天然光環(huán)境下醫(yī)院病房的非視覺效應(yīng)研究初探

吳 蔚，蔣靖才

(南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 南京 210093)

引言

許多研究表明好的天然采光可以縮短醫(yī)院病人的康復(fù)時間和提高康復(fù)率[1，2]。近些年來，隨著我國醫(yī)療建筑增長迅速[3]，一些關(guān)于醫(yī)院建筑采光照明的研究也逐漸開展起來。如2007年，莊宇和李佳[4]從病房的采光和照明兩方面著手，分析了病房光環(huán)境設(shè)計中不同材質(zhì)的玻璃對室內(nèi)照度的影響；丁玎等[5]以濟(jì)南的醫(yī)院病房為例，探討了綠色病房天然采光的設(shè)計方法。盡管這些都是定性研究,但所有研究都認(rèn)為醫(yī)療建筑里良好的光環(huán)境對病人的視覺功效、心理感受和生理變化等生物性反應(yīng)起著一定積極作用[6]。

近些年來，越來越多的研究顯示出采光照明的非視覺效應(yīng)對人體的生理節(jié)律有著明顯的影響[7],小到產(chǎn)生睡眠障礙[8]，大到影響DNA修復(fù)而誘發(fā)癌癥[9]。這些研究在一定程度上闡釋了光與健康的關(guān)系，也使得人們重新審視和思考采光照明質(zhì)量的定義，即不僅要滿足視看要求，還需滿足人體健康需求[10，11]。由于醫(yī)院病人相對于其他健康人而言活動能力受限，特別是住院病人基本上以臥床靜養(yǎng)為主，不像一般人群可以變化生活、工作地點，進(jìn)入病房內(nèi)的天然光是其接受日光照射的最主要途徑，甚至是唯一途徑，因此滿足醫(yī)院病房內(nèi)非視覺效應(yīng)的天然采光，對病人的康復(fù)尤為重要。

本文以江蘇省南京市江蘇省中醫(yī)院一間典型普通病房為研究對象，嘗試基于國內(nèi)外最新的非視覺采光照明研究成果[12]，對其病房內(nèi)天然光環(huán)境進(jìn)行非視覺效應(yīng)定量評價。該探索性研究主要是為我國醫(yī)院病房非視覺效應(yīng)的天然采光提供一定的理論和實踐依據(jù)，從而推動健康照明的發(fā)展。

1 醫(yī)院病房非視覺光環(huán)境特點分析

本研究所選擇的樣本病房是江蘇省中醫(yī)院住院部7樓南向的一間三床普通標(biāo)準(zhǔn)病房，內(nèi)置式衛(wèi)生間，室外無任何遮擋物。前期的實地測量和全年動態(tài)光模擬分析都表明，除去因直射日光所產(chǎn)生的眩光問題，該病房室內(nèi)天然光環(huán)境良好，完全滿足我國現(xiàn)行的建筑及采光照明設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。然而相較于醫(yī)院病房的視看光環(huán)境，非視覺效應(yīng)的天然采光無論從生理響應(yīng)機(jī)制到評價方法和標(biāo)準(zhǔn)上都有所不同，主要包括以下三個方面：

1)生理響應(yīng)機(jī)理不同。視覺效應(yīng)中光信號的接受者是錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞，而非視覺效應(yīng)中光信號的接受者是本征感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(即司辰細(xì)胞，英文簡稱ipRGC)。此外，“視覺效應(yīng)”和“非視覺效應(yīng)”的光信號也是通過不同路徑傳送[13]。由于三種感光細(xì)胞對光譜的敏感性不同，如司辰細(xì)胞對波長分布在446～488 nm的藍(lán)光最為敏感，其敏感峰值是波長為464 nm的藍(lán)光。因此用于評價視覺效應(yīng)的光譜響應(yīng)曲線并不能用來評價非視覺效應(yīng)[14]。

