人体健康评价方法在光环境研究中的适用度分析

2021-08-15侯丹丹郝洛西林燕丹

照明工程学报 2021年3期

侯丹丹，罗明，郝洛西，林燕丹

(1.复旦大学信息科学与工程学院光源与照明工程系，上海 200433；2.复旦大学电光源研究所，上海 200433；3.浙江大学光电科学与工程学院，杭州 310007；4.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200082)

引言

为了探究不同光环境对人体健康指标的影响，越来越多的研究者展开了相关的实验探索。常用的人体健康指标评价方法包括：主观量表法、绩效测试法、生理电测试法、生化指标测试法等。每一个人体健康指标都有多种方法能够对其进行评价。在前期的研究中，多个评价方法用于衡量同一个人体健康指标时，会出现一定的差异。Souman等[1]关于夜间白光光谱调制对于人体的研究中表明，通过调节光谱中的460～480 nm的蓝光含量，能够有效作用于褪黑激素的抑制率，进而影响节律相位和警觉程度。然而在主观嗜睡量表结果中，却未发现显著作用结果。Ru等[2]关于日间色温和光照强度对于警觉性和工作绩效的研究中，4种绩效测试方法在100 lx 和1 000 lx两个条件间的响应灵敏度不同，go/nogo测试和弗朗克测试结果表现出了显著差异，而神经运动警戒任务法和步进式视觉累加测试则未表现出显著差异。这表明，在人体健康评价方法选取过程中，需要从多个维度进行评估，进行有效筛选，以提高其适用性。其中，各种方法在不同的光环境下，能否产生有效响应(响应度)，以及方法的测试是否会影响或干扰光刺激精度(匹配度)是评估方法适用度的重要维度。

1 人体健康评价方法

光通过眼睛通道对人体健康的影响可分为两个部分。首先是通过视觉成像系统的光，它主要满足人们的视觉功能需求，使我们能够看到物体。但不恰当的照明条件会影响视觉功能、视觉舒适、导致视觉疲劳等，进而对健康产生负面影响[3]。第二个部分是光通过非视觉通道对人体昼夜节律、警觉性、认知行为、情绪等产生影响。

本文中，所选取的人体健康评价指标根据光通过视觉和非视觉神经通路作用于人体而产生的多维度响应，从视觉神经通路所影响的视觉绩效、视觉感受、视觉疲劳，以及非视觉神经通路所影响的注意力水平、警觉性、情绪和睡眠质量等维度进行方法溯源和梳理分析。

1.1 视觉绩效

视觉绩效是指包括视敏度和视觉信息处理能力。由于注意力水平对视觉绩效具有显著影响[2]，故视觉绩效测试也可作为评价注意力水平的间接方法。其中d2注意力测试法、神经运动警戒任务法、n-back测试法和持续绩效测试法、兰道尔环阅读测试法、步进式视觉累加测试法等在探究光环境影响的研究中广泛应用。

d2注意力测试法(d2 test of attention)是由Brickenkamp[4]和Zillmer等[5]设计的一种用于量化注意力水平的测试。该测试共14行，每行47个目标字符，要求被试划去上方和下方以任何顺序具有两个“|”标记的字母“d”。干扰因素为相似的目标刺激，如：具有两个标记的字母“p”或具有一个或三个标记的字母“d”。每行任务要求在20 s内完成，时间到后时在阅读到的字母后做标记。正确率、错误率和集中程度作为衡量视觉绩效的重要指标。

神经运动警戒任务法(psychomotor vigilance task, PVT)是由Dinges等[6]设计的一种量化持续注意力的测试。该任务通常由5～10 min的闪光刺激或目标刺激构成，刺激间隔为2～9 s，被试被要求在刺激出现时，立即按下按钮。刺激出现到按钮被按下之间的间隔被定义为反应时(RT)。任务中所有试次反应时的中位数被用于量化持续注意水平。

n-back测试法是由Kirchner等[7]设计的一种连续绩效任务测试法。测试由一系列的刺激组成，被试要求判断当前刺激与序列中前n个刺激是否一致。负载因子n可以根据实验所需的任务难度以及对象进行调整。在探究照明条件变化所带来的影响实验中，通常使用视觉刺激进行测试，刺激呈现的形式通常为数字，位置或颜色等。任务的正确率与反应时的平均值之比被用于量化由视觉刺激引发的记忆任务绩效。

