人體健康評價方法在光環境研究中的適用度分析

侯丹丹， 羅 明， 郝洛西， 林燕丹

(1.復旦大學信息科學與工程學院光源與照明工程系，上海 200433；2.復旦大學電光源研究所，上海 200433；3.浙江大學光電科學與工程學院，杭州 310007；4.同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200082)

引言

為了探究不同光環境對人體健康指標的影響，越來越多的研究者展開了相關的實驗探索。常用的人體健康指標評價方法包括：主觀量表法、績效測試法、生理電測試法、生化指標測試法等。每一個人體健康指標都有多種方法能夠對其進行評價。在前期的研究中，多個評價方法用于衡量同一個人體健康指標時，會出現一定的差異。Souman等[1]關于夜間白光光譜調制對于人體的研究中表明，通過調節光譜中的460～480 nm的藍光含量，能夠有效作用于褪黑激素的抑制率，進而影響節律相位和警覺程度。然而在主觀嗜睡量表結果中，卻未發現顯著作用結果。Ru等[2]關于日間色溫和光照強度對于警覺性和工作績效的研究中，4種績效測試方法在100 lx 和1 000 lx兩個條件間的響應靈敏度不同，go/nogo測試和弗朗克測試結果表現出了顯著差異，而神經運動警戒任務法和步進式視覺累加測試則未表現出顯著差異。這表明，在人體健康評價方法選取過程中，需要從多個維度進行評估，進行有效篩選，以提高其適用性。其中，各種方法在不同的光環境下，能否產生有效響應(響應度)，以及方法的測試是否會影響或干擾光刺激精度(匹配度)是評估方法適用度的重要維度。

1 人體健康評價方法

光通過眼睛通道對人體健康的影響可分為兩個部分。首先是通過視覺成像系統的光，它主要滿足人們的視覺功能需求，使我們能夠看到物體。但不恰當的照明條件會影響視覺功能、視覺舒適、導致視覺疲勞等，進而對健康產生負面影響[3]。第二個部分是光通過非視覺通道對人體晝夜節律、警覺性、認知行為、情緒等產生影響。

本文中，所選取的人體健康評價指標根據光通過視覺和非視覺神經通路作用于人體而產生的多維度響應，從視覺神經通路所影響的視覺績效、視覺感受、視覺疲勞，以及非視覺神經通路所影響的注意力水平、警覺性、情緒和睡眠質量等維度進行方法溯源和梳理分析。

1.1 視覺績效

視覺績效是指包括視敏度和視覺信息處理能力。由于注意力水平對視覺績效具有顯著影響[2]，故視覺績效測試也可作為評價注意力水平的間接方法。其中d2注意力測試法、神經運動警戒任務法、n-back測試法和持續績效測試法、蘭道爾環閱讀測試法、步進式視覺累加測試法等在探究光環境影響的研究中廣泛應用。

d2注意力測試法(d2 test of attention)是由Brickenkamp[4]和Zillmer等[5]設計的一種用于量化注意力水平的測試。該測試共14行，每行47個目標字符，要求被試劃去上方和下方以任何順序具有兩個“|”標記的字母“d”。干擾因素為相似的目標刺激，如：具有兩個標記的字母“p”或具有一個或三個標記的字母“d”。每行任務要求在20 s內完成，時間到后時在閱讀到的字母后做標記。正確率、錯誤率和集中程度作為衡量視覺績效的重要指標。

神經運動警戒任務法(psychomotor vigilance task, PVT)是由Dinges等[6]設計的一種量化持續注意力的測試。該任務通常由5～10 min的閃光刺激或目標刺激構成，刺激間隔為2～9 s，被試被要求在刺激出現時，立即按下按鈕。刺激出現到按鈕被按下之間的間隔被定義為反應時(RT)。任務中所有試次反應時的中位數被用于量化持續注意水平。

n-back測試法是由Kirchner等[7]設計的一種連續績效任務測試法。測試由一系列的刺激組成，被試要求判斷當前刺激與序列中前n個刺激是否一致。負載因子n可以根據實驗所需的任務難度以及對象進行調整。在探究照明條件變化所帶來的影響實驗中，通常使用視覺刺激進行測試，刺激呈現的形式通常為數字，位置或顏色等。任務的正確率與反應時的平均值之比被用于量化由視覺刺激引發的記憶任務績效。

持續績效測試(Continuous Performance Test, CPT)是由Rosvold等[8]設計的一種評價視覺刺激的持續注意力測試法。測試要求當屏幕上顯示除視標如：字母“ X”之外的任何字母時，都要求客戶單擊空格鍵。如果看到字母“ X”，則不能單擊。任務完成的正確率、反應時、漏過率和錯誤率是量化視覺績效的重要指標。

