通过使用智能变色灯改善睡眠质量

陈建宇，陈弘伟，谢秉豪

(台湾科技大学色彩与照明科技研究所，台湾 台北 10607)

引言

长久以来的人类的认知中，对于眼睛感光细胞的认识仅止于杆状细胞及锥状细胞二种，直到2002年时，美国Berson等科学家发现第三种特殊的感光细胞——自发性感光视网膜神经节细胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGC)，ipRGC不是依赖长久认知的锥状及杆状细胞进行感光，而是透过黑视素(melanopsin)感测外在光线，从此打破了人类对人眼认知中的视觉感光器官的观念[1]。

此感光细胞是一种含有视黑素(melanopsin)的视网膜神经节细胞，通过光线调节人体内的昼夜节律(Circadian rhythm)，从而与大脑中的视交叉上核(Suprachiasmatic Nucleus, SCN)连接[2]。视交叉上核被视为大脑的生理时钟，是管辖昼夜节律的主要起搏器(The master pacemaker)，位于下视丘(Hypothalamus)前部，而视交叉上核(SCN)又延伸到松果体(Pineal)[3]，松果体是形成分泌调节多种激素的场所[4，5]。光线进入人眼后便被这类感光细胞接收后产生一连串的光生物学效应，而图1 为光导致非视觉大脑区反应的传播途径，通过这个途径，哺乳动物的眼睛可以感受到明暗循环，引起SCN的神经活动，进而引起褪黑激素从松果体的有节律的分泌[6]。

图1 光道致非视觉大脑区反应的传播途径[7]Fig.1 Pathways for light-induced non-visual brain responses

借由ipRCG解释许多非视觉影响的生理反应，如褪黑激素抑制、昼夜相移、调整时差、睡眠潜伏期。和椎状细胞与杆状细胞一样，ipRGC对不同波长与不同颜色的光谱灵敏度也是不一致的如图2所示，可以发现人体对短波长的光更为敏感，短波长的光更能激起人体的生理反应；基于此特性越来越多人使用光线治疗改善失眠[8]。

图2 光谱敏感曲线[9]Fig.2 Spectral sensitivity curve

国际照明委员会(CIE)在2016提出的LED照明领域急需解决的十大挑战，包括对健康照明和非视觉影响的建议，及自适应、智能的动态照明等研究策略。目前研究指出白天多照光可提高警觉度、工作绩效，提升夜晚睡眠质量，荷兰埃因霍温理工大学Smolders(2012年)与瑞士巴塞尔大学Gabel(2013年)的研究结果分别得到，照明可提高办公室人员警觉度和人造模拟黎明光线有助于唤醒，消除紧张和增加幸福感，并对认知表现有益的结论[10]。在白天多照光提升夜晚睡眠质量的研究方面， 2017年LRC(美国伦斯勒理工学院的照明研究中心) Figueiro教授对美国联邦总务署五栋办公大楼的上班族进行了7天光照量记录与问卷调查，得到早上接受高生理刺激值(CS)的昼夜节律光，能减少忧郁症和增加睡眠质量的结论[11]。以及我国台湾工研院与杨建铭教授共同研究光源的CAF(circadian action facto)对人体唾液褪黑激素含量和睡眠质量的影响，初步结果表明，CAF越高，褪黑激素的抑制作用越高[12]。

随着社会竞争激烈，为了追求更好的生活水平，人们不断地工作甚至兼差、打工，一天内就做了好几份工作，压力越来越大，然而到了睡觉时间常因为作息不正常、日夜轮班工作导致睡眠障碍的产生[13]，休息不够的情况下身体状况变差进而衍伸出更多的疾病问题。

失眠问题影响着健康、精神、情绪和一天的行为，慢性失眠甚至可能导致严重的问题。失眠导致许多人无法持续睡眠或是入睡，通常失眠的人会有以下几种症状：精神不集中、疲劳、注意力不集中、情绪不稳定以及工作表现下降[14]。许多人尝试使用药物治疗，但这会造成不良的副作用[15，16]。

本研究分别利用动态光(包含变动照度与色温)、小夜灯、无光照等不同灯光环境下进行睡眠实验，并观察其睡眠状况。探讨利用特殊光源对于人类睡眠的影响，通过一连串主观与客观评价的人因实验，以脑电图EEG观察健康受测者，观察生理变化以判断受测者的睡眠状态，并以不同睡眠阶段的脑波变化作为判断睡眠质量的指标，再利用睡眠质量问卷，了解受测者的心理感受，并累计数据，最后进行统计分析。

