人因健康研究助力LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展
——LED產(chǎn)品人因健康評價技術(shù)簡介

蔡建奇 杜 鵬溫蓉蓉

（1.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院；2.北京陽明智道光電科技有限公司）

人因健康研究助力LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展
——LED產(chǎn)品人因健康評價技術(shù)簡介

1蔡建奇2杜 鵬2溫蓉蓉

（1.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院；2.北京陽明智道光電科技有限公司）

一、前 言

作為20世紀(jì)至21世紀(jì)最重要的科學(xué)成果之一的LED技術(shù)，大大降低自然能源的消耗，但同時各類LED照明顯示的爆炸式增長，也對人類的視力健康帶來極大負(fù)面影響。

伴隨著LED技術(shù)的不斷進(jìn)步和我國自2003年起對于“綠色LED產(chǎn)品”項目的大力推廣，各類LED產(chǎn)品現(xiàn)已深入民眾生活的方方面面。但是下面這組數(shù)據(jù)卻深深的令人震驚：世界衛(wèi)生組織2012年報告顯示——屈光不正（近視、散光、遠(yuǎn)視）這一視覺功能不健康的最重要表征疾病已成為全球第二大致殘疾病，而在中國，近視患者占全球的33%，高出世界平均水平10%。截至2013年，中國戴眼鏡的人數(shù)接近4億，患有屈光不正的人口超過5億。41%的5～15歲未成年人存在屈光不正問題，而未實施矯正的比例高達(dá)85%，高于世界上的許多其他國家（廣州日報，2013年11月13日）。2009-2010學(xué)年到2012-2013學(xué)年，北京市中小學(xué)生視力不良檢出率從59.96%增加到62.96%，小學(xué)階段的視力不良檢出率已經(jīng)達(dá)到49.77%，中學(xué)階段達(dá)到了81.19%。中國的孩子們正在受越來越嚴(yán)重的近視問題困擾，而且有愈演愈烈的趨勢。

而隨著民眾意識的覺醒，對生活品質(zhì)的不斷追求，消費者對LED產(chǎn)品的接受過程也從最初的“節(jié)能”要求逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)能的同時要兼顧“健康”，LED產(chǎn)品對于人的健康舒適度影響已成為目前的研究熱點。

二、什么是LED產(chǎn)品人因健康研究

LED產(chǎn)品對于人的影響一般可歸結(jié)為三個方面：視覺影響、腦力負(fù)荷影響以及皮膚影響，其中皮膚影響最小，而產(chǎn)生視覺影響與腦力負(fù)荷影響的受體器官是人眼，因此LED產(chǎn)品健康舒適度即是以產(chǎn)品的最終核心受體——人眼為研究對象，從人的生理和感知的角度，有效評價LED產(chǎn)品是否存在健康安全性影響（圖1）——研究產(chǎn)品不同光參數(shù)（亮度、照度、色溫、顯色指數(shù)、峰值光譜、頻閃等）與人眼各項 視生理功能及相關(guān)的腦部負(fù)荷功能之間的對應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建人眼視覺（疲勞）、人眼光譜影響、人眼細(xì)胞影響、腦力負(fù)荷影響等客觀評價模型，提出客觀量化人眼健康舒適度的評價指標(biāo)、限定值/限定范圍，并基于客觀量化指標(biāo)形成產(chǎn)品物理參數(shù)-人體生理功能參數(shù)互為映射的、能夠有效指導(dǎo)企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的光源配比模型，從而指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)出兼具節(jié)能性和健康安全性的LED產(chǎn)品，引導(dǎo)LED產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

