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        不同LED照明環(huán)境下學(xué)生的腦電信號變化

        2019-05-21 03:48:12楊春宇汪統(tǒng)岳梁樹英向奕妍陽佩良
        照明工程學(xué)報 2019年2期
        關(guān)鍵詞:興奮性色溫頻帶

        楊春宇,汪統(tǒng)岳,梁樹英,向奕妍,陽佩良,何 偉

        (1.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院,重慶 400045;2.重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室,重慶 400045)

        引言

        學(xué)習(xí)是一個不斷從事腦力勞動的過程,期間出現(xiàn)的腦力能力下降、作業(yè)機(jī)能衰退的現(xiàn)象稱之為腦疲勞,具體表現(xiàn)為學(xué)習(xí)效率下降、注意力不集中、記憶力下降、反應(yīng)遲鈍等[1]。不良的照明環(huán)境會加速腦疲勞的產(chǎn)生和加重腦疲勞的程度,不同的照明環(huán)境下,腦疲勞程度也不盡相同。LAL和CRAIG[2]認(rèn)為腦電信號(EEG)是最適合作為疲勞評價的生理指標(biāo);曾堃等[3]通過主觀量表和EEG數(shù)據(jù),對心內(nèi)科CICU病房白光環(huán)境要素與情緒的關(guān)系進(jìn)行了探討。為了解不同的LED照明環(huán)境對學(xué)生腦疲勞的影響,在實驗室設(shè)定不同的色溫和照度環(huán)境來模擬教室照明,測試學(xué)生的腦電信號隨時間的變化情況,評判適宜的色溫和照度組合,為教室照明環(huán)境設(shè)計提供參考。

        1 腦疲勞的評價方法

        1.1 腦疲勞評定方法的選擇

        腦疲勞的評定方法主要有四種:主觀測評法、心理學(xué)和行為學(xué)指標(biāo)評定法、生化指標(biāo)評定法和生理指標(biāo)評定法[6](見表1)。其中,通過腦電波測試的生理指標(biāo)判定法目前最成熟,腦電信號成為應(yīng)用最廣泛的中樞神經(jīng)系統(tǒng)變化的評價指標(biāo)。

        表1 腦疲勞的4種評定方法比較Table 1 Comparisons of four assessment methods for brain fatigue

        1.2 腦電信號的分類與評價指標(biāo)

        腦電波(Electroencephalogram,EEG)來源于錐體細(xì)胞頂端樹突的突觸后電位,記錄了大腦活動時的電波變化,是腦神經(jīng)細(xì)胞的電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映[7]。腦電波信號的頻率范圍較大(0~100 Hz),根據(jù)腦部不同的功能、病理或狀態(tài)分為不同的頻帶,至少存在4個重要的波段:δ波、θ波、α波和β波[8](見表2)。睡眠時還可能出現(xiàn)的其他波形,如σ波、λ波、μ波、κ-復(fù)合波、駝峰波等,不在本研究的范圍內(nèi)。腦電信號隨著人的精神負(fù)荷變化產(chǎn)生波動,學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中,α波越多表明人越放松;δ波和θ波越多,β波越少,則越疲勞。

        頻帶能量比例(FBER值,以下簡稱R值)即δ波、θ波、α波和β波的功率值占四種波總功率值的比例[11],通過R值的變化可以判斷大腦皮層的興奮度和腦疲勞程度,反應(yīng)不同色溫、照度和時間參數(shù)對腦疲勞的影響。其中δ波和θ波為睡眠波,腦電波中Rδ值和Rθ值增大時表示困倦感加強(qiáng),可以通過判斷Rδ+θ值來描述腦疲勞的程度。α波和β波與精神興奮性和焦慮感相關(guān),人在放松的情況下α波占大部分,當(dāng)精神興奮性提高時β波增多,伴隨著焦慮感的增加,可以通過Rα值和Rβ值的變化來判斷精神興奮程度。

        表2 腦電波的4種波形比較Table 2 Comparisons of four waveforms of EEG

        1.3 腦電信號的檢測與分析

        使用美國某公司生產(chǎn)的MP150多導(dǎo)生理記錄儀及其專用的數(shù)據(jù)線和電極片采集記錄,通過與之配套的AcqKnowledge 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,可以算出δ、α、β和θ波各頻段的功率平均值。進(jìn)而得出δ、α、β和θ波四種波段的頻帶能量比例R值作為腦疲勞評價指標(biāo)。將δ波的頻帶能力比例記作Rδ,θ波的頻帶能量比例記作Rθ,α波和β波分別記作Rα和Rβ。頻帶能量比例R值采用以下公式計算:

        Eall(k)=∑E(j)(k)j

        (1)

        (2)

        2 實驗方法

        1)實驗參數(shù)的設(shè)定。教室、圖書館等教育建筑需滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的功能要求,照度不宜過高。研究表明人眼的視覺功能曲線隨著照度的升高而提高,在3 000 lx左右達(dá)到峰值,超過3 000 lx后,視覺功效反而下降。因此,教室工作面照度值的最高值設(shè)定為3 000 lx[12]。參考GB 50034《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》推薦的照度分級要求,將實驗環(huán)境的照度值劃分為500 lx、1 000 lx、1 500 lx、2 000 lx、2 500 lx和3 000 lx六種水平[13]。色溫選取4 000 K、5 000 K和 6 500 K三種常用色溫,每0.5 h監(jiān)測一次學(xué)生的腦電信號,觀察其變化趨勢。