1 照明睡眠实验方法

1.1 实验设计

1)实验对象。本研究的受测者为28位大学生或研究生， 19名男性(23.5±2岁)，9名女性(24±2岁)，设定条件必须作息正常，睡眠至少满8 h，不熬夜，无不良嗜好 (例如：吸毒、酗酒等) 的受测者，并且没有视觉功能障碍、心脏方面等疾病，实验当天被要求避免饮用茶类及咖啡等含咖啡因的饮品，每位受测者在接受试验前必须有充足的睡眠并已知本研究实验的相关流程。

2)实验环境。为了模拟睡眠环境，本研究的实验地点为一暗室，室内温度控制在(26±1)℃之间，实验时间设定在18：00到23：00，并使受测者躺于躺椅上，模拟夜晚睡眠，实验灯源置于受测者头部1 m处，实验环境如图3所示。

图3 实验环境实际图Fig.3 Experimental Environment

1.2 实验流程

本研究中，实验分为四种实验光源，分别是:

i.第一种实验光源为动态照度光源，色温固定为2 200 K，照度会随着时间改变，从0→3→6→12→6→3→0 lx 整个周期为34 s。

ii.第二种实验光源为动态色温光源，照度固定为5 lx，色温则为2 200 K与4 200 K，此两种色温以各维持30 s交替变化。

iii.第三种实验光源为低照度低色温的小夜灯，照度为5 lx，色温为2 200 K。

iv.第四种实验光源为无灯光环境。

实验开始前先讲解实验流程，并替受测者配戴脑波帽与心电图的贴电极贴片，测验结束后给予受测者填写自我心理评价问卷表，评估受测者进行实验后的睡眠状态，而受测时间为1 h，并全程记录受测者的EEG(O1、O2、C3、C4、T4、T8)与ECG，分别记录三种不同光源对于睡眠状态的比较，最后针对受测者的脑波与心电进行分析，并与问卷作比较，实验流程如图4所示。

图4 实验流程图Fig.4 Experiment process

1.3 主观问卷

自我心理评价问卷为研究自行设计的问卷，主要用来评量受测者接受实验后的心理感受，其内容主要有：舒适度、灯光亮度、睡眠质量、睡醒后精神状况等。每题分数为1～6 分，分数越高表示对当时的感受度越高，如附录一所示。此外还会询问是否有睡着、是否做梦、平常是否有开灯睡觉的习惯等问题。预期帮助在进行生理参数分析时，能够搭配问卷结果一起进行主观与客观评价的比对。心理评价问卷为研究自行设计的问卷，主要用来评量受测者接受实验后的心理感受，其内容主要有：舒适度、灯光亮度、睡眠质量、睡醒后精神更好等。每题分数为1～6分，分数越高表示对当时的感受度越高。此外还会寻问是否有睡着跟作梦，平常是否有开灯睡觉的习惯，帮助在进行生理数值分析时能够搭配问卷结果一起比对。

2 脑波与HRV的测量

本研究将动态照度光源、动态色温光源、小夜灯、无光照的不同光源环境下睡眠所记录的脑波数据，资料经Fourier转换计算不同频带范围的功率频谱，以正规化(normalization)的方式计算，解决不同个体性差异，先将各点脑波的δ、θ、α、 β 频段能量除以总功率(total power，TP)，单位为百分比(%)，并使用不同脑波比例运算公式δ/β、β/α的方式[17]。根据文献[17]，δ 波通常代表深沉睡眠时的脑波，β波代表清醒且紧张时出现的脑波，α波则代表清醒且放松时出现的脑波，δ/β呈现受测者深沉睡眠程度，β/α则是受测者的放松程度，θ/TP则表示到达睡眠第一阶段。通过这些脑波数值分析每位受测者的睡眠质量。探讨睡眠时灯光对各频段脑波的影响，数据以平均值(mean)±标准差(SD)来表示，经过paired t-test 统计检定后，如在统计上有显著性的差异(p<0.05)，则以“*”表示在表格中。并将四种不同光源环境下睡眠分别进行比较与讨论。图5、图8中显示出动态色温与小夜灯的结果皆优于动态照度光源并且有统计显著差异(p<0.05)，比例越高则表示睡眠阶段越深；图6、图9、图11、图13、图16 动态色温与小夜灯结果皆优于动态照度与无照光并且有统计上显著差异(p<0.05)，比例越低则表示越放松状态；图7、图10、图12、图14、图15、图17在动态色温与小夜灯结果皆优于无照光并且有统计上显著差异(p<0.05)，所占百分比越高则表示有进入睡眠浅层期。

