基于健康光环境的LED媒体界面在医疗空间的创新应用——以上海市第十人民医院心内科导管手术室为例

徐俊丽，郝洛西，崔哲

(1.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092;2.苏州大学建筑学院，江苏苏州 215123)

引言

医疗空间环境直接影响病患的情绪及康复速率。其中，光环境是一个重要影响因素［1］。目前，我国医院的光环境设计以功能照明为主，偏向照度、色温、眩光等技术指标;对于使用者心理和生理方面的研究还有待深入。本研究基于调研发现，照明方式不当、色温偏高等光照问题，引发病患负面情绪。为此课题组设计并应用了LED媒体界面，探讨光照对病患负面情绪的缓解作用。

1 光环境与负面情绪

1.1 负面情绪对病患的影响

负面情绪导致人体交感神经亢奋，引起血压上升、心率增加，客观上增加了心脏负担［2］。Barbara等人 (1998)［3］研究表明，负面情绪与心血管病发病率具有相关性。Hoen等人 (2010)［4］调查研究表明，抑郁症作为典型的负面情绪，与心血管发病率有极强的相关性。A Rosengren等人 (2004)［5］对52个国家、24767位被试进行了国际跟踪调查，结果显示，负面情绪人口的心肌梗死发病率为普通人的1.55倍，即负面情绪与心血管疾病有很强的正相关性。张艳等人 (2010)［6］采用综合医院焦虑抑郁量表 (HAD)对80例住院心血管疾病患者进行调查，结果表明:心血管疾病与情绪障碍常常共存，使心血管病患保持良好的心理状态在临床上显得尤为重要，对稳定病情、促进康复具有重要的意义。

1.2 光照刺激对情绪的影响作用

光照刺激通过视觉通路 (visual forming system)与非视觉通路 (non-visual forming system)作用于视网膜［7］，对人体影响表现出多样性与复杂性，不仅产生视觉现象，还对情绪和行为产生影响［8－9］。Prabu Wardono等人 (2012)［10］使用数字情景模拟、主观问卷评价的方法，以光、色彩和装饰为变量，针对被试的感知、情绪以及社交行为进行实验研究。结果表明，光环境对使用者情绪的影响最为显著。Boyce等人 (2003)［11］研究显示，不同类型的光环境可以影响被试情绪，而情绪的变化进而影响被试的行为与表现。McCloughan等人 (1999)［12］指出，日常室内照明对使用者的情绪产生了系统性的影响。Hilary等人 (2006)［13］归纳了医院不同空间属性对光环境的需求，并指出光环境可以改善医院空间体验，不仅影响患者康复速率，同时与医护人员工作效率呈现出相关性。针对光环境与负面情绪关系的研究，飞利浦研究中心［14］通过对病房光环境的改造，以照明方式、照度、色温、光色为变量，对病房光环境与住院病患情绪的关系进行了一系列研究，结果显示，良好的光环境有利于提高住院患者的正面情绪。我国针对医院光环境与病患情绪的研究工作相对较少。戴德慈 (2014)［15］提出，医疗建筑水平的提升离不开光环境的构建，并强调医院光环境应以病人为中心，除满足病人的生理需求，还应关注心理需求。曹峰 (2012)［16］针对医院建筑照明设计的特殊性，就门诊、候诊区域、病房区域、检查室区域、手术室区域以及其他区域的照明设计及要求进行了分析，并提出照明设计措施。徐莽(2007)［17］特别针对病房进行了深入研究，并从仿生、色彩、人机界面的角度提出床头灯单元的设计方案。此外，郝洛西 (2012)［18］参加了中国第29次南极科学考察，在长城站与中山站对科考队员情绪进行了干预实验研究，结果表明，彩色光对极地科考队员的情绪具有积极作用。

综上所述，光环境与负面情绪关系密切。我们倡导的医院健康光环境，不仅需要满足视觉功效，还应具有积极的情感效应。因此，如何利用LED照明技术，将健康照明应用于医院，舒缓病患的紧张情绪及压力，具有重要的现实意义。同济大学郝洛西教授课题组自2012年9月以来，与上海市第十人民医院共同开展了医院健康光环境的研究，特别针对心内科进行了跟踪观测［19］。结果显示医院光环境现状存在眩光 (吸顶灯直接照明、夜灯出光角过高等)、照明模式单一、色温过高 (6000K)等问题，导致病患产生一定的负面情绪。因此，创造健康的医院光环境，使病人保持良好心理状态及正面情绪尤为重要，对于稳定病情、促进健康有重要意义。

2 医用LED媒体界面在上海市第十人民医院心内科的创新应用

上海市第十人民医院心内科有50多年的历史，目前已发展成为一个门类齐全、医疗技术雄厚的综合性临床科室，可常规开展心脏介入的相关类别手术。介入属微创手术，病患局部麻醉，意识清楚，心理压力较大。近年来，随着半导体照明技术的发展与应用，LED逐渐应用于医学领域，将先进的医学技术与优质的光照环境巧妙结合，可以改善病患的负面情绪。