健康舒適度的概念源自于人因工程學(xué)，它是研究人類在不同環(huán)境、產(chǎn)品以及服務(wù)影響下的不同身體和心理狀態(tài)的理論。由于過去對于人體科學(xué)的研究尚不發(fā)達(dá)，因此傳統(tǒng)人因?qū)W更多著眼于以心理學(xué)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品可用性研究——利用主觀心理問卷的方法，通過統(tǒng)計學(xué)的方式，指導(dǎo)產(chǎn)品的可用性研發(fā)；但是伴隨近30年來測試技術(shù)的高速發(fā)展，人因?qū)W的研究方向也從傳統(tǒng)的主觀心理研究逐步轉(zhuǎn)向客觀生理研究，其主要目標(biāo)也從過去的產(chǎn)品可用性研究逐步轉(zhuǎn)向產(chǎn)品“健康”性研究。

健康舒適度研究作為人因?qū)W未來的主要發(fā)展方向，利用前沿的人體機(jī)能檢測設(shè)備，通過大樣本量的人因測試所形成多參數(shù)數(shù)據(jù)庫，客觀量化出人-機(jī)（產(chǎn)品、服務(wù)等）-環(huán)三者之間的匹配關(guān)系，從而最終形成有別于傳統(tǒng)產(chǎn)品物理性能指標(biāo)的“人因評價指標(biāo)”。簡而言之，健康舒適度是評測并指導(dǎo)改進(jìn)產(chǎn)品 “健康、舒適、安全、效率”性能的方法，其核心就是持續(xù)提升產(chǎn)品的“健康、安全、高效”三大屬性。

圖1 人因樣本分布圖

三、LED產(chǎn)品人因健康研究的作用

人眼作為LED產(chǎn)品尤其是照明顯示產(chǎn)品的最終受體，其健康影響主要是視覺影響、眼生理機(jī)能影響以及腦力負(fù)荷影響三個方面，其中視覺影響是上述研究的首要重點，理由如下：

1．視覺健康與否直接影響人的生活質(zhì)量

伴隨信息化社會的來臨，信息的汲取已成為人類生活、學(xué)習(xí)、工作、成長發(fā)展的核心要素，而人的信息獲取90%來自于視覺，因此視覺健康與否不但影響著人的身體健康，更對人的生活、學(xué)習(xí)、工作、成長起著重要的作用。

2．照明、顯示及其他可視化產(chǎn)品的普及已成為人眼屈光不正（近視、散光、遠(yuǎn)視）大幅增長的誘因

半個世紀(jì)以來，照明、顯示及其他可視化產(chǎn)品技術(shù)飛速發(fā)展，與之伴生的視覺健康問題愈加嚴(yán)重，數(shù)據(jù)在前言中已經(jīng)羅列，在此不再贅述。

另外有研究顯示，道路交通事故特別是夜間道路交通安全事故中，不同程度上都存在照明條件不佳、駕駛者視覺疲勞（觀視模糊、應(yīng)激反應(yīng)下降）、駕駛者生理疲勞（注意力分散）的問題，這些問題多與視覺問題相關(guān)。照明條件不佳是視覺疲勞迅速累積的誘因，視覺疲勞累積將造成應(yīng)激反應(yīng)能力下降從而誘發(fā)交通事故發(fā)生。

3．照明條件及因此而繼發(fā)的視覺疲勞問題影響工作效率

北美工業(yè)學(xué)會研究結(jié)果顯示，視覺質(zhì)量下降嚴(yán)重影響工作效率。這在工廠產(chǎn)線中表現(xiàn)的尤為明顯。

四、 LED產(chǎn)品人因健康研究的創(chuàng)新性

1．視覺健康舒適度評價方法

從國內(nèi)外照明和顯示相關(guān)健康舒適度研究的現(xiàn)狀可見，當(dāng)下視覺健康舒適度的主要研究方法還是從主觀認(rèn)知變化及反饋的角度來進(jìn)行?？v觀ISO,IEC,CIE發(fā)布的現(xiàn)有國際LED照明顯示產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，全部是以歐美人群為測試對象，以歐美人群的視覺功能基礎(chǔ)構(gòu)建的，而醫(yī)學(xué)研究表明歐美人種與亞裔人種的眼部功能特點從虹膜、屈光、散光等諸多方面都有明顯區(qū)別，因此以亞洲人眼部功能特點為研究對象的照明視覺健康舒適度研究尚處于空白狀態(tài)。

