保护昼夜神经内分泌功能的照明系统的制作方法
【专利说明】保护昼夜神经内分泌功能的照明系统
[0001]通过引用相关申请的并入
[0002]申请数据表中确定的任何和所有优先权权利要求，或对其的任何修正通过根据37CFR 1.57引用而并入于此。
技术领域
[0003]本发明涉及照明系统，并且特别涉及用于特别是在夜间使用期间保护昼夜神经内分泌功能的发光二极管(“LED”)照明系统。
【背景技术】
[0004]在北美地区大约有25%的劳动力参与通常白天时间以外的工作。先前的研究已经表明与白班相比，夜班(特别是轮班)无论在短期还是长期都具有不利影响。在短期内，由于减少了警觉性，所以会有增加事故的发生率和不良的工作表现，而长期内，与倒班关联的病症包括心血管疾病、代谢紊乱(诸如肥胖症)、代谢综合征和II型糖尿病；胃肠道疾病和几种不同类型的癌症(包括乳腺癌、前列腺癌和大肠癌)，这导致世界卫生组织于2007年宣布轮班列“可能使人致癌”。
[0005]由于夜间明亮的灯光照射，这些健康的负面影响与昼夜节奏混乱强烈地关联。昼夜节奏是在大范围的生理功能中观察到的大约24小时模式，包括但不限于，睡眠/觉醒周期、神经内分泌节奏、吃饭时间、情绪、警觉、细胞增殖和甚至各种组织类型中的基因表达。这些节奏由内生(内部)昼夜定时系统调节(所述内生昼夜定时系统通过暴露于环境(室外和室内)的明暗的每日循环同步)、由眼睛的视网膜中的视网膜神经节细胞检测并经由视网膜下丘脑神经通路传送到位于下丘脑的视交叉上核(SCN)中的主昼夜起搏器(“生物钟”)。暴露于夜间的强光可使SCN失去同步，所以其相位改变，从而造成睡眠-觉醒模式和多个关键的人体神经内分泌系统的中断，这可能需要几天甚至几周的时间来恢复，从而导致疲劳和不适和不佳的健康。
[0006]虽然轮班工人所面临的一些问题与睡眠数量和质量的急剧和缓慢减少直接联系，但是由于长期夜间灯光照射而产生的长期昼夜中断似乎是轮班工作的一些医学后果发病的关键因素。啮齿类动物的研究表明，伴随着很少量的累积睡眠损失的长期昼夜中断会产生心血管疾病、代谢紊乱，和癌症的模式的加速。最近的人类实验室研究表明，甚至急性生理失调也会产生重大的代谢受阻。此外，在其中这两个因素已经测量的流行病学研究中，轮班工作中的扰乱的睡眠似乎不是心血管疾病危险增加的原因。证据还表明，在生物夜间期间的灯光照射会导致抑制松果体褪黑素分泌，且对多年照射的倒班工人的该抑瘤素的慢性减少可能助长癌症的风险增加，特别是乳腺癌，常见于工作于夜班的妇女。
[0007]褪黑素(N-乙酰基-5-甲氧基色胺)是由其是由作为SCN同步的昼夜功能的关键调节体的松果体分泌的重要激素。褪黑素介导许多生物功能，特别是由光明和黑暗的持续时间控制的那些生理功能的定时。褪黑素从色氨酸到血清素合成(其是由酶η-乙酰转移酶或NAT来N-乙酰化的)，然后由羟基吲-0-甲基转移甲基化。酶NAT是用于褪黑素的合成的限速酶，并在松果体的交感神经末梢处由去甲肾上腺素增加。去甲肾上腺素在夜间或在黑暗相位从这些神经末梢释放。因此，褪黑素分泌受灯光和黑暗曝光的定时的强烈影响。
[0008]褪黑素由具有内生的昼夜节奏的松果体分泌，尖峰出现在晚上，但其分泌是高度对光敏感。夜间灯光照射显著抑制褪黑素分泌。由于眼睛的视网膜神经节细胞中的黑素蛋白光感受器的独特光谱灵敏度，光对褪黑素的抑制效果随不同波长而变化。420至520nm之间的相对较短波长(峰灵敏度在440至470nm之间)的光照射具有最明显的抑制效果。褪黑素已经显示出具有多种功能，诸如时间生物调节、免疫调节、抗氧化效果、季节性繁殖的定时的调节和抑瘤效果。褪黑素的抑瘤效果已在体外显示，且在动物研究中显示出恒定照射于光会由于褪黑素被抑制而显著提高致癌性。因此，由夜间亮光抑制褪黑素已经被提议作为轮班工作的不利影响的关键中介物。
