符合自然光周期的动态照明对心理健康和认知表现的影响研究

孙玉卿，高美凤，杨 彪

(哈尔滨工业大学(深圳)建筑学院，广东 深圳 518055)

引言

人类大约90%的时间是在室内度过的[1, 2],建筑环境的健康性直接关系到人的身体健康，世界卫生组织(WHO)将引起病态建筑综合症的建筑称为“病态建筑(sick building)”[3]。为了消除“病态建筑”带给人的不良影响，避免不健康的因素，以健康为导向的建筑环境设计尤为重要。另外，人从外界所获得的信息90%以上是来自视觉，照明环境是人工建筑物理环境中不可缺少的重要组成部分。有数据统计在工业化国家，估计有75%的劳动力从事轮班和夜班工作[4]，而暴露在夜间的人造光中会破坏生物钟系统，从而对人体健康造成伤害。因此在建筑空间中，良好的光环境设计不仅要能满足人的基本视觉功能需求，还应该塑造出与空间使用者行为需求和身心健康相匹配的环境[5]。在“健康中国”战略的研究背景下，照明环境已经成为健康建筑研究的重要组成部分。国家科技部于2017年立项启动国家重点研发计划“面向健康照明的光生物机理及应用研究”,将全面推动以人为本的健康照明发展，为“光与健康”的试点示范应用提供科学依据[6]。本文首先梳理了健康照明的发展演变，同时基于现有研究成果建立健康照明的评价指标，通过实验研究讨论符合自然光周期的动态照明对心理健康和认知表现的影响，推进健康建筑的研究与实践。

1 健康照明的基础研究和发展演变

最初的健康光环境研究主要围绕阳光的疗愈力，通过辩证分析自然光与人体健康的关系，从而筛选出有利于健康的光环境因素来应用于照明领域。伴随着非视觉生物效应的发现，健康照明开始从以视觉通道为代表的静态光转向以非视觉通道为代表的动态光研究，并且开启了符合自然光周期的动态照明研究的新领域(图1)。

图1 健康照明研究的发展演变Fig.1 Development and evolution of health lighting research

1.1 自然光的疗愈力

自然光的疗愈力主要表现在生理健康和心理健康两个方面。生理方面主要以阳光的杀菌作用和促进维生素D的合成等作用为主，心理方面主要强调自然光带给人的积极情绪。丹麦医生Finsen发现了紫外线对微生物的影响，并开创性地应用于治疗肺结核，于1903年被授予诺贝尔医学奖[7]。在青霉素没有发现之前，阳光疗法是西方针对感染性疾病的主要治疗手段。西方护理专业的创始人南丁格尔在《护理札记》中也强调了保证充足的阳光和日晒的重要性。阳光的疗愈研究开始集中应用于医疗建筑领域[8]，即如何通过设计手段，增加采光面积以使患者亲近自然，从而获得更多的天然光[9]。现代主义建筑大师阿尔托于1933年设计建成的帕米欧疗养院，在设计之初就充分考虑建筑室内的采光，保证了在使用中有充足的自然光射入量。德州农工大学Ulrich(1984)[10]从对某医院病人术后康复状况的随机对照实验后发现，可以观察到窗外自然景观的病人比对照组中只能看见砖墙的病人康复效果更好，这是建筑学者首次采用循证设计的方法证明了自然光环境有利于人的健康。由此可见，依靠自然光的获得量来保障使用者的身心健康将成为建成环境最重要的指标之一[11]，应发掘自然光环境设计在健康建筑领域的发展潜力。

1.2 静态照明与人体健康

自从1879年爱迪生发明了白炽灯[12]，静态照明开始被广泛应用于各种场景。光环境对人体的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[13]，主要包括照明的治疗作用和情绪调节作用。治疗研究主要围绕光的辐射影响，例如紫外线的消毒杀菌、净化空气、高胆红素血症、皮肤病、肿瘤、免疫系统的治疗[14]，并开发了一系列的照明灯具用于特定的医疗建筑。情绪调节主要用于治疗抑郁、倦怠、季节性情绪失调、精神疾病等多种心理问题[15]。光环境对情绪的影响可分为季节性障碍症[16]、非季节性障碍症[17]和其他情绪障碍，包括经前期综合症、产前产后抑郁症[18]和成年人注意力不集中症[19]。照明研究与应用正在从视觉作用拓展到情绪调节的治愈作用[6]。同济大学郝洛西团队从情绪调节方面研究了医疗建筑光环境对医患关系满意度的影响[20]。重庆大学杨春宇团队[21]从学生学习效率方面研究了教育建筑光环境。Willoughby[22]从人的主观舒适度方面研究住宅建筑光环境与人体健康的关系。综上所述，针对不同建筑类型的健康照明，已经有了一定的研究基础。

