低照度彩光對人眼非視覺生物效應(yīng)的影響

柴穎斌 孫耀杰 林燕丹

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海200433)

1 引言

2002年，Berson等［1］發(fā)現(xiàn)了視網(wǎng)膜上的一種新型細(xì)胞，這種細(xì)胞與調(diào)節(jié)人類自身生物節(jié)律有著巨大的關(guān)聯(lián)。簡單的說，當(dāng)光線進(jìn)入人眼后，一路是由傳統(tǒng)視錐和視桿細(xì)胞負(fù)責(zé)的視覺感光系統(tǒng)，將接受到的信號通過視神經(jīng)傳遞給大腦視覺皮層，形成視覺體驗(yàn)。另一路則是由自主感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ipRGC)接受光信號后傳遞到大腦的生物鐘——下丘腦視交叉上核(SCN)，而SCN又與控制人體某些激素分泌的松果體相連，由此實(shí)現(xiàn)生理節(jié)律的調(diào)節(jié)以及激素分泌的控制。照明已經(jīng)拓展到非視覺生物效應(yīng)領(lǐng)域，ipRGC的分類和功能研究隨著分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的快速發(fā)展取得很多重要進(jìn)展［2］，光與健康之間的關(guān)系越來越多的被人類所發(fā)現(xiàn)。

目前，越來越多的研究學(xué)者在非視覺生物效應(yīng)方面投入精力:Yasukouchi［3］研究表明照明色溫對光生物效應(yīng)有明顯作用;Cajochen［4］的研究表明短波長光照比長波長光照能引起的體溫、心率變化的作用更為顯著;Van Bommel［5］采用光源光譜基于白熾燈光譜的相對值來定量評價(jià)光源的光生物效應(yīng);逄文強(qiáng)等［6］指出藍(lán)光對腦認(rèn)知力的非視覺調(diào)控效應(yīng)最大;居家奇［7］通過測量心率、體溫、血壓等生理參數(shù)隨特定強(qiáng)度和光譜的照明改變而產(chǎn)生的變化，建立光生物效應(yīng)的光譜響應(yīng)數(shù)字化模型，為實(shí)際照明設(shè)計(jì)工作提供了參考?，F(xiàn)在眾多的研究結(jié)果顯示，對非視覺生物效應(yīng)影響最為明顯的集中在短波區(qū)域，如圖1所示，B(λ)曲線是基于褪黑激素分泌繪制，C(λ)曲線是基于瞳孔大小變化繪制而成，另外加上V'(λ)和V(λ)，他們的波峰波長依次為464nm、491nm、507nm和555nm。

圖1 人眼對光的不同效應(yīng)的光譜響應(yīng)曲線

瑞士Basel大學(xué)的Christian Cajochen等［4］通過使用不同波長的光來照射人眼，并且監(jiān)測整個過程中心率、體溫、褪黑激素水平等生理參數(shù)。結(jié)果顯示，在波長為460nm的光照射后，人體體溫有所上升;而使用550nm的光和不使用任何光線都對人體體溫沒有任何較大影響。同樣，波長為460nm的光照射1.5小時(shí)后引起人體心率加快;而550nm和完全黑暗情況下對人體心率沒有任何影響。Ishibash［8］通過在不同環(huán)境溫度(21℃、28℃和35℃，相對濕度50%)、不同色溫(3000K、5000K和7500K)以及不同噪聲環(huán)境(背景噪音為+0dB、+5dB和+10dB)的情況下對8名實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行生理參數(shù)的檢測。結(jié)果顯示環(huán)境溫度對人體心率的影響最為明顯。而在無背景噪聲的情況下，7500K色溫情況下的心率變異性中的低頻功率和高頻功率的比值要明顯高于5000K和3000K。Tsutsumi［9］通過在臥室和起居室安裝不同色溫的熒光燈在不同的時(shí)間段照射人眼，同時(shí)監(jiān)測8名實(shí)驗(yàn)者的心率變異性和血壓情況，結(jié)果顯示6700K的光源對于心率變異性和血壓的影響要明顯高于3000K和5000K的熒光燈。

