符合自然光周期的動態(tài)照明對心理健康和認知表現(xiàn)的影響研究

孫玉卿，高美鳳，楊 彪

(哈爾濱工業(yè)大學(深圳)建筑學院，廣東 深圳 518055)

引言

人類大約90%的時間是在室內(nèi)度過的[1, 2],建筑環(huán)境的健康性直接關(guān)系到人的身體健康，世界衛(wèi)生組織(WHO)將引起病態(tài)建筑綜合癥的建筑稱為“病態(tài)建筑(sick building)”[3]。為了消除“病態(tài)建筑”帶給人的不良影響，避免不健康的因素，以健康為導向的建筑環(huán)境設(shè)計尤為重要。另外，人從外界所獲得的信息90%以上是來自視覺，照明環(huán)境是人工建筑物理環(huán)境中不可缺少的重要組成部分。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計在工業(yè)化國家，估計有75%的勞動力從事輪班和夜班工作[4]，而暴露在夜間的人造光中會破壞生物鐘系統(tǒng)，從而對人體健康造成傷害。因此在建筑空間中，良好的光環(huán)境設(shè)計不僅要能滿足人的基本視覺功能需求，還應該塑造出與空間使用者行為需求和身心健康相匹配的環(huán)境[5]。在“健康中國”戰(zhàn)略的研究背景下，照明環(huán)境已經(jīng)成為健康建筑研究的重要組成部分。國家科技部于2017年立項啟動國家重點研發(fā)計劃“面向健康照明的光生物機理及應用研究”,將全面推動以人為本的健康照明發(fā)展，為“光與健康”的試點示范應用提供科學依據(jù)[6]。本文首先梳理了健康照明的發(fā)展演變，同時基于現(xiàn)有研究成果建立健康照明的評價指標，通過實驗研究討論符合自然光周期的動態(tài)照明對心理健康和認知表現(xiàn)的影響，推進健康建筑的研究與實踐。

1 健康照明的基礎(chǔ)研究和發(fā)展演變

最初的健康光環(huán)境研究主要圍繞陽光的療愈力，通過辯證分析自然光與人體健康的關(guān)系，從而篩選出有利于健康的光環(huán)境因素來應用于照明領(lǐng)域。伴隨著非視覺生物效應的發(fā)現(xiàn)，健康照明開始從以視覺通道為代表的靜態(tài)光轉(zhuǎn)向以非視覺通道為代表的動態(tài)光研究，并且開啟了符合自然光周期的動態(tài)照明研究的新領(lǐng)域(圖1)。

圖1 健康照明研究的發(fā)展演變Fig.1 Development and evolution of health lighting research

1.1 自然光的療愈力

自然光的療愈力主要表現(xiàn)在生理健康和心理健康兩個方面。生理方面主要以陽光的殺菌作用和促進維生素D的合成等作用為主，心理方面主要強調(diào)自然光帶給人的積極情緒。丹麥醫(yī)生Finsen發(fā)現(xiàn)了紫外線對微生物的影響，并開創(chuàng)性地應用于治療肺結(jié)核，于1903年被授予諾貝爾醫(yī)學獎[7]。在青霉素沒有發(fā)現(xiàn)之前，陽光療法是西方針對感染性疾病的主要治療手段。西方護理專業(yè)的創(chuàng)始人南丁格爾在《護理札記》中也強調(diào)了保證充足的陽光和日曬的重要性。陽光的療愈研究開始集中應用于醫(yī)療建筑領(lǐng)域[8]，即如何通過設(shè)計手段，增加采光面積以使患者親近自然，從而獲得更多的天然光[9]。現(xiàn)代主義建筑大師阿爾托于1933年設(shè)計建成的帕米歐療養(yǎng)院，在設(shè)計之初就充分考慮建筑室內(nèi)的采光，保證了在使用中有充足的自然光射入量。德州農(nóng)工大學Ulrich(1984)[10]從對某醫(yī)院病人術(shù)后康復狀況的隨機對照實驗后發(fā)現(xiàn)，可以觀察到窗外自然景觀的病人比對照組中只能看見磚墻的病人康復效果更好，這是建筑學者首次采用循證設(shè)計的方法證明了自然光環(huán)境有利于人的健康。由此可見，依靠自然光的獲得量來保障使用者的身心健康將成為建成環(huán)境最重要的指標之一[11]，應發(fā)掘自然光環(huán)境設(shè)計在健康建筑領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.2 靜態(tài)照明與人體健康

