Wirkung des Lichts auf den Menschen

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1 Wirkung des Lichts auf den Menschen Chancen und Risiken der Beleuchtung mit LED Dieter Lang Corporate Innovation Advanced Technology

2 LED-Spektren, Licht, optische Strahlung kaltweiße LED

3 LED-Spektren, Licht, optische Strahlung kaltweiße LED warmweiße LED Fläche: 1 mm mm 2

4 Wirkungen von Blauem Licht

5 Licht wirkt auf den Menschen Licht ermöglicht Sehen Helligkeit Information Form, Farben Abbildung Konstrast Wahrnehmung Licht steuert biologische Vorgänge Aufmerksamkeit Hormone Innere Uhr Müdigkeit Circadianer Rhythmus Licht erzeugt Stimmungen Komfort Zufriedenheit Entspannung Wohlbefinden

6 Informationsverarbeitung für visuelle und nicht-visuelle Information visuell visuelle Wahrnehmung biologisch Phase der inneren Uhr Schlaf-Wach-Rhythmus Geistige Leistungsfähigkeit

7 Wie lassen sich biologische Lichtwirkungen in der Anwendung nutzen? Licht ermöglicht gutes Sehen Helligkeit Information Form, Farben Abbildung Konstrast Wahrnehmung Licht steuert biologische Vorgänge Aufmerksamkeit Hormone Innere Uhr Müdigkeit Circadianer Rhythmus Licht erzeugt Stimmungen Komfort Zufriedenheit Entspannung Wohlbefinden

8 Visuelle und nicht-visuelle Lichtwirkungen beruhen auf unterschiedlichen Rezeptoren visuell Zapfen, Stäbchen biologisch iprgc (intrinsisch photo-sensitive retinale Ganglienzellen)

9 Die spektrale Empfindlichkeit für visuelle vs. nicht-visuelle Lichtwirkungen unterscheidet sich visuell Spektrale Wirkungsfunktionen s mel (l) V(l) biologisch Wellenlänge [nm]

10 Das biologische System biologisch Anatomie: Spezielle Rezeptoren Separater Nervenpfad Bekannte neuronale Kerne Physiologie Entrainment: Synchronisierung mit der natürlichen Umgebung Aktivierung Vandewalle & Dijk 2009 Rhythmus des Schlafhormons Melatonin sofort 30 sec 15 min PET/fMRI Scans zeigen Aktivierung im Gehirn

11 Die spektrale Empfindlichkeit für visuelle vs. nicht-visuelle Lichtwirkungen unterscheidet sich visuell Spektrale Wirkungsfunktionen biologisch Tageslicht hat Maximum der spektralen Leistung im Blauen Wellenlänge [nm]

12 Spektrale Empfindlichkeit Kaltweiße Lichtquellen sprechen das biologische System effizienter an Spektrale Verteilung biologisch visuell s ms (l) V(l) Kaltweiße LED Räumliche Verteilung Tageszeitliche Dynamik s ms (l) V(l) Warmweiße LED

13 Die Position der Photorezeptoren in der Netzhaut des Auges sind unterschiedlich visuell Zapfen sind in der Sehgrube konzentriert Sehsinn, Bilderkennung Hohe Auflösung, Fokussierung Netzhaut Blutgefäße Sehgrube Sehnerv Iris Linse Hornhaut Pupille biologisch iprgcs sind weit verteilt Höhere Empfindlichkeit im unteren Teil der Netzhaut Große rezeptive Felder Nicht bildgebend

14 Richtungsabhängigkeit der biologischen Wirkung

15 Richtungsabhängigkeit der biologischen Wirkung Licht aus dem oberen Halbraum des Gesichtsfeldes ist effizienter

16 Richtungsabhängigkeit der biologischen Wirkung auch das natürliche Licht kommt aus dem oberen Halbraum des Gesichtsfeldes

17 Relevanter Winkel für biologische Wirkung Flächige Beleuchtung wirkt stärker < 0,1 sr unwirksam Wirkung < 0,1 sr und > 0,5 sr: individuelle Unterschiede und Intensitätsabhängig > 0,5 sr gute Wirkung

