蔡建奇:基于视觉健康舒适度的住宅光环境研究

蔡建奇:中国标准化研究院视觉健康与安全防护实验室主任

    蔡建奇:我是中国标准化研究院的蔡建奇,我们所要研究的是照明产品对于眼睛的影响。光环境是主要研究目标。从健康和住宅角度来说,事实上离不开三大要素,光、热、空气流通,光其实是一个很重要载体,而光的第一受体就是人眼。光对于人眼影响,应该说是一个长期以来国际上都十分关注的问题。尤其当新的照明,LED光源出现之后。事实上什么样的光源、光环境,更加健康,更加有益于人的身心发展和成长发展,已经成为一个全球关注的重点。
    我今天的介绍分成几个方面,ISO&CIE国际标准情况,我参与了相关视觉健康研究,包括主导起草相关的国际标准。针对LED照明视觉健康研究必要性,包括测试体系,产业化应用,标准化工作介绍。目前主要有四个部分。
    第一部分,从国际标准概况角度上来说,我们现在在光和照明领域里面,ISO有一个专门的标委会,TC274,2013年成立,主要针对LED照明和应用这一块,直接对接了CIE 的ECTC34、TC205,目前3个WG GW1能效、WG2智能,成员国,21个P成员国。
    2016年墨尔本的CIE大会,提出了未来照明方向。健康照明,智能照明两个重要点,跟智能家居息息相关。人的2/3时间在各种人造光环境下。光对于人类的影响有三个方面,第一个方面是人眼,第二个方面是大脑,第三个方面就是皮肤。皮肤相对较少,对大脑的影响是间接性的。光对于大脑的影响,主要体现在主观情绪上,认知负荷影响,褪黑素影响,会造成失眠问题。 最主要的受体是人眼,事实上光对于人眼整个视觉系统,会产生三部分影响。第一个部分,室内照明或者户外照明,对于我们人眼的前端,也就是从我们的角膜,一直到晶状体、睫状肌这方面,产生视觉功能影响,产生视觉疲劳诱发,近视诱引。当光通过了眼睛晶状体之后,进入眼底视网膜,主要是眼底损伤和发育影响。目前LED,包括去年大家炒的很热的蓝光危害,蓝光到底会不会产生问题,其实是对视网膜损伤问题。第二个部分是对眼底影响,当我们通过我们的事情进入大脑影响两个区域,影响视觉认知,脑力负荷,对生理节律产生影响。事实上视觉影响这一块,现在是很大的影响,第一个是视觉疲劳和近视问题。近视问题成为全球第二大残疾病。视觉质量下降。目前,中国是全球近视发病率最高的国家,占总人口的37%,同仁医院的中国近视蓝皮书里面,得到准确数字。日本33%到35%,欧美30%左右。北京高中生75%近视,大学生84%,事实上我们现在医学上研究发现,很多室内照明,或者人造光环境,都是诱发近视诱因之一。2050年的时候,全球50%的人都会近视,而且高度近视达到9亿人,营造健康的室内光环境,对于人眼健康是一个最主要的保护。
    眼睛是心灵窗户。统计数据表明,人的信息提取38%来自人眼。如果人眼不健康,生活质量很差,无法提及健康二字。从LED产业发展,目前整个照明已经进入了LED光源大量市场渗透过程,那么我们说事实上在现阶段,已经进入到健康和智能为基础的一个新的创新期。这是整个产业的创新期。从研发和检测角度,我们之前大多数关注的是产品的一个物理性能指标,关注的是产品能不能用的问题。事实上对整个照明产业而言,所关注的是以人为本的照明。今年,马上准备成立工作组。现在全球整个产业,都在关注一个核心点,以人的健康为基础的照明和光环境要求。那么这个基础上,传统检测已经没有办法去完全满足我们真正的以人为本需要。因为我们所接触的传统物理指标,产品物理指标,跟人不能产生直接联系。而我们现在提出的,通过人因检测、研发,产品对人影响,通过拿人的样本,做大量的人因实验,得到产品到底好不好用,到底对人有没有影响相关指标,最终形成指标体系,有效评价产品到底好用不好用问题。
