曾 堃，郝洛西,2

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

EEG作為光與情緒實(shí)驗(yàn)方法的探討
——以心內(nèi)科CICU模擬病房白光環(huán)境實(shí)驗(yàn)為例

曾 堃1，郝洛西1,2

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

隨著電生理技術(shù)和圖像識別技術(shù)的發(fā)展，在光與情緒的實(shí)驗(yàn)中，除了傳統(tǒng)的“量表設(shè)計(jì)—自我評價(jià)”的主觀實(shí)驗(yàn)方法外，出現(xiàn)了許多新的情緒研究方法。本文針對心內(nèi)科CICU病房白光環(huán)境要素與情緒的關(guān)系，將EEG作為實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合主觀問卷的傳統(tǒng)研究方法，通過對主觀量表和EEG數(shù)據(jù)的各自分析和對比研究，探討主、客觀實(shí)驗(yàn)方法的可行性，總結(jié)科學(xué)的情緒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法選擇。

情緒；實(shí)驗(yàn)；量表；EEG；光環(huán)境；健康照明

引言

光照環(huán)境不僅影響視覺功效，還與身心健康息息相關(guān)。循證設(shè)計(jì)(Evidence Based Design)[1]，是在循證醫(yī)學(xué)和環(huán)境心理學(xué)基礎(chǔ)上誕生的一種設(shè)計(jì)思想，強(qiáng)調(diào)用科學(xué)的研究方法和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，證實(shí)建筑與環(huán)境對健康的實(shí)證效果和積極影響，這就對健康照明的設(shè)計(jì)及研究提出了更加科學(xué)客觀的實(shí)驗(yàn)要求。隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)和圖像識別技術(shù)的發(fā)展，利用電子科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生理信號的檢測和分析，我們也有了更多的實(shí)驗(yàn)方法選擇。同濟(jì)大學(xué)光環(huán)境實(shí)驗(yàn)室通過主觀問卷對心血管內(nèi)科重癥監(jiān)護(hù)室(CICU，Cardiac Intensive Care Unit)光照情感效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2]。在此研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文將EEG(Electroencephalogram，腦電波)信號檢測作為實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合主觀問卷及情緒量表，對健康照明的情緒相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了初步的探討。

1 研究基礎(chǔ)

實(shí)驗(yàn)通過主觀問卷評價(jià)的方法，研究了白光環(huán)境下CICU模擬病房，照度、照明方式、色溫與使用人群(病患、醫(yī)護(hù)人員)視覺及情緒之間的相關(guān)性，得出白光環(huán)境下CICU模擬病房健康光照環(huán)境的設(shè)計(jì)參數(shù)如下[3]：

針對病患而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：①當(dāng)照度為200 lx時(shí)，病患的滿意度達(dá)最大值；其次是400 lx；當(dāng)照度為100 lx時(shí)，病患的滿意度達(dá)最小值。②在照度、色溫一定的情況下，間接照明的比重與病患滿意度成正相關(guān)。③當(dāng)色溫為3 000 K時(shí)，病患的滿意度達(dá)最大值；其次是4 000 K；當(dāng)色溫為5 700 K時(shí)，病患的滿意度達(dá)最小值。綜上，當(dāng)病患在CICU模擬病房休養(yǎng)時(shí)(不考慮檢查、閱讀等其他需求)，他們最傾向于照度200 lx，色溫3 000 K，間接照明占70%以上的光照環(huán)境。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，選擇合適的參數(shù)組合設(shè)置實(shí)驗(yàn)場景，搭建實(shí)驗(yàn)間，進(jìn)一步進(jìn)行主客觀實(shí)驗(yàn)方法研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)室搭建

基于研究基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)選擇單人CICU空間的典型平面，借鑒以模擬空間為評價(jià)對象的實(shí)驗(yàn)方法[4-5]，在同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院光環(huán)境實(shí)驗(yàn)室1∶1搭建了CICU模擬實(shí)驗(yàn)室(圖1、圖2)。模擬病房尺寸為4 m×2.7 m×2.8 m，病床居中布置，床頭處配備多功能醫(yī)用設(shè)備帶。病床一側(cè)放置床頭柜，一側(cè)配有輸液架。L型醫(yī)用隔簾(l=88.51，a=-1.13，b=12.86)分隔單人病床的休息空間。室內(nèi)天花的材質(zhì)為白色石膏板(l=94.52，a=-0.41，b=1.95)，側(cè)墻為灰色木板(l=74.18，a=-0.63，b=0.22)，地面為深灰色地毯(l=36.14，a=-1.76，b=1.83)。實(shí)驗(yàn)全程無自然光入射。

