健康光照环境的研究现状及应用展望

1、健康光照环境的研究现状及应用展望王茜郝洛西曾埜(同济大学建筑与城市规划学院上海 200092j摘 要：现代意义上的健康光照环境，不再仅仅是满足光照品质及视看要求还需满足人体内在昼夜节律的光生 物学需求。本文以光生物学为重点介绍健康光照环境中与人体密切相矢的褪黑素、光照强度以及光谱能量分布 (spd)的研究动态-结合照明技术的发展对当前以及未来的健康光照环境做一总结及应用展望。尖键词：健康光照；光生物学；昼夜节律；光疗research progress and application prospect of healthy lightingwang qian hao luoxi zeng kun

2、(college of architecture & urban planning -tongji university - shanghai 200092)abstractwith the development of the theory of photobiology "he concept of healthy lighting is changing both visua performance and circadian rhythm have to been considered when evaluating the quality of healthy li

3、ghting frorr the photobiological point of view this article is looking further on the future application of healthy lighting.key words: healthy lighting; photobiology; circadianhythm; phototherapy1 刖吕自从有了人工照明人类就告别了日落而息 日出而作的生活可以有效地延长工作时间以适应 高速运转的现代社会。但同时却发现大部分人的身 体处于亚健康状态-表现出精神疲惫、情感 障碍、思维紊乱和睡眠障碍等症状。

4、因为不规律的 作息违反了人类进化中形成的24小时生物节律。人 体的内在固有平衡被打破机体免疫力下降容易 形成各种心血管功能障碍诱发癌症以及季节性情感 障碍(seasonal affective disorder - sad)等疾病。诸 此等等引起了研究人员的注意：光与人体昼夜节律是否存在着必然的联系？人类的行为生理等现象在进化过程中已经适应 了地球的自转公转引起的昼夜及季节变化在人体 内形成了一个特殊的器官具有控制生物节律的作 用基金项目：国家'863''计划高效半导体照明尖键材料技术研发重大项目(项目批准号：2011aa03a114);国家科技支撑 歸首9?宙

5、3;匚以8竹弦餌間甘 journal electronic publisning house all rights reserved nttp:/被称作生物钟(circadian clock) o哺乳动物的 生物钟由母钟跟子钟组成。母钟位于下丘脑的视交 叉上核(suprachiasmatic nucleus scn)-是哺乳动 物昼夜节律组构中最重要的起搏器控制着机体 的行为和生理节律。子钟位于肝脏、心脏等外围组 织接受母钟的scn发出的各种调控。生物钟时刻 接受着来自外界的明暗周期信号调整自身时相 以适应外界环境。因此营造健康的光照环境首先 要了解光照对人体昼夜节律的影响。2光照对人体昼夜节

6、律的影响人类对光的研究有500年的历史，在超过150 年时间里人们一直认为人类眼睛上只存在具有视 觉作用的两种感光细胞：锥状细胞和杆状细胞。 decoursey131于1959年发现光照会对人体昼夜节律 产生影响；mooe的研究团队于1972年发现了除 视觉通路之外眼睛的另一个通路就是光通过视网 膜直接投射到视交叉上核（scn）;直至2002年， 美国brown大学的david berson发现了第三类感光 细胞（我国译为司辰细胞）才找到让人们疑惑彳辰 久的光如何通过视网膜作用scn产生光生物效应氏 "丢失的链接yasukouchi等人于2005年描述了来 自视网膜的光信号的传播途径

7、有两种通道，如图1视觉皮层松果体ill视交叉上核（scn）所示。一条是传递视觉影像功能的神经通道另一 条是经过视交叉上核（scn）链接松果体传递非 视觉信息的神经通道。而光正是通过非视觉的信息 通路作用于松果体影响褪黑激素的分泌。褪黑萦 作为光信号的接受者将来自外界的光信息传达给初 体的有尖组织和器官从而影响和控制机体的内在 生物规律-包括昼夜、季节以及年节律等以适应外 界的变化。2.1褪黑素的影响作用图1两个神经通路实线是传递视觉影像的神经通路 虚线是传递非视觉信息的神经通路1qq4-2014 china academic jour 图丈1 皮质醇褪黑素i 体温壬如如时周期坝律ights r

