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光与健康:面向未来的开拓与创新

  • Update:2015-07-15
  • 郝洛西,崔 哲,周 娜,姚懿芸,陈尧东
内容摘要
:随着中国城市化进程的不断发展、经济结构的逐步调整,城市人群的行为空间更多以室内为主。室内光环境难以满足人们对自然光照刺激的生理需求。自然光照的缺乏,是导致人体生理节律紊乱、心理情绪障碍等身心疾病的重要因素之一。本文着重介绍了光环境与人体健康的理论基础,归纳总结了国内外光健康领域在视觉功效、节律调节、情绪干预三个维度的科研动态。文章以循证设计为切入点,探讨了科学研究与设计实践之间的关系,指出循证设计在我国当前照明设计领域中的重要性及必然性;同时,介绍了作者团队多年来在循证设计方面的探索与应用,通过极地、医院、养老、起居、办公等人居空间的光照环境设计案例,阐述了对光健康理论的理念,也冀望对照明设计领域的未来发展提供新的思路。

 一、人居环境与光健康

 
光对人类的影响作用有三个方面:一是足够的光照让我们看清目标,这是光的视觉作用;二是日出日落的自然光照维持我们身体的生物钟,如睡眠和觉醒的周期,这是光的节律作用;三是光能够影响人们的情感和心理,起到情绪调节作用。照明方式不同和光照水平高低直接影响视看的清晰度、人对人或人对物体的辨识度,关系到行走和行车的安全。特定的光照可以提高人的睡眠质量,改善节律紊乱导致的睡眠障碍和用餐时间错乱。在北方的冬季和南方连续阴雨的季节里,许多人会出现情绪低落的状况,对这类患有季节性情感综合征(SAD)的人群,可以利用光照进行辅助治疗。因此,开展光与健康的研究在全民关注身心健康、强调人性化设计的今天,意义不言而喻。国内外研究的重点多集中在人脑视觉,需要深入理解视网膜的光信号和脑部的神经信号之间的转换功能和加工处理,探索如何利用光来改善健康、提升人类的幸福指数。
人体的生物节律大约每24 小时周而复始地重复,光是维持生物钟的主要刺激要素,与24 小时太阳日同步。要维持体内规律性的生物钟,人就需要暴露在足够水平的光照下,与太阳日保持一致。如果不能同步或节律发生破坏,人们就会面临生理功能、神经行为认知功能和睡眠质量低下的状况,从而严重影响人体的健康。照明对节律系统和视觉系统的作用机理是不一样的。如果要利用光照改善和缓解阿尔兹海默症、季节性情感综合征、时差和睡眠不足,我们就必须科学地研究照明的数量、光谱构成、光照分布、作用时间点和作用时长。这些是对节律起重要作用的光照控制要素。
这里所提到的人居环境是指一切服务于城市居民并为居民所利用,以居民行为活动为载体的各种物质设施的总和。包括居住生态环境、基础设施和公共服务设施三项内容。主要包括住宅、办公室、学校、医院、宾馆等建筑空间及周边环境。在这些空间中,使用的人群由于身体和工作的原因,长时间受限于室内,期待具有自然光照健康作用的人工照明,光成为现代人的渴望。得益于人类的第三类感光细胞——神经节细胞的发现和LED 照明技术的发展,光照在视觉、情绪、节律三个方面,可以获得突破性的应用。如今现代人普遍面临亚健康、工作压力大、生活节奏快,以及人人皆知但无法摆脱的电子屏幕阅读习惯。本文旨在探讨如何发挥光照有益于人体身心健康的作用,以及如何在人居环境中加以应用,进行超越照明的开拓和创新研究,这是光造福于人类特别有意义的一个新兴领域。
