嬰幼兒健康光環境的研究進展及其設計策略

阮 程，黃耀偉，汪 洋，2

(1.長春希達電子技術有限公司，吉林 長春 130103；2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130103)

引言

隨著物質文明和科技水平的飛速發展，人類對生活品質的需求越來越高。舒適安全、健康綠色的人居環境逐漸成為現代人追求的生活目標。嬰幼兒時期作為人存在的初級階段，不僅代表著生命成長發育的關鍵時期，也是智力、情感和性格等心理品質形成的重要時段。經過調研發現，為了營造一個舒適健康安全的空間環境，國內外研究人員在對嬰幼兒的視覺感知和嬰兒房設計方面進行諸多研究。早在1975年，美國發展心理學家Fantz和Miranda[1]采用“優先注視法”系列實驗發現嬰幼兒通過視覺感知具備一定的認知能力，可以區分不同程度的光刺激。2012年英國健康防護所專家Higlett等[2]對嬰幼兒玩具用品光輻射安全評價進行研究，結果發現2歲及以下的兒童的晶狀體的紫外透過率遠高于2歲以上兒童，藍光波段是對嬰幼兒眼睛具有較嚴重傷害的波段，其中在440 nm波段附近光危害權重函數出現顯著增加。2013年喬波和程麗玲[3]研究發現藍光對人眼視覺細胞的殺傷力是綠光的10倍，藍光對視網膜的損害可能會導致視網膜黃斑病變，產生不可恢復性危害，甚至致盲。2017年吳詩琪[4]提出合理的室內采光照明和裝飾設計，不但能夠為嬰幼兒房內提供充足的照明，消除嬰幼兒獨處時的恐懼感，而且還可以避免強光對嬰幼兒視力的傷害以及降低多動癥等不良癥狀的發生幾率。圖1顯示了嬰幼兒生活光環境(包括基礎照明、重點照明和裝飾照明)中各種光學因素給嬰幼兒視覺系統和節律系統帶來不同生理和心理影響的對應關系。如圖1所示，頻閃、眩光、光譜結構、眼位照度和室內空間光分布通過嬰幼兒視覺和非視覺通道作用于視覺系統和節律系統對嬰幼兒的健康造成影響。光照時刻和光照時長直接刺激嬰幼兒的節律系統，影響睡眠時長、睡眠質量以及幸福恐懼等心理指標。美國國家睡眠基金會(National Sleep Foundations，NSF)研究表明，兩歲以前的嬰幼兒需要足夠的睡眠時長(14～17 h)以保證身體的正常發育，如果寶寶長期缺少睡眠，會影響其腦部睡眠中樞功能，易于驚醒，而且也會妨礙神經的保護性抑制，影響中樞神經系統的發育，可能會導致嬰幼兒智力和語言方面的障礙[5]。光亮度直接刺激視覺系統，影響嬰幼兒的視覺功效。本文通過整理和分析國內外研究動態，試圖從視覺和非視覺方面探討光環境對嬰幼兒生理和心理的影響，依照嬰幼兒視覺變化發育規律，結合兒童發展心理學和照明光環境因素提出適合于嬰幼兒健康光環境的科學化設計。

圖1 光環境與嬰幼兒健康的影響關系圖Fig.1 The relationship between the light environment and health based on infant and young children

1 LED光生物安全標準的進展

LED光生物安全問題一直備受人們的關注，相關的國際和國內標準也在不斷修訂改進，2002年國際照明委員會(CIE)發布CIE S 009/E:2002《Photobiological safety of lamps and lamp systems》[6]，提出了燈和燈系統生物安全的六項測試指標，并規定了相應的安全閾值。2006年，國際電工委員會(IEC)發布了與CIE S 009/E:2002基本一致的標準IEC 62471：2006《Photobiological safety of lamps and lamp systems》[7]。在該標準中，光生物危害分類和曝輻限值標準是依據國際非電離輻射防護委員會(ICNIIRP)的導則制訂的。同年3月，我國參考CIE S 009/E:2002發布了國標GB/T 20145—2006《燈和燈系統的光生物安全性》[8]。2014年IEC針對LED藍光視網膜危害制訂了IEC/TR 62778《Application of IEC 62471 for the assessment of blue light hazard to light sources and luminaries》[9]。我國也于2015年發布了GB 7000.1—2015《燈具第1部分:一般要求與試驗》[10]，明確強制將LED、金屬鹵化物燈和一些特殊的鹵鎢燈納入藍光危害評估范圍。2017年，國家半導體照明工程研發及產業聯盟發布了CSA/TR 007—201×《健康照明標準進展報告(征求意見稿)》[11]，分析了LED健康照明的現狀，為下一步標準制定提供指導。目前光生物危害類別和曝輻限值均來自于ICNIIRP導則，如表1所示。曝輻限值是在根據光源類型對應的規定距離下測試的光源輻射亮度；曝輻安全時間是光源對人眼產生的光生物危害影響不超標的時間域。由于該分類測試條件是以正常成人標準作為參考對象[12]，并不完全適用于視覺系統處于發育過程中的嬰幼兒群體，因此國內外研究者正在探索細化適用于不同年齡群體的光生物安全危害標準。

