曾 堃，郝洛西,2

(1.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092； 2.高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室，上海 200092)

EEG作为光与情绪实验方法的探讨
——以心内科CICU模拟病房白光环境实验为例

曾 堃1，郝洛西1,2

(1.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092； 2.高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室，上海 200092)

随着电生理技术和图像识别技术的发展，在光与情绪的实验中，除了传统的“量表设计—自我评价”的主观实验方法外，出现了许多新的情绪研究方法。本文针对心内科CICU病房白光环境要素与情绪的关系，将EEG作为实验手段，结合主观问卷的传统研究方法，通过对主观量表和EEG数据的各自分析和对比研究，探讨主、客观实验方法的可行性，总结科学的情绪实验设计和方法选择。

情绪；实验；量表；EEG；光环境；健康照明

引言

光照环境不仅影响视觉功效，还与身心健康息息相关。循证设计(Evidence Based Design)[1]，是在循证医学和环境心理学基础上诞生的一种设计思想，强调用科学的研究方法和统计数据，证实建筑与环境对健康的实证效果和积极影响，这就对健康照明的设计及研究提出了更加科学客观的实验要求。随着现代生物医学工程技术和图像识别技术的发展，利用电子科学技术实现了生理信号的检测和分析，我们也有了更多的实验方法选择。同济大学光环境实验室通过主观问卷对心血管内科重症监护室(CICU，Cardiac Intensive Care Unit)光照情感效应进行了实验研究，得出了一系列实验结果[2]。在此研究结果的基础上，本文将EEG(Electroencephalogram，脑电波)信号检测作为实验手段，结合主观问卷及情绪量表，对健康照明的情绪相关实验方法进行了初步的探讨。

1 研究基础

实验通过主观问卷评价的方法，研究了白光环境下CICU模拟病房，照度、照明方式、色温与使用人群(病患、医护人员)视觉及情绪之间的相关性，得出白光环境下CICU模拟病房健康光照环境的设计参数如下[3]：

针对病患而言，实验结果显示：①当照度为200 lx时，病患的满意度达最大值；其次是400 lx；当照度为100 lx时，病患的满意度达最小值。②在照度、色温一定的情况下，间接照明的比重与病患满意度成正相关。③当色温为3 000 K时，病患的满意度达最大值；其次是4 000 K；当色温为5 700 K时，病患的满意度达最小值。综上，当病患在CICU模拟病房休养时(不考虑检查、阅读等其他需求)，他们最倾向于照度200 lx，色温3 000 K，间接照明占70%以上的光照环境。

2 实验设计

根据上述实验结论，选择合适的参数组合设置实验场景，搭建实验间，进一步进行主客观实验方法研究。

2.1 实验室搭建

基于研究基础，实验选择单人CICU空间的典型平面，借鉴以模拟空间为评价对象的实验方法[4-5]，在同济大学建筑与城市规划学院光环境实验室1∶1搭建了CICU模拟实验室(图1、图2)。模拟病房尺寸为4 m×2.7 m×2.8 m，病床居中布置，床头处配备多功能医用设备带。病床一侧放置床头柜，一侧配有输液架。L型医用隔帘(l=88.51，a=-1.13，b=12.86)分隔单人病床的休息空间。室内天花的材质为白色石膏板(l=94.52，a=-0.41，b=1.95)，侧墙为灰色木板(l=74.18，a=-0.63，b=0.22)，地面为深灰色地毯(l=36.14，a=-1.76，b=1.83)。实验全程无自然光入射。

图1 模拟病房实验间平面Fig.1 Layout of the test-room

图2 模拟病房实验间天花平面Fig.2 Layout of the ceiling

我们在1.2 m平面(病患半躺休息时的眼位高度)设置了4个测量点(X1～X4)，自动记录实验过程中相应位置的照度、温度、相对湿度的变化状况，测量间隔为10 s。所有实验场景中，室内温度设定为24 ℃，相对湿度控制在30%。

面板灯(直接照明)采用4组尺寸为300 mm×900 mm的55 W NLED面板灯，电流0.25 A，色温有3种，分别为3 000 K、4 000 K和5 700 K，安装方式为嵌入式。床头灯(间接照明)采用了56 W LED Celino BCS680，色温为3 000 K、4 000 K和5 700 K，安装于病患床头处的侧墙。实验用灯配备有调光控制器，以便根据不同光照场景的实验要求，分别设定不同参数。

