不同波段LED对人体非视觉的影响

周晓明，邵志栋，徐嘉彬

1)华南理工大学物理与光电学院，亚热带建筑科学国家重点实验室，广州510640;2)华南理工大学电子与信息学院，广州510640

2002年Berson［1］发现哺乳动物视网膜的第三感光细胞，提出本征感光视网膜神经节细胞，打破人体眼睛只存在视觉通道的观念，即存在非视觉通道.这类感光细胞参与调节人体体征、激素分泌和昼夜节律等［2-5］，产生人体光生物效应.研究发现，通过改变光环境的照度和色温等参数［6-7］，能改变人体的体温、血压、心率、脑电图 (electroencephalogram，EEG)和心情等［8-11］;在办公环境中，正常的白光照射光源下加入适当量的发光二极管(light-emitting diode，LED)蓝光，能提高办公室员工的工作效率［12-13］;季节性情感障碍 (seasonal affective disorder，SAD)影响着人体的身体健康［14］，导致睡眠时间增长和白天困倦、焦躁等，这些可通过强光治疗，但光毒性危险和治疗效果要进行权衡考虑［15］.

光的视觉及非视觉生物效应主要涉及到光的5个特征:时间点、持续时间、光照强度、光谱分布及空间分布［16-17］.评价光生物效应的模型包括:一是Brainard的基于人体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.本研究采用生物节律因子模型评价LED 9种颜色对人体非视觉生物效应的影响，从而判断9种颜色光产生非视觉生物效应的强弱;利用其中3种颜色作为光源，测量实验者的心电图 (electrocardiogram，ECG)参数;在9种颜色的光环境下测量开灯前后额头平均温度差，研究不同生物节律因子C/P(circadian factor)值对人体体温的影响.

1 实验原理

生物节律因子C/P是基于视网膜感光神经节细胞光谱响应的有效辐射量与明视觉光谱响应的辐射量的比值［18-19］，表征了光源的非视觉效应的强弱.由明视觉光通量Ф和非视觉光通量Фc，可以得到生物节律因子C/P.

其中，Kc=36 161 m/W为非视觉效应的的最大光谱光效函数［20］;Km=6 811 m/W为明视觉最大光谱光效函数［21］;V(λ)为明视觉光谱光效函数;C(λ)是基于人体褪黑素的抑制作用的光谱生物响应曲线，用来表征不同波长对人体非视觉生物效应影响的强弱;λ为波长;P(λ)为绝对光谱能量分布;P'(λ)为相对光谱能量分布;P(λ)=αP'(λ)，α为常数［22］.

2 实验设计

本研究使用的光源为吉海仕JIHISI-CS3型LED灯泡，该LED灯泡可以选择控制9种颜色光:红、绿、蓝、橙、紫红、藏青、紫、黄和白色.通过遥控来选择需要的光颜色，并可以改变其色调和亮度等.要计算生物节律因子C/P，需要测量9种颜色LED光的光谱分布，本研究利用WGD-3型组合式多功能光栅光谱仪测量9种颜色LED光的光谱，利用origin 8.0处理导出的数据，并得到相对光谱能量分布曲线.9种颜色LED光的相对光谱能量分布如图1.由图1可知，LED白光是由蓝光激发黄色的荧光粉产生的［23］，根据红绿蓝3种颜色的光谱分布，可得其峰值波长分别为 632.0、517.0和448.5 nm，由于不同材料有不同的禁带宽度，电子与空穴的能量带隙越大，电子与空穴复合产生光子的能量越高，对应发出不同颜色的光.

由于红光对褪黑素合成抑制最弱，蓝光对褪黑素合成抑制最强，故选择其中红绿蓝3种颜色光作为光源，3种颜色的光源到达眼睛附近的照度为0.8 lx，使用ECG-2203G三道心电图机记录实验者的心电图.实验时间是19∶00—19∶50，实验者是若干男性，连接心电图机的各个导联线.先在黑暗中安静15 min，接下来的15 min，每5 min记录1次数据;然后在光环境下的20 min内，每5 min记录1次心电图.每个实验者只在其中1种颜色光环境中测试，实验者在同一种颜色光环境下分别进行3 d测试，共得到9组数据.

