基于人体生理参数的照明光谱响应模型的研究

Light，which creates images through human eyes, can affect circadian rhythm and health of human bodies in physiological, psychological, and biological ways. The detection of intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs) provides neurological grounds for the biological effects of light. These cells regulate circadian clock, and take part in pupillary light reflex through non-visual neural pathways, which can affect mood, sleep quality, alertness even healthiness. Now we know illumination has both visual and biological effects, but those two effects require different lighting flux, spectrum, light distribution and timing of light. Therefore, it is urgent to build a new set of lighting norms and frames based on human healthy needs. The project is to establish a spectral response model based on physiological parameters such as pupil contraction, heart rate, body temperature, blood pressure and so on. Through statistics of the experimental data, the contribution and influence of three retinal photosensitive cells under different lighting environments is studied. The evaluation model established in this study separates the visual channel and non-visual channel effectively and is useful for evaluation of on-site lighting biological effects. Besides experiments, the project also adapts theoretical research and lighting practices. The relationship between indoor lighting environment and feeling/well-being of human is analyzed. This study helps to understand the intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs), and construct a new system of indoor lighting norms and evaluations, based on human healthy needs.

光不仅通过人眼的视觉系统产生视觉图像，而且通过生理、心理和生物的途径影响人的昼夜节律和健康。本征感光视网膜神经节细胞的发现为光的生物效应提供了神经学依据。此类感光细胞通过非视觉神经通路调节昼夜节律、参与瞳孔对光反射，对诸如情绪、睡眠质量、警觉甚至健康产生影响。照明既有视觉效应又有生物效应，两者对光照量、光谱、光分布及光照时刻的要求各不相同，因此迫切需要建立基于健康需求的全新的照明规范和框架体系。本项目以瞳孔收缩、心率、体温、血压等人体生理参数为变量，测量各项生理参数随光强和光谱照明的变化而产生的改变，从而得到基于生理参数变化的光谱响应模型。通过分析三类感光细胞的机理和光谱响应模型，分离照明的视觉通路和非视觉通路，有效评价照明现场的光生物效应。同时将理论研究结果与照明实践相结合，对室内照明光环境与人的感受、健康状态的关系进行分析，对基于健康因素考虑的室内照明光环境的设计提出了建设性的建议。

光不仅通过人眼的视觉系统产生视觉图像，而且通过生理、心理和生物的途径影响人的昼夜节律和健康。本征感光视网膜神经节细胞ipRGCs的发现为光的非视觉效应提供了神经学依据。此类感光细胞通过非视觉神经通路调节生物钟节律、参与瞳孔对光反射，对诸如情绪、睡眠质量、警觉甚至健康产生影响。照明既有视觉效应又有生物效应，两者对光照量、光谱、光分布及光照时刻的要求各不相同，因此迫切需要建立基于健康需求的全新的照明规范和框架体系。.本课题确定了以瞳孔收缩为参数对照明的生物效应进行深入研究，主要研究了基于瞳孔收缩的光谱响应特性和昼夜节律特性。.通过对实验数据的统计分析，本课题定性分析了三类不同性质的视网膜感光细胞在不同视觉条件下对瞳孔收缩响应过程的贡献和作用。通过回归分析和合理的数学模型推导明视觉条件下的瞳孔收缩光谱响应曲线，得出峰值波长为495.6nm。通过定性与定量分析相结合的研究方法，明晰三类感光细胞对于瞳孔收缩的作用。研究结果表明瞳孔收缩具有实时性和可重复性，而且三类感光细胞参与瞳孔收缩不同的响应阶段，以瞳孔收缩为研究对象，可对非视觉效应中三类感光细胞的相互作用机制进行更深入地研究，通过大量的样本实验和翔实的数据分析有可能推导出三类不同感光细胞共同作用下的非视觉效应的数学模型。.本课题对12个小时内的瞳孔收缩反应进行分析，发现由外层视网膜视锥细胞参与的瞳孔最大收缩率随时间呈单调变化，即表明外层视网膜视锥细胞对于瞳孔对光发射并没有昼夜节律变化。而内层视网膜感光细胞ipRGCs参与的瞳孔恢复率表达出一定的节律特性和形态。因此ipRGCs可能作为人体生物钟中反映明/暗的一个输入信号，维持睡眠/觉醒周期节律。同时发现在傍晚16：00左右瞳孔恢复率达到最大值。这从一定程度上反映ipRGCs在傍晚时分效率较低。.本课题的研究对于了解本征感光视网膜神经节细胞的功能起到一定的促进作用，对基于健康需求的室内照明规范和评价系统的建立有着一定的理论意义和实际意义。本课题结合LED光源的应用，通过生理物理实验方法对光源颜色评价指标进行初步探索，为深入研究基于照明视觉和非视觉效应的光源光色评价体系和健康照明做准备。