專利名稱：一種led光生物安全性檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于照明工程領(lǐng)域，具體涉及光源的安全性檢測(cè)方法，特別涉及LED光源的安全性檢測(cè)方法，尤其是LED光的生物安全性檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
隨著能源危機(jī)的迫近以及節(jié)能環(huán)保、低碳意識(shí)的提高，新型LED (light emittingdiodes，發(fā)光二極管)照明光源的全球市場(chǎng)前景愈發(fā)光明。LED照明作為節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，正逐漸受到國(guó)家和各級(jí)地方政府的高度重視。隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，LED照明產(chǎn)業(yè)必將成為綠色節(jié)能產(chǎn)業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，在市場(chǎng)利益趨勢(shì)與法律法規(guī)刺激下，全球LED產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈快速增長(zhǎng)之勢(shì)。LED光源具有使用電源電壓低、節(jié)能高效、適用范圍廣、穩(wěn)定性強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短、壽 命長(zhǎng)、無(wú)污染等特點(diǎn)，未來(lái)必將取代白熾燈、熒光燈等人造光源，成為城市的主要照明光源。然而在LED產(chǎn)業(yè)快速增長(zhǎng)，應(yīng)用場(chǎng)合不斷增加的同時(shí)，LED光源對(duì)于視網(wǎng)膜可能帶來(lái)危害及對(duì)生物日常生活可能帶來(lái)的影響成為了一個(gè)越來(lái)越受人們關(guān)注的問(wèn)題。在光輻射波段中，紫外線輻射和藍(lán)光輻射對(duì)人體的危害尤為明顯。LED作為一種新興光源因?yàn)榻陙?lái)的迅速發(fā)展，芯片的功率及外量子效率均大大提高，紫外和藍(lán)光波段的短波LED芯片被廣泛應(yīng)用，多芯片集成及二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展，使得LED的危害性更加顯著。光生物安全性是指光源光輻射對(duì)人體的危害性，例如紫外輻射可以引起皮膚癌、白內(nèi)障等，強(qiáng)光可以灼燒皮膚、視網(wǎng)膜等。過(guò)去，由于科學(xué)技術(shù)的不發(fā)達(dá)，人們受到的主要是日光輻射，而由于大氣的保護(hù)作用，光輻射引起的危害相對(duì)較小。而現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，越來(lái)越多的人工光源被生產(chǎn)制造出來(lái)，這些人工光源雖然改善了人們的生活，但是它們也將人們暴露在更大的光輻射危害中。另外，近年來(lái)LED產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，高亮度、大功率的LED不斷涌現(xiàn)，過(guò)去的LED出射光不會(huì)對(duì)人體造成危害的時(shí)代一去不復(fù)返了，人們不得不開(kāi)始關(guān)注LED產(chǎn)品的光生物安全性。還有激光產(chǎn)品在光通信、顯示、指示等各個(gè)領(lǐng)域的使用也加大了人們受到光輻射危害的可能性。因此，盡快使人們意識(shí)到光生物安全性的重要性已經(jīng)迫在眉睫。按照被測(cè)光源類型的不同，光生物安全性的測(cè)試與評(píng)價(jià)分為相干光源和非相干光源的光生物安全性測(cè)試與評(píng)價(jià)，對(duì)此，國(guó)家照明委員會(huì)和國(guó)際電工委員會(huì)都出版了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，但是在某些地方尚存在不足。國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)根據(jù)對(duì)生物物理數(shù)據(jù)的評(píng)估提供推薦曝光限制，并且出版非相干光源和激光束的光生物安全方面的指導(dǎo)方針和聲明。國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)出版了 CIE S 009/E:2002標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)燈與燈系統(tǒng)的光生物安全性做出了規(guī)定。CIE極少出版標(biāo)準(zhǔn)，CIE S 009/E:2002是CIE出版的僅有的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之一，該標(biāo)準(zhǔn)的重要性可見(jiàn)一斑，IEC于2002年全部引用。CIE S 009/E: 2002對(duì)光輻射造成皮膚和眼睛的光化學(xué)危害、眼睛的近紫外危害、視網(wǎng)膜藍(lán)光光化學(xué)危害、視網(wǎng)膜無(wú)晶狀體光化學(xué)危害、視網(wǎng)膜熱危害和皮膚熱危害等危害的曝輻限值做出了規(guī)定，這些曝輻限值是根據(jù)ICNIPR的響應(yīng)指導(dǎo)方針得到的。同時(shí)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還提供了參考測(cè)試條件，并為評(píng)估和控制來(lái)自非相干的寬波段光源的光輻射所產(chǎn)生的光生物危害提供了一個(gè)安全等級(jí)的分類規(guī)則。