2)主要影響因素不同。醫(yī)院病房中，直接影響天然采光視看效果的因素是光照強(qiáng)度和眩光；而最新的生物生理學(xué)研究表明，光的非視覺生物效應(yīng)主要涉及到光的五個關(guān)鍵特征：光譜分布、光照強(qiáng)度、感光時間、光照持續(xù)時間、以及感光史[15，16]。如在一天時間里不同時間段發(fā)出的相同光照強(qiáng)度的光刺激，對其視看效果并無區(qū)別，但對人體生理節(jié)律的影響卻不相同[17]。因此對非視覺效應(yīng)的天然采光的評價要復(fù)雜得多，每一步的推進(jìn)與轉(zhuǎn)化均是建立在這五個影響因素上[10]。

3)視看位置和法線方向不同。評價視覺光環(huán)境時，測量點是在工作面，測量法線一般豎直于工作面。但光的非視覺生物效應(yīng)主要作用于人眼而不是工作面，因此在評價非視覺光環(huán)境時，測量點是在人眼高處，測點的法線方向是與人的活動狀態(tài)和眼睛的視看方向有關(guān)。圖1所示在醫(yī)院病房內(nèi)，評估視覺與非視覺采光時測點位置與視線法線的不同之處。

圖1 視覺與非視覺效應(yīng)評價時測點的位置和法線方向Fig.1 Comparison of the measuring points and their normal between visual and non-visual effects in a ward

在深入研究該醫(yī)院病房天然光的非視覺效應(yīng)前，研究小組對住院病人進(jìn)行日常行為的實地觀測。根據(jù)實測統(tǒng)計，病人在一天6：00—18：00中的日?；顒又饕煞譃槿N狀態(tài)：躺臥、倚靠、行走。其中病人躺臥時間最長，占日常時間的57%；臥床倚靠時間其次，為24%；站立時間僅為14%。此外還約有5%時間為其它活動。在病人行為研究的基礎(chǔ)上，研究小組根據(jù)實地情況選擇測點和確定法線位置，設(shè)置非視覺光評價的測點位置如圖2所示，其中測點1a～3a為病人躺臥狀態(tài)，距地750 mm，視線水平向上；1b～3b為病人倚坐狀態(tài)，高度為1 200 mm，視線水平前視，所有測點皆距墻300 mm，測點高度與法線方向詳見表1。

圖2 評估病房非視覺效應(yīng)的測點平面布置Fig.2 Floor plan of the sample ward and illuminance measuring positions for studying non-visual effects of daylighting

表1 病人主要活動處測點與法線列表

Table 1 List of the measuring points and their view normalin the sample ward

測點·測量面1a病人躺臥時眼睛高度,居地面750 mm水平面1b病人倚坐時眼睛高度,距地面1 200 mm垂直面(視看方向與所靠墻體垂直)2a病人躺臥時眼睛高度,居地面750 mm水平面2b病人倚坐時眼睛高度,距地面1200 mm垂直面(視看方向與所靠墻體垂直)3a病人躺臥時眼睛高度,居地面750 mm水平面3b病人倚坐時眼睛高度,距地面1 200 mm垂直面(視看方向與所靠墻體垂直)

