褪黑素照度的動態光對警覺性、疲勞和生理節律的影響

劉 余，吳佩蓉，羅 明

(1.浙江大學光電學院，浙江 杭州 310000；2.臺中科技大學資訊與流通學院，臺灣 臺中 40402)

引言

近年來，由不同的光參數如相對色溫(CCT)、照度和特定光譜波長引起變化的警覺性、工作表現和睡眠品質研究是光學領域中的一個熱點。由于LED技術的飛速發展，使得能夠快速變化的動態光的研究成為可能。這些系統中的的參數有照度、相對色溫、Duv、顯色指數、同色異譜等。因為光對人體健康影響上的共識，國際照明委員會(CIE)[1]在2018年提出了包含視桿細胞、視錐細胞和視網膜感光神經節細胞(ipRGC)上的5個光視素的敏感度曲線，等效照度值分別為Emc、Elc、Esc、Er和Ez。2005年Rea等[2]在Brainard等[3]和Thapan等[4]測得的夜間褪黑激素的光譜靈敏度曲線上提出的節律刺激值(Circadian Stimulus, CS)的模型。

動態光的研究領域中主要運用根據某一參數例如CCT或者照度，以一定的速率變化的連續不斷的光。Hu等[5]在2012年研究對比了CCT從6 500～12 000 K的動態光與12 000 K的靜態光，發現動態光能誘發更多的警覺性。Zheng等[6]研究了4個不同條件的動態光，CCT 范圍從6 000～12 000 K，周期為2 h; CCT 范圍從6 000～12 000 K，周期為4 h; 9 000 K的靜態光； 6 000 K的靜態光。其結果是相比靜態光，在動態光條件下被試的工作效率更高。變化更快的光使得被試的工作效率更高。Wang和Luo[7]研究了8～10歲的兒童，發現在靜態光下更高的CS誘發更佳的任務表現。Ye等[8]拓展了Zheng等[6]的工作，進一步調查了CCT范圍和動態光的變化周期。結果顯示，更高的CCT從6 000～12 000 K相比4 000～10 000 K，能使被試警覺度更高且任務表現更好，但不同的變化周期 帶來的影響十分有限。

本實驗的假設是高褪黑激素照度Emel或者CS會使被試警覺性更高。本次研究的實驗目的是為了調查相同的CCT 范圍內不同的Emel水平對工作表現的影響。這兩個參數并未放在一起研究。另一個目標則是為了調查多通道的LED系統控制動態光的能力。

1 研究方法

1.1 光源條件

實驗在辦公室中進行。將常州某公司生產的10個LEDcube?安裝在辦公室的天花板上。通過軟件控制11個LED通道實現調制出目標光譜。光源的桌面照度為500 lx，眼部照度為160 lx。圖1為實驗中的光環境。

圖1 實驗光環境Fig.1 The experimental environment

實驗中的光源控制十分嚴格。實驗中Emel和CCT對應于時間的關系如圖2(a)所示。60個光源在實驗中2.5 h內變化6000 K并且連續的兩個光源之間Duv盡可能地小以保證光源平滑地變化，如圖2(b)顯示，Duv會依不同的CCT而改變，但他們之間的改變是有連續性的，沒有閃爍光的產生。

圖2 動態光的Emel和Duv與CCT的關系Fig.2 The dynamic light settings

表1提供了兩個光源的指標。JETI Specbos 1211UV 光譜輻射計用于測量和校準所有光。

表1 光源參數Table 1 Parameters of light source

1.2 實驗流程

16個被試(7男9女；23.1±1.4歲)參加實驗。所有招募被試均無攝入咖啡因及酒精或吸煙的習慣。實驗共進行兩周，時間為20:00—23:00。每個被試均要參加兩個光源條件。兩次實驗間隔4天以避免由前一個光源造成的任何影響。要求所有被試在實驗期間保持一個規律的作息。他們每天大約睡8 h，由Actiwatch記錄睡眠信息。圖3是實驗流程。 一開始被試須在黑暗環境下適應30 min，接著做2.5 h的實驗。每隔0.5 h收集一次數據，其他時間均讀書。只有go/no-go 和 D2 任務是在22:30 到 23:00之間完成的。另外Actiwatch Spectrum PRO腕式記錄儀用于測量睡眠品質及入睡時間。