IEC提供制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括處理光輻射安全性問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)，如激光產(chǎn)品的光安全標(biāo)準(zhǔn)IEC-60825，又由于IEC與產(chǎn)業(yè)聯(lián)系更加緊密，它的標(biāo)準(zhǔn)往往比CIE等其他組織的標(biāo)準(zhǔn)推廣更多。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)光生物安全性的要求更是走在世界前列，如今所有銷往歐洲的激光和LED產(chǎn)品都必須按照EN-60825經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試評(píng)價(jià)。而進(jìn)入美國(guó)的激光產(chǎn)品要嚴(yán)格符合美國(guó)食品與藥品管理局FDA下屬的設(shè)備儀器與放射健康中心(⑶RH)制定的21CFR1040. 10和1040. 11的要求。除此之外，美國(guó)有些州還有自己的規(guī)章，如佛羅里達(dá)的管理法規(guī)(FAC)。展望國(guó)際對(duì)于LED標(biāo)準(zhǔn)制定的現(xiàn)狀，現(xiàn)有的IEC與CIE制定的標(biāo)準(zhǔn)是各國(guó)制訂自己標(biāo)準(zhǔn)是主要參考的標(biāo)準(zhǔn)。它們主要是針對(duì)單體LED的測(cè)試，項(xiàng)目包括發(fā)光強(qiáng)度、光強(qiáng)分布和輻射強(qiáng)度等，并由此計(jì)算光通量。
在日本，日本照明學(xué)會(huì)、日本照明委員會(huì)、日本照明器具工業(yè)會(huì)，以及日本電球工業(yè)會(huì)在2004年年底共同制定完成并發(fā)布實(shí)施了一套用于照明LED的測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)，采用由測(cè)光標(biāo)準(zhǔn)光源校正過(guò)的白光LED數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，測(cè)量照明用白光LED及其模塊，測(cè)定 CIE平均光度、全光束的光量值、相關(guān)色溫、配光特性等。并且規(guī)范了用于照明上的一些基本參數(shù)，如定義了 LED芯片與模塊的結(jié)構(gòu)，色溫，光譜，LED的壽命、輸入電流、輸入電壓、消耗電能等，并確認(rèn)測(cè)量應(yīng)該在光輸出穩(wěn)定后才會(huì)進(jìn)行測(cè)量。北美照明工程學(xué)會(huì)(IESNA)目前也完成了照明LED產(chǎn)品的多種參數(shù)的測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)，包括光參數(shù)、電參數(shù)和壽命等。美國(guó)Energy Star已經(jīng)將照明用LED列入其認(rèn)可范圍，并于2006年底出臺(tái)了相關(guān)產(chǎn)品要求和測(cè)試方法草案。目前我國(guó)針對(duì)照明行業(yè)已經(jīng)出臺(tái)了 20多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的制定主要是參考了 IEC標(biāo)準(zhǔn)。目前發(fā)布實(shí)施的主要是照明LED產(chǎn)品器件測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)；功率型LED的空白詳細(xì)規(guī)范和LED芯片規(guī)范三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，包括名詞和文字符號(hào)、總規(guī)范、分規(guī)范、空白詳細(xì)規(guī)范、測(cè)試方法、額定值和特性、機(jī)械和環(huán)境適應(yīng)性以及具體產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范。但是，LED性能十分復(fù)雜，產(chǎn)品類型豐富多樣，新技術(shù)層出不窮，這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足照明LED產(chǎn)品發(fā)展的需要，所以國(guó)內(nèi)很多機(jī)構(gòu)仍在開(kāi)展照明用LED的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)研究，但由于力量分散、大部分機(jī)構(gòu)的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)不足，所以制定測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)時(shí)考慮比較片面，且造成許多重復(fù)性的浪費(fèi)工作。對(duì)于光生物安全性的研究，發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是歐洲處于絕對(duì)的領(lǐng)先地位，我國(guó)對(duì)這方面的研究尚處于起步階段，與國(guó)際存在較大差距?？墒牵覈?guó)是當(dāng)今世界制造業(yè)加工中心，而且加入WT0，為了在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中獲得主動(dòng)就必須縮小這一差距。

發(fā)明內(nèi)容
