EEG作為光與情緒實驗方法的探討
——以心內科CICU模擬病房白光環境實驗為例

曾 堃，郝洛西,2

(1.同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092； 2.高密度人居環境生態與節能教育部重點實驗室，上海 200092)

EEG作為光與情緒實驗方法的探討
——以心內科CICU模擬病房白光環境實驗為例

曾 堃1，郝洛西1,2

(1.同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092； 2.高密度人居環境生態與節能教育部重點實驗室，上海 200092)

隨著電生理技術和圖像識別技術的發展，在光與情緒的實驗中，除了傳統的“量表設計—自我評價”的主觀實驗方法外，出現了許多新的情緒研究方法。本文針對心內科CICU病房白光環境要素與情緒的關系，將EEG作為實驗手段，結合主觀問卷的傳統研究方法，通過對主觀量表和EEG數據的各自分析和對比研究，探討主、客觀實驗方法的可行性，總結科學的情緒實驗設計和方法選擇。

情緒；實驗；量表；EEG；光環境；健康照明

引言

光照環境不僅影響視覺功效，還與身心健康息息相關。循證設計(Evidence Based Design)[1]，是在循證醫學和環境心理學基礎上誕生的一種設計思想，強調用科學的研究方法和統計數據，證實建筑與環境對健康的實證效果和積極影響，這就對健康照明的設計及研究提出了更加科學客觀的實驗要求。隨著現代生物醫學工程技術和圖像識別技術的發展，利用電子科學技術實現了生理信號的檢測和分析，我們也有了更多的實驗方法選擇。同濟大學光環境實驗室通過主觀問卷對心血管內科重癥監護室(CICU，Cardiac Intensive Care Unit)光照情感效應進行了實驗研究，得出了一系列實驗結果[2]。在此研究結果的基礎上，本文將EEG(Electroencephalogram，腦電波)信號檢測作為實驗手段，結合主觀問卷及情緒量表，對健康照明的情緒相關實驗方法進行了初步的探討。

1 研究基礎

實驗通過主觀問卷評價的方法，研究了白光環境下CICU模擬病房，照度、照明方式、色溫與使用人群(病患、醫護人員)視覺及情緒之間的相關性，得出白光環境下CICU模擬病房健康光照環境的設計參數如下[3]：

針對病患而言，實驗結果顯示：①當照度為200 lx時，病患的滿意度達最大值；其次是400 lx；當照度為100 lx時，病患的滿意度達最小值。②在照度、色溫一定的情況下，間接照明的比重與病患滿意度成正相關。③當色溫為3 000 K時，病患的滿意度達最大值；其次是4 000 K；當色溫為5 700 K時，病患的滿意度達最小值。綜上，當病患在CICU模擬病房休養時(不考慮檢查、閱讀等其他需求)，他們最傾向于照度200 lx，色溫3 000 K，間接照明占70%以上的光照環境。

2 實驗設計

根據上述實驗結論，選擇合適的參數組合設置實驗場景，搭建實驗間，進一步進行主客觀實驗方法研究。

2.1 實驗室搭建

基于研究基礎，實驗選擇單人CICU空間的典型平面，借鑒以模擬空間為評價對象的實驗方法[4-5]，在同濟大學建筑與城市規劃學院光環境實驗室1∶1搭建了CICU模擬實驗室(圖1、圖2)。模擬病房尺寸為4 m×2.7 m×2.8 m，病床居中布置，床頭處配備多功能醫用設備帶。病床一側放置床頭柜，一側配有輸液架。L型醫用隔簾(l=88.51，a=-1.13，b=12.86)分隔單人病床的休息空間。室內天花的材質為白色石膏板(l=94.52，a=-0.41，b=1.95)，側墻為灰色木板(l=74.18，a=-0.63，b=0.22)，地面為深灰色地毯(l=36.14，a=-1.76，b=1.83)。實驗全程無自然光入射。

圖1 模擬病房實驗間平面Fig.1 Layout of the test-room

圖2 模擬病房實驗間天花平面Fig.2 Layout of the ceiling

我們在1.2 m平面(病患半躺休息時的眼位高度)設置了4個測量點(X1～X4)，自動記錄實驗過程中相應位置的照度、溫度、相對濕度的變化狀況，測量間隔為10 s。所有實驗場景中，室內溫度設定為24 ℃，相對濕度控制在30%。

面板燈(直接照明)采用4組尺寸為300 mm×900 mm的55 W NLED面板燈，電流0.25 A，色溫有3種，分別為3 000 K、4 000 K和5 700 K，安裝方式為嵌入式。床頭燈(間接照明)采用了56 W LED Celino BCS680，色溫為3 000 K、4 000 K和5 700 K，安裝于病患床頭處的側墻。實驗用燈配備有調光控制器，以便根據不同光照場景的實驗要求，分別設定不同參數。

