不同波段LED對人體非視覺的影響

周曉明，邵志棟，徐嘉彬

1)華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院，亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣州510640;2)華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州510640

2002年Berson［1］發(fā)現(xiàn)哺乳動物視網(wǎng)膜的第三感光細胞，提出本征感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞，打破人體眼睛只存在視覺通道的觀念，即存在非視覺通道.這類感光細胞參與調(diào)節(jié)人體體征、激素分泌和晝夜節(jié)律等［2-5］，產(chǎn)生人體光生物效應(yīng).研究發(fā)現(xiàn)，通過改變光環(huán)境的照度和色溫等參數(shù)［6-7］，能改變?nèi)梭w的體溫、血壓、心率、腦電圖 (electroencephalogram，EEG)和心情等［8-11］;在辦公環(huán)境中，正常的白光照射光源下加入適當(dāng)量的發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)藍光，能提高辦公室員工的工作效率［12-13］;季節(jié)性情感障礙 (seasonal affective disorder，SAD)影響著人體的身體健康［14］，導(dǎo)致睡眠時間增長和白天困倦、焦躁等，這些可通過強光治療，但光毒性危險和治療效果要進行權(quán)衡考慮［15］.

光的視覺及非視覺生物效應(yīng)主要涉及到光的5個特征:時間點、持續(xù)時間、光照強度、光譜分布及空間分布［16-17］.評價光生物效應(yīng)的模型包括:一是Brainard的基于人體褪黑素抑制作用的模型;二是Berman的基于人眼瞳孔大小的模型.本研究采用生物節(jié)律因子模型評價LED 9種顏色對人體非視覺生物效應(yīng)的影響，從而判斷9種顏色光產(chǎn)生非視覺生物效應(yīng)的強弱;利用其中3種顏色作為光源，測量實驗者的心電圖 (electrocardiogram，ECG)參數(shù);在9種顏色的光環(huán)境下測量開燈前后額頭平均溫度差，研究不同生物節(jié)律因子C/P(circadian factor)值對人體體溫的影響.

1 實驗原理

生物節(jié)律因子C/P是基于視網(wǎng)膜感光神經(jīng)節(jié)細胞光譜響應(yīng)的有效輻射量與明視覺光譜響應(yīng)的輻射量的比值［18-19］，表征了光源的非視覺效應(yīng)的強弱.由明視覺光通量Ф和非視覺光通量Фc，可以得到生物節(jié)律因子C/P.

其中，Kc=36 161 m/W為非視覺效應(yīng)的的最大光譜光效函數(shù)［20］;Km=6 811 m/W為明視覺最大光譜光效函數(shù)［21］;V(λ)為明視覺光譜光效函數(shù);C(λ)是基于人體褪黑素的抑制作用的光譜生物響應(yīng)曲線，用來表征不同波長對人體非視覺生物效應(yīng)影響的強弱;λ為波長;P(λ)為絕對光譜能量分布;P'(λ)為相對光譜能量分布;P(λ)=αP'(λ)，α為常數(shù)［22］.

2 實驗設(shè)計

本研究使用的光源為吉海仕JIHISI-CS3型LED燈泡，該LED燈泡可以選擇控制9種顏色光:紅、綠、藍、橙、紫紅、藏青、紫、黃和白色.通過遙控來選擇需要的光顏色，并可以改變其色調(diào)和亮度等.要計算生物節(jié)律因子C/P，需要測量9種顏色LED光的光譜分布，本研究利用WGD-3型組合式多功能光柵光譜儀測量9種顏色LED光的光譜，利用origin 8.0處理導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，并得到相對光譜能量分布曲線.9種顏色LED光的相對光譜能量分布如圖1.由圖1可知，LED白光是由藍光激發(fā)黃色的熒光粉產(chǎn)生的［23］，根據(jù)紅綠藍3種顏色的光譜分布，可得其峰值波長分別為 632.0、517.0和448.5 nm，由于不同材料有不同的禁帶寬度，電子與空穴的能量帶隙越大，電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生光子的能量越高，對應(yīng)發(fā)出不同顏色的光.

由于紅光對褪黑素合成抑制最弱，藍光對褪黑素合成抑制最強，故選擇其中紅綠藍3種顏色光作為光源，3種顏色的光源到達眼睛附近的照度為0.8 lx，使用ECG-2203G三道心電圖機記錄實驗者的心電圖.實驗時間是19∶00—19∶50，實驗者是若干男性，連接心電圖機的各個導(dǎo)聯(lián)線.先在黑暗中安靜15 min，接下來的15 min，每5 min記錄1次數(shù)據(jù);然后在光環(huán)境下的20 min內(nèi)，每5 min記錄1次心電圖.每個實驗者只在其中1種顏色光環(huán)境中測試，實驗者在同一種顏色光環(huán)境下分別進行3 d測試，共得到9組數(shù)據(jù).