因此，我们引入医用LED媒体界面作为辅助治疗手段，改造上海市第十人民医院心内科的光环境，希望营造一种轻松舒适的气氛，达到缓解病人紧张情绪，放松心情的目的，同时提高医护人员的工作效率，保证手术的正常进行。

2.1 医用LED媒体界面的原理

医用LED媒体界面，通过特殊的构造及控制系统形成一定的光照刺激，拟缓解病患的负面情绪。

首先，医用LED媒体界面基于半导体照明及相关技术的快速发展，使得数字媒体界面更易实现，更具优势。其次，LED光源色彩丰富、体积小巧、易于控制，由人工光构成视觉信号，传递信息，从而实现表皮。此外，它通过软件程序的数字化编排，对图形、视屏等视觉内容进行显示和表达，使得医用LED媒体界面更具艺术性和技术性。

医用LED媒体界面建立了病患与医院手术室空间的联系。因此它不仅要考虑具体的照明技术，还需要从病患的视觉角度出发，考虑LED媒体图像的亮度、色彩、图案、尺度等诸多要素，并从室内空间环境效果的角度对照明器具、建筑构件、材质及表象内容进行一体化设计。

2.2 医用LED媒体界面的设计应用

2.2.1 应用场所

图1为光环境改造之前的心导管手术室。图2为光环境改造之后的心导管手术室。平面尺寸为7800mm×8400mm，南面侧窗，大型数字减影血管造影仪安置在导管室的中间位置，顶棚采用传统石膏板吊顶。手术过程中，患者采用卧式姿态，视线主要面向天花板。因此，课题组使用LED媒体界面模块 (600mm×600mm)替换原有石膏板吊顶，吸引病患注意力，缓解负面情绪，同时也减弱大型医疗设备带给病人的紧张感和压迫感。

图1 改造前的心导管手术室Fig.1 The operating room for cardiac catheterization before renovation

2.2.2 构造系统

医用LED媒体界面，其构造系统由低像素均质的LED基层、光介质层以及图像承载层构成，这三层共同作用，产生独特的艺术效果。

1)LED基层是由间距为40mm×40mm的LED发光点阵构成，LED发光点阵的功率为200W/m2，刷新频率≥1920Hz，LED的出光角 (水平视角与垂直视角)均≥120°，通过LED控制器控制LED发光点阵的亮度、色彩变化。

图2 改造后的心导管手术室Fig．2 The operating room for cardiac catheterization after renovation

2)光介质层是重要的成像因素，需要专门进行图像设计和实验模拟才能保证最终的效果。光介质层上随机开设有多组透射纹路，每组透射纹路包含多个直径不同且同心设置的不封闭圆形纹路，每个不封闭圆形纹路由多道相互不连接的弧形透光缝构成。在设计过程中，我们综合考虑了尺寸、密度、材料等，并反复进行实验与对比。

首先，考虑到病患的平躺状态，眼睛至媒体界面的视距在2～2.5m之间，实验确定每个不封闭圆形纹路的直径控制在一定范围内，保证实现光的多缝干涉，产生多变的视觉效果，同时避免超尺度、过于密集的图案给病患造成视觉压力。其次，在光介质层的选择方面，经过多种材料的对比后，最终决定使用刚度好、延展性强、质量轻的铝板，力图在保证成像质量的同时减轻重量。光透过铝板的缝隙射出，通过漫透射和折射在图像承载层上形成媒体界面像素的视觉形象。

3)图像承载层应采用透光或半透光特性的面板材料。经实验对比，最终确定为半透明乳白亚克力板，其优质的光学特性能很好的控制光线的漫透射与折射，呈现出柔化的图像。

综合考虑心导管手术室吊顶的高度，材料的特性，医用LED媒体界面的厚度、重量及散热，成像清晰程度等因素，我们经过了反复推敲并最终确定LED基层、介质层、图像承载层三者之间的间距。

2.2.3 控制系统

医用LED媒体界面的电源开关与手术室内总电源开关并联，方便操作使用。控制面板设置了多栏菜单，分别调控LED媒体界面的开关、光色、亮度等参数。针对不同病患人群，还特别设置了七彩模式及动态模式。所有模式可提前预制，并存储在面板内可拆卸的SD卡中，用于替换及更新，具有操作简易、设置人性化、替换方便等优点。

2.3 医用LED媒体界面的光照模式

医用LED媒体界面，可以依照病患或医护人员的具体需求而设置，结合智能控制系统实现光色、亮度、图案的变化，营造出轻松舒适的空间氛围，使病患在手术过程中既保持平静情绪，又避免引起过度兴奋。

