婴幼儿健康光环境的研究进展及其设计策略

阮 程，黄耀伟，汪 洋，2

(1.长春希达电子技术有限公司，吉林 长春 130103；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130103)

引言

随着物质文明和科技水平的飞速发展，人类对生活品质的需求越来越高。舒适安全、健康绿色的人居环境逐渐成为现代人追求的生活目标。婴幼儿时期作为人存在的初级阶段，不仅代表着生命成长发育的关键时期，也是智力、情感和性格等心理品质形成的重要时段。经过调研发现，为了营造一个舒适健康安全的空间环境，国内外研究人员在对婴幼儿的视觉感知和婴儿房设计方面进行诸多研究。早在1975年，美国发展心理学家Fantz和Miranda[1]采用“优先注视法”系列实验发现婴幼儿通过视觉感知具备一定的认知能力，可以区分不同程度的光刺激。2012年英国健康防护所专家Higlett等[2]对婴幼儿玩具用品光辐射安全评价进行研究，结果发现2岁及以下的儿童的晶状体的紫外透过率远高于2岁以上儿童，蓝光波段是对婴幼儿眼睛具有较严重伤害的波段，其中在440 nm波段附近光危害权重函数出现显著增加。2013年乔波和程丽玲[3]研究发现蓝光对人眼视觉细胞的杀伤力是绿光的10倍，蓝光对视网膜的损害可能会导致视网膜黄斑病变，产生不可恢复性危害，甚至致盲。2017年吴诗琪[4]提出合理的室内采光照明和装饰设计，不但能够为婴幼儿房内提供充足的照明，消除婴幼儿独处时的恐惧感，而且还可以避免强光对婴幼儿视力的伤害以及降低多动症等不良症状的发生几率。图1显示了婴幼儿生活光环境(包括基础照明、重点照明和装饰照明)中各种光学因素给婴幼儿视觉系统和节律系统带来不同生理和心理影响的对应关系。如图1所示，频闪、眩光、光谱结构、眼位照度和室内空间光分布通过婴幼儿视觉和非视觉通道作用于视觉系统和节律系统对婴幼儿的健康造成影响。光照时刻和光照时长直接刺激婴幼儿的节律系统，影响睡眠时长、睡眠质量以及幸福恐惧等心理指标。美国国家睡眠基金会(National Sleep Foundations，NSF)研究表明，两岁以前的婴幼儿需要足够的睡眠时长(14～17 h)以保证身体的正常发育，如果宝宝长期缺少睡眠，会影响其脑部睡眠中枢功能，易于惊醒，而且也会妨碍神经的保护性抑制，影响中枢神经系统的发育，可能会导致婴幼儿智力和语言方面的障碍[5]。光亮度直接刺激视觉系统，影响婴幼儿的视觉功效。本文通过整理和分析国内外研究动态，试图从视觉和非视觉方面探讨光环境对婴幼儿生理和心理的影响，依照婴幼儿视觉变化发育规律，结合儿童发展心理学和照明光环境因素提出适合于婴幼儿健康光环境的科学化设计。

图1 光环境与婴幼儿健康的影响关系图Fig.1 The relationship between the light environment and health based on infant and young children

1 LED光生物安全标准的进展

LED光生物安全问题一直备受人们的关注，相关的国际和国内标准也在不断修订改进，2002年国际照明委员会(CIE)发布CIE S 009/E:2002《Photobiological safety of lamps and lamp systems》[6]，提出了灯和灯系统生物安全的六项测试指标，并规定了相应的安全阈值。2006年，国际电工委员会(IEC)发布了与CIE S 009/E:2002基本一致的标准IEC 62471：2006《Photobiological safety of lamps and lamp systems》[7]。在该标准中，光生物危害分类和曝辐限值标准是依据国际非电离辐射防护委员会(ICNIIRP)的导则制订的。同年3月，我国参考CIE S 009/E:2002发布了国标GB/T 20145—2006《灯和灯系统的光生物安全性》[8]。2014年IEC针对LED蓝光视网膜危害制订了IEC/TR 62778《Application of IEC 62471 for the assessment of blue light hazard to light sources and luminaries》[9]。我国也于2015年发布了GB 7000.1—2015《灯具第1部分:一般要求与试验》[10]，明确强制将LED、金属卤化物灯和一些特殊的卤钨灯纳入蓝光危害评估范围。2017年，国家半导体照明工程研发及产业联盟发布了CSA/TR 007—201×《健康照明标准进展报告(征求意见稿)》[11]，分析了LED健康照明的现状，为下一步标准制定提供指导。目前光生物危害类别和曝辐限值均来自于ICNIIRP导则，如表1所示。曝辐限值是在根据光源类型对应的规定距离下测试的光源辐射亮度；曝辐安全时间是光源对人眼产生的光生物危害影响不超标的时间域。由于该分类测试条件是以正常成人标准作为参考对象[12]，并不完全适用于视觉系统处于发育过程中的婴幼儿群体，因此国内外研究者正在探索细化适用于不同年龄群体的光生物安全危害标准。

