光与健康的研究动态与应用展望

郝洛西，曹亦潇，崔 哲，曾 堃，邵戎镝

(1.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092； 2.高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室，上海 200092)

光与健康的研究动态与应用展望

郝洛西1 2，曹亦潇1，崔 哲1 2，曾 堃1，邵戎镝1

(1.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092； 2.高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室，上海 200092)

随着照明科技的发展，光照环境的研究与应用已经从视觉功效拓展到情绪、睡眠、认知、节律等多个方面，光与健康成为了未来照明领域发展的新方向。本文回顾了光与健康的研究历程，分析了人因健康照明的各个要素，总结了光生物安全和光的疗愈作用，提出了光与健康研究、设计与应用的未来方向，展望了光与健康的前沿科技以及循证设计的必要性，对目前光与健康领域进行了全方位的综述。

光；健康；人因照明；循证设计

引言

跨越一个世纪的前后两项诺贝尔生理学及医学奖与近来照明领域的研究热点——光健康有关，2017年颁发给三位美国科学家Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash和Michael W. Young，他们因发现了“控制昼夜节律的分子机制”获此殊荣。而丹麦医生Niels Ryberg Finsen由于在应用光辐射疗法治疗皮肤病方面的开创性贡献，早在1903年就成为该奖的获得者。今天人类所掌握和使用的科学技术，以惊人的速度改变着人类的生活方式，人们对电脑、智能设备的过度依赖，城市无节制的景观照明(不仅是光污染问题)，对人眼的光照损伤，对地球生命体生物钟的破坏，使得人们面临恶性疾患的风险提升，均引发了国内外光与视觉领域对人类健康的高度关注。自科学家发现人类第三类感光细胞(神经节细胞ipRGC)和新光源LED用于通用照明以来，半导体照明对人体生理节律和生物效应的影响，成为当今学术界和产业界共同关心的热点问题，也是人居环境光健康设计与应用亟待突破的理论科学问题。人工照明的生物机制异常复杂，但大量的研究成果表明受光生物节律效应影响的褪黑激素和皮质醇，与人体的警觉性、注意力、兴奋、嗜睡、疲劳度等高度相关。国家科技部于2017年立项启动的国家重点研发计划 “面向健康照明的光生物机理及应用研究”，以全链条跨学科的组织模式，期望通过开展半导体照明对人体健康的影响机制研究，为“光与健康”的试点示范应用提供科学依据。可以预见，不论是以住宅、教育设施、办公、酒店为代表的人居环境，还是医院和养老设施，抑或是以极地、深海、宇航及国防为代表的极端环境，光与照明作为环境中的积极要素，其健康效用和潜力不容小觑。健康照明将从视觉作用拓展到情绪调节、节律修复等更加广泛的“光的疗愈和治疗”。

1 人因健康照明的发展

人因工程学研究人与机器、环境间各要素相互作用，使人-机-环境系统与人的需求、能力、行为模式更加兼容以提高工作效能、保障人类健康、安全与舒适[1]。作为解剖学、生理学、心理学、工程学等多专业的交叉应用学科，人因工学研究是互联网、医疗、建筑、航天、航空、核电等诸多产业发展创新的前沿阵地[2-3]。在照明领域，国内外研究者在人因设计方面也进行了大量研究与实践。Peter R. Boyce一直以来致力于光环境如何引起人们的行为、感知、生理、心理反应等关于人与照明相互作用的问题研究，发表了诸多有关视觉功能与年龄、电脑屏幕对视力的影响、视觉舒适、高效低环境成本照明解决方案的论著[4-5]。Jeffrey Y. Tsao等人(2010)[6]探讨了LED固态光源发展的人因要素，阐述了LED合成白光光源的发光效率、色温、显色性、波长、光谱线宽等参数对人视觉反应带来的影响。近年来，随着LED照明及智能控制技术的高速发展和光健康理念的不断更新与完善，人因照明研究方向逐步从对人能力和极限的可用性研究扩展到全面关注人生理和情绪的各项需求的健康性研究，研究应用领域逐步从工业产品设计扩展到人居环境建设中的方方面面。在欧洲，人因照明系统的应用已在医院及其他医疗保健机构占据一席之地，同时逐渐被引入办公场所[7]。欧洲照明协会正积极推动支持人因照明相关政策和法规的形成，并于2016年发布了“2025年战略路线图”，提出加强照明与能源基础设施、建筑管理系统、智能控制系统间的相互关联，以共同实现“以人为本”的照明发展目标，并使其成为欧洲照明市场增长的驱动力[8]。台湾工研院组建了LED人因照明实验室，开展了提高工作绩效之LED智慧人因照明研究、夜间健康居家照明的高值化LED人因照明研究等科研项目，并发布了LED室内人因照明系统与Android体感遥控系统 (2012) 、复合人因智能光环境系统(2017)等应用产品。可见，人因照明在居住、办公、教育、老年护理等各类人居空间有十分显著的积极作用和研究价值，并具有极佳的经济前景，未来必将成为引领健康照明的新趋势。

