通過使用智能變色燈改善睡眠質量

陳建宇，陳弘偉，謝秉豪

(臺灣科技大學色彩與照明科技研究所，臺灣 臺北 10607)

引言

長久以來的人類的認知中，對于眼睛感光細胞的認識僅止于桿狀細胞及錐狀細胞二種，直到2002年時，美國Berson等科學家發現第三種特殊的感光細胞——自發性感光視網膜神經節細胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGC)，ipRGC不是依賴長久認知的錐狀及桿狀細胞進行感光，而是透過黑視素(melanopsin)感測外在光線，從此打破了人類對人眼認知中的視覺感光器官的觀念[1]。

此感光細胞是一種含有視黑素(melanopsin)的視網膜神經節細胞，通過光線調節人體內的晝夜節律(Circadian rhythm)，從而與大腦中的視交叉上核(Suprachiasmatic Nucleus, SCN)連接[2]。視交叉上核被視為大腦的生理時鐘，是管轄晝夜節律的主要起搏器(The master pacemaker)，位于下視丘(Hypothalamus)前部，而視交叉上核(SCN)又延伸到松果體(Pineal)[3]，松果體是形成分泌調節多種激素的場所[4，5]。光線進入人眼后便被這類感光細胞接收后產生一連串的光生物學效應，而圖1 為光導致非視覺大腦區反應的傳播途徑，通過這個途徑，哺乳動物的眼睛可以感受到明暗循環，引起SCN的神經活動，進而引起褪黑激素從松果體的有節律的分泌[6]。

圖1 光道致非視覺大腦區反應的傳播途徑[7]Fig.1 Pathways for light-induced non-visual brain responses

借由ipRCG解釋許多非視覺影響的生理反應，如褪黑激素抑制、晝夜相移、調整時差、睡眠潛伏期。和椎狀細胞與桿狀細胞一樣，ipRGC對不同波長與不同顏色的光譜靈敏度也是不一致的如圖2所示，可以發現人體對短波長的光更為敏感，短波長的光更能激起人體的生理反應；基于此特性越來越多人使用光線治療改善失眠[8]。

圖2 光譜敏感曲線[9]Fig.2 Spectral sensitivity curve

國際照明委員會(CIE)在2016提出的LED照明領域急需解決的十大挑戰，包括對健康照明和非視覺影響的建議，及自適應、智能的動態照明等研究策略。目前研究指出白天多照光可提高警覺度、工作績效，提升夜晚睡眠質量，荷蘭埃因霍溫理工大學Smolders(2012年)與瑞士巴塞爾大學Gabel(2013年)的研究結果分別得到，照明可提高辦公室人員警覺度和人造模擬黎明光線有助于喚醒，消除緊張和增加幸福感，并對認知表現有益的結論[10]。在白天多照光提升夜晚睡眠質量的研究方面， 2017年LRC(美國倫斯勒理工學院的照明研究中心) Figueiro教授對美國聯邦總務署五棟辦公大樓的上班族進行了7天光照量記錄與問卷調查，得到早上接受高生理刺激值(CS)的晝夜節律光，能減少憂郁癥和增加睡眠質量的結論[11]。以及我國臺灣工研院與楊建銘教授共同研究光源的CAF(circadian action facto)對人體唾液褪黑激素含量和睡眠質量的影響，初步結果表明，CAF越高，褪黑激素的抑制作用越高[12]。

隨著社會競爭激烈，為了追求更好的生活水平，人們不斷地工作甚至兼差、打工，一天內就做了好幾份工作，壓力越來越大，然而到了睡覺時間常因為作息不正常、日夜輪班工作導致睡眠障礙的產生[13]，休息不夠的情況下身體狀況變差進而衍伸出更多的疾病問題。

失眠問題影響著健康、精神、情緒和一天的行為，慢性失眠甚至可能導致嚴重的問題。失眠導致許多人無法持續睡眠或是入睡，通常失眠的人會有以下幾種癥狀：精神不集中、疲勞、注意力不集中、情緒不穩定以及工作表現下降[14]。許多人嘗試使用藥物治療，但這會造成不良的副作用[15，16]。

本研究分別利用動態光(包含變動照度與色溫)、小夜燈、無光照等不同燈光環境下進行睡眠實驗，并觀察其睡眠狀況。探討利用特殊光源對于人類睡眠的影響，通過一連串主觀與客觀評價的人因實驗，以腦電圖EEG觀察健康受測者，觀察生理變化以判斷受測者的睡眠狀態，并以不同睡眠階段的腦波變化作為判斷睡眠質量的指標，再利用睡眠質量問卷，了解受測者的心理感受，并累計數據，最后進行統計分析。