8、eserved, 褪黑素最早是1958年由lerner等人从牛松果体 内提取出来的可以使青蛙皮肤颜色褪色的物质并命 名为melatonin 它是一种神经性的内分泌激素。正 常生理状态下人体褪黑素的分泌是夜多昼少-呈 现昼夜节律性的波动。而且一天内通常从凌晨1 点到2点褪黑素的分泌是最高的直至中午12点褪 黑素的分泌降至最低与身体内其他激素的分泌规 律不同，比如皮质醇等如图2。褪黑素的这种有 节律的、随着黑暗周期进行的变化作为光的信号被 大脑所识别并调节着人体昼夜节律和季节性节 奏。当人体昼夜节律被打破，黑暗周期发生变化- 褪黑素分泌则发生异常-这将影响人体的生理机能。 目前知道光的季节性的变化

9、（夏天昼长夜短，冬 天昼短夜长）通过褪黑素对动物的生殖系统产生调 节作用，并且在生殖系统异常的人的体内也发现 松果体分泌褪黑素能力低下。另外，褪黑素在人体 免疫系统、心血管系统以及抗氧化方面都有着非常 重要的调节作用。特别在睡眠方面适当剂量的 褪黑素可以缓解因为昼夜节律被打破而造成的睡眠 障碍。褪黑素还被称作睡眠激素控制人体 的警觉和睡眠。2.2光照强度对褪黑素的作用褪黑素作为机体表达黑暗的化学信号.对光照的 强弱有着灵敏的反应。这里借助melbourne大学的 mcintyre1101等人的实验来阐述光照强度对褪黑素的景 响作用。他们采用13个健康被试者（9男4女）迭 行了 7天的实验。每天

10、在凌晨12点到1点间进行£ 种强度的光照实验分别是3000ix、loooix、500lx、 350lx和200lx 光源是荧光灯。结果表明在每种次 照强度的照射下，与正常褪黑素分泌量相比较不厉 强度的光照对褪黑素的抑制程度分别可达71%、 67%、44%、38%和16%如图3。这个实验说明， 光照强度越大-对褪黑素的抑制作用越强。同样从图 中可以看出光照强度越大对褪黑素的分泌起到抑 制作用所需的时间越短-光照强度越小则需要持续一 段的时间才会对褪黑素的抑制起到作用。同样 mclntyre（h1的实验中也发现，在同一种光源作用下- 低照度的光照并不能通过持久时间的照射达到高照度 在短时

11、间内对褪黑素抑制的同样的效果。但是对于光谱能量分布不同的光源，同一照度 下对褪黑素的作用效果也不同。maliana gf,21的实 验证实照度为18lx的波长为470nm的led光源对 褪黑素起到非常明显的抑制作用而同样照度的 3000k的荧光灯对人体没有太多的生物效应。这说 明光谱能量分布不同对褪黑素的抑制作用也不同。 2.3光谱能量分布对褪黑素的影响动物实验揭示蓝绿光谱左右的光线对机体的 昼夜节律有着明显的影响。wright（,4）等人曾用蓝 色（470nm）、蓝绿色（ 497nm）、绿色（525nm）、 琥珀色（595nm）以及红色（660nm）的led对被 350lxoo 2001x2

12、400 00150030004501000115013001450200时间10图3不同光照强度对褪黑素的抑制作用70605040302010d o 7 5 5 o 79296c 4 4 5 5 6 勿刃昌口刃波长(run)© 1 叫2014 china acade.nic j叫科淪勰甌般議臨辭騎影關简用 reserved, 试者进行实验（如图4） 研究结果表明蓝绿 （497nm） led对褪黑素产生最大的抑制（42min）， 证实led的光照是造成褪黑素时相变化的有效办 法，其中蓝绿led最有效。我国北京大学第三医院 神经科也曾经在实验中用波长为470nm的lec 光照对被试者进行

13、实验证实470nm的led蓝色光 源对人体的生物节律影响是有效且安全的。bermanl，6j指出光感受器的最大光谱灵敏度处 于蓝色光的区域内并且在高照度水平时很活跃， 并证明在富含蓝色光谱的照明下人眼视敏度有一定 提高。它不同于明视觉和暗视觉条件下的光谱光视 效率敏感度-光对人体昼夜节律作用的敏感度峰值 位于490nm(,41处° (数值并不一致gall、george c等实验为460nm) 如图5。明视觉暗视觉昼夜节律图5暗视觉、明视觉以及生理昼夜节律对光谱的敏感度曲线红光对褪黑素的抑制最弱蓝光对褪黑素的抑 制最强而光照强度大小对褪黑素的作用也不同- 强光瞬时可以抑制褪黑素的合成而

