基于瞳孔光響應的光譜靈敏度模型研究初探

沈志豪，徐 蔚，韓秋漪，張善端

(復旦大學電光源研究所，上海 200433)

基于瞳孔光響應的光譜靈敏度模型研究初探

沈志豪，徐 蔚，韓秋漪，張善端

(復旦大學電光源研究所，上海 200433)

本文綜述了現有的非視覺生物效應光譜靈敏度研究，設計了一套新的實驗裝置和流程研究瞳孔光響應。根據穩定瞳孔收縮率和最大瞳孔收縮率數據，基于數據擬合和歸一化處理，獲得了兩個基于瞳孔光響應的光譜靈敏度曲線，其峰值波長分別為482.8 nm和495.6 nm，對應的曲線半峰值寬度為95.1 nm和62.9 nm。

非視覺生物效應；生理表征；瞳孔光響應；光譜靈敏度

引言

眾所周知，光對人的影響包括兩部分。一方面，人眼的視覺細胞在光信號的刺激下形成神經沖動，傳至大腦皮層產生視覺；另一方面，人體的生理參數和心理狀況會受到光的影響，這些影響通常被稱為光的非視覺生物效應，主要包括生理節律、激素的分泌與抑制、瞳孔光響應、警覺性影響等[1]。

目前的照明標準是基于滿足人體的視覺需求而建立的，主要考慮的光參數為亮度、照度、色溫、顯色指數、均勻度和眩光等。然而光的非視覺生物效應對人的健康也會產生很大的影響，例如在夜晚，光會抑制人體褪黑激素的分泌，而研究表明褪黑激素在正常的生理濃度下可以抑制Ⅱ型抗炎細胞因子(具有促進腫瘤生長的活性)的產生[2]。此外，光的非視覺生物效應也能用于造福人類，例如通過特定光照強度和光譜能量分布的人工光以及自然光來修復人的晝夜節律紊亂的狀況，幫助恢復人體的健康[3]；利用動態光策略，在工廠環境下實現工作與休息的良好協調，保證工人的工作效率和健康[4]。因此，未來的照明設計和實踐將綜合考慮視覺需求和非視覺生物效應的影響。為了更好地制定照明新標準，我們需要基于光參數來量化非視覺生物效應的影響，其中包括非視覺生物效應與光譜之間的關系，即非視覺生物效應光譜靈敏度模型的研究。

1 現有的非視覺生物效應的光譜靈敏度研究

目前人們對于非視覺生物效應的光譜靈敏度開展了一些研究，實驗中的特征參量包含一個或多個生理參數。這些生理參數包括光致褪黑激素的抑制、瞳孔光響應、生理節律、警覺反應、心跳、體溫等，其中被采用最多的生理表征是前兩個。

早在2001年，Brainard等人[5]就通過實驗得到了光致褪黑素抑制的作用譜。實驗選取受試者在凌晨接受全視野的單色光刺激，然后抽取受試者血液測量，比較光刺激前后血液中的褪黑激素的含量，最后通過數據處理得到了光致褪黑素抑制與單色光波長之間的關系。實驗表明光致褪黑素抑制的峰值波長為464 nm。Thapan等人[6]也在同一年得到了光致褪黑素抑制的作用譜，其峰值波長為459 nm(457～462 nm，相關系數r2=0.73)。這兩個研究組對于光致褪黑素抑制的光譜靈敏度的研究，為后來視網膜上第三種感光細胞的發現奠定了基礎。

2002年，美國《科學》雜志同期發表Hattar等人[7]和Berson等人[8]的2篇研究論文，揭示哺乳動物視網膜上除了視錐細胞和視桿細胞外，還有本征感光視網膜神經節細胞(ipRGC)，即第三種感光細胞，證實了褪黑激素調控人體生理節律等非視覺生物效應的生理基礎。此后非視覺生物效應成為研究熱點。

除了以光致褪黑素抑制作為生理表征，科研人員也常常以瞳孔的光響應作為研究對象。瞳孔的光響應，是指瞳孔直徑隨著人眼處照度的變化而產生變化的生理效應。2007年，Gamlin等人[9]先后對獼猴和人類在不同波長單色光下的瞳孔光響應進行了實驗研究，獲得不同波長下達到相同瞳孔收縮率的人眼處輻照度，從而得到了光譜靈敏度曲線。2012年，McCormick等人[10]以Lolliguncula brevis(一種烏賊)為實驗對象，研究其在不同波長下的瞳孔收縮情況，從而探討非視覺生物效應的光譜敏感性。

