專利名稱：一種led光生物安全性檢測方法
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方法，特別涉及LED光源的安全性檢測方法，尤其是LED光的生物安全性檢測方法。
背景技術(shù)：
隨著能源危機的迫近以及節(jié)能環(huán)保、低碳意識的提高，新型LED (light emittingdiodes，發(fā)光二極管)照明光源的全球市場前景愈發(fā)光明。LED照明作為節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，正逐漸受到國家和各級地方政府的高度重視。隨著技術(shù)的進步與發(fā)展，LED照明產(chǎn)業(yè)必將成為綠色節(jié)能產(chǎn)業(yè)新的增長點，在市場利益趨勢與法律法規(guī)刺激下，全球LED產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈快速增長之勢。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、響應(yīng)時間短、壽 命長、無污染等特點，未來必將取代白熾燈、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，應(yīng)用場合不斷增加的同時，LED光源對于視網(wǎng)膜可能帶來危害及對生物日常生活可能帶來的影響成為了一個越來越受人們關(guān)注的問題。在光輻射波段中，紫外線輻射和藍(lán)光輻射對人體的危害尤為明顯。LED作為一種新興光源因為近年來的迅速發(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，強光可以灼燒皮膚、視網(wǎng)膜等。過去，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，而由于大氣的保護作用，光輻射引起的危害相對較小。而現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，越來越多的人工光源被生產(chǎn)制造出來，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)，過去的LED出射光不會對人體造成危害的時代一去不復(fù)返了，人們不得不開始關(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，盡快使人們意識到光生物安全性的重要性已經(jīng)迫在眉睫。按照被測光源類型的不同，光生物安全性的測試與評價分為相干光源和非相干光源的光生物安全性測試與評價，對此，國家照明委員會和國際電工委員會都出版了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，但是在某些地方尚存在不足。國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)根據(jù)對生物物理數(shù)據(jù)的評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。國際照明委員會(CIE)出版了 CIE S 009/E:2002標(biāo)準(zhǔn)，對燈與燈系統(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出版的僅有的幾個標(biāo)準(zhǔn)之一，該標(biāo)準(zhǔn)的重要性可見一斑，IEC于2002年全部引用。CIE S 009/E: 2002對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，這個標(biāo)準(zhǔn)還提供了參考測試條件，并為評估和控制來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安全等級的分類規(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)國家對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)過嚴(yán)格測試評價。而進入美國的激光產(chǎn)品要嚴(yán)格符合美國食品與藥品管理局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)。展望國際對于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)。它們主要是針對單體LED的測試，項目包括發(fā)光強度、光強分布和輻射強度等，并由此計算光通量。
在日本，日本照明學(xué)會、日本照明委員會、日本照明器具工業(yè)會，以及日本電球工業(yè)會在2004年年底共同制定完成并發(fā)布實施了一套用于照明LED的測試方法的標(biāo)準(zhǔn)，采用由測光標(biāo)準(zhǔn)光源校正過的白光LED數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，測量照明用白光LED及其模塊，測定 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)測量應(yīng)該在光輸出穩(wěn)定后才會進行測量。北美照明工程學(xué)會(IESNA)目前也完成了照明LED產(chǎn)品的多種參數(shù)的測試方法標(biāo)準(zhǔn)，包括光參數(shù)、電參數(shù)和壽命等。美國Energy Star已經(jīng)將照明用LED列入其認(rèn)可范圍，并于2006年底出臺了相關(guān)產(chǎn)品要求和測試方法草案。目前我國針對照明行業(yè)已經(jīng)出臺了 20多項標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，我國標(biāo)準(zhǔn)的制定主要是參考了 IEC標(biāo)準(zhǔn)。