LED照明節(jié)律效應(yīng)隨年齡的變化

饒 豐,徐安成,朱錫芳*

（1.常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州 213002; 2.常州現(xiàn)代光電技術(shù)研究院，江蘇常州 213002; 3.常州市光電子材料與器件重點實驗室，江蘇常州 213002）

LED照明節(jié)律效應(yīng)隨年齡的變化

饒 豐1,2,3,徐安成1,朱錫芳1*

（1.常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州 213002; 2.常州現(xiàn)代光電技術(shù)研究院，江蘇常州 213002; 3.常州市光電子材料與器件重點實驗室，江蘇常州 213002）

研究了不同色溫LED照明時節(jié)律效應(yīng)隨年齡的變化規(guī)律。在節(jié)律因子計算公式中，引入不同年齡人眼的透射譜，分析LED色溫和年齡對節(jié)律因子的影響。然后，測量了12名老年和18名青年男性在黑暗狀態(tài)下以及照度為500 lx、不同色溫LED照明時的心率，采用黑暗狀態(tài)與照明狀態(tài)的心率變化表征節(jié)律效應(yīng)，來驗證所得的理論規(guī)律。結(jié)果表明:色溫為6 500，5 500，4 500，3 500 K的LED照明時，青年人（20歲）的節(jié)律因子分別為1.1，0.7，0.5，0.44，不同色溫LED照明時心率變化率差異明顯;老年人（65歲）的節(jié)律因子分別為0.5，0.3，0.25，0.2，不同色溫下心率變化較小。在同一色溫LED照明時，節(jié)律效應(yīng)隨著年齡的增加而減小。LED色溫不同時，青年人節(jié)律因子的變化較大，老年人則變化較小。

生物光學(xué);節(jié)律;年齡;色溫;心率

1　引 言

2002年，美國Brown大學(xué)David M Berson等在老鼠的視網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)了與節(jié)律效應(yīng)相關(guān)的自主感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（iPRGC）。該細(xì)胞對視覺無作用，但是，視網(wǎng)膜接收的光信號能夠通過它傳遞到下丘腦視交叉上核，刺激下丘腦的松果體，控制人體某些激素的分泌，進(jìn)而調(diào)節(jié)生理節(jié)律和激素水平，影響人體的生理指標(biāo)[1]。該效應(yīng)被稱為光的節(jié)律效應(yīng)，其主導(dǎo)波段是460～490 nm波段的藍(lán)光[2-3]。LED照明光譜中藍(lán)光成分比較多，因此，研究LED照明與人體節(jié)律之間的關(guān)系，具有重要的意義。

光對節(jié)律效應(yīng)影響的研究比較多。2005年，Cajochen等發(fā)現(xiàn)波長460 nm的LED光能使人體體溫升高，心率加快[4]。2011年，Cajochen等又發(fā)現(xiàn)LED背光源對認(rèn)知水平和節(jié)律影響明顯[5]。2012年，Smolders等統(tǒng)計了LED照明對人體警覺性的促進(jìn)作用[6]。嚴(yán)永紅、黃海靜等研究了教室熒光燈照明對學(xué)生學(xué)習(xí)效率、瞳孔和心率的影響，發(fā)現(xiàn)4 000 K熒光燈下學(xué)生感覺最舒適[7-8]。林燕丹等發(fā)現(xiàn)適量藍(lán)光可以緩解疲勞[9]。居家奇則給出了心率、體溫和血壓等生理參數(shù)隨LED光強(qiáng)度和光譜分布的變化關(guān)系，并提出了基于心率的光生物作用函數(shù)[10]。魯玉紅等測量了不同波長的LED藍(lán)光照明下人的心率變化[11]。宋麗妍等報道了LED顯示屏動態(tài)顯示對節(jié)律效應(yīng)的統(tǒng)計規(guī)律[12]。隨著研究的深入，基于節(jié)律效應(yīng)的照明與顯示的評價也受到了重視，人們提出了采用節(jié)律因子評價照明質(zhì)量的方法[13-14]，獲得了廣泛的認(rèn)可。但是，該方法考慮的是普適的節(jié)律效應(yīng)，沒有區(qū)分不同年齡人的差異。事實上，光對節(jié)律效應(yīng)的影響與年齡相關(guān)[15-16]。

