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            新聞導航

            面向人居健康的光環境循證研究與設計實踐

            來源:www.2020btvge.work 發布時間:2020-10-23 返回

                   光通過視覺與非視覺生物作用,對人的視力健康、生物節律、情緒認知、代謝與免疫等方面產生廣泛影響,是建筑、光學、生命科學、環境工程等學科前沿領域共同聚焦的人居健康關鍵技術。文章分析了光在人居空間中的療愈作用,闡述了循證研究與設計在營造人居健康光環境中的價值與必要性,并展示了作者團隊基于循證理論,以問題為導向、建成環境為載體、實現人居健康為目標,面向全齡人群和各類人居空間,在南極科考站及醫養建筑中開展的一系列光與健康的探索與實踐。

              一、引言——光與人居健康

              2019年5月16日——第二個“國際光日”,教科文組織總干事奧德蕾·阿祖萊(Audrey Azoulay)女士以“對光的理解和運用惠及全人類”為主題致辭,她指出從宇宙的起源到各種新技術,從X射線到無線電波,在醫學、農業、能源、光學等諸多領域,光塑造了人類的世界,成就了科學和技術的飛躍,其所具備的天然功用及其在科學技術方面的應用,是人類社會日常生活中不可或缺的元素,也是實現聯合國《2030年可持續發展議程》各項目標的關鍵所在[1]。

              從古埃及時代人們在室內設置彩色玻璃,利用透過玻璃的不同色澤太陽光線照射身體來治療疾病,到127年前丹麥醫生尼爾斯·芬森(Niels Ryberg Finsen)憑借應用光輻射療法治療尋常狼瘡、天花等皮膚病的開創性貢獻獲得了諾貝爾醫學與生理學獎,人類對光健康的探索歷史悠久。然而光健康真正作為人居環境學科的重要研究內容則是近20年來的事件。

              一方面,半導體照明技術突飛猛進的跨越式發展,使便于調光、易于實現場景定制的LED光源獲得了大規模應用;另一方面,隨著2002年美國學者大衛·伯森(David Berson)等人發現了人眼第三類感光細胞——內感光視網膜神經節細胞“ipRGCs”[2],光照視覺與非視覺作用機制日漸清晰,人類步入了健康光環境研究的細分領域,將光的研究與設計實踐從空間營造、視覺功效拓展到生理調節、情緒干預與認知改善等多個方面,并嘗試將空間中的光作為積極的環境要素,來提升人居健康福祉。

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            聯合國教科文組織“國際光日”圖標

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            1906年英國倫敦的一家醫院使用“芬森燈”進行狼瘡治療

              二、光在人居空間中的療愈作用

              快速城市化使社會經濟發展、人民生活水平提高的同時亦帶來了嚴峻的人居健康挑戰。人口結構的深度老齡化,社會生活節奏的不斷加快,工作學習競爭壓力的日益加重,以及電子智能設備的頻繁使用,在導致一系列視覺健康問題的同時也加劇了各種身心疾病的發病風險。

              從健康促進源頭入手,對失衡狀態進行主動調節的各種健康干預技術、手段和方法亟需探索與發展。光是人居空間物理環境的主要構成要素,具有“視覺—生理—心理”的多維度健康作用。健康建筑領域普遍認同的WELL標準與哈佛大學公共衛生學院氣候、健康和全球環境中心提出的健康建筑九大基礎要素,都將光環境作為重點內容。

              可以肯定,通過對光照數量、空間光分布、光源光譜、光照策略的合理設定,以及光照景觀、光藝術媒體界面的定制設計,將光作為直接有效、安全無副作用的人居環境主動健康干預手段來消除環境致病因素帶來的負面影響,有著相當重要的研究意義。

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            光照的療愈效應及其在健康建筑中的應用

              2.1 光環境與視覺健康

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              人眼視覺功能、視覺作業與光環境之間存在著相輔相成的作用關系。大量研究圍繞著匹配青少年、成年人、老年人等各類人群視覺能力與紙面、視頻顯示終端(VDT)、精細加工等不同作業條件,實現最  佳視覺績效和視覺舒適所需要的光環境參數而開展。在以國際照明委員會(CIE)、美國學者彼得·博伊斯(Perter Boyce)[5]為代表的學術組織和研究人員共同的不懈努力下,人們就照度、亮度、視野亮度分布、光源光色和顯色性等個光環境要素對視覺質量的影響作用不斷形成共識,國內外各項行業標準、規范陸續出臺也指導著建筑光環境的設計實踐。