2.3.1 光色设置

色彩不仅具有视觉认知，同时对人的思维活动、心理情绪也产生影响。每种色彩都有不同的属性，而这些属性可以引发人的不同情绪。

考虑到病患在手术过程中的心理压力较大，医用LED媒体界面提供了不同的光色设置。不同颜色的光带来不同的心理感受，而且光的强弱和颜色可以由病患根据自身喜好来选择。这在病患与环境之间建立了互动，使他们不再处于被动的位置，从而降低对医院环境的恐惧程度。如图3所示，针对不同病患人群，医用LED媒体界面的光色设置如下:

1)老年人。随着年龄的增长，人的视觉器官像其他一样，衰退的比较明显。相对于年轻人而言，瞳孔的光通量能力下降，视觉敏感度降低，对明暗度的适应时间加长。经调查表明，他们更偏爱明亮的暖色调。柔和的米色调等温暖、淡雅的色彩，对于老人缓解心理压力，身体心理治疗及恢复有明显的帮助。因此，针对老年人的视觉特征及心理，我们营造一种恬静、舒适、自然的光环境。

2)中、青年人。依据英国纽卡斯大学的研究(208名被试，含37名中国人)显示，女性偏好蓝色和粉色，而男性大部分偏好蓝色。蓝色系有助于保持镇定平静的心情，粉色象征着关爱与慰藉。此外，绿色象征着生命、青春、新生，可以帮助病人消除疲劳，调节视觉功能，还可以中和视觉残像，让医生保持清楚的对比度。所以医用LED媒体界面的光色设置，结合男女性别、喜好等特点进行选取。

3)少年、儿童。由于他们的生理发育和思维都处于初级阶段，对于色彩的需求最为强烈，尤其是饱和度高的色彩。此外，他们对于外界信息非常感兴趣，一般来说，注意力的集中时间较短且易转移。因此，在少年及儿童病患的手术过程中，我们设置了动态彩色光来吸引他们的注意力，帮助舒缓压力。

图3 不同年龄、性别病患的光色设置Fig.3 Light color for different age and gender

关于中国病患在心内科导管手术室环境中对于光色偏好的实验研究，课题组正在进行中。

2.3.2 亮度设置

亮度是空间给人的第一印象。从心理学、视知觉角度来说，光线明亮的空间给人宽阔、安全、明朗的感受，适合人们的工作学习。光线较暗的空间给人安静、温馨的感受，适合人们消遣放松;而光线过暗的空间，却让人感到压抑、恐惧、情绪低落。

在医用LED媒体界面的调试过程中，我们主要根据术后病患、医护人员的主观评价，以及课题组的现场试验综合确定屏幕亮度，如表1所示(数据在一般照明开启，无影灯关闭的情况下测得)。界面亮度还需与室内功能性照明用灯、数字减影血管造影仪显示屏以及室外日光亮度相协调，避免出现眩光、光幕反射等问题，保证各项医技操作的顺利进行。据访谈及问卷反馈结果，LED媒体界面对手术无影响。此外，医用LED媒体界面的亮度还考虑了不同人群的视觉特点进行调节。如老年人眼睛晶体的屈曲性降低导致近看东西困难，并且由于传导图像的神经细胞的老化，导致视力一定程度的下降，所以针对老年病患时，可将屏幕亮度提高一些，而针对中青年与少年儿童病患时，亮度设置为适中。

表1 亮度与眼位照度Table 1 Luminance and eye illuminance

2.3.3 图案设置

医用LED媒体界面，除了设置光色、亮度的变化，还可以为病患提供变化丰富的图案。针对病患在手术过程中的紧张情绪，图案提取大自然中具有象征意义的画面，让病人有美好的联想，达到放松的效果。此次上海市第十人民医院心内科导管室的光环境改造，经多次实验对比，最终采用了象征美好情感的玫瑰花图案。

此外，我们还制作了仰望天空、树木、热气球等图案，更加符合病患在手术过程中的视看角度，用于LED媒体界面中间光介质层的替换，如图4所示。根据不同病患的心理状态和特点，选用不同的图案，对于分散注意力、缓解紧张非常有效。

图4 图案设置Fig.4 Different patterns

3 结语与展望

随着医疗理念的不断发展，人们对医院不再简单定义在治疗疾病的功能层面，更加注重人性化、情感化的需求。医用LED媒体界面在上海市第十人民医院的创新运用是一次具有积极意义的尝试。目前，我们针对病患进行了后期跟踪与调查，根据自我报告证实的确可以缓解紧张情绪。下一阶段工作中，课题组将定量探讨医用LED媒体界面与病患情绪的关系:1)不同波长的单色光对不同年龄、不同性别患者情绪的影响作用;2)定量分析医用LED媒体界面各参数 (表面亮度、变化周期、刷新频率等)对病患情绪的影响;3)人性化控制模式。从而优化前期试制的医用LED媒体界面，并为推广医用LED媒体界面提供技术参数支持。

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