不同LED照明环境下学生的脑电信号变化

杨春宇，汪统岳，梁树英，向奕妍，阳佩良，何 伟

(1.重庆大学 建筑城规学院，重庆 400045；2.重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

引言

学习是一个不断从事脑力劳动的过程，期间出现的脑力能力下降、作业机能衰退的现象称之为脑疲劳，具体表现为学习效率下降、注意力不集中、记忆力下降、反应迟钝等[1]。不良的照明环境会加速脑疲劳的产生和加重脑疲劳的程度，不同的照明环境下，脑疲劳程度也不尽相同。LAL和CRAIG[2]认为脑电信号(EEG)是最适合作为疲劳评价的生理指标；曾堃等[3]通过主观量表和EEG数据，对心内科CICU病房白光环境要素与情绪的关系进行了探讨。为了解不同的LED照明环境对学生脑疲劳的影响，在实验室设定不同的色温和照度环境来模拟教室照明，测试学生的脑电信号随时间的变化情况，评判适宜的色温和照度组合，为教室照明环境设计提供参考。

1 脑疲劳的评价方法

1.1 脑疲劳评定方法的选择

脑疲劳的评定方法主要有四种：主观测评法、心理学和行为学指标评定法、生化指标评定法和生理指标评定法[6](见表1)。其中，通过脑电波测试的生理指标判定法目前最成熟，脑电信号成为应用最广泛的中枢神经系统变化的评价指标。

表1 脑疲劳的4种评定方法比较Table 1 Comparisons of four assessment methods for brain fatigue

1.2 脑电信号的分类与评价指标

脑电波(Electroencephalogram,EEG)来源于锥体细胞顶端树突的突触后电位，记录了大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映[7]。脑电波信号的频率范围较大(0～100 Hz)，根据脑部不同的功能、病理或状态分为不同的频带，至少存在4个重要的波段：δ波、θ波、α波和β波[8](见表2)。睡眠时还可能出现的其他波形，如σ波、λ波、μ波、κ-复合波、驼峰波等，不在本研究的范围内。脑电信号随着人的精神负荷变化产生波动，学生在学习的过程中，α波越多表明人越放松；δ波和θ波越多，β波越少，则越疲劳。

频带能量比例(FBER值，以下简称R值)即δ波、θ波、α波和β波的功率值占四种波总功率值的比例[11]，通过R值的变化可以判断大脑皮层的兴奋度和脑疲劳程度，反应不同色温、照度和时间参数对脑疲劳的影响。其中δ波和θ波为睡眠波，脑电波中Rδ值和Rθ值增大时表示困倦感加强，可以通过判断Rδ+θ值来描述脑疲劳的程度。α波和β波与精神兴奋性和焦虑感相关，人在放松的情况下α波占大部分，当精神兴奋性提高时β波增多，伴随着焦虑感的增加，可以通过Rα值和Rβ值的变化来判断精神兴奋程度。

表2 脑电波的4种波形比较Table 2 Comparisons of four waveforms of EEG

1.3 脑电信号的检测与分析

使用美国某公司生产的MP150多导生理记录仪及其专用的数据线和电极片采集记录，通过与之配套的AcqKnowledge 软件进行数据提取，可以算出δ、α、β和θ波各频段的功率平均值。进而得出δ、α、β和θ波四种波段的频带能量比例R值作为脑疲劳评价指标。将δ波的频带能力比例记作Rδ，θ波的频带能量比例记作Rθ，α波和β波分别记作Rα和Rβ。频带能量比例R值采用以下公式计算：

Eall(k)=∑E(j)(k)j

(1)

(2)

2 实验方法

1)实验参数的设定。教室、图书馆等教育建筑需满足学生学习的功能要求，照度不宜过高。研究表明人眼的视觉功能曲线随着照度的升高而提高，在3 000 lx左右达到峰值，超过3 000 lx后，视觉功效反而下降。因此，教室工作面照度值的最高值设定为3 000 lx[12]。参考GB 50034《建筑照明设计标准》推荐的照度分级要求，将实验环境的照度值划分为500 lx、1 000 lx、1 500 lx、2 000 lx、2 500 lx和3 000 lx六种水平[13]。色温选取4 000 K、5 000 K和 6 500 K三种常用色温，每0.5 h监测一次学生的脑电信号，观察其变化趋势。