為了更好地對(duì)LED光的生物安全性進(jìn)行檢測(cè)，本發(fā)明提供了一種新型的LED光生物安全性檢測(cè)方法。目前現(xiàn)有技術(shù)中主要通過(guò)對(duì)視網(wǎng)膜的損害程度的檢測(cè)來(lái)作為衡量LED光生物安全性的方法，本發(fā)明創(chuàng)造的發(fā)明人另辟新徑，引入了功能磁共振成像技術(shù)，通過(guò)功能核磁共振對(duì)大腦功能的分析來(lái)作為評(píng)價(jià)LED光生物安全性的方法。功能磁共振成像(functionalmagnetic resonance imaging, fMRI)是近十余年來(lái)在常規(guī)磁共振成像基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來(lái)的一種新的成像技術(shù)。理論上講，以反映器官功能狀態(tài)為成像目的的磁共振成像技術(shù)都應(yīng)稱之為功能磁共振成像。fMRI標(biāo)志著磁共振診斷從單一形態(tài)學(xué)研究到形態(tài)與功能相結(jié)合的系統(tǒng)研究。目前已較為普遍使用的功能磁共振成像技術(shù)有灌注加權(quán)磁共振成像(PWI)、彌散加權(quán)磁共振成像(DWI)、磁共振波譜和波譜成像技術(shù)(MRS)以及血氧水平依賴磁共振成像技術(shù)(BOLD-fMRI)。血氧水平依賴的功能磁共振成像(BOLD-fMRI)是20世紀(jì)90年代以來(lái)腦功能研究領(lǐng)域中發(fā)展最為迅速的一種無(wú)創(chuàng)性活體功能檢測(cè)技術(shù)，已經(jīng)成為研究人腦高級(jí)活動(dòng)的重要手段。其時(shí)間和空間分辨率均優(yōu)于PET，是目前最有效、應(yīng)用最普遍的腦功能成像技術(shù)。使用BOLD- fMRI成像技術(shù)可以更直觀的觀察被試受刺激時(shí)相關(guān)功能腦區(qū)的激活情況。目前尚無(wú)利用fMRI技術(shù)開(kāi)展對(duì)LED光生物安全性的研究。功能磁共振成像(fMRI)是在體研究機(jī)體的代謝變化的唯一無(wú)創(chuàng)性檢查方法。由于目前仍不清楚LED光是否對(duì)人體有害，為了不對(duì)視網(wǎng)膜造成器質(zhì)性傷害，人眼不宜長(zhǎng)時(shí)間暴露LED光環(huán)境下。人眼接受不同光源刺激時(shí)，腦部血流變化導(dǎo)致的BOLD-MR信號(hào)變化先于視網(wǎng)膜在其它各種檢查手段下得到的變化。故利用fMRI評(píng)價(jià)LED光生物安全具有可行性。fMRI評(píng)價(jià)LED光生物安全具有很大的技術(shù)難度。發(fā)明人經(jīng)過(guò)不斷的摸索探討，最·終確定了一種通過(guò)fMRI評(píng)價(jià)LED光生物安全的方法。第一步，通過(guò)建立光環(huán)境，將不同光源引入MR檢查室，確保所有光源及連接線均具有磁場(chǎng)兼容性，不影響MR信號(hào)采集。在建立光環(huán)境時(shí)，由于LED光譜的特殊性，既要考慮到LED作為光源的方面，又要考慮是否符合激光安全的方面，此外還要考慮生物安全作用，只有將三者全部考慮進(jìn)去，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)才是最安全的，是我們制定安全標(biāo)準(zhǔn)的目的所在，也是我們建立光環(huán)境的重要依據(jù)。國(guó)際上有關(guān)LED安全性的標(biāo)準(zhǔn)有CIE S 009 / E :2002和IEC 60825?，F(xiàn)今的白光LED主要通過(guò)三種方式獲得一是利用藍(lán)光LED芯片激發(fā)熒光粉射出白光；二是利用紫外線激發(fā)熒光粉射出白光；三是利用RGB三色芯片混合發(fā)白光。其中較常見(jiàn)的是利用藍(lán)光芯片激發(fā)熒光粉的白光LED產(chǎn)品。本發(fā)明將采用RGB三色芯片混合發(fā)光的方法建立照明光環(huán)境。RGB三色芯片混合發(fā)光的方法如下這種方法將LED的紅、綠、藍(lán)三種芯片組合在一起，通過(guò)電流讓它們發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種基色光，然后混合成全彩色的可見(jiàn)光。這種方法得到的白光有良好的顯色性能、較寬的色溫范圍，所用的材料和LED芯片也能方便獲取。這種方法經(jīng)常在三個(gè)LED芯片中加入一個(gè)控制電流IC (集成電路)芯片。一方面可控制供給LED的各個(gè)芯片的恒定電流，防止因LED工作電流變化引起光的主波長(zhǎng)偏移而變色，繼而使白光的色溫也發(fā)生變化。另一方面，可以控制通過(guò)三個(gè)RGB LED芯片的電流大小，從而使三個(gè)芯片的發(fā)光強(qiáng)度相應(yīng)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)三基色光混合比例隨之發(fā)生變化，這樣就可以產(chǎn)生多種變換的色彩。由于我們采用的核磁共振儀所含磁體為永久磁體，所以采用的材料全為非磁性材料，必須讓燈具不影響核磁共振儀的使用。同時(shí)，也不能讓強(qiáng)磁場(chǎng)影響到光源的切換。為此，我們經(jīng)過(guò)研究通過(guò)如下技術(shù)方案解決一方面，利用美德醫(yī)療有限公司的視覺(jué)刺激設(shè)備，該設(shè)備是由美德醫(yī)療有限公司開(kāi)發(fā)，專用于磁共振室的刺激試驗(yàn)，整套設(shè)備不受磁共振儀的磁場(chǎng)影響。設(shè)備將LED的光線集中于被試頭部上方的固定支架的反光鏡中，再反射到被試眼睛；然后使用專門的無(wú)線遙控設(shè)備在磁共振室外部控制燈具亮度的開(kāi)關(guān)。