LED照明光生物效应的研究

摘要

光不仅能够使人产生视觉，还能对人产生非视觉光生物效应。照明对人的光生物效应包括影响人的昼夜生理节律，体内褪黑素、皮质醇等激素的分泌，还能调节人体的体温、血压和心率等生理参数，甚至对人的警觉性、情绪和认知能力都有一定的影响。 目前国内外对人体光生物效应的研究主要集中在建立基于体内褪黑素分泌抑制或是瞳孔收缩的光生物效应光谱响应曲线，以及不同照明条件对人体生理参数的影响。而这些研究大多是在实验室中进行的，没有结合具体的应用场景。同时，随着新一代绿色光源LED的出现，由于其节能环保、效率高、光谱灵活可调等诸多优势，LED逐渐代替了传统的白炽灯，荧光灯等照明光源。基于LED照明的光生物效应的研究也成为了一个新的方向。基于此，本文设计了一个LED手术灯，并以此为照明光源。在模拟的手术环境中，探究在不同的光环境下，人警觉性，情绪以及认知能力的变化情况。 首先，介绍了国内外对光生物效应的研究现状，LED照明的发展现状及应用，人体的视觉与非视觉基本原理。包括视网膜中的引起视觉效应和非视觉光生物效应的三种感光细胞，以及人眼与大脑间的视觉通路和非视觉通路，这些知识是光生物的效应的理论基础。 其次，设计了一个能提供不同照明环境的光氛围可调LED照明系统。同时针对当前医院手术室所用的手术灯，设计了一款LED手术灯。其由四个灯盘组成，每个灯盘有12个琥珀色LED，12个绿色LED和12个蓝色LED。通过控制三种颜色LED的发光亮度就能产生不同色温的白光，实现了光谱和亮度的自由调节。并对LED手术灯进行了测量和标定。 最后，以设计的LED手术灯为照明光源，在模拟手术环境下，设计组内重复测量实验探究被试者的警觉性、情绪和高级认知能力在不同色温和照度的照明环境中的变化情况。其中共有3个亮度水平(3000cd/m2，6000cd/m2，9000cd/m2，)和3个色温水平(4000K，5000K，6500K)一共9个光环境。通过重复测量方差分析(r-ANOVA)和两两比较检验(post-hoc)对实验结果进行分析和讨论。实验结果表明在模拟的手术环境下，照明亮度对被试者的警觉性，情绪和认知能力没有显著的影响，而光源色温是影响被试者正性情绪和认知能力的主效应。同时，实验结果也对实际的手术照明提供了一定的指导。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2光生物效应的研究现状

1．3 LED照明的发展及现状

1．4研究内容及安排

2人体的视觉和非视觉基本原理

2．1人体的视觉原理

2．1．1人眼的结构

2．1．2视网膜上的视觉感光细胞

2．1．3视觉通路

2．1．4明视觉、暗视觉和中间视觉

2．2人体的非视觉原理

2．2．1第三类感光细胞

2．2．2非视觉通路

2．3非视觉效应的照明特性

2．3．1照明对人警觉性的影响

2．3．2照明对人情绪的影响

2．3．3照明对人认知能力的影响

2．4本章小结

3 LED手术灯的设计及测量

3．1光氛围可调LED照明系统的设计

3．2手术灯概要

3．2．1传统手术灯

3．1．2 LED手术灯

3．3 LED手术灯的设计

3．4 LED手术灯的测量及标定

3．5本章小节

4基于LED照明光生物效应的实验及分析

4．1警觉性、情绪和认知能力的测量方法

4．1．1警觉性的测量

4．1．2情绪的测量

4．1．3认知能力的测量

4．2 LED光生物效应实验设计

4．2．1实验对象

4．2．2实验场所

4．2．3实验设计

4．2．4实验流程

4．3实验结果及分析

4．3．1方差分析

4．3．2警觉性测试分析

4．3．3情绪测试分析

4．3．4认知能力测试分析

4．3．5总结

4．4本章小结

5总结与展望

5．1论文总结

5．2展望

参考文献

附录

作者简介

攻读硕士学位期间所取得的科研成果