蘭道爾環閱讀測試(Landolt C Reading Test)是由Edmund Landolt和Weston等設計的一種用于探究視覺績效受到環境作用影響的測試方法[9]。根據被試對于不同對比度或亮度的C環識讀的正確性或反應時來量化視覺績效。Landolt C被認為是視標中的“黃金標準”，并作為歐洲國家/地區視力測量的標準視標(EN ISO 8596)。

步進式視覺累加測試(Paced Visual Serial Addition Test, PVSAT)是由Nagels等[10]和Fos等[11]設計的一種基于計算機程序的神經心理學測試，用于測試視覺信息的處理能力和持續響應速度。測試要求被試將屏幕上出現的數字與上一個出現的數字相加，并將兩者之和輸入在相應對話框中。測試結果的正確率和平均反應時被用于量化視覺刺激下的短時記憶任務績效。

1.2 視覺感受

視覺感受指視覺通道的成像信息對人體主觀感受的影響，包括對視覺偏好、舒適度、滿意度等的影響。以下是幾種用于評價光環境對視覺感受影響的方法。

馬里蘭視覺舒適量表(Maryland Visual Comfort Scale, MVCS)是由Seagull等[12]設計的一種評價主觀視覺舒適度的量表。量表由七個評價維度組成，包括：對比度、細節、亮度、照明均勻性、焦點均勻性、顏色以及清晰度。量表采用6級和10級的李克特量表進行評級。

辦公室照明調查問卷(Modified Office Lighting Survey, OLS) 是由Boyce等設計的一種評價辦公室照明環境的問卷。該問卷涵蓋了對人工照明環境復雜因素的多維度評價，包括：外觀、舒適度、照度、明暗區域的亮度比、光幕反射、不舒適眩光等多個方面，以獲取用戶對辦公室照明環境的接受程度。該問卷內容豐富，評價維度較為全面，是評價辦公室照明環境視覺感受的重要工具。

沃格爾氛圍感知問卷(Vogels’s Atmosphere Questionnaire, VAQ)是由Vogels等[13]開發的一種用于量化環境氛圍的問卷。問卷從四個基本維度對環境氛圍進行評價，分別為：舒適度、生動感、緊迫感和超脫感。問卷由38個描述氛圍的詞匯組成，被廣泛應用于照明或圖像顯示領域的氛圍感知評價中。其部分條目的中文版本也被廣泛應用于相關研究中[14-16]。

室內亮度舒適度問卷(Indoor Luminance Comfort Questionnaire， ILCQ)是由Peng等[17]設計的一種用于調查住宅內主觀亮度舒適度的問卷。問卷由五個部分組成，分別針對個人基礎信息、房屋環境信息、日光采光滿意度、行為習慣調查和照明環境整體滿意度展開調查。問卷結合了實際室內環境中日光和人工照明的共同作用，并根據人體的行為特征，對整體的亮度舒適度進行評價。該問卷不僅可以用于視覺舒適度的量化研究，也為后續結合用戶個體特征進行深度信息挖掘提供了可能性。

1.3 視覺疲勞

視覺疲勞是由不恰當的周圍環境或密集型視覺作業任務共同引起的睫狀肌、外眼肌勞損。進而導致眼睛不適、酸痛等癥狀。以下是幾種在光環境研究中常用的視覺疲勞評價方法。

臨界閃光融合頻率法(critical fusion frequency, CFF)是利用CFF指標的變化客觀衡量視覺疲勞的一種方法。臨界閃光融合頻率和主觀量表都是描述視覺疲勞的有效工具[18]。CFF的下降代表著視網膜活性的下降，進而導致對于閃爍的分辨能力下降，因此可以用于視覺作業前后的CFF差值被廣泛用于評價視疲勞的程度[19]。CFF值可通過閃光融合頻率計進行測量，測試使用調節測試法，最終使用3次遞增閾值和遞減閾值的均值作為CFF值。

霍伊爾視覺疲勞問卷(Heuer’s Subjective Visual Fatigue Scalre, VFS)是由Heuer等[20]設計的一種評價主觀視疲勞的問卷。問卷由6個問題組成，分別為“(1) I have difficulties in seeing, (2) I have a strange feeling around the eyes, (3) My eyes feel tired, (4) I feel numb, (5) I have a headache, (6) I feel dizzy looking at the display。”對于每一個問題，被試需要根據當前的感受對每一個問題進行個評分。6個問題的總分被作為評價視覺疲勞的量化結果。

