【涨知识】LED光对心脏的潜在影响：以蓝红绿光为主

　　实验结果表明，LED光源在极低照度下对心脏的ECG各项指标存在着潜在的影响，其中对于QT值和心室率存在较大影响。蓝光波段对心率的影响更大，红、绿光对QT值的影响较为明显。

　　LED在节能家电、车前灯和街灯中已经占据了重要的位置，这种新型光源是否会影响人体器官引起了研究人员的注意。过去十年间，人们越来越关注光在视网膜上的非成像生物作用，例如绩效与注意力、睡眠质量和荷尔蒙分泌等，其中特别引起关注的是大脑视交叉上核中生物钟的视网膜通道效应。

　　由于人的第三种感光细胞ipRGC(Intrinsically Photosensitive Retinal Ganglion Cell)的发现，光源与人体生理健康的关系得以进一步重视，最近的研究发现光具有调节人体生理节律作用。

　　Brainard等通过使用8种单色光在夜间照射测试者，发现不同单色光对人体褪黑色素含量的抑制作用不同，并根据实验结果绘制了基于褪黑色素的光谱光视效率曲线。Mariana等的研究表明，在40lx的红光和蓝光照射下，人的心率提高，在10 lx的红光和蓝光照射下脑电图中的α波幅度下降，而β波幅度上升。Christian等通过使用不同波长的光照射人眼，发现短波光照比长波对体温、心率的变化作用更为显著。柴颖斌等研究低照度彩光下(人眼处约75 lx)人体的心率变化，发现在低照度水平下不同颜色光引起的心率变化存在差异。

　　上述种种实验结果都表明光源的波长是影响生物效应的重要因素，表明光对人体是一个潜在的生理、行为和治疗的激励源。近期的医学和生物学研究证实，血液中褪黑色素日含量自然变化偏差不仅影响精神状态，在长时间积累后还可能导致严重的健康问题，如早衰、性功能异常、乳腺癌等。

　　窄带光源的生理节律光谱灵敏度已经有了很好的实证研究，对于光源的设计已能从光的非视觉生物效应方面给予指导，随着人工照明的普及，许多城市都变成了不夜城，夜晚低照度光同样对人体的生理存在着影响，文中基于Brinard等对褪黑色素抑制作用研究中定义的光谱光视效率曲线，通过实验测试，分析夜晚极弱光源对于人体ECG(Electro-cardiograph)的生理影响。

　　生物节律因子

人眼中的各类感光细胞对不同的光谱光源有不同的响应，可以通过光通量的概念引入生物节律因子，借以评价光的生物效应。图1中空心圆点为Rea等根据褪黑色素抑制作用得出的人体生理节律光谱响应灵敏度，司晨视觉曲线B(λ)是其4阶拟合曲线，明视觉曲线V(λ)是明视觉下的光谱光视效率曲线。从图1可以看出拟合的B(λ)曲线峰值在460nm附近，相对于明视曲线V(λ)向短波方向偏移，处于蓝光部分，这是大部分白光LEDs富含的光谱波段。由明视曲线V(λ)和拟合的B(λ)曲线可以定义出生物节律因子。

按照生物节律因子的概念，可以通过下面两个步骤求得其数值：

1)对于不同光源的相对光谱功率曲线Ф(λ)，由一个统一的视觉因子或统一的光通量(如100lm)归一化成Ф(λ)i，norm，定义如下：

式中，K =683 lm/W，为明视觉下最大光视效率值，Фv，i表示特定光谱归一化后的值。

2)节律因子BioEq(Biological Equivalent)为

通过光谱仪测得不同光源的光谱Ф(λ)i，即可计算得到节律因子BioEq。

明视觉中光源在可见光范围内的光通量大小就是光源照度值的大小，而生物节律因子的大小反映的是光源对人体生物效应的大小。

LED归一化光谱

实验中采用的光源均为LED类，分别为主波长在448、517和632 nm的蓝光、绿光和红光，图2为用WGD-3型多功能光栅光谱仪测得的3种光源经过式(1)归一化后的光谱分布曲线。将测量所得的光源光谱数据V(λ)通过式(1)和(2)可分别计算得到蓝光、绿光和红光的生物节律因子，结果依次为1.7003、0.0094、0.0005。蓝光的BioEq值最大，绿光次之，红光最小，与光通量类比，蓝光对人体的光生物效应影响最大，红光的影响最小。据此，根据第3种感光细胞的光谱效率曲线，使用BioEq值来衡量3种颜色的LED光源的生物作用，定量地分析非视觉生物效应的大小，指导心电图实验结果的分析和比较。