针对人居空间光照环境,同济大学建筑与城市规划学院郝洛西教授人居环境光健康研究团队,近年来以极地和医院为例,开展了一系列相关的实验、设计、应用的探索研究,积极倡导“光健康”理念及半导体超越照明的集成创新应用,积累了一些实验数据和工程应用心得,在此与同行分享。我们认为,一个拥有光健康概念的照明环境,不仅需要满足使用者的基本视觉功效,还应有针对性地调节使用人群的生理节律,进而对其心理情绪起到积极有效的干预。健康光照环境涵盖了“视觉功能、生理调节、情绪干预”三个方面,是一个适用于所有人居环境的、持续的、广泛的光环境概念。
 
二、健康光照循证设计研究综述
1. 循证设计(Evidence Based Design, EBD)研究及其重要意义
循证设计以循证学为理论基础,而循证学又起源于循证医学(Evidence Based Medicine,EBM)。David L. Sacket [1] 首次精确定义了循证医学,其核心价值为:基于客观的科学研究证据,结合实践经验,综合使用者意向,提出实际问题的最优解答。近年来,循证学的应用范围得到极大的延伸,在众多领域得到发展[2]。在照明设计领域,循证学的核心内容是:明确照明设计中需要解决的实际问题,通过实验研究,量化最佳光照环境参数,建立健康光照的理论基础,进而指导设计与应用。
目前,单纯从空间形态、艺术表达方面入手的设计已经无法满足趋于成熟的市场需求。设计行业出现了严重的同质化现象,在这个行业背__景下,循证设计可以帮助设计者走出迷雾,让设计方案的关键节点有理可述、有据可循,从而极大地提高方案的针对性,同时也就增加了设计的独特性以及针对性。
2. 健康光照的相关研究
健康光照环境领域的相关研究主要包含了生理节律、情绪干预及视觉功效三个方面。人类对于光照环境的研究,一直以来主要集中在视觉功效方面,并取得了丰硕的研究成果。经过长时间的科研积累以及CIE等国际学术组织的不懈努力,多数成果已经成为业界共识,并被制定成为规范,无论在全球层面还是各个国家层面,都得到了推广与应用。近年来,随着第三类感光细胞(mRGCs: melanopsin chontainingretinal ganglion cell 或ipRGC: intrinsically photosensitive retinalganglion cell,以下:mRGCs)和非视觉通路(non-visual formingsystem)的相继发现,光照环境与生理节律以及心理情绪之间的相关性研究,成为相关学术领域的热门话题和学术焦点。此类研究,期待量化光与人体生理及心理的作用,把光与健康联系在一起,大大拓展了传统照明领域的应用范围,具有巨大的研究价值及社会意义。
生理节律方面的研究显示:哺乳动物是通过视网膜感上分布的细胞来感知外部昼夜光照环境交替。视网膜上除了分布着锥状细胞与杆状细胞以外,还存在着含有黑视素的第三类感光细胞(mRGCs)[3,4]。mRGCs 接受光照刺激,作用于松果体,促进合成褪黑激素(MLT)。MLT 的分泌量增加可以促进慢波睡眠(slow-wave sleep)[5],进而调节人体生理节律。它有别于传统意义上的视觉通路(visual formingsystem),因此我们称之为非视觉通路。光照刺激以深夜0:00 为界,前半夜接受光照刺激,会导致人体生理节律相位推迟;后半夜接受光照刺激,会导致人体生理节律相位提前[6]。同质的光照刺激对人体生理节律调节作用的大小,随刺激时刻和作用时长的不同而改变[7]。人体生理节律相位同时受到清晨及黄昏时段光照刺激的影响,相位反应的大小约等于“提前(清晨光照刺激)”与“推迟(黄昏光照刺激)”的相位反应之和[8]。因此,高纬度的极端自然光照环境,对人体生理节律产生极大的影响。目前,学术界普遍认为,短波长的光照刺激对生理节律的调节作用更为明显。节律紊乱与进食紊乱有很强的相关性。伊藤武夫等人[9]试图通过调节患者生理节律,进而缓解患者进食紊乱症状。该研究量化评估了光照刺激与被试者三餐的饮食摄取量之间的关系。研究结果显示,高强度光照刺激有利于增加、稳定被试者的饮食摄取量。
