节律照明及其控制策略的研究综述

戎升亮,Allen Samantha,赵 杰,2,3,吕晨阳,张荣鹏,2,3

(1.Delos实验室，美国纽约州纽约市 10014；2.Well人居实验室，美国明尼苏达州罗切斯特市 55905；3.梅奥医学中心普通内科部，美国明尼苏达州罗切斯特市 55905)

节律照明及其控制策略的研究综述

戎升亮1,Allen Samantha1,赵 杰1,2,3,吕晨阳1,张荣鹏1,2,3

(1.Delos实验室，美国纽约州纽约市 10014；2.Well人居实验室，美国明尼苏达州罗切斯特市 55905；3.梅奥医学中心普通内科部，美国明尼苏达州罗切斯特市 55905)

光对人体的非视觉成像功能有着广泛而深刻的影响。研究表明，人的警觉性、情绪、内分泌功能以及昼夜节律都会受到若干光环境因素的影响，包括光照强度、光峰值波长、人曝露在光环境中的时间点以及时间长度。不适的光环境可以扰乱人体的褪黑素分泌以及身体内在昼夜节律，进而对人体健康产生若干负面影响，诱发诸如肥胖、糖尿病、失落、情绪失调、生殖系统疾病等慢性疾病。在过去的几年中，如何量化光对人体生理节律的影响的课题吸引了广泛的研究关注。本文系统介绍了节律照明领域两种领先的量化指标及度量方法，包括视黑素等效勒克斯法(Equivalent Melanopic Lux: EML)以及昼夜节律刺激值法(Circadian Stimulus: CS)，并对两种方法的生物学基础进行了深入探讨。在此基础上，本文对当前若干主流节律照明产品的光谱功率分布及其控制策略进行了比较和分析。结果表明，当前节律照明的研究成果就减弱光源对人体昼夜节律的扰乱方面提供了关键的理论基础和通用的实践性建议，但对其有效影响的尺度和范围仍有待进一步的量化研究。

节律照明；视黑素等效勒克斯；昼夜节律刺激值；光谱功率分布；峰值波长；照明控制

引言

室内光环境对人体健康有着巨大的潜在影响。室内光环境设计不仅仅影响着室内人员执行视觉任务的能力，也影响着人员的舒适度、情绪和其它生理机能。人体曝露在光环境中的时间分布也会影响到包括新陈代谢和睡眠质量在内的其它一系列重要生理机能[1]。因此，准确和全面地量化室内光环境，包括天然采光和人工照明，就具有十分重要的意义。目前，照明领域已经发展出多种室内光环境的量化方法，这些方法在计算时考虑的变量各自有所不同。本文将会对这些方法所考虑的计算变量、各自的优势和存在的问题进行介绍和讨论，并针对其控制策略进行综述。

近半个世纪以来的实证研究表明，除视觉影响外，光照会对人脑产生非视觉方面的影响，同时也会影响着人的部分行为和生理机能[2]。经研究确认，这种影响机制与一种叫作光敏视网膜神经节细胞(ipRGCs)的感光细胞紧密相关。这种细胞与参与成像的视觉细胞不同，被称为非视觉或非成像细胞。当光线射入视网膜时，ipRGCs感光细胞被其内的光敏蛋白——视黑素所激活[3]。被激活的ipRGCs感光细胞会向大脑中的视交叉上核(SCN)发送神经信号，而视交叉上核会依据接收到的信号来调节褪黑素这种管理睡眠的激素的分泌。因此，视交叉上核也被称为大脑的昼夜节律时钟[4]。人体自然的昼夜节律并不是完全与一天24小时同步，因此人体会依赖对光线(传统方式是通过日光)的感知来调整自身和通常意义上的一天相协调，这一过程被称为昼夜节律的光同步(circadian photoentrainment)[4-6]。昼夜节律的光同步主要通过ipRGCs感光细胞实现，然而视杆细胞与视锥细胞也会在一定程度上参与这一过程[7-8]。

光照和人体褪黑素的分泌抑制有着直接的联系，光照对褪黑素分泌的影响很大程度上取决于接收到的光线总量(光照强度)和品质(光谱输出分布)[9]。因此，在不恰当的时间进行光照中会对身体产生诸多不良的影响，包括睡眠失调、情绪失调和节律控制基因的突变[10]。幸运的是，人工照明可以在此方面产生很多积极的应用。例如，光照疗法对改善(短期)情绪紊乱、提高年轻人和老人的睡眠质量和昼夜节律的再校正具有显著的效果[11]。本文所讨论的节律照明(circadian lighting)代表了通过控制天然采光和人工照明在建筑中为人员提供对其昼夜节律有积极作用的照明及其控制策略。