1 照明睡眠實驗方法

1.1 實驗設計

1)實驗對象。本研究的受測者為28位大學生或研究生， 19名男性(23.5±2歲)，9名女性(24±2歲)，設定條件必須作息正常，睡眠至少滿8 h，不熬夜，無不良嗜好 (例如：吸毒、酗酒等) 的受測者，并且沒有視覺功能障礙、心臟方面等疾病，實驗當天被要求避免飲用茶類及咖啡等含咖啡因的飲品，每位受測者在接受試驗前必須有充足的睡眠并已知本研究實驗的相關流程。

2)實驗環境。為了模擬睡眠環境，本研究的實驗地點為一暗室，室內溫度控制在(26±1)℃之間，實驗時間設定在18：00到23：00，并使受測者躺于躺椅上，模擬夜晚睡眠，實驗燈源置于受測者頭部1 m處，實驗環境如圖3所示。

圖3 實驗環境實際圖Fig.3 Experimental Environment

1.2 實驗流程

本研究中，實驗分為四種實驗光源，分別是:

i.第一種實驗光源為動態照度光源，色溫固定為2 200 K，照度會隨著時間改變，從0→3→6→12→6→3→0 lx 整個周期為34 s。

ii.第二種實驗光源為動態色溫光源，照度固定為5 lx，色溫則為2 200 K與4 200 K，此兩種色溫以各維持30 s交替變化。

iii.第三種實驗光源為低照度低色溫的小夜燈，照度為5 lx，色溫為2 200 K。

iv.第四種實驗光源為無燈光環境。

實驗開始前先講解實驗流程，并替受測者配戴腦波帽與心電圖的貼電極貼片，測驗結束后給予受測者填寫自我心理評價問卷表，評估受測者進行實驗后的睡眠狀態，而受測時間為1 h，并全程記錄受測者的EEG(O1、O2、C3、C4、T4、T8)與ECG，分別記錄三種不同光源對于睡眠狀態的比較，最后針對受測者的腦波與心電進行分析，并與問卷作比較，實驗流程如圖4所示。

圖4 實驗流程圖Fig.4 Experiment process

1.3 主觀問卷

自我心理評價問卷為研究自行設計的問卷，主要用來評量受測者接受實驗后的心理感受，其內容主要有：舒適度、燈光亮度、睡眠質量、睡醒后精神狀況等。每題分數為1～6 分，分數越高表示對當時的感受度越高，如附錄一所示。此外還會詢問是否有睡著、是否做夢、平常是否有開燈睡覺的習慣等問題。預期幫助在進行生理參數分析時，能夠搭配問卷結果一起進行主觀與客觀評價的比對。心理評價問卷為研究自行設計的問卷，主要用來評量受測者接受實驗后的心理感受，其內容主要有：舒適度、燈光亮度、睡眠質量、睡醒后精神更好等。每題分數為1～6分，分數越高表示對當時的感受度越高。此外還會尋問是否有睡著跟作夢，平常是否有開燈睡覺的習慣，幫助在進行生理數值分析時能夠搭配問卷結果一起比對。

2 腦波與HRV的測量

本研究將動態照度光源、動態色溫光源、小夜燈、無光照的不同光源環境下睡眠所記錄的腦波數據，資料經Fourier轉換計算不同頻帶范圍的功率頻譜，以正規化(normalization)的方式計算，解決不同個體性差異，先將各點腦波的δ、θ、α、 β 頻段能量除以總功率(total power，TP)，單位為百分比(%)，并使用不同腦波比例運算公式δ/β、β/α的方式[17]。根據文獻[17]，δ 波通常代表深沉睡眠時的腦波，β波代表清醒且緊張時出現的腦波，α波則代表清醒且放松時出現的腦波，δ/β呈現受測者深沉睡眠程度，β/α則是受測者的放松程度，θ/TP則表示到達睡眠第一階段。通過這些腦波數值分析每位受測者的睡眠質量。探討睡眠時燈光對各頻段腦波的影響，數據以平均值(mean)±標準差(SD)來表示，經過paired t-test 統計檢定后，如在統計上有顯著性的差異(p<0.05)，則以“*”表示在表格中。并將四種不同光源環境下睡眠分別進行比較與討論。圖5、圖8中顯示出動態色溫與小夜燈的結果皆優于動態照度光源并且有統計顯著差異(p<0.05)，比例越高則表示睡眠階段越深；圖6、圖9、圖11、圖13、圖16 動態色溫與小夜燈結果皆優于動態照度與無照光并且有統計上顯著差異(p<0.05)，比例越低則表示越放松狀態；圖7、圖10、圖12、圖14、圖15、圖17在動態色溫與小夜燈結果皆優于無照光并且有統計上顯著差異(p<0.05)，所占百分比越高則表示有進入睡眠淺層期。