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            人眼視覺功能、視覺作業、光環境間的相互關系

              2.2 光照與生物節律

              人體內存在著一個被稱作為“生物節律”的特殊時鐘,調控著睡眠、進食、新陳代謝、激素分泌以及免疫應答等大多數生理過程,維持著機體的健康穩態[6]。

              生物節律紊亂在引起肥胖、癌癥、神經退行性病變等多種疾病的同時也影響著疾病的治療與康復。光照是人體生物節律最重要的授時因子,在視錐細胞和視桿細胞之外,哺乳動物視網膜上存在的第三類感光細胞——視網膜特化感光神經節細胞(ipRGCs)具有光敏性,能夠直接感受光刺激并將光信號投射到節律的控制中樞——視交叉上核(SCN)[7],形成光的非圖像視覺作用通路,影響松果體褪黑激素以及皮質醇等人體重要激素的分泌,從而實現對生物節律的調節[8]。

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            光的視覺與非視覺作用通路

              光的節律效應是人因健康光環境研究實踐的核心聚焦點。教室、辦公室、醫院以及地下空間等各類人居場所紛紛引入了全天候的動態節律照明系統來改善人員夜間睡眠質量與日間覺醒狀態下的精神注意力及警覺性。節律刺激已成為衡量健康光環境的關鍵指標,其影響效應的定量評估是目前國內外相關領域關注的新重點。

              2.3 光的情感效應

              一方面,美國執業醫師約翰·辛德勒(John A. Schindler)在其著作《病由心生》(How to Live 365 Days a Year)[9]中指出,高達76%的疾病與不良情緒相關。通過合理的方法調理情緒,保持樂觀積極心態是防治疾病、促進身心健康的關鍵。明亮白光療法在20世紀80年代被引入季節性情感障礙的治療并效果顯著,后續臨床研究結果亦表明光照對于治療產后抑郁癥、經前綜合癥、非季節性情感障礙具有積極作用。

              另一方面,光、色彩與空間共同形成的視覺環境傳遞著情感語言,讓光與人類的認知和情感體驗產生了緊密聯系。照明心理學研究的開拓者約翰·弗林(John Flynn)證明了光環境的變化將引起人們對空間感、視覺清晰度、隱私、愉悅感、放松感、復雜性的不同反應。光與色彩產生的視知覺影響,經常被用來營造空間情境和氛圍從而調動情緒并引起特定的心理感受。譬如詹姆斯·特瑞爾(James Turrell)的一系列沉浸式光藝術作品通過情境中的感官共鳴,建構了從迷幻到超現實的情感體驗。

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            詹姆斯·特瑞爾的沉浸式光藝術作品

              三、健康光環境的循證研究

              3.1 循證研究的價值與必要性

              盡管光健康實踐背后有著強力的科學基礎支撐,然而它的示范應用卻困難重重。一方面,由于研究對象的個體特征顯著,處于生命不同階段的各類人群——兒童、青少年、老人、孕產婦、病患有著不同的生理、心理特點及各自的健康光照需求;另一方面,由于人與建成環境各個要素間存在著錯綜復雜的交互作用,在實驗室中了解到的光健康機制很難被直接應用在建筑空間中,設計方案取得實際健康改善效果難以預測。

              循證研究(Evidence Based Research,簡稱“EBR”)及循證設計(Evidence Based Design),是在循證醫學和環境心理學基礎上誕生的跨學科設計思想,它強調通過科學研究方法和統計數據來獲得實證依據,從而進行決策,以實現最 佳效果。

              因此,循證研究與設計是光健康理論研究向應用實踐轉化的必經之路。它以問題為導向,通過在應用場景下的實證研究,確定最 佳光照設計參數組合,并在投入使用過程中不斷進行修正與優化,從而使各項具體的光環境健康目標得以實現。貫穿于研究、設計、應用、評估整個過程的循證策略成為一把標尺,幫助設計者走出迷霧,讓設計方案的各個節點有理可述、有據可循,亦增加了設計的獨特性與針對性,讓每項決策都能帶來最大化的健康效益。

