脉冲光对人体生理效应的影响

梁高鹏，苏成悦，刘木清，汤露瑶，陈少藩

(1.广东工业大学物理与光电工程学院，广东 广州 510006；2. 复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心， 上海 200433；3. 广东光阳电器有限公司，广东 中山 528415)

引言

LED光源节能环保、易控制、开关时间短等特点，使其成为现阶段应用场景最广泛，最不可或缺的照明工具[1]。

学者研究发现低占空比PWM驱动LED可提升人眼的视觉效应，且与占空比之间具有线性关系[2]，甚至呈现反比关系[3]。研究发现一定条件下脉冲驱动LED发光效率高于直流驱动[4]，不同光谱、占空比对人眼视觉提升系数从1.05～1.75之间[5]。小于6 Hz或大于24 Hz的闪烁光可获得较好舒适度[6]，但闪烁光也会诱发癫痫发作[7]。长时间照射下，低占空比的100 Hz频率对人体心率血压的影响更为显著[5]。目前对于大部分研究都是从视觉效应角度进行[2-6]，而对于非视觉效应的研究仍有改进空间[5,7,8]。

本文研究LED光源工作在PWM脉冲状态下时，各脉冲参数对人体的收缩压、舒张压和心率，视觉辨识力等非视觉性的影响。在光源参数设置上补充了高频段的研究，以及占空比的研究。

1 试验环境及方法

1.1 试验环境搭建

试验开展在一间5 m×10 m的长方形试验室中，图1为试验室布局。为了保证参试者所受光照均来自于脉冲光，设置遮光窗帘以阻断外部干扰光[8]。

图1 试验室布局Fig.1 Laboratory layout

试验中维持室内温度在26 ℃左右，湿度在60%左右，保证人体处于较舒适的环境。按照国家标准GB 50034—2013《建筑照明设计标准》，教室桌面照度标准值为300 lx[9]。采用远方照度计测量桌面照度，考虑到可能存在的光衰现象，运用9点采样法取得照度平均值，使所有不同调制参数下桌面照度为330 lx左右。确保整个试验过程中桌面照度均达到国家标准水平。

1.2 试验参试者

共招募自愿参试者15人，年龄介于20～40岁，男女比例3∶2，具有正常的视觉功能，无眼部病史，近视者矫正视力达到国际标准视力表0.8以上，试验期间身体状况处于正常状态，减少参试者主观因素造成的误差。所有参试者在试验前均被告知试验流程以及可能带来的人体生理影响，并签署知情同意书。参试者在试验过程若有身体不适可随时退出该试验，均为自愿参加该试验。

1.3 试验参数设计

教室照明光源以4 000 K左右中等色温为主[10]。在设置了100 Hz、300 Hz频率的基础上[5]，为了得到更好的脉冲光与人体生理效应的关系变化趋势，增加了500 Hz、700 Hz、1 000 Hz、3 000 Hz的频率以及选用20%、40%、60%、80%的占空比，形成24种脉冲光测试条件及1种直流光对照组，共25种测试条件。

1.4 试验流程

为了避免参试者生理指标状态影响试验测试，在试验开始前，先让参试者进入测试实验场所进行10 min的静休，在每次暗适应后利用欧姆龙电子血压计每分钟测量参试者的心率一次，当连续三次测试的心率偏差不超过10次/min时，则可以判定参试者心率已稳定，可以开始进行试验测试。

(1)开启设置好脉冲参数的LED实验灯具，所有参试者静坐在椅子上，阅读实验桌上放置的固定纸质材料；

(2)每次试验持续180 min[5]，期间参试者不得做影响心率血压变化的无关事宜，如喝功能性饮料、玩游戏等。试验过程中每隔20 min对参试者的收缩压、舒张压和心率进行一次测量并记录下来；

(3)试验结束后让参试者按照标准对试验过程中的照明条件舒适度情况进行打分，并参与朗道尔环视觉辨别测试[11-13]。

1.5 试验评估方法

目前照明领域在研究光对人体生理效应的评价指标可以归为三种：褪黑素含量、瞳孔尺寸以及心率、血压。但褪黑素的分泌存在延迟性，测量复杂，瞳孔尺寸受到视觉效应的影响，而人体心率、血压更为即时、直接反映非视觉效应，因果关系明显[14]。综合考量，本文选用心率、血压作为生理效应的评估方法。