該燈具內(nèi)含多種光源，可根據(jù)需要自由切換，從而僅僅使射出的光線有所變化，而光的出射位置不會(huì)有任何改變。另一方面，我們將采用西門子公司為磁共振室的特制白熾燈泡作為對(duì)照組光源，同時(shí)采取直流電源供電，減少光源對(duì)磁共振運(yùn)作的干擾。第二步，LED光刺激系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)。所述的刺激系統(tǒng)由如下四部分組成第一部分，視覺(jué)系統(tǒng)將LED光線傳送到磁共振掃描儀內(nèi)，使受檢者接受到視覺(jué)刺激。第二部分，同步系統(tǒng)由磁共振掃描射頻信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)刺激呈現(xiàn)。第三部分，刺激任務(wù)/圖像后處理工作站控制刺激畫面或聲音的輸出及其時(shí)間；處理磁共振在大腦區(qū)域激活時(shí)所采集的影像，以產(chǎn)生腦激活區(qū)圖像并與解剖圖像融合。第四部分，軟件部分(1)系統(tǒng)控制軟件可由遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)現(xiàn)在操作室直接遙控屏蔽室內(nèi)硬件系統(tǒng)。(2)刺激控制軟件(E-prime):控制刺激光線的輸出及其時(shí)間的任務(wù)設(shè)計(jì)。(3)腦功能影像后處理軟件(SPM8):處理功能磁共振試驗(yàn)所采集的圖像數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生腦激活圖并與解剖影像融合。第三步，選擇測(cè)試人員，選用合適光源，并利用BOLD序列掃描獲取腦部的MRI圖。選用的光源如下(I)空白對(duì)照黑暗環(huán)境；(2)標(biāo)準(zhǔn)光源鎢絲白熾燈，照度400流明；(3)實(shí)驗(yàn)光源(新型光源):各種光譜段LED燈，包括LED激發(fā)熒光粉的白色LED燈，照度與傳統(tǒng)鎢絲燈一致為400流明。利用BOLD序列掃描獲取以下條件下腦部的MRI圖①黑暗環(huán)境與鎢絲白熾燈光環(huán)境反復(fù)切換時(shí)；②黑暗環(huán)境與LED燈光環(huán)境反復(fù)切換時(shí)鎢絲白熾燈光環(huán)境與LED燈光環(huán)境反復(fù)切換時(shí)。 第四步，數(shù)據(jù)收集采用磁共振儀Siemens 3. O-Tesla完成fMRI掃描,對(duì)每個(gè)受試者先掃描定位像后進(jìn)行T2WI掃描排除顱內(nèi)病變，再行3D-T1WI掃描解剖圖，EPI-BOLD信號(hào)采集用來(lái)獲得BOLD-fMRI信號(hào)。第五步，數(shù)據(jù)處理如下4步驟用來(lái)進(jìn)行fMRI數(shù)據(jù)處理1)受試者頭動(dòng)校正；2)時(shí)間校正；3)腦功能圖像和結(jié)構(gòu)圖像的融合；4)融合的結(jié)構(gòu)學(xué)數(shù)據(jù)與MINI標(biāo)準(zhǔn)腦的正態(tài)分布分析；以上4步驟采用SPM軟件完成。第六步，數(shù)據(jù)分析與數(shù)學(xué)建模fMRI分析將腦分為18層，每層厚度為7. 6毫米。每層由64 X 64個(gè)小格子的矩陣構(gòu)成，因此定義全腦有64 X 64 X 18=73728個(gè)小格子構(gòu)成。建立數(shù)學(xué)模型，將人腦MRI圖像分割成73728個(gè)體素并獲取各個(gè)體素的信號(hào)值，然后數(shù)字化，計(jì)算腦部各體素信號(hào)值的均數(shù)。針對(duì)腦部控制情緒記憶的主要腦葉、神經(jīng)核團(tuán)重點(diǎn)分析，重點(diǎn)關(guān)注邊緣系統(tǒng)(包括杏仁核、下丘腦、海馬、海馬旁回等)、腦干核團(tuán)(紅核、黑質(zhì))及額葉的信號(hào)變化進(jìn)行單獨(dú)的分析。該重點(diǎn)區(qū)域的體素信號(hào)點(diǎn)為824個(gè)。根據(jù)第三步檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算光源切換前后各體素信號(hào)值變化，計(jì)算前后變化率。本發(fā)明將變化率定義如下(1)如果刺激前的體素信號(hào)值大于刺激后的體素信號(hào)值，刺激前的體素信號(hào)值/刺激后的體素信號(hào)值=變化率；(2)如果刺激前的體素信號(hào)值小于刺激后的體素信號(hào)值，刺激后的體素信號(hào)值/刺激前的體素信號(hào)=變化率。分析各腦區(qū)在400流明鎢絲燈條件下的變化率為基準(zhǔn)值，其他光環(huán)境下的信號(hào)變化率與鎢絲燈的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較。本發(fā)明將變化率設(shè)定為以下幾個(gè)等級(jí)I級(jí)<25%
II級(jí)25% 50%
III級(jí)50% 75%
IV級(jí)75% 100%
V級(jí):>100%。全腦信號(hào)(73728個(gè)體素總和)與重點(diǎn)區(qū)域信號(hào)(824個(gè)體素總和)的變化比率進(jìn)行平均，本發(fā)明定義全腦信號(hào)比率+重點(diǎn)區(qū)域信號(hào)比率/2 = LED光生物安全閾值比率。按照上述公式計(jì)算獲得的LED光生物安全閾值比率，對(duì)應(yīng)如下的評(píng)判
I級(jí)〈25%，認(rèn)為安全 II級(jí)25% 50%，認(rèn)為相對(duì)安全
III級(jí)50% 75%，認(rèn)為有安全風(fēng)險(xiǎn)
IV級(jí)75% 100%，認(rèn)為有較大安全風(fēng)險(xiǎn)
