褪黑素照度的動(dòng)態(tài)光對(duì)警覺(jué)性、疲勞和生理節(jié)律的影響

劉 余，吳佩蓉，羅 明

(1.浙江大學(xué)光電學(xué)院，浙江 杭州 310000；2.臺(tái)中科技大學(xué)資訊與流通學(xué)院，臺(tái)灣 臺(tái)中 40402)

引言

近年來(lái)，由不同的光參數(shù)如相對(duì)色溫(CCT)、照度和特定光譜波長(zhǎng)引起變化的警覺(jué)性、工作表現(xiàn)和睡眠品質(zhì)研究是光學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。由于LED技術(shù)的飛速發(fā)展，使得能夠快速變化的動(dòng)態(tài)光的研究成為可能。這些系統(tǒng)中的的參數(shù)有照度、相對(duì)色溫、Duv、顯色指數(shù)、同色異譜等。因?yàn)楣鈱?duì)人體健康影響上的共識(shí)，國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)[1]在2018年提出了包含視桿細(xì)胞、視錐細(xì)胞和視網(wǎng)膜感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ipRGC)上的5個(gè)光視素的敏感度曲線，等效照度值分別為Emc、Elc、Esc、Er和Ez。2005年Rea等[2]在Brainard等[3]和Thapan等[4]測(cè)得的夜間褪黑激素的光譜靈敏度曲線上提出的節(jié)律刺激值(Circadian Stimulus, CS)的模型。

動(dòng)態(tài)光的研究領(lǐng)域中主要運(yùn)用根據(jù)某一參數(shù)例如CCT或者照度，以一定的速率變化的連續(xù)不斷的光。Hu等[5]在2012年研究對(duì)比了CCT從6 500～12 000 K的動(dòng)態(tài)光與12 000 K的靜態(tài)光，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光能誘發(fā)更多的警覺(jué)性。Zheng等[6]研究了4個(gè)不同條件的動(dòng)態(tài)光，CCT 范圍從6 000～12 000 K，周期為2 h; CCT 范圍從6 000～12 000 K，周期為4 h; 9 000 K的靜態(tài)光； 6 000 K的靜態(tài)光。其結(jié)果是相比靜態(tài)光，在動(dòng)態(tài)光條件下被試的工作效率更高。變化更快的光使得被試的工作效率更高。Wang和Luo[7]研究了8～10歲的兒童，發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)光下更高的CS誘發(fā)更佳的任務(wù)表現(xiàn)。Ye等[8]拓展了Zheng等[6]的工作，進(jìn)一步調(diào)查了CCT范圍和動(dòng)態(tài)光的變化周期。結(jié)果顯示，更高的CCT從6 000～12 000 K相比4 000～10 000 K，能使被試警覺(jué)度更高且任務(wù)表現(xiàn)更好，但不同的變化周期 帶來(lái)的影響十分有限。

本實(shí)驗(yàn)的假設(shè)是高褪黑激素照度Emel或者CS會(huì)使被試警覺(jué)性更高。本次研究的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱苏{(diào)查相同的CCT 范圍內(nèi)不同的Emel水平對(duì)工作表現(xiàn)的影響。這兩個(gè)參數(shù)并未放在一起研究。另一個(gè)目標(biāo)則是為了調(diào)查多通道的LED系統(tǒng)控制動(dòng)態(tài)光的能力。

1 研究方法

1.1 光源條件

實(shí)驗(yàn)在辦公室中進(jìn)行。將常州某公司生產(chǎn)的10個(gè)LEDcube?安裝在辦公室的天花板上。通過(guò)軟件控制11個(gè)LED通道實(shí)現(xiàn)調(diào)制出目標(biāo)光譜。光源的桌面照度為500 lx，眼部照度為160 lx。圖1為實(shí)驗(yàn)中的光環(huán)境。

圖1 實(shí)驗(yàn)光環(huán)境Fig.1 The experimental environment

實(shí)驗(yàn)中的光源控制十分嚴(yán)格。實(shí)驗(yàn)中Emel和CCT對(duì)應(yīng)于時(shí)間的關(guān)系如圖2(a)所示。60個(gè)光源在實(shí)驗(yàn)中2.5 h內(nèi)變化6000 K并且連續(xù)的兩個(gè)光源之間Duv盡可能地小以保證光源平滑地變化，如圖2(b)顯示，Duv會(huì)依不同的CCT而改變，但他們之間的改變是有連續(xù)性的，沒(méi)有閃爍光的產(chǎn)生。

圖2 動(dòng)態(tài)光的Emel和Duv與CCT的關(guān)系Fig.2 The dynamic light settings

表1提供了兩個(gè)光源的指標(biāo)。JETI Specbos 1211UV 光譜輻射計(jì)用于測(cè)量和校準(zhǔn)所有光。

表1 光源參數(shù)Table 1 Parameters of light source

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

16個(gè)被試(7男9女；23.1±1.4歲)參加實(shí)驗(yàn)。所有招募被試均無(wú)攝入咖啡因及酒精或吸煙的習(xí)慣。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行兩周，時(shí)間為20:00—23:00。每個(gè)被試均要參加兩個(gè)光源條件。兩次實(shí)驗(yàn)間隔4天以避免由前一個(gè)光源造成的任何影響。要求所有被試在實(shí)驗(yàn)期間保持一個(gè)規(guī)律的作息。他們每天大約睡8 h，由Actiwatch記錄睡眠信息。圖3是實(shí)驗(yàn)流程。 一開(kāi)始被試須在黑暗環(huán)境下適應(yīng)30 min，接著做2.5 h的實(shí)驗(yàn)。每隔0.5 h收集一次數(shù)據(jù)，其他時(shí)間均讀書(shū)。只有g(shù)o/no-go 和 D2 任務(wù)是在22:30 到 23:00之間完成的。另外Actiwatch Spectrum PRO腕式記錄儀用于測(cè)量睡眠品質(zhì)及入睡時(shí)間。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程Fig.3 The experiment procedure

