辦公室LED光源的頻閃效應(yīng)對人體健康的影響

趙曉杰，侯丹丹，徐 蔚，林燕丹,3

(1.復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院光源與照明工程系，上海 200433；2.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所， 上海 200433；3.復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院，上海 200433)

引言

迅速普及的LED逐漸引領(lǐng)照明領(lǐng)域，但新技術(shù)的發(fā)展常常伴隨著新的技術(shù)挑戰(zhàn)。由于驅(qū)動(dòng)電源、調(diào)光設(shè)計(jì)和不穩(wěn)定電壓的存在，快速響應(yīng)的LED使得光輸出隨輸入的不穩(wěn)定而在時(shí)間上出現(xiàn)波動(dòng)，在實(shí)際照明應(yīng)用中，這種光調(diào)制會(huì)引起觀察者視覺感知的變化，2016年國際照明委員會(huì)對此提出了時(shí)間光效應(yīng) TLA (Temporal Light Artifact) 的概念，包含了閃爍、頻閃效應(yīng)和幻影效應(yīng)[1]。當(dāng)人們在時(shí)間光效應(yīng)的照明環(huán)境中生活時(shí)，心理和生理等多方面的健康指標(biāo)都可能受到影響產(chǎn)生健康危機(jī)[2-4]。已有研究表明辦公室員工的身體不適癥狀與照明環(huán)境有關(guān)，其中照明光源的時(shí)間光效應(yīng)是潛在因素。早在1986年，Wilkins等[5]就發(fā)現(xiàn)熒光燈的閃爍明顯影響著人們的視覺神經(jīng)，導(dǎo)致了視疲勞，甚至引起嚴(yán)重的頭痛問題。經(jīng)研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近30%左右辦公室工作人員將燈光閃爍視為不良的環(huán)境因素。

當(dāng)前，辦公室LED光源的頻閃效應(yīng)問題成為研究熱點(diǎn)。頻閃效應(yīng)是對于非靜態(tài)環(huán)境中的靜態(tài)觀察者，100 Hz以上的光波動(dòng)所產(chǎn)生的一種視錯(cuò)覺，旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動(dòng)的物體外觀通過間歇性照明而發(fā)生改變[1]。這種不為人眼直接可見的效應(yīng)也會(huì)對視覺感知造成影響， Burns等[6]利用視網(wǎng)膜電圖(ERG)發(fā)現(xiàn)人的視網(wǎng)膜可以接收到100～160 Hz甚至高達(dá)200 Hz的時(shí)間光調(diào)制，說明頻閃效應(yīng)可能會(huì)帶來非視覺作用，改變?nèi)说纳韰?shù)。由此本研究提出三個(gè)假設(shè)：第一，頻閃效應(yīng)的照明環(huán)境會(huì)被認(rèn)為是閃爍嚴(yán)重且不可接受的，總體上對環(huán)境評價(jià)是不滿意的。第二，頻閃效應(yīng)可能增加暴露于這種照明下的被試的生理喚醒。第三，明顯的頻閃效應(yīng)會(huì)使工作績效變差。如果本研究證實(shí)了這些假設(shè)，不僅補(bǔ)充了有關(guān)頻閃效應(yīng)對健康指標(biāo)的研究數(shù)據(jù)，同時(shí)也為此領(lǐng)域的研究提供合理化的建議，促進(jìn)健康照明技術(shù)的發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 照明環(huán)境設(shè)置

模擬辦公室環(huán)境的房間尺寸為310 cm×195 cm×202 cm，內(nèi)置一套辦公用桌(高度為0.75 m)和辦公用椅，桌上放置實(shí)驗(yàn)所用的儀器與材料等，一塊600 mm×600 mm的LED平板燈安裝在頂棚上，如圖1所示。房間外的功率放大器與波形信號發(fā)生器用以驅(qū)動(dòng)LED光源來實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)的照明條件。照明條件的選擇基于IEEE1789—2015標(biāo)準(zhǔn)文件給出的時(shí)間光效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級圖[7]，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)選取了一個(gè)跨越三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級的區(qū)域作為研究變量，即由三個(gè)頻率和三個(gè)調(diào)制深度交叉組成 (3×3)的九點(diǎn)正方形區(qū)，并通過LFA-3000頻閃測量儀對光輸出波形的頻率和調(diào)制深度進(jìn)行校對，9個(gè)條件的光輸出波形均為正弦波。在每個(gè)照明條件下，控制其他照明因子保持恒定，實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖1 模擬辦公環(huán)境Fig.1 The simulated office environment