表1 光生物安全危害分類[7]Table 1 Classification of photobiological safety

2 光環境對嬰幼兒視覺與非視覺系統的影響

2.1 嬰幼兒視覺變化發育規律

嬰幼兒視力的發育是隨著年齡變化和光線的不斷刺激下完成的。我們根據國家衛生和計劃生育委員會對嬰幼兒不同年齡階段的劃分標準，將嬰幼兒視力發育情況隨著年齡的變化情況，匯總如表2所示。表2顯示新生兒對光線有反應，但視神經和眼部結構發育不成熟，視力大約只有成人的1/30；1～3個月視覺系統慢慢發育，具有固視反應和瞬目反應，逐漸出現視運動眼振現象[13]；6個月后，開始有聚焦尋物感，立體感也逐漸形成，該階段視力一般只有0.1～0.2，醫學上稱為生理性遠視眼；12個月，視力逐漸提高，遠視度逐漸下降，開始通過眼部追光引導肢體運動；1～3歲，視網膜的結構和功能發生很大改變，視力逐漸發育成熟。

2.2 光環境對嬰幼兒視覺系統的影響

嬰幼兒眼部的晶狀體、玻璃體、角膜、房水等處于剛剛發育的狀態，幾乎無任何雜質高度透明純凈，具有很強的透光能力；具備屈光能力的晶狀體富有較好的彈性，光信號經過晶狀體將沖動信息反射到睫狀肌，通過睫狀肌的收縮或松弛改變屈光度，從而調節視距的長短，可以快速捕捉到傳入眼睛的光信息。所以，嬰幼兒具備非常靈敏和脆弱的視覺系統。一旦嬰幼兒所在光環境中出現強光或有害光刺激時，將直接對嬰幼兒視覺系統造成危害，導致視力下降，如嬰幼兒眼部視網膜細胞受到破壞，視力會出現不可逆的損傷，甚至致盲。2006年溫州醫學院周純等[14]研究了322位3歲以下健康嬰幼兒視力發育情況，結果表明該年齡段的嬰幼兒視力發育與年齡呈高度正相關，并且出生后6個月嬰幼兒視力提高最為迅速。2012年CIE給出人眼透射率隨年齡變化的計算模型[15]。如圖2所示，從模型中可以看出，嬰幼兒的晶狀體透射率最高。2016年浙江大學牟同升團隊[12]研究LED光源對兒童的藍光危害，提出人眼各組織的光輻射損傷主要來自于吸收進入人眼后對晶狀體、角膜、視網膜等眼部結構的光輻射傷害。結合圖2中的模型，可以得出這樣的結論：高晶狀體透射率的嬰幼兒群體是受到有害光危害的重點對象，因此為了保護嬰幼兒視力健康發育，降低未來國民眼部疾病的發生幾率，研究和設計針對于嬰幼兒健康舒適的光環境凸顯出更加重要的意義和價值。