對比以上兩種以不同生理參數為表征的實驗研究，我們發現只有在光照達到一定強度時才會出現光致褪黑素抑制的現象。同時，給光刺激與褪黑素含量下降之間具有一定的時間差，適用性和實時性有待商榷。此外，若要增加實驗數據量來優化這條光譜曲線模型，則通過采集人體血液來測量褪黑素含量的方法會使整個實驗變得無比繁瑣和冗長。相對而言，以瞳孔光響應作為生理表征來進行實驗，實時性更好，實驗結果更直觀，實驗流程相對簡單，耗時短，適用于利用大量實驗來提高光譜靈敏度曲線的準確度。

回顧現有的非視覺生物效應的光譜靈敏度研究，出于研究目的的不同，這些實驗所得的作用譜均有一定的應用限制，且研究多采用6～8個波長的單色光來進行實驗，最終實驗擬合曲線的準確性有待提高。本研究通過建立一套新的瞳孔實驗裝置和實驗流程，實現高可行性和高重復性的瞳孔光響應實驗；同時采用更多波長的單色光進行實驗，以提高實驗數據量，從而擬合出更加準確的基于瞳孔光響應的光譜靈敏度模型。

2 瞳孔光響應實驗

本實驗將對12種不同波長的窄帶單色光刺激下的瞳孔光響應進行研究，記錄瞳孔光響應的動態變化過程。

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，根據實現的功能分為兩個部分：單色光發生部分和瞳孔直徑測量部分。

單色光發生部分主要由燈箱、氙燈電源、透鏡、光柵單色儀和出射光管組成。燈箱包括短弧氙燈、散熱風扇和排風管。所用短弧氙燈(深圳凱世光電，KDX-2000SD)的功率2 000 W，工作電壓24.3 V，額定電流75 A。氙燈位于定制的燈箱中部，所產生的熱量由散熱風扇和排風管及時排出，以保證燈箱內的溫度適當，氙燈正常工作而不至過熱。燈箱正對單色儀的側面開孔，孔對氙燈中心所張立體角與透鏡對氙燈中心所張的立體角相同，且該立體角與單色儀的數值孔徑匹配。氙燈電弧發出的光從燈箱上的孔射出后，經透鏡聚焦，氙燈電弧1∶1成像在光柵單色儀(上海光學儀器廠，44 W，Czerny-Turner型結構)的入射縫上；光進入單色儀內部經光柵分光，所需要的特定波長的單色光再從出射縫射出到出射光管。出射光管內部涂黑，另一端放置漫射板，獲得相對均勻的面光源。

瞳孔測量部分由暗室、顎托、額托和眼動儀組成。為了保證實驗受試者僅接受特定波長的單色光的刺激，我們用木板搭建了一個暗室。實驗時暗室內唯一的光源就是來自于出射光管一端的漫射板的單色光。顎托和額托用于固定實驗受試者頭部的位置，保證在實驗時不發生變動。此外，本研究采用Tobbi Glasses眼鏡式眼動儀來記錄瞳孔光響應的動態變化過程，易攜帶和佩戴，采樣頻率為30 Hz，瞳孔數據測量結果精確。在每次實驗測量前，通過定標來確定受試者瞳孔的初始大小，從而縮小實驗的誤差。每次實驗記錄的數據會單獨保存為一個文件，在實驗結束后通過眼動儀配套軟件批量導出至計算機，進行下一步的數據處理。

2.2 受試者

共有4位受試者參與了基于瞳孔光響應的實驗初步研究。受試者1男3女，年齡23～25周歲，每個人都完成了450～620 nm區間內12個不同波長、5種不同強度的單色光下的實驗，獲得共60組瞳孔收縮數據。所有的受試者具有正常的矯正視力和正常的色覺，身體健康，無眼科疾病和精神類疾病，實驗周期內未服用任何藥物且具有正常和自然的作息習慣。

2.3 實驗方法和流程

受試者在實驗當天于規定的時間到達實驗室，先對實驗室環境進行適應，并在暗室內根據受試者的個體情況調節座椅、顎托和額托的位置，使得受試者的左眼完全處于出射光管一端的漫射板的單色光視野內。完成相關準備工作后，受試者用托吡卡胺眼藥水對自己的左眼進行散瞳，每隔5 min滴一次，共滴5次，以達到完全散瞳的效果(專業眼科醫生的建議)。完成散瞳后，實驗受試者戴上自制的遮光鏡進行暗適應，遮光鏡由黑色泳鏡外加黑色膠帶纏繞而成，保證在佩戴時間內受試者處于完全黑暗中。