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            光健康理論研究、應用實踐和循證研究與設計間的關聯

              3.2 全鏈程健康光環境設計循證實踐

              健康光環境的循證研究與設計是一個基于觀察和實驗研究,收集證據、檢驗假設、尋求最 佳解決方案的系統性過程,它包括調研與需求分析、循證實驗研究、采光與照明系統研發、檢測認證、示范應用和使用后評估(POE)五個關鍵環節。

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              ●調研與需求分析

              調研與需求分析是光健康循證實踐的重要基礎工作,旨在通過文獻研究、數據實測、縱向跟蹤觀察以及問卷采訪等多種途徑全面、系統地了解目標空間的光環境現狀以及使用者的行為、生理、心理特點,從而梳理現狀問題和健康光照調節需求,明確光健康的干預目標。

              ●主客觀循證實驗

              光健康循證實驗在大量已有理論研究的基礎上展開,旨在通過主客觀結合、相互驗證的實驗研究方法量化不同光照條件下人員視覺績效及生理、心理指標的變化,獲得對身心健康狀態具有改善作用的光照參數組合,為后續采光與照明系統的研發和光環境設計工作提供科學依據。

              為了創建具有臨場感的高保真實驗場景,獲得具有生態效度的研究結論,在應用實踐中進行指導,筆者團隊(以下簡稱“團隊”)搭建了足尺實驗間,室內空間布局、界面材料、裝飾陳設按照目標應用環境真實還原,同時招募目標使用者作為被試人員。以失智老人、癌癥病患等特殊群體為對象的實驗研究,則引入了虛擬現實(VR)技術作為光照場景的展示手段,沉浸式的實驗場景呈現,賦予被試者身臨其境的主觀體驗,使以往由于被試行動障礙無法開展的實驗研究得以照常進行。

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            心內科CICU重癥監護病房光環境循證實驗研究

              為了盡可能科學、準確地量化光環境對人體健康產生的影響,取得可靠參數,團隊改進了單純采用主觀評價的傳統實驗方法,嘗試將褪黑素、皮質醇激素時間生物分析、腦電生理信號的檢測等客觀手段與主觀量表結合使用,通過“多方法同時測量、相互印證”來收集涉及節律震蕩、情緒認知、績效和疲勞等多個復雜生理、心理過程的人體性能數據。

              ●系統研發與測試認證

              基于多項循證實驗成果,團隊完成了“旨在情緒與節律改善的健康型光照系統”研發,將各項健康光照干預技術系統集成,形成標準化、系列化、模塊化和通用化的產品在各類人居空間中的靈活應用。

              系統由節律調節、情緒干預、智能控制三個模塊組成。節律模塊同時滿足高品質的室內功能照明和節律調節的雙重光照需求。在不改變視覺舒適光環境光源色品坐標與照度的基礎上,通過光譜調整提供具有節律效應的光照刺激。情緒模塊則應用了“光介質層以及基于該光介質層的媒體界面構造技術”和“光照情感效應媒體界面顯示技術”兩項專利技術,在低像素LED基層上呈現出高質量藝術化圖像,并實現了針對特定人群、特定環境的情感性光照媒體圖像定制。智能控制模塊內置可編程控制器,能夠精準控制光照強度、光照時間、光照時長、光源色溫以及空間光分布等各項技術參數,實現人工健康光照目標的靶向動態控制。

              檢測認證同樣是光健康循證實踐的必要環節以保證采光與照明系統的長期安全性與可靠性。研發完成的燈具產品、附件和控制設備需要委托國家授權的第三方檢測機構進行測試,在通過光生物安全評估,取得檢測合格證書,并經過相關單位的項目工程驗收、竣工驗收后方投入使用[10]。

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            健康光照系統在心內科CICU重癥監護病房中的應用(左圖)、健康光照系統在眼科手術室中的應用(右圖)

              ●示范應用與使用后評估

              光環境對健康的長期累加影響及健康效應評價在示范應用和使用后評估(Post Occupancy Evaluation,簡稱“POE”)中完成。POE通過問卷、訪談、工作會議以及環境監測等客觀手段,科學、嚴謹地對完成應用且經過一段時間運營的健康光環境工程進行評估。開展POE工作不僅是為了構成完整的信息反饋系統,全面客觀地評價研究與設計成果,更是為后期其他循證研究項目的進行和相關標準規范的制定提供理論與數據支持。

