周曉明 徐嘉彬 邵志棟

(華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院∥亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510640)

LED 在節(jié)能家電、車(chē)前燈和街燈中已經(jīng)占據(jù)了重要的位置，這種新型光源是否會(huì)影響人體器官引起了研究人員的注意.過(guò)去十年間，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注光在視網(wǎng)膜上的非成像生物作用，例如績(jī)效與注意力［1-3］、睡眠質(zhì)量［4］和荷爾蒙分泌［5-6］等，其中特別引起關(guān)注的是大腦視交叉上核中生物鐘的視網(wǎng)膜通道效應(yīng).

由于人的第三種感光細(xì)胞ipRGC(Intrinsically Photosensitive Retinal Ganglion Cell)的發(fā)現(xiàn)，光源與人體生理健康的關(guān)系得以進(jìn)一步重視［7-8］，最近的研究發(fā)現(xiàn)光具有調(diào)節(jié)人體生理節(jié)律作用.Brainard等［6］通過(guò)使用8 種單色光在夜間照射測(cè)試者，發(fā)現(xiàn)不同單色光對(duì)人體褪黑色素含量的抑制作用不同，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制了基于褪黑色素的光譜光視效率曲線(xiàn).Mariana 等［9］的研究表明，在40 lx 的紅光和藍(lán)光照射下，人的心率提高，在10 lx 的紅光和藍(lán)光照射下腦電圖中的α 波幅度下降，而β 波幅度上升.Christian 等［2］通過(guò)使用不同波長(zhǎng)的光照射人眼，發(fā)現(xiàn)短波光照比長(zhǎng)波對(duì)體溫、心率的變化作用更為顯著.柴穎斌等［10］研究低照度彩光下(人眼處約75lx)人體的心率變化，發(fā)現(xiàn)在低照度水平下不同顏色光引起的心率變化存在差異.上述種種實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明光源的波長(zhǎng)是影響生物效應(yīng)的重要因素，表明光對(duì)人體是一個(gè)潛在的生理、行為和治療的激勵(lì)源［1-3，6，9］.近期的醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究證實(shí)，血液中褪黑色素日含量自然變化偏差不僅影響精神狀態(tài)，在長(zhǎng)時(shí)間積累后還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問(wèn)題，如早衰、性功能異常、乳腺癌等.

窄帶光源的生理節(jié)律光譜靈敏度已經(jīng)有了很好的實(shí)證研究［11］，對(duì)于光源的設(shè)計(jì)已能從光的非視覺(jué)生物效應(yīng)方面給予指導(dǎo).隨著人工照明的普及，許多城市都變成了不夜城，夜晚低照度光同樣對(duì)人體的生理存在著影響.文中基于Brinard 等［6］對(duì)褪黑色素抑制作用研究中定義的光譜光視效率曲線(xiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析夜晚極弱光源對(duì)于人體ECG(Electrocardiograph)的生理影響.

1 生物節(jié)律因子

人眼中的各類(lèi)感光細(xì)胞對(duì)不同的光譜光源有不同的響應(yīng)，可以通過(guò)光通量的概念引入生物節(jié)律因子，借以評(píng)價(jià)光的生物效應(yīng)［12-13］.圖1中空心圓點(diǎn)為Rea 等［11］根據(jù)褪黑色素抑制作用得出的人體生理節(jié)律光譜響應(yīng)靈敏度，司晨視覺(jué)曲線(xiàn)B()是其4階擬合曲線(xiàn)，明視覺(jué)曲線(xiàn)V()是明視覺(jué)下的光譜光視效率曲線(xiàn).從圖1可以看出擬合的B()曲線(xiàn)峰值在460 nm 附近，相對(duì)于明視曲線(xiàn)V()向短波方向偏移，處于藍(lán)光部分，這是大部分白光LEDs 富含的光譜波段.由明視曲線(xiàn)V()和擬合的B()曲線(xiàn)可以定義出生物節(jié)律因子.

圖1 光譜光視效率曲線(xiàn)(歸一化)Fig.1 Spectral luminous efficiency curves (normalized)

按照生物節(jié)律因子的概念，可以通過(guò)下面兩個(gè)步驟求得其數(shù)值［12］:

式中，Km=683 lm/W，為明視覺(jué)下最大光視效率值，Φv，i表示特定光譜歸一化后的值.

2)節(jié)律因子BioEq(Biological Equivalent)為

通過(guò)光譜儀測(cè)得不同光源的光譜Ф()i，即可計(jì)算得到節(jié)律因子BioEq.

明視覺(jué)中光源在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光通量大小就是光源照度值的大小，而生物節(jié)律因子的大小反映的是光源對(duì)人體生物效應(yīng)的大小.

