林燕丹的科学网博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/fudanlyd

博文

照明科普|人眼的光效应通道与光健康

已有 2752 次阅读 2022-4-6 17:02 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

2022319日,由广东省视光学学会和中山大学中山眼科中心联合主办的粤港澳视觉健康高峰论坛暨近视防控新技术研讨会以线上、线下结合的方式召开。应大会主席卓业鸿教授邀请,本人对影响视觉健康的光环境进行了总结,并介绍了关于人因照明和光健康的一些研究进展。下文是一些关键要点的总结。

 

一.光健康的综合效应

光通过人眼影响健康主要有两个通道,一条是“光-视网膜-视交叉-外膝体-脑皮层”的视觉通道,另外一条是“光-视网膜-下丘脑-视交叉上核-松果体-褪黑激素-昼夜节律”的非视觉通道[1]。通过人眼的视觉通道,由视锥和视杆两个感光细胞开始转化的视觉信号经层层传输和信息处理,人们可以感知到视觉世界,看到各种物品的亮暗、形状、颜色、运动状态,分别出物品的类型,感受舒适的视觉环境,或遭遇视觉疲劳。

而通过光的非视觉通道,光信号通过视网膜上的内在光敏感视网膜神经节细胞(ipRGC),信号层层传输的结果是通过松果体影响激素分泌,最终影响了人的昼夜节律,而包括警觉性、皮质醇、褪黑激素、核心温度、睡眠等相应与人的节律一致的24小时为周期的各种人体表型指标,同时也受到这一通道的影响。同时,ipRGC也是瞳孔收缩的重要机制。

光的视觉和非视觉通道并非完全独立,他们之间交互影响,最终决定了光对视觉、情绪和生理的共同作用,影响人体节律、警觉性、睡眠质量、作业绩效等效应,统称为表型指标。

图片1.png 

1 光的视觉与非视觉效应

 

由于这些机制都是光通过人眼最终对人体表型产生了影响,因此今天,在这个眼科专家聚集、交叉学科属性明显的重要会议上,在讨论“视觉健康”的时候,我特别希望大家都能重视光的视觉和非视觉效应及其综合效应。

 

二.通过人眼影响健康的光因素

光的本质是电磁波,然而,由于涉及光的视觉和非视觉通道的光感受器并非对所有波段的能量照单全收,光影响相应通道的有效值,首先需要考虑各光感受器对不同波段入射光的敏感度;同时也要考虑不同光在时间和空间上的分布。前者决定了光的有效强度(典型地,考虑视觉则是照度或亮度等光度学指标;考虑非视觉效应则是节律刺激值等相关指标)及颜色、色温等值;而后者决定了光照的动态模式及空间分布、持续的照射时间等相关量。在以往大量和医学交叉的研究中,很多已发表的研究里只用到“照度”和“色温”等参数,远不足以表征光对人体健康影响的相关效应;甚至因此会忽略了光真正影响对人体视觉表型量的真正的机理。

 

图片2.png

2 光环境的综合效应

 

同时,我们应该清楚在光环境中,光的来源是非常复杂的,有自然光源和人工光源,有单一的发光源作为直射光的来源;也有空间不同部位的一次或多次反射的综合来源;有需要长时间观察的各种视觉屏幕,有整体空间不同分布最终形成的光环境,它们的综合效果最后影响进入人眼的光的强度、成分和空间时间分布相关的各个光参数的值。

 

三.重要光参数对健康影响的研究进展

1. 光照强度

光照的强弱是影响视觉感知的重要因素,是相对比较成熟的研究。大量研究表明,在其它参数不变的情况下,光照的强度越大,对人眼产生的相应刺激越强烈,包括视力、眩光感知、对比敏感度等视觉指标,及警觉性影响、褪黑激素抑制等效应。常见的光照强度影响曲线呈现上升趋势,或成一个S”型曲线,典型的如:褪黑激素抑制-光照强度曲线;警觉性-光照强度曲线。

图片3.png

3 人眼视锐度随亮度的变化曲线[2]

图片4.png 

 

图片5.png 

4:警觉性受照度的影响呈现S型变化[3]

 

2. 光谱分布

同样的光照强度,照射源可以具有不同的光谱能量分布,从而在视觉感知上影响光的色表,包括色温、显色指数或色坐标、色调、色纯度、饱和度等参数;在非视觉上影响了光的非视觉生物效应的表征量,目前国际上已发表的有两套体系,一是CIE S026发表的基于感光细胞视蛋白光谱吸收相应特性的α-opic计量体系,目前主推的是D65光源等效的EDI指数;另一个是由美国LRT中心发表的在褪黑激素抑制响应基础上建立的CS指标。两个系统在目前已发表论文中广泛被采用且具有各自的特点。在其它条件不变情况下,通常色温越高、CS越高或EDI越高,非视觉效应的刺激越厉害。

图片6.png

5 白天接受高CS刺激值的光照提升了夜间睡眠质量[4]

 