14、弱光则需要持 续一段时间。因此，在夜晚临睡前，健康的光照应 该比较柔和不含蓝光，这样有助于人体识别昼夜节 律准时捕捉外界环境加强褪黑素分泌促使人们睡 眠。相反-白天办公环境-需要保持清醒警觉状态 光照环境的设计除了考虑满足视觉功能外还需要 在光谱中加入能抑制褪黑素的蓝光有助于提高工 作效率。光生物学理论的发展在以往的评价标准上增加 了健康照明的内容。因此除了考虑光照的视觉功 效外-光照强度以及光谱能量分布都是应该考虑的。 只有充分了解光作用于人体的生物效应-才能营造 健康的光照环境。3光疗技术的发展光照强度以及光谱能量分布可以对sad症有很好的 生理学及医学奖从此光疗技术的应用越来越广泛。疗效

15、'm81o西雅图的一些研究人员在冬天模拟夏j rw4-zu 14 china acaciemic journal elecironicrublisninl louse. ao rielifs reservea. ntip:/ vu .cnr 首先光疗技术应用最早最多的是在医学临床季清晨光照环境发现这能有效的缓解sad病人的传统意义的光疗指的是日光浴治疗法 (heliotherapy)-早在古埃及、古希腊以及古罗马都 有记录o随着人造光源的诞生法罗群岛 (faroe islands)的 niels ryberg finsen 作为现代光疗 之父发明了第一个可以用于治疗寻常狼疮(lupus

16、 vulgaris)的光疗技术。他在1903年获得了诺贝尔 应用上根据不同波段的光谱对人体产生的生物效 应的不同人们研究出针对不同疾病的光谱治疗仪 器和方法。总的来说光疗中可以利用红外光长波 的强渗透性以及热效应来使体内局部血液流动，加 速新陈代谢-提高细胞活性起到消炎镇痛的作用。 宇宙飞行员在太空失重状态下-身体细胞活性降低- 生长缓慢肌肉骨头都会发生萎缩等现象并且肓 体的擦伤撞伤很难愈合这在太空中是非常不利的。 于是美国宇航局(nasa)应用680nm. 730nm和 880nm的led光源做实验证实了近红外线的光波 能五倍地提升细胞活性，并有效治疗创伤纲。而紫 外光因为波长短辐射能量大光

17、疗技术中可以将具 应用在表皮进行除菌杀毒作用比如利用uvb治疗 牛皮癣】。此外，还有利用红光降低血糖促进卵 巢黄体形成；利用蓝紫光漂白血液中胆红素-治疗 新生儿黄疸等等。其次光疗对人的心理及睡眠的作用，是健廉 光照环境中最受尖注的问题这主要涉及到可见光 范围的光波。自1984年rosenthal提出并描述了季 节性情感障碍(sad)以来人们幵始尖注sad与 光照的尖系。sad高发在高纬度地区或者冬季阳光 缺少的地区因为身体生物钟无法适应该地区的亡 昼时间的短从而造成精神和情绪紊乱。通过调翌病症。另外，对于重度抑郁症（major depressive disorder）.极地抑郁症（bipola

18、r disorder）以及产后 抑郁症（postpartum depression）的人群-光疗也是 种极为有效的方法23241o有资料显示明亮光 照可以缓解帕金森病症（parkinson's disease） 减少 病人的颤抖症状【如。同样让老年痴呆症（alzheimer's disease）的病人白天待在明亮的光照 下，夜晩较少光亮，会有助于让病人的行为稳 定（。再则-通过改变光照条件（模拟黄昏光照和 黎明光照）可以有效缓解由于生活节奏加快压力 增大而产生的睡眠障碍。美国rpi大学的照明研究 中心（lighting research center，lrc ）研制出 470n

19、m的光谱的光疗设备光护目镜作为非药 物手段干预老年人的睡眠障碍。通过对11个51岁 到80岁以上的人做实验，发现通过一定时段的光照 以及在特定的时间内进行光照能有效的改善了老 年人的睡眠状况何。除此之外，光疗技术在美容方面的发展有着巨 大的潜力。随着人们对光照强度和光谱能量分布 （spd）的了解更加深入以及对led技术的掌握， 利用特定波长的光谱针对不同美容需求（美白、除 皱等等）制作美容光疗设备，已经成为了现实。 目前市面已经出现利用590nm波长具有的增强人体 胶原蛋白功效制作的光疗去皱产品以及利用 525nm波长能分解皮肤中黑色素的美白产品等等。 由此看来光已经突破了它传统意义上的概念了

