不同年齡群體的光生物效應評價方式

周曉明， 劉丹丹

(華南理工大學物理與光電學院 亞熱帶建筑國家重點實驗室， 廣東 廣州 510641)

不同年齡群體的光生物效應評價方式

周曉明*， 劉丹丹

(華南理工大學物理與光電學院 亞熱帶建筑國家重點實驗室， 廣東 廣州 510641)

研究了照明光環境對不同年齡人群的光生物效應定量評價方式。從光照轉換角度提出了一種考慮不同年齡人眼透射譜、瞳孔直徑以及受光面積的節律因子模型，選取3種不同色溫(3 000，4 000，6 000 K)的白光LED光源，在同種照度500 lx下實驗測試其光譜分布，并對提出的節律因子進行計算，與之前標準中考慮年齡的修正因子方式進行了線性擬合對比分析。結果表明：在相同色溫下，隨著年齡的增大，節律因子值逐漸減少；而對于相同年齡，隨著色溫的增大，節律因子是變大的，此種規律與其他研究人員得出的實驗結論一致。從線性擬合相關度上來看，三種色溫下兩種考慮年齡的節律因子的直線相關度分別為0.958 08，0.958 33，0.957 22，具有較高的相關性。較之于標準中的考慮透光譜方式，本文提出了另外一種考慮不同年齡人眼差異的光生物效應評價方式，嘗試對人眼模型的透射譜進行絕對而不是相對效應的考慮方式。

非視覺生物效應； 節律因子； LED光源； 年齡

1 引 言

人眼視網膜包含3種不同類型的感光細胞：視錐細胞、視桿細胞和第三類感光細胞。對于明視覺，主要作用的感光細胞是視錐細胞；而在暗視覺下，主要作用的感光細胞是視桿細胞。以往一直認為人眼中僅存在這兩種感光細胞，直到2002年Berson等[1]發現了哺乳動物視網膜的第三類感光細胞—ipRGC(Intrinsically Photosensitive Retinal Ganglion Cell)，使人們認識到人眼除了視覺通路外，還存在非視覺通路，將照明領域的研究從視覺范疇拓展至非視覺領域。光生物效應，亦稱為光的非視覺生物效應，具體表現為在第三類感光細胞的作用下，光參與調節人體生理體征、激素分泌、晝夜節律和瞳孔大小等人體生物效應，同時對人體的警覺性和興奮程度也有影響。隨著研究的深入，基于光生物效應的照明評價也受到了重視，目前可以明確的是光照對人體生理節律確實產生影響，但是具體的影響還有待更深入的研究，如什么樣的光照對人體是最佳的，這不僅與照明環境有關，而且還與人體本身相關，仍然存在很多不確定性[2]。

對于光生物效應的定量評價和檢測，目前所有光學測量儀器均難以實現，原因在于光生物效應的光譜響應曲線與傳統的明視覺函數V(λ)存在較大差異，國內外實驗研究均表明，短波藍光部分(460～490 nm)的光生物效應比較明顯。光源及照明環境的光譜能量分布在實踐應用中將變得尤為重要，因為它同時影響了照明的視覺效果和非視覺效果[3]。

照明光的性能可用幾個主要參數表示：光照強度、光譜、空間分布、光照的時刻和照射的持續時間[4]。照明的非視覺生物效應除了光源形成的外界光環境，也與人眼結構有關，二者同時作用，共同決定光照下對人體產生的光生物效應的程度。人類眼睛的特性并不是一成不變的，而是與年齡有著密切的關系。臨床研究表明，不同年齡人眼晶狀體的透射譜不同[5-6]，入射至視網膜的光與人眼透射率密切相關，而人眼透光率隨年齡的增長而降低，具有統計意義上的規律性。在同一光照條件下，入射到不同年齡人眼視網膜上的光存在差異[7]，從而會影響其相應的光生物效應。此外，人眼瞳孔直徑的大小，以及視網膜的受光面積也與接收到的光量有關。關于人體褪黑激素抑制作用的研究表明，光照對青少年褪黑素抑制作用更顯著，如Figueio等人的研究[8]。居家奇對比了青年人和老年人在低照度彩光照明環境前后的心率變化[9]，發現在低照度彩光照明下能夠引起年輕人心率顯著變化，而并不能引起老年人的心率變化，說明同種光照對于不同年齡段人群產生的光生物效應有所不同。因此，年齡、瞳孔直徑以及受光面積與光生物效應之間應該存在內在聯系，在評價光照對人體的影響時，應該將這些因素考慮進去。