從這些研究可以發(fā)現(xiàn)，短波波段(如波長460nm)的光相比長波波段(如波長550nm)更容易引起人體心率變化，高色溫光源相比低色溫光源對于心率的影響更為明顯，這也與目前為止國際上較為認(rèn)可的兩個非視覺生物效應(yīng)的模型基本吻合。

但是這兩種具有理論基礎(chǔ)和科學(xué)價(jià)值的模型在實(shí)踐中也存在著各自的缺陷和不足:基于褪黑激素分泌抑制作用的實(shí)驗(yàn)方法，由于光照和褪黑激素抑制因果關(guān)系存在時(shí)間差而不具備即時(shí)性，會增加實(shí)驗(yàn)開展和驗(yàn)證的復(fù)雜性;基于瞳孔收縮作用的實(shí)驗(yàn)方法，具有很強(qiáng)的直觀性和即時(shí)性，但并不能排除傳統(tǒng)感光細(xì)胞(視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞)在光照條件下對瞳孔收縮的影響。所以，采用更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和更好的實(shí)驗(yàn)方法將幫助人們解開種種的不確定。

Moore等［10］發(fā)現(xiàn)SCN通過室旁核(subparaventricular zone，SPVZ)——下丘腦和后交叉區(qū)(retrochiasmatic area，RCA)——腦干兩條通路參與人體自主神經(jīng)調(diào)節(jié)。作為人體自主調(diào)解特征之一——心率變化的產(chǎn)生，主要是心臟竇房結(jié)自律活動通過交感和迷走神經(jīng)精細(xì)調(diào)控的結(jié)果［11］，而迷走神經(jīng)中的副交感神經(jīng)纖維是由腦干內(nèi)的副交感核發(fā)出的。這有可能就是照明對人體心率變化影響的神經(jīng)通路。

本文中，采用單色LED作為照明光源，用心率及其變化率來對比分析低照度情況下不同光譜環(huán)境對于人體造成的光生物效應(yīng)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)采用4種高品質(zhì)單色LED作為實(shí)驗(yàn)用光源，通過直流源來控制LED光源的發(fā)光強(qiáng)度，從而達(dá)到調(diào)光和定標(biāo)的目的。實(shí)驗(yàn)中選用了光譜如圖2所示的藍(lán)、綠、黃、紅4種單色光作為實(shí)驗(yàn)光環(huán)境。單色LED主波長及色坐標(biāo)等參數(shù)值如表1所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)中四種彩光的光譜

表1 四種彩光對應(yīng)的參數(shù)值

受測者采用正常坐姿，如圖3所示，坐于距離發(fā)光面1000mm的正前方，通過調(diào)節(jié)座椅高度和頭部固定裝置使不同受測者的眼睛處于相同的位置，使四種彩光在受測者眼睛位置處形成的照度值相等，約為75lx。

圖3 受測者測試場景示意圖

3 實(shí)驗(yàn)方法

房間溫度保持在25攝氏度。12名23歲至30歲之間的青年受測者(平均年齡27歲)，男女各6名，自愿參加實(shí)驗(yàn)研究。受測者均無眼疾，且色覺正常，他們的心率通過生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行記錄，每分鐘記錄一次。

首先，被試人員在黑暗環(huán)境中進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)，在生理參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定后，實(shí)驗(yàn)開始，儀器在黑暗情況下對受測者的心率采樣10分鐘，之后打LED光源，顯示某一顏色的彩光，再記錄受測者在彩光環(huán)境下10分鐘內(nèi)的心率情況，用LED光源開關(guān)前后20分鐘的心率及心率變化率來評價(jià)光生物效應(yīng)對于心率影響的即時(shí)作用。實(shí)驗(yàn)過程中，要求被試兩眼始終注視燈具發(fā)光表面，一組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，被試在黑暗中休息直至其心率參數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行第二組實(shí)驗(yàn)。每位受測者均參加所有四種顏色的實(shí)驗(yàn)測試。

4 結(jié)果與討論

在四種不同的彩光作用下，受測者由暗到明的心率變化作為光生物效應(yīng)即時(shí)作用的評價(jià)指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)過程中，除了燈光的開與關(guān)，其他環(huán)境參數(shù)均不發(fā)生改變。受測者在燈光開關(guān)前后的心率情況如圖4所示。