持续绩效测试(Continuous Performance Test, CPT)是由Rosvold等[8]设计的一种评价视觉刺激的持续注意力测试法。测试要求当屏幕上显示除视标如：字母“ X”之外的任何字母时，都要求客户单击空格键。如果看到字母“ X”，则不能单击。任务完成的正确率、反应时、漏过率和错误率是量化视觉绩效的重要指标。

兰道尔环阅读测试(Landolt C Reading Test)是由Edmund Landolt和Weston等设计的一种用于探究视觉绩效受到环境作用影响的测试方法[9]。根据被试对于不同对比度或亮度的C环识读的正确性或反应时来量化视觉绩效。Landolt C被认为是视标中的“黄金标准”，并作为欧洲国家/地区视力测量的标准视标(EN ISO 8596)。

步进式视觉累加测试(Paced Visual Serial Addition Test, PVSAT)是由Nagels等[10]和Fos等[11]设计的一种基于计算机程序的神经心理学测试，用于测试视觉信息的处理能力和持续响应速度。测试要求被试将屏幕上出现的数字与上一个出现的数字相加，并将两者之和输入在相应对话框中。测试结果的正确率和平均反应时被用于量化视觉刺激下的短时记忆任务绩效。

1.2 视觉感受

视觉感受指视觉通道的成像信息对人体主观感受的影响，包括对视觉偏好、舒适度、满意度等的影响。以下是几种用于评价光环境对视觉感受影响的方法。

马里兰视觉舒适量表(Maryland Visual Comfort Scale, MVCS)是由Seagull等[12]设计的一种评价主观视觉舒适度的量表。量表由七个评价维度组成，包括：对比度、细节、亮度、照明均匀性、焦点均匀性、颜色以及清晰度。量表采用6级和10级的李克特量表进行评级。

办公室照明调查问卷(Modified Office Lighting Survey, OLS) 是由Boyce等设计的一种评价办公室照明环境的问卷。该问卷涵盖了对人工照明环境复杂因素的多维度评价，包括：外观、舒适度、照度、明暗区域的亮度比、光幕反射、不舒适眩光等多个方面，以获取用户对办公室照明环境的接受程度。该问卷内容丰富，评价维度较为全面，是评价办公室照明环境视觉感受的重要工具。

沃格尔氛围感知问卷(Vogels’s Atmosphere Questionnaire, VAQ)是由Vogels等[13]开发的一种用于量化环境氛围的问卷。问卷从四个基本维度对环境氛围进行评价，分别为：舒适度、生动感、紧迫感和超脱感。问卷由38个描述氛围的词汇组成，被广泛应用于照明或图像显示领域的氛围感知评价中。其部分条目的中文版本也被广泛应用于相关研究中[14-16]。

室内亮度舒适度问卷(Indoor Luminance Comfort Questionnaire， ILCQ)是由Peng等[17]设计的一种用于调查住宅内主观亮度舒适度的问卷。问卷由五个部分组成，分别针对个人基础信息、房屋环境信息、日光采光满意度、行为习惯调查和照明环境整体满意度展开调查。问卷结合了实际室内环境中日光和人工照明的共同作用，并根据人体的行为特征，对整体的亮度舒适度进行评价。该问卷不仅可以用于视觉舒适度的量化研究，也为后续结合用户个体特征进行深度信息挖掘提供了可能性。

1.3 视觉疲劳

视觉疲劳是由不恰当的周围环境或密集型视觉作业任务共同引起的睫状肌、外眼肌劳损。进而导致眼睛不适、酸痛等症状。以下是几种在光环境研究中常用的视觉疲劳评价方法。

临界闪光融合频率法(critical fusion frequency, CFF)是利用CFF指标的变化客观衡量视觉疲劳的一种方法。临界闪光融合频率和主观量表都是描述视觉疲劳的有效工具[18]。CFF的下降代表着视网膜活性的下降，进而导致对于闪烁的分辨能力下降，因此可以用于视觉作业前后的CFF差值被广泛用于评价视疲劳的程度[19]。CFF值可通过闪光融合频率计进行测量，测试使用调节测试法，最终使用3次递增阈值和递减阈值的均值作为CFF值。