自從1879年愛迪生發(fā)明了白熾燈[12]，靜態(tài)照明開始被廣泛應用于各種場景。光環(huán)境對人體的影響表現(xiàn)出多樣性與復雜性，不僅產(chǎn)生視覺現(xiàn)象，還對情緒和行為產(chǎn)生影響[13]，主要包括照明的治療作用和情緒調(diào)節(jié)作用。治療研究主要圍繞光的輻射影響，例如紫外線的消毒殺菌、凈化空氣、高膽紅素血癥、皮膚病、腫瘤、免疫系統(tǒng)的治療[14]，并開發(fā)了一系列的照明燈具用于特定的醫(yī)療建筑。情緒調(diào)節(jié)主要用于治療抑郁、倦怠、季節(jié)性情緒失調(diào)、精神疾病等多種心理問題[15]。光環(huán)境對情緒的影響可分為季節(jié)性障礙癥[16]、非季節(jié)性障礙癥[17]和其他情緒障礙，包括經(jīng)前期綜合癥、產(chǎn)前產(chǎn)后抑郁癥[18]和成年人注意力不集中癥[19]。照明研究與應用正在從視覺作用拓展到情緒調(diào)節(jié)的治愈作用[6]。同濟大學郝洛西團隊從情緒調(diào)節(jié)方面研究了醫(yī)療建筑光環(huán)境對醫(yī)患關(guān)系滿意度的影響[20]。重慶大學楊春宇團隊[21]從學生學習效率方面研究了教育建筑光環(huán)境。Willoughby[22]從人的主觀舒適度方面研究住宅建筑光環(huán)境與人體健康的關(guān)系。綜上所述，針對不同建筑類型的健康照明，已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)。

1.3 動態(tài)照明與生理健康

2002年美國布朗大學的Berson[23]發(fā)現(xiàn)了第三類感光細胞ipRGC，采光照明研究開始由視覺通路轉(zhuǎn)向非視覺通路，即光進入人眼會影響褪黑素等激素的分泌，并影響與情緒健康和生理節(jié)律調(diào)節(jié)等相關(guān)的身體機能，從而產(chǎn)生視覺效應以外的生理效應，主要體現(xiàn)在使用動態(tài)照明調(diào)節(jié)因季節(jié)和作息調(diào)整造成的生物紊亂和睡眠問題[24]。例如，在適當?shù)臅r間接受適當強度和時長的動態(tài)照明刺激，可以緩解阿爾茨海默癥患者的睡眠問題[25]，還可以幫助早產(chǎn)兒盡早形成正常的晝夜生理節(jié)律以促進其健康成長發(fā)育[26]。van Bommel[27]認為良好的照明環(huán)境對健康、警覺性甚至睡眠質(zhì)量都有積極的影響。這些研究結(jié)果將賦予以非視覺為代表的動態(tài)照明研究和設(shè)計工作新的規(guī)則和意義。因為非視覺效應的發(fā)現(xiàn)，有關(guān)睡眠和人體節(jié)律的研究開始大量出現(xiàn)，針對非視覺生物效應的動態(tài)照明與人體生理健康的關(guān)系成為研究熱點。

1.4 符合自然光周期的動態(tài)照明與心理健康

符合自然光周期的動態(tài)照明是指根據(jù)自然環(huán)境中日光的周期變化，來人工模擬出和日光變化趨勢相同的動態(tài)照明形式，目的是營造健康舒適的照明環(huán)境。文獻[28]中指出自然界存在各種各樣的生物節(jié)奏，正是通過光線的調(diào)節(jié)作用，才使人體內(nèi)在的生物鐘系統(tǒng)適應24 h的節(jié)拍。例如在農(nóng)耕時代我們的祖先日出而作，日落而息。長期來看人們早已適應自然環(huán)境下日光的周期性變化，并且根據(jù)自然光周期變化調(diào)節(jié)自身的節(jié)律系統(tǒng)與之相適應。Begemann等[29]對身處辦公建筑標準窗口區(qū)的日間工作人群進行了長期的觀察和研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)人更喜歡遵循日光周期的光環(huán)境而不是恒定的光環(huán)境。室內(nèi)照明通常是靜態(tài)的，而自然光線由于天氣和太陽位置的變化而全天變化，與靜態(tài)照明環(huán)境相比，這種符合自然光周期的動態(tài)照明更能匹配工作環(huán)境。符合自然光周期的動態(tài)照明對人的影響不僅體現(xiàn)在對人體覺醒度和情緒健康的積極影響上[30]，還體現(xiàn)在降低因工作時段改變帶來的負面影響上，如上午時段符合自然光周期變化的動態(tài)照明可以緩解早班女工焦慮、抑郁情緒，并且在冬季能提高生產(chǎn)率[31]。