    这张图是大频率测试主观和客观生理指标对照,红色曲线,主观打分的值,15分钟到90分钟,主观评价结果;蓝色曲线,提取了这些被试者的眼部生理指标以后,通过生理指标曲线清晰发现,这两条曲线并不是完全吻合、契合,事实上主观评价,只能产生作品。75分钟,主观和客观接近,现在环境下,如何评价健康光环境,目前最需要建立一套客观生理评价体系。相信在座的有很人多都在采用主观评价方法,评价照明环境到底是好还是坏。但是主观评价存在相对一些缺陷,主观评价心理状态有差异,重复性很差,受环境影响很大,而且由于指标没有溯源性,指标准确度值得商榷。由于指标没有有效量化,所以只能够进行相对模糊评级,只能够定性评价,而不能进行准确的定量评价。生理评价方法,通过这种生理指标,较稳定、可塑,最终可以量化,可以评价出光环境对于人到底产生什么影响?同时因为可量化,所以可以成为产品改进的依据。
    我们的测试体系,也是基于光的三个部分,第一个部分,基于光与人眼视光系统的有效评价方法,基于眼底功能测试评价,基于脑力及认知评价。光环境到底产生多少诱发人视觉疲劳问题?要想解决这个问题,首先提取出视疲劳,包括视力模糊、流泪、眼酸胀、畏光、眼刺痛、眼压、瞳孔大小、肌颤、泪膜破裂等,量值可溯,无损当前状态,兼容样本差异。可选择生理视觉传递函数,高阶像差,调节集合调节比,基础去光,瞳孔大小不能够作为评价,受交感和副交感神经影响,当脑子里放空完全不想,测试瞳孔大小,和脑子里想女朋友、今天晚上吃什么饭,瞳孔大小完全存在差异。泪膜破裂主要问题在于有损人眼当前状态,需要用荧光剂来点,测试医师整个把握时间状态。四个生理量,MTF,人类很难分辨很细的线,人眼对比分辨率。人的视觉状态比较好的时候,分辨出比较细的线来,人眼高阶像差,人的视觉成像质量,近视和散光表征,人的睫状肌影响,肌肉调节多大影响,同时睫状肌影响也是近视诱引。测试方法,人眼测试流程。首先让被试者在暗室中进行休息,休息5到15分钟,被测试者基础屈光测试,传递函数,高阶像差,测试基础功能之后,被试者指定光环境,阅读或者相关视觉作业。45分钟到90分钟,再次测量被试者整个生理指标状态。测试之后,生理指标和作业前变化量放到模型当中,可以算出这个产品对于人眼到底产生什么样的视觉疲劳度。如果0到1的时候,光环境和光产品对于人基本没有视觉疲劳;如果1到2,会产生轻微疲劳;2到3,处于明显疲劳,很耐受;3到4严重疲劳;4到5属于必须禁止。通过这个方式,可以有效计算出我们灵敏视觉,神经网络输出,算法和生理指标很难用单纯的回归方程建立模型,最后采用BP生理网络算法模型。如何保证计算准确度,事实上来自于我们团队近四年多的一个实验。我们现在已经做了8870多人的人因实验,积累了从正一百度到负八百度的人群,10岁到50岁人群,各种脸部生理指标量,整个生理指标数据。现在整个算法,模型当中,所谓数据库,2亿多数据,其中进行运算,我们数据量越大之后,区分越强,因此来自将近27000万数据算法拟合,得到指数模型,最终比较准确评测出产品,或者环境对于人眼到底产生什么样的视觉疲劳。这是健康家居的第一个部分。
    第二个部分,产品对于眼底功能的影响。事实上我们在讲这个部分的时候,我们首先想要说的是光损伤问题。因为去年蓝光危害问题,在社会上炒的沸沸扬扬,去年4月份,包括工信部和质检总局,专门把我们几个专家招过去讨论。因为这件事情要上报国务院,并就蓝光危害问题做一个解释。所谓光损伤问题,首先大家要清楚光损伤分成三个部分。光化学损伤。低能量的光照引起的化学变化,强光源冲击,导致气质性变化。因为温度转化为热能,细胞局部温度上升,因为人眼的视网度37.1度温度下,正负0.1变化,一旦超过0.5以上,开始细胞活力下降,最终导致死亡。记者讲LED光源导致小孩失眠,不是因为光源,而是因为红外热损失导致,导致最终细胞全部死亡。
