低照度彩光对人眼非视觉生物效应的影响

柴颖斌 孙耀杰 林燕丹

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海200433)

1 引言

2002年，Berson等［1］发现了视网膜上的一种新型细胞，这种细胞与调节人类自身生物节律有着巨大的关联。简单的说，当光线进入人眼后，一路是由传统视锥和视杆细胞负责的视觉感光系统，将接受到的信号通过视神经传递给大脑视觉皮层，形成视觉体验。另一路则是由自主感光视网膜神经节细胞(ipRGC)接受光信号后传递到大脑的生物钟——下丘脑视交叉上核(SCN)，而SCN又与控制人体某些激素分泌的松果体相连，由此实现生理节律的调节以及激素分泌的控制。照明已经拓展到非视觉生物效应领域，ipRGC的分类和功能研究随着分子生物学和遗传学的快速发展取得很多重要进展［2］，光与健康之间的关系越来越多的被人类所发现。

目前，越来越多的研究学者在非视觉生物效应方面投入精力:Yasukouchi［3］研究表明照明色温对光生物效应有明显作用;Cajochen［4］的研究表明短波长光照比长波长光照能引起的体温、心率变化的作用更为显著;Van Bommel［5］采用光源光谱基于白炽灯光谱的相对值来定量评价光源的光生物效应;逄文强等［6］指出蓝光对脑认知力的非视觉调控效应最大;居家奇［7］通过测量心率、体温、血压等生理参数随特定强度和光谱的照明改变而产生的变化，建立光生物效应的光谱响应数字化模型，为实际照明设计工作提供了参考。现在众多的研究结果显示，对非视觉生物效应影响最为明显的集中在短波区域，如图1所示，B(λ)曲线是基于褪黑激素分泌绘制，C(λ)曲线是基于瞳孔大小变化绘制而成，另外加上V'(λ)和V(λ)，他们的波峰波长依次为464nm、491nm、507nm和555nm。

图1 人眼对光的不同效应的光谱响应曲线

瑞士Basel大学的Christian Cajochen等［4］通过使用不同波长的光来照射人眼，并且监测整个过程中心率、体温、褪黑激素水平等生理参数。结果显示，在波长为460nm的光照射后，人体体温有所上升;而使用550nm的光和不使用任何光线都对人体体温没有任何较大影响。同样，波长为460nm的光照射1.5小时后引起人体心率加快;而550nm和完全黑暗情况下对人体心率没有任何影响。Ishibash［8］通过在不同环境温度(21℃、28℃和35℃，相对湿度50%)、不同色温(3000K、5000K和7500K)以及不同噪声环境(背景噪音为+0dB、+5dB和+10dB)的情况下对8名实验者进行生理参数的检测。结果显示环境温度对人体心率的影响最为明显。而在无背景噪声的情况下，7500K色温情况下的心率变异性中的低频功率和高频功率的比值要明显高于5000K和3000K。Tsutsumi［9］通过在卧室和起居室安装不同色温的荧光灯在不同的时间段照射人眼，同时监测8名实验者的心率变异性和血压情况，结果显示6700K的光源对于心率变异性和血压的影响要明显高于3000K和5000K的荧光灯。

从这些研究可以发现，短波波段(如波长460nm)的光相比长波波段(如波长550nm)更容易引起人体心率变化，高色温光源相比低色温光源对于心率的影响更为明显，这也与目前为止国际上较为认可的两个非视觉生物效应的模型基本吻合。

但是这两种具有理论基础和科学价值的模型在实践中也存在着各自的缺陷和不足:基于褪黑激素分泌抑制作用的实验方法，由于光照和褪黑激素抑制因果关系存在时间差而不具备即时性，会增加实验开展和验证的复杂性;基于瞳孔收缩作用的实验方法，具有很强的直观性和即时性，但并不能排除传统感光细胞(视锥细胞和视杆细胞)在光照条件下对瞳孔收缩的影响。所以，采用更多的实验数据和更好的实验方法将帮助人们解开种种的不确定。

