动态光环境的构建及其在密闭环境和医院的应用

聂靖昕，陈志忠，2，，党卫民，董问天，吕 柯，曲丽娜，唐 彦，潘祚坚，邓楚涵，张浩东，焦 飞，陈伟华，康香宁，周天航，周书喆，杨 磊，于 欣，童玉珍，，王 琦，张国义，，沈 波，2

(1.北京大学物理学院，北京 100871；2.北京大学长三角光电研究院，江苏 南通 226000；3.北京大学东莞光电研究院，广东 东莞 523808；4.北京大学第六医院，北京 100191；5.北京大学精神卫生研究所，北京 100191；6.国家卫生健康委员会精神卫生学重点实验室(北京大学)，北京 100191；7.国家精神心理疾病临床医学研究中心(北京大学第六医院)，北京 100191；8.中国航天员科研训练中心航天医学全国重点实验室，北京 100094；9.北京大学体育教研部，北京 100871)

引言

利用光照调节生物节律、睡眠、警觉性、认知能力等方面的非视觉效应，照明光环境成为保持和增强人体生物节律的有效手段[1-6]，也广泛应用于治疗和改善与节律、睡眠相关的疾病症状，如精神障碍性疾病、神经退行性疾病、谵妄等[7-11]。

自然光环境呈现稳定的24 h周期性变化，有助于人体同步生物节律相位、保持节律稳定[4，12]。因此，在一些完全依赖人工照明的特殊环境中，模拟自然光变化的动态光环境相比于普通的静态照明光环境，能降低生物节律紊乱的风险、改善睡眠质量和实验任务表现等[4，13，14]。在光照治疗中，亮光治疗(Bright Light Therapy，BLT)的效果与光照时间密切相关。通常情况下，白天、特别是上午使用高照度、高色温的光照治疗能减轻抑郁症状、改善睡眠质量、提升主观积极情绪等[9，15]；而傍晚或夜晚则应降低光环境照度、减少短波长光成分，以减少光照对褪黑素和睡眠的不利影响[2，16]。而精神类疾病、重症监护病房(Intensive Care Unit，ICU)等患者常面临生物节律紊乱、睡眠质量较差等节律问题[10，11，17]。在亮光治疗的基础上，构建光谱和照度随时间变化的动态光或仿自然光环境，能帮助抑郁症、痴呆等神经退行性疾病、心血管疾病等患者提高生物节律强度和稳定性、改善睡眠质量，缓解节律紊乱导致的症状[18-20]。此外，随着高效率、小体积发光二极管(Light Emitting Diode，LED)照明技术的快速进步，多通道LED能独立调控各波段的光谱功率密度，发出高显色性、色温和照度可调的动态照明白光，成为实现动态光环境的常用照明方式[16，21，22]。

目前，动态光环境的特点及其对生物节律和节律相关疾病的影响尚不明确，动态光环境的光谱、照度和时间信息等因素都会影响其节律效能。本文调研了构建动态光环境、动态光环境调控健康人群的生物节律并参与治疗节律相关疾病等方面的研究，总结了动态光环境的主要特点及影响动态光环境节律效能的因素，并根据动态光环境的局限性和副作用，展望了动态光环境在生物节律和节律相关疾病方面的应用前景。

1 构建动态光环境

1.1 动态光环境的特点

在自然光环境中，由于太阳高度角的变化及大气对不同波长光的散射效果，到达地面的直射自然光光谱和照度呈现动态变化规律[23](图1)。日出时，太阳高度角很低，被散射的短波长光较多，到达地面的自然光呈现低色温和低照度；上午，随着太阳高度角的增加，自然光中的短波长光成分逐渐增加，自然光的色温和照度也逐渐增加，并在正午前后达到最大值；从下午到日落，自然光的色温和照度逐渐下降。根据夏季实际测量的结果，到达地面的直射自然光的色温变化范围在3 700～5 700 K；日出后半小时和日落前半小时的直射照度约10 klx，而正午的直射照度超过20 klx。自然光环境稳定的24 h周期性变化能有效帮助人体同步生物节律相位，保持生物节律稳定。

图1 自然光光谱全天的变化：(a)日出(5：30)、(b)正午(12：03)和(c)日落(19：04)Fig.1 The spectral power distribution of the natural daylight during the daytime：(a)sunrise (5：30)，(b)noon (12：03)，and (c)sunset (19：04)