目前發(fā)布實施的主要是照明LED產(chǎn)品器件測試方法標(biāo)準(zhǔn)；功率型LED的空白詳細(xì)規(guī)范和LED芯片規(guī)范三個標(biāo)準(zhǔn)，包括名詞和文字符號、總規(guī)范、分規(guī)范、空白詳細(xì)規(guī)范、測試方法、額定值和特性、機械和環(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，所以國內(nèi)很多機構(gòu)仍在開展照明用LED的檢測標(biāo)準(zhǔn)研究，但由于力量分散、大部分機構(gòu)的測試經(jīng)驗不足，所以制定測試方法標(biāo)準(zhǔn)時考慮比較片面，且造成許多重復(fù)性的浪費工作。對于光生物安全性的研究，發(fā)達(dá)國家尤其是歐洲處于絕對的領(lǐng)先地位，我國對這方面的研究尚處于起步階段，與國際存在較大差距?？墒?，我國是當(dāng)今世界制造業(yè)加工中心，而且加入WT0，為了在國際競爭中獲得主動就必須縮小這一差距。

發(fā)明內(nèi)容
為了更好地對LED光的生物安全性進行檢測，本發(fā)明提供了一種新型的LED光生物安全性檢測方法。目前現(xiàn)有技術(shù)中主要通過對視網(wǎng)膜的損害程度的檢測來作為衡量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)，通過功能核磁共振對大腦功能的分析來作為評價LED光生物安全性的方法。功能磁共振成像(functionalmagnetic resonance imaging, fMRI)是近十余年來在常規(guī)磁共振成像基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來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年代以來腦功能研究領(lǐng)域中發(fā)展最為迅速的一種無創(chuàng)性活體功能檢測技術(shù)，已經(jīng)成為研究人腦高級活動的重要手段。其時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相關(guān)功能腦區(qū)的激活情況。目前尚無利用fMRI技術(shù)開展對LED光生物安全性的研究。功能磁共振成像(fMRI)是在體研究機體的代謝變化的唯一無創(chuàng)性檢查方法。由于目前仍不清楚LED光是否對人體有害，為了不對視網(wǎng)膜造成器質(zhì)性傷害，人眼不宜長時間暴露LED光環(huán)境下。人眼接受不同光源刺激時，腦部血流變化導(dǎo)致的BOLD-MR信號變化先于視網(wǎng)膜在其它各種檢查手段下得到的變化。故利用fMRI評價LED光生物安全具有可行性。fMRI評價LED光生物安全具有很大的技術(shù)難度。發(fā)明人經(jīng)過不斷的摸索探討，最·終確定了一種通過fMRI評價LED光生物安全的方法。第一步，通過建立光環(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兼容性，不影響MR信號采集。在建立光環(huán)境時，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去，對使用者來說才是最安全的，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LED芯片中加入一個控制電流IC (集成電路)芯片。一方面可控制供給LED的各個芯片的恒定電流，防止因LED工作電流變化引起光的主波長偏移而變色，繼而使白光的色溫也發(fā)生變化。另一方面，可以控制通過三個RGB LED芯片的電流大小，從而使三個芯片的發(fā)光強度相應(yīng)發(fā)生變化，實現(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，也不能讓強磁場影響到光源的切換。為此，我們經(jīng)過研究通過如下技術(shù)方案解決一方面，利用美德醫(yī)療有限公司的視覺刺激設(shè)備，該設(shè)備是由美德醫(yī)療有限公司開發(fā)，專用于磁共振室的刺激試驗，整套設(shè)備不受磁共振儀的磁場影響。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；然后使用專門的無線遙控設(shè)備在磁共振室外部控制燈具亮度的開關(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照組光源，同時采取直流電源供電，減少光源對磁共振運作的干擾。第二步，LED光刺激系統(tǒng)裝置設(shè)計。所述的刺激系統(tǒng)由如下四部分組成第一部分，視覺系統(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刺激。第二部分，同步系統(tǒng)由磁共振掃描射頻信號來驅(qū)動刺激呈現(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間；處理磁共振在大腦區(qū)域激活時所采集的影像，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間的任務(wù)設(shè)計。(3)腦功能影像后處理軟件(SPM8):處理功能磁共振試驗所采集的圖像數(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)實驗光源(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；②黑暗環(huán)境與LED燈光環(huán)境反復(fù)切換時鎢絲白熾燈光環(huán)境與LED燈光環(huán)境反復(fù)切換時。 