基于三维人体模型日光紫外线有效暴露研究及不同倾斜角度日光紫外辐射分布监测

摘要

日光紫外辐射(ultraviolet radiation，UVR)一直是人类生存环境的一部分，是人们每天接触的重要环境因子。适度紫外线具有促进维生素D合成、防癌等作用，过量的紫外线暴露会对人类健康产生许多直接和间接的影响，例如皮肤癌、白内障、免疫抑制和光老化等。WHO报告指出，全球每年因过度紫外线暴露损失150万伤残调整寿命年（相当于全球疾病负担的0.1％）。其中主要的两个公共健康问题是皮肤癌和白内障。
　　由于臭氧层的破坏，人们预期寿命的延长，行为生活方式的转变等等使得人们紫外线终生暴露似乎要比以前多，对紫外线暴露的定量和防护提出了更高的要求。水平面日光紫外线日间变化规律已众所周知，但更为有效的定量和防护要建立在了解个体各解剖部位紫外线暴露的基础之上。因此，为了阐明各解剖部位日光紫外线暴露的变化规律，本研究采用三维虚拟人体模型，模拟日光紫外线在不同地区，不同季节，在人体不同体表部位的暴露情况。针对我国高中低纬度的沈阳（北纬41°51′，东经123°27′），绍兴（北纬29°42′，东经120°16′）和三亚（北纬18°19′，东经109°42′），研究了夏秋冬不同代表日的日间，经常暴露的体表部位如脸部、颈部、手臂、腿部，计算这些部位的紫外线暴露剂量及其在日间分布的变化，并计算了不同暴露部位的环境暴露比，暴露面积系数，为不同纬度地区的人体体表日光紫外线暴露量提供数据基础，进而阐明不同纬度地区的日光紫外线人体有效的暴露状况。同时，结合定量计算的穿衣指数，研究由服饰变化引起的不同体表的暴露部位决定的人体有效暴露面积，结合暴露时间，能够计算有效累积暴露量，将人体的生活习惯及由气候决定的日常行为方式引入到日光紫外线的定量计算与评价中，能够更加真实有效的反映人体实际的日光紫外线暴露水平，从而指导人们的实际日常生活。
　　目的:
　　由于人体体表接收日光紫外线强度的多少是由体表暴露部位与太阳的相对位置关系决定的，因此有必要研究倾斜面的日光紫外线的暴露情况。本研究对上海市(31°51′N，121°27′E)在14个倾斜角度，7个不同的方位角度在不同太阳高度角(Solar elevation angle，SEA)下的日光紫外线的波长情况进行了测量，总结了倾斜面的日间暴露规律，并计算了红斑与维生素D的有效暴露量。虽然是固定倾斜角度的紫外线暴露，但是也能够为构造空间紫外线数据模型，进而实现人体体表接收日光紫外线的模型实现提供数据基础。
　　方法:
　　一、基于三维虚拟人体体表模型的日光紫外线有效暴露量的计算
　　在计算机软件Makehuman中建立人体三维模型，站立姿势，身高168.64 cm，体型匀称。经过简化形成整体的体表模型，共包括8181个网格，并在MeshLab软件中对不同解剖部位的进行划分，分为经常暴露的脸部、颈部、手臂部、腿部。在MATLAB软件中实现三维体表模型的日光紫外线的计算，基于已经建立好的数学模型，将人体体表的每个网格作为小倾斜面，计算该倾斜面的紫外线暴露量。采用倾斜面紫外线计算模型，并比较不同暴露部位在沈阳、绍兴和三亚不同季节代表日期的环境暴露比、有效暴露面积比例、有效累积暴露量。
　　根据穿衣指数的计算公式，由三个地区各月的平均气温、风速及紫外线强度来计算月平均的穿衣指数，由穿衣指数确定人体的服饰及体表的暴露部位，从而定量计算由服饰引起的体表暴露面积，暴露强度，暴露量。
　　二、晴好天气下日光紫外线的倾斜角度分布研究
　　本研究使用光纤光谱仪于2013年7月9日和10日（在晴朗少云天气下进行），在上海市（北纬31°51′，东经121°27′），平均海拔50m，测量不同倾斜角度的全天日间紫外线的波长辐射量。倾斜的垂直角度涉及14个，水平角度7个，全天监测共11次，每隔1小时监测一次，每次测量98组数据，用时10分钟。太阳高度角的变化范围从18.8-80度。
　　本实验监测获得的数据由“AvaSoft7.4 for USB2.0”软件转换为MicrosoftExcel格式，并采用“OriginPro8.0”数据处理软件进行计算，得到整波长光谱数据，在此基础上得到不同采样点的强度积分值，最后结合不同生物有效光谱权重，计算生物有效暴露强度。
　　结果:
