人因健康研究助力LED產業發展
——LED產品人因健康評價技術簡介

蔡建奇 杜 鵬溫蓉蓉

（1.中國標準化研究院；2.北京陽明智道光電科技有限公司）

人因健康研究助力LED產業發展
——LED產品人因健康評價技術簡介

1蔡建奇2杜 鵬2溫蓉蓉

（1.中國標準化研究院；2.北京陽明智道光電科技有限公司）

一、前 言

作為20世紀至21世紀最重要的科學成果之一的LED技術，大大降低自然能源的消耗，但同時各類LED照明顯示的爆炸式增長，也對人類的視力健康帶來極大負面影響。

伴隨著LED技術的不斷進步和我國自2003年起對于“綠色LED產品”項目的大力推廣，各類LED產品現已深入民眾生活的方方面面。但是下面這組數據卻深深的令人震驚：世界衛生組織2012年報告顯示——屈光不正（近視、散光、遠視）這一視覺功能不健康的最重要表征疾病已成為全球第二大致殘疾病，而在中國，近視患者占全球的33%，高出世界平均水平10%。截至2013年，中國戴眼鏡的人數接近4億，患有屈光不正的人口超過5億。41%的5～15歲未成年人存在屈光不正問題，而未實施矯正的比例高達85%，高于世界上的許多其他國家（廣州日報，2013年11月13日）。2009-2010學年到2012-2013學年，北京市中小學生視力不良檢出率從59.96%增加到62.96%，小學階段的視力不良檢出率已經達到49.77%，中學階段達到了81.19%。中國的孩子們正在受越來越嚴重的近視問題困擾，而且有愈演愈烈的趨勢。

而隨著民眾意識的覺醒，對生活品質的不斷追求，消費者對LED產品的接受過程也從最初的“節能”要求逐步轉變為節能的同時要兼顧“健康”，LED產品對于人的健康舒適度影響已成為目前的研究熱點。

二、什么是LED產品人因健康研究

LED產品對于人的影響一般可歸結為三個方面：視覺影響、腦力負荷影響以及皮膚影響，其中皮膚影響最小，而產生視覺影響與腦力負荷影響的受體器官是人眼，因此LED產品健康舒適度即是以產品的最終核心受體——人眼為研究對象，從人的生理和感知的角度，有效評價LED產品是否存在健康安全性影響（圖1）——研究產品不同光參數（亮度、照度、色溫、顯色指數、峰值光譜、頻閃等）與人眼各項 視生理功能及相關的腦部負荷功能之間的對應關系，構建人眼視覺（疲勞）、人眼光譜影響、人眼細胞影響、腦力負荷影響等客觀評價模型，提出客觀量化人眼健康舒適度的評價指標、限定值/限定范圍，并基于客觀量化指標形成產品物理參數-人體生理功能參數互為映射的、能夠有效指導企業研發生產的光源配比模型，從而指導企業生產出兼具節能性和健康安全性的LED產品，引導LED產業的健康發展。

健康舒適度的概念源自于人因工程學，它是研究人類在不同環境、產品以及服務影響下的不同身體和心理狀態的理論。由于過去對于人體科學的研究尚不發達，因此傳統人因學更多著眼于以心理學為基礎的產品可用性研究——利用主觀心理問卷的方法，通過統計學的方式，指導產品的可用性研發；但是伴隨近30年來測試技術的高速發展，人因學的研究方向也從傳統的主觀心理研究逐步轉向客觀生理研究，其主要目標也從過去的產品可用性研究逐步轉向產品“健康”性研究。

健康舒適度研究作為人因學未來的主要發展方向，利用前沿的人體機能檢測設備，通過大樣本量的人因測試所形成多參數數據庫，客觀量化出人-機（產品、服務等）-環三者之間的匹配關系，從而最終形成有別于傳統產品物理性能指標的“人因評價指標”。簡而言之，健康舒適度是評測并指導改進產品 “健康、舒適、安全、效率”性能的方法，其核心就是持續提升產品的“健康、安全、高效”三大屬性。

圖1 人因樣本分布圖

三、LED產品人因健康研究的作用

人眼作為LED產品尤其是照明顯示產品的最終受體，其健康影響主要是視覺影響、眼生理機能影響以及腦力負荷影響三個方面，其中視覺影響是上述研究的首要重點，理由如下：

1．視覺健康與否直接影響人的生活質量

伴隨信息化社會的來臨，信息的汲取已成為人類生活、學習、工作、成長發展的核心要素，而人的信息獲取90%來自于視覺，因此視覺健康與否不但影響著人的身體健康，更對人的生活、學習、工作、成長起著重要的作用。

2．照明、顯示及其他可視化產品的普及已成為人眼屈光不正（近視、散光、遠視）大幅增長的誘因

半個世紀以來，照明、顯示及其他可視化產品技術飛速發展，與之伴生的視覺健康問題愈加嚴重，數據在前言中已經羅列，在此不再贅述。

另外有研究顯示，道路交通事故特別是夜間道路交通安全事故中，不同程度上都存在照明條件不佳、駕駛者視覺疲勞（觀視模糊、應激反應下降）、駕駛者生理疲勞（注意力分散）的問題，這些問題多與視覺問題相關。照明條件不佳是視覺疲勞迅速累積的誘因，視覺疲勞累積將造成應激反應能力下降從而誘發交通事故發生。

