光與健康的研究動態(tài)與應用展望

郝洛西，曹亦瀟，崔 哲，曾 堃，邵戎鏑

(1.同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院，上海 200092； 2.高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室，上海 200092)

光與健康的研究動態(tài)與應用展望

郝洛西1 2，曹亦瀟1，崔 哲1 2，曾 堃1，邵戎鏑1

(1.同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院，上海 200092； 2.高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室，上海 200092)

隨著照明科技的發(fā)展，光照環(huán)境的研究與應用已經(jīng)從視覺功效拓展到情緒、睡眠、認知、節(jié)律等多個方面，光與健康成為了未來照明領域發(fā)展的新方向。本文回顧了光與健康的研究歷程，分析了人因健康照明的各個要素，總結了光生物安全和光的療愈作用，提出了光與健康研究、設計與應用的未來方向，展望了光與健康的前沿科技以及循證設計的必要性，對目前光與健康領域進行了全方位的綜述。

光；健康；人因照明；循證設計

引言

跨越一個世紀的前后兩項諾貝爾生理學及醫(yī)學獎與近來照明領域的研究熱點——光健康有關，2017年頒發(fā)給三位美國科學家Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash和Michael W. Young，他們因發(fā)現(xiàn)了“控制晝夜節(jié)律的分子機制”獲此殊榮。而丹麥醫(yī)生Niels Ryberg Finsen由于在應用光輻射療法治療皮膚病方面的開創(chuàng)性貢獻，早在1903年就成為該獎的獲得者。今天人類所掌握和使用的科學技術，以驚人的速度改變著人類的生活方式，人們對電腦、智能設備的過度依賴，城市無節(jié)制的景觀照明(不僅是光污染問題)，對人眼的光照損傷，對地球生命體生物鐘的破壞，使得人們面臨惡性疾患的風險提升，均引發(fā)了國內(nèi)外光與視覺領域對人類健康的高度關注。自科學家發(fā)現(xiàn)人類第三類感光細胞(神經(jīng)節(jié)細胞ipRGC)和新光源LED用于通用照明以來，半導體照明對人體生理節(jié)律和生物效應的影響，成為當今學術界和產(chǎn)業(yè)界共同關心的熱點問題，也是人居環(huán)境光健康設計與應用亟待突破的理論科學問題。人工照明的生物機制異常復雜，但大量的研究成果表明受光生物節(jié)律效應影響的褪黑激素和皮質醇，與人體的警覺性、注意力、興奮、嗜睡、疲勞度等高度相關。國家科技部于2017年立項啟動的國家重點研發(fā)計劃 “面向健康照明的光生物機理及應用研究”，以全鏈條跨學科的組織模式，期望通過開展半導體照明對人體健康的影響機制研究，為“光與健康”的試點示范應用提供科學依據(jù)。可以預見，不論是以住宅、教育設施、辦公、酒店為代表的人居環(huán)境，還是醫(yī)院和養(yǎng)老設施，抑或是以極地、深海、宇航及國防為代表的極端環(huán)境，光與照明作為環(huán)境中的積極要素，其健康效用和潛力不容小覷。健康照明將從視覺作用拓展到情緒調(diào)節(jié)、節(jié)律修復等更加廣泛的“光的療愈和治療”。

1 人因健康照明的發(fā)展

人因工程學研究人與機器、環(huán)境間各要素相互作用，使人-機-環(huán)境系統(tǒng)與人的需求、能力、行為模式更加兼容以提高工作效能、保障人類健康、安全與舒適[1]。作為解剖學、生理學、心理學、工程學等多專業(yè)的交叉應用學科，人因工學研究是互聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療、建筑、航天、航空、核電等諸多產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新的前沿陣地[2-3]。在照明領域，國內(nèi)外研究者在人因設計方面也進行了大量研究與實踐。Peter R. Boyce一直以來致力于光環(huán)境如何引起人們的行為、感知、生理、心理反應等關于人與照明相互作用的問題研究，發(fā)表了諸多有關視覺功能與年齡、電腦屏幕對視力的影響、視覺舒適、高效低環(huán)境成本照明解決方案的論著[4-5]。Jeffrey Y. Tsao等人(2010)[6]探討了LED固態(tài)光源發(fā)展的人因要素，闡述了LED合成白光光源的發(fā)光效率、色溫、顯色性、波長、光譜線寬等參數(shù)對人視覺反應帶來的影響。近年來，隨著LED照明及智能控制技術的高速發(fā)展和光健康理念的不斷更新與完善，人因照明研究方向逐步從對人能力和極限的可用性研究擴展到全面關注人生理和情緒的各項需求的健康性研究，研究應用領域逐步從工業(yè)產(chǎn)品設計擴展到人居環(huán)境建設中的方方面面。在歐洲，人因照明系統(tǒng)的應用已在醫(yī)院及其他醫(yī)療保健機構占據(jù)一席之地，同時逐漸被引入辦公場所[7]。歐洲照明協(xié)會正積極推動支持人因照明相關政策和法規(guī)的形成，并于2016年發(fā)布了“2025年戰(zhàn)略路線圖”，提出加強照明與能源基礎設施、建筑管理系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)間的相互關聯(lián)，以共同實現(xiàn)“以人為本”的照明發(fā)展目標，并使其成為歐洲照明市場增長的驅動力[8]。臺灣工研院組建了LED人因照明實驗室，開展了提高工作績效之LED智慧人因照明研究、夜間健康居家照明的高值化LED人因照明研究等科研項目，并發(fā)布了LED室內(nèi)人因照明系統(tǒng)與Android體感遙控系統(tǒng) (2012) 、復合人因智能光環(huán)境系統(tǒng)(2017)等應用產(chǎn)品?？梢?，人因照明在居住、辦公、教育、老年護理等各類人居空間有十分顯著的積極作用和研究價值，并具有極佳的經(jīng)濟前景，未來必將成為引領健康照明的新趨勢。

