人因健康研究助力LED产业发展
——LED产品人因健康评价技术简介

蔡建奇 杜 鹏温蓉蓉

（1.中国标准化研究院；2.北京阳明智道光电科技有限公司）

人因健康研究助力LED产业发展
——LED产品人因健康评价技术简介

1蔡建奇2杜 鹏2温蓉蓉

（1.中国标准化研究院；2.北京阳明智道光电科技有限公司）

一、前 言

作为20世纪至21世纪最重要的科学成果之一的LED技术，大大降低自然能源的消耗，但同时各类LED照明显示的爆炸式增长，也对人类的视力健康带来极大负面影响。

伴随着LED技术的不断进步和我国自2003年起对于“绿色LED产品”项目的大力推广，各类LED产品现已深入民众生活的方方面面。但是下面这组数据却深深的令人震惊：世界卫生组织2012年报告显示——屈光不正（近视、散光、远视）这一视觉功能不健康的最重要表征疾病已成为全球第二大致残疾病，而在中国，近视患者占全球的33%，高出世界平均水平10%。截至2013年，中国戴眼镜的人数接近4亿，患有屈光不正的人口超过5亿。41%的5～15岁未成年人存在屈光不正问题，而未实施矫正的比例高达85%，高于世界上的许多其他国家（广州日报，2013年11月13日）。2009-2010学年到2012-2013学年，北京市中小学生视力不良检出率从59.96%增加到62.96%，小学阶段的视力不良检出率已经达到49.77%，中学阶段达到了81.19%。中国的孩子们正在受越来越严重的近视问题困扰，而且有愈演愈烈的趋势。

而随着民众意识的觉醒，对生活品质的不断追求，消费者对LED产品的接受过程也从最初的“节能”要求逐步转变为节能的同时要兼顾“健康”，LED产品对于人的健康舒适度影响已成为目前的研究热点。

二、什么是LED产品人因健康研究

LED产品对于人的影响一般可归结为三个方面：视觉影响、脑力负荷影响以及皮肤影响，其中皮肤影响最小，而产生视觉影响与脑力负荷影响的受体器官是人眼，因此LED产品健康舒适度即是以产品的最终核心受体——人眼为研究对象，从人的生理和感知的角度，有效评价LED产品是否存在健康安全性影响（图1）——研究产品不同光参数（亮度、照度、色温、显色指数、峰值光谱、频闪等）与人眼各项 视生理功能及相关的脑部负荷功能之间的对应关系，构建人眼视觉（疲劳）、人眼光谱影响、人眼细胞影响、脑力负荷影响等客观评价模型，提出客观量化人眼健康舒适度的评价指标、限定值/限定范围，并基于客观量化指标形成产品物理参数-人体生理功能参数互为映射的、能够有效指导企业研发生产的光源配比模型，从而指导企业生产出兼具节能性和健康安全性的LED产品，引导LED产业的健康发展。

健康舒适度的概念源自于人因工程学，它是研究人类在不同环境、产品以及服务影响下的不同身体和心理状态的理论。由于过去对于人体科学的研究尚不发达，因此传统人因学更多着眼于以心理学为基础的产品可用性研究——利用主观心理问卷的方法，通过统计学的方式，指导产品的可用性研发；但是伴随近30年来测试技术的高速发展，人因学的研究方向也从传统的主观心理研究逐步转向客观生理研究，其主要目标也从过去的产品可用性研究逐步转向产品“健康”性研究。

健康舒适度研究作为人因学未来的主要发展方向，利用前沿的人体机能检测设备，通过大样本量的人因测试所形成多参数数据库，客观量化出人-机（产品、服务等）-环三者之间的匹配关系，从而最终形成有别于传统产品物理性能指标的“人因评价指标”。简而言之，健康舒适度是评测并指导改进产品 “健康、舒适、安全、效率”性能的方法，其核心就是持续提升产品的“健康、安全、高效”三大属性。

图1 人因样本分布图

三、LED产品人因健康研究的作用

人眼作为LED产品尤其是照明显示产品的最终受体，其健康影响主要是视觉影响、眼生理机能影响以及脑力负荷影响三个方面，其中视觉影响是上述研究的首要重点，理由如下：

1．视觉健康与否直接影响人的生活质量

伴随信息化社会的来临，信息的汲取已成为人类生活、学习、工作、成长发展的核心要素，而人的信息获取90%来自于视觉，因此视觉健康与否不但影响着人的身体健康，更对人的生活、学习、工作、成长起着重要的作用。

2．照明、显示及其他可视化产品的普及已成为人眼屈光不正（近视、散光、远视）大幅增长的诱因

半个世纪以来，照明、显示及其他可视化产品技术飞速发展，与之伴生的视觉健康问题愈加严重，数据在前言中已经罗列，在此不再赘述。

另外有研究显示，道路交通事故特别是夜间道路交通安全事故中，不同程度上都存在照明条件不佳、驾驶者视觉疲劳（观视模糊、应激反应下降）、驾驶者生理疲劳（注意力分散）的问题，这些问题多与视觉问题相关。照明条件不佳是视觉疲劳迅速累积的诱因，视觉疲劳累积将造成应激反应能力下降从而诱发交通事故发生。