2 健康照明的評價體系

2.1 健康照明評價標準分析

健康建筑的研究由來已久，但缺少針對健康照明的設(shè)計標準。美國Well建筑標準中有關(guān)光的部分主要是提倡人接觸光，旨在營造最利于視覺、心理和生理健康的光環(huán)境，其目標是提供一個健康的照明環(huán)境，以減少晝夜節(jié)律中斷，改善睡眠質(zhì)量，并積極影響情緒和生產(chǎn)力[32]。T/ASC 02—2016《健康建筑評價標準》也強調(diào)了光環(huán)境有助于人們保持健康的生理和心理狀態(tài)。現(xiàn)有的健康建筑評價標準雖然有涉及健康照明對人體生理和心理健康的相關(guān)條例，但沒有精準的指導，還有待系統(tǒng)的補充研究。另外現(xiàn)有的健康建筑評價標準主要是從光環(huán)境的物理參數(shù)來衡量照明環(huán)境的優(yōu)劣，缺少從人體健康的角度來進行綜合評價。健康照明是集光生物安全、視覺舒適性和生理、心理健康為一體的綜合指標，而人達到健康狀態(tài)是一個過程的變化量[33]，所以對健康照明的評價標準不能單從光環(huán)境的物理量數(shù)值來判斷，還需要考慮主觀評價和客觀測量數(shù)據(jù)的有效結(jié)合。

2.2 人體健康評價方法綜述

現(xiàn)有的研究中，評價方法主要分為主觀評價和客觀測量指標兩大類(表1)。主觀評價的判定主要以心理量表和語義形容詞等形式的自我報告為主，其中包含情緒、舒適度、警覺度、疲勞度、認知能力等高級功能的評估和測量。不同的心理狀態(tài)對應不同類型的問卷，例如評估警覺度的卡羅林斯卡嗜睡量表(KSS)，用于評估疲勞程度的《疲勞癥狀自評量表》，用于評估睡眠質(zhì)量的匹茲堡睡眠指數(shù)(PSQI)，用于評估情緒狀態(tài)的焦慮自評量表(SAS)、抑郁自評量表(SDS)、布魯奈爾心境量表(BRUMS-C)等[34]。客觀評價指標主要包括人體生理和生化參數(shù)的監(jiān)測。生理參數(shù)包括體溫、心率、血壓等，生化參數(shù)包括褪黑素、皮質(zhì)醇等人體激素含量。還有操作較為復雜的瞳孔大小改變量測量[35]和生物電信號的監(jiān)測。此外，還有視覺任務(wù)績效的方法，從高級神經(jīng)功能和心理狀態(tài)的角度來反應不同實驗光環(huán)境下的工作效率進而反應健康水平。以上評價方法均可用于健康照明實驗的評價。

表1 人體健康的評價方法Table 1 Evaluation method of human health

3 動態(tài)照明實驗

綜上所述，照明環(huán)境的設(shè)計對人的身心健康有很大的影響作用。目前學術(shù)界對動態(tài)照明影響人體生理健康的研究已經(jīng)較為系統(tǒng)全面，但針對符合自然光周期的動態(tài)照明對心理健康的影響僅有少量相關(guān)研究，且未在建筑光學層面進行嚴格的實驗設(shè)計。因此，本文將在實驗室條件下探究符合自然光周期的動態(tài)照明對心理健康和認知表現(xiàn)的影響，進一步挖掘動態(tài)照明的設(shè)計潛力，創(chuàng)造符合健康需求的人工光環(huán)境。

3.1 實驗設(shè)置

本項實驗于2019年11月中旬至2020年1月中旬在建筑光學實驗室內(nèi)搭建視覺場景和動態(tài)照明環(huán)境。該實驗室內(nèi)部封閉無窗戶，能有效防止其他光源的干擾。實驗室內(nèi)部溫度控制在22～24 ℃，濕度控制在40%～70%。照明燈具采用高亮度LED智能太陽光譜模擬燈設(shè)備，此設(shè)備可以實現(xiàn)色溫2 700～10 000 K實時調(diào)控，距光源垂直1.5 m處水平照度從0～8 000 lx實時變化。

