健康光照环境的研究现状及应用展望

王 茜 郝洛西 曾 堃

(同济大学建筑与城市规划学院，上海200092)

1 前言

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［1］，表现出精神疲惫、情感障碍、思维紊乱和睡眠障碍等症状。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，被称作生物钟(circadian clock)。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［2］，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。DeCoursey［3］于1959年发现光照会对人体昼夜节律产生影响;Moore［4］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［5］发现了第三类感光细胞(我国译为司辰细胞)，才找到让人们疑惑很久的光如何通过视网膜作用SCN产生光生物效应的“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有两种通道，如图1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。褪黑素作为光信号的接受者将来自外界的光信息传达给机体的有关组织和器官，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。

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

2.1 褪黑素的影响作用

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［6］，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(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［7］，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［8］。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［9］。褪黑素还被称作“睡眠激素”，控制人体的警觉和睡眠。

图2 皮质醇、褪黑素、体温24小时周期规律

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McIntyre［10］等人的实验来阐述光照强度对褪黑素的影响作用。他们采用13个健康被试者(9男4女)进行了7天的实验。每天在凌晨12点到1点间进行5种强度的光照实验，分别是3000lx、1000lx、500lx、350lx和200lx，光源是荧光灯。结果表明，在每种光照强度的照射下，与正常褪黑素分泌量相比较，不同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McIntyre［11］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。MaIiana．G［12］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

图3 不同光照强度对褪黑素的抑制作用

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［13］。W right［14］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［15］也曾经在实验中用波长为470nm的LED光照对被试者进行实验，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。

图4 不同波长的光对褪黑素的相位提前影响时间

Berman［16］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［14］处。(数值并不一致，Gall、George C［17］［18］等实验为460nm)，如图5。

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

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［19］。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 Vulgaris)的光疗技术。他在1903年获得了诺贝尔生理学及医学奖，从此光疗技术的应用越来越广泛。

首先，光疗技术应用最早最多的是在医学临床应用上，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，并且身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［20］。而紫外光因为波长短辐射能量大，光疗技术中可以将其应用在表皮进行除菌杀毒作用，比如利用UVB治疗牛皮癣［21］。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，是健康光照环境中最受关注的问题，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，人们开始关注SAD与光照的关系。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白昼时间的短，从而造成精神和情绪紊乱。通过调整光照强度以及光谱能量分布可以对SAD症有很好的疗效［10］～［18］。西雅图的一些研究人员在冬天模拟夏季清晨光照环境，发现这能有效的缓解SAD病人的病症［22］。另外，对于重度抑郁症(major depressive disorder)、极地抑郁症(bipolar disorder)以及产后抑郁症(postpartum depression)的人群，光疗也是一种极为有效的方法［23］［24］。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［25］。同样，让老年痴呆症(Alzheimer's disease)的病人白天待在明亮的光照下，夜晚较少光亮，会有助于让病人的行为稳定［26］。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470nm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［27］。

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。可以预见，在不久的将来，有关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开始关注健康照明情况，并指出，以明视觉的视见函数为准进行的照明计算存在着不合理性［28］，进而其团队对隧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［16］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骢教授［29］［30］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［31］等定义了照明的光生物效应，并重新思考了照明的定义。同济大学郝洛西教授团队针对极地极昼极夜的特殊环境条件对人体的不利影响，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SPD对人体的非视觉生物效应的研究，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，以提高极地站区科考队员的工作效率，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照明不再是未来灯具的唯一功能，健康光照概念将引领未来灯具的设计。

健康光照环境的营造必须基于对用光安全的了解［32］。首先，从光辐射方面来说，紫外光、红外光以及一定的可见光会对人体的眼睛以及皮肤造成伤害，无论从健康光照环境设计以及灯具设计方面都要避免。其次，从视觉方面来说，设计不合理的照明(比如过强的照度比，照明场景的频繁更迭及不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，破坏人体昼夜节律的照明会诱发各种疾病(比如SAD及乳腺癌等)。

如今，由于LED不同于传统光源的特殊光学特性及其技术的发展，使人们越来越关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”半导体照明专项针对LED照明产品光源及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［33］。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关注外，光与健康以及光的非视觉生物效应也成为关注的热点话题。健康照明将成为我国“十二五”期间LED照明领域的重要研究与应用方向。

5 结语

以上可知光对人体昼夜节律作用的研究将对未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，可以应用在水疗(SPA)场所、酒店、医院病房及无窗的非工作场所或者住宅场所。再有是效仿光对人体昼夜节律作用的方式，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)。

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关。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。