研究表明:光對節(jié)律效應(yīng)的影響主要由入射至視網(wǎng)膜的光度量和視網(wǎng)膜節(jié)律函數(shù)決定。動物臨床研究表明，節(jié)律函數(shù)隨年齡的變化不明顯[17]。但是，入射至視網(wǎng)膜的光與人眼的透光率密切相關(guān)，而人眼透光率隨年齡的增長而降低，二者有統(tǒng)計規(guī)律[18-19]。因此，年齡與節(jié)律效應(yīng)之間應(yīng)該存在內(nèi)在聯(lián)系?；诖?，本課題組曾經(jīng)研究了LED背光對節(jié)律效應(yīng)的影響隨年齡的變化關(guān)系[20]，但是，LED背光源與LED照明光源存在明顯的差異，該結(jié)果不能應(yīng)用于LED照明中。因此，本文研究了LED照明的節(jié)律效應(yīng)隨年齡的變化規(guī)律，為基于光生物節(jié)律效應(yīng)的個性化LED照明設(shè)計和評價提供理論依據(jù)。

2　原 理

2.1人眼透射譜

人眼內(nèi)吸收光的器官主要是晶狀體。隨著年齡的增長，晶狀體前囊膜不斷增厚，質(zhì)量和密度不斷增加[21]，導(dǎo)致光程越來越長，吸收率越來越高。2012年，國際照明委員會給出了人眼透射譜計算模型[19]，圖1是據(jù)此得到的從新生兒到100歲人眼的值?？梢姡干渥V隨著年齡增長不斷下降，其中藍(lán)光下降得最為明顯，紅光部分變化較小。

圖1　不同年齡人眼晶狀體的透射譜Fig.1　Lens spectral transmittance of different age

2.2節(jié)律函數(shù)

節(jié)律函數(shù)是描述視網(wǎng)膜將光轉(zhuǎn)換為節(jié)律效應(yīng)的加權(quán)函數(shù)。目前節(jié)律函數(shù)并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)值，國內(nèi)外研究中常常采用2001年Brainard等根據(jù)年輕人（平均24.5歲）褪黑激素受光照影響得到的值[2-3，14]，本研究也采用該值。圖2中虛線為該值，實線是明視覺視見函數(shù)，點劃線是6 500 K LED的歸一化光譜分布?？梢?，節(jié)律函數(shù)在視見函數(shù)的左邊，峰值波長446 nm左右，與藍(lán)色LED的峰值波長（460 nm）較吻合，遠(yuǎn)小于視見函數(shù)的中心波長555 nm，因此LED照明對節(jié)律效應(yīng)影響較大。

圖2　節(jié)律函數(shù)、明視覺視見函數(shù)和白色LED光譜分布。Fig.2　CirtoPic function，PhotoPic vision function and white light LED spectral distribution.

2.3節(jié)律因子

式中，L（λ）是角膜前光譜輻亮度分布，C（λ）是節(jié)律函數(shù)，V（λ）是明視覺視見函數(shù)。由于文獻(xiàn)[2]公布的C（λ）對應(yīng)的平均年齡為24.5歲，本研究采用24.5歲成年人眼為標(biāo)準(zhǔn)，則其他年齡人眼入射至視網(wǎng)膜的光譜輻亮度分布可寫為L（λ）?式中，T（λ）表示人眼透射譜，n為年n齡。不同年齡的節(jié)律因子KC（n）可以寫成:

很明顯，式（1）是式（2）在n為24.5歲時的結(jié)果。式中如果采用其他光譜輻射量代替L（λ），如光譜輻照度分布、光譜輻射能量分布和光譜輻射功率分布，不影響結(jié)果。