圖4 彩光對于人心率變化的影響

使用SPSS17.0檢驗(yàn)燈光開關(guān)前后的心率變化的顯著性，配對T檢驗(yàn)的結(jié)果顯示，在每種彩光環(huán)境下，心率均有顯著性變化(P＜0.05)，其心率變化分析如表2所示。結(jié)果表明，即使在低照度情況下，光生物效應(yīng)同樣可以引起人們的心率變化。

表2 配對T檢驗(yàn)結(jié)果

在我們定義心率變化率為，開燈環(huán)境下平均心率和暗環(huán)境下平均心率之差與暗環(huán)境下平均心率的比值時(shí)，結(jié)果如圖5所示。藍(lán)光引起的生物效應(yīng)最大，其引起的平均心率變化率達(dá)到6.50%左右，按照變化率由大到小依次為綠光，黃光和紅光。以往的研究表明，昏暗的光也會對人類的生理和行為產(chǎn)生影響［12］，這與我們的結(jié)果是一致的。

再對四種彩色光環(huán)境下受測者的心率變化率兩兩進(jìn)行獨(dú)立T檢驗(yàn)，檢查不同光譜的環(huán)境光所引起的心率變化率是否存在顯著性差異。如表3所示，除綠光與黃光、黃光與紅光比較之外，其他幾種情況P＜0.05，均存在顯著性差異。

圖5 受測者在不同光色環(huán)境下的心率變化率

表3 心率變化率獨(dú)立T檢驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)女性受測者的心率普遍高于男性受測者?；谶@一點(diǎn)，對不同情況下的男女受測者心率變化率，兩兩進(jìn)行獨(dú)立T檢驗(yàn)，并未發(fā)現(xiàn)存在顯著性差異(即沒有P＜0.05的狀況發(fā)生)，如表4所示。在不同光譜的環(huán)境下，本實(shí)驗(yàn)的受測者所反映出來的心率變化并不存在著顯著的性別差異。

表4 男女受測者心率變化率獨(dú)立T檢驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中，用心率來評價(jià)彩色光對人的非視覺生物效應(yīng)。低照度的彩色光能夠引起人們的非視覺生物效應(yīng)，但本文中所采用的四種顏色的彩光所引起的心率變化之間并沒有出現(xiàn)顯著的性別差異。非視覺生物效應(yīng)背后的機(jī)理和細(xì)節(jié)性問題仍需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論與展望

本文中，用心率及其變化率來評判彩色光對人的非視覺生物效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)中采用了四種不同光譜的單色光，在低照度情況下可以引起人的非視覺生物效應(yīng)，且不同顏色的光所引起的心率變化存在差異，但不同彩光引起的心率變化之間并沒有出現(xiàn)顯著性別差異。不同顏色彩光影響結(jié)果之間的關(guān)系仍然需要進(jìn)一步探究，非視覺生物效應(yīng)背后的機(jī)理和細(xì)節(jié)性問題也需進(jìn)一步探索和完善。

與非視覺生物效應(yīng)相關(guān)的參數(shù)評價(jià)，在目前光度學(xué)評價(jià)體系中仍亟待補(bǔ)充完善。諸如褪黑激素及皮質(zhì)醇對人體的具體影響，心率、血壓、體溫等生命體征伴隨光照變化而產(chǎn)生的波動等，都需要更多理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來解釋說明。完善光度學(xué)評價(jià)體系還有很長的一段路要走。

目前，非視覺生物效應(yīng)還主要停留在實(shí)驗(yàn)和機(jī)理探究層面，相信越來越多的研究會將它剖析清楚，從而讓它從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。在未來的實(shí)際照明應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者們可以將非視覺生物效應(yīng)理論與顏色心理學(xué)等諸多理論相結(jié)合，創(chuàng)造更舒適、更健康的綠色照明環(huán)境。

致謝:實(shí)驗(yàn)的機(jī)理研究和設(shè)計(jì)等方面得到居家奇博士、邱婧婧老師的大力支持，在此一并深表謝意。

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