表1 實驗燈具參數

2.2 照明場景設計

照明場景通過照度、色溫、照明方式3個變量進行設定。被試眼位高度平面(距地1.2 m)的照度值設定為100 lx、 200 lx、400 lx三種；色溫設定為3 000 K、4 000 K、5 700 K；照明方式分A、B、C、D、E五種，通過調節直接、間接照明的比例形成(例如，照明方式A為100%直接照明，無間接照明；照明方式B為70%直接照明與30%間接照明的組合)。根據研究基礎的實驗結論，通過調節3種變量，將200 lx、3 000 K和照明方式D作為共同條件，對實驗變量進行降維處理，組合成11種不同的照明場景。

2.3 實驗問卷設計

實驗問卷的設計包括四部分。第一部分是基本資料，包含性別、年齡等，此部分有助于后期數據的分類分析。第二部分是“焦慮自評量表”和“抑郁自評量表”，對被試的情緒狀態進行醫學的甄別。第三部分是“語義差別量表”[6-7]，被試通過對12組形容詞(含視覺、情緒)的打分來描述在病房中休養的主觀感受，不考慮檢查、閱讀等其他需求。第四部分是“情緒自評量表”[8]，在心理學情緒研究的常用自評量表中，選擇6個問題描述不同場景下被試的主觀情緒狀態。

2.4 EEG數據采集及分析

實驗EEG數據采集的儀器選用natus erurology-XLTEK EEG32U(32通道EEG儀器，圖3)，數據分析軟件選用XLTEKEEG v1.2(上海同濟醫院、華山醫院、瑞金醫院等醫院神經內科均用該軟件進行臨床分析)。

圖3 Natus erurology-XLTEK EEG32UFig.3 Natus erurology-XLTEK EEG32U

2.5 被試選擇

實驗選取了20位被試。其中男性10人，女性10人，年齡20～30歲；建筑及照明相關專業人員12人、非建筑及照明相關專業人員8人。由于需要采集被試生理數據，根據《醫療機構管理條例》的規定，我們與被試人員簽訂知情同意書。

2.6 實驗步驟

①被試進入實驗室，坐在病床上休息，填寫個人信息，適應模擬空間光環境。②醫生為被試佩戴EEG電極(8通道)，連接電腦并檢查波形圖是否正常，確認電極佩戴的準確性和牢固性。期間主試發放問卷，進行實驗介紹。③被試半躺休息，戴上眼罩(眼部照度控制在0.05 lx以下)，主試調換照明場景，間隔3 min。④摘下眼罩，適應2 min后填寫問卷。⑤填寫完畢后安靜平躺1.5 min，記錄下該段EEG波形圖的起止，作為實驗分析用的EEG數據。⑥重復步驟③～⑤，直至完成所有場景。⑦所有場景結束后，摘除電極，被試填寫“焦慮自評量表”和“抑郁自評量表”。實驗實景見圖4。

圖4 實驗實景照片Fig.4 Picture of the simulated CICU

3 初步數據分析

實驗數據分為三部分：語義差別量表、情緒自評量表和EEG數據，其中EEG數據選擇O1、O2通道(大腦皮層情緒相關區域)中α、β、θ波的比值。軟件為Excel 2010和IBM SPSS Statistics 20。

3.1 獨立分析

對三部分實驗數據分別進行統計學分析與處理，初步的分析結果由評分均值得出。

語義差別量表中：①就色溫而言(圖5)，3 000 K的評分均值顯著高于4 000 K和5 700 K。②就照度而言(圖6)，400 lx評分均值與200 lx相當(略高)，顯著高于100 lx。③就照明方式而言(圖7)，B、C、D三種組合照明方式評分均值顯著高于A、E兩種單一照明方式，基本相當。

圖5 語義差別量表得分均值-色溫 Fig.5 Semantic differential scale on CCT

圖6 語義差別量表得分均值-照度Fig.6 Semantic differential scale on illuminance

圖7 語義差別量表得分均值-照明方式Fig.7 Semantic differential scale on lighting modes

情緒自評量表中：①就色溫而言(圖8)，三種色溫評分均值沒有顯著的區別；②就照度而言(圖9)，400 lx評分均值與200 lx相當(略高)，顯著高于100 lx；③就照明方式而言(圖10)，B、C、D評分均值高于A、E。