自然光环境的动态变化规律对人体的节律、睡眠和认知等方面有积极影响。白天的高照度、高色温光照有助于提升白天的认知表现，提前生物节律相位，并增加夜晚的褪黑素含量，对白天的工作表现、夜晚睡眠质量和生物节律的稳定性都有积极效果[2，3]；考虑到光照对褪黑素的抑制作用，晚上或睡前推荐使用蓝光成分较少的低照度、低色温光环境，以降低光照对节律的影响，改善睡眠质量[24，25]。

为保持生物节律稳定、治疗节律相关的疾病，呈现仿自然光的变化规律是动态光环境的常用方式。在自然光的基础上，增加色温、司辰节律因子(Circadian Action Factor，CAF)等反映光照非视觉效应参数的变化幅度，能构建出保持和增强生物节律的动态光环境[4]。总体来看，与生物节律、疾病治疗相关的动态光环境均呈现白天高色温高照度、清晨和傍晚低色温低照度的变化规律[20，26，27]。还有部分研究考虑到中午休息的生活习惯，在仿自然光的基础上，降低中午的色温和照度，构建符合作息习惯的动态光环境[11]。另外，部分研究为探究高色温、高照度时段对光照治疗效果的影响，设计了中午低照度、清晨和傍晚高照度的特殊动态光环境[28，29]。

1.2 多通道LED构建动态光环境

利用LED效率高、体积小、响应速度快、光谱可调等特点，多通道LED成为构建动态光环境的常用照明方式[30]。综合考虑照明光环境的视觉效果和节律照明、光照医疗等应用场景，动态光环境在显色性、节律调节幅度、光生物安全性等方面有了更高、更全面的要求。

提高光环境中CAF等非视觉效应参数的变化幅度，是体现动态光环境调节生物节律能力的重要优化目标[16，21，31]。CAF是反映光照抑制褪黑素能力、体现光源调节生物节律能力的重要参数。早晨使用高CAF光源能提高警觉性，高CAF光源在白天也能提升工作表现、带来更多的积极情绪；低CAF光源则主要用于夜晚或卧室照明，降低光照对褪黑素的抑制程度，减少晚间光照对节律和睡眠的负面影响。因此，在动态光环境的设计中，增加光源CAF的变化幅度，对于改善白天工作表现和夜晚睡眠质量、增强生物节律强度和稳定性有着重要且积极的意义[16]。Žukauskas等[21]通过优化四通道LED光源的峰值波长和发光比例，实现了4.45倍的CAF变化幅度：2 700 K低色温白光的CAF值低至0.262；6 500 K高色温白光的CAF值高达1.166。考虑到照明光环境的视觉效果，Dai等[16]对照明光源的显色性和Duv等参数进行限制，在Ra>90的高显色性要求下，CAF变化幅度可达3.25倍，2 700 K和6 500 K色温下的CAF分别为0.294和0.957。

此外，动态光环境的设计还需对不同年龄使用者进行针对性设计，并关注LED发光的光生物安全性问题。随着年龄的增长，视网膜前眼睛介质对短波长光的透过率明显下降，影响人眼对颜色的感知，也影响光源调节生物节律的能力[32-34]。因此，可以根据不同年龄观察者眼睛介质对不同波长的透过率，设计并优化适用于特定年龄使用者的动态光环境，特别是面向节律强度下降、睡眠质量较差的老年人[34]。高色温、高CAF的照明光源中有较多的蓝光成分，而短波长蓝光会通过热损伤、光化学损伤等方式损伤视网膜细胞和视网膜功能[35]。在设计色温和CAF动态变化的光环境时，通过优化峰值波长、改变多通道LED组合等方式，能有效降低高色温白光的蓝光危害，构建高生物安全性的动态光环境[22，36，37]。

2 密闭环境中的仿自然光动态光环境

在地下室、极地环境及其他长期人工光源环境等特殊环境中，长期缺少自然光照容易导致生物节律紊乱，并对警觉性、睡眠质量、工作表现等造成负面影响，还会增加负面情绪和抑郁、焦虑等精神疾病的发病率[14]。与动态、周期性变化的自然光不同，传统LED具有固定的光谱、色温和照度，在提供照明的同时，难以兼顾保持和同步生物节律的非视觉效应[13]。此外，与传统LED照明光源相比，自然光源在显色性和光谱连续性等方面也更具优势[38]。