20、。 可以预见在不久的将来有尖光的非视觉效应应 用更将广泛。4健康光照环境应用展望早在2000年重庆大学陈仲林教授就幵始尖注健 康照明情况，并指出以明视觉的视见函数为准迪 行的照明计算存在着不合理性【进而其团队对随 道照明以及道路照明中的光生物效应进行了实验研 究，验证了 berman（161提出的在富含蓝光的照明下 人眼的视敏度有一定的提高。2006年杨公侠教授以 及章海聰教授绚刚把第三种光感受器（cirtopic） 介绍给国内照明学界后复旦大学的居家奇、陈大 华、林燕丹】等定义了照明的光生物效应，并重新 在其申请的国家"863"课题中，将开展在极地的环 境条件下 led的

21、spd对人体的非视觉生物效应能 研究探索合适的led光谱能量分布（spd）并 研制出适合极地的led灯具以提高极地站区科老 队员的工作效率改善极地特殊环境引起的“越冬 综合症南极t3综合症"和'季节性情感失常"（sad）等症状。研究结果将对高纬度地区以及冬季 较长地区的照明应用有着非常重要的借鉴意义；同 时将突破传统灯具的概念提出满足视觉要求的孵 明不再是未来灯具的唯一功能健康光照概念将弓 领未来灯具的设计。健康光照环境的营造必须基于对用光安全的了 解。首先.从光辐射方面来说紫外光、红外头 以及一定的可见光会对人体的眼睛以及皮肤造成伐 害无论从健康光照环境设计以及灯

22、具设计方面哥 要避免。其次-从视觉方面来说-设计不合理的系 明（比如过强的照度比照明场景的频繁更迭及开 适宜的彩色光的选择）会造成人情绪的不舒适甚至 造成视觉疲劳损伤视力。再有-就是光对人体昼 夜节律的影响作用正如文章前面所述破坏人« 昼夜节律的照明会诱发各种疾病（比如sad及乳肪 癌等）o如今由于led不同于传统光源的特殊光学泾 性及其技术的发展.使入们越来越尖注光生物安全 的问题。基于光照对人体昼夜节律会产生影响德 国标准化机构（din）计划于2012年底前完成制定 草案即在建筑环境中考虑光照对人体昼夜节律的 影响作用。我国十二五"半导体照明专项针茏led照明产品光源及

23、灯具的光辐射特性开展研究 研发出光辐射危害检测方法及检测设备。英国标准 协会（bsi）和国际电工委员会（iec）的leslie lyons最近撰文提倡现在的led的光电子产品一 定要注意光生物安全】。2011年7月在南非太阳城 举办的第27届国际照明委员会（cie）大会中，除 了对光生物安全的尖注外光与健康以及光的非视 觉生物效应也成为尖注的热点话题。健康照明将成 为我国十二五"期间led照明领域的重要研究三 应用方向。思考碉嘟定紘慰蒂郝儒縣哪用bhshing house. all rights reserved. htwa 极地极昼极夜的特殊环境条件对人体的不利影响以上可知光对人体

24、昼夜节律作用的研究将对未5结语来照明应用产生深远影响。首先是可以通过特定光 照强度及光谱能量分布以及利用自然光来修复人的 昼夜节律紊乱的状况，比如sad症状老年痴呆症 （alzheimer's disease）等，可以应用在医院病房、 icu室及健康治疗室等地方。其次是模拟自然光以 有利人体昼夜节律稳定。可以通过引入自然光或者 通过智能控制系统来达到对自然光的模拟-可以应 10 lain m mcintyre - trevor r norman graham d burrows， stuart m armstrong human melatonin suppression by lig

25、ht is intensity dependent j journal of pineal research 1989-(6): 149 ' 15611 lain m mcintyre trevor r norman -graham d burrows stuart m armstrong quantal melatonin suppression byexposure to low intensity light in man j life sciences 45: 327 * 332用在水疗（spa）场所、酒店.医院病房及无窗的12 mariana g. figueiro john

26、 dbullough mark非工作场所或者住宅场所。再有是效仿光对人体昼s rea spectral sensitivity of thecircadian system2 3 4 5 6 7 8 社 2002meijer j h - rietveldw j neurophysiology of suprachiasmatic circadian pacemaker in rodents j physiol rev -1989 £9 (2): 671 '699decoursey p: daily light sensitivity rhythm in a rodent j