        2)實驗對象。通過對招募的大學(xué)生志愿者進(jìn)行預(yù)實驗,連續(xù)3天進(jìn)行生理指標(biāo)測試,篩選出結(jié)果穩(wěn)定的10名志愿者,隨機(jī)分為2組,輪流進(jìn)行實驗,每組測試后休息1天。

        3)實驗流程。通過實驗室模擬教室照明環(huán)境,選用相同型號不同色溫的LED燈管,通過改變燈管的數(shù)量和高度來改變工作面的照度,實現(xiàn)設(shè)定的光環(huán)境。志愿者每天下午兩點開始實驗,光照前測試一次腦電信號,然后開始自習(xí),每0.5 h再測試一次。實驗持續(xù)3 h,期間可以閱讀和書寫,不能使用手機(jī)、平板電腦等電子設(shè)備。

        3 實驗結(jié)果

        3.1 色溫對腦疲勞的影響

        隨著色溫的提高,Rδ+θ值增加,表明受試者的腦疲勞程度越高,6 500 K色溫引起腦疲勞的程度最高,而4 000 K最低;Rα值的變化趨勢正好相反;Rβ值變化不明顯,但5 000 K色溫的Rβ值最高,說明此時被試者的精神興奮性最高,腦疲勞程度適中(見圖1)。學(xué)習(xí)效率的提高伴隨著一定的腦疲勞和精神興奮性提高和焦慮感,綜合Rδ+θ值、Rβ值和Rα值的變化,發(fā)現(xiàn)5 000 K色溫條件下,受試者的腦疲勞程度不高,但精神興奮性最好。

        圖1 Rδ+θ值、Rα值和Rβ值隨色溫的變化趨勢圖Fig.1 Trend chart of Rδ+θ,Rα and Rβ value with color temperature

        3.2 照度對腦疲勞的影響

        隨著照度的提高,Rδ+θ值先減小后增大,2 500 lx對應(yīng)的Rδ+θ值最大,2 000 lx對應(yīng)的Rδ+θ值最小,說明過高的照度更容易引起腦疲勞,且程度更深,在合理的照度范圍內(nèi),腦疲勞的程度隨著照度值的提高而減小。隨著照度的增加,Rα值先增加后減小,1 500 lx對應(yīng)的Ra值最大,3 000 lx對應(yīng)的Rα值最小(見圖2);照度小于1 500 lx時,Rβ值基本穩(wěn)定,變化不明顯,超過1 500 lx后迅速增加,3 000 lx對應(yīng)的Rβ值最高,1 500 lx對應(yīng)的Rβ值最小,說明低于1 500 lx的范圍內(nèi),受試者處于一種較為放松的學(xué)習(xí)狀態(tài)。隨著照度的提高(不超過1 500 lx),學(xué)生的精神興奮度變化不明顯,照度超過1 500 lx后,學(xué)生的精神興奮性受到刺激迅速提高,同時腦疲勞也開始增加。綜合考慮腦疲勞程度和精神興奮性,照度最佳水平為2 000 lx。

        圖2 Rδ+θ值、Rα值和Rβ值隨照度的變化趨勢圖Fig.2 Trend chart of Rδ+θ,Rα and Rβ value with illumination

        圖3 Rδ+θ值、Rα值和Rβ值隨光照時間的變化趨勢圖Fig.3 Trend chart of Rδ+θ,Rα and Rβ value with time

        3.3 光照時間對腦疲勞的影響

        隨著光照時間的延長,Rδ+θ值逐漸增大,超過2.5 h后急劇增加,說明光照時間越久,腦疲勞程度越深,且逐漸加速。隨著光照時間的增加,Rα值逐漸降低,光照前期緩慢變小,超過1.5 h后,Rα值迅速下降;Rβ值先增加后減小,光照2 h左右Rβ值最高(見圖3);綜合Rα值和Rβ值的變化規(guī)律,說明光照時間在2 h內(nèi),受試者的精神興奮性隨光照時間的增加逐漸緩慢增高,超過2 h后,精神興奮性降低,腦疲勞程度加深。綜合考慮腦疲勞程度和精神興奮性,最佳光照時間為1.5 h或2 h。

        4 結(jié)論

        隨著色溫的提高,被試者的腦疲勞程度增大,6 500 K色溫下學(xué)生的腦疲勞最嚴(yán)重;5 000 K色溫的精神興奮性最高,腦疲勞程度適中。隨著照度的增加,腦疲勞先減小后增大;過高的照度更容易引起腦疲勞,而且腦疲勞程度更深;在合理的照度范圍內(nèi)(不超過1 500 lx),腦疲勞的程度隨著照度值的提高而減小;綜合考慮腦疲勞和精神興奮性的要求,照度最佳水平為2 000 lx。隨著光照時間的增加,受試者的腦疲勞程度越深;受試者的精神興奮性隨光照時間的增加逐漸增高,且增加速度較為緩慢;光照時間超過2 h后,精神興奮性降低,腦疲勞程度加深。綜合考慮腦疲勞程度和精神興奮性的要求,最佳光照時間為1.5 h或2 h。當(dāng)然,這僅是一個實驗的結(jié)果,還不能說明這就是完整的科學(xué)結(jié)論,有關(guān)LED照明環(huán)境下腦疲勞的問題還有待進(jìn)一步的研究。

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