低照度彩光對人眼非視覺生物效應的影響

柴穎斌 孫耀杰 林燕丹

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海200433)

1 引言

2002年，Berson等［1］發現了視網膜上的一種新型細胞，這種細胞與調節人類自身生物節律有著巨大的關聯。簡單的說，當光線進入人眼后，一路是由傳統視錐和視桿細胞負責的視覺感光系統，將接受到的信號通過視神經傳遞給大腦視覺皮層，形成視覺體驗。另一路則是由自主感光視網膜神經節細胞(ipRGC)接受光信號后傳遞到大腦的生物鐘——下丘腦視交叉上核(SCN)，而SCN又與控制人體某些激素分泌的松果體相連，由此實現生理節律的調節以及激素分泌的控制。照明已經拓展到非視覺生物效應領域，ipRGC的分類和功能研究隨著分子生物學和遺傳學的快速發展取得很多重要進展［2］，光與健康之間的關系越來越多的被人類所發現。

目前，越來越多的研究學者在非視覺生物效應方面投入精力:Yasukouchi［3］研究表明照明色溫對光生物效應有明顯作用;Cajochen［4］的研究表明短波長光照比長波長光照能引起的體溫、心率變化的作用更為顯著;Van Bommel［5］采用光源光譜基于白熾燈光譜的相對值來定量評價光源的光生物效應;逄文強等［6］指出藍光對腦認知力的非視覺調控效應最大;居家奇［7］通過測量心率、體溫、血壓等生理參數隨特定強度和光譜的照明改變而產生的變化，建立光生物效應的光譜響應數字化模型，為實際照明設計工作提供了參考。現在眾多的研究結果顯示，對非視覺生物效應影響最為明顯的集中在短波區域，如圖1所示，B(λ)曲線是基于褪黑激素分泌繪制，C(λ)曲線是基于瞳孔大小變化繪制而成，另外加上V'(λ)和V(λ)，他們的波峰波長依次為464nm、491nm、507nm和555nm。

圖1 人眼對光的不同效應的光譜響應曲線

瑞士Basel大學的Christian Cajochen等［4］通過使用不同波長的光來照射人眼，并且監測整個過程中心率、體溫、褪黑激素水平等生理參數。結果顯示，在波長為460nm的光照射后，人體體溫有所上升;而使用550nm的光和不使用任何光線都對人體體溫沒有任何較大影響。同樣，波長為460nm的光照射1.5小時后引起人體心率加快;而550nm和完全黑暗情況下對人體心率沒有任何影響。Ishibash［8］通過在不同環境溫度(21℃、28℃和35℃，相對濕度50%)、不同色溫(3000K、5000K和7500K)以及不同噪聲環境(背景噪音為+0dB、+5dB和+10dB)的情況下對8名實驗者進行生理參數的檢測。結果顯示環境溫度對人體心率的影響最為明顯。而在無背景噪聲的情況下，7500K色溫情況下的心率變異性中的低頻功率和高頻功率的比值要明顯高于5000K和3000K。Tsutsumi［9］通過在臥室和起居室安裝不同色溫的熒光燈在不同的時間段照射人眼，同時監測8名實驗者的心率變異性和血壓情況，結果顯示6700K的光源對于心率變異性和血壓的影響要明顯高于3000K和5000K的熒光燈。

從這些研究可以發現，短波波段(如波長460nm)的光相比長波波段(如波長550nm)更容易引起人體心率變化，高色溫光源相比低色溫光源對于心率的影響更為明顯，這也與目前為止國際上較為認可的兩個非視覺生物效應的模型基本吻合。

但是這兩種具有理論基礎和科學價值的模型在實踐中也存在著各自的缺陷和不足:基于褪黑激素分泌抑制作用的實驗方法，由于光照和褪黑激素抑制因果關系存在時間差而不具備即時性，會增加實驗開展和驗證的復雜性;基于瞳孔收縮作用的實驗方法，具有很強的直觀性和即時性，但并不能排除傳統感光細胞(視錐細胞和視桿細胞)在光照條件下對瞳孔收縮的影響。所以，采用更多的實驗數據和更好的實驗方法將幫助人們解開種種的不確定。

Moore等［10］發現SCN通過室旁核(subparaventricular zone，SPVZ)——下丘腦和后交叉區(retrochiasmatic area，RCA)——腦干兩條通路參與人體自主神經調節。作為人體自主調解特征之一——心率變化的產生，主要是心臟竇房結自律活動通過交感和迷走神經精細調控的結果［11］，而迷走神經中的副交感神經纖維是由腦干內的副交感核發出的。這有可能就是照明對人體心率變化影響的神經通路。

本文中，采用單色LED作為照明光源，用心率及其變化率來對比分析低照度情況下不同光譜環境對于人體造成的光生物效應。

2 實驗設置

實驗采用4種高品質單色LED作為實驗用光源，通過直流源來控制LED光源的發光強度，從而達到調光和定標的目的。實驗中選用了光譜如圖2所示的藍、綠、黃、紅4種單色光作為實驗光環境。單色LED主波長及色坐標等參數值如表1所示。

