不同LED照明環(huán)境下學(xué)生的腦電信號(hào)變化

楊春宇，汪統(tǒng)岳，梁樹英，向奕妍，陽(yáng)佩良，何 偉

(1.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

引言

學(xué)習(xí)是一個(gè)不斷從事腦力勞動(dòng)的過程，期間出現(xiàn)的腦力能力下降、作業(yè)機(jī)能衰退的現(xiàn)象稱之為腦疲勞，具體表現(xiàn)為學(xué)習(xí)效率下降、注意力不集中、記憶力下降、反應(yīng)遲鈍等[1]。不良的照明環(huán)境會(huì)加速腦疲勞的產(chǎn)生和加重腦疲勞的程度，不同的照明環(huán)境下，腦疲勞程度也不盡相同。LAL和CRAIG[2]認(rèn)為腦電信號(hào)(EEG)是最適合作為疲勞評(píng)價(jià)的生理指標(biāo)；曾堃等[3]通過主觀量表和EEG數(shù)據(jù)，對(duì)心內(nèi)科CICU病房白光環(huán)境要素與情緒的關(guān)系進(jìn)行了探討。為了解不同的LED照明環(huán)境對(duì)學(xué)生腦疲勞的影響，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)定不同的色溫和照度環(huán)境來模擬教室照明，測(cè)試學(xué)生的腦電信號(hào)隨時(shí)間的變化情況，評(píng)判適宜的色溫和照度組合，為教室照明環(huán)境設(shè)計(jì)提供參考。

1 腦疲勞的評(píng)價(jià)方法

1.1 腦疲勞評(píng)定方法的選擇

腦疲勞的評(píng)定方法主要有四種：主觀測(cè)評(píng)法、心理學(xué)和行為學(xué)指標(biāo)評(píng)定法、生化指標(biāo)評(píng)定法和生理指標(biāo)評(píng)定法[6](見表1)。其中，通過腦電波測(cè)試的生理指標(biāo)判定法目前最成熟，腦電信號(hào)成為應(yīng)用最廣泛的中樞神經(jīng)系統(tǒng)變化的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 腦疲勞的4種評(píng)定方法比較Table 1 Comparisons of four assessment methods for brain fatigue

1.2 腦電信號(hào)的分類與評(píng)價(jià)指標(biāo)

腦電波(Electroencephalogram,EEG)來源于錐體細(xì)胞頂端樹突的突觸后電位，記錄了大腦活動(dòng)時(shí)的電波變化，是腦神經(jīng)細(xì)胞的電生理活動(dòng)在大腦皮層或頭皮表面的總體反映[7]。腦電波信號(hào)的頻率范圍較大(0～100 Hz)，根據(jù)腦部不同的功能、病理或狀態(tài)分為不同的頻帶，至少存在4個(gè)重要的波段：δ波、θ波、α波和β波[8](見表2)。睡眠時(shí)還可能出現(xiàn)的其他波形，如σ波、λ波、μ波、κ-復(fù)合波、駝峰波等，不在本研究的范圍內(nèi)。腦電信號(hào)隨著人的精神負(fù)荷變化產(chǎn)生波動(dòng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，α波越多表明人越放松；δ波和θ波越多，β波越少，則越疲勞。

頻帶能量比例(FBER值，以下簡(jiǎn)稱R值)即δ波、θ波、α波和β波的功率值占四種波總功率值的比例[11]，通過R值的變化可以判斷大腦皮層的興奮度和腦疲勞程度，反應(yīng)不同色溫、照度和時(shí)間參數(shù)對(duì)腦疲勞的影響。其中δ波和θ波為睡眠波，腦電波中Rδ值和Rθ值增大時(shí)表示困倦感加強(qiáng)，可以通過判斷Rδ+θ值來描述腦疲勞的程度。α波和β波與精神興奮性和焦慮感相關(guān)，人在放松的情況下α波占大部分，當(dāng)精神興奮性提高時(shí)β波增多，伴隨著焦慮感的增加，可以通過Rα值和Rβ值的變化來判斷精神興奮程度。

表2 腦電波的4種波形比較Table 2 Comparisons of four waveforms of EEG

1.3 腦電信號(hào)的檢測(cè)與分析

使用美國(guó)某公司生產(chǎn)的MP150多導(dǎo)生理記錄儀及其專用的數(shù)據(jù)線和電極片采集記錄，通過與之配套的AcqKnowledge 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，可以算出δ、α、β和θ波各頻段的功率平均值。進(jìn)而得出δ、α、β和θ波四種波段的頻帶能量比例R值作為腦疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)。將δ波的頻帶能力比例記作Rδ，θ波的頻帶能量比例記作Rθ，α波和β波分別記作Rα和Rβ。頻帶能量比例R值采用以下公式計(jì)算：

Eall(k)=∑E(j)(k)j

(1)

(2)

2 實(shí)驗(yàn)方法

1)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定。教室、圖書館等教育建筑需滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的功能要求，照度不宜過高。研究表明人眼的視覺功能曲線隨著照度的升高而提高，在3 000 lx左右達(dá)到峰值，超過3 000 lx后，視覺功效反而下降。因此，教室工作面照度值的最高值設(shè)定為3 000 lx[12]。參考GB 50034《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》推薦的照度分級(jí)要求，將實(shí)驗(yàn)環(huán)境的照度值劃分為500 lx、1 000 lx、1 500 lx、2 000 lx、2 500 lx和3 000 lx六種水平[13]。色溫選取4 000 K、5 000 K和 6 500 K三種常用色溫，每0.5 h監(jiān)測(cè)一次學(xué)生的腦電信號(hào)，觀察其變化趨勢(shì)。