[0009]此外，夜间的光会破坏许多其它内分泌网络，最显著的是糖皮质激素。糖皮质激素是在肾上腺皮质产生的一类固醇激素。皮质醇是最重要的人类糖皮质激素，并与多种心血管、代谢、免疫，和稳态功能相关联。皮质醇水平的升高与压力反应相关联。光经由SCN-交感神经系统诱导肾上腺中的基因表达，且该基因表达与升高血浆和脑糖皮质激素相关联。血清中存在的皮质醇量通常经历白昼变化，其中存在于清晨的水平最高，夜间的水平最低。由光释放的糖皮质激素的幅度的剂量也与光强依赖性相关。光诱导的糖皮质激素的时钟依赖性分泌可用作自适应功能以调整在夜间环境中对光的细胞代谢，而且还示出响应于夜间照明的压力的存在。升高的糖皮质激素造成很多健康风险，包括高血压、精神障碍、胰岛素抵抗和升高的血糖水平，以及免疫系统的抑制。增加的糖皮质激素水平也与各种癌(最值得注意的是乳腺癌)的较快增殖率关联。在怀孕期间升高的皮质醇水平与后代的代谢综合征进一步相关联。对不同人群的流行病学研究已经表明低出生体重和高血压、胰岛素抵抗、2型糖尿病和心血管疾病的后续发展之间的关联。这种关联似乎是独立于常规的成人生活危险因素。在说明中，已经提出了在成长和发展的关键时期的刺激或损伤动作会永久改变组织结构和功能，这种现象称为“胎儿规划”。有趣的是，有证据表明，这一现象不限于第一代后代且程序效果可能会持续在后续世代。人类的流行病学研究表明，出生体重、心血管危险因素和2型糖尿病的代际效应。同样，已经在动物模型上报道了出生体重、葡萄糖耐量、血压和下丘脑-垂体-肾上腺轴的跨代影响。解释胎儿程序的一个主要假说调用胎儿于糖皮质激素中的过度照射。糖皮质激素发挥长期的组织效果并调节器官的发育和成熟。事实上，在治疗上糖皮质激素已被用来在围产期内改变器官(诸如肺)的成熟率。在怀孕期间的糖皮质激素治疗会减少动物和人类的出生体重。此外，当胎儿期生长率延迟或在受先兆子痫(反映胎儿的压力反应的)影响的怀孕期间，人类胎儿的皮质醇水平提高。已显示在怀孕的最后三分之一期间暴露于地塞米松(合成糖皮质醇)的老鼠，会获得低出生重量并在成年期发展出高血压和葡萄糖不耐受。
[0010]褪黑素的时间生物属性帮助同步了多种身体系统中的昼夜节奏。若缺失褪黑素，可由于一些生理过程的相位或时机未与外部时间暗示对准而造成昼夜节奏的不同步。这样的范例之一是患有睡眠相位后移综合症(DSPS)的患者的睡眠开始和结束时间被显著后移，这并不与习惯的睡眠和活动时间相对应。当这些个体被迫遵守常规的活动时间时表现出贫乏的警觉和精神运动表现。此外，这种潜在的昼夜节奏错乱可经常通过范围包括从亚症候抑郁症至主要抑郁症的明显精神障碍显现自己。
[0011]之前已报告过DSPS人群中抑郁症的出现。DSPS以睡眠开始时失眠，即患者可在真正入睡前花较长时间为特征。这是由不同步的中央生物钟导致的昼夜节奏睡眠障碍。以报告过DSPS患者表现出如低自尊心、紧张和缺少对感情表现的控制的感情特点。这些特征可恶化社会退缩的情况，导致患者在同步其昼夜节奏时损失社会线索。因此，这种相位偏移变得更深刻，且恶性循环继续发展。
[0012]除去有昼夜节奏错乱的精神障碍患者外，也在低褪黑素分泌的情况下注意到了抑郁症的出现。近年来进行的一些研究表明，患有单相抑郁症的患者和患有双相有效障碍的患者的褪黑素分泌的幅度和节奏都发生了变化。