1.1 人因照明的構成要素

視覺-視覺作業(yè)-光環(huán)境間的相互作用和影響是人因照明研究的核心內(nèi)容[9](圖1)。人眼是感知外界環(huán)境最主要的器官，視覺引起和影響著閱讀、工作、娛樂休息等絕大多數(shù)人體活動，與人們的工作效率、安全、舒適、生理和情緒健康等密切相關[10]。視覺方面人因照明關注于視力(視敏度)、視野(周邊視力)、視角、自然視線、視距、色覺等人眼視生理功能[11-12]。視覺作業(yè)的特點諸如視覺作業(yè)對象的大小、形狀、色彩、位置、視覺作業(yè)面與背景環(huán)境的色彩與亮度、作業(yè)強度、作業(yè)持續(xù)時間等決定了光環(huán)境需求，指導設計參數(shù)的選定和設計策略的制定。視覺光環(huán)境設計則分為視覺環(huán)境、視覺舒適、視覺功效三個部分。亮度、光色影響人對視覺環(huán)境的感受，工作面照度水平、眩光控制和光方向是決定視覺功效的重要因素，顯色性、光強則是光環(huán)境視覺舒適度的客觀評判標準[13]。值得特別注意的是，通常被提及的一般性顯色指數(shù)Ra僅選取了8種常見顏色顯色指數(shù)的平均值來表征照明光源顯色性，未包括評價光源對紅色復現(xiàn)質量的特殊顯色指數(shù)R9。然而這一指數(shù)對于呈現(xiàn)人體毛細血管、皮膚、器官、鮮花、水果、肉類色彩具有重要作用，手術、檢驗等醫(yī)療技術操作更對此有著嚴格的要求。因此醫(yī)院、超市、電視演播空間的光環(huán)境設計應對此項指數(shù)應予以特別關注?！督】到ㄖu價標準》于2017年1月6日起實施，特別指出室內(nèi)人員長時間停留場所一般照明光源的特殊顯色指數(shù)R9應大于0。這一標準還就墻面和頂棚的光分布狀況、照明頻閃比、光源色容差、室內(nèi)自然光采光系數(shù)等與人體舒適度有關的光環(huán)境設計參數(shù)提出了要求[14]。此外， 2014年由美國Delos公司頒布的WELL建筑標準，作為首個專門研究人類健康和福祉的建筑標準，將醫(yī)學和科學研究融入設計和施工領域實踐指導，規(guī)定光線為七大建筑性能設定衡量標準之一。針對視覺照明設計、節(jié)律照明設計、燈具眩光控制、日光眩光控制、低眩光工作站設計、色彩質量、表面設計、自動化遮陽和調(diào)光控制、采光權、日光建模、自然采光開窗這十一個方面提出了光環(huán)境建設指南，旨在盡量減少人工光對身體晝夜節(jié)律系統(tǒng)的干擾，提高工作效率，幫助獲得良好的睡眠質量，并根據(jù)人活動場所的需要提供合適視敏度[15]。

圖1 人因照明系統(tǒng)構成關系Fig.1 Framework of Human Factors in Lighting

視覺健康也是照明產(chǎn)品和系統(tǒng)設計中極為重要的人因要素，光照的強度、時間、方式、部位，光譜構成對眼視光系統(tǒng)、眼底功能、腦力認知產(chǎn)生影響，與人的工作狀態(tài)、身體機能運轉、生理和心理方面的舒適度密切相關[16]。2016年全球首份視覺健康國別報告《國民視覺健康》發(fā)布，其中數(shù)據(jù)顯示截至2012年我國5歲以上人口中，約有5億左右各類視力缺陷患者，其中近視患病人數(shù)為4.5億左右。若無有效的政策干預，到2020年，我國5歲以上人口的近視患病率將增長到51%左右，患病人口將達7億之多。目前近視低齡化，老年視力缺陷患病年齡提前，視覺健康已成重大國民公共衛(wèi)生問題，人們逐漸重視照明光源產(chǎn)品的健康性與安全性[17]。 國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標準化委員會(CSAS)(2016)[18]將視覺健康舒適度指數(shù)(VICO)納入LED照明產(chǎn)品的評價指標當中，這項指數(shù)基于眼視光學和主觀認知，獨立于色溫、顯色指數(shù)等光學參數(shù)，從人眼視功能的角度出發(fā)，探討LED照明產(chǎn)品對人眼視功能的影響，以量化照明產(chǎn)品提供的光環(huán)境對人眼視覺舒適度的影響程度。蔡建奇等人(2014)[19-20]長期致力于基于亞洲人眼的視功能特點的不同光參數(shù)下照明產(chǎn)品和顯示屏的視覺舒適度的人因評測及產(chǎn)業(yè)化研發(fā)工作，建立了LED對人眼的視覺功能(疲勞)、人眼眼底的細胞及組織、視覺認知和腦力負荷三個方面影響的視覺舒適度客觀評價模型、光損傷評價模型及視覺-腦力負荷關聯(lián)機制模型，并提出相應客觀量化的評價指標體系；飛利浦照明(2017)[21]在全球范圍內(nèi)對來自中國、捷克、法國、德國等11個不同國家的8 000名成年人開展了“高品質LED照明舒緩眼疲勞”的調(diào)查研究，并將提供無可視頻閃的高品質照明作為照明產(chǎn)品研發(fā)最重要的考量點，并針對照明頻閃問題，提出“舒適度”指標，制定了具體的評價體系。

1.2 基于不同人群視覺特點的人因健康照明

目前人們已對人眼視覺發(fā)育及衰退的全過程有了較清晰和深入的了解。胎兒六周時視神經(jīng)開始“鋪路”發(fā)育，6個月時可感受外界光線強度的變化。嬰兒出生時，人眼的結構已經(jīng)成形，但完善視覺功能還需依靠外界豐富的視覺刺激，完成復雜的視覺功能發(fā)育[22]。嬰兒時期(出生至1周歲)為視力 “可塑期”，若視線被遮住，視覺將無法繼續(xù)發(fā)育，視覺神經(jīng)系統(tǒng)將處于停滯狀態(tài)[23-24]。2～5歲階段，人眼視覺發(fā)育最為旺盛。此階段極易發(fā)生視力喪失，是視力保護的關鍵期。5～6歲時，兒童各項眼部生理功能形成并趨于穩(wěn)固，進入成人的視覺。嬰幼兒階段是視力發(fā)展和保護的最為關鍵時期，不良光環(huán)境的刺激，將對他們視覺健康造成不可逆的負面影響；視覺刺激的缺失將導致無法形成完整的視覺功能；此外，兒童節(jié)律紊亂、睡眠不足引起全身植物神經(jīng)功能紊亂導致眼睫狀肌調(diào)節(jié)功能紊亂是近視眼形成的病理基礎之一。也有研究指出持續(xù)性高強度光照，會減少腦垂體中松果體褪黑激素的分泌，進而給嬰幼兒的生長發(fā)育造成不利影響[25]。因此，嬰幼兒空間光環(huán)境設計應同時著重視力保護、視覺豐富度和生物節(jié)律調(diào)節(jié)三個方面。

10～15歲視力分野直到20～25歲時人眼視覺趨于穩(wěn)定，近視是這一階段青少年面臨的主要問題。在我國青少年近視患病率高達60%～70%，視力不良率達到84.72%，在這一比例連年攀升的情況下，教室、起居室等青少年活動空間的視覺光健康及光環(huán)境對學習效率的影響是目前研究者關注重點。GovénT、LaikeT等人(2010)[26]對不同照度條件下小學生閱讀速度進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn) 500 lx 照度的光環(huán)境下其閱讀速度、作文和算術方面的成績均好于300lx 標準照度照明環(huán)境。嚴永紅、關楊等人(2010)[27]研究了教室照明光源、照度與學生工作績效、視/腦疲勞的關聯(lián)性，并建立效率-疲勞模型，以了解何種光環(huán)境造成視疲勞程度低，更有利于提高學習效率。結果顯示4 000K 左右的中等色溫熒光燈適合作為主光源，而6 500K 色溫則不宜被用作教室照明。

視覺發(fā)育穩(wěn)定以后，隨著年齡的增長，眼球結構發(fā)生改變，如角膜直徑變小呈扁平趨勢、瞳孔直徑變小、睫狀肌老化、晶狀體硬化、視網(wǎng)膜功能衰退等，致使各項視生理功能退化，例如視覺敏感性降低、光變化適應能力減弱、色彩辨識能力變差、對眩光敏感、景深感減弱等[28-29]。40歲以后視覺開始老化，老年期(65歲以后)人體各項生理機能的全面退行性變化，黃斑變性、白內(nèi)障等年齡相關性眼疾發(fā)病概率增加，更加速了視功能的衰退[30]。提高室內(nèi)照度、考慮照度均勻度、控制眩光、增加對比度、提高光源顯色性、簡單易識別的照明控制方式及控制界面等，是適老型空間光環(huán)境的特殊需求[31-32]。國際照明委員會(CIE)(2017)[33]新發(fā)布的技術報告分析了照明環(huán)境對視覺功能(如視敏度、對比敏感度、顏色視覺等)的影響，給出了老年人和低視力人群住宅等室內(nèi)環(huán)境的照明設計方法。在室內(nèi)照明的光照水平、光譜、光分布、光照的頻率和持續(xù)時間的選擇上，考慮了光的非視覺效應對老年人晝夜節(jié)律系統(tǒng)和睡眠質量的影響。