表1 光生物安全危害分类[7]Table 1 Classification of photobiological safety

2 光环境对婴幼儿视觉与非视觉系统的影响

2.1 婴幼儿视觉变化发育规律

婴幼儿视力的发育是随着年龄变化和光线的不断刺激下完成的。我们根据国家卫生和计划生育委员会对婴幼儿不同年龄阶段的划分标准，将婴幼儿视力发育情况随着年龄的变化情况，汇总如表2所示。表2显示新生儿对光线有反应，但视神经和眼部结构发育不成熟，视力大约只有成人的1/30；1～3个月视觉系统慢慢发育，具有固视反应和瞬目反应，逐渐出现视运动眼振现象[13]；6个月后，开始有聚焦寻物感，立体感也逐渐形成，该阶段视力一般只有0.1～0.2，医学上称为生理性远视眼；12个月，视力逐渐提高，远视度逐渐下降，开始通过眼部追光引导肢体运动；1～3岁，视网膜的结构和功能发生很大改变，视力逐渐发育成熟。

2.2 光环境对婴幼儿视觉系统的影响

婴幼儿眼部的晶状体、玻璃体、角膜、房水等处于刚刚发育的状态，几乎无任何杂质高度透明纯净，具有很强的透光能力；具备屈光能力的晶状体富有较好的弹性，光信号经过晶状体将冲动信息反射到睫状肌，通过睫状肌的收缩或松弛改变屈光度，从而调节视距的长短，可以快速捕捉到传入眼睛的光信息。所以，婴幼儿具备非常灵敏和脆弱的视觉系统。一旦婴幼儿所在光环境中出现强光或有害光刺激时，将直接对婴幼儿视觉系统造成危害，导致视力下降，如婴幼儿眼部视网膜细胞受到破坏，视力会出现不可逆的损伤，甚至致盲。2006年温州医学院周纯等[14]研究了322位3岁以下健康婴幼儿视力发育情况，结果表明该年龄段的婴幼儿视力发育与年龄呈高度正相关，并且出生后6个月婴幼儿视力提高最为迅速。2012年CIE给出人眼透射率随年龄变化的计算模型[15]。如图2所示，从模型中可以看出，婴幼儿的晶状体透射率最高。2016年浙江大学牟同升团队[12]研究LED光源对儿童的蓝光危害，提出人眼各组织的光辐射损伤主要来自于吸收进入人眼后对晶状体、角膜、视网膜等眼部结构的光辐射伤害。结合图2中的模型，可以得出这样的结论：高晶状体透射率的婴幼儿群体是受到有害光危害的重点对象，因此为了保护婴幼儿视力健康发育，降低未来国民眼部疾病的发生几率，研究和设计针对于婴幼儿健康舒适的光环境凸显出更加重要的意义和价值。