2 非視覺天然光環(huán)境的實測分析

非視覺效應(yīng)的天然采光評價相對于靜態(tài)照明而言比較復(fù)雜，其光照強(qiáng)度和光譜分布雖然會隨著外界因素不斷的變換，但也具有一定的規(guī)律[18]。在天然采光分析中，可以對天然光做一定程度的簡化，南方位的天空與CIE標(biāo)準(zhǔn)光源D65近似，北方位的近似于D75，東西方位的則是D55?；诠庹諒?qiáng)度與人類警惕性的相關(guān)性研究[19，20]，得出達(dá)到生理節(jié)律刺激的天然光照度起點閾值分別為：晴天(CIE標(biāo)準(zhǔn)光源 D55)是210 lx，全陰天(CIE標(biāo)準(zhǔn)光源 D65)是190 lx， 北側(cè)天空光(CIE標(biāo)準(zhǔn)光源D75)是170 lx。而對于滿足有效生理節(jié)律刺激每天所需的光照時間，目前學(xué)術(shù)界沒有統(tǒng)一意見。國際健康建筑標(biāo)準(zhǔn)建議最低標(biāo)準(zhǔn)為相當(dāng)于250 EML(相當(dāng)于D65發(fā)出226 lx)的等效生理節(jié)律照明，每天不應(yīng)少于4 h[21]。而Figueiro等[22]則建議每天應(yīng)滿足至少一個小時且生物節(jié)律刺激因子不低于0.3(相當(dāng)于D65發(fā)出180 lx)的采光照明。本文實測分析中，折衷采納國際健康建筑標(biāo)準(zhǔn)，即在全陰天空下，每天至少有4 h不低于190 lx的天然采光，即可認(rèn)為滿足人體有效生理節(jié)律刺激。

研究小組在2018年4月5日、4月29日—5月1日四天期間對樣本病房進(jìn)行了實地測量，其中分別為2個全陰天和2個晴天。本文僅以全陰天為例(采用190 lx作為起點照度閾值)，嘗試探討該病房天然光是否滿足病人的非視覺需求。

圖3為全陰天時，病人躺臥時測點1a～3a的全天照度平均值。對比表中紅色參考線(190 lx)，可以看出在全陰天空下，靠近窗口的病人從7:00—17:00的照度均超過190 lx，這說明該測點的天然光滿足生理節(jié)律刺激；測點2a(中間的病床)在8:00—14:00(6 h)這一時間段的照度達(dá)到非視覺效應(yīng)需要的閾值；而離窗口最遠(yuǎn)的測點3a僅在13:00—14:00點期間的照度值超過了190 lx，即一天中只有約1 h達(dá)到非視覺效應(yīng)的刺激閾值。圖4為病人倚靠時測點1b～3b的平均實測照度值?？梢钥闯鰮?jù)窗口最近的病人，在倚靠時和平躺時所接受的光刺激差不多；而2b測點(中間床)病人在倚靠時，僅在中午12:00—14:00之間，其天然光刺激達(dá)到非視覺閾值。而測點3b(靠近入口處病床的病人)倚靠和躺臥時一樣，只有在13:00左右的照度值超過了190 lx，卻少于1小時，這顯然不能達(dá)到人體所需的生理節(jié)律的刺激。然而，根據(jù)晴天時的實測值分析，無論病人保持躺臥還是倚靠狀態(tài)，所有病床所接受的天然光無論從強(qiáng)度到長度，均能滿足人體的生理節(jié)律刺激需求。

盡管研究小組所獲得的實測數(shù)據(jù)也較為有限，對于非視覺天然采光標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定也比較簡單，但實測研究顯示出在不同光氣候下，樣本病房中在不同視點、甚至是不同視線位置，天然采光所產(chǎn)生的生理節(jié)律刺激也有所不同。這也說明病房里的天然采光即使是滿足視看需求，也不一定滿足非視覺需求。然而，不同于滿足視看所需的采光照明，人體并不能自我感知室內(nèi)光線是否滿足自我所必須的生理節(jié)律刺激。

圖3 全陰天時，病人躺臥時測點1a、2a、3a照度均值Fig.3 Mean horizontal illumination levels at measuring point 1a, 2a &3a under overcast sky

圖4 全陰天時，病人倚靠時測點1b、2b、3b照度均值Fig.4 Mean vertical illumination levels at measuring point 1b, 2b & 3b under overcast sky