1 节律照明的度量方法

目前，很多研究团队都尝试过建立符合人体非成像响应规律的光度量方法[2-6]。以下将系统介绍节律照明领域两种领先的量化指标及度量方法，包括视黑素等效勒克斯法(Equivalent Melanopic Lux: EML)以及昼夜节律刺激值法(Circadian Stimulus: CS)，并对两种方法的生物学基础进行探讨。

1.1视黑素等效勒克斯法

Enezi团队首次提出了基于视黑素光谱光视效能函数来计算“视黑素照度(m-lux)”的节律照明度量方法[7]；之后Lucas团队的研究[2]将其改进为视黑素等效照度，又称视黑素等效勒克斯。该节律照明度量方法的详细介绍以及计算公式可以参见文献[8]。视黑素光谱光视效能函数是基于已知的哺乳动物视黑素对不同波长光谱的敏感度来确定的。在Enezi团队的研究中，通过基因修改的方式剔除了实验对象小鼠的视杆细胞以及视锥细胞，针对这些小鼠的实验证明了视黑素光谱光视效能函数(峰值波长为480 nm)预测出小鼠瞳孔对光照的响应程度以及由光脉冲导致的昼夜节律相位偏离(circadian phase shifting)。该研究团队进一步推测，基于人眼晶状体光谱吸收特征校正过后的视黑素光谱光视效能函数也可被用来预测人体节律系统中视黑素被光线激活的程度[7]。

视黑素等效勒克斯(EML)的计算公式如下[8]：

式中,λ代表光谱的波长(380～780 nm)；Km= 683.002 lm/W, 该常数代表明视觉最大光谱光视效能；V(λ)代表明视觉的光谱光视效能函数；P(λ)代表实际测量得到的光谱功率分布值(W/m2);Nm(λ) 代表被标准化(normalization)后的视黑素光谱光视效能函数。

(2)

值得注意的是，由于视杆细胞以及视锥细胞在不同的光环境下的非成像光响应会有所不同，基于视黑素光谱光效函数的度量方法并不能准确预测由ipRGCs感光细胞所主导的所有非成像光响应的具体程度[7]。比如，当眼睛接受到的照度小于18 m-lux (或者3.3 EML)时，非成像光响应由视杆细胞主导，暗视觉(scotopic or mesopic)的光谱光视效能函数反而比视黑素的光谱光视效能函数更适合来预测这类昏暗情况下的非成像光响应程度[3,9,10]。此外，来自Revell团队的研究[11]表明，视黑素光谱光视效能函数(峰值波长为480 nm)并不能有效预测拥有正常视觉的人在多色混合光源(polychromatic light)的照射下的夜间激素分泌(nocturnal neuroendocrine)以及神经行为学响应程度(neurobehavioral responses)。

1.2昼夜节律刺激值法

来自Rea团队的研究[12]认为，Brainard 团队和Thapan 团队两项实证研究中所得到的光谱峰值敏感波长(460 nm)之所以与视黑素的峰值敏感波长(480 nm)不吻合，是由于S型视锥细胞(S-cone)的影响导致的。该细胞的光谱峰值敏感波长为420 nm，经过人眼晶状体光谱吸收特征校正过后为440 nm。而存在于S型视锥细胞光传导通路中的蓝黄光谱色颉颃机制(spectral opponent blue versus yellow (b-y) colour mechanism)*Dacey和Packer的团队 [12] 阐明了蓝黄光谱色颉颃机制(蓝-黄)的原因是S型视锥细胞会向ipRGCs感光细胞传递去极化(depolarizing)的ON神经信号而M型与L型视锥细胞会向ipRGCs细胞传递过级化(hyperpolarizing)OFF神经信号。而ipRGCs感光细胞只会对去极化ON神经信号作出反应。则是导致两组实证数据在500 nm附近出现分歧的主要原因，这一波长点被称作光谱颉颃交叉点(spectral opponent cross-point)[12]。Rea团队在该项研究中提出了一种节律照明度量方法，即利用非线性的函数曲线对以上两组实证研究得到的数据进行更为准确的模拟，并在函数变量中同时考虑所有感光细胞的光谱光视效能的影响。

