光谱功率分布通过黑视等效日光照度调节瞳孔的适应性变化：优化健康照明环境的基础

《Building and Environment》：Spectral Power Distributions Regulate Pupillary Adaptive Adjustment via Melanopic Equivalent Daylight Illuminance: A Basis for Optimizing Healthy Luminous Environments

本研究探讨不同光谱功率分布（SPDs）和色温（CCT）对瞳孔适应调整的影响，发现SPDs通过视杆细胞加权光照强度（mel-EDI）显著影响瞳孔直径，而CCT的影响在控制mel-EDI后消失，证实SPDs差异是CCT作用的关键机制，并验证瞳孔可作为亮度感知和脑唤醒的非侵入性生理标记。

　　

张守杰|金轩|潘青|罗涛|魏民辰|薛鹏|郭金鑫

北京工业大学绿色建筑环境与能源高效技术重点实验室，中国北京100124

摘要

瞳孔对光照环境的适应性调节直接决定了视网膜接收到的光量，从而影响光的视觉和非视觉效果。以往的研究主要集中在亮度和相关色温（CCT）对瞳孔适应性调节的影响上，但光谱功率分布（SPD）的作用及其背后的机制仍不清楚。本研究探讨了不同SPD如何调节瞳孔适应性调节，以及CCT对瞳孔适应性调节的影响是否源于SPD的差异。实验使用了一个11通道LED系统生成具有相同亮度但不同CCT和SPD的光刺激。从20名健康参与者那里收集了瞳孔直径、主观视觉亮度评分和脑电图信号。结果表明，SPD显著影响了瞳孔适应性调节，这种影响主要由ipRGCs加权照度的强度决定，该强度用黑视等效日光（D65）照度（mel-EDI，单位：勒克斯）表示；较高的mel-EDI会导致较小的相对瞳孔直径（RPD）。关键的是，CCT对瞳孔适应性调节的影响主要通过mel-EDI来介导。当mel-EDI保持不变时，CCT对RPD没有显著影响。此外，瞳孔适应性调节可以作为亮度感知和大脑唤醒水平的无创生理指标。随着mel-EDI的增加，RPD减小，而主观视觉亮度和大脑唤醒水平升高。这些发现阐明了SPD-mel-EDI-瞳孔适应性调节的机制，强调了mel-EDI作为优化光照环境的关键参数，并为将光生理学研究与实际建筑环境中的照明设计联系起来提供了科学依据。

引言

在研究光对人类视觉、生理和心理影响的过程中，瞳孔起着关键的中介作用[1]。它会根据光的物理特性自主调节其大小，直径在1到8毫米之间动态变化[2,3]。这种适应性调节直接决定了到达视网膜的光量[4]，从而影响视网膜图像质量以及潜在的视觉表现[[5], [6], [7], [8]]，并影响一系列生理和心理反应，如褪黑激素分泌、昼夜节律和情绪[[9], [10], [11]]。因此，作为连接光与人类视觉感知及生理和心理反应的重要中介，瞳孔适应性调节对光的视觉和非视觉效果具有重要影响。为了建立一个更科学、更合理的评价光照环境的系统，有必要系统地阐明光照环境与瞳孔适应性调节之间的内在关联。

目前，关于不同光照环境对瞳孔适应性调节影响的研究分为两类：单色光和多色光[12,13]。单色光主要用于研究影响瞳孔适应性调节的视网膜细胞类型[14]。现有研究表明，瞳孔的适应性调节由杆细胞、锥细胞和ipRGCs共同调节[15,16]。杆细胞和锥细胞主要参与早期的瞳孔适应性调节，而稳态瞳孔大小和光照后的瞳孔反应（PIPR）主要由ipRGCs介导[17,18]。此外，稳态瞳孔大小的峰值和PIPR发生在大约480纳米处，这与ipRGCs的峰值敏感度相对应[19,20]。

复杂光照环境对瞳孔适应性调节的影响主要通过多色光进行研究[21,22]，特别关注亮度和相关色温（CCT）[23,24]。经典的描述是，随着环境亮度的增加，瞳孔大小会减小[[25], [26], [27]]。为了定量描述这种关系，提出了多种瞳孔预测模型。Holladay等人[28]早期提出的模型认为瞳孔直径与亮度的对数之间存在线性关系，但由于实验样本量小，其适用性有限。随后，De Groot等人[29]提出了一个改进的模型，适用于更宽的亮度范围，假设瞳孔直径与亮度的对数之间存在非线性关系，显著提高了预测准确性。Watson等人[30]回顾了之前发表的七个模型，并提出了一个新的统一公式，可以预测0.1–10,000 cd/m2范围内的瞳孔大小[28,29,[31], [32], [33], [34], [35]]。