试验中每隔20 min采集一次心率血压值，得到10 组数据。对心率血压的波动程度进行统计，采取了“五差值”法进行分析，即为用后面5组数据对应地减去前面5组数据，得到5组差值以表征心率血压的波动程度。

朗道尔环C型图案设计有八种开口方向，参试者需要辨识出图案开口朝向，用于测试不同光刺激对于人的视觉辨识力的影响[13]。利用编写的测试程序随机播放任意朝向的C型图案，参试者以尽量快的反应速度做出选择，重复进行16轮测试。测试结果识别正确数越多，辨识时间越短，即说明参试者的视觉辨识力越高。

de Boer评定量表用于评估视觉舒适度[6]，结合本试验的实际情况，对de Boer评定量表进行合理的修改，得到表1中的评定标准。通过统计对比每种脉冲参数调制下的LED发光对人眼视觉舒适性的影响得到的舒适度打分平均值，来研究不同脉冲调制对人眼视觉舒适性的作用。

表1 舒适度评定参考标准

国际标准IEEE PAR1789 《LED 照明闪烁的潜在健康影响》给出了频闪指数的定义：一个开关周期内超出平均光输出的量除以全部光输出。频闪指数表明了脉冲光的闪烁情况，不同程度的闪烁对人体生理效应有着不同的影响[7]。测量得到表2中的不同频率占空比下的LED发光闪烁指数，闪烁指数不受频率的影响，只跟占空比有关，且与占空比成反比关系，占空比为80%、60%、40%、20%得到的闪烁指数分别为0.2、0.4、0.6、0.8。

表2 不同频率占空比下所测得的闪烁指数

续表2

2 试验结果

2.1 脉冲光对心率血压的影响

试验时长为180 min，考虑到时间的积累可能对心率和血压存在影响，本研究设置了对照组直流驱动LED。在直流驱动下以60 min为间隔，对参试者的心率和血压变化趋势进行分时统计，得到图2统计图形。

图2 心率、收缩压、舒张压均值分时统计图Fig.2 Heart rate, Systolic blood pressure, Diastolic blood pressure mean time-sharing chart

图2显示，在180 min的时间里，心率均值随着时间的变化而不断下降，收缩压均值几乎不受时间的影响，而舒张压则随着时间的变化而不断上升。得到的心率、收缩压和舒张压线性拟合分别为

yH=-3.8t+78.3

(1)

yS=-0.35t+106.4

(2)

yD=1.13t+59.6

(3)

式中t为时间，y为测量平均值，下标H、S、D分别对应心率、收缩压、舒张压。

从数据分析来看，在试验后的第2 h、第3 h得到的心率均值随着时间的变化而下降，其值分别为4、7，对应百分比为5.1%、10.2%；收缩压均值随着时间的变化而下降的值分别为0、1，对应百分比为0.3%、0.7%；舒张压均值随着时间的变化而上升的值分别为1、2，对应百分比为1.9%、3.7%。

以直流驱动下的心率血压作为修正的基准，对“五差值”法得到的数据进行时间修正，修正前后的差值量变化如表3，各差值量在修正后有所下降。差值量的大小表征着心理状态的波动情况，差值量越大，波动越大，反之波动越小。从差值量的数值大小来看，脉冲光对心率的影响作用较大，其大于收缩压，舒张压最小。修正前、后差值量的差即为由于时间所引起的干扰影响，采用修正后的“五差值”数据分析脉冲光对人体生理的作用可以消除时间长对试验结果造成的影响。

表3 时间修正前后的差值量变化表

图3为修正后的心率血压在不同频率占空比下测得的差值量变化趋势。频率-差值关系图中发现，700 Hz频率照射下，人体心率收缩压受到的影响较小，500 Hz频率下则影响较大。当频率低于1 000 Hz时，人体舒张压受到脉冲光的影响随着频率的下降而趋近于逐渐上升的趋势。占空比-差值关系图中发现，脉冲光对心率的影响低于直流光，对收缩压的影响高于直流光。占空比为60%的脉冲光对心率舒张压的影响最小，脉冲光对收缩压的影响不明显。