霍伊尔视觉疲劳问卷(Heuer’s Subjective Visual Fatigue Scalre, VFS)是由Heuer等[20]设计的一种评价主观视疲劳的问卷。问卷由6个问题组成，分别为“(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。”对于每一个问题，被试需要根据当前的感受对每一个问题进行个评分。6个问题的总分被作为评价视觉疲劳的量化结果。

视觉疲劳量表(Visual Fatigue Questionnaire，VFQ)是由Kuze等[21]设计的一种评价主观视觉疲劳程度的问卷。量表分为5个因素，分别是眼疲劳、全身不适、恶心、聚焦困难和头痛，由24个描述疲劳状态的词语组成。对于每一个描述，被试需要根据当前的感受对每一个问题进行个评分，评分使用7级的李克特量表。

1.4 警觉性

警觉性是指人体在危险或紧急情况下，快速响应和行动的能力或状态。警觉性会受到心理和生理状态的影响。主要的评价方法包括：生理电测试法、生化指标采集法和主观调查问卷法。

脑电图(Electroencephalography, EEG)是一种记录大脑电活动的电生理监测方法。脑电图能够关联与嗜睡相关的多种模式。其不同频段功率分布的特征能够客观描述人体的困倦程度，进而表征人体的警觉性。如前额叶的β波与专注程度有关，能够表征信息加工的强度。而后枕叶部分的α波则与嗜睡程度有关，困倦程度越高，α波占比越高。

褪黑激素测试法是指通过测试人体内褪黑激素水平，间接分析人体昼夜节律和警觉性的一种方法。褪黑激素是人体昼夜节律的重要标志物[22]。褪黑激素的分泌受视交叉上核中的节律起搏器和眼部光照的共同调节，在个体生理节律的夜间浓度达到高峰[23]。由于警觉性也收到视交叉上核的调控，在褪黑激素水平较高的夜间，警觉性相对较低，而在褪黑激素水平很低的日间，警觉性较高。因此，褪黑激素浓度可以间接反映警觉性的水平和嗜睡程度[24]。

卡罗琳斯卡嗜睡量表(Karolinska Sleepiness Scale, KSS)是由Akerstedt等[25]设计的一种评价主观嗜睡程度的方法。被试需要根据当前的感受进行评分，量表采用9级评分法，1分表示“极度警觉”，9分表示“非常困倦、极力想保持清醒并在和困倦做斗争。”量表结果被验证与脑电图(EEG)α和θ波段的活动以及眼电图(EOG)等生理电特征具有良好的个体内关联性[26,27]，因此被广泛应用于评价嗜睡程度和警觉性。

斯坦福睡意量表(Stanford Sleepiness Scale, SSS)是由Hoddes等[28]设计的用于评价主观嗜睡程度的方法。被试需要根据当前的感受进行评分，量表采用7级评分法，1分表示“感觉有活力、生机、警觉、清醒”，7分表示“总在幻想、快速入睡、放弃保持清醒。” 该方法目前被广泛应用于睡眠障碍和睡眠剥夺的影响的研究[29]。

爱普沃思嗜睡量表(Epworth Sleepiness Scale, ESS)是由Johns等[30]设计的用于评价主观嗜睡程度的量表。要求被试根据自己在日常生活中经常遇到的八种不同场景下打瞌睡或睡着的几率进行了评级，量表采用4级评分法，0分表示“从不打瞌睡”，3分表示“很容易打瞌睡”。ESS总分被证明能够显著区分正常受试者和不同诊断组的患者，包括阻塞性睡眠呼吸暂停综合征、嗜睡症和特发性嗜睡症。且ESS评分与在多次睡眠潜伏期测试和夜间多导睡眠描记中测量的睡眠潜伏期显著相关[30]。

1.5 情绪

情绪是由神经生理变化引起的一种心理体验，这些变化与思想、感觉和行为有关[31]。评价情绪的主要方法有主观量表法、生理电测量法等。

心率变异性测试法(Heart Rate Variability, HRV)是通过测量心率随时间变化的指标，进而对自律神经系统功能进行无创客观评估的方法[32]。而自主神经系统又是支撑人体生存、繁殖、社会参与和情绪调节能力的重要部分[33]。较高的静息态HRV水平意味着个体能够表现出适当的情绪反应，进而抑制负面情绪。此外，HRV与情绪识别任务的表现成正相关[34]。因此，HRV是一种间接衡量情绪和情绪调节能力的重要方法。