然而，基于亮度的模型并不能在所有条件下准确预测瞳孔大小。Babak Zandi等人[36]发现，在峰值波长约为530纳米的照明条件下，现有基于亮度的模型的瞳孔直径预测误差较小（约0.42–0.66毫米），而在峰值波长约为450纳米的照明条件下，预测误差显著增加（约0.94–1.31毫米）。这些结果表明，亮度并不是影响瞳孔适应性调节的唯一光照环境参数。

CCT是一种基于理想黑体辐射器物理特性的光照环境参数，因其对瞳孔适应性调节的影响而受到越来越多的关注。Taegeun等人[37]在相同亮度下测量了48名受试者在高（5200 K）和低（2600 K）CCT下的瞳孔直径。他们的结果显示，高CCT下的平均瞳孔直径明显小于低CCT下的瞳孔直径，这与Sebastiaan等人的研究结果一致[38]。Liu等人[39]在保持亮度恒定的情况下，测量了不同CCT下的瞳孔面积。结果同样表明，随着CCT的增加，瞳孔面积减小。然而，在相同的CCT下，LED灯和高压钠灯之间的瞳孔面积仍存在显著差异，这可能归因于它们的SPD不同。

现有研究主要关注光照环境对瞳孔适应性调节的影响，包括亮度和CCT。然而，具有相同CCT的光照环境可能具有不同的SPD，这可能导致瞳孔适应性调节的差异。此外，CCT的变化伴随着SPD的变化，因此在不同CCT下瞳孔适应性调节的差异是否可归因于SPD的变化仍有待进一步研究。

为了探讨上述问题，本研究使用多通道LED灯生成具有不同CCT和SPD的光源。实时眼动追踪技术用于记录不同光照环境下的瞳孔直径，分析不同SPD对瞳孔适应性调节的影响，并进一步验证不同CCT对瞳孔适应性调节的影响是否源于SPD的差异。这项工作旨在为理解复杂光照环境下的瞳孔适应性调节提供新的见解，并为健康光照环境的设计和优化提供科学依据。

实验设置

实验在一个长度为5.7米、宽度为3.3米的光学实验室中进行，如图1所示。

实验周围布置了黑色光阻挡材料，墙壁反射率控制在10%以下，以最小化实验过程中环境杂散光的干扰。在整个实验过程中，受试者直立坐在固定椅子上，面对正前方的光源，头部放在下巴支撑架上，以确保

不同CCT对瞳孔适应性调节的影响

共有20名参与者在六种CCT下测量了瞳孔直径，包括双峰光谱和类太阳光谱。图5展示了不同CCT下双峰光谱和类太阳光谱的RPD。

如图5所示，在双峰光谱和类太阳光谱中，随着CCT的增加，RPD逐渐减小。当CCT从2700 K增加到6500 K时，双峰光谱和类太阳光谱的平均RPD分别减少了0.08单位和0.06单位，而中位数RPD也相应减小

讨论

监测视野内的亮度是评估视觉舒适度和整体视觉偏好的必要方法，但在实际应用中难以实施，并且具有侵入性[[40], [41], [42], [43]]。瞳孔作为控制进入眼睛光通量的关键生理结构，由杆细胞、锥细胞和ipRGCs共同调节。在某种程度上，其动态变化反映了个体主观亮度的变化

结论

本研究重点关注在恒定亮度和CCT条件下SPD差异对瞳孔适应性调节的影响，并进一步探讨了不同CCT对瞳孔适应性调节的影响是否可归因于SPD的差异。此外，还研究了瞳孔直径、感知亮度和大脑唤醒水平之间的协同关系。主要研究结果总结如下：

1)

SPD的差异显著影响了瞳孔适应性调节，

CRediT作者贡献声明

张守杰：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析。金轩：撰写——审阅与编辑、方法论、正式分析。潘青：撰写——审阅与编辑、监督、研究。罗涛：撰写——审阅与编辑、方法论、研究。魏民辰：撰写——审阅与编辑、监督。薛鹏：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念构思。郭金鑫：监督、资源提供。