2 LED 歸一化光譜

實(shí)驗(yàn)中采用的光源均為L(zhǎng)ED 類(lèi)，分別為主波長(zhǎng)在448、517 和632 nm 的藍(lán)光、綠光和紅光，圖2為用WGD-3 型多功能光柵光譜儀測(cè)得的3 種光源經(jīng)過(guò)式(1)歸一化后的光譜分布曲線(xiàn).將測(cè)量所得的光源光譜數(shù)據(jù)V()通過(guò)式(1)和(2)可分別計(jì)算得到藍(lán)光、綠光和紅光的生物節(jié)律因子，結(jié)果依次為1.7003、0.0094、0.0005.藍(lán)光的BioEq 值最大，綠光次之，紅光最小，與光通量類(lèi)比，藍(lán)光對(duì)人體的光生物效應(yīng)影響最大，紅光的影響最小.據(jù)此，根據(jù)第3種感光細(xì)胞的光譜效率曲線(xiàn)，使用BioEq 值來(lái)衡量3 種顏色的LED 光源的生物作用，定量地分析非視覺(jué)生物效應(yīng)的大小，指導(dǎo)心電圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和比較.

圖2 光譜分布曲線(xiàn)(歸一化)Fig.2 Spectral irradiance distribution curves (normalized)

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)選取了幾名被測(cè)試人員對(duì)同一種光源進(jìn)行連續(xù)3 個(gè)晚上的測(cè)量，每個(gè)被測(cè)試者只進(jìn)行一種波長(zhǎng)的ECG 測(cè)量.被測(cè)試者均為男性，無(wú)眼疾、無(wú)色盲、矯正視力均在5.0，并被要求在測(cè)試期間正常作息.實(shí)驗(yàn)在自建實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，環(huán)境溫度控制在25 ℃，聲音水平在10 dB 左右.被測(cè)試者采用平躺姿勢(shì)，光源分布于被測(cè)試者周?chē)?，使得被測(cè)試者在平躺的狀態(tài)下沒(méi)有眩光影響，并通過(guò)墻體的漫反射使得平躺時(shí)人眼處的照度達(dá)到所需值.心電圖的記錄采用ECG-2203G 三道心電圖機(jī)進(jìn)行，此心電圖機(jī)能將測(cè)量的ECG 數(shù)據(jù)進(jìn)行打印，直接得到心房除極波P波、心室除極波QRS 波群、心室除極與復(fù)極總時(shí)間QT 間期和校正值QTc 等心電圖波形時(shí)間.光源為4盞吉海仕全彩LED，能實(shí)現(xiàn)不同顏色的LED 光輸出.測(cè)試時(shí)被測(cè)試者先在無(wú)光暗室中平躺20 min，然后打開(kāi)設(shè)置到規(guī)定顏色的LED 光源，在測(cè)試光的情況下平躺20 min.期間每5 min 測(cè)量一次ECG.采用的光源顏色為紅、綠、藍(lán)3 種.人眼處照度值采用TES 公司1336A 型號(hào)的Light Meter 進(jìn)行測(cè)量，在自建環(huán)境中測(cè)得照度值:紅光0.9 lx、藍(lán)光1.0 lx、綠光0.9 lx，均為極低照度水平.

實(shí)驗(yàn)共獲得了10 組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含無(wú)光和有光狀態(tài)下的心電圖數(shù)據(jù).在同一種波長(zhǎng)下測(cè)量的數(shù)據(jù)合并成1 組，對(duì)無(wú)光狀態(tài)和有光狀態(tài)下的數(shù)據(jù)分別求平均，得到的結(jié)果如圖3(a)-(f)所示.圖中NL 為No Light 的縮寫(xiě)，表示無(wú)光時(shí)的測(cè)量值;RL 為Red Light 的縮寫(xiě)，表示紅光照射下的測(cè)量值;GL 為Green Light 的縮寫(xiě)，表示綠光照射下的測(cè)量值;BL為Blue Light 的縮寫(xiě)，表示藍(lán)光照射下的測(cè)量值.圖中方框表示測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差SD，中間的圓點(diǎn)表示測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值，上下水平短線(xiàn)表示測(cè)量值的最大值和最小值.TP、TQRS、TT、TQT表示各波時(shí)間間隔，表1-3 為打開(kāi)LED 光源時(shí)與無(wú)光時(shí)測(cè)試數(shù)值對(duì)比及其獨(dú)立性t 檢測(cè)結(jié)果.