在9種顏色的光環(huán)境下，開始調(diào)節(jié)實驗地點的環(huán)境溫度 (27℃)，使人體到達穩(wěn)定的狀態(tài)，關(guān)燈使實驗者適應(yīng)15 min，使用CME華盛昌DT-8806H紅外測溫計每分鐘記錄1次額頭某一點的體溫，記錄15 min;打開某一種顏色的光后，使人體適應(yīng)15 min，繼續(xù)記錄額頭同一點的溫度，記錄15 min，一直重復(fù)試驗記錄體溫數(shù)據(jù).保持各種顏色的光照度為30 lx，計算出開燈前后溫度的平均值，比較得到開燈前后溫度平均差.

圖1 9種顏色LED光的相對光譜能量分布Fig.1 Relative spectral power distribution of nine colors of LED light

3 結(jié)果與分析

根據(jù)生物節(jié)律因子式(3)及測得9種顏色LED光的光譜，積分計算得到紅、藍、綠、白、藏青、橙、黃、紫紅和紫光的 C/P值，分別為 1.35×10-4、59.51、2.60、4.96、13.41、1.49、2.24、32.30和50.13，生物節(jié)律因子直方圖如圖2.

圖2 不同顏色光的生物節(jié)律因子直方圖Fig.2 Bar chart of different circadian factor values in nine colors of LED light

根據(jù)測得的光譜和計算C/P值進行比對可知，含有藍光成分光譜的生物節(jié)律因子大于未含有藍光成分光譜的生物節(jié)律因子，說明顏色越趨近藍色，生物節(jié)律因子越大，越趨近紅色，生物節(jié)律因子越小.

在紅綠藍3種光環(huán)境下記錄人體的心電圖參數(shù)，在同一光環(huán)境下一個實驗者進行3 d測試，在黑暗和某一種顏色光下分別記錄各個參數(shù)數(shù)據(jù)，取平均值進行比較，得表1、表2和表3.

表1 紅光下ECG測量結(jié)果Table 1 ECG results in the red light

表2 綠光下ECG測量結(jié)果Table 2 ECG results in the green light

表3 藍光下ECG測量結(jié)果Table 3 ECG results in the blue light

對比黑暗與光照情況下心室率、P、QRS和T波時間的變化，紅光和綠光下，這些參數(shù)基本上變化很小，而藍色的P波、QRS波、T波、QTc時間及心室率變化總體相對較大.因為紅光和綠光的生物節(jié)律因子較小且接近，而藍光的生物節(jié)律因子比紅光大得多，引起的心率等參數(shù)的變化更大，說明藍光下的非視覺生物效應(yīng)更強.

在9種不同顏色的光環(huán)境下，記錄開燈前后時間段內(nèi)額頭的溫度.經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到紅、藍、綠、白、藏青、橙、黃、紫紅和紫色9種顏色光開燈前后額頭平均溫度差值分別為0.030、0.500、0.047、0.004、0.100、0.023、0.040、0.187 和0.340℃.其中，藍光情況下開燈前后溫度差最大，紅光的溫度差較小，白光的最小.在同樣照度下，藍光的C/P值最大，刺激人體產(chǎn)生更大的熱量，而紅光的C/P值最小，對人體體溫參數(shù)改變較小;白光下的溫度差最小，其原因也許由于人對白光比較適應(yīng)，對人體體溫改變影響不大.

圖3 溫度差與C/P的關(guān)系Fig.3 The relationship between temperature difference and C/P

根據(jù)9種顏色光的生物節(jié)律因子C/P與開燈前后額頭平均溫度差可作其關(guān)系圖，如圖3.由圖3可知，在同樣照度的光環(huán)境下，1 h內(nèi)開燈前后額頭平均溫度差T與C/P值總體呈正相關(guān)，隨著C/P值增大，開燈前后的額頭平均溫度差總體增大，C/P值的大小影響著體溫的變化，但是白光下的溫度差最小.經(jīng)過數(shù)據(jù)線性擬合，得到溫度差與C/P的擬合方程為 T=0.007 00+0.007 42C/P，其置信度為0.969 60.在不同的生物節(jié)律因子的光環(huán)境下，對人體體溫變化有著不同的影響.隨著C/P值越大，對人體非視覺效應(yīng)的總體增大.

結(jié) 語

本研究采用生物節(jié)律因子評價模型研究可控LED對非視覺生物效應(yīng)的影響.結(jié)果表明，藍光的生物節(jié)律因子最大，紅光的生物節(jié)律因子最小.實驗發(fā)現(xiàn)，不同顏色LED光對非視覺效應(yīng)的影響存在很大差異，生物節(jié)律因子越大，對非視覺效應(yīng)的影響總體越大，心室率和體溫等生理體征參數(shù)的變化越大，可以利用生物節(jié)律因子來表征非視覺生物效應(yīng)的強弱.本研究為提高人類工作效率及身心健康提供了理論依據(jù)，最大程度地保證了人在光環(huán)境下合適的生理特征參數(shù).

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