動態光環境的構建及其在密閉環境和醫院的應用

聶靖昕，陳志忠，2，，黨衛民，董問天，呂 柯，曲麗娜，唐 彥，潘祚堅，鄧楚涵，張浩東，焦 飛，陳偉華，康香寧，周天航，周書喆，楊 磊，于 欣，童玉珍，，王 琦，張國義，，沈 波，2

(1.北京大學物理學院，北京 100871；2.北京大學長三角光電研究院，江蘇 南通 226000；3.北京大學東莞光電研究院，廣東 東莞 523808；4.北京大學第六醫院，北京 100191；5.北京大學精神衛生研究所，北京 100191；6.國家衛生健康委員會精神衛生學重點實驗室(北京大學)，北京 100191；7.國家精神心理疾病臨床醫學研究中心(北京大學第六醫院)，北京 100191；8.中國航天員科研訓練中心航天醫學全國重點實驗室，北京 100094；9.北京大學體育教研部，北京 100871)

引言

利用光照調節生物節律、睡眠、警覺性、認知能力等方面的非視覺效應，照明光環境成為保持和增強人體生物節律的有效手段[1-6]，也廣泛應用于治療和改善與節律、睡眠相關的疾病癥狀，如精神障礙性疾病、神經退行性疾病、譫妄等[7-11]。

自然光環境呈現穩定的24 h周期性變化，有助于人體同步生物節律相位、保持節律穩定[4，12]。因此，在一些完全依賴人工照明的特殊環境中，模擬自然光變化的動態光環境相比于普通的靜態照明光環境，能降低生物節律紊亂的風險、改善睡眠質量和實驗任務表現等[4，13，14]。在光照治療中，亮光治療(Bright Light Therapy，BLT)的效果與光照時間密切相關。通常情況下，白天、特別是上午使用高照度、高色溫的光照治療能減輕抑郁癥狀、改善睡眠質量、提升主觀積極情緒等[9，15]；而傍晚或夜晚則應降低光環境照度、減少短波長光成分，以減少光照對褪黑素和睡眠的不利影響[2，16]。而精神類疾病、重癥監護病房(Intensive Care Unit，ICU)等患者常面臨生物節律紊亂、睡眠質量較差等節律問題[10，11，17]。在亮光治療的基礎上，構建光譜和照度隨時間變化的動態光或仿自然光環境，能幫助抑郁癥、癡呆等神經退行性疾病、心血管疾病等患者提高生物節律強度和穩定性、改善睡眠質量，緩解節律紊亂導致的癥狀[18-20]。此外，隨著高效率、小體積發光二極管(Light Emitting Diode，LED)照明技術的快速進步，多通道LED能獨立調控各波段的光譜功率密度，發出高顯色性、色溫和照度可調的動態照明白光，成為實現動態光環境的常用照明方式[16，21，22]。

目前，動態光環境的特點及其對生物節律和節律相關疾病的影響尚不明確，動態光環境的光譜、照度和時間信息等因素都會影響其節律效能。本文調研了構建動態光環境、動態光環境調控健康人群的生物節律并參與治療節律相關疾病等方面的研究，總結了動態光環境的主要特點及影響動態光環境節律效能的因素，并根據動態光環境的局限性和副作用，展望了動態光環境在生物節律和節律相關疾病方面的應用前景。

1 構建動態光環境

1.1 動態光環境的特點

在自然光環境中，由于太陽高度角的變化及大氣對不同波長光的散射效果，到達地面的直射自然光光譜和照度呈現動態變化規律[23](圖1)。日出時，太陽高度角很低，被散射的短波長光較多，到達地面的自然光呈現低色溫和低照度；上午，隨著太陽高度角的增加，自然光中的短波長光成分逐漸增加，自然光的色溫和照度也逐漸增加，并在正午前后達到最大值；從下午到日落，自然光的色溫和照度逐漸下降。根據夏季實際測量的結果，到達地面的直射自然光的色溫變化范圍在3 700～5 700 K；日出后半小時和日落前半小時的直射照度約10 klx，而正午的直射照度超過20 klx。自然光環境穩定的24 h周期性變化能有效幫助人體同步生物節律相位，保持生物節律穩定。

圖1 自然光光譜全天的變化：(a)日出(5：30)、(b)正午(12：03)和(c)日落(19：04)Fig.1 The spectral power distribution of the natural daylight during the daytime：(a)sunrise (5：30)，(b)noon (12：03)，and (c)sunset (19：04)