Rea 团队在其研究中首次将该度量方法命名为昼夜节律刺激值法(Circadian Stimulus，CS)[12]。在该团队随后的研究中[6,13,14]，该度量方法又深化发展为两个相关的指标，即昼夜节律刺激值(Circadian Stimulus，CS)与昼夜节律照度(Circadian Light，CLA)。昼夜节律刺激值直接代表了夜间褪黑素分泌的受抑制程度，而昼夜节律照度则是一个基于CIE标准光源A(CIE standard illuminant A)(色温为2 856 K的黑体辐射体)标准化之后的辐射照度值以便于与一般明视觉照度(勒克斯)进行比较。以下为计算CS和CLA这两个度量的公式，相关计算工具可查阅网站http://www.lrc.rpi.edu/programs/lightHealth/index.asp。

式中，CLA代表昼夜节律照度值。常数1 548是为了将CLA正规化，使得当2 856 K的黑体辐射体(black body radiator)在1 000 lx(明视觉勒克斯)时CLA的数值为1 000；E(λ)代表实际测量得到的光谱功率分布值；Mc(λ)代表经过人眼晶状体光谱吸收特征校正过的视黑素光谱光视效能函数；S(λ)为S型视锥细胞的光谱光视效能函数；mpλ为黄斑色素透光率(macular pigment transmittance)；V(λ)为明视觉光谱光视效能函数；V′(λ)暗视觉光谱光视效能函数；RodSat = 6.5 W/m2，视杆细胞半饱和常数(half-saturation constant for bleaching rods)；k=0.261 6，常数；a蓝-黄=0.700 0，常数；a视杆细胞=3.300 0，常数。

CS和CLA作为光环境影响的量化指标已经被用于若干类型的实验室研究与实地研究中，研究对象包括自发光显示器(self-luminous display)[15-17]、阿尔茨海默病患者的医疗环境[18,19]和普通办公环境[20,21]等。结果表明，CS指标可以有效预测短期内褪黑素分泌的受抑制程度以及相关的临床和睡眠表现。

每个数据点对应不同光源类型与相关色温。D55、D65、D75均为CIE标准光源并各自代表5 500 K、6 500 K以及7 500 K的自然光。该研究中所选取光源的光谱功率分布数据均来自网站http://research.ng-london.org.uk/scientific/spd/?page=info图1 在限定不同光源的明视觉照度均为300 lx的情况下，对17种典型光源分别按照CS法和EML法进行的计算和比较Fig.1 Comparison of EML and CS metrics with different light sources at the same photopic illuminance of 300 lx

但需注意的是，该度量方法也存在一定的局限性。首先，该方法没有涵盖所有会对昼夜节律系统产生影响的因素，比如光照发生时间、持续时间以及过往的受光经历(photic history)都没有在该方法中有所反映。其次，该方法没有考虑到非视觉警觉效应的光谱和绝对灵敏度。比如，研究发现640 nm的光线以40～200 lx的照度对眼部的照射可以在白天和晚上增强大脑活动而不影响褪黑素浓度[14,22,23]。此外，基于两组实证数据来模拟S型视锥细胞对昼夜光传导的影响可能导致该方法的另一个局限，因为昼夜节律系统的光谱敏感度会在夜间不同时段发生变化[24]。再者，CS模型是基于夜间褪黑素分泌的抑制建立的，但是其它非成像光响应，诸如昼夜节律相位偏离，警觉和体温等，都没被考虑在内[6,12]。最后，若干研究结果表明，非成像光响应对视锥细胞、视杆细胞或者ipRGCs的依赖时间和依赖程度并非绝对恒定。例如，即使在基本相同的实验条件下，也可以观察到接受ipRGC输入的脑区域的不同的视锥细胞参与度[25,26]。

1.3两种度量方法的比较

2 节律照明的控制方法研究

近年来，电气工程和软件工程领域和物联网(IoT)领域都迅速发展使得智慧照明更为广泛地融入了人们的日常生活。照明的智能控制技术涵盖了诸多照明技术，例如电动遮阳和可兼容预设程序控制或传感器控制的全光谱可调照明。以下将介绍三种与节律照明相关的智慧照明控制技术，包括动态白光控制、动态全光谱控制(Dynamic SPD tuning)和特定光谱控制(Special SPD tuning)。