表2 婴幼儿视觉发育变化情况Table 2 The visual development of infants and young children

图2 可见光范围内人眼晶状体透射率随年龄的变化曲线 [15]Fig.2 Curve: human lens transmittance

2.3 光环境对婴幼儿非视觉系统的影响

光对人体的非视觉成像功能有着广泛而深刻的影响。研究表明，人的警觉性情绪、内分泌功能以及昼夜节律都会受到若干光环境因素的影响，包括光照强度、光峰值波长、人暴露在光环境中的时间点以及时间长度。新生儿从母腹黑暗的环境来到光明的世界，除了接受到父母和家人的关爱之外，接触最多的就是光线的刺激。光不单单刺激婴幼儿视觉系统的发育，还对婴幼儿节律系统包括睡眠质量、生理指标以及情感状态具有调节作用。经过调研发现，对青少年[16]、工作人员[17]以及老年人[18]的光环境非视觉影响的研究有很多，但对婴幼儿非视觉方面的研究却很少，接下来我们结合儿童心理学和婴幼儿群体的特殊性，尝试建立适宜婴幼儿健康成长和发育的光环境。研究发现，第三类非视觉成像光敏视网膜神经元(ipRGC)对调节人体的节律效应具有重要作用。光信号能够通过ipRGC将信息传递到下丘脑视交叉上核(Suprachiasmatic Nucleus，SCN)，刺激下丘脑的松果体，控制褪黑素的分泌，从而调节人体的昼夜节律和激素水平，影响诸多生理指标[19]。褪黑素是一种肽类激素，其分泌量增加会使人感到疲倦、嗜睡，因此又称为睡眠激素；反之，会让人感到兴奋[21]。1984年Waldhauser等[20]研究发现褪黑素的分泌与年龄的变化具有相关关系，新生儿褪黑素的分泌较少，3个月后分泌量迅速增加，直至3岁左右分泌速度达到峰值，随后开始逐渐下降。因此婴幼儿时期是昼夜节律和相关生理指标形成的关键时期。经过理论建模和大量的实验研究发现，蓝光波段对褪黑素抑制的影响最大，尤其在465 nm附近蓝光对褪黑素抑制达到峰值[21-23]。调节照明光谱中的蓝光成分，抑制或促进褪黑素的分泌，从而提高婴幼儿心理和生理的舒适度。因此为保证婴幼儿良好的睡眠质量、充足的睡眠时长以及睡醒后无恐惧感等情绪波动，婴儿房室内的灯光需要选择蓝光成分较少的低色温光源。

3 婴幼儿健康光环境设计策略

根据国际和国内发布的灯和灯系统的光生物安全标准，以及婴幼儿实际身体、心理和生理的发育情况，本文分别从视觉和非视觉生物效应角度，提出适合婴幼儿健康成长的光环境建议，为未来关于婴幼儿群体照明标准的制定和健康光环境设计策略提供参考。

1)视觉方面。研究发现，国内外已有的光生物安全和蓝光危害相关的标准都是依据正常成人视觉发育规律制定的。婴幼儿眼部光透过率高于成人，而且婴幼儿活动空间相对有限，绝大多数时间处于躺卧状态，眼睛注视方向与天花板基本垂直，因此建议婴幼儿所处光环境中光源的蓝光成分低于国内标准规定的视网膜蓝光危害为免除类(RG0)的限值，使用低蓝光或无蓝光的暖色温白光光源；尽可能选用无频闪，低眩光指数的光源；安装灯具时建议选用出光均匀、柔和而且可以有效防止眩光的平面灯，安装位置尽量考虑让光照在墙上、天花板上或其他物体表面再反射，提高空间光分布均匀性，避免直射入婴幼儿眼睛；通过建筑方案设计和灯具布局设计等策略实现间接照明，减弱直射灯对婴幼儿视觉的危害。

2)非视觉方面。睡眠和情绪对婴幼儿的健康成长都是至关重要的。智能调节光环境因素的照明设计将成为未来婴幼儿光环境设计中的最佳选择。低蓝光暖色温的照明环境可以促进褪黑素的分泌，保证宝宝的睡眠时长和睡眠质量，促进身体各组织器官和心理特征的发育；兼顾视觉健康对光参数指标要求的同时，适度提高光谱中蓝光成分，可以刺激婴幼儿情绪，提高专注性，此情况适用于哺乳婴幼儿的时间段。因此建议国内外标准委员会以及建筑机构在未来制定照明标准或光环境设计方案时，充分考虑婴幼儿群体在不同时段(睡眠时段、哺乳时段、玩耍时段等)的需求以及心理和生理的变化规律，建立针对于婴幼儿群体的光生物安全标准，降低或消除有害光的危害，全天候按需智能调控照明光谱结构、色温、亮度等光环境参数，为宝宝营造一个专属的舒适又健康的光环境。

4 结束语

光对人体的刺激主要表现为两种效应，包括视觉效应和光生物效应。婴幼儿处于人生生命周期的初期，心理和生理的健康发育对未来的成长和生活至关重要。由于婴幼儿群体智力和语言发育不完全，很难向父母清晰传达自身健康情况，而且考虑人文伦理道德，对婴幼儿进行调节光环境因素测试相关健康指标结果的实验方面存在诸多限制因素。精确的设计出适合婴幼儿身体、生理和心理健康发育的光环境确实存在较大难度，但为了提高未来国民的身体素质和健康水平，加强对婴幼儿健康光环境的设计和研究必将成为今后健康光环境设计的研究趋势之一。本文从婴幼儿所处的光环境角度出发，结合国内外科研学者的理论模型和实验研究结果，分析了光环境因素对婴幼儿视觉系统和节律系统的影响，针对婴幼儿室内健康光环境设计提出一些策略，尝试引起照明设计师和室内建筑师对婴幼儿所处照明环境(婴儿产房、月子中心、婴儿房等)的关注，将健康照明理念应用到这些实际照明设计项目中，建造出有益于婴幼儿健康发育的光环境。