Moore等［10］发现SCN通过室旁核(subparaventricular zone，SPVZ)——下丘脑和后交叉区(retrochiasmatic area，RCA)——脑干两条通路参与人体自主神经调节。作为人体自主调解特征之一——心率变化的产生，主要是心脏窦房结自律活动通过交感和迷走神经精细调控的结果［11］，而迷走神经中的副交感神经纤维是由脑干内的副交感核发出的。这有可能就是照明对人体心率变化影响的神经通路。

本文中，采用单色LED作为照明光源，用心率及其变化率来对比分析低照度情况下不同光谱环境对于人体造成的光生物效应。

2 实验设置

实验采用4种高品质单色LED作为实验用光源，通过直流源来控制LED光源的发光强度，从而达到调光和定标的目的。实验中选用了光谱如图2所示的蓝、绿、黄、红4种单色光作为实验光环境。单色LED主波长及色坐标等参数值如表1所示。

图2 实验中四种彩光的光谱

表1 四种彩光对应的参数值

受测者采用正常坐姿，如图3所示，坐于距离发光面1000mm的正前方，通过调节座椅高度和头部固定装置使不同受测者的眼睛处于相同的位置，使四种彩光在受测者眼睛位置处形成的照度值相等，约为75lx。

图3 受测者测试场景示意图

3 实验方法

房间温度保持在25摄氏度。12名23岁至30岁之间的青年受测者(平均年龄27岁)，男女各6名，自愿参加实验研究。受测者均无眼疾，且色觉正常，他们的心率通过生理参数监护仪进行记录，每分钟记录一次。

首先，被试人员在黑暗环境中进行环境适应，在生理参数达到稳定后，实验开始，仪器在黑暗情况下对受测者的心率采样10分钟，之后打LED光源，显示某一颜色的彩光，再记录受测者在彩光环境下10分钟内的心率情况，用LED光源开关前后20分钟的心率及心率变化率来评价光生物效应对于心率影响的即时作用。实验过程中，要求被试两眼始终注视灯具发光表面，一组实验结束后，被试在黑暗中休息直至其心率参数稳定后进行第二组实验。每位受测者均参加所有四种颜色的实验测试。

4 结果与讨论

在四种不同的彩光作用下，受测者由暗到明的心率变化作为光生物效应即时作用的评价指标。在实验过程中，除了灯光的开与关，其他环境参数均不发生改变。受测者在灯光开关前后的心率情况如图4所示。

图4 彩光对于人心率变化的影响

使用SPSS17.0检验灯光开关前后的心率变化的显著性，配对T检验的结果显示，在每种彩光环境下，心率均有显著性变化(P＜0.05)，其心率变化分析如表2所示。结果表明，即使在低照度情况下，光生物效应同样可以引起人们的心率变化。

表2 配对T检验结果

在我们定义心率变化率为，开灯环境下平均心率和暗环境下平均心率之差与暗环境下平均心率的比值时，结果如图5所示。蓝光引起的生物效应最大，其引起的平均心率变化率达到6.50%左右，按照变化率由大到小依次为绿光，黄光和红光。以往的研究表明，昏暗的光也会对人类的生理和行为产生影响［12］，这与我们的结果是一致的。

再对四种彩色光环境下受测者的心率变化率两两进行独立T检验，检查不同光谱的环境光所引起的心率变化率是否存在显著性差异。如表3所示，除绿光与黄光、黄光与红光比较之外，其他几种情况P＜0.05，均存在显著性差异。

图5 受测者在不同光色环境下的心率变化率

表3 心率变化率独立T检验

实验中，发现女性受测者的心率普遍高于男性受测者。基于这一点，对不同情况下的男女受测者心率变化率，两两进行独立T检验，并未发现存在显著性差异(即没有P＜0.05的状况发生)，如表4所示。在不同光谱的环境下，本实验的受测者所反映出来的心率变化并不存在着显著的性别差异。

