光源頻閃對(duì)人體健康的影響分析

趙曉杰 徐蔚

1 復(fù)旦大學(xué)光源與照明工程系，上海200433

2 復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海200433

0 引言

隨著光源和照明技術(shù)的發(fā)展，引入了以極高的速率改變光強(qiáng)且具有幾乎任意光譜的小而明亮的LED光源，這對(duì)照明質(zhì)量的改善具有深遠(yuǎn)的影響。[1]新光源LED 點(diǎn)亮了照明領(lǐng)域光電可控的智能照明技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于各類場(chǎng)所，例如辦公室、住宅區(qū)以及教育場(chǎng)所等，遵循“以人為本”的照明方針[2]，服務(wù)于人的生活和工作。2018 年照明論壇——半導(dǎo)體照明創(chuàng)新應(yīng)用暨智慧照明發(fā)展論壇，以“智能、經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、健康”的主題探究了LED 照明行業(yè)的核心問題[3]。其中，健康照明的專題探討，涉及了照度、色溫、顯色指數(shù)、眩光、光源頻閃等多個(gè)光品質(zhì)因子，它們影響著生物安全性。所以，照明領(lǐng)域的革新應(yīng)將健康照明的設(shè)計(jì)融入到照明應(yīng)用之中，促進(jìn)照明環(huán)境對(duì)人的積極干預(yù)。

1 健康照明

照明最初是為了滿足人們基本的視覺觀察需要，注重實(shí)用性，而后美觀也被考慮，如今照明行業(yè)的熱點(diǎn)話題則與“健康”緊密相關(guān)。早在1976 年，Colman等[4]發(fā)現(xiàn)60 Hz 熒光燈下自閉癥兒童的重復(fù)行為加重。隨著此類研究的拓展，人們更加重視照明帶來的心理體驗(yàn)和照明的安全性。2015 年北京工業(yè)大學(xué)的李農(nóng)等[2]根據(jù)馬斯洛的人類需求層次理論得到了健康光環(huán)境評(píng)價(jià)體系的馬斯洛層級(jí)模型，如圖1 所示。金字塔的結(jié)構(gòu)說明，生理和心理健康的重要性優(yōu)于社會(huì)健康。2018年，第15 屆中國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇中，健康照明技術(shù)專題更是以LED為背景討論了照明在視覺發(fā)育和視覺生理等方面的重要性，提出了建設(shè)健康舒適、高品質(zhì)光環(huán)境的目標(biāo)[5]。

雖然健康照明的機(jī)制比較復(fù)雜，但是已有大量研究為此奠定了基礎(chǔ)。1989 年，Wilkins 等[6]就致力于照明與眼疲勞、頭痛之間的探究，采用電感鎮(zhèn)流(100 Hz) 和電子鎮(zhèn)流(32 kHz) 的熒光燈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)照明，發(fā)現(xiàn)后者顯著減少了頭疼和眼疲勞的發(fā)生次數(shù)，而前者只有在參與者獲取更多自然光后才使得頭疼比率有所下降，說明熒光燈的頻閃導(dǎo)致了視疲勞，甚至引起嚴(yán)重的頭痛。此外，視網(wǎng)膜自主感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞作為第3 類感光細(xì)胞（ipRGCs[7]）能夠?qū)⒔邮盏降恼彰餍畔鬟f到腦神經(jīng)上，從而影響激素分泌、睡眠和情緒等。郝洛西等[8]針對(duì)LED 照明如何應(yīng)用于心內(nèi)科手術(shù)、醫(yī)患情緒及節(jié)律調(diào)節(jié)等專題展開了研究，取得了探索性和創(chuàng)新性的意義。合理的照明不僅為手術(shù)營(yíng)造了輕松的環(huán)境，還能夠緩解病人緊張的情緒，減少醫(yī)護(hù)人員的壓力，提高醫(yī)院整體的照明質(zhì)量。

圖1 健康光環(huán)境評(píng)價(jià)體系的馬斯洛層級(jí)模型[2]