在進行10 min的暗適應后，第一位受試者在實驗工作人員的帶領下前往暗室，在工作人員指導下摘下遮光鏡佩戴眼動儀，并進行定標。眼動儀記錄給光前20 s，光刺激20 s和撤光后30 s共70 s的受試者右眼瞳孔動態變化數據。完成一次測量后，受試者立即戴上遮光鏡進行下一輪實驗的暗適應；而第二位受試者開始進行本輪測試。采用這種交替實驗的方法，可以縮短實驗周期。在兩輪實驗的間隔期，實驗工作人員通過更換減光片來調節所給光的強度，通過調節光柵單色儀來變換出射光管的單色光波長。

在每輪實驗前，確定受試者眼睛的位置后，用光譜照度計(杭州科興光電有限公司，CL-200F)來測量人眼處的輻照度大小，并將數據導入計算機。實驗中，共測量了450～620 nm區間內12個不同波長單色光刺激下的瞳孔變化情況。對于每個波長的單色光，輻照度從小到大依次測量，完成5個不同強度的實驗。

3 波長和輻照度對瞳孔收縮率的影響

眼動儀內的瞳孔數據通過專業軟件導入計算機，通過數據處理，得到一些初步的結果。

通過分析某一波長一定強度的單色光刺激下瞳孔直徑的動態變化曲線，我們發現瞳孔光響應分為幾個階段：在給光后，瞳孔會快速收縮至最小值；然后在持續給光階段，瞳孔會從最小值逐漸略微增大至穩定值；最后在撤光后，瞳孔又緩慢恢復。

本研究根據實驗數據計算瞳孔收縮率(pupil contraction rate，PCR)，計算公式如下：

其中，D1為給光前瞳孔直徑；D2為給光后瞳孔收縮后的直徑。數據處理時，給光前瞳孔直徑取給光前倒數第99至倒數第50共50個采樣點的瞳孔平均直徑；而給光后收縮瞳孔的直徑取瞳孔最小值前后共5個采樣點的瞳孔平均值。不同波長不同強度的單色光刺激下，瞳孔收縮率最大值數據如表1所示。

根據表1，我們發現在同一波長的單色光照射下，瞳孔收縮率隨輻照度增加而逐漸增大；輻照度愈大，瞳孔收縮現象愈加明顯，但瞳孔收縮率趨向飽和。

表1 不同波長不同強度的單色光刺激下的瞳孔最大收縮率Table 1 Pupil constriction rate under different wavelength and irradiance

此外，在輻照度相近的條件下，不同波長的瞳孔收縮情況也有比較明顯的差異。如表1中所示，在輻照度同為16 μW/cm2，480 nm單色光照射下瞳孔收縮率比590 nm單色光照射下大6.4%，說明波長是影響人眼瞳孔收縮率的一個非常重要的因素，也即人眼的瞳孔收縮具有明顯的光譜響應差異。

4 光譜響應模型的推導

基于實驗所得不同波長不同強度單色光下的瞳孔收縮率數據，我們通過數學推導和歸一化處理，得到合理的光譜響應模型。

光度學中，光通量Φ是指能夠被人的視覺系統所感受到的那部分光輻射功率的大小的度量，用來表征光量的多少，計算公式如下：

其中，Km代表最大光譜光視效能，明視覺條件下Km=683 lm/W；P(λ)代表絕對光譜能量分布；V(λ)代表明視覺光譜光視效率函數。參考式(2)，我們可以類比得到非視覺生物效應的計算公式：

其中，C(λ)即為需要推導的基于瞳孔收縮的非視覺生物效應的光譜靈敏度響應曲線。

根據建立明視覺光譜光視效率函數的基礎，以及實驗心理學中物理量與感受量之間的對數關系，相應的由非視覺生物效應引起的瞳孔收縮率PCR可以表示為

由此可得，在不同波長的單色光下，取相同的瞳孔收縮率，對該瞳孔收縮率下的輻照度作歸一化處理，即可得到光譜靈敏度響應曲線C(λ)。

根據實驗所得數據，在同一波長下，隨著人眼處輻照度的增加，人眼的瞳孔穩定收縮率也會增大。在低輻照度條件下，瞳孔收縮率的變化比較劇烈；而隨著輻照度的增加，瞳孔收縮率逐漸趨于緩和。我們用Hill方程對同一波長下瞳孔收縮率PCR與輻照度E之間的關系進行擬合，公式如下：

