LED藍(lán)紅綠光對(duì)心臟有潛在影響

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2015-11-16

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LED在節(jié)能家電、車前燈和街燈中已經(jīng)占據(jù)了重要的位置，這種新型光源是否會(huì)影響人體器官引起了研究人員的注意。過去十年間，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注光在視網(wǎng)膜上的非成像生物作用，例如績(jī)效與注意力、睡眠質(zhì)量和荷爾蒙分泌等，其中特別引起關(guān)注的是大腦視交叉上核中生物鐘的視網(wǎng)膜通道效應(yīng)。

由于人的第三種感光細(xì)胞ipRGC(Intrinsically Photosensitive Retinal Ganglion Cell)的發(fā)現(xiàn)，光源與人體生理健康的關(guān)系得以進(jìn)一步重視，最近的研究發(fā)現(xiàn)光具有調(diào)節(jié)人體生理節(jié)律作用。

Brainard等通過使用8種單色光在夜間照射測(cè)試者，發(fā)現(xiàn)不同單色光對(duì)人體褪黑色素含量的抑制作用不同，裝修照明，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制了基于褪黑色素的光譜光視效率曲線。Mariana等的研究表明，在40lx的紅光和藍(lán)光照射下，人的心率提高，在10 lx的紅光和藍(lán)光照射下腦電圖中的α波幅度下降，而β波幅度上升。Christian等通過使用不同波長(zhǎng)的光照射人眼，發(fā)現(xiàn)短波光照比長(zhǎng)波對(duì)體溫、心率的變化作用更為顯著。柴穎斌等研究低照度彩光下(人眼處約75 lx)人體的心率變化，發(fā)現(xiàn)在低照度水平下不同顏色光引起的心率變化存在差異。

上述種種實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明光源的波長(zhǎng)是影響生物效應(yīng)的重要因素，表明光對(duì)人體是一個(gè)潛在的生理、行為和治療的激勵(lì)源。近期的醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究證實(shí)，血液中褪黑色素日含量自然變化偏差不僅影響精神狀態(tài)，在長(zhǎng)時(shí)間積累后還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問題，如早衰、性功能異常、乳腺癌等。

窄帶光源的生理節(jié)律光譜靈敏度已經(jīng)有了很好的實(shí)證研究，廠房照明，對(duì)于光源的設(shè)計(jì)已能從光的非視覺生物效應(yīng)方面給予指導(dǎo)，隨著人工照明的普及，行業(yè)資訊，許多城市都變成了不夜城，夜晚低照度光同樣對(duì)人體的生理存在著影響，文中基于Brinard等對(duì)褪黑色素抑制作用研究中定義的光譜光視效率曲線，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析夜晚極弱光源對(duì)于人體ECG(Electro-cardiograph)的生理影響。

生物節(jié)律因子

人眼中的各類感光細(xì)胞對(duì)不同的光譜光源有不同的響應(yīng)，可以通過光通量的概念引入生物節(jié)律因子，借以評(píng)價(jià)光的生物效應(yīng)。圖1中空心圓點(diǎn)為Rea等根據(jù)褪黑色素抑制作用得出的人體生理節(jié)律光譜響應(yīng)靈敏度，設(shè)計(jì)，司晨視覺曲線B(λ)是其4階擬合曲線，明視覺曲線V(λ)是明視覺下的光譜光視效率曲線。從圖1可以看出擬合的B(λ)曲線峰值在460nm附近，相對(duì)于明視曲線V(λ)向短波方向偏移，處于藍(lán)光部分，這是大部分白光LEDs富含的光譜波段。由明視曲線V(λ)和擬合的B(λ)曲線可以定義出生物節(jié)律因子。

按照生物節(jié)律因子的概念，可以通過下面兩個(gè)步驟求得其數(shù)值：

1)對(duì)于不同光源的相對(duì)光譜功率曲線Ф(λ)，由一個(gè)統(tǒng)一的視覺因子或統(tǒng)一的光通量(如100lm)歸一化成Ф(λ)i,norm，定義如下：