Cajochen等[38]对比了相同色温和照度下的传统LED与仿自然光LED对视觉舒适度、褪黑素、情绪和睡眠等方面的影响。在传统LED的基础上，仿自然光LED提升了光谱连续性、显色性和节律调控能力，其显色指数(Color Rendering Index，CRI)和黑视素等效照度分别提升25.3 %和21.0 %。研究结果显示，仿自然光LED能提升光环境下的视觉舒适度和警觉性、促进早晨和晚上的积极情绪、改善睡眠效果，表明提升光谱连续性和显色指数对视觉感受、情绪、睡眠的积极影响。Li等[39]在白天构建了无自然光的实验环境，并对比了4 000 ～12 000 K范围内动态变化的光源与4 000 K、500 lx的静态光源对警觉性、认知和精神疲劳的影响，发现动态光源显著提升主观警觉性、积极情绪和任务表现，还有效降低了精神疲劳。总体来看，自然光动态变化、高显色性、高光谱连续性的特点都有利于生物节律及节律相关的睡眠、警觉性和认知表现。

一些研究构建了长时间、密闭的实验环境，在完全屏蔽自然光的环境中，探究人工制造的动态光环境对生物节律、睡眠、认知、情绪等多方面的影响[4，13，14]。Meng等[14]以21天为一个阶段，比较了有自然光和无自然光的密闭环境对人体的影响，证实了自然光能有效保持生物节律稳定、促进积极情绪，而缺少自然光的密闭环境则伴随着生理代谢失调、抑郁和焦虑风险增加的问题，并最终对身心健康造成负面影响。如图2所示，北京大学采用五通道LED，在为期38天的密闭环境中模拟了自然光色温、CAF等关键参数的变化，并将色温和CAF的变化幅度分别提升至2.73倍和3.00倍[4]。日常活动度与光源CAF的相关性证实了光源对行为节律的牵引作用，实验前后褪黑素浓度的变化规律表明，该动态光环境能有效保持节律相位稳定、增强节律强度。Wang等[13]探究了动态光源在密闭环境中对生物节律相位的牵引能力。根据褪黑素、核心体温、睡眠时间等参数标记的生物节律特征，发现人体在静态光源下出现节律相位推迟的现象，而调节动态光环境的变化规律能有效提前或推迟生物节律相位。综合来看，仿自然光的动态光环境在完全依赖人工照明的密闭环境中，能有效保持和同步生物节律，降低缺少自然光对健康、工作表现的负面影响；此外，还可以通过优化和改进动态光环境，起到增强生物节律强度、牵引生物节律相位的作用。

图2 仿自然光动态光环境与自然光的(a)色温和(b)CAF随时间的变化Fig.2 The time-dependent (a)CCT and (b)CAF of the daylight-like dynamic light environment and natural daylight

3 动态光环境在医院中的应用

动态光环境凭借其在调节生物节律、情绪、认知等方面的作用，逐渐成为医院中的新型照明方式。对于患者，动态光环境通过保持节律稳定、改善睡眠质量等方式，缓解疾病引起的节律紊乱症状，促进患者康复。对于护士等轮班或夜班工作人员，动态光环境能帮助他们在保持良好工作表现的同时，降低夜间光照对节律和睡眠的负面影响。

对于季节性抑郁、双相情感障碍等情感障碍性疾病，光照治疗、特别是上午时段的亮光治疗，能促进5-羟色胺合成并促进积极情绪，改善睡眠质量，因此成为有效的治疗手段[8]。在情感障碍性疾病患者的卧室或病房中，构建白天高色温高照度、夜晚低色温低照度的动态光环境，在利用光照治疗效果的基础上，进一步强化生物节律的稳定性，改善睡眠质量[20，40]。Canazei等[20]针对重度抑郁患者设计了色温2 192～3 588 K、照度20～209 lx的动态光环境，并呈现白天高色温高照度、夜晚低色温低照度的变化规律。与色温和照度几乎不变的静态光源相比，该动态光环境下的患者总睡眠时间更长、睡眠效率更高、夜间清醒时间更短，显著改善了患者的睡眠质量。Volf等[40]还发现抑郁患者对动态光环境有更高的主观满意度。但是，动态光环境的效果也存在局限性，对住院时间和治疗药物的使用量没有显著影响，表明动态光环境只能作为辅助手段参与情感障碍性疾病患者的治疗，通过改善睡眠质量和主观体验等方式缓解患者节律紊乱的负面症状。

