基于Meta分析的睡眠环境照明策略研究_邵戎镝.pdf

2023 年 2 月第 34 卷第 1 期照明工程学报ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOFeb2023Vol.34No.1基于 Meta 分析的睡眠环境照明策略研究邵戎镝1，曹亦潇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)摘要:睡眠环境中的光线与睡眠健康紧密相关。本文采用循证研究的荟萃分析(Meta 分析)手段，分析了强光刺激、高色温光照、蓝光限制照明等不同强度、光谱特征的光刺激，在不同作用时间对褪黑激素暗光下分泌起始时间(DLMO)、睡眠效率与入睡潜伏期的影响。结果显示，无论昼夜节律、睡眠质量均受到光照非视觉生理效应的调节，但不同光照参数对昼夜节律和睡眠质量的调节效应有显著差别。总体上看，时间参数在决定昼夜节律、质量方面均起到重要作用;其次，昼夜节律指标变化呈光照强度依赖，但未发现睡眠质量指标变化与光照强度之间的明显相关性;睡眠期间极低强度光照持续作用，也将造成严重的睡眠质量破坏;此外，全天性的光环境设计更有助于改善睡眠健康。最后，在荟萃分析证据集成的基础上，本文根据“睡眠觉醒”双过程理论，从昼夜节律和睡眠稳态两个方面，就如何通过室内照明支持睡眠健康，提供了策略建议。关键词:睡眠环境;Meta 分析;照明策略;DLMO;睡眠效率中图分类号:TU113.66文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2023.01.010基金项目:上海市 2020 年度“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目“南极科考智能人因健康支持系统研究”(项目编号:20dz1207200);中央高校基本科研业务费专项资金通信作者:郝洛西，E-mail:haoluoxi A Meta-analysis Study on Lighting Strategies for Sleep EnvironmentSHAO ongdi1，CAO Yixiao1，HAO Luoxi1，2(1.College of Architecture and Urban Planning，Tongji University，Shanghai200092，China;2.Key Laboratory of Ecology and Energy-saving Study of Dense Habitat，Ministry of Education，Shanghai200092，China)Abstract:Light in the sleep environment is intimately related to sleep health This paper，conducted aseries of Meta-analysis to investigate the effects of five different types of light stimuli on six sleep andcircadian rhythm indicators，including dim light melatonin onset(DLMO)，sleep efficiency，and sleeplatency period etc These stimuli included bright light stimulation，blue-enriched light，and blue lightrestricted lighting etc The findings indicated that non-visual physiological effects of light had an impact onsleep duration and quality;nevertheless，there were substantial disparities in how light environmentalelements affected these circadian rhythm and sleep factors In general，circadian rhythm and sleep qualitywere highly correlated with light duration parameters;changes in circadian rhythm indicators were lightintensity-dependent，but