基于无线生理传感器与虚拟现实技术的复愈性环境注意力恢复作用研究

2021-01-15 00:53李同予
中国园林 2020年12期
关键词:脑电波肌电心率

李同予

薛滨夏*

杨秀贤

张丽颖

王梓懿

1 研究背景

人类对自然环境健康促进作用的关注,伴随工业社会的发展和城市化进程而逐渐兴起。自20世纪70年代起,美国环境心理学家注意到自然环境与人的精力恢复、压力减轻及认知能力提高的积极联系[1-2],相关议题迅即成为环境心理学、康复医学、风景园林学及城乡规划等学科的研究热点[3-6]。

沿袭19世纪60年代奥姆斯特德利用绿色空间缓解城市居民注意力疲劳、减轻生活压力的主张,以及威廉·詹姆斯(William James)主动性注意力概念[1,3,7],密西根大学的卡普兰夫妇(Rachel Kaplan & Stephen Kaplan)于1989年提出注意力恢复理论(Attention Restoration Theory,ART)[8],认为定向注意力是人们应对当代快速生活节奏的重要资源,容易产生疲劳,进而导致思维能力和情绪控制的障碍,并提出通过感知自然环境的逃离性、迷人性、延展性和兼容性而获得精神补充和情感恢复[1,7]。环境心理学家乌尔里希(Roger Ulrich)等则通过研究手术病房与住院病人恢复效果的关系,提出压力减轻理论(Stress Reduction Theory,SRT),认为自然环境对于改善个体压力或应激状态,缓解由应激源造成的生理、心理及行为上的负面影响具有积极作用[2,9-11],而人工环境往往对这种缓解过程有阻碍作用[2,11]。哈蒂格(Terry Hartig)等于1991年基于不同的复愈体验理论模型和心理-生理综合测量手段,测试实验人群在野外旅行、城市度假和居家安居等不同情境体验之后,在情绪状态、幸福感、认知能力等方面的差异,证实自然环境对于人的身心恢复具有短期和长期的作用,进而提出多国语言版本的感知恢复性量表(Perceived Restorativeness Scale,PRS)[3]。

近年来,国内外学者基于对自然环境能够减轻人的工作压力、改善情绪、唤醒水平减弱、促使注意力集中和提高认知能力的共识[12-18],借助功能核磁共振(fMRI)、心电传感器(EKG/ECG)、皮电传感器(SC)等现代医疗客观检测技术,以及复愈性感知量表(PRS)等主观评价手段,开展实证研究[12-13,15-18]。主要聚焦以下领域:1)自然环境和城市环境对人身心健康和认知能力的差异性影响[13-15];2)自然环境和虚拟自然环境在复愈性功能方面的相似性与不同表现[16];3)不同特性自然环境在注意力恢复方面的差异性表现[17];4)不同情境下自然环境相对城市环境在注意力恢复方面的差异变化等[18]。

本研究运用便携式生理检测设备,克服传统fMRI等大型医疗检测设备对被试产生的干扰和场景失真等问题,综合应用ART和SRT理论模型,利用沉浸式虚拟现实技术,协同检测ART注意力恢复理论4种复愈性环境及人工环境在定向注意力恢复方面的功效,为当今健康人居环境规划设计提供原始数据和理论参考。

2 研究方法

实验设计为本课题组与哈尔滨医科大学公共卫生学院医学心理学科研团队共同研究制定。实验地点位于哈尔滨工业大学建筑学院虚拟仿真实验教学中心,拥有三通道立体显示系统、无缝金属幕(弧长9m、高2.7m、180°)、三维音效系统等专业级虚拟实验设备,最大程度保证了环境的逼真性。本研究由预实验、实时实验和数据分析三部分组成。实时实验包括3个环节:实验准备、压力输入、复愈性环境体验。实验数据的获取包括两方面:1)在沉浸环境中,获取反映被试注意力状态的脑电波数据;2)在沉浸环境中,获取反映被试心率和肌电状态的生理数据。本研究所提供的沉浸式复愈性环境,依据注意力恢复理论,包括具有以下特征的4种环境类型:逃离性、迷人性、延展性和兼容性。为了获得自然环境与城市环境对人身心复愈作用的差异性,实验增设一组城市环境。

2.1 科学假设

根据注意力恢复理论,当人们持续关注某件非常重要但不具有吸引力的事情时,需要调动定向注意力(directed attention)保持精神高度集中,避免因分心而出现差错,从而导致过度使用神经中枢系统的抑制机能而产生疲劳感;当置身于有复愈性作用的自然环境中,则无须通过努力就能达到很高的注意力水平,处于一种非自主注意力(involuntary attention)活跃状态,从而使紧绷的神经得到松弛和休息,压力得到释放,注意力得以恢复[1,7]。