18 Planungsbeispiel 1: Anwendung und Produkte In größeren Räumen kommt es auf die Decke an Direkt strahlende Leuchten optimiert für die Sehaufgabe Indirektanteil für biologische Effizienz mit hoher Farbtemperatur Direkt- und Indirektanteil sollten getrennt steuerbar sein

19 Planungsbeispiel 2: Anwendung und Produkte In kleineren Räumen sollte man besonders die Wand nutzen Direkt strahlende Leuchten mit niedriger neutraler Farbtemperatur für die Sehaufgabe Wallwasher mit hoher Farbtemperatur für biologische Effizienz Direktstrahlende Leuchten und Wallwasher sollten getrennt steuerbar sein

20 Der Raumwinkel ist entscheidend flächiges Licht von oben wirkt effizienter als Spots Spektrale Verteilung zirkadian visuell s Auge Räumliche Verteilung Tageszeitliche Dynamik Rezeptorzellen im unteren nasalen Bereich der Retina ansprechen!

21 Beleuchtungsstärke [lx] Dynamik des Tageslichts Tageslicht / Bürobeleuchtung im Vergleich Tageslichtverlauf, , München, integral, vertikal, Richtung Norden, nebelig, trüb :30 08:30 09:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 Tageszeit Tageslicht am Fenster Bürobeleuchtung niedrige Beleuchtungsstärken bedingen geringe biologische Wirksamkeit Beleuchtungsstärkeniveau im Innenbereich ist max. nur ca.5-10% der Niveaus im Außenbereich nur relativ geringer Einfluss des Tageslichts auf Beleuchtung im Innenbereich durch Fenster Reduzierte biologische Wirksamkeit im Innenbereich

22 Das richtige Licht zur richtigen Tageszeit Spektrale Verteilung zirkadian visuell s Räumliche Verteilung Zeit für Aktivität und hohe Leistung Biologisch effizientes Licht: Stimulation der iprgcs Hohe Beleuchtungsstärken Blauanteile Tageszeitliche Dynamik Zeit für Ruhe und Erholung Biologisch inaktives Licht: Stimulation der iprgcs vermeiden Niedrige Beleuchtungsstärken möglichst geringer Blauanteil

23 Lichttechnische Umsetzung Zusammenfassung 1,0 Der Blauanteil bestimmt die Wirkung 0,9 0,8 visual 0,7 0,6 biological 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, wavelength [nm] Lichtquellen Tageslichtnutzung Breite räumliche Verteilung effective retinal area Leuchten Lichtverteilung im Raum Das richtige Licht zur richtigen Zeit Steuerung LIchtdynamik

24 Anwendungsbeispiele Büro, Schule & Industrie Pflegeheime Verbesserter Schlaf- Wach-Rhythmus Demenz Verbesserte Konzentration Produktivität Flugzeugkabinen Medizinische Anwendungen Schmerztherapie Depression (SAD) Post-OP Jetlag Erholsamere Langstreckenflüge

25 Industrie- und Fertigungshallen Maßnahmen erhöhte Beleuchtungsstärken erhöhte Farbtemperatur sichtbare vertikale Leuchtdichten Ergebnisse: Positive subjektive Rückmeldung zu Wachheit und Konzentration In Frühschichten verbesserte Produktivität ( Flextronic- Studie )

26 Schulbeleuchtung Beispiel: Schul Studie Ulm Maßnahmen: helle indirekt angestrahlte Decke hohe Farbtemperatur ausreichend hohe vertikale Beleuchtungsstärken Ergebnisse: Verbesserte Konzentration, Aufmerksamkeit Verbesserte Wachheit und Lernvermögen Tendenz zu verbessertem Schlaf/Wach-Rhythmus

27 Schulbeleuchtung Gymnasium Miesbach Klassenzimmer mit Standard-Beleuchtung 500 lx (horizontal) am Tisch, ca. 250 lx vertikal L&Q Klassenzimmer 700 lx (vertikal) auf Augenhöhe Maßnahmen: Deckenaufhellung Wandaufhellung hohe Farbtemperatur hohe vertikale Beleuchtungsstärke Ergebnisse (vorläufig): Zufriedene Nutzer Positive Selbsteinschätzung bei den Nutzern Biologisch wirksame Beleuchtung ist die bei Lehrern und Schülern bevorzugte Einstellung

