光健康與國際標準化的進展

羅勇軍 牟同升 溫曉芳

(1.杭州浙大三色儀器有限公司，浙江杭州 310030;2.浙江大學光電信息工程學系，浙江杭州 310007;3.浙江智慧健康照明研究中心，浙江杭州 310030)

1 引言

人類在長期的進化中，早已適應了自然的光環境，然而自從愛迪生發明第一只電燈泡后的一百多年來，城市居民逐漸地遠離自然太陽光，大部分時間都處于室內，接受著人造燈光的照射。而照明的設計與應用僅僅是基于人眼的視覺需求或裝飾效果，沒有考慮光健康的問題。隨著光生物學研究的進展，人們發現人造燈光對健康的影響越來越大，而不僅僅限于視覺層面，這引發了一個更廣泛的議題—光健康，也就是我們經常提及的光生物安全問題。

人造燈光是人類文明進步的一個重要標志，但不適當地應用也逐漸成為一個健康的潛在危害因素。近幾年隨著半導體照明的迅速發展，照明不僅僅是“照亮”這一目的，而是更加重視燈光的舒適性、光健康等品質。以高亮度、點光源為特征的LED不僅為照明方式帶來新的變化，同時GaN等藍光輻射在視網膜上的高輻照可能產生的光化學損傷更成為健康的重要議題。隨著LED的輻射亮度不斷提高，再加上LED紫外和藍光波段芯片的廣泛應用，使得LED光輻射危害成為一個不容忽視的問題。以藍光和近紫外芯片激發白光的普通照明用LED光輻射危害，主要體現在眼睛的近紫外輻射傷害和視網膜藍光危害等。而非普通照明用的LED產品還會涉及紫外和紅外輻射。與眼睛相比，皮膚輻射損傷要小很多。此外，各種光源的光學輻射還可能會對人體產生長期的影響，而且不易察覺。經研究證明，值夜班的女性乳腺癌發病率明顯偏高。更重要的是，LED芯片使用的氮化鎵技術使其藍光部分含量偏高，而藍光是抑制褪黑激素最明顯的波長。

對于LED產品的光輻射安全評價，目前國際上已有了相應的標準，這些標準對燈具和燈系統的制作提出了具體的要求，規定了其輻射限值，以避免對人體產生的危害。例如IEC62471(CIE S009)，此標準適用于激光以外的一切光源。標準中對曝光限值 (Exposure Limits Values，ELVs)進行了限定［1］。我國在標準制訂中的步伐也正在不斷加快，并參與國際標準的制訂，例如國際標準IEC TR 62471－4就是由我國主導制訂的。因此，隨著國際標準體系的不斷豐富完善，我國的光輻射安全性也會逐漸走向規范化。

2 光健康科學的發展

嚴格上來說，光健康包括光對人體的短期作用效應和長期慢性作用效應。短期作用效應指8小時內的光輻射所產生的影響，即ICNIRP指南和IEC62471系列標準中的光化學損傷和熱損傷。從波長200nm－3000nm分為六種損傷類型，即眼睛和皮膚的光化學紫外傷害、眼睛近紫外危害、視網膜藍光危害、視網膜熱危害、眼睛紅外輻射傷害以及皮膚熱危害。目前在國際上作為安全標準強制執行。長期慢性作用，包括閃爍、眩光及非視覺的生理節律影響等等。作為普通照明用途的可見光LED產品而言，藍光對于健康的影響最為明顯，它除了可能對眼睛造成物理傷害以外，還對生理節律的調節產生影響。

2.1 藍光對眼睛的影響

眼睛可以吸收不同波長的光 (圖1)。而對于可見光而言，藍光是最具有危害性的，其對眼睛的損傷主要是在視網膜。紫外光和紅外光通常被角膜和晶狀體吸收，因而一般不會照射到視網膜。但藍光可以穿透晶狀體到達視網膜，對其造成光化學損害，加速黃斑區細胞的氧化損傷。所謂的藍光危害，是指受到藍光輻射的視網膜產生的光化學損傷。短波長的藍光含有高光子能量，可對視網膜產生嚴重的傷害。輻射產生的影響可以用與光生物效應相關的加權作用函數來確定。如圖2所示，在光譜的藍光波段，作用函數達到峰值。