基于上述理论提出如下科学假设:1)在压力输入环节,多数被试压力水平上升,注意力水平上升,后期由于疲劳而注意力下降;2)在复愈性环境体验环节,多数被试压力水平下降,但注意力水平较高,甚至有上升趋势;3)4种复愈性环境的减压与注意力恢复作用有差异;4)复愈性环境较城市环境具有更好的减压和注意力恢复效果。

2.2 沉浸式虚拟环境实验图片的选择

4组复愈性环境类型及特征如下[1]。

第1组——逃离性(Being Away):不需要耗费定向注意力等脑力活动支持的环境,如海边(seaside)、山景(mountains)、湖泊(lakes)、小溪(streams)、森林(forests)、牧场(meadows)等。

第2组——迷人性(Fascination):自然景观生而固有的特性,拥有“柔软的”(soft)质感,从而给人留下无尽回味。如云(clouds)、日落(sunsets)、雪花(snow patterns)、微风中的落叶(motion of the leaves in the breeze)等。

第3组——延展性(Extent):有足够的空间维度及层次,从而调动人的感知力。野外环境很容易获得这种空间特性,但是延展性并不意味着大尺度的空间,小而有层次和历史感的场所同样能够提供延展性。

第4组——兼容性(Compatibility):环境设置能够满足使用者正在尝试或者想要在该环境中去做的事情。根据不同需求,可将使用者分为:捕食者角色、运动角色、驯化角色、观赏角色、生存技能角色。

实验图片选择方法:根据以上4组复愈性环境类型,邀请7位评分专家对已经过初筛的180张图片(350dpi,每组环境图片36张)进行等级评分。7位专家来自国内外高校、设计公司,分别从事环境心理学、建筑设计学、设计学、城乡规划学、风景园林学专业工作至少10年以上。根据专家评分结果和内部一致性信度检验,选取每组复愈性环境等级排名前12,4组共计48张图片作为虚拟实验的刺激材料(表1)。

2.3 实验控制

实验控制泛指对实验精度的一切保障工作,通过尽量消除或加以平衡无关变量、降低实验误差,从而保证因变量的变化确实是由于自变量的变化而引起的[19]65-67。

2.3.1 被试量表评定为降低因被试取样偏差导致影响实验效度,参与实验人员来自5所不同高校的在校本科生、研究生,且具有不同的学科背景,如建筑学、会计学、声乐学、设计学等。为保证实验顺利及实验数据的可靠性,要求每位学生在实验前作答《症状自评量表Symptom Checklist 90,SCL90》,评定其近期心理健康状态。SCL90量表包含较广泛的精神症状学内容,从感觉、情感、思维、意识、行为直至生活习惯、人际关系、饮食睡眠等方面均有涉及[20]。将被试作答结果进行统计分析,经SCL90评定患有神经症、适应障碍等其他轻性精神障碍的学生,不参与本次实验。

2.3.2 小样本设计

小样本设计是被试内设计的一种变式(1≤被试人数≤30),由于检测人数较少,需要在高度控制的实验中对每一个被试进行大量观察并记录,通过对自变量的良好控制和因变量的反复测量,小样本设计本身就能强有力地进行实验推论[19]83-87。本实验为保证虚拟环境的最佳沉浸体验和实验数据准确性,5组环境体验分开进行,每位被试每周在固定时间前来参与实验,每次实验间隔1周,且每次实验仅1人,共持续5周。时间条件相同,能保证心率等人体生理指标的一致性;5种环境体验相距1周进行,避免被试因为连续作业、熟悉实验情景而导致的练习效应(practice effect)和疲劳效应(fatigue effect)。通过作答SCL90量表,针对招募的学生被试进行筛查,从13名学生志愿者中,筛选出9名被试均处于稳定的生活和学习状态,近期无大的情绪波动,无正向或负面事件的情绪刺激,如获奖、度假、失恋、挂科、社交等。最终确定参与实验的9名学生,年龄在18~26岁,男生5人,女生4人。

2.3.3 预实验

为检验实验设计的科学可行性,正式实验前共进行4次预实验,针对压力输入形式与持续时间、实验影像分辨率、刺激图片持续时间与间隔等进行反复调试。实验室保持恒定温度、控制环境噪声,灯光调至适合偏暗,保证被试能看到虚拟环形屏幕最佳图像。

2.3.4 消减实验者效应

实验者效应(experimenter effect)是指主试在实验中可能以某种方式(表情、手势、语气等)有意无意地影响被试,使他们反映附和主试的期望[19]。主试的音调语气、面部表情、无意的肯定或否定等,都会产生潜在的实验者效应,从而干扰实验数据的准确性。本实验过程中尽力降低实验者效应的干扰,减少主试与被试的互动机会,实验指导语全部以文字的形式出现在实验影音材料中。