              四、光與空間的健康設計

              4.1 針對極端環境的健康支持光照技術-南極科考長城站、中山站健康光環境改造

              南極洲嚴寒、暴雪、強紫外線的惡劣自然環境與封閉、隔絕、行動受限的特殊社會環境為考察隊員身心健康帶來雙重挑戰,越冬綜合癥、極地T3綜合癥、睡眠質量差等生理與心理癥狀嚴重影響了科考隊員的生存質量,阻礙了科考任務的順利進行。南極大陸光與視覺環境的顯著特征更是科考隊員出現節律和情緒問題的主要誘因。

              極晝極夜導致人類進化的生物節律與環境的光-暗周期完全“失同步”;“白色荒漠”元素單調、缺少色彩造成的感官剝奪促使各種負面情緒產生;高亮環境眩光強烈、視覺舒適度差給生活作業帶來諸多不便[11](見表1)。

            表1. 南極長城站生活棟實測亮度

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            注:表中的數據為作者郝洛西教授在南極長城站生活棟實測(亮度計型號為XYL-Ⅲ全數字亮度計)

              2013年在國家“863”高技術研究發展計劃等重大課題的支持下,筆者參加了第29次南極科學考察,在為期3個月的度夏科考期間完成了“LED照明的非視覺生物效應及其對人體生理節律的影響”實驗研究?;谠谡緦嶒炑芯拷Y論,以改善晝夜節律失調癥狀、豐富視覺體驗、調節情緒為目標,制定了人工健康光照干預策略來彌補南極洲特殊環境對人體身心健康的不利影響;并從科考隊員日常任務執行和生活狀態出發,提出了適宜極地站區建筑的光環境設計方法和導則,完成了長城站生活棟的健康光照改造。

              南極中山站地處東南極大陸的拉斯曼丘陵,相對于長城站生存環境更為艱苦、隔絕,越冬隊員的生理心理變化更加顯著。團隊與中國極地研究中心合作,繼續以應對極端環境生命挑戰的人因健康支持為主線,在中山站進一步探究極夜期的健康光環境策略。

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            南極中山站科考隊員在進行健康光照實驗(左圖)、療愈光照在南極長城站的應用(右圖)

              4.2 旨在療愈的醫養空間健康光環境營造——溫州醫科大學附屬眼視光醫院醫教樓健康照明工程

              團隊承擔的“十三五”國家重點研發計劃——《面向健康照明的光生物機理及應用研究》的項目科研成果在合作單位溫州醫科大學附屬眼視光醫院中實現了落地應用。該院成立于1998年,是目前國內規模最大、層次最高、最早開展眼視光科學研究的醫療科研機構。光與視覺健康關聯緊密,此項在國際一流水平專業眼科醫院中開展的健康照明工程實踐是光照療愈理念的最 佳宣傳與展示窗口。

              視覺健康問題帶來的疾病負擔不僅是視力損失,還涉及到影響生活質量的諸多方面。眼睛是心靈的窗戶,異常情緒是多種眼疾的典型癥狀表現,也是青光眼等視覺疾病發病的主要原因[12]?;诖?,團隊確定了陽光多巴胺、健康光“視”界的療愈設計主題,關注低視力人群的視覺與情感特殊需求,針對眼科醫療全流程進行健康光照的循證研究與設計,提出了低視覺負荷情感性光環境設計理念,即通過環境調整,減少空間中需要處理的復雜視覺信息、消除視覺干擾要素,營造出符合眼科病患視覺能力與認知水平的空間環境,從而借助光照的療愈力量,提升患者的就醫體驗。

              該院門診大廳采用氣候響應式的光環境設計,根據室外氣候狀況與光線變化來平衡室內人工光和自然光的光照強度,踐行節能減排目標;通過逼真的自然光光譜與光色模擬,來激發人員積極的情緒響應。設計實踐創新性地將醫療大數據置入門診智能照明控制系統,發光天棚中心彩色光圈大小隨門診量增減而變化,使醫院的運營信息得以藝術化、可視化地呈現;周一至周日的主題色彩變換,更為患者和醫護人員創造了多樣的空間氛圍體驗。原本靜態穩定的建筑空間轉化成為與人互動的動態環境,大大增強了體驗感。