在9种颜色的光环境下，开始调节实验地点的环境温度 (27℃)，使人体到达稳定的状态，关灯使实验者适应15 min，使用CME华盛昌DT-8806H红外测温计每分钟记录1次额头某一点的体温，记录15 min;打开某一种颜色的光后，使人体适应15 min，继续记录额头同一点的温度，记录15 min，一直重复试验记录体温数据.保持各种颜色的光照度为30 lx，计算出开灯前后温度的平均值，比较得到开灯前后温度平均差.

图1 9种颜色LED光的相对光谱能量分布Fig.1 Relative spectral power distribution of nine colors of LED light

3 结果与分析

根据生物节律因子式(3)及测得9种颜色LED光的光谱，积分计算得到红、蓝、绿、白、藏青、橙、黄、紫红和紫光的 C/P值，分别为 1.35×10-4、59.51、2.60、4.96、13.41、1.49、2.24、32.30和50.13，生物节律因子直方图如图2.

图2 不同颜色光的生物节律因子直方图Fig.2 Bar chart of different circadian factor values in nine colors of LED light

根据测得的光谱和计算C/P值进行比对可知，含有蓝光成分光谱的生物节律因子大于未含有蓝光成分光谱的生物节律因子，说明颜色越趋近蓝色，生物节律因子越大，越趋近红色，生物节律因子越小.

在红绿蓝3种光环境下记录人体的心电图参数，在同一光环境下一个实验者进行3 d测试，在黑暗和某一种颜色光下分别记录各个参数数据，取平均值进行比较，得表1、表2和表3.

表1 红光下ECG测量结果Table 1 ECG results in the red light

表2 绿光下ECG测量结果Table 2 ECG results in the green light

表3 蓝光下ECG测量结果Table 3 ECG results in the blue light

对比黑暗与光照情况下心室率、P、QRS和T波时间的变化，红光和绿光下，这些参数基本上变化很小，而蓝色的P波、QRS波、T波、QTc时间及心室率变化总体相对较大.因为红光和绿光的生物节律因子较小且接近，而蓝光的生物节律因子比红光大得多，引起的心率等参数的变化更大，说明蓝光下的非视觉生物效应更强.

在9种不同颜色的光环境下，记录开灯前后时间段内额头的温度.经过数据处理后得到红、蓝、绿、白、藏青、橙、黄、紫红和紫色9种颜色光开灯前后额头平均温度差值分别为0.030、0.500、0.047、0.004、0.100、0.023、0.040、0.187 和0.340℃.其中，蓝光情况下开灯前后温度差最大，红光的温度差较小，白光的最小.在同样照度下，蓝光的C/P值最大，刺激人体产生更大的热量，而红光的C/P值最小，对人体体温参数改变较小;白光下的温度差最小，其原因也许由于人对白光比较适应，对人体体温改变影响不大.

图3 温度差与C/P的关系Fig.3 The relationship between temperature difference and C/P

根据9种颜色光的生物节律因子C/P与开灯前后额头平均温度差可作其关系图，如图3.由图3可知，在同样照度的光环境下，1 h内开灯前后额头平均温度差T与C/P值总体呈正相关，随着C/P值增大，开灯前后的额头平均温度差总体增大，C/P值的大小影响着体温的变化，但是白光下的温度差最小.经过数据线性拟合，得到温度差与C/P的拟合方程为 T=0.007 00+0.007 42C/P，其置信度为0.969 60.在不同的生物节律因子的光环境下，对人体体温变化有着不同的影响.随着C/P值越大，对人体非视觉效应的总体增大.

结 语

本研究采用生物节律因子评价模型研究可控LED对非视觉生物效应的影响.结果表明，蓝光的生物节律因子最大，红光的生物节律因子最小.实验发现，不同颜色LED光对非视觉效应的影响存在很大差异，生物节律因子越大，对非视觉效应的影响总体越大，心室率和体温等生理体征参数的变化越大，可以利用生物节律因子来表征非视觉生物效应的强弱.本研究为提高人类工作效率及身心健康提供了理论依据，最大程度地保证了人在光环境下合适的生理特征参数.

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