1.1 人因照明的构成要素

视觉-视觉作业-光环境间的相互作用和影响是人因照明研究的核心内容[9](图1)。人眼是感知外界环境最主要的器官，视觉引起和影响着阅读、工作、娱乐休息等绝大多数人体活动，与人们的工作效率、安全、舒适、生理和情绪健康等密切相关[10]。视觉方面人因照明关注于视力(视敏度)、视野(周边视力)、视角、自然视线、视距、色觉等人眼视生理功能[11-12]。视觉作业的特点诸如视觉作业对象的大小、形状、色彩、位置、视觉作业面与背景环境的色彩与亮度、作业强度、作业持续时间等决定了光环境需求，指导设计参数的选定和设计策略的制定。视觉光环境设计则分为视觉环境、视觉舒适、视觉功效三个部分。亮度、光色影响人对视觉环境的感受，工作面照度水平、眩光控制和光方向是决定视觉功效的重要因素，显色性、光强则是光环境视觉舒适度的客观评判标准[13]。值得特别注意的是，通常被提及的一般性显色指数Ra仅选取了8种常见颜色显色指数的平均值来表征照明光源显色性，未包括评价光源对红色复现质量的特殊显色指数R9。然而这一指数对于呈现人体毛细血管、皮肤、器官、鲜花、水果、肉类色彩具有重要作用，手术、检验等医疗技术操作更对此有着严格的要求。因此医院、超市、电视演播空间的光环境设计应对此项指数应予以特别关注。《健康建筑评价标准》于2017年1月6日起实施，特别指出室内人员长时间停留场所一般照明光源的特殊显色指数R9应大于0。这一标准还就墙面和顶棚的光分布状况、照明频闪比、光源色容差、室内自然光采光系数等与人体舒适度有关的光环境设计参数提出了要求[14]。此外， 2014年由美国Delos公司颁布的WELL建筑标准，作为首个专门研究人类健康和福祉的建筑标准，将医学和科学研究融入设计和施工领域实践指导，规定光线为七大建筑性能设定衡量标准之一。针对视觉照明设计、节律照明设计、灯具眩光控制、日光眩光控制、低眩光工作站设计、色彩质量、表面设计、自动化遮阳和调光控制、采光权、日光建模、自然采光开窗这十一个方面提出了光环境建设指南，旨在尽量减少人工光对身体昼夜节律系统的干扰，提高工作效率，帮助获得良好的睡眠质量，并根据人活动场所的需要提供合适视敏度[15]。

图1 人因照明系统构成关系Fig.1 Framework of Human Factors in Lighting

视觉健康也是照明产品和系统设计中极为重要的人因要素，光照的强度、时间、方式、部位，光谱构成对眼视光系统、眼底功能、脑力认知产生影响，与人的工作状态、身体机能运转、生理和心理方面的舒适度密切相关[16]。2016年全球首份视觉健康国别报告《国民视觉健康》发布，其中数据显示截至2012年我国5岁以上人口中，约有5亿左右各类视力缺陷患者，其中近视患病人数为4.5亿左右。若无有效的政策干预，到2020年，我国5岁以上人口的近视患病率将增长到51%左右，患病人口将达7亿之多。目前近视低龄化，老年视力缺陷患病年龄提前，视觉健康已成重大国民公共卫生问题，人们逐渐重视照明光源产品的健康性与安全性[17]。 国家半导体照明工程研发及产业联盟标准化委员会(CSAS)(2016)[18]将视觉健康舒适度指数(VICO)纳入LED照明产品的评价指标当中，这项指数基于眼视光学和主观认知，独立于色温、显色指数等光学参数，从人眼视功能的角度出发，探讨LED照明产品对人眼视功能的影响，以量化照明产品提供的光环境对人眼视觉舒适度的影响程度。蔡建奇等人(2014)[19-20]长期致力于基于亚洲人眼的视功能特点的不同光参数下照明产品和显示屏的视觉舒适度的人因评测及产业化研发工作，建立了LED对人眼的视觉功能(疲劳)、人眼眼底的细胞及组织、视觉认知和脑力负荷三个方面影响的视觉舒适度客观评价模型、光损伤评价模型及视觉-脑力负荷关联机制模型，并提出相应客观量化的评价指标体系；飞利浦照明(2017)[21]在全球范围内对来自中国、捷克、法国、德国等11个不同国家的8 000名成年人开展了“高品质LED照明舒缓眼疲劳”的调查研究，并将提供无可视频闪的高品质照明作为照明产品研发最重要的考量点，并针对照明频闪问题，提出“舒适度”指标，制定了具体的评价体系。

1.2 基于不同人群视觉特点的人因健康照明

目前人们已对人眼视觉发育及衰退的全过程有了较清晰和深入的了解。胎儿六周时视神经开始“铺路”发育，6个月时可感受外界光线强度的变化。婴儿出生时，人眼的结构已经成形，但完善视觉功能还需依靠外界丰富的视觉刺激，完成复杂的视觉功能发育[22]。婴儿时期(出生至1周岁)为视力 “可塑期”，若视线被遮住，视觉将无法继续发育，视觉神经系统将处于停滞状态[23-24]。2～5岁阶段，人眼视觉发育最为旺盛。此阶段极易发生视力丧失，是视力保护的关键期。5～6岁时，儿童各项眼部生理功能形成并趋于稳固，进入成人的视觉。婴幼儿阶段是视力发展和保护的最为关键时期，不良光环境的刺激，将对他们视觉健康造成不可逆的负面影响；视觉刺激的缺失将导致无法形成完整的视觉功能；此外，儿童节律紊乱、睡眠不足引起全身植物神经功能紊乱导致眼睫状肌调节功能紊乱是近视眼形成的病理基础之一。也有研究指出持续性高强度光照，会减少脑垂体中松果体褪黑激素的分泌，进而给婴幼儿的生长发育造成不利影响[25]。因此，婴幼儿空间光环境设计应同时着重视力保护、视觉丰富度和生物节律调节三个方面。

10～15岁视力分野直到20～25岁时人眼视觉趋于稳定，近视是这一阶段青少年面临的主要问题。在我国青少年近视患病率高达60%～70%，视力不良率达到84.72%，在这一比例连年攀升的情况下，教室、起居室等青少年活动空间的视觉光健康及光环境对学习效率的影响是目前研究者关注重点。GovénT、LaikeT等人(2010)[26]对不同照度条件下小学生阅读速度进行了实验研究，发现 500 lx 照度的光环境下其阅读速度、作文和算术方面的成绩均好于300lx 标准照度照明环境。严永红、关杨等人(2010)[27]研究了教室照明光源、照度与学生工作绩效、视/脑疲劳的关联性，并建立效率-疲劳模型，以了解何种光环境造成视疲劳程度低，更有利于提高学习效率。结果显示4 000K 左右的中等色温荧光灯适合作为主光源，而6 500K 色温则不宜被用作教室照明。