根據所得的各波長不同輻照度下的瞳孔最大收縮率，用計算機軟件擬合，得到不同波長下的瞳孔收縮率與人眼處輻照度的函數關系以及曲線。各波長下擬合參數如表2所示。

表2 不同波長下瞳孔收縮率與人眼處輻照度的函數參數Table 2 The parameters of Pupil constriction rateunder different monochromatic light

各波長的瞳孔收縮率與人眼處的輻照度之間的擬合曲線如圖2所示。

根據實驗數據，設定55%為瞳孔收縮率的響應靈敏度歸一化指標，根據式(5)和表2擬合得到的函數，可以求得各個波長單色光照射條件下在55%瞳孔收縮率時人眼處所需輻照度值。根據公式(3)，可得當PCR相同時，

由實驗數據，可得480 nm波長下達到55%瞳孔收縮率的所需輻照度最小，因此令此時的C(λ)=1，則可以得到歸一化條件下各波長下的C(λ)值，如表3所示。

圖2 各波長的瞳孔收縮率與人眼處的輻照度之間的擬合曲線Fig.2 Pupil constriction rate PCR as a function of irradiance E under different monochromatic light

表3 不同波長下達到55%瞳孔收縮率時對應的相對光譜靈敏度Table 3 Relative spectral sensitivity C(λ) at PCR=55% for different monochromatic light

分析各類光譜響應靈敏度曲線，發現其分布規律非常符合高斯函數。因此C(λ)函數模型采用高斯分布公式[11-12]：

將上述不同波長及其對應的相對光譜靈敏度值代入式(7)，求得峰值波長λmax和待定系數D，得到瞳孔收縮率的光譜響應分布函數式如下：

即峰值波長為495.6 nm，曲線半高寬根據公式(8)計算可得為95.1 nm，對應的光譜響應靈敏度曲線的擬合相關系數r2=0.84，如圖3(a)所示。

式(10)為以最大瞳孔收縮率值為數據基礎得到的擬合曲線，若根據給光期間瞳孔收縮率的穩定值為數據基礎，可得到另一條擬合曲線，光譜響應分布函數式如下：

其峰值波長為482.8 nm，曲線半高寬根據公式(8)計算可得為62.9 nm，對應的光譜響應靈敏度曲線的擬合相關系數r2=0.75，如圖3(b)所示。

圖3 基于瞳孔光響應的光譜靈敏度曲線圖Fig.3 Spectral sensitivity curve based on pupillary light reflex

如圖3(c)所示，將本文分別基于穩定瞳孔收縮率和最大瞳孔收縮率數據所得的光譜靈敏度曲線與Berman于2008年提出的基于瞳孔光響應的光譜靈敏度曲線[13]、Brainard于2001年實驗所得的基于光致褪黑素抑制的光譜靈敏度曲線[5]進行了對比。一方面，本文基于最大瞳孔收縮率數據所得的光譜靈敏度曲線(λm=495.6 nm)與Berman所得的曲線(λm=491 nm)非常接近，而基于光致褪黑素抑制的光譜靈敏度曲線的峰值波長則為464 nm。

根據現有的研究結果[14-16]，我們知道視錐細胞、視桿細胞和本征感光視網膜神經節細胞共同參與了瞳孔光響應的生理過程。本文所得的光譜靈敏度曲線與光致褪黑素抑制曲線相比，表現出波長紅移現象，也恰恰證明了這一結論。另一方面，基于穩定瞳孔收縮率擬合所得曲線比基于最大瞳孔收縮率擬合所得曲線要更偏向短波方向，更靠近光致褪黑素抑制的光譜靈敏度曲線，其可能的原因是在光刺激導致瞳孔收縮的初期，視網膜神經節細胞所起的作用不明顯。而在瞳孔的穩定收縮期，視網膜神經節細胞更多地參與進來，且由于其光譜響應對短波更為敏感，從而導致了最終的曲線向短波偏移。

5 結論

在照明設計和照明實踐中，非視覺生物效應的影響越來越無法忽視，如何量化照明光參數和非視覺生物效應生理參數之間的關系是一個重要的研究方向。基于此目的，我們建立了一套新的瞳孔光響應實驗裝置和實驗流程，來實現更準確、重復更好的瞳孔光響應實驗。我們對人眼的瞳孔光響應這一生理參數進行了初步研究，測量了瞳孔收縮率與眼睛處輻照度和波長的關系。根據穩定瞳孔收縮率和最大瞳孔收縮率數據，基于公式推導和數據歸一化處理，建立了基于瞳孔光響應的光譜靈敏度模型，其峰值波長為482.8 nm和495.6 nm，與傳統的視覺感光細胞的光譜靈敏度曲線有較大差異。

未來，在本文研究的基礎上增加受試者數量，進一步優化非視覺生物效應的光譜靈敏度模型，將其與照明設計方法和照明標準結合起來，更好地滿足不同場所的照明設計。

[1] 羅明，鄭詩琪，葉 鳴.動態光對人警覺度與表現的影響[J].照明工程學報，2016，27(6)：1-5.