no significant relationship was found between changes in sleep quality indicatorsand light intensity，and continued exposure to light during sleep，even at low light intensities，would alsoresult in poor sleep quality;furthermore，a light environment design throughout the day was more beneficialto the circadian rhythm Finally，based on the findings of the Meta-analysis，this research offers guidelinesand recommendations for improving indoor illumination to support sleep health in terms of both circadianrhythm and sleep homeostasisKey words:sleep environment;Meta analysis;lighting strategies;DLMO;sleep efficiency第 34 卷第 1 期邵戎镝等:基于 Meta 分析的睡眠环境照明策略研究57引言根据双过程模型经典理论，睡眠觉醒的发生与维持受昼夜节律和机体内稳态的共同控制1。昼夜节律支配人体生理活动的 24 h 时序振荡，在睡眠时相与周期调整方面起主要作用2，3。内在光敏视网膜神经节细胞(ipGC)编码环境光信号，并将编码光信息投射到昼夜节律起搏器视交叉上核(SCN)，驱动人体昼夜节律的相位重置，从而使光环境作为授时因子(zeitgebers)对睡眠进行间接调节4-6。此外，光照还存在独立于昼夜节律系统、直接影响睡眠的神经途径(图 1)。Szalontai 等7 实验发现，相比暴露于 12 h 周期光暗循环的实验鼠，暴露于 1 h 短周期光暗循环的实验鼠慢波睡眠(SW)和快速眼动睡眠(EM)增强。SWS 活动水平反应睡眠量需求，几乎不受昼夜节律变化影响，是机体睡眠稳态调节的标志8。这一结果验证了光环境和睡眠稳态调节之间的联系。昼夜节律与内稳态两个过程既独立地发挥睡眠调节作用，也以叠加或者更复杂的相互作用形式影响睡眠变量9，但由于两个过程间相互作用机理尚缺少透彻的阐释。同时，光对睡眠稳态的调节过程还未能像昼夜节律环境同步机制一样获得明确解析，因此能够预测昼夜节律相位重置光响应的视黑素等效日光照度(Melanopic EDI)、视黑素等效照度(EML)或昼夜节律刺激值(CS)是否可以预测睡眠指标的变化现在还无法确定。目前获知光照对于睡眠神经行为的调节效应，还依赖于实验观察。本文借助 Meta 分析的方法对多项相关实验结果进行量化整合，弥补单项小样本量研究结果不稳定的缺陷，定性解答:(1)环境光照对于睡眠时间、数量、质量参量的主要调节因素;(2)光照强度、光谱特征以及光照作用时间对于不同睡眠变量作用的效应大小。从而形成相对可靠的循证依据，建立睡眠光环境的健康设计策略。图 1光照调节昼夜节律、睡眠稳态的直接、间接多条神经通路示意Fig.1Schematic representation of the direct and indirect multiple neural pathways by which light regulates circadian rhythm and sleep homeostasis1Meta 分析资料与方法本文为针对睡眠环境照明参数及策略的基础性研究，以常规作息、健康成年人为研究对象。Meta分析流程总体遵循 PISMA 指南，但在本文研究中，Meta 分析作为光照调节因素效应大小的比较工具，并非为了得出关联效应结论，因此未在相关平台对Meta 分析进行注册。先验研究表明，利用不同光照干预手段，采用不同特性光照刺激(光强度、光58照明工程学报2023 年 2 月谱、作用时间差异)导致睡眠变量的变化方向和强度产生高度差异性，研究间异质性过大，不适宜做效应合并，是以本文根据光照形式和作用时间将纳入文献进行分组，直接通过亚组分析比较光照因素对睡眠的影响程度。1.1文献检索策略分析文献于“Web of Science”、“PubMed”、“TheCochrane Library”以及“Embase”4 个数据库中检索。检索时限为 1980 年 1 月至 2022 年 6 月。