特殊生理狀態(tài)下人體其他系統(tǒng)機能運轉的變化也會引起視覺功能的改變。例如孕產(chǎn)婦妊娠、分娩過程中體力和精力的消耗，體內(nèi)激素分泌量的改變引發(fā)眼球結構的暫時改變，出現(xiàn)視物模糊、視力下降和復視等癥狀[34]。針對這些特殊生理狀態(tài)的光環(huán)境設計策略研究與實踐盡管尚未深入廣泛開展，但將成為未來人居健康光環(huán)境研究的重要發(fā)展方向。

1.3 人因健康照明的應用

我們根據(jù)人、空間與環(huán)境的關系，將研究對象分為居住、辦公、酒店、學校、醫(yī)院、養(yǎng)老院為代表的一般環(huán)境，航空器、艦船、礦井、地下建筑等的特殊環(huán)境，以及深空、深海、極地等非一般和更加特殊條件下的極端環(huán)境三類。通過深入了解環(huán)境中影響人體健康的因素，綜合應用光“視覺-生理-心理”的多維健康療愈效應，全面改善人對環(huán)境的感知及身心健康狀態(tài)，是各類環(huán)境中光健康理論研究及落地應用的主體路線。

一般環(huán)境的光健康研究主要關注于光環(huán)境對人學習、工作、娛樂、休憩、睡眠等日?；顒拥挠绊懸约皩ぷ餍?、舒適度、心理感受的提升。這一方面的研究較為深入和廣泛，實驗手段也相對綜合多樣。例如郝洛西課題組(2012)[35]搭建了真實尺度的起居室模擬實驗室，通過主觀評價實驗從人因工學角度探討了中國人對起居室光照環(huán)境中色溫、光源及顯色性的視覺偏好，總結了適合中國人的起居室照明設計策略。Smolders等(2012)[36]搭建的試驗間，以200 lx和1 000 lx的眼部照度為變量，結合腦電和心率的客觀生理數(shù)據(jù)分析，得出眼部照度和警覺度之間正相關。原林(2017)[37]利用便攜式腦電儀對老年人臥室照明環(huán)境對老年人起夜后再次入睡影響進行了研究分析，得出了低照度間接照明環(huán)境可以有效保持老年人的困倦感，而高色溫照明光源和復雜的開關控制不利于再次入睡的結論。

醫(yī)養(yǎng)空間的光健康近年來的研究重點主要在于光的療愈效應，利用視覺功能、生理調(diào)節(jié)、情緒干預三種效應，針對使用人群行為、生理、心理特點調(diào)節(jié)其晝夜節(jié)律，對其心理情緒起進行積極有效的干預。提高醫(yī)護人員視覺作業(yè)的準確度和效率，優(yōu)化醫(yī)療服務流程，使病人和老年人得到更好照護。Philips and Wavecare科技公司與Nordsjllands醫(yī)院合作，進行了“Sensory Birthing Rooms”未來分娩室的實踐，通過舒緩的音樂、變化的彩色光照明和發(fā)光紡織面板的定制影像，營造平靜舒適的氣氛，幫助產(chǎn)婦在分娩時轉移疼痛注意力。Hadi K等人(2016)[38]于網(wǎng)絡上發(fā)放了有關護士站、病床旁邊等5處需要視覺作業(yè)地點的光環(huán)境現(xiàn)狀和需求研究問卷，并進行了由8名被試參與的同質空間模擬實驗，探討光環(huán)境與護士工作表現(xiàn)和滿意度之間的關聯(lián)，結果顯示合理的光環(huán)境設計可有效提升護士工作滿意度及對環(huán)境的評價，對光環(huán)境的控制程度(照明開關和調(diào)光)與滿意度關聯(lián)較緊密。同濟大學崔哲利用虛擬現(xiàn)實技術搭建模擬場景，在上海市第三福利院進行了建筑光環(huán)境對阿爾茨海默病患者視覺及節(jié)律調(diào)節(jié)作用的實驗研究，并探討了老年人對照明方式和色彩的偏好。美國康奈爾醫(yī)學院人類生物鐘實驗室(2015)[39]的研究認為，對于經(jīng)常失眠的老年人，晚上臨睡前置身于強光的照明環(huán)境中，會減緩失眠癥，提高睡眠效率，并且白天這些老年人邏輯推理、視覺辨認能力較大進步。

在航空器、艦船、礦井、地下建筑等特殊人居空間，光環(huán)境的主要作用除了提供高質量的功能照明以外，還在于消解視覺環(huán)境單一、空間密閉、高溫寒冷、電磁輻射、高空高速、低壓缺氧等環(huán)境不利因素對人帶來的負面影響，提高人對環(huán)境的適應性。Winzen J等人(2014)[40]搭建了類機艙環(huán)境模擬實驗室，招募了59名被試，選取各三種不同色調(diào)的黃藍色光照場景進行了光色與人對機艙溫度感知的對比試驗，結果顯示，光色可對人體冷暖感受產(chǎn)生影響，藍光讓人感覺比實際溫度更為涼爽，且能幫人提高警覺度。黃光可產(chǎn)生溫暖的感受。在不同光色條件下人對亮度的感受并沒有差異。美國船級社(2016)[41]提出了艦船適居性的概念，船艙照明應利于船員執(zhí)行視覺任務和艙內(nèi)活動，為船員提供安全健康的環(huán)境。根據(jù)生活、工作和娛樂不同的功能區(qū)域及艦船檢查、膳食準備、機械維修等活動的視覺需求，詳細規(guī)定了適合的照度，更為夜間需要從艦船艙內(nèi)前往艙外黑暗環(huán)境作業(yè)的人員考慮了有助于暗適應調(diào)節(jié)的紅光或低照度白光照明。林燕丹團隊(2016)[42-43]就民機駕駛艙光環(huán)境和視覺功效展開了一系列研究。針對夜間飛行眩光問題，其團隊研究了眩光源亮度、眩光源立體角、背景亮度3個變量對于飛行員反應時間的影響，以及眩光源表面亮度、顯示器視標亮度兩個變量對于顯示器視標識別績效的影響，為飛行器駕駛艙和飛機場照明的防眩光設計提供了理論依據(jù)。