情绪干预方面,在恒定色温条件下[10],照度与被试者的正面情绪具有正相关性。在一定照度范围内,被试者在较高的照度条件下呈现出更为积极的情绪[11,12]。RikardKüller 等人[13] 对四个不同纬度的国家共计988 名被试者进行了主观问卷调查,发现当照度超过阈值时,照度与正面情绪呈现出负相关性。也有研究[14] 表明,高照度的光照环境可以提高季节性情感障碍患者的活力。色温与情绪方面的研究[15] 显示,在四季分明的地区,中国居民对光色的偏好表现出季节性差异。英国IMIskra-Golec 等人[16] 通过对30 名白领女性工作者进行实验研究,发现低色温的光照环境更符合人们的情感需求。飞利浦研究中心的研究显示,基于时间变化的光照环境可以提高患者的正面情绪及满意度,同时缩短入睡时间。Igor Knez[17] 与Hoffmann 等人[18] 通过实验证明,照度、光色和显色性对被试的情绪均产生影响,且具有性别差异。
 
三、健康照明的循证设计与实践
基于健康光照循证设计的相关理论基础,同济大学郝洛西教授团队在极地生活空间、医院空间、养老空间、起居空间、办公空间等方面展开了一系列的科学研究,并将研究成果运用在一系列相应的建筑空间设计中。1. 极地科考站健康照明南极的自然环境具有与世隔绝、严寒、风暴频繁、干旱等特征,特殊的极昼极夜环境,会导致科考队员出现严重的节律紊乱,甚至导致“越冬综合征”。目前,长城站生活栋的室内光照环境多考虑视觉功效方面的因素。建造一个可以有效干预科考队员生理节律的健康光照环境,进而调节队员生理及心理健康状况,是我国南极科考站亟待解决的关键问题。
为改善这一现状,团队在国家“863”高技术研究发展计划(课题编号:2011AA03A114)的支持下,在长城站生活栋完成了“LED 照明的非视觉生物效应和对人体生理节律的影响”实验研究。研究通过改造生活栋光照环境,探讨不同光谱构成SPD 对人体生物周期及生理节律的影响。量化研究光照环境与人体昼夜节律之间的关系,从而改善科考队员的生活状态,弥补特殊自然光照环境对人体昼夜节律带来的不利影响。基于研究结论,我们提出了适宜极地站区建筑的自然光和人工光照环境的设计方法。其次,团队研制的“极地LED 情绪调节媒体界面”,已随中国第31 次南极科考队在中山站试用。通过彩色光和动态光,我们改善了由南极色彩单一引起的视觉剥夺问题,丰富了队员的视觉体验,从而起到调节情感的作用。同时,组织学生利用站内常见的废弃材料,制作LED 艺术装置。优秀作品制作说明书被运往南极,鼓励科考队员动手制作,改善科考队员枯燥的越冬生活,增加队员之间的沟通与交流,减少社会隔离带来的孤独感,有效调动了科考队员的正面情绪。(图1-4)
2. 医院空间健康照明