图5 各种光源环境睡眠对脑波O1点δ/β变化的影响Fig.5 Effects of various light on the δ/β change of brain wave O1 at sleep

图6 各种光源环境睡眠对脑波O1点β/α变化的影响Fig.6 Effects of various light on the β/α change of brain wave O1 at sleep

图7 各种光源环境睡眠对脑波O1点θ/TP变化的影响Fig.7 Effects of various light on the θ/TP change of brain wave O1 at sleep

图8 各种光源环境睡眠对脑波O2点θ/TP变化的影响Fig.8 Effects of various light on the δ/β change of brain wave O2 at sleep

图9 各种光源环境睡眠对脑波O2点δ/β变化的影响Fig.9 Effects of various light on the β/α change of brain wave O2 at sleep

图10 各种光源环境睡眠对脑波O2点β/α变化的影响Fig.10 Effects of various light on theθ/TP change of brain wave O2 at sleep

O1点脑波分析结果如图5～图7所示，O2总脑波分析结果如图8～图10所示，C3点脑波分析结果如图11、图12所示，C4点脑波分析结果如图13、图14所示，T7点脑波的分析结果如图15所示，T8点脑波的分析结果如图16、图17所示。

图11 各种光源环境睡眠对脑波C3点β/α变化的影响Fig.11 Effects of various light on the β/α change of brain wave C3 at sleep

图12 各种光源环境睡眠对脑波C3点θ/TP变化的影响Fig.12 Effects of various light on the θ/TP change of brain wave C3 at sleep

图13 各种光源环境睡眠对脑波C4点β/α变化的影响Fig.13 Effects of various light on the β/α change of brain wave C4 at sleep

图14 各种光源环境睡眠对脑波C4点θ/TP变化的影响Fig.14 Effects of various light on the θ/TP change of brain wave C4 at sleep

图15 各种光源环境睡眠对脑波T7点θ/TP变化的影响Fig.15 Effects of various light on the θ/TP change of brain wave T7 at sleep

图16 各种光源环境睡眠对脑波T8点β/α变化的影响Fig.16 Effects of various light on the β/α change of brain wave T8 at sleep

图17 各种光源环境睡眠对脑波T8点θ/TP变化的影响Fig.17 Effects of various light on the θ/TP change of brain wave T8 at sleep

在心率变异度分析，将记录下来的心电图讯号，使用Matlab软件撷取R-R interval的间距。若有窦性中止、心房性或心室性心律不整，则删除此异常R-R波的间距。选取最后稳定的512个RR波间距来做频谱分析，如果因为心律不整而删除的R-R波间距超过全间距的5%，则此患者的资料不列入分析。

撷取出来的R-R interval资料，进行快速傅立叶转换，将心跳间隔转换成心率变异度频谱，总功率(total power，TP)为频率在0.01～0.4 Hz功率频谱曲线下的面积和，低频功率(low frequency power，LFP) 则为频率在0.04～0.15 Hz功率频谱曲线下的面积和，高频功率 (high frequency power，HFP)是在功率频谱曲线在0.15～0.4 Hz的面积和。正规化低频功率 (normalized low frequency power，nLFP) ((LFP/TP)×100)通常用于代表交感、副交感神经活性，正规化高频功率 (normalized high frequency power，nHFP)((HPF/TP)×100)通常用于代表副交感神经活性，低频/高频功率比(LFP/HFP)通常代表交感/副交感神经活性平衡状况的指标[18]。由图18可知，动态色温光源相较于小夜灯与全黑环境，其交感神经活性皆偏高，此点与脑波评价相反。由图19可知，在自我问卷评估方面，各种灯光的开启都会让受测者感到太亮，而在睡后的精神状态评估，最差的是开小灯的结果，而其他光源之间则无差异。

图18 各种光源环境睡眠对nLFP变化的影响Fig.18 Effects of various light on nLFP changes during sleep