第四步，數(shù)據(jù)收集采用磁共振儀Siemens 3. O-Tesla完成fMRI掃描,對每個受試者先掃描定位像后進行T2WI掃描排除顱內(nèi)病變，再行3D-T1WI掃描解剖圖，EPI-BOLD信號采集用來獲得BOLD-fMRI信號。第五步，數(shù)據(jù)處理如下4步驟用來進行fMRI數(shù)據(jù)處理1)受試者頭動校正；2)時間校正；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個小格子的矩陣構(gòu)成，因此定義全腦有64 X 64 X 18=73728個小格子構(gòu)成。建立數(shù)學(xué)模型，將人腦MRI圖像分割成73728個體素并獲取各個體素的信號值，然后數(shù)字化，計算腦部各體素信號值的均數(shù)。針對腦部控制情緒記憶的主要腦葉、神經(jīng)核團重點分析，重點關(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(紅核、黑質(zhì))及額葉的信號變化進行單獨的分析。該重點區(qū)域的體素信號點為824個。根據(jù)第三步檢測獲得的數(shù)據(jù)，計算光源切換前后各體素信號值變化，計算前后變化率。本發(fā)明將變化率定義如下(1)如果刺激前的體素信號值大于刺激后的體素信號值，刺激前的體素信號值/刺激后的體素信號值=變化率；(2)如果刺激前的體素信號值小于刺激后的體素信號值，刺激后的體素信號值/刺激前的體素信號=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)境下的信號變化率與鎢絲燈的基準(zhǔn)值進行比較。本發(fā)明將變化率設(shè)定為以下幾個等級I級<25%
II級25% 50%
III級50% 75%
IV級75% 100%
V級:>100%。全腦信號(73728個體素總和)與重點區(qū)域信號(824個體素總和)的變化比率進行平均，本發(fā)明定義全腦信號比率+重點區(qū)域信號比率/2 = LED光生物安全閾值比率。按照上述公式計算獲得的LED光生物安全閾值比率，對應(yīng)如下的評判
I級〈25%，認(rèn)為安全 II級25% 50%，認(rèn)為相對安全
III級50% 75%，認(rèn)為有安全風(fēng)險
IV級75% 100%，認(rèn)為有較大安全風(fēng)險
V級>100%，認(rèn)為將進行系統(tǒng)安全風(fēng)險評估。由于LED光的安全性不可預(yù)測，故LED光環(huán)境下的腦部信號與傳統(tǒng)鎢絲光源照明環(huán)境下腦部信號間的變化率應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。若新型光源信號變化率超過傳統(tǒng)鎢絲照明50%級別，不管有益無益，均可能對人類存在安全隱患。若腦部某個或數(shù)個核團的BOLD-fMRI信號在特定光譜譜段產(chǎn)生恒定的變化，若大于75%則意義較大，應(yīng)作為LED生物安全的客觀依據(jù)。計算接受不同光源前后信號變化率，按照73728個體素點進行加權(quán)；由于每個體素點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，采集頻率為(0-2000HZ);將信號進行傅立葉變換，計算主要頻率的分布范圍的振幅。按照fMRI分析的變化率大于100%的腦區(qū)進行相關(guān)分析，提取數(shù)字化信息，結(jié)合BOLD-fMRI的實驗結(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
(I)使用BOLD- fMRI成像技術(shù)可以更直觀的觀察被試受刺激時相關(guān)功能腦區(qū)的激活情況，目前尚無利用fMRI技術(shù)開展對LED光生物安全性的研究，本發(fā)明開創(chuàng)了這一先河；
(2 )功能磁共振成像(fMRI)是在體研究機體的代謝變化的唯一無創(chuàng)性檢查方法。由于目前仍不清楚LED光是否對人體有害，為了不對視網(wǎng)膜造成器質(zhì)性傷害，人眼不宜長時間暴露LED光環(huán)境下。人眼接受不同光源刺激時，腦部血流變化導(dǎo)致的BOLD-MR信號變化先于視網(wǎng)膜在其它各種檢查手段下得到的變化。故利用fMRI評價LED光生物安全具有可行性；
(3)本發(fā)明通過LED光刺激與fMRI的協(xié)同軟件設(shè)計，將人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|的光場再現(xiàn)到實驗人員的視網(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光生物安全性檢測中，通過分析被試者相關(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。
具體實施例方式以下通過具體實施例進一步描述本發(fā)明，但本發(fā)明不僅僅限于以下實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以借鑒本文內(nèi)容，適當(dāng)改進或調(diào)整本發(fā)明的步驟方法即可實現(xiàn)。特別需要指出的是，所有類似的替換和改動，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，是顯而易見的，它們都被視為包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。實施例I 一種LED光生物安全性檢測方法
一、前期準(zhǔn)備準(zhǔn)備光源，支架，計算機以及相關(guān)軟件。 光源
