光健康与国际标准化的进展

罗勇军 牟同升 温晓芳

(1.杭州浙大三色仪器有限公司，浙江杭州 310030;2.浙江大学光电信息工程学系，浙江杭州 310007;3.浙江智慧健康照明研究中心，浙江杭州 310030)

1 引言

人类在长期的进化中，早已适应了自然的光环境，然而自从爱迪生发明第一只电灯泡后的一百多年来，城市居民逐渐地远离自然太阳光，大部分时间都处于室内，接受着人造灯光的照射。而照明的设计与应用仅仅是基于人眼的视觉需求或装饰效果，没有考虑光健康的问题。随着光生物学研究的进展，人们发现人造灯光对健康的影响越来越大，而不仅仅限于视觉层面，这引发了一个更广泛的议题—光健康，也就是我们经常提及的光生物安全问题。

人造灯光是人类文明进步的一个重要标志，但不适当地应用也逐渐成为一个健康的潜在危害因素。近几年随着半导体照明的迅速发展，照明不仅仅是“照亮”这一目的，而是更加重视灯光的舒适性、光健康等品质。以高亮度、点光源为特征的LED不仅为照明方式带来新的变化，同时GaN等蓝光辐射在视网膜上的高辐照可能产生的光化学损伤更成为健康的重要议题。随着LED的辐射亮度不断提高，再加上LED紫外和蓝光波段芯片的广泛应用，使得LED光辐射危害成为一个不容忽视的问题。以蓝光和近紫外芯片激发白光的普通照明用LED光辐射危害，主要体现在眼睛的近紫外辐射伤害和视网膜蓝光危害等。而非普通照明用的LED产品还会涉及紫外和红外辐射。与眼睛相比，皮肤辐射损伤要小很多。此外，各种光源的光学辐射还可能会对人体产生长期的影响，而且不易察觉。经研究证明，值夜班的女性乳腺癌发病率明显偏高。更重要的是，LED芯片使用的氮化镓技术使其蓝光部分含量偏高，而蓝光是抑制褪黑激素最明显的波长。

对于LED产品的光辐射安全评价，目前国际上已有了相应的标准，这些标准对灯具和灯系统的制作提出了具体的要求，规定了其辐射限值，以避免对人体产生的危害。例如IEC62471(CIE S009)，此标准适用于激光以外的一切光源。标准中对曝光限值 (Exposure Limits Values，ELVs)进行了限定［1］。我国在标准制订中的步伐也正在不断加快，并参与国际标准的制订，例如国际标准IEC TR 62471－4就是由我国主导制订的。因此，随着国际标准体系的不断丰富完善，我国的光辐射安全性也会逐渐走向规范化。

2 光健康科学的发展

严格上来说，光健康包括光对人体的短期作用效应和长期慢性作用效应。短期作用效应指8小时内的光辐射所产生的影响，即ICNIRP指南和IEC62471系列标准中的光化学损伤和热损伤。从波长200nm－3000nm分为六种损伤类型，即眼睛和皮肤的光化学紫外伤害、眼睛近紫外危害、视网膜蓝光危害、视网膜热危害、眼睛红外辐射伤害以及皮肤热危害。目前在国际上作为安全标准强制执行。长期慢性作用，包括闪烁、眩光及非视觉的生理节律影响等等。作为普通照明用途的可见光LED产品而言，蓝光对于健康的影响最为明显，它除了可能对眼睛造成物理伤害以外，还对生理节律的调节产生影响。

2.1 蓝光对眼睛的影响

眼睛可以吸收不同波长的光 (图1)。而对于可见光而言，蓝光是最具有危害性的，其对眼睛的损伤主要是在视网膜。紫外光和红外光通常被角膜和晶状体吸收，因而一般不会照射到视网膜。但蓝光可以穿透晶状体到达视网膜，对其造成光化学损害，加速黄斑区细胞的氧化损伤。所谓的蓝光危害，是指受到蓝光辐射的视网膜产生的光化学损伤。短波长的蓝光含有高光子能量，可对视网膜产生严重的伤害。辐射产生的影响可以用与光生物效应相关的加权作用函数来确定。如图2所示，在光谱的蓝光波段，作用函数达到峰值。