3　實 驗

根據(jù)公式（2），只需測量出不同色溫下LED燈具的光譜分布，就可以得到節(jié)律因子隨年齡的變化關(guān)系。人體的許多參數(shù)與節(jié)律效應(yīng)有關(guān)，如褪黑激素水平、瞳孔和心率的變化等。采用褪黑激素表征節(jié)律效應(yīng)，耗時長，需要測試者的血液樣本，實驗復(fù)雜且存在倫理風(fēng)險[9]，一般非醫(yī)學(xué)臨床研究不采用。瞳孔變化也是重要的表征參數(shù)，但是它受視覺通道影響比較嚴(yán)重。因此，本研究采用心率的變化作為表征指標(biāo)，來驗證所得規(guī)律。由于節(jié)律效應(yīng)影響因素多且復(fù)雜，本實驗只在誤差范圍內(nèi)做統(tǒng)計分析。

3.1實驗樣品

本研究選擇標(biāo)稱色溫分別為3 500，4 500，5 500，6 500 K的1 W LED若干只，先用杭州遠(yuǎn)方公司的光譜儀Hass2000測量電流為100～350 mA（間隔50 mA）時LED在室溫下的色溫，選擇不同條件下實測色溫與標(biāo)稱色溫相差均不超過100 K的LED，每種5只作為實驗樣品。實驗前，LED樣品均老化12 h，老化電流為額定電流，溫度為室溫。

3.2實驗裝置

為了減小熱效應(yīng)對色溫的影響，本實驗采用多只同色溫LED串聯(lián)成燈串作為光源，置入50 cm直徑的積分球中。積分球一側(cè)開有10 cm直徑的大孔，供人眼觀察用;另一側(cè)開有直徑不超過1 cm的小孔，供導(dǎo)線通過。如圖3所示，將光源置于積分球內(nèi)壁，導(dǎo)線通過小孔連接到恒流電源DC，在電流驅(qū)動下，LED發(fā)光，經(jīng)過積分球的漫反射，形成均勻光，從大孔出射。改變恒流電源的電流，就可以調(diào)節(jié)出射光通量。實驗裝置置于暗室（照度小于1 lx）中，實驗者與積分球之間距離為1 m，光從孔出射后，均勻地投射至人眼。采用杭州遠(yuǎn)方公司的SPIC-200型手持式光譜儀測量人眼位置的光譜分布，用Z-10型照度計測量人眼處的照度。采用PC-3000型監(jiān)護(hù)儀測量心率。

圖3　實驗示意圖Fig.3　Schematic diagram of exPerimental facilitY

3.3實驗步驟

3.3.1光譜測量

（1）選擇色溫為3 500 K的燈具，調(diào)整恒流電源的電流，使得人眼處的照度為500 lx，即日常工作的照度水平。

（2）測量人眼處的光譜功率分布，代入公式（2）可以得到不同年齡對應(yīng)的KC。

（3）依次選擇4 500，5 500，6 500 K的燈具，測量其光譜分布，并計算對應(yīng)的KC，就可得不同色溫下節(jié)律因子隨年齡的變化關(guān)系。

3.3.2心率測量

在學(xué)校招募到男學(xué)生志愿者18人，年齡為（20±1）歲，無眼疾，近視度數(shù)小于3.00 D，散光小于0.50 D。招募到12名退休男志愿者，年齡為62～74歲，平均65歲，無眼疾，眼屈光度小于3.00 D，散光小于0.50 D。所有參與者均根據(jù)自身需要佩戴近視或老花眼鏡。測試步驟如下:

（1）在下午3∶50～5∶00時間段，請測試者坐在椅子上，保持暗室無光，休息待心率平穩(wěn)（波動小于3 beat/min）后，測量1 min內(nèi)的平均心率，作為黑暗時的心率。

（2）接通3 500 K的LED燈串，調(diào)節(jié)電流使得人眼處照度為500 lx，5 min后開始測量心率，每隔1 min測量一次，直到第10 min。測試過程中，所有人不發(fā)出聲響，受試者保持不動。

（3）將測量的6個心率值去除最大值和最小值，余下4個求平均，作為最終結(jié)果。

（4）依次更換4 500，5500，6 500 K的LED燈具，重復(fù)1～3次，得到該實驗者在不同色溫下的心率。

4　結(jié)果與討論

4.1LED光譜分布

圖4是不同色溫的LED燈串的歸一化光譜分布。由于實驗樣品均是采用藍(lán)光芯片與熒光粉復(fù)合而成，光譜分布中兩峰明顯，隨著色溫的降低，熒光粉峰明顯升高。