视觉发育稳定以后，随着年龄的增长，眼球结构发生改变，如角膜直径变小呈扁平趋势、瞳孔直径变小、睫状肌老化、晶状体硬化、视网膜功能衰退等，致使各项视生理功能退化，例如视觉敏感性降低、光变化适应能力减弱、色彩辨识能力变差、对眩光敏感、景深感减弱等[28-29]。40岁以后视觉开始老化，老年期(65岁以后)人体各项生理机能的全面退行性变化，黄斑变性、白内障等年龄相关性眼疾发病概率增加，更加速了视功能的衰退[30]。提高室内照度、考虑照度均匀度、控制眩光、增加对比度、提高光源显色性、简单易识别的照明控制方式及控制界面等，是适老型空间光环境的特殊需求[31-32]。国际照明委员会(CIE)(2017)[33]新发布的技术报告分析了照明环境对视觉功能(如视敏度、对比敏感度、颜色视觉等)的影响，给出了老年人和低视力人群住宅等室内环境的照明设计方法。在室内照明的光照水平、光谱、光分布、光照的频率和持续时间的选择上，考虑了光的非视觉效应对老年人昼夜节律系统和睡眠质量的影响。

特殊生理状态下人体其他系统机能运转的变化也会引起视觉功能的改变。例如孕产妇妊娠、分娩过程中体力和精力的消耗，体内激素分泌量的改变引发眼球结构的暂时改变，出现视物模糊、视力下降和复视等症状[34]。针对这些特殊生理状态的光环境设计策略研究与实践尽管尚未深入广泛开展，但将成为未来人居健康光环境研究的重要发展方向。

1.3 人因健康照明的应用

我们根据人、空间与环境的关系，将研究对象分为居住、办公、酒店、学校、医院、养老院为代表的一般环境，航空器、舰船、矿井、地下建筑等的特殊环境，以及深空、深海、极地等非一般和更加特殊条件下的极端环境三类。通过深入了解环境中影响人体健康的因素，综合应用光“视觉-生理-心理”的多维健康疗愈效应，全面改善人对环境的感知及身心健康状态，是各类环境中光健康理论研究及落地应用的主体路线。

一般环境的光健康研究主要关注于光环境对人学习、工作、娱乐、休憩、睡眠等日常活动的影响以及对工作效率、舒适度、心理感受的提升。这一方面的研究较为深入和广泛，实验手段也相对综合多样。例如郝洛西课题组(2012)[35]搭建了真实尺度的起居室模拟实验室，通过主观评价实验从人因工学角度探讨了中国人对起居室光照环境中色温、光源及显色性的视觉偏好，总结了适合中国人的起居室照明设计策略。Smolders等(2012)[36]搭建的试验间，以200 lx和1 000 lx的眼部照度为变量，结合脑电和心率的客观生理数据分析，得出眼部照度和警觉度之间正相关。原林(2017)[37]利用便携式脑电仪对老年人卧室照明环境对老年人起夜后再次入睡影响进行了研究分析，得出了低照度间接照明环境可以有效保持老年人的困倦感，而高色温照明光源和复杂的开关控制不利于再次入睡的结论。

医养空间的光健康近年来的研究重点主要在于光的疗愈效应，利用视觉功能、生理调节、情绪干预三种效应，针对使用人群行为、生理、心理特点调节其昼夜节律，对其心理情绪起进行积极有效的干预。提高医护人员视觉作业的准确度和效率，优化医疗服务流程，使病人和老年人得到更好照护。Philips and Wavecare科技公司与Nordsjllands医院合作，进行了“Sensory Birthing Rooms”未来分娩室的实践，通过舒缓的音乐、变化的彩色光照明和发光纺织面板的定制影像，营造平静舒适的气氛，帮助产妇在分娩时转移疼痛注意力。Hadi K等人(2016)[38]于网络上发放了有关护士站、病床旁边等5处需要视觉作业地点的光环境现状和需求研究问卷，并进行了由8名被试参与的同质空间模拟实验，探讨光环境与护士工作表现和满意度之间的关联，结果显示合理的光环境设计可有效提升护士工作满意度及对环境的评价，对光环境的控制程度(照明开关和调光)与满意度关联较紧密。同济大学崔哲利用虚拟现实技术搭建模拟场景，在上海市第三福利院进行了建筑光环境对阿尔茨海默病患者视觉及节律调节作用的实验研究，并探讨了老年人对照明方式和色彩的偏好。美国康奈尔医学院人类生物钟实验室(2015)[39]的研究认为，对于经常失眠的老年人，晚上临睡前置身于强光的照明环境中，会减缓失眠症，提高睡眠效率，并且白天这些老年人逻辑推理、视觉辨认能力较大进步。

在航空器、舰船、矿井、地下建筑等特殊人居空间，光环境的主要作用除了提供高质量的功能照明以外，还在于消解视觉环境单一、空间密闭、高温寒冷、电磁辐射、高空高速、低压缺氧等环境不利因素对人带来的负面影响，提高人对环境的适应性。Winzen J等人(2014)[40]搭建了类机舱环境模拟实验室，招募了59名被试，选取各三种不同色调的黄蓝色光照场景进行了光色与人对机舱温度感知的对比试验，结果显示，光色可对人体冷暖感受产生影响，蓝光让人感觉比实际温度更为凉爽，且能帮人提高警觉度。黄光可产生温暖的感受。在不同光色条件下人对亮度的感受并没有差异。美国船级社(2016)[41]提出了舰船适居性的概念，船舱照明应利于船员执行视觉任务和舱内活动，为船员提供安全健康的环境。根据生活、工作和娱乐不同的功能区域及舰船检查、膳食准备、机械维修等活动的视觉需求，详细规定了适合的照度，更为夜间需要从舰船舱内前往舱外黑暗环境作业的人员考虑了有助于暗适应调节的红光或低照度白光照明。林燕丹团队(2016)[42-43]就民机驾驶舱光环境和视觉功效展开了一系列研究。针对夜间飞行眩光问题，其团队研究了眩光源亮度、眩光源立体角、背景亮度3个变量对于飞行员反应时间的影响，以及眩光源表面亮度、显示器视标亮度两个变量对于显示器视标识别绩效的影响，为飞行器驾驶舱和飞机场照明的防眩光设计提供了理论依据。