我們將三個紅、綠、藍(lán)芯片和一個IC芯片封裝在一個半球形的燈罩組件內(nèi)，燈罩半徑為18厘米。IC芯片控制三個芯片的工作電流大小，三種基色光強隨電流大小變化，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吸引，同時避免變壓器影響磁共振室的內(nèi)部磁場。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，由四個部件組成(四邊形基座與長塑料棒做成的支柱，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，前部的塑料板上開有兩個大小不一的洞，后部無板。長塑料棒從燈箱中部穿過，一端與基座相連，長塑料棒上開有小孔。支撐零件為十字形，兩個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，進而建立模擬光環(huán)境，我們設(shè)計的光源中RGB組分配比可以根據(jù)需要更換芯片進行相關(guān)更改，從而根據(jù)需求得到最優(yōu)配光方案。經(jīng)過試驗我們采用藍(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間的任務(wù)設(shè)計；(3)腦功能影像后處理軟件(SPM8):處理功能磁共振試驗所采集的圖像數(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，也不能讓強磁場影響到光源的切換。如何既能將人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|的光場再現(xiàn)到實驗人員的視網(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立開發(fā)的視覺刺激設(shè)備，該設(shè)備可專用于磁共振室的刺激試驗，整套設(shè)備不受磁共振儀的磁場影響。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；然后使用專門的無線遙控設(shè)備在磁共振室外部控制燈具亮度的開關(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)動的白熾燈泡作為對照組光源，同時采取直流電源供電，減少光源對磁共振運作的干擾。三、使用系統(tǒng)控制軟件，將光源開關(guān)與無線設(shè)備連接。四、檢測被試者大腦活動情況和腦電波情況。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)的順序自動切換，同時讓磁共振儀測試被試者大腦活動情況，同時利用磁共振儀附帶的腦電測試儀測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刺激。第二部分，同步系統(tǒng)由磁共振掃描射頻信號來驅(qū)動刺激呈現(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間；處理磁共振在大腦區(qū)域激活時所采集的影像，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間的任務(wù)設(shè)計。(3)腦功能影像后處理軟件(SPM8):處理功能磁共振試驗所采集的圖像數(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，對每個受試者先掃描定位像后進行T2WI掃描排除顱內(nèi)病變，再行3D-T1WI掃描解剖圖，EPI-BOLD信號采集用來獲得BOLD-fMRI 信號。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)時間(TR)=3000ms ；回應(yīng)時間(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強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；采集腦電信號的放大器(采樣率為5000Hz、時間常數(shù)為10s，分辨率為16位，動態(tài)范圍16. 38 mV)放置在MRI檢查床的頭端，通過光纖電纜，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。運用Brain-Vision Analyser I. 05版對EEG數(shù)據(jù)進行離線分析,運用平均偽跡相減的方法,去除由于均勻和梯度磁場產(chǎn)生的電磁偽跡，運用去除眼電和心電偽跡、數(shù)字濾波和基線校正等步驟對EEG數(shù)據(jù)進行處理和分析，記錄癲癇波產(chǎn)生的時間，并將其換算成fMRI掃描的時間點。五、基于大規(guī)模矩陣計算統(tǒng)計學(xué)篩查LED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燈與大腦活動情況結(jié)合。并據(jù)白熾燈的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)評價不同LED燈的優(yōu)劣。核磁共振數(shù)據(jù)處理
圖像數(shù)據(jù)通過SPM8軟件轉(zhuǎn)化格式，然后進行圖像對齊、頭動矯正、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，接著采用t檢驗做統(tǒng)計分析，激活范圍閾值設(shè)定為10個像素(P〈0. 01)。并通過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)生光刺激的時間點作為信號輸入即刺激的時間曲線，與血流動力學(xué)方程進行卷積計算得到刺激的理想反應(yīng)曲線，最后計算功能像數(shù)據(jù)體與該時間曲線的響應(yīng)關(guān)系。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析