28 L&Q Beispiel Anwendung und Feldforschung: Alten- und Pflegeheimstudien Ziele: Positive Effekte von biologisch wirksamen Licht auf Gesundheit und Wohlbefinden von älteren Menschen zeigen Verbesserungen in der täglichen Aktivität und nächtlichen Ruhe Ergebnisse: Verbesserungen in Wachheit und Aktivierung am Tag Verbesserte Kommunikation Verbesserungen im Nachtschlaf Ausgezeichnete Rückmeldungen vom Personal

29 L&Q Beispiel Anwendung und Feldforschung: Psychiatrische Klinik (Vivantes, Berlin) Ziele: Unterstützung der Therapie von Depressionen Stabilisierung der biologischen Rhythmen Freundliches und helles Ambiente in der Klinik Ergebnisse: Verringerung der stationären Therapie bei unipolarer Depression von 25,9 d -> 22,0 d (Staedt 2009)

30 L&Q Beispiel Anwendung und Feldforschung: Zentrum für interdisziplinäre Schmerztherapie Ziele: Licht als Teil einer multimodalen Therapie gegen chronische Schmerzen Strukturierung des Tages und Stabilisierung des Schlaf/Wach-Rhythmus Anti-depressive Beleuchtungsstärken am Tag (ca lx) Ergebnisse: (vorläufig) Langzeitstudie gestartet Beitrag zur Therapie im Bereich von 10-15% erwartet Patienten berichten von verbessertem Schlaf und verbesserter Erholung

31 Beispiel: Produktion VW Wolfsburg, Tiguan Fertigungslinie Lichtbandsystem Modario biologische Lichtwirkung Indirektanteil 6000K Direktanteil 4000K

32 Effekte auf Tag und Nacht: Rhythmus Zeitgeber Licht Biologisch wirksames Licht am Tag beeinflusst den nachfolgenden Schlaf Künstliches Licht im Mittel auf sehr niedrigem Niveau Schwache Zeitgeber steigern social Jetlag bei Tagesarbeit: mehr Licht am Tag hilft Allen (Roenneberg: zu Zeiten von natürlichem Tageslicht kein Schaden möglich ) Anpassungen an die Jahreszeit erscheinen notwendig Umgang mit dem Rhythmus Störung oder Schwächung des Rhythmus ist gesundheitlich bedenklich Circadianer Stress ist assoziiert mit Schlafmangel und Risikofaktoren (Rauchen, Alkohol, Koffein) Social Jetlag: gesellschaftlich bedingte Einschränkungen des Rhythmus sind die Regel > 90% der Bevölkerung holen am Wochenende Schlaf nach (Schlafdefizit)

33 Stellen der inneren Uhr Verschiebung [h] Schematisch nach Khalsa 2003 normaler Chronotyp Licht verlängert Licht verkürzt Licht verlängert :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Körpertemperaturminimum Uhrzeit

34 Beleuchtung bei Schichtarbeit Risiken der Schichtarbeit: Erhöhtes Risiko besonders für Herz-Kreislauf-Erkrankungen Erhöhtes Risiko für bestimmte Krebsarten (z.b. Brustkrebs) ausgeprägter Social Jetlag Schlafmangel, Schlafstörungen Social Jetlag ist assoziiert mit Rauchen Alkohol, Koffein (coping) und BMI Umgang mit Schichtarbeit Aktuell finden bei Schichtarbeitern praktisch keine Anpassungen an die Schicht statt Nur das Licht zu ändern löst das Hauptproblem nicht Empfehlungen schwer möglich aber Sehr kurze Zyklen (max. 3 Schichten): gut für Erholung Sehr lange Zyklen (3 Wochen): gut für Anpassung Vorwärtsrotation generell besser da innere Uhr leichter folgen kann

