人眼中的各類感光細(xì)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，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(lán)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，分別為主波長在448、517和632 nm的藍(lán)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(lán)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(lán)光的BioEq值最大，綠光次之，紅光最小，與光通量類比，藍(lán)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(xì)胞的光譜效率曲線，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(jìn)行連續(xù)3個晚上的測量，每個被測試者只進(jìn)行一種波長的ECG測量。被測試者均為男性，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(jìn)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(dá)到所需值。

心電圖的記錄采用ECG-2203G三道心電圖機(jī)進(jìn)行，此心電圖機(jī)能將測量的ECG數(shù)據(jù)進(jìn)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，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(lán)3種。人眼處照度值采用TES公司1336A型號的Light Meter進(jìn)行測量，在自建環(huán)境中測得照度值：紅光0.9 Ix、藍(lán)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(lán)光照射下的測量值。圖中方框表示測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)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(dú)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(lán)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，P=0.04，綠光增大7 ms，t=-2.829，P=0.012)，藍(lán)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(lán)光的測試結(jié)果顯示有6ms的增大值，但獨(dú)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(lán)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)。

表1-3為打開LED光源時與無光時測試數(shù)值對比及其獨(dú)立性t檢測結(jié)果。從表1-3可以看出存在顯著性差異的有紅、綠光下的QT值、綠光下的T值和藍(lán)光下的心室率。

從其他研究者的結(jié)果來看，在75 lx下對于心室率的影響大小排序為藍(lán)光>綠光>紅光，前述計算所得的BioEq值分別為藍(lán)光1.7003，綠光0.094，紅光0.0005，數(shù)值上亦顯示藍(lán)光的生物效應(yīng)影響最大，文中實驗結(jié)果中藍(lán)光下心室率有增大并存在差異性，表明在1 lx水平的光照中藍(lán)光對心室率的影響依然存在，而紅光、綠光的影響已經(jīng)微弱至沒有影響。

文獻(xiàn)中均表明在不同照度值下短波長的光對人體生理(褪黑色素、心率)的影響較長波長的大，與BioEq的計算結(jié)果呈現(xiàn)出較為一致的趨勢，而本實驗中QT值結(jié)果卻呈現(xiàn)相反的狀態(tài)，從均值上看排序為紅光>綠光>藍(lán)光，紅、綠光下的數(shù)據(jù)存在差異性，而藍(lán)光下的則沒有差異性。究其原因，計算BioEq值使用的是基于褪黑色素抑制作用數(shù)據(jù)的4階擬合曲線，對于用其來描述光的生物效應(yīng)程度可能存在一定的局限性。從實驗結(jié)果來看，低照度下短波長的光源對心室率的影響較大，而長波段的光源對QT值的影響較大。

實驗結(jié)果表明，LED光源在極低照度下對心臟的ECG各項指標(biāo)存在著潛在的影響，其中對于QT值和心室率存在較大影響。藍(lán)光波段對心率的影響更大，紅、綠光對QT值的影響較為明顯。實驗結(jié)果與計算的生物節(jié)律因子BioEq在QT值變化趨勢上存在差異，部分原因來源于BioEq基于褪黑色素抑制作用的實驗數(shù)據(jù)計算所得，反映的是褪黑色素的光譜抑制因子，用來評價光的非視覺生物效應(yīng)存在片面性，可見理論評價方式有待改進(jìn)。