用SPSS軟件做統(tǒng)計分析，對相關(guān)功能腦區(qū)的激活水平強度和閾值做比較分析。并進一步采用重復(fù)測量方差統(tǒng)計分析腦區(qū)的激活水平，LED光強度，腦電圖。做出不同的光刺激對相關(guān)腦區(qū)的激活水平的數(shù)學(xué)模型，為檢驗標(biāo)準(zhǔn)的建立提供科學(xué)依據(jù)。通過該平臺中的的視覺刺激設(shè)備，應(yīng)用該平臺除了能夠檢測LED的光生物安全性，還可以用于檢測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光生物安全性檢測方法，其特征在于，它通過功能磁共振成像對大腦功能的分析來作為評價LED光生物安全性。
2.如權(quán)利要求I所述的一種LED光生物安全性檢測方法，其特征在于，它包含如下步驟 第一步，通過建立光環(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兼容性，不影響MR信號采集； 第二步，LED光刺激系統(tǒng)裝置設(shè)計 刺激系統(tǒng)由如下四部分組成 (1)視覺系統(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刺激；(2)同步系統(tǒng)由磁共振掃描射頻信號來驅(qū)動刺激呈現(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間，處理磁共振在大腦區(qū)域激活時所采集的影像，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間的任務(wù)設(shè)計；③腦功能影像后處理軟件處理功能磁共振試驗所采集的圖像數(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 空白對照黑暗環(huán)境； 標(biāo)準(zhǔn)光源鎢絲白熾燈，照度400流明； 實驗光源(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； ②黑暗環(huán)境與LED燈光環(huán)境反復(fù)切換時； ③鎢絲白熾燈光環(huán)境與LED燈光環(huán)境反復(fù)切換時； 第四步，數(shù)據(jù)收集 fMRI掃描由Siemens 3. O-Tesla磁共振儀完成，對每個受試者先掃描定位像后進行T2WI掃描排除顱內(nèi)病變，再行3D-TIWI掃描解剖圖，EPI -BOLD信號采集用來獲得BOLD-fMRI 信號； 第五步，數(shù)據(jù)處理如下4步驟用來進行fMRI數(shù)據(jù)處理 (O受試者頭動校正， (2)時間校正， (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個小格子的矩陣構(gòu)成，因此定義全腦有64X64X18=73728個小格子構(gòu)成，建立數(shù)學(xué)模型，將人腦MRI圖像分割成73728個體素并獲取各個體素的信號值，然后數(shù)字化，計算腦部各體素信號值的均數(shù)； 根據(jù)第三步檢測獲得的數(shù)據(jù),計算光源切換前后各體素信號值變化,計算前后變化率，本發(fā)明將變化率定義如下(1)如果刺激前的體素信號值大于刺激后的體素信號值，刺激前的體素信號值/刺激后的體素信號值=變化率；(2)如果刺激前的體素信號值小于刺激后的體素信號值，刺激后的體素信號值/刺激前的體素信號=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)境下的信號變化率與鎢絲燈的基準(zhǔn)值進行比較； 全腦信號與重點區(qū)域信號的變化比率進行平均，本發(fā)明定義全腦信號比率+重點區(qū)域信號比率/2 = LED光生物安全閾值比率，本發(fā)明將變化率設(shè)定為以下幾個等級 I級〈25%，認(rèn)為安全 II級25% 50%，認(rèn)為相對安全 III級50% 75%，認(rèn)為有安全風(fēng)險 IV級75% 100%，認(rèn)為有較大安全風(fēng)險 V級>100%，認(rèn)為將進行系統(tǒng)安全風(fēng)險評估。
3.如權(quán)利要求2所述的一種LED光生物安全性檢測方法，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控制電流IC(集成電路)芯片，通過電流讓它們發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種基色光，然后混合成全彩色的可見光。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種LED光的生物安全性檢測方法，屬于照明工程領(lǐng)域，具體涉及光源的安全性檢測方法，特別涉及LED光源的安全性檢測方法。為了更好地對LED光的生物安全性進行檢測，本發(fā)明提供了一種新型的LED光生物安全性檢測方法，目前現(xiàn)有技術(shù)中主要通過對視網(wǎng)膜的損害程度的檢測來作為衡量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)，通過功能磁共振成像對大腦功能的分析來作為評價LED光生物安全性的方法，檢測方法客觀，并且屬于無創(chuàng)性檢查方法，人眼接受不同光源刺激時，腦部血流變化導(dǎo)致的BOLD-fMRI信號變化先于視網(wǎng)膜在各種檢查手段下得到的變化。故利用fMRI評價LED光生物安全具有可行性。
文檔編號A61B5/00GK102885613SQ20111020232
公開日2013年1月23日 申請日期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 申請人:中山大學(xué), 廣州市熠芯節(jié)能服務(wù)有限公司