自然光環境的動態變化規律對人體的節律、睡眠和認知等方面有積極影響。白天的高照度、高色溫光照有助于提升白天的認知表現，提前生物節律相位，并增加夜晚的褪黑素含量，對白天的工作表現、夜晚睡眠質量和生物節律的穩定性都有積極效果[2，3]；考慮到光照對褪黑素的抑制作用，晚上或睡前推薦使用藍光成分較少的低照度、低色溫光環境，以降低光照對節律的影響，改善睡眠質量[24，25]。

為保持生物節律穩定、治療節律相關的疾病，呈現仿自然光的變化規律是動態光環境的常用方式。在自然光的基礎上，增加色溫、司辰節律因子(Circadian Action Factor，CAF)等反映光照非視覺效應參數的變化幅度，能構建出保持和增強生物節律的動態光環境[4]。總體來看，與生物節律、疾病治療相關的動態光環境均呈現白天高色溫高照度、清晨和傍晚低色溫低照度的變化規律[20，26，27]。還有部分研究考慮到中午休息的生活習慣，在仿自然光的基礎上，降低中午的色溫和照度，構建符合作息習慣的動態光環境[11]。另外，部分研究為探究高色溫、高照度時段對光照治療效果的影響，設計了中午低照度、清晨和傍晚高照度的特殊動態光環境[28，29]。

1.2 多通道LED構建動態光環境

利用LED效率高、體積小、響應速度快、光譜可調等特點，多通道LED成為構建動態光環境的常用照明方式[30]。綜合考慮照明光環境的視覺效果和節律照明、光照醫療等應用場景，動態光環境在顯色性、節律調節幅度、光生物安全性等方面有了更高、更全面的要求。

提高光環境中CAF等非視覺效應參數的變化幅度，是體現動態光環境調節生物節律能力的重要優化目標[16，21，31]。CAF是反映光照抑制褪黑素能力、體現光源調節生物節律能力的重要參數。早晨使用高CAF光源能提高警覺性，高CAF光源在白天也能提升工作表現、帶來更多的積極情緒；低CAF光源則主要用于夜晚或臥室照明，降低光照對褪黑素的抑制程度，減少晚間光照對節律和睡眠的負面影響。因此，在動態光環境的設計中，增加光源CAF的變化幅度，對于改善白天工作表現和夜晚睡眠質量、增強生物節律強度和穩定性有著重要且積極的意義[16]。?ukauskas等[21]通過優化四通道LED光源的峰值波長和發光比例，實現了4.45倍的CAF變化幅度：2 700 K低色溫白光的CAF值低至0.262；6 500 K高色溫白光的CAF值高達1.166。考慮到照明光環境的視覺效果，Dai等[16]對照明光源的顯色性和Duv等參數進行限制，在Ra>90的高顯色性要求下，CAF變化幅度可達3.25倍，2 700 K和6 500 K色溫下的CAF分別為0.294和0.957。

此外，動態光環境的設計還需對不同年齡使用者進行針對性設計，并關注LED發光的光生物安全性問題。隨著年齡的增長，視網膜前眼睛介質對短波長光的透過率明顯下降，影響人眼對顏色的感知，也影響光源調節生物節律的能力[32-34]。因此，可以根據不同年齡觀察者眼睛介質對不同波長的透過率，設計并優化適用于特定年齡使用者的動態光環境，特別是面向節律強度下降、睡眠質量較差的老年人[34]。高色溫、高CAF的照明光源中有較多的藍光成分，而短波長藍光會通過熱損傷、光化學損傷等方式損傷視網膜細胞和視網膜功能[35]。在設計色溫和CAF動態變化的光環境時，通過優化峰值波長、改變多通道LED組合等方式，能有效降低高色溫白光的藍光危害，構建高生物安全性的動態光環境[22，36，37]。

2 密閉環境中的仿自然光動態光環境

在地下室、極地環境及其他長期人工光源環境等特殊環境中，長期缺少自然光照容易導致生物節律紊亂，并對警覺性、睡眠質量、工作表現等造成負面影響，還會增加負面情緒和抑郁、焦慮等精神疾病的發病率[14]。與動態、周期性變化的自然光不同，傳統LED具有固定的光譜、色溫和照度，在提供照明的同時，難以兼顧保持和同步生物節律的非視覺效應[13]。此外，與傳統LED照明光源相比，自然光源在顯色性和光譜連續性等方面也更具優勢[38]。