極端環(huán)境主要特征是非常態(tài)性，極端環(huán)境下作業(yè)人員(如宇航員、深海作業(yè)人員、極地科考隊員)不僅要適應真空、失重、作業(yè)環(huán)境復雜、極晝極夜等惡劣的物理環(huán)境，還要面對枯燥、焦慮、社會支持匱乏的社會環(huán)境。他們所承受的壓力、生理疲勞、認知負荷、情緒不穩(wěn)定性往往高于其他環(huán)境下的從業(yè)人員，極易出現(xiàn)生理、情緒及行為問題，主要表現(xiàn)為：持續(xù)作業(yè)引發(fā)的疲勞、困倦和失眠等生理反應，封閉環(huán)境誘發(fā)的基本情緒和認知功能下降，以及社會性心理機能的減退[44]。因此，極端環(huán)境下的光環(huán)境研究關注極端環(huán)境給人造成的不利影響，保證任務的順利完成。美國國家航空航天局(NASA)、哈佛大學、杰弗遜大學的人因工學、航空醫(yī)學等領域從業(yè)人員及宇航辦公室成員、電視轉播工作人員組成的多學科專家小組(2012)[45]，修訂了國際空間站的室內(nèi)照明要求，他們主張空間站照明應滿足促進任務實行、電視轉播、生理節(jié)律調(diào)節(jié)三方面要求。新的LED空間站照明系統(tǒng)旨在為宇航員提供視覺刺激以及改善睡眠和晝夜節(jié)律。CR Young等人(2015)[46]通過對29名青年男性被試分別采用13 500 K和 4 000 K高色溫和標準色溫光源進行光照刺激實驗，結果顯示高色溫照明結合節(jié)律照明實行24小時周期潛艇作息制，艇員可獲得更好的作業(yè)表現(xiàn)和睡眠質量。中國長城站越冬隊員因長期處于南極惡劣氣候和隔離環(huán)境中，在越冬后期出現(xiàn)較多情緒波動、注意力不集中的現(xiàn)象[47]，同濟大學郝洛西教授課題組通過節(jié)律調(diào)節(jié)與情緒干預模塊化燈具，對長城站的生活棟進行了照明改造。

各類環(huán)境空間光健康的研究與實踐雖各有側重，但均以人的需求為導向，綜合運用光的“視覺-生理-心理”三方面效應，營造更有益于人健康和福祉的空間環(huán)境，仍是人因健康光環(huán)境設計應用的共同原則與最終目標。

2 光的療愈作用

2.1 光與情緒

光照通過視覺通路與非視覺通路作用于視網(wǎng)膜，對人體影響表現(xiàn)出多樣性與復雜性，不僅產(chǎn)生視覺現(xiàn)象，還對情緒和行為產(chǎn)生影響[48]。

Izso等人(2009)[49]比對了低色溫低照度(2 700 K，100 lx)和中高色溫高照度(4 000 K，1 300 lx)的光照環(huán)境，結果表明低色溫低照度的光照環(huán)境更能讓人情緒放松。Byounghee Son等人(2009)研發(fā)和試制了可識別人體生理指標的智能情感照明系統(tǒng)，可通過分析生理指標評估使用者情緒，進而調(diào)節(jié)光照環(huán)境[50]。IM Iskra-Golec等人(2012)對30名白領女性工作者分成兩組進行了實驗研究，結果顯示高色溫的光照環(huán)境可以提高工作效率，而低色溫的光照環(huán)境更符合情感需求[51]。居家奇(2011)通過心理物理學、實驗心理學的相關理論設計實驗，研究了光譜和光照強度對生理參數(shù)改變的影響，分析了心率、體溫、血壓、視亮度等實驗參數(shù)的變化情況，得到了定量的變化關系[52]。Wan等人(2012)[53]研究了光照色彩、動態(tài)照明對于氛圍感知、生理放松的影響作用，結果表明緩慢變化的橙色光照環(huán)境能夠創(chuàng)造輕松、舒適的氛圍。Nancy T. Hatfield(2013)基于多年的臨床護理經(jīng)驗提出，柔和的暗光環(huán)境可幫助產(chǎn)婦緩解緊張，獲得更好的分娩結果[54]。Figueiro等人(2015)[55]針對阿爾茨海默病患者及護理人員進行了持續(xù)11周的光照實驗，結果顯示實驗設置的照明條件有效提高了睡眠效率，緩解了抑郁情緒。同濟大學郝洛西教授課題組[56]與上海市第十人民醫(yī)院心血管內(nèi)科共同開展了針對CICU 空間的光照情感效應初步研究，在心導管手術室設計安裝了“醫(yī)用光照情感效應媒體界面”(Health Emotional Media Interface, HEMI)，并在上海長征醫(yī)院骨科手術室、新余市人民醫(yī)院產(chǎn)科病房、廈門蓮花醫(yī)院婦產(chǎn)科和南寧開元埌東醫(yī)院進行了健康照明應用實踐的拓展。

2.2 光與節(jié)律

隨著2002 年美國學者David Berson等[57]發(fā)現(xiàn)了第三種感光細胞(神經(jīng)結細胞)，人們開始認識到光對節(jié)律的影響機制。2005年，YasuKouchi等人[58]的研究指出，來源于視網(wǎng)膜的光信號傳播至大腦皮層時有兩條主要通路：一條是形成影像視覺功能的神經(jīng)通路，經(jīng)過內(nèi)膝狀體(IGL)聯(lián)結視覺皮層；另一條是負責傳送非視覺信息的神經(jīng)通路,經(jīng)過視交叉上核(SCN)聯(lián)結松果體。傳遞非視覺信息的通路，不僅與內(nèi)分泌、生物節(jié)律相關，也與情緒及大腦覺醒水平相關，具有光照生物效應。Van Bommel等人(2006)[59]針對照明的非視覺生物效應、健康照明及實際意義等問題進行了研究。眾多研究也表明，光照生物效應能控制人的晝夜節(jié)律，影響人眼瞳孔大小，從而對身體健康與工作效率產(chǎn)生影響[60]。

黃海靜、嚴永紅(2008)通過學生瞳孔變化及反應時間，研究了教室光照參數(shù)對大學生心理、生理健康和學習效率的影響[61]。HUBALEK等(2010)[62]對23名被試進行了為期7天的跟蹤調(diào)研，采用穿戴式探測裝置記錄受試眼部照度以及獲得的藍光輻射量，結果顯示日間進入眼部的光照數(shù)量，對當天晚間的睡眠質量產(chǎn)生顯著的促進作用。Martinez-Nicolas等(2011)[63]通過現(xiàn)場研究揭示出光照的持續(xù)時間與睡眠質量、皮膚溫度存在顯著關聯(lián)性。Vetter C等(2011)[64]使用富藍白光(8 000 K)與日光(4 000 K)作為光照刺激，持續(xù)記錄冬季辦公人員睡眠與活動表現(xiàn)。研究表明富含藍光的人工光刺激同樣能夠起到調(diào)整人體晝夜節(jié)律與睡眠質量的作用，提出了光的節(jié)律效應主要取決于光譜成分的理論。Figueiro和Rea(2014)[65]采用可穿戴設備持續(xù)記錄11名被試在夏冬兩季的受光量與睡眠情況，同時要求被試使用睡眠日志記錄入睡時間、睡眠質量、時長等相關信息。結果顯示夏季接受日光照射顯著高于冬季，同時夏季被試睡眠時長與睡眠質量均顯著高于冬季。Mohamed Boubekri等(2014)[66]對比有窗及無窗環(huán)境下職員的工作狀態(tài)與睡眠質量，發(fā)現(xiàn)有窗條件下職員有更好的睡眠質量和工作表現(xiàn)。同濟大學林怡(2016)開展了基于辦公室健康照明需求的光譜非視覺生物效應研究，探討了人工照明進行節(jié)律補償?shù)目尚行裕Y果顯示一定的高色溫、強光照明有利于在日間抑制褪黑色素分泌，提高覺醒度，進而利于人員工作效率和節(jié)律健康。同濟大學戴奇(2017)結合節(jié)律效應與視覺亮度體驗兩方面的室內(nèi)照明需求，提出二維參數(shù)化的健康照明設計方法及技術優(yōu)化方案。通過對多色混光LED光譜的調(diào)節(jié)和相應優(yōu)化，獲得不同的照明節(jié)律效應、視覺效應組合方案，以滿足不同的室內(nèi)照明應用需求。