表1 实验灯具参数

2.2 照明场景设计

照明场景通过照度、色温、照明方式3个变量进行设定。被试眼位高度平面(距地1.2 m)的照度值设定为100 lx、 200 lx、400 lx三种；色温设定为3 000 K、4 000 K、5 700 K；照明方式分A、B、C、D、E五种，通过调节直接、间接照明的比例形成(例如，照明方式A为100%直接照明，无间接照明；照明方式B为70%直接照明与30%间接照明的组合)。根据研究基础的实验结论，通过调节3种变量，将200 lx、3 000 K和照明方式D作为共同条件，对实验变量进行降维处理，组合成11种不同的照明场景。

2.3 实验问卷设计

实验问卷的设计包括四部分。第一部分是基本资料，包含性别、年龄等，此部分有助于后期数据的分类分析。第二部分是“焦虑自评量表”和“抑郁自评量表”，对被试的情绪状态进行医学的甄别。第三部分是“语义差别量表”[6-7]，被试通过对12组形容词(含视觉、情绪)的打分来描述在病房中休养的主观感受，不考虑检查、阅读等其他需求。第四部分是“情绪自评量表”[8]，在心理学情绪研究的常用自评量表中，选择6个问题描述不同场景下被试的主观情绪状态。

2.4 EEG数据采集及分析

实验EEG数据采集的仪器选用natus erurology-XLTEK EEG32U(32通道EEG仪器，图3)，数据分析软件选用XLTEKEEG v1.2(上海同济医院、华山医院、瑞金医院等医院神经内科均用该软件进行临床分析)。

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

2.5 被试选择

实验选取了20位被试。其中男性10人，女性10人，年龄20～30岁；建筑及照明相关专业人员12人、非建筑及照明相关专业人员8人。由于需要采集被试生理数据，根据《医疗机构管理条例》的规定，我们与被试人员签订知情同意书。

2.6 实验步骤

①被试进入实验室，坐在病床上休息，填写个人信息，适应模拟空间光环境。②医生为被试佩戴EEG电极(8通道)，连接电脑并检查波形图是否正常，确认电极佩戴的准确性和牢固性。期间主试发放问卷，进行实验介绍。③被试半躺休息，戴上眼罩(眼部照度控制在0.05 lx以下)，主试调换照明场景，间隔3 min。④摘下眼罩，适应2 min后填写问卷。⑤填写完毕后安静平躺1.5 min，记录下该段EEG波形图的起止，作为实验分析用的EEG数据。⑥重复步骤③～⑤，直至完成所有场景。⑦所有场景结束后，摘除电极，被试填写“焦虑自评量表”和“抑郁自评量表”。实验实景见图4。

图4 实验实景照片Fig.4 Picture of the simulated CICU

3 初步数据分析

实验数据分为三部分：语义差别量表、情绪自评量表和EEG数据，其中EEG数据选择O1、O2通道(大脑皮层情绪相关区域)中α、β、θ波的比值。软件为Excel 2010和IBM SPSS Statistics 20。

3.1 独立分析

对三部分实验数据分别进行统计学分析与处理，初步的分析结果由评分均值得出。

语义差别量表中：①就色温而言(图5)，3 000 K的评分均值显著高于4 000 K和5 700 K。②就照度而言(图6)，400 lx评分均值与200 lx相当(略高)，显著高于100 lx。③就照明方式而言(图7)，B、C、D三种组合照明方式评分均值显著高于A、E两种单一照明方式，基本相当。

图5 语义差别量表得分均值-色温 Fig.5 Semantic differential scale on CCT

图6 语义差别量表得分均值-照度Fig.6 Semantic differential scale on illuminance

图7 语义差别量表得分均值-照明方式Fig.7 Semantic differential scale on lighting modes

情绪自评量表中：①就色温而言(图8)，三种色温评分均值没有显著的区别；②就照度而言(图9)，400 lx评分均值与200 lx相当(略高)，显著高于100 lx；③就照明方式而言(图10)，B、C、D评分均值高于A、E。

图8 情绪自评量表得分均值-色温Fig.8 Self-rating emotion scale on CCT

图9 情绪自评量表得分均值-照度Fig.9 Self-rating emotion scale on illuminance

图10 情绪自评量表得分均值-照明方式Fig.10 Self-rating emotion scale on lighting modes

EEG的数据不符合正态分布，采用Kruskal-Wallis H Test进行非参数检验，所有结果P>0.05，说明在实验设置条件下，尚不能认为各组之间的O1、O2通道的α、β、θ波所占比例存在统计学差异(图11)。