3．照明條件及因此而繼發的視覺疲勞問題影響工作效率

北美工業學會研究結果顯示，視覺質量下降嚴重影響工作效率。這在工廠產線中表現的尤為明顯。

四、 LED產品人因健康研究的創新性

1．視覺健康舒適度評價方法

從國內外照明和顯示相關健康舒適度研究的現狀可見，當下視覺健康舒適度的主要研究方法還是從主觀認知變化及反饋的角度來進行。縱觀ISO,IEC,CIE發布的現有國際LED照明顯示產品的相關標準，全部是以歐美人群為測試對象，以歐美人群的視覺功能基礎構建的，而醫學研究表明歐美人種與亞裔人種的眼部功能特點從虹膜、屈光、散光等諸多方面都有明顯區別，因此以亞洲人眼部功能特點為研究對象的照明視覺健康舒適度研究尚處于空白狀態。

本研究是基于人眼視覺功能狀態變化的實驗研究，本團隊研發人員奔赴全國5個區域（圖2所示），其人群全面覆蓋未成年（5%）人和成年人（95%），其中視覺異常疾病患者5%，男性49%，女性51%，測試場地包括戶外、辦公室、廠區、教室等多個區域，總計采集8000多人次的中國人眼睛在不同光源照明環境下的視覺功能數據。

通過分析不同光源環境下人眼的功能狀態：基礎屈光、AC/A，眼壓、高階像差、MTF、HF等變化值，同時結合CIE現行的主觀問卷式調查，將該評價體系劃分為5級分檔。然后，項目組利用神經網絡算法，通過實驗獲得的客觀視覺指標參數，構建了主觀感受與客觀指標相統一的照明健康舒適度評價模型，并首次提出 VICO(Visual Comfortable index)評價指數（基于人眼眼軸和角膜屈光變化的視覺健康舒適度指標，表征照明產品的健康舒適度）。方法如圖3所示。

作為視覺健康舒適度的一種定量評價方法，該評價模型客觀快速，而且充分考慮了多項因素對視覺健康舒適性的影響；同時此方法可以隨著樣本數據量以及參數因子量的增加，來進一步完善神經網絡的容錯性和預測性，并能更為快捷準確的給出預測結果，是具有客觀量化分級方式的照明產品健康舒適度指標評價體系，達到了準確評價各類型照明產品視覺健康舒適度的目的，同時研究成果也彌補了照明領域中東亞裔人種方面數據的缺環。

2.視覺健康舒適度評價指標——VICO指數

通過視覺健康舒適度評價模型本團隊首創了第一個客觀評價產品對于人眼視覺影響的指標——基于人眼眼軸及角膜屈光變化的視覺健康舒適度評價指標，簡稱為VICO指數，VICO指數是獨立于照明產品物理指標（色溫、顯指、照度、亮度、頻閃等）的、完全從人眼視功能角度、能夠客觀量化評價LED產品對于人眼視覺影響的指標，其主要評價產品對于人眼視光學角度下的視覺疲勞影響——眼軸和角膜屈光影響，VICO指數共分為5級。級數越高說明健康舒適度程度越低，具體如表1所示。

圖2 視覺健康舒適度評價方法

表1 視覺健康舒適度(VICO指數)量化分級

VICO指數作為一個能夠客觀評價視覺應用產品對于人眼視功能影響的指標，其核心意義在于指標的內在測量參數與人眼近視成因有著密切的關系，醫學領域對屈光不正（主要表征為近視和散光）的成因可基本歸結為4個方面：第一方面是遺傳及先天因素，第二方面是生活及用眼習慣，第三方面是環境光導致的視覺疲勞累積，第四方面是人眼睫狀肌調節過度，上述4方面中，第一和第二方面是先天、固有、很難改變的，而環境光導致的視覺疲勞累積影響以及調節過度卻是可以通過技術手段進行改善的，VICO指數其本質就是有效量化表征出光對人眼的視覺疲勞累積程度（RS、MTF、HOAS、）以及人眼睫狀肌的調節程度（AC/A），因此通過VICO指數不但可以有效評測出LED產品對于誘發人眼近視可能產生的影響，而且可以利用基于VICO指數所形成的光源配比模型去有效指導企業生產出更為“視覺健康”的LED產品。