［1］王育学．亚健康状态［M］．南昌:江西科学技术出版社，2002．

［2］Meijer J H，RietveldW J．Neurophysiology of Suprachiasmatic Circadian Pacemaker in Rodents［J］．Physiol Rev，1989，69(2):671～699．

［3］DeCoursey P:Daily light sensitivity rhythm in a rodent［J］．Science，1960，131:33～35．

［4］Moore RY，Lenn NJ．A retinohypothalamic projection in the rat［J］．J Comp Neurol，1972，146(1):1～14．

［5］Berson DM，Dunn FA，Motoharu Takao．Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadion clock［J］．Science 2002;295:1070～73．

［6］Pevet P．Melatonin and biological rhythms［J］．Therapie，1998，53:411～420．

［7］Tamarkin L，Baird CJ，Almeida OFX．Melatonin:A coordinating signal for mammalian reproduction［J］．Science，1985，227:714～720．

［8］Pang SF，Reiter RJ，Tang PL．Melatonin:A Universal Photoperiodic Signal with Diverse Actions［C］．Basel Karger，1996:208．

［9］Jan JE，O'Donnell ME．Use of melatonin in the treatment of paediatric sleep disorders［J］．Pineal Res，1996，21:193．

［10］Iain M．McIntyre，Trevor R．Norman，Graham D．Burrows，Stuart M．Armstrong．Human Melatonin Suppression by Light is Intensity Dependent［J］．Journal of Pineal Research，1989，(6):149～156．

［11］Iain M．Mclntyre，Trevor R．Norman，Graham D．Burrows，Stuart M．Armstrong．Quantal Melatonin Suppression by Exposure to Low Intensity Light in Man［J］．Life Sciences，45:327～332．

［12］Mariana G．Figueiro，John D．Bullough，Mark S．Rea．Spectral Sensitivity of the Circadian System［C］．Proceedings of SPIE，2003．

［13］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):416．

［14］Wright HR，Lack LC，Kennaway DJ，Differential effects of Iight wavelength in phase advancing the melatonin rhythm［J］．J PineaI Res．2004，36:140～144．

［15］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):5923～5926．

［16］Berman，S．M．and Clear，Robert．Past Vision Studies can Support a Novel Human Photorecepter［C］．Proceedings of CIE Midterm Meeting and International Lighting Cenference，Le'on 2005．

［17］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 Biological Rhythms，2008，23(5):379～386．

［19］F．Ellinger．Medical Radiation Biology［M］．Springfield．1957．

［20］Harry T．Whelan，et al．The NASA Light-Emitting Diode Medical Program-Progress in Space Flight and Terrestrial［J］．Space technology and applications international forum，2000，504:37～43．

［21］Diffey BL．Ultraviolet radiation physics and the skin［J］．Phys．Med．Biol．1980，25(3):405～426．

［22］Avery D，Bolet MA，Cohen S，et al．Dawn simulation treatment of winter depression:a controlled study［J］．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 citalopram:a placebo-controlled trial［J］．J Clin Psychiatry，2005，64(6):648～53．

［24］Prasko J．Bright light therapy［J］．Neuro Endocrinol．Lett，2009，29 Suppl 1:33～64．

［25］Paus S，Schmitz-Hübsch T，Wüllner U，Vogel A，Klockgether T，Abele M．Bright light therapy in Parkinson's disease:a pilot study［J］．Mov．Disord，2007，22(10):1495～8．

［26］Peter R．Boyce．Human Facters in Lighting［M］．New York:Taylor Francis，2003．482～483．

［27］Mariana G．Figueiro1，Andrew Bierman，John D．Bullough，Mark S．Rea1．A Personal Light-Treatment Device for Improving Sleep Quality in the Elderly:Dynamics of Nocturnal Melatonin Suppression at Two Exposure Levels［J］．Chronobiology International，2009，26(4)，726～739．

［28］陈仲林．健康照明探讨［J］．重庆建筑大学学报，2000，22(1):84～87．

［29］杨公侠，杨旭东．人类的第三种光感受器(上)［J］，光源与照明，2006，2:30～31．

［30］章海骢．照明科学新进展—眼睛的非视觉效应［J］．照明工程学报，2006，17(3):1～3．

［31］居家奇，陈大华，林燕丹．照明的非视觉生物效应及其实践意义［J］．照明工程学报，2009，20(1):25～28．

［32］Peter R Boyce．The impact of light in buildings on human health［C］．Seoul:12nd International Conference on Sustainable Healthy Buildings，2009．

［33］Leslie Lyons．LED-based products must meet photobiological safety standards:part 1［J］．Leds Magazine，2011，(46):31～37．