通過調(diào)整照明的光品質(zhì)因子，改善照明環(huán)境，消除短時(shí)內(nèi)照明引起的心理不適，盡可能減少長(zhǎng)時(shí)內(nèi)照明引起的生理危機(jī)，從而調(diào)高人們生活和工作的質(zhì)量。其中，光源頻閃是健康照明研究中較為熱點(diǎn)的光品質(zhì)因子，強(qiáng)烈的頻閃會(huì)影響空間中運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直接導(dǎo)致人眼無法直視，短時(shí)內(nèi)引起視覺的不舒適，導(dǎo)致頻閃效應(yīng)。人們長(zhǎng)期處于這樣的照明環(huán)境中，會(huì)損害健康，出現(xiàn)視力下降和頭痛等癥狀，從而影響情緒和表現(xiàn)。隨著照明領(lǐng)域的發(fā)展，光源頻閃與人體健康的研究是LED 光源亟待突破的科學(xué)挑戰(zhàn)。

1.1 國(guó)外研究

光源頻閃產(chǎn)生的心理和生理響應(yīng)是頻閃特性（頻率、調(diào)制深度、波形等），刺激光源特性（亮度、尺寸、對(duì)比度等），個(gè)體特性（眼睛的適應(yīng)狀態(tài)、個(gè)體敏感度差異等）等因素的綜合作用效果。國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEEE標(biāo)準(zhǔn)文件1789TM-2015 梳理了大量的研究，詳細(xì)地介紹了光源的頻閃特性[9]。光源頻閃特性主要取決于頻率和調(diào)至深度，頻率在～3-～70 Hz 范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)閃爍。頻閃頻率一般＞100 Hz，是肉眼無法察覺到的閃爍現(xiàn)象，頻閃會(huì)導(dǎo)致人對(duì)空間運(yùn)動(dòng)物體的感知變化，即頻閃效應(yīng)。閃爍的危害可以是幾秒鐘的光暴露引起的。1997 年，日本的“變色龍”事件，動(dòng)畫片中出現(xiàn)了藍(lán)-紅以12 Hz 交替變換的閃爍畫面，導(dǎo)致觀看閃爍畫面的大部分兒童出現(xiàn)了神經(jīng)問題，其中包括光敏性癲癇[10]。頻閃的較多危害是長(zhǎng)期暴露引起，例如身體不適、頭痛和視覺表現(xiàn)受損等，而且刺激光源的特性也會(huì)與頻閃效應(yīng)產(chǎn)生交互影響，例如光源的色溫和照度[11-12]等。當(dāng)然，針對(duì)不同的社會(huì)群體和年齡段的人，頻閃的危害是有個(gè)體差異的，甚至由于不同照明場(chǎng)所的需求差異，相關(guān)的頻閃研究也需要被差異化。

1991 年，Berman 等[13]利用視網(wǎng)膜電流圖（ERG）對(duì)視覺生理進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在100-160 Hz 頻率范圍內(nèi)，頻閃雖然不能夠被看到，但100 Hz 和120 Hz 的頻閃卻能夠?qū)е虑鹉X的外側(cè)膝狀核（LGN）中的細(xì)胞鎖相放電，控制眼球運(yùn)動(dòng)[14]。另有研究也支持了這一結(jié)論，閱讀時(shí)人眼的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到熒光燈的影響，100 Hz 頻閃能夠使頭痛的平均發(fā)病率翻倍[15]。頻閃也會(huì)降低視覺搜索時(shí)的表現(xiàn)能力[16]。多個(gè)關(guān)于視覺刺激與偏頭痛的研究中[17-18]，大約20%以上的頭痛患者引用燈光“閃爍”作為頭痛的誘源，閃爍是一般群體對(duì)光源頻閃特性的描述。2014 年，Igor[19]發(fā)現(xiàn)低頻率相對(duì)于高頻率照明會(huì)引起情感狀態(tài)的明顯變化，同時(shí)損害認(rèn)知能力。1990 年，Jane 等[20]通過監(jiān)測(cè)參與者的心率發(fā)現(xiàn)，100Hz的熒光燈會(huì)產(chǎn)生較多不良的生理反應(yīng)。

