脈沖光對人體生理效應的影響

梁高鵬，蘇成悅，劉木清，湯露瑤，陳少藩

(1.廣東工業大學物理與光電工程學院，廣東 廣州 510006；2. 復旦大學先進照明技術教育部工程研究中心， 上海 200433；3. 廣東光陽電器有限公司，廣東 中山 528415)

引言

LED光源節能環保、易控制、開關時間短等特點，使其成為現階段應用場景最廣泛，最不可或缺的照明工具[1]。

學者研究發現低占空比PWM驅動LED可提升人眼的視覺效應，且與占空比之間具有線性關系[2]，甚至呈現反比關系[3]。研究發現一定條件下脈沖驅動LED發光效率高于直流驅動[4]，不同光譜、占空比對人眼視覺提升系數從1.05～1.75之間[5]。小于6 Hz或大于24 Hz的閃爍光可獲得較好舒適度[6]，但閃爍光也會誘發癲癇發作[7]。長時間照射下，低占空比的100 Hz頻率對人體心率血壓的影響更為顯著[5]。目前對于大部分研究都是從視覺效應角度進行[2-6]，而對于非視覺效應的研究仍有改進空間[5,7,8]。

本文研究LED光源工作在PWM脈沖狀態下時，各脈沖參數對人體的收縮壓、舒張壓和心率，視覺辨識力等非視覺性的影響。在光源參數設置上補充了高頻段的研究，以及占空比的研究。

1 試驗環境及方法

1.1 試驗環境搭建

試驗開展在一間5 m×10 m的長方形試驗室中，圖1為試驗室布局。為了保證參試者所受光照均來自于脈沖光，設置遮光窗簾以阻斷外部干擾光[8]。

圖1 試驗室布局Fig.1 Laboratory layout

試驗中維持室內溫度在26 ℃左右，濕度在60%左右，保證人體處于較舒適的環境。按照國家標準GB 50034—2013《建筑照明設計標準》，教室桌面照度標準值為300 lx[9]。采用遠方照度計測量桌面照度，考慮到可能存在的光衰現象，運用9點采樣法取得照度平均值，使所有不同調制參數下桌面照度為330 lx左右。確保整個試驗過程中桌面照度均達到國家標準水平。

1.2 試驗參試者

共招募自愿參試者15人，年齡介于20～40歲，男女比例3∶2，具有正常的視覺功能，無眼部病史，近視者矯正視力達到國際標準視力表0.8以上，試驗期間身體狀況處于正常狀態，減少參試者主觀因素造成的誤差。所有參試者在試驗前均被告知試驗流程以及可能帶來的人體生理影響，并簽署知情同意書。參試者在試驗過程若有身體不適可隨時退出該試驗，均為自愿參加該試驗。

1.3 試驗參數設計

教室照明光源以4 000 K左右中等色溫為主[10]。在設置了100 Hz、300 Hz頻率的基礎上[5]，為了得到更好的脈沖光與人體生理效應的關系變化趨勢，增加了500 Hz、700 Hz、1 000 Hz、3 000 Hz的頻率以及選用20%、40%、60%、80%的占空比，形成24種脈沖光測試條件及1種直流光對照組，共25種測試條件。

1.4 試驗流程

為了避免參試者生理指標狀態影響試驗測試，在試驗開始前，先讓參試者進入測試實驗場所進行10 min的靜休，在每次暗適應后利用歐姆龍電子血壓計每分鐘測量參試者的心率一次，當連續三次測試的心率偏差不超過10次/min時，則可以判定參試者心率已穩定，可以開始進行試驗測試。

(1)開啟設置好脈沖參數的LED實驗燈具，所有參試者靜坐在椅子上，閱讀實驗桌上放置的固定紙質材料；

(2)每次試驗持續180 min[5]，期間參試者不得做影響心率血壓變化的無關事宜，如喝功能性飲料、玩游戲等。試驗過程中每隔20 min對參試者的收縮壓、舒張壓和心率進行一次測量并記錄下來；

(3)試驗結束后讓參試者按照標準對試驗過程中的照明條件舒適度情況進行打分，并參與朗道爾環視覺辨別測試[11-13]。

1.5 試驗評估方法

目前照明領域在研究光對人體生理效應的評價指標可以歸為三種：褪黑素含量、瞳孔尺寸以及心率、血壓。但褪黑素的分泌存在延遲性，測量復雜，瞳孔尺寸受到視覺效應的影響，而人體心率、血壓更為即時、直接反映非視覺效應，因果關系明顯[14]。綜合考量，本文選用心率、血壓作為生理效應的評估方法。