检索词采用光照主题词、睡眠主题词与自由词组合形式。光照检索主题词为“光 Light*(星号为通配符，用于检索关键词的变化形式)”、“光照 Lighting”、“光暴露 Light exposure”、“光疗法 Light Therapy”、“强光Bright Light”、“色温 Color Temperature”、“光照强度LightIntensity”、“光 谱Spectrum”、“波 长Wavelength”;睡眠检索主题词为“褪黑激素暗光下分泌起始时间 DLMO”、“睡眠 Sleep*”、“睡眠质量Sleep Quality”、“昼夜节律 Circadian hythm”、“睡眠觉醒 Sleep-Wake”。1.2文献纳入及排除标准文献筛选从研究类型、研究对象、光照干预措施三个方面考虑，纳入标准为:(1)随机对照实验研究包括自身对照的被试内研究;(2)光照干预手段为可见光;(3)研究对象为无睡眠障碍、无基础疾病的健康人群;(4)研究对象年龄在 18 65 岁之间;(5)研究对象为非轮班、非跨时区旅行的正常作息人群;(6)光照为独立采用的干预手段;(7)中文或英文文献。排除标准为:(1)研究不符合纳入标准;(2)动物实验或离体细胞实验;(3)自然光或视频终端的屏幕发光研究;(4)实验流程中涉及睡眠限制或者睡眠剥夺;(5)不同的研究但使用了重复的受试者数据。1.3文献信息提取文献提取的信息包括(1)纳入研究基本特征:第一作者、研究发表年份、发表地区;(2)研究对象特征:年龄、性别;(3)光照干预措施特征:光照强度、光谱构成、干预时间、干预时长、干预形式。结局指标提取褪黑激素暗光下分泌起始时间DLMO 以分析光照引起的睡眠时间相位变化，提取睡眠效率、睡眠潜伏期两项指标评价光照对睡眠质量的影响。1.4纳入文献质量评价三名研究人员分别进行文献检索和选取，并使用 Cochrane 风险评估工具独立对纳入文献质量进行评价，评价内容主要为:受试者随机分配情况、盲法运用情况、分配方案是否隐藏、结果数据完整性、是否有选择性结果报告以及发生偏倚的风险。1.5统计学分析方法Meta 分析使用的统计软件为 evMan 5.3。因所有纳入研究报告的结局指标均为连续变量，选择加权均数差(Weighted Mean Difference，WMD)作为效应尺度指标。效应统计结果以均数差和 95%置信区间表示。研究间异质性使用 Cochran Q 检验 I2统计量度量。效应量合并模型根据研究间异质性大小选定。对于纳入文献多于 10 篇的结局指标，研究使用漏斗图方式评价发表偏倚的存在情况。2Meta 分析结果2.1文献检索结果及纳入研究特征文献检索共获得 5 993 条文献条目，文献初检通过阅读标题与摘要，剔除完全不相关研究内容与非本文研究对象题录 5 127 项，进一步文献筛选本文作者根据纳入排除标准，精细阅读全文，保留 24篇研究文献用于 Meta 分析，3 篇补充文献在综述论文参考文献中获取(图 2)。本次荟萃分析最终纳入文献 27 篇，包含 46 组光照干预实验对照结果。其中 11 项研究报告了 22 组光照对比条件的 DLMO 时间点;18 项研究报告了 25 组不同光照实验条件的睡眠效率;12 项研究报告了 18 组光照实验条件的睡眠潜伏期。根据纳入研究的情况，论文将这些研究分成强光刺激(水平照度 2 000 lx 或眼部照度1 000 lx)、一般光照(照度 50 1 000 lx，色温3 000 6 000 K)、高色温白光或蓝光光照(色温 6 000 K 的白光及波长为410 480 nm 的窄波段光)、蓝光限制照明(色温2 700 K 的白光及波长为580 nm 以上的红光或橙光)、动态日光模拟照明五类光照方式的亚组，以及清晨(5:0012:00)、日间(12:0018:00)、晚间(18:002:00)、夜间(24:005:00)和全天光照四类时间段亚组进行合并效应量研究(表 1)。第 34 卷第 1 期邵戎镝等:基于 Meta 分析的睡眠环境照明策略研究59图 2研究文献的纳入及筛选流程Fig.2Inclusion and screening process of research literature2.2纳入研究质量评价根据 Cochrane 协作网工作手册(5.1.0)评价标准对纳入文献进行质量评价，结果显示，所有研究纳入数据均完整，多数研究受试者随机分组但未提及被试的随机抽取情况。有关于采用双盲的问题，这些文献中非临床研究并没有明确的报告，有关于是否有选择性结果报告以及发生偏倚的风险目前尚不明确。