Cajochen等[38]對比了相同色溫和照度下的傳統LED與仿自然光LED對視覺舒適度、褪黑素、情緒和睡眠等方面的影響。在傳統LED的基礎上，仿自然光LED提升了光譜連續性、顯色性和節律調控能力，其顯色指數(Color Rendering Index，CRI)和黑視素等效照度分別提升25.3 %和21.0 %。研究結果顯示，仿自然光LED能提升光環境下的視覺舒適度和警覺性、促進早晨和晚上的積極情緒、改善睡眠效果，表明提升光譜連續性和顯色指數對視覺感受、情緒、睡眠的積極影響。Li等[39]在白天構建了無自然光的實驗環境，并對比了4 000 ～12 000 K范圍內動態變化的光源與4 000 K、500 lx的靜態光源對警覺性、認知和精神疲勞的影響，發現動態光源顯著提升主觀警覺性、積極情緒和任務表現，還有效降低了精神疲勞。總體來看，自然光動態變化、高顯色性、高光譜連續性的特點都有利于生物節律及節律相關的睡眠、警覺性和認知表現。

一些研究構建了長時間、密閉的實驗環境，在完全屏蔽自然光的環境中，探究人工制造的動態光環境對生物節律、睡眠、認知、情緒等多方面的影響[4，13，14]。Meng等[14]以21天為一個階段，比較了有自然光和無自然光的密閉環境對人體的影響，證實了自然光能有效保持生物節律穩定、促進積極情緒，而缺少自然光的密閉環境則伴隨著生理代謝失調、抑郁和焦慮風險增加的問題，并最終對身心健康造成負面影響。如圖2所示，北京大學采用五通道LED，在為期38天的密閉環境中模擬了自然光色溫、CAF等關鍵參數的變化，并將色溫和CAF的變化幅度分別提升至2.73倍和3.00倍[4]。日常活動度與光源CAF的相關性證實了光源對行為節律的牽引作用，實驗前后褪黑素濃度的變化規律表明，該動態光環境能有效保持節律相位穩定、增強節律強度。Wang等[13]探究了動態光源在密閉環境中對生物節律相位的牽引能力。根據褪黑素、核心體溫、睡眠時間等參數標記的生物節律特征，發現人體在靜態光源下出現節律相位推遲的現象，而調節動態光環境的變化規律能有效提前或推遲生物節律相位。綜合來看，仿自然光的動態光環境在完全依賴人工照明的密閉環境中，能有效保持和同步生物節律，降低缺少自然光對健康、工作表現的負面影響；此外，還可以通過優化和改進動態光環境，起到增強生物節律強度、牽引生物節律相位的作用。

圖2 仿自然光動態光環境與自然光的(a)色溫和(b)CAF隨時間的變化Fig.2 The time-dependent (a)CCT and (b)CAF of the daylight-like dynamic light environment and natural daylight

3 動態光環境在醫院中的應用

動態光環境憑借其在調節生物節律、情緒、認知等方面的作用，逐漸成為醫院中的新型照明方式。對于患者，動態光環境通過保持節律穩定、改善睡眠質量等方式，緩解疾病引起的節律紊亂癥狀，促進患者康復。對于護士等輪班或夜班工作人員，動態光環境能幫助他們在保持良好工作表現的同時，降低夜間光照對節律和睡眠的負面影響。

對于季節性抑郁、雙相情感障礙等情感障礙性疾病，光照治療、特別是上午時段的亮光治療，能促進5-羥色胺合成并促進積極情緒，改善睡眠質量，因此成為有效的治療手段[8]。在情感障礙性疾病患者的臥室或病房中，構建白天高色溫高照度、夜晚低色溫低照度的動態光環境，在利用光照治療效果的基礎上，進一步強化生物節律的穩定性，改善睡眠質量[20，40]。Canazei等[20]針對重度抑郁患者設計了色溫2 192～3 588 K、照度20～209 lx的動態光環境，并呈現白天高色溫高照度、夜晚低色溫低照度的變化規律。與色溫和照度幾乎不變的靜態光源相比，該動態光環境下的患者總睡眠時間更長、睡眠效率更高、夜間清醒時間更短，顯著改善了患者的睡眠質量。Volf等[40]還發現抑郁患者對動態光環境有更高的主觀滿意度。但是，動態光環境的效果也存在局限性，對住院時間和治療藥物的使用量沒有顯著影響，表明動態光環境只能作為輔助手段參與情感障礙性疾病患者的治療，通過改善睡眠質量和主觀體驗等方式緩解患者節律紊亂的負面癥狀。