為了消除外界太陽光對人體的前置干擾因素，故將實驗開始時間設(shè)定在日出前半小時，日落后半小時。實驗室地點在中國深圳，根據(jù)深圳市氣象局發(fā)布的日出日落時間，最終確定本次實驗的時間段為6：30—7：30，晚上17：30—18：30。本實驗選取在校學生共計24名被試者，其中男女各12人，年齡分布均在18～28歲范圍之內(nèi)，均無眼部疾病且身心健康。

本研究旨在人工模擬符合自然光周期變化的動態(tài)照明，實驗中采用2(照明場景：動態(tài)上升vs動態(tài)下降)×2(時間：早上vs晚上)的混合設(shè)計，所有被試者均需要參加4次實驗，包括兩次早上時段和兩次晚上時段的實驗，如圖2所示。其中動態(tài)上升模式照明變化時長為30 min，色溫從2 700 K線性提升到10 000 K，照度從100 lx線性提升到8 000 lx；動態(tài)下降照明變化與動態(tài)上升照明模式完全相反。早上動態(tài)上升和晚上動態(tài)下降的光為符合自然光周期的動態(tài)照明，早上動態(tài)下降和晚上動態(tài)上升的光為不符合自然光周期的動態(tài)照明。

為了排除前一次實驗對后一次實驗的影響，以及排除被試者的疲勞效應和練習效應，每次實驗結(jié)束后被試者需要至少休息一天再來參加下次實驗。每個時段只允許一名被試者進行實驗，實驗過程中被試者在實驗區(qū)保持穩(wěn)定狀態(tài)，實驗照明場景如圖3所示。

圖2 實驗照明模式和實驗流程Fig.2 Lighting patterns and processes

圖3 實驗照明場景圖Fig.3 Experimental scenes under the dynamic lighting

3.2 實驗數(shù)據(jù)采集

本實驗需要采集的數(shù)據(jù)主要包括主觀評價數(shù)據(jù)、生理指標參數(shù)和任務(wù)績效數(shù)據(jù)三部分。主觀評價使用了布魯奈爾心境量表(BRUMS-C)[36]，使用李克特五點式的計分方式用來測量被試者在實驗當下的瞬時心理狀態(tài)，其中0為完全沒有，4為非常多。該量表由23個條目構(gòu)成，包括六個維度(憤怒、困惑、抑郁、疲憊、緊張和活力)。

生理指標參數(shù)包括血壓、脈搏、體溫和心率。血壓脈搏數(shù)據(jù)使用腕式血壓計測量，體溫數(shù)據(jù)使用非接觸式體溫計測量，心率數(shù)據(jù)采用智能手環(huán)監(jiān)測。以上生理指標測量儀器均操作簡單，測量迅速，且讀數(shù)直觀。由于實驗主要考察同一實驗者在實驗過程中各項生理指標的變化情況，因而也可以排除儀器誤差。視覺認知任務(wù)根據(jù)心理學研究常用的方法，選擇字母消除任務(wù)[37](Letter Cancellation Tasks)這種具有代表性的測試任務(wù)，要求受試者在40×50大寫字母矩陣內(nèi)，盡可能快而準確地搜索并劃掉指定字母。通過統(tǒng)計分析被試者完成任務(wù)所花費的時間、完成速度、錯誤率和腦力工作指數(shù)(IMC)的結(jié)果，來判斷不同照明環(huán)境對被試者工作效率的影響。

3.3 實驗流程設(shè)計

實驗流程如圖2標注所示。單次實驗的總時長為1 h，并實驗開始前30 min將照明LED開啟以保持光環(huán)境處于穩(wěn)定狀態(tài)。在實驗正式開始后，被試者首先需要進行10 min的光環(huán)境適應，在此期間實驗員向被試者講解實驗內(nèi)容和實驗流程，介紹主觀問卷填寫須知和正確佩戴生理數(shù)據(jù)測量儀器的方法。在實驗開始后第10 min時，開始填寫主觀評價問卷，測量和記錄生理指標數(shù)據(jù)，隨后每隔10 min再次重復此前的操作，共收集5次測量數(shù)據(jù)。在實驗開始后的第15 min時，開始進行字母消除任務(wù)，隨后每隔10 min再次重復此前的操作，共收集4次測量數(shù)據(jù)。