目前對人體褪黑激素抑制、瞳孔大小以及其他生理指標方面的研究比較多，通過這些生理指標在光照前后的變化率去定量評價光照對人體的影響，即光生物效應的大小。從這些研究中，還得到了人體褪黑激素抑制率以及瞳孔收縮率與光照條件的定量關系[10-11]，其成果對于動態調光提供了一定的依據。國際上對于如何定量評價光生物效應的影響迄今尚未形成統一標準，有研究者提出光生物節律因子的概念去定量的評價光生物效應，如Gall等[12]提出的acv模型，Rea等[13]提出的光譜靈敏度模型，Andrei等[14]提出的BioEq模型，居家奇[15]提出的光劑量概念等。有研究表明[16]，節律因子與實際生理變化具有一定的相關性。另外，在這些提出的評價模型中，acv模型和 BioEq模型在定量表征時都是只與光源有關，而與人體本身無關；光譜靈敏度CLA模型考慮了人眼特性，建立在已知的視網膜光敏色素和神經解剖學與生理學的基礎上，但公式過于繁雜；光劑量模型考慮了時間因素，但與acv模型和 BioEq模型一樣不能反映不同年齡人眼的差異。

對于節律因子的研究表明，其與實際生理變化具有線性關系。本文在前人提出的節律因子的基礎上，將基于不同年齡人眼晶狀體透射譜以及瞳孔直徑對光生物效應的評價模型進行了分析，考慮了不同年齡段人眼統計意義上的差異性。德國標準DIN V 5031-100: 2009[17]中給出了兩個關于人眼透射率以及瞳孔直徑的修正因子，本文中基于這兩個修正因子將Gall等人提出的節律因子評價模型acv進行修正為acv(A)。另外本文考慮將通過人眼的光照進行轉換，基于此提出一種新的節律因子模型M，并將這兩種節律因子對3種不同色溫白光分別進行計算，對計算結果進行線性擬合比較分析。

2 原 理

2.1 光譜響應曲線

光譜響應曲線，又名光譜光視效率函數，是通過在一定的實驗條件下(如不同的目標張角、亮度水平)采用一定的實驗方法進行心理物理實驗測量得到的。它反映的是一個由視覺系統接受光輻射能量并經大腦信息處理后的一個心理物理量，受觀測者的主觀因素(心情、反映速度等)和客觀條件(年齡、健康狀況等)以及實驗條件的客觀因素(亮度水平、目標張角等)的影響[9]。

目前，對于明視覺的光譜響應曲線V(λ)和暗視覺的光譜響應曲線V′(λ)，國際照明委員會(Commission Internationale de L’Eclairage, CIE)已經給出了明確的規定，中間視覺的模型在2010年CIE也給出了對應的標準。但是對于非視覺，其光譜響應曲線C(λ)，由于其涉及的復雜性，在國際上至今還并沒有一個統一的標準。研究者為此做出了大量的研究工作。相關實驗表明，非視覺光生物效應的光譜響應范圍主要在短波藍光區域。目前人們主要從3個方面建立非視覺光譜響應曲線，分別是基于人體褪黑素分泌抑制作用、基于人眼瞳孔大小變化以及基于人體其他生理指標變化，國際上普遍認可的兩種非視覺生物效應光譜響應曲線是前兩者。

明視覺光譜響應曲線V(λ)峰值在555 nm，暗視覺V′(λ)峰值在507 nm。Brainard等[10]和Thapan等[18]從褪黑素抑制得到C(λ)的峰值分別為464 nm和459 nm。德國的Gall 等[19]基于Brainard與Thapan的褪黑素抑制實驗數據擬合出一條光譜響應曲線C(λ)，峰值在450 nm附近，此曲線被德國標準DIN V 5031-100:2009[17]所實施。Enezi等[20]提出了一條非視覺的光譜響應曲線Vz(λ)，如圖1所示，它是通過基于單個視蛋白的數學模板所構造，峰值在490 nm左右。Rea等[13]基于Brainard 等[10,21]和Thapan等[18]的實驗數據擬合了一條光譜響應曲線并提出了一個結合多種感光細胞的CLA模型。Berman等[22]基于瞳孔收縮得到的峰值為491 nm。居家奇[9]從心率變化率得到峰值為497 nm的非視覺的光譜響應曲線。

圖1 非視覺的光譜響應曲線C(λ)[19]、Vz(λ)[20]、明視覺曲線V(λ)和暗視覺曲線V′(λ)。

Fig.1 Relative spectral sensitivity of the circadianC(λ)[19], melanopicVz(λ)[20], photopicV(λ) and scotopicV′(λ).