圖1 不同波段的光在眼睛中的輻射Fig.1 Radiation of different wavelengths of light on human eyes

不同年齡人群的眼睛對藍光波長的透過率不一樣，兒童晶狀體相對比較明澈，藍光極易穿透而直達視網膜，如圖1中所示。兒童在0～1歲這個年齡段，大約70%～80%的藍光可以穿透晶狀體到達視網膜，而在60歲年齡組，大約只有40% ～50%的藍光會照射到視網膜 (圖3)。產生這種區別的原因，是隨著年齡的增長晶狀體的顏色變得越來越黃所致。因此，臨床上新生兒黃疸使用藍光照射的方法進行治療時，都會用黑布遮住嬰兒的眼睛，保護視網膜免受藍光輻射損傷。

圖2 藍光危害的作用函數Fig.2 Action function of blue light hazard(BLH)

人眼視網膜色素上皮細胞 (RPE)是位于視網膜外層的具有特殊功能的單層細胞，RPE細胞的退化與損傷可能導致多種疾病，常見的是老年性黃斑病變，嚴重的甚至會導致失明。對人RPE細胞的體外實驗中，經藍光LED照射的細胞將失去生存活力、活性氧化簇 (ROS)明顯增加、細胞出現凋亡。

圖3 不同年齡人群的晶狀體對于藍光的透射率Fig.3 The average transmittance of human lenses for three different age groups as a function of wavelength

2.2 人眼第三種感光細胞的發現及生理節律效應

2002年，美國布朗大學的DavidBerson教授等在哺乳動物的視網膜上發現了除桿體細胞和椎體細胞以外的第三種感光細胞。此發現徹底地革新了節律生物學以及照明工程學。這是一種含黑視素的視網膜神經節細胞 (mRGC)，一般稱為自主感光視網膜神經節細胞 (ipRGC)。與傳統感光細胞不同的是，ipRGC負責使人體與外界的亮暗周期同步，從而協調人體的生理節律，此領域在近年來已成為了研究熱點。生理節律，也就是俗稱的為生理時鐘，是人體一天之內的各種生理參數的生理循環，體溫、激素水平、睡眠、認知表現等都遵循著這種規律性的波動。在哺乳動物中，驅動這些節律的是一種存在于下丘腦中的叫做視交叉上核 (SCN)的起搏器，而SCN損傷會導致生理節律的終止。由于SCN的內在節律并非精確地以24小時為周期，因此必須要有外在因素對其進行調節，才能使人體的各種生理參數與外界亮暗周期同步。目前為止，光是最重要的生理節律調節因子。在哺乳動物中，光通過激活眼睛視網膜下丘腦束來調節生理節律，它是連接ipRGC與SCN的直接途徑。ipRGC主要負責人體的非視覺生物效應，它與人腦的生物鐘系統連接，通過光信號抑制來調節松果體的褪黑激素分泌以及人體內的皮質醇、體溫等生理參數的變化，從而調節人體的睡眠、警覺、免疫等功能，即參與生理節律的調控。松果體分泌的褪黑激素是調節生理節律的主要激素，而且只在夜間分泌，因此可以作為節律各階段的標記。眾所周知，褪黑激素有促進睡眠、調節激素分泌、抗癌等潛在功效，在一些動物實驗中，褪黑激素可以抑制一氧化氮 (NO)的過度生成并降低脂褐素的水平，從而達到抗衰老的作用。

2002年，Gall等在Brainard和Thapan的研究基礎上，提出了生理節律作用函數c(λ)，用來表征光引起的褪黑激素抑制 (圖4)。如圖4所示，460nm附近的波長，即藍光波長，對褪黑激素的抑制最強烈。而且，Gall等還在c(λ)的基礎上，將節律效應量與光度值的比值定義為節律作用因子acv。acv可用于確定不同光源對人體的節律效應。從此，光源的評價不再局限于視覺層面，而逐步開始過渡到非視覺的生物學效應。

基于GaN技術的LED產品往往具有較高含量的藍光組分，會嚴重影響人體的生理節律。生理節律的紊亂，對人體健康是極為不利的。近年的流行病學研究表明，生理節律的破壞可能是乳腺癌和結直腸癌高發率的一個重要原因。