圖4　LED光譜分布Fig.4　LED spectral distributions

4.2節(jié)律因子隨年齡的變化

圖5是不同色溫LED的節(jié)律因子隨年齡的變化關(guān)系?？梢钥闯?，對于不同色溫LED，20歲時節(jié)律因子分別為1.1，0.7，0.5，0.44;70歲時分別為0.5，0.3，0.25，0.2。不同年齡不同色溫下，節(jié)律效應(yīng)相差2～6倍。

還可以看出，無論何色溫LED，隨著年齡的增加，節(jié)律因子均不斷減小。這是因為人眼透射譜隨年齡增長而降低的緣故。同時，LED色溫越高，節(jié)律因子減小得越快。這主要是因為高色溫LED的藍(lán)色成分比較多，而人眼透射譜藍(lán)色波段隨年齡變化最明顯。

對于年輕人，節(jié)律因子隨色溫的差異比較大，隨著年齡的增加，這種差異逐漸減小。說明年輕人的節(jié)律效應(yīng)受視網(wǎng)膜照度和色溫雙重影響，而老年人的節(jié)律效應(yīng)主要取決于視網(wǎng)膜光照度，對色溫不敏感。

4.3實驗驗證

定義心率變化率ΔR:

Rblack為黑暗時的心率，Rlight為受光后的心率。

圖6　老年人和青年人的心率變化率Fig.6　Change rates of heart rate of the Young and the old ParticiPates

圖6是老年人和青年人兩組人群的心率變化率及其分布。每組從左到右，4個方黑點分別對應(yīng)500 lx照度，6 500，5 500，4 500，3 500 K 4種色溫環(huán)境下的同組人員的平均值，豎線表示所測心率的分布范圍。統(tǒng)計表明，同一光照條件下，青年人的心率變化大于老年人，因此，節(jié)律因子與年齡相關(guān)。青年人在6 500 K時的心率變化顯著大于其他色溫（t檢測，P＜0.01），5 500，4 500，3 500 K 3種色溫之間的心率變化有顯著性（t檢測，P＜0.05）。可見，對于年輕人，色溫高心率變化大。對于老年人，6 500 K與4 500 K時的心率變化比較有統(tǒng)計意義（t檢測，P＜0.05），其他情況統(tǒng)計差異不明顯（t檢測，P＞0.05）。因此，老年人心率變化受色溫影響較小。這與節(jié)律因子隨年齡變化的理論分析相一致。

5　結(jié) 論

LED已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到照明領(lǐng)域，因其藍(lán)光成分比較高，帶來的節(jié)律效應(yīng)比較明顯。同時，不同年齡人眼的透射譜又不同，導(dǎo)致同一照明條件下，不同年齡人的節(jié)律效應(yīng)存在差異。研究表明，同一色溫下，青年人的節(jié)律因子遠(yuǎn)高于老年人。當(dāng)色溫為6 500～3 500 K時，青年人的節(jié)律因子從1.1變化到0.44，而老年人僅從0.5變化到0.2，因此，同一色溫時節(jié)律效應(yīng)隨著年齡增大而減小。不同色溫的節(jié)律效應(yīng)年輕人變化較大，而老年人變化較小。本研究為不同年齡人的健康照明設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

[1]BERSON D M，DUNN F A，TAKAO M.Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock[J].Science，2002，295（5557）：1070-1073.

[2]REA M S，F(xiàn)IGUEIRO M G，BULLOUGH J D，et ɑl..A model of Phototransduction by the human circadian sYstem[J]. Brɑin Res.Reυ.，2005，50（2）：213-228.

[3]BRAINARD G C，HANIFIN J P，GREESON J M，et ɑl..Action sPectrum for melatonin regulation in humans：evidence for a novel circadian PhotorecePtor[J].J.Neurosci.，2001，21（16）：6405-6412.