极端环境主要特征是非常态性，极端环境下作业人员(如宇航员、深海作业人员、极地科考队员)不仅要适应真空、失重、作业环境复杂、极昼极夜等恶劣的物理环境，还要面对枯燥、焦虑、社会支持匮乏的社会环境。他们所承受的压力、生理疲劳、认知负荷、情绪不稳定性往往高于其他环境下的从业人员，极易出现生理、情绪及行为问题，主要表现为：持续作业引发的疲劳、困倦和失眠等生理反应，封闭环境诱发的基本情绪和认知功能下降，以及社会性心理机能的减退[44]。因此，极端环境下的光环境研究关注极端环境给人造成的不利影响，保证任务的顺利完成。美国国家航空航天局(NASA)、哈佛大学、杰弗逊大学的人因工学、航空医学等领域从业人员及宇航办公室成员、电视转播工作人员组成的多学科专家小组(2012)[45]，修订了国际空间站的室内照明要求，他们主张空间站照明应满足促进任务实行、电视转播、生理节律调节三方面要求。新的LED空间站照明系统旨在为宇航员提供视觉刺激以及改善睡眠和昼夜节律。CR Young等人(2015)[46]通过对29名青年男性被试分别采用13 500 K和 4 000 K高色温和标准色温光源进行光照刺激实验，结果显示高色温照明结合节律照明实行24小时周期潜艇作息制，艇员可获得更好的作业表现和睡眠质量。中国长城站越冬队员因长期处于南极恶劣气候和隔离环境中，在越冬后期出现较多情绪波动、注意力不集中的现象[47]，同济大学郝洛西教授课题组通过节律调节与情绪干预模块化灯具，对长城站的生活栋进行了照明改造。

各类环境空间光健康的研究与实践虽各有侧重，但均以人的需求为导向，综合运用光的“视觉-生理-心理”三方面效应，营造更有益于人健康和福祉的空间环境，仍是人因健康光环境设计应用的共同原则与最终目标。

2 光的疗愈作用

2.1 光与情绪

光照通过视觉通路与非视觉通路作用于视网膜，对人体影响表现出多样性与复杂性，不仅产生视觉现象，还对情绪和行为产生影响[48]。

Izso等人(2009)[49]比对了低色温低照度(2 700 K，100 lx)和中高色温高照度(4 000 K，1 300 lx)的光照环境，结果表明低色温低照度的光照环境更能让人情绪放松。Byounghee Son等人(2009)研发和试制了可识别人体生理指标的智能情感照明系统，可通过分析生理指标评估使用者情绪，进而调节光照环境[50]。IM Iskra-Golec等人(2012)对30名白领女性工作者分成两组进行了实验研究，结果显示高色温的光照环境可以提高工作效率，而低色温的光照环境更符合情感需求[51]。居家奇(2011)通过心理物理学、实验心理学的相关理论设计实验，研究了光谱和光照强度对生理参数改变的影响，分析了心率、体温、血压、视亮度等实验参数的变化情况，得到了定量的变化关系[52]。Wan等人(2012)[53]研究了光照色彩、动态照明对于氛围感知、生理放松的影响作用，结果表明缓慢变化的橙色光照环境能够创造轻松、舒适的氛围。Nancy T. Hatfield(2013)基于多年的临床护理经验提出，柔和的暗光环境可帮助产妇缓解紧张，获得更好的分娩结果[54]。Figueiro等人(2015)[55]针对阿尔茨海默病患者及护理人员进行了持续11周的光照实验，结果显示实验设置的照明条件有效提高了睡眠效率，缓解了抑郁情绪。同济大学郝洛西教授课题组[56]与上海市第十人民医院心血管内科共同开展了针对CICU 空间的光照情感效应初步研究，在心导管手术室设计安装了“医用光照情感效应媒体界面”(Health Emotional Media Interface, HEMI)，并在上海长征医院骨科手术室、新余市人民医院产科病房、厦门莲花医院妇产科和南宁开元埌东医院进行了健康照明应用实践的拓展。

2.2 光与节律

随着2002 年美国学者David Berson等[57]发现了第三种感光细胞(神经结细胞)，人们开始认识到光对节律的影响机制。2005年，YasuKouchi等人[58]的研究指出，来源于视网膜的光信号传播至大脑皮层时有两条主要通路：一条是形成影像视觉功能的神经通路，经过内膝状体(IGL)联结视觉皮层；另一条是负责传送非视觉信息的神经通路,经过视交叉上核(SCN)联结松果体。传递非视觉信息的通路，不仅与内分泌、生物节律相关，也与情绪及大脑觉醒水平相关，具有光照生物效应。Van Bommel等人(2006)[59]针对照明的非视觉生物效应、健康照明及实际意义等问题进行了研究。众多研究也表明，光照生物效应能控制人的昼夜节律，影响人眼瞳孔大小，从而对身体健康与工作效率产生影响[60]。

黄海静、严永红(2008)通过学生瞳孔变化及反应时间，研究了教室光照参数对大学生心理、生理健康和学习效率的影响[61]。HUBALEK等(2010)[62]对23名被试进行了为期7天的跟踪调研，采用穿戴式探测装置记录受试眼部照度以及获得的蓝光辐射量，结果显示日间进入眼部的光照数量，对当天晚间的睡眠质量产生显著的促进作用。Martinez-Nicolas等(2011)[63]通过现场研究揭示出光照的持续时间与睡眠质量、皮肤温度存在显著关联性。Vetter C等(2011)[64]使用富蓝白光(8 000 K)与日光(4 000 K)作为光照刺激，持续记录冬季办公人员睡眠与活动表现。研究表明富含蓝光的人工光刺激同样能够起到调整人体昼夜节律与睡眠质量的作用，提出了光的节律效应主要取决于光谱成分的理论。Figueiro和Rea(2014)[65]采用可穿戴设备持续记录11名被试在夏冬两季的受光量与睡眠情况，同时要求被试使用睡眠日志记录入睡时间、睡眠质量、时长等相关信息。结果显示夏季接受日光照射显著高于冬季，同时夏季被试睡眠时长与睡眠质量均显著高于冬季。Mohamed Boubekri等(2014)[66]对比有窗及无窗环境下职员的工作状态与睡眠质量，发现有窗条件下职员有更好的睡眠质量和工作表现。同济大学林怡(2016)开展了基于办公室健康照明需求的光谱非视觉生物效应研究，探讨了人工照明进行节律补偿的可行性，结果显示一定的高色温、强光照明有利于在日间抑制褪黑色素分泌，提高觉醒度，进而利于人员工作效率和节律健康。同济大学戴奇(2017)结合节律效应与视觉亮度体验两方面的室内照明需求，提出二维参数化的健康照明设计方法及技术优化方案。通过对多色混光LED光谱的调节和相应优化，获得不同的照明节律效应、视觉效应组合方案，以满足不同的室内照明应用需求。