自我评估人体模型(Self-Assessment Manikin, SAM)是由Lang等[35]设计的一种图形化的测量情绪的工具。评价愉悦的SAM图形从快乐，微笑的图形到皱眉，不快乐的图形。在评价唤醒的维度上，SAM的表现从兴奋、睁大眼睛到放松、困倦。每个l量表的中点用来表示既不开心也不不开心(即中性)或者既不平静也不激动。在评定情感场景时，山姆对快乐和唤起的评分与使用相对较长和更耗时的语义差异量表得出的快乐和唤起的因子分析分数相当[36]。

PAD情绪状态模型(Pleasure-Arousal-Dominance Emotional-State Model, PAD)是由Mehrabian等[37]设计开发的一种用于描述和测量情绪状态的心理学模型。其由愉悦、兴奋和主导三个维度组成。其最初是在环境心理学理论中使用，用于衡量物理环境对于人体情绪的影响[38]。

情绪状态概况量表(Profile of Mood States, POMS)是由Mcnair等[39]设计的用于评估6个不同的情绪领域的量表，分别是疲劳-惰性，愤怒-敌意，活力-活跃，困惑-困惑，抑郁-沮丧，紧张-焦虑。量表由65个描绘情绪的词汇组成，量表的结果由6个情绪子成分分别计分，然后相加得到总的情绪得分，各子成分的得分和总的情绪得分均可用于进一步的分析。该量表已被推荐用于评估短暂治疗/干预或评估一段时间的情感变化[40]。

正负性情绪量表(Positive and Negative Affect Schedule,PANAS)是由Watson等[41]设计的一种用于评价人体主观正向和负向情绪的量表。量表由20个描述不同情感的词汇组成，其中10个词汇用于描述积极情感(PA)，10个词汇用于描述消极情感(NA)。要求被试根据自己当前的感受进行评分，量表采用5级评分法。PA和NA的结果根据对应的描述分别进行分数计算，且两个维度的结果具有独立性。该方法被广泛应用于积极情绪和消极情绪的评价研究中，且可用于评价多个时间尺度的情绪，如：当下、今天、过去的几天、过去的一年等。

1.6 睡眠质量

睡眠质量与人体健康之间具有较强的关联性[42]，是光环境对人体产生影响的重要维度。在探讨光对于睡眠的影响方面，有以下几种常用方法。

多导睡眠监测法(Polysomnography, PSG)是一种基于多参数测量的睡眠研究和诊断工具[42]。其测试结果被称为多导睡眠图。多导睡眠监测是一项覆盖整个睡眠过程的睡眠研究，同时由有资格的技术人员进行连续监控，是对睡眠过程中发生的生物生理变化的全面记录，包括脑活动(EEG)、眼运动(EOG)、肌肉活动(EMG)和心脏节律(ECG)、呼吸节律等。通过对多导睡眠图的分析，能够推断出很多与睡眠直接相关的信息，例如睡眠开始潜伏期，REM睡眠开始潜伏期，睡眠期间的唤醒次数等。以及一些间接相关的信息，例如运动、呼吸、心血管参数[43]。

匹兹堡睡眠质量指数(Pittsburgh Sleep Quality Index, PSQI)是由Buysse等[44]设计的一种评估过去一个月睡眠质量自我评估问卷。问卷由17个独立的问题组成，分为7个评价维度，分别为：睡眠质量、睡眠潜伏期、睡眠持续时间、睡眠效率、睡眠干扰、睡眠药物的使用和日间功能障碍。7个评价维度的分数的总和为总的PSQI分数，分数越高，表示睡眠质量越差。5分是区分睡眠质量良好和睡眠质量不良的阈值。PSQI的临床特性表明其在精神病学临床实践和研究活动中均有应用价值。

睡眠质量问卷(Sleep Quality Questionnaire, SQQ)是由Kato[45]编制的一种用于评价主观睡眠质量的工具，其适用于健康人群。问卷包括10个问题，其中4个问题用于评估睡眠困难，6个问题用于评估日间嗜睡。被试需要根据过去一个月自己的睡眠及日间嗜睡状况对每个问题进行评分，量表采用5级李克特量表评分法。总分越高表示睡眠质量越差。此外，睡眠质量问卷结果被证明与幸福感相关，例如总体健康状况、抑郁症状、慢性疲劳和生活质量。

