光源頻閃對人體健康的影響分析

趙曉杰 徐蔚

1 復旦大學光源與照明工程系，上海200433

2 復旦大學電光源研究所，上海200433

0 引言

隨著光源和照明技術的發展，引入了以極高的速率改變光強且具有幾乎任意光譜的小而明亮的LED光源，這對照明質量的改善具有深遠的影響。[1]新光源LED 點亮了照明領域光電可控的智能照明技術，被廣泛應用于各類場所，例如辦公室、住宅區以及教育場所等，遵循“以人為本”的照明方針[2]，服務于人的生活和工作。2018 年照明論壇——半導體照明創新應用暨智慧照明發展論壇，以“智能、經濟、質量、健康”的主題探究了LED 照明行業的核心問題[3]。其中，健康照明的專題探討，涉及了照度、色溫、顯色指數、眩光、光源頻閃等多個光品質因子，它們影響著生物安全性。所以，照明領域的革新應將健康照明的設計融入到照明應用之中，促進照明環境對人的積極干預。

1 健康照明

照明最初是為了滿足人們基本的視覺觀察需要，注重實用性，而后美觀也被考慮，如今照明行業的熱點話題則與“健康”緊密相關。早在1976 年，Colman等[4]發現60 Hz 熒光燈下自閉癥兒童的重復行為加重。隨著此類研究的拓展，人們更加重視照明帶來的心理體驗和照明的安全性。2015 年北京工業大學的李農等[2]根據馬斯洛的人類需求層次理論得到了健康光環境評價體系的馬斯洛層級模型，如圖1 所示。金字塔的結構說明，生理和心理健康的重要性優于社會健康。2018年，第15 屆中國國際半導體照明論壇中，健康照明技術專題更是以LED為背景討論了照明在視覺發育和視覺生理等方面的重要性，提出了建設健康舒適、高品質光環境的目標[5]。

雖然健康照明的機制比較復雜，但是已有大量研究為此奠定了基礎。1989 年，Wilkins 等[6]就致力于照明與眼疲勞、頭痛之間的探究，采用電感鎮流(100 Hz) 和電子鎮流(32 kHz) 的熒光燈進行實驗照明，發現后者顯著減少了頭疼和眼疲勞的發生次數，而前者只有在參與者獲取更多自然光后才使得頭疼比率有所下降，說明熒光燈的頻閃導致了視疲勞，甚至引起嚴重的頭痛。此外，視網膜自主感光神經節細胞作為第3 類感光細胞（ipRGCs[7]）能夠將接收到的照明信息傳遞到腦神經上，從而影響激素分泌、睡眠和情緒等。郝洛西等[8]針對LED 照明如何應用于心內科手術、醫患情緒及節律調節等專題展開了研究，取得了探索性和創新性的意義。合理的照明不僅為手術營造了輕松的環境，還能夠緩解病人緊張的情緒，減少醫護人員的壓力，提高醫院整體的照明質量。

圖1 健康光環境評價體系的馬斯洛層級模型[2]

通過調整照明的光品質因子，改善照明環境，消除短時內照明引起的心理不適，盡可能減少長時內照明引起的生理危機，從而調高人們生活和工作的質量。其中，光源頻閃是健康照明研究中較為熱點的光品質因子，強烈的頻閃會影響空間中運動物體的運動狀態，直接導致人眼無法直視，短時內引起視覺的不舒適，導致頻閃效應。人們長期處于這樣的照明環境中，會損害健康，出現視力下降和頭痛等癥狀，從而影響情緒和表現。隨著照明領域的發展，光源頻閃與人體健康的研究是LED 光源亟待突破的科學挑戰。