图3 不同心理指标的频率-差值关系图、占空比-差值关系图Fig.3 Frequency-difference relationship diagram， Duty cycle-difference relationship diagram of different psychological indicators

图4 不同频率占空比视觉舒适度评分空间分布图Fig.4 Spatial distribution of visual comfort scores at different frequency duty cycles

2.2 脉冲光对视觉舒适性的影响

视觉舒适性作为视觉性指标用于辅助判断不同脉冲光对人体的生理影响。从图4人眼视觉舒适性评价与频率占空比之间的三维空间分布图中观察，除100 Hz外，其他频率所得到的舒适度评分接近于直流驱动LED的评分，都介于9～10之间，即不同脉冲驱动的LED在视觉舒适性上与直流驱动无明显差异。100 Hz下人眼视觉舒适度有所下降，这是因为100 Hz频率较为接近融合频闪频率CFF，人眼对闪烁较为敏感，持续的刺激作用造成视觉疲劳。

2.3 脉冲光对视觉辨识力的影响

识别率是视觉效能的表征量之一，而平均识别时间定义为总识别时间与识别正确个数的比值，表征着视觉辨识力[13]。如图5所示，不同占空比脉冲光下的平均识别率均比直流下有所提高，且不同占空比之间差异不大。表明不同占空比的脉冲光相对于直流光来说，都有提升视觉效能的效果[3]，但不同占空比对视觉效能的提升效果差异不大。

图5 不同占空比下所测得的平均识别率Fig.5 Average recognition rate measured at different duty cycles

图6为不同频率占空比与平均识别时间的三维关系图，观察发现低频低占空比参数下的平均识别时间更为理想，低频更接近融合频闪频率，人眼较为敏感。其中100 Hz、80%参数下得到的值最小(199 ms)，仅为直流驱动下的2/5，大大缩短了人眼识别时间。

图6 不同频率占空比与识别时间的三维关系图Fig.6 Three-dimensional relationship between different frequency duty cycles and average recognition time

图7中不同频率占空比与平均识别时间的关系图发现：不同占空比脉冲光下，平均识别时间远远低于直流光情况下的时间，仅仅为后者的一半，辨识能力提升了250 ms左右。此现象可从人眼视觉感知亮度的角度分析，脉冲驱动下的LED峰值波长发生了蓝移，也改变了色温，增强了对人眼的亮度刺激响应[4]。人眼感觉到增强的视觉感知亮度，受到光照刺激，从而提高了视觉辨识力。频率对视觉辨识力的影响并不明显，但总体还是随着频率的减小，视觉辨识力呈现不断提高的趋势。

图7 不同频率占空比下测得的平均识别时间Fig.7 Average recognition time measured at different frequencies and duty cycles

3 讨论与总结

本文在这类研究中采用了时间修正分析方法，以对照组直流驱动作为参考标准做分时统计，排除时间因素对试验结果的影响。通过该方法对生理指标数据进行“五差值”分析，修正了心率和血压的时间效应，特别是心率的时间影响效应明显，修正比例达23.6%。从心理指标因素看，700 Hz频率下心率、收缩压受到的影响较小，500 Hz频率下则影响最大。占空比为60%的脉冲光对心率、舒张压的影响最小，脉冲光占空比对收缩压的影响无明显差异。这主要是因为血压和心率对于频率以及占空比的敏感程度不同[5,11,14]。

针对视觉舒适性，除了100 Hz频率外，其他高频段下的视觉舒适性均接近于直流光，得到较好视觉舒适性。这主要是由于100 Hz更接近CFF，且低占空比带着更高的频闪指数，人眼容易疲劳。在视觉效能方面，不同占空比的脉冲光相对直流光来说，增强了对人眼的亮度刺激响应，都有提升视觉效能的效果[3]，但不同占空比之间的提升效果差异不大。对于视觉辨识力，不同占空比脉冲光下，参试者的平均识别时间远远低于直流光情况下的时间，在100 Hz、80%参数下得到最小值199 ms，大大提高了视觉辨识力。随着频率的下降，视觉辨识力呈现不断提高的趋势。综合不同参数脉冲光对人体生理指标的影响，得到优化的脉冲驱动方式为700 Hz的频率以及60%、80%的占空比。