2.3 自然光與療愈空間

大量研究表明，自然光可以對人類的節(jié)律、情緒，甚至信念、信仰產(chǎn)生影響。與此同時，自然光刺激也是調(diào)節(jié)生理節(jié)律的最強同步因子。然而，隨著人工光源的普及，人類在一天之中接觸自然光的時間反而逐漸減少。量化研究自然光對人體身心健康的作用，有助于我們深入探討健康光環(huán)境領域的相關工作。在自然光與健康空間設計領域，科研工作者從未間斷地進行著研究與探索。MBC Aries等人(2015)[67]，通過梳理PubMed及Scopus數(shù)據(jù)庫中的相關文獻，概述了自然光與人體健康之間的關系，試圖理清這兩者之間的脈絡。該研究指出：現(xiàn)階段雖然無法精確量化自然光對人體生理、心理方面的作用，但大量研究已經(jīng)證實自然光與人體健康具有一定的相關性?；谔囟ń】禇l件人群的研究可以建立自然光與人類身心健康之間的關聯(lián)性，并將其運用到建成環(huán)境設計之中。Laura Bellia等人的研究(2014)[68]針對位于意大利那不勒斯的辦公空間進行了自然光照實驗，希望充分量化辦公空間中自然光環(huán)境對工作人員晝夜節(jié)律的影響作用，其研究結果顯示被試瞳孔的入射光光譜分布、色溫與辦公室的空間特征(尺度、材料光譜反射率、外部障礙物等)以及氣象條件是相關的，自然光對被試晝夜節(jié)律的影響作用與CIE標準光源(D50、D55)相似。Kyle Konis等人的研究(2016)[69]基于不同地區(qū)的自然光照射模型及人體非視覺理論，通過搭建模擬框架，深入探討了自然光對人體晝夜節(jié)律的影響作用。

在過去的幾十年里，療愈環(huán)境逐漸深度介入到醫(yī)學領域，良好的空間氛圍可以影響到患者及醫(yī)護人員的身心健康；自然光、藝術品、色彩及聲音可以有效縮短治療進程，緩解醫(yī)療空間的緊張氛圍。TO Iyendo等人的研究(2014)[70]統(tǒng)計了50位患者及醫(yī)護人員對不同自然光環(huán)境下的滿意度，證明了充足的自然光刺激對患者的健康恢復狀況及醫(yī)護人員的工作滿意度均具有積極的影響。MM Shepley等人(2012)[71]從美國新罕布什爾州的重癥監(jiān)護室(ICU)中隨機挑選了110名住院患者(包括心臟疾病、肺炎和肺慢性阻塞性疾病)以及醫(yī)務人員，針對他們完成了自然光相關的實驗研究。研究結果顯示照度水平與疼痛感及住院時間呈現(xiàn)負相關，每個人的平均缺勤時間從原來的38小時減少到23小時(P≤0.05)，自然光對患者的疼痛程度、住院時間以及工作人員的失誤、缺勤率和空缺率呈現(xiàn)出不同程度的相關性。ML Amundadottir等人在他們的研究中(2016)[72]，運用3D模型探討了建筑空間中自然光對人類非視覺效應、視覺認知的影響作用，進而提出了適用于建筑設計的健康光環(huán)境設計方法及策略。

光與健康的作用包括視覺效應、情感效應、生物效應三方面。通過整合不同維度的光，才能創(chuàng)造健康光照環(huán)境。隨著光與情緒、光與節(jié)律研究的深入，光的療愈作用將成為未來光與健康研究的拓展新思路與發(fā)展新方向。

3 光生物安全

光生物安全主要研究光輻射對生物機體的影響。光輻射主要是指電磁波輻射中波長在100 nm的超紫外線與波長在1 mm的遠紅外線之間波段的光波輻射。因為200 nm以下的光波被大氣吸收，而在大于3 000 nm以外的遠紅外光譜光子能量較低可以被忽略，因此實際有意義的有效光輻射光譜被限定在200～3 000 nm之間。光生物安全與發(fā)光源的距離、照射時間、光源光譜、照射部位都有緊密的關系。光輻射到人體上會產(chǎn)生一定的光化學作用和熱作用。光輻射可能造成皮膚疾病如紅斑、皮膚癌及眼部疾病如紫外線白內(nèi)障、角膜結膜炎、角膜燒傷、紅外線白內(nèi)障、閃光盲、視網(wǎng)膜燒傷和損害、視網(wǎng)膜炎等的發(fā)生。

光照射皮膚時，一部分的入射光被反射，剩余的光透射進入表皮和真皮。短波光輻射如紫外輻射UV照射皮膚一方面會直接損傷DNA，導致皮膚曬傷，另一方面UV激發(fā)產(chǎn)生活躍的自由基攻擊DNA和其他細胞，如膠原蛋白，而膠原蛋白對皮膚彈性有重要影響，膠原蛋白損傷造成彈性組織變性從而最終引發(fā)皺紋和皮膚老化。皮膚在反復的紫外輻射下會產(chǎn)生防衛(wèi)機制，這將導致皮膚上層表皮增厚，以減少紫外輻射的穿透效應，并制造吸收紫外的黑色素，使色素沉淀造成皮膚變黑。長波光輻射如紅外光輻射IR，主要表現(xiàn)為熱輻射，熱輻射的風險目前常被忽視，因為通常人只有在感到疼痛時才會察覺到過量輻射，而實際在沒有痛感前細胞已受到損傷。

眼睛表面結構暴露在光下會引起與皮膚類似的反應。紫外線會造成角膜和結膜炎，引發(fā)雪盲癥，類似于皮膚曬傷，也可能造成紫外白內(nèi)障的發(fā)生。在紅外光譜區(qū)域，長時間高強度的照射會造成紅外白內(nèi)障的發(fā)生。由于晶狀體的透射特性，光輻射可穿過晶狀體引起視網(wǎng)膜損傷，其波長范圍主要是在300～1 400 nm，超過10 s的藍光危害會損傷感光細胞及引發(fā)黃斑變性等(見表1)。對于可見光范圍內(nèi)的強光照射，人體會有自然的防御機制，如眨眼、擺頭、縮小瞳孔以控制光線進入視網(wǎng)膜的光量等，以及眼睛快速掃視以避免視網(wǎng)膜被強光持續(xù)照射。虞建棟、牟同升等人的現(xiàn)場測試也證明了這一點[73]。

3.1 光生物安全的評價

涉及光輻射安全的國際標準化機構主要有國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)、國際照明委員會(CIE)和國際電工委員會(IEC)。國際照明委員會CIE有專門的機構對光生物安全進行研究，如專門研究光對人和生物健康影響的CIE D6，即CIE第六分部“光生物與光化學”與CIE TC2-73技術委員會，針對照明產(chǎn)品的光學輻射所造成的人體健康損傷，進行各種物理量的測量，并制訂相應國際技術規(guī)范。涉及對人體的短期和長期危害的各種相關輻射量進行研究[74]。