本研究是基于人眼視覺功能狀態(tài)變化的實驗研究，本團(tuán)隊研發(fā)人員奔赴全國5個區(qū)域（圖2所示），其人群全面覆蓋未成年（5%）人和成年人（95%），其中視覺異常疾病患者5%，男性49%，女性51%，測試場地包括戶外、辦公室、廠區(qū)、教室等多個區(qū)域，總計采集8000多人次的中國人眼睛在不同光源照明環(huán)境下的視覺功能數(shù)據(jù)。

通過分析不同光源環(huán)境下人眼的功能狀態(tài)：基礎(chǔ)屈光、AC/A，眼壓、高階像差、MTF、HF等變化值，同時結(jié)合CIE現(xiàn)行的主觀問卷式調(diào)查，將該評價體系劃分為5級分檔。然后，項目組利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過實驗獲得的客觀視覺指標(biāo)參數(shù)，構(gòu)建了主觀感受與客觀指標(biāo)相統(tǒng)一的照明健康舒適度評價模型，并首次提出 VICO(Visual Comfortable index)評價指數(shù)（基于人眼眼軸和角膜屈光變化的視覺健康舒適度指標(biāo)，表征照明產(chǎn)品的健康舒適度）。方法如圖3所示。

作為視覺健康舒適度的一種定量評價方法，該評價模型客觀快速，而且充分考慮了多項因素對視覺健康舒適性的影響；同時此方法可以隨著樣本數(shù)據(jù)量以及參數(shù)因子量的增加，來進(jìn)一步完善神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的容錯性和預(yù)測性，并能更為快捷準(zhǔn)確的給出預(yù)測結(jié)果，是具有客觀量化分級方式的照明產(chǎn)品健康舒適度指標(biāo)評價體系，達(dá)到了準(zhǔn)確評價各類型照明產(chǎn)品視覺健康舒適度的目的，同時研究成果也彌補了照明領(lǐng)域中東亞裔人種方面數(shù)據(jù)的缺環(huán)。

2.視覺健康舒適度評價指標(biāo)——VICO指數(shù)

通過視覺健康舒適度評價模型本團(tuán)隊首創(chuàng)了第一個客觀評價產(chǎn)品對于人眼視覺影響的指標(biāo)——基于人眼眼軸及角膜屈光變化的視覺健康舒適度評價指標(biāo)，簡稱為VICO指數(shù)，VICO指數(shù)是獨立于照明產(chǎn)品物理指標(biāo)（色溫、顯指、照度、亮度、頻閃等）的、完全從人眼視功能角度、能夠客觀量化評價LED產(chǎn)品對于人眼視覺影響的指標(biāo)，其主要評價產(chǎn)品對于人眼視光學(xué)角度下的視覺疲勞影響——眼軸和角膜屈光影響，VICO指數(shù)共分為5級。級數(shù)越高說明健康舒適度程度越低，具體如表1所示。

圖2 視覺健康舒適度評價方法

表1 視覺健康舒適度(VICO指數(shù))量化分級

VICO指數(shù)作為一個能夠客觀評價視覺應(yīng)用產(chǎn)品對于人眼視功能影響的指標(biāo)，其核心意義在于指標(biāo)的內(nèi)在測量參數(shù)與人眼近視成因有著密切的關(guān)系，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)η獠徽ㄖ饕碚鳛榻暫蜕⒐猓┑某梢蚩苫練w結(jié)為4個方面：第一方面是遺傳及先天因素，第二方面是生活及用眼習(xí)慣，第三方面是環(huán)境光導(dǎo)致的視覺疲勞累積，第四方面是人眼睫狀肌調(diào)節(jié)過度，上述4方面中，第一和第二方面是先天、固有、很難改變的，而環(huán)境光導(dǎo)致的視覺疲勞累積影響以及調(diào)節(jié)過度卻是可以通過技術(shù)手段進(jìn)行改善的，VICO指數(shù)其本質(zhì)就是有效量化表征出光對人眼的視覺疲勞累積程度（RS、MTF、HOAS、）以及人眼睫狀肌的調(diào)節(jié)程度（AC/A），因此通過VICO指數(shù)不但可以有效評測出LED產(chǎn)品對于誘發(fā)人眼近視可能產(chǎn)生的影響，而且可以利用基于VICO指數(shù)所形成的光源配比模型去有效指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)出更為“視覺健康”的LED產(chǎn)品。