图1 不同波段的光在眼睛中的辐射Fig.1 Radiation of different wavelengths of light on human eyes

不同年龄人群的眼睛对蓝光波长的透过率不一样，儿童晶状体相对比较明澈，蓝光极易穿透而直达视网膜，如图1中所示。儿童在0～1岁这个年龄段，大约70%～80%的蓝光可以穿透晶状体到达视网膜，而在60岁年龄组，大约只有40% ～50%的蓝光会照射到视网膜 (图3)。产生这种区别的原因，是随着年龄的增长晶状体的颜色变得越来越黄所致。因此，临床上新生儿黄疸使用蓝光照射的方法进行治疗时，都会用黑布遮住婴儿的眼睛，保护视网膜免受蓝光辐射损伤。

图2 蓝光危害的作用函数Fig.2 Action function of blue light hazard(BLH)

人眼视网膜色素上皮细胞 (RPE)是位于视网膜外层的具有特殊功能的单层细胞，RPE细胞的退化与损伤可能导致多种疾病，常见的是老年性黄斑病变，严重的甚至会导致失明。对人RPE细胞的体外实验中，经蓝光LED照射的细胞将失去生存活力、活性氧化簇 (ROS)明显增加、细胞出现凋亡。

图3 不同年龄人群的晶状体对于蓝光的透射率Fig.3 The average transmittance of human lenses for three different age groups as a function of wavelength

2.2 人眼第三种感光细胞的发现及生理节律效应

2002年，美国布朗大学的DavidBerson教授等在哺乳动物的视网膜上发现了除杆体细胞和椎体细胞以外的第三种感光细胞。此发现彻底地革新了节律生物学以及照明工程学。这是一种含黑视素的视网膜神经节细胞 (mRGC)，一般称为自主感光视网膜神经节细胞 (ipRGC)。与传统感光细胞不同的是，ipRGC负责使人体与外界的亮暗周期同步，从而协调人体的生理节律，此领域在近年来已成为了研究热点。生理节律，也就是俗称的为生理时钟，是人体一天之内的各种生理参数的生理循环，体温、激素水平、睡眠、认知表现等都遵循着这种规律性的波动。在哺乳动物中，驱动这些节律的是一种存在于下丘脑中的叫做视交叉上核 (SCN)的起搏器，而SCN损伤会导致生理节律的终止。由于SCN的内在节律并非精确地以24小时为周期，因此必须要有外在因素对其进行调节，才能使人体的各种生理参数与外界亮暗周期同步。目前为止，光是最重要的生理节律调节因子。在哺乳动物中，光通过激活眼睛视网膜下丘脑束来调节生理节律，它是连接ipRGC与SCN的直接途径。ipRGC主要负责人体的非视觉生物效应，它与人脑的生物钟系统连接，通过光信号抑制来调节松果体的褪黑激素分泌以及人体内的皮质醇、体温等生理参数的变化，从而调节人体的睡眠、警觉、免疫等功能，即参与生理节律的调控。松果体分泌的褪黑激素是调节生理节律的主要激素，而且只在夜间分泌，因此可以作为节律各阶段的标记。众所周知，褪黑激素有促进睡眠、调节激素分泌、抗癌等潜在功效，在一些动物实验中，褪黑激素可以抑制一氧化氮 (NO)的过度生成并降低脂褐素的水平，从而达到抗衰老的作用。

2002年，Gall等在Brainard和Thapan的研究基础上，提出了生理节律作用函数c(λ)，用来表征光引起的褪黑激素抑制 (图4)。如图4所示，460nm附近的波长，即蓝光波长，对褪黑激素的抑制最强烈。而且，Gall等还在c(λ)的基础上，将节律效应量与光度值的比值定义为节律作用因子acv。acv可用于确定不同光源对人体的节律效应。从此，光源的评价不再局限于视觉层面，而逐步开始过渡到非视觉的生物学效应。

基于GaN技术的LED产品往往具有较高含量的蓝光组分，会严重影响人体的生理节律。生理节律的紊乱，对人体健康是极为不利的。近年的流行病学研究表明，生理节律的破坏可能是乳腺癌和结直肠癌高发率的一个重要原因。