試驗中每隔20 min采集一次心率血壓值，得到10 組數據。對心率血壓的波動程度進行統計，采取了“五差值”法進行分析，即為用后面5組數據對應地減去前面5組數據，得到5組差值以表征心率血壓的波動程度。

朗道爾環C型圖案設計有八種開口方向，參試者需要辨識出圖案開口朝向，用于測試不同光刺激對于人的視覺辨識力的影響[13]。利用編寫的測試程序隨機播放任意朝向的C型圖案，參試者以盡量快的反應速度做出選擇，重復進行16輪測試。測試結果識別正確數越多，辨識時間越短，即說明參試者的視覺辨識力越高。

de Boer評定量表用于評估視覺舒適度[6]，結合本試驗的實際情況，對de Boer評定量表進行合理的修改，得到表1中的評定標準。通過統計對比每種脈沖參數調制下的LED發光對人眼視覺舒適性的影響得到的舒適度打分平均值，來研究不同脈沖調制對人眼視覺舒適性的作用。

表1 舒適度評定參考標準

國際標準IEEE PAR1789 《LED 照明閃爍的潛在健康影響》給出了頻閃指數的定義：一個開關周期內超出平均光輸出的量除以全部光輸出。頻閃指數表明了脈沖光的閃爍情況，不同程度的閃爍對人體生理效應有著不同的影響[7]。測量得到表2中的不同頻率占空比下的LED發光閃爍指數，閃爍指數不受頻率的影響，只跟占空比有關，且與占空比成反比關系，占空比為80%、60%、40%、20%得到的閃爍指數分別為0.2、0.4、0.6、0.8。

表2 不同頻率占空比下所測得的閃爍指數

續表2

2 試驗結果

2.1 脈沖光對心率血壓的影響

試驗時長為180 min，考慮到時間的積累可能對心率和血壓存在影響，本研究設置了對照組直流驅動LED。在直流驅動下以60 min為間隔，對參試者的心率和血壓變化趨勢進行分時統計，得到圖2統計圖形。

圖2 心率、收縮壓、舒張壓均值分時統計圖Fig.2 Heart rate, Systolic blood pressure, Diastolic blood pressure mean time-sharing chart

圖2顯示，在180 min的時間里，心率均值隨著時間的變化而不斷下降，收縮壓均值幾乎不受時間的影響，而舒張壓則隨著時間的變化而不斷上升。得到的心率、收縮壓和舒張壓線性擬合分別為

yH=-3.8t+78.3

(1)

yS=-0.35t+106.4

(2)

yD=1.13t+59.6

(3)

式中t為時間，y為測量平均值，下標H、S、D分別對應心率、收縮壓、舒張壓。

從數據分析來看，在試驗后的第2 h、第3 h得到的心率均值隨著時間的變化而下降，其值分別為4、7，對應百分比為5.1%、10.2%；收縮壓均值隨著時間的變化而下降的值分別為0、1，對應百分比為0.3%、0.7%；舒張壓均值隨著時間的變化而上升的值分別為1、2，對應百分比為1.9%、3.7%。

以直流驅動下的心率血壓作為修正的基準，對“五差值”法得到的數據進行時間修正，修正前后的差值量變化如表3，各差值量在修正后有所下降。差值量的大小表征著心理狀態的波動情況，差值量越大，波動越大，反之波動越小。從差值量的數值大小來看，脈沖光對心率的影響作用較大，其大于收縮壓，舒張壓最小。修正前、后差值量的差即為由于時間所引起的干擾影響，采用修正后的“五差值”數據分析脈沖光對人體生理的作用可以消除時間長對試驗結果造成的影響。

表3 時間修正前后的差值量變化表

圖3為修正后的心率血壓在不同頻率占空比下測得的差值量變化趨勢。頻率-差值關系圖中發現，700 Hz頻率照射下，人體心率收縮壓受到的影響較小，500 Hz頻率下則影響較大。當頻率低于1 000 Hz時，人體舒張壓受到脈沖光的影響隨著頻率的下降而趨近于逐漸上升的趨勢。占空比-差值關系圖中發現，脈沖光對心率的影響低于直流光，對收縮壓的影響高于直流光。占空比為60%的脈沖光對心率舒張壓的影響最小，脈沖光對收縮壓的影響不明顯。