失眠投诉与睡眠质量基本量表(Basic Scale on Insomnia complaints and Quality of Sleep, BaSIQS)是由Gomes等[46]设计的一种用于评估失眠状态和主观睡眠质量的问卷。问卷包括对睡眠过程困难程度的评价，以及对睡眠质量的主观评估。对于不同睡眠质量的人群具有较好的区分程度。

格罗宁根睡眠质量量表(Groningen Sleep Quality Scale, GSQS)是由Meulen等[47]开发的一种用于测量睡眠质量的工具。该量表能够对于每天的睡眠质量进行评价。由14个描述睡眠质量的问题组成。分数越高表示睡眠质量越差。

2 评价方法应用于光环境研究的响应灵敏度

本章节对28种人体健康评价方法在光环境研究中的应用进行了调研，获得了各个方法在研究中的响应灵敏度数据，即该方法是否能在研究所设置的条件之间表现出显著差异。为了对方法的响应度进行分类归纳总结，光环境变量被归纳为光强、光谱和光分布三个特征变量类型。各方法的应用引文献来源，所涉及的变量类型，以及具体的条件参数和方法指标及其结果的显著性，如表1～表6所示。

表1 视觉绩效评价方法应用于照明环境中的响应灵敏度

表2 视觉舒适评价方法应用于照明环境中的响应灵敏度Table 2 Response sensitivity of visual comfort evaluation method applied in lighting environment

表3 视觉疲劳评价方法应用于照明环境中的响应灵敏度Table 3 Response sensitivity of visual fatigue evaluation method applied in lighting environment

表4 警觉度评价方法应用于照明环境中的响应灵敏度Table 4 Response sensitivity of alertness evaluation method applied in lighting environment

表5 情绪评价方法应用于照明环境中的响应灵敏度Table 5 Response sensitivity of emotion evaluation method applied in lighting environment

表6 睡眠质量评价方法应用于照明环境中的响应灵敏度Table 6 Response sensitivity of sleep quality evaluation method applied in lighting environment

3 光健康评价方法的适用度分析

人体健康评价方法在光环境研究中的适用程度一方面取决于其是否能够对所设置的光条件产生灵敏的响应，另一方面，方法的使用和操作过程中是否存在对实验光条件的干扰或限制也十分重要。如：部分视觉绩效测试方法借助电脑或显示设备完成，增加了光环境的复杂性，引入了光干扰；以及褪黑激素测试法，在节律有关指标(褪黑激素开启时间：DLMO)的测试过程中需要在黑暗的环境中进行。这些方法使用中的要求，存在与光环境研究之间的匹配程度。因此，光健康评价方法的适用度评价应包含方法的响应度和匹配度两个部分。

此外，为了细分方法在不同类型光环境变量中的响应程度。方法的响应度被分为光强、光谱、光分布三类特征变量类型进行分析。根据第2节中各方法在研究中的数据结果，方法的响应度根据变量特征分为三类评价，评价标准为：

•A级：在适当的组别之间进行测试，均存在显著差异。

•B级：若组别之间有显著差异，但在不同组别间的结果具有争议。

•C级：若组别之间均无显著差异。

方法在光环境研究中匹配度，根据1.1～1.6节中对方法的描述及其对光条件的干扰程度进行评价。评价标准为：

•A级：方法所需的材料和设备与光环境之间无任何冲突，不影响光环境的准确性。

•B级：方法的使用会对光环境产生一定的影响，但对实验结果的影响可控。

•C级：方法的使用极大的干扰光环境的剂量，对实验结果影响较大且无法避免。

根据方法的响应度和匹配度，可获得各类方法的适用度评价结果如表7所示。

表7 方法适用度的评价结果

如表7所示，每个方法在不同响应维度和匹配度中的评级不同，方法评级中A级越多，表示该方法在光环境研究中的适用度越好。例如：视觉绩效评价方法中，Landolt C阅读测试法得到了四个A级评价，则其在光环境研究中的视觉绩效评价方面具有最佳的适用度。同样得到四个A级评价的方法有：视觉舒适-OLS、VAQ，视觉疲劳-CFF等。在具体的研究中，研究方法的选择应结合所探究光环境参数所属类型的响应度和匹配度的结果共同分析。例如，当实验变量为光照强度时，方法的强度响应和匹配度应被重点关注，选取两者评级较高的方法则具有较高的适用性。