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辐射与人眼健康

一、概述
人类的学习、生活、工作都处于各种光环境中，各种光辐射随处可见。人们需要光，依赖光辐射产生视觉，同时光辐射也会给人眼带来伤害。
光环境分为自然光环境和人工光环境。
自然光环境主要是日光，人类的生存依赖日光，但是随着地球臭氧层的破坏，日光中更大量的紫外线辐射到达地球，威胁着人类的健康，人们开始意识到赖以生存的日光也会带来危害。
人工光环境主要是各种人造光源，包括白炽灯、卤钨灯、荧光灯、低压钠灯、高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯、氙灯、霓虹灯等等。人造光源的发展给人们的工作、生活带来很大的方便，但是，伴随而来的是人类将面临更大的潜在危险，尽快地使人们认识到这一危险性已经刻不容缓。
二、辐射伤害机理
辐射是指由一点沿直线向四周按直线延伸。该词在日常应用中通常指能量辐射，能量辐射有电子流、质子流、光子流。电子流、质子流在日常环境中几乎没有，我们日常环境中辐射的主体为光子流，光子流亦称电磁波。Υ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线，微波和无线电波都属于电磁波。
光就是电磁波，是电磁波辐射的另一名称。人眼只对其中波长从400nm～780nm的范围的电磁波辐射产生视觉，因此，将该范围内的电磁波称之为可见光。在我们日常环境中存在着比可见光范围更广的电磁波辐射，一般从100nm～几万米之间。图一是电磁破的波谱图。