2.3纳入文献的偏倚情况通过漏斗图(图 3)定性评估三项 Meta 分析纳入研究的偏倚情况，光照对睡眠潜伏期影响的纳入研究，文献点分布偏向于右侧，存在较高发表偏倚的可能性，已发表研究偏向于报告光照引起睡眠潜伏期延长的结果。DLMO 和睡眠效率两项 Meta 分析纳入文献偏倚分析较低，但睡眠效率 Meta 分析纳入了多篇抑制性文献。2.3光 照 对 褪 黑 激 素 暗 光 下 分 泌 起 始 时 间(DLMO)的影响在针对光照方式的 Meta 分析(表 2)中，4 项采用强光刺激纳入文献异质性检验结果为 P 0.001，I2=91%，因此采用随机效应模型合并效应量。强光刺激、一般光照、人工模拟黎明黄昏三组组内多项研究的合并效应量都无统计学意义。强光刺激组纳入文献高异质性，剔除组内 Hashimoto 和Kozaki 两人在日间开展的研究后，异质性降低，且合并 效 应 量 变 为 显 著(WMD=1.42，95%CI:0.91，1.9)，在每日特定时间段内，强光刺激可促使节律相位延迟。进一步对光照作用时间进行 Meta 分析(表 3)，选择固定效应模型进行分析。晚间(WMD=0.64，95%CI:0.24，1.05)、夜间(WMD=1.59，95%CI:1.36，1.82)以 及 清 晨 强 光 与 夜 间 避 光(WMD=2.05，95%CI:2.34，1.75)、清晨避光与夜间强光(WMD=0.89，95%CI:0.61，1.18)亚组的合并效应量组间差异统计学显著。清晨强光与夜间避光组合策略下 DLMO 时间点明显提前，昼夜节律振荡相位提前。晚间、夜间以及清晨避光与夜间强光均使 DLMO 时间点推迟，昼夜节律振荡相位延迟。2.4光照对睡眠效率的影响在光照方式对睡眠效率影响的 Meta 分析(表4)中，蓝光限制照明纳入的三项研究间异质性为P 0.01，I2=77%。由于异质性高于50%，合并效应量采用随机效应模型。除了暗光组以外，其他各组合并效应量组间差异均无统计学意义。暗光干预与对照相比睡眠质量显著下降(WMD=1.43，95%CI:2.4，0.46)。60照明工程学报2023 年 2 月第 34 卷第 1 期邵戎镝等:基于 Meta 分析的睡眠环境照明策略研究6162照明工程学报2023 年 2 月图 3三项 Meta 分析纳入文献的偏倚状况(a)DLMO(b)睡眠效率(c)睡眠潜伏期Fig.3Bias status of the included literature for the three Meta-analyses(a)DLMO(b)sleep efficiency(c)sleep latency在对光照作用时间的进一步 Meta 分析(表 5)中，日间光照组两项纳入研究异质性较高(P 0.10，I2=63%)采用随机效应模型分析。从合并后的综合效应量来看夜间睡眠期间持续光照亚组，光照刺激使睡眠效率显著下降(WMD=1.05，95%CI:1.94，0.16)。晚间光照刺激光照亚组中干预组与对照组合并效应量也有边缘显著的差异(WMD=0.82，95%CI:1.68，0.04)，晚上睡前的光线有降低睡眠效率的可能性。2.5光照对睡眠潜伏期的影响光照方式对睡眠潜伏期影响的 Meta 分析(表 6)中，强光刺激亚组纳入的 4 项研究 6 组光照对比条件结果异质性为 P 0.02，I2=61%，属于高异质性，因此采用随机效应模型分析。效应量合并结果显示，各类型光照刺激干预与对照组相比对睡眠潜伏期均无明显影响，如森林图(图 4)所示，除了 Carrier11 和 Yang33 的研究，其余研究的效应检验结果均被无效线穿过。光照方式并非影响睡眠潜伏期的主要因素或单一因素。对光照作用时间的进一步 Meta 分析(表 7)选择随机效应模型，合并效应量结果显示，清晨光照组睡眠潜伏期显著小幅减少(WMD=4.77，95%CI:7.42，2.12)，而晚间光照组睡眠潜伏期轻微增加(WMD=2.24，95%CI:0.19，4.29)。日间光照和夜间睡眠期间光照两组纳入研究干预组和对照组的睡眠潜伏期无显著差异，合并效应量后仍无统计学意义的差异。