表1 眼部光輻射危害波長分布表

國際組織已出臺相應技術規(guī)范對燈和燈系統(tǒng)的光生物安全提出評估的技術要求，如國際照明委員會的CIE S009—2002[75]、北美照明學會的ANSI/IES RP27[76]以及國際電氣協(xié)會的IEC/EN 62471[77]、IEC/TR 62471-2—2009[78]和IEC/TR 62778—2012[79]等。IEC和IESNA標準將光源分為RG0(無危險級)、RG1(低風險)、RG2(中風險)和RG3(高風險)四個危險等級，太陽光在所有等級中是危險性最高的，而常規(guī)用戶用到的產(chǎn)品都是低風險等級的。

國內(nèi)參照CIE S009—2002標準出臺了GB/T 20145—2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》，以評估不同燈和燈系統(tǒng)相關的輻射危害， 2013年頒布了GB/T 30117《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性 第2部分：非激光光輻射安全相關的制造要求指南》對LED的光生物安全提出評價及制造要求。而GB/T 34034—2017《普通照明用LED產(chǎn)品光輻射安全要求》和GB/T 34075—2017《普通照明用LED產(chǎn)品光輻射安全測量方法》兩項國家標準將于2018年2月1日起實施，是對之前光生物安全評價標準的有效補充，以上標準在國內(nèi)都尚未列入強制評價規(guī)范。

光生物安全的評價方法各國學者還有爭議。目前在國際通用的測量光源光生物危害的方法分為兩種：一種是在照度達到500 lx的位置進行危害程度測量，適用于辦公空間、學校、住宅、工廠、道路、汽車等場所，另一種是在距離光源200 mm的位置進行測量，主要針對投影燈、曬黑燈、工業(yè)、醫(yī)療、探照燈等[80]。法國食品環(huán)境職業(yè)安全部的研究認為目前的評價標準也還存在缺陷，如未考慮在在整個壽命期內(nèi)暴露在藍光中的可能性；對于歸屬風險組的度量也存在一些含糊之處，500 lx標準被批評沒有恰當?shù)卮砟承┣闆r，根據(jù)500 lx的規(guī)定，任何白光光源低于500 lx都被認為是無危險的[81]。因此，在實際應用中既應針對不同的敏感人群，對相應評價標準采取不同級別的執(zhí)行措施，以保護使用者；同時針對光生物安全的評價標準仍需進一步研究以便彌補評價中的漏洞。

3.2 LED的光生物安全

LED由于其光效高、壽命長、方向性強以及環(huán)保無污染，在普通照明中得到廣泛應用。目前白光LED主要由藍光芯片激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生，其SPD曲線中藍光比例較高，有可能帶來潛在的藍光危害，對人體健康有一定影響。藍光危害是指光源的400～500 nm藍光波段亮度過高，眼睛長時間直視光源后可能引起視網(wǎng)膜的光化學損傷[82]。Algvere 等(2006)[83]和Behar-Cohen等(2011)[84]的研究表明藍光對視網(wǎng)膜有很大影響。Brainard等(2014)[85-86]的研究討論了高強度藍光會引發(fā)乳腺癌[87]。J. H. Oh(2015)[88]和 Tosini等(2016)[89]的研究表明，藍光危害會引起節(jié)律紊亂，影響人的心理健康。蔡建奇等(2016)通過實驗研究人視網(wǎng)膜上皮色素細胞(Retinal Pigmented Epithelial，RPE)和小鼠光感受器細胞在LED暴露狀態(tài)下，細胞活性存在下降，說明了光源的光化學損傷[90]。

目前國際上針對LED的光生物危害的研究沒有發(fā)現(xiàn)一般照明對人體有害。GLA(global lighting association)團隊在照度500lx下的測量研究發(fā)現(xiàn)，常用的LED與緊湊型熒光燈產(chǎn)品都不會測試到達RG2風險級——有可能產(chǎn)生風險的等級[91]。法國食品環(huán)境職業(yè)安全部(ANSES)2010年的研究發(fā)現(xiàn)，針對高光通量的不連續(xù)LED產(chǎn)品，在距離光源200 mm的位置進行測量，可達到無危險級(RG0)、低風險級(RG1)，對人體無害。美國能源部DOE的研究發(fā)現(xiàn)，在同樣色溫和光輸出下，LED并不比其他光源釋放更多的藍光能量。基于現(xiàn)有的研究，在同樣色溫和光輸出下白光LED照明產(chǎn)品不會造成藍光危害的風險增加。一般而言，色溫可作為各種光源類型短波長內(nèi)容的有效預測因子，特別是作為光學安全、材料降解和晝夜節(jié)律刺激的合理預測因子。提高色溫會相應提高藍光的比例。非白光LED產(chǎn)品對一些高風險人群如嬰兒、特定視覺敏感人群等的影響應專門進行評估。鄭建、牟同升等人(2016)[92]的實驗研究表明，為確保兒童使用LED光源時的光生物安全性，應基于兒童與成人群體的生理和心理行為特性差異來修正評價方法，建立專用于兒童的視網(wǎng)膜藍光危害光生物安全評價方法。法國食品環(huán)境職業(yè)安全部ANSES對LED光生物安全應用的建議：避免在兒童經(jīng)常出沒的地方(產(chǎn)房、托兒所、學校、休閑中心等)或者在他們使用的物品中(玩具、電子顯示屏、游戲機和操縱桿、夜燈等)使用發(fā)出冷白光(帶有強烈藍色成分的光)的光源；確保發(fā)光二極管的制造商和集成商對不同的風險群體進行質量控制，并對其產(chǎn)品進行合格鑒定；為消費者建立一個清晰易懂的標簽系統(tǒng)，并強制使用符合光生物安全風險類型的包裝[93]。

光生物安全是整個光與健康領域的基本問題。特別是產(chǎn)生光生物作用的人工照明，對人體的負面?zhèn)?，需要更多的基礎研究，定性定量加以明確，并在劑量和功效上加以區(qū)分。

4 光與健康的前沿科技

一直以來，不斷涌現(xiàn)的前沿技術是健康光環(huán)境設計與應用的有力支撐，例如：更靈敏的傳感器，更智能的控制技術及模式，更快速的可見光通訊，更精確的室內(nèi)定位等。近年來，隨著應用科學技術、互聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，新興應用技術層出不窮，僅傳感器方面，就包括紅外線(Infrared Ray, IR)傳感器、超聲波(Ultrasonic)傳感器、環(huán)境光(Ambient Light Sensor, ALS)傳感器、電荷耦合元件(Charge-coupled Device, CCD)等。各類傳感器被廣泛用于人居空間之中，例如紅外傳感器可以通過探測熱輻射分布來定位人體位置；超聲波傳感器則通過探測反射超聲波的多普勒位移來檢測物體的運動；環(huán)境光傳感器配合照明控制系統(tǒng)，則可以有效緩解建筑空間的能耗問題；CCD可以撲捉光環(huán)境中每個像素點的光照分布及光譜信息，極大地拓展了ALS的應用場景。健康光環(huán)境是一項針對具體用戶需求的應用領域，隨著環(huán)境光傳感技術方面的發(fā)展，我們可以高效地采集、分析、處理、控制光照環(huán)境，滿足特殊空間的健康光環(huán)境需求。同濟大學崔哲博士在進行適老空間光環(huán)境實驗時，設計制造了自然光模擬窗，通過室內(nèi)外感應器聯(lián)動及照明控制系統(tǒng)，獲得了有效調(diào)節(jié)老年人生理節(jié)律，緩解阿爾茨海默病患者臨床表現(xiàn)，改善被試人群睡眠質量的健康光環(huán)境參數(shù)。此類應用高度依賴控制系統(tǒng)完成，例如適應性光分布的控制模式(Adaptive Distributed Sensing and Control Methods)、照明系統(tǒng)控制技術(Adaptive Control Technology for Lighting Systems)等。這些先進的控制系統(tǒng)可以整合系統(tǒng)中傳感器數(shù)據(jù)、實時分析、精準控制網(wǎng)絡中的照明器件。控制系統(tǒng)的逐漸完善，可以給設計師提供更寬闊的設計空間，帶給用戶更智能的光環(huán)境體驗。為健康光環(huán)境的設計與部署、新概念和新模型的廣泛研究與探索，奠定了堅實的硬件基礎。

