(jué)度評(píng)價(jià)使用最常采用的卡羅林斯卡困倦度分類表(Karolinska Sleepiness Scale，KSS)，這是一個(gè)用來(lái)衡量主觀睡意的9分制表格。燈光評(píng)價(jià)問(wèn)卷包括光氛圍和光環(huán)境兩大類,全部的17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)如表3所示。這些評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分范圍為1～6，1代表詞組左側(cè)詞的最大程度，6代表詞組右側(cè)詞的最大程度。實(shí)驗(yàn)2中僅保留了警覺(jué)度評(píng)價(jià)問(wèn)卷，包括主觀警覺(jué)度問(wèn)卷及卡羅林斯卡困倦度分類表(Karolinska Sleepiness Scale，KSS)。其中，主觀警覺(jué)性問(wèn)卷是用來(lái)衡量被試者“疲倦-興奮”的6分表格，1代表特別疲倦，6代表特別興奮。

表3 實(shí)驗(yàn)1的被試者燈光評(píng)價(jià)問(wèn)卷

1.3 MATB任務(wù)

Multi-Attribute Task Battery(MATB)為一跟蹤任務(wù)，被測(cè)者使用一個(gè)游戲手柄來(lái)控制一個(gè)移動(dòng)的圓環(huán)，盡量讓它待在固定區(qū)域中。圓環(huán)的1分鐘內(nèi)平均偏移距離被記錄下來(lái)。均方根(RMS)數(shù)據(jù)代表一分鐘內(nèi)的像素偏移程度。偏移越大，表示表現(xiàn)越差。

1.4 n-back任務(wù)

n-back任務(wù)是一種連續(xù)表現(xiàn)任務(wù)，用于衡量被試者的短時(shí)工作記憶能力。本次實(shí)驗(yàn)中的n-back任務(wù)包含3輪視覺(jué)2-back任務(wù)和3輪視覺(jué)3-back任務(wù)。在視覺(jué)2-back任務(wù)中，被試者在白色屏幕上會(huì)看到一連串黑色的1-9的數(shù)據(jù)，被試者被要求在當(dāng)前數(shù)字與第2次之前的數(shù)字相同時(shí)按F鍵，當(dāng)前數(shù)字與第2次之前的數(shù)字不同時(shí)按J鍵。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，被試者先完成3輪視覺(jué)2-back任務(wù)再完成3輪視覺(jué)3-back任務(wù)。通過(guò)記錄的數(shù)據(jù)，我們獲得以下數(shù)值：1)3輪2-back任務(wù)的錯(cuò)誤數(shù)平均值2W；2)3輪2-back任務(wù)的反應(yīng)時(shí)間平均值2RT；3)3輪3-back任務(wù)的錯(cuò)誤數(shù)平均值3W；4)3輪3-back任務(wù)的反應(yīng)時(shí)間平均值3RT。

1.5 GONOGO任務(wù)

在GONOGO任務(wù)中，利用電腦程序?qū)Ρ粶y(cè)者進(jìn)行反應(yīng)速度測(cè)試。每2～10 s，笑臉或哭臉中的一種會(huì)出現(xiàn)在黑色背景的電腦屏幕上，70%的時(shí)間出現(xiàn)的是笑臉。當(dāng)且僅當(dāng)出現(xiàn)笑臉時(shí)，被試者需要按下鼠標(biāo)。當(dāng)被試者按下鼠標(biāo)后，屏幕上的表情會(huì)消失，且表情的類比(笑臉還是哭臉)和被試者的反應(yīng)時(shí)間會(huì)被記錄下來(lái)。如果被試者在表情出現(xiàn)后的1 s內(nèi)都沒(méi)有反應(yīng)，表情會(huì)消失，且被試者的無(wú)反應(yīng)和表情的類比會(huì)被記錄下來(lái)。如果被試者在任何表情出現(xiàn)以前按下了鼠標(biāo)，一個(gè)“假警報(bào)”將被記錄下來(lái)。最終實(shí)驗(yàn)者將記錄以下數(shù)值：1)哭臉出現(xiàn)時(shí)被試者按鼠標(biāo)的次數(shù)；2)哭臉出現(xiàn)時(shí)被試者按鼠標(biāo)的百分比；3)笑臉出現(xiàn)但被試者沒(méi)按鼠標(biāo)的次數(shù)；4)假警報(bào)的次數(shù)；5)假警報(bào)的比例；6)平均反應(yīng)時(shí)間；7)最佳的10%的平均反應(yīng)時(shí)間；8)最差的10%的平均反應(yīng)時(shí)間。