圖3 心電圖各項(xiàng)數(shù)值變化Fig.3 Variation of ECG parameters

圖3(a)和圖3(b)表明，不同光源對(duì)人體ECG 的P 波時(shí)間和QRS 波群時(shí)間影響不大，且獨(dú)立性t 檢測(cè)均顯示無(wú)光和有光情況下的數(shù)值沒(méi)有差異性.圖3(c)顯示，反映心室晚期快速?gòu)?fù)極過(guò)程的T 波時(shí)間在紅光和綠光下數(shù)值有所增加，其中綠光下的T 波時(shí)間平均增加了4 ms(參數(shù)t = -2.279，P =0.036)，而藍(lán)光下則顯示下降.從圖3(d)中可以看出，紅光和綠光下的QT 間期有較明顯增大(紅光平均增大5 ms，t = - 2.202，P = 0.04，綠光增大7 ms，t =-2.829，P=0.012)，藍(lán)光下則基本沒(méi)有變化，由于QT 間期代表了心室的除極到復(fù)極的總時(shí)間，這表明光源的波長(zhǎng)對(duì)心室活動(dòng)有著不可忽視的影響.圖3(e)中顯示，QTc 值在不同光源下都有增大的趨勢(shì)，其中紅、綠光下增大2 ms 左右，而藍(lán)光的測(cè)試結(jié)果顯示有6 ms 的增大值，但獨(dú)立性檢測(cè)均表明無(wú)光下的數(shù)據(jù)和3 種光源下的數(shù)據(jù)沒(méi)有差異.圖3(f)數(shù)據(jù)顯示極低照度下紅光和綠光對(duì)心室率基本沒(méi)有影響，而藍(lán)光下的心室率則呈現(xiàn)出加快跡象(平均增大2 次，t= -2.456，P=0.022).

從表1-3 可以看出存在顯著性差異的有紅、綠光下的QT 值、綠光下的T 值和藍(lán)光下的心室率.從其他研究者的結(jié)果［10］來(lái)看，在75 lx 下對(duì)于心室率的影響大小排序?yàn)樗{(lán)光＞綠光＞紅光，前述計(jì)算所得的BioEq 值分別為藍(lán)光1.700 3，綠光0.094，紅光0.0005，數(shù)值上亦顯示藍(lán)光的生物效應(yīng)影響最大，文中實(shí)驗(yàn)結(jié)果中藍(lán)光下心室率有增大并存在差異性，表明在1 lx 水平的光照中藍(lán)光對(duì)心室率的影響依然存在，而紅光、綠光的影響已經(jīng)微弱至沒(méi)有影響.文獻(xiàn)［2，6，10］中均表明在不同照度值下短波長(zhǎng)的光對(duì)人體生理(褪黑色素、心率)的影響較長(zhǎng)波長(zhǎng)的大，與BioEq 的計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)出較為一致的趨勢(shì)，而本實(shí)驗(yàn)中QT 值結(jié)果卻呈現(xiàn)相反的狀態(tài)，從均值上看排序?yàn)榧t光＞綠光＞藍(lán)光，紅、綠光下的數(shù)據(jù)存在差異性，而藍(lán)光下的則沒(méi)有差異性.究其原因，計(jì)算BioEq 值使用的是基于褪黑色素抑制作用數(shù)據(jù)的4階擬合曲線(xiàn)，對(duì)于用其來(lái)描述光的生物效應(yīng)程度可能存在一定的局限性.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，低照度下短波長(zhǎng)的光源對(duì)心室率的影響較大，而長(zhǎng)波段的光源對(duì)QT 值的影響較大.

表1 無(wú)光和綠光條件下心電圖各項(xiàng)指標(biāo)獨(dú)立性t 檢測(cè)1)Table1 Independent samples t test of ECG parameters between dark and green light conditions

表2 無(wú)光和紅光條件下心電圖各項(xiàng)指標(biāo)獨(dú)立性t 檢測(cè)Table2 Independent samples t test of ECG parameters between dark and red light conditions

表3 無(wú)光和藍(lán)光條件下心電圖各項(xiàng)指標(biāo)獨(dú)立性t 檢測(cè)Table3 Independent samples t test of ECG parameters between dark and blue light conditions

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光源在極低照度下對(duì)心臟的ECG 各項(xiàng)指標(biāo)存在著潛在的影響，其中對(duì)于QT 值和心室率存在較大影響.藍(lán)光波段對(duì)心率的影響更大，紅、綠光對(duì)QT 值的影響較為明顯.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算的生物節(jié)律因子BioEq 在QT 值變化趨勢(shì)上存在差異，部分原因來(lái)源于BioEq 基于褪黑色素抑制作用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算所得，反映的是褪黑色素的光譜抑制因子，用來(lái)評(píng)價(jià)光的非視覺(jué)生物效應(yīng)存在片面性，可見(jiàn)理論評(píng)價(jià)方式有待改進(jìn).

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