式中，K =683 lm/W，為明視覺下最大光視效率值，Фv,i表示特定光譜歸一化后的值。

2)節(jié)律因子BioEq(Biological Equivalent)為

通過光譜儀測(cè)得不同光源的光譜Ф(λ)i，即可計(jì)算得到節(jié)律因子BioEq。

明視覺中光源在可見光范圍內(nèi)的光通量大小就是光源照度值的大小，而生物節(jié)律因子的大小反映的是光源對(duì)人體生物效應(yīng)的大小。

LED歸一化光譜

實(shí)驗(yàn)中采用的光源均為L(zhǎng)ED類，LED燈管，分別為主波長(zhǎng)在448、517和632 nm的藍(lán)光、綠光和紅光，圖2為用WGD-3型多功能光柵光譜儀測(cè)得的3種光源經(jīng)過式(1)歸一化后的光譜分布曲線。將測(cè)量所得的光源光譜數(shù)據(jù)V(λ)通過式(1)和(2)可分別計(jì)算得到藍(lán)光、綠光和紅光的生物節(jié)律因子，結(jié)果依次為1.7003、0.0094、0.0005。藍(lán)光的BioEq值最大，綠光次之，紅光最小，與光通量類比，藍(lán)光對(duì)人體的光生物效應(yīng)影響最大，紅光的影響最小。據(jù)此，根據(jù)第3種感光細(xì)胞的光譜效率曲線，LED照明工程，使用BioEq值來(lái)衡量3種顏色的LED光源的生物作用，定量地分析非視覺生物效應(yīng)的大小，指導(dǎo)心電圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和比較。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)選取了幾名被測(cè)試人員對(duì)同一種光源進(jìn)行連續(xù)3個(gè)晚上的測(cè)量，照明方案，LED射燈，每個(gè)被測(cè)試者只進(jìn)行一種波長(zhǎng)的ECG測(cè)量。被測(cè)試者均為男性，照明方案，無(wú)眼疾、無(wú)色盲、矯正視力均在5.0，并被要求在測(cè)試期間正常作息。實(shí)驗(yàn)在自建實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，環(huán)境溫度控制在25℃，聲音水平在10 dB左右。被測(cè)試者采用平躺姿勢(shì)，光源分布于被測(cè)試者周圍，使得被測(cè)試者在平躺的狀態(tài)下沒有眩光影響，并通過墻體的漫反射使得平躺時(shí)人眼處的照度達(dá)到所需值。

心電圖的記錄采用ECG-2203G三道心電圖機(jī)進(jìn)行，此心電圖機(jī)能將測(cè)量的ECG數(shù)據(jù)進(jìn)行打印，直接得到心房除極波P波、心室除極波QRS波群、心室除極與復(fù)極總時(shí)間QT間期和校正值QTc等心電圖波形時(shí)間。光源為4盞吉海仕全彩LED，能實(shí)現(xiàn)不同顏色的LED光輸出。

測(cè)試時(shí)被測(cè)試者先在無(wú)光暗室中平躺20 min，行業(yè)資訊，然后打開設(shè)置到規(guī)定顏色的LED光源，在測(cè)試光的情況下平躺20min。期間每5 min測(cè)量一次ECG。采用的光源顏色為紅、綠、藍(lán)3種。人眼處照度值采用TES公司1336A型號(hào)的Light Meter進(jìn)行測(cè)量，在自建環(huán)境中測(cè)得照度值：紅光0.9 Ix、藍(lán)光1.0 lx、綠光0.9 lx，均為極低照度水平。

實(shí)驗(yàn)共獲得了10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含無(wú)光和有光狀態(tài)下的心電圖數(shù)據(jù)。在同一種波長(zhǎng)下測(cè)量的數(shù)據(jù)合并成1組，對(duì)無(wú)光狀態(tài)和有光狀態(tài)下的數(shù)據(jù)分別求平均，得到的結(jié)果如圖3(a)-(f)所示。

圖中NL為No Light的縮寫，表示無(wú)光時(shí)的測(cè)量值；RL為Red Light的縮寫，表示紅光照射下的測(cè)量值；GL為Green Light的縮寫，表示綠光照射下的測(cè)量值；BL為Blue Light的縮寫，表示藍(lán)光照射下的測(cè)量值。圖中方框表示測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差SD，中間的圓點(diǎn)表示測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值，上下水平短線表示測(cè)量值的最大值和最小值。Tp、TQRS、TT、TQT表示各波時(shí)間間隔。

圖3(a)和圖3(b)表明，不同光源對(duì)人體ECG的P波時(shí)間和QRS波群時(shí)間影響不大，且獨(dú)立性t檢測(cè)均顯示無(wú)光和有光情況下的數(shù)值沒有差異性。

圖3(c)顯示，反映心室晚期快速?gòu)?fù)極過程的T波時(shí)間在紅光和綠光下數(shù)值有所增加，其中綠光下的T波時(shí)間平均增加了4ms(參數(shù)t=-2.279，P=0.036)，而藍(lán)光下則顯示下降。

從圖3(d)中可以看出，紅光和綠光下的QT間期有較明顯增大(紅光平均增大5 ms，t=-2.202，綠色照明，P=0.04，綠光增大7 ms，t=-2.829，P=0.012)，藍(lán)光下則基本沒有變化，由于QT間期代表了心室的除極到復(fù)極的總時(shí)間，這表明光源的波長(zhǎng)對(duì)心室活動(dòng)有著不可忽視的影響。

圖3(e)中顯示，QTc值在不同光源下都有增大的趨勢(shì)，其中紅、綠光下增大2 ms左右，而藍(lán)光的測(cè)試結(jié)果顯示有6ms的增大值，但獨(dú)立性檢測(cè)均表明無(wú)光下的數(shù)據(jù)和3種光源下的數(shù)據(jù)沒有差異。

圖3(f)數(shù)據(jù)顯示極低照度下紅光和綠光對(duì)心室率基本沒有影響，而藍(lán)光下的心室率則呈現(xiàn)出加快跡象(平均增大2次，t=-2.456，P=0.022)。