1.1 國外研究

光源頻閃產生的心理和生理響應是頻閃特性（頻率、調制深度、波形等），刺激光源特性（亮度、尺寸、對比度等），個體特性（眼睛的適應狀態、個體敏感度差異等）等因素的綜合作用效果。國際電氣和電子工程師協會標準IEEE標準文件1789TM-2015 梳理了大量的研究，詳細地介紹了光源的頻閃特性[9]。光源頻閃特性主要取決于頻率和調至深度，頻率在～3-～70 Hz 范圍內會出現閃爍。頻閃頻率一般＞100 Hz，是肉眼無法察覺到的閃爍現象，頻閃會導致人對空間運動物體的感知變化，即頻閃效應。閃爍的危害可以是幾秒鐘的光暴露引起的。1997 年，日本的“變色龍”事件，動畫片中出現了藍-紅以12 Hz 交替變換的閃爍畫面，導致觀看閃爍畫面的大部分兒童出現了神經問題，其中包括光敏性癲癇[10]。頻閃的較多危害是長期暴露引起，例如身體不適、頭痛和視覺表現受損等，而且刺激光源的特性也會與頻閃效應產生交互影響，例如光源的色溫和照度[11-12]等。當然，針對不同的社會群體和年齡段的人，頻閃的危害是有個體差異的，甚至由于不同照明場所的需求差異，相關的頻閃研究也需要被差異化。

1991 年，Berman 等[13]利用視網膜電流圖（ERG）對視覺生理進行監測，在100-160 Hz 頻率范圍內，頻閃雖然不能夠被看到，但100 Hz 和120 Hz 的頻閃卻能夠導致丘腦的外側膝狀核（LGN）中的細胞鎖相放電，控制眼球運動[14]。另有研究也支持了這一結論，閱讀時人眼的運動會受到熒光燈的影響，100 Hz 頻閃能夠使頭痛的平均發病率翻倍[15]。頻閃也會降低視覺搜索時的表現能力[16]。多個關于視覺刺激與偏頭痛的研究中[17-18]，大約20%以上的頭痛患者引用燈光“閃爍”作為頭痛的誘源，閃爍是一般群體對光源頻閃特性的描述。2014 年，Igor[19]發現低頻率相對于高頻率照明會引起情感狀態的明顯變化，同時損害認知能力。1990 年，Jane 等[20]通過監測參與者的心率發現，100Hz的熒光燈會產生較多不良的生理反應。

國外對于光源頻閃評價模型的研究也相對完善。2011 年，Bullough 等[21]選擇頻率、調制深度、周期、波形和CCT 5 個特性參數，設置不同的數值來探究每種特性對光源頻閃效應的感知。對頻閃效應直接和間接感知影響最大的是頻率和調制深度，IEEE 標準文件1789TM-2015 以頻率和調制深度為軸繪制了頻閃低風險和無影響區域分布圖[9]，如圖2 所示，對頻閃效應的危害等級進行了區分。關于閃爍和頻閃的評價指標還包括波動深度(MD)、閃爍指數(FP)、閃爍百分比(FI)、短期閃爍指標、SVM（Stroboscopic Effect Visibility Measure）等[22]。其中，SVM 是2016 年CIE TN006提出的新的評價指標[23]。這一指標由Perz 等[23-25]通過理論和實驗得到，在考慮空間物體的運動速度和曝光時間等因素后，還呈現了不同照明場所要求的SVM閾值[26]，進一步推動了評價指標的應用。

圖2 IEEE 標準文件1789TM-2015 給出的頻閃低風險和無影響區域分布圖[9]

1.2 國內研究

國內研究相對較少，并未實現系統和深入的探究，研究方法和健康指標也比較局限。2017 年，郝洛西發表在題為“光與健康的研究動態與應用展望”的文章[27]，系統全面地回顧了光與健康的發展歷程，呈現了人因健康照明的各個要素，為國內健康照明的發展提供了理論的支撐。2016 年，林燕丹等[28]以民機駕駛艙為場景，發現科學的光環境能夠優化駕駛艙的人機功效，不僅提高飛機飛行的安全性，也能對駕駛員生理和心理方面起到積極的干預。2017 年，曾堃等[29]以心內科CICU 模擬病房白光環境實驗為例，探討了光與情緒實驗研究的方法，總結了實驗設計和方法選擇的經驗。2016 年，孫志鋒等[30]細致地分析LED 頻閃問題，提出了降低燈具頻閃的技術措施，從而減少頻閃的消極作用。

