超越视觉舒适：工作场所照明中瞳孔测量法与主观认知应变测量的比较

《Frontiers in Public Health》：Beyond visual comfort: comparing pupillometry and subjective measures of cognitive strain in workplace lighting

　　

摘要
引言：研究人员评估了瞳孔测量法（pupillometry）相对于主观自我报告测量，在两种工作场所照度（300和500 lux）下执行屏幕任务期间作为认知负荷客观指标的区分敏感性。工作场所照度不足与视觉疲劳、压力和注意力受损相关，但其对屏幕任务期间认知应变的影响通过客观生理指标仍未得到充分探索，特别是考虑到瞳孔光反射（pupillary light reflex, PLR）对瞳孔测量指标的混杂影响。
方法：48名工作年龄成年人在模拟办公室环境的受控实验室中，在两种条件下执行写作和工作记忆（N-back）任务；使用Pupil Labs Core眼动追踪眼镜连续记录瞳孔直径，同时使用NASA任务负荷指数（NASA-TLX）和视觉模拟量表（Visual Analog Scales, VAS）评估主观负荷、压力、疲劳和眼疲劳。
结果：照度条件之间的直接比较（Holm校正）显示，照度对瞳孔参数无显著影响（|d| ≤ 0.19），但在最具挑战性的任务中，主观负荷随照度增加而增加（d = 0.81）。瞳孔测量法和主观测量均在两种照度条件下一致地检测到任务需求水平之间的显著配对差异（瞳孔直径方差的Kendall's W为0.29–0.35，NASA-TLX和VAS压力的Kendall's W为0.34–0.58）。写作任务或2-back任务在任何测量中均未发现显著差异。
讨论：结果表明，瞳孔测量法和主观自我报告测量对任务需求具有相当的敏感性，而只有主观负荷对照度敏感，这强调了在职业照明研究中结合客观和主观指标的价值。

亮点
- 瞳孔测量法未发现500 lux和300 lux之间的显著差异，而NASA-TLX显示在最具挑战性的任务中500 lux下的感知负荷更高。
- 主观和客观测量系统性分歧，参与者报告的疲劳和舒适感变化与生理指标不一致。
- 瞳孔测量法和主观测量（NASA-TLX、VAS）均表现出一致的任务水平敏感性，在两种照度条件下检测到任务需求水平之间的显著差异。
- 该研究强调了在职业健康评估工作场所照明中，将客观生理指标与自我报告相结合的互补价值。
- 方法学局限性，包括固定任务顺序和缺乏屏幕对比度数据，已得到承认；讨论了其对因果归因的影响。

论文解读：超越视觉舒适——工作场所照明中瞳孔测量法与主观认知负荷测量的比较

屏幕密集型工作环境中的认知需求已成为人因工程学与工效学领域的核心议题。心理负荷被定义为任务认知需求与个体可用信息处理能力之间的关系，认知超载、疲劳和认知应变会显著增加操作错误与工作事故风险。照明作为重要的环境因素，低照度与视觉疲劳、压力和注意力困难密切相关，而这些均可能损害绩效与安全。国际标准EN 12464-1建议办公室环境最低照度为500 lux，但实际工作场所often低于此阈值。然而，照明指南并非完全统一：SLL/CIBSE照明指南7针对以屏幕为主的任务推荐300 lux，而500 lux保留给纸面工作，因为发射式显示器对环境照度的依赖低于反射式媒介。现有研究多聚焦于视觉舒适和任务绩效，且多使用反射式显示媒介（如纸张），对照明与屏幕任务认知负荷之间关系的研究仍相对不足，尤其缺乏客观心理生理指标。瞳孔测量法可提供实时、非侵入性的认知努力代理指标，但其应用受瞳孔光反射（PLR）的干扰：环境照度直接驱动瞳孔收缩，在变化光照条件下以瞳孔尺寸作为认知状态指标会产生混杂。因此，本研究旨在检验300和500 lux两种照度是否在屏幕认知任务中引起瞳孔动态的可测量差异，并比较瞳孔测量法与主观自我报告测量的区分敏感性，为职业健康评估建立方法学证据基础。

研究人员选取48名工作年龄成年人（20名男性，28名女性，平均年龄24岁），在模拟办公室环境的受控实验室中，每位参与者在300 lux和500 lux两种条件下完成2-back、3-back和写作任务。使用Pupil Labs Core眼动追踪眼镜连续记录瞳孔直径，采用NASA-TLX和视觉模拟量表（VAS）评估主观负荷、压力、疲劳和眼疲劳。研究得出结论：照度对瞳孔参数无显著影响，但主观负荷在最高需求任务中随照度增加而增加；瞳孔测量法和主观测量对任务难度均敏感，但对照度敏感性不同。这一发现凸显了结合客观与主观指标在职业照明研究中的价值，支持针对任务类型灵活设定照度指南而非统一采用500 lux标准。论文发表在《Frontiers in Public Health》。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：分析实验设计，在模拟办公室环境中设置两种照度条件（300 lux和500 lux），条件顺序随机化；通过方便抽样招募每日屏幕使用时间超过3小时的工作年龄成人，最终48人完成方案，样本来自波尔图理工学院健康学院伦理委员会批准的研究。使用Pupil Labs Core眼动追踪眼镜连续记录瞳孔直径，数据经2–8 mm生理合理性滤波，按任务分段并计算均值、幅度、方差、最小值和最大值。主观测量采用NASA-TLX和VAS。统计分析包括Friedman检验及Nemenyi事后比较，以及基于正态性的配对t检验或Wilcoxon符号秩检验；所有数据均按参与者进行全局最小-最大归一化。环境参数（温度、湿度、噪声、色温）受控监测，任务区照度实测为511±24 lux（500 lux条件）和270±12 lux（300 lux条件）。