3．照明条件及因此而继发的视觉疲劳问题影响工作效率

北美工业学会研究结果显示，视觉质量下降严重影响工作效率。这在工厂产线中表现的尤为明显。

四、 LED产品人因健康研究的创新性

1．视觉健康舒适度评价方法

从国内外照明和显示相关健康舒适度研究的现状可见，当下视觉健康舒适度的主要研究方法还是从主观认知变化及反馈的角度来进行。纵观ISO,IEC,CIE发布的现有国际LED照明显示产品的相关标准，全部是以欧美人群为测试对象，以欧美人群的视觉功能基础构建的，而医学研究表明欧美人种与亚裔人种的眼部功能特点从虹膜、屈光、散光等诸多方面都有明显区别，因此以亚洲人眼部功能特点为研究对象的照明视觉健康舒适度研究尚处于空白状态。

本研究是基于人眼视觉功能状态变化的实验研究，本团队研发人员奔赴全国5个区域（图2所示），其人群全面覆盖未成年（5%）人和成年人（95%），其中视觉异常疾病患者5%，男性49%，女性51%，测试场地包括户外、办公室、厂区、教室等多个区域，总计采集8000多人次的中国人眼睛在不同光源照明环境下的视觉功能数据。

通过分析不同光源环境下人眼的功能状态：基础屈光、AC/A，眼压、高阶像差、MTF、HF等变化值，同时结合CIE现行的主观问卷式调查，将该评价体系划分为5级分档。然后，项目组利用神经网络算法，通过实验获得的客观视觉指标参数，构建了主观感受与客观指标相统一的照明健康舒适度评价模型，并首次提出 VICO(Visual Comfortable index)评价指数（基于人眼眼轴和角膜屈光变化的视觉健康舒适度指标，表征照明产品的健康舒适度）。方法如图3所示。

作为视觉健康舒适度的一种定量评价方法，该评价模型客观快速，而且充分考虑了多项因素对视觉健康舒适性的影响；同时此方法可以随着样本数据量以及参数因子量的增加，来进一步完善神经网络的容错性和预测性，并能更为快捷准确的给出预测结果，是具有客观量化分级方式的照明产品健康舒适度指标评价体系，达到了准确评价各类型照明产品视觉健康舒适度的目的，同时研究成果也弥补了照明领域中东亚裔人种方面数据的缺环。

2.视觉健康舒适度评价指标——VICO指数

通过视觉健康舒适度评价模型本团队首创了第一个客观评价产品对于人眼视觉影响的指标——基于人眼眼轴及角膜屈光变化的视觉健康舒适度评价指标，简称为VICO指数，VICO指数是独立于照明产品物理指标（色温、显指、照度、亮度、频闪等）的、完全从人眼视功能角度、能够客观量化评价LED产品对于人眼视觉影响的指标，其主要评价产品对于人眼视光学角度下的视觉疲劳影响——眼轴和角膜屈光影响，VICO指数共分为5级。级数越高说明健康舒适度程度越低，具体如表1所示。

图2 视觉健康舒适度评价方法

表1 视觉健康舒适度(VICO指数)量化分级

VICO指数作为一个能够客观评价视觉应用产品对于人眼视功能影响的指标，其核心意义在于指标的内在测量参数与人眼近视成因有着密切的关系，医学领域对屈光不正（主要表征为近视和散光）的成因可基本归结为4个方面：第一方面是遗传及先天因素，第二方面是生活及用眼习惯，第三方面是环境光导致的视觉疲劳累积，第四方面是人眼睫状肌调节过度，上述4方面中，第一和第二方面是先天、固有、很难改变的，而环境光导致的视觉疲劳累积影响以及调节过度却是可以通过技术手段进行改善的，VICO指数其本质就是有效量化表征出光对人眼的视觉疲劳累积程度（RS、MTF、HOAS、）以及人眼睫状肌的调节程度（AC/A），因此通过VICO指数不但可以有效评测出LED产品对于诱发人眼近视可能产生的影响，而且可以利用基于VICO指数所形成的光源配比模型去有效指导企业生产出更为“视觉健康”的LED产品。