3. 光照模式

根据光随时间和空间变化不同,同样的光照水平可以以不同模式展示,他们都会影响到不同的视觉效应或非视觉效应指标。

光随时间快速变化的频率在80Hz以下是肉眼可见的闪烁(flicker,80Hz-2kHz的光照称为频闪(Stroboscopic effect),在观察动态目标时可以感受到频闪效应[5]. 研究中,当被试观察频闪效应下的空间运动时,可以发现离散的空间运动和明显的闪烁;另外通过脑电监测的进一步的研究也发现,闪烁和频闪不仅影响视觉的可见和视觉疲劳,低频率下的频闪效应会减少睡意,增加皮质兴奋[6]

由于自然光并非一成不变、而是随着时间动态变化,动态光对人体的影响也引起人们越来越多的研究兴趣。对慢速的动态光的研究表明,色温和光照水平以不同曲线模型随时间变化的动态模式显著影响观察者对空间氛围的感知[7],同时也对警觉性、情绪和视疲劳造成影响[8]

4. 光照时间

光照时间分为时间点和时间段两个概念。

同样的光照在夜间或在白天照射,对于人的非视觉效应所产生的影响并不相同。睡前干预的光照能延迟节律相位;而清晨或醒后的几小时干预则能提前节律相位,这一效应可以用于调节人体的节律相移,例如需要调节时差的人群[9]。同样的时间持续的光照时间段不同,也会导致累积的照射量不同,从而产生不同的非视觉效应[10]

 

图片7.png

6 日累积光照与节律相移的关系曲线[10]

 

 

5. 人群的影响

光照对人体的影响因人群的人种、文化、习惯、健康状况、光照史等方面的不同存在不同。例如,对颜色的感知,记忆色的评价就随不同的地区存在一定的差异[11];对颜色的偏好也存在文化间差异[12-13]。甚至,光对人体睡眠质量和节律等的非视觉效应,在中日大学生的研究结果也显示出具有不同[14]。关于光照效应的个体差异,还需要在未来引入更多的生理机制的研究。

 

四.小结

本文对影响光的视觉和非视觉效应的重点的光环境参数进行了初步的总结,因篇幅和时间精力影响,并未全面展开,只是作为讲座的资料留存,有不够全面处请多包涵。


[1] Berson, D. M., et al. (2002). "Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock." Science 295(5557): 1070-1073.

[2]  林燕丹,陈大华,邵红,姚佩玉,周卫忠.中间照明水平下视锐度的亮度响应特性研究[J].复旦学报(自然科学版),2002(04):453-458.

[3] Cajochen, C., et al. (2000). "Dose-response relationship for light intensity and ocular and electroencephalographic correlates of human alertness." Behavioural Brain Research 115(1): 75-83.

[4] Hou, D., Lin, Y*., Lu, Y., & Luo, M. R. (2021). Effects of spectral tuning of white light in the office on attention level and sleep quality. Light & Engineering, 29(3).

[5] CIE TN 006:2016 Visual Aspects of Time Modulated Lighting Systems- Definitions and Measurement Models

[6] Zhao, X., Hou, D., Lin, Y.*, & Xu, W. (2020). The effect of stroboscopic effect on human health indicators. Lighting Research & Technology, 52(3), 389-406.

[7] Lu Y.,Li W.,Xu W.,Lin Y*.. Impacts of LED dynamic white lighting on atmosphere perception[J]. Lighting Research & Technology,2019,51(8).

[8] 何思婕. 日间动态光照明策略对警觉性的影响研究.复旦大学硕士论文,2021(导师:林燕丹)

[9] Hou, D., He, S., Dai, C., Chen, S., Chen, H., & Lin, Y. (2021). Lighting scheme recommendation for interior workplace to adjust the phase-advance jet lag. Building and Environment, 198, 107913.

[10] Hou, D., Lin, C., Lin, Y., 2022. Diurnal Circadian Lighting Accumulation Model: A Predictor of the Human Circadian Phase Shift Phenotype. Phenomics 2, 50–63..

[11] Smet, K. A. G., et al. (2014). "Cross-cultural variation of memory colors of familiar objects." Optics express 22(26): 32308-32328.

[12] Bodrogi Peter,Tran Quoc Khanh,Stojanovic D.,Lin Yandan. INTERCULTURAL COLOUR TEMPERATURE PREFERENCE OF CHINESE AND EUROPEAN SUBJECTS LIVING IN GERMANY[J]. Light & Engineering,2016,24(1):8-11.

[13] Bodrogi P.,Lin Y.,Xiao X.,Stojanovic D.,Khanh T.Q.. Intercultural observer preference for perceived illumination chromaticity for different coloured object scenes[J]. Lighting Research & Technology,2017,49(3):305-315.

[14] Higuchi, Shigekazu; Lin, Yandan; Qiu, Jingjing; Zhang, Yichi; Ohashi, Michihiro; Lee, Sang-il; Kitamura, Shingo; Yasukouchi, Akira, Is the use of high correlated color temperature light at night related to delay of sleep timing in university students? A cross-country study in Japan and China, Journal of Physiological Anthropology, 2021, 40(1): 7.




https://m.sciencenet.cn/blog-1197804-1332772.html

上一篇:论文交流:Phenomics | DCLA模型预测光照对人体昼夜节律相移效应
下一篇:讲座笔记:视觉系统中的大小神经节细胞和视觉功能

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2023-2-3 06:06

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部