2.3 自然光与疗愈空间

大量研究表明，自然光可以对人类的节律、情绪，甚至信念、信仰产生影响。与此同时，自然光刺激也是调节生理节律的最强同步因子。然而，随着人工光源的普及，人类在一天之中接触自然光的时间反而逐渐减少。量化研究自然光对人体身心健康的作用，有助于我们深入探讨健康光环境领域的相关工作。在自然光与健康空间设计领域，科研工作者从未间断地进行着研究与探索。MBC Aries等人(2015)[67]，通过梳理PubMed及Scopus数据库中的相关文献，概述了自然光与人体健康之间的关系，试图理清这两者之间的脉络。该研究指出：现阶段虽然无法精确量化自然光对人体生理、心理方面的作用，但大量研究已经证实自然光与人体健康具有一定的相关性。基于特定健康条件人群的研究可以建立自然光与人类身心健康之间的关联性，并将其运用到建成环境设计之中。Laura Bellia等人的研究(2014)[68]针对位于意大利那不勒斯的办公空间进行了自然光照实验，希望充分量化办公空间中自然光环境对工作人员昼夜节律的影响作用，其研究结果显示被试瞳孔的入射光光谱分布、色温与办公室的空间特征(尺度、材料光谱反射率、外部障碍物等)以及气象条件是相关的，自然光对被试昼夜节律的影响作用与CIE标准光源(D50、D55)相似。Kyle Konis等人的研究(2016)[69]基于不同地区的自然光照射模型及人体非视觉理论，通过搭建模拟框架，深入探讨了自然光对人体昼夜节律的影响作用。

在过去的几十年里，疗愈环境逐渐深度介入到医学领域，良好的空间氛围可以影响到患者及医护人员的身心健康；自然光、艺术品、色彩及声音可以有效缩短治疗进程，缓解医疗空间的紧张氛围。TO Iyendo等人的研究(2014)[70]统计了50位患者及医护人员对不同自然光环境下的满意度，证明了充足的自然光刺激对患者的健康恢复状况及医护人员的工作满意度均具有积极的影响。MM Shepley等人(2012)[71]从美国新罕布什尔州的重症监护室(ICU)中随机挑选了110名住院患者(包括心脏疾病、肺炎和肺慢性阻塞性疾病)以及医务人员，针对他们完成了自然光相关的实验研究。研究结果显示照度水平与疼痛感及住院时间呈现负相关，每个人的平均缺勤时间从原来的38小时减少到23小时(P≤0.05)，自然光对患者的疼痛程度、住院时间以及工作人员的失误、缺勤率和空缺率呈现出不同程度的相关性。ML Amundadottir等人在他们的研究中(2016)[72]，运用3D模型探讨了建筑空间中自然光对人类非视觉效应、视觉认知的影响作用，进而提出了适用于建筑设计的健康光环境设计方法及策略。

光与健康的作用包括视觉效应、情感效应、生物效应三方面。通过整合不同维度的光，才能创造健康光照环境。随着光与情绪、光与节律研究的深入，光的疗愈作用将成为未来光与健康研究的拓展新思路与发展新方向。

3 光生物安全

光生物安全主要研究光辐射对生物机体的影响。光辐射主要是指电磁波辐射中波长在100 nm的超紫外线与波长在1 mm的远红外线之间波段的光波辐射。因为200 nm以下的光波被大气吸收，而在大于3 000 nm以外的远红外光谱光子能量较低可以被忽略，因此实际有意义的有效光辐射光谱被限定在200～3 000 nm之间。光生物安全与发光源的距离、照射时间、光源光谱、照射部位都有紧密的关系。光辐射到人体上会产生一定的光化学作用和热作用。光辐射可能造成皮肤疾病如红斑、皮肤癌及眼部疾病如紫外线白内障、角膜结膜炎、角膜烧伤、红外线白内障、闪光盲、视网膜烧伤和损害、视网膜炎等的发生。

光照射皮肤时，一部分的入射光被反射，剩余的光透射进入表皮和真皮。短波光辐射如紫外辐射UV照射皮肤一方面会直接损伤DNA，导致皮肤晒伤，另一方面UV激发产生活跃的自由基攻击DNA和其他细胞，如胶原蛋白，而胶原蛋白对皮肤弹性有重要影响，胶原蛋白损伤造成弹性组织变性从而最终引发皱纹和皮肤老化。皮肤在反复的紫外辐射下会产生防卫机制，这将导致皮肤上层表皮增厚，以减少紫外辐射的穿透效应，并制造吸收紫外的黑色素，使色素沉淀造成皮肤变黑。长波光辐射如红外光辐射IR，主要表现为热辐射，热辐射的风险目前常被忽视，因为通常人只有在感到疼痛时才会察觉到过量辐射，而实际在没有痛感前细胞已受到损伤。

眼睛表面结构暴露在光下会引起与皮肤类似的反应。紫外线会造成角膜和结膜炎，引发雪盲症，类似于皮肤晒伤，也可能造成紫外白内障的发生。在红外光谱区域，长时间高强度的照射会造成红外白内障的发生。由于晶状体的透射特性，光辐射可穿过晶状体引起视网膜损伤，其波长范围主要是在300～1 400 nm，超过10 s的蓝光危害会损伤感光细胞及引发黄斑变性等(见表1)。对于可见光范围内的强光照射，人体会有自然的防御机制，如眨眼、摆头、缩小瞳孔以控制光线进入视网膜的光量等，以及眼睛快速扫视以避免视网膜被强光持续照射。虞建栋、牟同升等人的现场测试也证明了这一点[73]。

3.1 光生物安全的评价

涉及光辐射安全的国际标准化机构主要有国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)、国际照明委员会(CIE)和国际电工委员会(IEC)。国际照明委员会CIE有专门的机构对光生物安全进行研究，如专门研究光对人和生物健康影响的CIE D6，即CIE第六分部“光生物与光化学”与CIE TC2-73技术委员会，针对照明产品的光学辐射所造成的人体健康损伤，进行各种物理量的测量，并制订相应国际技术规范。涉及对人体的短期和长期危害的各种相关辐射量进行研究[74]。