圖2 實驗中四種彩光的光譜

表1 四種彩光對應的參數值

受測者采用正常坐姿，如圖3所示，坐于距離發光面1000mm的正前方，通過調節座椅高度和頭部固定裝置使不同受測者的眼睛處于相同的位置，使四種彩光在受測者眼睛位置處形成的照度值相等，約為75lx。

圖3 受測者測試場景示意圖

3 實驗方法

房間溫度保持在25攝氏度。12名23歲至30歲之間的青年受測者(平均年齡27歲)，男女各6名，自愿參加實驗研究。受測者均無眼疾，且色覺正常，他們的心率通過生理參數監護儀進行記錄，每分鐘記錄一次。

首先，被試人員在黑暗環境中進行環境適應，在生理參數達到穩定后，實驗開始，儀器在黑暗情況下對受測者的心率采樣10分鐘，之后打LED光源，顯示某一顏色的彩光，再記錄受測者在彩光環境下10分鐘內的心率情況，用LED光源開關前后20分鐘的心率及心率變化率來評價光生物效應對于心率影響的即時作用。實驗過程中，要求被試兩眼始終注視燈具發光表面，一組實驗結束后，被試在黑暗中休息直至其心率參數穩定后進行第二組實驗。每位受測者均參加所有四種顏色的實驗測試。

4 結果與討論

在四種不同的彩光作用下，受測者由暗到明的心率變化作為光生物效應即時作用的評價指標。在實驗過程中，除了燈光的開與關，其他環境參數均不發生改變。受測者在燈光開關前后的心率情況如圖4所示。

圖4 彩光對于人心率變化的影響

使用SPSS17.0檢驗燈光開關前后的心率變化的顯著性，配對T檢驗的結果顯示，在每種彩光環境下，心率均有顯著性變化(P＜0.05)，其心率變化分析如表2所示。結果表明，即使在低照度情況下，光生物效應同樣可以引起人們的心率變化。

表2 配對T檢驗結果

在我們定義心率變化率為，開燈環境下平均心率和暗環境下平均心率之差與暗環境下平均心率的比值時，結果如圖5所示。藍光引起的生物效應最大，其引起的平均心率變化率達到6.50%左右，按照變化率由大到小依次為綠光，黃光和紅光。以往的研究表明，昏暗的光也會對人類的生理和行為產生影響［12］，這與我們的結果是一致的。

再對四種彩色光環境下受測者的心率變化率兩兩進行獨立T檢驗，檢查不同光譜的環境光所引起的心率變化率是否存在顯著性差異。如表3所示，除綠光與黃光、黃光與紅光比較之外，其他幾種情況P＜0.05，均存在顯著性差異。

圖5 受測者在不同光色環境下的心率變化率

表3 心率變化率獨立T檢驗

實驗中，發現女性受測者的心率普遍高于男性受測者?；谶@一點，對不同情況下的男女受測者心率變化率，兩兩進行獨立T檢驗，并未發現存在顯著性差異(即沒有P＜0.05的狀況發生)，如表4所示。在不同光譜的環境下，本實驗的受測者所反映出來的心率變化并不存在著顯著的性別差異。

表4 男女受測者心率變化率獨立T檢驗

本實驗中，用心率來評價彩色光對人的非視覺生物效應。低照度的彩色光能夠引起人們的非視覺生物效應，但本文中所采用的四種顏色的彩光所引起的心率變化之間并沒有出現顯著的性別差異。非視覺生物效應背后的機理和細節性問題仍需進一步研究。

5 結論與展望

本文中，用心率及其變化率來評判彩色光對人的非視覺生物效應的影響。實驗中采用了四種不同光譜的單色光，在低照度情況下可以引起人的非視覺生物效應，且不同顏色的光所引起的心率變化存在差異，但不同彩光引起的心率變化之間并沒有出現顯著性別差異。不同顏色彩光影響結果之間的關系仍然需要進一步探究，非視覺生物效應背后的機理和細節性問題也需進一步探索和完善。

與非視覺生物效應相關的參數評價，在目前光度學評價體系中仍亟待補充完善。諸如褪黑激素及皮質醇對人體的具體影響，心率、血壓、體溫等生命體征伴隨光照變化而產生的波動等，都需要更多理論依據和實驗數據來解釋說明。完善光度學評價體系還有很長的一段路要走。

目前，非視覺生物效應還主要停留在實驗和機理探究層面，相信越來越多的研究會將它剖析清楚，從而讓它從理論研究走向實際應用。在未來的實際照明應用中，設計者們可以將非視覺生物效應理論與顏色心理學等諸多理論相結合，創造更舒適、更健康的綠色照明環境。

致謝:實驗的機理研究和設計等方面得到居家奇博士、邱婧婧老師的大力支持，在此一并深表謝意。

［1］Berson DM，Dunn FA，Takao M．Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock．Science，2002，295(5557):1070～1073．

［2］曾強，何士剛．視網膜中的自主感光神經節細胞．生物物理學報，2011，27(5)，387～394．

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［5］Van Bommel W．Lighting quality and energy efficiency，a critical review．Light ＆ Engineering，2011，19(3):5～11．

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［12］Wright KP，Hughes RJ，Kronauer RE，Dijk DJ，Czeisler CA．Intrinsic near-24-h pacemaker period determines limits of circadian entrainment to a weak synchronizer in humans．Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America，2001，98(24):14027～14032．