V級(jí)>100%，認(rèn)為將進(jìn)行系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。由于LED光的安全性不可預(yù)測(cè)，故LED光環(huán)境下的腦部信號(hào)與傳統(tǒng)鎢絲光源照明環(huán)境下腦部信號(hào)間的變化率應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。若新型光源信號(hào)變化率超過(guò)傳統(tǒng)鎢絲照明50%級(jí)別，不管有益無(wú)益，均可能對(duì)人類存在安全隱患。若腦部某個(gè)或數(shù)個(gè)核團(tuán)的BOLD-fMRI信號(hào)在特定光譜譜段產(chǎn)生恒定的變化，若大于75%則意義較大，應(yīng)作為L(zhǎng)ED生物安全的客觀依據(jù)。計(jì)算接受不同光源前后信號(hào)變化率，按照73728個(gè)體素點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)；由于每個(gè)體素點(diǎn)的變化率一定大于或等于1，因此，如果受試者不受任何刺激，加權(quán)變化率應(yīng)大于或等于 73728。無(wú)創(chuàng)腦電圖(128通道)獲取不同光環(huán)境下受試者腦電頻率分布圖，將各導(dǎo)聯(lián)腦電的頻率和振幅數(shù)字化，并計(jì)算變化率，與磁共振檢查結(jié)果做相關(guān)性分析，具體方法為在400流明鎢絲燈照射下采集128道腦電圖的標(biāo)準(zhǔn)腦電圖信號(hào)，采集頻率為(0-2000HZ);將信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，計(jì)算主要頻率的分布范圍的振幅。按照f(shuō)MRI分析的變化率大于100%的腦區(qū)進(jìn)行相關(guān)分析，提取數(shù)字化信息，結(jié)合BOLD-fMRI的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提供輔助的生物安全數(shù)據(jù)。本發(fā)明創(chuàng)造性地講MRS技術(shù)引入LED光生物安全性檢測(cè)具有重要意義。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下突出的優(yōu)勢(shì)
(I)使用BOLD- fMRI成像技術(shù)可以更直觀的觀察被試受刺激時(shí)相關(guān)功能腦區(qū)的激活情況，目前尚無(wú)利用fMRI技術(shù)開(kāi)展對(duì)LED光生物安全性的研究，本發(fā)明開(kāi)創(chuàng)了這一先河；
(2 )功能磁共振成像(fMRI)是在體研究機(jī)體的代謝變化的唯一無(wú)創(chuàng)性檢查方法。由于目前仍不清楚LED光是否對(duì)人體有害，為了不對(duì)視網(wǎng)膜造成器質(zhì)性傷害，人眼不宜長(zhǎng)時(shí)間暴露LED光環(huán)境下。人眼接受不同光源刺激時(shí)，腦部血流變化導(dǎo)致的BOLD-MR信號(hào)變化先于視網(wǎng)膜在其它各種檢查手段下得到的變化。故利用fMRI評(píng)價(jià)LED光生物安全具有可行性；
(3)本發(fā)明通過(guò)LED光刺激與fMRI的協(xié)同軟件設(shè)計(jì)，將人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|的光場(chǎng)再現(xiàn)到實(shí)驗(yàn)人員的視網(wǎng)膜，又能保證光源和核磁共振設(shè)備不相互干擾，取得了預(yù)料不到的技術(shù)效果；(4)功能磁共振成像(fMRI)技術(shù)引入到LED光生物安全性檢測(cè)中，通過(guò)分析被試者相關(guān)功能腦區(qū)生化代謝與刺激之間的相關(guān)性，能夠從代謝水平探討被試與所受刺激之間的生理學(xué)基礎(chǔ)，這一研究思路是別具匠心的。
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但本發(fā)明不僅僅限于以下實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以借鑒本文內(nèi)容，適當(dāng)改進(jìn)或調(diào)整本發(fā)明的步驟方法即可實(shí)現(xiàn)。特別需要指出的是，所有類似的替換和改動(dòng)，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，是顯而易見(jiàn)的，它們都被視為包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。實(shí)施例I 一種LED光生物安全性檢測(cè)方法
一、前期準(zhǔn)備準(zhǔn)備光源，支架，計(jì)算機(jī)以及相關(guān)軟件。 光源
我們將三個(gè)紅、綠、藍(lán)芯片和一個(gè)IC芯片封裝在一個(gè)半球形的燈罩組件內(nèi)，燈罩半徑為18厘米。IC芯片控制三個(gè)芯片的工作電流大小，三種基色光強(qiáng)隨電流大小變化，使發(fā)出的混合光顏色隨之變換。光源的芯片可以替換，從而改變LED燈的參數(shù)。燈罩材料為非磁性物質(zhì)的鋁，LED的變壓器用電線與燈連接，變壓器與燈之間的電線超過(guò)5米，從而使變壓器可放置于磁共振室外，防止變壓器被磁共振磁場(chǎng)吸引，同時(shí)避免變壓器影響磁共振室的內(nèi)部磁場(chǎng)。作為空白組的白熾燈與直流電變流器相連，白熾燈與LED燈罩共同連接在燈架上。直流電變流器與白熾燈之間的電線超過(guò)15米，從而使變流器置于磁共振室外。燈架
