不同年龄群体的光生物效应评价方式

周晓明， 刘丹丹

(华南理工大学物理与光电学院 亚热带建筑国家重点实验室， 广东 广州 510641)

不同年龄群体的光生物效应评价方式

周晓明*， 刘丹丹

(华南理工大学物理与光电学院 亚热带建筑国家重点实验室， 广东 广州 510641)

研究了照明光环境对不同年龄人群的光生物效应定量评价方式。从光照转换角度提出了一种考虑不同年龄人眼透射谱、瞳孔直径以及受光面积的节律因子模型，选取3种不同色温(3 000，4 000，6 000 K)的白光LED光源，在同种照度500 lx下实验测试其光谱分布，并对提出的节律因子进行计算，与之前标准中考虑年龄的修正因子方式进行了线性拟合对比分析。结果表明：在相同色温下，随着年龄的增大，节律因子值逐渐减少；而对于相同年龄，随着色温的增大，节律因子是变大的，此种规律与其他研究人员得出的实验结论一致。从线性拟合相关度上来看，三种色温下两种考虑年龄的节律因子的直线相关度分别为0.958 08，0.958 33，0.957 22，具有较高的相关性。较之于标准中的考虑透光谱方式，本文提出了另外一种考虑不同年龄人眼差异的光生物效应评价方式，尝试对人眼模型的透射谱进行绝对而不是相对效应的考虑方式。

非视觉生物效应； 节律因子； LED光源； 年龄

1 引 言

人眼视网膜包含3种不同类型的感光细胞：视锥细胞、视杆细胞和第三类感光细胞。对于明视觉，主要作用的感光细胞是视锥细胞；而在暗视觉下，主要作用的感光细胞是视杆细胞。以往一直认为人眼中仅存在这两种感光细胞，直到2002年Berson等[1]发现了哺乳动物视网膜的第三类感光细胞—ipRGC(Intrinsically Photosensitive Retinal Ganglion Cell)，使人们认识到人眼除了视觉通路外，还存在非视觉通路，将照明领域的研究从视觉范畴拓展至非视觉领域。光生物效应，亦称为光的非视觉生物效应，具体表现为在第三类感光细胞的作用下，光参与调节人体生理体征、激素分泌、昼夜节律和瞳孔大小等人体生物效应，同时对人体的警觉性和兴奋程度也有影响。随着研究的深入，基于光生物效应的照明评价也受到了重视，目前可以明确的是光照对人体生理节律确实产生影响，但是具体的影响还有待更深入的研究，如什么样的光照对人体是最佳的，这不仅与照明环境有关，而且还与人体本身相关，仍然存在很多不确定性[2]。

对于光生物效应的定量评价和检测，目前所有光学测量仪器均难以实现，原因在于光生物效应的光谱响应曲线与传统的明视觉函数V(λ)存在较大差异，国内外实验研究均表明，短波蓝光部分(460～490 nm)的光生物效应比较明显。光源及照明环境的光谱能量分布在实践应用中将变得尤为重要，因为它同时影响了照明的视觉效果和非视觉效果[3]。

照明光的性能可用几个主要参数表示：光照强度、光谱、空间分布、光照的时刻和照射的持续时间[4]。照明的非视觉生物效应除了光源形成的外界光环境，也与人眼结构有关，二者同时作用，共同决定光照下对人体产生的光生物效应的程度。人类眼睛的特性并不是一成不变的，而是与年龄有着密切的关系。临床研究表明，不同年龄人眼晶状体的透射谱不同[5-6]，入射至视网膜的光与人眼透射率密切相关，而人眼透光率随年龄的增长而降低，具有统计意义上的规律性。在同一光照条件下，入射到不同年龄人眼视网膜上的光存在差异[7]，从而会影响其相应的光生物效应。此外，人眼瞳孔直径的大小，以及视网膜的受光面积也与接收到的光量有关。关于人体褪黑激素抑制作用的研究表明，光照对青少年褪黑素抑制作用更显著，如Figueio等人的研究[8]。居家奇对比了青年人和老年人在低照度彩光照明环境前后的心率变化[9]，发现在低照度彩光照明下能够引起年轻人心率显著变化，而并不能引起老年人的心率变化，说明同种光照对于不同年龄段人群产生的光生物效应有所不同。因此，年龄、瞳孔直径以及受光面积与光生物效应之间应该存在内在联系，在评价光照对人体的影响时，应该将这些因素考虑进去。