1.3 动态照明与生理健康

2002年美国布朗大学的Berson[23]发现了第三类感光细胞ipRGC，采光照明研究开始由视觉通路转向非视觉通路，即光进入人眼会影响褪黑素等激素的分泌，并影响与情绪健康和生理节律调节等相关的身体机能，从而产生视觉效应以外的生理效应，主要体现在使用动态照明调节因季节和作息调整造成的生物紊乱和睡眠问题[24]。例如，在适当的时间接受适当强度和时长的动态照明刺激，可以缓解阿尔茨海默症患者的睡眠问题[25]，还可以帮助早产儿尽早形成正常的昼夜生理节律以促进其健康成长发育[26]。van Bommel[27]认为良好的照明环境对健康、警觉性甚至睡眠质量都有积极的影响。这些研究结果将赋予以非视觉为代表的动态照明研究和设计工作新的规则和意义。因为非视觉效应的发现，有关睡眠和人体节律的研究开始大量出现，针对非视觉生物效应的动态照明与人体生理健康的关系成为研究热点。

1.4 符合自然光周期的动态照明与心理健康

符合自然光周期的动态照明是指根据自然环境中日光的周期变化，来人工模拟出和日光变化趋势相同的动态照明形式，目的是营造健康舒适的照明环境。文献[28]中指出自然界存在各种各样的生物节奏，正是通过光线的调节作用，才使人体内在的生物钟系统适应24 h的节拍。例如在农耕时代我们的祖先日出而作，日落而息。长期来看人们早已适应自然环境下日光的周期性变化，并且根据自然光周期变化调节自身的节律系统与之相适应。Begemann等[29]对身处办公建筑标准窗口区的日间工作人群进行了长期的观察和研究，结果发现大多数人更喜欢遵循日光周期的光环境而不是恒定的光环境。室内照明通常是静态的，而自然光线由于天气和太阳位置的变化而全天变化，与静态照明环境相比，这种符合自然光周期的动态照明更能匹配工作环境。符合自然光周期的动态照明对人的影响不仅体现在对人体觉醒度和情绪健康的积极影响上[30]，还体现在降低因工作时段改变带来的负面影响上，如上午时段符合自然光周期变化的动态照明可以缓解早班女工焦虑、抑郁情绪，并且在冬季能提高生产率[31]。

2 健康照明的评价体系

2.1 健康照明评价标准分析

健康建筑的研究由来已久，但缺少针对健康照明的设计标准。美国Well建筑标准中有关光的部分主要是提倡人接触光，旨在营造最利于视觉、心理和生理健康的光环境，其目标是提供一个健康的照明环境，以减少昼夜节律中断，改善睡眠质量，并积极影响情绪和生产力[32]。T/ASC 02—2016《健康建筑评价标准》也强调了光环境有助于人们保持健康的生理和心理状态。现有的健康建筑评价标准虽然有涉及健康照明对人体生理和心理健康的相关条例，但没有精准的指导，还有待系统的补充研究。另外现有的健康建筑评价标准主要是从光环境的物理参数来衡量照明环境的优劣，缺少从人体健康的角度来进行综合评价。健康照明是集光生物安全、视觉舒适性和生理、心理健康为一体的综合指标，而人达到健康状态是一个过程的变化量[33]，所以对健康照明的评价标准不能单从光环境的物理量数值来判断，还需要考虑主观评价和客观测量数据的有效结合。