1.6 腦電(EEG)

腦電擬通過(guò)Biopac公司的多導(dǎo)生理通道儀的腦電模塊來(lái)記錄。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，被試者佩戴上腦電帽。當(dāng)實(shí)驗(yàn)中需要記錄腦電時(shí)，被試者將下巴放在腮托上，注視遠(yuǎn)處的固定點(diǎn)，在記錄腦電的過(guò)程中保持不動(dòng)。 作用電極Cz、Fz和Pz是根據(jù)國(guó)際 10～20 電極系統(tǒng)的規(guī)格來(lái)定位的。以耳垂為接地電極，額頭中心點(diǎn)為參考電極。alpha波(8～12 Hz)來(lái)自Pz處得到的信號(hào)，theta波(5～7 Hz)來(lái)自Cz和Fz處得到的信號(hào)，alpha-theta波(5～9 Hz)來(lái)自Cz、Fz和Pz處得到的信號(hào)。眼電成分通過(guò)軟件從腦電中濾除，避免眼動(dòng)對(duì)腦電的干擾。

1.7 心電(ECG)

心電擬通過(guò)Biopac公司的多導(dǎo)生理通道儀的心電模塊記錄。所有的心電數(shù)據(jù)均使用biopac公司配套的AcqKnowledge軟件4.2版本進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過(guò)軟件檢測(cè)每次心電的R峰來(lái)計(jì)算被試者的心率，并求得每輪2 min測(cè)量?jī)?nèi)所有心率的平均值。

1.8 閃光融合臨界頻率(CFF)

閃光融合臨界頻率通過(guò)閃光頻率融合計(jì)進(jìn)行測(cè)量，用于確定被試者分辨閃光能力的水平，即視覺(jué)的視敏度。視敏度是眼睛的一種基本功能，可作為視覺(jué)疲勞和精神疲勞的一種指標(biāo)。閃光融合頻率越高表明大腦意識(shí)水準(zhǔn)越高。人體疲勞時(shí)，閃光融合頻率較低。本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)閃光融合臨界頻率的差值代表光環(huán)境給人帶來(lái)的疲勞度的影響。

1.9 唾液

實(shí)驗(yàn)中采集受測(cè)者的唾液樣本用來(lái)進(jìn)行生理化學(xué)指標(biāo)分析。采集后擬通過(guò)酶聯(lián)免疫反應(yīng)分析法測(cè)得樣品中褪黑素和皮質(zhì)醇這兩種生物化學(xué)成分的濃度。

1.10 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)1的實(shí)驗(yàn)流程如表4所示。實(shí)驗(yàn)2的試驗(yàn)流程與實(shí)驗(yàn)1的基本完全一致，唯一差別為去除了心電測(cè)量。

表4 實(shí)驗(yàn)1的實(shí)驗(yàn)流程

1.11 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法

被試者所有任務(wù)表現(xiàn)數(shù)據(jù)都進(jìn)行了歸一化處理，接下來(lái)的統(tǒng)計(jì)分析所使用的數(shù)據(jù)都是被試者的歸一化成績(jī)：①通過(guò)計(jì)算得到每個(gè)被試者的各項(xiàng)平均成績(jī)和全部被試者的各項(xiàng)總平均成績(jī)；②每個(gè)被試者的各項(xiàng)歸一化因數(shù)(normalization factor)等于該被試者的平均成績(jī)除以總平均成績(jī)；③被試者的成績(jī)除以該被試者的歸一化因數(shù)后得到歸一化成績(jī)。這個(gè)歸一化過(guò)程能最小化被試者表現(xiàn)能力的個(gè)體內(nèi)在差異(inherent individual differences)。被試者的腦電、心電數(shù)據(jù)進(jìn)行了去基線處理：接下來(lái)的統(tǒng)計(jì)分析所使用的數(shù)據(jù)都是被試者各輪檢測(cè)值除以暗適應(yīng)期的基線數(shù)據(jù)得到的比值。被試者的主觀量表和CCF值也進(jìn)行了去基線處理：接下來(lái)的統(tǒng)計(jì)分析所使用的數(shù)據(jù)都是被試者各輪檢測(cè)值剪去暗適應(yīng)期的基線數(shù)據(jù)得到的差值。