燈架材料為塑料，由四個(gè)部件組成(四邊形基座與長(zhǎng)塑料棒做成的支柱，以及燈具附著箱、支撐零件)。材料全為塑料(有的支撐零件為木料)，燈箱由五面的塑料板圍成，前部的塑料板上開(kāi)有兩個(gè)大小不一的洞，后部無(wú)板。長(zhǎng)塑料棒從燈箱中部穿過(guò)，一端與基座相連，長(zhǎng)塑料棒上開(kāi)有小孔。支撐零件為十字形，兩個(gè)支撐零件插入燈箱上下兩面塑料板下方的塑料棒小孔，支撐附著箱。為了模擬日常照明條件，進(jìn)而建立模擬光環(huán)境，我們?cè)O(shè)計(jì)的光源中RGB組分配比可以根據(jù)需要更換芯片進(jìn)行相關(guān)更改，從而根據(jù)需求得到最優(yōu)配光方案。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)我們采用藍(lán)光(450-470nm)、綠光(495_540nm)、黃光(570-585)、紅光^20_680nm)組合，這樣可以得到較高的顯色指數(shù)。軟件部分
(O系統(tǒng)控制軟件可由遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)現(xiàn)在操作室直接遙控屏蔽室內(nèi)硬件系統(tǒng)；
(2)刺激控制軟件(E-prime):控制刺激光線的輸出及其時(shí)間的任務(wù)設(shè)計(jì)；(3)腦功能影像后處理軟件(SPM8):處理功能磁共振試驗(yàn)所采集的圖像數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生腦激活圖并與解剖
影像融合。二、將光源與磁共振結(jié)合
將光源帶入磁共振室，安裝到支架上，調(diào)節(jié)高度，使光源中心與磁共振艙口中心平行。光環(huán)境與核磁共振的偶合
由于我們采用的核磁共振儀所含磁體為永久磁體，所以采用的材料全為非磁性材料，必須讓燈具不影響核磁共振儀的使用。同時(shí)，也不能讓強(qiáng)磁場(chǎng)影響到光源的切換。如何既能將人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|的光場(chǎng)再現(xiàn)到實(shí)驗(yàn)人員的視網(wǎng)膜，又能保證光源和核磁共振設(shè)備不相互干擾，是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)的課題。我們的技術(shù)方案是一方面利用我們獨(dú)立開(kāi)發(fā)的視覺(jué)刺激設(shè)備，該設(shè)備可專用于磁共振室的刺激試驗(yàn)，整套設(shè)備不受磁共振儀的磁場(chǎng)影響。設(shè)備將LED的光線集中于被試頭部上方的固定支架的反光鏡中，再反射到被試眼睛；然后使用專門的無(wú)線遙控設(shè)備在磁共振室外部控制燈具亮度的開(kāi)關(guān)。該燈具內(nèi)含多種光源，可根據(jù)需要自由切換，從而僅僅使射出的光線有所變化，而光的出射位置不會(huì)有任何改變。另一方面，我們將采用西門子公司為磁共振室的特制以直流電驅(qū)動(dòng)的白熾燈泡作為對(duì)照組光源，同時(shí)采取直流電源供電，減少光源對(duì)磁共振運(yùn)作的干擾。三、使用系統(tǒng)控制軟件，將光源開(kāi)關(guān)與無(wú)線設(shè)備連接。四、檢測(cè)被試者大腦活動(dòng)情況和腦電波情況。讓被試者躺在磁共振儀中，利用刺激控制軟件，按照設(shè)計(jì)的既定程序序列，使光源·按照白熾燈(15分鐘)一高顯LED白光(15分鐘)一低顯LED白光(15分鐘)的順序自動(dòng)切換，同時(shí)讓磁共振儀測(cè)試被試者大腦活動(dòng)情況，同時(shí)利用磁共振儀附帶的腦電測(cè)試儀測(cè)試被試者的腦電波情況。刺激系統(tǒng)由如下四部分組成第一部分，視覺(jué)系統(tǒng)將LED光線傳送到磁共振掃描儀內(nèi)，使受檢者接受到視覺(jué)刺激。第二部分，同步系統(tǒng)由磁共振掃描射頻信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)刺激呈現(xiàn)。第三部分，刺激任務(wù)/圖像后處理工作站控制刺激畫面或聲音的輸出及其時(shí)間；處理磁共振在大腦區(qū)域激活時(shí)所采集的影像，以產(chǎn)生腦激活區(qū)圖像并與解剖圖像融合。第四部分，軟件部分(1)系統(tǒng)控制軟件可由遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)現(xiàn)在操作室直接遙控屏蔽室內(nèi)硬件系統(tǒng)；(2)刺激控制軟件(E-prime):控制刺激光線的輸出及其時(shí)間的任務(wù)設(shè)計(jì)。(3)腦功能影像后處理軟件(SPM8):處理功能磁共振試驗(yàn)所采集的圖像數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生腦激活圖并與解剖影像融合。解剖定位像掃描及功能像掃描
fMRI掃描由Siemens 3. O-Tesla磁共振儀完成，對(duì)每個(gè)受試者先掃描定位像后進(jìn)行T2WI掃描排除顱內(nèi)病變，再行3D-T1WI掃描解剖圖，EPI-BOLD信號(hào)采集用來(lái)獲得BOLD-fMRI 信號(hào)。采用回波平面成像(Echo Planar Imaging, EPI)技術(shù)，EPI作為一種多層成像技術(shù)時(shí)可在保持高分辨率的前提下得到覆蓋全腦的圖像。T2WI參數(shù)重復(fù)時(shí)間(TR)=3000ms ；回應(yīng)時(shí)間(IE) =50 ms，回轉(zhuǎn)角度(FA)=90 ;NEX=I有效攝影視野(FOV) =24cmX24cm ;矩陣64cmX64cm ;層數(shù)=22 ;層厚=5ram ;層間距=lmm。全部掃描時(shí)間為390s,共得到原始圖像130幅，其中前12s數(shù)據(jù)丟棄，目的是使磁場(chǎng)達(dá)到均勻。腦電圖與核磁共振的偶合