    蓝光损伤到底什么样?蓝光损伤在鼠类存在,老鼠世界只有红白,人是红绿蓝,豚鼠有绿色,蓝光和绿光照射,对豚鼠幼体发育影响,眼轴发育产生有效的近视抑制,有可能一些LED光谱,可以抑制眼轴增长,之后开始第二阶段研究。猕猴脸部结构跟人脸完全相似,做幼猴生长发育时间,猴子岁数1:3到4,猴子一岁,相当于人的3岁到4岁,现在从1岁的猴子开始养,养到3年后,应该能够比较明确知道到底不同光谱对于发育到底造成什么样影响。现在LED蓝光大范围普及,不光屏幕、照明在普及,到底蓝光会不会有影响?怎么样直接量化?我们采用方法,把人的视网膜细胞,色素上皮细胞、感光细胞配置方法,评测出光源对于人的眼底是否存在损伤方式。事实上通过特殊的光源箱进行测试,除了大屏幕显示产生直色光,住宅照明,光通过反射、散射进入人眼,人晶状体有一定散射和吸收。模拟类似于人眼的绿光层,光射在人的视网膜细胞,看什么损伤,产生真实状态。
    2016年NICH发表一篇文章,人眼视网膜损伤所有这些数据,都罗列出来了。蓝光损伤,可以通过人的视网膜细胞活力进行评价,当我们的视网膜细胞的细胞活力90%到100%,光源对人没有损伤,90到80轻微,80到60出现明显损伤,60以下,说明光源损伤比较严重,到60%以后,细胞活力不可逆,只会直线下降,不会再反弹。住宅光环境,或者室内光环境,对于脑力以及认知负荷会有什么样的影响,这一块对于目前来说是最艰难的部分。大家对于脑科学研究,目前人类脑科学研究刚刚开始而已。在这里面,我们现在已经在做,包括脑电和功能赫兹,通过不同光照、色温,对于大脑整区认知区域产生变化,产生很大差异性。我们未来光的设计,以及光源各种要求,对于我们的作业项目、应激反应,都会产生很明显的影响。这个部分,目前在研究当中,没有取得突破成果。
    以上是我们的研究体系。这些研究如何能够应用到产业当中,建立了一个模型,通过人因研究,最终形成一个生理指标和产品物理指标映射模型,最终可以指导健康光环境、健康光产品研发。形成很多条曲线,包括人眼视觉舒适度、睫状肌、频闪,形成产品人因健康研发流程,基于产品特点,先确定它跟人的相关因素、相关指标。之后对于原有产品,或者一些目标产品前期原因评价。之后会通过我们的数据库、曲线模型确定产品的部分参数,之后针对一些无法确定的参量,进行实验,最终通过多参数复合,形成产品。
    我们和立达信做的实验,我们研发一款教室灯,要求学生能够保证视觉健康,尽量减少近视诱发。我们不但要保证降低视觉疲劳,同时保证学生能够有效进行视觉作业,不能够在上课的时候,脑力负荷不断地下降。金融脑力负荷和视觉健康,最终研究成果,我们做的灯可以达到相对轻微疲劳,市面上买的LED灯,以及学校当时采用的灯,都是属于明显疲劳状态。之后在厦门小学做了一年跟踪实验,选择三个班,第一个班用网做灯,第二个用市场上买的LED,第三个班荧光灯,一年之后,在我们班上课孩子增加一个近视,其他班分别增加四个。 这个案例告诉大家,如果通过健康因素研发,并采取相应措施,我们可以设计出比现有光源更好的照明产品。LED产业碰到的问题,包括居家,很多人心存疑惑,LED到底伤不伤眼,会不会是白炽灯更差,虽然节能,对健康有没有影响。通过光健康研究,可以真正制造出真正好产品。
    光效应、视觉舒适度、色觉反馈、工作效率、视觉认知、情绪影响等,热效应,体表温度,皮肤温度,核心温度,皮肤含水量,皮肤水分流失量,形成智能调光、调温,个性定制。基于人的生理曲线的变化,不是用APP,远程控制可以开灯、关灯应该跟生理指标完全吻合接近。
    我们目前研究也是在做相关标准,我们现在是照明产品视觉健康舒适度。整个指标体系,标准化体系,分成六个部分,包括概述、检测方法、三个部分;产品、环境要求,一共六个部分。国家半导体产业联盟,已经发布第二个、第一个标准。今年ISO TC274会议上,我们的整个标准获得全球支持,而且标准在CIE和ISO同步推进,两到三年之内,相应国际标准会出台。我们团队,包括中国三大眼科医院,包括几大科研院所,形成联合研发团队。
    改变人类的艰辛,提供更加美好、更加健康家居环境。谢谢大家!

 

           
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