分析時(shí)，對(duì)于腦電、心電、CFF、唾液和調(diào)查問(wèn)卷數(shù)據(jù)就時(shí)間和光照情況這兩個(gè)因素分別進(jìn)行方差分析，對(duì)于任務(wù)表現(xiàn)數(shù)據(jù)就光照這一因素進(jìn)行方差分析。然后對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行最小顯著性差異法(Least-Significant Difference，LSD)兩兩比較和均值分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)1

表5將實(shí)驗(yàn)1的分析結(jié)果做一總結(jié)。在每一項(xiàng)里，1代表表現(xiàn)最好，4代表表現(xiàn)最差，排名的劃分是根據(jù)實(shí)驗(yàn)后比較時(shí)兩兩之間是否具有顯著差異。以表5中的燈光評(píng)價(jià)問(wèn)卷：疲倦-興奮為例，由于實(shí)驗(yàn)后比較時(shí)D2與D4間有顯著差異，而6K與9K與D2，以及6K與9K與D4間無(wú)顯著差異，于是排名為D2為1，其余三者為2。分析表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，D2的排名一直較前，大部分時(shí)候?yàn)榈谝幻１辉囌咴趦煞N動(dòng)態(tài)光內(nèi)的腦電alpha能量顯著低于9 000 K靜態(tài)光下的，且這一警覺(jué)效果有轉(zhuǎn)化成更好的任務(wù)表現(xiàn)。被試者在3-back任務(wù)中短周期動(dòng)態(tài)光下反應(yīng)時(shí)間顯著短于9 000 K靜態(tài)光下。同時(shí)CFF值與疲勞狀況主觀問(wèn)卷顯示動(dòng)態(tài)光不會(huì)增加被試者的眼部疲勞。

表5 實(shí)驗(yàn)1的分析結(jié)果

注：1—表現(xiàn)最好，4—表現(xiàn)最差，*—具有顯著性P≤0.05。

2.2 實(shí)驗(yàn)2

實(shí)驗(yàn)2的全部分析結(jié)果總結(jié)在表6中。

表6 實(shí)驗(yàn)2的分析結(jié)果

注：1—表現(xiàn)最好，6—表現(xiàn)最差，*—具有顯著性P≤0.05。

結(jié)果顯示alpha能量在高色溫范圍的光環(huán)境下要顯著低于低色溫范圍的光環(huán)境，其中L2表現(xiàn)最差。Alpha-theta波和beta波分別在低色溫和高色溫光環(huán)境下對(duì)頻率具有顯著性，其中2 h變化頻率的動(dòng)態(tài)光環(huán)境下警覺(jué)性最差，1 h及0.5 h變化頻率的光環(huán)境下警覺(jué)性較高。主觀警覺(jué)性量表，N-back任務(wù)表現(xiàn)均顯示高色溫的光環(huán)境下被試更警覺(jué)，任務(wù)表現(xiàn)更好，其中2-back任務(wù)中，H2相對(duì)于H1及H0.5表現(xiàn)出更高的反應(yīng)時(shí)間，即表現(xiàn)更差。對(duì)于CFF值及褪黑素結(jié)果顯示，高色溫會(huì)影響被試的生理節(jié)奏以及加重視疲勞，而頻率的影響不大。GONOGO反應(yīng)時(shí)間、MATB-II任務(wù)表現(xiàn)以及唾液皮質(zhì)醇含量對(duì)不同的色溫范圍及不同的色溫變化頻率均未表現(xiàn)出顯著性的差異。