2.2 光生物節律因子acv

Gall等[12]提出光生物節律因子acv的概念，以此來量化評價光照對人體產生的非視覺生物效應，表達式如下：

(1)

其中P(λ)是照射進人眼的光譜功率分布,C(λ)是非視覺的光譜響應曲線，V(λ)是明視覺的光譜響應曲線。對于某一種光源acv是一個定值，但是對于不同年齡的人來說并沒有什么區別，也就是說沒有考慮年齡的影響。

在光度學測試中，我們通常用光通量Ф(單位:lm)來表征光量的多少，光通量是指單位時間內光輻射能量的大小，光通量是說明光源發光能力的基本量，表達式如下：

(2)

其中，Km= 683 lm/W為明視覺下最大光視效率值；P(λ)為絕對光譜能量分布；V(λ)為明視覺光譜光效函數。

與此類似，光生物效應的等效光通量為

其中C(λ) 是非視覺的光譜響應曲線。

2.3 修正因子kbiol(A)

人眼的透射譜和瞳孔直徑都會影響非視覺生物效應，德國的標準DIN V 5031-100: 2009[17]中提出了一個修正因子，將這兩種因素考慮了進去，定義式如下：

(4)

其中A代表年齡，kbiol trans(A) 是對于人眼媒介基于年齡的修正因子，kpupil(A)是基于瞳孔直徑和年齡相關的修正因子。經過修正之后，光生物效應的等效光通量表達式為

(5)

修正因子kbiol trans(A)表達式為

其中τ(λ,A) 是人眼的透射率，在統計意義上隨著年齡的改變而改變，此修正因子利用的是對于年齡為25歲的一個相對效應方式。在饒豐等人[23-24]關于不同年齡人群光生物效應的研究中對于節律因子就是利用此修正因子。

kpupil(A) 是與瞳孔直徑和年齡相關的修正因子，表達式為

(7)

其中c=0.005 59。kpupil(A)是關于年齡A的一個函數，并隨著年齡的增大而減小，對于某個特定年齡通常被認為是一個定值。

表1 不同年齡對應的瞳孔直徑修正因子kpupil(A)

考慮上述因素后，評價因子可以修正為

(8)

2.4M因子

人體的眼睛是一個精細的結構，如圖2所示[25]。光入射到人眼的眼角膜，然后集中到視網膜。進入視網膜的光取決于瞳孔大小和眼組織的光譜透射。

圖2 人眼的組織結構

實驗測量所得的光譜能量分布是指照射到人眼眼角膜處的光照，記為Scor(λ)，可以通過下式轉換為視網膜上的光照分布

(9)

其中τ是人眼的透射率，如前所述，也是與年齡、波長有關的一個因子；D是瞳孔的直徑(通常為2～8 mm)，本文中假設評估的是最大的可能的光生物效應，光照下瞳孔擴張到最大，取瞳孔直徑D為8 mm；Aret為視網膜上照明的區域面積[26-27]，本文中簡化為與整個中央凹處相等，是個直徑為1.5 mm的圓形區域。

綜合上式以及acv公式，考慮到不同年齡段人眼的晶狀體透射譜存在統計上的差異性，本文提出一種改進的節律因子，用以定量評價光照對不同年齡人員的光生物效應大小，表達式為

(10)

其中為Sret(λ)為轉換至視網膜上的光譜分布，C(λ)為非視覺的光譜響應曲線。

將式(10)與后述的式(11)和(12)結合，即可將M用于定量評價光環境對人體的光生物效應大小。此評價模型將外界光環境與人眼本身因素相結合，考慮了光照入射至人眼處的光源本身的能量分布、人眼瞳孔直徑和受光面積、光照進入不同年齡段人眼的透射率，綜合評價光照產生的非視覺作用的影響。

2.5 透射譜

人眼的透射率τ(λ,A)與光密度Dτ(λ,A)的關系式為

(11)