表1 眼部光辐射危害波长分布表

国际组织已出台相应技术规范对灯和灯系统的光生物安全提出评估的技术要求，如国际照明委员会的CIE S009—2002[75]、北美照明学会的ANSI/IES RP27[76]以及国际电气协会的IEC/EN 62471[77]、IEC/TR 62471-2—2009[78]和IEC/TR 62778—2012[79]等。IEC和IESNA标准将光源分为RG0(无危险级)、RG1(低风险)、RG2(中风险)和RG3(高风险)四个危险等级，太阳光在所有等级中是危险性最高的，而常规用户用到的产品都是低风险等级的。

国内参照CIE S009—2002标准出台了GB/T 20145—2006《灯和灯系统的光生物安全性》，以评估不同灯和灯系统相关的辐射危害， 2013年颁布了GB/T 30117《灯和灯系统的光生物安全性 第2部分：非激光光辐射安全相关的制造要求指南》对LED的光生物安全提出评价及制造要求。而GB/T 34034—2017《普通照明用LED产品光辐射安全要求》和GB/T 34075—2017《普通照明用LED产品光辐射安全测量方法》两项国家标准将于2018年2月1日起实施，是对之前光生物安全评价标准的有效补充，以上标准在国内都尚未列入强制评价规范。

光生物安全的评价方法各国学者还有争议。目前在国际通用的测量光源光生物危害的方法分为两种：一种是在照度达到500 lx的位置进行危害程度测量，适用于办公空间、学校、住宅、工厂、道路、汽车等场所，另一种是在距离光源200 mm的位置进行测量，主要针对投影灯、晒黑灯、工业、医疗、探照灯等[80]。法国食品环境职业安全部的研究认为目前的评价标准也还存在缺陷，如未考虑在在整个寿命期内暴露在蓝光中的可能性；对于归属风险组的度量也存在一些含糊之处，500 lx标准被批评没有恰当地代表某些情况，根据500 lx的规定，任何白光光源低于500 lx都被认为是无危险的[81]。因此，在实际应用中既应针对不同的敏感人群，对相应评价标准采取不同级别的执行措施，以保护使用者；同时针对光生物安全的评价标准仍需进一步研究以便弥补评价中的漏洞。

3.2 LED的光生物安全

LED由于其光效高、寿命长、方向性强以及环保无污染，在普通照明中得到广泛应用。目前白光LED主要由蓝光芯片激发黄色荧光粉产生，其SPD曲线中蓝光比例较高，有可能带来潜在的蓝光危害，对人体健康有一定影响。蓝光危害是指光源的400～500 nm蓝光波段亮度过高，眼睛长时间直视光源后可能引起视网膜的光化学损伤[82]。Algvere 等(2006)[83]和Behar-Cohen等(2011)[84]的研究表明蓝光对视网膜有很大影响。Brainard等(2014)[85-86]的研究讨论了高强度蓝光会引发乳腺癌[87]。J. H. Oh(2015)[88]和 Tosini等(2016)[89]的研究表明，蓝光危害会引起节律紊乱，影响人的心理健康。蔡建奇等(2016)通过实验研究人视网膜上皮色素细胞(Retinal Pigmented Epithelial，RPE)和小鼠光感受器细胞在LED暴露状态下，细胞活性存在下降，说明了光源的光化学损伤[90]。

目前国际上针对LED的光生物危害的研究没有发现一般照明对人体有害。GLA(global lighting association)团队在照度500lx下的测量研究发现，常用的LED与紧凑型荧光灯产品都不会测试到达RG2风险级——有可能产生风险的等级[91]。法国食品环境职业安全部(ANSES)2010年的研究发现，针对高光通量的不连续LED产品，在距离光源200 mm的位置进行测量，可达到无危险级(RG0)、低风险级(RG1)，对人体无害。美国能源部DOE的研究发现，在同样色温和光输出下，LED并不比其他光源释放更多的蓝光能量。基于现有的研究，在同样色温和光输出下白光LED照明产品不会造成蓝光危害的风险增加。一般而言，色温可作为各种光源类型短波长内容的有效预测因子，特别是作为光学安全、材料降解和昼夜节律刺激的合理预测因子。提高色温会相应提高蓝光的比例。非白光LED产品对一些高风险人群如婴儿、特定视觉敏感人群等的影响应专门进行评估。郑建、牟同升等人(2016)[92]的实验研究表明，为确保儿童使用LED光源时的光生物安全性，应基于儿童与成人群体的生理和心理行为特性差异来修正评价方法，建立专用于儿童的视网膜蓝光危害光生物安全评价方法。法国食品环境职业安全部ANSES对LED光生物安全应用的建议：避免在儿童经常出没的地方(产房、托儿所、学校、休闲中心等)或者在他们使用的物品中(玩具、电子显示屏、游戏机和操纵杆、夜灯等)使用发出冷白光(带有强烈蓝色成分的光)的光源；确保发光二极管的制造商和集成商对不同的风险群体进行质量控制，并对其产品进行合格鉴定；为消费者建立一个清晰易懂的标签系统，并强制使用符合光生物安全风险类型的包装[93]。