图19 问卷评分结果Fig.19 Questionnaire results

3 讨论

3.1 动态光对睡眠影响的脑波分析

本研究为探讨不同光源环境下对于睡眠质量的效果。由观察睡眠不同阶段时脑波变化可以辨别睡眠的阶段[17]，并通过不同的比例运算解决不同个体性差异，以达到每个人相同的基准值，进而分析每位受测者的睡眠状况。为了探讨动态光对睡眠的影响透过一次改变一种参数的方式，比较照度与动态色温的动态光对睡眠质量是否提升。结果显示动态色温的方式对提升睡眠质量较显著，本研究中所采用的动态色温光谱分布如图20所示。动态色温幅度为2 200～4 200 K 之间。在白天工作睁开眼居多，而夜晚则闭眼居多。白天时光线能直接进入瞳孔经由视网膜上的感光细胞将信号送至大脑调节生理反应，夜晚闭眼时则光线必须先穿透眼皮才能够进入瞳孔。因此，不同的波段对眼皮穿透率就成为调节人体的重要因素，文献[19]指出红光对眼皮的穿透率为5.6%，绿光和黄光则不到1%，由于进入瞳孔的能量很低，在暗视觉中锥状细胞已不作用，而杆状细胞也只能起到一点作用，因此这时候能够与极弱光线产生作用的有可能就是非视觉效应的ipRGC 细胞。由此可知，可以进入眼皮同时对感光细胞ipRGC 能够刺激的会以红光为主。随着时间变化，低色在动态照度的方式上，希望透过一个明暗的改变诱发脑波功率的提升，相关研究指出利用字母的闪烁频率在脑波功率有增强的结果且在枕叶与颞叶最为显著，此方式为稳态视觉诱发电位(SSVEP)[20]，但实验结果相较色温改变对提升睡眠温时红光比例较高，所以进入眼睛的红光较多；高色温时红光比例减少，所以进入眼睛的红光较少，透过红色光线以较高比例进入眼睛刺激感光细胞程度的增减。其实红光对于ipRGC细胞中黑视素(melanopsin)的影响很低，是以不会抑制褪黑激素分泌，而仅传递其慢波讯息给大脑中枢，孕育出更多的慢波促使睡眠发生，进而提升脑波 θ 及 δ 功率。此机制可能是稳态视觉诱发电位(SSVEP)所造成[20]。

图20 光谱成份比例Fig.20 Spectral ratio

3.2 动态光对睡眠影响的心率变异度分析

HRV分析方面，低频为交感神经活跃指标而高频为副交感神经活跃指标，在慢波睡眠期间的心率与交感神经活性会下降，所以当高频功率远高于低频功率时，受测者为非常放松且在睡眠状态[21，22]，因此L/H比例分析的方式就相当于脑波β/α的方法，同样为紧张状态对放松时状态的比值，数值越低可解释为睡眠质量越高，在nLFP中的动态色温光源比固定照光跟无照光时数值还要高(p<0.05)，但在L/H中动态色温对小夜灯与无照光并没有统计差异，在心率变异度分析时高频为100%反应副交感神经活性，但低频包含交感与副交感神经活性[23]，分析时必须同时nLFP与L/H都存在统计差异才具有意义。但是在同样的动态光下睡眠脑波有显著差异，可能动态光还不足以刺激副交感神经活性提升，或许还需要修正不同的红光比例才足以诱发HRV高频功率的提升。

4 结论

本研究所设计的光源参数，成功帮助受测者更快速入睡，提升睡眠质量；脑波统计分析显示动态色温与小夜灯结果皆优于动态照度与无照光，心理评价问卷显示动态色温与无照光下睡眠，比在小夜灯下睡眠睡醒之后受测者觉得精神更好。在HRV 统计结果上并无明显差异，可能动态光还不足以刺激副交感神经活性提升，或许需要更高的红光比例，更缓慢的频率，才足以诱发高频功率的提升。

动态光被认为是未来照明发展的主要目标之一，由本研究可知相较稳定光源而言，动态光对生理有更显著的刺激。漆黑无光的环境虽然是最佳的，但是能让有些人怕黑的心理因素，反而辅以特定红光比例下的动态光源，进入眼睛刺激感光细胞程度的增减，进而提升脑波及功率也能帮助睡眠。睡眠市场日趋扩增，最佳的助眠光源可以非侵入式地协助人们好好睡觉。此为有趣又有意义的工作，本团队日后会再从动态照明中的色温、照度变化周期等参数的微调，找到最佳化的动态助眠光源。