被試頭部佩戴能在高場(chǎng)強(qiáng)MRI室中使用的“EasyCap”電極帽(10-20系統(tǒng)加上FC1、FC2、CPI、CP2、FC5、FC6、CP5、CP6、TP9、IPIO導(dǎo)聯(lián))，參考電極設(shè)置于Fz和Cz之間，環(huán)狀電極由Ag/AgCl材料制作，每個(gè)電極的阻抗為5 kft，頭皮阻抗低于lOkll，另外在左側(cè)眼眶下緣放置電極記錄垂直眼電，在左胸部的胸骨旁放置電極記錄心電；采集腦電信號(hào)的放大器(采樣率為5000Hz、時(shí)間常數(shù)為10s，分辨率為16位，動(dòng)態(tài)范圍16. 38 mV)放置在MRI檢查床的頭端，通過(guò)光纖電纜，同步將采集到的數(shù)據(jù)輸送至MRI掃描室外的筆記本電腦。運(yùn)用Brain-Vision Analyser I. 05版對(duì)EEG數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析,運(yùn)用平均偽跡相減的方法,去除由于均勻和梯度磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁偽跡，運(yùn)用去除眼電和心電偽跡、數(shù)字濾波和基線校正等步驟對(duì)EEG數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，記錄癲癇波產(chǎn)生的時(shí)間，并將其換算成fMRI掃描的時(shí)間點(diǎn)。五、基于大規(guī)模矩陣計(jì)算統(tǒng)計(jì)學(xué)篩查L(zhǎng)ED光刺激后的差異性顯示
用腦功能影像后處理軟件處理圖像，應(yīng)用數(shù)學(xué)公式將不同的LED燈與大腦活動(dòng)情況結(jié)合。并據(jù)白熾燈的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)評(píng)價(jià)不同LED燈的優(yōu)劣。核磁共振數(shù)據(jù)處理
圖像數(shù)據(jù)通過(guò)SPM8軟件轉(zhuǎn)化格式，然后進(jìn)行圖像對(duì)齊、頭動(dòng)矯正、標(biāo)準(zhǔn)化及高斯平滑等空間預(yù)處理后建立模型并做估計(jì)，接著采用t檢驗(yàn)做統(tǒng)計(jì)分析，激活范圍閾值設(shè)定為10個(gè)像素(P〈0. 01)。并通過(guò)REST軟件查看激活腦區(qū)的解剖位置。并用SPM8軟件分析相關(guān)腦區(qū)的激活水平和閾值。另外，根據(jù)EEG提供的產(chǎn)生光刺激的時(shí)間點(diǎn)作為信號(hào)輸入即刺激的時(shí)間曲線，與血流動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行卷積計(jì)算得到刺激的理想反應(yīng)曲線，最后計(jì)算功能像數(shù)據(jù)體與該時(shí)間曲線的響應(yīng)關(guān)系。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析
用SPSS軟件做統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)相關(guān)功能腦區(qū)的激活水平強(qiáng)度和閾值做比較分析。并進(jìn)一步采用重復(fù)測(cè)量方差統(tǒng)計(jì)分析腦區(qū)的激活水平，LED光強(qiáng)度，腦電圖。做出不同的光刺激對(duì)相關(guān)腦區(qū)的激活水平的數(shù)學(xué)模型，為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的建立提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)該平臺(tái)中的的視覺(jué)刺激設(shè)備，應(yīng)用該平臺(tái)除了能夠檢測(cè)LED的光生物安全性，還可以用于檢測(cè)3D顯示的舒適程度、安全性，為3D顯示的安全標(biāo)準(zhǔn)制定提供客觀的大腦刺激數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種LED光生物安全性檢測(cè)方法，其特征在于，它通過(guò)功能磁共振成像對(duì)大腦功能的分析來(lái)作為評(píng)價(jià)LED光生物安全性。
2.如權(quán)利要求I所述的一種LED光生物安全性檢測(cè)方法，其特征在于，它包含如下步驟 第一步，通過(guò)建立光環(huán)境，將不同光源引入MR檢查室，確保所有光源及連接線均具有磁場(chǎng)兼容性，不影響MR信號(hào)采集； 第二步，LED光刺激系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì) 刺激系統(tǒng)由如下四部分組成 (1)視覺(jué)系統(tǒng)將LED光線傳送到磁共振掃描儀內(nèi)，使受檢者接受到視覺(jué)刺激；(2)同步系統(tǒng)由磁共振掃描射頻信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)刺激呈現(xiàn)；(3)刺激任務(wù)/圖像后處理工作站控制刺激畫面或聲音的輸出及其時(shí)間，處理磁共振在大腦區(qū)域激活時(shí)所采集的影像，以產(chǎn)生腦激活區(qū)圖像并與解剖圖像融合； (4)軟件部分①系統(tǒng)控制軟件可由遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)現(xiàn)在操作室直接遙控屏蔽室內(nèi)硬件系統(tǒng)； ②刺激控制軟件控制刺激光線的輸出及其時(shí)間的任務(wù)設(shè)計(jì)；③腦功能影像后處理軟件處理功能磁共振試驗(yàn)所采集的圖像數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生腦激活圖并與解剖影像融合； 