3 非視覺天然光環(huán)境的計算機(jī)模擬分析

由于實測數(shù)據(jù)非常有限，因此數(shù)據(jù)分析并沒有將影響非視覺效應(yīng)的感光時間考慮在內(nèi)。而現(xiàn)有生物生理學(xué)研究顯示，人體對一天內(nèi)不同時刻的天然光刺激的響應(yīng)不同，其中06:00—10:00間的光刺激對生理節(jié)律影響最大，可以使人體內(nèi)生物鐘的相位提前，從而與地球24 h的白天黑夜循環(huán)周期相同步，被稱之為生理節(jié)律重置時間(circadian resetting)。而一天中10:00—18:00這一時段作用于非視覺刺激的天然光并不能改變體內(nèi)生物鐘的生理節(jié)律，但卻可以提高身體的覺醒水平，導(dǎo)致睡意減少，被稱之為生理覺醒時間(alerting effects of daylighting)[13,23，24]。此外，非視覺效應(yīng)的另一重要考慮因素是感光史。人在千百年進(jìn)化過程中睡眠—覺醒、生理及行為活動等日常節(jié)律與大自然晝夜變化息息相關(guān)，這種循環(huán)往復(fù)的非視覺光刺激模式對人體生理節(jié)律和生物鐘的形成有重要影響，并且這種生理節(jié)律一旦形成后具有一定的可自我延續(xù)性，如環(huán)球旅行者經(jīng)常會經(jīng)歷的時差問題，即在短暫時期內(nèi)沒有或有較少的非視覺刺激并不能立刻改變?nèi)梭w固有的生物鐘，因此在一段時期內(nèi)有規(guī)律的非視覺光刺激才能稱之為有效生理節(jié)律光刺激[25]。

本研究采用Konis[26]提出的 “有效晝夜節(jié)律區(qū)域百分比”(circadian effective area，CEA)指標(biāo)醫(yī)院病房的生理重置時間段進(jìn)行評估。選用的原因是該指標(biāo)開拓性的考慮了感光史這一因素的影響，并在此基礎(chǔ)上引申出一系列的圖示表達(dá)，可以較為直觀全面的評價和預(yù)測建筑內(nèi)天然光產(chǎn)生的非視覺效應(yīng)。此外，本研究還借鑒了文獻(xiàn)[17]提出的“帽子圖”法對樣本病房的生理覺醒時間段進(jìn)行分析?！懊弊訄D”法是對加權(quán)DA值法進(jìn)一步完善的結(jié)果，不但綜合考慮了天然光的光照強(qiáng)度、光譜分布，還考慮了感光時間和光照持續(xù)時間對人體產(chǎn)生的非視覺效應(yīng)影響。圖5所示的是計算機(jī)模擬流程，先將全天分成兩個時間段，即生理節(jié)律重置時間段6:00—10:00和生理覺醒時間段(10:00—18:00)，然后分別將這兩個時間段的照度信息轉(zhuǎn)化成等效非視覺照度信息。因生理節(jié)律重置時間段對生理節(jié)律有較大影響，因此將這段信息圖示化以CEA為標(biāo)準(zhǔn)的全年度Stim.freq分布圖進(jìn)行分析；而生理覺醒時間(10:00—18:00)的信息轉(zhuǎn)換成全年度時間圖譜進(jìn)行分析。模擬分析時首先是對病房內(nèi)的實測點進(jìn)行分析，然后對整個病房做了非視覺光環(huán)境的模擬。

3.1 病房實測點的非視覺效應(yīng)天然采光全年模擬分析

由于多長時間的有效生理節(jié)律光刺激可以影響正常生理節(jié)律周期還處于未知階段， Konis[26]認(rèn)為一周中僅有1～2天沒有受到有效生理節(jié)律光刺激，對人體生物鐘不會有太大影響，因此一周之內(nèi)至少有5天達(dá)到有效生理節(jié)律光刺激，即認(rèn)為是達(dá)到健康標(biāo)準(zhǔn)研究小組的計算機(jī)模擬分析也以此為標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 非視覺效應(yīng)的天然采光模擬方法流程Fig.5 Working flow of computer simulation for non-visual effects of daylighting