[0013]试图改善与常见日夜循环的中断相关的情况所采取的方法之一包括，使用亮光疗法将昼夜节奏调节至延迟的相位，以希望提高对夜晚的警觉和在白天时间诱导睡眠。但是，在夜班结束时暴露于自然户外强日光可作为有效的昼夜时间暗示(“授时因子”)，其覆盖了亮光干预的潜在有益作用并否定昼夜节奏调节。另外，在夜间管理的亮光通过阻止夜间褪黑素分泌破坏了人体自然的昼夜褪黑素分布。大量研究证据开始表明轮班可能有与危险因素，包括癌症、心血管疾病、肠胃病和情绪障碍以及与它们相关的发病率和死亡率的提高的危险相关的长期后果。近期研究表明褪黑素分泌因这些危险因素中断。
[0014]现在可用的针对这个问题的工作远远达不到实际可行、基本适用和有效治疗的目标。例如，虽然对轮班工人的嗜睡和日间睡觉干扰有了可用的药理疗法，但存在对这些药在广大轮班人群中的广泛长期使用的明显担心。此外，睡眠干扰和嗜睡的药理治疗并未改变内部昼夜时间系统和轮班时间表间的潜在不匹配。近来的动物和人体数据支持了模型，在该模型中行为和内部时间之间的长期错乱至少和调停轮班工人中可见的代谢疾病、心血管疾病和癌症的提高的患病率中的长期睡眠缺乏一样重要。理论上来说，可通过操作工人的光-黑暗时间表来解决这种缺点。这种操作可在实验室模拟中展示以在工人时间表中产生改善的昼夜对准。但是，增强的工作场所照明并不能广泛适用于全部轮班工作物理环境和轮班工作时间表的部署。更为限制的是，这些操作通常取决于工人遵从时间表和即使在休假期间的光-黑暗暴露限制，作为结果并未被广泛接受。
[0015]需要一种简单、有效并廉价的系统，以便在不过分增加疲劳或减小警觉的情况下，限制夜间光照射的大量有害健康作用。
[0016]因此，这里存在一种提高轮班工人警觉同时限制昼夜中断的潜在健康后果的装置的需要，其不仅适用于带有可诊断情况的工人，而且广泛适用于不同轮班设置和可用于许多轮班工人。
【发明内容】
[0017]本文中描述的系统、方法和装置具有创新方面，其中没有一个是不可或缺或对希望的属性有单独地责任。在不限制权利要求书的范围的情况下，现在将总结一些有优势的特点。
[0018]研究建议，在轮班时间表的夜间时间期间的光照暴露对轮班工人的健康具有显著的负面影响。光的有害作用可由可见光谱中蓝光部分的一个小分量造成。可通过过滤这种用来照亮轮班工作环境的分量来降低轮班工作的有害作用。蓝光分量的过滤使荷尔蒙分泌的节奏正常，并在夜间工作屋内提高警觉和警惕表现。
[0019]不同的LED，根据其设计和电源，可在不同波长提供不同程度的照明强度。在一些实施例中，使用在廉价的蓝宝石或碳化硅基板上生长的发出近-单色蓝光(通常在440-470nm的范围)的LED以实现白光。蓝色LED芯片发出一段近单色蓝光的尖峰，然后芯片被涂覆磷光体以产生为提供充足的白光照明所需的更广泛的光波长光谱。许多用于照明系统中的高效LED芯片都作为提高在约440-470处的照明强度的栗工作，因为制造的限制使其它的LED芯片效率低下。试验表明常规LED中440nm左右的强度尖峰对褪黑素有强烈抑制。试验还表明当陷波滤光片被用来衰减受昼夜中断影响的特定波段，常规LED可不能提供和非过滤光的白光类似的白光。在一些情况下，带有陷波滤光片的常规LED，例如去除低于500nm的光波长，可产生在某些应用中不能有助于高效工作环境的黄光。
[0020]在一些实施例中，LED照明系统包括紫色LED，该LED包括能提高约415nm处的光强，而不是约440nm处的常规尖峰的脉冲。试验还表明当陷波滤光片被用来衰减受昼夜中断影响的特定波段，具有415nm脉冲的LED可出乎预料地产生基本上与非过滤光类似的光。这种改善的过滤光既可实质上减少夜班工人中病理性昼夜中断，又可提供优质光源使工人们在工作场所中警觉、有生产力且安全。这种改善的过滤光可提供提高的警觉性、提高的警惕、提尚的感知表现和减少的事故和伤势。