2)实验对象。通过对招募的大学生志愿者进行预实验，连续3天进行生理指标测试，筛选出结果稳定的10名志愿者，随机分为2组，轮流进行实验，每组测试后休息1天。

3)实验流程。通过实验室模拟教室照明环境，选用相同型号不同色温的LED灯管，通过改变灯管的数量和高度来改变工作面的照度，实现设定的光环境。志愿者每天下午两点开始实验，光照前测试一次脑电信号，然后开始自习，每0.5 h再测试一次。实验持续3 h，期间可以阅读和书写，不能使用手机、平板电脑等电子设备。

3 实验结果

3.1 色温对脑疲劳的影响

随着色温的提高，Rδ+θ值增加，表明受试者的脑疲劳程度越高，6 500 K色温引起脑疲劳的程度最高，而4 000 K最低；Rα值的变化趋势正好相反；Rβ值变化不明显，但5 000 K色温的Rβ值最高，说明此时被试者的精神兴奋性最高，脑疲劳程度适中(见图1)。学习效率的提高伴随着一定的脑疲劳和精神兴奋性提高和焦虑感，综合Rδ+θ值、Rβ值和Rα值的变化，发现5 000 K色温条件下，受试者的脑疲劳程度不高，但精神兴奋性最好。

图1 Rδ+θ值、Rα值和Rβ值随色温的变化趋势图Fig.1 Trend chart of Rδ+θ,Rα and Rβ value with color temperature

3.2 照度对脑疲劳的影响

随着照度的提高，Rδ+θ值先减小后增大，2 500 lx对应的Rδ+θ值最大，2 000 lx对应的Rδ+θ值最小，说明过高的照度更容易引起脑疲劳，且程度更深，在合理的照度范围内，脑疲劳的程度随着照度值的提高而减小。随着照度的增加，Rα值先增加后减小，1 500 lx对应的Ra值最大，3 000 lx对应的Rα值最小(见图2)；照度小于1 500 lx时，Rβ值基本稳定，变化不明显，超过1 500 lx后迅速增加，3 000 lx对应的Rβ值最高，1 500 lx对应的Rβ值最小，说明低于1 500 lx的范围内，受试者处于一种较为放松的学习状态。随着照度的提高(不超过1 500 lx)，学生的精神兴奋度变化不明显，照度超过1 500 lx后，学生的精神兴奋性受到刺激迅速提高，同时脑疲劳也开始增加。综合考虑脑疲劳程度和精神兴奋性，照度最佳水平为2 000 lx。

图2 Rδ+θ值、Rα值和Rβ值随照度的变化趋势图Fig.2 Trend chart of Rδ+θ,Rα and Rβ value with illumination

图3 Rδ+θ值、Rα值和Rβ值随光照时间的变化趋势图Fig.3 Trend chart of Rδ+θ,Rα and Rβ value with time

3.3 光照时间对脑疲劳的影响

随着光照时间的延长，Rδ+θ值逐渐增大，超过2.5 h后急剧增加，说明光照时间越久，脑疲劳程度越深，且逐渐加速。随着光照时间的增加，Rα值逐渐降低，光照前期缓慢变小，超过1.5 h后，Rα值迅速下降；Rβ值先增加后减小，光照2 h左右Rβ值最高(见图3)；综合Rα值和Rβ值的变化规律，说明光照时间在2 h内，受试者的精神兴奋性随光照时间的增加逐渐缓慢增高，超过2 h后，精神兴奋性降低，脑疲劳程度加深。综合考虑脑疲劳程度和精神兴奋性，最佳光照时间为1.5 h或2 h。

4 结论

随着色温的提高，被试者的脑疲劳程度增大，6 500 K色温下学生的脑疲劳最严重；5 000 K色温的精神兴奋性最高，脑疲劳程度适中。随着照度的增加，脑疲劳先减小后增大；过高的照度更容易引起脑疲劳，而且脑疲劳程度更深；在合理的照度范围内(不超过1 500 lx)，脑疲劳的程度随着照度值的提高而减小；综合考虑脑疲劳和精神兴奋性的要求，照度最佳水平为2 000 lx。随着光照时间的增加，受试者的脑疲劳程度越深；受试者的精神兴奋性随光照时间的增加逐渐增高，且增加速度较为缓慢；光照时间超过2 h后，精神兴奋性降低，脑疲劳程度加深。综合考虑脑疲劳程度和精神兴奋性的要求，最佳光照时间为1.5 h或2 h。当然，这仅是一个实验的结果，还不能说明这就是完整的科学结论，有关LED照明环境下脑疲劳的问题还有待进一步的研究。