[4]CAJOCHEN C，MüNCH M，KOBIALKA S，et ɑl..High sensitivitY of human melatonin，alertness，thermoregulation，and heart rate to short wavelength light[J].J.Clin.Endocrinol.Metɑb.，2005，90（3）：1311-1316.

[5]CAJOCHEN C，F(xiàn)REY S，ANDERS D，et ɑl..Evening exPosure to a light-emitting diodes（LED）-backlit comPuter screen affects circadian PhYsiologY and cognitive Performance[J].J.Appl.Physiol.，2011，110（5）：1432-1438.

[6]SMOLDERS K C H J，DE KORT Y A W，CLUITMANS P J M.A higher illuminance induces alertness even during office hours：findings on subjective measures，task Performance and heart rate measures[J].Physiol.Behɑυ.，2012，107（1）：7-16.

[7]黃海靜.大學(xué)教室照明中的光生物效應(yīng)研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2010.

HUANG H J.Study on The Clɑssroom Lighting in Uniυersity on Cirtopic[D].Chongqing:Chongqing UniversitY，2010.（in Chinese）

[8]黃海靜，嚴(yán)永紅.光生物效應(yīng)與教室照明實驗探討[J].燈與照明，2008，32（4）:1-3.

HUANG H J，YAN Y H.The exPeriment on Photobiomodulation of classroom lighting[J].Light Light.，2008，32（4）: 1-3.（in Chinese）

[9]林丹丹，郝洛西.關(guān)于中小學(xué)生視力健康與光照環(huán)境關(guān)系的實驗研究[J].照明工程學(xué)報，2007，18（4）:38-42.

LIN D D，HAO L X.ExPerimental research on relationshiP between vision health and luminous environment for the PrimarY and middle school students[J].Chin.Illumin.Eng.J.，2007，18（4）:38-42.（in Chinese）

[10]居家奇.照明光生物效應(yīng)的光譜響應(yīng)數(shù)字化模型研究[D].上海:復(fù)旦大學(xué)，2011:56-57.

JU J Q.Reseɑrch on Digitɑlized Model of Spectrɑl Response for Biologicɑl Effects of Lighting[D].Shanghai:Fudan UniversitY，2011:56-57.（in Chinese）

[11]魯玉紅，王毓蓉，金尚忠，等.不同波長藍(lán)光LED對人體光生物節(jié)律效應(yīng)的影響[J].發(fā)光學(xué)報，2013，34（8）: 1061-1065.

LU Y H，WANG Y R，JIN S Z，et ɑl..Influence of different wavelength blue LED on human oPtical biorhYthm effect [J].Chin.J.Lumin.，2013，34（8）:1061-1065.（in Chinese）

[12]宋麗妍，李俊凱，牟同升.以發(fā)光二極管為背光源的平板顯示對人體非視覺的影響[J].光子學(xué)報，2013，42（7）: 768-771.

SONG L Y，LI J K，MOU T S.Non-visual effects of flat Panel disPlaY with light emitting diode backlight on human[J].Actɑ Photon.Sinicɑ，2013，42（7）:768-771.（in Chinese）

[13]REBEC K M，GUNDE M K.High-Performance lighting evaluated by Photobiological Parameters[J].Appl.Opt.，2014，53（23）:5147-5153.

[14]OH J H，YANG S J，DO Y R.HealthY，natural，efficient and tunable lighting:four-Package white LEDs for oPtimizing the circadian effect，color qualitY and vision Performance[J].Light:Sci.Appl.，2014，3（2）:e141.

[15]NAKAMURA T J，NAKAMURA W，TOKUDA I T，et ɑl..Age-related changes in the circadian sYstem unmasked by constant conditions[J].eNeuro，2015，2（4）:e0064-15-1-10.

[16]BANKS G，HEISE I，STARBUCK B，et ɑl..Genetic background influences age-related decline in visual and non-visual retinal resPonses，circadian rhYthms，and sleeP[J].Neurobiol.Aging，2015，36（1）:380-393.