圖2 標(biāo)準(zhǔn)IEEE1789—2015的高風(fēng)險(xiǎn)性、低風(fēng)險(xiǎn)性和 無明顯效果等級圖(NOEL)[7]Fig.2 The high-risk level, the low-risk level and the no observable effect level (NOEL) from IEEE Standard 1789—2015[7]

1.2 實(shí)驗(yàn)對象

10位平均年齡為22歲的在校大學(xué)生作為志愿者參與了本次實(shí)驗(yàn)，其中4位男性、6位女性。通過健康調(diào)查確認(rèn)了他們參與本次實(shí)驗(yàn)的資格，所有受試者均視力正常，無色弱色盲，無精神障礙、光敏性癲癇、眼睛疾病、頭痛及偏頭痛等身體狀況。實(shí)驗(yàn)開始前，被試人員閱讀并簽署了實(shí)驗(yàn)同意書，表示自愿參與實(shí)驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

第一部分是對心理物理量的考察，一方面是對照明環(huán)境的視覺感知，利用7分制視覺感知語義差別量表對閃爍可見性、照明接受度、亮度等16個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行評價(jià)。此外，還設(shè)計(jì)對觀察揮動(dòng)手掌和旋轉(zhuǎn)圓盤的心理認(rèn)知。圓盤表面為黑色，直徑為20 cm，距圓盤中心8 cm處有一個(gè)直徑為1.5 cm的白圓，轉(zhuǎn)速為4 m/s,相當(dāng)于辦公室環(huán)境中手部運(yùn)動(dòng)速度的上限。當(dāng)照明環(huán)境中存在頻閃效應(yīng)時(shí)，白圓的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是離散的，否則將是連續(xù)運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。觀察結(jié)束后也用七分制視覺感知語義差別量表對觀察過程中感受進(jìn)行評價(jià)，例如閃爍可見性、頭痛程度、眼睛不適程度以及物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等10個(gè)項(xiàng)目。另一方面是關(guān)于疲勞和情緒的量表。五分制的疲勞自覺癥狀調(diào)查表(VAS-F)是對18種身體疲勞表現(xiàn)和7種眼疲勞癥狀進(jìn)行評分來反映被試的疲勞程度。情緒的評價(jià)采用了五分制正負(fù)性情緒量表(PANAS：Positive and Negative Affect Scales)對10項(xiàng)積極情緒和10項(xiàng)消極情緒進(jìn)行評分。

第二部分是生理參數(shù)的收集，包括腦電波、瞳孔大小和閃光融合臨界頻率(CFF)等。被試在實(shí)驗(yàn)過程中需佩戴腦電帽和眼動(dòng)儀，并利用閃光融合頻率計(jì)測量CFF。已有研究表明，閃爍的光可能會(huì)影響大腦活動(dòng)[8]。采集前額區(qū)(注意力區(qū))α波和β波信號來反應(yīng)注意力表現(xiàn)。采集枕葉區(qū)(視覺區(qū))的α波以反映覺醒狀態(tài)，β波可能反映視覺性能和情緒[8]。本研究利用眼動(dòng)儀記錄瞳孔大小，作為表征視覺性能的參數(shù)，利用閃光融合頻率計(jì)測量的CFF值來表征被試的視覺靈敏度，本研究通過對任務(wù)前后的CFF差值進(jìn)行分析來說明頻閃效應(yīng)可能產(chǎn)生的視覺疲勞。

最后是對工作績效的評價(jià)，使用了安菲莫夫字母搜索任務(wù)和漢字抄寫任務(wù)。安菲莫夫字母表由8個(gè)字母 (A、B、C、E、 H、K、N、X) 組成，每個(gè)字母隨機(jī)出現(xiàn)，頻率為150次，形成 30行40列的字母表，共計(jì)1 200個(gè)字母。搜索任務(wù)要求被試在聽到開始口令后，立刻由左向右逐行檢索表格，用斜杠劃去橫排中緊靠在 H后面的B。主試者記錄完成的時(shí)間，并計(jì)算準(zhǔn)確度，以評估工作表現(xiàn)。抄寫任務(wù)要求被試把打印在A4紙正上方的50個(gè)漢字抄寫在A4紙中下方，漢字為八號宋體。同樣需要用任務(wù)完成的時(shí)間和準(zhǔn)確度來評估工作表現(xiàn)。任務(wù)完成后，要求被試?yán)?分制視覺感知語義差別量表對任務(wù)過程中的感受進(jìn)行評估，內(nèi)容包括困難度、緊張感、視覺感受、頭痛、注意力集中程度、閃爍程度等10個(gè)項(xiàng)目。