圖6是病人躺臥狀態(tài)下的年度Stim.freq分布圖和不同Stim.freq所占比例與實測結(jié)果相似，靠近窗口處的病人(測點1a)所處的非視覺效應(yīng)的天然采光比較理想，在全年度Stim.freq達(dá)到可接受的臨界值(5 d/wk)的占比為91%；盡管中間床的躺臥病人(測點2a)在全年度Stim.freq達(dá)到可接受臨界值(5 d/wk)的占比為71%，但就全年而言，該床位在冬季時間(11月到來年3月份之間)非視覺效應(yīng)的天然采光表現(xiàn)不理想，大部分時間均未達(dá)到臨界值。遠(yuǎn)離窗口的病床(測點3a)在全年度Stim.freq達(dá)到的可接受臨界值(5 d/wk)的占比為40%，能達(dá)到臨界值的天數(shù)幾乎全部分布在7月份到10月份之間，全年中其它月份的天然采光基本上不能滿足非視覺效應(yīng)需要，可以認(rèn)為對身體健康不利。

圖7則是病人倚靠狀態(tài)下的年度Stim.freq分布圖和不同Stim.freq所占比例?？梢钥闯龈鳒y點在倚靠狀態(tài)中所接受的非視覺天然刺激和躺臥狀態(tài)情況相似，靠近窗口的床位(測點1b)最好，中間床位(2b)次之，遠(yuǎn)離窗口床位(測點3b)最差。此外，受影響的月份也跟躺臥狀態(tài)類似，如測點3b能達(dá)到臨界值的天數(shù)幾乎全部都分布在7月份到10月份之間。比較病人躺臥和倚靠兩種狀態(tài)，可以看出在靠近窗口的床位，躺臥所接受的非視覺天然光刺激要高于倚靠狀態(tài)，而在中間床位兩種狀態(tài)所接受的光刺激差不多。而在遠(yuǎn)離窗口的床位，倚靠狀態(tài)的病人所接受的非視覺刺激要高于躺臥狀態(tài)。但總體而言，此測點處的病人僅靠天然采光是不能滿足人體在生理節(jié)律重置時間段的有效光刺激。

圖8、圖9分別是病人躺臥和倚靠狀態(tài)下各測點的年度時間圖譜?？梢栽俅慰闯隹看疤幉〈埠椭虚g處病床全年度的等效非視覺照度水平都相當(dāng)高，這兩個測點天然采光可以滿足人體非視覺效應(yīng)的需求。而遠(yuǎn)離窗口的病床的等效非視覺照度分布不均勻，除夏季外，其他3季(9月到來年4月份)，無論是躺臥還是倚靠狀態(tài)，測點的等效非視覺照度水平較低，基本上不能滿足生理節(jié)律刺激?？紤]全天情況(6:00—18：00)，可以看出離窗口最遠(yuǎn)的病床，其病人僅在夏季能受到足夠的非視覺天然光刺激，而其他季節(jié)都達(dá)不到維持身體健康的非視覺效應(yīng)。

圖6 測點1a、2a、3a在06:00～10:00的年度Stim.freq分布圖和不同Stim.freq所占比例Fig.6 Annual Stimulus Frequency and percentage of different Stim.freq from 06:00～10:00 calculated for measuring point 1a, 2a & 3a

圖7 測點1b、2b、3b在06:00—10:00的年度Stim.freq分布圖和不同Stim.freq所占比例Fig.7 Annual Stimulus Frequency and percentage of different Stim.freq from 06:00—10:00 calculated for measuring point 1b, 2b & 3b

圖8 測點1a、2a、3a在10:00—18：00的年度時間圖譜Fig.8 Annual Temporal maps from 10:00—18:00 for measuring point 1a, 2a & 3a

圖9 測點1b、2b、3b在10:00—18：00的全年度時間圖譜Fig.9 Annual Temporal maps from 10:00—18:00 for measuring point 1b, 2b & 3b