以阿尔兹海默症及相关的痴呆症为代表的神经退行性疾病患者大多为老年人，常伴随着严重的生物节律紊乱和睡眠问题。以动态光环境为基础的生物动力治疗方法能通过改善生物节律和睡眠质量的方式，改善患者的主观体验，控制症状的进一步恶化[9，41]。Bromundt等[42]针对平均年龄86岁的痴呆症患者，构建了照度在0.35～130 lx范围内变化的动态光环境，模拟从清晨到傍晚的自然光环境。该光环境能有效改善患者在早晨的主观情绪，并对患者的节律强度有长期、积极的影响。进一步增加色温变化的动态光环境能显著降低痴呆症患者夜晚离床时间、增加睡眠总时间，并显著降低白天的嗜睡感，通过动态光环境对节律的牵引作用，改善夜晚睡眠质量和白天的警觉性[43]。另外，动态光环境也用于大脑损伤[44]、肝硬化[45]、心内科[46]等其他疾病或科室的患者，与传统静态光源的对比实验结果表明，动态光环境对患者的睡眠、节律稳定性、情绪等方面有积极效果。

谵妄是ICU患者常出现的症状，并伴随着不良临床结果、死亡率增加、生活质量下降等负面影响[10，11]。现有的研究认为，生物节律的紊乱是引起谵妄的重要因素，而光照已经成为降低谵妄发生率和持续时间的重要治疗方式[10]。Smonig等[17]发现能透过自然光的ICU中，患者谵妄发病率略有降低，并显著降低了患者接受抗躁狂药物干预的可能性，证实了缺少自然光是引发节律紊乱和谵妄的因素。在实际ICU的研究中，动态光环境的效果较为复杂：有研究发现，患者在动态光环境下，睡眠和休息的主观体验显著更佳[27]；动态光环境和亮光治疗能改善睡眠效率，并在一定程度上降低谵妄发病率[10]。但是，也有研究通过大样本的实验，发现3 000～4 300 K色温变化和300～1 700 lx照度变化的动态光环境在关键的谵妄发病率和持续时间指标上没有显著效果[11]。总之，动态光环境可以作为降低谵妄发病率和症状的辅助手段，但其有效性受药物治疗、患者病症严重程度等复杂因素的干扰。

医院中的护士等健康人群，会因轮班工作或夜间工作导致节律紊乱、睡眠质量下降、负面情绪增加、认知表现较差等后果，影响身心健康和工作表现[47-49]。通常情况下，夜间警觉性下降和嗜睡感增加会导致夜间工作时的反应速度和认知表现显著不及白天[50]。夜间工作时增加富含蓝光的高色温、高照度光照，能降低褪黑素含量，提高警觉性和认知表现，但同时也会严重扰乱生物节律，导致夜班后的节律相位推迟、睡眠质量下降[51，52]。针对护士等轮班工作人员开发的动态光环境，在夜晚呈现低色温、中等照度、高显色性等特点，能帮助轮班工作人员既能保持生物节律稳定、改善主观体验，又不会对夜间工作时的认知能力和工作表现带来负面影响，达到了兼顾工作表现和生物节律的效果[47，48]。

目前，动态光环境作为一种非侵入式治疗方式，在节律相关疾病的治疗中得到广泛应用，但也面临着诸多问题和不确定性。动态光环境在改善主观体验和情绪、提升睡眠质量等方面有较好效果，但对疾病的发病率和持续时间等核心指标影响有限，且动态光环境可能需要长达数月才能发挥明显的效果[9]。因此，动态光环境常作为辅助治疗手段参与节律相关疾病的治疗，或者作为患者家庭和卧室的照明方案。此外，还有研究发现，动态光环境在注意力、精神疲劳等方面有副作用[7]，需及时评估动态光环境对不同个体的效果，并针对不同疾病、不同患者定制化设计动态光环境中光谱和照度的变化规律。

4 结论

动态光环境具有随时间变化的光谱、色温、照度等光源特性，在节律、睡眠、情绪、认知等非视觉效应上相比传统的静态光源有明显进步。随着LED技术的发展和进步，多通道LED是实现人工动态光环境的常用手段，并在提高显色性、节律调节能力、光生物安全性方面进一步优化照明光环境。动态光环境对健康人群和一些疾病的患者都有积极影响。对于长期密闭环境中生活或需要轮班工作的健康人群，动态光环境能有效保持和同步生物节律，并有效改善睡眠、认知和情绪，还能通过动态光环境起到增强节律强度、牵引节律相位的附加效果。对于情感障碍性疾病、神经退行性疾病和ICU中谵妄的患者，常面临节律紊乱和睡眠质量下降等节律相关问题，动态光环境与亮光治疗相结合，在改善睡眠质量、提升主观情绪等方面有良好效果，是常用的非侵入时、辅助治疗手段。不过，动态光环境还存在对疾病发病率和持续时间影响有限、治疗效果受患者个体特征影响较大等局限性。