表2 嬰幼兒視覺發育變化情況Table 2 The visual development of infants and young children

圖2 可見光范圍內人眼晶狀體透射率隨年齡的變化曲線 [15]Fig.2 Curve: human lens transmittance

2.3 光環境對嬰幼兒非視覺系統的影響

光對人體的非視覺成像功能有著廣泛而深刻的影響。研究表明，人的警覺性情緒、內分泌功能以及晝夜節律都會受到若干光環境因素的影響，包括光照強度、光峰值波長、人暴露在光環境中的時間點以及時間長度。新生兒從母腹黑暗的環境來到光明的世界，除了接受到父母和家人的關愛之外，接觸最多的就是光線的刺激。光不單單刺激嬰幼兒視覺系統的發育，還對嬰幼兒節律系統包括睡眠質量、生理指標以及情感狀態具有調節作用。經過調研發現，對青少年[16]、工作人員[17]以及老年人[18]的光環境非視覺影響的研究有很多，但對嬰幼兒非視覺方面的研究卻很少，接下來我們結合兒童心理學和嬰幼兒群體的特殊性，嘗試建立適宜嬰幼兒健康成長和發育的光環境。研究發現，第三類非視覺成像光敏視網膜神經元(ipRGC)對調節人體的節律效應具有重要作用。光信號能夠通過ipRGC將信息傳遞到下丘腦視交叉上核(Suprachiasmatic Nucleus，SCN)，刺激下丘腦的松果體，控制褪黑素的分泌，從而調節人體的晝夜節律和激素水平，影響諸多生理指標[19]。褪黑素是一種肽類激素，其分泌量增加會使人感到疲倦、嗜睡，因此又稱為睡眠激素；反之，會讓人感到興奮[21]。1984年Waldhauser等[20]研究發現褪黑素的分泌與年齡的變化具有相關關系，新生兒褪黑素的分泌較少，3個月后分泌量迅速增加，直至3歲左右分泌速度達到峰值，隨后開始逐漸下降。因此嬰幼兒時期是晝夜節律和相關生理指標形成的關鍵時期。經過理論建模和大量的實驗研究發現，藍光波段對褪黑素抑制的影響最大，尤其在465 nm附近藍光對褪黑素抑制達到峰值[21-23]。調節照明光譜中的藍光成分，抑制或促進褪黑素的分泌，從而提高嬰幼兒心理和生理的舒適度。因此為保證嬰幼兒良好的睡眠質量、充足的睡眠時長以及睡醒后無恐懼感等情緒波動，嬰兒房室內的燈光需要選擇藍光成分較少的低色溫光源。

3 嬰幼兒健康光環境設計策略

根據國際和國內發布的燈和燈系統的光生物安全標準，以及嬰幼兒實際身體、心理和生理的發育情況，本文分別從視覺和非視覺生物效應角度，提出適合嬰幼兒健康成長的光環境建議，為未來關于嬰幼兒群體照明標準的制定和健康光環境設計策略提供參考。

1)視覺方面。研究發現，國內外已有的光生物安全和藍光危害相關的標準都是依據正常成人視覺發育規律制定的。嬰幼兒眼部光透過率高于成人，而且嬰幼兒活動空間相對有限，絕大多數時間處于躺臥狀態，眼睛注視方向與天花板基本垂直，因此建議嬰幼兒所處光環境中光源的藍光成分低于國內標準規定的視網膜藍光危害為免除類(RG0)的限值，使用低藍光或無藍光的暖色溫白光光源；盡可能選用無頻閃，低眩光指數的光源；安裝燈具時建議選用出光均勻、柔和而且可以有效防止眩光的平面燈，安裝位置盡量考慮讓光照在墻上、天花板上或其他物體表面再反射，提高空間光分布均勻性，避免直射入嬰幼兒眼睛；通過建筑方案設計和燈具布局設計等策略實現間接照明，減弱直射燈對嬰幼兒視覺的危害。

2)非視覺方面。睡眠和情緒對嬰幼兒的健康成長都是至關重要的。智能調節光環境因素的照明設計將成為未來嬰幼兒光環境設計中的最佳選擇。低藍光暖色溫的照明環境可以促進褪黑素的分泌，保證寶寶的睡眠時長和睡眠質量，促進身體各組織器官和心理特征的發育；兼顧視覺健康對光參數指標要求的同時，適度提高光譜中藍光成分，可以刺激嬰幼兒情緒，提高專注性，此情況適用于哺乳嬰幼兒的時間段。因此建議國內外標準委員會以及建筑機構在未來制定照明標準或光環境設計方案時，充分考慮嬰幼兒群體在不同時段(睡眠時段、哺乳時段、玩耍時段等)的需求以及心理和生理的變化規律，建立針對于嬰幼兒群體的光生物安全標準，降低或消除有害光的危害，全天候按需智能調控照明光譜結構、色溫、亮度等光環境參數，為寶寶營造一個專屬的舒適又健康的光環境。

4 結束語

光對人體的刺激主要表現為兩種效應，包括視覺效應和光生物效應。嬰幼兒處于人生生命周期的初期，心理和生理的健康發育對未來的成長和生活至關重要。由于嬰幼兒群體智力和語言發育不完全，很難向父母清晰傳達自身健康情況，而且考慮人文倫理道德，對嬰幼兒進行調節光環境因素測試相關健康指標結果的實驗方面存在諸多限制因素。精確的設計出適合嬰幼兒身體、生理和心理健康發育的光環境確實存在較大難度，但為了提高未來國民的身體素質和健康水平，加強對嬰幼兒健康光環境的設計和研究必將成為今后健康光環境設計的研究趨勢之一。本文從嬰幼兒所處的光環境角度出發，結合國內外科研學者的理論模型和實驗研究結果，分析了光環境因素對嬰幼兒視覺系統和節律系統的影響，針對嬰幼兒室內健康光環境設計提出一些策略，嘗試引起照明設計師和室內建筑師對嬰幼兒所處照明環境(嬰兒產房、月子中心、嬰兒房等)的關注，將健康照明理念應用到這些實際照明設計項目中，建造出有益于嬰幼兒健康發育的光環境。