圖4 Gall等制訂的節律作用函數Fig.4 Averaged circadian action function c(λ)

3 國際標準的制訂及發展

目前，涉及光輻射安全的國際標準化機構主要有:國際非電離輻射防護委員會 (ICNIRP)、國際照明委員會 (CIE)和國際電工委員會 (IEC)。這幾個機構之間相互關聯，其中的成員大多是業界內知名人士或是權威機構內的專家，每年會在不同的國家地區舉行相關學術交流活動，推動國際標準的發展。

3.1 國際非電離輻射防護委員會 (ICNIRP)指南

ICNIRP是不涉及任何社會、經濟及政治利益的國際科學顧問團體，其成員僅限與商業、工業機構無關的國際專家，是世界衛生組織WHO官方認可的非政府國際組織。該國際組織的目的是不受任何利益團體的影響，完全從公眾健康的角度研究光學輻射和電磁輻射等非電離輻射對人體健康的影響，為世界衛生組織WHO和其它相關國際組織提供依據。ICNIRP目前有流行病學、生物學、物理學和光學輻射4個常務委員會，發布非相干光源和激光束的光生物安全閾值、指導方針和聲明。此外，ICNIRP邀請各種專業領域的專家作為顧問成員。尤其，隨著電磁場、射頻及光學設備等新技術的廣泛應用，可能導致公眾所受輻照的增加，這些專家可以提供更專業的觀點。目前，ICNIRP發布的技術指南已成為國際工業界制訂產品標準的重要依據。

3.2 國際標準IEC62471系列

國際電工委員會 (IEC)是全球三大標準化組織 (IEC、ISO、ITU)之一，也是最早的國際性標準化機構，成立于1906年。IEC主要負責電子電工領域的產品標準制訂，因此涉及各種光源和照明產品的標準化，均歸屬于IEC組織。與光相關的IEC標準化組織主要是IECTC34“燈和相關設備” (照明產品)和IECTC110“電子顯示器件” (顯示產品)，而專門涉及光生物輻射安全的標準化組織是IECTC76“光輻射安全和激光設備”。IECTC76早期(2005年前)主要考慮激光產品，而隨著照明技術及LED產品的發展，目前非激光的普通光源產品的光生物輻射安全已成為該技術委員會的重點工作。

2006年，IEC全文引用CIES009發布了光生物安全標準 IEC62471:2006。在 2008年 10月召開的IECTC76會議上，IEC正式決定起草IEC62471系列標準，并將所有LED產品及應用系統的光輻射安全全部納入非激光類產品標準IEC62471系列范圍。IEC62471中使用的曝光限值來自ICNIRP的相關文件準則。

IECTC76/WG9是專門開展非相干光源 (非激光)的國際標準化工作組，已發布的標準包括IEC62471－2006“燈和燈系統的光生物學安全 (圖5)”和IECTR62471－2“燈和燈系統的光生物安全—第2部分:非激光光輻射安全相關制造要求指南”［2］(圖6)。根據最近幾年的醫學研究及評估方法的發展，目前對“燈和燈系統的的光生物學安全”標準的內容作了相應的修改，新標準將以IEC62471－1發布。另外，IECTR62471－4“燈和燈系統的光生物安全—第4部分:測量方法”標準正在制訂之中，由我國杭州浙大三色儀器有限公司(浙大三色)負責起草 (圖7)。

圖5 IEC62471－2006“燈和燈系統的光輻射安全”標準Fig.5 IEC62471－2006“Photobiological safety of lamps and lamp systems”

圖6 IECTR62471－2“燈和燈系統的光生物安全—第2部分:非激光光輻射安全相關制造要求指南”Fig.6 IEC TR 62471－2“Photobiological safety of lamps and lamp systems－Part 2:Guidance on manufacturing requirements relating to non－laser optical radiation safety”

圖7 IECTR62471－4“燈和燈系統的光生物安全—第4部分:測量方法”Fig.7 IEC TR 62471－4“Photobiological safety of lamps and lamp systems－Part 4:Measureing methods”