目前对人体褪黑激素抑制、瞳孔大小以及其他生理指标方面的研究比较多，通过这些生理指标在光照前后的变化率去定量评价光照对人体的影响，即光生物效应的大小。从这些研究中，还得到了人体褪黑激素抑制率以及瞳孔收缩率与光照条件的定量关系[10-11]，其成果对于动态调光提供了一定的依据。国际上对于如何定量评价光生物效应的影响迄今尚未形成统一标准，有研究者提出光生物节律因子的概念去定量的评价光生物效应，如Gall等[12]提出的acv模型，Rea等[13]提出的光谱灵敏度模型，Andrei等[14]提出的BioEq模型，居家奇[15]提出的光剂量概念等。有研究表明[16]，节律因子与实际生理变化具有一定的相关性。另外，在这些提出的评价模型中，acv模型和 BioEq模型在定量表征时都是只与光源有关，而与人体本身无关；光谱灵敏度CLA模型考虑了人眼特性，建立在已知的视网膜光敏色素和神经解剖学与生理学的基础上，但公式过于繁杂；光剂量模型考虑了时间因素，但与acv模型和 BioEq模型一样不能反映不同年龄人眼的差异。

对于节律因子的研究表明，其与实际生理变化具有线性关系。本文在前人提出的节律因子的基础上，将基于不同年龄人眼晶状体透射谱以及瞳孔直径对光生物效应的评价模型进行了分析，考虑了不同年龄段人眼统计意义上的差异性。德国标准DIN V 5031-100: 2009[17]中给出了两个关于人眼透射率以及瞳孔直径的修正因子，本文中基于这两个修正因子将Gall等人提出的节律因子评价模型acv进行修正为acv(A)。另外本文考虑将通过人眼的光照进行转换，基于此提出一种新的节律因子模型M，并将这两种节律因子对3种不同色温白光分别进行计算，对计算结果进行线性拟合比较分析。

2 原 理

2.1 光谱响应曲线

光谱响应曲线，又名光谱光视效率函数，是通过在一定的实验条件下(如不同的目标张角、亮度水平)采用一定的实验方法进行心理物理实验测量得到的。它反映的是一个由视觉系统接受光辐射能量并经大脑信息处理后的一个心理物理量，受观测者的主观因素(心情、反映速度等)和客观条件(年龄、健康状况等)以及实验条件的客观因素(亮度水平、目标张角等)的影响[9]。

目前，对于明视觉的光谱响应曲线V(λ)和暗视觉的光谱响应曲线V′(λ)，国际照明委员会(Commission Internationale de L’Eclairage, CIE)已经给出了明确的规定，中间视觉的模型在2010年CIE也给出了对应的标准。但是对于非视觉，其光谱响应曲线C(λ)，由于其涉及的复杂性，在国际上至今还并没有一个统一的标准。研究者为此做出了大量的研究工作。相关实验表明，非视觉光生物效应的光谱响应范围主要在短波蓝光区域。目前人们主要从3个方面建立非视觉光谱响应曲线，分别是基于人体褪黑素分泌抑制作用、基于人眼瞳孔大小变化以及基于人体其他生理指标变化，国际上普遍认可的两种非视觉生物效应光谱响应曲线是前两者。

明视觉光谱响应曲线V(λ)峰值在555 nm，暗视觉V′(λ)峰值在507 nm。Brainard等[10]和Thapan等[18]从褪黑素抑制得到C(λ)的峰值分别为464 nm和459 nm。德国的Gall 等[19]基于Brainard与Thapan的褪黑素抑制实验数据拟合出一条光谱响应曲线C(λ)，峰值在450 nm附近，此曲线被德国标准DIN V 5031-100:2009[17]所实施。Enezi等[20]提出了一条非视觉的光谱响应曲线Vz(λ)，如图1所示，它是通过基于单个视蛋白的数学模板所构造，峰值在490 nm左右。Rea等[13]基于Brainard 等[10,21]和Thapan等[18]的实验数据拟合了一条光谱响应曲线并提出了一个结合多种感光细胞的CLA模型。Berman等[22]基于瞳孔收缩得到的峰值为491 nm。居家奇[9]从心率变化率得到峰值为497 nm的非视觉的光谱响应曲线。

图1 非视觉的光谱响应曲线C(λ)[19]、Vz(λ)[20]、明视觉曲线V(λ)和暗视觉曲线V′(λ)。

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

2.2 光生物节律因子acv

Gall等[12]提出光生物节律因子acv的概念，以此来量化评价光照对人体产生的非视觉生物效应，表达式如下：

(1)

其中P(λ)是照射进人眼的光谱功率分布,C(λ)是非视觉的光谱响应曲线，V(λ)是明视觉的光谱响应曲线。对于某一种光源acv是一个定值，但是对于不同年龄的人来说并没有什么区别，也就是说没有考虑年龄的影响。