27、science d960 -131: 33 * 35,moore ry lenn nj a retinohypothalamic projection in the rat j j comp neurol -1972 -146 ( 1): 1 ' 14 berson dm，dunn fa motoharu takao phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadion clock j science 2002; 295: 1070 ' 73pevet p melatoni n and biolog

28、ical rhythmsj therapie 1998 - 53: 411 ' 420tamarkin l baird cj almeida ofx melatonin: acoordinating signal for mammalian reproductionj science 1985 227: 714 720pang sf - reiter rj tang pl melatonin: a universal photoperiodic signal with diverse actions c basel karger - 1996: 208jan je o'donn

29、ell me use of melatonin in the treatment17 gall d and lapuente v licht2002. 54: 860 * 71,18 george c brainard david sliney，john p hanifin et al sensitivity of the human circadian system to short- wavelength (420nm) light j journal of biologicalrhythms -2008 23 (5): 379 38619 f ellinger medical radia

30、tion biology m springfield 195720 harry t whelan et al the nasa light-emitting diode medical program-progress in space flight and terrestrialjspace technologyand applications internationalforum -2000 -504 : 37 " 4321 diffey bl ultraviolet radiation physics and the skin jphys med biol 1980 25 (3

31、): 405 42622 avery d bolet ma - cohen s et al dawn simulation treatment of winter depression: a controlled studyj am j psychiatry 1993 150 (1): 113 ' 117.23 benedetti f colombo c pontiggia a bernasconi a florita m -smeraldi e morning light treatment hastens the antidepressant effect of citalopra

32、m: a placebo-controlled夜节律作用的方式在照明设计中针对不同的工作 场所应用特定的光谱及光照强度以增强视敏度及 提高人体警觉性例如需要倒班的工作场所、办公 室、学校以及控制室（核电站及宇航发射中心的控 制室等）o总之-就如led的出现打破了传统灯具的设计 概念一样，光生物学以及led技术的发展，突破了 传统照明界线，将以视觉为主导的光照环境外延 与人体健康甚至美容密切相尖。也许在不久的将来 传统概念上用于照明的室内灯具其功能不仅仅是 照明而同时具有美容光疗等健康意义的作用。参考文献1 王育学亚健康状态m南昌：江西科学技术出版c proceedings of spie -2

33、00313 王春雪张字王拥军等一种悄然兴起的非药物治疗手段一光疗j中国全科医学 2001 4 (5)： 41614 wright hr lack lc kennaway dj - differential effects of light wavelength in phase advancing the melatonin rhythm j j pineal res 2004 36: 140 " 14415 刘娜张楠文冰亭，何仲恺，陈志忠樊东升沈 扬单色led蓝色光照对健康人体昼夜节律的影响 j中国组织工程研究与临床康复2009 13 (30): 5923 " 59261

34、6 berman -s m and clear - robert past vision studies can support a novel human photorecepter讐缈祁恤他擁馭用懈肿詁觀血blishing hofise.all rifhsved；嘅p罕强蠹鬲c . proceedings of cie midterm meeting and international lighting cenference le'on 2005勻度为94.1% -实际测量的照度均勻度均优于 90%，证明了本文所述led单边侧入式导光板模型 和设计方法的正确性。参考文献1 骆健忠陈

35、哲，张永林等 侧光平板式导光板散射网点 设计及仿真分析j液晶与显示-2006 21 (3): 206 ' 2132 邹吉平，李丽解全花等led道路照明灯具配光设 计的误区分析一照度均勻性并非亮度均勻性j照 明工程学报-2009 - 20 (增刊):46'523 黄启禄吴逢铁 基于近场均勻照明的led二次曲线 阵列的研究j光学学报-2010 - 30 ( 10): 3039' 30434 黄術-姜言森，沈奕等 侧光式led背光源的导光板 网点设计j应用光学-2008 -29 (5): 689 ' 6925 李晓建导光板的设计及制作方法研究0苏州： 苏州大学-200

36、96孙英杰卜文斌led照明的照度均勻性研究j 哈尔滨师范大学自然科学学报 2008 24 (3)： 4952(上接第17页)24 prasko j bright light therapy j . neuroendocrinol lett 2009 -29 suppl 1: 33'6425 paus s -schmitz-hubsch t -wullner u - vogel a klockgether t - abele m bright light therapy in parkinson's disease: a pilot study j mov disord >2007 22 (10): 1495 *826 peter r boyce human facters in lighting m newyork: taylor francis - 2003 482 * 48327 mariana g figueirol andrew bierma