表4 男女受测者心率变化率独立T检验

本实验中，用心率来评价彩色光对人的非视觉生物效应。低照度的彩色光能够引起人们的非视觉生物效应，但本文中所采用的四种颜色的彩光所引起的心率变化之间并没有出现显著的性别差异。非视觉生物效应背后的机理和细节性问题仍需进一步研究。

5 结论与展望

本文中，用心率及其变化率来评判彩色光对人的非视觉生物效应的影响。实验中采用了四种不同光谱的单色光，在低照度情况下可以引起人的非视觉生物效应，且不同颜色的光所引起的心率变化存在差异，但不同彩光引起的心率变化之间并没有出现显著性别差异。不同颜色彩光影响结果之间的关系仍然需要进一步探究，非视觉生物效应背后的机理和细节性问题也需进一步探索和完善。

与非视觉生物效应相关的参数评价，在目前光度学评价体系中仍亟待补充完善。诸如褪黑激素及皮质醇对人体的具体影响，心率、血压、体温等生命体征伴随光照变化而产生的波动等，都需要更多理论依据和实验数据来解释说明。完善光度学评价体系还有很长的一段路要走。

目前，非视觉生物效应还主要停留在实验和机理探究层面，相信越来越多的研究会将它剖析清楚，从而让它从理论研究走向实际应用。在未来的实际照明应用中，设计者们可以将非视觉生物效应理论与颜色心理学等诸多理论相结合，创造更舒适、更健康的绿色照明环境。

致谢:实验的机理研究和设计等方面得到居家奇博士、邱婧婧老师的大力支持，在此一并深表谢意。

［1］Berson DM，Dunn FA，Takao M．Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock．Science，2002，295(5557):1070～1073．

［2］曾强，何士刚．视网膜中的自主感光神经节细胞．生物物理学报，2011，27(5)，387～394．

［3］Yasukouchi A，Ishibashi K．Non-visual Effects of the Color Temperature of Fluorescent Lamps on Physiological Aspects in Humans．Journal of Physiological Anthropology and Applied Human Science，2005，24(1)，41～43．

［4］Cajochen C，Munch M，Kobialka S，Krauchi K，Steiner R，Oelhafen P and others．High sensitivity of human melatonin，alertness，thermoregulation，and heart rate to short wavelength light．Journal Of Clinical Endocrinology ＆ Metabolism，2005，90(3):1311～1316．

［5］Van Bommel W．Lighting quality and energy efficiency，a critical review．Light ＆ Engineering，2011，19(3):5～11．

［6］逄文强，张建法．环境光对哺乳动物昼夜节律和大脑功能的影响．生物物理学报，2010，(11):973～982．

［7］居家奇．照明光生物效应的光谱响应数字化模型研究．上海:复旦大学，2011．

［8］Keita AI，Hidetoshi AT，Hiroyuki AT，Shigeki AW，Akira AY．Effects of combined environment of ambient temperature，color temperature and noise on heart rate variability．Applied human science:journal of physiological anthropology，1997，16(5)(1997-09):225．

［9］Tsutsumi Y，Kitamura S，Kozaki T and others．Effects of color temperature of lighting in the living room and bedroom at night on autonomic nerve activity．Journal of physiological anthropology and applied human science，2002，21(6)(2002-11):318．

［10］Moore RY．Organization of the Mammalian Circadian System．New York:John Wiley ＆ Sons，Ltd．，2007:88～116．

［11］闫晓霞，张静雪．卧床不同训练方法对心血管自主神经调节变化的影响．航天医学与医学工程，2000，13(5):323～327．

［12］Wright KP，Hughes RJ，Kronauer RE，Dijk DJ，Czeisler CA．Intrinsic near-24-h pacemaker period determines limits of circadian entrainment to a weak synchronizer in humans．Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America，2001，98(24):14027～14032．