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            溫州醫科大學附屬眼視光醫院門診大廳建成效果

              根據空間尺度與功能特點,團隊定制設計了一系列既能夠傳達積極情感信息又避免過度刺激的光照媒體界面,安裝于該院門診大廳、候診廳、診室、麻醉室、手術室、日間病房等各個區域,在患者就醫全過程中提供情感支持。例如,安裝在候診廳的“世界上最美眼睛”光媒體裝置,重點考慮了人員通行過程中的視野移動及空間導向需求,以五大洲不同人種的眼睛作為素材,利用特殊的光柵材料,通過多層圖像和導光板疊加,在平面上展現動態效果,視看者在裝置前走動便可以不借助任何設備看到界面圖像上眼睛的眨動。光柵柱鏡厚度、曲率半徑、光柵節距的選定經過了多次對比試驗,既控制眼睛眨動的快慢,同時也消除了帶來眩暈視感的黑色縱紋,保證患者和家屬的通行安全。

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            日間病房中的療愈光照界面

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            “世界上最美眼睛”光藝術裝置

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            眼科術后康復室情緒調節光照界面

              4.3 適老性居住空間光環境精細化設計——馬橋椿山萬樹養老公寓老齡健康光環境示范工程

              中國養老服務業巨大的市場潛力吸引著眾多機構對養老產業的加速布局,市場上養老社區產品不斷涌現。醫療健康服務對于患有慢性病、失能以及半失能的老年人群來說極為重要,將生活照料和康復關懷融為一體的醫養結合思想將成為養老機構設計的必然趨勢。營造健康光環境是最易取得直接效果的“樂齡”設計策略,亟待通過更多的專業研究進行推廣應用。

              馬橋椿山萬樹養老公寓健康光環境示范工程根據“適老化、安全性、療愈性、智能化”四項設計原則,提出了三項設計目標:1)打造具有適老特色的現代國際養老療愈環境;2)樹立養老空間光健康標桿形象;3)將智能與健康照明理念有機融入老年康養環境。

              在公寓的洽談區、公共活動區等日間活動場所,針對老年人的不同日間活動設定了相應的光照場景,并關注到老年人視敏度下降、明暗適應能力退化、色彩辨識能力降低等問題,提升了各個區域的光照數量與質量水平,最大化地減少了空間中的眩光,提高了視看對象的辨識度,從而降低老人跌倒風險,創造了舒適、便捷的生活環境。老年居室光環境則著重考慮了光照的節律及情緒調節效應,增加了清晨時段的明亮光照療愈場景,并根據護理人員工作和老人起夜活動需求設置了低色溫的夜間活動光照模式。除了對空間光環境設計的精細考慮,在項目開展前期,設計團隊還對老年人在漸進性老化過程中,視覺和生理功能的退行性改變與特殊心態進行了全面梳理,提出了面向健康活躍老人、半失能老人、失能失智老人的光環境設計具體目標,借助光的療愈力量,打通健康養老的“最后1公里”。

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            健康活躍老人、半失能老人、失能失智老人的健康光環境設計目標

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            馬橋椿山萬樹養老公寓適老健康光照工程活動室建成效果

              五、結語—人居健康光環境的創新實踐展望

              健康光環境的實踐與創新源于人類對生命健康的不懈追求,充滿無限可能。雖然人們已了解到光照通過多條神經通路對視覺、生理、心理產生的廣泛影響,但仍有更多復雜的作用機制有待探索。

              隨著人們對生命健康知識了解的日漸深入,以及智能建造、大數據、云計算、無線通信、物聯網等數字信息技術同建筑空間與人居之間聯系的日益密切,人們健康生活的形式和內容在持續地變化,光健康的定義與研究范圍也將被不斷地拓展乃至顛覆。未來實踐的綜合性與復雜程度均已遠超建筑學單一學科的能力范圍,聚合公共衛生、臨床醫學、心理學、電氣工程、信息科學等多學科集體智慧[13],構建突破學科界限的研究、設計、應用一體化平臺必將成為健康光環境實踐以及健康建筑實踐的未來方向。

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