图4 Gall等制订的节律作用函数Fig.4 Averaged circadian action function c(λ)

3 国际标准的制订及发展

目前，涉及光辐射安全的国际标准化机构主要有:国际非电离辐射防护委员会 (ICNIRP)、国际照明委员会 (CIE)和国际电工委员会 (IEC)。这几个机构之间相互关联，其中的成员大多是业界内知名人士或是权威机构内的专家，每年会在不同的国家地区举行相关学术交流活动，推动国际标准的发展。

3.1 国际非电离辐射防护委员会 (ICNIRP)指南

ICNIRP是不涉及任何社会、经济及政治利益的国际科学顾问团体，其成员仅限与商业、工业机构无关的国际专家，是世界卫生组织WHO官方认可的非政府国际组织。该国际组织的目的是不受任何利益团体的影响，完全从公众健康的角度研究光学辐射和电磁辐射等非电离辐射对人体健康的影响，为世界卫生组织WHO和其它相关国际组织提供依据。ICNIRP目前有流行病学、生物学、物理学和光学辐射4个常务委员会，发布非相干光源和激光束的光生物安全阈值、指导方针和声明。此外，ICNIRP邀请各种专业领域的专家作为顾问成员。尤其，随着电磁场、射频及光学设备等新技术的广泛应用，可能导致公众所受辐照的增加，这些专家可以提供更专业的观点。目前，ICNIRP发布的技术指南已成为国际工业界制订产品标准的重要依据。

3.2 国际标准IEC62471系列

国际电工委员会 (IEC)是全球三大标准化组织 (IEC、ISO、ITU)之一，也是最早的国际性标准化机构，成立于1906年。IEC主要负责电子电工领域的产品标准制订，因此涉及各种光源和照明产品的标准化，均归属于IEC组织。与光相关的IEC标准化组织主要是IECTC34“灯和相关设备” (照明产品)和IECTC110“电子显示器件” (显示产品)，而专门涉及光生物辐射安全的标准化组织是IECTC76“光辐射安全和激光设备”。IECTC76早期(2005年前)主要考虑激光产品，而随着照明技术及LED产品的发展，目前非激光的普通光源产品的光生物辐射安全已成为该技术委员会的重点工作。

2006年，IEC全文引用CIES009发布了光生物安全标准 IEC62471:2006。在 2008年 10月召开的IECTC76会议上，IEC正式决定起草IEC62471系列标准，并将所有LED产品及应用系统的光辐射安全全部纳入非激光类产品标准IEC62471系列范围。IEC62471中使用的曝光限值来自ICNIRP的相关文件准则。

IECTC76/WG9是专门开展非相干光源 (非激光)的国际标准化工作组，已发布的标准包括IEC62471－2006“灯和灯系统的光生物学安全 (图5)”和IECTR62471－2“灯和灯系统的光生物安全—第2部分:非激光光辐射安全相关制造要求指南”［2］(图6)。根据最近几年的医学研究及评估方法的发展，目前对“灯和灯系统的的光生物学安全”标准的内容作了相应的修改，新标准将以IEC62471－1发布。另外，IECTR62471－4“灯和灯系统的光生物安全—第4部分:测量方法”标准正在制订之中，由我国杭州浙大三色仪器有限公司(浙大三色)负责起草 (图7)。

图5 IEC62471－2006“灯和灯系统的光辐射安全”标准Fig.5 IEC62471－2006“Photobiological safety of lamps and lamp systems”

图6 IECTR62471－2“灯和灯系统的光生物安全—第2部分:非激光光辐射安全相关制造要求指南”Fig.6 IEC TR 62471－2“Photobiological safety of lamps and lamp systems－Part 2:Guidance on manufacturing requirements relating to non－laser optical radiation safety”

图7 IECTR62471－4“灯和灯系统的光生物安全—第4部分:测量方法”Fig.7 IEC TR 62471－4“Photobiological safety of lamps and lamp systems－Part 4:Measureing methods”