國內對于健康照明的重視程度越來越高，國家科技部于2017 年立項啟動的國家重點研發計劃“面向健康照明的光生物機理及應用研究”[27]，以LED 照明為時代背景，研究其對人體健康的影響機制，梳理影響心理和生理的多個光品質因子，采用多層次多維度的研究方法構建光品質因子和人體生理指標之間的映射模型，從而提升照明產品的健康屬性。

2 光源的頻閃效應

2.1 理論背景

2016 年CIE TN006 的技術說明文件中，將照明系統中的時間光調制因素重新定義為TLA（Temporal Light Artefacts）[22]，在具體環境中，亮度或光譜等隨時間波動的光刺激引起觀察者視覺感知的變化，其不同的表現有閃爍、頻閃效應和幻影效應。

光源在交流或脈沖直流的驅動下，光輸出的光通量、照度或亮度會隨著電流幅值的周期性變化而變化，從而產生時間調制的光輸出。導致出現光輸出在時間上波動的因素很多，例如，50 Hz 工頻正弦交流電直接供電會使光輸出呈正弦波波動的100 Hz 的頻閃，而且LED由于驅動器和調光器的設計也會帶來光輸出的抖動或光線不穩定。此外，電壓波動也很關鍵，多個家用電器同時啟動也會導致LED 產生頻閃。當用儀器來檢測光源的光輸出波形時，就會發現光輸出不穩定或呈正弦規律變化的光輸出波形，如圖3 所示，是Lehman 等對熒光燈閃爍采集的光輸出波形[10]。圖4是我們利用LFA-3000 頻閃測量儀檢測的LED 500 Hz頻閃的光輸出波形。

圖3 熒光燈閃爍百分比為6.6%的閃爍光輸出波形[10]

圖4 LED 頻率為500 Hz 的頻閃光輸出波形(LFA-3000 頻閃測量儀測得)

2.2 頻閃效應

當觀察者在光輸出不穩定的環境中，眼睛就會把視覺上收集到信息傳遞給大腦，神經系統將檢測隨時間變化的光輸出調制、神經元響應，時間調制光被有意識地直接感知，就是閃爍。頻閃不能被有意識地直接感知，但是頻閃會改變空間物體的運動狀態。例如，在有無頻閃的光源下觀察轉盤，轉盤上面的白圓會出現離散和連續兩種狀態，如圖5 所示。頻閃效應是在光輸出不穩定狀態下，對空間物體運動的感知變化，即通過頻閃照明觀察旋轉或其他運動物體時，發現離散的運動現象，導致視覺不舒適。在加工行業的機床操作中，這種效應會對旋轉的機器設備產生誤判，甚至造成對人員的直接傷害。

圖5 （a）無頻閃照明的連續運動；（b）頻閃照明下的離散運動

2.3 頻閃效應的可見性（SVM）

為了量化頻閃效應的可見度，2016 年CIE TN006建議使用頻閃效應可見度評價指標—SVM（Stroboscopic Effect Visibility Measure），其應用的頻率范圍高達2 000 Hz。具體定義如下：

3 健康指標

3.1 心理指標

心理物理量是實驗心理學把心理現象作為實驗的主要研究內容，建立心理量與物理量之間的數量關系，即把對心理的刺激和它引起的心理感覺定量化。在頻閃的實驗研究中，光源頻閃作為刺激，能夠引起觀察者心理上對照明環境及疲勞感等多方面的感知變化，但頻閃刺激增強或減弱的變化并不一定能夠引起感觀上等量的變化，所以引入根據刺激變化與感受變化的量變關系建立的量表來度量這種微小差異，從而反映頻閃效應引起的感知變化。2014 年，Olsen 等[31]就是利用心理物理量來研究頻閃效應，在不同的頻閃照明條件下參與者完成日常活動，活動前后使用李克特量表讓參與者評價照明環境與燈光感受，并回答關鍵問題，例如“當你移動某些物體時，是否感覺到緊張？”。在一天的活動結束后，參與者要陳述自己當天的感受。該研究還給參與者展示大量描述環境的詞語，被選擇越多的詞語被放大的倍數越大，整體上更加清晰地呈現了參與者對照明環境的評價。