圖5 各種光源環境睡眠對腦波O1點δ/β變化的影響Fig.5 Effects of various light on the δ/β change of brain wave O1 at sleep

圖6 各種光源環境睡眠對腦波O1點β/α變化的影響Fig.6 Effects of various light on the β/α change of brain wave O1 at sleep

圖7 各種光源環境睡眠對腦波O1點θ/TP變化的影響Fig.7 Effects of various light on the θ/TP change of brain wave O1 at sleep

圖8 各種光源環境睡眠對腦波O2點θ/TP變化的影響Fig.8 Effects of various light on the δ/β change of brain wave O2 at sleep

圖9 各種光源環境睡眠對腦波O2點δ/β變化的影響Fig.9 Effects of various light on the β/α change of brain wave O2 at sleep

圖10 各種光源環境睡眠對腦波O2點β/α變化的影響Fig.10 Effects of various light on theθ/TP change of brain wave O2 at sleep

O1點腦波分析結果如圖5～圖7所示，O2總腦波分析結果如圖8～圖10所示，C3點腦波分析結果如圖11、圖12所示，C4點腦波分析結果如圖13、圖14所示，T7點腦波的分析結果如圖15所示，T8點腦波的分析結果如圖16、圖17所示。

圖11 各種光源環境睡眠對腦波C3點β/α變化的影響Fig.11 Effects of various light on the β/α change of brain wave C3 at sleep

圖12 各種光源環境睡眠對腦波C3點θ/TP變化的影響Fig.12 Effects of various light on the θ/TP change of brain wave C3 at sleep

圖13 各種光源環境睡眠對腦波C4點β/α變化的影響Fig.13 Effects of various light on the β/α change of brain wave C4 at sleep

圖14 各種光源環境睡眠對腦波C4點θ/TP變化的影響Fig.14 Effects of various light on the θ/TP change of brain wave C4 at sleep

圖15 各種光源環境睡眠對腦波T7點θ/TP變化的影響Fig.15 Effects of various light on the θ/TP change of brain wave T7 at sleep

圖16 各種光源環境睡眠對腦波T8點β/α變化的影響Fig.16 Effects of various light on the β/α change of brain wave T8 at sleep

圖17 各種光源環境睡眠對腦波T8點θ/TP變化的影響Fig.17 Effects of various light on the θ/TP change of brain wave T8 at sleep

在心率變異度分析，將記錄下來的心電圖訊號，使用Matlab軟件擷取R-R interval的間距。若有竇性中止、心房性或心室性心律不整，則刪除此異常R-R波的間距。選取最后穩定的512個RR波間距來做頻譜分析，如果因為心律不整而刪除的R-R波間距超過全間距的5%，則此患者的資料不列入分析。

擷取出來的R-R interval資料，進行快速傅立葉轉換，將心跳間隔轉換成心率變異度頻譜，總功率(total power，TP)為頻率在0.01～0.4 Hz功率頻譜曲線下的面積和，低頻功率(low frequency power，LFP) 則為頻率在0.04～0.15 Hz功率頻譜曲線下的面積和，高頻功率 (high frequency power，HFP)是在功率頻譜曲線在0.15～0.4 Hz的面積和。正規化低頻功率 (normalized low frequency power，nLFP) ((LFP/TP)×100)通常用于代表交感、副交感神經活性，正規化高頻功率 (normalized high frequency power，nHFP)((HPF/TP)×100)通常用于代表副交感神經活性，低頻/高頻功率比(LFP/HFP)通常代表交感/副交感神經活性平衡狀況的指標[18]。由圖18可知，動態色溫光源相較于小夜燈與全黑環境，其交感神經活性皆偏高，此點與腦波評價相反。由圖19可知，在自我問卷評估方面，各種燈光的開啟都會讓受測者感到太亮，而在睡后的精神狀態評估，最差的是開小燈的結果，而其他光源之間則無差異。

圖18 各種光源環境睡眠對nLFP變化的影響Fig.18 Effects of various light on nLFP changes during sleep