图一 电磁辐射光谱
原子物理学、辐射学、光化学、视光学的研究成果已经表明：电磁波的波长越短、频率越高，对细胞的破坏作用就越大。下面，我们分析一下各种波段的辐射对人体的伤害机理。
1）伽马射线（γ射线）
波长短于0.02纳米的电磁波。γ射线是因核能级间的跃迁而产生，原子核衰变和核反应均可产生γ射线  。γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。γ射线破坏的是原子核，造成原子核的改变，因此，对细胞具有很强的杀伤力。高剂量的γ射线可以瞬间杀死细胞。
2）X射线
波长介于紫外线和 γ射线之间的短波电磁辐射。在X射线照射下，人体组织中一些分子或原子会电离，导致一些成分（如蛋白质、酶等）产生一系列变化，也可导致细胞水平的损伤和组织病变。当X射线通过原子间时，会使原子核外层的电子能级增加，直至发生电子跃迁，原子以带电的状态（离子状态）呈现，继而原子之间的连结就会断裂。
从分子生物学的角度看，X射线射入人体后，会打碎DNA之间的连接，而DNA是构造和生命的蓝图，一般情况下，细胞会自动修复损伤，但如果受伤过重，无法修复，生物体细胞就会启动自灭程序，称细胞程序性死亡，如果受伤太重。甚至无法自灭，生物体其他细胞会帮助灭之，不成功的话，基本上很可能就癌变了，也即变异。
3）紫外线
紫外线是电磁波谱中波长从100—400纳米辐射的总称。紫外线的波长愈短，对人眼的危害越大。
按波长分包括3类：UV－A波长为315nm～400nm，UV－B波长为280nm～315nm，UV－C波长200nm～280nm。到达地球表面的太阳光线（290nm—2000nm）中紫外线约占13％，其中UV－A占97％，UV－B占3％，UV－C接近于0。
过量的紫外线引起光化学反应，可使人体机能发生一系列变化，尤其是对人体的皮肤、眼睛以及免疫系统等造成危害。眼睛是对紫外线最为敏感的部位，紫外线能对晶状体造成损伤，是老年性白内障的致病因素之一。波长250-320纳米紫外线的照射，可引起角膜炎、结膜炎。刚患病时仅感到双眼有异物感和轻度不适，重的会感到烧灼、剧痛、畏光、流泪、眼睑痉挛等。如反复发病，可引起慢性睑缘炎和结膜炎。过强的紫外线还可造成眼底损伤。紫外线照射哺乳动物可引起基因突变，导致皮肤癌。波长小于320纳米的紫外线诱发皮肤癌的可能性较大。
紫外线中，当某一波长的能量与人体细胞的分子键能发生匹配时，会造成分子键断裂，也就是DNA键断裂，细胞就发生了变异。
4）可见光与蓝光伤害
可见光是人眼可以感知的辐射，对人眼仍然存在着伤害。可见光波段能对视网膜造成光化学危害，甚至能够引发视网膜炎。因为这是一种光化学伤害，危害效应与辐射的波长紧密相关。
波长380-450nm的短波通常称为蓝光。越来越多的证据表明，可见光，也就是我们人眼可以看到的光辐射，尤其是蓝光，同样具有伤害性。蓝光可以损伤视网膜细胞的线粒体，特别是对线粒体DNA的损伤。蓝光主要是对色素起损害作用，而这种色素仅蓄积在视网膜细胞中。蓝光的波长易与视细胞的分子键发生匹配，造成分子键断裂。
5）红外线
波长范围约为 780纳米～1 毫米的电磁辐射称为红外线。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为780～1400nm之间；中红外线，波长为1400～3000nm之间；远红外线，波长为3000nm～lmm 之间。
红外线的频率接近于多数物质分子的固有振动频率，极易被物质所吸收并产生热效应。
红外线对人眼会造成伤害，波长800～1200nm的短波红外线可透过角膜进入眼球、房水、虹膜、晶状体和玻璃体液，吸收而导致的白内障称之为“红外线白内障”,该症状多见于玻璃工和钢铁冶炼工人。红外线能加速人眼泪液的蒸发，导致干眼症。
6）微波
微波是指波长介于红外线和特高频（UHF）无线电波之间的电磁波。微波的波长范围大约在1米至1毫米之间。微波被应用在通信技术、雷达、射电天文学观测等领域。
微波一般不易对人体造成伤害，但人体最容易受到微波伤害的部位是眼睛的水晶体。如果较长时间受到超过安全规定的微波辐射，会造成视力下降，甚至引起白内障或者双目失明等。
实验研究表现微波辐射可导致白内障，其阈值对单次照射约为100mW/cm2，对重复照射为80mW/cm2或更低些。高强度的电磁波辐射还可伤害角膜、虹膜和前房，可造成视力减退，或完全丧失。当强度低于上述阈值时，虽然不会引起白内障，但10~80mW/cm2，的电磁辐射仍能使晶状体混浊，并有可能使有色视野缩小和暗适应时间延长，造成某些视觉障碍。
三、光辐射与眼睛
在我们通常的环境中，γ射线、X射线基本上没有，微波在日常环境中辐射量很微弱，对人眼的危害也很小。因此，我们所关心的辐射对人眼的伤害主要是紫外线、可见光和红外线。
表1：紫外线、可见光与红外辐射在生物学上的影响和应用
分类
波长
健康危害效应
备注
眼睛
皮肤
UVC
200～280
很少
很少
170～230nm制造臭氧
220～280nm具有杀菌作用
UVB
280～315
光化角膜炎、白内障(295～315nm)
红疹、光化性皮肤老化、皮肤癌
290～310nm易造成
光化性红斑
UVA
315～400
光化学性
白内障
黑色素沉淀
也称为黑光区
可见光
400～780
光化性及热原性
视网膜伤害
光敏感性
以蓝光区（400～480nm）
的伤害最大
近红外
780～1400
白内障视网膜
伤害
烧伤
虹彩对1300光敏感
中红外
1400～3000
角膜烧伤水样白内障
烧伤

远红外
3000～
1×10
角膜烧伤
烧伤
5000nm～0.3cm有可能被皮肤完全吸收

1、人眼结构
眼位于眼眶内，主要包括两部分，即眼球和眼的附属器。
眼附属器包括眼睑、泪器、结膜、眼眶和眼外肌。附属器的主要功能是保护眼球。眼外肌负责眼球各个方向的运动。
眼球由眼球壁和眼内容物组成。
眼球壁包括角膜、巩膜、角巩缘、虹膜、睫状体、脉络膜和视网膜。
眼内容包括房水、晶状体和玻璃体。
各组成的具体位置如图1所示