Van de Kraats 和 Van Norren[6]在年齡對于人眼透射率的影響方面進行了詳細的分析。根據這些研究，他們基于人眼的散射和吸收光譜建立了一個對于人眼的光密度經驗公式，Dτ(λ,A)是波長和年齡的函數。2012年CIE的技術報告[25]將這個經驗公式修改為下式，其中λ代表波長，單位為nm；n代表年齡，單位為years。

(0.059+0.000186·A2)·11.95·exp(-{[0.021·(λ-325)]2})+

(0.016+0.000132·A2)·1.43·exp(-{[0.008·(λ-325)]2})+0.06.

(12)

不同年齡段人眼透光率光譜分布通過Van de Kraats 和Van Norren[6]的模型計算得到。通過經驗公式計算得到從10歲到70歲之間的光密度，將其轉化為透光率數據，如圖3所示。

圖3 不同年齡人眼的透射譜

從圖3可知，隨著年齡的增長，人眼的透射譜不斷下降，藍光部分隨年齡增長的下降速度大于紅光部分。這些差異必然導致在相同的照明條件下，不同年齡人眼的視網膜照度不同，從而對人體產生的非視覺影響不同。圖3中的透射譜數據是通過經驗公式計算得到。而在一些文獻中，例如文獻[28] 通過32個40歲及更大年齡的人眼晶狀體中得到完全透射譜，透射譜的總體趨勢是一致的。需要指出的是以上均是從統計意義上來說，個體差異顯然是存在的。

3 計算與討論

3.1 光源的光譜分布

本研究選取不同色溫的白光LED光源為研究對象。采用杭州遠方公司的SPIC-200B型光譜彩色照度計測量光源的光譜分布，測量時調整光源與光譜彩色照度計之間的距離，使得照度計處的照度值相等(均為500 lx)，得到其相對光譜能量分布如下圖所示。

圖4 3種白色LED光源的相對光譜能量分布

Fig.4 Relative spectral power distributions of the three white LED light sources

3.2 計算結果與比較討論

由式(6)計算3種色溫下不同年齡段的透射譜的修正因子見表2。

表2 3種色溫白光下不同年齡對應的透射率修正因子kbiol trans(A)

根據光源光譜計算光照對于年齡為10、20、25、30、40、50、60、70的人群對應的兩種節律因子見表3、表4。本文中計算時非視覺的光譜響應曲線采用Gall提出的C(λ)，此曲線在德國的DIN V5031-100: 2009這個標準中實施采用。

從表3和表4中可知，兩種生物節律因子的趨勢是一致的。無論何種色溫LED，隨著年齡的增加，節律因子值均呈下降趨勢。這是因為人眼透射譜隨著年齡增加而降低的緣故。在同種色溫情況下，年齡越大，節律因子值相對變小，即光照對年長者產生的光生物效應較小。LED色溫越高，節律因子值減小得越快，此種情況主要是因為高色溫LED的藍光成分較多，從圖3也可知人眼的透射譜在藍光波段隨著年齡的變化比較明顯。對于年齡較小者，隨著色溫的不同，對應的節律因子值差異較大；而隨著年齡的增大，這種差異呈逐漸減小趨勢，表明年輕人的光生物效應受到進入人眼的光照度與色溫的影響較大，而色溫對老年人影響相對較小。將本文結果與早期研究進行比較可以相互佐證。例如Figueio等人[8]關于人體褪黑激素的抑制作用的研究表明，光照對青少年褪黑素抑制作用比其他人更顯著，饒豐等人[24]關于青年人與老年人的心率變化實驗表明，青年人的心率變化率大于老年人，并且青年人在高色溫光源下的心率變化大于低色溫情況。

表3 3種色溫白光下不同年齡對應的修正后的光生物節律因子acv(A)

Tab.3 Modified biological rhythm factoracv(A) for different ages in three white LED light sources with different color temperatures

acvacv(10)acv(20)acv(25)acv(30)acv(40)acv(50)acv(60)acv(70)3000K0.31120.39710.34070.31120.28170.2250.17390.13010.09444000K0.44130.56730.48460.44130.39830.31470.24030.17730.12686000K0.70830.91460.77940.70830.63720.50040.37890.27630.1951

表4 3種色溫白光下不同年齡對應的光生物節律因子M(A)