35 Negative Folgen? Die Licht in der Nacht Krebs Diskussion Grundlage Einige Studien zeigen Korrelation zwischen der Anzahl von Krebsfällen und langjähriger (Nacht) Schichtarbeit IARC stuft 2007 Schichtarbeit mit Störung des circadianen Rhythmus als wahrscheinlich krebserregend ein (Kategorie 2A) Präsentationen und Diskussion: Ursachen sind aufgrund vorliegender Studien nicht zu klären Studienlimitierungen (keine Daten erhoben für die Lichtexposition, Melatonin-Einnahme, Chronotypen, Schlafdauer/Schlafdefizit, ) Limitierte Anzahl relevanter Studien und Konsistenz Feld ist sehr komplex (Kontrolle der Ko-Faktoren, Latenz, ) Zitat Prof. Erren: Shiftworkers have higher cancer rates is different from shiftwork causes cancer Generell akzeptierte Risikofaktoren: Licht zur falschen Zeit -> Störung des circadianen Rhythmus Lichtmangel am Tag -> reduzierter Stimulus für Tag, reduzierte Synchronisation -> erhöhte Sensibilität für Störungen durch Licht in der Nacht Simply blocking blue light is unlikely to be the trick

36 Fazit: Richtiges Licht zur Richtigen Zeit Licht alleine kann Probleme der Schichtarbeit nicht lösen Licht alleine ist nicht für die Probleme der Schichtarbeit verantwortlich Licht kann unterstützen: biologisch wirksames Licht am Tag stärkt den circadianen Rhythmus und macht das System robuster gegen Störungen bei rotierenden Schichten kein biologisch wirksames Licht in der Nacht Unterstützung der Aufmerksamkeit in der Nacht durch helles, aber blauarmes Licht (warmweiß)

37 Wirkungen von Blauem Licht

38 Empfindlichkeitskurven für blaues Licht Visuelles System (S-, M-, L-Zapfen) Nicht-visuelles System (iprgc) photobiologische Risiken Blue light hazard Lipuszin-Spaltung

39 Kein UV und kein IR bei LED-Beleuchtung UV IR

40 Stellen LED eine Gefahr für das Auge dar? Hintergrund. Zunehmende Verwendung von LED in der Allgemeinbeleuchtung Peak im blauen Spektralbereich Hocheffizient Kompakt Flexible Anwendungsmöglichkeit Blaulichtgefährdung?

41 Was versteht man unter Blaulichtgefährdung? Schädigung der Netzhaut durch Licht. Blaulichtschädigung Schädigung der Netzhaut im Auge Dauerhafte Sehstörung / Blindheit Netzhaut Ursache Photochemische Zerstörung der Sehpigmente durch blaue Spektralanteile Bildung freier Radikale Absterben der Sehzellen Bekannte Phänomene Risiko bei Blick in die Sonne oder intensive Lichtpunkte wie Lichtbogen beim Schweißen

42 Welche Eigenschaften einer Lichtquelle bestimmen das Risiko einer Blaulichtgefährdung? 1) Spektrale Verteilung. Höchstes Schädigungspotential bei ca. 440 nm Das Risiko hängt von der spektralen Energieverteilung einer Lichtquelle ab.

43 Welche Eigenschaften einer Lichtquelle bestimmen das Risiko einer Blaulichtgefährdung? 2) Strahldichte / Leuchtdichte. Strahldichte klein 60W gesehene Fläche groß Blick in den Himmel Unbedenklich trotz hohem Blauanteil Strahldichte groß 60W gesehene Fläche klein Blick in die Sonne Risiko aufgrund sehr hoher Strahldichte Das Risiko eines Blaulichtschadens wird nicht alleine durch den Blauanteil bestimmt.

44 Welche Eigenschaften einer Lichtquelle bestimmen das Risiko einer Blaulichtgefährdung? 3) Expositionsdauer. Je länger die Exposition desto höher das Gefährdungspotential. Relevant ist nur die Dauer eines direkten Blicks in die Lichtquelle. Ein natürlicher Reflex schützt bei hellen Lichtquellen vor längeren Expositionszeiten. Der Reflex greift bereits bei 0,25 Sekunden. Die maximal zulässige Dosis von 10 6 J/(sr *m 2 ), in die Blauanteil und Strahldichte eingehen, bestimmt die Einstufung der Lichtquelle in eine von drei Risikogruppen bzw. in eine risikofreie Gruppe.