图11 不同条件下O1、O2通道脑电波Fig.11 EEG of O1, O2 on different conditions

3.2 相关性分析

由于EEG数据并不完全按照正态分布，因此采用spearman相关系数对各部分数据之间相关性进行分析。

①语义差别量表词汇之间多数为显著性相关或高度线性相关(表2)，量表效度低[9]，需要减少或调整词组；②情绪自评量表各问题之间多为低度线性相关或不相关(表3)，量表效度高，能从不同方面反应被试情绪的状况；③语义差别量表与情绪自评量表具有较高的相关性(表4)；④EEG数据与两份量表相关性较弱，但是O2通道的θ波与情绪自评量表中“亢奋程度”具有相关性；⑤在照明方式为变量的场景中，O2通道的β波与语义差别量表具有相关性(表5)，其余数据的相关性也有所提高。

表2 语义差别量表(Y)相关系数

表3 情绪自评量表(Q)相关系数

表4 语义差别量表(Y)与情绪自评量表(Q)相关系数

表5 O2通道β波与语义差别量表(Q)相关系数-照明方式

注：①**——在0.01水平上相关；*——在 0.05水平上相关。

②|r|<0.4为低度线性相关；0.4≤|r|<0.7为显著性相关；0.7≤|r|<1为高度线性相关；r为相关系数。

4 结论

实验数据的初步分析表明，主观问卷及量表的形式是健康照明情绪实验中的科学手段，已经形成了一套完善的实验体系，是行为学、心理学与照明科学三者的结合，得出的结果具有显著的统计学意义，能满足实验探索的需求。在健康照明的深入研究中，主观问卷及量表依然是主要的实验手段。然而量表需要科学的设计——以往的实验中我们采用的语义差别量表信效度低，基本只能体现满意度单方面的参数，并不能对被试情绪进行多角度的统计与分析。这对心理学领域的涉猎提出了更高的要求，需要多角度的了解情绪的特点与光环境特性，通过实验研究设计出普适的高信效度量表。

此外，本次实验中尝试采用EEG作为实验方法，数据上并没有统计学差异。经过我们反思和讨论，主要原因有以下几个方面：①采用仪器和软件主要针对临床，就实验而言不够精准；②EEG波形容易受环境影响(如电线的电磁波等)，需要更加严格的环境降噪处理；③EEG数据在照明方式变量的场景中与量表体现出了较高的相关性，表明实验条件的设置是影响EEG数据采集与分析的关键因素；④本实验中照度与色温变化较小，根据情绪的极性，拉大光环境数值的变化，更能满足情绪实验的要求[10]。因此，在接下来的工作中我们将通过改变实验光照条件，进一步探讨光环境、生理数据与情绪之间的关系，期望在主观实验手段以外，找出客观生理数据与情绪之间的联系，总结更加科学与全面的情绪研究方法。

[1] 金鑫，张勇，格伦. 基于循证设计理念的医院急诊医学科服务效率研究——以北京朝阳医院为例[J].城市建筑，2012(5)：45-47.

[2] 徐俊丽,郝洛西,崔哲. 基于视觉舒适的心内科CICU空间光照实验研究[J]. 照明工程学报,2015,26(6):1-6.

[3] 徐俊丽. 医院建筑健康光照环境研究——以心血管内科CICU病房为例[D].上海：同济大学,2016.

[4] STIDSEN L, KIRKEGAARD P H, SABRA J, et al. Design proposal for pleasurable light atmosphere in hospital wards[J]. Knemesi, 2010.

[5] GYU P P J, CHANGBAE P. Color Perception in Pediatric Patient Room Design: American versus Korean Pediatric Patients.[J]. Herd, 2013, 6(4):10-26.

[6] MEHRABIAN A, RUSSELL JA. The basic emotional impact of environments. Perceptual and Motor Skills, 1974，38: 283-301.

[7] 杨公侠. 视觉与视觉环境[M]. 上海：同济大学出版社, 2002.

[8] PURVES Dale, AUGUSTINE George J. Neuroscience: Third Edition. inauer Associates Inc.,U.S., 2004.

[9] 孙晓艳, 李怡雪, 余灿清,等. 中文版抑郁量表信效度研究的系统综述[J]. 中华流行病学杂志, 2017, 38(1):110-116.

[10] 曾堃, 郝洛西. 适于健康照明研究的光与情绪实验方法探讨[J]. 照明工程学报, 2016, 27(5):1-8.

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

国家自然科学基金资助(项目批准号：51478321)，国家重点研发计划资助(项目编号：2017YB0403700)

TU1

A

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