此外，光學技術的發(fā)展在照明領域以外也獲得了全方位的拓展。例如可見光通訊(Visible Light Communication, VLC)，通過控制LED，可搭建可見光覆蓋區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)通訊，最新的藍牙協(xié)議支持多對多數(shù)據(jù)互聯(lián)，將可見光通訊模塊及藍牙模塊嵌入到照明器件之中，僅通過替換光源，就可以完成精確室內(nèi)定位及數(shù)據(jù)互聯(lián)，有效擴大了無線數(shù)據(jù)通訊容量，極大地節(jié)省了場景搭建成本，給機器人定位控制、老年人位置信息跟蹤、信息實時收集組網(wǎng)等應用場景提供了廣闊的想象空間。新型照明技術(如LED、OLED以及激光等)的提升不僅能為建筑空間提供更舒適的健康光環(huán)境[94-95]，還能給圖像顯示技術帶來更大的提升，如：更舒適、更高清的3D顯示技術[96]，高臨場感、高真實感的虛擬現(xiàn)實顯示技術等。

5 光與健康的研究、設計與應用

5.1 光與健康的研究方法

健康照明領域的實驗研究一直以來主要采用問卷或量表的主觀評價方式來完成。隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學工程技術的發(fā)展，實現(xiàn)了多種非電信號向電信號的轉化，并利用電子科學技術實現(xiàn)生理信號的檢測和分析，光與健康的研究也有了更多的方法選擇(見表2)。Eerola 等(2013)[97]將對光與健康研究進行了綜述，總結了七種常用的實驗方法，其中適用于實驗室的實驗研究方法主要有自我報告和生理測量。生理測量主要包括自主神經(jīng)系統(tǒng)(ANS)信號、中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)信號。此外，行為測量(主要是面部表情識別)也是一種常用的健康照明實驗方法。

表2 健康照明實驗方法

1)自我報告。

自我報告采用量表或問卷的形式進行情緒的評估與測量，是光與健康既往實驗中最常見的方法。經(jīng)過長期大量實驗的發(fā)展，已經(jīng)有了多種形式的自陳測量工具，如SAM量表[98-99]、VAS量表[100]、PrEmo(Product Emotion Measurement)[101]、被試口頭報告等。此外，還有心理學、臨床醫(yī)學常用的焦慮自評量表(SAS)、抑郁自評量表(SDS)、漢密爾頓焦慮量表(HAMA)、漢密爾頓抑郁量表(HAMD)等，都是常用的自我報告測量工具。

Rikard Küller 等人(2006)對四個不同緯度的國家、共計988 名被試進行了主觀問卷。分析結果顯示，當照度提高并超過閾值(該閾值在文中無明確描述)時，照度與正面情緒呈現(xiàn)出負相關性[102]。Prabu Wardono等人(2012)通過數(shù)字情景模擬設置實驗場景，采用主觀問卷評價的方法，以光、色彩和裝飾為變量，針對被試的感知、情緒以及社交行為進行實驗研究。結果表明，光環(huán)境對使用者身體狀態(tài)的影響最為顯著[103]。Bernhofer EI等人(2013)對40位住院患者進行72小時的光照和睡眠喚醒，記錄他們的活動狀態(tài)與情緒狀態(tài)，并進行了相關的主觀疼痛評價。結果顯示，低光照水平下，疲勞和情緒障礙得分分數(shù)高；高光照暴露是否能降低疲勞與情緒障礙需要進一步研究[104]。

2)自主神經(jīng)系統(tǒng)(ANS)生理信號。

人類健康的變化伴隨著各種自主神經(jīng)系統(tǒng)的生理反應，如皮膚電阻、心率、血壓、心電圖、呼吸、肌電圖等。通過測量前述這些生理指標，可以評定身體狀態(tài)的變化，能更客觀的完成光與健康的實驗研究。隨著心理學研究的深入，ANS生理信號與身體狀態(tài)的量化關系也逐漸對應起來，也為其作為健康照明實驗方法提供了理論基礎與實踐意義。

蔡菁等(2010)使用皮膚電(GSR)信號在六種情感狀態(tài)識別研究中找到了六種情感與皮膚電信號特征的一種對應關系[105]。熊勰等(2011)進行了自主神經(jīng)生理信號的情緒識別研究，對心電、心率、脈搏、肌電、呼吸、皮膚電阻等都提取了原始特征，并綜合分析了其與情緒的聯(lián)系[106]。飛利浦研究中心(2011)設計了用于病房照明的照度、色溫控制系統(tǒng)，通過檢測心血管病患者住院期間的各項生理指標，旨在評估光照環(huán)境對此類患者康復狀況的影響。結果表明，基于時間變化的光照環(huán)境可以提高患者的正面情緒及滿意度，同時縮短入睡時間[107]。居家奇(2011)通過心理物理學、實驗心理學的相關理論設計實驗，研究了光譜和光照強度對生理參數(shù)改變的影響，分析了心率、體溫、血壓、視亮度等實驗參數(shù)的變化情況，得到了定量的變化關系[108]。

3)中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)生理信號。

隨著研究技術的不斷發(fā)展與革新，CNS的生理信號已經(jīng)能被讀取，CNS測量越來越多的被引入到光與健康相關的實驗研究中。CNS測量主要包括腦電圖(EEG)、事件相關電位(ERP)、功能性磁共振成像(fMRI)、正電子發(fā)射斷層掃描(PET)等。

國內(nèi)外光與健康的實驗研究中，普遍開始探索采用EEG作為研究手段，以獲得客觀的實驗結果。B Plitnick等(2010)探討了藍光與紅光對人夜間警覺性和睡眠狀態(tài)的影響，通過測量記錄被試的睡眠質量、大腦活動、警覺性等生理指標，分析評估被試的身體狀態(tài)，指出藍光和紅光都能提高被試腦電波中β波段的能量，從而抑制睡眠，同時對其警覺性產(chǎn)生影響[109]。Yu-Bin Shin等(2015)[110]研究了居住空間中照明方式對情緒和腦波活動的影響，在測量EEG的同時采用了 SAM和VAS量表，結果顯示直接-間接結合的照明方式更加受歡迎，而EEG中θ波的變化活動能有效的反映出不同光環(huán)境中的情緒狀態(tài)。