3.人眼視網(wǎng)膜細(xì)胞光損傷定量評測指標(biāo)——CV指數(shù)

針對LED產(chǎn)品對于人眼細(xì)胞的光安全、光損傷問題（如藍(lán)光危害），本工作室前期進(jìn)行了大量的動物實驗，分別使用小鼠、大鼠、豚鼠等多種動物作為實驗對象進(jìn)行了眼球細(xì)胞的光刺激實驗，得到了大量的實驗數(shù)據(jù)，并初步了解了光刺激對于眼球發(fā)育的影響，之后為了進(jìn)一步研究光刺激對于人眼細(xì)胞的影響，本團(tuán)隊采用人眼視網(wǎng)膜細(xì)胞體外培養(yǎng)并進(jìn)行額定光環(huán)境下的照射實驗的方式來評價光環(huán)境對于人眼視網(wǎng)膜細(xì)胞的損傷影響，目前該方法已經(jīng)形成了穩(wěn)定的“人眼視網(wǎng)膜細(xì)胞光損傷定量評測系統(tǒng)”，并形成了量化評測指標(biāo)—CV指數(shù)（Cell Viability 細(xì)胞活力）。細(xì)胞活力指某一特定細(xì)胞群組中存活細(xì)胞個數(shù)占總細(xì)胞個數(shù)的百分比。CV指數(shù)共分為5級，級數(shù)越高說明所測試光環(huán)境對人眼視網(wǎng)膜細(xì)胞的損傷程度越大 （見表2）。

4.視覺健康舒適度評價方法與傳統(tǒng)人因評價方法的區(qū)別

由于人眼是一個具有復(fù)雜生理結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的綜合功能體，因此長久以來關(guān)于視覺健康的評價方法一直是學(xué)科難點。傳統(tǒng)的視覺健康舒適度評價方法主要是以主觀問卷方式為主，輔助以一些視力監(jiān)測等輔助量化手段進(jìn)行，但是由于這些方法的主觀人為因素較多，因此評價結(jié)果往往誤差極大，難以反映人的實時視覺健康舒適度。本研究是基于主觀評價為輔、客觀測試為主的研究方法，其與傳統(tǒng)方法最大的區(qū)別如表3所示。

五、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用成果

1.團(tuán)隊簡介

作為國內(nèi)目前最具影響力的視覺健康研究團(tuán)隊，由中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院公共安全研究所蔡建奇副研究員牽頭組建的項目團(tuán)隊集合了來自各家頂級醫(yī)療、科研機(jī)構(gòu)的中青年骨干，項目團(tuán)隊成員來自上海五官科醫(yī)院、溫州醫(yī)學(xué)院、中科院光電所、蘇州生物醫(yī)學(xué)工程研究所、北京航空航天大學(xué)等國內(nèi)知名高效及科研機(jī)構(gòu)，同時項目技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用也得到了北京陽明智道光電科技有限公司、杭州華普永明光電股份有限公司的大力支持。

表2 細(xì)胞活力(CV指數(shù))量化分級

2.產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

該評價技術(shù)能準(zhǔn)確、快速、有效的評價人眼的視覺健康舒適度水平，基于該技術(shù)的多項參數(shù)指標(biāo)可評價不同產(chǎn)品（照明、顯示等）對人眼疲勞程度的影響情況，并依據(jù)產(chǎn)品光參數(shù)與人眼數(shù)據(jù)的映射關(guān)系指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)。目前本項目研究成果已全面應(yīng)用于各類LED照明顯示及相關(guān)配套產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)中。