圖3 不同心理指標的頻率-差值關系圖、占空比-差值關系圖Fig.3 Frequency-difference relationship diagram， Duty cycle-difference relationship diagram of different psychological indicators

圖4 不同頻率占空比視覺舒適度評分空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of visual comfort scores at different frequency duty cycles

2.2 脈沖光對視覺舒適性的影響

視覺舒適性作為視覺性指標用于輔助判斷不同脈沖光對人體的生理影響。從圖4人眼視覺舒適性評價與頻率占空比之間的三維空間分布圖中觀察，除100 Hz外，其他頻率所得到的舒適度評分接近于直流驅動LED的評分，都介于9～10之間，即不同脈沖驅動的LED在視覺舒適性上與直流驅動無明顯差異。100 Hz下人眼視覺舒適度有所下降，這是因為100 Hz頻率較為接近融合頻閃頻率CFF，人眼對閃爍較為敏感，持續的刺激作用造成視覺疲勞。

2.3 脈沖光對視覺辨識力的影響

識別率是視覺效能的表征量之一，而平均識別時間定義為總識別時間與識別正確個數的比值，表征著視覺辨識力[13]。如圖5所示，不同占空比脈沖光下的平均識別率均比直流下有所提高，且不同占空比之間差異不大。表明不同占空比的脈沖光相對于直流光來說，都有提升視覺效能的效果[3]，但不同占空比對視覺效能的提升效果差異不大。

圖5 不同占空比下所測得的平均識別率Fig.5 Average recognition rate measured at different duty cycles

圖6為不同頻率占空比與平均識別時間的三維關系圖，觀察發現低頻低占空比參數下的平均識別時間更為理想，低頻更接近融合頻閃頻率，人眼較為敏感。其中100 Hz、80%參數下得到的值最小(199 ms)，僅為直流驅動下的2/5，大大縮短了人眼識別時間。

圖6 不同頻率占空比與識別時間的三維關系圖Fig.6 Three-dimensional relationship between different frequency duty cycles and average recognition time

圖7中不同頻率占空比與平均識別時間的關系圖發現：不同占空比脈沖光下，平均識別時間遠遠低于直流光情況下的時間，僅僅為后者的一半，辨識能力提升了250 ms左右。此現象可從人眼視覺感知亮度的角度分析，脈沖驅動下的LED峰值波長發生了藍移，也改變了色溫，增強了對人眼的亮度刺激響應[4]。人眼感覺到增強的視覺感知亮度，受到光照刺激，從而提高了視覺辨識力。頻率對視覺辨識力的影響并不明顯，但總體還是隨著頻率的減小，視覺辨識力呈現不斷提高的趨勢。

圖7 不同頻率占空比下測得的平均識別時間Fig.7 Average recognition time measured at different frequencies and duty cycles

3 討論與總結

本文在這類研究中采用了時間修正分析方法，以對照組直流驅動作為參考標準做分時統計，排除時間因素對試驗結果的影響。通過該方法對生理指標數據進行“五差值”分析，修正了心率和血壓的時間效應，特別是心率的時間影響效應明顯，修正比例達23.6%。從心理指標因素看，700 Hz頻率下心率、收縮壓受到的影響較小，500 Hz頻率下則影響最大。占空比為60%的脈沖光對心率、舒張壓的影響最小，脈沖光占空比對收縮壓的影響無明顯差異。這主要是因為血壓和心率對于頻率以及占空比的敏感程度不同[5,11,14]。

針對視覺舒適性，除了100 Hz頻率外，其他高頻段下的視覺舒適性均接近于直流光，得到較好視覺舒適性。這主要是由于100 Hz更接近CFF，且低占空比帶著更高的頻閃指數，人眼容易疲勞。在視覺效能方面，不同占空比的脈沖光相對直流光來說，增強了對人眼的亮度刺激響應，都有提升視覺效能的效果[3]，但不同占空比之間的提升效果差異不大。對于視覺辨識力，不同占空比脈沖光下，參試者的平均識別時間遠遠低于直流光情況下的時間，在100 Hz、80%參數下得到最小值199 ms，大大提高了視覺辨識力。隨著頻率的下降，視覺辨識力呈現不斷提高的趨勢。綜合不同參數脈沖光對人體生理指標的影響，得到優化的脈沖驅動方式為700 Hz的頻率以及60%、80%的占空比。