CNS測量中的其他生理信號及方法，由于發(fā)展較晚、技術較新，在光與健康的研究中尚未有太多的應用，但是在心理學實驗的探索中已經(jīng)逐步取得成果，可以期待未來健康照明研究中將引入更加前沿的生物技術。劉光亞(2006)通過ERP對抑郁癥患者的情緒圖片認知進行了研究，結果表明抑郁癥患者對情緒圖片刺激進行評價的反應模式與正常人有顯著的區(qū)別[111]。T.M.C. Lee等(2010)使用fMRI對情緒與說謊時的神經(jīng)關聯(lián)進行研究后發(fā)現(xiàn)，欺騙時的神經(jīng)活動與愉悅度有相關性[112]。Choy(2013)探討了通過聆聽帶有一定情緒的音樂，使述情障礙的患者根據(jù)情緒效價(快樂、悲傷)完成“音樂—音樂”和“音樂—詞語”的對應任務，通過ERP的數(shù)據(jù)分析來評估腦損傷患者的情緒[113]。

4)行為測量。

健康照明實驗研究中的行為測量主要包括面部表情識別、語音語調(diào)識別、肢體運動識別。光環(huán)境作為研究對象的實驗，因刺激因素往往不能引起語言行為和肢體運動，適用的行為測量方法主要是面部表情識別。Mauss等(2005)進行了面部表情與情緒狀態(tài)的關系研究，結果顯示二者有很強的相關性[114]。目前面部表情識別多采用圖像識別的方法來實現(xiàn)[115-116]，主要應用于計算機視覺的研究中，使人工智能讀取人類情緒狀態(tài)，建立人機互動[117]。

5.2 健康照明的循證設計

循證設計(Evidence Based Medicine，簡稱EBM)[118]是在循證醫(yī)學和環(huán)境心理學基礎上誕生的一種設計思想，強調(diào)用科學的研究方法和統(tǒng)計數(shù)據(jù)來證實建筑與環(huán)境對健康的實證效果和積極影響。循證設計源于循證醫(yī)學，它的核心價值是：基于客觀的科學研究證據(jù)，結合實踐經(jīng)驗，綜合使用者意向，提出實際問題的最優(yōu)解答[119]。美國健康設計中心將循證設計定義為：“基于可靠研究成果而制定的關于建筑環(huán)境的有據(jù)決策，以期達到最佳成果的設計過程”。

循證設計已經(jīng)成為目前研究成果向應用實踐轉化的重要手段。美國、加拿大以及英國已經(jīng)有超過50家大型醫(yī)療機構加入了醫(yī)院設計中心的“卵石項目計劃”，用循證設計的方法來指導醫(yī)療建設項目[120]。金鑫(2012)等人[118]運用循證設計的基本原理和方法，對北京朝陽醫(yī)院急診科調(diào)研結果進行分析，提出影響醫(yī)院急診科使用效率的內(nèi)容。格倫等人(2014)[121]基于循證設計理念，對全國20家綜合醫(yī)院的功能和空間使用情況展開深入調(diào)研并進行用后評價，為醫(yī)院護理單元的設計提供參考。Rainey(2015)[122]基于花園改善健康的各種理論，根據(jù)特定醫(yī)療機構的患者與醫(yī)護人員的需求來設計康復花園。

隨著光與健康研究的深入，設計師也獲得了越來越多的數(shù)據(jù)。目前已經(jīng)有眾多的案例，特別是在醫(yī)院空間及養(yǎng)老空間，基于循證設計的思想營造滿足人類健康需求的光環(huán)境。

名古屋第二赤十字病院的NICU[123](新生兒重癥監(jiān)護室)病房通過間接照明的方式，減少嬰兒臉部直射光線。根據(jù)實驗研究結果，在光色上選擇淺黃色中加入少許橙色，使嬰兒不易發(fā)怒煩躁，減少抑郁狀態(tài)，加快病情恢復。

德國柏林Charité醫(yī)院[124]的ICU病房在病床上設置了彎曲的發(fā)光天棚，與墻體無縫連接，通過設置模擬天空創(chuàng)造自然日光環(huán)境，覆蓋病人的視覺區(qū)域，提高病人康復速率，并在應用實踐中探索病人偏好的模擬天空及自然光環(huán)境特點及參數(shù)。

澳大利亞布里尼兒童醫(yī)院[126]利用可以安裝在任何表面的發(fā)光瓷磚生成實時動畫，設計了一面互動的LED墻體。兒童通過觸碰互動木墻，可以動態(tài)地改變室內(nèi)光環(huán)境，激發(fā)他們與周圍環(huán)境的互動，減少他們對醫(yī)院的陌生和恐懼之感，從而輕松愉快地接受治療。

6 結語

照明科技發(fā)展到今天，已經(jīng)不僅僅局限于點亮生活，照明研究與應用正在從視覺作用拓展到情緒調(diào)節(jié)、節(jié)律修復等光的療愈作用，當然一切效用應在光生物安全的基礎上。通過光與健康的研究、設計與應用提高生存質量與生活品質，成為未來照明領域發(fā)展的新趨勢。光與健康的研究，包括“視覺功效、生理需求、情緒調(diào)節(jié)”三個維度，我們的基礎研究應該對每個方面進行深入的探討，通過循證設計，作為健康照明設計的理論依據(jù)。隨著照明前沿技術的發(fā)展，光與健康的理念在未來應該不斷深入人類生活、工作、研究、探索乃至生存的方方面面，從人居空間到醫(yī)養(yǎng)空間，從特殊環(huán)境到極端環(huán)境，都可以通過光照環(huán)境的設計來滿足使用者的健康需求。健康照明的影響范疇，也可以從滿足視覺作業(yè)需求拓展到情緒調(diào)節(jié)、睡眠質量、環(huán)境認知、節(jié)律修復等多個方面，更廣泛地適應不同空間環(huán)境及滿足不同人群的身心需要。

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[123] http://www.illumni.co/2014-iald-award-winners-award-citation-hospitality-light-nicu-nagoya-daini-red-cross-hospital-lightdesign-inc/.

[124] https://www.stylepark.com/en/news/healing-light-less-medication.

[125] http://www.largeluminoussurfaces.com/content/case-study-nordsj%C3%A6llands-hospital-denmark

[126] http://www.medsci.cn/article/show_article.do?id=d1a9883e132.

ResearchTrendsandApplicationProspectsonLightandHealth

HAO Luoxi1,2, CAO Yixiao1, CUI Zhe1,2, ZENG Kun1, SHAO Rongdi1
(1.CollegeofArchitecture&UrbanPlanningofTongjiUniversity,Shanghai200092,China；2.KeyLaboratoryofEcologyandEnergy-savingStudyofDenseHabitat,MinistryofEducation,Shanghai200092,China)

With the development of technology, the research and application of light environment has expanded from vison to emotion, sleep, cognition, rhythm and many other aspects. Light and health has become new direction for the development of lighting. This paper reviews the history of healthy lighting research, analyses essential factors of human centric lighting; summarizes the photobiological safety problems and healing effects of light, puts forward the future direction of healthy lighting research, design and application and anticipates the frontier science of light health and the inevitable trend of evidence-based design. A comprehensive review of the current healthy lighting is made.

light；health；human factors lighting；evidence based design

國家重點研發(fā)計劃資助(項目編號：2017YB0403700)，國家自然科學基金資助(項目批準號：51478321)

TU1

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.001