目前,国内医院空间光照环境大多以视觉功效为主,照明方式较为单一,光源选择有待改进,且没有形成一套针对不同空间、不同使用人群的智能照明系统。一方面,患者身处冰冷、单调的光照环境中,易产生紧张、焦虑、恐惧等负面情绪,甚至在康复后留下心理阴影;另一方面,医护人群工作强度大、工作时间不确定,容易导致生物钟紊乱,进而出现心理、生理及情绪问题。此外,患者家属也会因担心家人病情而产生焦虑的情绪,成为影响医患关系的隐患。如何将先进的医学技术与优质的照明体验巧妙地结合在一起,营造一种轻松舒适的治疗环境,综合考虑使用者的视觉功能、情感、昼夜节律需求,让患者身体康复的同时,降低心理伤害,安抚患者家属的情绪,并提高医护人员的工作效率,具有重大的研究意义、临床意义及社会意义。团队针对医院手术室、重症监护室及公共空间等各类医疗空间中的光照环境进行了大量的基础研究,探讨了光照刺激与不同人群的生理节律、心理情感及视觉功效之间的关系。
(1)手术室空间
上海第十人民医院心内科心导管手术室的照明改造,就是一次积极尝试。心内科医护人员在手术期间,心理生理均承受着巨大的压力;患者在介入手术的过程中采取的是局部麻醉,意识清楚,但又伴随着紧张恐惧的心理状态。因此,手术室空间光照环境不能只单纯考虑医护人员工作效率层面的问题,还要顾及医护人员及患者的心理情绪。照明设计除保证无眩光、高照度和良好显色性的视觉功效外,情感性光照设计更是需重点考虑的。
在手术室内增设医用情绪干预媒体界面,营造温馨愉快的室内氛围,使病患感到平静和舒适,从而放松心情配合手术。考虑到患者的卧式姿态及视线方向,巧妙地用LED 媒体界面替换原有的石膏板吊顶。针对患者的年龄性别及生理心理需求特点,可选择不同色彩、图案、亮度等的个性化照明。同时,变化颜色的媒体界面从视觉上还对病患有颜色唤醒诱导的作用,一定程度上也起到避免病患昏迷的辅助作用。适当的彩色光也能缓解医护人员的工作压力,提高工作效率,进而保证手术的正常进行。
针对上海长征医院的骨科手术室也开展了相关研究应用工作。与心内科导管手术室相比较,骨科手术患者处于全麻醉状态,无法感知外界光照刺激。因此,情绪干预媒体界面的应用对象主要针对医护人员。此外,由于骨科手术过程中会出现大量的流血现象,手术医生长时间观看红色的鲜血会出现视觉疲劳,因此室内色彩和媒体界面色彩的选择应考虑与红色的互补,以有效缓减医护人员的眼部疲劳。(图5、6)
(2)重症监护室
重症监护室(ICU)是医院为需要高度密集医疗照料的重病伤患所特设的病房。病区采用密闭式设计,医疗急救器械复杂,实施治疗气氛紧张,这对患者身心会产生极大的负面影响。病患面对死亡,无家人陪伴,易产生不安、恐惧、焦躁与孤独感,且长时间处于人工照明的环境中,生理节律逐渐紊乱。而医护人员的视觉作业也极其复杂,需同时保证水平和垂直照明需求。再加上医护人员需24 小时轮班照顾患者,生理节律一定程度上也受到影响。因此,重症监护室的照明设计需综合考虑使用者视觉、情感与节律的需求。
团队以国家自然科学基金(心血管内科CICU 空间光照情感效应研究,项目批准号:51478321)为支撑,对上海第十人民医院心内科CICU 夜间护理值班进行了跟踪观察,了解心血管内科CICU 光照环境现状及使用者的需求,并提出满足CICU 使用者需求的照明设计方法。研究以照度、色温、光色为变量,通过调节不同照明方式出光比例,量化研究CICU 空间光照环境与患者康复速率及医护效率之间的关系。实验设计搭建了一个足尺的心内科重症监护模拟室进行实验。每次进行实验均会有两个实验被试:一个是曾接受过心脏手术且已康复的患者,一个是正在心内科工作的护士。通过改变实验模拟室照明变量进行反复多项主观和客观实验,我们获得大量的各项技术参数指标,经过分析优化处理后,已得到初步成果,并已应用于上海第十人民医院心血管内科CICU 空间和上海长征医院胸心外科ICU 空间。(图7)
