LED藍紅綠光對心臟有潛在影響

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間: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影響人體器官引起了研究人員的注意。過去十年間，人們越來越關(guān)注光在視網(wǎng)膜上的非成像生物作用，例如績效與注意力、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試者，發(fā)現(xiàn)不同單色光對人體褪黑色素含量的抑制作用不同，裝修照明，并根據(jù)實驗結(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的紅光和藍光照射下，人的心率提高，在10 lx的紅光和藍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的光照射人眼，發(fā)現(xiàn)短波光照比長波對體溫、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。

上述種種實驗結(jié)果都表明光源的波長是影響生物效應(yīng)的重要因素，表明光對人體是一個潛在的生理、行為和治療的激勵源。近期的醫(yī)學和生物學研究證實，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)，在長時間積累后還可能導(dǎo)致嚴重的健康問題，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)有了很好的實證研究，廠房照明，對于光源的設(shè)計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人體的生理存在著影響，文中基于Brinard等對褪黑色素抑制作用研究中定義的光譜光視效率曲線，通過實驗測試，分析夜晚極弱光源對于人體ECG(Electro-cardiograph)的生理影響。

生物節(jié)律因子

人眼中的各類感光細胞對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，借以評價光的生物效應(yīng)。圖1中空心圓點為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，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，相對于明視曲線V(λ)向短波方向偏移，處于藍光部分，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，可以通過下面兩個步驟求得其數(shù)值：

1)對于不同光源的相對光譜功率曲線Ф(λ)，由一個統(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

通過光譜儀測得不同光源的光譜Ф(λ)i，即可計算得到節(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人體生物效應(yīng)的大小。

LED歸一化光譜

實驗中采用的光源均為LED類，LED燈管，分別為主波長在448、517和632 nm的藍光、綠光和紅光，圖2為用WGD-3型多功能光柵光譜儀測得的3種光源經(jīng)過式(1)歸一化后的光譜分布曲線。將測量所得的光源光譜數(shù)據(jù)V(λ)通過式(1)和(2)可分別計算得到藍光、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。藍光的BioEq值最大，綠光次之，紅光最小，與光通量類比，藍光對人體的光生物效應(yīng)影響最大，紅光的影響最小。據(jù)此，根據(jù)第3種感光細胞的光譜效率曲線，LED照明工程，使用BioEq值來衡量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)心電圖實驗結(jié)果的分析和比較。

實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

實驗選取了幾名被測試人員對同一種光源進行連續(xù)3個晚上的測量，照明方案，LED射燈，每個被測試者只進行一種波長的ECG測量。被測試者均為男性，照明方案，無眼疾、無色盲、矯正視力均在5.0，并被要求在測試期間正常作息。實驗在自建實驗室進行，環(huán)境溫度控制在25℃，聲音水平在10 dB左右。被測試者采用平躺姿勢，光源分布于被測試者周圍，使得被測試者在平躺的狀態(tài)下沒有眩光影響，并通過墻體的漫反射使得平躺時人眼處的照度達到所需值。

心電圖的記錄采用ECG-2203G三道心電圖機進行，此心電圖機能將測量的ECG數(shù)據(jù)進行打印，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)極總時間QT間期和校正值QTc等心電圖波形時間。光源為4盞吉海仕全彩LED，能實現(xiàn)不同顏色的LED光輸出。

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

實驗共獲得了10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含無光和有光狀態(tài)下的心電圖數(shù)據(jù)。在同一種波長下測量的數(shù)據(jù)合并成1組，對無光狀態(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，表示無光時的測量值；RL為Red Light的縮寫，表示紅光照射下的測量值；GL為Green Light的縮寫，表示綠光照射下的測量值；BL為Blue Light的縮寫，表示藍光照射下的測量值。圖中方框表示測量數(shù)據(jù)的標準差SD，中間的圓點表示測量數(shù)據(jù)的平均值，上下水平短線表示測量值的最大值和最小值。Tp、TQRS、TT、TQT表示各波時間間隔。

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

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

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)極的總時間，這表明光源的波長對心室活動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，其中紅、綠光下增大2 ms左右，而藍光的測試結(jié)果顯示有6ms的增大值，但獨立性檢測均表明無光下的數(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心室率基本沒有影響，而藍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)。