3 結(jié)論

本文通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)研究了動(dòng)態(tài)光對(duì)人類警覺(jué)度及表現(xiàn)的影響。實(shí)驗(yàn)1研究了動(dòng)態(tài)光與靜態(tài)光對(duì)人類警覺(jué)性及人物表現(xiàn)影響的不同，而實(shí)驗(yàn)2則針對(duì)不同色溫范圍及不同色溫變化頻率的動(dòng)態(tài)光進(jìn)行了研究。兩次實(shí)驗(yàn)分別有10個(gè)被試者參與此次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)1結(jié)果表明高色溫白光優(yōu)于低色溫白光，平均色溫相同的動(dòng)態(tài)光優(yōu)于靜態(tài)光，短周期動(dòng)態(tài)光優(yōu)于長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)光，實(shí)驗(yàn)2的結(jié)果表明被試者在高色溫，高頻率的動(dòng)態(tài)光環(huán)境下警覺(jué)性更高，然而高色溫會(huì)影響被試者的生理節(jié)奏以及加重視疲勞，高頻率的動(dòng)態(tài)光相比于低頻率的動(dòng)態(tài)光在對(duì)生理節(jié)奏與視疲勞的影響并沒(méi)有顯著性的影響。因此，如果動(dòng)態(tài)光對(duì)證實(shí)警覺(jué)性的提升被證實(shí)有效，這將是一種提高警覺(jué)性且不影響生理節(jié)奏及加重視疲勞的更好的方法。綜上，動(dòng)態(tài)光對(duì)于人體警覺(jué)度與表現(xiàn)的影響較靜態(tài)光更好，而動(dòng)態(tài)光中，色溫的范圍及頻率等實(shí)驗(yàn)條件不同時(shí)效果也有明顯的差異。相對(duì)來(lái)說(shuō)，高色溫范圍及較快頻率的動(dòng)態(tài)光對(duì)人體警覺(jué)度與表現(xiàn)的影響效果較顯著。這與胡能忠教授對(duì)于動(dòng)態(tài)光的研究相吻合[2]，他的研究結(jié)果表明高色溫范圍的動(dòng)態(tài)光對(duì)人體警覺(jué)度的影響效果較顯著，但他并未研究動(dòng)態(tài)光的頻率因素以及動(dòng)態(tài)光對(duì)人的任務(wù)表現(xiàn)的影響。實(shí)驗(yàn)中alpha能量在高色溫的光環(huán)境下要顯著低于低色溫的光環(huán)境，這與Park等[3]在2013年的結(jié)論一致。色溫變化范圍及色溫變化頻率對(duì)卡羅林斯卡困倦度分類表的結(jié)果均沒(méi)有顯著性的影響，這與YAW等[4]在2010年的發(fā)現(xiàn)一致。N-back任務(wù)表現(xiàn)的結(jié)果與Shamsul等[5]在2013年的結(jié)果相似，結(jié)果顯示高色溫的光環(huán)境下被試更警覺(jué)，任務(wù)表現(xiàn)更好。

此次研究的另一個(gè)目的是找出測(cè)量對(duì)警覺(jué)性最有效的四種方法。目前實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果顯示腦電(EEG)，主管問(wèn)卷，N-back任務(wù)表現(xiàn)及MATB任務(wù)表現(xiàn)是具有顯著性影響的，實(shí)驗(yàn)2的結(jié)果顯示腦電(EEG)，主觀警覺(jué)性問(wèn)卷，N-back任務(wù)表現(xiàn)及對(duì)褪黑素含量的分析是具有顯著性影響的，這幾種方法會(huì)被繼續(xù)用在接下來(lái)的研究中。

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The Impact of Dynamic Light on Human Alertness and Performance

LUO Ming, ZHENG Shiqi, YE Ming

(Zhejiang University, Hangzhou 310000, China)

Two experiments were conducted to investigate the impact of light on human alertness and task performance. A wide range of measurement systems was used including questionnaires (fatigue questionnaires, sleeping scale (KSS) and light atmosphere and appearance), physiological method (ECG, EOG, EEG, CFF), task performance and biochemical method. Ten participants took part in this study. Experiment 1 included 4 phases of lighting condition, i.e. 6 000 K static light, 9 000 K static light, and CCT range of 6 000 to 12 000 K at cycle of 4 and 2 hour, respectively. The result showed that higher CCTs were more effective than lower CCTs and dynamic light performed better than static light and high frequency was more obvious than low frequency light on generating a higher alertness. Experiment 2 had 6 phases including 2 ranges and 3 frequencies of CCT, i.e. from 4 000 K to 10 000 K and from 6 000 K to 12 000 K, each at cycle of 2 h, 1 h, 0.5 h. The results indicated that a higher CCT range and a higher CCT frequency was better on generating a higher alertness. The results also indicated which measurement method to be more effective to measure human alertness and human performance.

alertness; dynamic light; performance; EEG; melatonin

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.001