光生物安全是整个光与健康领域的基本问题。特别是产生光生物作用的人工照明，对人体的负面伤害，需要更多的基础研究，定性定量加以明确，并在剂量和功效上加以区分。

4 光与健康的前沿科技

一直以来，不断涌现的前沿技术是健康光环境设计与应用的有力支撑，例如：更灵敏的传感器，更智能的控制技术及模式，更快速的可见光通讯，更精确的室内定位等。近年来，随着应用科学技术、互联网技术的飞速发展，新兴应用技术层出不穷，仅传感器方面，就包括红外线(Infrared Ray, IR)传感器、超声波(Ultrasonic)传感器、环境光(Ambient Light Sensor, ALS)传感器、电荷耦合元件(Charge-coupled Device, CCD)等。各类传感器被广泛用于人居空间之中，例如红外传感器可以通过探测热辐射分布来定位人体位置；超声波传感器则通过探测反射超声波的多普勒位移来检测物体的运动；环境光传感器配合照明控制系统，则可以有效缓解建筑空间的能耗问题；CCD可以扑捉光环境中每个像素点的光照分布及光谱信息，极大地拓展了ALS的应用场景。健康光环境是一项针对具体用户需求的应用领域，随着环境光传感技术方面的发展，我们可以高效地采集、分析、处理、控制光照环境，满足特殊空间的健康光环境需求。同济大学崔哲博士在进行适老空间光环境实验时，设计制造了自然光模拟窗，通过室内外感应器联动及照明控制系统，获得了有效调节老年人生理节律，缓解阿尔茨海默病患者临床表现，改善被试人群睡眠质量的健康光环境参数。此类应用高度依赖控制系统完成，例如适应性光分布的控制模式(Adaptive Distributed Sensing and Control Methods)、照明系统控制技术(Adaptive Control Technology for Lighting Systems)等。这些先进的控制系统可以整合系统中传感器数据、实时分析、精准控制网络中的照明器件。控制系统的逐渐完善，可以给设计师提供更宽阔的设计空间，带给用户更智能的光环境体验。为健康光环境的设计与部署、新概念和新模型的广泛研究与探索，奠定了坚实的硬件基础。

此外，光学技术的发展在照明领域以外也获得了全方位的拓展。例如可见光通讯(Visible Light Communication, VLC)，通过控制LED，可搭建可见光覆盖区域内的数据通讯，最新的蓝牙协议支持多对多数据互联，将可见光通讯模块及蓝牙模块嵌入到照明器件之中，仅通过替换光源，就可以完成精确室内定位及数据互联，有效扩大了无线数据通讯容量，极大地节省了场景搭建成本，给机器人定位控制、老年人位置信息跟踪、信息实时收集组网等应用场景提供了广阔的想象空间。新型照明技术(如LED、OLED以及激光等)的提升不仅能为建筑空间提供更舒适的健康光环境[94-95]，还能给图像显示技术带来更大的提升，如：更舒适、更高清的3D显示技术[96]，高临场感、高真实感的虚拟现实显示技术等。

5 光与健康的研究、设计与应用

5.1 光与健康的研究方法

健康照明领域的实验研究一直以来主要采用问卷或量表的主观评价方式来完成。随着现代生物医学工程技术的发展，实现了多种非电信号向电信号的转化，并利用电子科学技术实现生理信号的检测和分析，光与健康的研究也有了更多的方法选择(见表2)。Eerola 等(2013)[97]将对光与健康研究进行了综述，总结了七种常用的实验方法，其中适用于实验室的实验研究方法主要有自我报告和生理测量。生理测量主要包括自主神经系统(ANS)信号、中枢神经系统(CNS)信号。此外，行为测量(主要是面部表情识别)也是一种常用的健康照明实验方法。

表2 健康照明实验方法

1)自我报告。

自我报告采用量表或问卷的形式进行情绪的评估与测量，是光与健康既往实验中最常见的方法。经过长期大量实验的发展，已经有了多种形式的自陈测量工具，如SAM量表[98-99]、VAS量表[100]、PrEmo(Product Emotion Measurement)[101]、被试口头报告等。此外，还有心理学、临床医学常用的焦虑自评量表(SAS)、抑郁自评量表(SDS)、汉密尔顿焦虑量表(HAMA)、汉密尔顿抑郁量表(HAMD)等，都是常用的自我报告测量工具。

Rikard Küller 等人(2006)对四个不同纬度的国家、共计988 名被试进行了主观问卷。分析结果显示，当照度提高并超过阈值(该阈值在文中无明确描述)时，照度与正面情绪呈现出负相关性[102]。Prabu Wardono等人(2012)通过数字情景模拟设置实验场景，采用主观问卷评价的方法，以光、色彩和装饰为变量，针对被试的感知、情绪以及社交行为进行实验研究。结果表明，光环境对使用者身体状态的影响最为显著[103]。Bernhofer EI等人(2013)对40位住院患者进行72小时的光照和睡眠唤醒，记录他们的活动状态与情绪状态，并进行了相关的主观疼痛评价。结果显示，低光照水平下，疲劳和情绪障碍得分分数高；高光照暴露是否能降低疲劳与情绪障碍需要进一步研究[104]。

2)自主神经系统(ANS)生理信号。

人类健康的变化伴随着各种自主神经系统的生理反应，如皮肤电阻、心率、血压、心电图、呼吸、肌电图等。通过测量前述这些生理指标，可以评定身体状态的变化，能更客观的完成光与健康的实验研究。随着心理学研究的深入，ANS生理信号与身体状态的量化关系也逐渐对应起来，也为其作为健康照明实验方法提供了理论基础与实践意义。

蔡菁等(2010)使用皮肤电(GSR)信号在六种情感状态识别研究中找到了六种情感与皮肤电信号特征的一种对应关系[105]。熊勰等(2011)进行了自主神经生理信号的情绪识别研究，对心电、心率、脉搏、肌电、呼吸、皮肤电阻等都提取了原始特征，并综合分析了其与情绪的联系[106]。飞利浦研究中心(2011)设计了用于病房照明的照度、色温控制系统，通过检测心血管病患者住院期间的各项生理指标，旨在评估光照环境对此类患者康复状况的影响。结果表明，基于时间变化的光照环境可以提高患者的正面情绪及满意度，同时缩短入睡时间[107]。居家奇(2011)通过心理物理学、实验心理学的相关理论设计实验，研究了光谱和光照强度对生理参数改变的影响，分析了心率、体温、血压、视亮度等实验参数的变化情况，得到了定量的变化关系[108]。

3)中枢神经系统(CNS)生理信号。

随着研究技术的不断发展与革新，CNS的生理信号已经能被读取，CNS测量越来越多的被引入到光与健康相关的实验研究中。CNS测量主要包括脑电图(EEG)、事件相关电位(ERP)、功能性磁共振成像(fMRI)、正电子发射断层扫描(PET)等。

国内外光与健康的实验研究中，普遍开始探索采用EEG作为研究手段，以获得客观的实验结果。B Plitnick等(2010)探讨了蓝光与红光对人夜间警觉性和睡眠状态的影响，通过测量记录被试的睡眠质量、大脑活动、警觉性等生理指标，分析评估被试的身体状态，指出蓝光和红光都能提高被试脑电波中β波段的能量，从而抑制睡眠，同时对其警觉性产生影响[109]。Yu-Bin Shin等(2015)[110]研究了居住空间中照明方式对情绪和脑波活动的影响，在测量EEG的同时采用了 SAM和VAS量表，结果显示直接-间接结合的照明方式更加受欢迎，而EEG中θ波的变化活动能有效的反映出不同光环境中的情绪状态。