2.2 人体健康评价方法综述

现有的研究中，评价方法主要分为主观评价和客观测量指标两大类(表1)。主观评价的判定主要以心理量表和语义形容词等形式的自我报告为主，其中包含情绪、舒适度、警觉度、疲劳度、认知能力等高级功能的评估和测量。不同的心理状态对应不同类型的问卷，例如评估警觉度的卡罗林斯卡嗜睡量表(KSS)，用于评估疲劳程度的《疲劳症状自评量表》，用于评估睡眠质量的匹兹堡睡眠指数(PSQI)，用于评估情绪状态的焦虑自评量表(SAS)、抑郁自评量表(SDS)、布鲁奈尔心境量表(BRUMS-C)等[34]。客观评价指标主要包括人体生理和生化参数的监测。生理参数包括体温、心率、血压等，生化参数包括褪黑素、皮质醇等人体激素含量。还有操作较为复杂的瞳孔大小改变量测量[35]和生物电信号的监测。此外，还有视觉任务绩效的方法，从高级神经功能和心理状态的角度来反应不同实验光环境下的工作效率进而反应健康水平。以上评价方法均可用于健康照明实验的评价。

表1 人体健康的评价方法Table 1 Evaluation method of human health

3 动态照明实验

综上所述，照明环境的设计对人的身心健康有很大的影响作用。目前学术界对动态照明影响人体生理健康的研究已经较为系统全面，但针对符合自然光周期的动态照明对心理健康的影响仅有少量相关研究，且未在建筑光学层面进行严格的实验设计。因此，本文将在实验室条件下探究符合自然光周期的动态照明对心理健康和认知表现的影响，进一步挖掘动态照明的设计潜力，创造符合健康需求的人工光环境。

3.1 实验设置

本项实验于2019年11月中旬至2020年1月中旬在建筑光学实验室内搭建视觉场景和动态照明环境。该实验室内部封闭无窗户，能有效防止其他光源的干扰。实验室内部温度控制在22～24 ℃，湿度控制在40%～70%。照明灯具采用高亮度LED智能太阳光谱模拟灯设备，此设备可以实现色温2 700～10 000 K实时调控，距光源垂直1.5 m处水平照度从0～8 000 lx实时变化。

为了消除外界太阳光对人体的前置干扰因素，故将实验开始时间设定在日出前半小时，日落后半小时。实验室地点在中国深圳，根据深圳市气象局发布的日出日落时间，最终确定本次实验的时间段为6：30—7：30，晚上17：30—18：30。本实验选取在校学生共计24名被试者，其中男女各12人，年龄分布均在18～28岁范围之内，均无眼部疾病且身心健康。

本研究旨在人工模拟符合自然光周期变化的动态照明，实验中采用2(照明场景：动态上升vs动态下降)×2(时间：早上vs晚上)的混合设计，所有被试者均需要参加4次实验，包括两次早上时段和两次晚上时段的实验，如图2所示。其中动态上升模式照明变化时长为30 min，色温从2 700 K线性提升到10 000 K，照度从100 lx线性提升到8 000 lx；动态下降照明变化与动态上升照明模式完全相反。早上动态上升和晚上动态下降的光为符合自然光周期的动态照明，早上动态下降和晚上动态上升的光为不符合自然光周期的动态照明。

为了排除前一次实验对后一次实验的影响，以及排除被试者的疲劳效应和练习效应，每次实验结束后被试者需要至少休息一天再来参加下次实验。每个时段只允许一名被试者进行实验，实验过程中被试者在实验区保持稳定状态，实验照明场景如图3所示。

图2 实验照明模式和实验流程Fig.2 Lighting patterns and processes

图3 实验照明场景图Fig.3 Experimental scenes under the dynamic lighting

3.2 实验数据采集

本实验需要采集的数据主要包括主观评价数据、生理指标参数和任务绩效数据三部分。主观评价使用了布鲁奈尔心境量表(BRUMS-C)[36]，使用李克特五点式的计分方式用来测量被试者在实验当下的瞬时心理状态，其中0为完全没有，4为非常多。该量表由23个条目构成，包括六个维度(愤怒、困惑、抑郁、疲惫、紧张和活力)。

生理指标参数包括血压、脉搏、体温和心率。血压脉搏数据使用腕式血压计测量，体温数据使用非接触式体温计测量，心率数据采用智能手环监测。以上生理指标测量仪器均操作简单，测量迅速，且读数直观。由于实验主要考察同一实验者在实验过程中各项生理指标的变化情况，因而也可以排除仪器误差。视觉认知任务根据心理学研究常用的方法，选择字母消除任务[37](Letter Cancellation Tasks)这种具有代表性的测试任务，要求受试者在40×50大写字母矩阵内，尽可能快而准确地搜索并划掉指定字母。通过统计分析被试者完成任务所花费的时间、完成速度、错误率和脑力工作指数(IMC)的结果，来判断不同照明环境对被试者工作效率的影响。