[0021]在一些实施例中，带有415nm脉冲的紫色LED可在相匹配的氮化镓基板上利用氮化镓。在一些实施例中，415nm处的紫光被用来刺激磷光体材料以造成紫色尖峰和蓝色底值，这可创造更高的彩色再现指数和光效能。
[0022]试验已证实，光谱特定LED照明解决方案可限制与夜间暴露于传统照明相关的昼夜神经内分泌中断。另外，结果表明过滤的光源可对人类夜间醒着时保持正常的夜间褪黑素模式很有效。根据示范实施例，试验表明了由具有430-500nm的陷波滤光片的约415nm的紫色脉冲LED产生的照明特别适合夜班的照明，因为它能尽可能减少暴露于导致中断夜间褪黑素模式的光谱范围，并为工作条件提供合适的光。更窄或不同范围的被阻断的波长，如那些在本文中被讨论的波长，可进一步增强产生的光的光谱并维持希望的褪黑素作用，以及当应用于在希望的波长具有足够照明强度的光源时，增强具体环境的希望的条件。
[0023]本文中的实施例一般涉及用于在夜间使用期间保护人昼夜神经内分泌功能的照明系统、方法和装置。在一些方面，所述系统，装置和方法可为工作环境提供合适的照明条件，同时保护在夜间占据被照亮工作场所的那些人的昼夜神经内分泌系统。在一些方面，LED照明系统，方法和装置可被适用于实质上减少夜间工作者的病理昼夜中断。在一些方面，LED照明系统、方法和装置可被适用于衰减在昼夜中断中涉及的特定频带的光。在一些方面，LED照明系统、方法和装置可被适用于在频谱的不同部分上提供比常规LED增加的强度，从而即使在波长的不利部分由陷波过滤器衰减时也可提供可用白光。在一些方面，LED照明系统、方法和装置可在日间配置和夜间配置之间切换，其中所述日间配置提供非过滤光且夜间配置提供过滤光。
[0024]本公开的一个非限制的实施例包括LED照明系统，该系统包括多个LED和陷波滤光片，其中所述多个LED包括在约415nm处的尖峰强度，和其中陷波在430nm至500nm之间发送低于1 %的光。
[0025]本公开的另一个非限制实施例包括LED照明系统，所述系统包括多个LED和陷波滤光片，其中所述多个LED包括在380-430nm的大约范围内的尖峰强度，且其中所述陷波在在下列的一个范围之间发送低于1 %的光:约420nm至500nm之间；约425nm至500nm之间；约430nm至500nm之间；约440nm至500nm之间；约450nm至500nm之间；约460nm至500nm之间；约420nm至490nm之间；约430nm至490nm之间；约440nm至490nm之间；约450nm 至 490nm 之间；约 460nm 至 490nm 之间；约 420nm 至 480nm 之间；约 430nm 至 480nm之间；约440nm至480nm之间；约450nm至480nm之间；约460nm至480nm之间；约420nm至470nm之间；约430nm至470nm之间；约440nm至470nm之间；约450nm至470nm之间；约420nm至460nm之间；和约440nm至460nm之间。
[0026]本公开的另一个非限制实施例可包括多个LED，所述LED包括在400-420nm的大约范围内的尖峰强度。
[0027]本公开的另一个非限制实施例可包括多个LED，所述LED包括约415nm的尖峰强度。
[0028]本公开的另一个非限制实施例包括在夜间照亮工作场所的方法，所述方法包括提供LED光源，其中所述LED光源在白天提供非过滤光，且其中所述LED光源在夜间提供过滤光。