圖19 問卷評分結果Fig.19 Questionnaire results

3 討論

3.1 動態光對睡眠影響的腦波分析

本研究為探討不同光源環境下對于睡眠質量的效果。由觀察睡眠不同階段時腦波變化可以辨別睡眠的階段[17]，并通過不同的比例運算解決不同個體性差異，以達到每個人相同的基準值，進而分析每位受測者的睡眠狀況。為了探討動態光對睡眠的影響透過一次改變一種參數的方式，比較照度與動態色溫的動態光對睡眠質量是否提升。結果顯示動態色溫的方式對提升睡眠質量較顯著，本研究中所采用的動態色溫光譜分布如圖20所示。動態色溫幅度為2 200～4 200 K 之間。在白天工作睜開眼居多，而夜晚則閉眼居多。白天時光線能直接進入瞳孔經由視網膜上的感光細胞將信號送至大腦調節生理反應，夜晚閉眼時則光線必須先穿透眼皮才能夠進入瞳孔。因此，不同的波段對眼皮穿透率就成為調節人體的重要因素，文獻[19]指出紅光對眼皮的穿透率為5.6%，綠光和黃光則不到1%，由于進入瞳孔的能量很低，在暗視覺中錐狀細胞已不作用，而桿狀細胞也只能起到一點作用，因此這時候能夠與極弱光線產生作用的有可能就是非視覺效應的ipRGC 細胞。由此可知，可以進入眼皮同時對感光細胞ipRGC 能夠刺激的會以紅光為主。隨著時間變化，低色在動態照度的方式上，希望透過一個明暗的改變誘發腦波功率的提升，相關研究指出利用字母的閃爍頻率在腦波功率有增強的結果且在枕葉與顳葉最為顯著，此方式為穩態視覺誘發電位(SSVEP)[20]，但實驗結果相較色溫改變對提升睡眠溫時紅光比例較高，所以進入眼睛的紅光較多；高色溫時紅光比例減少，所以進入眼睛的紅光較少，透過紅色光線以較高比例進入眼睛刺激感光細胞程度的增減。其實紅光對于ipRGC細胞中黑視素(melanopsin)的影響很低，是以不會抑制褪黑激素分泌，而僅傳遞其慢波訊息給大腦中樞，孕育出更多的慢波促使睡眠發生，進而提升腦波 θ 及 δ 功率。此機制可能是穩態視覺誘發電位(SSVEP)所造成[20]。

圖20 光譜成份比例Fig.20 Spectral ratio

3.2 動態光對睡眠影響的心率變異度分析

HRV分析方面，低頻為交感神經活躍指標而高頻為副交感神經活躍指標，在慢波睡眠期間的心率與交感神經活性會下降，所以當高頻功率遠高于低頻功率時，受測者為非常放松且在睡眠狀態[21，22]，因此L/H比例分析的方式就相當于腦波β/α的方法，同樣為緊張狀態對放松時狀態的比值，數值越低可解釋為睡眠質量越高，在nLFP中的動態色溫光源比固定照光跟無照光時數值還要高(p<0.05)，但在L/H中動態色溫對小夜燈與無照光并沒有統計差異，在心率變異度分析時高頻為100%反應副交感神經活性，但低頻包含交感與副交感神經活性[23]，分析時必須同時nLFP與L/H都存在統計差異才具有意義。但是在同樣的動態光下睡眠腦波有顯著差異，可能動態光還不足以刺激副交感神經活性提升，或許還需要修正不同的紅光比例才足以誘發HRV高頻功率的提升。

4 結論

本研究所設計的光源參數，成功幫助受測者更快速入睡，提升睡眠質量；腦波統計分析顯示動態色溫與小夜燈結果皆優于動態照度與無照光，心理評價問卷顯示動態色溫與無照光下睡眠，比在小夜燈下睡眠睡醒之后受測者覺得精神更好。在HRV 統計結果上并無明顯差異，可能動態光還不足以刺激副交感神經活性提升，或許需要更高的紅光比例，更緩慢的頻率，才足以誘發高頻功率的提升。

動態光被認為是未來照明發展的主要目標之一，由本研究可知相較穩定光源而言，動態光對生理有更顯著的刺激。漆黑無光的環境雖然是最佳的，但是能讓有些人怕黑的心理因素，反而輔以特定紅光比例下的動態光源，進入眼睛刺激感光細胞程度的增減，進而提升腦波及功率也能幫助睡眠。睡眠市場日趨擴增，最佳的助眠光源可以非侵入式地協助人們好好睡覺。此為有趣又有意義的工作，本團隊日后會再從動態照明中的色溫、照度變化周期等參數的微調，找到最佳化的動態助眠光源。