在光度学测试中，我们通常用光通量Ф(单位:lm)来表征光量的多少，光通量是指单位时间内光辐射能量的大小，光通量是说明光源发光能力的基本量，表达式如下：

(2)

其中，Km= 683 lm/W为明视觉下最大光视效率值；P(λ)为绝对光谱能量分布；V(λ)为明视觉光谱光效函数。

与此类似，光生物效应的等效光通量为

其中C(λ) 是非视觉的光谱响应曲线。

2.3 修正因子kbiol(A)

人眼的透射谱和瞳孔直径都会影响非视觉生物效应，德国的标准DIN V 5031-100: 2009[17]中提出了一个修正因子，将这两种因素考虑了进去，定义式如下：

(4)

其中A代表年龄，kbiol trans(A) 是对于人眼媒介基于年龄的修正因子，kpupil(A)是基于瞳孔直径和年龄相关的修正因子。经过修正之后，光生物效应的等效光通量表达式为

(5)

修正因子kbiol trans(A)表达式为

其中τ(λ,A) 是人眼的透射率，在统计意义上随着年龄的改变而改变，此修正因子利用的是对于年龄为25岁的一个相对效应方式。在饶丰等人[23-24]关于不同年龄人群光生物效应的研究中对于节律因子就是利用此修正因子。

kpupil(A) 是与瞳孔直径和年龄相关的修正因子，表达式为

(7)

其中c=0.005 59。kpupil(A)是关于年龄A的一个函数，并随着年龄的增大而减小，对于某个特定年龄通常被认为是一个定值。

表1 不同年龄对应的瞳孔直径修正因子kpupil(A)

考虑上述因素后，评价因子可以修正为

(8)

2.4M因子

人体的眼睛是一个精细的结构，如图2所示[25]。光入射到人眼的眼角膜，然后集中到视网膜。进入视网膜的光取决于瞳孔大小和眼组织的光谱透射。

图2 人眼的组织结构

实验测量所得的光谱能量分布是指照射到人眼眼角膜处的光照，记为Scor(λ)，可以通过下式转换为视网膜上的光照分布

(9)

其中τ是人眼的透射率，如前所述，也是与年龄、波长有关的一个因子；D是瞳孔的直径(通常为2～8 mm)，本文中假设评估的是最大的可能的光生物效应，光照下瞳孔扩张到最大，取瞳孔直径D为8 mm；Aret为视网膜上照明的区域面积[26-27]，本文中简化为与整个中央凹处相等，是个直径为1.5 mm的圆形区域。

综合上式以及acv公式，考虑到不同年龄段人眼的晶状体透射谱存在统计上的差异性，本文提出一种改进的节律因子，用以定量评价光照对不同年龄人员的光生物效应大小，表达式为

(10)

其中为Sret(λ)为转换至视网膜上的光谱分布，C(λ)为非视觉的光谱响应曲线。

将式(10)与后述的式(11)和(12)结合，即可将M用于定量评价光环境对人体的光生物效应大小。此评价模型将外界光环境与人眼本身因素相结合，考虑了光照入射至人眼处的光源本身的能量分布、人眼瞳孔直径和受光面积、光照进入不同年龄段人眼的透射率，综合评价光照产生的非视觉作用的影响。

2.5 透射谱

人眼的透射率τ(λ,A)与光密度Dτ(λ,A)的关系式为

(11)

Van de Kraats 和 Van Norren[6]在年龄对于人眼透射率的影响方面进行了详细的分析。根据这些研究，他们基于人眼的散射和吸收光谱建立了一个对于人眼的光密度经验公式，Dτ(λ,A)是波长和年龄的函数。2012年CIE的技术报告[25]将这个经验公式修改为下式，其中λ代表波长，单位为nm；n代表年龄，单位为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)

不同年龄段人眼透光率光谱分布通过Van de Kraats 和Van Norren[6]的模型计算得到。通过经验公式计算得到从10岁到70岁之间的光密度，将其转化为透光率数据，如图3所示。

图3 不同年龄人眼的透射谱

从图3可知，随着年龄的增长，人眼的透射谱不断下降，蓝光部分随年龄增长的下降速度大于红光部分。这些差异必然导致在相同的照明条件下，不同年龄人眼的视网膜照度不同，从而对人体产生的非视觉影响不同。图3中的透射谱数据是通过经验公式计算得到。而在一些文献中，例如文献[28] 通过32个40岁及更大年龄的人眼晶状体中得到完全透射谱，透射谱的总体趋势是一致的。需要指出的是以上均是从统计意义上来说，个体差异显然是存在的。