目前，所有LED照明產品的安全標準中都對光生物安全性提出了強制性的規定，并依據于IEC62471標準。如:IEC62560“普通照明用50V以上自鎮流LED燈安全要求”、IEC62031“普通照明用LED模塊安全規范”和IEC60598－1“燈具，第1部分:一般要求和試驗”。

3.3 國際照明委員會 (CIE)技術報告

在國際照明委員會CIE中專門研究光對人和生物健康影響的機構是CIED6，即CIE第六分部“光生物與光化學”。目前，CIED6針對光對人眼視網膜、皮膚損傷、照明的健康影響以及植物的光作用效應開展了一系列研究，正在制訂相應的技術報告，如2002年，發布了CIES009“燈和燈系統的光生物學安全性”，2004年發布了CIE158“Ocular lighting effect on human physiology and behaviors”等等，對光損傷的六方面物理量及光對人體免疫及神經激素的影響作了重要的規定和指導。

2011年，在南非第27屆國際照明委員會CIE大會期間，CIE確認了之前在瑞士伯爾尼會議上提出的“照明產品的光生物安全測量”提案，即CIETC2－73技術委員會，本文作者榮幸地擔任了該技術委員會的負責人。CIETC2－73將對各種照明產品的光學輻射對人健康造成損傷的各種物理量的測量制訂國際技術規范，涉及對人體的短期和長期危害的各種相關輻射量。另外，我國浙大三色公司的另一項技術提案“動態LED光源的性能評價和測量”也獲得了批準，針對新型動態照明LED光源的視覺和健康方面的參數開展研究。

4 我國標準制訂的現狀

2006年，根據CIE S009轉換的GB/T 20145－2006已發布。IEC TR 62471－2對應的國內標準亦已由浙大三色負責轉換完成，即將發布執行。針對國際上非常關注的LED產品的光輻射安全標準，2010年國家標準化管理委員會批準了兩個項目:“半導體發光二級管光輻射安全—第1部分:要求與等級分類方法”和“半導體發光二級管光輻射安全—第2部分:測量方法”，目前，這兩項標準草案已由浙大三色起草完成，待工信部和國標委審批發布。

我國的標準化組織TC284“全國光輻射安全和激光設備標準化技術委員會”專門制訂激光和非激光兩大類產品的光輻射安全標準，對口于國際標準化組織IEC TC76。最近，由TC284標委會提出擬成立TC284/SC4“非激光類光輻射安全分技術標委會”，將為照明等非激光類產品的光生物輻射安全制訂系列標準。

5 結論

大量醫學及光生物學研究表明，光會對人體組織及相應的健康造成影響，應該引起公眾重視。不適當的光照除了會對人體產生短期的損傷外，長期日積月累的光輻射作用還可能造成慢性的影響，例如生理節律和免疫功能的破壞等。

自從人造光源面世以來，各種照明技術不斷地革新，而國際標準的不斷推出，則有利于保護公眾的健康，這是人類進步的表現;同時也對照明產業構成了新的挑戰和機遇。照明產品不僅要考慮節能、照明視覺功能，還需要考慮光健康，百姓更希望看到日常使用的照明產品真正符合光健康的要求。

ICNIRP與世界衛生組織WHO密切合作，推動全球公眾對光健康的認識。作為聯合國的一級技術支持組織，國際標準化組織IEC為世貿組織WTO提供大量的技術標準。近幾年，IEC組織面對全球氣候變暖及人類健康，積極推動相關國際貿易技術標準及相應的產品認證。

全球電子電工產品安全性認證委員會IECEE非常重視LED等產品的光生物安全的認證，2013年5月在挪威奧斯陸會議上成立了“光生物安全”小組，將開展全球統一的光生物安全認證，實施國際標準化組織IEC制定的光安全標準。我國專家也應邀參與國際標準制訂和全球產品安全性測試認證工作，并在某些方面起主導作用，促進我國在光健康和安全性方面的工作逐步走向國際化。這將有利于我國新一代半導體照明的產業發展。

［1］IEC 62471－2006“Photobiological safety of lamps and lamp systems”.

［2］IEC TR 62471－2－2009“Photobiological safety of lamps and Lamp systems－Part 2:Guidance on manufacturing requirements relating to non－laser optical radiation safety”