國(guó)外對(duì)于光源頻閃評(píng)價(jià)模型的研究也相對(duì)完善。2011 年，Bullough 等[21]選擇頻率、調(diào)制深度、周期、波形和CCT 5 個(gè)特性參數(shù)，設(shè)置不同的數(shù)值來探究每種特性對(duì)光源頻閃效應(yīng)的感知。對(duì)頻閃效應(yīng)直接和間接感知影響最大的是頻率和調(diào)制深度，IEEE 標(biāo)準(zhǔn)文件1789TM-2015 以頻率和調(diào)制深度為軸繪制了頻閃低風(fēng)險(xiǎn)和無影響區(qū)域分布圖[9]，如圖2 所示，對(duì)頻閃效應(yīng)的危害等級(jí)進(jìn)行了區(qū)分。關(guān)于閃爍和頻閃的評(píng)價(jià)指標(biāo)還包括波動(dòng)深度(MD)、閃爍指數(shù)(FP)、閃爍百分比(FI)、短期閃爍指標(biāo)、SVM（Stroboscopic Effect Visibility Measure）等[22]。其中，SVM 是2016 年CIE TN006提出的新的評(píng)價(jià)指標(biāo)[23]。這一指標(biāo)由Perz 等[23-25]通過理論和實(shí)驗(yàn)得到，在考慮空間物體的運(yùn)動(dòng)速度和曝光時(shí)間等因素后，還呈現(xiàn)了不同照明場(chǎng)所要求的SVM閾值[26]，進(jìn)一步推動(dòng)了評(píng)價(jià)指標(biāo)的應(yīng)用。

圖2 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)文件1789TM-2015 給出的頻閃低風(fēng)險(xiǎn)和無影響區(qū)域分布圖[9]

1.2 國(guó)內(nèi)研究

國(guó)內(nèi)研究相對(duì)較少，并未實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和深入的探究，研究方法和健康指標(biāo)也比較局限。2017 年，郝洛西發(fā)表在題為“光與健康的研究動(dòng)態(tài)與應(yīng)用展望”的文章[27]，系統(tǒng)全面地回顧了光與健康的發(fā)展歷程，呈現(xiàn)了人因健康照明的各個(gè)要素，為國(guó)內(nèi)健康照明的發(fā)展提供了理論的支撐。2016 年，林燕丹等[28]以民機(jī)駕駛艙為場(chǎng)景，發(fā)現(xiàn)科學(xué)的光環(huán)境能夠優(yōu)化駕駛艙的人機(jī)功效，不僅提高飛機(jī)飛行的安全性，也能對(duì)駕駛員生理和心理方面起到積極的干預(yù)。2017 年，曾堃等[29]以心內(nèi)科CICU 模擬病房白光環(huán)境實(shí)驗(yàn)為例，探討了光與情緒實(shí)驗(yàn)研究的方法，總結(jié)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法選擇的經(jīng)驗(yàn)。2016 年，孫志鋒等[30]細(xì)致地分析LED 頻閃問題，提出了降低燈具頻閃的技術(shù)措施，從而減少頻閃的消極作用。

國(guó)內(nèi)對(duì)于健康照明的重視程度越來越高，國(guó)家科技部于2017 年立項(xiàng)啟動(dòng)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“面向健康照明的光生物機(jī)理及應(yīng)用研究”[27]，以LED 照明為時(shí)代背景，研究其對(duì)人體健康的影響機(jī)制，梳理影響心理和生理的多個(gè)光品質(zhì)因子，采用多層次多維度的研究方法構(gòu)建光品質(zhì)因子和人體生理指標(biāo)之間的映射模型，從而提升照明產(chǎn)品的健康屬性。

2 光源的頻閃效應(yīng)

2.1 理論背景

2016 年CIE TN006 的技術(shù)說明文件中，將照明系統(tǒng)中的時(shí)間光調(diào)制因素重新定義為TLA（Temporal Light Artefacts）[22]，在具體環(huán)境中，亮度或光譜等隨時(shí)間波動(dòng)的光刺激引起觀察者視覺感知的變化，其不同的表現(xiàn)有閃爍、頻閃效應(yīng)和幻影效應(yīng)。

光源在交流或脈沖直流的驅(qū)動(dòng)下，光輸出的光通量、照度或亮度會(huì)隨著電流幅值的周期性變化而變化，從而產(chǎn)生時(shí)間調(diào)制的光輸出。導(dǎo)致出現(xiàn)光輸出在時(shí)間上波動(dòng)的因素很多，例如，50 Hz 工頻正弦交流電直接供電會(huì)使光輸出呈正弦波波動(dòng)的100 Hz 的頻閃，而且LED由于驅(qū)動(dòng)器和調(diào)光器的設(shè)計(jì)也會(huì)帶來光輸出的抖動(dòng)或光線不穩(wěn)定。此外，電壓波動(dòng)也很關(guān)鍵，多個(gè)家用電器同時(shí)啟動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致LED 產(chǎn)生頻閃。當(dāng)用儀器來檢測(cè)光源的光輸出波形時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)光輸出不穩(wěn)定或呈正弦規(guī)律變化的光輸出波形，如圖3 所示，是Lehman 等對(duì)熒光燈閃爍采集的光輸出波形[10]。圖4是我們利用LFA-3000 頻閃測(cè)量?jī)x檢測(cè)的LED 500 Hz頻閃的光輸出波形。