對于計算出的acv(A)與M(A)值做散點圖并做線性擬合，擬合結果如圖5所示。

由圖5可知：3種色溫下兩種節律因子的直線相關度分別為0.958 08，0.958 33，0.957 22，存在線性相關，表明本文提出的M節律因子與DIN標準中提出的考慮年齡的修正因子在評價光生物效應時有很高的擬合度，M節律因子適用于作為不同年齡人群非視覺效應的定量評價方式。

圖5 3種不同色溫白光下兩種節律因子的擬合。(a) 3 000 K；(b) 4 000 K；(c) 6 000 K。

Fig.5 Linear fitting of two kinds of rhythm factor for three different color temperature white LED light sources. (a) 3 000 K. (b) 4 000 K. (c) 6 000 K.

4 結 論

目前在光生物效應的定量評價方面還沒有形成統一標準，而應用較多的acv模型等均沒有將不同年齡的人眼透射率情況考慮進去，事實上對于不同年齡人群，光照對于其影響是不同的。DIN V 5031-100: 2009標準中對于年齡提出一種修正因子，考慮人眼透射譜是相對于25歲年齡的相對效應。本研究中提出了一種考慮人眼透光譜、瞳孔直徑以及受光面積的光生物效應的評價方式，按照人眼結構從光照轉換的角度建立節律因子M模型。選取了3種色溫的白色LED光源，對提出的節律因子進行計算，并將兩種節律因子進行了線性擬合。結果表明：在相同色溫下，隨著年齡的增大，節律因子值逐漸減少；對于同種年齡，節律因子隨著色溫的增大而變大。從線性擬合相關度來看，3種色溫下兩種考慮年齡的節律因子的直線相關度分別為0.958 08，0.958 33，0.957 22，具有較高的相關性。

目前對于老年人、色弱色盲等特定人群的照明方面的研究還比較少。不同年齡段人群的非視覺效應是不一樣的，在照明需求上應該有所區別。不同于DIN V 5031-100: 2009標準中的修正因子相對效應的方式，本文將進入人眼的光照進行直接轉化，提出了一種考慮不同年齡人眼的光生物效應的評價方式，對于評價光環境對不同年齡人體產生的實際的影響提供了一定的依據，為不同人群選擇更加適合的健康照明生活環境提供了一定的指導。

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周曉明(1963-)，男，湖南衡陽人，博士，教授， 2004年于華南理工大學獲得博士學位，主要從事物理場生物效應的研究。

E-mail: zhouxm@scut.edu.cn

Evaluation of Photobiological Effects in Different Age Groups

ZHOU Xiao-ming*, LIU Dan-dan

(StateKeyLaboratoryofSubtropicalBuildingScience,SchoolofPhysicsandOptoelectronics,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

This paper performed quantitative evaluation of the effects of light illumination environment on photobiological response of different age groups. From the perspective of light conversion, a biological rhythm factor model is proposed considering the ocular transmittances of different ages, pupil diameter and the illuminated area in the retina. Three kinds of white LED light sources (3 000, 4 000，6 000 K) with different color temperatures were selected and their spectral distributions were measured at the same illumination 500 lx. Then we calculate the rhythm factors, and make the linear fitting with the evaluation model which use the modified factor proposed in the former standard. The result shows that under the same color temperature, the biological rhythm factor value decreases with increasing age. For the same kind of age, the biological rhythm factor values increases with the increase of the color temperature. These results are consistent with some researcher’s conclusion. In addition, according to the result of linear fitting, the linear correlation of two age-related rhythm factors in three different color temperatures were 0.958 08, 0.985 833 and 0.957 22, respectively, with a high correlation. Compared with the way in the standard, this article proposed another evaluation model considering difference in human eye age, and attempt to use absolute rather than relative effects of the transmittance.

non-visual biological effects; biological rhythm factor; LED light source; age

1000-7032(2017)06-0721-08

2016-11-21；

2017-01-22

廣東省科技計劃(2015A010103005)； 亞熱帶建筑國家重點實驗室項目(20115ZB17)資助 Supported by Science and Technology Project of Guangdong Province(2015A010103005)； Foundation of The State Key Laboratory of Subtropioal Building Science(2015ZB17)

Q682

A

10.3788/fgxb20173806.0721

*CorrespondingAuthor,E-mail:zhouxm@scut.edu.cn