圖1 模擬病房實(shí)驗(yàn)間平面Fig.1 Layout of the test-room

圖2 模擬病房實(shí)驗(yàn)間天花平面Fig.2 Layout of the ceiling

我們在1.2 m平面(病患半躺休息時(shí)的眼位高度)設(shè)置了4個(gè)測量點(diǎn)(X1～X4)，自動記錄實(shí)驗(yàn)過程中相應(yīng)位置的照度、溫度、相對濕度的變化狀況，測量間隔為10 s。所有實(shí)驗(yàn)場景中，室內(nèi)溫度設(shè)定為24 ℃，相對濕度控制在30%。

面板燈(直接照明)采用4組尺寸為300 mm×900 mm的55 W NLED面板燈，電流0.25 A，色溫有3種，分別為3 000 K、4 000 K和5 700 K，安裝方式為嵌入式。床頭燈(間接照明)采用了56 W LED Celino BCS680，色溫為3 000 K、4 000 K和5 700 K，安裝于病患床頭處的側(cè)墻。實(shí)驗(yàn)用燈配備有調(diào)光控制器，以便根據(jù)不同光照場景的實(shí)驗(yàn)要求，分別設(shè)定不同參數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)燈具參數(shù)

2.2 照明場景設(shè)計(jì)

照明場景通過照度、色溫、照明方式3個(gè)變量進(jìn)行設(shè)定。被試眼位高度平面(距地1.2 m)的照度值設(shè)定為100 lx、 200 lx、400 lx三種；色溫設(shè)定為3 000 K、4 000 K、5 700 K；照明方式分A、B、C、D、E五種，通過調(diào)節(jié)直接、間接照明的比例形成(例如，照明方式A為100%直接照明，無間接照明；照明方式B為70%直接照明與30%間接照明的組合)。根據(jù)研究基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，通過調(diào)節(jié)3種變量，將200 lx、3 000 K和照明方式D作為共同條件，對實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行降維處理，組合成11種不同的照明場景。

2.3 實(shí)驗(yàn)問卷設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)問卷的設(shè)計(jì)包括四部分。第一部分是基本資料，包含性別、年齡等，此部分有助于后期數(shù)據(jù)的分類分析。第二部分是“焦慮自評量表”和“抑郁自評量表”，對被試的情緒狀態(tài)進(jìn)行醫(yī)學(xué)的甄別。第三部分是“語義差別量表”[6-7]，被試通過對12組形容詞(含視覺、情緒)的打分來描述在病房中休養(yǎng)的主觀感受，不考慮檢查、閱讀等其他需求。第四部分是“情緒自評量表”[8]，在心理學(xué)情緒研究的常用自評量表中，選擇6個(gè)問題描述不同場景下被試的主觀情緒狀態(tài)。

2.4 EEG數(shù)據(jù)采集及分析

實(shí)驗(yàn)EEG數(shù)據(jù)采集的儀器選用natus erurology-XLTEK EEG32U(32通道EEG儀器，圖3)，數(shù)據(jù)分析軟件選用XLTEKEEG v1.2(上海同濟(jì)醫(yī)院、華山醫(yī)院、瑞金醫(yī)院等醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科均用該軟件進(jìn)行臨床分析)。

圖3 Natus erurology-XLTEK EEG32UFig.3 Natus erurology-XLTEK EEG32U

2.5 被試選擇

實(shí)驗(yàn)選取了20位被試。其中男性10人，女性10人，年齡20～30歲；建筑及照明相關(guān)專業(yè)人員12人、非建筑及照明相關(guān)專業(yè)人員8人。由于需要采集被試生理數(shù)據(jù)，根據(jù)《醫(yī)療機(jī)構(gòu)管理?xiàng)l例》的規(guī)定，我們與被試人員簽訂知情同意書。