圖3 熒光燈閃爍百分比為6.6%的閃爍光輸出波形[10]

圖4 LED 頻率為500 Hz 的頻閃光輸出波形(LFA-3000 頻閃測(cè)量?jī)x測(cè)得)

2.2 頻閃效應(yīng)

當(dāng)觀察者在光輸出不穩(wěn)定的環(huán)境中，眼睛就會(huì)把視覺上收集到信息傳遞給大腦，神經(jīng)系統(tǒng)將檢測(cè)隨時(shí)間變化的光輸出調(diào)制、神經(jīng)元響應(yīng)，時(shí)間調(diào)制光被有意識(shí)地直接感知，就是閃爍。頻閃不能被有意識(shí)地直接感知，但是頻閃會(huì)改變空間物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如，在有無頻閃的光源下觀察轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上面的白圓會(huì)出現(xiàn)離散和連續(xù)兩種狀態(tài)，如圖5 所示。頻閃效應(yīng)是在光輸出不穩(wěn)定狀態(tài)下，對(duì)空間物體運(yùn)動(dòng)的感知變化，即通過頻閃照明觀察旋轉(zhuǎn)或其他運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，發(fā)現(xiàn)離散的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致視覺不舒適。在加工行業(yè)的機(jī)床操作中，這種效應(yīng)會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)的機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生誤判，甚至造成對(duì)人員的直接傷害。

圖5 （a）無頻閃照明的連續(xù)運(yùn)動(dòng)；（b）頻閃照明下的離散運(yùn)動(dòng)

2.3 頻閃效應(yīng)的可見性（SVM）

為了量化頻閃效應(yīng)的可見度，2016 年CIE TN006建議使用頻閃效應(yīng)可見度評(píng)價(jià)指標(biāo)—SVM（Stroboscopic Effect Visibility Measure），其應(yīng)用的頻率范圍高達(dá)2 000 Hz。具體定義如下：

3 健康指標(biāo)

3.1 心理指標(biāo)

心理物理量是實(shí)驗(yàn)心理學(xué)把心理現(xiàn)象作為實(shí)驗(yàn)的主要研究?jī)?nèi)容，建立心理量與物理量之間的數(shù)量關(guān)系，即把對(duì)心理的刺激和它引起的心理感覺定量化。在頻閃的實(shí)驗(yàn)研究中，光源頻閃作為刺激，能夠引起觀察者心理上對(duì)照明環(huán)境及疲勞感等多方面的感知變化，但頻閃刺激增強(qiáng)或減弱的變化并不一定能夠引起感觀上等量的變化，所以引入根據(jù)刺激變化與感受變化的量變關(guān)系建立的量表來度量這種微小差異，從而反映頻閃效應(yīng)引起的感知變化。2014 年，Olsen 等[31]就是利用心理物理量來研究頻閃效應(yīng)，在不同的頻閃照明條件下參與者完成日?；顒?dòng)，活動(dòng)前后使用李克特量表讓參與者評(píng)價(jià)照明環(huán)境與燈光感受，并回答關(guān)鍵問題，例如“當(dāng)你移動(dòng)某些物體時(shí)，是否感覺到緊張？”。在一天的活動(dòng)結(jié)束后，參與者要陳述自己當(dāng)天的感受。該研究還給參與者展示大量描述環(huán)境的詞語，被選擇越多的詞語被放大的倍數(shù)越大，整體上更加清晰地呈現(xiàn)了參與者對(duì)照明環(huán)境的評(píng)價(jià)。

心理物理量主要是參與者對(duì)照明環(huán)境、燈光感受、身體狀態(tài)、情緒變化等方面的主觀評(píng)價(jià)，量表是主流的評(píng)價(jià)方式。大多數(shù)研究以李克特等級(jí)量表為基礎(chǔ)，根據(jù)自身實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。每一個(gè)測(cè)試目標(biāo)有不同的等級(jí)，參與者根據(jù)真實(shí)感受進(jìn)行評(píng)分，例如對(duì)照明環(huán)境的接受度，可分為非常接受、接受、不一定、不能接受、非常不能接受5 個(gè)等級(jí)，也可以分為非常接受、有些接收、接受、不一定、不能接受、有些不能接收、非常不能接受7 個(gè)等級(jí)。關(guān)于情緒的量表，有

