极低照度下彩光LED对人体心电图的影响*

周晓明 徐嘉彬 邵志栋

(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，广东 广州510640)

LED 在节能家电、车前灯和街灯中已经占据了重要的位置，这种新型光源是否会影响人体器官引起了研究人员的注意.过去十年间，人们越来越关注光在视网膜上的非成像生物作用，例如绩效与注意力［1-3］、睡眠质量［4］和荷尔蒙分泌［5-6］等，其中特别引起关注的是大脑视交叉上核中生物钟的视网膜通道效应.

由于人的第三种感光细胞ipRGC(Intrinsically Photosensitive Retinal Ganglion Cell)的发现，光源与人体生理健康的关系得以进一步重视［7-8］，最近的研究发现光具有调节人体生理节律作用.Brainard等［6］通过使用8 种单色光在夜间照射测试者，发现不同单色光对人体褪黑色素含量的抑制作用不同，并根据实验结果绘制了基于褪黑色素的光谱光视效率曲线.Mariana 等［9］的研究表明，在40 lx 的红光和蓝光照射下，人的心率提高，在10 lx 的红光和蓝光照射下脑电图中的α 波幅度下降，而β 波幅度上升.Christian 等［2］通过使用不同波长的光照射人眼，发现短波光照比长波对体温、心率的变化作用更为显著.柴颖斌等［10］研究低照度彩光下(人眼处约75lx)人体的心率变化，发现在低照度水平下不同颜色光引起的心率变化存在差异.上述种种实验结果都表明光源的波长是影响生物效应的重要因素，表明光对人体是一个潜在的生理、行为和治疗的激励源［1-3，6，9］.近期的医学和生物学研究证实，血液中褪黑色素日含量自然变化偏差不仅影响精神状态，在长时间积累后还可能导致严重的健康问题，如早衰、性功能异常、乳腺癌等.

窄带光源的生理节律光谱灵敏度已经有了很好的实证研究［11］，对于光源的设计已能从光的非视觉生物效应方面给予指导.随着人工照明的普及，许多城市都变成了不夜城，夜晚低照度光同样对人体的生理存在着影响.文中基于Brinard 等［6］对褪黑色素抑制作用研究中定义的光谱光视效率曲线，通过实验测试，分析夜晚极弱光源对于人体ECG(Electrocardiograph)的生理影响.

1 生物节律因子

人眼中的各类感光细胞对不同的光谱光源有不同的响应，可以通过光通量的概念引入生物节律因子，借以评价光的生物效应［12-13］.图1中空心圆点为Rea 等［11］根据褪黑色素抑制作用得出的人体生理节律光谱响应灵敏度，司晨视觉曲线B()是其4阶拟合曲线，明视觉曲线V()是明视觉下的光谱光视效率曲线.从图1可以看出拟合的B()曲线峰值在460 nm 附近，相对于明视曲线V()向短波方向偏移，处于蓝光部分，这是大部分白光LEDs 富含的光谱波段.由明视曲线V()和拟合的B()曲线可以定义出生物节律因子.

图1 光谱光视效率曲线(归一化)Fig.1 Spectral luminous efficiency curves (normalized)

按照生物节律因子的概念，可以通过下面两个步骤求得其数值［12］:

式中，Km=683 lm/W，为明视觉下最大光视效率值，Φv，i表示特定光谱归一化后的值.

2)节律因子BioEq(Biological Equivalent)为

通过光谱仪测得不同光源的光谱Ф()i，即可计算得到节律因子BioEq.

明视觉中光源在可见光范围内的光通量大小就是光源照度值的大小，而生物节律因子的大小反映的是光源对人体生物效应的大小.

2 LED 归一化光谱

实验中采用的光源均为LED 类，分别为主波长在448、517 和632 nm 的蓝光、绿光和红光，图2为用WGD-3 型多功能光栅光谱仪测得的3 种光源经过式(1)归一化后的光谱分布曲线.将测量所得的光源光谱数据V()通过式(1)和(2)可分别计算得到蓝光、绿光和红光的生物节律因子，结果依次为1.7003、0.0094、0.0005.蓝光的BioEq 值最大，绿光次之，红光最小，与光通量类比，蓝光对人体的光生物效应影响最大，红光的影响最小.据此，根据第3种感光细胞的光谱效率曲线，使用BioEq 值来衡量3 种颜色的LED 光源的生物作用，定量地分析非视觉生物效应的大小，指导心电图实验结果的分析和比较.