第三步，選擇測(cè)試人員，選用合適光源，并利用BOLD序列掃描獲取腦部的MRI圖， 選用的光源如下 空白對(duì)照黑暗環(huán)境； 標(biāo)準(zhǔn)光源鎢絲白熾燈，照度400流明； 實(shí)驗(yàn)光源(新型光源)各種光譜段LED燈，包括LED激發(fā)熒光粉的白色LED燈，照度與傳統(tǒng)鎢絲燈一致為400流明； 利用BOLD序列掃描獲取以下條件下腦部的MRI圖 ①黑暗環(huán)境與鎢絲白熾燈光環(huán)境反復(fù)切換時(shí)； ②黑暗環(huán)境與LED燈光環(huán)境反復(fù)切換時(shí)； ③鎢絲白熾燈光環(huán)境與LED燈光環(huán)境反復(fù)切換時(shí)； 第四步，數(shù)據(jù)收集 fMRI掃描由Siemens 3. O-Tesla磁共振儀完成，對(duì)每個(gè)受試者先掃描定位像后進(jìn)行T2WI掃描排除顱內(nèi)病變，再行3D-TIWI掃描解剖圖，EPI -BOLD信號(hào)采集用來(lái)獲得BOLD-fMRI 信號(hào)； 第五步，數(shù)據(jù)處理如下4步驟用來(lái)進(jìn)行fMRI數(shù)據(jù)處理 (O受試者頭動(dòng)校正， (2)時(shí)間校正， (3 )腦功能圖像和結(jié)構(gòu)圖像的融合， (4)融合的結(jié)構(gòu)學(xué)數(shù)據(jù)與MINI標(biāo)準(zhǔn)腦的正態(tài)分布分析， 以上4步驟采用SPM軟件完成； 第六步，數(shù)據(jù)分析與數(shù)學(xué)建模 fMRI分析將腦分為18層，每層厚度為7.6毫米，每層由64X64個(gè)小格子的矩陣構(gòu)成，因此定義全腦有64X64X18=73728個(gè)小格子構(gòu)成，建立數(shù)學(xué)模型，將人腦MRI圖像分割成73728個(gè)體素并獲取各個(gè)體素的信號(hào)值，然后數(shù)字化，計(jì)算腦部各體素信號(hào)值的均數(shù)； 根據(jù)第三步檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù),計(jì)算光源切換前后各體素信號(hào)值變化,計(jì)算前后變化率，本發(fā)明將變化率定義如下(1)如果刺激前的體素信號(hào)值大于刺激后的體素信號(hào)值，刺激前的體素信號(hào)值/刺激后的體素信號(hào)值=變化率；(2)如果刺激前的體素信號(hào)值小于刺激后的體素信號(hào)值，刺激后的體素信號(hào)值/刺激前的體素信號(hào)=變化率； 分析各腦區(qū)在400流明鎢絲燈條件下的變化率為基準(zhǔn)值，其他光環(huán)境下的信號(hào)變化率與鎢絲燈的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較； 全腦信號(hào)與重點(diǎn)區(qū)域信號(hào)的變化比率進(jìn)行平均，本發(fā)明定義全腦信號(hào)比率+重點(diǎn)區(qū)域信號(hào)比率/2 = LED光生物安全閾值比率，本發(fā)明將變化率設(shè)定為以下幾個(gè)等級(jí) I級(jí)〈25%，認(rèn)為安全 II級(jí)25% 50%，認(rèn)為相對(duì)安全 III級(jí)50% 75%，認(rèn)為有安全風(fēng)險(xiǎn) IV級(jí)75% 100%，認(rèn)為有較大安全風(fēng)險(xiǎn) V級(jí)>100%，認(rèn)為將進(jìn)行系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
3.如權(quán)利要求2所述的一種LED光生物安全性檢測(cè)方法，其特征在于，所述的第一步的光環(huán)境采用RGB三色芯片混合發(fā)光的方法建立，RGB三色芯片混合發(fā)光的方法如下這種方法將LED的紅、綠、藍(lán)三種芯片組合在一起加入一個(gè)控制電流IC(集成電路)芯片，通過(guò)電流讓它們發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種基色光，然后混合成全彩色的可見(jiàn)光。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種LED光的生物安全性檢測(cè)方法，屬于照明工程領(lǐng)域，具體涉及光源的安全性檢測(cè)方法，特別涉及LED光源的安全性檢測(cè)方法。為了更好地對(duì)LED光的生物安全性進(jìn)行檢測(cè)，本發(fā)明提供了一種新型的LED光生物安全性檢測(cè)方法，目前現(xiàn)有技術(shù)中主要通過(guò)對(duì)視網(wǎng)膜的損害程度的檢測(cè)來(lái)作為衡量LED光生物安全性的方法，本發(fā)明創(chuàng)造的發(fā)明人另辟新徑，引入了功能磁共振成像技術(shù)，通過(guò)功能磁共振成像對(duì)大腦功能的分析來(lái)作為評(píng)價(jià)LED光生物安全性的方法，檢測(cè)方法客觀，并且屬于無(wú)創(chuàng)性檢查方法，人眼接受不同光源刺激時(shí)，腦部血流變化導(dǎo)致的BOLD-fMRI信號(hào)變化先于視網(wǎng)膜在各種檢查手段下得到的變化。故利用fMRI評(píng)價(jià)LED光生物安全具有可行性。
文檔編號(hào)A61B5/00GK102885613SQ20111020232
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
發(fā)明者顧懷宇, 周燁, 王鋼, 羅滔, 吳昊 申請(qǐng)人:中山大學(xué), 廣州市熠芯節(jié)能服務(wù)有限公司