3 计算与讨论

3.1 光源的光谱分布

本研究选取不同色温的白光LED光源为研究对象。采用杭州远方公司的SPIC-200B型光谱彩色照度计测量光源的光谱分布，测量时调整光源与光谱彩色照度计之间的距离，使得照度计处的照度值相等(均为500 lx)，得到其相对光谱能量分布如下图所示。

图4 3种白色LED光源的相对光谱能量分布

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

3.2 计算结果与比较讨论

由式(6)计算3种色温下不同年龄段的透射谱的修正因子见表2。

表2 3种色温白光下不同年龄对应的透射率修正因子kbiol trans(A)

根据光源光谱计算光照对于年龄为10、20、25、30、40、50、60、70的人群对应的两种节律因子见表3、表4。本文中计算时非视觉的光谱响应曲线采用Gall提出的C(λ)，此曲线在德国的DIN V5031-100: 2009这个标准中实施采用。

从表3和表4中可知，两种生物节律因子的趋势是一致的。无论何种色温LED，随着年龄的增加，节律因子值均呈下降趋势。这是因为人眼透射谱随着年龄增加而降低的缘故。在同种色温情况下，年龄越大，节律因子值相对变小，即光照对年长者产生的光生物效应较小。LED色温越高，节律因子值减小得越快，此种情况主要是因为高色温LED的蓝光成分较多，从图3也可知人眼的透射谱在蓝光波段随着年龄的变化比较明显。对于年龄较小者，随着色温的不同，对应的节律因子值差异较大；而随着年龄的增大，这种差异呈逐渐减小趋势，表明年轻人的光生物效应受到进入人眼的光照度与色温的影响较大，而色温对老年人影响相对较小。将本文结果与早期研究进行比较可以相互佐证。例如Figueio等人[8]关于人体褪黑激素的抑制作用的研究表明，光照对青少年褪黑素抑制作用比其他人更显著，饶丰等人[24]关于青年人与老年人的心率变化实验表明，青年人的心率变化率大于老年人，并且青年人在高色温光源下的心率变化大于低色温情况。

表3 3种色温白光下不同年龄对应的修正后的光生物节律因子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种色温白光下不同年龄对应的光生物节律因子M(A)

对于计算出的acv(A)与M(A)值做散点图并做线性拟合，拟合结果如图5所示。

由图5可知：3种色温下两种节律因子的直线相关度分别为0.958 08，0.958 33，0.957 22，存在线性相关，表明本文提出的M节律因子与DIN标准中提出的考虑年龄的修正因子在评价光生物效应时有很高的拟合度，M节律因子适用于作为不同年龄人群非视觉效应的定量评价方式。

图5 3种不同色温白光下两种节律因子的拟合。(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 结 论

目前在光生物效应的定量评价方面还没有形成统一标准，而应用较多的acv模型等均没有将不同年龄的人眼透射率情况考虑进去，事实上对于不同年龄人群，光照对于其影响是不同的。DIN V 5031-100: 2009标准中对于年龄提出一种修正因子，考虑人眼透射谱是相对于25岁年龄的相对效应。本研究中提出了一种考虑人眼透光谱、瞳孔直径以及受光面积的光生物效应的评价方式，按照人眼结构从光照转换的角度建立节律因子M模型。选取了3种色温的白色LED光源，对提出的节律因子进行计算，并将两种节律因子进行了线性拟合。结果表明：在相同色温下，随着年龄的增大，节律因子值逐渐减少；对于同种年龄，节律因子随着色温的增大而变大。从线性拟合相关度来看，3种色温下两种考虑年龄的节律因子的直线相关度分别为0.958 08，0.958 33，0.957 22，具有较高的相关性。

目前对于老年人、色弱色盲等特定人群的照明方面的研究还比较少。不同年龄段人群的非视觉效应是不一样的，在照明需求上应该有所区别。不同于DIN V 5031-100: 2009标准中的修正因子相对效应的方式，本文将进入人眼的光照进行直接转化，提出了一种考虑不同年龄人眼的光生物效应的评价方式，对于评价光环境对不同年龄人体产生的实际的影响提供了一定的依据，为不同人群选择更加适合的健康照明生活环境提供了一定的指导。

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周晓明(1963-)，男，湖南衡阳人，博士，教授， 2004年于华南理工大学获得博士学位，主要从事物理场生物效应的研究。

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

广东省科技计划(2015A010103005)； 亚热带建筑国家重点实验室项目(20115ZB17)资助 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