CNS测量中的其他生理信号及方法，由于发展较晚、技术较新，在光与健康的研究中尚未有太多的应用，但是在心理学实验的探索中已经逐步取得成果，可以期待未来健康照明研究中将引入更加前沿的生物技术。刘光亚(2006)通过ERP对抑郁症患者的情绪图片认知进行了研究，结果表明抑郁症患者对情绪图片刺激进行评价的反应模式与正常人有显著的区别[111]。T.M.C. Lee等(2010)使用fMRI对情绪与说谎时的神经关联进行研究后发现，欺骗时的神经活动与愉悦度有相关性[112]。Choy(2013)探讨了通过聆听带有一定情绪的音乐，使述情障碍的患者根据情绪效价(快乐、悲伤)完成“音乐—音乐”和“音乐—词语”的对应任务，通过ERP的数据分析来评估脑损伤患者的情绪[113]。

4)行为测量。

健康照明实验研究中的行为测量主要包括面部表情识别、语音语调识别、肢体运动识别。光环境作为研究对象的实验，因刺激因素往往不能引起语言行为和肢体运动，适用的行为测量方法主要是面部表情识别。Mauss等(2005)进行了面部表情与情绪状态的关系研究，结果显示二者有很强的相关性[114]。目前面部表情识别多采用图像识别的方法来实现[115-116]，主要应用于计算机视觉的研究中，使人工智能读取人类情绪状态，建立人机互动[117]。

5.2 健康照明的循证设计

循证设计(Evidence Based Medicine，简称EBM)[118]是在循证医学和环境心理学基础上诞生的一种设计思想，强调用科学的研究方法和统计数据来证实建筑与环境对健康的实证效果和积极影响。循证设计源于循证医学，它的核心价值是：基于客观的科学研究证据，结合实践经验，综合使用者意向，提出实际问题的最优解答[119]。美国健康设计中心将循证设计定义为：“基于可靠研究成果而制定的关于建筑环境的有据决策，以期达到最佳成果的设计过程”。

循证设计已经成为目前研究成果向应用实践转化的重要手段。美国、加拿大以及英国已经有超过50家大型医疗机构加入了医院设计中心的“卵石项目计划”，用循证设计的方法来指导医疗建设项目[120]。金鑫(2012)等人[118]运用循证设计的基本原理和方法，对北京朝阳医院急诊科调研结果进行分析，提出影响医院急诊科使用效率的内容。格伦等人(2014)[121]基于循证设计理念，对全国20家综合医院的功能和空间使用情况展开深入调研并进行用后评价，为医院护理单元的设计提供参考。Rainey(2015)[122]基于花园改善健康的各种理论，根据特定医疗机构的患者与医护人员的需求来设计康复花园。

随着光与健康研究的深入，设计师也获得了越来越多的数据。目前已经有众多的案例，特别是在医院空间及养老空间，基于循证设计的思想营造满足人类健康需求的光环境。

名古屋第二赤十字病院的NICU[123](新生儿重症监护室)病房通过间接照明的方式，减少婴儿脸部直射光线。根据实验研究结果，在光色上选择浅黄色中加入少许橙色，使婴儿不易发怒烦躁，减少抑郁状态，加快病情恢复。

德国柏林Charité医院[124]的ICU病房在病床上设置了弯曲的发光天棚，与墙体无缝连接，通过设置模拟天空创造自然日光环境，覆盖病人的视觉区域，提高病人康复速率，并在应用实践中探索病人偏好的模拟天空及自然光环境特点及参数。

澳大利亚布里尼儿童医院[126]利用可以安装在任何表面的发光瓷砖生成实时动画，设计了一面互动的LED墙体。儿童通过触碰互动木墙，可以动态地改变室内光环境，激发他们与周围环境的互动，减少他们对医院的陌生和恐惧之感，从而轻松愉快地接受治疗。

6 结语

照明科技发展到今天，已经不仅仅局限于点亮生活，照明研究与应用正在从视觉作用拓展到情绪调节、节律修复等光的疗愈作用，当然一切效用应在光生物安全的基础上。通过光与健康的研究、设计与应用提高生存质量与生活品质，成为未来照明领域发展的新趋势。光与健康的研究，包括“视觉功效、生理需求、情绪调节”三个维度，我们的基础研究应该对每个方面进行深入的探讨，通过循证设计，作为健康照明设计的理论依据。随着照明前沿技术的发展，光与健康的理念在未来应该不断深入人类生活、工作、研究、探索乃至生存的方方面面，从人居空间到医养空间，从特殊环境到极端环境，都可以通过光照环境的设计来满足使用者的健康需求。健康照明的影响范畴，也可以从满足视觉作业需求拓展到情绪调节、睡眠质量、环境认知、节律修复等多个方面，更广泛地适应不同空间环境及满足不同人群的身心需要。

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ResearchTrendsandApplicationProspectsonLightandHealth

HAO Luoxi1,2, CAO Yixiao1, CUI Zhe1,2, ZENG Kun1, SHAO Rongdi1
(1.CollegeofArchitecture&UrbanPlanningofTongjiUniversity,Shanghai200092,China；2.KeyLaboratoryofEcologyandEnergy-savingStudyofDenseHabitat,MinistryofEducation,Shanghai200092,China)

With the development of technology, the research and application of light environment has expanded from vison to emotion, sleep, cognition, rhythm and many other aspects. Light and health has become new direction for the development of lighting. This paper reviews the history of healthy lighting research, analyses essential factors of human centric lighting; summarizes the photobiological safety problems and healing effects of light, puts forward the future direction of healthy lighting research, design and application and anticipates the frontier science of light health and the inevitable trend of evidence-based design. A comprehensive review of the current healthy lighting is made.

light；health；human factors lighting；evidence based design

国家重点研发计划资助(项目编号：2017YB0403700)，国家自然科学基金资助(项目批准号：51478321)

TU1

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.001