表1 实验图片示意

2.4 被试生理及心理数据的获取

2.4.1 脑电波数据

本研究运用孵化于哈佛大学创新实验室(Harvard Innovation Lab)的脑机接口设备:Brain Co 可穿戴无线脑电波(Electroencephalography,EEG)检测器,通过对人脑前额叶皮外的全频脑电信号的监测,结合人工智能算法,针对被试在沉浸式环境中的注意力状态进行实时监测和数据记录。脑电活动又称神经元振荡,是大脑信息传递的基本载体,可从中解析大脑所想和控制指令。根据生理特征和频段范围,脑电振荡活动主要分为Delta(δ,<4Hz)、Theta(θ,4~8Hz)、Alpha(α,8~12Hz)、Beta(β,12~30Hz)、Gamma(γ,>30Hz)频段。BrainCo研发公司受启发于美国航空航天局(NASA)在降低飞行员驾驶过程中注意力疲劳方面的研究和算法开发[21],从脑电波算法、芯片及电极层面深入研究,实现了通过单电极对脑电EEG信号的精准捕捉。

2.4.2 心率、肌电数据

心率(Heart Rate,H R)、肌电(Electrodermal Activity,EDA)数据的监测能够实时获取被试的压力状态。实验设备采用美国Empatica公司医疗级产品E4智能腕带传感器(E4 sensors),能准确测量心率HR(提取自BVP血容量脉冲)、肌电EDA(提取自GSR皮肤电活传感器)等5项生理数据。Empatica公司共同创始人兼首席科学家是美国麻省理工学院教授Rosalind Picard,致力于研发测量生理信号和情绪之间相关联的可穿戴设备。压力变化与交感神经激活(交感神经唤醒)密切相关,二者成正相关关系。而皮肤是唯一完全由交感神经系统支配的器官(并且不受副交感神经激活的影响),压力能够引发交感神经系统反应并激活汗腺,通过监测皮肤表面的细微电变化(EDA)可以判断交感神经激活的增加,通过监测心率变化(HR)可以评估身体活动幅度以及处于觉醒、紧张或休息的状态[22](图1)。

2.5 实验程序

2.5.1 实验准备环节

被试进入实验室,适应实验室环境。佩戴无线脑电波头环、E4手环设备,静坐休息30s。随后观看实验说明(欢迎语、注意事项等)。

2.5.2 压力输入环节

被试作答6组数字推理测试题(The PEBL PASAT-Paced Auditory Serial Addition Test),限时5min18s,脑电波头环记录其注意力变化,E4手环记录心率、肌电等生理反指标。压力输入结束后休息30s。

2.5.3 复愈性环境体验环节

稍作休息后,被试观看不同类型的环境图片,每次实验仅体验一种环境类型,每种类型共12张图片(随机排列),播放时间30s/张,限时6min(图2)。脑电波头环记录其注意力变化,E4手环记录心率、肌电等生理反指标。每位被试5次实验体验的环境类型分别为:ART-Being Away-逃离性环境、ART-Fascination-迷人性环境、ART-Extend-延展性环境、ARTCompatibility-兼容性环境、城市街景环境(前4种环境下文将分别简称为环境B、F、E、C,城市环境简称“City”)。

图1 实验过程及脑电波、心率、肌电数据获取示意图(李同予、薛滨夏摄)

实验结束后,摘掉实验设备并离场。

3 实验数据分析与结果

实验中收集每位被试生理数据2 073个(5种环境场景下,被试的脑电波、肌电、心率)。其中,脑电波EEG数据的获取集中在被试Fpz额极中线区域(Frontal pole midline point)每0.5s(1帧80字节)生成1个专注力数值。获取心电、肌电数据的E4手环,1s生成4个数值。因此,9位被试完成所有实验程序后,共生成18 657个数据。接下来采用非参数统计方法(Nonparametric Statistics)R语言进行分析,具体方法包括随机游程检验、Cox-Stuart趋势性检验、Wann-WhitneyU秩和检验,实验结果如下。

1)注意力。对于环境B和F,绝大多数被试的注意力都有所上升,B环境中67%的被试注意力上升;F环境中56%的被试注意力上升;E环境中33%的被试注意力上升;C环境中33%的被试注意力上升,被试X8注意力没有变化。从脑电波(主要为反映前叶皮质活动的α波)反应来看,复愈性最好的为B环境,F环境次之,E、C环境较差但也具有复愈性。对于City环境,33%的被试注意力上升,被试X2受试者注意力没有改变。City环境的复愈性与E、C环境接近(表2)。

2)心率。对于环境B、F、E和C绝大多数被试的心率都有所下降,表明被试由紧张的压力输入状态转入放松、休息阶段。B环境中,100%的被试心率数据均呈现下降趋势,F、E环境中78%被试心率呈现下降趋势,C环境中67%被试心率呈现下降趋势。从心率变化角度看,复愈性最好的为B环境,其次为F、E,C环境相对较差但也具有复愈性。而对于City环境,33%被试心率上升,其余被试无增长趋势,与C环境复愈效果接近。