心理物理量主要是參與者對照明環境、燈光感受、身體狀態、情緒變化等方面的主觀評價，量表是主流的評價方式。大多數研究以李克特等級量表為基礎，根據自身實驗目標進行設計。每一個測試目標有不同的等級，參與者根據真實感受進行評分，例如對照明環境的接受度，可分為非常接受、接受、不一定、不能接受、非常不能接受5 個等級，也可以分為非常接受、有些接收、接受、不一定、不能接受、有些不能接收、非常不能接受7 個等級。關于情緒的量表，有

A Self-reported Affect Circumplex Measure[32]、Kellner's Symptom 和Mark&Mathew 的恐懼狀態問卷[33]，正負情緒性量表PANAS[34]等，PANAS 是根據積極情緒和消極情緒兩個對立的系統，分別設計了20 道5 分制題目。訪談也是主觀評價的一種方式，通過與參與者的對話來考察他們的感受變化，但是這種方式對于結果的整理和分析比較復雜，需要有專業能力的人員。

3.2 生理指標

心理物理量有明顯的個體差異。客觀生理指標的檢測，是研究光源頻閃與健康照明更為合理有效的手段，可以支撐對主觀量表的分析。機體內在各部分的功能與外在的物理刺激之間存在比較明顯的關系，雖然人不能有意識地感知光源頻閃，但實際上某些內在機能會產生明顯的響應。1991 年，Berman 等[13]利用ERG (視網膜電位) 來檢測光源頻閃下人的視網膜電位變化情況，在200 Hz 以內，隨著頻率增高ERG 信號以對數形式逐漸減弱。Jane 等[20]通過測量100 Hz的熒光燈和無閃爍的熒光燈下來環境恐怖癥患者的心率，100 Hz 熒光燈照射下有更高的心率癥狀。腦電（EEG）也被用于考察人的視覺感知系統、睡眠、注意力等，研究環境對神經系統中關于視覺、睡眠、注意力區的影響，良好的環境會帶來明亮的視覺感受，提高工作人員的注意力，保證健康水平[35-37]。頻閃效應直接作用的生理部位是人眼，頻閃環境下視疲勞及視覺不適感非常強烈，用EyeTracker 能夠記錄瞳孔大小[38]、眼動速率及眨眼次數等參數，來反應人眼的生理指標。

此外，量表也可以考察自覺健康狀態，例如疲勞癥狀調查表和視覺疲勞評分表，內容涉及回答頭痛、眼疲勞次數及原因、眼疲勞程度等。但醫學檢測更加可靠，監測眨眼次數與速率、瞳孔大小和ERG 反映眼疲勞程度，是常用來表示眼睛狀態的指標。脈搏跳動、唾液采樣、腦電圖、心率等是身體內部機制的狀態指標。生理指標能夠有效地說明被試人員的生理響應，減少主觀測試的個體差異。

4 總結

文章從健康照明的大角度切入，以光源的光品質因子-頻閃與人的健康指標的關系探究為出發點，在國內外兩個維度上分析了研究現狀，光源頻閃已然成為影響照明質量的關鍵因素，所以未來的健康照明應放大頻閃的影響，加速完善頻閃的體系研究。目前，國內與國外對健康照明的研究存在較大差距，建議我國相關照明組織和人員能夠積極了解并參與到國際健康照明的研究中，把健康照明的深度做到位，同時推動國際早日達成對于光源頻閃標準化理論和定義的共識。隨著照明技術的發展，健康照明的理念逐漸深入人心，成為照明產品中重要的參考指標，具有健康屬性的照明產品也將會被應用到千家萬戶，未來照明不僅僅是點亮世界，更能夠點亮人心。