[17]LUPI D，SEMO M，F(xiàn)OSTER R G.ImPact of age and retinal degeneration on the light inPut to circadian brain structures [J].Neurobiol.Aging，2012，33（2）:383-392.

[18]KESSEL L，LUNDEMAN J H，HERBST K，et ɑl..Age-related changes in the transmission ProPerties of the human lens and their relevance to circadian entrainment[J].J.Cɑtɑrɑct Refrɑct.Surg.，2010，36（2）:308-312.

[19]LUND D J，MARHALL J，MELLERIO J，et ɑl..A comPuterized aPProach to transmission and absorPtion characteristics of the human eYe[S].CIE 203，2012.

[20]饒豐，朱錫芳，徐安成，等.LED背光顯示器對不同年齡人視網(wǎng)膜照度、節(jié)律效應(yīng)和藍(lán)光危害的影響[J].光子學(xué)報，2015，43（4）:0417003-1-6.

RAO F，ZHU X F，XU A C，et ɑl..Effect of retina illuminance，circadian rhYthm and blue light hazard of LED backlight disPlaY on the human of different ages[J].Actɑ Photon.Sinicɑ，2015，43（4）:0417003-1-6.（in Chinese）

[21]ARTGAS J M，F(xiàn)ELIPE A，NAVEA A，et ɑl..spectral transmission of the human crYstalline lens in adult and elderlY Persons:color and total transmission of visible light[J].Inυest.Ophthɑlmol.Vis.Sci.，2012，53（7）:4076-4084.

[22]BELLIA L，SERACENI M.A ProPosal for a simPlified model to evaluate the circadian effects of light sources[J].Lighting Res.Technol.，2014，46（5）:493-505.

饒豐（1983-），男，江西湖口人，博士，講師，2010年于南開大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事LED光色電及光生物效應(yīng)方面的研究。

E-mail:1270437521@qq.com

朱錫芳（1963-），男，江蘇常州人，教授，2008年于南京理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事信息獲取和處理等方面的研究。

E-mail:zhuxf@czu.cn

Change of The Circadian Effect of LED Lighting with Age

RAO Feng1，2，3，XU An-cheng1，ZHU Xi-fang1*

（1.School of Electricɑl ɑnd Optoelectronic Engineering，Chɑngzhou Institute of Technology，Chɑngzhou 213002，Chinɑ; 2.Chɑngzhou Institute of Modern Optoelectronic Technology，Chɑngzhou 213002，Chinɑ; 3.Key Lɑborɑtory of Optoelectronic Mɑteriɑls ɑnd Deυices of Chɑngzhou City，Chɑngzhou 213002，Chinɑ）*Corresponding Author，E-mɑil:zhuxf@czu.cn

The change rule of circadian effects with ages in LED lighting of different color temperatures was studied.The ocular transmittances of different ages were introduced into the calculation formula of circadian action factor，and then the changes with ages and LED temperatures color were obtained.The heart rates of 12 old and 18 Young male ParticiPates were measured in black and LED lighting of different color temperatures and the illuminance of 500 lx.The difference of heart rate between black and lighting was ProPosed to determine the circadian effect in order to verifY the calculated results.Under the LED lighting conditions with the color temperatures of 6 500，5 500，4 500，3 500 K，the circadian action factors of the Young are 1.1，0.7，0.6，0.44，resPectivelY，and the heart rate changes differ significantlY among different color temperature LED lighting.The circadian action factors of the old are 0.5，0.3，0.25，0.2，resPectivelY，and the heart rate change little among color temperatures.The circadian action factor of the same color temperature LED lighting decreases as the age increases.The circadian action factor of the Young varies across different color temperatures LED lighting，therefore，the old changes little.

biological oPtics;circadian rhYthm;age;color temperature;heart rate

TN312＋.8;Q495

A DOI:10.3788/fgxb20163702.0250

1000-7032（2016）02-0250-06

2015-10-26;

2015-12-10

江蘇省高校自然科學(xué)項目（141KJB140001）;江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長境外研修計劃、江蘇高校文化創(chuàng)意協(xié)同創(chuàng)新中心項目（XYN1406）;常州市科技支撐計劃（CE20155053）資助項目