　　1、通过三维人体模型计算的人体体表各部位的有效暴露量与环境的百分比，即环境暴露比，在夏季，沈阳地区人体体表不同部位的环境暴露比在40％-30％，腿部最大，颈部最小;绍兴不同部位的环境暴露比在27.7％-38.7％之间，同样是腿部最大，颈部最小;三亚不同体表部位的环境暴露比在27.7％-38.8％之间。秋季，沈阳地区不同部位的环境暴露比在45.1％-54.1％之间，腿部暴露量最大，脸部暴露量最小;绍兴地区体表不同部位环境暴露比在36.9％-46.4％之间，颈部和手臂部最小;三亚地区不同部位的环境暴露比在30.7％-41.3％之间，颈部最小。冬季，沈阳地区不同部位的环境暴露比在75.4％-85.1％之间，脸部最小;绍兴不同部位的环境暴露比在55.3％-64.2％之间;三亚的环境暴露比在43.7％-52.7％之间。在同一地区，各季节代表日人体体表的不同部位的环境暴露比变化范围在10％左右。在人体体表的不同暴露部位，其日间的有效暴露量的变化曲线在不同纬度的地区及不同季节代表日是不同的。
　　2、环境暴露比在纬度越高的地区越大，即沈阳地区大于绍兴大于三亚。比较沈阳、绍兴和三亚各地区在全年各月份的平均环境暴露比，冬季均大于春秋大于夏季。在纬度最高的沈阳，其年变化的差异性是最大的。
　　3、穿衣指数能够客观的反映由气候温度变化引起的服饰变化。由穿衣指数确定的体表暴露面积在夏季能够达到人体体表总面积的45-59％，春秋季节的暴露面积比例在18-20％，冬季暴露的体表面积约为10-13.3％。
　　4、计算我国三地区各月份的有效暴露系数，结合了不同部位的环境暴露比与面积系数，结果表明，三亚地区的有效暴露系数最大，在5-9月份，其数值都大于0.1;而绍兴仅有7、8月份大于0.1。沈阳全年的有效暴露系数都较低，但是在冬季呈现出了略微升高的趋势。
　　5、有效暴露量是由暴露人群的体表面积、暴露时间、环境强度及有效暴露系数决定的。本研究的结果中，绍兴男性农民因为其较长的暴露时间而成为三个地区中暴露量最大，其次为三亚男性、三亚女性、绍兴女性、沈阳男性、沈阳女性。
　　6、日光紫外线倾斜角度分布研究中，正对太阳方向，波长的辐射量在SEA小于30度时，倾斜面上的波长辐射强度与倾斜角度有关，不同波长在各个倾斜面上的强度分布规律是不同的，表现在波谱强度图上，不同倾斜面的波长强度存在交叉点。SEA大于30度小于60度时，波谱图仍然存在交叉点，但交叉点较小SEA时减少。SEA大于60度时，各波长在倾斜面上的强度分布规律相同，不存在交叉，倾斜角度越大，强度越大。
　　7、正对太阳方向，0-60度的倾斜面上，UVA的辐射强度随着SEA的增加先增加后降低，即存在日间双峰的变化趋势。在70-90度的倾斜面上，UVA随着SEA的增加而增加。UVB、红斑和维生素D的辐射强度在0-40度的倾斜面上有双峰现象，他们的最大强度均出现在SEA68.7度，而在50-90度的倾斜面上接收的辐射强度随着SEA的增加而增加。
　　8、UVA、UVB、红斑和维生素D的最大辐射强度均在SEA为80度，倾斜角度为80度的倾斜面上获得，这是本研究达到的最大太阳高度角。如果始终正对太阳，日间累积暴露剂量的最大值出现在60度的倾斜面上。正对太阳的下半面，在同一SEA下，倾斜面接收的强度随着倾斜角度的升高而增加。而UVA和UVB在不同SEA下的角度分布并不一致。
　　结论:
　　1、人体体表不同部位的环境暴露比是不同的，其日间变化曲线也呈现不同的规律。在不同的季节月份，该比值也发生变化，总体的趋势是冬季的环境暴露比大于春秋大于夏季。但是因为冬季的紫外线环境量小，因此人体体表实际的暴露量是夏季最大，冬季最小。
　　2、在我国高中低纬度的三个代表地区沈阳、绍兴和三亚，人体体表相同部位的环境暴露比高纬度的沈阳最大，其次是绍兴，三亚最小。但纬度低的地区其紫外线环境量大，因此实际暴露量是最大的。
　　3、由穿衣指数确定的体表暴露面积在夏季能够达到人体体表总面积的45-59％，春秋季节的暴露面积比例在18-20％，冬季暴露的体表面积约为10-13.3％。
　　4、结合沈阳、绍兴和三亚地区农民的体表面积与暴露时间，计算日光紫外线有效累积暴露量。绍兴男性农民由于身高较高，暴露时间长成为有效累积暴露量最大的人群。
　　5、日光紫外线的倾斜角度分布中，正对太阳方向，波长辐射强度、UVA、UVB、红斑与vitD有效辐射强度在倾斜面的分布规律均不同，而且与太阳高度角有关。
　　6、背对太阳和平均朝向，波长辐射和有效紫外辐射强度均是随着SEA和倾斜角度的增加而增加。

目录

声明

摘要

英文缩略语

论文一 基于三维虚拟人体体表模型的日光紫外线暴露研究

前言

材料与方法

研究结果

讨论

结论

论文二 我国三地区农民平均体表日光紫外线有效累积剂量的研究

前言

材料与方法

结果

讨论

结论

论文三 不同倾斜角度日光紫外线强度的监测

前言

材料与方法

结果

讨论

结论

本研究创新性的自我评价

参考文献

综述 日光紫外线辐射与维生素D

在学期间科研成绩

致谢

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