2.6 實(shí)驗(yàn)步驟

①被試進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，坐在病床上休息，填寫個(gè)人信息，適應(yīng)模擬空間光環(huán)境。②醫(yī)生為被試佩戴EEG電極(8通道)，連接電腦并檢查波形圖是否正常，確認(rèn)電極佩戴的準(zhǔn)確性和牢固性。期間主試發(fā)放問卷，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)介紹。③被試半躺休息，戴上眼罩(眼部照度控制在0.05 lx以下)，主試調(diào)換照明場景，間隔3 min。④摘下眼罩，適應(yīng)2 min后填寫問卷。⑤填寫完畢后安靜平躺1.5 min，記錄下該段EEG波形圖的起止，作為實(shí)驗(yàn)分析用的EEG數(shù)據(jù)。⑥重復(fù)步驟③～⑤，直至完成所有場景。⑦所有場景結(jié)束后，摘除電極，被試填寫“焦慮自評量表”和“抑郁自評量表”。實(shí)驗(yàn)實(shí)景見圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)實(shí)景照片F(xiàn)ig.4 Picture of the simulated CICU

3 初步數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為三部分：語義差別量表、情緒自評量表和EEG數(shù)據(jù)，其中EEG數(shù)據(jù)選擇O1、O2通道(大腦皮層情緒相關(guān)區(qū)域)中α、β、θ波的比值。軟件為Excel 2010和IBM SPSS Statistics 20。

3.1 獨(dú)立分析

對三部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析與處理，初步的分析結(jié)果由評分均值得出。

語義差別量表中：①就色溫而言(圖5)，3 000 K的評分均值顯著高于4 000 K和5 700 K。②就照度而言(圖6)，400 lx評分均值與200 lx相當(dāng)(略高)，顯著高于100 lx。③就照明方式而言(圖7)，B、C、D三種組合照明方式評分均值顯著高于A、E兩種單一照明方式，基本相當(dāng)。

圖5 語義差別量表得分均值-色溫 Fig.5 Semantic differential scale on CCT

圖6 語義差別量表得分均值-照度Fig.6 Semantic differential scale on illuminance

圖7 語義差別量表得分均值-照明方式Fig.7 Semantic differential scale on lighting modes

情緒自評量表中：①就色溫而言(圖8)，三種色溫評分均值沒有顯著的區(qū)別；②就照度而言(圖9)，400 lx評分均值與200 lx相當(dāng)(略高)，顯著高于100 lx；③就照明方式而言(圖10)，B、C、D評分均值高于A、E。

圖8 情緒自評量表得分均值-色溫Fig.8 Self-rating emotion scale on CCT

圖9 情緒自評量表得分均值-照度Fig.9 Self-rating emotion scale on illuminance

圖10 情緒自評量表得分均值-照明方式Fig.10 Self-rating emotion scale on lighting modes

EEG的數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，采用Kruskal-Wallis H Test進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，所有結(jié)果P>0.05，說明在實(shí)驗(yàn)設(shè)置條件下，尚不能認(rèn)為各組之間的O1、O2通道的α、β、θ波所占比例存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(圖11)。

圖11 不同條件下O1、O2通道腦電波Fig.11 EEG of O1, O2 on different conditions

3.2 相關(guān)性分析

由于EEG數(shù)據(jù)并不完全按照正態(tài)分布，因此采用spearman相關(guān)系數(shù)對各部分?jǐn)?shù)據(jù)之間相關(guān)性進(jìn)行分析。

①語義差別量表詞匯之間多數(shù)為顯著性相關(guān)或高度線性相關(guān)(表2)，量表效度低[9]，需要減少或調(diào)整詞組；②情緒自評量表各問題之間多為低度線性相關(guān)或不相關(guān)(表3)，量表效度高，能從不同方面反應(yīng)被試情緒的狀況；③語義差別量表與情緒自評量表具有較高的相關(guān)性(表4)；④EEG數(shù)據(jù)與兩份量表相關(guān)性較弱，但是O2通道的θ波與情緒自評量表中“亢奮程度”具有相關(guān)性；⑤在照明方式為變量的場景中，O2通道的β波與語義差別量表具有相關(guān)性(表5)，其余數(shù)據(jù)的相關(guān)性也有所提高。