表 2光照作用形式对 DLMO 时间点影响的 Meta 分析Table 2A Meta-analysis of the effect of light patterns on DLMO组别对比数异质性/%WMD 95%置信区间p 值样本数:干预(对照)强光刺激8900.40 0.72，1.530.1481(43)一般光照与暗光环境对比600.15 0.28，0.580.64108(60)动态日光或模拟黎明/黄昏2260.13 0.37，0.620.2540(40)表 3光照作用时间对 DLMO 时间点影响的 Meta 分析Table 3A Meta-analysis of the effect of the timing of light on DLMO组别对比数异质性/%WMD 95%置信区间p 值样本数:干预(对照)清晨光照400.32 0.88，0.250.2748(24)日间光照11.80 3.88，0.280.098(8)晚间光照700.64 0.24，1.050.002 92(54)夜间光照11.59 1.36，1.820.001 9(9)组合策略:清晨强光与夜间避光302.05 2.34，1.750.001 33(33)组合策略:清晨避光与夜间强光300.89 0.61，1.180.001 34(34)注:p 值 0.01;p 值 0.001。下同。第 34 卷第 1 期邵戎镝等:基于 Meta 分析的睡眠环境照明策略研究63表 4光照作用形式对睡眠效率影响的 Meta 分析Table 4A Meta-analysis of the effect of light patterns on sleep efficiency组别对比数异质性/%WMD 95%置信区间p 值样本数:干预(对照)强光刺激5260.14 1.66，1.930.8848(52)一般光照与暗光环境对比5420.49 2.43，1.450.6296(72)高色温白光或蓝光600.50 1.61 0.620.3871(71)蓝光限制照明3770.62 2.99，1.750.6150(50)暗光501.43 2.40，0.460.004 68(68)动态日光或模拟黎明/黄昏10.05 2.75，2.650.9526(26)其他绿光10.20 5.95，6.350.978(8)表 5光照作用时间对睡眠效率影响的 Meta 分析Table 5A Meta-analysis of the effect of the timing of light on sleep efficiency组别对比数异质性%WMD 95%置信区间p 值样本数:干预(对照)清晨光照3130.32 1.81，2.460.8841(45)日间光照3630.53 4.42，5.490.8838(23)晚间光照1400.82 1.68，0.040.88166(125)夜间光照551.05 0.94，0.160.8880(80)表 6光照作用形式对睡眠潜伏期影响的 Meta 分析Table 6A Meta-analysis of the effect of light patterns on sleep latency组别对比数异质性/%WMD 95%置信区间p 值样本数:干预(对照)强光刺激6612.04 5.16，1.090.2055(59)一般光照与暗光环境对比5432.48 1.35，6.310.2096(72)高色温白光或蓝光203.07 2.84，8.980.3124(24)蓝光限制照明11.60 4.94，1.740.3512(12)暗光401.85 2.06，5.770.3548(48)表 7光照作用时间对睡眠潜伏期影响的 Meta 分析Table 7A Meta-analysis of the effect of the timing of light on sleep latency组别对比数异质性/%WMD 95%置信区间p 值样本数:干预(对照)清晨光照304.77 7.42，2.120.001 41(45)日间光照3550.18 12.77，13.140.9837(22)晚间光照7382.24 0.19，4.290.0397(73)夜间光照500.15 2.69，2.390.9160(60)3Meta 分析结果讨论及睡眠环境照明策略3.1光照对昼夜节律及睡眠质量影响的综合分析本文 Meta 分析研究以褪黑激素暗光分泌起始时间(DLMO)、睡眠效率和睡眠潜伏期三项指标作为代表，分别探讨了不同形式光照和不同作用时间的光照对昼夜节律和睡眠质量的影响，形成如下基本结论:(1)光照作用时间对昼夜节律和睡眠质量变化的方向与幅度均影响显著。夜晚光照刺激是引起昼夜节律和睡眠质量指标变化程度最显著的敏感时间窗，主要导致昼夜节律的推迟和睡眠质量的下降。清晨光照对于提升睡眠质量有一定积极效应。(2)影响昼夜节律和睡眠质量的光照形式存在不一致性。在一定时间窗口，昼夜节律对光刺激响应存在强度依赖性，强光刺激能够更有效牵引昼夜节律相位的移动。根据 M-EDI 和 CS 模型，M-EDI低于10 lx(CS 低于0.1)的低照度暗光对昼夜节律64照明工程学报2023 年 2 月图 4不同光照方式对睡眠潜伏期影响的森林图Fig.4Forest plots of the effect of different light patterns on sleep latency系统的刺激较小，但睡眠效率 Meta 分析中，纳入暗光研究合并效应却显示睡眠期间持续存在的低照度光线对睡眠质量造成了很不利的影响。