視覺疲勞量表(Visual Fatigue Questionnaire，VFQ)是由Kuze等[21]設計的一種評價主觀視覺疲勞程度的問卷。量表分為5個因素，分別是眼疲勞、全身不適、惡心、聚焦困難和頭痛，由24個描述疲勞狀態的詞語組成。對于每一個描述，被試需要根據當前的感受對每一個問題進行個評分，評分使用7級的李克特量表。

1.4 警覺性

警覺性是指人體在危險或緊急情況下，快速響應和行動的能力或狀態。警覺性會受到心理和生理狀態的影響。主要的評價方法包括：生理電測試法、生化指標采集法和主觀調查問卷法。

腦電圖(Electroencephalography, EEG)是一種記錄大腦電活動的電生理監測方法。腦電圖能夠關聯與嗜睡相關的多種模式。其不同頻段功率分布的特征能夠客觀描述人體的困倦程度，進而表征人體的警覺性。如前額葉的β波與專注程度有關，能夠表征信息加工的強度。而后枕葉部分的α波則與嗜睡程度有關，困倦程度越高，α波占比越高。

褪黑激素測試法是指通過測試人體內褪黑激素水平，間接分析人體晝夜節律和警覺性的一種方法。褪黑激素是人體晝夜節律的重要標志物[22]。褪黑激素的分泌受視交叉上核中的節律起搏器和眼部光照的共同調節，在個體生理節律的夜間濃度達到高峰[23]。由于警覺性也收到視交叉上核的調控，在褪黑激素水平較高的夜間，警覺性相對較低，而在褪黑激素水平很低的日間，警覺性較高。因此，褪黑激素濃度可以間接反映警覺性的水平和嗜睡程度[24]。

卡羅琳斯卡嗜睡量表(Karolinska Sleepiness Scale, KSS)是由Akerstedt等[25]設計的一種評價主觀嗜睡程度的方法。被試需要根據當前的感受進行評分，量表采用9級評分法，1分表示“極度警覺”，9分表示“非常困倦、極力想保持清醒并在和困倦做斗爭。”量表結果被驗證與腦電圖(EEG)α和θ波段的活動以及眼電圖(EOG)等生理電特征具有良好的個體內關聯性[26,27]，因此被廣泛應用于評價嗜睡程度和警覺性。

斯坦福睡意量表(Stanford Sleepiness Scale, SSS)是由Hoddes等[28]設計的用于評價主觀嗜睡程度的方法。被試需要根據當前的感受進行評分，量表采用7級評分法，1分表示“感覺有活力、生機、警覺、清醒”，7分表示“總在幻想、快速入睡、放棄保持清醒。” 該方法目前被廣泛應用于睡眠障礙和睡眠剝奪的影響的研究[29]。

愛普沃思嗜睡量表(Epworth Sleepiness Scale, ESS)是由Johns等[30]設計的用于評價主觀嗜睡程度的量表。要求被試根據自己在日常生活中經常遇到的八種不同場景下打瞌睡或睡著的幾率進行了評級，量表采用4級評分法，0分表示“從不打瞌睡”，3分表示“很容易打瞌睡”。ESS總分被證明能夠顯著區分正常受試者和不同診斷組的患者，包括阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征、嗜睡癥和特發性嗜睡癥。且ESS評分與在多次睡眠潛伏期測試和夜間多導睡眠描記中測量的睡眠潛伏期顯著相關[30]。

1.5 情緒

情緒是由神經生理變化引起的一種心理體驗，這些變化與思想、感覺和行為有關[31]。評價情緒的主要方法有主觀量表法、生理電測量法等。

心率變異性測試法(Heart Rate Variability, HRV)是通過測量心率隨時間變化的指標，進而對自律神經系統功能進行無創客觀評估的方法[32]。而自主神經系統又是支撐人體生存、繁殖、社會參與和情緒調節能力的重要部分[33]。較高的靜息態HRV水平意味著個體能夠表現出適當的情緒反應，進而抑制負面情緒。此外，HRV與情緒識別任務的表現成正相關[34]。因此，HRV是一種間接衡量情緒和情緒調節能力的重要方法。

自我評估人體模型(Self-Assessment Manikin, SAM)是由Lang等[35]設計的一種圖形化的測量情緒的工具。評價愉悅的SAM圖形從快樂，微笑的圖形到皺眉，不快樂的圖形。在評價喚醒的維度上，SAM的表現從興奮、睜大眼睛到放松、困倦。每個l量表的中點用來表示既不開心也不不開心(即中性)或者既不平靜也不激動。在評定情感場景時，山姆對快樂和喚起的評分與使用相對較長和更耗時的語義差異量表得出的快樂和喚起的因子分析分數相當[36]。

