可穿戴光剂量计用于昼夜节律照明的评估：光谱、空间、光度、黑视素和热性能

《npj Biological Timing and Sleep》：Evaluation of wearable light dosimeters for circadian lighting: spectral, spatial, photometric, melanopic, and thermal performance

　　

光是人类昼夜节律(circadian rhythms)同步的主要刺激因素，在辅助精准医学方面具有巨大潜力。实验室研究强调了光历史、强度、光谱和时机的作用，但现场应用因现实世界的混杂因素而变得复杂。在真实条件下测量日常光暴露需要准确、耐用且经济的可穿戴光剂量计(wearable light dosimeter)。本研究调查了三种可穿戴剂量计（LYS Buttons、Blue Iris Specks 和 Actiwatch Spectrum Plus）的光谱、空间和热性能，并在多极照明条件下与校准后的光谱辐射计(spectroradiometer)进行基准测试。研究人员利用剂量计在各种照明条件下测量的光数据来计算黑视素(melanopic)和光度(photometric)指标。LYS Button 最易使用，但精度较低。Blue Iris Speck 具有最高的光度和数据记录精度。Actiwatch 的光度性能最差，这提示其在科学使用中需谨慎。研究结果为时间生物学和睡眠研究的设备开发及方案设计提供了信息。未来研究应基于身体佩戴位置评估和比较剂量计的性能。

**研究背景与问题**
光不仅是视觉的基础，还通过非视觉成像（non-image forming, NIF）途径影响人体的生理和心理状态，如睡眠-觉醒周期、激素分泌、警觉性和认知表现。昼夜节律的调控主要由黑视素（melanopsin）光色素介导，该色素位于内在光敏性视网膜神经节细胞（intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs）中，其峰值光谱灵敏度约为479 nm，经人眼晶状体和黄斑色素过滤后偏移至约490 nm。尽管实验室研究已明确光暴露的强度、光谱、时机和光历史对昼夜节律的作用，但现场研究面临现实世界中光照条件多变、个人暴露模式差异等复杂因素。因此，准确测量日常光暴露需要高质量、可穿戴、靠近眼睛的光剂量计。目前市场上存在多种可穿戴光剂量计，如LYS Button、Blue Iris Speck和Actiwatch Spectrum Plus，但它们的性能差异（如光谱灵敏度、方向响应和温度稳定性）尚未被系统比较。本研究旨在评估这些设备在不同照明条件下的准确性，为昼夜节律照明研究和睡眠科学提供可靠的工具选择依据。该论文发表在《npj Biological Timing and Sleep》。

**研究内容与结论**
研究人员对三种可穿戴光剂量计（各3个单元）在可控LED（0–570 lx）和部分多云日光（42,000–78,000 lx）条件下进行了基准测试，对照设备为校准后的Gigahertz-Optik BTS256光谱辐射计。研究评估了照度一致性、光谱输出、黑视素等效日光照明（melanopic equivalent daylight illuminance, mel-EDI）、方向响应指数（f₂）和温度依赖性函数（f_6,T(T)）。结果表明：Blue Iris Speck在光度和数据记录精度上表现最佳，尤其是mel-EDI测量在低光照水平下线性良好；LYS Button易用但精度较低，尤其在日光和低光照mel-EDI下高估；Actiwatch Spectrum Plus的光度性能最差，且单元间差异显著，需谨慎用于科学测量。该研究为设备开发和协议设计提供了重要参考，强调未来需基于身体佩戴位置进一步评估。

**关键技术方法**
研究采用结构化协议，在宾夕法尼亚州立大学大学公园校区进行。室内使用15通道多色LED照明系统（LEDCube by Thouslite）和MATLAB生成可控LED光源（4600 K）。日光测量在部分多云条件下进行，时间段约20分钟。方向响应测量使用定向LED光源和太阳模拟器（heliodon），角度从0°到90°以10°间隔变化，记录两个方位平面（AZ1和AZ2）的数据。温度依赖性测量在气候室中进行，温度范围?4.5°C至35°C，稳定光强880 lx，参考温度25°C。所有数据通过云端或板载存储记录，并与参考光谱辐射计比对。

**研究结果**
- **Illuminance（照度）**
通过Wilcoxon秩和检验分析LED和日光下的照度测量差异。LED条件下，Blue Iris Speck与参考无显著差异；LYS Button中一个单元有差异；Actiwatch中两个单元有差异，且单元间变异显著（Kruskal-Wallis检验p<0.05）。日光条件下，所有剂量计（除一个Speck单元外）与参考均有差异，But和Specks单元内无差异，但Actiwatch单元间差异显著。日光结果受部分多云条件影响，应视为指示性而非严格线性评估。
- **Spectral output（光谱输出）**
仅对Blue Iris Speck与参考光谱辐射计进行光谱比较。日光下，Speck光谱形状大致匹配，但短波长（<450 nm）高估，中长波长（600–650 nm）低估，标准误差在600–700 nm最高。LED下，Speck输出在450、540、610 nm附近出现尖锐峰值，与参考平滑曲线偏差明显，表明对窄带光源的光谱重建精度有限。
- **Melanopic equivalent daylight illuminance (mel-EDI)**
仅比较Speck和Button与参考的mel-EDI。LED协议下，两种剂量计在高照度（≥200 lx）时与参考相关性高，但低照度（<200 lx）下Button有轻微高估（如5.9 lx参考值下，Button记录6–7 lx，Speck记录5.7–5.8 lx）。Speck在低光照下线性更好，单元间一致性更佳。
- **Directional response index (f₂)**
使用余弦响应作为参考基准。Speck在0°–60°范围内最接近余弦曲线，f₂指数为6.15%（C类）；Button在10°后快速下降，f₂为9.33%（D类）；Actiwatch在30°时响应接近零，f₂为11.98%（D类）。这反映了光学窗口设计对角度响应的影响。
- **Temperature dependence function (f_6,T(T))**
基于ANOVA分析，Speck和Button的单元内温度响应无显著差异（p=0.086和0.134），但Actiwatch单元间差异显著（p<0.05）。设备间比较显示Actiwatch对温度最敏感，Speck最稳定。Button在低温下出现波动，可能源于内部校正。

**总结讨论与结论**
讨论指出，可穿戴剂量计在日光和高照度下性能普遍较差，且Actiwatch的余弦响应和温度敏感性限制其准确性。Button在低光照mel-EDI下的高估可能膨胀生物学意义的光暴露估计。Speck虽在光谱重建上存在源依赖性误差（如LED下的尖锐峰值），但整体性能最佳。温度影响需在实地部署中考虑，尤其是阳光直射导致的外壳升温。基于易用性，Button最方便但精度折中；Speck精度最高但配对困难；Actiwatch已停产，仅适用于验证有无光照条件。研究局限性包括样本量小、日光采样时间短、缺少身体佩戴位置效应等。未来研究应扩大设备数量、测试饱和阈值并评估眼位与腕位差异。研究结论：Blue Iris Speck在照度、mel-EDI和角度响应上提供最强的整体测量保真度；LYS Button现场部署最简便，但日光和低光照mel-EDI精度降低；Actiwatch Spectrum仍可用于活动记录，但因其光度变异且缺乏黑视素输出，在光剂量作为主要暴露变量的研究中应谨慎使用。