2)實(shí)驗(yàn)對(duì)象。通過對(duì)招募的大學(xué)生志愿者進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，連續(xù)3天進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)試，篩選出結(jié)果穩(wěn)定的10名志愿者，隨機(jī)分為2組，輪流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組測(cè)試后休息1天。

3)實(shí)驗(yàn)流程。通過實(shí)驗(yàn)室模擬教室照明環(huán)境，選用相同型號(hào)不同色溫的LED燈管，通過改變燈管的數(shù)量和高度來改變工作面的照度，實(shí)現(xiàn)設(shè)定的光環(huán)境。志愿者每天下午兩點(diǎn)開始實(shí)驗(yàn)，光照前測(cè)試一次腦電信號(hào)，然后開始自習(xí)，每0.5 h再測(cè)試一次。實(shí)驗(yàn)持續(xù)3 h，期間可以閱讀和書寫，不能使用手機(jī)、平板電腦等電子設(shè)備。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 色溫對(duì)腦疲勞的影響

隨著色溫的提高，Rδ+θ值增加，表明受試者的腦疲勞程度越高，6 500 K色溫引起腦疲勞的程度最高，而4 000 K最低；Rα值的變化趨勢(shì)正好相反；Rβ值變化不明顯，但5 000 K色溫的Rβ值最高，說明此時(shí)被試者的精神興奮性最高，腦疲勞程度適中(見圖1)。學(xué)習(xí)效率的提高伴隨著一定的腦疲勞和精神興奮性提高和焦慮感，綜合Rδ+θ值、Rβ值和Rα值的變化，發(fā)現(xiàn)5 000 K色溫條件下，受試者的腦疲勞程度不高，但精神興奮性最好。

圖1 Rδ+θ值、Rα值和Rβ值隨色溫的變化趨勢(shì)圖Fig.1 Trend chart of Rδ+θ,Rα and Rβ value with color temperature

3.2 照度對(duì)腦疲勞的影響

隨著照度的提高，Rδ+θ值先減小后增大，2 500 lx對(duì)應(yīng)的Rδ+θ值最大，2 000 lx對(duì)應(yīng)的Rδ+θ值最小，說明過高的照度更容易引起腦疲勞，且程度更深，在合理的照度范圍內(nèi)，腦疲勞的程度隨著照度值的提高而減小。隨著照度的增加，Rα值先增加后減小，1 500 lx對(duì)應(yīng)的Ra值最大，3 000 lx對(duì)應(yīng)的Rα值最小(見圖2)；照度小于1 500 lx時(shí)，Rβ值基本穩(wěn)定，變化不明顯，超過1 500 lx后迅速增加，3 000 lx對(duì)應(yīng)的Rβ值最高，1 500 lx對(duì)應(yīng)的Rβ值最小，說明低于1 500 lx的范圍內(nèi)，受試者處于一種較為放松的學(xué)習(xí)狀態(tài)。隨著照度的提高(不超過1 500 lx)，學(xué)生的精神興奮度變化不明顯，照度超過1 500 lx后，學(xué)生的精神興奮性受到刺激迅速提高，同時(shí)腦疲勞也開始增加。綜合考慮腦疲勞程度和精神興奮性，照度最佳水平為2 000 lx。

圖2 Rδ+θ值、Rα值和Rβ值隨照度的變化趨勢(shì)圖Fig.2 Trend chart of Rδ+θ,Rα and Rβ value with illumination

圖3 Rδ+θ值、Rα值和Rβ值隨光照時(shí)間的變化趨勢(shì)圖Fig.3 Trend chart of Rδ+θ,Rα and Rβ value with time

3.3 光照時(shí)間對(duì)腦疲勞的影響

隨著光照時(shí)間的延長(zhǎng)，Rδ+θ值逐漸增大，超過2.5 h后急劇增加，說明光照時(shí)間越久，腦疲勞程度越深，且逐漸加速。隨著光照時(shí)間的增加，Rα值逐漸降低，光照前期緩慢變小，超過1.5 h后，Rα值迅速下降；Rβ值先增加后減小，光照2 h左右Rβ值最高(見圖3)；綜合Rα值和Rβ值的變化規(guī)律，說明光照時(shí)間在2 h內(nèi)，受試者的精神興奮性隨光照時(shí)間的增加逐漸緩慢增高，超過2 h后，精神興奮性降低，腦疲勞程度加深。綜合考慮腦疲勞程度和精神興奮性，最佳光照時(shí)間為1.5 h或2 h。

4 結(jié)論

隨著色溫的提高，被試者的腦疲勞程度增大，6 500 K色溫下學(xué)生的腦疲勞最嚴(yán)重；5 000 K色溫的精神興奮性最高，腦疲勞程度適中。隨著照度的增加，腦疲勞先減小后增大；過高的照度更容易引起腦疲勞，而且腦疲勞程度更深；在合理的照度范圍內(nèi)(不超過1 500 lx)，腦疲勞的程度隨著照度值的提高而減?。痪C合考慮腦疲勞和精神興奮性的要求，照度最佳水平為2 000 lx。隨著光照時(shí)間的增加，受試者的腦疲勞程度越深；受試者的精神興奮性隨光照時(shí)間的增加逐漸增高，且增加速度較為緩慢；光照時(shí)間超過2 h后，精神興奮性降低，腦疲勞程度加深。綜合考慮腦疲勞程度和精神興奮性的要求，最佳光照時(shí)間為1.5 h或2 h。當(dāng)然，這僅是一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，還不能說明這就是完整的科學(xué)結(jié)論，有關(guān)LED照明環(huán)境下腦疲勞的問題還有待進(jìn)一步的研究。