圖3 實驗流程Fig.3 The experiment procedure

一系列測試包括任務表現，眼疲勞，睡眠品質和生物指標用于評價這兩種光源。測試包括：任務表現(D2 和 go/no-go), 卡洛林斯卡睡意問卷 (KSS), 閃光融合頻率(CFF), 虛擬現實癥狀問卷(VRSQ) (癥狀包括眼疲勞、眼酸/眼痛、視物模糊、難以集中焦點), 生化反應 (褪黑素和皮質醇), 和腕式活動記錄儀(Actiwatch)。

D2測試是一個長期穩定有效的測量人眼視覺掃描精確度和速度的測量方法。D2測試是要劃掉所有字母為d，上下豎杠加起來總共是兩個。忽略掉字母為p或是上下豎杠加起來不為2的d字母。go/no-go主要檢測被試的自我控制能力和反應時間。被試在聽到“go”的信號時迅速作出反應，而聽到“no go”的信號時禁止反應。

KSS將疲勞程度共分成9個等級，其中1代表“非常警覺”，9代表“非常困倦極力保持清醒”，卡洛林斯卡困倦度的分值越低代表受試者越清醒。

閃光融合頻率臨界值(CFF)被定義為某閃光點能觀察者帶來視覺上的穩定效果的最低頻率。人越疲勞時，閃光融合頻率會越低。

2 實驗結果

IBM SPSS Statistics 22 software?用于分析實驗結果。所有結果均歸一化后得到。例如問卷和CFF得分由減去暗適應30 min后的分數得到。而唾液樣本的數據除以基線數值得到。一般線性模型中的重復測量兩個因素“光源×時間”的分析方法用于問卷，CFF和生化反應的結果。主要結果總結如下：

任務表現：實驗結果如圖4所示，對于D2和go/no-go任務，相較于低Emel光源被試在高Emel光源下犯錯更少，其中go/no-go任務中高Emel光源統計學上顯著犯錯更少(p=0.034)。另外，高Emel光源下的反應速度比低Emel更快。該實驗結果表明在高Emel光源下被試警覺性更高。

圖4 D2和go/no-go任務的錯誤個數Fig.4 D2 and go/no-go tasks’ error number results

KSS問卷：圖5(a) 展示了KSS問卷結果。和預期一致，統計學上KSS問卷時間主效應顯著，被試隨著實驗進行睡意顯著增加。同時被試在低Emel光源下有更困倦的傾向。

圖5 KSS問卷結果Fig.5 KSS results

眼疲勞問卷：眼疲勞問卷中趨勢不甚明顯。

CFF測量：如圖6所示，被試眼睛在高Emel光源下更加疲勞，且隨著實驗進行感覺更加疲勞，時間主效應顯著(p<0.05)。

圖6 CFF測量結果Fig.6 CFF results

生理化學信號：唾液樣本用于分析唾液中褪黑素和皮質醇的含量。褪黑素和皮質醇分泌有顯著的時間效應。如圖7所示，褪黑素分泌隨著時間推移增加，在高Emel光源下分泌更少；皮質醇隨著實驗光環境下停留的時間增加逐漸減少分泌，相較于低Emel光源，高Emel光源下分泌更多的皮質醇。二者的結果一致表明在高Emel光源下被試更加清醒。

圖7 生理化學信號的結果Fig.7 Biochemical’s results

睡眠質量：由于一次實驗只能測量一個被試的睡眠，實驗數據不充分，Actiwatch的結果無明顯趨勢。將來應當進一步研究睡眠品質。

3 結束語

本文主要研究了不同Emel的動態光對被試的任務表現、睡意和眼疲勞的影響。這意味著被試隨著實驗的進行，睡意增加，清醒程度下降。生理化學信號、任務表現和KSS問卷結果表明，在高Emel光源下被試感覺更加清醒，褪黑激素分泌更少，皮質醇分泌更多，反應更快，錯誤更少。這意味著，高Emel光會使人使人在夜間更加清醒，對人體晝夜節律影響更大。CFF結果顯示，在高Emel光環境下被試眼睛更疲勞。