表2 語義差別量表(Y)相關(guān)系數(shù)

表3 情緒自評量表(Q)相關(guān)系數(shù)

表4 語義差別量表(Y)與情緒自評量表(Q)相關(guān)系數(shù)

表5 O2通道β波與語義差別量表(Q)相關(guān)系數(shù)-照明方式

注：①**——在0.01水平上相關(guān)；*——在 0.05水平上相關(guān)。

②|r|<0.4為低度線性相關(guān)；0.4≤|r|<0.7為顯著性相關(guān)；0.7≤|r|<1為高度線性相關(guān)；r為相關(guān)系數(shù)。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的初步分析表明，主觀問卷及量表的形式是健康照明情緒實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)手段，已經(jīng)形成了一套完善的實(shí)驗(yàn)體系，是行為學(xué)、心理學(xué)與照明科學(xué)三者的結(jié)合，得出的結(jié)果具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，能滿足實(shí)驗(yàn)探索的需求。在健康照明的深入研究中，主觀問卷及量表依然是主要的實(shí)驗(yàn)手段。然而量表需要科學(xué)的設(shè)計(jì)——以往的實(shí)驗(yàn)中我們采用的語義差別量表信效度低，基本只能體現(xiàn)滿意度單方面的參數(shù)，并不能對被試情緒進(jìn)行多角度的統(tǒng)計(jì)與分析。這對心理學(xué)領(lǐng)域的涉獵提出了更高的要求，需要多角度的了解情緒的特點(diǎn)與光環(huán)境特性，通過實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)出普適的高信效度量表。

此外，本次實(shí)驗(yàn)中嘗試采用EEG作為實(shí)驗(yàn)方法，數(shù)據(jù)上并沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。經(jīng)過我們反思和討論，主要原因有以下幾個(gè)方面：①采用儀器和軟件主要針對臨床，就實(shí)驗(yàn)而言不夠精準(zhǔn)；②EEG波形容易受環(huán)境影響(如電線的電磁波等)，需要更加嚴(yán)格的環(huán)境降噪處理；③EEG數(shù)據(jù)在照明方式變量的場景中與量表體現(xiàn)出了較高的相關(guān)性，表明實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)置是影響EEG數(shù)據(jù)采集與分析的關(guān)鍵因素；④本實(shí)驗(yàn)中照度與色溫變化較小，根據(jù)情緒的極性，拉大光環(huán)境數(shù)值的變化，更能滿足情緒實(shí)驗(yàn)的要求[10]。因此，在接下來的工作中我們將通過改變實(shí)驗(yàn)光照條件，進(jìn)一步探討光環(huán)境、生理數(shù)據(jù)與情緒之間的關(guān)系，期望在主觀實(shí)驗(yàn)手段以外，找出客觀生理數(shù)據(jù)與情緒之間的聯(lián)系，總結(jié)更加科學(xué)與全面的情緒研究方法。

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ExperimentalMethodologyofEEGonLuminousEnvironmentandEmotion—ACaseStudyofCICUSimulationWard

ZENG Kun1, HAO Luoxi1，2
(1.CollegeofArchitecture&UrbanPlanningofTongliUniversity,Shanghai200092,China;2.KeyLaboratoryofEcologyandEnergy-savingStudyofDenseHabitat,MinistryofEducation,Shanghai200092,China)

With the development of technology on electrophysiology and image recognition, there are many new research methods of emotion in the experimental study on lighting and emotion, in addition to the traditional “scale design-self report” subjective experiment method. This research focus on the relationship between lighting environment of CICU and emotion. We use EEG as experimental method, combined with the traditional research methods of questionnaire. Through separate analysis and comparative study on subjective scale and EEG data, we evaluate the feasibility of subjective and objective experimental methods, to summarize scientific experimental methods.

emotion; experiment; scale; EEG; luminous environment; healthy lighting

國家自然科學(xué)基金資助(項(xiàng)目批準(zhǔn)號：51478321)，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助(項(xiàng)目編號：2017YB0403700)

TU1

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.008