以阿爾茲海默癥及相關的癡呆癥為代表的神經退行性疾病患者大多為老年人，常伴隨著嚴重的生物節律紊亂和睡眠問題。以動態光環境為基礎的生物動力治療方法能通過改善生物節律和睡眠質量的方式，改善患者的主觀體驗，控制癥狀的進一步惡化[9，41]。Bromundt等[42]針對平均年齡86歲的癡呆癥患者，構建了照度在0.35～130 lx范圍內變化的動態光環境，模擬從清晨到傍晚的自然光環境。該光環境能有效改善患者在早晨的主觀情緒，并對患者的節律強度有長期、積極的影響。進一步增加色溫變化的動態光環境能顯著降低癡呆癥患者夜晚離床時間、增加睡眠總時間，并顯著降低白天的嗜睡感，通過動態光環境對節律的牽引作用，改善夜晚睡眠質量和白天的警覺性[43]。另外，動態光環境也用于大腦損傷[44]、肝硬化[45]、心內科[46]等其他疾病或科室的患者，與傳統靜態光源的對比實驗結果表明，動態光環境對患者的睡眠、節律穩定性、情緒等方面有積極效果。

譫妄是ICU患者常出現的癥狀，并伴隨著不良臨床結果、死亡率增加、生活質量下降等負面影響[10，11]。現有的研究認為，生物節律的紊亂是引起譫妄的重要因素，而光照已經成為降低譫妄發生率和持續時間的重要治療方式[10]。Smonig等[17]發現能透過自然光的ICU中，患者譫妄發病率略有降低，并顯著降低了患者接受抗躁狂藥物干預的可能性，證實了缺少自然光是引發節律紊亂和譫妄的因素。在實際ICU的研究中，動態光環境的效果較為復雜：有研究發現，患者在動態光環境下，睡眠和休息的主觀體驗顯著更佳[27]；動態光環境和亮光治療能改善睡眠效率，并在一定程度上降低譫妄發病率[10]。但是，也有研究通過大樣本的實驗，發現3 000～4 300 K色溫變化和300～1 700 lx照度變化的動態光環境在關鍵的譫妄發病率和持續時間指標上沒有顯著效果[11]。總之，動態光環境可以作為降低譫妄發病率和癥狀的輔助手段，但其有效性受藥物治療、患者病癥嚴重程度等復雜因素的干擾。

醫院中的護士等健康人群，會因輪班工作或夜間工作導致節律紊亂、睡眠質量下降、負面情緒增加、認知表現較差等后果，影響身心健康和工作表現[47-49]。通常情況下，夜間警覺性下降和嗜睡感增加會導致夜間工作時的反應速度和認知表現顯著不及白天[50]。夜間工作時增加富含藍光的高色溫、高照度光照，能降低褪黑素含量，提高警覺性和認知表現，但同時也會嚴重擾亂生物節律，導致夜班后的節律相位推遲、睡眠質量下降[51，52]。針對護士等輪班工作人員開發的動態光環境，在夜晚呈現低色溫、中等照度、高顯色性等特點，能幫助輪班工作人員既能保持生物節律穩定、改善主觀體驗，又不會對夜間工作時的認知能力和工作表現帶來負面影響，達到了兼顧工作表現和生物節律的效果[47，48]。

目前，動態光環境作為一種非侵入式治療方式，在節律相關疾病的治療中得到廣泛應用，但也面臨著諸多問題和不確定性。動態光環境在改善主觀體驗和情緒、提升睡眠質量等方面有較好效果，但對疾病的發病率和持續時間等核心指標影響有限，且動態光環境可能需要長達數月才能發揮明顯的效果[9]。因此，動態光環境常作為輔助治療手段參與節律相關疾病的治療，或者作為患者家庭和臥室的照明方案。此外，還有研究發現，動態光環境在注意力、精神疲勞等方面有副作用[7]，需及時評估動態光環境對不同個體的效果，并針對不同疾病、不同患者定制化設計動態光環境中光譜和照度的變化規律。

4 結論

動態光環境具有隨時間變化的光譜、色溫、照度等光源特性，在節律、睡眠、情緒、認知等非視覺效應上相比傳統的靜態光源有明顯進步。隨著LED技術的發展和進步，多通道LED是實現人工動態光環境的常用手段，并在提高顯色性、節律調節能力、光生物安全性方面進一步優化照明光環境。動態光環境對健康人群和一些疾病的患者都有積極影響。對于長期密閉環境中生活或需要輪班工作的健康人群，動態光環境能有效保持和同步生物節律，并有效改善睡眠、認知和情緒，還能通過動態光環境起到增強節律強度、牽引節律相位的附加效果。對于情感障礙性疾病、神經退行性疾病和ICU中譫妄的患者，常面臨節律紊亂和睡眠質量下降等節律相關問題，動態光環境與亮光治療相結合，在改善睡眠質量、提升主觀情緒等方面有良好效果，是常用的非侵入時、輔助治療手段。不過，動態光環境還存在對疾病發病率和持續時間影響有限、治療效果受患者個體特征影響較大等局限性。