圖8 情緒自評量表得分均值-色溫Fig.8 Self-rating emotion scale on CCT

圖9 情緒自評量表得分均值-照度Fig.9 Self-rating emotion scale on illuminance

圖10 情緒自評量表得分均值-照明方式Fig.10 Self-rating emotion scale on lighting modes

EEG的數據不符合正態分布，采用Kruskal-Wallis H Test進行非參數檢驗，所有結果P>0.05，說明在實驗設置條件下，尚不能認為各組之間的O1、O2通道的α、β、θ波所占比例存在統計學差異(圖11)。

圖11 不同條件下O1、O2通道腦電波Fig.11 EEG of O1, O2 on different conditions

3.2 相關性分析

由于EEG數據并不完全按照正態分布，因此采用spearman相關系數對各部分數據之間相關性進行分析。

①語義差別量表詞匯之間多數為顯著性相關或高度線性相關(表2)，量表效度低[9]，需要減少或調整詞組；②情緒自評量表各問題之間多為低度線性相關或不相關(表3)，量表效度高，能從不同方面反應被試情緒的狀況；③語義差別量表與情緒自評量表具有較高的相關性(表4)；④EEG數據與兩份量表相關性較弱，但是O2通道的θ波與情緒自評量表中“亢奮程度”具有相關性；⑤在照明方式為變量的場景中，O2通道的β波與語義差別量表具有相關性(表5)，其余數據的相關性也有所提高。

表2 語義差別量表(Y)相關系數

表3 情緒自評量表(Q)相關系數

表4 語義差別量表(Y)與情緒自評量表(Q)相關系數

表5 O2通道β波與語義差別量表(Q)相關系數-照明方式

注：①**——在0.01水平上相關；*——在 0.05水平上相關。

②|r|<0.4為低度線性相關；0.4≤|r|<0.7為顯著性相關；0.7≤|r|<1為高度線性相關；r為相關系數。

4 結論

實驗數據的初步分析表明，主觀問卷及量表的形式是健康照明情緒實驗中的科學手段，已經形成了一套完善的實驗體系，是行為學、心理學與照明科學三者的結合，得出的結果具有顯著的統計學意義，能滿足實驗探索的需求。在健康照明的深入研究中，主觀問卷及量表依然是主要的實驗手段。然而量表需要科學的設計——以往的實驗中我們采用的語義差別量表信效度低，基本只能體現滿意度單方面的參數，并不能對被試情緒進行多角度的統計與分析。這對心理學領域的涉獵提出了更高的要求，需要多角度的了解情緒的特點與光環境特性，通過實驗研究設計出普適的高信效度量表。

此外，本次實驗中嘗試采用EEG作為實驗方法，數據上并沒有統計學差異。經過我們反思和討論，主要原因有以下幾個方面：①采用儀器和軟件主要針對臨床，就實驗而言不夠精準；②EEG波形容易受環境影響(如電線的電磁波等)，需要更加嚴格的環境降噪處理；③EEG數據在照明方式變量的場景中與量表體現出了較高的相關性，表明實驗條件的設置是影響EEG數據采集與分析的關鍵因素；④本實驗中照度與色溫變化較小，根據情緒的極性，拉大光環境數值的變化，更能滿足情緒實驗的要求[10]。因此，在接下來的工作中我們將通過改變實驗光照條件，進一步探討光環境、生理數據與情緒之間的關系，期望在主觀實驗手段以外，找出客觀生理數據與情緒之間的聯系，總結更加科學與全面的情緒研究方法。

[1] 金鑫，張勇，格倫. 基于循證設計理念的醫院急診醫學科服務效率研究——以北京朝陽醫院為例[J].城市建筑，2012(5)：45-47.

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[3] 徐俊麗. 醫院建筑健康光照環境研究——以心血管內科CICU病房為例[D].上海：同濟大學,2016.

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ExperimentalMethodologyofEEGonLuminousEnvironmentandEmotion—ACaseStudyofCICUSimulationWard

ZENG Kun1, HAO Luoxi1，2
(1.CollegeofArchitecture&UrbanPlanningofTongliUniversity,Shanghai200092,China;2.KeyLaboratoryofEcologyandEnergy-savingStudyofDenseHabitat,MinistryofEducation,Shanghai200092,China)

With the development of technology on electrophysiology and image recognition, there are many new research methods of emotion in the experimental study on lighting and emotion, in addition to the traditional “scale design-self report” subjective experiment method. This research focus on the relationship between lighting environment of CICU and emotion. We use EEG as experimental method, combined with the traditional research methods of questionnaire. Through separate analysis and comparative study on subjective scale and EEG data, we evaluate the feasibility of subjective and objective experimental methods, to summarize scientific experimental methods.

emotion; experiment; scale; EEG; luminous environment; healthy lighting

國家自然科學基金資助(項目批準號：51478321)，國家重點研發計劃資助(項目編號：2017YB0403700)

TU1

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.008