PAD情緒狀態模型(Pleasure-Arousal-Dominance Emotional-State Model, PAD)是由Mehrabian等[37]設計開發的一種用于描述和測量情緒狀態的心理學模型。其由愉悅、興奮和主導三個維度組成。其最初是在環境心理學理論中使用，用于衡量物理環境對于人體情緒的影響[38]。

情緒狀態概況量表(Profile of Mood States, POMS)是由Mcnair等[39]設計的用于評估6個不同的情緒領域的量表，分別是疲勞-惰性，憤怒-敵意，活力-活躍，困惑-困惑，抑郁-沮喪，緊張-焦慮。量表由65個描繪情緒的詞匯組成，量表的結果由6個情緒子成分分別計分，然后相加得到總的情緒得分，各子成分的得分和總的情緒得分均可用于進一步的分析。該量表已被推薦用于評估短暫治療/干預或評估一段時間的情感變化[40]。

正負性情緒量表(Positive and Negative Affect Schedule,PANAS)是由Watson等[41]設計的一種用于評價人體主觀正向和負向情緒的量表。量表由20個描述不同情感的詞匯組成，其中10個詞匯用于描述積極情感(PA)，10個詞匯用于描述消極情感(NA)。要求被試根據自己當前的感受進行評分，量表采用5級評分法。PA和NA的結果根據對應的描述分別進行分數計算，且兩個維度的結果具有獨立性。該方法被廣泛應用于積極情緒和消極情緒的評價研究中，且可用于評價多個時間尺度的情緒，如：當下、今天、過去的幾天、過去的一年等。

1.6 睡眠質量

睡眠質量與人體健康之間具有較強的關聯性[42]，是光環境對人體產生影響的重要維度。在探討光對于睡眠的影響方面，有以下幾種常用方法。

多導睡眠監測法(Polysomnography, PSG)是一種基于多參數測量的睡眠研究和診斷工具[42]。其測試結果被稱為多導睡眠圖。多導睡眠監測是一項覆蓋整個睡眠過程的睡眠研究，同時由有資格的技術人員進行連續監控，是對睡眠過程中發生的生物生理變化的全面記錄，包括腦活動(EEG)、眼運動(EOG)、肌肉活動(EMG)和心臟節律(ECG)、呼吸節律等。通過對多導睡眠圖的分析，能夠推斷出很多與睡眠直接相關的信息，例如睡眠開始潛伏期，REM睡眠開始潛伏期，睡眠期間的喚醒次數等。以及一些間接相關的信息，例如運動、呼吸、心血管參數[43]。

匹茲堡睡眠質量指數(Pittsburgh Sleep Quality Index, PSQI)是由Buysse等[44]設計的一種評估過去一個月睡眠質量自我評估問卷。問卷由17個獨立的問題組成，分為7個評價維度，分別為：睡眠質量、睡眠潛伏期、睡眠持續時間、睡眠效率、睡眠干擾、睡眠藥物的使用和日間功能障礙。7個評價維度的分數的總和為總的PSQI分數，分數越高，表示睡眠質量越差。5分是區分睡眠質量良好和睡眠質量不良的閾值。PSQI的臨床特性表明其在精神病學臨床實踐和研究活動中均有應用價值。

睡眠質量問卷(Sleep Quality Questionnaire, SQQ)是由Kato[45]編制的一種用于評價主觀睡眠質量的工具，其適用于健康人群。問卷包括10個問題，其中4個問題用于評估睡眠困難，6個問題用于評估日間嗜睡。被試需要根據過去一個月自己的睡眠及日間嗜睡狀況對每個問題進行評分，量表采用5級李克特量表評分法。總分越高表示睡眠質量越差。此外，睡眠質量問卷結果被證明與幸福感相關，例如總體健康狀況、抑郁癥狀、慢性疲勞和生活質量。

失眠投訴與睡眠質量基本量表(Basic Scale on Insomnia complaints and Quality of Sleep, BaSIQS)是由Gomes等[46]設計的一種用于評估失眠狀態和主觀睡眠質量的問卷。問卷包括對睡眠過程困難程度的評價，以及對睡眠質量的主觀評估。對于不同睡眠質量的人群具有較好的區分程度。

格羅寧根睡眠質量量表(Groningen Sleep Quality Scale, GSQS)是由Meulen等[47]開發的一種用于測量睡眠質量的工具。該量表能夠對于每天的睡眠質量進行評價。由14個描述睡眠質量的問題組成。分數越高表示睡眠質量越差。