两家医院重症监护室均采用医用情绪及节律光照干预系统替换原有视觉功效照明,综合考虑了使用者视觉、情感及节律方面的光照需求。首先,我们根据人体昼夜节律的需求,不同时间段设置不同的照度与色温,初步实现了自然光照环境变化的模拟,通过非视觉通路对处于昏迷状态的患者起到节律调节的作用;其次,针对夜班护士的倒班工作,设置符合“昼息夜作”的照度、色温变化模式。同时,根据不同使用者的需求,对清醒病患和医护人员进行光照情绪干预,营造温馨平和的氛围。整个系统通过统一的控制模块进行控制,能实现不同的个性化需求。(图8、9)
(3)走廊、等候室等公共空间
团队还尝试探索光艺术装置在医院公共空间中对使用者情绪的影响作用。随着相关研究的推进和应用技术的进步,医疗环境中灯光、颜色、家具布置、声音等要素对提高医疗质量具有综合作用。因此,光艺术装置的设计综合了灯光形式、声音、色彩及图案设计等多个方面。以心内科设计的光艺术装置为例,设计团队以心脏造影图为原型,对之进行艺术处理,结合LED 颜色可变可控特性,表现心脏律动的、具有生机的形象,再配合舒缓音乐,呈现出一幅静谧的“声光挂画”。该装置体积小、移动灵活、安装方便,可安放在走廊、等候大厅等诸多公共空间。(图10)
3. 养老空间健康照明
据2010 年人口普查资料显示:目前,我国60 岁及以上人口有1.78亿,占总人口数的13.31%,并且从2013 年至21 世纪中期,中国将经历一个快速老龄化的过程,养老将成为严峻的社会难题。养老空间的居住环境与老年人的生活品质息息相关,其光照环境不仅影响着老年人的视觉,还对老年人的情绪及生理节律产生影响。首先,老年人由于视觉系统的衰退,导致其对眩光更加敏感,对动态光适应能力减弱,对空间的进深感感知能力、对颜色感知度及视觉敏锐度降低,暗适应时间及眼睛聚焦时间延长,所需光照刺激增加。其次,老年人由于身体机能的退行性变化,罹患各种身心疾病的几率大大增加,光照不足容易导致老年人出现孤独、焦虑、抑郁等情绪障碍。同时,光照不足引起的人体节律紊乱也会导致老年人出现夜间睡眠不足,昼间精神萎靡等问题。这些问题长期存在,还会引起老年人患痴呆症、抑郁症、心血管疾病等病症。因此养老空间的照明在有效满足功能的和视觉的照明需求之外,还需考虑情感和生理需求。
针对以上问题,我们试图通过研究,建立一套符合老年视觉特征、情感及生理需求的养老空间健康光照环境。通过对上海市某社会福利院的失智老人照料中心光照环境的调研分析,我们发现:(1)受到养老院运营成本及节能指标的限制,公共空间白天主要靠自然光提供照明,且采用单向采光,空间内部照度水平衰减剧烈;(2)太阳直射光引起的阴影、光斑、眩光等极端亮度环境容易引起老年人眩晕,并导致摔倒的可能;(3)照明器出光口面积小,导致局部光效巨大,形成严重的眩光;(4)室内照明完全没有考虑老年人的情绪及生理需求。在进一步的研究中,将对养老空间光照环境进行改造,以光照强度、照射时刻、照射时间为变量设置不同的照明场景,并分别对老年人的夜间睡眠质量、昼间活动量进行相应的实验研究。(图11、12)
4. 起居空间健康照明
起居空间是居民家庭生活的主要场所,集阅读、用餐、会客、工作、休闲等多种视觉作业形式于一体,其照明品质优劣直接关系着居住者的生活质量。随着社会经济和生活水平的发展,中国人对居住照明除了功能和视觉需求外,对居室照明还有人性化、智能化和健康的需求。据此,团队与德国OSRAM 合作,围绕中国人对起居空间光照环境的视觉偏好,进行了一系列的实验研究。结果显示:(1)在一定范围内,在相同照度和光分布下,被试的主观感受是明亮与清醒正相关,与温馨呈负相关;清晰与清醒正相关,与温馨呈负相关;柔和与温馨正相关,与清醒呈负相关;温暖与温馨正相关,与清醒呈负相关。