圖3 白圓運(yùn)動(dòng)的連續(xù)狀態(tài)(左)和離散狀態(tài)(右)Fig.3 The continuous (left) and discrete (right) motions of the white circle

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

全部實(shí)驗(yàn)條件的總時(shí)長為5 h，流程如圖4所示。當(dāng)被試進(jìn)入房間時(shí)，LED光源已經(jīng)被提前打開30 min。正式實(shí)驗(yàn)開前，主試者為被試介紹實(shí)驗(yàn)流程和講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，減少因不熟悉實(shí)驗(yàn)而產(chǎn)生的誤差。在確認(rèn)被試基本上掌握實(shí)驗(yàn)操作后，為其佩戴腦電帽和眼動(dòng)儀，并在主試者的指揮下完成實(shí)驗(yàn)流程的練習(xí)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件之前，被試都有5 min的休息時(shí)間。實(shí)驗(yàn)的9種照明條件按照隨機(jī)序列依次顯示。

圖4 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.4 The experimental procedure

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

10名被試遍歷了所有照明條件并完成了所有的實(shí)驗(yàn)要求，由于被試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)受個(gè)體差異影響較大，因此首先對每名被試的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后利用SPSS對3(100/400/1500 Hz)×3(10%/30%/70%)的交叉組合進(jìn)行多因素方差分析(MANOVA)。

2.1 照明環(huán)境的評價(jià)

對視覺感受語義差別量表的進(jìn)行MANOVA分析結(jié)果顯示在不同的頻率條件(100 Hz和400 Hz)下，僅有可接受的-不可接受的，嚴(yán)重閃爍的-平淡閃爍的這兩個(gè)對象存在顯著性差異(p<0.05)，其他環(huán)境評價(jià)對象在頻率和調(diào)制深度上均沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異(p>0.05)。圖5給出了照明環(huán)境接受度和閃爍可見度的主觀評價(jià)得分的誤差條形圖。評分值越高說明閃爍越不明顯，光照越可接受。所以100 Hz的照明環(huán)境接受度比400 Hz的要低，100 Hz的閃爍可見度最為明顯，而400 Hz照明環(huán)境中的閃爍幾乎不可見。結(jié)果說明辦公室LED光源的頻閃效應(yīng)會(huì)影響被試對照明環(huán)境的評價(jià)，從而引起被試心理認(rèn)知上的差異。

圖5 環(huán)境閃爍可見度和接受度的主觀評價(jià):得分越高， 閃爍越不可見，燈光越可接受Fig.5 The subjective evaluation of flicker visibility and acceptability in the environment. The higher the score, the less visible the flicker, the more acceptable the lighting

2.2 頻閃效應(yīng)的評價(jià)

MANOVA分析結(jié)果顯示觀察揮動(dòng)手掌的視覺感受語義差別量表數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異(p>0.05)。而觀察轉(zhuǎn)盤的視覺感受語義差別量表數(shù)據(jù)分析表明僅有閃爍可見度及白圓運(yùn)動(dòng)狀態(tài)兩個(gè)項(xiàng)目在頻率和調(diào)制深度上均有顯著性差異(p<0.05)，如圖5所示，結(jié)合IEEE 1987—2015標(biāo)準(zhǔn)文件的時(shí)間光效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級圖，分別繪制了白圓運(yùn)動(dòng)和閃爍可見度的主觀評價(jià)得分情況 (圖6)，不同的填充類型代表不同的風(fēng)險(xiǎn)等級，白色是高危區(qū)，橫線是低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，點(diǎn)填充是無明顯效應(yīng)區(qū)。圖6中圓的大小代表評價(jià)得分的多少。結(jié)果表明在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，即調(diào)制深度越大，頻率越小，閃爍越明顯，白圓運(yùn)動(dòng)越趨于離散狀態(tài)，出現(xiàn)了由于頻閃效應(yīng)而產(chǎn)生的視錯(cuò)覺。這與環(huán)境評的視覺感知量表分析的結(jié)果具有同理性，說明辦公室LED光源的光調(diào)制與運(yùn)動(dòng)物體的相互作用所產(chǎn)生的頻閃效應(yīng)可能會(huì)表現(xiàn)在工作過程中的動(dòng)態(tài)行為上，從而改變工作人員的視覺感知。在視覺性能、頭痛、緊張感等方面沒有發(fā)現(xiàn)主要影響，可能由于暴露時(shí)間較短等因素導(dǎo)致。