3.2 病房整體空間的非視覺效應(yīng)天然采光全年模擬分析

除去測點位置外，研究小組也對病房整體空間進(jìn)行了非視覺效應(yīng)天然采光全年模擬分析。網(wǎng)格設(shè)置時假定病人在站立狀態(tài)下，分析網(wǎng)格高度距地面1 500 mm。由于病人在四處走動的時候，眼睛的視看方向并不是固定的，但為了簡化計算，本次研究假定病人的視看方向為水平方向，面向與病床相對的墻壁。

根據(jù)年度非視覺天然光環(huán)境的有效晝夜節(jié)律區(qū)域百分比(CEA)的模擬分析，樣本病房空間整體非視覺效應(yīng)的天然采光隨著季節(jié)的的變化呈現(xiàn)出明顯的差異，4月份到10月份比較理想，其中最好的月份是7月份，11月份到來年3月份則相抵較差。通過比較不同Stim.freq等級下的病房全年度有效晝夜節(jié)律區(qū)域百分比(CEA)，可發(fā)現(xiàn)全年度非視覺效應(yīng)的天然采光表現(xiàn)最好的時候，超過臨界值(Stim.freq≥5 d/wk，即A、B等級)的有效晝夜節(jié)律區(qū)域百分比(CEA)在80%左右，也就說即使是在全年度天然采光最好的時間段里，樣本病房仍有20%左右的空間是不能滿足人體生理節(jié)律光刺激的需求。

圖10表示在指定視看方向下病房整個空間Stim.freq超過臨界值(≥5 of 7 day/wk)的百分比，即樣本病房空間的整體年度Stim.freq分布圖。與病房測點的實測分析和計算機(jī)模擬相似，病房內(nèi)的非視覺效應(yīng)采光隨著進(jìn)深增加而降低，而在病房入口處的非視覺效應(yīng)的天然光環(huán)境較差，該處在全年中沒有一天的天然采光能達(dá)到Stim.freq≥5 of 7 d/wk。

圖10 病房空間年度Stim.freq≥5 of 7 d/wk分布圖Fig.10 Plan view of annual Availability of circadian stimulus (Stim.fren ≥ 5d/wk) with fixed view orientation for the sample ward

由于本次研究固定了視看方向，病房空間非視覺效應(yīng)的天然采光并不呈對稱分布，右側(cè)的天然光環(huán)境的非視覺效應(yīng)要明顯好于左側(cè)，這是因為窗戶所在位置與右側(cè)所在模擬網(wǎng)絡(luò)點的視看方向一致，大量的光線能照射到這些網(wǎng)絡(luò)模擬點上。

4 總結(jié)

在對江蘇省中醫(yī)院一間普通的標(biāo)準(zhǔn)三床病房病人行為觀察的基礎(chǔ)上，我們嘗試?yán)脟馊N非視覺天然光評價方法，對該病房內(nèi)非視覺效應(yīng)的天然采光進(jìn)行量化研究。盡管前期的實地測量和全年動態(tài)模擬光分析研究都表明，該病房完全滿足我國現(xiàn)行采光設(shè)計規(guī)范，滿足視看需求的天然光環(huán)境良好。但這三種方法都發(fā)現(xiàn)該病房中遠(yuǎn)離窗口的病床，其非視覺的天然采光存在一定問題。特別是在冬季(從當(dāng)年11月到次年3月)，或是全陰天下，遠(yuǎn)離窗口的病人無論是在躺臥還是倚靠狀態(tài)，天然光基本上不能滿足人體所需的生理節(jié)律刺激。

盡管目前最新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和理論框架已經(jīng)足夠檢驗或預(yù)測室內(nèi)光環(huán)境是否基本上滿足人體生理節(jié)律刺激的需求，但本次探索性研究也顯示出由于影響天然采光的環(huán)境因素太多，且各種相關(guān)因素互相牽連制約，其評估框架和方法還需要進(jìn)一步優(yōu)化和完善。目前非視覺效應(yīng)的采光照明研究還處于初級階段，如天然光環(huán)境因素對病人生理節(jié)律的具體影響和更精準(zhǔn)的評價標(biāo)準(zhǔn)等，這些相關(guān)研究都有待進(jìn)一步的開展。