这一结果不仅表明睡眠期间保持昏暗环境的必要性，更提示光照调节昼夜节律和睡眠的复杂性与相对独立性。(3)光照干预方案的组合有利于取得更强的调节效果，主要体现在昼夜节律调节方面。纳入研究中，Appleman 等16 和 Figueiro 等17 的研究在清晨、夜间两个时间窗同时采用了光照干预措施，合并效应比单独在夜晚或清晨施加光照刺激的合并效应更明显。3.2睡眠环境光照设计策略建议Meta 分析的结果支持了光环境是优化睡眠生理节奏，提升睡眠质量的干预措施，但光照参数与策略的选择非常关键。基于 Meta 分析结果，以及昼夜节律和睡眠稳态对睡眠觉醒独立、协同调节的双过程理论，论文总结出了以下睡眠环境健康照明设计的策略:(1)建立全天候的光照方案，制定照明时间表。在实际设计中可适当增加清晨和日间接收到的光线刺激，以减轻夜间光线的不良影响。(2)开展以“健康睡眠结果”为目标的导向性设计，根据睡眠时间正常化、减轻入睡困难等具体的预期效果，选择不同的光照参数组合和多层次干预措施。(3)落实“曝光”与“避光”措施，保障白天接受到的有效光量，同时保证睡眠期间的黑暗环境，消除侵扰光线，睡眠期间建议低于 1lx 的光照。第 34 卷第 1 期邵戎镝等:基于 Meta 分析的睡眠环境照明策略研究65(4)采用与作息时间相结合的照明策略，考虑与其他行为要素的结合。一方面避免调整昼夜节律时引起睡眠剥夺，破坏睡眠稳态;另一方面通过午睡、饮食等手段促进睡眠压力的调节，提升光照干预的效果。我们已在上述设计策略的指导下完成了血液科病房改造的项目(图 5)，并将进一步展开使用后评估研究，长期评价光环境对于睡眠健康的积极作用。图 5血液科病房改造的项目中睡眠友好型健康照明策略的应用Fig.5Application of sleep-friendly health lighting strategies in a renovation project of hematology wards4结论在循证研究领域，Meta 分析被列为最高级别证据，有力支撑了科学决策的形成。本论文的研究以健康睡眠为切入点，在循证健康照明设计方面进行了尝试，为今后同类人居照明研究、设计实践提供了思路与框架，这有利于健康照明在实际应用转化中取得更佳的效果并获得进一步发展。但论文的 Meta 分析仅为初步开展的工作，为了更好确定光线本身对睡眠的影响，仅纳入了以常规作息健康人群为对象的研究，这也导致了分析样本数量过少，某些合并结果只包含了 1 2 篇研究，结论的可靠性有待提升。同时，所纳入研究对照条件存在异质性，也对 Meta 分析的结论带来混杂的影响。未来的工作将扩大纳入排除标准，获取更多研究，并进一步分析光环境对不同人群睡眠的影响，构建更可靠、更详细的设计策略。参 考 文 献1 Borbly A A，Alexander A A two-process model of sleepregulation J HumNeurobiol，1982，1(3):195-2042 oenneberg T，Merrow M The circadian clock and humanhealth J Current Biology，2016，26(10):432-4433 Foster G Sleep，circadian rhythms and health J Interface Focus，2020，10(3):201900984 Stinchcombe A，Hu C，Walch O J，et al M1-type，butNot M4-type，melanopsin ganglion cells are physiologicallytuned to the central circadian clock J Frontiers inNeuroscience，2021，15:6529965 Berson D M，Dunn F A，Takao M Phototransduction byretinal ganglion cells that set the circadian clock J Science，2002，295(5557):1070-10736 oenneberg T，Kumar C J，Merrow MThe humancircadian clock entrains to sun time J 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