图2 光谱分布曲线(归一化)Fig.2 Spectral irradiance distribution curves (normalized)

3 实验设计与数据分析

实验选取了几名被测试人员对同一种光源进行连续3 个晚上的测量，每个被测试者只进行一种波长的ECG 测量.被测试者均为男性，无眼疾、无色盲、矫正视力均在5.0，并被要求在测试期间正常作息.实验在自建实验室进行，环境温度控制在25 ℃，声音水平在10 dB 左右.被测试者采用平躺姿势，光源分布于被测试者周围，使得被测试者在平躺的状态下没有眩光影响，并通过墙体的漫反射使得平躺时人眼处的照度达到所需值.心电图的记录采用ECG-2203G 三道心电图机进行，此心电图机能将测量的ECG 数据进行打印，直接得到心房除极波P波、心室除极波QRS 波群、心室除极与复极总时间QT 间期和校正值QTc 等心电图波形时间.光源为4盏吉海仕全彩LED，能实现不同颜色的LED 光输出.测试时被测试者先在无光暗室中平躺20 min，然后打开设置到规定颜色的LED 光源，在测试光的情况下平躺20 min.期间每5 min 测量一次ECG.采用的光源颜色为红、绿、蓝3 种.人眼处照度值采用TES 公司1336A 型号的Light Meter 进行测量，在自建环境中测得照度值:红光0.9 lx、蓝光1.0 lx、绿光0.9 lx，均为极低照度水平.

实验共获得了10 组数据，每组数据包含无光和有光状态下的心电图数据.在同一种波长下测量的数据合并成1 组，对无光状态和有光状态下的数据分别求平均，得到的结果如图3(a)-(f)所示.图中NL 为No Light 的缩写，表示无光时的测量值;RL 为Red Light 的缩写，表示红光照射下的测量值;GL 为Green Light 的缩写，表示绿光照射下的测量值;BL为Blue Light 的缩写，表示蓝光照射下的测量值.图中方框表示测量数据的标准差SD，中间的圆点表示测量数据的平均值，上下水平短线表示测量值的最大值和最小值.TP、TQRS、TT、TQT表示各波时间间隔，表1-3 为打开LED 光源时与无光时测试数值对比及其独立性t 检测结果.

图3 心电图各项数值变化Fig.3 Variation of ECG parameters

图3(a)和图3(b)表明，不同光源对人体ECG 的P 波时间和QRS 波群时间影响不大，且独立性t 检测均显示无光和有光情况下的数值没有差异性.图3(c)显示，反映心室晚期快速复极过程的T 波时间在红光和绿光下数值有所增加，其中绿光下的T 波时间平均增加了4 ms(参数t = -2.279，P =0.036)，而蓝光下则显示下降.从图3(d)中可以看出，红光和绿光下的QT 间期有较明显增大(红光平均增大5 ms，t = - 2.202，P = 0.04，绿光增大7 ms，t =-2.829，P=0.012)，蓝光下则基本没有变化，由于QT 间期代表了心室的除极到复极的总时间，这表明光源的波长对心室活动有着不可忽视的影响.图3(e)中显示，QTc 值在不同光源下都有增大的趋势，其中红、绿光下增大2 ms 左右，而蓝光的测试结果显示有6 ms 的增大值，但独立性检测均表明无光下的数据和3 种光源下的数据没有差异.图3(f)数据显示极低照度下红光和绿光对心室率基本没有影响，而蓝光下的心室率则呈现出加快迹象(平均增大2 次，t= -2.456，P=0.022).

从表1-3 可以看出存在显著性差异的有红、绿光下的QT 值、绿光下的T 值和蓝光下的心室率.从其他研究者的结果［10］来看，在75 lx 下对于心室率的影响大小排序为蓝光＞绿光＞红光，前述计算所得的BioEq 值分别为蓝光1.700 3，绿光0.094，红光0.0005，数值上亦显示蓝光的生物效应影响最大，文中实验结果中蓝光下心室率有增大并存在差异性，表明在1 lx 水平的光照中蓝光对心室率的影响依然存在，而红光、绿光的影响已经微弱至没有影响.文献［2，6，10］中均表明在不同照度值下短波长的光对人体生理(褪黑色素、心率)的影响较长波长的大，与BioEq 的计算结果呈现出较为一致的趋势，而本实验中QT 值结果却呈现相反的状态，从均值上看排序为红光＞绿光＞蓝光，红、绿光下的数据存在差异性，而蓝光下的则没有差异性.究其原因，计算BioEq 值使用的是基于褪黑色素抑制作用数据的4阶拟合曲线，对于用其来描述光的生物效应程度可能存在一定的局限性.从实验结果来看，低照度下短波长的光源对心室率的影响较大，而长波段的光源对QT 值的影响较大.