(2)在相同照度和光分布下,被试认为色温4000K 的照明场景的主观亮度高于色温2700K。(3)被试对彩色色调的起居空间的照明满意度高于中性色调的起居空间,且在中性色调的起居空间,被试对荧光灯的满意度最高;在彩色色调的起居空间,被试对LED 的满意度最高。以上研究成果,为我国起居空间照明设计提供了数据支持及理论支撑。(图13)5. 办公空间健康照明照明灯具的出现以及电子显示技术的普及,直接影响着现代城市人群的工作节奏。办公空间成为此类人群的主要场所,其光照环境对工作效率、心理情绪及生理健康均有较大影响。然而,目前办公空间光照环境的评价体系及设计重心多基于视觉功效方面,对使用人群的情绪及健康的影响作用仍处于起步阶段。团队以国家自然科学基金为依托,结合循证设计的思路和方法,通过科学的调研、实验,探讨照度、色温等相关参数与办公人群的工作效率、心理情绪及生理节律方面之间的相关性。据此提出办公空间健康光照环境的设计策略及建议,为健康办公空间光照环境的评价体系和设计方法提供新的思路和实践方法。
 
四、健康光照应用展望
并不是在今天我们才思考光与人类健康的问题。事实上,正是因为光疗,丹麦医生芬森(Niels Ryberg Finsen)早在1903 年就获得了诺贝尔医学与生理学奖。如今,光在医学治疗上也获得了广泛应用,如小儿黄疸、皮肤病等;利用特定波长用于美容也取得了良好效果。近年来,窄带红光在创伤愈合、疼痛缓解方面,获得了广泛的临床疗效。2002年美国布朗大学Berson 等人发现人类视网膜上的神经节细胞(ipRGC),引发了科学界对光的非视觉生物效应研究的热潮。研究结果显示,人类第三类感光细胞对光的反应直接对人类的生理时钟、睡眠质量、荷尔蒙分泌,以及瞳孔收缩产生影响。科学研究也表明,不当的用光也会打乱人体的生理周期,抑制褪黑素分泌,从而可能引发癌症。这个结论已被美国医学联盟(AMA)以及国际暗天空协会(IDA)进一步证实。人们晚间在室内工作时间的延长或上夜班,对人的昼夜生物节律和健康产生负面的影响。研究证实光照对人的心率、体温调节能力等生理参数确实产生影响。
纵观人类今天的工作和生活环境,健康问题日益凸显。一方面,长久待在室内直接导致人们获得日照时间减少,影响了人们的身体健康;另一方面,人们面对巨大的社会压力在心理上出现了失衡问题,心理和精神疾病患者增加。身心不健康成为现代人普遍存在的亚健康常态。另外,日益恶化的环境问题和严峻的老龄社会问题,都让人们开始着手如何能够借助于光,让人类的生活和工作环境变得更加有益于健康或有助于病患的康复。因此,当今光健康作为超越照明应用的代表细分领域,越发得到全球科学家和照明领域学者的热切关注。
半导体照明所引发的颠覆性创新并不只拘泥于功能照明,伴随着智能互联照明、智能可穿戴设备、LED 可见光通信、UV LED 技术、数字化控制、互联网思维,在人居环境中光健康的应用将从视觉作用拓展到情绪调节、节律修复等更加广泛的“光疗”效用,一系列模拟日光作用的“光疗配方”经过循证性研究设计,会在医院、老年公寓、酒店、学校、办公室、美容院等各类建筑空间中加以推广和应用,光与照明助力人类身心健康将是又一个令人欣喜的伟大创举!
 
* 基金项目:国家自然科学基金项目资助(项目批准号:51478321),国家自然科学基金项目资助(项目批准号:51178320)。
 
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