1)动态白光控制。可调白光LED灯具大多包含多个可控的LED。这些LED灯具可以通过不同LED的亮度比例来产生与黑体曲线相吻合的从暖色白光(约2 800 K)到冷色白光(约6 500 K)的光。这类灯具适用于多种环境，也大多可以产生18 lx以上的照度，因而可以通过ipRGCs感光细胞感光的途径来用于昼夜节律照明。然而正如上文指出的，利用现有的度量方法，一定的相关色温并不能达到确定的对人的节律影响。也就是说，同一个相关色温可能对应多种完全不同的光谱分布，因而产生不同的节律影响。对于控制系统来说，一些常见的控制协议包括多通道0～10 V、DMX和针对有线控制的DALI都可以实现动态白光控制，其商用产品相对成熟。

2)动态全光谱控制。全光谱可调LED灯具依然使用多个LED，但其与白光可调LED灯具相比，可以提供更多的光色与相关色温(CCT)选择，更重要的是，它可以根据节律照明的需要，通过更多的色彩通道和专门的控制优化算法，专门增加或减小某个区域的光谱能量。然而，不同于动态白光控制，它们的高精度光谱功率分布也决定了其价格远高于普通照明灯具。另外，多通道的特性也需要更加复杂的用户界面，并不十分适合普通使用者操作。全光谱可调灯具目前主要应用于科研项目和一些示范项目中。

3)特定光谱控制。由于动态全光谱控制的复杂性和高成本，目前还有一类通过特定光谱控制实现的LED灯具。这类控制方法根据特定的应用场合(例如夜间卧室照明、白天办公照明等)，来定制几种静态光谱分布场景，然后通过场景和天文时间控制来实现不同光谱分布场景的转换。这类控制方法与动态光谱控制相比相对简单，目前已有多种商用产品。

3 结束语

室内光环境不仅影响室内人员执行视觉任务的能力，而且会通过光敏视网膜神经节细胞ipRGCs影响人员的舒适度、情绪等非视觉成像功能。为了能有效指导照明设计和照明控制以优化其对非视觉成像功能的影响，建立符合人体非成像响应规律的光度量方法以准确、全面地量化室内光环境就显得具有十分重要的意义。本文系统介绍了节律照明领域两种领先的量化指标及度量方法，包括视黑素等效勒克斯法以及昼夜节律刺激值法，并对两种方法的生物学基础进行了探讨。为了进一步比较两种方法，本文对17种典型灯具进行了比较分析。结果表明，两种方法在较低相关色温区段的评价结果比较一致，但由于两种模型对整体的光谱敏感性的不同处理方式导致其在大于4 000 K的较高相关色温区段的结果存在较大差异。最后，本文介绍了三种LED节律照明的控制技术，包括动态白光控制、动态全光谱控制和特定光谱控制。尽管LED控制技术日渐成熟，但如何将他们更加合理的运用，特别是在如何与智慧控制系统相结合等方面，还需要更多的科学和工程验证。虽然呈现更加全面的非成像反应过程和建立更加统一的量化指标及度量方法依然需要进一步的研究和证明，但总体来说LED控制技术在节律照明等领域拥有广泛的发展和应用前景。

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CircadianLightingandItsSmartControlStrategy:AReview

RONG Shengliang1, Allen Samantha1, ZHAO Jie1,2,3, LYU Chenyang1, ZHANG Rongpeng1,2,3
(1.DelosLabs,Delos,NewYork,NY,USA10014；2.WellLivingLab,Rochester,MN,USA55905；3.GeneralInternalMedicineDepartment,MayoClinic,Rochester,MN,USA55905)

Light has significant non-visual impacts on humans. It has been found that the intensity, wavelength, duration and timing of light can affect human alertness, mood, endocrine function, and circadian rhythms. Light exposure through melatonin generation and circadian disruption links to obesity, diabetes, depression, mood disorders, reproductive, and other chronic diseases. In the past few years, many studies have been conducted to quantify the impact of light on human circadian rhythm. This paper reviews the state-of-the-art approaches to quantify circadian lighting and its biological basis, including the Equivalent Melanopic Lux (EML) based and Circadian Stimulus (CS) based methods. Then a comprehensive review and comparison is conducted on the spectrum and control strategies for the dominant circadian lighting products. The paper concludes that the current circadian lighting research provides crucial fundamental information and generalized practical recommendations for mitigating human circadian disruptions, but the size and prevalence of its actual effects will need further quantified study.

circadian lighting; Equivalent Melanopic Lux (EML); Circadian Stimulus (CS);Spectral Power Distribution (SPD); peak spectral wavelength; lighting control

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.003