表1 无光和绿光条件下心电图各项指标独立性t 检测1)Table1 Independent samples t test of ECG parameters between dark and green light conditions

表2 无光和红光条件下心电图各项指标独立性t 检测Table2 Independent samples t test of ECG parameters between dark and red light conditions

表3 无光和蓝光条件下心电图各项指标独立性t 检测Table3 Independent samples t test of ECG parameters between dark and blue light conditions

4 结论

实验结果表明光源在极低照度下对心脏的ECG 各项指标存在着潜在的影响，其中对于QT 值和心室率存在较大影响.蓝光波段对心率的影响更大，红、绿光对QT 值的影响较为明显.实验结果与计算的生物节律因子BioEq 在QT 值变化趋势上存在差异，部分原因来源于BioEq 基于褪黑色素抑制作用的实验数据计算所得，反映的是褪黑色素的光谱抑制因子，用来评价光的非视觉生物效应存在片面性，可见理论评价方式有待改进.

［1］Wout J M，van Bommel.Non-visual biological effect of lighting and the practical meaning for lighting for work［J］.Applied Ergonomics，2006，37(4):461-466.

［2］Christian Cajochen，Mirjam Mu¨nch，Szymon Kobialka，et al.High sensitivity of human melatonin，alertness，thermoregulation，and heart rate to short wavelength light［J］.The Journal of Clinical Endocrinology ＆ Metabolism，2005，90(3):1311-1316.

［3］Peter R Mills，Susannah C Tomkins，Luc J M，et al.The effect of high correlated colour temperature office lighting on employee wellbeing and work performance［J］.Journal of Circadian Rhythms，2007，5(2):1-9.

［4］石路.照明光源色温对人体中枢神经生理功能的影响［J］.人类功效学，2006，12(2):59-61.Shi Lu.Effects of illumination light source color temperature on human central nervous physiological function［J］.Chinese Journal of Ergonomics，2006，12(2):59-61.

［5］翁季，陈仲林，胡英奎，等.光生物效应研究综述［J］.灯与照明，2007，31(1):1-3.Wen Ji，Chen Zhong-ling，Hu Ying-gui.Summary of research on the biological effects of light ［J］.Light and Lighting，2007，31(1):1-3.

［6］George C Brainard，John P Hanifin，Jeffrey M Greeson，et al.Action spectrum for melatonin regulation in humans:evidence for a novel circadian photoreceptor ［J］.The Journal of Neuroscience，2001，24(16):6405-6412.

［7］杨公侠，杨旭东.人类的第三种光感受器(上)［J］.光源与照明，2006(2):30-31.Yang Gong-xia，Yang Xu-dong.The human third photoreceptor［J］.Lamps and Lighting，2006(2):30-31.

［8］居家奇，陈大华，林燕丹.照明的非视觉生物效应及其实践意义［J］.照明工程学报，2009，20(1):25-28.Ju Jia-qi，Chen Da-hua，Lin Yan-dan.The non-visual biological effect of lighting and its practical meaning［J］.China Illuminating Engineering Journal，2009，20(1):25-28.

［9］Mariana G Figueiro，Andrew Bierman，Barbara Plitnick，et al.Preliminary evidence that both blue and red light can induce alertness at night［J］.BMC Neuroscience，2009，10:105-111.

［10］柴颖斌，孙耀杰，林燕丹.低照度彩光对人眼非视觉生物效应的影响［J］.照明工程学报，2012，23(3):18-22.Chai Ying-bin，Sun Yao-jie，Lin Yan-dan.Non-visual biological effects of different color light under low illuminance conditions ［J］.China Illuminating Engineering Journal，2012，23(3):18-22.

［11］Rea M S，Figueiro M G，Bierman A，et al.Modelling the spectral sensitivity of the human circadian system［J］.Lighting Research and Technology，2012 44(4):386-396.

［12］Andrei V Aladov，Alexander L Zakgeim，Mikhail N Mizerov，et al.Concerning biological equivalent of radiation of light-emiting diode and lamp light sources with correlated colour temperature from 1800K up to 10000K［J］.Light ＆ Engineering，2012，20(3):9-14.

［13］姚其，居家奇，程雯婷，等.不同光源的人体视觉及非视觉生物效应的探讨［J］.照明工程学报，2008，19(2):14-19.Yao Qi，Ju Jia-qi，Chen Wen-ting，et al.Discussion on the visual and non-visual biological effect of different light sources ［J］.China Illuminating Engineering Journal，2008，19(2):14-19.

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