3.人眼视网膜细胞光损伤定量评测指标——CV指数

针对LED产品对于人眼细胞的光安全、光损伤问题（如蓝光危害），本工作室前期进行了大量的动物实验，分别使用小鼠、大鼠、豚鼠等多种动物作为实验对象进行了眼球细胞的光刺激实验，得到了大量的实验数据，并初步了解了光刺激对于眼球发育的影响，之后为了进一步研究光刺激对于人眼细胞的影响，本团队采用人眼视网膜细胞体外培养并进行额定光环境下的照射实验的方式来评价光环境对于人眼视网膜细胞的损伤影响，目前该方法已经形成了稳定的“人眼视网膜细胞光损伤定量评测系统”，并形成了量化评测指标—CV指数（Cell Viability 细胞活力）。细胞活力指某一特定细胞群组中存活细胞个数占总细胞个数的百分比。CV指数共分为5级，级数越高说明所测试光环境对人眼视网膜细胞的损伤程度越大 （见表2）。

4.视觉健康舒适度评价方法与传统人因评价方法的区别

由于人眼是一个具有复杂生理结构和光学特性的综合功能体，因此长久以来关于视觉健康的评价方法一直是学科难点。传统的视觉健康舒适度评价方法主要是以主观问卷方式为主，辅助以一些视力监测等辅助量化手段进行，但是由于这些方法的主观人为因素较多，因此评价结果往往误差极大，难以反映人的实时视觉健康舒适度。本研究是基于主观评价为辅、客观测试为主的研究方法，其与传统方法最大的区别如表3所示。

五、产业化应用成果

1.团队简介

作为国内目前最具影响力的视觉健康研究团队，由中国标准化研究院公共安全研究所蔡建奇副研究员牵头组建的项目团队集合了来自各家顶级医疗、科研机构的中青年骨干，项目团队成员来自上海五官科医院、温州医学院、中科院光电所、苏州生物医学工程研究所、北京航空航天大学等国内知名高效及科研机构，同时项目技术的研发及应用也得到了北京阳明智道光电科技有限公司、杭州华普永明光电股份有限公司的大力支持。

表2 细胞活力(CV指数)量化分级

2.产业应用

该评价技术能准确、快速、有效的评价人眼的视觉健康舒适度水平，基于该技术的多项参数指标可评价不同产品（照明、显示等）对人眼疲劳程度的影响情况，并依据产品光参数与人眼数据的映射关系指导产品研发。目前本项目研究成果已全面应用于各类LED照明显示及相关配套产品的研发和生产中。

作为项目核心团队成员之一的华普永明， 2014年度销售额达到3.7亿元，先后获得了杭州市市长杯工业设计银奖、中国中小企业创新成长之星、中国中小企业创新100强、中国工业设计示范基地（全国仅4家）等殊荣，借助全球节能改造的风潮，华普永明将依靠技术优势和项目经验加速发展。有望在两年内成为全国路灯销量第一企业。

3.标准及论文

在标准创新方面，基于本项目技术研发而形成的一系列相关产品及行业相关标准起草工作也已经取得一定成果，相关标准名录如下：

（1） CSA/DIS 035.1 LED照明产品视觉健康舒适度测试；

（2） QB/T 4735-2014 偏振式三维立体眼镜；

（3） ISA/CD LED products—Test of visual health and comfort.

截至目前，本项目研发所涉及相关科研技术已累计发表各类论文10余篇，其中SCI检索论文4篇，核心期刊论文超过10篇。

六、结 语

纵观人类科学的发展史，我们可以部分认作是一部通过不断研究事物内在规律最终服务于人类自身发展的历史，大部分研究都是为“满足并提升人类自身需求”这一核心目标而服务的——检测科学就是对这一目标最好的注脚，只是在其创建之初，艰深的人体科学研究较之“蓬勃喷涌”的物理学研究实在太过落后，因此多年以来，检测科学始终秉承着以“产品检测”为主干的道路快速发展着。但是“时移势易”，伴随近30年来人因工程学技术的飞速发展，单纯的产品物理指标检测已经不能满足我们人类日益提高的产品需求，我们应依据人体本身的生理指标与产品的匹配原则，对“人-机-环”三者交互作用进行评测，并且注重人本身的产品使用感受，真正做到“以人为本”的检测服务准则。因此如果说过去是一条产品物理指标检测的“单车道”的话，未来将是一条产品物理指标与产品人因指标并行的“双车道”。

照明、显示作为人类获取信息的主要基础条件，其产品设计与人息息相关，但是在相关产品设计以及标准化领域中：长久以来，照明显示产品的相关设计和标准都是以欧美人种为样本制订的，针对占全球总人口20%甚至是30%的中国乃至东亚地区人群的相关参考数据寥寥无几；通过视觉健康舒适度研究，建立基于中国人乃至东亚人的视觉健康舒适度数据库，构建出针对人类视觉健康舒适度的评价体系和参考系数，不但能够有效弥补绿色照明领域在人类健康评价方面的缺环，同时有望凭借这一突破口破解我国LED产业企业所面临的困局，解决我国照明产业转型中核心技术不足，缺少与国际产业巨头谈判筹码的问题。因此本项目业已成为实现我国LED产业转型、提升我国LED产业核心竞争力的有效途径之一。

表3 本研究方法与传统研究方法的区别