实验设计与数据分析

实验选取了几名被测试人员对同一种光源进行连续3个晚上的测量，每个被测试者只进行一种波长的ECG测量。被测试者均为男性，无眼疾、无色盲、矫正视力均在5.0，并被要求在测试期间正常作息。实验在自建实验室进行，环境温度控制在25℃，声音水平在10 dB左右。被测试者采用平躺姿势，光源分布于被测试者周围，使得被测试者在平躺的状态下没有眩光影响，并通过墙体的漫反射使得平躺时人眼处的照度达到所需值。

心电图的记录采用ECG-2203G三道心电图机进行，此心电图机能将测量的ECG数据进行打印，直接得到心房除极波P波、心室除极波QRS波群、心室除极与复极总时间QT间期和校正值QTc等心电图波形时间。光源为4盏吉海仕全彩LED，能实现不同颜色的LED光输出。

测试时被测试者先在无光暗室中平躺20 min，然后打开设置到规定颜色的LED光源，在测试光的情况下平躺20min。期间每5 min测量一次ECG。采用的光源颜色为红、绿、蓝3种。人眼处照度值采用TES公司1336A型号的Light Meter进行测量，在自建环境中测得照度值：红光0.9 Ix、蓝光1.0 lx、绿光0.9 lx，均为极低照度水平。

实验共获得了10组数据，每组数据包含无光和有光状态下的心电图数据。在同一种波长下测量的数据合并成1组，对无光状态和有光状态下的数据分别求平均，得到的结果如图3(a)-(f)所示。

图中NL为No Light的缩写，表示无光时的测量值；RL为Red Light的缩写，表示红光照射下的测量值；GL为Green Light的缩写，表示绿光照射下的测量值；BL为Blue Light的缩写，表示蓝光照射下的测量值。图中方框表示测量数据的标准差SD，中间的圆点表示测量数据的平均值，上下水平短线表示测量值的最大值和最小值。Tp、TQRS、TT、TQT表示各波时间间隔。

图3(a)和图3(b)表明，不同光源对人体ECG的P波时间和QRS波群时间影响不大，且独立性t检测均显示无光和有光情况下的数值没有差异性。

图3(c)显示，反映心室晚期快速复极过程的T波时间在红光和绿光下数值有所增加，其中绿光下的T波时间平均增加了4ms(参数t=-2.279，P=0.036)，而蓝光下则显示下降。

从图3(d)中可以看出，红光和绿光下的QT间期有较明显增大(红光平均增大5 ms，t=-2.202，P=0.04，绿光增大7 ms，t=-2.829，P=0.012)，蓝光下则基本没有变化，由于QT间期代表了心室的除极到复极的总时间，这表明光源的波长对心室活动有着不可忽视的影响。

图3(e)中显示，QTc值在不同光源下都有增大的趋势，其中红、绿光下增大2 ms左右，而蓝光的测试结果显示有6ms的增大值，但独立性检测均表明无光下的数据和3种光源下的数据没有差异。

图3(f)数据显示极低照度下红光和绿光对心室率基本没有影响，而蓝光下的心室率则呈现出加快迹象(平均增大2次，t=-2.456，P=0.022)。

表1-3为打开LED光源时与无光时测试数值对比及其独立性t检测结果。从表1-3可以看出存在显著性差异的有红、绿光下的QT值、绿光下的T值和蓝光下的心室率。

从其他研究者的结果来看，在75 lx下对于心室率的影响大小排序为蓝光>绿光>红光，前述计算所得的BioEq值分别为蓝光1.7003，绿光0.094，红光0.0005，数值上亦显示蓝光的生物效应影响最大，文中实验结果中蓝光下心室率有增大并存在差异性，表明在1 lx水平的光照中蓝光对心室率的影响依然存在，而红光、绿光的影响已经微弱至没有影响。

文献中均表明在不同照度值下短波长的光对人体生理(褪黑色素、心率)的影响较长波长的大，与BioEq的计算结果呈现出较为一致的趋势，而本实验中QT值结果却呈现相反的状态，从均值上看排序为红光>绿光>蓝光，红、绿光下的数据存在差异性，而蓝光下的则没有差异性。究其原因，计算BioEq值使用的是基于褪黑色素抑制作用数据的4阶拟合曲线，对于用其来描述光的生物效应程度可能存在一定的局限性。从实验结果来看，低照度下短波长的光源对心室率的影响较大，而长波段的光源对QT值的影响较大。

实验结果表明，LED光源在极低照度下对心脏的ECG各项指标存在着潜在的影响，其中对于QT值和心室率存在较大影响。蓝光波段对心率的影响更大，红、绿光对QT值的影响较为明显。实验结果与计算的生物节律因子BioEq在QT值变化趋势上存在差异，部分原因来源于BioEq基于褪黑色素抑制作用的实验数据计算所得，反映的是褪黑色素的光谱抑制因子，用来评价光的非视觉生物效应存在片面性，可见理论评价方式有待改进。