A Self-reported Affect Circumplex Measure[32]、Kellner's Symptom 和Mark&Mathew 的恐懼狀態(tài)問卷[33]，正負(fù)情緒性量表PANAS[34]等，PANAS 是根據(jù)積極情緒和消極情緒兩個(gè)對(duì)立的系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)了20 道5 分制題目。訪談也是主觀評(píng)價(jià)的一種方式，通過與參與者的對(duì)話來考察他們的感受變化，但是這種方式對(duì)于結(jié)果的整理和分析比較復(fù)雜，需要有專業(yè)能力的人員。

3.2 生理指標(biāo)

心理物理量有明顯的個(gè)體差異。客觀生理指標(biāo)的檢測(cè)，是研究光源頻閃與健康照明更為合理有效的手段，可以支撐對(duì)主觀量表的分析。機(jī)體內(nèi)在各部分的功能與外在的物理刺激之間存在比較明顯的關(guān)系，雖然人不能有意識(shí)地感知光源頻閃，但實(shí)際上某些內(nèi)在機(jī)能會(huì)產(chǎn)生明顯的響應(yīng)。1991 年，Berman 等[13]利用ERG (視網(wǎng)膜電位) 來檢測(cè)光源頻閃下人的視網(wǎng)膜電位變化情況，在200 Hz 以內(nèi)，隨著頻率增高ERG 信號(hào)以對(duì)數(shù)形式逐漸減弱。Jane 等[20]通過測(cè)量100 Hz的熒光燈和無閃爍的熒光燈下來環(huán)境恐怖癥患者的心率，100 Hz 熒光燈照射下有更高的心率癥狀。腦電（EEG）也被用于考察人的視覺感知系統(tǒng)、睡眠、注意力等，研究環(huán)境對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)中關(guān)于視覺、睡眠、注意力區(qū)的影響，良好的環(huán)境會(huì)帶來明亮的視覺感受，提高工作人員的注意力，保證健康水平[35-37]。頻閃效應(yīng)直接作用的生理部位是人眼，頻閃環(huán)境下視疲勞及視覺不適感非常強(qiáng)烈，用EyeTracker 能夠記錄瞳孔大小[38]、眼動(dòng)速率及眨眼次數(shù)等參數(shù)，來反應(yīng)人眼的生理指標(biāo)。

此外，量表也可以考察自覺健康狀態(tài)，例如疲勞癥狀調(diào)查表和視覺疲勞評(píng)分表，內(nèi)容涉及回答頭痛、眼疲勞次數(shù)及原因、眼疲勞程度等。但醫(yī)學(xué)檢測(cè)更加可靠，監(jiān)測(cè)眨眼次數(shù)與速率、瞳孔大小和ERG 反映眼疲勞程度，是常用來表示眼睛狀態(tài)的指標(biāo)。脈搏跳動(dòng)、唾液采樣、腦電圖、心率等是身體內(nèi)部機(jī)制的狀態(tài)指標(biāo)。生理指標(biāo)能夠有效地說明被試人員的生理響應(yīng)，減少主觀測(cè)試的個(gè)體差異。

4 總結(jié)

文章從健康照明的大角度切入，以光源的光品質(zhì)因子-頻閃與人的健康指標(biāo)的關(guān)系探究為出發(fā)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外兩個(gè)維度上分析了研究現(xiàn)狀，光源頻閃已然成為影響照明質(zhì)量的關(guān)鍵因素，所以未來的健康照明應(yīng)放大頻閃的影響，加速完善頻閃的體系研究。目前，國(guó)內(nèi)與國(guó)外對(duì)健康照明的研究存在較大差距，建議我國(guó)相關(guān)照明組織和人員能夠積極了解并參與到國(guó)際健康照明的研究中，把健康照明的深度做到位，同時(shí)推動(dòng)國(guó)際早日達(dá)成對(duì)于光源頻閃標(biāo)準(zhǔn)化理論和定義的共識(shí)。隨著照明技術(shù)的發(fā)展，健康照明的理念逐漸深入人心，成為照明產(chǎn)品中重要的參考指標(biāo)，具有健康屬性的照明產(chǎn)品也將會(huì)被應(yīng)用到千家萬戶，未來照明不僅僅是點(diǎn)亮世界，更能夠點(diǎn)亮人心。