目前，所有LED照明产品的安全标准中都对光生物安全性提出了强制性的规定，并依据于IEC62471标准。如:IEC62560“普通照明用50V以上自镇流LED灯安全要求”、IEC62031“普通照明用LED模块安全规范”和IEC60598－1“灯具，第1部分:一般要求和试验”。

3.3 国际照明委员会 (CIE)技术报告

在国际照明委员会CIE中专门研究光对人和生物健康影响的机构是CIED6，即CIE第六分部“光生物与光化学”。目前，CIED6针对光对人眼视网膜、皮肤损伤、照明的健康影响以及植物的光作用效应开展了一系列研究，正在制订相应的技术报告，如2002年，发布了CIES009“灯和灯系统的光生物学安全性”，2004年发布了CIE158“Ocular lighting effect on human physiology and behaviors”等等，对光损伤的六方面物理量及光对人体免疫及神经激素的影响作了重要的规定和指导。

2011年，在南非第27届国际照明委员会CIE大会期间，CIE确认了之前在瑞士伯尔尼会议上提出的“照明产品的光生物安全测量”提案，即CIETC2－73技术委员会，本文作者荣幸地担任了该技术委员会的负责人。CIETC2－73将对各种照明产品的光学辐射对人健康造成损伤的各种物理量的测量制订国际技术规范，涉及对人体的短期和长期危害的各种相关辐射量。另外，我国浙大三色公司的另一项技术提案“动态LED光源的性能评价和测量”也获得了批准，针对新型动态照明LED光源的视觉和健康方面的参数开展研究。

4 我国标准制订的现状

2006年，根据CIE S009转换的GB/T 20145－2006已发布。IEC TR 62471－2对应的国内标准亦已由浙大三色负责转换完成，即将发布执行。针对国际上非常关注的LED产品的光辐射安全标准，2010年国家标准化管理委员会批准了两个项目:“半导体发光二级管光辐射安全—第1部分:要求与等级分类方法”和“半导体发光二级管光辐射安全—第2部分:测量方法”，目前，这两项标准草案已由浙大三色起草完成，待工信部和国标委审批发布。

我国的标准化组织TC284“全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会”专门制订激光和非激光两大类产品的光辐射安全标准，对口于国际标准化组织IEC TC76。最近，由TC284标委会提出拟成立TC284/SC4“非激光类光辐射安全分技术标委会”，将为照明等非激光类产品的光生物辐射安全制订系列标准。

5 结论

大量医学及光生物学研究表明，光会对人体组织及相应的健康造成影响，应该引起公众重视。不适当的光照除了会对人体产生短期的损伤外，长期日积月累的光辐射作用还可能造成慢性的影响，例如生理节律和免疫功能的破坏等。

自从人造光源面世以来，各种照明技术不断地革新，而国际标准的不断推出，则有利于保护公众的健康，这是人类进步的表现;同时也对照明产业构成了新的挑战和机遇。照明产品不仅要考虑节能、照明视觉功能，还需要考虑光健康，百姓更希望看到日常使用的照明产品真正符合光健康的要求。

ICNIRP与世界卫生组织WHO密切合作，推动全球公众对光健康的认识。作为联合国的一级技术支持组织，国际标准化组织IEC为世贸组织WTO提供大量的技术标准。近几年，IEC组织面对全球气候变暖及人类健康，积极推动相关国际贸易技术标准及相应的产品认证。

全球电子电工产品安全性认证委员会IECEE非常重视LED等产品的光生物安全的认证，2013年5月在挪威奥斯陆会议上成立了“光生物安全”小组，将开展全球统一的光生物安全认证，实施国际标准化组织IEC制定的光安全标准。我国专家也应邀参与国际标准制订和全球产品安全性测试认证工作，并在某些方面起主导作用，促进我国在光健康和安全性方面的工作逐步走向国际化。这将有利于我国新一代半导体照明的产业发展。

［1］IEC 62471－2006“Photobiological safety of lamps and lamp systems”.

［2］IEC TR 62471－2－2009“Photobiological safety of lamps and Lamp systems－Part 2:Guidance on manufacturing requirements relating to non－laser optical radiation safety”