45 Risikobewertung nach IEC Risikogruppeneinteilung. Risikogruppe 3 Risikogruppe 2 Risikogruppe 1 Risikogruppe 0 Hohes Risiko Mittleres Risiko Geringes Risiko Freie Gruppe Der Hintergrund für die Klassifizierung als Risikogruppe 3 ist, dass die Lampe sogar für flüchtige oder kurzzeitige Bestrahlung eine Gefahr darstellt. Der Hintergrund für die Klassifizierung als Risikogruppe 2 ist, dass die Lampe aufgrund von Abwendreaktionen von hellen Lichtquellen oder durch thermische Unbehaglichkeit keine Gefahr darstellt. Der Hintergrund für diese Klassifizierung ist, dass die Lampe aufgrund von normalen Einschränkungen durch das Verhalten keine Gefahr darstellt. Der Hintergrund für die Klassifizierung in die Freie Gruppe ist, dass die Lampe im Sinne der Kriterien dieser Norm keine photobiologische Gefahr darstellt. t max 0, 25s 0,25s t max 100s 100s t 10000s max t max 10000s RG 3 kommt nicht vor bei LED RG 2 Hochleistungs-LED RG 1 Professionelle LED RG 0 LED Lampen (Retrofit)

46 Bewertung einer Lichtquelle: Wie bestimmt sich die kritische Dosis? ILLUSTRATIV LED

47 Bewertung einer Lichtquelle: Wie bestimmt sich die kritische Dosis? Gewichtung der spektralen Strahldichteverteilung mit dem Wirkungsspektrum für Blaulichtgefährdung ILLUSTRATIV LED

48 Bewertung einer Lichtquelle: Wie bestimmt sich die kritische Dosis? ergibt die effektive Blaulichtstrahldichte. ILLUSTRATIV LED L B = Effektive Blaulichtstrahldichte

49 mw/(m^2*sr*nm) Relevante Parameter für Blue Light Hazard (nach IEC 62471) 1. Mit Wirkungsspektrum für BLH bewertete spektrale Strahldichte L B wesentlich ist die Strahldichte der Lichtquelle, da diese mit der lokalen Strahlstärke auf der Netzhaut korreliert 2. Zeitdauer der Exposition Falls der Grenzwert(1, J/m 2 sr) nach s nicht erreicht ist, gilt die Lichtquelle als unkritisch. d.h. für L B < 100 W/m 2 sr

50 Blue Light Hazard Bewertung von Lichtquellen Situation 3: Direkter Blick in die Sonne vs. Blick in den blauen Himmel mw/(m^2*sr*nm) 1,0E+08 1,0E+07 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 1,0E+00 1,0E-01 Direktes Sonnenlicht (5600 K) vs. Blauer Himmel (25000 K) Sonnenlicht(5600 K) Spektrum L = 1, cd/m 2 BLH bewertet L B = 1, W/m2 sr-1 t krit = 0,7 s Blauer Himmel (25000 K) Spektrum L = 5000 cd/m 2 BLH bewertet L B = 8,8 W/m2 sr-1 t krit = s 1,0E unkritisch trotz hohem Blauanteil

51 Blue Light Hazard Bewertung von Lichtquellen Lichtquelle BLH Wirkungsfaktor a B V ( Strahlungsleistung BLH / V(l) ) Zeit bis Erreichen der Dosis von 10 6 J/sr *m 2 bei direktem Blick in Lichtquelle TFT-Computer-Flachbildschirm (9000K) 0, s (>34 Tage) T8 Leuchtstofflampe 4000 K ; (z.b. Typ L 58W/840 FLH1 ) 0,38 > s (ca. 2 Tage) weiße Wolken; Globalspektrum 5500 K 0,58 > s (30 h) blauer Himmel, K; D ,20 > s (30 h) Energiesparlampe DULUX Superstar 20W/827 (warmweiß) T5 Leuchtstofflampe 8000 K; ( z.b. Typ FQ 80W/880 HO FLH1 SKYWHITE) 0,21 > s (ca. 13 h) 0,75 > s (ca. 8,3 h) Tageslicht- Vollspektrumlampe 0,60 > s (ca. 5,5 h) Netzspannungs Glühlampe, matt, 230V/60W (inzwischen verboten) Netzspannungs Halogenlampe 230V/40W (Halogen Eco) 0,19 > s (ca. 2,5 h) 0,20 > 300 s (ca. 5 min.) Halogen Niedervoltlampe IRC 12V/35W 0,23 > 110 s kaltweiße Hochleistungs-LED ohne Optik (6000 K) 0,58 90 s Sonne, direkt, mittags 0,58 0,7 s