图1 人眼结构图

2、光辐射的作用区域
由于人眼各个部分对不同波长的辐射吸收能力不同，不同光谱范围的光辐射对人眼的作用区域也不同。表2列出了不同波段光辐射对人眼的作用区域。

表2：各波段光辐射与人眼的作用区域
辐射波段
作用区域
UVC和UVB（部分）
角膜/结膜
UVB（部分）和UVA
晶状体
可见光
视网膜
IRA（部分）
视网膜，玻璃体
IRA（部分）
晶状体
IRB和IRC
角膜/结膜
此外，光辐射对人眼的渗透深度还与人的年龄有关。年轻人眼睛前部的透光能力要优于老年人。
3、光辐射的危害
高强度的光辐射能造成眼睛的损伤。直接损伤发生在光辐射被吸收的位置，这与光在眼睛中的渗透深度有关。但是也存在间接损伤，例如临近区域的加热可以导致晶状体损伤。以下介绍几类主要的由于光辐射导致的眼睛损伤。
1）光致角膜炎和光致结膜炎
只要照射几个小时，甚至几分钟，高强度的紫外辐射就能够损伤眼球最前部区域，从而引发光致角膜炎和光致结膜炎。受照后，角膜和结膜最外层细胞被破坏。而在受照6到8小时后，人将感觉到一阵钻心的疼痛。
但是，这类损伤是可以修复的。由于角膜和结膜的细胞不断再生，1到2天之后就可痊愈。
2）紫外辐射导致白内障
长期的紫外光照射能够引发白内障。光化学反应改变了组成晶状体的特殊蛋白质。更不幸的是，晶状体组织不同于其他组织，它不生成新的细胞，所以这种病变是不可修复的，现代医学采用人工晶状体来代替人眼本来的晶状体来治疗白内障患者。UVA和UVB能造成这一损伤。紫外光辐射对眼睛的危害加权函数如图3所示。

因此，在接触具有强紫外辐射的光源时，我们要利用特殊防护装置保护我们的眼睛。
3）视网膜灼伤
可见光渗入视网膜并被吸收，这能造成对视网膜的危害。当非常强的脉冲辐射光照射到视网膜上时，光辐射的热效应能灼伤视网膜。这一危害不仅发生在自然光（如人眼直视太阳），也发生在人工光源（如直视激光）。防非电离辐射国际委员会(ICNIRP)提供了视网膜热危害的光谱加权函数，如图8所示。
视网膜灼伤是不可修复的。有些情况下灼伤如果不是发生在视觉最敏感的区域——中央凹，人甚至不能感觉到。而当灼伤发生在视神经的聚集处——盲点的时候，视网膜灼伤将致盲。
4）蓝光伤害
伴随着视网膜热危害，可见光380-450nm波段能对视网膜造成光化学危害，甚至能够引发视网膜炎。因为这是一种光化学危害，所以危害效应与辐射波长紧密相关，如图7所示。这种危害是不可修复的而且能致盲。

5）红外辐射导致白内障
长期的红外辐射影响能够引发白内障。同样，这种损伤是不可修复的。这种病变发生率较高的职业是传统的在熔化炉边的吹玻璃工人和在熔炼耐火石边与液态金属打交道的工人。现在，这些工作场合的工人都配备了适当的防护设备，所以这种危害造成的病变发生率已经很小。光谱加权函数如图8所示。
四、IEC和CIE对光辐射危害的评估
为了科学评估光辐射的危害性，并为人们合理利用光源提供指导，各国和国际上一些知名组织纷纷制定了相关标准。其中最知名的也是影响最大的组织有国际照明委员会（CIE）和国际电工委员会（IEC）。
为了评估一般照明光源的光化学危害，CIE制定了专门的标准CIE S 009/E:2002。这个标准的目的是要评估被测光源在最具有危害性的使用状态下光化学危害等级，明确被测光源的类别，为人们合理利用提供指导。评估分两方面进行，包括照度测试和亮度测试。测试过程模拟人们正常使用被测光源的情况下，该被测光源对人的最大危害能力。
目前，我国在这一领域尚处于起步阶段，与国际要求相差甚远。尽快起草最新的光辐射防护标准刻不容缓。
五、总结
1、 辐射的主体是电磁波，有积极效果和伤害效果。眼睛依靠辐射而产生视觉，而辐射不断地伤害眼睛。
2、 辐射的伤害与电磁波的波长相关，波长越小动能越大，对于细胞的杀伤力越大。
3、 辐射伤害与“匹配”相关，当能级“匹配”时，杀伤力最大。
4、 光环境对眼睛的健康关系很大，眼睛长期处于严重光污染的环境，视力必然下降。
5、 在现有的人造光源背景下工作、学习，近距离作业不宜用荧光灯作为照明，宜用白炽灯。
6、 严禁在阳光下阅读。
由于辐射造成的光化学伤害，对眼睛健康威胁很大，针对性地研究眼睛防光化学伤害是对眼科医学的一个补充。