圖6 主觀評價(jià)(a)白圓運(yùn)動(dòng)狀態(tài):圓越大，運(yùn)動(dòng)越離散； (b)閃爍可見性:圓越大，閃爍越不可見Fig.6 Subjective evaluation results for (a) white circle motion. The larger the circle, the more discrete the motion. (b) flicker visibility. The larger the circle, the less visible the flicker

2.3 疲勞狀態(tài)

CFF的數(shù)據(jù)是每個(gè)任務(wù)前后測量的差值，如果CFF差值較大，說明被試在完成安菲莫夫字母表搜索任務(wù)后視覺敏感度下降，被試更易表現(xiàn)出視覺疲勞。MANOVA分析發(fā)現(xiàn)疲勞自覺癥狀調(diào)查表和搜索任務(wù)前后的CFF差值在調(diào)制深度上均有顯著性差異(p<0.05)，但在不同頻率條件下沒有顯著性結(jié)果。如圖7所示。安菲莫夫字母表搜索任務(wù)前后的CFF差值隨著調(diào)制深度的增加而變大，表明調(diào)制深度越高，越容易導(dǎo)致視覺疲勞，70%的調(diào)制光環(huán)境導(dǎo)致了嚴(yán)重的視覺疲勞癥狀。疲勞自覺癥狀調(diào)查表(VAS-F)的MANOVA分析也發(fā)現(xiàn)“完全勞累-完全不勞累”癥狀項(xiàng)目在30%和70%的光調(diào)制作用下存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性差異(p<0.05)。當(dāng)調(diào)制深度由30%增～70%時(shí)，被試感覺更加疲勞。這與CFF的非主觀檢測結(jié)果具有一致性，說明70%的頻閃效應(yīng)照明使被試在心理和生理上均表現(xiàn)出較高的疲勞水平。

圖7 (a)搜索任務(wù)前后CFF差值；(b) 疲勞自覺癥狀主觀評價(jià)。 圓越大，疲勞越明顯Fig.7 (a) The difference of CFF before and after the search task, (b) subjective evaluation of fatigue conscious symptoms. The larger the circle, the more obvious the fatigue

2.4 腦電波數(shù)據(jù)分析

MANOVA分析結(jié)果說明不同的頻率下，枕葉區(qū)的α波和β波的功率密度在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有顯著性差異(p<0.05)，本研究中頻率和調(diào)制深度對前額區(qū)的腦電波均無顯著性影響(p>0.05)。結(jié)合IEEE 1987—2015標(biāo)準(zhǔn)文件的風(fēng)險(xiǎn)等級圖，繪制了每個(gè)條件下腦電波的平均功率密度值，如圖8所示，圖中圓的大小表示腦電波功率密度的大小。在1 500 Hz時(shí)，α波功率密度比其他任何條件下都要大，已有研究表明長時(shí)間的明顯閃爍刺激通常伴隨著腦電(α波)成分的長期衰減，可能導(dǎo)致大腦皮層興奮增加,這種衰減也被解釋為困倦的減少和緊張性興奮的增加[8]。所以1 500 Hz的照明條件容易使得被試?yán)Ь搿Ｕ砣~區(qū)β波功率密度在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的照明條件下有顯著衰減，說明頻閃效應(yīng)也會(huì)使受試者容易緊張，更加專注于外在環(huán)境。腦電波的數(shù)據(jù)分析說明高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的頻閃效應(yīng)可能導(dǎo)致困倦減少和皮質(zhì)覺醒增加。然而對于頻閃效應(yīng)與人的潛意識的深層次研究還需要考慮和控制更多影響因素，實(shí)驗(yàn)時(shí)間、受試者的心理狀態(tài)和個(gè)體差異等因素等對實(shí)驗(yàn)結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。

圖8 枕葉區(qū)腦電波功率密度(a)α波；(b) β波。 圓越大，功率密度越大Fig.8 The power density of brain wave in occipital lobe (a) alpha wave, (b) beta wave. The larger the circle, the bigger the power density of brain wave

圖9 漢字抄寫任務(wù)困難度主觀評價(jià):得分越高，任務(wù)越容易Fig.9 The subjective evaluation of difficulty on Chinese character transcription task. The bigger the score, the easier the task.