52 Bewertung von LED im Vergleich zu anderen Technologien. LED Lichtquellen zur Allgemeinbeleuchtung liegen ähnlich wie die Lampen der traditionellen Technologien zur Allgemeinbeleuchtung. Evaluierungsdistanz: 200mm

53 Blue Light Hazard Bewertung Großflächige Beleuchtung mit hohen Blauanteilen Beispiel im Alten- und Pflegezentrum der Caritas Socialis am Rennweg, Wien E hor. = 1200 lx CCT (Decke) = 7000 K E vert. (Auge) = 600 lx L = 4000 cd m -2 L B = 4 W m-2 sr-1 t krit = s ( >> s ) ca. 4% des Grenzwertes für RG 0

54 Blue Light Hazard Bewertung Indirektbeleuchtung mit hohen Blauanteilen im Spektrum Beispiel: Besprechungszimmer E (Decke) = 1000 lx T N(Decke) = K E vert. (Auge) = 500 lx L = 450 cd m -2 L B = 0,5 W m-2 sr-1 t krit = s ca. 0,5% des Grenzwertes für RG 0

55 Fazit: Bewertung von Blue Light Hazard LED Lichtquellen zur Allgemeinbeleuchtung liegen ähnlich wie die Lampen der traditionellen Technologien zur Allgemeinbeleuchtung. Für Allgemeinbeleuchtung besteht bei bestimmungsgemäßem Gebrauch kein Risiko von Blue Light Hazard Schäden für die Nutzer Bei Arbeitsplätzen, die Licht zu technischen Zwecken nutzen ist eine Evaluierung erforderlich (wie früher auch) Die DIN EN und die Verordnung zum Schutz vor optischer Strahlung definieren die Regeln. Die DIN IEC-TR 62778, auch als DIN SPEC erschienen, gibt praktische Bewertungshinweise z.b. keine Gefährdung bei weißen Lichtquellen, wenn die Leuchtdichte unter cd/m 2 liegt (immer Risikogruppe 0)

56 Zusammenfassung Blue Light Hazard von Lichtquellen der Allgemeinbeleuchtung geht kein ernsthaftes Risiko für Blue Light Hazard aus Leuchtdichte ist wesentlich bedeutsamer als der Blauanteil Reduzierung von photobiologischen Risiken auf Null durch Vermeidung von Blendung durch diffuse, indirekte Beleuchtung bei hohen Blauanteilen

57 Zusammenfassung LED Lampen und Leuchten bieten mehr Möglichkeiten für sinnvolle und nützliche Anwendungen aber auch mehr Risiken, Fehler zu machen. 1. richtiges Licht zur richtigen Zeit kaltweiß und hell am Tag warmweiß und nur gerade so hell wie erforderlich in der Nacht Dynamischer Wechsel Schichtarbeit braucht spezifische Planung 2. eher flächiges Licht, als sehr helle, blendende Lichtquellen Vermeidung von Direktblendung Vermeidung von Leuchtdichten über cd/m 2 Vermeidung von Leuchtdichten über cd/m 2 wenn im direkten Gesichtsfeld

58 Biologisch wirksame Beleuchtung für Tag und Nacht hohe Beleuchtungsstärken, kaltweiß an Wand und Decke erreichen viele iprgcs indirektes Licht, sichtbare Leuchtdichten Keine Blendung direktes Licht, warmweiß, erreicht nur wenige iprgcs Unterstützung für visuelles System Empfohlen für Abend und Nacht

59 CONFIDENTIAL Vielen Dank. Dieter Lang Corporate Innovation Advanced Technology