4 實驗結(jié)果與分析

24名被試者經(jīng)歷4種不同的實驗條件，共收集到有效數(shù)據(jù)96份。每份數(shù)據(jù)包含實驗過程中收集的5次主觀量表數(shù)據(jù)和4次任務(wù)績效數(shù)據(jù)。24名被試共計480份問卷數(shù)據(jù)，采用excel和SPSS軟件處理和分析統(tǒng)計以上實驗的數(shù)據(jù)。比較4次實驗結(jié)果的平均值如圖4所示，發(fā)現(xiàn)早上動態(tài)上升的光照減少了憤怒(P=0.005)和抑郁(P=0.009)，但對困惑、緊張、疲勞和活力值沒有顯著影響。晚上動態(tài)下降的照明可緩解憤怒(P=0.048)，而晚上動態(tài)上升的照明對活力有顯著提升影響(P=0.002),說明晚上不符合自然光周期的動態(tài)照明會使人更加活躍，不符合人類“日出而作，日落而息”的自然規(guī)律。四個實驗的兩兩配對檢驗結(jié)果如表2所示。

圖4 四種實驗的布魯奈爾量表數(shù)據(jù)Fig.4 The data of BRUMS-C under four experimental patterns

表2 四種實驗照明條件情緒數(shù)據(jù)的配對檢驗結(jié)果Table 2 Paired test results of BRUMS-C data under 4 experimental patterns

符合自然光周期的動態(tài)照明包括早上上升和晚上下降模式，不符合自然光周期的動態(tài)照明包括早上下降和晚上上升模式。將兩組數(shù)據(jù)進行均值計算得到圖5所示的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)符合自然光周期的動態(tài)照明能減少憤怒(P=0.003)和抑郁(P=0.045)，不符合自然光周期的動態(tài)照明能讓人更加活躍(P=0.018)。同時，將被試者的生理指標數(shù)據(jù)進行平均值計算并進行配對樣本t檢驗，發(fā)現(xiàn)不同的實驗條件對血壓、脈搏變化率沒有顯著影響,但在晚上符合自然光周期的動態(tài)照明條件下,心率變化率較低,說明在此條件下受試者的情緒越穩(wěn)定，如圖6所示。

對比了被試者完成字母消除任務(wù)的時間、速度、錯誤率和腦力指數(shù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果沒有顯著差異，因此在這里不過多介紹。可能由于人的心理活動復雜多樣，認知任務(wù)的難易和復雜程度都會影響結(jié)果的準確性[38]。

圖5 不同照明模式對主觀心境的影響Fig.5 The data of BRUMS-C with the Daylight cycle

圖6 不同照明模式對生理指標變化率的影響Fig.6 Change rate of physiological parameters in different patterns

5 結(jié)論與展望

本研究首先梳理了健康照明的基礎(chǔ)研究和發(fā)展演變，通過挖掘光環(huán)境與人體健康的影響關(guān)系，分析出現(xiàn)有研究中，對動態(tài)照明影響生理健康的研究已經(jīng)較為系統(tǒng)，但缺少有關(guān)動態(tài)照明對心理健康的研究。其次，以現(xiàn)有的健康照明評價標準和人體健康評價方法為基礎(chǔ)，提出了綜合主觀評價、視覺任務(wù)績效和生理參數(shù)指標的健康照明評價方法。最后，本研究確定從建筑光學層面進行了嚴格的實驗設(shè)計，針對符合自然光周期的動態(tài)照明、心理狀態(tài)和認知表現(xiàn)的影響開展實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)，符合自然光周期的動態(tài)照明能減少憤怒和抑郁情緒。晚上動態(tài)上升的照明對活力有顯著提升影響,說明晚上不符合自然光周期的動態(tài)照明會使人更加活躍，但是不符合人類“日出而作，日落而息”的自然規(guī)律，很可能導致晚上過度興奮而影響正常的休息和睡眠。

本研究的結(jié)果體現(xiàn)了符合自然光周期的動態(tài)照明對心理狀態(tài)的影響作用。研究成果可以應用于建筑內(nèi)的等候區(qū)域，以緩解使用者的憤怒和抑郁情緒。另外，為了創(chuàng)造夜晚良好的休息環(huán)境，應盡量避免亮度過高的照明環(huán)境。目前，針對符合自然光周期的動態(tài)照明研究還需要跨學科的支撐，如何將這種特殊的照明形式應用于室內(nèi)環(huán)境還需要進一步的研究。未來將進一步探究最能滿足人類身心健康需求的動態(tài)照明峰值變化區(qū)間和影響機制，為健康建筑發(fā)展提供新的思路和設(shè)計策略。