3.3 实验流程设计

实验流程如图2标注所示。单次实验的总时长为1 h，并实验开始前30 min将照明LED开启以保持光环境处于稳定状态。在实验正式开始后，被试者首先需要进行10 min的光环境适应，在此期间实验员向被试者讲解实验内容和实验流程，介绍主观问卷填写须知和正确佩戴生理数据测量仪器的方法。在实验开始后第10 min时，开始填写主观评价问卷，测量和记录生理指标数据，随后每隔10 min再次重复此前的操作，共收集5次测量数据。在实验开始后的第15 min时，开始进行字母消除任务，随后每隔10 min再次重复此前的操作，共收集4次测量数据。

4 实验结果与分析

24名被试者经历4种不同的实验条件，共收集到有效数据96份。每份数据包含实验过程中收集的5次主观量表数据和4次任务绩效数据。24名被试共计480份问卷数据，采用excel和SPSS软件处理和分析统计以上实验的数据。比较4次实验结果的平均值如图4所示，发现早上动态上升的光照减少了愤怒(P=0.005)和抑郁(P=0.009)，但对困惑、紧张、疲劳和活力值没有显著影响。晚上动态下降的照明可缓解愤怒(P=0.048)，而晚上动态上升的照明对活力有显著提升影响(P=0.002),说明晚上不符合自然光周期的动态照明会使人更加活跃，不符合人类“日出而作，日落而息”的自然规律。四个实验的两两配对检验结果如表2所示。

图4 四种实验的布鲁奈尔量表数据Fig.4 The data of BRUMS-C under four experimental patterns

表2 四种实验照明条件情绪数据的配对检验结果Table 2 Paired test results of BRUMS-C data under 4 experimental patterns

符合自然光周期的动态照明包括早上上升和晚上下降模式，不符合自然光周期的动态照明包括早上下降和晚上上升模式。将两组数据进行均值计算得到图5所示的结果，发现符合自然光周期的动态照明能减少愤怒(P=0.003)和抑郁(P=0.045)，不符合自然光周期的动态照明能让人更加活跃(P=0.018)。同时，将被试者的生理指标数据进行平均值计算并进行配对样本t检验，发现不同的实验条件对血压、脉搏变化率没有显著影响,但在晚上符合自然光周期的动态照明条件下,心率变化率较低,说明在此条件下受试者的情绪越稳定，如图6所示。

对比了被试者完成字母消除任务的时间、速度、错误率和脑力指数，发现数据结果没有显著差异，因此在这里不过多介绍。可能由于人的心理活动复杂多样，认知任务的难易和复杂程度都会影响结果的准确性[38]。

图5 不同照明模式对主观心境的影响Fig.5 The data of BRUMS-C with the Daylight cycle

图6 不同照明模式对生理指标变化率的影响Fig.6 Change rate of physiological parameters in different patterns

5 结论与展望

本研究首先梳理了健康照明的基础研究和发展演变，通过挖掘光环境与人体健康的影响关系，分析出现有研究中，对动态照明影响生理健康的研究已经较为系统，但缺少有关动态照明对心理健康的研究。其次，以现有的健康照明评价标准和人体健康评价方法为基础，提出了综合主观评价、视觉任务绩效和生理参数指标的健康照明评价方法。最后，本研究确定从建筑光学层面进行了严格的实验设计，针对符合自然光周期的动态照明、心理状态和认知表现的影响开展实验研究。研究发现，符合自然光周期的动态照明能减少愤怒和抑郁情绪。晚上动态上升的照明对活力有显著提升影响,说明晚上不符合自然光周期的动态照明会使人更加活跃，但是不符合人类“日出而作，日落而息”的自然规律，很可能导致晚上过度兴奋而影响正常的休息和睡眠。

本研究的结果体现了符合自然光周期的动态照明对心理状态的影响作用。研究成果可以应用于建筑内的等候区域，以缓解使用者的愤怒和抑郁情绪。另外，为了创造夜晚良好的休息环境，应尽量避免亮度过高的照明环境。目前，针对符合自然光周期的动态照明研究还需要跨学科的支撑，如何将这种特殊的照明形式应用于室内环境还需要进一步的研究。未来将进一步探究最能满足人类身心健康需求的动态照明峰值变化区间和影响机制，为健康建筑发展提供新的思路和设计策略。