2.5 工作績效

兩個(gè)工作任務(wù)所用時(shí)間和準(zhǔn)確率在頻率和調(diào)制深度上均不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異(p>0.05)，但是漢字抄寫任務(wù)過程中視覺感受語義差別量表的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，不同的頻率僅對抄寫任務(wù)中的“困難的-簡單的”這一項(xiàng)有顯著影響(p<0.05)，而調(diào)制深度對抄寫任務(wù)的視覺感知無顯著性。如圖9所示，給出了抄寫任務(wù)難易程度主觀評分得分的誤差條形圖，被試認(rèn)為400 Hz條件相比其他頻率條件使得抄寫任務(wù)更難完成。然而與漢字抄寫任務(wù)不同，當(dāng)被試進(jìn)行安菲莫夫字母表搜索任務(wù)時(shí)，對搜索任務(wù)的評估并沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異性，這種結(jié)果的差異性可以歸因?yàn)槿蝿?wù)類型、累積疲勞、個(gè)體差異以及有限的暴露時(shí)間等因素。因此辦公室LED光源頻閃效應(yīng)對工作績效的影響，在本研究中并沒有得到較為深入的結(jié)論。

3 討論

LED光源的頻閃效應(yīng)會(huì)引起心理不適和認(rèn)知差異，帶來生理參數(shù)的潛在改變，也可能會(huì)影響工作表現(xiàn)。基于本實(shí)驗(yàn)提出的假設(shè)，研究結(jié)論如下：首先，結(jié)合IEEE 1789—2015標(biāo)準(zhǔn)文件風(fēng)險(xiǎn)等級圖，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的照明條件可以產(chǎn)生明顯的頻閃效應(yīng)，頻閃效應(yīng)會(huì)讓人們對環(huán)境產(chǎn)生閃爍明顯和無法接受的評價(jià)，從而影響對照明環(huán)境的整體印象。其次，頻閃效應(yīng)的感知涉及到物體運(yùn)動(dòng)與視覺調(diào)節(jié)的相互作用，并強(qiáng)烈依賴于物體在環(huán)境中的狀態(tài)。當(dāng)照明環(huán)境伴隨頻閃效應(yīng)時(shí)，被試能夠清晰地感知到閃爍和離散的空間運(yùn)動(dòng),這與Wang等[9]的研究結(jié)果一致。最后，照明環(huán)境的頻閃效應(yīng)會(huì)喚起生理響應(yīng)。低頻和高調(diào)制的照明條件會(huì)降低枕葉區(qū)的α波和β波的功率密度，這意味著睡意的減少和皮質(zhì)覺醒的增加。因此，調(diào)制光可能會(huì)影響人的注意力程度，一定程度上支持了Tengelin Nilsson等[10]的研究結(jié)論。此外，楊帆等[11]也發(fā)現(xiàn)較高的調(diào)制深度也會(huì)帶來輕微的視覺不舒適和疲勞感。

本研究探討了辦公室LED頻閃效應(yīng)對人體健康指標(biāo)的心理和生理影響。一方面，IEEE 1789—2015標(biāo)準(zhǔn)文件風(fēng)險(xiǎn)等級圖中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的條件可以產(chǎn)生具有明顯LED頻閃效應(yīng)的照明環(huán)境，高閃爍能見度和離散的空間運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為是不可接受的，并可能導(dǎo)致對辦公環(huán)境的不滿。這表明辦公室LED光源的頻閃效應(yīng)是評價(jià)環(huán)境優(yōu)劣的因素之一，建筑照明設(shè)計(jì)中應(yīng)該頻閃效應(yīng)的影響給予重視。另一方面，明顯的頻閃效應(yīng)照明環(huán)境會(huì)讓人產(chǎn)生困意減少，皮質(zhì)層覺醒和疲勞水平增加等生理現(xiàn)象，對照明產(chǎn)品的健康屬性設(shè)計(jì)尤為重要。雖然本研究還發(fā)現(xiàn)頻閃效應(yīng)在工作認(rèn)知上的顯著性作用，但頻閃效應(yīng)是否顯著影響工作績效受到多個(gè)因素的影響，例如任務(wù)類型、暴露的時(shí)間、樣本的敏感程度及照明環(huán)境中其他光品質(zhì)因子等，所以研究中仍存在不完善之處，是后續(xù)研究可以繼續(xù)深入的基礎(chǔ)。