2 評價方法應用于光環境研究的響應靈敏度

本章節對28種人體健康評價方法在光環境研究中的應用進行了調研，獲得了各個方法在研究中的響應靈敏度數據，即該方法是否能在研究所設置的條件之間表現出顯著差異。為了對方法的響應度進行分類歸納總結，光環境變量被歸納為光強、光譜和光分布三個特征變量類型。各方法的應用引文獻來源，所涉及的變量類型，以及具體的條件參數和方法指標及其結果的顯著性，如表1～表6所示。

表1 視覺績效評價方法應用于照明環境中的響應靈敏度

表2 視覺舒適評價方法應用于照明環境中的響應靈敏度Table 2 Response sensitivity of visual comfort evaluation method applied in lighting environment

表3 視覺疲勞評價方法應用于照明環境中的響應靈敏度Table 3 Response sensitivity of visual fatigue evaluation method applied in lighting environment

表4 警覺度評價方法應用于照明環境中的響應靈敏度Table 4 Response sensitivity of alertness evaluation method applied in lighting environment

表5 情緒評價方法應用于照明環境中的響應靈敏度Table 5 Response sensitivity of emotion evaluation method applied in lighting environment

表6 睡眠質量評價方法應用于照明環境中的響應靈敏度Table 6 Response sensitivity of sleep quality evaluation method applied in lighting environment

3 光健康評價方法的適用度分析

人體健康評價方法在光環境研究中的適用程度一方面取決于其是否能夠對所設置的光條件產生靈敏的響應，另一方面，方法的使用和操作過程中是否存在對實驗光條件的干擾或限制也十分重要。如：部分視覺績效測試方法借助電腦或顯示設備完成，增加了光環境的復雜性，引入了光干擾；以及褪黑激素測試法，在節律有關指標(褪黑激素開啟時間：DLMO)的測試過程中需要在黑暗的環境中進行。這些方法使用中的要求，存在與光環境研究之間的匹配程度。因此，光健康評價方法的適用度評價應包含方法的響應度和匹配度兩個部分。

此外，為了細分方法在不同類型光環境變量中的響應程度。方法的響應度被分為光強、光譜、光分布三類特征變量類型進行分析。根據第2節中各方法在研究中的數據結果，方法的響應度根據變量特征分為三類評價，評價標準為：

?A級：在適當的組別之間進行測試，均存在顯著差異。

?B級：若組別之間有顯著差異，但在不同組別間的結果具有爭議。

?C級：若組別之間均無顯著差異。

方法在光環境研究中匹配度，根據1.1～1.6節中對方法的描述及其對光條件的干擾程度進行評價。評價標準為：

?A級：方法所需的材料和設備與光環境之間無任何沖突，不影響光環境的準確性。

?B級：方法的使用會對光環境產生一定的影響，但對實驗結果的影響可控。

?C級：方法的使用極大的干擾光環境的劑量，對實驗結果影響較大且無法避免。

根據方法的響應度和匹配度，可獲得各類方法的適用度評價結果如表7所示。

表7 方法適用度的評價結果

如表7所示，每個方法在不同響應維度和匹配度中的評級不同，方法評級中A級越多，表示該方法在光環境研究中的適用度越好。例如：視覺績效評價方法中，Landolt C閱讀測試法得到了四個A級評價，則其在光環境研究中的視覺績效評價方面具有最佳的適用度。同樣得到四個A級評價的方法有：視覺舒適-OLS、VAQ，視覺疲勞-CFF等。在具體的研究中，研究方法的選擇應結合所探究光環境參數所屬類型的響應度和匹配度的結果共同分析。例如，當實驗變量為光照強度時，方法的強度響應和匹配度應被重點關注，選取兩者評級較高的方法則具有較高的適用性。

4 總結與討論

本文匯總了光環境對人體健康影響研究中常用的28種評價方法，并根據前期研究中各方法在光強、光譜或光分布下是否具有顯著差異，定義該指標對于相應光環境的響應度。在次基礎上，根據方法對于光環境研究的干擾程度定義方法的匹配度。響應度和匹配度等級越高，則該方法越適合用于探索光環境對人體健康的影響程度。

此外，評價方法的選取還應結合方法的設計、心理學特征評價等多個因素進行分析。在未來我們也將繼續開展對方法的信度、效度等多維度的研究，進一步探索用于評價光環境對人體健康影響的科學方法論。

致謝：本實驗受到國家重點研發計劃資助(課題編號2017YFB0403700)