一系列測(cè)試包括任務(wù)表現(xiàn)，眼疲勞，睡眠品質(zhì)和生物指標(biāo)用于評(píng)價(jià)這兩種光源。測(cè)試包括：任務(wù)表現(xiàn)(D2 和 go/no-go), 卡洛林斯卡睡意問(wèn)卷 (KSS), 閃光融合頻率(CFF), 虛擬現(xiàn)實(shí)癥狀問(wèn)卷(VRSQ) (癥狀包括眼疲勞、眼酸/眼痛、視物模糊、難以集中焦點(diǎn)), 生化反應(yīng) (褪黑素和皮質(zhì)醇), 和腕式活動(dòng)記錄儀(Actiwatch)。

D2測(cè)試是一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定有效的測(cè)量人眼視覺(jué)掃描精確度和速度的測(cè)量方法。D2測(cè)試是要?jiǎng)澋羲凶帜笧閐，上下豎杠加起來(lái)總共是兩個(gè)。忽略掉字母為p或是上下豎杠加起來(lái)不為2的d字母。go/no-go主要檢測(cè)被試的自我控制能力和反應(yīng)時(shí)間。被試在聽(tīng)到“go”的信號(hào)時(shí)迅速作出反應(yīng)，而聽(tīng)到“no go”的信號(hào)時(shí)禁止反應(yīng)。

KSS將疲勞程度共分成9個(gè)等級(jí)，其中1代表“非常警覺(jué)”，9代表“非常困倦極力保持清醒”，卡洛林斯卡困倦度的分值越低代表受試者越清醒。

閃光融合頻率臨界值(CFF)被定義為某閃光點(diǎn)能觀察者帶來(lái)視覺(jué)上的穩(wěn)定效果的最低頻率。人越疲勞時(shí)，閃光融合頻率會(huì)越低。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

IBM SPSS Statistics 22 software?用于分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所有結(jié)果均歸一化后得到。例如問(wèn)卷和CFF得分由減去暗適應(yīng)30 min后的分?jǐn)?shù)得到。而唾液樣本的數(shù)據(jù)除以基線數(shù)值得到。一般線性模型中的重復(fù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)因素“光源×?xí)r間”的分析方法用于問(wèn)卷，CFF和生化反應(yīng)的結(jié)果。主要結(jié)果總結(jié)如下：

任務(wù)表現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，對(duì)于D2和go/no-go任務(wù)，相較于低Emel光源被試在高Emel光源下犯錯(cuò)更少，其中g(shù)o/no-go任務(wù)中高Emel光源統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著犯錯(cuò)更少(p=0.034)。另外，高Emel光源下的反應(yīng)速度比低Emel更快。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在高Emel光源下被試警覺(jué)性更高。

圖4 D2和go/no-go任務(wù)的錯(cuò)誤個(gè)數(shù)Fig.4 D2 and go/no-go tasks’ error number results

KSS問(wèn)卷：圖5(a) 展示了KSS問(wèn)卷結(jié)果。和預(yù)期一致，統(tǒng)計(jì)學(xué)上KSS問(wèn)卷時(shí)間主效應(yīng)顯著，被試隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行睡意顯著增加。同時(shí)被試在低Emel光源下有更困倦的傾向。

圖5 KSS問(wèn)卷結(jié)果Fig.5 KSS results

眼疲勞問(wèn)卷：眼疲勞問(wèn)卷中趨勢(shì)不甚明顯。

CFF測(cè)量：如圖6所示，被試眼睛在高Emel光源下更加疲勞，且隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行感覺(jué)更加疲勞，時(shí)間主效應(yīng)顯著(p<0.05)。

圖6 CFF測(cè)量結(jié)果Fig.6 CFF results

生理化學(xué)信號(hào)：唾液樣本用于分析唾液中褪黑素和皮質(zhì)醇的含量。褪黑素和皮質(zhì)醇分泌有顯著的時(shí)間效應(yīng)。如圖7所示，褪黑素分泌隨著時(shí)間推移增加，在高Emel光源下分泌更少；皮質(zhì)醇隨著實(shí)驗(yàn)光環(huán)境下停留的時(shí)間增加逐漸減少分泌，相較于低Emel光源，高Emel光源下分泌更多的皮質(zhì)醇。二者的結(jié)果一致表明在高Emel光源下被試更加清醒。

圖7 生理化學(xué)信號(hào)的結(jié)果Fig.7 Biochemical’s results

睡眠質(zhì)量：由于一次實(shí)驗(yàn)只能測(cè)量一個(gè)被試的睡眠，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不充分，Actiwatch的結(jié)果無(wú)明顯趨勢(shì)。將來(lái)應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究睡眠品質(zhì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了不同Emel的動(dòng)態(tài)光對(duì)被試的任務(wù)表現(xiàn)、睡意和眼疲勞的影響。這意味著被試隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，睡意增加，清醒程度下降。生理化學(xué)信號(hào)、任務(wù)表現(xiàn)和KSS問(wèn)卷結(jié)果表明，在高Emel光源下被試感覺(jué)更加清醒，褪黑激素分泌更少，皮質(zhì)醇分泌更多，反應(yīng)更快，錯(cuò)誤更少。這意味著，高Emel光會(huì)使人使人在夜間更加清醒，對(duì)人體晝夜節(jié)律影響更大。CFF結(jié)果顯示，在高Emel光環(huán)境下被試眼睛更疲勞。