研究结果部分如下。

3.1 样本特征
48名参与者中，68.75%主要采用问题聚焦应对策略，担忧水平以中度为主（66.67%）。DASS-21评分显示抑郁、焦虑和压力多为正常范围，仅有少数极端案例。年龄与平均瞳孔直径呈显著负相关，与年龄相关的瞳孔反应性衰退一致；年龄还与问题聚焦和情绪聚焦应对策略使用增加相关。探索性相关分析显示，某些瞳孔指标与心理状态存在显著关联，例如写作任务在300 lux下瞳孔方差与抑郁、压力负相关，而2-back任务在500 lux下平均瞳孔直径与抑郁正相关等。但作者指出这些相关是探索性的，不能确立因果关系。

3.2 瞳孔测量结果
在两种照度下，瞳孔直径方差在不同任务间均存在显著差异（500 lux：Friedman χ² = 27.875，p < 0.001，Kendall's W = 0.290；300 lux：χ² = 33.5，p < 0.001，Kendall's W = 0.349）。然而，照度条件之间的直接比较显示，所有瞳孔指标（方差、幅度、均值、最大值、最小值）在任一任务中均无显著差异，经Holm校正后所有调整后p值均大于0.05，效应量全部很小（|d| ≤ 0.19）。敏感性分析排除瞳孔合理性滤波边界截断的影响（保留37名参与者）后结果稳健。对按键伪影的检查未发现瞳孔直径方差受显著影响。

3.3 主观测量结果
在主观测量中，唯一显著的照度差异出现在3-back任务：NASA-TLX评分在500 lux下显著高于300 lux（p < 0.001，d = 0.81）。其余任务中的NASA-TLX评分、所有VAS压力评分以及疲劳和眼疲劳评分在两种照度间均无显著差异。任务效应对所有主观指标显著，例如NASA-TLX在500 lux（χ² = 43.3，p < 0.001，Kendall's W = 0.451）和300 lux（χ² = 55.97，p < 0.001，Kendall's W = 0.583）下均有显著差异，表明主观测量对任务难度具有良好敏感性。

3.4 测量的比较敏感性
事后比较显示，所有测量的区分模式高度一致：在两种照度下，瞳孔直径方差、NASA-TLX和VAS压力均检测到3-back与2-back之间、写作任务与3-back之间的显著差异；而写作任务与2-back之间在所有测量中均无显著差异（例如，瞳孔直径方差在500 lux下p ≈ 0.16，在300 lux下p ≈ 0.44；NASA-TLX在500 lux下p ≈ 0.75，在300 lux下p ≈ 0.87）。这表明瞳孔测量法和主观测量对任务难度具有相当的分辨能力，但只有主观负荷对照度敏感。

讨论部分指出，照度对瞳孔动态无显著影响，可能反映在500 lux和300 lux范围内，环境照度未引起可检测的生理性认知负荷变化，或瞳孔光反射的混杂作用掩盖了认知效应。客观与主观测量的系统性分歧是重要发现：参与者主观报告的疲劳和舒适感与生理指标不一致，例如50%的参与者报告在300 lux下疲劳感更低，而52%报告在500 lux下眼疲劳更轻。固定任务顺序（2-back → 3-back → 写作）可能引入新奇效应，导致2-back任务中瞳孔反应增强，尽管3-back认知需求更高；习惯化效应可能混淆后续任务的照度效应。局限性包括：未平衡任务顺序、未正式测量屏幕对比度、N-back行为数据因按键伪影缺失、样本以年轻人为主。未来研究应平衡任务顺序，测量屏幕亮度，纳入更多年龄群体，并考虑脑电图或心率变异性等补充指标。

结论（原文翻译）：本研究发现300 lux和500 lux在瞳孔指标上没有差异，而NASA-TLX显示在最具挑战性任务中500 lux的感知负荷更高。客观和主观测量均表现出任务水平敏感性，但这应结合固定且未平衡的任务顺序进行解释。这些发现说明了将客观生理指标与主观自我报告相结合的方法学价值：两种方法捕捉了工作者认知和体验状态的不同且互补的方面。它们之间的分歧而非研究局限性，是一个实质性发现，对如何设计针对不同任务的照明充分性职业健康评估具有重要意义。