不同LED照明環境下學生的腦電信號變化

楊春宇，汪統岳，梁樹英，向奕妍，陽佩良，何 偉

(1.重慶大學 建筑城規學院，重慶 400045；2.重慶大學 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

引言

學習是一個不斷從事腦力勞動的過程，期間出現的腦力能力下降、作業機能衰退的現象稱之為腦疲勞，具體表現為學習效率下降、注意力不集中、記憶力下降、反應遲鈍等[1]。不良的照明環境會加速腦疲勞的產生和加重腦疲勞的程度，不同的照明環境下，腦疲勞程度也不盡相同。LAL和CRAIG[2]認為腦電信號(EEG)是最適合作為疲勞評價的生理指標；曾堃等[3]通過主觀量表和EEG數據，對心內科CICU病房白光環境要素與情緒的關系進行了探討。為了解不同的LED照明環境對學生腦疲勞的影響，在實驗室設定不同的色溫和照度環境來模擬教室照明，測試學生的腦電信號隨時間的變化情況，評判適宜的色溫和照度組合，為教室照明環境設計提供參考。

1 腦疲勞的評價方法

1.1 腦疲勞評定方法的選擇

腦疲勞的評定方法主要有四種：主觀測評法、心理學和行為學指標評定法、生化指標評定法和生理指標評定法[6](見表1)。其中，通過腦電波測試的生理指標判定法目前最成熟，腦電信號成為應用最廣泛的中樞神經系統變化的評價指標。

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

1.2 腦電信號的分類與評價指標

腦電波(Electroencephalogram,EEG)來源于錐體細胞頂端樹突的突觸后電位，記錄了大腦活動時的電波變化，是腦神經細胞的電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映[7]。腦電波信號的頻率范圍較大(0～100 Hz)，根據腦部不同的功能、病理或狀態分為不同的頻帶，至少存在4個重要的波段：δ波、θ波、α波和β波[8](見表2)。睡眠時還可能出現的其他波形，如σ波、λ波、μ波、κ-復合波、駝峰波等，不在本研究的范圍內。腦電信號隨著人的精神負荷變化產生波動，學生在學習的過程中，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，反應不同色溫、照度和時間參數對腦疲勞的影響。其中δ波和θ波為睡眠波，腦電波中Rδ值和Rθ值增大時表示困倦感加強，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，人在放松的情況下α波占大部分，當精神興奮性提高時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 腦電信號的檢測與分析

使用美國某公司生產的MP150多導生理記錄儀及其專用的數據線和電極片采集記錄，通過與之配套的AcqKnowledge 軟件進行數據提取，可以算出δ、α、β和θ波各頻段的功率平均值。進而得出δ、α、β和θ波四種波段的頻帶能量比例R值作為腦疲勞評價指標。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值采用以下公式計算：

Eall(k)=∑E(j)(k)j

(1)

(2)

2 實驗方法

1)實驗參數的設定。教室、圖書館等教育建筑需滿足學生學習的功能要求，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定為3 000 lx[12]。參考GB 50034《建筑照明設計標準》推薦的照度分級要求，將實驗環境的照度值劃分為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監測一次學生的腦電信號，觀察其變化趨勢。

2)實驗對象。通過對招募的大學生志愿者進行預實驗，連續3天進行生理指標測試，篩選出結果穩定的10名志愿者，隨機分為2組，輪流進行實驗，每組測試后休息1天。

3)實驗流程。通過實驗室模擬教室照明環境，選用相同型號不同色溫的LED燈管，通過改變燈管的數量和高度來改變工作面的照度，實現設定的光環境。志愿者每天下午兩點開始實驗，光照前測試一次腦電信號，然后開始自習，每0.5 h再測試一次。實驗持續3 h，期間可以閱讀和書寫，不能使用手機、平板電腦等電子設備。

3 實驗結果

3.1 色溫對腦疲勞的影響

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，說明此時被試者的精神興奮性最高，腦疲勞程度適中(見圖1)。學習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，發現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圖Fig.1 Trend chart of Rδ+θ,Rα and Rβ value with color temperature

3.2 照度對腦疲勞的影響

隨著照度的提高，Rδ+θ值先減小后增大，2 500 lx對應的Rδ+θ值最大，2 000 lx對應的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，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對應的Ra值最大，3 000 lx對應的Rα值最小(見圖2)；照度小于1 500 lx時，Rβ值基本穩定，變化不明顯，超過1 500 lx后迅速增加，3 000 lx對應的Rβ值最高，1 500 lx對應的Rβ值最小，說明低于1 500 lx的范圍內，受試者處于一種較為放松的學習狀態。隨著照度的提高(不超過1 500 lx)，學生的精神興奮度變化不明顯，照度超過1 500 lx后，學生的精神興奮性受到刺激迅速提高，同時腦疲勞也開始增加。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值隨光照時間的變化趨勢圖Fig.3 Trend chart of Rδ+θ,Rα and Rβ value with time

3.3 光照時間對腦疲勞的影響

隨著光照時間的延長，Rδ+θ值逐漸增大，超過2.5 h后急劇增加，說明光照時間越久，腦疲勞程度越深，且逐漸加速。隨著光照時間的增加，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值的變化規律，說明光照時間在2 h內，受試者的精神興奮性隨光照時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，最佳光照時間為1.5 h或2 h。

4 結論

隨著色溫的提高，被試者的腦疲勞程度增大，6 500 K色溫下學生的腦疲勞最嚴重；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(不超過1 500 lx)，腦疲勞的程度隨著照度值的提高而減小；綜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間的增加逐漸增高，且增加速度較為緩慢；光照時間超過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，最佳光照時間為1.5 h或2 h。當然，這僅是一個實驗的結果，還不能說明這就是完整的科學結論，有關LED照明環境下腦疲勞的問題還有待進一步的研究。