图2 实验程序示意图(作者绘)

3)肌电。对于环境B、F、E和C绝大多数被试的肌电都有所下降。4种环境被试肌电下降百分比分别为:B环境67%、F环境78%、E环境中56%、C环境中44%。从肌电变化角度看,复愈性最好的为F环境,其次是B、E环境,C环境相对较差但也具有复愈性。对于City环境而言,有5名被试的肌电无增长趋势,44%被试肌电呈现上升趋势,环境复愈性接近E环境、优于C环境。

4 讨论

4.1 ART理论4种特征环境均有注意力恢复作用

本实验在压力输入环节,被试为避免答题出错而保持注意力高度集中,脑电波数值迅速升高,接近峰值。同时,由于过分紧张导致心率、肌电指标迅速升高,说明压力水平较大。稍做间隔,实验进入复愈性环境体验阶段,绝大多数实验者的心率、肌电都呈现下降趋势,说明压力明显降低。与此同时,多数被试的注意力仍然能够持续一段时间居高不下,甚至有上升的趋势。结果表明,多数被试在4种沉浸特征环境中,能够在不产生压力的同时,保持甚至提升注意力水平,符合实验假设,均具有注意力恢复作用。

4.2 逃离性环境的综合恢复作用最好

B环境中67%的被试注意力呈上升趋势,100%被试心率呈下降趋势,67%被试肌电呈下降趋势。F环境的恢复作用次之,56%被试注意力呈上升趋势,78%被试心率和肌电呈下降趋势。E、C环境的作用相对较差但也具有复愈性。依据ART理论,逃离性环境并不局限于郊野环境,在城市中安全亲和、隔离效果强,具有逃离性特征的自然环境,也同样具有注意力恢复作用[1]。

表2 被试在5种环境中的注意力状态变化示意

4.3 城市环境也具有一定的复愈性作用

针对环境复愈性的研究,几乎一致认为自然环境具有明显改善身心健康的效果,而城市环境则恰恰相反。但本实验结果却出乎意料,在观赏城市环境图片时,67%被试心率无增长趋势,56%被试肌电水平无增长趋势,与C环境结果接近,表明观看城市环境图片并没有增加过多认知活动负荷。城市环境的压力减轻效果虽不如B和F环境,但接近E环境、优于C环境。

4.4 个体在生理变化和文化偏好的差异不容忽视

被试在生理波动和文化偏好上的个体差异,使得实验数据在个别项目上出现一定分化,这与以往基于感知恢复性量表(PRS)高度一致的评测结果有所不同。以问卷调查形式为特点的PRS量表主观性较强,而便携式生理检测技术的出现,使得心理学实验走向实时和精细化的趋势,能够反映出被试的个体差异。例如,F环境中的X2受试者、C环境中的X8受试者、City环境中的X2受试者,注意力指标检测中并没有明显趋势等。即使实验前期已做了充分的实验控制工作,但个体差异所导致的实验结果分化,的确在心理学实验中不容忽视。

5 结语

实验证实,ART理论中的逃离性、迷人性复愈环境具有最好的注意力恢复效果,城市环境也具有一定恢复效果。便携式生理检测技术和虚拟现实技术的发展,使得针对自然环境注意力恢复的研究,在实时、动态、精细化的背景下,以更接近真实的情景获得实验数据。新技术的应用,在提高实验信度和效度的同时,也体现出更强的个体生理和心理体质的差异性,揭示人与环境交互作用过程中更为复杂的关系和机制。

通过对自然环境特征复愈性效果的比较和排序,该研究也对未来康养旅游项目的选址、路线选择及康复景观设计特征塑造、场景组织等实践探索起到一定借鉴意义。实验证明逃离性、迷人性环境综合恢复作用最好,说明在城市环境景观塑造中,保持生物多样性、自然美学特征、新奇性和野趣的重要性。城市环境与延展性、兼容性环境复愈作用接近,说明人工环境不只是单纯的消极角色,仍具有可塑的潜力和价值,可以通过自然特征的强化来提高环境疗愈效果。这些发现都为今后在设计中选择或融入复愈性环境特征,提升绿道、林地、水体等城市开放空间品质,创造复愈性景观形式提供借鉴。此外,复愈性环境的兼容性,即如何满足大多数人的行为需求,也是康复景观设计中应该考虑的重要因素。

致谢:感谢BrainCo脑机接口技术研发公司为本项研究提供实验设备,感谢公司CEO、哈佛大学脑科学中心博士韩璧丞先生,研发工程师许大柱博士、美国加州大学戴维斯分校杨锦陈博士提供的支持和帮助。

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