3.人眼視網膜細胞光損傷定量評測指標——CV指數

針對LED產品對于人眼細胞的光安全、光損傷問題（如藍光危害），本工作室前期進行了大量的動物實驗，分別使用小鼠、大鼠、豚鼠等多種動物作為實驗對象進行了眼球細胞的光刺激實驗，得到了大量的實驗數據，并初步了解了光刺激對于眼球發育的影響，之后為了進一步研究光刺激對于人眼細胞的影響，本團隊采用人眼視網膜細胞體外培養并進行額定光環境下的照射實驗的方式來評價光環境對于人眼視網膜細胞的損傷影響，目前該方法已經形成了穩定的“人眼視網膜細胞光損傷定量評測系統”，并形成了量化評測指標—CV指數（Cell Viability 細胞活力）。細胞活力指某一特定細胞群組中存活細胞個數占總細胞個數的百分比。CV指數共分為5級，級數越高說明所測試光環境對人眼視網膜細胞的損傷程度越大 （見表2）。

4.視覺健康舒適度評價方法與傳統人因評價方法的區別

由于人眼是一個具有復雜生理結構和光學特性的綜合功能體，因此長久以來關于視覺健康的評價方法一直是學科難點。傳統的視覺健康舒適度評價方法主要是以主觀問卷方式為主，輔助以一些視力監測等輔助量化手段進行，但是由于這些方法的主觀人為因素較多，因此評價結果往往誤差極大，難以反映人的實時視覺健康舒適度。本研究是基于主觀評價為輔、客觀測試為主的研究方法，其與傳統方法最大的區別如表3所示。

五、產業化應用成果

1.團隊簡介

作為國內目前最具影響力的視覺健康研究團隊，由中國標準化研究院公共安全研究所蔡建奇副研究員牽頭組建的項目團隊集合了來自各家頂級醫療、科研機構的中青年骨干，項目團隊成員來自上海五官科醫院、溫州醫學院、中科院光電所、蘇州生物醫學工程研究所、北京航空航天大學等國內知名高效及科研機構，同時項目技術的研發及應用也得到了北京陽明智道光電科技有限公司、杭州華普永明光電股份有限公司的大力支持。

表2 細胞活力(CV指數)量化分級

2.產業應用

該評價技術能準確、快速、有效的評價人眼的視覺健康舒適度水平，基于該技術的多項參數指標可評價不同產品（照明、顯示等）對人眼疲勞程度的影響情況，并依據產品光參數與人眼數據的映射關系指導產品研發。目前本項目研究成果已全面應用于各類LED照明顯示及相關配套產品的研發和生產中。

作為項目核心團隊成員之一的華普永明， 2014年度銷售額達到3.7億元，先后獲得了杭州市市長杯工業設計銀獎、中國中小企業創新成長之星、中國中小企業創新100強、中國工業設計示范基地（全國僅4家）等殊榮，借助全球節能改造的風潮，華普永明將依靠技術優勢和項目經驗加速發展。有望在兩年內成為全國路燈銷量第一企業。

3.標準及論文

在標準創新方面，基于本項目技術研發而形成的一系列相關產品及行業相關標準起草工作也已經取得一定成果，相關標準名錄如下：

（1） CSA/DIS 035.1 LED照明產品視覺健康舒適度測試；

（2） QB/T 4735-2014 偏振式三維立體眼鏡；

（3） ISA/CD LED products—Test of visual health and comfort.

截至目前，本項目研發所涉及相關科研技術已累計發表各類論文10余篇，其中SCI檢索論文4篇，核心期刊論文超過10篇。

六、結 語

縱觀人類科學的發展史，我們可以部分認作是一部通過不斷研究事物內在規律最終服務于人類自身發展的歷史，大部分研究都是為“滿足并提升人類自身需求”這一核心目標而服務的——檢測科學就是對這一目標最好的注腳，只是在其創建之初，艱深的人體科學研究較之“蓬勃噴涌”的物理學研究實在太過落后，因此多年以來，檢測科學始終秉承著以“產品檢測”為主干的道路快速發展著。但是“時移勢易”，伴隨近30年來人因工程學技術的飛速發展，單純的產品物理指標檢測已經不能滿足我們人類日益提高的產品需求，我們應依據人體本身的生理指標與產品的匹配原則，對“人-機-環”三者交互作用進行評測，并且注重人本身的產品使用感受，真正做到“以人為本”的檢測服務準則。因此如果說過去是一條產品物理指標檢測的“單車道”的話，未來將是一條產品物理指標與產品人因指標并行的“雙車道”。

照明、顯示作為人類獲取信息的主要基礎條件，其產品設計與人息息相關，但是在相關產品設計以及標準化領域中：長久以來，照明顯示產品的相關設計和標準都是以歐美人種為樣本制訂的，針對占全球總人口20%甚至是30%的中國乃至東亞地區人群的相關參考數據寥寥無幾；通過視覺健康舒適度研究，建立基于中國人乃至東亞人的視覺健康舒適度數據庫，構建出針對人類視覺健康舒適度的評價體系和參考系數，不但能夠有效彌補綠色照明領域在人類健康評價方面的缺環，同時有望憑借這一突破口破解我國LED產業企業所面臨的困局，解決我國照明產業轉型中核心技術不足，缺少與國際產業巨頭談判籌碼的問題。因此本項目業已成為實現我國LED產業轉型、提升我國LED產業核心競爭力的有效途徑之一。

表3 本研究方法與傳統研究方法的區別