[2] MOCELLIN S，MARINCOLA F M，YOUNG H A.Interleukin-10 and the immune response against cancer：a counterpoint[J].Journal of Leukocyte Biology，2005，78(5)：1043-1051.

[3] 王茜，郝洛西，曾堃.健康光照環境的研究現狀及應用展望[J].照明工程學報，2012，23(3)：12-17.

[4] 何思琪.工廠環境下的工作-休息排程與動態光策略研究初探[J].照明工程學報，2016，27(6)：53-60.

[5] BRAINARD G C，HANIFIN J P，GREESON J M，et al.Action spectrum for melatonin regulation in humans：Evidence for a novel circadian photoreceptor[J].The Journal of Neuroscience，2001，21(16)：6405-6412.

[6] THAPAN K，ARENDT J，SKENE D J.An action spectrum for melatonin suppression：evidence for a novel non-rod，non-cone photoreceptor system in humans[J].Journal of Physiology，2001，535(1)：261-267.

[7] HATTAR S，LIAO H W，TAKAO M，et al.Melanopsin-containing retinal ganglion cells：architecture，projections，and intrinsic photosensitivity[J].Science，2002，295：1065-1070.

[8] BERSON D M，DUNN F A，TAKAO M.Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock[J].Science，2002，295：1070-1073.

[9] GAMLIN P D，MCDOUGAL D H，POKORNY J，etal.Human and macaque pupil responses driven by melanopsin-containing retinal ganglion cells[J].Vision Research，2007，47(7)：946-954.

[10] MCCORMICK L R，COHEN J H.Pupil light reflex in the Atlantic brief squid，Lolliguncula brevis[J].Journal of Experimental Biology，2012，215(Pt 15)：2677-2683.

[11] XU W，VAN BOMMEL W.Inferior vs superior：Inferior retinal light exposure is more effective in pupil contraction in humans[J].Light & Engineering，2011，19(2)：14-17.

[12] 徐蔚.基于瞳孔收縮的非視覺感光系統的研究[D].上海：復旦大學，2011.

[13] BERMAN S M.A new retinal photoreceptor should affect lighting practice[J].Lighting Research and Technology，2008，40(4)：373-376.

[14] TSUJIMURA S I，UKAI K，OHAMA D，et al.Contribution of human melanopsin retinal ganglion cells to steady-state pupil responses[J].Proceedings of the Royal Society B，2010，277：2485-2492.

[15] GOOLEY J J，MIEN I H，HILAIRE M A S，et al.Melanopsin and rod-cone photoreceptors play different roles in mediating pupillary light responses during exposure to continuous light in humans[J].The Journal of Neuroscience，2012，32(41)：14242-14253.

[16] MCDOUGAL D H，GAMLIN P D.The influence of intrinsically photosensitive retinal ganglion cells on the spectral sensitivity and response dynamics of the human pupillary light reflex[J].Vision Research，2010，50：72-87.

ElementaryResearchonSpectralSensitivityModelBasedonPupillaryLightReflex

SHEN Zhihao,XU Wei,HAN Qinyi,ZHANG Shanduan
(DepartmentofLightSourceandIlluminatingEngineering,FudanUniversity,Shanghai200433，China)

This paper reviewed the existed research on spectral sensitivity of non-visual biological effects，and designed a set of new experimental setup and testing procedure.According to the experimental results of stable pupil contraction rate and maximum pupil contraction rate，two spectral sensitivity models are established based on pupillary light reflex，the peak wavelengths of which are 482.8 nm and 495.6 nm，and their corresponding full width at half maximum are 95.1 nm and 62.9 nm.

non-visual biological effects；physiological symptoms；pupillary light reflex；spectral sensitivity

國家自然科學基金項目(61308080),上海楊浦區國家創新型試點城區建設與管理資金項目(2014YPCX01-003)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.024