[0029]本公开的另一个非限制实施例涉及本文中描述的系统、装置和组件的制造方法。
[0030]本公开的另一个非限制实施例涉及本文中描述的系统、装置和组件的使用方法。
[0031]本公开的另一个非限制实施例涉及用于在夜间维持工作场所中工人的昼夜节奏并为安全和有生产力的环境提供适当照明的手段。
[0032]本公开的另一个非限制实施例涉及适于一或多个人在其中的人工照明环境系统的系统和方法。提供了限定的环境空间。人工光源被适应以在限定的环境空间内传送光。所述人工光源被配置，使得在考虑到表现为在所述人工照明环境的所述限定的环境空间内发光的任何自然光源之后，以及在考虑到存在于所述人工照明环境的所述限定的环境空间内任何环境组成的特征(诸如光学、表面的光谱反射率，和/或发荧光的所述限定的环境空间内的材料的特性)之后，与任何起作用的自然光源和/或环境组成相结合的人工光源在所述限定的环境空间的地面水平之上约二(2)英尺至约七(7)英尺处发射可见光范围内(约400nm至约700nm)的大约五十(50)至大约二千(2，000)勒克斯之间的光。昼夜夜间模式(CNight模式)，其中在选择的生物活性波段范围内发射的光在任何方向上测量时都不超过约1 yWatts/cm2的平均福照度，其中所述选择的生物活性波段范围覆盖至少大约10nm，且其中所述选择的生物活性波段范围落在大约430nm和大约500nm的一般波段范围内。在一些实施例中，优选地，所述CNight模式下的所述选择的生物活性波段范围在任何方向测量时都不超过选自由以下组成的组的平均福照度:约0.7 μ Watts/cm2、约0.5 yWatts/cm2、约 0.2 μ Watts/cm2，和约 0.1 μ Watts/cm2。
[0033]本公开的另一个非限制实施例涉及用于包括人工光源的照明系统的系统和方法。所述人工光源在可见光范围(约400nm至约700nm)内发射光，并且包括昼夜夜间模式(CNight模式)，在所述昼夜夜间模式中，在选择的生物活性波段范围内发射的光发射的辐照度小于来自所述人工光源的，在所述可见光范围内的总辐照度的百分之六出％)。选择的生物活性波段范围发射从由以下组成的组选择的辐照度:小于来自所述人工光源的，在所述可见光范围内的总辐照度的百分之四(4% )、小于百分之二(2% )，和小于百分之一(1%)。所述CNight模式紫色光在从由以下组成的组选择的波段中提供:约400至约440nm之间、约400至约435nm之间、约400至约430nm之间、约400至约425nm之间，和约400至约415nm之间，并且具有从由以下组成的组中选择的平均辐照度:大于来自所述人工光源的，在所述可见光范围内的总辐照度的约百分之四(4% )、大于约百分之六(6% )，和大于约百分之十(10% )。优选地，述CNight模式与昼夜日间模式(⑶ay模式)交替，其中所述CDay模式的所述选择的生物活性波段范围发射从由以下组成的组选择的辐照度:大于来自所述光源的，所述可见光范围内的总辐照度的约百分之四(4% )、大于约百分之六(6% )，和大于约百分之十(10%)。系统可配置为响应于预定的昼夜阶段或白天时间指示，在所述CDay模式和所述CNight模式之间自动转换。CDay的持续时间和时刻和CNight的持续时间和时间能够由用户预先设置。所述预定昼夜阶段或白天时间指示可从由以下组成的组选择:包括季节性调整的时间的指示、包括固定的时钟时间的指示，和包括用户选择的时间的指示。
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