作為項目核心團(tuán)隊成員之一的華普永明， 2014年度銷售額達(dá)到3.7億元，先后獲得了杭州市市長杯工業(yè)設(shè)計銀獎、中國中小企業(yè)創(chuàng)新成長之星、中國中小企業(yè)創(chuàng)新100強(qiáng)、中國工業(yè)設(shè)計示范基地（全國僅4家）等殊榮，借助全球節(jié)能改造的風(fēng)潮，華普永明將依靠技術(shù)優(yōu)勢和項目經(jīng)驗加速發(fā)展。有望在兩年內(nèi)成為全國路燈銷量第一企業(yè)。

3.標(biāo)準(zhǔn)及論文

在標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新方面，基于本項目技術(shù)研發(fā)而形成的一系列相關(guān)產(chǎn)品及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)起草工作也已經(jīng)取得一定成果，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)名錄如下：

（1） CSA/DIS 035.1 LED照明產(chǎn)品視覺健康舒適度測試；

（2） QB/T 4735-2014 偏振式三維立體眼鏡；

（3） ISA/CD LED products—Test of visual health and comfort.

截至目前，本項目研發(fā)所涉及相關(guān)科研技術(shù)已累計發(fā)表各類論文10余篇，其中SCI檢索論文4篇，核心期刊論文超過10篇。

六、結(jié) 語

縱觀人類科學(xué)的發(fā)展史，我們可以部分認(rèn)作是一部通過不斷研究事物內(nèi)在規(guī)律最終服務(wù)于人類自身發(fā)展的歷史，大部分研究都是為“滿足并提升人類自身需求”這一核心目標(biāo)而服務(wù)的——檢測科學(xué)就是對這一目標(biāo)最好的注腳，只是在其創(chuàng)建之初，艱深的人體科學(xué)研究較之“蓬勃噴涌”的物理學(xué)研究實在太過落后，因此多年以來，檢測科學(xué)始終秉承著以“產(chǎn)品檢測”為主干的道路快速發(fā)展著。但是“時移勢易”，伴隨近30年來人因工程學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，單純的產(chǎn)品物理指標(biāo)檢測已經(jīng)不能滿足我們?nèi)祟惾找嫣岣叩漠a(chǎn)品需求，我們應(yīng)依據(jù)人體本身的生理指標(biāo)與產(chǎn)品的匹配原則，對“人-機(jī)-環(huán)”三者交互作用進(jìn)行評測，并且注重人本身的產(chǎn)品使用感受，真正做到“以人為本”的檢測服務(wù)準(zhǔn)則。因此如果說過去是一條產(chǎn)品物理指標(biāo)檢測的“單車道”的話，未來將是一條產(chǎn)品物理指標(biāo)與產(chǎn)品人因指標(biāo)并行的“雙車道”。

照明、顯示作為人類獲取信息的主要基礎(chǔ)條件，其產(chǎn)品設(shè)計與人息息相關(guān)，但是在相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計以及標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域中：長久以來，照明顯示產(chǎn)品的相關(guān)設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)都是以歐美人種為樣本制訂的，針對占全球總?cè)丝?0%甚至是30%的中國乃至東亞地區(qū)人群的相關(guān)參考數(shù)據(jù)寥寥無幾；通過視覺健康舒適度研究，建立基于中國人乃至東亞人的視覺健康舒適度數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建出針對人類視覺健康舒適度的評價體系和參考系數(shù)，不但能夠有效彌補綠色照明領(lǐng)域在人類健康評價方面的缺環(huán)，同時有望憑借這一突破口破解我國LED產(chǎn)業(yè)企業(yè)所面臨的困局，解決我國照明產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型中核心技術(shù)不足，缺少與國際產(chǎn)業(yè)巨頭談判籌碼的問題。因此本項目業(yè)已成為實現(xiàn)我國LED產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、提升我國LED產(chǎn)業(yè)核心競爭力的有效途徑之一。

表3 本研究方法與傳統(tǒng)研究方法的區(qū)別